專利名稱：一種電磁閥式閥門定位器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及氣動控制閥領(lǐng)域，尤其涉及一種智能電氣閥門定位器。
背景技術(shù)：
過程控制系統(tǒng)及其他自動化系統(tǒng)中，氣動調(diào)節(jié)閥具有調(diào)節(jié)速度快、調(diào)節(jié)精度高、防爆、可適應(yīng)于惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境等特點(diǎn)，因此在醫(yī)藥、化工、核能、電力等行業(yè)中得到大量的應(yīng)用。氣動調(diào)節(jié)閥最主要的核心部件就是與其配套使用的閥門定位器。閥門定位器通過調(diào)節(jié)進(jìn)入和排出氣動調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)里的壓縮空氣，對閥門的行程進(jìn)行控制。閥門定位器決定著氣動調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)精度與速度。因此閥門定位器對于氣動調(diào)節(jié)閥來說具有非常重要的作用。閥門定位器主要是通過接受來自其他控制器或者使用者設(shè)定的控制信號(如4-20mA, 0-10V等)，與位置傳感器的采集信號進(jìn)行對比，然后根據(jù)設(shè)計(jì)的算法對進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣動信號進(jìn)行控制，從而改變閥門的開度，控制氣動調(diào)節(jié)閥所調(diào)節(jié)的介質(zhì)的流動。 到目前為止，從結(jié)構(gòu)和控制方法上，閥門定位器的發(fā)展經(jīng)歷了不同的階段，可分為噴嘴擋板力平衡、線圈操作力平衡、電氣閥門定位等幾個(gè)階段。最初的噴嘴擋板力平衡和線圈操作力平衡，都是采用大量的如調(diào)節(jié)彈簧、螺釘、凸輪等機(jī)械部件，在使用和調(diào)試過程容易出現(xiàn)磨損、振動影響大等缺點(diǎn)。而電氣閥門定位器則采用很少的機(jī)械部件以及可動部件，減少了磨損以及振動的影響。電氣閥門定位器目前的主要?dú)鈩硬考腥N壓電閥式、噴嘴擋板式及電磁閥式。壓電閥具有功耗小等特點(diǎn)，但是目前壓電閥的成本高、生產(chǎn)廠家少以及對氣源的要求也較高。噴嘴擋板式技術(shù)成熟，但是機(jī)械容易受到震動。電磁閥則相對來說成本低、廠家眾多，技術(shù)也相對于壓電閥成熟,具有低成本、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，因此本實(shí)用新型采用電磁閥作為電氣閥門定位器的氣動部件。在中國市場上，用于控制閥的智能閥門定位器的國外品牌占據(jù)了國內(nèi)大部分市場。主要的國外品牌有艾默生-費(fèi)希爾(Emerson-Fisher)的DVC 6000/DVC2000，西門子(Siemens)的 SIPART PS2，ABB_H&B 的 TZIDC,山武 Yamatake 的 SVP 3000 等。西門子 SIPARTPS2采用壓電閥，F(xiàn)isher、ABB及山武則采用的是噴嘴式。采用噴嘴式的國外產(chǎn)品為了減少震動等影響，因此在機(jī)械設(shè)計(jì)上增加了大量的成本。采用電磁閥以及其他氣動部件對閥門的行程進(jìn)行控制時(shí)，目前很多氣動閥門定位器采用五步開關(guān)法控制，即當(dāng)誤差值大時(shí)采用Bang-Bang控制、當(dāng)誤差值小時(shí)采用PID控制、當(dāng)誤差值小到死區(qū)閥位內(nèi)，則不動作。但是由于氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在著明顯的非線性特性，以及氣源的壓力、負(fù)載變化等其他外部環(huán)境的影響，傳統(tǒng)的PID控制方法容易引起超調(diào)現(xiàn)象。因此本實(shí)用新型對其進(jìn)行了如下改進(jìn)在控制閥桿運(yùn)動的過程中，根據(jù)設(shè)定值與反饋值的差值，采用模糊PWM控制方法，利用模糊控制算法計(jì)算閥桿每個(gè)位置的最佳控制參數(shù)，從而解決執(zhí)行機(jī)構(gòu)的非線性和超調(diào)問題。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種電磁閥式閥門定位器。[0007]本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種電磁閥式閥門定位器，它包括進(jìn)氣電磁閥、放氣電磁閥、位置傳感器、電源模塊、信號調(diào)理模塊、A/D模塊、2個(gè)電磁閥驅(qū)動模塊、2個(gè)電磁隔離模塊、ARM芯片、液晶顯示模塊、鍵盤模塊和D/A模塊；其中，外部直流24V電源通過電源模塊轉(zhuǎn)換成3. 3V后向ARM芯片供電；位置傳感器、信號調(diào)理模塊和A/D模塊依次相連，A/D模塊通過一個(gè)電磁隔離模塊接入ARM芯片的A/D接口 ；D/A模塊通過另一個(gè)電磁隔離模塊接入ARM芯片的D/A接口 ；進(jìn)氣電磁閥通過一個(gè)電磁閥驅(qū)動模塊接入ARM芯片的PWM接口，放氣電磁閥通過另一個(gè)電磁閥驅(qū)動模塊接入ARM芯片的PWM接口；鍵盤模塊通過按鍵接口接入ARM芯片；液晶顯示模塊通過IXD接口接入ARM芯片。本實(shí)用新型的有益效果是I、采用電磁閥作為閥門電氣定位器的氣動部件，具有防振動、反應(yīng)靈敏、安裝方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。能夠滿足國內(nèi)閥門電氣定位器的各項(xiàng)要求。2、采用模糊PWM控制方法進(jìn)行閉環(huán)控制，在閉環(huán)控制算法流程中，利用傳統(tǒng)的五步開關(guān)法，采用模糊算法計(jì)算得出此時(shí)電磁閥所采用的PWM最優(yōu)占空比，利用模糊控制算法計(jì)算閥桿每個(gè)位置的最佳控制參數(shù)，解決了傳統(tǒng)五步開關(guān)法的超調(diào)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的非線性特性，從而得到超調(diào)少、響應(yīng)速度快的控制特性。3、根據(jù)所采用模糊PWM控制方法和執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了全自動的參數(shù)整定方法，使得閥門定位器在各種場合下能夠運(yùn)行的流暢，控制的精確，減少人為以及環(huán)境的干擾。

圖I是電磁閥式的閥門定位器的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是電磁閥式的閥門定位器的工作過程示意圖。圖3是模糊PWM控制示意圖；圖4是最佳PWM占空比計(jì)算不意圖。
具體實(shí)施方式
如圖I所示。本實(shí)用新型電磁閥式閥門定位器包括進(jìn)氣電磁閥、放氣電磁閥、位置傳感器、電源模塊、信號調(diào)理模塊、A/D模塊、2個(gè)電磁閥驅(qū)動模塊、兩個(gè)電磁隔離模塊、ARM芯片、液晶顯示模塊、鍵盤模塊和D/A模塊。其中，外部直流24V電源通過電源模塊轉(zhuǎn)換成
3.3V后向ARM芯片供電；位置傳感器、信號調(diào)理模塊和A/D模塊依次相連，A/D模塊通過一個(gè)電磁隔離模塊接入ARM芯片的A/D接口 ；D/A模塊通過另一個(gè)電磁隔離模塊接入ARM芯片的D/A接口 ；進(jìn)氣電磁閥通過一個(gè)電磁閥驅(qū)動模塊接入ARM芯片的PWM接口，放氣電磁閥通過另一個(gè)電磁閥驅(qū)動模塊接入ARM芯片的PWM接口 ；鍵盤模塊通過按鍵接口接入ARM芯片；液晶顯示模塊通過IXD接口接入ARM芯片。如圖2所示，本實(shí)用新型電磁閥式閥門定位器的工作過程如下外部輸入4_20mA電流、0-20mA電流、0-5V或0-10V作為控制信號，通過信號調(diào)理模塊進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換、放大濾波后，由A/D模塊進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，通過電磁隔離模塊以SPI通訊方式傳入ARM芯片；位置傳感器采集閥位反饋信號，經(jīng)過信號調(diào)理模塊進(jìn)行放大濾波后，由A/D模塊的另一個(gè)通道進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，通過電磁隔離模塊以SPI通訊方式傳入ARM芯片；將設(shè)定值與反饋值在ARM芯片里進(jìn)行處理，利用模糊PWM控制方法，獲得電磁閥控制所需要的最優(yōu)占空比值，利用電磁閥驅(qū)動模塊，控制進(jìn)氣電磁閥與放氣電磁閥的開與關(guān)的時(shí)間。同時(shí)，通過電磁隔離模塊以SPI通訊方式，在D/A模塊中將閥門位置的實(shí)際值轉(zhuǎn)換成4-20mA，供其他裝置使用。液晶顯示模塊顯示閥門的位置等信息，操作人員通過鍵盤模塊對定位器進(jìn)行各項(xiàng)設(shè)置。本實(shí)用新型中，進(jìn)氣電磁閥、放氣電磁閥、位置傳感器、電源模塊、信號調(diào)理模塊、A/D模塊、2個(gè)電磁閥驅(qū)動模塊、兩個(gè)電磁隔離模塊、ARM芯片、液晶顯示模塊、鍵盤模塊和D/A模塊均為本領(lǐng)域常用電子器件，本實(shí)用新型對各組件的具體結(jié)構(gòu)不作限定。如圖3所示，本實(shí)用新型電磁閥式的閥門定位器的采用模糊PWM控制方法對電磁閥式的閥門定位器進(jìn)行閉環(huán)控制，具體如下首先檢測電磁閥式的閥門定位器的給定值和閥門實(shí)際位移的反饋值，再計(jì)算給定值與反饋值之間的誤差ePos ;然后判斷誤差ePos的絕對值|ePos|大小，如果誤差絕對值大于或等于Bang-Bang控制與PWM周期控制的分界點(diǎn)zl，則根據(jù)誤差的正負(fù)以及行程的方向，對電磁閥進(jìn)行Bang-Bang控制；如果誤差絕對值
ePos I大于死區(qū)范圍z2并且小于Bang-Bang控制與PWM周期控制的分界點(diǎn)zl,那么根據(jù)閥桿運(yùn)行時(shí)的位置的偏差與偏差的變化率，采用簡化的模糊PWM控制方法得出此時(shí)電磁閥所采用的PWM最優(yōu)占空比Duty，對電磁閥采用占空比為Duty的PWM控制；如果誤差絕對值ePos小于或等于死區(qū)范圍z2，那么表示閥桿運(yùn)行至死區(qū)范圍內(nèi)，電磁閥開關(guān)狀態(tài)保持不變。其中，簡化的模糊PWM控制方法是根據(jù)閥桿運(yùn)行的位置通過模糊方法確定最優(yōu)占空比，如圖4所示，包括以下步驟。第一步首先計(jì)算閥門實(shí)際位置Pos與設(shè)定位置sPos的偏差ePos,以及偏差的變化率dPos。其中ePos和dPos分別按照數(shù)字量0-4095和0-2000計(jì)算所得，因此論域區(qū)間分別為[0，4095]和[0，2000]，按照下式將其做相應(yīng)的轉(zhuǎn)化為
「 n , 12 , 4095、el V>.v I =-X (ePos--)，
4095 '2
r 如，8/ ·η2000 ΛdPosl =-X (dPos--)，
2000 2取ePosl 的論域 E 為[_6，_5，_4，_3，_2，1,0, 1,2, 3,4, 5,6], dPosl 的論域 D 為[_4, -3, -2, -I, O, I, 2, 3, 4]。其中，ePosl的量化規(guī)則采用如下所示I)當(dāng)-6 彡 ePosl〈_5 時(shí)，取 E=_6 ；2)當(dāng) K ePosl〈_4 時(shí)，取 E=_5 ；3)當(dāng) _4 < ePosl〈_3 時(shí)，取 E=_4 ；4)當(dāng) _3 < ePosl<-2 時(shí)，取 E=_3 ；5)當(dāng)-2 彡 ePosl<-l 時(shí)，取 E=_2 ；6)當(dāng)-I < ePosl〈0 時(shí),取 E=-I ;7)當(dāng) O 彡 ePosl〈l 時(shí)，取 E=O ;8)當(dāng) I 彡 ePosl〈2 時(shí)，取 E=I ;9)當(dāng) 2 彡 ePosl〈3 時(shí)，取 E=2 ;10)當(dāng) 3 < ePosl〈4 時(shí)，取 E=3 ；11)當(dāng) 4 < ePosl〈5 時(shí),取 E=4 ;[0037]12)當(dāng) 5 彡 ePosl〈6 時(shí)，取 E=5 ;13)當(dāng) ePosl=6 時(shí)，取 E=6。dPosl的量化規(guī)則如下I)當(dāng) _4 < dPosl〈_3 時(shí)，取 D=_4 ；2)當(dāng)-3 彡 dPosl〈_2 時(shí)，取 D=_3 ;3)當(dāng)-2 彡 dPosl<-l 時(shí)，取 D=_2 ；4)當(dāng)-I < dPosl<0 時(shí)，取 D=-I ；5)當(dāng) O 彡 dPosl〈l 時(shí)，取 D=O ;·[0045]6)當(dāng) I < dPosl<2 時(shí)，取 D=I ；7)當(dāng) 2 彡 dPosl〈3 時(shí)，取 D=2 ;8)當(dāng) 3 彡 dPosl〈4 時(shí)，取 D=3 ;9)當(dāng) dPosl=4 時(shí)，取 D=4。第二步取輸出變量？麗的論域取為屮=[-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4]，建立模糊控制規(guī)則表(如表I所示)，在實(shí)際控制時(shí)，只要通過對輸入量量化和查表兩個(gè)步驟，就可以得到最佳占空比P。表I :模糊控制規(guī)則表
權(quán)利要求1.一種電磁閥式閥門定位器，其特征在于，它包括進(jìn)氣電磁閥、放氣電磁閥、位置傳感器、電源模塊、信號調(diào)理模塊、A/D模塊、2個(gè)電磁閥驅(qū)動模塊、兩個(gè)電磁隔離模塊、ARM芯片、液晶顯示模塊、鍵盤模塊和D/A模塊；其中，所述外部直流24V電源通過電源模塊轉(zhuǎn)換成.3.3V后向ARM芯片供電；位置傳感器、信號調(diào)理模塊和A/D模塊依次相連，A/D模塊通過一個(gè)電磁隔離模塊接入ARM芯片的A/D接口 ；D/A模塊通過另一個(gè)電磁隔離模塊接入ARM芯片的D/A接口 ；進(jìn)氣電磁閥通過一個(gè)電磁閥驅(qū)動模塊接入ARM芯片的PWM接口，放氣電磁閥通過另一個(gè)電磁閥驅(qū)動模塊接入ARM芯片的PWM接口 ；鍵盤模塊通過按鍵接口接入ARM芯片；液晶顯示模塊通過IXD接口接入ARM芯片。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種電磁閥式閥門定位器，電磁閥式閥門定位器包括進(jìn)氣電磁閥、放氣電磁閥、位置傳感器、電源模塊、信號調(diào)理模塊、A/D模塊、電磁閥驅(qū)動模塊、電磁隔離模塊、ARM芯片、液晶顯示模塊、鍵盤模塊和D/A模塊；位置傳感器、信號調(diào)理模塊和A/D模塊依次相連，A/D模塊和D/A模塊均通過電磁隔離模塊接入ARM芯片；進(jìn)氣電磁閥和放氣電磁閥均通過電磁閥驅(qū)動模塊接入ARM芯片；本實(shí)用新型在控制閥桿運(yùn)動的過程中，根據(jù)設(shè)定值與反饋值的差值，利用模糊控制方法計(jì)算閥桿每個(gè)位置的最佳控制參數(shù)，從而解決執(zhí)行機(jī)構(gòu)的非線性和超調(diào)問題，達(dá)到控制精確，減少了人為以及環(huán)境的干擾的目的。
文檔編號F16K37/00GK202708299SQ201220365440
公開日2013年1月30日 申請日期2012年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月26日
發(fā)明者楊帥, 吳科揚(yáng), 孔璐, 朱亞志, 鄭應(yīng)軍 申請人:杭州博流科技有限公司