CN103821995A - 一种智能型电动执行机构的控制系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种智能型电动执行机构的控制系统及其工作方法。提出了一种结构精巧、稳定性好，可实现对电动执行机构的死区进行自适应，从而大幅提高了电动执行机构的稳定性和阻尼特性的智能型电动执行机构的控制系统及其工作方法。所述控制系统包括CPU、三角波信号发生电路、采样电路、信号处理电路、A/D转换采集电路和反馈电路，通过所述CPU控制所述动力机构和三角波信号发生电路；通过所述信号处理电路对比所述采样电路和所述三角波信号发生电路送入的信号，并将生成结果通过A/D转换采集电路处理后送入CPU；通过所述反馈电路将反馈状态反馈给CPU。本发明满足了现场阀门对电动执行机构的可靠性高、死区自适应、阻尼特性好等要求。

Description

一种智能型电动执行机构的控制系统及其工作方法

技术领域

   本发明涉及电动执行机构的控制系统领域，尤其涉及对电动执行机构死区智能化自适应的控制系统及其工作方法提出的改进。

背景技术

现有技术中，电动执行机构通常由动力机构（电机和传动组件）和控制系统组成，并通过控制系统控制动力机构，从而由传动组件带动阀门进行开、关运动；其中，对阀门的开关量的位置精度的要求极高，即阀门制动后的最终位置需确保在预设的死区范围（目标位置的可允许的上下偏移范围）内。

然而，由于电动执行机构的机械传动之间存在间隙，加上阀门的制动惯性，导致阀门的目标位置与实际停止位置往往存在较大的偏差，从而导致阀门制动后的位置精度极低，并直接影响了系统的稳定性和整套电动执行机构的使用寿命。

发明内容

本发明针对以上问题，提出了一种结构精巧、稳定性好，可实现对电动执行机构的死区进行自适应，从而大幅提高了电动执行机构的稳定性和阻尼特性的智能型电动执行机构的控制系统及其工作方法。

本发明的技术方案是：所述电动执行机构包括动力机构和控制系统，通过所述动力机构驱动阀门进行开、关动作；

所述控制系统包括CPU、三角波信号发生电路、采样电路、信号处理电路、A/D转换采集电路和反馈电路；

通过所述CPU控制所述动力机构和三角波信号发生电路；通过所述信号处理电路对比所述采样电路和所述三角波信号发生电路送入的信号，并将生成结果通过A/D转换采集电路处理后送入CPU；通过所述反馈电路将反馈状态反馈给CPU。

所述采样电路包括采样电阻、RC滤波电路、电压跟随电路。

所述三角波信号发生电路包括三角波触发电路和恒流源电路。

所述信号处理电路包括波形比较电路和信号隔离电路。

所述A/D转换采集电路包括滤波电路、整形电路和积分电路。

按以下步骤进行工作：

1）、接收控制信号：通过采样电路接收控制信号；

2）、处理控制信号：控制信号在所述采样电路中依次经过电阻采样、RC滤波及电压跟随，从而转换为直流电压信号； 

3）、生成三角波信号：通过CPU触发三角波信号发生电路发出三角波信号；

4）、信号对比：通过信号处理电路将步骤2）中的直流电压信号和步骤3）中的三角波信号进行电压比较，生成周期固定、占空比随直流电压信号而改变的矩形波，再将矩形波进行光耦隔离；

5）、矩形波处理：将矩形波送入A/D转换采集电路，对其进行滤波、整形及积分，从而生成A/D信号；

6）、CPU处理：

6.1）、信号采集：通过CPU完成对A/D信号及反馈状态进行采集；

6.2）、差值计算：

6.2.1）、一次计算：判断阀门当前的实际位置是否超出目标位置的死区范围，若是，则进行开向或关向；若否，则进入步骤7）；

6.2.2）、二次计算：判断阀门当前的实际位置是否超出目标位置的死区范围，若是，则进行开向或关向；若否，则进入步骤7）；

6.2.3）、三次计算：判断阀门当前的实际位置是否超出目标位置的死区范围，若是，则进行开向或关向；若否，则进入步骤7）；

6.2.4）、四次计算：判断阀门当前的实际位置是否超出目标位置的死区范围，若是，则进入步骤6.3）；若否，则进入步骤7）；

6.3）、扩大死区范围：通过CPU扩大死区范围；

6.4）、判断是否处于稳定状态：是则进行下一步，否则返回步骤6.3）；

6.5）、缩小死区范围：通过CPU控制动力机构驱动阀门朝向目标位置进行多次微量移动，同时逐步缩小死区范围；

7）、完毕。

本发明采用电动执行机构死区自适应控制方法，可以解决传统电动执行机构中死区范围固定或无法调节以及电路体积大、结构复杂、信号漂移等技术问题，避免了电动执行机构在4~20mA模拟量信号控制状态下，频繁振荡或控制精度低（偏差大）的问题，实现了死区自适应功能，提高了电动执行机构控制精度，提升了电动执行机构智能化性能，从而满足了现场阀门对电动执行机构的可靠性高、死区自适应、阻尼特性好等要求。

附图说明

图1是本发明的结构框图，

图2是本发明中采样电路的电路图，

图3是本发明中三角波发生电路的电路图，

图4是本发明中信号处理电路的电路图，

图5是本发明中A/D转换采集电路的电路图，

图6是本发明中信号处理电路中电平变化图，

图7是本发明的工作流程图，

图8是本发明中CPU计算的工作流程图，

图9是本发明中缩小死区范围的工作流程图。

具体实施方式

本发明如图1-9所示，所述电动执行机构包括动力机构和控制系统，通过所述动力机构驱动阀门进行开、关动作；

所述控制系统包括CPU、三角波信号发生电路、采样电路、信号处理电路、A/D转换采集电路和反馈电路；

通过所述CPU控制所述动力机构和三角波信号发生电路；通过所述信号处理电路对比所述采样电路和所述三角波信号发生电路送入的信号，并将生成结果通过A/D转换采集电路处理后送入CPU；通过所述反馈电路将反馈状态（即阀门当前的实时位置状态）反馈给CPU。

所述采样电路包括采样电阻、RC滤波电路、电压跟随电路。

如图2所示，采样电路由采样电阻、RC滤波电路、电压跟随电路组成，通过输入采样电路，将4~20mA模拟量控制信号转换成稳定的直流电压信号。其中运算放大器L258工作在深度负反馈，其两输入端之间的电压U1-=U1+（ “虚短路” ），正输入端的电流I1+≈0( “虚断路” )，则有：U1+=U1’=100Ii  (1)   U1o=U1-  (2)

综合1、2两式，可得U1o＝100Ii

运算放大器输出端电压等于输入端电压，实现了电压传递，其输入电阻大，输出电阻小，有很强的带负载能力。因集成运放本质上是一个高增益直接耦合的多级放大电路，在线性应用中又引入深度负反馈，所以会引起自激振荡，使电路无法正常工作，为此接入补偿电容C32，C33电容则实现滤波功能。外部4~20mA DC电流信号+、-接反或者输入电流信号过大时，双二极管BAV99导通，能够保护运算放大器。

所述三角波信号发生电路包括三角波触发电路和恒流源电路。

如图3所示，三角波触发电路与恒流源电路配合，将矩形波经RC变换为三角波。从引脚P0.7发出占空比为0.8，频率为23.8Hz的矩形波，通过光耦OP14以对称波周期性导通，隔离后的矩形波用来控制三极管Q6和Q7的导通和关断。正常状态下，恒流源一直对电容C34进行充电，在Q6、Q7关断状态下，电容C34端电压维持不变，当 Q6、Q7集电极、发射结承受正电压导通，导通的瞬间电容C34两端的电压Uo′被强制为低电平，由此产生周期性三角波。

所述信号处理电路包括波形比较电路和信号隔离电路。

如图4所示，信号处理电路由波形比较电路、信号隔离电路组成，具体流程为：周期固定的三角波与外部4～20mA转换为电压信号U1o进行比较，当U1o与三角波某点相等时，输出波形电平发生变化。正输入端U2+输入周期固定的三角波，t0~t1时刻，运算放大器正输入引脚U2+大于负输入引脚U2-，U14A输出U2o为高电平，光耦OP4导通，U3被拉为低电平，U3经过由R62和C31组成的滤波网络后，输出FW_SET为低电平；t1~t0+T时刻，运算放大器正输入引脚U2+小于负输入引脚U2-，U14A输出U2o为低电平，U3由上拉电阻R63拉为高电平，FW_SET为高电平。对应电平变化如图6所示：

通过信号处理电路，由4~20mA模拟量控制信号转换的直流电压信号，通过与周期性三角波进行电压比较后，形成了周期固定、占空比可变的矩形波，通过光耦隔离电路后，成为隔离的矩形脉冲信号。

所述A/D转换采集电路包括滤波电路、整形电路和积分电路。

如图5所示，A/D转换采集电路由滤波、整形、积分电路组成，然后输入到电动执行机构主控制器CPU，由CPU进行A/D信号的采集，完成4~20mA模拟量控制信号的采集，CPU实时采集4~20mA模拟量控制信号，并实时监测当前反馈状态，计算、比较控制信号与当前反馈状态的差值。

按以下步骤进行工作：

1）、接收控制信号：通过采样电路接收由外部送入的4~20mA模拟量控制信号；

2）、处理控制信号：4~20mA模拟量控制信号进入采样电路中，先经过采样电阻的电阻采样，然后通过RC滤波电路的RC滤波，最后通过电压跟随电路中运算放大器的电压传递，实现电压跟随功能，从而将4~20mA模拟量控制信号转换成稳定的直流电压信号；

3）、生成三角波信号：为实现信号隔离，系统工作时，CPU将触发一个周期固定的三角波信号发生电路，从而发出三角波信号；

4）、信号对比：通过信号处理电路中的波形比较电路将步骤2）中的直流电压信号和步骤3）中的三角波信号进行电压比较，得到周期固定、占空比随直流电压信号而改变的矩形波，矩形波通过信号隔离电路进行光耦隔离；

5）、矩形波处理：将矩形波送入A/D转换采集电路，并在A/D转换采集电路分别通过滤波电路、整形电路和积分电路对矩形波进行滤波、整形及积分，从而生成A/D信号；

6）、CPU处理：

6.1）、信号采集：由CPU进行A/D信号的采集，完成4~20mA模拟量控制信号的采集，CPU实时采集4~20mA模拟量控制信号，并实时监测当前反馈状态；

6.2）、差值计算：

6.2.1）、一次计算：判断阀门当前的实际位置（即通过反馈电路反馈至CPU中的阀门的即时位置状态信息）是否超出目标位置的死区范围（制动的目标位置的可允许的上下误差范围），若是，则进行开向（当实际位置未到达目标位置时，通过开向操作以进行补足）或关向（当实际位置已超过目标位置时，通过关向操作以进行反向回退）操作；若否，则进入步骤7）；

6.2.2）、二次计算：判断阀门当前的实际位置是否超出目标位置的死区范围，若是，则进行开向或关向；若否，则进入步骤7）；

6.2.3）、三次计算：判断阀门当前的实际位置是否超出目标位置的死区范围，若是，则进行开向或关向；若否，则进入步骤7）；

6.2.4）、四次计算：判断阀门当前的实际位置是否超出目标位置的死区范围，若是，则进入步骤6.3）；若否，则进入步骤7）；

在制动过程中，一旦阀门的实际位置超出预设的死区范围，CPU则会根据实际位置是、否已超出目标位置从而发出关向、开向操作，此时，由于机械传动间的间隙、电机制动产生的惯性、信号采集的延时以及4~20mA模拟量输入信号的干扰将导致每次开、关向操作后其实际位置依然超出死区范围。这样，阀门将在多次快速的往复运动（即振荡）中将产生极大的磨损，给设备整体的使用寿命和运行精度带来极大的影响（尤其当阀门在核电、石油领域中运用时）。

因此，在上述步骤中，以最多三次开向或关向操作，在阀门运行时，既保证了阀门的运行精度，又有效地避免了振荡的产生，从而大幅的提高了设备稳定性和使用寿命；

6.3）、扩大死区范围：通过CPU扩大死区范围；

6.4）、判断是否处于稳定状态，是则进行下一步；否则返回步骤6.3）；

6.5）、缩小死区范围：通过CPU控制动力机构驱动阀门朝向目标位置进行多次微量调整（微量开、关向操作），同时逐步缩小死区范围；通过多次的微量调整使得实际位置逐步接近目标位置，同时通过CPU同步缩小死区范围，从而最终落入适当的死区范围内，实现了死区自适应的功能；

这样，当阀门处于稳定状态后，再逐步缩小死区范围，从而通过CPU控制动力机构驱动阀门运行至更加精确的位置；

通过步骤6.3）和步骤6.4）中“快增慢减”的过程，有效的在缩小死区范围的同时，避免了阀门因多次“振荡”引起的机械损伤；这样，即可在步骤6）中有效的实现对死区范围的自适应功能，从而大幅提高了电动执行机构的稳定性和阻尼特性；

7）、完毕。

Claims (6)

1.一种智能型电动执行机构的控制系统，所述电动执行机构包括动力机构和控制系统，通过所述动力机构驱动阀门进行开、关动作；

其特征在于，所述控制系统包括CPU、三角波信号发生电路、采样电路、信号处理电路、A/D转换采集电路和反馈电路；

通过所述CPU控制所述动力机构和三角波信号发生电路；通过所述信号处理电路对比所述采样电路和所述三角波信号发生电路送入的信号，并将生成结果通过A/D转换采集电路处理后送入CPU；通过所述反馈电路将反馈状态反馈给CPU。

2.根据权利要求1所述的一种智能型电动执行机构的控制系统，其特征在于，所述采样电路包括采样电阻、RC滤波电路、电压跟随电路。

3.根据权利要求1所述的一种智能型电动执行机构的控制系统，其特征在于，所述三角波信号发生电路包括三角波触发电路和恒流源电路。

4.根据权利要求1所述的一种智能型电动执行机构的控制系统，其特征在于，所述信号处理电路包括波形比较电路和信号隔离电路。

5.根据权利要求1所述的一种智能型电动执行机构的控制系统，其特征在于，所述A/D转换采集电路包括滤波电路、整形电路和积分电路。

6.一种权利要求1所述的智能型电动执行机构的控制系统的工作方法，其特征在于，按以下步骤进行工作：

1）、接收控制信号：通过采样电路接收控制信号；

2）、处理控制信号：控制信号在所述采样电路中依次经过电阻采样、RC滤波及电压跟随，从而转换为直流电压信号； 

3）、生成三角波信号：通过CPU触发三角波信号发生电路发出三角波信号；

4）、信号对比：通过信号处理电路将步骤2）中的直流电压信号和步骤3）中的三角波信号进行电压比较，生成周期固定、占空比随直流电压信号而改变的矩形波，再将矩形波进行光耦隔离；

5）、矩形波处理：将矩形波送入A/D转换采集电路，对其进行滤波、整形及积分，从而生成A/D信号；

6）、CPU处理：

6.1）、信号采集：通过CPU完成对A/D信号及反馈状态进行采集；

6.2）、差值计算：

6.2.1）、一次计算：判断阀门当前的实际位置是否超出目标位置的死区范围，若是，则进行开向或关向；若否，则进入步骤7）；

6.2.2）、二次计算：判断阀门当前的实际位置是否超出目标位置的死区范围，若是，则进行开向或关向；若否，则进入步骤7）；

6.2.3）、三次计算：判断阀门当前的实际位置是否超出目标位置的死区范围，若是，则进行开向或关向；若否，则进入步骤7）；

6.2.4）、四次计算：判断阀门当前的实际位置是否超出目标位置的死区范围，若是，则进入步骤6.3）；若否，则进入步骤7）；

6.3）、扩大死区范围：通过CPU扩大死区范围；

6.4）、判断是否处于稳定状态：是则进行下一步，否则返回步骤6.3）；

6.5）、缩小死区范围：通过CPU控制动力机构驱动阀门朝向目标位置进行多次微量移动，同时逐步缩小死区范围；

7）、完毕。

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