CN109458379A - 一种高精度气动阀控制参数的整定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度气动阀控制参数的整定方法，包括如下步骤：S1：保存继电反馈自整定的规则表；S2：将气动阀连接到微控制器，由微控制器实时测量气动阀开度；S3：初始化微控制器的输入捕获定时器，设置计时模式，由输入捕获定时器测量气动阀开度的震荡周期；S4：将气动阀的开度用继电反馈自整定方法整定，查询步骤S1中保存的规则表计算得到适合控制环境的参数。本发明采用带有输入捕获功能定时器的高位数控制器，以微秒级的时间测量精度，加上特有的正负半轴时间测量方式，大大提高了震荡时间的计算效率与精度，以继电反馈自整定为理论基础，使设备能够在具体的应用环境下先调整参数，后投入使用，实现了测量精度高，运算简便。

Description

一种高精度气动阀控制参数的整定方法

技术领域

本发明涉及一种控制参数的整定方法，尤其涉及一种高精度气动阀控制参数的整定方法，适用于航空、航海等精度要求高的军工应用领域。

背景技术

在各种气动控制仪器中，高精度气动阀要求其能够适应电厂的复杂环境，能够在多种场合下控制精度高、调节时间短。如电厂各种系统的管路，包括脱硫系统、除灰系统的水、蒸汽、灰渣浆液、干粉等介质的输送。当气动调节阀处于干粉环境下，摩擦系数与惯性系数非常大，气动阀就会有很大延时，并且超调增加，难以稳定；当气动阀控制液阻较高的油时，摩擦系数小，但惯性系数很大，控制效果有很大的滞后。因此高精度气动阀要能够在此类环境下有一套最适合的控制参数来保证气动阀正常工作。

自整定是工业控制领域内，PID控制算法根据控制对象特性调整出最适合的控制参数的一种方法。而在控制对象的系统输出能够产生持续震荡的场合，Ziegler-Nichols法则可以根据震荡特性得出相应的一套控制参数。继电反馈自整定是在Ziegler-Nichols法则的基础上，依据在于大多数的对象在继电反馈作用下都能产生稳定的振荡,当过程输出达到稳定状态时启动整定程序,控制开关切换到继电整定上。继电可以是带滞后的也可以不带滞后,等到不变的振荡输出量产生,通过测量输出的频率与幅度,就可以测知对象震荡临界点的信息。最终,PID参数根据临界信息通过查表运算得出。

传统设备由于自身条件所限，在计算控制参数时，很难精确计算震荡时间T，这就直接导致控制参数计算不精确，难以达到控制效果。因此，设计一种可以精确高效的计算震荡时间的整定方法是非常有必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高精度气动阀控制参数的整定方法，解决当前控制器整定方法测量时间不准确，程序复杂，应用范围有限的问题。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种高精度气动阀控制参数的整定方法，包括如下步骤：S1：保存继电反馈自整定的规则表；S2：将气动阀连接到微控制器，所述微控制器为具有模数转换器和输入捕获定时器，由微控制器实时测量气动阀开度；S3：初始化微控制器的输入捕获定时器，设置计时模式，由输入捕获定时器测量气动阀开度的震荡周期；S4：将气动阀的开度用继电反馈自整定方法整定，查询步骤S1中保存的规则表计算得到适合控制环境的参数。

进一步的，所述微控制器为32位控制芯片STM32L152CBT6。

进一步的，所述步骤S2具体包括：S21：将气动阀的输出端连接到阀位反馈模块的输入端，由阀位反馈模块将气动阀阀门开度大小转换为电压信号；S22：阀位反馈模块的输出端连接到微控制器的输入端，将阀门开度的电压信号输入到微控制器，微控制器通过模数转换器实时测量气动阀开度的反馈值。

进一步的，所述步骤S3中的输入捕获定时器，设定为低电平计时有效，分别获取正半轴和负半轴的震荡时间，得到总的震荡时间。

进一步的，所述步骤S3中的输入捕获定时器，震荡由正转负时，定时器高电平跳变成低电平计时开始，震荡由负转正时，定时器低电平跳变成高电平计时结束；震荡由负转正时，定时器高电平跳变成低电平计时开始，当震荡由正转负时，定时器低电平跳变成高电平计时结束。

进一步的，所述步骤S1中的继电反馈自整定的规则表基于Ziegler-Nichols法则；采用P调节时，比例系数Kp为Ku/2；采用PI调节时，比例系数Kp为Ku/2.2，积分系数Ti为Tu/1.2；采用PID调节时，比例系数Kp为Ku/1.7，积分系数Ti为Tu/2，微分系数Td为Tu/8；Ku＝4μ/πa，Tu＝T，μ为预设的继电幅度值，a为实测的震荡开度，T为震荡周期。

进一步的，所述步骤S4具体包括：S41：开启气动阀，设置气动阀开度值μ，等待阀门开度稳定，开始自整定；S42：设置继电环节的继电幅度值，由继电环节控制阀门开度上下摆动，使阀门开度产生多次震荡；S43：在步骤S42中实时测量气动阀开度大小，计算得到气动阀的实际震荡开度值；S44：在步骤S42中将定时器的开始计时时间设置为第N次震荡，计时结束时间设置为第M次震荡，M＞N，则此时有(M-N)次震荡时间计入定时器，计时的总时间除以(M-N)，即得出了震荡周期T；S45：通过已知的继电幅度值μ和得到的实际震荡开度值a、震荡周期T，查询步骤S1中保存的规则表，计算即可得到PID控制参数。

进一步的，所述步骤S44中N＝4，M＝10。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的高精度气动阀控制参数的整定方法，采用带有输入捕获功能定时器的高位数控制器，以微秒级的时间测量精度，加上特有的正负半轴时间测量方式，大大提高了震荡时间的计算效率与精度，以继电反馈自整定为理论基础，使设备能够在具体的应用环境下先调整参数，后投入使用，实现了测量精度高，运算简便，达到对环境的最佳适应状态，结果参数能适应于航空、航海等精度要求高、任务环境复杂的军工应用领域。

附图说明

图1为本发明的高精度气动阀控制参数的整定方法流程图；

图2为本发明实施例中高精度气动阀控制参数的整定方法原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图1为本发明的高精度气动阀控制参数的整定方法流程图。

请参见图1，本发明提供的高精度气动阀控制参数的整定方法，包括如下步骤：

S1：保存继电反馈自整定的规则表；

S2：将气动阀连接到微控制器，所述微控制器为具有模数转换器和输入捕获定时器，由微控制器实时测量气动阀开度；

S3：初始化微控制器的输入捕获定时器，设置计时模式，由输入捕获定时器测量气动阀开度的震荡周期；

S4：将气动阀的开度用继电反馈自整定方法整定，查询步骤S1中保存的规则表计算得到适合控制环境的参数。

本发明采用具有输入捕获功能的控制芯片，通过输入捕获进行时间测量，比如采用32位控制芯片STM32L152CBT6作为微控制器。本发明的步骤S2具体包括：S21：将气动阀的输出端连接到阀位反馈模块的输入端，由阀位反馈模块将气动阀阀门开度大小转换为电压信号；S22：阀位反馈模块的输出端连接到微控制器的输入端，将阀门开度的电压信号输入到微控制器，微控制器通过模数转换器实时测量气动阀开度的反馈值。

由于震荡时间正半轴和负半轴通常不一样，通常的做法是忽略震荡正负半轴所需时间的不同，将多次震荡(12次或10次)的总时间当作总震荡时间，这种做法实际工作误差极大。为了精确测量每次震荡的时间，本发明的步骤S3中的输入捕获定时器，设定为低电平计时有效，分别获取正半轴和负半轴的震荡时间，得到总的震荡时间。震荡由正转负时，定时器高电平跳变成低电平计时开始，震荡由负转正时，定时器低电平跳变成高电平计时结束；震荡由负转正时，定时器高电平跳变成低电平计时开始，当震荡由正转负时，定时器低电平跳变成高电平计时结束。

本发明的步骤S4具体包括：S41：开启气动阀，设置气动阀开度值，等待阀门开度稳定，开始自整定；S42：设置继电环节的继电幅度值，由继电环节控制阀门开度上下摆动，使阀门开度产生多次震荡；S43：在步骤S42中实时测量气动阀开度大小，计算得到气动阀的实际震荡开度值；S44：在步骤S42中将定时器的开始计时时间设置为第N次震荡，计时结束时间设置为第M次震荡，M＞N，则此时有(M-N)次震荡时间计入定时器，计时的总时间除以(M-N)，即得出了震荡周期；S45：通过已知的继电幅度值和得到的实际震荡开度值、震荡周期，查询步骤S1中保存的规则表，计算即可得到PID控制参数。

本发明使用的继电反馈自整定的规则表基于Ziegler-Nichols法则，下表为Ziegler-Nichols规则表。

Controller	Kp	Ti	Td
				P	Ku/2
PI	Ku/2.2	Tu/1.2
				PID	Ku/1.7	Tu/2	Tu/8

表1 Ziegler-Nichols规则表

本发明使用的Ziegler-Nichols法则；采用P调节时，比例系数Kp为Ku/2；采用PI调节时，比例系数Kp为Ku/2.2，积分系数Ti为Tu/1.2；采用PID调节时，比例系数Kp为Ku/1.7，积分系数Ti为Tu/2，微分系数Td为Tu/8；Ku＝4μ/πa，Tu＝T，μ为预设的继电幅度，a为实测的震荡开度，T为震荡周期。

本发明的具体整定过程中，打开定时器后，定时器在不断计时，当定时器接受到由高电平向低电平的跳变时，记录下此时的计时值n1，当定时器接受到由低电平向高电平的跳变时，记录下此时的计时值n2，则电平变化的一个完整周期时间为n＝n2-n1。由于定时器的最小计时单位可低至1us甚至更低，所以可看出计时精度高，计时准确。由于继电反馈自整定关键是继电环控制系统产生稳定的振荡。自整定时，首先设置气动调节阀开度为一定值，在相对稳定之后，使阀门开度再做上下摆动，产生震荡，则阀门每一次开度的大小、震荡所消耗的时间都可以测量出来。参见图2，预先设置的继电幅度μ为已知，实际震荡开度大小a可以通过气动阀开度反馈转换为电压信号经控制器的模数转换器测量出，震荡周期由定时器输入捕获功能完成计时。由于自整定得出的各参数是根据稳定震荡得到，则定时器的开始计时时间可以设置为第N次震荡，计时结束时间设置为第M次震荡，则此时有M-N次震荡时间计入定时器，所以每次的震荡时间，即系统的震荡周期Tu为计时的总时间除以(M-N)。此法即得出了震荡周期，又将随机产生的不稳定摆动通过平均减小到最小。最后将得到的临界信息μ、a、Tu根据查表计算得出继电反馈自整定的参数。当环境复杂多变时，在不同的环境下，气动调节阀的工作效果不同，产生的震荡周期Tu、临界信息a也不相同，则最后得出的控制参数也不相同，但不同环境下得出的控制参数是最适应环境的参数。这样就使高精度气动阀的控制程序产生不同的控制参数，以适应复杂环境。

本发明的不同参数M和N的整定效果如下：

N	M	整定时间/s	最大震荡幅度	调节时间/s
					1	10	97.26	13.16％	4.761
2	10	85.92	12.98％	4.324
					3	10	75.41	12.85％	4.016
4	10	62.37	13.02％	3.989
					5	10	53.96	13.86％	4.976
6	10	44.17	14.79％	5.832
					4	11	62.86	13.11％	4.015
4	12	63.34	12.85％	4.002
					4	13	63.92	12.89％	3.926

由上可见：参数N过小会使整定时间加长，整定出的参数实际应用时最大震荡幅度略大，调节时间也略长，调节效果达不到最佳；过大会使整定出的参数实际控制效果调节时间加长、震荡幅度加大，调节效果不佳。参数M过大会使整定时间加长，但实际控制效果没有显著增加；参数M过小与参数N过大同理。

具体实施例：

本实施例中硬件为STM32微控制器，优选参数N＝4，M＝10。在整定开始前，首先将控制器模数转换器打开，由于阀门开度的实际大小由气动阀的阀位反馈模块将开度大小转换成电压信号为控制器接收，所以控制器的模数转换器要能够测量气动阀开度的反馈值。然后，初始化控制器的定时器，设置其计数频率为1us，即每计一个数为1us，则n个数为nus，并设置定时器高电平转低电平开始计数，低电平转高电平计数结束。

气动调节阀开始自整定后，程序首先将阀门开度置于40％(之后就围绕此开度上下震荡)；相对稳定后，由继电幅度为μ(图2中左侧，继电环幅度为±μ)的继电环节控制阀门开度上下摆动，使其产生10次稳定震荡；阀门开度的实际震荡最大幅度为a(图2中右侧震荡曲线的最大幅值)；从第4次震荡开始，当阀门开度的震荡幅值由正转负时，定时器开始计数(图2中下方标号①)，此时计数值为n1，当阀门开度由负转正时，定时器计数结束(图2中下方标号②)，此时计数值为n2，则在阀门开度为整个负轴之下时，计数值为n＝n2-n1，计数时间t1为n us。同理若设置定时器低电平转高电平计数，高电平转低电平计数结束，则定时器可以测量出阀门开度幅值为正半轴的时间t2，为了使测量更加准确，对阀门震荡的每一个正负半周期都计时，到第10次震荡时，6个震荡周期计数时间为t12，则震荡周期T为总时间t1+t2+…+t12除以震荡周期个数6。通过公式Ku＝4μ/πa，Tu＝T，计算得到Ku和Tu，根据继电反馈自整定的规则，查表1运算即可得出PID的控制参数。

综上所述，本发明提供的高精度气动阀控制参数的整定方法，采用带有输入捕获功能定时器的高位数控制器，以微秒级的时间测量精度，加上特有的正负半轴时间测量方式，大大提高了震荡时间的计算效率与精度，以继电反馈自整定为理论基础，使设备能够在具体的应用环境下先调整参数，后投入使用，实现了测量精度高，运算简便，达到对环境的最佳适应状态，结果参数能适应复杂环境的任务。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (8)

1.一种高精度气动阀控制参数的整定方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：保存继电反馈自整定的规则表；

S2：将气动阀连接到微控制器，所述微控制器具有模数转换器和输入捕获定时器,由微控制器实时测量气动阀开度；

S3：初始化微控制器的输入捕获定时器，设置计时模式，由输入捕获定时器测量气动阀开度的震荡周期；

S4：将气动阀的开度用继电反馈自整定方法整定，查询步骤S1中保存的规则表计算得到适合控制环境的参数。

2.如权利要求1所述的高精度气动阀控制参数的整定方法，其特征在于，所述微控制器为32位控制芯片STM32L152CBT6。

3.如权利要求1所述的高精度气动阀控制参数的整定方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

S21：将气动阀的输出端连接到阀位反馈模块的输入端，由阀位反馈模块将气动阀阀门开度大小转换为电压信号；

S22：阀位反馈模块的输出端连接到微控制器的输入端，将阀门开度的电压信号输入到微控制器，微控制器通过模数转换器实时测量气动阀开度的反馈值。

4.如权利要求1所述的高精度气动阀控制参数的整定方法，其特征在于，所述步骤S3中的输入捕获定时器，设定为低电平计时有效，分别获取正半轴和负半轴的震荡时间，得到总的震荡时间。

5.如权利要求4所述的高精度气动阀控制参数的整定方法，其特征在于，所述步骤S3中的输入捕获定时器，震荡由正转负时，定时器高电平跳变成低电平计时开始，震荡由负转正时，定时器低电平跳变成高电平计时结束；震荡由负转正时，定时器高电平跳变成低电平计时开始，当震荡由正转负时，定时器低电平跳变成高电平计时结束。

6.如权利要求1所述的高精度气动阀控制参数的整定方法，其特征在于，所述步骤S1中的继电反馈自整定的规则表基于Ziegler-Nichols法则；采用P调节时，比例系数Kp为Ku/2；采用PI调节时，比例系数Kp为Ku/2.2，积分系数Ti为Tu/1.2；采用PID调节时，比例系数Kp为Ku/1.7，积分系数Ti为Tu/2，微分系数Td为Tu/8；Ku＝4μ/πa，Tu＝T，μ为预设的继电幅度值，a为实测的震荡开度，T为震荡周期。

7.如权利要求6所述的高精度气动阀控制参数的整定方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

S41：开启气动阀，设置气动阀开度值，等待阀门开度稳定，开始自整定；

S42：设置继电环节的继电幅度值μ，由继电环节控制阀门开度上下摆动，使阀门开度产生多次震荡；

S43：在步骤S42中实时测量气动阀开度大小，计算得到气动阀的实际震荡开度值a；

S44：在步骤S42中将定时器的开始计时时间设置为第N次震荡，计时结束时间设置为第M次震荡，M＞N，则此时有(M-N)次震荡时间计入定时器，计时的总时间除以(M-N)，即得出了震荡周期T；

S45：通过已知的继电幅度值μ和得到的实际震荡开度值a、震荡周期T，查询步骤S1中保存的规则表，计算即可得到PID控制参数。

8.如权利要求7所述的高精度气动阀控制参数的整定方法，其特征在于，所述步骤S44中N＝4，M＝10。