CN110985738B - 一种自学习的阀门定位装置及其定位方法 - Google Patents

一种自学习的阀门定位装置及其定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自学习的阀门定位装置及其定位方法，该装置通过参数自整定过程，整定出闭环控制所需的参数。闭环控制过程借助参数自整定过程得到的控制参数以及目标阀位、实时阀位、实时速度、以及之前阀位调节的状态信息计算出所需的PWM，然后输出相应的PWM控制开关式压电阀的进气量和排气量，从而实现气动调节阀快速和精确定位。本发明通过智能参数自整定，可以整定出阀门的自身特性参数，具有较强的自适应性。同时，闭环控制中实时控制阀杆的移动速度，可以很好的提高定位的快速性和准确性，避免超调和震荡现象的产生。

Description

一种自学习的阀门定位装置及其定位方法
技术领域
本发明涉及一种自动化仪表，特别是涉及一种自学习的阀门定位装置及其定位方法。
背景技术
智能阀门定位器是气动调节阀的控制核心，它可以增大执行器输出功率，减少调节信号传递中的滞后时间，加快阀杆的动作，提高阀门控制的速度，同时克服阀杆移动中的摩擦力，提高阀门控制的精度，对气动调节阀和整个控制系统起着决定性的作用。
智能阀门定位器控制性能的好坏主要由内部控制算法决定，算法的好坏直接影响阀门的控制精度、速度以及稳定性。由于智能阀门定位器是一个复杂的非线性系统，使用过程中气体的压力，阀杆的摩檫力，安装角度都会对系统的模型产生很大的影响，因此很难得到一个通用的控制方法。导致智能阀门定位器控制性能很难达到高精度场景要求，在控制过程中经常会出现超调，甚至震荡等问题。
发明内容
本发明针对采用开关式压电阀的智能阀门定位器在控制精度和快速性等方面存在的不足，发明了一种自学习的阀门定位装置及控制方法，该装置通过参数自整定过程，整定出闭环控制所需的参数，其中包括调节阀行程类型、端点位置、充气阶段超调量、排气阶段超调量、充气阶段基准速度Vup及其所对应的基准PWM为Pup、排气阶段基准运行速度Vdown及其所对应的基准PWM为Pdown。闭环控制过程借助参数自整定过程得到的控制参数以及目标阀位、实时阀位、实时速度、以及之前阀位调节的状态信息计算出所需的PWM，然后输出相应的PWM控制开关式压电阀的进气量和排气量，从而实现气动调节阀快速和精确定位。
本发明所述的一种基于开关式压电阀的智能阀门定位方法，通过以下步骤实现目标阀位的快速和准确定位：
步骤A1：参数自整定；智能微处理器控制装置进入参数自整定阶段，整定出闭环控制所需的参数。
步骤A2：自整定完成后，人机交互模块LCD上会显示出该智能阀门定位装置所允许的最高控制精度β，智能阀门定位装置的使用者根据自己的需要来设置控制精度ε。若设置的控制精度ε＞β，该智能阀门定位装置能够实现快速稳定的定位；若设置的控制精度ε＜β，则该智能阀门定位装置在定位过程中，会经常出现震荡和超调。同时智能阀门定位装置的使用者能够根据自己的需要设置不同的流量特性曲线。
步骤A3：智能微处理器接收到智能阀门定位装置的使用者输入的目标阀位值r(t)，并与从阀位采集模块采集的实时阀位值c(t)进行比较。如果误差e(t)＝r(t)-c(t)大于用户设定的精度要求，则进入步骤A4；否则不进行任何操作。
步骤A4:智能微处理器执行闭环控制，计算出实时的PWM，以及压电开关阀的状态指令。并将此PWM和控制指令输出给压电开关阀，以此控制压电开关阀充气/排气量，实现阀位的精确控制。转入步骤A3，循环执行。
一种自学习的阀门定位装置，包括智能微处理器、开关式压电阀、人机交互模块、A/D转换模块、阀位采集模块、速度采集模块和气动调节阀；所述的智能微处理器与开关式压电阀、人机交互模块、A/D转换模块连接；阀位采集模块与气动调节阀、A/D转换模块连接；速度采集模块与气动调节阀、A/D转换模块连接；人机交互模块与智能微处理器连接；A/D转换模块与速度采集模块、阀位采集模块、智能微处理器连接；气动调节阀与阀位采集模块、速度采集模块、开关式压电阀连接；开关式压电阀和气动调节阀、智能微处理器连接。
智能微处理器型号为stm32l151c8t6，智能微处理器根据目标阀位、实时阀位以及以往阀位调节过程中的状态信息计算出所需的PWM，并将此PWM输出到开关式压电阀，从而控制开关式压电阀的进/排气量；开关式压电阀用于控制气动调节阀,调节进入调节阀气缸的进气量；气动调节阀；阀位采集模块用于采集实时阀位以及目标阀位；速度采集模块用于采集实时阀杆速度；A/D转化模块主要用于将速度采集模块和阀位采集模块采集到的模拟电流信号转换成数字信号输入到智能微处理器中；人机交互模块由键盘和LCD两部分组成，LCD主要用于显示实时阀位、控制精度、流量特性曲线以及参数自整定过程相关参数显示，键盘主要用于参数自整定时数据输入、控制精度选择、流量特性曲线选择。
进一步的，步骤A1所述的智能微处理器参数自整定阶段具体包括如下过程：
步骤B1：确定行程类型和端点位置，智能微处理器发出100％PWM波，并且发出充气指令，调整压电阀处于充气状态，阀位采集模块采集实时阀位值，若阀位增大，则表示阀门为反行程，若阀位减小，则表示为正行程。速度采集模块一旦检测到阀杆速度为0，立即记录此时位置，即为顶端位置对应的AD值Xtop，并且发出排气指令，调节压电阀处于排气状态，速度采集模块一旦检测到阀杆速度为0，立即记录此时位置，即为底端位置对应的AD值Xlow，行程范围为FSR＝|Xtop-Xlow|。
步骤B2：确定超调量。智能阀门定位器发出100％PWM波，并且发出充气指令，调整压电阀处于充气状态，阀位采集模块实时采集阀位，一旦阀位到达x1＝0.5*FSR位置，智能微处理器立即向压电阀发出阀位保持指令，延时10秒钟记录此时阀位AD值x2，定义充气阶段超调量对应的AD值为Xover1＝|x1-x2|。智能微处理器发出充气指令，速度采集模块实时采集速度，一旦速度为0，智能阀门定位器立即发出排气指令，调整开关式压电阀为排气状态，阀位采集模块实时采集阀位，一旦阀位到达x1＝0.5*FSR位置，智能微处理器立即向压电阀发出阀位保持指令，延时10秒钟记录此时阀位AD值x3，定义排气阶段超调量对应的AD值为Xover2＝|x1-x3|。
步骤B3：确定基准速度和基准PWM。将阀位调整到x1＝0.5*FSR阀位处，阀位采集模块实时采集阀位，速度采集模块实时采集阀杆速度，微处理器发出充气指令，并向开关式压电阀输出0％PWM。PWM以1％为步长，不断增加，直到阀杆可以缓慢均匀的运行，记录此时的阀杆速度为Vup即为基准速度，此时的PWM为Pup即为基准PWM。将阀位调整到x1＝0.5*FSR阀位处，阀位采集模块实时采集阀位，速度采集模块实时采集阀杆速度，微处理器发出排气指令，并向压电开关阀输出0％PWM。PWM以1％为步长，不断增加，直到阀杆可以缓慢均匀的运行，记录此时的阀杆速度为Vdown即为基准速度，此时的PWM为Pdown即为基准PWM。
步骤B4：确定最高控制精度。控制调节阀以Vup的速度充气运行到x1＝0.5*FSR处，智能微处理器立即向开关式压电阀发出阀位保持指令，延时10秒钟记录此时阀位AD值x4；继续充气控制调节阀运行到Xtop，然后控制调节阀以Vdown的速度排气运行到x1＝0.5*FSR处，智能微处理器立即向开关式压电阀发出阀位保持指令，延时10秒钟记录此时阀位x5。则智能阀门定位装置最高控制精度为
Figure BDA0002272185350000031
进一步的，步骤A4所述的智能微处理器执行闭环控制过程，实现阀位快速定位的具体实现步骤如下：
步骤C1：根据阀位误差的大小，将控制过程分为第一粗调区、第一细调区、死区、第二细调区、第二粗调区。其中e1＝1.3*Xover1为充气阶段超调量、e2＝1.3*Xover2为排气阶段超调量、ε为智能阀门定位装置使用者设置的控制精度。
步骤C2：阀位采集模块采集实时阀位，若误差处于第二粗调区内，则执行步骤C2的子步骤，否则执行步骤C3。步骤C2的具体控制子步骤为：
子步骤C2.1：智能微处理器发出100％PWM波，并且发出充气指令给开关式压电阀，快速减小误差。
子步骤C2.2：当阀位进入第二细调区时，智能微处理器立即输出大小为Pup的PWM。
子步骤C2.3：智能微处理器将此时的阀杆速度v与基准速度Vup进行比较，若此时v＞Vup则以5％的幅度减小PWM，若此时v＜Vup则以5％的幅度增加PWM，假设PWM占空比为P1时v＞Vup，PWM占空比为P2时v＜Vup，则开始折半查找，即设定PWM占空比P＝P2+(P1-P2)/2。
子步骤C2.4：如果此时阀位已经到达死区，则智能微处理器记录此时的PWM，记为Ptemp，同时输出0％PWM和阀位保持指令给开关式压电阀。
子步骤C2.5：阀位采集模块采集实时阀位，如果此时阀位到达第一细调区，则执行子步骤C2.6。
子步骤C2.6：智能微处理器将此时的阀杆速度v与基准速度Vdown进行比较，若此时v＞Vdown则以3％的幅度减小PWM，若此时v＜Vdown则以3％的幅度增加PWM，假设PWM占空比为P1时v＞Vdown，PWM占空比为P2时v＜Vdown，则开始折半查找，即设定PWM占空比P＝P2+(P1-P2)/2。
子步骤C2.7：如果此时阀位已经到达死区，则智能微处理器记录此时的PWM，记为Ptemp，同时输出0％PWM和阀位保持指令给开关式压电阀；如果此时阀位仍处于第一细调区，则循环执行子步骤C2.6-C2.7；如果此时阀位处于第二细调区则执行子步骤C2.3-C2.5。
步骤C3：阀位采集模块采集实时阀位，若误差处于第二细调区内，则执行步骤C3的子步骤。步骤C3的具体控制子步骤为：
子步骤C3.1：智能微处理器发出100％PWM波，并且发出充气指令给开关式压电阀。速度采集模块采集实时阀杆速度，一旦速度大于零，智能微处理器立即输出大小为Pup的PWM。
子步骤C3.2：智能微处理器将此时的阀杆速度v与基准速度Vup进行比较，若此时v＞Vup则以5％的幅度减小PWM，若此时v＜Vup则以5％的幅度增加PWM，假设PWM占空比为P1时v＞Vup，PWM占空比为P2时v＜Vup，则开始折半查找，即设定PWM占空比P＝P2+(P1-P2)/2。
子步骤C3.3：如果此时阀位已经到达死区，则智能微处理器记录此时的PWM，记为Ptemp，同时输出0％PWM和阀位保持指令给开关式压电阀。
子步骤C3.4：阀位采集模块采集实时阀位，如果此时阀位到达第一细调区，则执行子步骤C3.5。
子步骤C3.5：智能微处理器将此时的阀杆速度v与基准速度Vdown进行比较，若此时v＞Vdown则以3％的幅度减小PWM，若此时v＜Vdown则以3％的幅度增加PWM，假设PWM占空比P1时v＞Vdown，PWM占空比为P2时v＜Vdown，则开始折半查找，即设定PWM占空比P＝P2+(P1-P2)/2。
子步骤C3.6：如果此时阀位已经到达死区，则智能微处理器记录此时的PWM，记为Ptemp，同时输出0％PWM和阀位保持指令给开关式压电阀；如果此时阀位仍处于第一细调区，则循环执行子步骤C3.5-C3.6；如果此时阀位处于第二细调区则执行子步骤C3.2-C3.4。
当再一次调整阀位时，其具体实现步骤为：
步骤C4：阀位采集模块采集实时阀位，若误差处于第二粗调区内，则执行步骤C4的子步骤，否则执行步骤C5。步骤C4的具体控制子步骤为：
子步骤C4.1：智能微处理器发出100％PWM波，并且发出充气指令给开关式压电阀，快速减小误差。
子步骤C4.2：当阀位进入第二细调区时，智能微处理器判断若此时Ptemp＝Pup，则立即输出大小为Pup的PWM；若此时Ptemp≠Pup，则立即输出大小为Ptemp的PWM。
子步骤C4.3：智能微处理器将此时的阀杆速度v与基准速度Vup进行比较，若此时v＞Vup则以5％的幅度减小PWM，若此时v＜Vup则以5％的幅度增加PWM，假设PWM占空比为P1时v＞Vup，PWM占空比为P2时v＜Vup，则开始折半查找，即设定PWM占空比P＝P2+(P1-P2)/2。
子步骤C4.4：如果此时阀位已经到达死区，则智能微处理器记录此时的PWM，更新Ptemp为此时的PWM值大小，同时输出0％PWM和阀位保持指令给开关式压电阀。
子步骤C4.5：阀位采集模块采集实时阀位，如果阀位超调到达了第一细调区，则执行子步骤C4.6。
子步骤C4.6：智能微处理器将此时的阀杆速度v与基准速度Vdown进行比较，若此时v＞Vdown则以3％的幅度减小PWM，若此时v＜Vdown则以3％的幅度增加PWM，假设PWM占空比为P1时v＞Vdown，PWM占空比为P2时v＜Vdown，则开始折半查找，即设定PWM占空比P＝P2+(P1-P2)/2。
子步骤C4.7：如果此时阀位已经到达死区，则智能微处理器记录此时的PWM，记为Ptemp，同时输出0％PWM和阀位保持指令给开关式压电阀；如果此时阀位仍处于第一细调区，则循环执行子步骤C4.6-C4.7；如果此时阀位处于第二细调区则执行子步骤C4.3-C4.5。
步骤C5：阀位采集模块采集实时阀位，若误差处于第二细调区内，则执行步骤C5的子步骤。步骤C5的具体控制子步骤为：
子步骤C5.1：智能微处理器发出100％PWM波，并且发出充气指令给压电阀。速度采集模块采集实时阀杆速度，一旦速度大于零，智能微处理器判断若此时Ptemp＝Pup，则立即输出大小为Pup的PWM；若此时Ptemp≠Pup，则立即输出大小为Ptemp的PWM。
子步骤C5.2：智能微处理器将此时的阀杆速度v与基准速度Vup进行比较，若此时v＞Vup则以5％的幅度减小PWM，若此时v＜Vup则以5％的幅度增加PWM，假设PWM占空比为P1时v＞Vup，PWM占空比为P2时v＜Vup，则开始折半查找，即设定PWM占空比P＝P2+(P1-P2)/2。
子步骤C5.3：如果此时阀位已经到达死区，则智能微处理器记录此时的PWM，记为Ptemp，同时输出0％PWM和阀位保持指令给开关式压电阀。
子步骤C5.4：阀位采集采集实时阀位，如果此时阀位到达第一细调区，则执行子步骤C5.5。
子步骤C5.5：智能微处理器将此时的阀杆速度v与基准速度Vdown进行比较，若此时v＞Vdown则以3％的幅度减小PWM，若此时v＜Vdown则以3％的幅度增加PWM，假设PWM占空比为P1时v＞Vdown，PWM占空比为P2时v＜Vdown，则开始折半查找，即设定PWM占空比P＝P2+(P1-P2)/2。
子步骤C5.6：如果此时阀位已经到达死区，则智能微处理器记录此时的PWM，记为Ptemp，同时输出0％PWM和阀位保持指令给开关式压电阀；如果此时阀位仍处于第一细调区，则循环执行子步骤C5.5-C5.6；如果此时阀位处于第二细调区则执行子步骤C5.2-C5.4。
本发明通过智能参数自整定，可以整定出阀门的自身特性参数，具有较强的自适应性。同时，闭环控制中实时控制阀杆的移动速度，可以很好的提高定位的快速性和准确性，避免超调和震荡现象的产生。
附图说明
图1是本发明装置的结构和功能示意图；
图2是本发明闭环控制示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行进一步的描述。
如图1所示，一种自学习的阀门定位装置，包括智能微处理器、开关式压电阀、人机交互模块、A/D转换模块、阀位采集模块、速度采集模块和气动调节阀；所述的智能微处理器与开关式压电阀、人机交互模块、A/D转换模块连接；阀位采集模块与气动调节阀、A/D转换模块连接；速度采集模块与气动调节阀、A/D转换模块连接；人机交互模块与智能微处理器连接；A/D转换模块与速度采集模块、阀位采集模块、智能微处理器连接；气动调节阀与阀位采集模块、速度采集模块、开关式压电阀连接；开关式压电阀和气动调节阀、智能微处理器连接。
智能微处理器型号为stm32l151c8t6，根据目标阀位、实时阀位以及以往阀位调节过程中的状态信息计算出所需的PWM，并将此PWM输出到开关式压电阀，从而控制开关式压电阀的进/排气量；开关式压电阀用于控制气动调节阀,调节进入调节阀气缸的进气量；阀位采集模块用于采集实时阀位以及目标阀位；速度采集模块用于采集实时阀杆速度；A/D转化模块主要用于将速度采集模块和阀位采集模块采集到的模拟电流信号转换成数字信号输入到智能微处理器中；人机交互模块由键盘和LCD两部分组成，LCD主要用于显示实时阀位、控制精度、流量特性曲线以及参数自整定过程相关参数显示，键盘主要用于参数自整定时数据输入、控制精度选择、流量特性曲线选择。
基于上述智能阀门定位装置的定位方法采用以下步骤实现目标阀位快速和准确的定位。
步骤A1：参数自整定。智能微处理器控制装置进入参数自整定阶段，整定出闭环控制所需的参数。
步骤A2：自整定完成后，人机交互模块LCD上会显示出该智能阀门定位装置所允许的最高控制精度β，智能阀门定位装置的使用者可以根据自己的需要来设置控制精度ε。若设置的控制精度ε＞β，该智能阀门定位装置可以实现快速稳定的定位；若设置的控制精度ε＜β，则该智能阀门定位装置在定位过程中，会经常出现震荡和超调。同时智能阀门定位装置的使用者可以根据自己的需要设置不同的流量特性曲线(装置提供线性、等百分比、快开、抛物线四种流量特性曲线选择，装置默认采用等百分比流量特性曲线)。
步骤A3：智能微处理器接收到智能阀门定位装置的使用者输入的目标阀位值r(t)，并与从阀位采集模块采集的实时阀位值c(t)进行比较。如果误差e(t)＝r(t)-c(t)大于用户设定的精度要求，则进入步骤A4；否则不进行任何操作。
步骤A4:智能微处理器执行闭环控制，计算出实时的PWM，以及压电开关阀的状态指令。并将此PWM和控制指令输出给压电开关阀，以此控制压电开关阀充气/排气量，实现阀位的精确控制。转入步骤A3，循环执行。
所述的智能微处理器参数自整定阶段具体包括如下过程：
步骤B1：确定行程类型和端点位置，智能微处理器发出100％PWM波，并且发出充气指令，调整压电阀处于充气状态，阀位采集模块采集实时阀位值，若阀位增大，则表示阀门为反行程，若阀位减小，则表示为正行程。速度采集模块一旦检测到阀杆速度为0，立即记录此时位置，即为顶端位置对应的AD值Xtop，并且发出排气指令，调节压电阀处于排气状态，速度采集模块一旦检测到阀杆速度为0，立即记录此时位置，即为底端位置对应的AD值Xlow，行程范围为FSR＝|Xtop-Xlow|。
步骤B2：确定超调量。智能阀门定位器发出100％PWM波，并且发出充气指令，调整压电阀处于充气状态，阀位采集模块实时采集阀位，一旦阀位到达x1＝0.5*FSR位置，智能微处理器立即向压电阀发出阀位保持指令，延时10秒钟记录此时阀位AD值x2，定义充气阶段超调量对应的AD值为Xover1＝|x1-x2|。智能微处理器发出充气指令，速度采集模块实时采集速度，一旦速度为0，智能阀门定位器立即发出排气指令，调整开关式压电阀为排气状态，阀位采集模块实时采集阀位，一旦阀位到达x1＝0.5*FSR位置，智能微处理器立即向压电阀发出阀位保持指令，延时10秒钟记录此时阀位AD值x3，定义排气阶段超调量对应的AD值为Xover2＝|x1-x3|。
步骤B3：确定基准速度和基准PWM。将阀位调整到x1＝0.5*FSR阀位处，阀位采集模块实时采集阀位，速度采集模块实时采集阀杆速度，微处理器发出充气指令，并向开关式压电阀输出0％PWM。PWM以1％为步长，不断增加，直到阀杆可以缓慢均匀的运行，记录此时的阀杆速度为Vup即为基准速度，此时的PWM为Pup即为基准PWM。将阀位调整到x1＝0.5*FSR阀位处，阀位采集模块实时采集阀位，速度采集模块实时采集阀杆速度，微处理器发出排气指令，并向压电开关阀输出0％PWM。PWM以1％为步长，不断增加，直到阀杆可以缓慢均匀的运行，记录此时的阀杆速度为Vdown即为基准速度，此时的PWM为Pdown即为基准PWM。
步骤B4：确定最高控制精度。控制调节阀以Vup的速度充气运行到x1＝0.5*FSR处，智能微处理器立即向开关式压电阀发出阀位保持指令，延时10秒钟记录此时阀位AD值x4；继续充气控制调节阀运行到Xtop，然后控制调节阀以Vdown的速度排气运行到x1＝0.5*FSR处，智能微处理器立即向开关式压电阀发出阀位保持指令，延时10秒钟记录此时阀位x5。则智能阀门定位装置最高控制精度为
Figure BDA0002272185350000081
所述的智能微处理器执行闭环控制过程，闭环控制示意图如图2，实现阀位快速定位的具体实现步骤如下(此过程选择气开型阀门作为分析对象，同样适用于气关型阀门。只针对阀位增大过程进行分析，同样适用于阀位减小过程)：
步骤C1：根据阀位误差的大小，将控制过程分为第一粗调区、第一细调区、死区、第二细调区、第二粗调区。其中e1＝1.3*Xover1为充气阶段超调量、e2＝1.3*Xover2为排气阶段超调量、ε为智能阀门定位装置使用者设置的控制精度。
步骤C2：阀位采集模块采集实时阀位，若误差处于第二粗调区内，则执行步骤C2的子步骤，否则执行步骤C3。步骤C2的具体控制子步骤为：
子步骤C2.1：智能微处理器发出100％PWM波，并且发出充气指令给开关式压电阀，快速减小误差。
子步骤C2.2：当阀位进入第二细调区时，智能微处理器立即输出大小为Pup的PWM。
子步骤C2.3：智能微处理器将此时的阀杆速度v与基准速度Vup进行比较，若此时v＞Vup则以5％的幅度减小PWM，若此时v＜Vup则以5％的幅度增加PWM，假设PWM占空比为P1时v＞Vup，PWM占空比为P2时v＜Vup，则开始折半查找，即设定PWM占空比P＝P2+(P1-P2)/2。
子步骤C2.4：如果此时阀位已经到达死区，则智能微处理器记录此时的PWM，记为Ptemp，同时输出0％PWM和阀位保持指令给开关式压电阀。
子步骤C2.5：阀位采集模块采集实时阀位，如果此时阀位到达第一细调区，则执行子步骤C2.6。
子步骤C2.6：智能微处理器将此时的阀杆速度v与基准速度Vdown进行比较，若此时v＞Vdown则以3％的幅度减小PWM，若此时v＜Vdown则以3％的幅度增加PWM，假设PWM占空比为P1时v＞Vdown，PWM占空比为P2时v＜Vdown，则开始折半查找，即设定PWM占空比P＝P2+(P1-P2)/2。
子步骤C2.7：如果此时阀位已经到达死区，则智能微处理器记录此时的PWM，记为Ptemp，同时输出0％PWM和阀位保持指令给开关式压电阀；如果此时阀位仍处于第一细调区，则循环执行子步骤C2.6-C2.7；如果此时阀位处于第二细调区则执行子步骤C2.3-C2.5。
步骤C3：阀位采集模块采集实时阀位，若误差处于第二细调区内，则执行步骤C3的子步骤。步骤C3的具体控制子步骤为：
子步骤C3.1：智能微处理器发出100％PWM波，并且发出充气指令给开关式压电阀。速度采集模块采集实时阀杆速度，一旦速度大于零，智能微处理器立即输出大小为Pup的PWM。
子步骤C3.2：智能微处理器将此时的阀杆速度v与基准速度Vup进行比较，若此时v＞Vup则以5％的幅度减小PWM，若此时v＜Vup则以5％的幅度增加PWM，假设PWM占空比为P1时v＞Vup，PWM占空比为P2时v＜Vup，则开始折半查找，即设定PWM占空比P＝P2+(P1-P2)/2。
子步骤C3.3：如果此时阀位已经到达死区，则智能微处理器记录此时的PWM，记为Ptemp，同时输出0％PWM和阀位保持指令给开关式压电阀。
子步骤C3.4：阀位采集模块采集实时阀位，如果此时阀位到达第一细调区，则执行子步骤C3.5。
子步骤C3.5：智能微处理器将此时的阀杆速度v与基准速度Vdown进行比较，若此时v＞Vdown则以3％的幅度减小PWM，若此时v＜Vdown则以3％的幅度增加PWM，假设PWM占空比P1时v＞Vdown，PWM占空比为P2时v＜Vdown，则开始折半查找，即设定PWM占空比P＝P2+(P1-P2)/2。
子步骤C3.6：如果此时阀位已经到达死区，则智能微处理器记录此时的PWM，记为Ptemp，同时输出0％PWM和阀位保持指令给开关式压电阀；如果此时阀位仍处于第一细调区，则循环执行子步骤C3.5-C3.6；如果此时阀位处于第二细调区则执行子步骤C3.2-C3.4。
当再一次调整阀位时，其具体实现步骤为：
步骤C4：阀位采集模块采集实时阀位，若误差处于第二粗调区内，则执行步骤C4的子步骤，否则执行步骤C5。步骤C4的具体控制子步骤为：
子步骤C4.1：智能微处理器发出100％PWM波，并且发出充气指令给开关式压电阀，快速减小误差。
子步骤C4.2：当阀位进入第二细调区时，智能微处理器判断若此时Ptemp＝Pup，则立即输出大小为Pup的PWM；若此时Ptemp≠Pup，则立即输出大小为Ptemp的PWM。
子步骤C4.3：智能微处理器将此时的阀杆速度v与基准速度Vup进行比较，若此时v＞Vup则以5％的幅度减小PWM，若此时v＜Vup则以5％的幅度增加PWM，假设PWM占空比为P1时v＞Vup，PWM占空比为P2时v＜Vup，则开始折半查找，即设定PWM占空比P＝P2+(P1-P2)/2。
子步骤C4.4：如果此时阀位已经到达死区，则智能微处理器记录此时的PWM，更新Ptemp为此时的PWM值大小，同时输出0％PWM和阀位保持指令给开关式压电阀。
子步骤C4.5：阀位采集模块采集实时阀位，如果阀位超调到达了第一细调区，则执行子步骤C4.6。
子步骤C4.6：智能微处理器将此时的阀杆速度v与基准速度Vdown进行比较，若此时v＞Vdown则以3％的幅度减小PWM，若此时v＜Vdown则以3％的幅度增加PWM，假设PWM占空比为P1时v＞Vdown，PWM占空比为P2时v＜Vdown，则开始折半查找，即设定PWM占空比P＝P2+(P1-P2)/2。
子步骤C4.7：如果此时阀位已经到达死区，则智能微处理器记录此时的PWM，记为Ptemp，同时输出0％PWM和阀位保持指令给开关式压电阀；如果此时阀位仍处于第一细调区，则循环执行子步骤C4.6-C4.7；如果此时阀位处于第二细调区则执行子步骤C4.3-C4.5。
步骤C5：阀位采集模块采集实时阀位，若误差处于第二细调区内，则执行步骤C5的子步骤。步骤C5的具体控制子步骤为：
子步骤C5.1：智能微处理器发出100％PWM波，并且发出充气指令给压电阀。速度采集模块采集实时阀杆速度，一旦速度大于零，智能微处理器判断若此时Ptemp＝Pup，则立即输出大小为Pup的PWM；若此时Ptemp≠Pup，则立即输出大小为Ptemp的PWM。
子步骤C5.2：智能微处理器将此时的阀杆速度v与基准速度Vup进行比较，若此时v＞Vup则以5％的幅度减小PWM，若此时v＜Vup则以5％的幅度增加PWM，假设PWM占空比为P1时v＞Vup，PWM占空比为P2时v＜Vup，则开始折半查找，即设定PWM占空比P＝P2+(P1-P2)/2。
子步骤C5.3：如果此时阀位已经到达死区，则智能微处理器记录此时的PWM，记为Ptemp，同时输出0％PWM和阀位保持指令给开关式压电阀。
子步骤C5.4：阀位采集采集实时阀位，如果此时阀位到达第一细调区，则执行子步骤C5.5。
子步骤C5.5：智能微处理器将此时的阀杆速度v与基准速度Vdown进行比较，若此时v＞Vdown则以3％的幅度减小PWM，若此时v＜Vdown则以3％的幅度增加PWM，假设PWM占空比为P1时v＞Vdown，PWM占空比为P2时v＜Vdown，则开始折半查找，即设定PWM占空比P＝P2+(P1-P2)/2。
子步骤C5.6：如果此时阀位已经到达死区，则智能微处理器记录此时的PWM，记为Ptemp，同时输出0％PWM和阀位保持指令给开关式压电阀；如果此时阀位仍处于第一细调区，则循环执行子步骤C5.5-C5.6；如果此时阀位处于第二细调区则执行子步骤C5.2-C5.4。
对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下还可以做出一定程度的简单推演或者替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于开关式压电阀的智能阀门定位方法，其特征在于：通过以下步骤实现目标阀位的快速和准确定位：
步骤A1：参数自整定；智能微处理器控制装置进入参数自整定阶段，整定出闭环控制所需的参数；
步骤A2：自整定完成后，人机交互模块LCD上会显示出该智能阀门定位装置所允许的最高控制精度β，智能阀门定位装置的使用者根据自己的需要来设置控制精度ε；若设置的控制精度ε＞β，该智能阀门定位装置能够实现快速稳定的定位；若设置的控制精度ε＜β，则该智能阀门定位装置在定位过程中，会经常出现震荡和超调；同时智能阀门定位装置的使用者能够根据自己的需要设置不同的流量特性曲线；
步骤A3：智能微处理器接收到智能阀门定位装置的使用者输入的目标阀位值r(t)，并与从阀位采集模块采集的实时阀位值c(t)进行比较；如果误差e(t)＝r(t)-c(t)大于用户设定的精度要求，则进入步骤A4；否则不进行任何操作；
步骤A4:智能微处理器执行闭环控制，计算出实时的PWM，以及压电开关阀的状态指令；并将此PWM和控制指令输出给压电开关阀，以此控制压电开关阀充气/排气量，实现阀位的精确控制；转入步骤A3，循环执行。
2.如权利要求1所述的一种基于开关式压电阀的智能阀门定位方法，其特征在于：包括一种自学习的阀门定位装置，该装置包括智能微处理器、开关式压电阀、人机交互模块、A/D转换模块、阀位采集模块、速度采集模块和气动调节阀；所述的智能微处理器与开关式压电阀、人机交互模块、A/D转换模块连接；阀位采集模块与气动调节阀、A/D转换模块连接；速度采集模块与气动调节阀、A/D转换模块连接；人机交互模块与智能微处理器连接；A/D转换模块与速度采集模块、阀位采集模块、智能微处理器连接；气动调节阀与阀位采集模块、速度采集模块、开关式压电阀连接；开关式压电阀和气动调节阀、智能微处理器连接；
智能微处理器型号为stm32l151c8t6，智能微处理器根据目标阀位、实时阀位以及以往阀位调节过程中的状态信息计算出所需的PWM，并将此PWM输出到开关式压电阀，从而控制开关式压电阀的进/排气量；开关式压电阀用于控制气动调节阀,调节进入调节阀气缸的进气量；气动调节阀；阀位采集模块用于采集实时阀位以及目标阀位；速度采集模块用于采集实时阀杆速度；A/D转换模块主要用于将速度采集模块和阀位采集模块采集到的模拟电流信号转换成数字信号输入到智能微处理器中；人机交互模块由键盘和LCD两部分组成，LCD主要用于显示实时阀位、控制精度、流量特性曲线以及参数自整定过程相关参数显示，键盘主要用于参数自整定时数据输入、控制精度选择、流量特性曲线选择。
3.如权利要求1所述的一种基于开关式压电阀的智能阀门定位方法，其特征在于：步骤A1所述的智能微处理器参数自整定阶段具体包括如下过程：
步骤B1：确定行程类型和端点位置，智能微处理器发出100％PWM波，并且发出充气指令，调整压电阀处于充气状态，阀位采集模块采集实时阀位值，若阀位增大，则表示阀门为反行程，若阀位减小，则表示为正行程；初始状态为充气状态，当速度采集模块检测到阀杆速度为0时，立即记录此时位置，即为顶端位置对应的AD值Xtop；并且发出排气指令，使得调节压电阀处于排气状态，当速度采集模块再次检测到阀杆速度为0时，立即记录此时位置，即为底端位置对应的AD值Xlow，行程范围为FSR＝|Xtop-Xlow|；
步骤B2：确定超调量；智能阀门定位器发出100％PWM波，并且发出充气指令，调整压电阀处于充气状态，阀位采集模块实时采集阀位，一旦阀位到达x1＝0.5*FSR位置，智能微处理器立即向压电阀发出阀位保持指令，延时10秒钟记录此时阀位AD值x2，定义充气阶段超调量对应的AD值为Xover1＝|x1-x2|；智能微处理器发出充气指令，速度采集模块实时采集速度，一旦速度为0，智能阀门定位器立即发出排气指令，调整开关式压电阀为排气状态，阀位采集模块实时采集阀位，一旦阀位到达x1＝0.5*FSR位置，智能微处理器立即向压电阀发出阀位保持指令，延时10秒钟记录此时阀位AD值x3，定义排气阶段超调量对应的AD值为Xover2＝|x1-x3|；
步骤B3：确定基准速度和基准PWM；将阀位调整到x1＝0.5*FSR阀位处，阀位采集模块实时采集阀位，速度采集模块实时采集阀杆速度，微处理器发出充气指令，并向开关式压电阀输出0％PWM；PWM以1％为步长，不断增加，直到阀杆可以缓慢均匀的运行，记录此时的阀杆速度为Vup即为基准速度，此时的PWM为Pup即为基准PWM；将阀位调整到x1＝0.5*FSR阀位处，阀位采集模块实时采集阀位，速度采集模块实时采集阀杆速度，微处理器发出排气指令，并向压电开关阀输出0％PWM；PWM以1％为步长，不断增加，直到阀杆可以缓慢均匀的运行，记录此时的阀杆速度为Vdown即为基准速度，此时的PWM为Pdown即为基准PWM；
步骤B4：确定最高控制精度；控制调节阀以Vup的速度充气运行到x1＝0.5*FSR处，智能微处理器立即向开关式压电阀发出阀位保持指令，延时10秒钟记录此时阀位AD值x4；继续充气控制调节阀运行到Xtop，然后控制调节阀以Vdown的速度排气运行到x1＝0.5*FSR处，智能微处理器立即向开关式压电阀发出阀位保持指令，延时10秒钟记录此时阀位x5；则智能阀门定位装置最高控制精度为
Figure FDA0003040864540000031
4.如权利要求1所述的一种基于开关式压电阀的智能阀门定位方法，其特征在于：步骤A4所述的智能微处理器执行闭环控制过程，实现阀位快速定位的具体实现步骤如下：
步骤C1：根据阀位误差的大小，将控制过程分为第一粗调区、第一细调区、死区、第二细调区、第二粗调区；其中e1＝1.3*Xover1为充气阶段超调量、e2＝1.3*Xover2为排气阶段超调量、ε为智能阀门定位装置使用者设置的控制精度；
步骤C2：阀位采集模块采集实时阀位，若误差处于第二粗调区内，则执行步骤C2的子步骤，否则执行步骤C3；步骤C2的具体控制子步骤为：
子步骤C2.1：智能微处理器发出100％PWM波，并且发出充气指令给开关式压电阀，快速减小误差；
子步骤C2.2：当阀位进入第二细调区时，智能微处理器立即输出大小为Pup的PWM；
子步骤C2.3：智能微处理器将此时的阀杆速度v与基准速度Vup进行比较，若此时v＞Vup则以5％的幅度减小PWM，若此时v＜Vup则以5％的幅度增加PWM，假设PWM占空比为P1时v＞Vup，PWM占空比为P2时v＜Vup，则开始折半查找，即设定PWM占空比P＝P2+(P1-P2)/2；
子步骤C2.4：如果此时阀位已经到达死区，则智能微处理器记录此时的PWM，记为Ptemp，同时输出0％PWM和阀位保持指令给开关式压电阀；
子步骤C2.5：阀位采集模块采集实时阀位，如果此时阀位到达第一细调区，则执行子步骤C2.6；
子步骤C2.6：智能微处理器将此时的阀杆速度v与基准速度Vdown进行比较，若此时v＞Vdown则以3％的幅度减小PWM，若此时v＜Vdown则以3％的幅度增加PWM，假设PWM占空比为P1时v＞Vdown，PWM占空比为P2时v＜Vdown，则开始折半查找，即设定PWM占空比P＝P2+(P1-P2)/2；
子步骤C2.7：如果此时阀位已经到达死区，则智能微处理器记录此时的PWM，记为Ptemp，同时输出0％PWM和阀位保持指令给开关式压电阀；如果此时阀位仍处于第一细调区，则循环执行子步骤C2.6-C2.7；如果此时阀位处于第二细调区则执行子步骤C2.3-C2.5；
步骤C3：阀位采集模块采集实时阀位，若误差处于第二细调区内，则执行步骤C3的子步骤；步骤C3的具体控制子步骤为：
子步骤C3.1：智能微处理器发出100％PWM波，并且发出充气指令给开关式压电阀；速度采集模块采集实时阀杆速度，一旦速度大于零，智能微处理器立即输出大小为Pup的PWM；
子步骤C3.2：智能微处理器将此时的阀杆速度v与基准速度Vup进行比较，若此时v＞Vup则以5％的幅度减小PWM，若此时v＜Vup则以5％的幅度增加PWM，假设PWM占空比为P1时v＞Vup，PWM占空比为P2时v＜Vup，则开始折半查找，即设定PWM占空比P＝P2+(P1-P2)/2；
子步骤C3.3：如果此时阀位已经到达死区，则智能微处理器记录此时的PWM，记为Ptemp，同时输出0％PWM和阀位保持指令给开关式压电阀；
子步骤C3.4：阀位采集模块采集实时阀位，如果此时阀位到达第一细调区，则执行子步骤C3.5；
子步骤C3.5：智能微处理器将此时的阀杆速度v与基准速度Vdown进行比较，若此时v＞Vdown则以3％的幅度减小PWM，若此时v＜Vdown则以3％的幅度增加PWM，假设PWM占空比P1时v＞Vdown，PWM占空比为P2时v＜Vdown，则开始折半查找，即设定PWM占空比P＝P2+(P1-P2)/2；
子步骤C3.6：如果此时阀位已经到达死区，则智能微处理器记录此时的PWM，记为Ptemp，同时输出0％PWM和阀位保持指令给开关式压电阀；如果此时阀位仍处于第一细调区，则循环执行子步骤C3.5-C3.6；如果此时阀位处于第二细调区则执行子步骤C3.2-C3.4；
当再一次调整阀位时，其具体实现步骤为：
步骤C4：阀位采集模块采集实时阀位，若误差处于第二粗调区内，则执行步骤C4的子步骤，否则执行步骤C5；步骤C4的具体控制子步骤为：
子步骤C4.1：智能微处理器发出100％PWM波，并且发出充气指令给开关式压电阀，快速减小误差；
子步骤C4.2：当阀位进入第二细调区时，智能微处理器判断若此时Ptemp＝Pup，则立即输出大小为Pup的PWM；若此时Ptemp≠Pup，则立即输出大小为Ptemp的PWM；
子步骤C4.3：智能微处理器将此时的阀杆速度v与基准速度Vup进行比较，若此时v＞Vup则以5％的幅度减小PWM，若此时v＜Vup则以5％的幅度增加PWM，假设PWM占空比为P1时v＞Vup，PWM占空比为P2时v＜Vup，则开始折半查找，即设定PWM占空比P＝P2+(P1-P2)/2；
子步骤C4.4：如果此时阀位已经到达死区，则智能微处理器记录此时的PWM，更新Ptemp为此时的PWM值大小，同时输出0％PWM和阀位保持指令给开关式压电阀；
子步骤C4.5：阀位采集模块采集实时阀位，如果阀位超调到达了第一细调区，则执行子步骤C4.6；
子步骤C4.6：智能微处理器将此时的阀杆速度v与基准速度Vdown进行比较，若此时v＞Vdown则以3％的幅度减小PWM，若此时v＜Vdown则以3％的幅度增加PWM，假设PWM占空比为P1时v＞Vdown，PWM占空比为P2时v＜Vdown，则开始折半查找，即设定PWM占空比P＝P2+(P1-P2)/2；
子步骤C4.7：如果此时阀位已经到达死区，则智能微处理器记录此时的PWM，记为Ptemp，同时输出0％PWM和阀位保持指令给开关式压电阀；如果此时阀位仍处于第一细调区，则循环执行子步骤C4.6-C4.7；如果此时阀位处于第二细调区则执行子步骤C4.3-C4.5；
步骤C5：阀位采集模块采集实时阀位，若误差处于第二细调区内，则执行步骤C5的子步骤；步骤C5的具体控制子步骤为：
子步骤C5.1：智能微处理器发出100％PWM波，并且发出充气指令给压电阀；速度采集模块采集实时阀杆速度，一旦速度大于零，智能微处理器判断若此时Ptemp＝Pup，则立即输出大小为Pup的PWM；若此时Ptemp≠Pup，则立即输出大小为Ptemp的PWM；
子步骤C5.2：智能微处理器将此时的阀杆速度v与基准速度Vup进行比较，若此时v＞Vup则以5％的幅度减小PWM，若此时v＜Vup则以5％的幅度增加PWM，假设PWM占空比为P1时v＞Vup，PWM占空比为P2时v＜Vup，则开始折半查找，即设定PWM占空比P＝P2+(P1-P2)/2；
子步骤C5.3：如果此时阀位已经到达死区，则智能微处理器记录此时的PWM，记为Ptemp，同时输出0％PWM和阀位保持指令给开关式压电阀；
子步骤C5.4：阀位采集模块采集实时阀位，如果此时阀位到达第一细调区，则执行子步骤C5.5；
子步骤C5.5：智能微处理器将此时的阀杆速度v与基准速度Vdown进行比较，若此时v＞Vdown则以3％的幅度减小PWM，若此时v＜Vdown则以3％的幅度增加PWM，假设PWM占空比为P1时v＞Vdown，PWM占空比为P2时v＜Vdown，则开始折半查找，即设定PWM占空比P＝P2+(P1-P2)/2；
子步骤C5.6：如果此时阀位已经到达死区，则智能微处理器记录此时的PWM，记为Ptemp，同时输出0％PWM和阀位保持指令给开关式压电阀；如果此时阀位仍处于第一细调区，则循环执行子步骤C5.5-C5.6；如果此时阀位处于第二细调区则执行子步骤C5.2-C5.4。
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