一种高精度阀门控制方法与流程

本发明涉及一种高精度的阀门控制方法，具体地说是一种应用在电动执行机构行业的阀门控制方法，利用速度曲线控制电机的运行。

背景技术：

目前电动执行机构行业大部分产品的电机控制基本采用交流接触器和固态继电器模块。这两种方式都无法实现电机的调速，这样在阀门控制过程中，由于电机的惯量大，存在误差大，目标阀门过冲、启动冲击大等情况，对于生产工艺中要求高精度阀门控制的场合，用传统的执行机构无法实现。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种能够实现阀门的高精度控制，有效避免启动冲击等情况的阀门控制方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种高精度阀门控制方法，通过电动执行机构调速控制单元控制同步电机转速，从而控制阀门；包括以下步骤：

（1）系统参数设定：设定同步电机的最小可控转速V0，工作时的匀速转速VS，阀门的最小行程Ls；

（2）阀门当前阀位值判断；

（3）根据目标阀位值，计算本次运动行程；

（4）对本次运动行程进行判断：比较本次运动行程是否小于等于设定最小行程；如果是，系统执行最小可控转速V0，微动行至目标阀位时即完成本次行程；如果否，进入步骤（5）；

（5）规划速度曲线：根据本次运动行程，规划速度-时间曲线，包括加速阶段、匀速阶段和减速阶段；加速阶段将转速由最小可控转速V0加速至匀速转速VS；匀速阶段为匀速转速VS持续阶段；减速阶段为惯量减速后并以最小可控转速V0微动至目标阀位的阶段；

（6）根据步骤（5）中规划的速度曲线进行同步电机转速控制：通过电动执行机构的调速单元控制同步电机实现调速，至当前阀位达到目标阀位时即完成本次行程。

进一步的，本发明高精度阀门控制方法的具体步骤如下：

步骤1，进行系统参数设定：假定同步电机的最小可控转速为V0，额定转速VE，阀门可调节的全行程为Lmax，Lmax其对应的全行程的圈数值为R；设定工作时的匀速转速为VS，最小行程Ls；所述VS取值为VE的30-100%，所述最小行程Ls根据设备参数设定；然后进行下述步骤：

步骤2，系统实时读取阀位传感器位置值，计算当前阀位值；

步骤3，接收外界命令的目标阀位值，系统根据目标阀位值、当前阀位值计算本次运动行程；所述外界命令为数字开关命令、模拟量信号以及总线控制信号。

步骤4，比较本次运动行程是否小于等于设定最小行程；如果是，系统执行最小可控转速V0，微动行至系统判定当前阀位到达目标阀位时即完成本次行程；如果否，进入步骤5；

步骤5，根据本次运动行程，规划速度-时间曲线，并按照规划的速度曲线完成包括加速阶段、匀速阶段、减速阶段三阶段所需时间进行转速控制，其中：

加速阶段：确定转轴（即同步电机转轴）致动时将转速由V0加速到VS所需时间和对应的位移；

匀速阶段：确定匀速转速VS持续时间和对应的位移；

减速阶段：确定自减速起始点通过惯量减速加上按照最小可控转速V0微动区域所需时间和对应的位移；

系统在减速阶段的执行最小可控转速V0微动时，以微动行至系统判定当前阀位到达目标阀位时即完成本次行程；

根据步骤5规划，其中：

所述加速阶段，建立了加速时间曲线，设置加速时间为T，取值范围1s-5s之间；以最小时间固定=0.05s为速度加速变化区间，划分为N段,N=T/0.05；按照最小时间区间逐级进行转速调节，实现同步电机对应转速由V0提升至VS； 加速阶段速度与时间曲线由以下关系式表示：

时间t=（n-1）*ΔT，式中，n=1…N，当n=1时，转速V=V0；当n=N时，V=VS；当n=2至N-1时，转速为：

根据转速V与时间的对应关系，加速阶段位移值为：

式中：n=1…N,R为全行程总圈数（该表达式L1值为圈数，由于同步电机转轴旋转1圈，阀门调节的行程值是确定的，可与阀门行进位移值互为换算）。

所述减速阶段，建立了包括惯量减速区域和最小可控转速V0微动区域的对应的速度时间曲线，同时确定对应的位移；所述的惯量减速为工作Vs由惯量迅速降至V0的所需时间，并由该时间对应的位移，由设备参数确定；所述的最小可控转速V0微动区域取值为阀门可调节的全行程Lmax的0.5%。所述的惯量减速所需时间及对应的位移由设备参数确定，是通过查找减速区间表获得；所述的减速区间表通过实验记录额定负载0%、20%、40%、60%、80%、100%、120%分别在额定转速30%、50%、70%、100%速度下转动惯量；规划减速阶段曲线按对应数表区间所需最大时间和最大位移确定减速惯量。

所述匀速阶段，建立了匀速的速度时间曲线和规划的减速起始点，由本次运动行程扣减规划加速阶段、减速阶段的位移之和后的行程余量所确定的对应速度时间曲线，其末端即为规划的减速起始点的时间点。

所述速度曲线，系统在未达到减速起始点前，将根据工作转速VS对应负载变化，依据所述减速区间表对减速起始点的时间点进行修正。

前述的步骤4所述最小行程Ls根据设备参数设定，其取值大于等于设定转速VS与额定负载所对应的转动惯量位移的两倍，所述的惯量位移也是由所述减速区间表获得。

本控制方法是有电动执行机构调速单元通过控制同步电机，实现电机调速功能，驱动主轴按照给定的转速运行，实现阀门位置高精度控制。

本发明与传统的异步电机控制技术相比,提高了执行器运动控制的精度，可以灵活的调整运行速度，降低运行中带来的机械冲击，改善传动结构的材料磨损情况，提升产品的寿命。同时相比传统的控制技术，采用交流接触器或者固态继电器控制的，调速技术在启动电流上有很大抑制，降低了电机启动电流大对电网的冲击。阀门目标位置控制精度的提升，对于管道流体的非线性情况，控制流量精确度上有显著的提高，有助于现场工艺的改善，避免超调带来的工艺影响。同时该方法采用查表法控制输出的转速，相比较其他产品用单片机内核去计算处理速度方式，节省大量CPU资源，这样CPU可以更快速的响应其他命令，提升产品整体的反应速度。另外该方法对控制单元的性能要求比较低，更加容易实现，在成本上有很大优势。

附图说明

图1为本发明高精度阀门控制方法的流程图；

图2为本发明高精度阀门控制方法中规划的速度-时间曲线图；

图3为本发明高精度阀门控制方法中规划的位移-时间曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明高精度阀门控制方法主要分为以下几个步骤：

步骤1，利用线路板上MCU读取阀位传感器的数值，然后读取保存的开关限位值，利用两点法计算当前阀位开度，换算成百分比，用此种数据格式参与运算最直接。

步骤2，实施扫描外界命令，根据信号类型，计算目标阀位。常用命令有数字开关命令、模拟量信号以及总线控制信号，接收到开关量信号中开信号，目标阀位换算成100%。接收到开关量信号中关信号，目标阀位换算成0%。接收到模拟量信号，根据高低位标定值和当前采集值换算为目标阀位值。

步骤3，判断目标阀位与当前阀位值，计算本次运动的行程。如果运动行程小于最小调速行程。判定同步电机直接以微动速度控制阀门运行。如果超出最小调速行程，则进入步骤4.最小调速行程为加速时间内阀门运动的整个行程区间。

步骤4，根据运动行程计算速度曲线。 先判断本次运动行程是否超过最小行程。最小行程为当前力矩值和设定速度对应的减速区间，通过查减速区间表可以获得。当行程不超过最小行程时，运动速度为最小可控转速V0。当行程超过最小行程时将行程划分为三个阶段：加速阶段、匀速阶段、减速阶段，如图2所示。

所述加速阶段，建立了加速时间曲线，加速时间为T，可设置为1s-5s之间，默认2s。以最小时间固定=50ms为速度加速变化区间，划分为N段，N=T/0.05。按照最小时间区间逐级进行对同步电机的转速进行调节，实现对应转速由V0提升至VS.

时间与速度关系曲线表由如下公式计算出，即转速为：

其中VS为设定转速，V0为最小可控转速，t为时间,单位为s。

数据表中对应速度为按照上式公式计算，其中t=（n-1）*0.05s。n取值为2到N-1之间。其中1段转速为V0，第N段转速为VS。

加速阶段位移值，n=1…N,R为全行程总圈数（该表达式L1值为圈数，由于同步电机转轴旋转1圈，阀门调节的行程值是确定的，可与阀门行进位移值互为换算）。如图3所示。

曲线表的来源于速度曲线公式，以50ms为间隔，将每个阶段的速度比例计算出来，装置实际测试效果，曲线表要满足控制精度要求，同时降低对主控系统的资源消耗。

恒速阶段，装置输出按照同步电机的设定转速运行，设定转速范围为30%-100%额定转速速度。

减速阶段，根据运行过程中当前力矩值和当前速度进行查表，用阀门位置作为参照，计算减速起始点。

减速起始点=本次运动行程-微动区间-转动惯量。如图3所示，

微动区间为全行程的0.5%。全行程为阀门的整个行程，阀门全关位置为0%，阀门全开位置为100%。转动惯量通过查找减速区间表获得。减速区间表通过实验获得。通过记录额定负载0%、20%、40%、60%、80%、100%、120%分别在速度30%、50%、70%、100%速度下转动惯量，然后按照当前力矩值和当前速度比对减速区间表，确定转动惯量。目标阀位达到减速起始点后，按照最小可控转速运行，逼近目标值。

步骤5，执行机构的调速单元按照此速度曲线进行动作。按照图1流程去执行。先判断当前速度是否达到设定，未达到设定，按照速度曲线进行加速。如果达到设定速度，则进入匀速阶段。然后按照速度进行动作，再计算减速起始点。实时判断当前阀位是否达到减速起始点。未到达减速起始点的时候，按照先前方式重复计算速度并执行动作。如果达到减速起始点，速度为最小可控转速，并按此执行到目标阀位。

以下为5KW功率执行器的减速区间表，执行器额定速度为96rpm，全行程主轴转动20圈。本实施方案用圈数来计算行程，是由于同步电机转轴旋转1圈，阀门调节的行程值是确定的，因此，位移值可用圈数或阀门行进位移值表示，它们之间可互为换算。表1中数据对应为惯量区的减速惯量值，为全行程的百分比值，如30%额定转速与20%负载时，查表为0.011，即表示减速惯量为0.011%的全行程。表2对应为实测减速时间。

表1惯量区减速惯量值，单位：百分比

表2实测减速时间，单位s

应用表1、表2规划减速阶段曲线时，是根据当前转速和实测负载情况，按对应数表区间所需最大时间和最大位移对减速惯量进行确定。

执行机构的调速单元控制同步电机，实现电机调速功能，按照给定的速度驱动主轴运行，实现阀门位置高精度控制。

本发明与传统的异步电机控制技术相比,提高了执行器运动控制的精度，可以灵活的调整运行速度，降低运行中带来的机械冲击，改善传动结构的材料磨损情况，提升产品的寿命。同时相比传统的控制技术，采用交流接触器或者固态继电器控制的，调速技术在启动电流上有很大抑制，降低了电机启动电流大对电网的冲击。阀门目标位置控制精度的提升，对于管道流体的非线性情况，控制流量精确度上有显著的提高，有助于现场工艺的改善，避免超调带来的工艺影响。同时该方法采用查表法控制输出的速度，相比较其他产品用单片机内核去计算处理速度方式，节省大量CPU资源，这样CPU可以更快速的响应其他命令，提升产品整体的反应速度。另外该方法对控制单元的性能要求比较低，更加容易实现，在成本上有很大优势。