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智能电气调节阀在工业自动化的控制系统中作为一种重要的自动化仪表的执行器被广泛的应用，在国内的石化、冶金和造纸等工业的行业尤其发挥着无法被代替的地位。在工业生产中，在流量方面提出的要求很严格，一方面在精度方面的要求比较高；另一方面在控制的方式上也多种多样，实现工业过程中不同的阀门控制器的控制对调节工业中阀门的静态和动态的特性，以此来保证在工业生产中的不同的介质的平衡力得到有效的控制，同时可有效控制因蒸汽的压力带来的摩擦力增多的问题，以此提高制造的精度，增大相关的控制的灵活性。而通过这种智能的电气调节阀不需要对任何的参数进行人为的重新设置，即可使得很多的流量的特性得到改变。我国工业起步较晚，在这方面智能电气阀门的研究要比国外相对较晚，因此选择合适的调节阀对加强我国工业的生产具有重要意义，同时现阶段在我国市场上比较流行的调节阀大都属于国外的产品，如西门子等国外大型的品牌，他们在中国关于调节阀的市场份额可占到我国的70%以上。而我国现阶段未有属于自主知识产权的调节阀，并且现有的调节阀在工业的过程中的功耗大。因此，研究具有属于自己知识产权的和低功耗的调节阀，对促进我国工业生产的发展具有至关重要的作用，不僅可以使得我国的电气调节阀的赶上世界的设计水平，还可有效的降低我国工业自动化的企业成本。

一、阀门定位器工作原理

阀门定位器作为控制阀的主要的部件之一，其主要起到控制和调节阀门的重要作用。其调节机制是通过将阀杆的位置的移动量反馈给阀门定位器的控制单元，实现了一个控制的闭环，使阀位控制更为精确，其主要的原理为如图1所示：

二、国内外阀门发展历程

阀门定位器的发展经历了由传统到普通，再到现代的区域总线阀门定位器的发展历程。传统的阀门定位器主要以气动的阀门定位器为主，而随着科技的发展，微控处理器的出现，使得将微控处理器应用大阀门控制器中，形成后来的初步的智能阀门定位器，在随着科技的发展和工业控制的进步，现代化的阀门定位器和更先进的智能算法结合起来，可以自己对安装过程中的参数进行设定，这让安装工作变得简单，阀门定位器的投运和维护也更容易，从而形成根据先进和更加灵敏的控制器。

而由于国外的工业革命比较早，经过一段时间的发展和进步，形成了以日本的西门子公司，德国的费希尔一罗斯蒙特在内的先进阀门定位器生产企业，他们的研究成果，代表了未来阀门科技发展的方向，同时他们研制的阀门定位器在我国的市场份额占到我国的半壁江山，并且他们的多个品种系列广泛的被国际社会接受和应用。如Zhong SHH.《Research and Development of HVP SeriesSmart Valve Positioner.》发表的一文中提出，现在的国外已经开始在研究一种仿照人工智能的的智能控制系统，这主要是利用其时变性和非线性的特点。国外已经从智能化走向人工的智力的方向在研究；Shang QL，Jiang P《Research on Intelligent Elec-troPneumaticValvePositioner》文中指出，智能电子在阀门定位器中的应用。通过这种技术的应用，能够实现控制系统的便捷和更加迅捷的智能化，通过对参数的自动调整和设置，减少很多的人工的操作。

我国在阀门的生产方面比较晚，导致我国在阀门生产方面比较落后。随着我国加入WTO后，我国的企业开始大规模的通过引进先进的生产工艺来弥补技术上的差距，同时吸引国外优秀的技术人才来到中国，对阀门定位器的设计进行研发，给我国的阀门定位器的发展的差距大大缩小。我国的研究学者对阀门定位器进行了深刻的研究和分析，并形成了研究理论成果。聂绍忠在其于2009年发表的论文中对智能化的阀门定位器的设计进行了介绍，其采用能够对非线性的和具有时变性的对象进行很好的处理的仿人智能控制方法使用在了阀门执行机构的主要的控制单元智能阀门定位器上，在其应用的过程中，仿人智能控制器能够通过自我检测对控制参数进行调整，并能够辨识出阀门的特征，并通过一定的补偿手段来实现对气体泄漏现象的阻断，论文中体现了仿真结果，这说明了仿人智能算法的可应用性。杨伟清，王化祥在2010年发表的《智能电气阀门定位器的参数自整定》问中介绍了基于HART协议的二线制智能电气阀门定位器的硬件系统和软件设计，重点介绍了系统的参数自整定。通过采用分段线性化的方法对参数自整定过程进行了改进，使系统能够自动辨识优化控制所需的参数，例如对其中的状态参数如气体泄漏量的测量和辨识优化，可以对控制阀的精度和速度起到提高的作用。付健在2013年8月发表的《HVP型智能阀门定位器设计》文中指出，未来低功耗、高可靠性的网络化智能阀门定位器已经成为气动执行器控制调节阀的重要部件。提出一种运用多项自主知识产权的设计方案，并据此开发智能阀门定位器。

三、阀门定位器控制算法研究现状

阀门可以根据驱动方式的不同进行分类，其主要分为三种，其分别是气动、电动和液动阀门。其中在工业中气动阀门的应用范围较大，这是因为其具有较多的优点，例如气动阀门的结构较为简单，同时能够防爆炸和防火，使用起来不需要较高的技术性，操作非常便捷和可靠。本文主要是对气动智能电阀门定位器进行了讨论，其控制算法如下：

（1）常规PID控制。PID控制算法的原理是：控制量的确定是由系统误差及其积分与微分而后再成一个系数得到的结果而确定的，这是当前普遍使用的一种控制算法，但是存在一定的缺陷，例如针对启动执行器的控制，由于其非线性与时变性的特点，控制的精度较低，同时不具备较好的动态性能以及鲁棒性。

（2）基于状态观测的补偿控制。气动执行器存在非线性、时变性、滞后性等缺点，此外，气动执行器执行时会存在一定的间隙和摩擦，这都会对控制的效果产生一定的影响，而通过对气动执行器的状态量进行观测并通过一定的手段对其进行补偿，例如使用摩擦力补偿法来补偿气动执行器的滞后特性，可以实现良好的控制效果。

（3）预测控制。有一些工业生产过程较为复杂，且较难使用精准的数学模型对其进行描述，这种情况下可以使用预测控制算法对其进行控制。现在很多领域例如电力、石油、机械等工业生产过程中使用的控制系统都应用了预测控制算法。预测算法的模型较多，其中有基于模糊推断的气动执行器的预测模型。预测算法也存在一些缺陷，主要体现在其具有较低的控制精度，控制反馈中的反调整方法较为单一等。

（4）滑模控制。滑模控制算法使一种非连续、非线性的控制算法，具有一定的鲁棒特性，其控制的过程是不同控制逻辑的不断的转换的过程，但是使用该控制算法在控制气动执行器时，具有一定的惯性和时间滞后性，这会导致抖振的抑制。（见表1）

四、现场总线技术在阀门定位器中的应用趋势

现场总线技术的发展对推动了智能阀门定位器的不断的进步，其引发了智能阀门定位器控制系统的变革，与传统的控制形式不同的是，其将控制模块、IO模块等功能模块集成到了智能现场设备中，并通过一条通信电缆将智能现场设备、定位器、执行器、测量仪表等连接到了一起，形成了现场总线网络，这样大大增强了智能控制系统的控制时效性，同时也可以实现对不同设备的较为分散的控制。实用了现场总线的控制系统中的现场设备以及一起需要符合规定的总线标准，以实现信号传递的匹配性。现场总线的发展基础是智能仪器的迅速的发展，现在现场总线的类型较多，有HART、PROTIBUS、基金会现场总线等。

HART是一种具有兼容性的现场总线技术方案，其可以实现总线服务的优势，同时能够兼容现在还存在的4-20mA系统，其遵循的协议是HART协议，该协议是一种过渡协议，是将模拟的系统向数字化、信息化进行转换的过程，也因此而具有兼容性。基于HART协议生产的智能仪器的特点是成本低、精度高，同时较容易维护，因此其在市场上应用较为广泛，所占的市场份额也比较大。据推测，在未来的15到20年间，HART协议会一直使用，因此，其应用空间较为广阔。基于HART协议的现场总线与智能数字阀门定位器的结合是未来发展的趋势，但是我国由于工业化进程起步较晚，关于智能阀门定位器的研究也不够多，比之西方国家有一定的落后性，因此，我国应该积极推动相关智能化的产品的研究与生产。