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申请/专利权人：杭州电子科技大学

摘要：本发明公开了一种智能阀门定位器控制参数动态优化调整的方法，应用在智能调节阀领域。本发明针对带有压电式智能阀门定位器的气动调节阀，通过强化学习网络不断的迭代学习，使闭环控制算法的控制参数自适应调节阀阀体、工作环境等条件的变化，实现控制参数动态优化，控制性能达到最优。本发明提高了控制算法的控制性能与环境变化情况下的自适应能力，同时避免调节阀的停机维护。

主权项：1.一种智能阀门定位器控制参数动态优化调整的方法，其特征在于：具体包括以下步骤实现：步骤A1：通过参数自整定模块整定出所需的控制参数，包括最大过冲量、最小启动PWM、最小位移量与最小速度；步骤A1所述的参数自整定模块获取所需的控制参数，具体实现步骤如下：步骤B1：首先Bang-Bang控制驱动气动调节阀进行排气，直到阀位移动到最低端位置，记录当前位置为零位pos_zero，当录前时刻记为t1；然后Bang-Bang控制驱动气动调节阀进行进气，直到阀位移动到最高端，记录当前位置为满位pos_full，记录当前时刻为t2；气动调节阀实际行程POS_FSR＝|pos_full-pos_zero|，全程调节时间tFSR＝|t2-t1|；步骤B2：控制气动调节阀进行排气，使气动调节阀阀位移动到零位pos_zero；定义位移阈值pos_thr＝0.2％POS_FSR；定义进气阶段最小气动PWM为pwm_for，初始值设置为5％；定义pwm增益步长为pwm_step，设置默认值为pwm_step＝1％；实时采集阀位反馈值pos_val,并判断是否满足|pos_val-pos_zero|＝pos_thr，若不满足，则pwm_for+＝pwm_step,直至|pos_val-pos_zero|＝pos_thr，记录当前PWM为进气阶段的最小启动PWM，记为pwm_for；延迟tdelay后，Bang-Bang控制驱动气动调节阀进行进气，直到调节阀到达满位pos_full，同理自整定获得排气阶段的最小启动PWM，记为pwm_back；其中tdelay为时间，单位为秒，tdelay取值范围为0-10％tFSR；步骤B3：Bang-Bang控制驱动阀位到达pos_zero，延迟tdelay后，以步骤B2自整定获取的pwm_for为PWM控制信号驱动阀杆移动，每采样周期获取当前阀位pos_val,记前一时刻阀位为pos_val_bef,定义当前阀位速度pos_vel＝|pos_val-pos_val_bef|，前一时刻阀位速度为pos_vel_bef；则在PWM＝pwm_for控制信号下，到达阀位最终位置的阀位反馈值记为pos_val_for，则调节阀进气阶段最小速度pos_vel_for_min＝Math.maxpos_vel,pos_vel_bef，最小位移量upmin＝|pos_val_for-pos_zero|；延迟tdelay后，驱动阀位到达满位pos_full，同理自整定获得当PWM＝pwm_back时，排气阶段的最小速度pos_vel_back_min，最小位移量downmin；其中tdelay为时间，单位为秒，tdelay取值范围为0-10％tFSR；步骤B4：驱动阀位到达pos_zero，延迟tdelay后Bang-Bang控制驱动调节阀进气运动，由步骤B3中的定义得调节阀实时阀位速度为pos_vel，实时采集调节阀的当前阀位pos_val，当前阀位速度pos_vel；定义调节阀进气最大速度为vel_up，初始值设置为0，最大速度对应的位置pos_up_max，如果pos_vel大于vel_up，则vel_up＝pos_vel，pos_up_max＝pos_val，直到阀位到达满位pos_full；延迟tdelay后，驱动阀位到达满位pos_full，同理自整定获得排气阶段最大速度vel_down,最大速度对应的位置pos_down_max；其中tdelay为时间，单位为秒，tdelay取值范围为0-10％tFSR；步骤B5：驱动阀位到达pos_zero，延迟tdelay后，Bang-Bang控制驱动调节阀进气运动，实时采集当前阀位pos_val，当阀位到达步骤B4获得的最大阀速位置pos_up_max时，令PWM＝0，直至调节阀停止移动，并记录当前阀位pos_val，则进气阶段最大过冲量δup＝|pos_val-pos_up_max|；延迟tdelay后，驱动阀位到达满位pos_full，同理自整定获得排气阶段最大过冲量δdown；其中tdelay为时间，单位为秒，tdelay取值范围为0-10％tFSR；步骤A2：根据调节阀误差信号与控制参数将控制过程划分为快速区、微调区与缓冲区，进行调节阀闭环控制；若闭环调节阀时间大于最大闭环调节时间阈值，则中断控制，并故障报警处理；步骤A2所述的闭环控制具体实现策略：步骤C1：用户给定目标阀位控制信号Ictr，记录目标控制信号的当前给定时刻为tctr；由步骤B1可知零位pos_zero，满位pos_full,定义目标阀位其中Ictr为电流，单位为mA，Ictr取值范围为4-20mA；步骤C2：实时采集当前阀位为pos_val，目标阀位pos_tar，阀位误差e＝pos_tar-pos_val，绝对误差e_abs＝|pos_tar-pos_val|；根据阀位误差e将调节阀控制过程分为进气阶段与排气阶段，e0,则为排气阶段，e0，则为进气阶段；根据绝对误差将控制过程分为快速区、微调区、缓冲区，各控制阶段的切换点为步骤A1自整定获得，其中最大过冲量δup、δdown为快速区与微调区的切换点，最小位移量upmin、downmin为微调区与缓冲区的切换点，定义调节阀死区范围dead为-0.02POS_FSR≤dead≤0.02POS_FSR；步骤C3：当调节阀绝对误差e_abs≤0.02POS_FSR，则令PWM＝0，保持调节阀阀位稳定在目标位置；步骤C4：当e_abs＞δup，则令当e_abs＜-δdown，则令其中pwm_for、pwm_down为步骤B1自整定获得的最小启动pwm；步骤C5：当e_abs＜δup或e_abs＞-δdown时，则进入微调区；当阀位速度小于步骤B3自整定获得的最小速度时，当e_abs＜δup，令PWM＝pwm_for+αpwm_temp，其中pwm_temp＝0.5pwm_for，当e_abs＞-δdown，令PWM＝pwm_down+αpwm_temp，其中当阀位速度大于最小速度时，令PWM＝0，直到绝对误差进入缓冲区；步骤C6：当e_abs＜upmin或e_abs＞-dowmmin，则令PWM＝0，使阀位利用自身惯性进入死区，从而到达目标阀位；步骤C7：实时记录当前时刻为tnow，若tnow-tctr＞3tFSR则中断闭环控制，故障报警；否则，判断阀位绝对误差e_abs是否到达死区，若e_abs≤0.02POS_FSR，则进入步骤C3，若e_abs≥0.02POS_FSR，则进入步骤C4～C6；其中tFSR由步骤B1获得的全程调节时间，3tFSR为闭环调节时间最大阈值；步骤A3：在调节阀运行期间通过在线学习调节阀的动态响应指标，若调节阀响应指标不满足规定值，则基于强化学习网络进行控制参数的动态优化，实现调节阀的最优控制；步骤A3强化学习网络的控制参数动态优化具体实现：压电式智能阀门定位器控制气动调节阀运动，获取气动调节阀响应指标：阀位误差、最大超调量、调节时间等，将其作为强化学习网络的状态输入；其中阀位误差e＝pos_tar-pos_val；最大超调量其中pos_val_max为阶跃响应阶段的最大阀位值；调节时间满足|pos_valts-pos_tar|≤0.02POS_FSR，其中ts为调节时间，pos_valts表示ts时刻调节阀阀位值；智能阀门定位器产生阶跃控制信号驱动气动调节阀运动，则记录当前时刻状态St，St∈S，其中{e，σ％，ts}∈St，S为状态集合；强化学习网络根据当前时刻状态St产生动作At：πa|s；其中策略π表示强化学习网络状态到动作的选择概率之间的映射，πa|s表示当St＝s时，At＝a的概率，其中St为当前时刻状态，At为强化学习网络在状态St下的动作输出，即步骤A2所涉及到的闭环控制策略的控制参数，进气阶段{pwm_for,pos_vel_for_min,upmin,δup}∈At，排气阶段{pwm_back,pos_vel_back_min,downmin,δdown}∈At，At∈A，A为动作集合，其中，当前状态St仅与前一个状态St-1和前一个动作At-1有关；在当前状态St，产生动作At，并产生奖励rs,a,计算奖励函数Rt： 其中Rt表示当前奖励，为奖励集合，s′,s∈S，a∈A，St-1表示前一刻状态，At-1表示前一刻状态下产生的动作；具体奖励函数设计为： 其中e表示调节阀误差值，POS_FSR为调节阀实际行程范围，当误差值小于死区0.02POS_FSR时，获得奖励值由调节时间ts与超调量σ％决定，当ts、σ％越小，则奖励值越大；当误差值0.02POS_FSR＜|e|≤0.15POS_FSR时，所获得的奖励值随着误差的增大而减小；当误差值|e|＞0.15POS_FSR时，奖励值为负值；强化学习网络通过奖励进行迭代学习，不断调整强化学习网络参数，使得奖励Rt达到最大值；根据气动调节阀的响应指标，输出相应的动作，从而更新智能阀门定位器控制算法中的控制参数，通过强化学习网络不断的迭代学习，使整个过程中的奖励最大，进而得到闭环控制策略的最优控制参数；当调节阀的运行环境或自身状态发生变化时，通过强化学习网络实现闭环控制策略中控制参数的动态优化，增强闭环控制策略的自适应性，最终使闭环控制算法达到最优控制。

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百度查询： 杭州电子科技大学 一种智能阀门定位器控制参数动态优化调整的方法