本發(fā)明屬于智能閥門定位器或智能儀表領(lǐng)域，具體涉及一種基于閥位穩(wěn)定值的閥門定位器整定及控制方法。
背景技術(shù)：
：：1、在生產(chǎn)流程控制中，調(diào)節(jié)閥是調(diào)節(jié)介質(zhì)流量、壓力、溫度和液位等工藝參數(shù)的關(guān)鍵執(zhí)行單元，其性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。調(diào)節(jié)閥根據(jù)控制方式的不同，可以分為氣動、電動和液動三種類型，這些閥門廣泛應(yīng)用于石油化工、水利、冶金、電力和建筑等多個(gè)領(lǐng)域。2、作為氣動調(diào)節(jié)閥的核心組件，智能閥門定位器在閥門的精確定位中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。該定位器內(nèi)部配備先進(jìn)的控制算法，確保閥門開度的精確控制，是實(shí)現(xiàn)高效調(diào)節(jié)的核心技術(shù)之一。閥門定位器的技術(shù)先進(jìn)性和響應(yīng)速度直接影響調(diào)節(jié)閥的整體性能水平，從而決定了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度和響應(yīng)能力。因此，高性能智能閥門定位器的開發(fā)，對提高工業(yè)自動化水平和優(yōu)化生產(chǎn)效率具有重要意義。3、智能閥門定位器由開發(fā)板、i/p模塊以及氣動放大器組成，其中i/p模塊的作用是將開發(fā)板給定的電信號轉(zhuǎn)換為氣動信號，氣動放大器是將i/p模塊輸出的氣動信號放大為足夠調(diào)控氣動調(diào)節(jié)閥的氣動信號，i/p模塊以及氣動放大器模塊統(tǒng)稱為epm（"electropneumatic?positioner?module"）模塊，epm模塊的流量特性將直接影響到控制效果。4、同時(shí)，傳統(tǒng)的閥門定位器算法僅對智能閥門定位器的特性進(jìn)行粗略的整定，忽略了定位器內(nèi)部epm模塊對控制效果的影響。而由于epm模塊生產(chǎn)、裝配等問題，同一型號的不同定位器在充排氣流量特性上都存在差異，若整定出的定位器epm模塊特性參數(shù)較為粗略。于是，本文提出了一種基于閥位穩(wěn)定值的閥門定位器整定及其控制方法，可應(yīng)用于基于噴嘴擋板式閥門定位器產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用，該方法結(jié)合閥門定位器內(nèi)部的epm模塊特性以及調(diào)節(jié)閥特性，提高了閥位調(diào)控的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路1、針對
背景技術(shù)：
：存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種基于閥位穩(wěn)定值的閥門定位器整定及控制方法。主要包括整定模式和控制模式：整定模式包括定位器特性參數(shù)的整定（最大輸出量pwmmax、最小輸出量pwmmin、輸出啟動值pwmbegin以及0%、10%、20%...100%每百分之十閥位穩(wěn)定控制值大小）、pid參數(shù)整定（kp、ki、kd）、執(zhí)行器性能性能參數(shù)（執(zhí)行器的行程參數(shù)：最大行程dmax、最小行程dmin；執(zhí)行器的方向參數(shù)：正行程positive、反行程reverse）以及綜合控制參數(shù)（最大過沖量overimpulse）?？刂颇Ｊ嚼谜Ｊ秸ǔ龅膮?shù)實(shí)現(xiàn)基于閥位穩(wěn)定值的閥門定位器的控制。2、具體包括如下步驟：3、步驟a1：將智能閥門定位器安裝在需要進(jìn)行調(diào)控的調(diào)節(jié)閥上，并根據(jù)使用需求，選擇合適行程范圍的位置傳感器，通上合適大小的氣源壓力，智能閥門定位器以4ma-20ma的信號供電。4、步驟a2：智能閥門定位器進(jìn)入整定模式，令智能閥門定位器進(jìn)行排氣操作，當(dāng)閥位變化幅度小于設(shè)定閾值時(shí)，認(rèn)為閥位已到達(dá)零位置，采樣此時(shí)的閥位adc值作為閥位最小行程dmin。5、步驟a3：設(shè)定pwm輸出的初始值，每秒增大設(shè)定比例的輸出值，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控位移傳感器傳回的閥位反饋adc值；當(dāng)檢測到閥位開始移動時(shí)，記錄下此時(shí)的輸出值，作為輸出啟動值pwmbegin；接著以設(shè)定數(shù)值減小輸出值，當(dāng)閥位到達(dá)dmin時(shí)，記錄下此時(shí)pwm的輸出值作為最小輸出量pwmmin。6、步驟a4：令單片機(jī)以最大占空比pwm信號輸出給epm模塊，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控位移傳感器傳回的閥位反饋adc值，當(dāng)adc閥位不變時(shí)，開始計(jì)時(shí)2-6秒，當(dāng)計(jì)時(shí)結(jié)束后記錄下當(dāng)前的adc反饋值作為閥位最大行程dmax，之后閥位開始排氣。7、步驟a5：當(dāng)閥位穩(wěn)定在0閥位時(shí)，將智能閥門定位器輸出設(shè)置為啟動值pwmbegin，接著以設(shè)定時(shí)間增大輸出；當(dāng)接近滿閥位時(shí)，為防止輸出值增加太快導(dǎo)致所求得的最大輸出量pwmmax過大，增大閥位穩(wěn)定判斷的等待時(shí)間，等待時(shí)間結(jié)束后增大輸出；當(dāng)實(shí)時(shí)傳回的閥位反饋adc值到達(dá)閥位最大行程dmax時(shí)，記錄下此時(shí)的pwm輸出值作為最大輸出量pwmmax。8、步驟a6：利用最大輸出量pwmmax、最小輸出量pwmmin、滿占空比pwm信號以及0占空比pwm信號（滿占空比pwm信號和0占空比pwm信號通過程序中設(shè)置pwm占空比大小得到）通過單片機(jī)的系統(tǒng)滴答（tick）計(jì)時(shí)器的函數(shù)system_tick，求出全開時(shí)間topen、全關(guān)時(shí)間tclose、最快全開時(shí)間topen_fast和最快全關(guān)時(shí)間tclose_fast。9、步驟a7：通過步驟a6所得到的全開時(shí)間topen、全關(guān)時(shí)間tclose、最快全開時(shí)間topen_fast以及最快全關(guān)時(shí)間tclose_fast計(jì)算得到全開時(shí)間與最快全開時(shí)間比例kopen以及全關(guān)時(shí)間與最快全關(guān)時(shí)間比例kclose，其中,?。10、步驟a8：利用階躍整定法得到定位器系統(tǒng)的三個(gè)特性參數(shù)：增益k、時(shí)間常數(shù)t、滯后時(shí)間常數(shù)l。所述的階躍整定法的具體步驟如下：11、步驟b1：給定ip模塊一個(gè)階躍大小為步驟a5整定得到的最大輸出值pwmmax的階躍信號，使得epm開始響應(yīng)對氣動調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)控。12、步驟b2：在階躍整定的過程中采樣得到每一次控制時(shí)的調(diào)節(jié)閥實(shí)時(shí)閥位反饋值cur_actual以及運(yùn)行的時(shí)間time，并且在每次函數(shù)流程結(jié)束時(shí)都將本次采到的實(shí)時(shí)閥位反饋值cur_actual賦值給前次反饋值pre_actual。并由實(shí)時(shí)閥位反饋值cur_actual以及前次反饋值pre_actual得到閥位變化值actual_error,再除以每次控制的執(zhí)行間隔time_cycle，便能夠得到變化率slope。13、步驟b3：重復(fù)步驟b2，通過判斷得到流程中的最大變化率slope_max、此時(shí)所處的閥位值actual_slope_max并計(jì)算得到此時(shí)的時(shí)間戳保存在time_slope_max中。14、步驟b4：由步驟b3得到的最大變化率slope_max、最大變化率所處的閥位值actual_slope_max以及最大變化率所處的時(shí)間戳time_slope_max，得到最大變化率處的切線斜率k與截距b分別為,。再由斜率k和截距b便能夠作slope_max處的切線，切線交最終閥位穩(wěn)定值ess與x軸，此時(shí)便能夠得到兩交點(diǎn)的時(shí)間軸time1與time2，由此得到滯后時(shí)間常數(shù)，時(shí)間常數(shù)，由于所取的階躍大小為pwmmax，故增益。15、步驟a9：將步驟a8整定得到的三個(gè)特性參數(shù)：增益k、時(shí)間常數(shù)t、滯后時(shí)間常數(shù)l分別代入到ziegler-nichols整定法則（z-n法則）和cohen-coon整定法則（c-c法則）經(jīng)驗(yàn)公式中得到兩組pid參數(shù)：kp_zn?、ki_zn?、kd_zn?和kp_cc、ki_cc?、kd_cc。16、步驟a10：引入經(jīng)典位置式pid算法，將兩組由不同整定方法得到的pid參數(shù)傳入、算法中，通過最大超調(diào)量、上升時(shí)間以及時(shí)間加權(quán)絕對誤差積分itae對兩組參數(shù)的控制效果進(jìn)行評估，選取控制效果較好的一組參數(shù)作為控制算法的pid參數(shù)kp、ki、kd。17、步驟a11：利用pid控制算法求取得到上行與下行時(shí)0%、10%、20%...100%每百分之十閥位穩(wěn)定控制值大小，并求取得到每10%區(qū)間的ki與bi。所述的閥位穩(wěn)定控制值求取的具體步驟如下：18、步驟c1：調(diào)用能夠收斂至穩(wěn)態(tài)誤差的pid控制方法作為穩(wěn)定控制值求取的控制方法。19、步驟c2：首先求取充氣過程的每百分之十閥位穩(wěn)定控制值，以氣開閥為例，閥位初始位置為0閥位，接著將目標(biāo)閥位設(shè)置為10%。20、步驟c3：當(dāng)閥位進(jìn)入到時(shí)，定時(shí)器開始倒數(shù)，此時(shí)窗口平均濾波函數(shù)開始動態(tài)采集控制值；若定時(shí)器未結(jié)束，但閥位超出穩(wěn)態(tài)誤差區(qū)，此時(shí)定時(shí)器復(fù)位、窗口平均濾波函數(shù)內(nèi)部數(shù)據(jù)清零；若定時(shí)器倒計(jì)時(shí)結(jié)束，則將此時(shí)窗口平均濾波函數(shù)返回的值賦值給用來保存充氣過程中穩(wěn)定控制值的數(shù)組valvepos_in，之后將目標(biāo)閥位增大10%。21、步驟c4：重復(fù)步驟c3，求取得到充氣過程中20%、30%、40%...100%閥位穩(wěn)定控制值。22、步驟c5：充氣穩(wěn)定值求取結(jié)束后，閥位位于100%，接著將目標(biāo)閥位減10%。23、步驟c6：當(dāng)閥位進(jìn)入到時(shí)，定時(shí)器開始倒數(shù)，此時(shí)窗口平均濾波函數(shù)開始動態(tài)采集控制值；若定時(shí)器未結(jié)束，但閥位超出穩(wěn)態(tài)誤差區(qū)，此時(shí)定時(shí)器復(fù)位、窗口平均濾波函數(shù)內(nèi)部數(shù)據(jù)清零；若定時(shí)器倒計(jì)時(shí)結(jié)束，則將此時(shí)窗口平均濾波函數(shù)返回的值賦值給用來保存充氣過程中穩(wěn)定控制值的數(shù)組valvepos_de，之后將目標(biāo)閥位減小10%。24、步驟c7：重復(fù)步驟c6，求取得到充氣過程中80%、70%、60%...0%閥位穩(wěn)定控制值。25、步驟a12：利用步驟a11得到的上下行50%閥位穩(wěn)定控制值求取得到充氣過程最大超調(diào)量overimpulse_in和排氣過程最大超調(diào)量overimpulse_down。26、以氣開型調(diào)節(jié)閥為例，所述的充氣過程最大超調(diào)量和排氣過程最大超調(diào)量求取的具體步驟如下：27、步驟d1：將目標(biāo)閥位設(shè)定為50%，給定的初始控制值大小為，其中ratio是設(shè)定的比例，且ratio大于1，此時(shí)調(diào)節(jié)閥將會充氣，閥位上升。28、步驟d2：當(dāng)閥位值到達(dá)50%閥位時(shí)，將控制值由pwmmax減小為充氣過程50%閥位的穩(wěn)定值。并且實(shí)時(shí)更新閥位最大值max，當(dāng)實(shí)時(shí)閥位值cur_actual小于閥位最大值max時(shí)定時(shí)器開始倒計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)結(jié)束后，得到充氣過程最大超調(diào)量max-50。接著跳轉(zhuǎn)到步驟d3。29、步驟d3：給定定位器大小為pwmmax的信號使其能夠保持在滿閥位，接著將控制值設(shè)定為，其中ratio是設(shè)定值，?ratio小于1，此時(shí)調(diào)節(jié)閥將會排氣，閥位下降。30、步驟d4：當(dāng)閥位到達(dá)50%閥位時(shí)，將控制值由pwmmin變?yōu)榕艢膺^程50%閥位的穩(wěn)定值。并且實(shí)時(shí)更新閥位最小值min，當(dāng)實(shí)時(shí)閥位值cur_actual大于閥位最小值min時(shí)定時(shí)器開始倒計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)結(jié)束后，得到排氣過程最大超調(diào)量。31、步驟a13：將整定得到的參數(shù)賦值給控制模式句柄下的參數(shù)，并存入定位器eeprom中，保存結(jié)束后將定位器模式由整定模式轉(zhuǎn)為控制模式。32、步驟a14：定位器進(jìn)入到控制模式，利用整定得到的控制參數(shù)，通過基于閥位穩(wěn)定控制值的分段pid控制對閥位進(jìn)行控制。所述的基于閥位穩(wěn)定控制值的分段pid控制具體執(zhí)行步驟如下：33、步驟e1：將電流回路標(biāo)定的目標(biāo)閥位值減去由位置傳感器傳回的實(shí)時(shí)閥位值，得到閥位偏差err(n)。采用pid算法進(jìn)行控制，根據(jù)得到的誤差err(k)，得輸出為*，其中為pid算法的輸出，為pid控制器的比例增益，ki為pid控制器的積分增益，kd為pid控制器的微分增益，為n時(shí)刻的閥位偏差，是閥位偏差的積分，是閥位偏差的微分。再對輸出量進(jìn)行標(biāo)定，輸出量。34、步驟e2：當(dāng)或時(shí)，此時(shí)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器運(yùn)動處于快速逼近區(qū)間，在此區(qū)域中，控制的上限值為，控制的下限值為，ratio取值與步驟d1取值相同，使得氣動閥執(zhí)行器能夠最快地逼近目標(biāo)閥位。35、步驟e3：當(dāng)1%或時(shí)，調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器運(yùn)動處于常速區(qū)，在此區(qū)域中，控制的上限值為，控制的下限值為?？刂粕舷孪拗递^步驟e2較小。36、步驟e4：當(dāng)1%時(shí)，調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器運(yùn)動進(jìn)入穩(wěn)定值計(jì)算區(qū)間，當(dāng)進(jìn)入此區(qū)間后，根據(jù)步驟a11得到的充放氣過程各閥位穩(wěn)定控制值以及求取出的各區(qū)間線性化參數(shù)ki以及bi，能夠得到充排氣過程中每一個(gè)閥位的穩(wěn)定控制值。具體求解為：37、控制算法需要趨近的閥位值為目標(biāo)閥位值target_actual，理解為需要求解能夠使閥位維持在目標(biāo)閥位值target_actual的穩(wěn)定控制值valvepos_stable，求取一個(gè)穩(wěn)定值上下限stable_max與stable_min，stable_max與stable_min取目標(biāo)閥位值target_actual上下5%閥位的穩(wěn)定控制值，且根據(jù)閥位誤差err的縮小，穩(wěn)定值上下限也隨之像目標(biāo)閥位的穩(wěn)定控制值valvepos_stable趨近。趨近公式為以及。38、相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明采用分段控制方法，利用整定得到的最大超調(diào)量作為快速區(qū)的分界依據(jù)提高了算法的通用性，在快速區(qū)能夠調(diào)節(jié)閥閥位快速逼近目標(biāo)位置；在常速區(qū)減緩閥位調(diào)控速度同時(shí)也保證了在小階躍調(diào)控時(shí)有足夠的氣壓能夠推動氣動調(diào)節(jié)閥動作；在穩(wěn)定值計(jì)算區(qū)間能夠快速定位控制穩(wěn)定值的范圍，并根據(jù)閥位誤差值err(n)的大小逐漸逼近閥位穩(wěn)定值，能夠有效地抑制控制過程中的超調(diào)。本發(fā)明相較于傳統(tǒng)調(diào)節(jié)閥控制方法能有效地減少了超調(diào)量，并保持控制的穩(wěn)定性。當(dāng)前第1頁12當(dāng)前第1頁12