CN102080735B - 一种压电开关式阀门定位器控制系统 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种压电开关式阀门定位器控制系统

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；(2)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。(2)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

，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

、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到停止位置之间的位移量。(4)定义最佳定位速度

，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≈

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±2.5%FSR内的平均速度V。若

，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

，则以10/100的幅度减小PWM占空比，继续控制；假设PWM占空比为D1时，平均速度

，而PWM占空比为D2时，平均速度

，就开始折半查找，设置PWM占空比为

，继续控制，测量此时的平均速度

。若

，通过分段线性化，取最佳占空比D为 

若

，取最佳占空比D为

寻找10%FSR、30%FSR、50%FSR、70%FSR、90%FSR位置处最佳定位速度

对应最佳占空比的D，再通过分段线性化，确定每个目标位置对应的最佳PWM占空比，最后，将分段线性拟合系数保存在EEPROM中。

本发明的优点是：(1)在五步开关法的基础上引入反向PWM控制，降低阀位运行的速度(简称降速)，防止进/排气量过多造成超调；同时，控制阀位以较小的速度平稳地进入死区，并在死区内部抑制扰动。反向降速主要体现在以下三个方面：在B-B控制结束到正向PWM控制开始之前，先利用反向PWM降速，当阀位运行速度较小时，才利用正向PWM控制，从而有效地防止过冲；在正向PWM控制期间，如果阀位瞬间启动速度较大，则采用反向PWM控制，降低阀位运行的速度，使其以较小的速度进入死区；在死区内，如果阀位仍然以较大的速度运行，则通过反向PWM降速，使阀位快速停止，这样不但可以进一步减小超调，还可以有效地抑制由于干扰引起的阀位扰动。(2)根据单位周期内的期望速度，通过参数自整定得到最佳占空比。对所有的阀门，可以不分类别，针对不同特性的阀门，即不论是抛物线特性、线性特性还是快开特性，都可以通过参数自整定得到最佳占空比，具有较强的普遍适用性；针对同一阀门的不同目标位置，自整定得到不同占空比，在整个行程过程中，没有明显的分段，实现了平滑控制；在最佳占空比的自整定过程中，采用逐级递增、递减，并配合折半查找与分段线性化的方法得到分辨率较高的最佳占空比数值。 

附图说明

图1是本发明系统中带反向PWM的五步开关法示意图。 

图2是本发明系统中带反向PWM的五步开关法相平面图。 

图3是本发明系统中基于超低功耗单片机的阀门定位器控制系统硬件框图。 

图4是本发明系统中主程序流程图。 

图5是本发明系统中闭环控制算法流程图。 

图6是本发明系统中参数自整定流程图。 

图7是本发明系统中部分参数自整定过程曲线。 

图8是本系统中Step1参数自整定流程图。 

图9是本发明系统发明中Step2参数自整定流程图。 

图10是本发明系统中Step3参数自整定流程图。 

图11是本发明系统中Step4参数自整定流程图。 

图12控制信号阶跃幅值0.5mA时控制效果图。 

图13控制信号阶跃幅值0.5mA时控制效果局部放大图。 

图14控制信号阶跃幅值1mA时控制效果图。 

图15控制信号阶跃幅值1mA时控制效果局部放大图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。 

本发明系统中带反向PWM的五步开关法示意图如图1所示。图中箭头方向表示气体作用力的方向。当误差绝对值较大时，采用B-B控制，快速地减小误差；当误差绝对值较小，但误差变化率较大时，采用反向PWM控制，迅速地降低误差变化率；当误差绝对值较小，且误差变化率较小时，采用正向PWM控制，缓慢地逼近目标值；当阀位平缓地进入死区后，控制阀位保持。该算法相平面图如图2所示，其中，误差的导数表示误差变化率。当误差绝对值较大时称为快速区，快速地减小误差；当误差绝对值较小，误差的导数较大时，称为降速区，通过反向PWM调节迅速地降低误差的导数；当误差绝对值较小，误差的导数也较小时，称为微调区，通过正向PWM调节缓慢地减小误差与误差的导数；只有当误差绝对值很小，且误差的变化率也很小时，阀位才进入死区，并控制阀位保持。 

本发明系统硬件框图如图3所示。本发明系统由4～20mA恒流源、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、外部高精度ADC、MCU、液晶、键盘、外扩EEPROM、压电阀驱动电路、压电阀和旋转电位器组成。 

本发明系统的工作过程为：CA100小型校验仪(或者Beamex标准校验仪MC2-TE)提供4～20mA电流控制信号，其电流分辨率为0.0001mA，该电流信号同时为整个系统供电，组成两线制低功耗架构。4~20mA输入信号通过I/V变换电路转换成电压，再通过电压变换输出3V、28V和1.231V，其中，3V电压作为信号调理电路和MCU部分的电源，28V电压作为压电阀驱动电路电源，1.231V电压作为外部ADC参考电压。旋转电位器的输出电压反映实际的阀位，控制信号和反馈信号分别通过放大滤波处理，再由ADC采样和转换，通过SPI同步通信送给MCU处理。采样结果通过MCU运算处理，输出A、B、C、D共4路PWM信号，驱动压电阀动作。本发明系统中压电阀全开时，要求压电晶体两端电压不小于24V，因此需要对MCU输出信号进行放大，再驱动压电阀。进气时，压电阀进气口A1打开，压电阀排气口A2关闭，压缩空气进入气缸，推动活塞向下运动，从而引起连杆执行机构和旋转电位器动作，阀位减小；排气时，A1关闭，A2打开，气缸内气体通过A2排入大气，活塞向上运动，从而引起连杆执行机构和旋转电位器反方向动作，阀位变大；阀位保持时，A1和A2同时关闭，气缸内气压保持不变。 

图4所示为系统主监控程序流程图，系统上电以后，主监控程序自动运行，程序按照设定方式，调用各子程序，实现相应的功能。基本过程为：系统上电后，首先对单片机各功能模块和程序中的变量进行初始化；然后开中断，查询按键端口，判断是否有按键按下。如果有按键按下，液晶显示“正在自整定”，并调用参数自整定程序，进行参数自整定，自整定结束以后显示相应的自整定参数；否则，开定时器A5和定时器B，计算出控制过程中需要的参数；然后对阀门进行闭环控制，重复上述循环。 

本发明系统采用带反向PWM的五步开关法进行闭环控制。其闭环控制算法流程如图5所示。图中，

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，

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

,如果大于

,则采用正向B-B控制，进行上升调节；如果误差大于

且小于

，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

，则表示阀位进入死区，阀位保持；如果误差小于

且大于

,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，则采用正向B-B控制，进行下降调节。 

本发明系统分四步进行参数自整定，其参数自整定流程图如图6所示。步骤如下：判断是否需要自整定，如果不需要，则从EEPROM中直接读取控制参数；否则，则进行第一步自整定，整定阀门行程类型；然后进行第二步自整定，整定端点位置、上升和下降过程的最大速度以及调节时间；然后，进行第三步自整定，整定上升和下降时最大速度处的过冲量；然后，进行第四步自整定，确定各个位置的最佳PWM占空比。图7所示为部分参数自整定过程曲线。 

图8所示为参数自整定第一步(Step1)的流程图。首先，排气40s，确保阀位在端点位置，然后阀位保持，对当前阀位反馈值进行采样，记录阀位。然后，控制进气，通过定时器定时，每隔1s采样一次阀位反馈值，判断阀位是否发生变化，如果在10s内，阀位有变化，判断变化的方向，如果阀位减小，则判断为正行程，否则为反行程；如果10s内阀位没有变化，则继续进气，如果40s内阀位有变化，且阀位变小，则判断为正行程阀，否则为反行程阀。如果40s内阀位没有任何变化，则进行故障报警。 

图9所示为参数自整定第二步(Step2)的流程图。首先，排气30s，使阀位回到端点处。然后，判断阀门行程类型，如果为正行程，则进气，进行下降调节，从最大反馈值位置运行至最小反馈值位置，在此过程中，保存AD的采样值，寻找顶端和底端阀位值，并计算下降过程中的最大速度以及调节时间；然后排气，进行上升调节，从最小反馈值位置运行至最大反馈值位置，在此过程中，计算上升过程中的最大速度以及调节时间。反行程类型阀门定位器整定过程与正行程相反。 

图10所示为参数自整定第三步(Step3)的流程图。首先判断阀门行程类型，如果为正行程，根据第二步参数自整定过程可知，阀位在第三步自整定开始时位于最大反馈值位置。首先进气，进行下降调节，判断阀位是否到达下降最大速度处，如果不是，继续进气，否则，阀位保持，记录阀位值

，等待3s，再记录阀位值

，计算

的值，即为下降最大过冲量；继续进气，控制阀位运行至底端；然后排气，进行上升调节，判断阀位是否到达上升最大速度处，如果不是，继续排气，否则阀位保持，记录阀位值

，等待3s，再记录阀位值

，计算

的值，即为上升最大过冲量。 

图11所示为参数自整定第四步(Step4)的流程图。首先判断阀门行程类型，如果为正行程，则首先对10%FSR处的正向PWM占空比进行寻优，确定该位置的最佳占空比，然后增加20%FSR，确定30%FSR处最佳正向PWM占空比，直至确定出90%处的最佳正向PWM占空比；如果为反行程，则首先对90%FSR处的正向PWM占空比进行寻优，确定该位置的最佳占空比，然后减小20%FSR，确定70%FSR处最佳正向PWM占空比，直至确定出10%处的最佳正向PWM占空比。 

图12～图15所示为本发明系统在带石墨负载阀门定位器上进行实验测试控制效果图，实验过程中死区宽度设置为0.4%FSR。图12所示为控制信号阶跃幅值0.5mA时控制效果图，图13为图12局部放大图。由图13可知，正向PWM 3个，无超调。图14所示为控制信号阶跃幅值1mA时控制效果图，图15为图14局部放大图。由图15可知，正向PWM 0个，正向Bang-Bang控制结束后通过反向PWM降速，阀位平稳地进入死区。对不同阀门定位器带不同负载时进行实验测试，达到了0.4%控制精度、超调不大于0.7%、PWM个数不大于10个的控制指标。实验结果表明，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，具有较强的适用性。 

Claims (4)

1.一种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、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，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，e1为上升时B-B控制和PWM控制的误差切换点，e2为下降时，B-B控制和PWM控制的误差切换点，ε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e1，如果大于e1，则采用正向B-B控制，进行上升调节；如果误差大于ε且小于e1，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ε且大于-ε，则表示阀位进入死区，阀位保持；如果误差小于-ε且大于-e2，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-e2，则采用正向B-B控制，进行下降调节。

3.如权利要求1所述的一种压电开关式阀门定位器控制系统，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；(2)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V_up、最大速度位置L_up、调节时间T_up以及顶端位置L_top和底端位置L_bottom，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V_down、最大速度位置L_down以及调节时间T_down，其中，调节时间T_up为阀位从10％FSR位置上升到90％FSR位置的时间，T_down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L_overshoot，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)定义最佳定位速度其中，T为控制周期，ΔL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

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±2.5％FSR内的平均速度V；若

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；若则以10/100的幅度减小PWM占空比，继续控制；假设PWM占空比为D1时，平均速度

而PWM占空比为D2时，平均速度

就开始折半查找，设置PWM占空比为D2+5/100，继续控制，测量此时的平均速度V3；若

通过分段线性化，取最佳占空比D为

$D=D2+\frac{5}{100}+\frac{5}{100}\×\frac{\stackrel{\‾}{V}-V3}{V1-V3}$

若

取最佳占空比D为

$D=D2+\frac{5}{100}\×\frac{\stackrel{\‾}{V}-V2}{V3-V2}$

寻找10％FSR、30％FSR、50％FSR、70％FSR、90％FSR位置处最佳定位速度

对应最佳占空比的D，再通过分段线性化，确定每个目标位置对应的最佳PWM占空比，最后，将分段线性拟合系数保存在EEPROM中。

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