气动调节阀是一种重要的执行器，它是众多的工业过程控制系统装置，尤其是在石化、冶金等工业的流量控制中发挥着不可替代的作用。而气动阀门定位器作为它的主要附件，可以改善阀门特性、提高控制的精度、速度和增加控制的灵活性。

    随着工业的进步，阀门定位器从*初的纯气动、机械力平衡式的，发展到后来的使用电磁转换的电磁阀门定位器，直到今天的智能型和使用现场总线技术的定位器，其总的趋势是电气化、智能化，并且必定要与将来的全数字化工业控制相适应^[1]。为此，我们结合单片机和模糊控制理论知识，对智能电-气阀门定位器进行了研制。

    1 智能阀门定位器模糊控制系统的工作原理

    智能阀门定位器主要是通过微处理器来比较阀门开度的给定值和反馈回来实际值，并利用其偏差信号来控制进入调节阀气动执行机构气室的进气量，从而达到准确控制阀门的开度。其闭环控制系统如图1所示。

    该智能阀门定位器是通过压电阀控制进入调节阀气动执行机构气室的进气量，从而使气室中保持一定的气压以平衡执行机构中的弹簧压力和工作载荷。这里使用的压电阀，其基本原理是依据压电材料的压电效应。用一小片特殊制作的压电陶瓷片，在它两侧加上20~30V电压，压电陶瓷片就会发生弯曲，总的形变量可达几十微米。从而可以堵住/放开进气口或排气口，达到控制气流的目的。

    由于传统的控制算法，需要知道被控对象的精确的数学模型，才能有效地进行控制，而工作载荷是变动的，进入执行机构气室的气压也随环境温度和供气压力的变动而变动，所以很难准确把握一次性进气量，所以控制效果不好。同时，如果控制不好，很容易使气动执行机构处于来回振荡的状态中。因此，考虑到模糊控制具有人的智能思维、适应性好、鲁棒性强等特点，我们在智能阀门定位器的控制系统中把模糊控制理论知识运用到该控制系统中。在该系统中，我们把单片机89C51将采集到的阀门开度与设定值相比较得出的阀门开度偏差u、开度的变化率Δu进行模糊化后，再由模糊控制算法进行模糊推理判断，根据不同的判断结果发出一定宽度的脉冲信号去控制压电阀占空比，即压电阀根据不同宽度的脉冲信号对执行机构的气室进行连续供气、断续供气和停止供气，从而使智能阀门定位器既快又准地控制阀门开度^[5]。

    2 模糊控制理论在模糊控制器中的应用

    考虑到便于在单片机中实现模糊控制，同时考虑算法的实时性，我们采用模糊控制系统中常用的算法：CRI推理查表法^[3]。模糊控制器的设计步骤大体分以下几步^[2]。

    2.1 确定模糊定量

    模糊控制器采用目前广泛使用的二维模糊控制器，即以偏差u和偏差变化率Δu作为模糊控制输入量，这种方式不仅能保证系统控制的稳定性，还可减少阀门开度的调节量和振荡现象，以压电阀的开启时间为模糊控制输出量。

    确定的模糊定量为：A：u为阀门开度偏差；B：Δu为阀门开度偏差变化率；C：c为压电阀的开启时间。

    2.2 精确量的模糊化

    取阀门开度的偏差值u，、阀门开度的偏差值的变化率Δu作为模糊控制器的输入条件。模糊化的具体做法是：先把观测到的偏差或偏差的变化率的范围定为[-6，6]之间的连续量，然后再将这连续的精确量离散化，即将其分成几档。若观测到的实际偏差范围为[a，b]，可按（1）式将[a，b]间变化的变量x转化为[-6，6]之间的变量y。

        （1）

    该系统的实际偏差范围为[0，100]，因此由（1）式可得到。而习惯上把[-6，6]之间变化的连续量离散化，其归并方法见表1。

表1 输入量的离散化

    所以对输入变量u的论域取为：{-6，-5，-4，-3，-1，0，1，3，4，5，6}，其模糊集合记作：T（u）={NB，NS，O，PS，PB}，式中，NB=“负大”，NS=“负小”，O=“零”，PS=“正小，”，PB=“正大”，其输入变量的隶属度如图2所示。

    同样，如果观测到的实际偏差变化率范围为[a，b]，可按（2）式将[a，b]间变化的变量x转化为[-4，4]之间的变量Y。

        （2）

    而将所得到的连续量离散化的归并方法如同表1。因此，对于输入变量Δu的论域取为：{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}，其模糊集合则记作：T（Δu）={NB，NS，O，PS，PB}，其隶属度如图3所示。

    同样，把控制输出量的论域取为：{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}，其模糊集合记作：T（Δu）={NB，NS，0，PS，PB}。其隶属度与图3一样。

    2.3 模糊控制规则及推理

    模糊控制是建立在一系列模糊控制规则基础上的，这些规则是人对被控对象进行控制时的经验总结。在此我们采用应用*多的二维模糊语句，即采用“IF A_i 且B_iTHEN C_i”为模糊控制规则。其中，A_i为偏差u论域上的模糊子集，B_i为偏差变化率Δu论域上的模糊子集，C_i为输出控制量c论域上的模糊子集。根据气体流量的参数特点和现场实际操作经验，总结出模糊控制规则表，如表2所示。

    有了表2所示的模糊控制规则，再根据Mam-dani蕴涵定义[3]，可得出一个三元模糊关系R为：

        （3）

表2 模糊控制规则

    这样对于给定的A^*、B^*的值，通过模糊合成运算可得到模糊输出量C^*=（A^*×B^*）。尺0在求出了输出控制量C^*以后，以隶属度法进行清晰化计算，可以求出C^*对应论域中的隶属度的元素，这个元素就是输出控制的清晰值。

    由于对于输入值A^*在经量化之后，它必定为对应论域中的某个元素。输入值B^*也是如此。因此，为了得到CRI推理的模糊控制查询表，我们把输入变量u的论域{-6，-5，-4，-3，-1，0，1，3，4，5，6}和输入变量Δu的论域{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}的所有可能一一对应作为输入，再依据式C^*=（A^*×B^*）。尺和作清晰化运算求出全部相应的输出清晰值，然后根据这些数据就可以作出输入输出的模糊控制查询表，如表3所示。将此控制表作为文件存储在单片机中，在实际控制时，只要通过对输入量量化和查表两个步骤，就可以得到控制值。单片机再根据不同的控制值，输出不同宽度的脉冲信号，从而实现对压电阀的控制。这种方法简单方便，实时性好。

表3 模糊控制查询表

    3 模糊控制器的实现

    模糊控制器采用以单片机89C51为核心的单片机控制系统。89C51具有片内4K字节的E2PROM和128个字节的RAM。它对采集到的数据进行模糊处理、模糊判断^[4]，并同时将处理的结果输出给固态继电器。固态继电器是一种无触点通断功率型电子开关，当施加触发信号在控制回路（输入端）时，负载回路（输出端）便接通，即压电阀得电并处于导通状态。对信号的采集是通过ADC0808来实现的。ADC0808一方面采集来自调节器的对阀门开度的设定值，一方面采集来自电位器的对阀门开度的实际反馈值。ADC0808把采集的0~+5V的电压信号转换成数字信号，然后传送给单片机89C51，由它来对数据进行处理^[6]。芯片X25045具有电压检测、看门狗和断电保护三种功能。MAX232为标准RS232接口转换芯片，主要完成TTL至RS232电平的转换，为单片机和PC机通信提供通路。这样PC机不仅可以为单片机中的重要数据进行保存和打印，而且可以对单片机采集的数据进行更为复杂的计算处理。模糊控制器系统结构框图如图4。

    4 结束语

    本模糊控制系统不仅实现了对气动调节阀开度的控制，而且相对传统蹬机械力平衡式或位移平衡式的阀门定位器，其响应速度快且定位精度也由传统阀门定位器的±1%提高到了±0.5%。由于本智能定位器能与上位PC机进行通信，所以也为该定位器进行进一步的智能控制，如自调整模糊控制、基于遗传优化算法的模糊控制等奠定了一定基础。

原创作者：浙江金锋自动化仪表有限公司