CN101770240A

CN101770240A - 智能阀门定位器的控制方法

Info

Publication number: CN101770240A
Application number: CN201010113300A
Authority: CN
Inventors: 周欢喜; 王斌慧; 汪时云
Original assignee: HENGYANG BEIFANG PHOTOELECTRIC INFORMATION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: HENGYANG BEIFANG PHOTOELECTRIC INFORMATION TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2010-02-24
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2030-02-24
Also published as: CN101770240B

Abstract

本发明涉及一种智能阀门定位器的控制方法，调试简单快捷。技术方案：单片机接收控制器发出的设置信号和阀位传感器传送的反馈信号，将设置信号与反馈信号进行比较，对偏差进行自适应PID控制，输出相应的PWM信号驱动I/P转换单元，经气动功率放大器驱动执行机构。

Description

智能阀门定位器的控制方法

技术领域

本发明涉及一种智能阀门定位器的控制方法。

背景技术

智能阀门定位器是在流量、温度、压力自动控制领域推广使用的新产品，在工业控制领域，采用智能阀门定位器和计算机网络技术可灵活组成分散或集群式自动控制系统，可以提高传统工业的自动化水平和产能，从而提高企业的经济效应。

现有智能阀门定位器的各种控制参数调整须在安装地点实施，调试较繁琐，增加了现场操作人员的工作难度，同样也容易出现人为错误。而且，现有的智能阀门定位器适应性较差，比如大行程的气动阀与小行程的气动阀或者角行程与直行程或者不同流量特性的执行机构均需要不同型号的智能阀门定位器。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种智能阀门定位器的控制方法，调试简单快捷。

实现本发明目的的技术方案：

一种智能阀门定位器的控制方法，其特征在于：单片机接收控制器发出的设置信号和阀位传感器传送的反馈信号，将设置信号与反馈信号进行比较，对偏差进行自适应PID控制，输出相应的PWM信号驱动I/P转换单元，经气动功率放大器驱动执行机构。

通过对象扫描自整定方法获得PID控制的K_P、K_I、K_D系数。

通过对象扫描自整定方法获得设置信号、反馈信号的采样周期。

对象扫描自整定方法为，将PWM信号设置为最大值100％，待稳定后测得执行机构最大角位移VH；将PWM信号设置为最小值0％，待稳定后测得执行机构最小角位移VL；将PWM信号设置为50％，待稳定后测量角位移，判断是否在行程的20％-80％范围内，若小于行程的20％，则增加PWM信号占空比，若大于行程的80％，则减小PWM信号占空比；待稳定后加一阶跃信号，得到一阶跃响应曲线，在加阶跃信号的同时开始对角位移积分，获得PID控制的K_P、K_I、K_D系数和设置信号、反馈信号的采样周期。

还设有按键模块，通过按键结合输入电流实现工作模式之间的切换。

按键设有上键、下键，上键按下超过3秒，输入信号7-9mA、11-13mA、15-17mA时分别进入位置反馈调试模式、零点满度调整模式、角行程阀自整定模式。

下键按下超过3秒时，输入信号11-13mA、15-17mA时分别进入调喷嘴位置模式、直行程阀自整定模式。

本发明具有的有益效果：

本发明单片机将设置信号与反馈信号进行比较，对偏差进行自适应PID控制，输出相应的PWM信号驱动I/P转换单元，经气动功率放大器驱动执行机构，使得智能阀门定位器的调试简单快捷、定位速度快、输出平稳可靠。

本发明采用对象扫描自整定方法获得PID控制的K_P、K_I、K_D系数和设置信号、反馈信号的采样周期，使得本发明可适用于不同类型阀，电后首先关闭看门狗，然后初始化端口，然后开全局中断，进低功耗模式，等待中断。

定时中断服务程序：定时中断时间到则采集阀位反馈信号及其设定信号。定时中断时间(即阀位反馈信号及其设定信号采样周期)由自整定得出的执行机构响应时间决定。

按键中断服务程序：如图3所示，按键模块共有两个按键(上键、下键)，两个按键与输入电流配合使用，完成工作模式转换。按键设有上键、下键，上键按下超过3秒，输入信号7-9mA、11-13mA、15-17mA时分别进入位置反馈调试模式、零点满度调整模式、角行程阀自整定模式。下键按下超过3秒时，输入信号11-13mA、15-17mA时分别进入调喷嘴位置模式、直行程阀自整定模式。

串口中断服务程序：通过串口查看和修改控制参数、流量特性、标定电流零点和满度等。

(2)对象扫描自整定方法

如图4所示，PID控制的K_P(比例系数)、K_I(积分系数)、K_D(微分系数)系数和设置信号、反馈信号的采样周期时间通过对象扫描自整定方法获得。

设受控对象的传递函数为：

式(7-1)

其中，τ是等价时滞，T是等价时间常数

定义总和时间常数为：

T_∑＝T₁+T₂+…T_n-τ₁-τ₂-…-τ_m+τ 式(7-2)

再定义

y 1 (t) = {&Integral;}_{0}^{t} [K_{0} - y (τ)] dτ

具有更好的通用性。

本发明设有按键模块，通过按键结合输入电流实现工作模式之间的切换，使得调试操作更加方便。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的主程序流程图；

图3为本发明的按键中断流程图；

图4为本发明对象扫描自整定流程图；

图5为阶跃响应特性曲线图；

图6为T_∑整定法的计算公式表。

具体实施方式

如图1所示，控制器901输出设置信号，经两导线902进入电源与信号调理模块903，提供整机工作电源、提取控制信号发送到MSP430单片机906，执行机构909的当前阀位通过阀位传感器908送到MSP430单片机；自适应PID控制程序904对设置信号和反馈信号比较，对偏差进行自适应PID处理后，发送下时刻PWM信号，由PWM信号驱动I/P转换单元907，经过气动功率放大器后推动执行机构进行调节。

(1)主程序

单片机MSP430工作在低功耗模式，其低功耗主要以工作在空闲模式或掉电模式来实现，除ACLK活动外，CPU及各功能模块停止，电流约为6μA。当需要时，任何模块都可以通过中断唤醒CPU，从而使系统降低功耗。

如图2所示，主要有定时中断、按键中断、串口中断等程序。上得到如图5所示S型阶跃响应特性

A_{1} = \lim_{t &RightArrow; \infty} y 1 (t) = K_{0} T_{Σ}

将PWM信号设置为最大值100％，待稳定后测得执行机构最大角位移VH 302；将PWM信号设置为最小值0％，待稳定后测得执行机构最小角位移VL；将PWM信号设置为50％，待稳定后测量执行机构角位移，判断是否在行程的20％-80％范围内，若小于行程的20％，则增加PWM信号占空比，若大于行程的80％，则减小PWM信号占空比；待稳定后加一阶跃信号，得到如图5所示的得到A1和K0阶跃响应曲线，在加阶跃信号的同时开始对角位移积分，得到A1和K0。

通过公式

求得T_∑即设置信号、反馈信号的采样周期，再通过图6的计算公式表，获得PID控制的K_P、K_I、K_D系数。

(3)自适应PID控制

控制器输出的设定值和执行机构当前阀位传感器的反馈值进行比较，计算两者偏差e(k-2)，同样记录k-1次采样计算出的偏差e(k-1)，k次采样的计算出e(k)。

式(8-1)

式中k采样序号，k＝0，1，2…

u_k第k采样时刻输出值；

e(k)第k采样时刻的输入偏差值；

e(k-1)第k-1采样时刻的输入偏差值；

K_P比例系数；

K_I积分系数；

K_D微分系数；

前述式(8-1)由递推原理得

式(8-2)

式(8-1)减去式(8-2)得

Δu(k)＝K_P[e(k)-e(k-1)]+K_Ie(k)+K_D[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]式(8-3)

＝K_PΔe(k)+K_Ie(k)+K_D[Δe(k)-Δe(k-1)]

式中Δe(k)＝e(k)-Δe(k-1) 式(8-4)

首先对上述偏差进行分类，偏差较大时，进行粗调；偏差较小时，则输出连续脉冲进行精确调节，具体调节流程如下：

根据式(8-3)进行比例、积分、微分并求和，N次偏差量累积和若大于某值，则输出Δu(k)所对应脉宽变化量ΔPWM，则下一时刻输出脉宽PWM+ΔPWM，而PWM+ΔPWM驱动I/P转换单元，经过气动功率放大器后推动执行机构进行调节。

由于振动等干扰将使阀门定位器进行无休止的精确调节状态，这势必影响调节阀的使用寿命，死区设置使上述问题得到很好解决，若N次采样偏差累积很小，则不改变PWM信号，即执行机构不动作，但继续累积偏差。下一次定时中断时间到，继续采集设定值和阀位反馈值，继续进行如上循环。

执行机构经长期运行后可能出现磨损，这样在设置信号为4mA或20mA时，如果还是用原来自整定过程中记录的行程零点、满度值进行控制，势必不能将调节阀完全关闭或打开。因此设计了禁闭功能，设置信号值大于19.5mA时则输出PWM＝100％，设置信号值小于3.7mA时，PWM＝0％。

Claims

1.一种智能阀门定位器的控制方法，其特征在于：单片机接收控制器发出的设置信号和阀位传感器传送的反馈信号，将设置信号与反馈信号进行比较，对偏差进行自适应PID控制，输出相应的PWM信号驱动I/P转换单元，经气动功率放大器驱动执行机构。

2.根据权利要求1所述的智能阀门定位器的控制方法，其特征在于：通过对象扫描自整定方法获得PID控制的K_P、K_I、K_D系数。

3.根据权利要求2所述的智能阀门定位器的控制方法，其特征在于：通过对象扫描自整定方法获得设置信号、反馈信号的采样周期。

4.根据权利要求3所述的智能阀门定位器的控制方法，其特征在于：

对象扫描自整定方法为，将PWM信号设置为最大值100％，待稳定后测得执行机构最大角位移VH；将PWM信号设置为最小值0％，待稳定后测得执行机构最小角位移VL；

将PWM信号设置为50％，待稳定后测量角位移，判断是否在行程的20％-80％范围内，若小于行程的20％，则增加PWM信号占空比，若大于行程的80％，则减小PWM信号占空比；

待稳定后加一阶跃信号，得到一阶跃响应曲线，在加阶跃信号的同时开始对角位移积分，获得PID控制的K_P、K_I、K_D系数和设置信号、反馈信号的采样周期。

5.根据权利要求4所述的智能阀门定位器的控制方法，其特征在于：还设有按键模块，通过按键结合输入电流实现工作模式之间的切换。

6.根据权利要求5所述的智能阀门定位器的控制方法，其特征在于：按键设有上键、下键，上键按下超过3秒，输入信号7-9mA、11-13mA、15-17mA时分别进入位置反馈调试模式、零点满度调整模式、角行程阀自整定模式。

7.根据权利要求6所述的智能阀门定位器的控制方法，其特征在于：下键按下超过3秒时，输入信号11-13mA、15-17mA时分别进入调喷嘴位置模式、直行程阀自整定模式。