CN102797906B - 电磁阀式阀门定位器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种电磁阀式阀门定位器及其控制方法，电磁阀式阀门定位器包括进气电磁阀、放气电磁阀、位置传感器、电源模块、信号调理模块、A/D模块、电磁阀驱动模块、电磁隔离模块、ARM芯片、液晶显示模块、键盘模块和D/A模块；位置传感器、信号调理模块和A/D模块依次相连，A/D模块和D/A模块均通过电磁隔离模块接入ARM芯片；进气电磁阀和放气电磁阀均通过电磁阀驱动模块接入ARM芯片；本发明在控制阀杆运动的过程中，根据设定值与反馈值的差值，利用模糊控制方法计算阀杆每个位置的最佳控制参数，从而解决执行机构的非线性和超调问题，达到控制精确，减少了人为以及环境的干扰的目的。

Description

电磁阀式阀门定位器及其控制方法

技术领域

本发明涉及气动控制阀领域，尤其涉及一种智能电气阀门定位器及其控制方法。

背景技术

过程控制系统及其他自动化系统中，气动调节阀具有调节速度快、调节精度高、防爆、可适应于恶劣的工业现场环境等特点，因此在医药、化工、核能、电力等行业中得到大量的应用。气动调节阀最主要的核心部件就是与其配套使用的阀门定位器。阀门定位器通过调节进入和排出气动调节阀执行机构里的压缩空气，对阀门的行程进行控制。阀门定位器决定着气动调节阀的调节精度与速度。因此阀门定位器对于气动调节阀来说具有非常重要的作用。阀门定位器主要是通过接受来自其他控制器或者使用者设定的控制信号（如4-20mA,0-10V等），与位置传感器的采集信号进行对比，然后根据设计的算法对进入执行机构的气动信号进行控制，从而改变阀门的开度，控制气动调节阀所调节的介质的流动。

到目前为止,从结构和控制方法上，阀门定位器的发展经历了不同的阶段，可分为：喷嘴挡板力平衡、线圈操作力平衡、电气阀门定位等几个阶段。最初的喷嘴挡板力平衡和线圈操作力平衡，都是采用大量的如调节弹簧、螺钉、凸轮等机械部件，在使用和调试过程容易出现磨损、振动影响大等缺点。而电气阀门定位器则采用很少的机械部件以及可动部件，减少了磨损以及振动的影响。电气阀门定位器目前的主要气动部件有三种：压电阀式、喷嘴挡板式及电磁阀式。压电阀具有功耗小等特点，但是目前压电阀的成本高、生产厂家少以及对气源的要求也较高。喷嘴挡板式技术成熟，但是机械容易受到震动。电磁阀则相对来说成本低、厂家众多，技术也相对于压电阀成熟，具有低成本、高稳定性等特点，因此本发明采用电磁阀作为电气阀门定位器的气动部件。

在中国市场上，用于控制阀的智能阀门定位器的国外品牌占据了国内大部分市场。主要的国外品牌有：艾默生-费希尔（Emerson-Fisher）的DVC 6000/DVC2000，西门子（Siemens）的SIPART PS2，ABB-H&B的TZIDC，山武Yamatake的SVP 3000等。西门子SIPART PS2采用压电阀，Fisher、ABB及山武则采用的是喷嘴式。采用喷嘴式的国外产品为了减少震动等影响，因此在机械设计上增加了大量的成本。

采用电磁阀以及其他气动部件对阀门的行程进行控制时，目前很多气动阀门定位器采用五步开关法控制，即当误差值大时采用Bang-Bang控制、当误差值小时采用PID控制、当误差值小到死区阀位内，则不动作。但是由于气动执行机构存在着明显的非线性特性，以及气源的压力、负载变化等其他外部环境的影响，传统的PID控制方法容易引起超调现象。因此本发明对其进行了如下改进：在控制阀杆运动的过程中，根据设定值与反馈值的差值，采用模糊PWM控制方法，利用模糊控制算法计算阀杆每个位置的最佳控制参数，从而解决执行机构的非线性和超调问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种电磁阀式阀门定位器及其控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种电磁阀式阀门定位器，它包括进气电磁阀、放气电磁阀、位置传感器、电源模块、信号调理模块、A/D模块、2个电磁阀驱动模块、2个电磁隔离模块、ARM芯片、液晶显示模块、键盘模块和D/A模块等；其中，外部直流24V电源通过电源模块转换成3.3V后向ARM芯片供电；位置传感器、信号调理模块和A/D模块依次相连，A/D模块通过一个电磁隔离模块接入ARM芯片的A/D接口；D/A模块通过另一个电磁隔离模块接入ARM芯片的D/A接口；进气电磁阀通过一个电磁阀驱动模块接入ARM芯片的PWM接口，放气电磁阀通过另一个电磁阀驱动模块接入ARM芯片的PWM接口；键盘模块通过按键接口接入ARM芯片；液晶显示模块通过LCD接口接入ARM芯片。

一种上述电磁阀式阀门定位器的控制方法，具体为：首先检测电磁阀式阀门定位器的给定值和阀门实际位移的反馈值，再计算给定值与反馈值之间的误差ePos；然后判断误差ePos的绝对值|ePos|大小，如果误差绝对值大于或等于Bang-Bang控制与PWM周期控制的分界点z1，则根据误差的正负以及行程的方向，对电磁阀进行Bang-Bang控制；如果误差绝对值|ePos|大于死区范围z2并且小于Bang-Bang控制与PWM周期控制的分界点z1,那么根据阀杆运行时的位置的偏差与偏差的变化率，采用简化的模糊PWM控制方法得出此时电磁阀所采用的PWM最优占空比Duty，对电磁阀采用占空比为Duty的PWM控制；如果误差绝对值|ePos|小于或等于死区范围z2,那么表示阀杆运行至死区范围内，电磁阀开关状态保持不变。

本发明的有益效果是：

1、采用电磁阀作为阀门电气定位器的气动部件，具有防振动、反应灵敏、安装方便、价格低廉等特点。能够满足国内阀门电气定位器的各项要求。

2、采用模糊PWM控制方法进行闭环控制，在闭环控制算法流程中，利用传统的五步开关法，采用模糊算法计算得出此时电磁阀所采用的PWM最优占空比，利用模糊控制算法计算阀杆每个位置的最佳控制参数，解决了传统五步开关法的超调以及执行机构的非线性特性，从而得到超调少、响应速度快的控制特性。

3、根据所采用模糊PWM控制方法和执行机构运行的特点，设计了全自动的参数整定方法，使得阀门定位器在各种场合下能够运行的流畅，控制的精确，减少人为以及环境的干扰。

附图说明

图1是电磁阀式的阀门定位器的结构框图；

图2是电磁阀式的阀门定位器的工作过程示意图。

图3是模糊PWM控制示意图；

图4是最佳PWM占空比计算示意图。

具体实施方式

如图1所示。本发明电磁阀式阀门定位器包括进气电磁阀、放气电磁阀、位置传感器、电源模块、信号调理模块、A/D模块、2个电磁阀驱动模块、两个电磁隔离模块、ARM芯片、液晶显示模块、键盘模块和D/A模块。其中，外部直流24V电源通过电源模块转换成3.3V后向ARM芯片供电；位置传感器、信号调理模块和A/D模块依次相连，A/D模块通过一个电磁隔离模块接入ARM芯片的A/D接口；D/A模块通过另一个电磁隔离模块接入ARM芯片的D/A接口；进气电磁阀通过一个电磁阀驱动模块接入ARM芯片的PWM接口，放气电磁阀通过另一个电磁阀驱动模块接入ARM芯片的PWM接口；键盘模块通过按键接口接入ARM芯片；液晶显示模块通过LCD接口接入ARM芯片。

如图2所示，本发明电磁阀式阀门定位器的工作过程如下：外部输入4-20mA电流、0-20mA电流、0-5V或0-10V作为控制信号，通过信号调理模块进行I/V转换、放大滤波后，由A/D模块进行采样和转换，通过电磁隔离模块以SPI通讯方式传入ARM芯片；位置传感器采集阀位反馈信号，经过信号调理模块进行放大滤波后，由A/D模块的另一个通道进行采样和转换，通过电磁隔离模块以SPI通讯方式传入ARM芯片；将设定值与反馈值在ARM芯片里进行处理，利用模糊PWM控制方法，获得电磁阀控制所需要的最优占空比值，利用电磁阀驱动模块，控制进气电磁阀与放气电磁阀的开与关的时间。同时，通过电磁隔离模块以SPI通讯方式，在D/A模块中将阀门位置的实际值转换成4-20mA，供其他装置使用。液晶显示模块显示阀门的位置等信息，操作人员通过键盘模块对定位器进行各项设置。

本发明中，进气电磁阀、放气电磁阀、位置传感器、电源模块、信号调理模块、A/D模块、2个电磁阀驱动模块、两个电磁隔离模块、ARM芯片、液晶显示模块、键盘模块和D/A模块均为本领域常用电子器件，本发明对各组件的具体结构不作限定。

如图3所示，本发明一种电磁阀式的阀门定位器控制方法为采用模糊PWM控制方法对电磁阀式的阀门定位器进行闭环控制，具体如下：首先检测电磁阀式的阀门定位器的给定值和阀门实际位移的反馈值，再计算给定值与反馈值之间的误差ePos；然后判断误差ePos的绝对值|ePos|大小，如果误差绝对值大于或等于Bang-Bang控制与PWM周期控制的分界点z1，则根据误差的正负以及行程的方向，对电磁阀进行Bang-Bang控制；如果误差绝对值ePos大于死区范围z2并且小于Bang-Bang控制与PWM周期控制的分界点z1,那么根据阀杆运行时的位置的偏差与偏差的变化率，采用简化的模糊PWM控制方法得出此时电磁阀所采用的PWM最优占空比Duty，对电磁阀采用占空比为Duty的PWM控制；如果误差绝对值|ePos|小于或等于死区范围z2,那么表示阀杆运行至死区范围内，电磁阀开关状态保持不变。

其中，简化的模糊PWM控制方法是根据阀杆运行的位置通过模糊方法确定最优占空比，如图4所示，包括以下步骤。

第一步：首先计算阀门实际位置Pos与设定位置sPos的偏差ePos，以及偏差的变化率dPos。其中ePos和dPos分别按照数字量0-4095和0-2000计算所得，因此论域区间分别为[0,4095]和[0,2000]，按照下式将其做相应的转化为：

$\mathrm{ePos}1=\frac{12}{4095}\×(\mathrm{ePos}-\frac{4095}{2}),$

$\mathrm{dPos}1=\frac{8}{2000}\×(\mathrm{dPos}-\frac{2000}{2}),$

取ePos1的论域E为[-6，-5,-4,-3,-2,1,0,1,2,3,4,5,6]，dPos1的论域D为[-4，-3,-2,-1,0,1,2,3,4]。

其中，ePos1的量化规则采用如下所示：

1）当-6≤ePos1<-5时，取E=-6；

2）当-5≤ePos1<-4时，取E=-5；

3）当-4≤ePos1<-3时，取E=-4；

4）当-3≤ePos1<-2时，取E=-3；

5）当-2≤ePos1<-1时，取E=-2；

6）当-1≤ePos1<0时，取E=-1；

7）当0≤ePos1<1时，取E=0；

8）当1≤ePos1<2时，取E=1；

9）当2≤ePos1<3时，取E=2；

10）当3≤ePos1<4时，取E=3；

11）当4≤ePos1<5时，取E=4；

12）当5≤ePos1<6时，取E=5；

13）当ePos1=6时，取E=6。

dPos1的量化规则如下：

1）当-4≤dPos1<-3时，取D=-4；

2）当-3≤dPos1<-2时，取D=-3；

3）当-2≤dPos1<-1时，取D=-2；

4）当-1≤dPos1<0时，取D=-1；

5）当0≤dPos1<1时，取D=0；

6）当1≤dPos1<2时，取D=1；

7）当2≤dPos1<3时，取D=2；

8）当3≤dPos1<4时，取D=3；

9）当dPos1=4时，取D=4。

第二步：取输出变量PWM的论域取为：P=[-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4],建立模糊控制规则表(如表1所示)，在实际控制时，只要通过对输入量量化和查表两个步骤，就可以得到最佳占空比P。

表1：模糊控制规则表

表中，E为ePos1的值，D为dPos1的值，P为最佳占空比。

第三步：输出的最佳占空比P的精确值Duty：

$\mathrm{Duty}=\frac{(1-0.1)\&times;P}{8}+\frac{1+0.1}{2}.$

Claims (3)

1.一种电磁阀式阀门定位器，其特征在于，它包括进气电磁阀、放气电磁阀、位置传感器、电源模块、信号调理模块、A/D模块、2个电磁阀驱动模块、两个电磁隔离模块、ARM芯片、液晶显示模块、键盘模块和D/A模块；其中，外部直流24V电源通过电源模块转换成3.3V后向ARM芯片供电；位置传感器、信号调理模块和A/D模块依次相连，A/D模块通过一个电磁隔离模块接入ARM芯片的A/D接口；D/A模块通过另一个电磁隔离模块接入ARM芯片的D/A接口；进气电磁阀通过一个电磁阀驱动模块接入ARM芯片的PWM接口，放气电磁阀通过另一个电磁阀驱动模块接入ARM芯片的PWM接口；键盘模块通过按键接口接入ARM芯片；液晶显示模块通过LCD接口接入ARM芯片。

2.一种权利要求1所述电磁阀式阀门定位器的控制方法，其特征在于，该方法为：首先检测电磁阀式阀门定位器的给定值和阀门实际位移的反馈值，再计算给定值与反馈值之间的误差ePos；然后判断误差ePos的绝对值|ePos|大小，如果误差绝对值大于或等于Bang-Bang控制与PWM周期控制的分界点z1，则根据误差的正负以及行程的方向，对电磁阀进行Bang-Bang控制；如果误差绝对值|ePos|大于死区范围z2并且小于Bang-Bang控制与PWM周期控制的分界点z1,那么根据阀杆运行时的位置的偏差与偏差的变化率，采用简化的模糊PWM控制方法得出此时电磁阀所采用的PWM最优占空比Duty，对电磁阀采用占空比为Duty的PWM控制；如果误差绝对值|ePos|小于或等于死区范围z2,那么表示阀杆运行至死区范围内，电磁阀开关状态保持不变。

3.根据权利要求2所述电磁阀式阀门定位器的控制方法，其特征在于，所述简化的模糊PWM控制方法包括以下步骤：

（1）首先计算阀门实际位置Pos与设定位置sPos的偏差ePos，以及偏差的变化率dPos；其中ePos和dPos分别按照数字量0-4095和0-2000计算所得，因此论域区间分别为[0,4095]和[0,2000]，按照下式将其做相应的转化为：

$\mathrm{ePos}1=\frac{12}{4095}\&times;(\mathrm{ePos}-\frac{4095}{2}),$

$\mathrm{dPos}1=\frac{8}{2000}\&times;(\mathrm{dPos}-\frac{2000}{2}),$

取ePos1的论域E为[-6，-5,-4,-3,-2,1,0,1,2,3,4,5,6]，dPos1的论域D为[-4，-3,-2,-1,0,1,2,3,4]；

其中，ePos1的量化规则采用如下所示：

当-6≤ePos1<-5时，取E=-6；

当-5≤ePos1<-4时，取E=-5；

当-4≤ePos1<-3时，取E=-4；

当-3≤ePos1<-2时，取E=-3；

当-2≤ePos1<-1时，取E=-2；

当-1≤ePos1<0时，取E=-1；

当0≤ePos1<1时，取E=0；

当1≤ePos1<2时，取E=1；

当2≤ePos1<3时，取E=2；

当3≤ePos1<4时，取E=3；

当4≤ePos1<5时，取E=4；

当5≤ePos1<6时，取E=5；

当ePos1=6时，取E=6；

dPos1的量化规则如下：

当-4≤dPos1<-3时，取D=-4；

当-3≤dPos1<-2时，取D=-3；

当-2≤dPos1<-1时，取D=-2；

当-1≤dPos1<0时，取D=-1；

当0≤dPos1<1时，取D=0；

当1≤dPos1<2时，取D=1；

当2≤dPos1<3时，取D=2；

当3≤dPos1<4时，取D=3；

当dPos1=4时，取D=4；

（2）取输出变量PWM的论域取为：P=[-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4],查模糊控制规则表：

表中，E为ePos1的值，D为dPos1的值，P为最佳占空比；

由E和D就可以查表得到最佳占空比P；

（3）输出的最佳占空比P的精确值Duty：

$\mathrm{Duty}=\frac{(1-0.1)\&times;P}{8}+\frac{1+0.1}{2}.$