專利名稱：一種壓電開關(guān)式閥門定位器控制方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣動調(diào)節(jié)閥領(lǐng)域，為一種智能電氣閥門定位器控制方法與系統(tǒng)，特別 是一種以超低功耗單片機(MCU)為核心、帶反向PWM(脈沖寬度調(diào)制)的五步開關(guān)法與參數(shù) 自整定相結(jié)合的壓電開關(guān)式閥門定位器方法與系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著化工、冶金、電力和制藥等行業(yè)的快速發(fā)展，對整個過程控制中的重要部 件——氣動調(diào)節(jié)閥提出了更高的要求。閥門定位器作為氣動調(diào)節(jié)閥的大腦，對整個調(diào)節(jié)閥 的控制性能和現(xiàn)場功能起著決定性的作用。它根據(jù)控制信號(如4 20mA直流信號)與 閥位反饋信號之間的偏差大小，控制著進(jìn)入執(zhí)行機構(gòu)氣動信號的大小，從而改變氣動調(diào)節(jié) 閥閥門的開度，控制生產(chǎn)裝置的介質(zhì)流量達(dá)到預(yù)定值。最初的閥門定位器誕生于20世紀(jì)40年代，它利用機械力平衡式原理，通過改變噴 嘴與擋板之間的距離，改變噴嘴壓力，為一種完全氣動式的閥門定位器。它利用力平衡原 理，調(diào)試過程需要反復(fù)調(diào)節(jié)彈簧、螺釘、凸輪等部件，且使用過程中易磨損，精度不高；之后 出現(xiàn)了電氣閥門定位器定位器，其輸入為4 20mA電流信號，通過電氣I/P轉(zhuǎn)換變?yōu)闅鈩?信號驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，使用過程可動部件少，提高了使用壽命與控制精度。根據(jù)電氣I/P轉(zhuǎn)換 單元的不同，電氣閥門定位器可以分為電磁式與壓電式兩種，在壓電式中又分為壓電開關(guān) 式和壓電比例式。由于壓電開關(guān)式閥門定位器采用內(nèi)阻極高的壓電陶瓷材料，功耗極小，在 組成本安防爆結(jié)構(gòu)時比較有利，因此廣受青睞。閥門定位器從最初的純氣動機械力平衡式結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)展到電磁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的電氣 閥門定位器，再到如今具有參數(shù)自整定、故障診斷、數(shù)據(jù)通訊等功能的智能電氣閥門定位 器，其每個結(jié)構(gòu)單元、功能單元均經(jīng)歷了較大的改進(jìn)，但總的趨勢是電氣化、智能化，并且必 將與全數(shù)字化工業(yè)控制相適應(yīng)。目前國際上比較主流的智能閥門定位器以德國西門子公司 生產(chǎn)的壓電式SIPART PS2系列和美國費希爾-羅斯蒙特公司生產(chǎn)的噴嘴擋板式DVC500、日 本山武公司生產(chǎn)的噴嘴擋板式SVP300系列為代表，三者占據(jù)了全球大部分的市場。在壓電開關(guān)式電氣閥門定位器的控制過程中，由于氣源壓力、負(fù)載大小、安裝角 度、閥門磨損狀況等因素的影響，使得被控參數(shù)具有時變、非線性、大滯后以及不確定等特 性，很難有效構(gòu)造控制系統(tǒng)模型。為此，人們提出了五步開關(guān)法控制壓電開關(guān)式閥門定位 器。其原理簡單、擴(kuò)展方便，也易于系統(tǒng)實現(xiàn)。但是，普通的五步開關(guān)法在閥門非線性特性 比較嚴(yán)重時，不同的目標(biāo)位置調(diào)節(jié)時間差距較大；當(dāng)閥門氣缸體積較小，運行速度較大時， 容易造成很大的超調(diào)甚至振蕩。因此，本發(fā)明在五步開關(guān)法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)(1)通過參 數(shù)自整定，尋找最佳定位速度，從而獲得不同目標(biāo)位置處的最佳PWM占空比，解決非線性特 性嚴(yán)重時，不同目標(biāo)位置調(diào)節(jié)時間差異較大的問題；( 提出帶反向PWM的五步開關(guān)法，通 過反向PWM降速，降低在微調(diào)區(qū)間的閥位速度，使閥位平緩地進(jìn)入死區(qū)，有效地減小系統(tǒng)超 調(diào)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是(1)根據(jù)五步開關(guān)法，在誤差比較小時，使用正向PWM微 調(diào)，那么，PWM占空比選擇的合適與否，直接影響到閥門定位器的到位速度與穩(wěn)定性。如果 PWM占空比過大，很容易造成超調(diào)甚至振蕩；反之，則調(diào)節(jié)時間較長。因此，如何控制閥位較 快和較穩(wěn)地進(jìn)入死區(qū)，獲得較好的控制精度與穩(wěn)定性是本發(fā)明要解決的一個問題。(2)現(xiàn)場 實際使用的氣動執(zhí)行機構(gòu)種類繁多，根據(jù)動作角度不同，可以分為直行程類型與角行程類 型；根據(jù)運行特性的不同，可以分為線性類型、拋物線類型和快開類型；另外，不同廠家生 產(chǎn)的執(zhí)行機構(gòu)也有所區(qū)別。總之，不同種類的執(zhí)行機構(gòu)特性差距很大，即便是同一廠家生產(chǎn) 的同一型號的執(zhí)行機構(gòu)，由于每個執(zhí)行機構(gòu)所帶負(fù)載材料的不同，工人安裝時的角度、力度 不同，特性差別也較大，如何找到一個統(tǒng)一的算法，普遍適用于多種負(fù)載、多種類型、多個廠 家的執(zhí)行機構(gòu)，是目前亟需解決的一個難題，也是本發(fā)明要解決的另外一個問題。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下
壓電開關(guān)式閥門定位器控制系統(tǒng)由4 20mA電流源、I/V變換電路、電壓變換模塊、控 制信號放大濾波電路、反饋信號放大濾波電路、2片外部ADC (模數(shù)轉(zhuǎn)換器)、超低功耗單片 機(MCU)(例如，美國TI公司生產(chǎn)的MSP430系列單片機)、液晶鍵盤模塊、EEPROM (只讀存 儲器)、無源晶體、壓電閥驅(qū)動放大電路組成。外部輸入4 20mA電流作為控制信號，同時為整個系統(tǒng)供電，構(gòu)成兩線制低功耗 系統(tǒng)。4 20mA電流通過I/V變換轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后，通過電壓變換模塊變換后，為控 制信號調(diào)理電路、MCU以及壓電閥驅(qū)動電路等供電。同時，4 20mA控制信號通過I/V變換 轉(zhuǎn)換成較小的電壓信號，通過放大、濾波處理后，由外部ADC采樣和轉(zhuǎn)換，并通過SPI通信接 口傳送給MCU。閥位反饋信號通過放大、濾波處理后，由另外一片ADC采樣和轉(zhuǎn)換，然后，通 過另一個SPI通信接口傳送給MCU。MCU采用帶反向PWM的五步開關(guān)法，對給定值和反饋值 進(jìn)行處理，控制4路PWM波輸出，驅(qū)動壓電閥。當(dāng)誤差絕對值較大時，輸出連續(xù)的控制量，即 正向Bang-Bang控制(以下簡稱B-B控制)；當(dāng)誤差絕對值較小，而誤差變化率較大時，采 用反向PWM控制；當(dāng)誤差絕對值較小，誤差變化率也較小時，采用正向PWM控制；當(dāng)誤差進(jìn) 入死區(qū)時，若誤差變化率較大，采用反向PWM控制，若誤差變化率較小，控制量為零。當(dāng)氣動調(diào)節(jié)閥安裝在管道上后，通過長按按鍵2秒鐘，使壓電開關(guān)式閥 門定位器開始工作，首先進(jìn)入?yún)?shù)自整定程序。自整定步驟主要分為以下四步 (1)通過控制進(jìn)氣和排氣方式，測量某段時間內(nèi)反饋值的變化，得到行程類型，確 定執(zhí)行機構(gòu)運動方向與壓電閥驅(qū)動真值表之間的關(guān)系。( 根據(jù)整定得到的行程 類型，控制閥門定位器以全開的方式從底端運行到頂端，測量上升過程最大速度 ^、最大速度位置￡#、調(diào)節(jié)時間‘以及頂端位置和底端位置Ifeftrai ,再控制閥位從頂 端位置運行到底端位置，測量下降過程最大速度f^w、最大速度位置、《^以及調(diào)節(jié)時間
,其中，調(diào)節(jié)時間為閥位從10%FSR(滿量程范圍)位置上升到90%FSR位置的時間， & 為閥位從90%FSR位置下降到20%位置的時間。(3)根據(jù)端點位置、最大速度和最大速 度位置，控制閥門定位器以全開的方式從端點運行到最大速度位置處；當(dāng)閥位到達(dá)最大速 度位置處，控制閥位保持，測量最大過沖量、,其中，最大過沖量為閥位最大速度位置
5到停止位置之間的位移量。(4)定義最佳定位速度「= Δι> ,其中，T為控制周期，M為單位
周期內(nèi)閥門位置的期望變化量；定義最佳占空比為閥位平均速度V P時對應(yīng)的PWM占空
比。本發(fā)明中最佳占空比的尋優(yōu)算法為首先，在某固定PWM占空比控制量狀態(tài)下，以斷續(xù) 的方式控制閥位從目標(biāo)位置-2. 5%FSR位置處運行到目標(biāo)位置+2. 5%FSR位置處，計算目標(biāo) 位置士 2. 5%FSR內(nèi)的平均速度V。若廠<歹，則以10/100的幅度增加PWM占空比，繼續(xù)控
制，并測量此時的平均速度V ;若廠> F ,則以10/100的幅度減小PWM占空比，繼續(xù)控制；假
設(shè)P麗占空比為Dl時，平均速度打>尹，而PWM占空比為D2時，平均速度Γ2 <F,就開始
折半查找，設(shè)置PWM占空比為￡)2+5/100,繼續(xù)控制，測量此時的平均速度Γ3。若F3SF, 通過分段線性化，取最佳占空比D為
權(quán)利要求
1.一種壓電開關(guān)式閥門定位器控制方法與系統(tǒng)，由4 20mA電流源、I/V變換電路、電 壓變換模塊、控制信號放大濾波電路、反饋信號放大濾波電路、2片外部ADC、超低功耗單片 機、液晶鍵盤模塊、EEPR0M、無源晶體、壓電閥驅(qū)動放大電路組成，其特征是外部輸入4 20mA電流作為控制信號，同時為整個系統(tǒng)供電，構(gòu)成兩線制低功耗系統(tǒng)；4 20mA電流通過 I/V變換轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后，通過電壓變換模塊變換后，為放大濾波電路、單片機以及壓 電閥驅(qū)動電路等供電；同時，4 20mA控制信號通過I/V變換轉(zhuǎn)換成較小的電壓信號，通過 放大、濾波處理后，由外部ADC采樣和轉(zhuǎn)換，并通過SPI通信接口傳送給單片機；閥位反饋 信號通過放大、濾波處理后，由另外一片ADC采樣和轉(zhuǎn)換，然后，通過另一個SPI通信接口傳 送給單片機；單片機采用帶反向PWM的五步開關(guān)法，對給定值和反饋值進(jìn)行處理，控制4路 PWM波輸出，驅(qū)動壓電閥；當(dāng)誤差絕對值較大時，輸出連續(xù)的控制量，即正向B-B控制；當(dāng)誤 差絕對值較小，而誤差變化率較大時，采用反向PWM控制；當(dāng)誤差絕對值較小，誤差變化率 也較小時，采用正向PWM控制；當(dāng)誤差進(jìn)入死區(qū)時，若誤差變化率較大，采用反向PWM控制， 若誤差變化率較小，控制量為零。
2.如權(quán)利要求1所述的一種壓電開關(guān)式閥門定位器控制方法與系統(tǒng)，其特 征在于采用帶反向PWM的五步開關(guān)法進(jìn)行閉環(huán)控制，其閉環(huán)控制算法流程中， el為上升時B-B控制和PWM控制的誤差切換點，為下降時，B-B控制和PWM控制的誤差 切換點，S為死區(qū)范圍；首先進(jìn)入循環(huán)，根據(jù)相鄰兩次給定值的采樣值，判斷給定值是否發(fā) 生變化，如果給定值發(fā)生變化，則根據(jù)相應(yīng)參數(shù)修改正向PWM占空比；然后，判斷誤差是否 大于Λ，如果大于Λ，則采用正向B-B控制，進(jìn)行上升調(diào)節(jié)；如果誤差大于f且/J于1， 則計算閥位速度是否大于最佳定位速度，如果是，則采用反向PWM控制，進(jìn)行反向降速，反 之，則采用正向PWM控制；如果誤差小于^且大于-F，則表示閥位進(jìn)入死區(qū)，閥位保持；如 果誤差小于-F且大于-β2，則計算閥位速度是否大于最佳定位速度，如果是，則采用反向 PWM控制，進(jìn)行反向降速，反之，則采用正向PWM控制；如果誤差小于-￠2，則采用正向B-B 控制，進(jìn)行下降調(diào)節(jié)。
3.一種壓電開關(guān)式閥門定位器控制方法與系統(tǒng)，當(dāng)氣動調(diào)節(jié)閥安裝在管道上后，通過 長按按鍵2秒鐘，使壓電開關(guān)式閥門定位器開始工作，首先進(jìn)入?yún)?shù)自整定程序，其特征 是自整定步驟主要分為以下四步(1)通過控制進(jìn)氣和排氣方式，測量某段時間內(nèi)反饋值 的變化，得到行程類型，確定執(zhí)行機構(gòu)運動方向與壓電閥驅(qū)動真值表之間的關(guān)系；( 根據(jù) 整定得到的行程類型，控制閥門定位器以全開的方式從底端運行到頂端，測量上升過程最 大速度Ki、最大速度位置工#、調(diào)節(jié)時間&以及頂端位置和底端位置Itofcw ,再控制閥 位從頂端位置運行到底端位置，測量下降過程最大速度G1^、最大速度位以及調(diào)節(jié) 時間h纖,其中，調(diào)節(jié)時間‘為閥位從10%FSR位置上升到90%FSR位置的時間，Tdewfl為閥位 從90%FSR位置下降到20%位置的時間；C3)根據(jù)端點位置、最大速度和最大速度位置，控制 閥門定位器以全開的方式從端點運行到最大速度位置處，當(dāng)閥位到達(dá)最大速度位置處，控 制閥位保持，測量最大過沖量hw;toi，其中，最大過沖量為閥位最大速度位置到停止位置之間的位移量；(4)定義最佳定位速度P =巧^，其中，T為控制周期」為單位周期內(nèi)閥門位置的期望變化量；定義最佳占空比為閥位平均速度V P時對應(yīng)的PWM占空比。
4.如權(quán)利要求3所述的一種壓電開關(guān)式閥門定位器控制方法與系統(tǒng)，其特征在于最佳 占空比的尋優(yōu)算法，首先，在某固定PWM占空比控制量狀態(tài)下，以斷續(xù)的方式控制閥位從目 標(biāo)位置-2. 5%FSR位置處運行到目標(biāo)位置+2. 5%FSR位置處，計算目標(biāo)位置士 2. 5%FSR內(nèi)的平均速度V ;若Γ <P ,則以10/100的幅度增加PWM占空比，繼續(xù)控制，并測量此時的平均速度V ；若廠> F ,則以10/100的幅度減小PWM占空比，繼續(xù)控制；假設(shè)PWM占空比為Dl時，平均速度ri > F ,而PWM占空比為D2時，平均速度Γ2 <V ,就開始折半查找，設(shè)置PWM占空比為￡)2 + 5/100,繼續(xù)控制，測量此時的平均速度廠3 ；若F3i^，通過分段線性化，取最佳 占空比D為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓電開關(guān)式閥門定位器控制方法和系統(tǒng)，該系統(tǒng)由4～20mA電流源、I/V變換電路、電壓變換模塊、控制信號放大濾波電路、反饋信號放大濾波電路、2片外部ADC、超低功耗單片機、液晶鍵盤模塊、EEPROM、無源晶體、壓電閥驅(qū)動放大電路組成，該控制方法是在參數(shù)自整定過程中，確定最佳PWM占空比。在控制過程中，采用帶反向PWM的五步開關(guān)法。本發(fā)明可以有效地解決閥門定位器控制過程中的超調(diào)現(xiàn)象與執(zhí)行機構(gòu)的非線性問題，具有較強的普遍適用性。
文檔編號F16K31/02GK102080735SQ20111004300
公開日2011年6月1日 申請日期2011年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月23日
發(fā)明者付健, 姜鵬, 徐科軍, 王剛, 王沁, 胡小玲, 蔣浩, 陳學(xué)軍 申請人:合肥工業(yè)大學(xué), 重慶川儀自動化股份有限公司