专利名称：一种压电开关式阀门定位器控制方法与系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及气动调节阀领域，为一种智能电气阀门定位器控制方法与系统，特别 是一种以超低功耗单片机(MCU)为核心、带反向PWM(脉冲宽度调制)的五步开关法与参数 自整定相结合的压电开关式阀门定位器方法与系统。
背景技术：
随着化工、冶金、电力和制药等行业的快速发展，对整个过程控制中的重要部 件——气动调节阀提出了更高的要求。阀门定位器作为气动调节阀的大脑，对整个调节阀 的控制性能和现场功能起着决定性的作用。它根据控制信号(如4 20mA直流信号)与 阀位反馈信号之间的偏差大小，控制着进入执行机构气动信号的大小，从而改变气动调节 阀阀门的开度，控制生产装置的介质流量达到预定值。最初的阀门定位器诞生于20世纪40年代，它利用机械力平衡式原理，通过改变喷 嘴与挡板之间的距离，改变喷嘴压力，为一种完全气动式的阀门定位器。它利用力平衡原 理，调试过程需要反复调节弹簧、螺钉、凸轮等部件，且使用过程中易磨损，精度不高；之后 出现了电气阀门定位器定位器，其输入为4 20mA电流信号，通过电气I/P转换变为气动 信号驱动执行机构，使用过程可动部件少，提高了使用寿命与控制精度。根据电气I/P转换 单元的不同，电气阀门定位器可以分为电磁式与压电式两种，在压电式中又分为压电开关 式和压电比例式。由于压电开关式阀门定位器采用内阻极高的压电陶瓷材料，功耗极小，在 组成本安防爆结构时比较有利，因此广受青睐。阀门定位器从最初的纯气动机械力平衡式结构逐渐发展到电磁转换结构的电气 阀门定位器，再到如今具有参数自整定、故障诊断、数据通讯等功能的智能电气阀门定位 器，其每个结构单元、功能单元均经历了较大的改进，但总的趋势是电气化、智能化，并且必 将与全数字化工业控制相适应。目前国际上比较主流的智能阀门定位器以德国西门子公司 生产的压电式SIPART PS2系列和美国费希尔-罗斯蒙特公司生产的喷嘴挡板式DVC500、日 本山武公司生产的喷嘴挡板式SVP300系列为代表，三者占据了全球大部分的市场。在压电开关式电气阀门定位器的控制过程中，由于气源压力、负载大小、安装角 度、阀门磨损状况等因素的影响，使得被控参数具有时变、非线性、大滞后以及不确定等特 性，很难有效构造控制系统模型。为此，人们提出了五步开关法控制压电开关式阀门定位 器。其原理简单、扩展方便，也易于系统实现。但是，普通的五步开关法在阀门非线性特性 比较严重时，不同的目标位置调节时间差距较大；当阀门气缸体积较小，运行速度较大时， 容易造成很大的超调甚至振荡。因此，本发明在五步开关法的基础上进行改进(1)通过参 数自整定，寻找最佳定位速度，从而获得不同目标位置处的最佳PWM占空比，解决非线性特 性严重时，不同目标位置调节时间差异较大的问题；( 提出带反向PWM的五步开关法，通 过反向PWM降速，降低在微调区间的阀位速度，使阀位平缓地进入死区，有效地减小系统超 调。
发明内容
本发明要解决的问题是(1)根据五步开关法，在误差比较小时，使用正向PWM微 调，那么，PWM占空比选择的合适与否，直接影响到阀门定位器的到位速度与稳定性。如果 PWM占空比过大，很容易造成超调甚至振荡；反之，则调节时间较长。因此，如何控制阀位较 快和较稳地进入死区，获得较好的控制精度与稳定性是本发明要解决的一个问题。(2)现场 实际使用的气动执行机构种类繁多，根据动作角度不同，可以分为直行程类型与角行程类 型；根据运行特性的不同，可以分为线性类型、抛物线类型和快开类型；另外，不同厂家生 产的执行机构也有所区别。总之，不同种类的执行机构特性差距很大，即便是同一厂家生产 的同一型号的执行机构，由于每个执行机构所带负载材料的不同，工人安装时的角度、力度 不同，特性差别也较大，如何找到一个统一的算法，普遍适用于多种负载、多种类型、多个厂 家的执行机构，是目前亟需解决的一个难题，也是本发明要解决的另外一个问题。本发明所采用的技术方案如下
压电开关式阀门定位器控制系统由4 20mA电流源、I/V变换电路、电压变换模块、控 制信号放大滤波电路、反馈信号放大滤波电路、2片外部ADC (模数转换器)、超低功耗单片 机(MCU)(例如，美国TI公司生产的MSP430系列单片机)、液晶键盘模块、EEPROM (只读存 储器)、无源晶体、压电阀驱动放大电路组成。外部输入4 20mA电流作为控制信号，同时为整个系统供电，构成两线制低功耗 系统。4 20mA电流通过I/V变换转换成电压信号，然后，通过电压变换模块变换后，为控 制信号调理电路、MCU以及压电阀驱动电路等供电。同时，4 20mA控制信号通过I/V变换 转换成较小的电压信号，通过放大、滤波处理后，由外部ADC采样和转换，并通过SPI通信接 口传送给MCU。阀位反馈信号通过放大、滤波处理后，由另外一片ADC采样和转换，然后，通 过另一个SPI通信接口传送给MCU。MCU采用带反向PWM的五步开关法，对给定值和反馈值 进行处理，控制4路PWM波输出，驱动压电阀。当误差绝对值较大时，输出连续的控制量，即 正向Bang-Bang控制(以下简称B-B控制)；当误差绝对值较小，而误差变化率较大时，采 用反向PWM控制；当误差绝对值较小，误差变化率也较小时，采用正向PWM控制；当误差进 入死区时，若误差变化率较大，采用反向PWM控制，若误差变化率较小，控制量为零。当气动调节阀安装在管道上后，通过长按按键2秒钟，使压电开关式阀 门定位器开始工作，首先进入参数自整定程序。自整定步骤主要分为以下四步 (1)通过控制进气和排气方式，测量某段时间内反馈值的变化，得到行程类型，确 定执行机构运动方向与压电阀驱动真值表之间的关系。( 根据整定得到的行程 类型，控制阀门定位器以全开的方式从底端运行到顶端，测量上升过程最大速度 ^、最大速度位置￡#、调节时间‘以及顶端位置和底端位置Ifeftrai ,再控制阀位从顶 端位置运行到底端位置，测量下降过程最大速度f^w、最大速度位置、《^以及调节时间
,其中，调节时间为阀位从10%FSR(满量程范围)位置上升到90%FSR位置的时间， & 为阀位从90%FSR位置下降到20%位置的时间。(3)根据端点位置、最大速度和最大速 度位置，控制阀门定位器以全开的方式从端点运行到最大速度位置处；当阀位到达最大速 度位置处，控制阀位保持，测量最大过冲量、,其中，最大过冲量为阀位最大速度位置
5到停止位置之间的位移量。(4)定义最佳定位速度「= Δι> ,其中，T为控制周期，M为单位
周期内阀门位置的期望变化量；定义最佳占空比为阀位平均速度V P时对应的PWM占空
比。本发明中最佳占空比的寻优算法为首先，在某固定PWM占空比控制量状态下，以断续 的方式控制阀位从目标位置-2. 5%FSR位置处运行到目标位置+2. 5%FSR位置处，计算目标 位置士 2. 5%FSR内的平均速度V。若厂<歹，则以10/100的幅度增加PWM占空比，继续控
制，并测量此时的平均速度V ;若厂> F ,则以10/100的幅度减小PWM占空比，继续控制；假
设P丽占空比为Dl时，平均速度打>尹，而PWM占空比为D2时，平均速度Γ2 <F,就开始
折半查找，设置PWM占空比为￡)2+5/100,继续控制，测量此时的平均速度Γ3。若F3SF, 通过分段线性化，取最佳占空比D为
权利要求
1.一种压电开关式阀门定位器控制方法与系统，由4 20mA电流源、I/V变换电路、电 压变换模块、控制信号放大滤波电路、反馈信号放大滤波电路、2片外部ADC、超低功耗单片 机、液晶键盘模块、EEPR0M、无源晶体、压电阀驱动放大电路组成，其特征是外部输入4 20mA电流作为控制信号，同时为整个系统供电，构成两线制低功耗系统；4 20mA电流通过 I/V变换转换成电压信号，然后，通过电压变换模块变换后，为放大滤波电路、单片机以及压 电阀驱动电路等供电；同时，4 20mA控制信号通过I/V变换转换成较小的电压信号，通过 放大、滤波处理后，由外部ADC采样和转换，并通过SPI通信接口传送给单片机；阀位反馈 信号通过放大、滤波处理后，由另外一片ADC采样和转换，然后，通过另一个SPI通信接口传 送给单片机；单片机采用带反向PWM的五步开关法，对给定值和反馈值进行处理，控制4路 PWM波输出，驱动压电阀；当误差绝对值较大时，输出连续的控制量，即正向B-B控制；当误 差绝对值较小，而误差变化率较大时，采用反向PWM控制；当误差绝对值较小，误差变化率 也较小时，采用正向PWM控制；当误差进入死区时，若误差变化率较大，采用反向PWM控制， 若误差变化率较小，控制量为零。
2.如权利要求1所述的一种压电开关式阀门定位器控制方法与系统，其特 征在于采用带反向PWM的五步开关法进行闭环控制，其闭环控制算法流程中， el为上升时B-B控制和PWM控制的误差切换点，为下降时，B-B控制和PWM控制的误差 切换点，S为死区范围；首先进入循环，根据相邻两次给定值的采样值，判断给定值是否发 生变化，如果给定值发生变化，则根据相应参数修改正向PWM占空比；然后，判断误差是否 大于Λ，如果大于Λ，则采用正向B-B控制，进行上升调节；如果误差大于f且/J于1， 则计算阀位速度是否大于最佳定位速度，如果是，则采用反向PWM控制，进行反向降速，反 之，则采用正向PWM控制；如果误差小于^且大于-F，则表示阀位进入死区，阀位保持；如 果误差小于-F且大于-β2，则计算阀位速度是否大于最佳定位速度，如果是，则采用反向 PWM控制，进行反向降速，反之，则采用正向PWM控制；如果误差小于-￠2，则采用正向B-B 控制，进行下降调节。
3.一种压电开关式阀门定位器控制方法与系统，当气动调节阀安装在管道上后，通过 长按按键2秒钟，使压电开关式阀门定位器开始工作，首先进入参数自整定程序，其特征 是自整定步骤主要分为以下四步(1)通过控制进气和排气方式，测量某段时间内反馈值 的变化，得到行程类型，确定执行机构运动方向与压电阀驱动真值表之间的关系；( 根据 整定得到的行程类型，控制阀门定位器以全开的方式从底端运行到顶端，测量上升过程最 大速度Ki、最大速度位置工#、调节时间&以及顶端位置和底端位置Itofcw ,再控制阀 位从顶端位置运行到底端位置，测量下降过程最大速度G1^、最大速度位以及调节 时间h纖,其中，调节时间‘为阀位从10%FSR位置上升到90%FSR位置的时间，Tdewfl为阀位 从90%FSR位置下降到20%位置的时间；C3)根据端点位置、最大速度和最大速度位置，控制 阀门定位器以全开的方式从端点运行到最大速度位置处，当阀位到达最大速度位置处，控 制阀位保持，测量最大过冲量hw;toi，其中，最大过冲量为阀位最大速度位置到停止位置之间的位移量；(4)定义最佳定位速度P =巧^，其中，T为控制周期」为单位周期内阀门位置的期望变化量；定义最佳占空比为阀位平均速度V P时对应的PWM占空比。
4.如权利要求3所述的一种压电开关式阀门定位器控制方法与系统，其特征在于最佳 占空比的寻优算法，首先，在某固定PWM占空比控制量状态下，以断续的方式控制阀位从目 标位置-2. 5%FSR位置处运行到目标位置+2. 5%FSR位置处，计算目标位置士 2. 5%FSR内的平均速度V ;若Γ <P ,则以10/100的幅度增加PWM占空比，继续控制，并测量此时的平均速度V ；若厂> F ,则以10/100的幅度减小PWM占空比，继续控制；假设PWM占空比为Dl时，平均速度ri > F ,而PWM占空比为D2时，平均速度Γ2 <V ,就开始折半查找，设置PWM占空比为￡)2 + 5/100,继续控制，测量此时的平均速度厂3 ；若F3i^，通过分段线性化，取最佳 占空比D为
全文摘要
本发明涉及一种压电开关式阀门定位器控制方法和系统，该系统由4～20mA电流源、I/V变换电路、电压变换模块、控制信号放大滤波电路、反馈信号放大滤波电路、2片外部ADC、超低功耗单片机、液晶键盘模块、EEPROM、无源晶体、压电阀驱动放大电路组成，该控制方法是在参数自整定过程中，确定最佳PWM占空比。在控制过程中，采用带反向PWM的五步开关法。本发明可以有效地解决阀门定位器控制过程中的超调现象与执行机构的非线性问题，具有较强的普遍适用性。
文档编号F16K31/02GK102080735SQ20111004300
公开日2011年6月1日 申请日期2011年2月23日 优先权日2011年2月23日
发明者付健, 姜鹏, 徐科军, 王刚, 王沁, 胡小玲, 蒋浩, 陈学军 申请人:合肥工业大学, 重庆川仪自动化股份有限公司