專利名稱：一種變pwm占空比的壓電式閥門定位器控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥領(lǐng)域，為一種智能電氣閥門定位器控制方法，特別是一種以超低功耗單片機(jī)(MCU)為核心、變PWM(脈沖寬度調(diào)制)占空比的帶反向PWM的五步開關(guān)法的壓電式閥門定位器控制方法。
背景技術(shù)：
氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥由閥門定位器、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥組成，是過(guò)程控制系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、輕紡等工業(yè)部門，尤其適用于易燃易爆等生產(chǎn)場(chǎng)合。閥門定位器作為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制核心，對(duì)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的工作起著決定性作用。閥門定位器按照其工作原理可分為噴嘴擋板式和壓電式。其中，壓電式閥門定位器利用壓電閥的陶瓷片在電壓作用下產(chǎn)生微彎變形的原理制成，具有高可靠性、低功耗和低耗氣量等特點(diǎn)，逐漸成為智能閥門定位器的主流，國(guó)內(nèi)外一些企業(yè)和學(xué)者紛紛深入研究壓電式智能閥門定位器及其控制方法。在國(guó)外，德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的壓電式SIPART PS2系列閥門定位器，采用五步開關(guān)法作為其主控制算法，但是，沒有披露具體的控制方法細(xì)節(jié)(許文勝.西門子PS2系列定位器介紹及調(diào)試.安裝.2009 (6): 47-48)。在國(guó)內(nèi)，杭州電子科技大學(xué)的SEVP型閥門定位器米用變結(jié)構(gòu)的控制算法(Shang Qunli, Yu Shanen, Wu Haiyan.Modeling and Experimentof Pneumatic Position System with Spring-and-Diaphragm Actuator.Proceedings ofthe 27th Chinese Conference.2008:388-392 ;尚群立,蔣鵬.智能電氣閥門定位器的研制.儀器儀表學(xué)報(bào).2007，28(4):718-721);浙江大學(xué)的PZD1000型閥門定位器采用PID控制算法(曹會(huì)發(fā).智能閥門伺服定位系統(tǒng)的研究.浙江大學(xué)碩士論文，2006);上海自動(dòng)化儀表股份有限公司的SHVH型閥門定位器采用改進(jìn)的自適應(yīng)PID控制算法(李倩如，賴慶峰等.HART協(xié)議的智能閥門定位器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn).自動(dòng)化儀表.2010, 31 (6): 55-57);衡陽(yáng)北光的ZPZD3100型閥門定位器采用積分分離的模糊PID控制算法(蔡明，姜福杰.一款新型智能閥門定位器的設(shè)計(jì).儀器儀表裝置，2008 (10): 17-19)。這些方法在某些方面取得了較好的效果，但是，在產(chǎn)品中，人們更喜歡使用原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)和定位速度快的五步開關(guān)法。所以，國(guó)內(nèi)壓電式閥門定位器基本上采用五步開關(guān)法。為此，合肥工業(yè)大學(xué)和重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司針對(duì)傳統(tǒng)五步開關(guān)法經(jīng)常出現(xiàn)超調(diào)和振蕩的情況，提出了帶反向PWM的五步開關(guān)法，通過(guò)反向PWM的降速調(diào)節(jié)，能夠有效地降低執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度，使閥位平緩地進(jìn)入死區(qū)范圍，從而減少了控制脈沖的個(gè)數(shù)，加快了閥門定位器的定位速度，在實(shí)際中得到了很好的應(yīng)用(徐科軍，姜鵬，王沁等.一種壓電開關(guān)式閥門定位器控制方法與系統(tǒng)，專利號(hào):201110043007.8,申請(qǐng)日:2011.2.23.，授權(quán)公告日=2012.05.30.;王沁，徐科軍，姜鵬等.具有反向PWM的壓電式閥門定位器控制方法及實(shí)現(xiàn).儀器儀表學(xué)報(bào).2011.32(9):2016-2023 ;王沁，徐科軍，姜鵬等.壓電式閥門定位器參數(shù)尋優(yōu)自整定方法.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2011，25(7):612-618)。帶反向PWM的五步開關(guān)法應(yīng)用于小范圍階躍控制，即給定階躍和閥位反饋值之差的絕對(duì)值小于Bang-Bang控制(以下簡(jiǎn)稱B-B控制)與PWM控制的分界點(diǎn)時(shí)，無(wú)B-B控制，此時(shí)，閥位直接由正向PWM脈沖啟動(dòng)。而由最佳占空比產(chǎn)生的PWM進(jìn)氣(或排氣)脈沖較小，不足以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)馬上動(dòng)作。直到經(jīng)過(guò)多個(gè)正向PWM脈沖的效果積累之后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)才開始動(dòng)作。因此，閥位啟動(dòng)過(guò)程緩慢，需要的正向PWM脈沖個(gè)數(shù)較多，導(dǎo)致調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)。為了解決小范圍階躍控制閥位啟動(dòng)慢的問(wèn)題，使得帶反向PWM的五步開關(guān)法更為完善，本發(fā)明采用分段PI方法或線性化方法變正向PWM占空比，并在基于MSP430F5418超低功耗單片機(jī)的硬件系統(tǒng)上進(jìn)行了實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問(wèn)題:帶反向PWM的五步開關(guān)法應(yīng)用于小范圍階躍控制時(shí)，由于最佳占空比產(chǎn)生的進(jìn)氣(或排氣)脈沖較小，導(dǎo)致小范圍階躍啟動(dòng)過(guò)程緩慢，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)；因此，如何加速小范圍階躍控制的閥位啟動(dòng)過(guò)程，減少正向PWM脈沖的個(gè)數(shù)和減小其調(diào)節(jié)時(shí)間是本發(fā)明要解決的問(wèn)題。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案:將帶反向PWM的五步開關(guān)法中的降速區(qū)和微調(diào)區(qū)統(tǒng)稱為PWM控制區(qū)，并針對(duì)PWM控制區(qū)內(nèi)的正向PWM微調(diào)過(guò)程，提出兩種變正向PWM占空比的方法:分段PI方法和線性化方法。采用分段PI方法變正向PWM占空比，在進(jìn)行正向PWM微調(diào)時(shí)，將PWM控制區(qū)分為兩個(gè)區(qū)域:PI控制區(qū)和安全區(qū)，并將最小閥位變化量作為PI控制區(qū)和安全區(qū)的分界點(diǎn)；在？1控制區(qū)內(nèi)，閥位未動(dòng)作時(shí)，采用PI方法設(shè)置正向PWM占空比，使得起始PWM具有較大的占空t匕，從而產(chǎn)生較大的進(jìn)氣或排氣脈沖，閥位能夠很快啟動(dòng)；當(dāng)閥位啟動(dòng)之后，切除PI方法，此時(shí)取比例系數(shù)和積分系數(shù)都為零，設(shè)置正向PWM占空比為最佳占空比；而在安全區(qū)內(nèi)，仍采用最佳占空比，以確保閥位不會(huì)產(chǎn)生超調(diào)或過(guò)沖。采用線性化方法變正向PWM占空比，在進(jìn)行正向PWM微調(diào)時(shí)，將PWM控制區(qū)分為兩個(gè)區(qū)域:線性區(qū)和安全區(qū)，并將最小閥位變化量作為線性區(qū)和安全區(qū)的分界點(diǎn)；在線性區(qū)內(nèi)，根據(jù)閥位誤差采用線性化方法設(shè)置正向PWM占空比，隨著閥位誤差絕對(duì)值的減小，正向PWM占空比逐漸減小，直到最佳占空比；而在安全區(qū)內(nèi)，則采用最佳占空比，以確保閥位不會(huì)產(chǎn)生超調(diào)或過(guò)沖。在帶反向PWM的五步開關(guān)法中加入分段PI方法或線性化方法變正向PWM占空比，使得小范圍階躍控制閥位啟動(dòng)時(shí)，起始PWM具有較大的占空比,從而可以加速小范圍階躍的閥位調(diào)節(jié)。相較于帶反向PWM的五步開關(guān)法中以固定的最佳占空比去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，可以極大地加速閥位啟動(dòng)過(guò)程，獲得更好的控制效果。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:(I)在帶反向PWM的五步開關(guān)法加入分段PI方法或線性化方法變正向PWM占空t匕，在小范圍階躍控制時(shí)，能夠獲得較大占空比的正向PWM脈沖，從而加速閥位啟動(dòng)過(guò)程，減少正向PWM脈沖的個(gè)數(shù)和減小其調(diào)節(jié)時(shí)間；(2)在PI控制區(qū)(線性區(qū))和死區(qū)之間設(shè)置了安全區(qū)。安全區(qū)的范圍是根據(jù)最小閥位變化量來(lái)設(shè)定的，它是閥位控制不產(chǎn)生超調(diào)的最小距離，從而使得PI控制區(qū)(線性區(qū))可以盡可能的大一些，加快控制過(guò)程，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。同時(shí)，安全區(qū)內(nèi)正向PWM的占空比為最佳占空比，保證閥位能夠很快的逼近目標(biāo)位置，且不產(chǎn)生超調(diào)。


圖1是本發(fā)明中分段PI方法變正向P麗占空比原理示意圖。圖2是本發(fā)明中線性化方法變正向PWM占空比原理示意圖。圖3是本發(fā)明中基于MSP430F5418的壓電式閥門定位器控制系統(tǒng)硬件框圖。圖4是本發(fā)明中系統(tǒng)軟件總體框圖。圖5是本發(fā)明中主監(jiān)控程序流程圖。圖6是本發(fā)明中閉環(huán)控制算法流程圖。圖7是本發(fā)明中分段PI方法變正向P麗占空比程序流程圖。圖8是2.5%FSR (滿量程范圍)階躍上升過(guò)程控制效果圖(從4.4mA到10.0mA)，其中，Ca)是帶反向PWM的五步開關(guān)法控制效果圖，(b)是分段PI方法變占空比控制效果圖。圖9是2.5%FSR階躍上升過(guò)程控制效果局部放大圖(從4.4mA到10.0mA)，其中，Ca)是帶反向PWM的五步開關(guān)法控制效果局部放大圖，(b)是分段PI方法變占空比控制效果局部放大圖。圖10是2.5%FSR階躍下降過(guò)程控制效果圖(從18.8mA到13.6mA)，其中，(a)是帶反向PWM的五步開關(guān)法控制效果圖，(b)是分段PI方法變占空比控制效果圖。圖11是2.5%FSR階躍下降過(guò)程控制效果局部放大圖(從18.8mA到13.6mA)，其中，Ca)是帶反向PWM的五步開關(guān)法控制效果局部放大圖，(b)是分段PI方法變占空比控制效果局部放大圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。在帶反向PWM的五步開關(guān)法中，根據(jù)閥位誤差和誤差變化率(即閥位速度)的大小，將控制過(guò)程分為:快速區(qū)、降速區(qū)、微調(diào)區(qū)和死區(qū)，并在相應(yīng)區(qū)域內(nèi)采用不同的控制策略。其具體工作過(guò)程為:當(dāng)誤差絕對(duì)值較大，即閥位處于快速區(qū)時(shí)，采用B-B控制，快速地減小誤差；當(dāng)誤差絕對(duì)值較小，但閥位速度較大，即閥位處于降速區(qū)時(shí)，采用反向PWM降速控制，迅速地減小閥位速度；當(dāng)誤差絕對(duì)值較小，且閥位速度較小，即閥位處于微調(diào)區(qū)時(shí)，采用正向PWM微調(diào)控制，緩慢地逼近目標(biāo)位置；當(dāng)閥位平緩地進(jìn)入死區(qū)后，控制閥位保持。本發(fā)明將帶反向PWM的五步開關(guān)法中的降速區(qū)和微調(diào)區(qū)統(tǒng)稱為PWM控制區(qū)，則整個(gè)閥位控制過(guò)程又可以分為:快速區(qū)，PWM控制區(qū)和死區(qū)。下面針對(duì)PWM控制區(qū)內(nèi)的正向PWM微調(diào)過(guò)程，提出兩種變正向PWM占空比的方法。本發(fā)明采用分段PI方法變正向PWM占空比。分段PI方法變正向PWM占空比原理示意圖如圖1所示。在進(jìn)行正向PWM微調(diào)時(shí)，將PWM控制區(qū)分為兩個(gè)區(qū)域:PI控制區(qū)和安全區(qū)。在PI控制區(qū)內(nèi)，閥位未動(dòng)作時(shí)，采用PI方法設(shè)置正向PWM占空比，使得起始PWM具有較大的占空比，從而產(chǎn)生較大的進(jìn)氣或排氣脈沖，閥位能夠很快啟動(dòng)；當(dāng)閥位啟動(dòng)之后，切除PI方法，此時(shí)取比例和積分系數(shù)都為零，設(shè)置正向PWM占空比為最佳占空比。而在安全區(qū)內(nèi)，仍采用最佳占空比，以確保閥位不會(huì)產(chǎn)生超調(diào)或過(guò)沖。這種分段PI方法即可以實(shí)現(xiàn)閥位的最快啟動(dòng)，又消除了超調(diào)，加快了小范圍階躍的控制過(guò)程，減小了調(diào)節(jié)時(shí)間。小范圍階躍控制過(guò)程中正向PWM占空比的變化趨勢(shì)也可從圖1中看出，一開始由于PI作用，占空比越來(lái)越大，閥位啟動(dòng)之后，切除PI方法，占空比恢復(fù)到最佳占空比，直到閥位到達(dá)目標(biāo)位置。定義最佳定位速度為
權(quán)利要求
1.一種變PWM占空比的壓電式閥門定位器控制方法，由主監(jiān)控程序模塊、初始化模塊、參數(shù)自整定模塊、閥位控制模塊、人機(jī)交互模塊、中斷處理模塊、EEPROM存儲(chǔ)模塊和看門狗模塊組成軟件系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)操作步驟是:首先，進(jìn)行初始化；然后開中斷，查詢是否有按鍵按下，如果有，則進(jìn)行參數(shù)自整定并顯示相應(yīng)的參數(shù)，否則，開啟單片機(jī)的定時(shí)器模塊，計(jì)算初始控制參數(shù)；然后，采樣給定信號(hào)和閥位反饋信號(hào)，進(jìn)行閥門閉環(huán)控制；完成控制后，主監(jiān)控程序再查詢是否收到上位機(jī)發(fā)出的通訊請(qǐng)求并進(jìn)行相應(yīng)的處理，最后返回，重新開始上述過(guò)程并不斷循環(huán)；其特征在于:在小范圍階躍控制，即給定階躍和閥位反饋值之差的絕對(duì)值小于Bang-Bang控制與PWM控制的分界點(diǎn)時(shí)，無(wú)Bang-Bang控制,此時(shí),在帶反向PWM的五步開關(guān)法中加入分段PI方法或線性化方法變正向PWM占空比，使得小范圍階躍控制閥位啟動(dòng)時(shí)，起始PWM具有較大的占空比，從而產(chǎn)生較大的進(jìn)氣或排氣脈沖，閥位能夠很快地啟動(dòng)；當(dāng)閥位啟動(dòng)之后，再切換到最佳占空比進(jìn)行控制，以確保閥位不會(huì)產(chǎn)生超調(diào)或過(guò)沖。
2.如權(quán)利要求1所述的一種變PWM占空比的壓電式閥門定位器控制方法，其特征在于:所述分段PI方法變正向PWM占空比，在進(jìn)行正向PWM微調(diào)時(shí)，將PWM控制區(qū)分為兩個(gè)區(qū)域:PI控制區(qū)和安全區(qū)，并將最小閥位變化量作為PI控制區(qū)和安全區(qū)的分界點(diǎn)；在？1控制區(qū)內(nèi)，閥位未動(dòng)作時(shí)，采用PI方法設(shè)置正向PWM占空比，使得起始PWM具有較大的占空比，從而產(chǎn)生較大的進(jìn)氣或排氣脈沖，閥位能夠很快啟動(dòng)；當(dāng)閥位啟動(dòng)之后，切除PI方法，此時(shí)取比例系數(shù)和積分系數(shù)都為零，設(shè)置正向PWM占空比為最佳占空比；而在安全區(qū)內(nèi)，仍采用最佳占空比，以確保閥位不會(huì)產(chǎn)生超調(diào)或過(guò)沖；這種分段PI方法即可以實(shí)現(xiàn)最快啟動(dòng)，又消除了超調(diào)，減少了正向PWM脈沖的個(gè)數(shù)和減小了調(diào)節(jié)時(shí)間，從而加快了小范圍階躍的控制過(guò)程。
3.如權(quán)利要求2所述的一種變PWM占空比的壓電式閥門定位器控制方法，其特征在于:所述分段PI方法設(shè)置正向PWM占空比采用位置型數(shù)字PI算法，其算式為
4.如權(quán)利要求2所述的一種變PWM占空比的壓電式閥門定位器控制方法，其特征在于:所述比例和積分系數(shù)由實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置，根據(jù)Bang-Bang控制與PWM控制的分界點(diǎn)和進(jìn)氣或排氣各段的正向PWM占空比來(lái)選取比例系數(shù)Kp ;以執(zhí)行機(jī)構(gòu)上升過(guò)程為例，設(shè)PI控制區(qū)的正向PWM占空比的最大線性變化量為δρ，el為上升過(guò)程中Bang-Bang控制和PWM控制的分界點(diǎn)，Lmin是單位時(shí)間內(nèi)期望的最小閥位變化量，則可得比例系數(shù)
5.如權(quán)利要求1所述的一種變PWM占空比的壓電式閥門定位器控制方法，其特征在于:所述線性化方法變正向PWM占空比，在進(jìn)行正向PWM微調(diào)時(shí)，將PWM控制區(qū)分為兩個(gè)區(qū)域:線性區(qū)和安全區(qū)，并將最小閥位變化量作為線性區(qū)和安全區(qū)的分界點(diǎn)；在線性區(qū)內(nèi)，根據(jù)閥位誤差采用線性化方法設(shè)置正向PWM占空比，隨著閥位誤差絕對(duì)值的減小，正向PWM占空比逐漸減小，直到最佳占空比；而在安全區(qū)內(nèi)，則采用最佳占空比，以確保閥位不會(huì)產(chǎn)生超調(diào)或過(guò)沖。以執(zhí)行機(jī)構(gòu)上升過(guò)程為例，線性區(qū)內(nèi)正向PWM占空比為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種變PWM占空比的壓電式閥門定位器控制方法，由主監(jiān)控程序模塊、初始化模塊、參數(shù)自整定模塊、閥位控制模塊、人機(jī)交互模塊、中斷處理模塊、EEPROM存儲(chǔ)模塊和看門狗模塊組成軟件系統(tǒng)；該控制方法在帶反向PWM的五步開關(guān)法中加入分段PI方法或線性化方法變正向PWM占空比，應(yīng)用于小范圍階躍控制時(shí)，能夠獲得較大占空比的正向PWM脈沖，加速閥位啟動(dòng)過(guò)程，減少正向PWM脈沖的個(gè)數(shù)和減小小范圍階躍控制的調(diào)節(jié)時(shí)間，從而加快小范圍階躍的控制過(guò)程。
文檔編號(hào)F16K37/00GK103195975SQ20131012759
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月12日
發(fā)明者徐科軍, 楊慶慶, 胡小玲, 任保宏 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)