基于LoRa技术的液压阀门阀位开度控制方法研究.pdf

基于LoRa技术的液压阀门阀位开度控制方法研究液压气动与密封/2 0 2 4 年第3期doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.03.004黄杉,张菲，张长赫，姜帅，赵天慧（国家管网集团北方管道有限责任公司，河北廊坊0 6 5 0 0 0）摘要：受液压阀门工作状态推力扭矩转换关系的影响，导致阀位开度控制偏差较大。为提高阀门阀位开度的控制精度，提出基于LoRa技术的液压阀门阀位开度控制方法。根据液压阀门的具体结构分析阀门开度控制时的影响因素，以此确定了当前阀门的工作状态,基于分析结果,结合LoRa技术设计用于阀位开度控制的自动化控制方法，确定阀位开度控制流程,基于PI 控制原理完成构建模型中的开度控制器设计，并在其中引入OF控制器实施修正PI开度控制器的控制偏差，以此实现液压阀门阀位开度自动化控制。实验结果表明，使用该方法开展阀位开度控制时，控制效果好、性能高。关键词：LoRa技术；液压阀门;阀位开度;PI控制原理中图分类号：TH137;TP275Abstract:Due to the influence of the thrust torque conversion relationship of the hydraulic valve working state,the valve position openingcontrol deviation is large.In order to improve the control accuracy of valve position opening,a control method of hydraulic valve positionopening based on LoRa technology is proposed.Based on the specific structure of hydraulic valve,the influence factors of valve opening controlare analyzed,and the current working state of the valve is determined;Based on the analysis results and LoRa technology,the automaticcontrol model for valve position opening control is established,and the valve position opening control process is determined;Based on the PIcontrol principle,the opening controller design in the construction model is completed,and the OF controller is introduced to correct the controldeviation of the PI opening controller,so as to realize the automatic control of the hydraulic valve position opening.The experimental resultsshow that the control effect is good and the performance is high when using this method to control the valve position and opening.Key words:LoRa technology;hydraulic valve;valve position opening;PI control principle0引言为解决我国不同区域能源运输过程中出现的运输效率问题，国家提出管道运输 1-2 模式，确定能源输送路径铺设管道，实现能源的传输。这一运输方式的提出,不仅有效提高了能源的传输效率,还能够更大程度地缩减运输成本。管道运输过程中，液压阀门作为控制能源安全输送的关键部件，在整个管道输送过程中起到的作用尤为重要，而阀位开度控制作为整个阀门收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 6基金项目：河北省自然科学基础研究计划项目（2 0 19 JX-434）作者简介：黄杉(19 8 9-）,男，江西宜黄人，工程师，本科，研究方向：仪表自动化控制。18文献标志码：AResearch on Control Method of Hydraulic Valve Position OpeningBased on LoRa TechnologyHUANG Shan,ZHANG Fei,ZHANG He,JIANG Shuai,ZHAO Tian-hui(Pipechina North Pipeline Company,Langfang 065000,China)文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 3-0 0 18-0 5题展开了研究。文献 3 方法基于管道的传输动态以及传输过程，建立管道阀门结构模型，再将温度偏差作为输人向量，设计控制器，以及PID控制算法，结合Q学习算法对PID 控制算法实施参数整定,最后通过PID控制算法以及设计的控制器实现对阀门的开度控制。文献 4 方法将无刷直流电机作为阀门的驱动部件，将阀门的电流、转速以及阀门开度作为控制目标，建立阀门开度控制系统,改进PID算法结合数字信号处理器完成对阀门的阀位控制。文献 5 方法将阀位开度控制分成设计PI控制器和控制环节两个部分，过程中将最小偏差作为目标函数，基于传输管道的流量约束以及速率约控制系统核心，对其实施必要的阀门阀位开度控制，成为管道运输行业呕待解决的问题，相关学者对这一问Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024束结果,建立阀位开度控制模型,最后通过建立的控制不确定性的情况下，对阀门抗力应力状态展开计算。模型结合PID控制算法实现阀门的开度控制。设定液压阀门材料为碳素钢材料，且材料性能系上述方法在阀位开度控制时，受液压阀门工作过数服从正态分布，屈服极限为2 34 MPa，阀门允许应力程的当前应力状态影响，导致阀门阀位控制效果较差。为 A。,以此获取液压阀门工作状态的结构实际抗力为优化液压阀门阀位控制效果,提出基于LoRa 技术的应力值,过程如式(1)所示：液压阀门阀位开度控制方法研究。A。=A,B m式中,A液液压阀门结构实际抗力应力值1液压阀门运行状态分析与判定一常数在液压阀门阀位开度控制时，若不能及时获取阀BM一一阀门材料性能系数门抗力应力以及阀芯的荷载应力状态特征，会直接影2）荷载应力特征提取响后续液压阀门开度控制精度，因此在开展液压阀门根据上文的结构分析可知,由于液压阀门中,螺栓阀位开度控制前，需要对液压阀门工作过程的当前应与液压阀阀芯互相连接，阀门工作时，螺栓所受的力实力状态展开分析，完成特征提取。质上就是阀芯的液动力。当阀门阀位的开度为最大值1.1液压阀门结构分析时,所遭受的阀门液动力也为最大。开展液压阀门 6 阀位开度控制时，选取石油管道液压阀门荷载应力分析实质上就是在阀门中基于阀门工作的最大荷载值对阀门荷载应力展开具体分液压阀门为控制目标,具体液压阀门结构如图1所示。端盖阀芯阀体螺栓圆柱销图1液压阀门结构图分析图1可知，液压阀门工作时，根据步进电机和螺套实施键固连，再通过电力带动螺套旋转，将螺栓与圆柱销固连，阀位与阀芯固连，最后根据螺栓螺套的角度转换使阀位阀芯出现位移，从而根据对阀芯的位移值控制，实现阀门阀位的开度控制。1.2液压阀门应力状态特征提取基于上述的液压阀门结构,明确了阀门工作状态推力扭矩转换关系。在阀门上建立阀门极限状态函数,将阀体损坏、磨损作为阀门失效指标，将阀门工作时的受力条件作为响应系数，以此分析液压阀门工作状态下抗力应力以及负荷应力影响情况。1）抗力应力特征提取由于液压阀门工作过程的结构抗力受阀门本身材料以及几何不确定性影响，所以分析阀门抗力应力时，将阀门中螺栓螺套设定为标准件，只在考量阀门材料(1)析。设阀门的阀位开度为Z7,管道供油压力为q。，以此获取液压阀门阀位工作时的稳态液动力，过程如式(2)所示：限位结构式中，W。一获取的阀门阀位稳态液动力y、一阀位的位移限位栓塞IL阀门的负载压力基于上述计算结果，在式中加人空载液动力刚度阀位系数,并设定阀门的螺纹受力面积为,以此获取阀门螺套在工作状态的荷载应力值,过程如式(3)所示：电机支架,W,=Zq.yv=XroyvAWZq.yvSa=a式中,W一阀门在液动力控制状态下的稳态液动力Xfo一一空载液动力刚度系数液压阀门工作状态的荷载应力D一一螺栓外部大径d一一内部小径2设计液压阀门阀位开度自动化控制方法2.1控制流程设计基于上述获取的抗力应力值以及负荷应力值分析结果，建立液压阀门的状态功能函数，并根据建立的功能函数,在阀位开度控制前,实时获取阀门的工作状态,过程如式(4)所示：19W,=Z(q.-qL)yv(D?-d)(2)(3)式中，X一一传输管道目标油位液压气动与密封/2 0 2 4 年第3期E=BmA,/S.-W,XuXAywy(D?-d)式中，E一一阀门功能函数XA结构几何不定系数yvqw一一阀位的期望位移值基于液压阀门工作状态分析结果,结合LoRa技术建立液压阀门阀位开度自动化控制模型 8 。LoRa技术实质上就是一种低能耗的远距离无线电技术，该技术能够在低能耗条件下对信息实施远距离传输。过程中只要在建立的控制模型中嵌入LoRa芯片模块,即可快速实现数据的组网配置传输。因此在建立液压阀门阀位开度自动化控制模型时,需要基于LoRa技术建立模型传输模块。液压阀门阀位开度自动化控制具体过程如图2 所示,基于图2 可知，当获取液压阀门工作状态后，将其作为阀门工作初始状态，通过对输送管道的流量变化观察结果获取相关数据，并通过LoRa通信芯片实施数据传输开展阀门的非恒定流模拟,制定阀位开度控制过程目标函数,结合设计的控制器，完成液压阀门阀位开度自动化控制。非恒定流模拟制定控制目标函数图2 液压阀门阀位开度自动化控制过程2.2PI控制器设计设计液压阀门阀位开度控制器时，以PI控制器 9-10 为基础,引人OF控制器对阀位控制过程优化，从而有效控制管道石油输送过程中阀位开度大于目标函数值。建立的自动化开度控制模型在应对阀门阀位开度控制时,若阀位偏差控制目标较小，则需要采用增量式的PI控制器，对阀位的实时油位波动展开控制，根据反馈环节生成阀门上游端阀位调节时间增量，从而将控制目标稳定。设管道实时油位为Xr，比例系数为8。，以此获取阀门上游阀位流量调节时段增量系数值P,结果如式(5)所示：AP=8,E(X-X,)+S;20(4)LoRa管道流量通信芯片输送变化是否达到否控制器目标？是Y稳定输送8;一积分系数基于式(5)的计算结果获取阀门的阀位开度,从而建立阀门阀位开度目标函数,结果如式(6)所示：AH=f(P,I,H)式中，H一阀门阀位开度目标函数I 一一阀位内外的油位偏差H一一阀门的当前阀位开度2.3（OF控制器设计当通过建立的阀位开度自动化控制模型实施阀位开度控制时，若任意管道油位偏离控制目标时,则需要通过OF控制器对PI控制的阀位开度实施调整,通过联合调度缩减油位输送时的开度偏差。将液压阀门的油位波动最大值作为开度目标函数，获取OF控制器的最佳目标函数以及约束条件,过程如式(7)所示：M=min(AH|Piu-Poi)rQt.,0 Q1,Qu+1,iH,HamxiV;Umaxi获取液压阀式中，M一一开度目标函数门初始状态中i阀位前模拟油位Poit一管道末端油位开度调整控制Q.0初始流量Q一管道在i阀门上游在1时段的流量Q.1.1+1时段的管道流量H,一第i个管道的阀位开度Hm一最大阀位开度maxiu:一控制器调节速率Umaxi一速率上限OF控制器完成设计后,利用遗传算法 1-12 对控制器实施求解，求解流程包括基因编码、种群初始化、目标函数计算以及子代种群生成几个部分，过程中将允许偏差作为种群终止条件，获取符合约束条件的求解域目标最佳值，并将其作为开度调度目标展开开度调度,修正PI控制器的开度控制结果。控制器求解流程如下：步骤1:基因编码,将石油输送管道液压阀门过阀流量Q；作为基因,生成长度为N的染色体。步骤2:种群初始化,确定染色体的编码规则以及T=0(XT-X,)dT(6)(7)管道流量状态，随机选取若干染色体，形成父带种群。(5)步骤3：目标函数求解，对上述建立的阀位调节目所提方法Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024标函数实施求解计算,并结合非恒定的流量模拟获取相接近,而其他两种方法控制后测试出的流量与期望种群的目标函数,并一一记录所对应的种群个体流量之间存在较大差距。这主要是因为所提方法在阀编号。位开度控制前,对阀门开度控制的影响因素展开了具步骤4：种群交叉变异处理，完成种群个体编号后，体分析,所以该方法在阀位开度控制后,能够将阀位经采用最小允许偏差对编码个体实施辨识，找出种群中流流量与期望流量接近，由此可证明所提方法在阀位最佳个体实施变异交叉处理，结合上述建立的约束条开度控制时，具备有效性。件对种群实施约束限制，从而生成新种群个体，获取最7F佳控制器调度系数完成控制器求解，实现PI控制的阀位开度控制偏差修正。步骤5：自动化控制，将设计的控制器运用到建立的阀位自动化控制模型中，通过模型运行流程实现对管道液压阀门阀位的开度自动化控制。3实验结果分析3.1实验准备为了验证上述液压阀门阀位开度控制方法的整体有效性，选取薄膜式液压控制阀为测试对象，分别采用基于LoRa 技术的液压阀门阀位开度控制方法研究（所提方法）、基于Q学习的供热末端自适应PID控制算法（文献 3 方法）、南水北调中线工程封冻期闸门群开度控制器改进设计（文献 5 方法)测试,测试目标如图3所示。图3测试目标3.2实验结果及分析基于选取的液压阀门测试目标,采用3种阀门开度控制方法展开管道输送过程的液压阀门阀位开度控制,以此验证上述3种方法的控制有效性。1）阀门阀位流量测试使用所提方法、文献 3 方法以及文献 5 方法开展阀门开度控制时，对上述3种控制方法完成控制后的阀门流量值展开测试，测试结果结果如图4所示。分析图4 可知，利用上述3种方法完成阀门开度控制后,所提方法测试出的阀门经流流量与期望流量51013579111315控制时间/min图4 不同方法控制后的阀门经流流量测试结果2）开度控制偏差测试采用所提方法、文献3 方法以及文献5 方法开展阀门阀位开度控制时，对上述3种控制方法完成控制后的控制偏差展开测试，测试结果结果如表1所示。表1不同方法开度控制后的控制偏差测试结果刻度区域控制偏差测试结果/%测试次数所提方法文献 3 方法文献 5 方法0:开100%80%50%30%0%S:关期望值一0-文献 3 方法一个一文献 5 方法500.0001000.0001500.0122000.0192500.0253000.0333500.0404000.0604500.0885000.110分析表1可知,开展阀门开度控制时,所提方法测试出的控制偏差要低于其他两种方法测试结果。其中,文献 3 方法在利用Q学习算法对PID控制算法实210.0000.0100.0150.0230.0300.0390.0440.0690.0910.1410.0050.0120.0160.0280.0350.0460.0580.0790.1320.155液压气动与密封/2 0 2 4 年第3期施参数整定时存在偏差,所以该方法在阀位开度控制时,控制偏差略高于所提方法控制结果；文献 5 方法在建立开度控制模型时未能考虑管道阀门运行状态给阀门开度控制带来的影响,所以该方法在开度控制时，控制偏差较大；而所提方法在开展阀位开度控制时,不仅充分考量了阀门状态影响因素，还在阀位开度控制时，引人OF控制及时修正PI控制器在开度控制过程中出现的控制偏差,所以该方法在液压阀门阀位开度控制时，控制精度高。3）控制性能测试采用上述3种方法完成开度控制后，对控制后的管道压强展开测试，以此验证不同方法在开度控制后的控制性能。测试结果如图5 所示。期望压强值一6文献 3 方法一文献 5 方法一一4020-2510图5 不同方法控制后管道压强测试结果分析图5 可知,开展阀位开度控制后,所提方法测试出的管道压强值与期望压强相接近，,而文献 3 方法以及文献 5 方法完成开度控制后测试出的管道压强与期望压强之间存在较大差距。由此可知,所提方法在开展运输管道液压阀门阀位开度控制时,该方法的控制性能好。4结论针对液压阀门阀位开度控制效果较差的问题，提出基于LoRa技术的液压阀门阀位开度控制方法。该方法基于对影响阀门开度控制的影响因素展开了具体分析,并基于分析结果建立阀位自动化控制模型，再对模型中的控制器展开设计，最后基于设计的自动化控制模型,实现对阀位开度的精准控制。测试结果表明，该方法具有较好的液压阀门阀位控制效果，控制性能较好。但是该方法由于在设计OF控制时,制定的约束条件不完善，所以今后会针对该项缺陷继续优化该控制方法。参考文献1龚，孟维军，陈晓祥.陆上油气管道运输改造工程的施工管理策略研究 J.工程抗震与加固改造,2 0 2 1,4 3（1）：175 176.2朱振宇，侯磊，徐磊.基于混合模型的原油管道运行电耗预测研究 J.计算机仿真，2 0 2 2,39（9）：5 19-5 2 4,5 31.3段中兴,赵莎,马祥双.基于Q学习的供热末端自适应PID控制算法 J.计算机测量与控制,2 0 2 0,2 8（6）：8 0-8 5.4任璟燚,张莉萍,申景双,等.基于DSP的阀门开度控制系统设计 J.传感器与微系统,2 0 2 2,4 1（9）：7 3-7 6.所提方法5刘孟凯,关惠，郭辉，等.南水北调中线工程封冻期闸门群开度控制器改进设计 J.农业工程学报，2 0 2 0,36（17）：90-97.6张超,周雷，赵聪，等.轻量节能型液压阀块设计与增材制造 J.机械工程学报,2 0 2 1,5 7（2 4）：12 3-131.7邹鹏飞，宫玉洁.提高热轧带钢宽度控制精度的方法与研究 J.中国金属通报，2 0 2 2（10）：8 0-8 2.15202530控制时间/min358郝军.基于数学计算的自动化控制模型设计 J.粘接，2022,49(8):170-173.9 李庚达,林忠伟,陈振宇,等.大型风电机组的模糊增益调度PI控制器设计 J.中国电力,2 0 2 0,5 3（6）：10 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