圖1  壓力控制回路

圖2  閥位開度計(jì)算算法流程圖

    在該主程序流程圖中，初始化部分主要完成閥門行程時(shí)間的獲取以及各個(gè)所要用到的內(nèi)存單元的復(fù)位。
開閥時(shí)間T₁的計(jì)算由以下具體程序[5]實(shí)現(xiàn)：

    COMM:A     #QLMNUP  //開閥信號(hào)上升沿啟動(dòng)定時(shí)器
       L     S5T#30S
       SP    T      1   //設(shè)定定時(shí)器類型為脈沖定時(shí)器
       AN    #QLMNUP //當(dāng)開閥信號(hào)終止時(shí)復(fù)位定時(shí)器
       R     T      1
       LC    T      1
       BTI  
       T     LW    20
       L     300記下每次在得到全開/全關(guān)
       L     LW    20
       －I   
       T     LW    22
       ITD  
       DTR
       T     LD    24  //讀取定時(shí)器工作時(shí)間并轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)型數(shù)據(jù)
關(guān)閥時(shí)間T2的計(jì)算程序與此類似。在獲得開關(guān)閥時(shí)間T₁、 T₂的基礎(chǔ)之上計(jì)算閥門的開度增量：
       L     LD    12   //該暫存存儲(chǔ)單元存放本次循環(huán)周期內(nèi)的開閥開度增量
       L     #OPN_PST  //上次循環(huán)周期內(nèi)的開閥開度增量
       －R
       T     LD    64   //開閥開度增量
       L     LD    12
       T     #OPN_PST
       L     LD    16   //該暫存存儲(chǔ)單元存放本次循環(huán)周期內(nèi)的關(guān)閥開度增量
       L     #CLS_PST  //上次循環(huán)周期內(nèi)的關(guān)閥開度增量
       －R
       T     LD    72   //關(guān)閥開度增量
       L     LD    16
       T     #CLS_PST

開/關(guān)閥開度增量的周期累計(jì)，再通過一個(gè)積分環(huán)節(jié)，在原有開度的基礎(chǔ)之上得到當(dāng)前的理論開度值。

4  優(yōu)化功能的實(shí)現(xiàn)

4.1  行程時(shí)間的自計(jì)算

    在FB42中，默認(rèn)的MTR_TM（行程時(shí)間）為30秒。可實(shí)際的閥門由于具體的生產(chǎn)廠家、規(guī)格型號(hào)等客觀因素的影響，行程時(shí)間各有不同。從以上所述的計(jì)算算法可以看到，閥門的行程時(shí)間在整個(gè)計(jì)算過程中起到了至關(guān)重要的作用。為此，筆者就在開度計(jì)算前加入了一段計(jì)算行程時(shí)間的程序。其具體的功能實(shí)現(xiàn)為：手動(dòng)設(shè)置QLMNDN為1，直至從LMNR_LS得到閥門全關(guān)信號(hào)，然后設(shè)置QLMNUP為1，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，當(dāng)從LMNR_HS得到閥門全開信號(hào)時(shí)，停止定時(shí)，由此得到的時(shí)間值就是該閥門的行程時(shí)間。

4.2  調(diào)整功能

    一般情況下，由于固態(tài)繼電器以及閥門本身反應(yīng)時(shí)間的影響，閥門不會(huì)很好地跟蹤FB42的開/關(guān)閥信號(hào)輸出，這種誤差經(jīng)過累計(jì)就會(huì)使上述算法計(jì)算得到的理論開度和實(shí)際開度有較大的出入。為了解決這個(gè)問題，就有必要添加自調(diào)整功能。借助電動(dòng)閥門提供的全開/全關(guān)反饋信號(hào)，筆者提出了基于以下思想的自調(diào)整方案：
    (1)  在得到閥門反饋回來的全開/全關(guān)信號(hào)時(shí)，強(qiáng)制把當(dāng)前計(jì)算得到的開度相應(yīng)地置為100.0和0.0；
    (2)  信號(hào)時(shí)，計(jì)算得到的開度和當(dāng)時(shí)的實(shí)際開度（0.0或100.0）的偏移量。該偏移量用于修正下次的理論開度。

4.3  自調(diào)整算法

    為了使計(jì)算得到的理論開度盡可能準(zhǔn)確地和實(shí)際開度保持一致，先從分析控制系統(tǒng)入手。該系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖3所示。

圖3  閥門控制系統(tǒng)的構(gòu)成框圖

    在這個(gè)控制系統(tǒng)中，由于固態(tài)繼電器、閥門本身的動(dòng)作時(shí)間，所以閥門作為一個(gè)被控對(duì)象是具有較為明顯的純滯后特性。理論開度和實(shí)際開度的偏差正是由于這些純滯后所造成的。為此，有必要得到純滯后時(shí)間和偏差量之間的定量關(guān)系。以圖4所示的閥門動(dòng)作過程為例。

圖4  閥門動(dòng)作過程

    其中，T₁是固態(tài)繼電器、閥門得電動(dòng)作的滯后時(shí)間，T₂是固態(tài)繼電器、閥門失電動(dòng)作的滯后時(shí)間，Δk是閥門的靜態(tài)開度偏差量。
在圖4中，可以看到閥門的一次開過程引入的偏差量是：
    (1)
一次關(guān)過程引入的偏差量是：
    (2)
由(1)、(2)式得到了偏差量Δk和純滯后時(shí)間ΔT的關(guān)系表達(dá)式：
(3)
    其中，ΔT=T₂-T₁，m是輸出開閥信號(hào)的次數(shù)，n是輸出關(guān)閥信號(hào)的次數(shù)。假定在閥門全開時(shí)得到的理論開度和實(shí)際開度的差值為Δk，而開/關(guān)閥門信號(hào)的輸出次數(shù)是可以統(tǒng)計(jì)得到的，由上面的關(guān)系式就可以簡(jiǎn)單地整定出一個(gè)ΔT，如此反復(fù)，每次到達(dá)全開/全關(guān)位置時(shí)就整定出一個(gè)新的ΔT，然后在每次閥門的開/關(guān)過程中補(bǔ)償因?yàn)楣虘B(tài)繼電器、閥門動(dòng)作所引入的開度偏差，這樣就保證了理論開度值始終可以跟上實(shí)際開度值的變化。

4.4  算法驗(yàn)證及試驗(yàn)結(jié)果

    注：圖5、圖6中橫坐標(biāo)表示開/關(guān)閥門信號(hào)的輸出次數(shù)之差m-n（次），縱坐標(biāo)表示閥門開度k（%）；
‘*’為未經(jīng)自調(diào)整的閥門實(shí)際開度采樣值，‘o’為未經(jīng)自調(diào)整的閥門實(shí)際理論開度采樣值。

圖5  未經(jīng)自調(diào)整的閥門實(shí)際、理論開度對(duì)比

    為了驗(yàn)證本開度計(jì)算算法以及優(yōu)化功能的正確性，采用了一臺(tái)和無連續(xù)閥位反饋的電動(dòng)閥有同樣控制機(jī)理，而且還有連續(xù)閥位反饋的ZAP-20型電動(dòng)閥門進(jìn)行試驗(yàn)。
    FB42作為閥門的PID控制器，結(jié)合開度計(jì)算程序，在閥門由全關(guān)到全開的過程中依次取樣，其試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。
    由圖5試驗(yàn)曲線通過(3)式可以整定出一個(gè)ΔT≈0.1983s，用它去補(bǔ)償其開度偏差，得到如圖6所示的曲線。
    對(duì)照?qǐng)D5、圖6兩組曲線，可以看到自調(diào)整前的理論開度和實(shí)際開度的偏差較大，并且其值與m-n值之間存在著近似線性關(guān)系。經(jīng)過自調(diào)整后，兩者的偏差明顯減小，理論開度能很好地跟蹤實(shí)際開度。

圖6  自調(diào)整后的實(shí)際、理論閥門開度對(duì)比

5  算法的擴(kuò)展

    該算法具有很好的通用性。針對(duì)僅有兩點(diǎn)（全開、全關(guān)）狀態(tài)反饋的閥門，可以彌補(bǔ)沒有連續(xù)準(zhǔn)確開度反饋的缺點(diǎn)，針對(duì)有連續(xù)開度反饋的閥門同樣也可以起到提高精度的作用。
    將自調(diào)整算法應(yīng)用到有連續(xù)開度反饋的閥門中可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際開度和理論開度之間的偏差不光和ΔT（開關(guān)閥門滯后時(shí)間之差）有關(guān)，更是和閥門本身的精度有關(guān)，精度越高的閥門，其實(shí)際開度跟蹤設(shè)定開度的程度越好，相反地，精度不高的閥門往往因?yàn)殚_度誤差導(dǎo)致工藝質(zhì)量下降，但閥門精度的提高是以犧牲成本為基礎(chǔ)的，本算法就可以通過自調(diào)整程序得到實(shí)際閥門數(shù)學(xué)模型的主要參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)的算法優(yōu)化閥門的開度信號(hào)，從而達(dá)到控制效果的最優(yōu)。

6  結(jié)語

    在深入研究FB42的基礎(chǔ)上，結(jié)合從控制系統(tǒng)的角度分析得到的自調(diào)整結(jié)論，通過具體程序?qū)崿F(xiàn)了無連續(xù)開度反饋電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度計(jì)算算法。該算法經(jīng)調(diào)試已經(jīng)在河北某造紙廠正式投入使用，減輕了調(diào)試和操作的難度和復(fù)雜度，達(dá)到了預(yù)期控制效果。同時(shí)，節(jié)約了成本，拓寬了閥門的使用范圍，具有較高的實(shí)用推廣價(jià)值。