基于喷嘴挡板技术一键自整定方法与流程

本发明涉及智能阀门定位器的自整定方法，更具体地说，尤其涉及一种基于喷嘴挡板技术一键自整定方法，属于智能阀门定位器或智能仪表领域。

背景技术：

智能阀门定位器是应用于有着相同执行机构的同一类阀门的远程控制定位装置，但受单作用、双作用、线行程、角行程、气体压缩性、气缸及管道介质摩擦力等非线性时变性因素影响，这种复杂系统适合用PID算法进行控制，但如何通过自整定来得出系统的PID参数，是能否用PID进行控制的关键，需要通过一种自整定算法得出PID相关参数，才能实现定位器的静态和动态的高精度控制。定位器自整定时，如方法不合理，待整定的参数计算不准确会导致定位器控制振荡或长时间滞后，市场上的此类定位器自整定步骤中，还没有自整定PID参数。

例如申请号为200910155631.X用于智能阀门定位器喷嘴挡板的PWM驱动电路的发明专利，仅仅是对该部分I/P驱动硬件电路的实现进行了介绍，并未阐述智能阀门定位器的自整定方法。

总之，现在公开的智能阀门定位器技术中，没有就喷嘴挡板式智能阀门定位器的PID自整定方法进行论述或研究报道。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足提供一种基于喷嘴挡板技术一键自整定方法，该方法系统而全面的解决了传统的智能定位器自整定时间过长、自整定多次反复的技术难题。利用该方法，定位器一次整定就可以满足现场复杂工况的要求，在操作上一键完成全部整定。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一键整定，完成全部整定工作，包括执行器类型整定、执行器方向整定、行程范围整定、最大速度整定、中速整定、最小速度整定和PID参数整定；

其中，最小速度整定得到的最小速度值就是阀门定位器刚好能充气或刚好能排气时的DA幅值；

其中，所述PID参数整定的具体步骤为：

步骤1：判断阀门当前位置是否在50％以下，如果是则为准备好，进入步骤2；

步骤2：充气，初始充气DA幅值为最小速度值，进入步骤3；

步骤3：上半波计数，当阀门移动至50％位置时，关充气，置排气，当阀门降至50％，关排气，置充气；下半波计数，当阀门升至50％位置时，关充气，置排气，此时阀门动作了一个周期，进入步骤4；

步骤4：波形分析，计算上半波与下半波周期差值，如果小于或等于1，则找到符合条件的，保存此时周期值和幅值进入步骤5；

如果大于1，DA幅值则与上一次值比较，保存较小值的周期值和幅值，充气的DA幅值较上一次增大一定比例，若增大后的DA幅值超过100％，则无需充气，进入步骤5，若增大后的DA幅值未到达100％，则以此值再次充气进入步骤3；

步骤5：根据保存的周期值和幅值，并依据继电自整定的原理计算出Kp、Ki及Kd，PID参数整定完成。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作如下改进：

进一步，所述一定比例为1％-3％。

进一步，所述最小速度整定的具体步骤为：将阀门驱动至50％的位置，关闭输出，等待阀门静止，充气量从0开始递增，判断阀门是否往充气方向移动，如果称动，则此时的充气量的值为最小充气速度并保存；

将阀门驱动至50％的位置，关闭输出，等待阀门静止，排气量从0开始递减，判断阀门是否往排气方向移动，如果移动，则此时的排气量的值为最小排气速度并保存。

进一步，所述执行器类型整定的具体步骤为：所述执行器类型整定具体步骤为执行器传感器测量旋转反馈轴最大旋转角范围，若最大旋转角≤60°，则执行器类型为直行程，若最大旋转角>60°，则执行器类型为角行程。

进一步，所述执行器方向整定的具体步骤为：以最大气量持续排气3S，关闭输出，AD采样当前位置值S1，以最大气量持续充气3S，关闭输出，AD采样当前位置值S2，计算S2-S1，如果为正值，则执行器方向为正向，如果为负值则执行器方向为反向。

进一步，所述行程范围整定的具体步骤为：以最大气量充气5S，检测每2S位移量ΔL，当ΔL＝0时，AD采样保存一个边界值S1，以最大气量排气5S，检测每2S位移量ΔL，当ΔL＝0时，AD采样保存一个边界值S2，两次采样值之差S就是行程范围。

进一步，所述行程范围整定的具体步骤还包括以最大气量充气，计算阀门从S2移至S1行程的时间Tup并保存，以最大气量排气，计算阀门从S1移至S2行程的时间Tdown并保存。

进一步，所述最大速度整定的具体步骤为：设置阀位40％和60％两个点为测试点，

充气，初始充气量为最大气量，让阀门从40％移至60％位置，关闭输出，判断超调量是否小于总行程10％，如果是则为正向最大速度，如果不是，则在下个周期将I/P输出占空比减少3％-10％，运行后再判断，直到满足条件为止，保存此时的充气量为最大充气速度；

同理，排气，初始排气量为最大气量，让阀门从60％移至40％位置，关闭输出，判断超调量是否小于总行程10％，如果是则为正向最大速度，如果不是，则在下个周期将I/P输出占空比减少3％-10％，运行后再判断，直到满足条件为止，保存此时的排气量为最大排气速度。

进一步，所述中速整定的具体步骤为：设置阀位40％和60％两个点为测试点，

充气，初始充气量为最大气量，让阀门从40％移至60％位置，关闭输出，判断超调量是否小于总行程5％，如果是则为正向最大速度，如果不是，则在下个周期将I/P输出占空比减少3％-10％，运行后再判断，直到满足条件为止，保存此时的充气量为充气中速度；

同理，排气，初始排气量为最大气量，让阀门从60％移至40％位置，关闭输出，判断超调量是否小于总行程5％，如果是则为正向最大速度，如果不是，则在下个周期将I/P输出占空比减少3％-10％，运行后再判断，直到满足条件为止，保存此时的排气量为排气中速度。

与现有技术相比本发明的有益效果为：

本发明公布了一种基于喷嘴挡板技术的智能阀门定位器一键自整定方法，该方法系统而全面的解决了传统的智能定位器自整定时间过长、自整定多次反复的技术难题。利用该方法，定位器一次整定就可以满足现场复杂工况的要求，在操作上一键完成全部整定，时间控制在110秒内。同时还能自整定出PID参数，实现高精度控制，达到高端阀门0.3％的控制精度要求。

附图说明

图1本发明实施例所述的基于喷嘴挡板技术一键自整定方法的流程图；

图2为本发明实施例所述的执行器类型整定的流程图；

图3为本发明实施例所述的执行器方向整定的流程图；

图4为本发明实施例所述的行程范围整定的流程图；

图5为本发明实施例所述的最大速度整定的流程图；

图6为本发明实施例所述的中速整定的流程图；

图7为本发明实施例所述的最小速度整定的流程图；

图8为本发明实施例所述的PID参数整定的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据权利要求书和下面的说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例

一种基于喷嘴挡板技术一键自整定方法，如图1所示，包括以下步骤：

第一步：执行器类型整定，判断当前执行器为线行程(LINE)还是角行程(ROTR)，并保存。

执行器类型整定的具体方法如图2所示：

执行器传感器测量旋转反馈轴最大旋转角范围，若最大旋转角≤60°，则执行器类型为直行程，若最大旋转角>60°，则执行器类型为角行程。

在实际应用中，排气时阀杆带动反馈杆逆时针旋转为正向，反之，排气时阀杆带动反馈杆逆时针旋转为反向。根据这一判断能得出阀门是气开阀还是气关阀，是本发明一键自整定关键部分。气开型是指有气阀门开启，气关型是指有气阀门闭合。这个阀门特性在过程控制中为安全要求对阀门的选型，是非常重要的特性。比如，某个现场的气动阀门，要求在意外停气时，阀门管道必须关闭，否则就会引起安全事故。因此，设计选型是阀门必须选择是气开型，这样停气就自动关闭。作为阀门控制的智能阀门定位器，必须对待控制的阀门做在线自整定判断，是气开型还是气关型，依据不同的类型，在安全控制策略上做相应处理，否则阀门控制就会出现重大安全隐患。

第二步：执行器方向整定，判断执行器方向，自动纠正。该步是自动获取执行器方向参数(正作用DIRC、反作用REVR)，具体实施方法见图3。

执行器方向整定的具体方法如图3所示：

以最大气量持续排气3S，关闭输出，AD采样当前位置值S1，以最大气量持续充气3S，关闭输出，AD采样当前位置值S2，计算S2-S1，如果为正值，则执行器方向为正向，如果为负值则执行器方向为反向。

第三步：行程范围整定，走行程的上边界和下边界，获取行程最小值和最大值。获得上、下行程时间，该步是自动获取执行器行程范围参数。

行程范围整定的具体方法如图4所示：

以最大气量充气5S，检测每2S位移量ΔL，当ΔL＝0时，AD采样保存一个边界值S1，以最大气量排气5S，检测每2S位移量ΔL，当ΔL＝0时，AD采样保存一个边界值S2，两次采样值之差S就是行程范围。

以最大气量充气，计算阀门从S2移至S1行程的时间Tup并保存，以最大气量排气，计算阀门从S1移至S2行程的时间Tdown并保存。

第四步：最大速度整定，获取执行器运行最大速度，此速度用于缩短到达设定值的时间。

最大速度整定的具体方法如图5所示：

设置阀位40％和60％两个点为测试点，

充气，初始充气量为最大气量，让阀门从40％移至60％位置，关闭输出，判断超调量是否小于总行程10％，如果是则为正向最大速度，如果不是，则在下个周期将I/P输出占空比减少3％-10％，运行后再判断，直到满足条件为止，保存此时的充气量为最大充气速度；

同理，排气，初始排气量为最大气量，让阀门从60％移至40％位置，关闭输出，判断超调量是否小于总行程10％，如果是则为正向最大速度，如果不是，则在下个周期将I/P输出占空比减少3％-10％，运行后再判断，直到满足条件为止，保存此时的排气量为最大排气速度。

第五步：中速整定，获取执行器运行的中速度，此速度用于减小超调，以及超调后快速返回。

中速整定的具体方法如图6所示：

设置阀位40％和60％两个点为测试点，

充气，初始充气量为最大气量，让阀门从40％移至60％位置，关闭输出，判断超调量是否小于总行程5％，如果是则为正向最大速度，如果不是，则在下个周期将I/P输出占空比减少3％-10％，运行后再判断，直到满足条件为止，保存此时的充气量为充气中速度；

同理，排气，初始排气量为最大气量，让阀门从60％移至40％位置，关闭输出，判断超调量是否小于总行程5％，如果是则为正向最大速度，如果不是，则在下个周期将I/P输出占空比减少3％-10％，运行后再判断，直到满足条件为止，保存此时的排气量为排气中速度。

第六步：最小速度整定，整定出执行器最小速度，用于微调整，获取最优的控制精度。

最小速度整定的具体方法如图7所示：

将阀门驱动至50％的位置，关闭输出，等待阀门静止，充气量从0开始递增，判断阀门是否往充气方向移动，如果称动，则此时的充气量的值为最小充气速度并保存；

将阀门驱动至50％的位置，关闭输出，等待阀门静止，排气量从0开始递减，判断阀门是否往排气方向移动，如果移动，则此时的排气量的值为最小排气速度并保存。

本发明中，最小速度是以定位器的最小开启量来定义，是实际操作中，最为精细的操作速度，能够达到更小的控制量。

第七步：整定PID参数，PID参数自整定依据的是继电自整定的原理，在自整定时需要得出一个正半波和负半波时间相等的波形，根扰此波形的幅值和周期，可计算出该对象PID的Kp，Ki，Kp参数。

整定PID参数的具体方法如图8所示：

步骤1：判断阀门当前位置是否在50％以下，如果是则为准备好，进入步骤2；

步骤2：充气，初始充气DA幅值为最小速度值，进入步骤3；

步骤3：上半波计数，当阀门移动至50％位置时，关充气，置排气，当阀门降至50％，关排气，置充气；下半波计数，当阀门升至50％位置时，关充气，置排气，此时阀门动作了一个周期，进入步骤4；

步骤4：波形分析，计算上半波与下半波周期差值，如果小于或等于1，则找到符合条件的，保存此时周期值和幅值进入步骤5；

如果大于1，DA幅值则与上一次值比较，保存较小值的周期值和幅值，充气的DA幅值较上一次增大一定比例，若增大后的DA幅值超过100％，则无需充气，进入步骤5，若增大后的DA幅值未到达100％，则以此值再次充气进入步骤3；

其中，所述一定比例优选为1％。

步骤5：根据保存的周期值和幅值，并依据继电自整定的原理计算出Kp、Ki及Kd，PID参数整定完成。

计算Kp,Ki,,Kd方法如下：

d＝daduty_S+daduty_F

a＝Semi_wavey

Ti＝Semi_waveX/2

Td＝Semi_waveX/8

Ki＝Kp/Ti

Kd＝Kp×Td

通过PID参数整定，能够实时准确地判断是否输出最小速度，及维持最小速度的时间，来实现微小偏差的调节。从而实现高精度控制，达到高端阀门0.3％的控制精度要求。

在实际工程中，应用最为广泛的调节器控制为比例、积分、微分控制，简称PID控制。它以其控制简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的重要技术之一，当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，最适合用PID控制。而智能阀门定位器应用的调节阀，其执行机构结构各异，阀体填料不同摩擦力不同、气源压力不同以及时变性等因素决定该对象的结构与参数不能完全掌握，适全用PID控制。

现有技术在精确控制时，有采用步进式控制的，每次给一次最小速度的脉冲输出，关闭输出，等待后观察移动量，看这一次输出阀门移动多少，如此反复逼近控制值，直在阀门移动到控制值的容差范围内，实现高精度控制，但调节时间长达8秒。

在本发明中，通过采用PID控制实现精确控制，就是对输入偏差进行比例积分微分运算，用运算的叠加结果去控制执行机构。只要整定出系统的PID参数，就能达到理想的控制效果，控制时间短，只需要2-5秒，精度高，能达到0.1％和0.3％。

与现有技术相比本发明的有益效果为：

本发明公布了一种基于喷嘴挡板技术的智能阀门定位器一键自整定方法，该方法系统而全面的解决了传统的智能定位器自整定时间过长、自整定多次反复的技术难题。利用该方法，定位器一次整定就可以满足现场复杂工况的要求，在操作上一键完成全部整定，时间控制在110秒内。同时还能自整定出PID参数，实现高精度控制，达到高端阀门0.3％的控制精度要求。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。