CN110985747B - 一种压电阀门定位器及其快速定位方法 - Google Patents

一种压电阀门定位器及其快速定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种压电阀门定位器及其快速定位方法。压电阀门定位器包括压电阀以及单片机模块、分别与单片机模块相连的显示模块、按键模块、模数转换模块、电源模块、PWM输出模块和位置反馈模块，电源模块、模数转换模块的输入端分别和外接控制设备相连，PWM输出模块的输出端和压电阀的控制端相连，压力气源经压电阀和控制阀门动作的气动执行器相连，位置反馈模块检测阀门的开度。快速定位方法为，单片机模块根据模数转换模块和位置反馈模块送来的信号，采用动态微调脉冲有效占比的方法，控制PWM输出模块输出可变宽度的脉冲信号给压电阀。本发明缩短定位时间，缩小死区范围，提高定位精度和定位速度。

Description

一种压电阀门定位器及其快速定位方法
技术领域
本发明涉及阀门控制技术领域，尤其涉及一种压电阀门定位器及其快速定位方法。
背景技术
阀门的开度控制是工业生产中最常见的需求。在精细生产加工领域，对阀门开度的控制要求更为苛刻。要求速度快，而且定位要精准。
阀门定位器是控制阀的主要附件。它将阀杆位移信号作为输入的反馈测量信号，以控制器输出的控制信号作为设定信号，进行比较，当两者有偏差时，控制压缩空气的动力，改变其到执行器的输出，使执行器动作，建立阀杆位移与控制器输出的控制信号之间对应关系。因此，阀门定位器组成以阀杆位移为测量信号、以控制器输出的控制信号为设定信号的反馈控制系统。系统由压力气源、控制信号、阀门定位器、气动执行器和阀门五部分组成。压力气源提供恒定压力的压缩空气，经过阀门定位器的调制后，给气动执行器提供动力来源。控制信号由外部控制系统提供，一般是4～20mA或0～10V的电信号。阀门定位器根据外部控制信号，控制压力气源，把调制后的气压供给气动执行器，从而快速定位到控制信号对应的阀门开度。气动执行器由气缸与弹簧组成，由外部气压推动，控制阀门的开度。阀门是管路流体输送系统中的控制部件，用来开闭管路。
压电阀是利用功能陶瓷片在电压作用下产生弯曲变形原理制成的一种两位式(或比例式)控制阀。控制压电阀动作只需提供足够的电压，电功耗几乎为零。通过压电阀门定位器对气源的高速开闭，实现对气源的调制。打开与关闭的频率及占比由算法控制。传统的调制方法采用多段速度实现，先把气源全部打开，全速前进，进入减速区时采用定比脉冲气源，减速前进，到达死区后关闭气源，停止前进，定位在死区内。减速区与死区的距离宽度与时间由事先设定。最小值需要调试获得，或者经过一个自诊断过程后获得。传统的方法由于减速区时间长，如果预设的短，有不能到达死区或超出的风险，到达目标死区的时间加长，从而使得定位速度减慢。其次，到达目标死区后速度降为零，由于气动执行器的惯性，死区范围必须扩大，造成阀门定位精度下降。传统技术在逼近死区时采用匀速接近，到达死区时急停。这样有两个缺点：如果逼近速度快，定位是快了，但定位不准确，要么冲出死区，要么还没进入死区；如果逼近速度慢，定位是准了，但定位速度大大减慢，两者不能兼得。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题；提供一种压电阀门定位器及其快速定位方法，其优化减速区的脉冲调制，缩短定位时间，缩小死区范围，提高定位精度。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明的一种压电阀门定位器，包括单片机模块、显示模块、按键模块、模数转换模块、电源模块、PWM输出模块、位置反馈模块和压电阀，单片机模块分别和显示模块、按键模块相连，电源模块、模数转换模块的输入端分别和外接控制设备相连，电源模块、模数转换模块的输出端分别和单片机模块相连，单片机模块和PWM输出模块的输入端相连，PWM输出模块的输出端和压电阀的控制端相连，压电阀的进口和压力气源相连，压电阀的出口和控制阀门动作的气动执行器的进气口相连，所述的位置反馈模块检测所述的阀门的开度，并把检测到的阀门位置信号反馈给所述的单片机模块。外接控制设备将控制信号输送给压电阀定位器，其中电源信号给电源模块，阀门设定信号给模数转换模块。外接控制设备一般指发出指令设定阀门开度的智能化生产控制设备，比如DCS控制系统、PLC控制器等，比如它会要求把阀门开到30°、45°等。其发出的控制信号一般是4～20mA的模拟信号，对应0～90°的阀门开度。电源模块从外接控制设备送来的信号中取电，稳压后给单片机模块供电；模数转换模块把外接控制设备送来的阀门开度控制信号由模拟转数字化后输入给单片机模块；位置反馈模块读取阀门的位置，并输送给单片机模块；单片机模块根据模数转换模块和位置反馈模块送来的信号，通过算法计算，控制PWM输出模块，输出变化的脉冲信号给压电阀，由压电阀控制压力气源的通断，压力气源的通断及流量大小控制气动执行器的动作，气动执行器控制阀门的打开、关闭及开度。显示模块显示相关信号及阀门开度，按键模块进行配置和操作。本发明有效提高阀门的定位精度和定位速度。
作为优选，所述的压电阀门定位器包括报警模块，报警模块和所述的单片机模块相连。当检测到气压不足、阀门卡死转不动了等故障情况时，单片机模块输出控制信号启动报警模块，进行故障报警。便于工作人员及时发现问题并及时进行处理。
本发明的一种压电阀门定位器的快速定位方法为：所述的电源模块从外接控制设备送来的信号中取电，稳压后给所述的单片机模块供电；所述的模数转换模块把外接控制设备送来的阀门开度控制信号由模拟转数字化后输入给所述的单片机模块；所述的位置反馈模块读取所述的阀门的位置，并输送给所述的单片机模块；单片机模块根据模数转换模块和位置反馈模块送来的信号，采用动态微调脉冲有效占比的方法，控制所述的PWM输出模块输出可变宽度的脉冲信号给所述的压电阀，压电阀控制所述的压力气源的开关，压力气源流经压电阀输送给所述的气动执行器，气动执行器控制所述的阀门的开度。本发明有效提高阀门的定位精度和定位速度。
作为优选，所述的动态微调脉冲有效占比的方法包括下列步骤：
步骤①压电阀进入减速区后，单片机模块首先根据预先设定的减速区距离宽度，决定总步数m；
步骤②根据减速区预设的时间计算每一步的脉冲宽度n；
步骤③开始计数，计数i＝1，调整系统k＝1.0；
步骤④输出低电平，保持(i×k/m)×n毫秒；
步骤⑤输出高电平，保持((m-i×k)/m)×n；
步骤⑥比较模数转换模块和位置反馈模块送来的信号，若模数转换模块送来的信号大于位置反馈模块送来的信号，则调小K值；若模数转换模块送来的信号小于位置反馈模块送来的信号，则调大K值；
步骤⑦计数i＝i+1；
步骤⑧判断i＞m是否成立，如果不成立，则回到步骤④。
本发明采用新的算法，控制PWM输出模块输出可变宽度的脉冲，控制压电阀。根据力学原理，采用变速控制，以近似抛物线，变速进入死区。定位器进入减速区后，首先根据预先设定的减速区距离宽度，决定总步数m(即总共需要多少个脉冲)；再根据减速区预设的时间计算每一步的脉冲宽度n(即每一步的总时间)，然后按脉冲占比递减的方法，从(m-1)/m、(m-2)m……2/m、1/m直至完全关闭。在减速的过程中，根据位置反馈模块的反馈数据，与预期前进的距离进行比较，动态微调脉冲的有效占比：如果与有效电平前进的距离短，则增大有效电平时间；反之减小有效电平的时间。达到既能提高定位精度又能提高定位速度的目的。
本发明的有益效果是：本发明的压电阀门定位器，采用脉冲占比递减技术，压电阀在进入减速区后有一个近似加速度逼近，以抛物线的速度进入死区，既保证定位速度，又能缩小死区的范围，精准的进入死区，从而实现阀门的精确定位。既提高阀门的定位精度又提高阀门的定位速度。
附图说明
图1是本发明的一种电路原理连接结构框图。
图中1.单片机模块，2.显示模块，3.按键模块，4.报警模块，5.模数转换模块，6.电源模块，7.PWM输出模块，8.位置反馈模块，9.压电阀，10.外接控制设备，11.压力气源，12.气动执行器，13.阀门。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种压电阀门定位器，如图1所示，包括单片机模块1、显示模块2、按键模块3、报警模块4、模数转换模块5、电源模块6、PWM输出模块7、位置反馈模块8和压电阀9，单片机模块分别和显示模块、按键模块、报警模块相连，电源模块、模数转换模块的输入端分别和外接控制设备10相连，电源模块、模数转换模块的输出端分别和单片机模块相连，单片机模块和PWM输出模块的输入端相连，PWM输出模块的输出端和压电阀的控制端相连，压电阀的进口和压力气源11相连，压电阀的出口和控制阀门13动作的气动执行器12的进气口相连，即压力气源送出的气体流经压电阀流入气动执行器中的气缸，位置反馈模块的输入端和外接控制设备需要控制的阀门相连，位置反馈模块的输出端和单片机模块相连，即位置反馈模块检测阀门的开度，并把检测到的阀门位置信号反馈给单片机模块。
上述一种压电阀门定位器的快速定位方法为：外接控制设备将控制信号输送给压电阀定位器，其中电源信号给电源模块，阀门设定信号给模数转换模块。电源模块从外接控制设备送来的信号中取电，稳压后给单片机模块供电；模数转换模块把外接控制设备送来的阀门开度控制信号由模拟转数字化后输入给单片机模块；位置反馈模块读取阀门的位置，并输送给单片机模块；单片机模块根据模数转换模块和位置反馈模块送来的信号，采用动态微调脉冲有效占比的方法，控制PWM输出模块输出可变宽度的脉冲信号给压电阀，压电阀控制压力气源的通断，压力气源流经压电阀输送给气动执行器中的气缸，气动执行器控制阀门的开度；当检测到气压不足、阀门卡死转不动了等故障情况时，单片机模块输出控制信号启动报警模块，进行故障报警；
其中动态微调脉冲有效占比的方法包括下列步骤：
步骤①压电阀进入减速区后，单片机模块首先根据预先设定的减速区距离宽度，决定总步数m；
步骤②根据减速区预设的时间计算每一步的脉冲宽度n；
步骤③开始计数，计数i＝1，调整系统k＝1.0；
步骤④输出低电平，保持(i×k/m)×n毫秒；
步骤⑤输出高电平，保持((m-i×k)/m)×n；
步骤⑥比较模数转换模块和位置反馈模块送来的信号，若模数转换模块送来的信号(阀门开度设定信号)大于位置反馈模块送来的信号(阀门实际开度信号)，则调小K值；若模数转换模块送来的信号(阀门开度设定信号)小于位置反馈模块送来的信号(阀门实际开度信号)，则调大K值；
步骤⑦计数i＝i+1；
步骤⑧判断i＞m是否成立，如果不成立，则回到步骤④；如果成立，则完成对阀门的控制。
本发明中，压电阀减速区采用脉冲占比可变技术、采用抛物线式减速技术及采用脉冲有效占比微调技术。压电阀在进入减速区后有一个近似加速度逼近，以抛物线的速度进入死区，既保证定位速度，又能缩小死区范围，精准进入死区，从而实现阀门的精确定位。既提高阀门的定位精度又提高阀门的定位速度。

Claims (1)

1.一种压电阀门定位器的快速定位方法，压电阀门定位器包括单片机模块、显示模块、按键模块、模数转换模块、电源模块、PWM输出模块、位置反馈模块和压电阀，单片机模块分别和显示模块、按键模块相连，电源模块、模数转换模块的输入端分别和外接控制设备相连，电源模块、模数转换模块的输出端分别和单片机模块相连，单片机模块和PWM输出模块的输入端相连，PWM输出模块的输出端和压电阀的控制端相连，压电阀的进口和压力气源相连，压电阀的出口和控制阀门动作的气动执行器的进气口相连，所述的位置反馈模块检测所述的阀门的开度，并把检测到的阀门位置信号反馈给所述的单片机模块；还包括报警模块，报警模块和所述的单片机模块相连；其特征在于所述的电源模块从外接控制设备送来的信号中取电，稳压后给所述的单片机模块供电；所述的模数转换模块把外接控制设备送来的阀门开度控制信号由模拟转数字化后输入给所述的单片机模块；所述的位置反馈模块读取所述的阀门的位置，并输送给所述的单片机模块；单片机模块根据模数转换模块和位置反馈模块送来的信号，采用动态微调脉冲有效占比的方法，控制所述的PWM输出模块输出可变宽度的脉冲信号给所述的压电阀，压电阀控制所述的压力气源的开关，压力气源流经压电阀输送给所述的气动执行器，气动执行器控制所述的阀门的开度；
所述的动态微调脉冲有效占比的方法包括下列步骤：
步骤①压电阀进入减速区后，单片机模块首先根据预先设定的减速区距离宽度，决定总步数m；
步骤②根据减速区预设的时间计算每一步的脉冲宽度n；
步骤③开始计数，计数i=1，调整系统k=1.0；
步骤④输出低电平，保持(i×k/m)×n毫秒；
步骤⑤输出高电平，保持((m-i×k)/m)×n；
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