CN112923115B - 电动执行器及其定位控制方法、阀门控制系统、存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动执行器及其定位控制方法、阀门控制系统、存储介质，本发明的电动执行器通过控制变频器控制驱动阀门的电机的运行，电动执行器获取实时反馈的阀门的当前阀位值，计算当前阀位值与目标定位点的差值，当所述差值减小至第一距离时控制电机缓慢减速直至电机速度到达预设低速；当所述差值减小至第二距离时控制电机快速减速至停止，如此，在现场整定设置执行器在电机不同速度下的减速过程中的阀门移动的距离，通过提前减速，提高了电动执行器的定位精度。

Description

电动执行器及其定位控制方法、阀门控制系统、存储介质

技术领域

本发明涉及电动执行器领域，尤其涉及一种电动执行器及其定位控制方法、阀门控制系统、存储介质。

背景技术

电动执行器是自动控制系统中的执行机构和控制阀组合体。它在自动化控制系统中的作用是接受来自调节器或计算机(DCS、PLC等)发出的信号，以其在工艺管路的位置和特性，调节工艺介质的流量。电动执行器广泛应用于电力、冶金、化工等行业。三相异步电机是电动执行器常用的一种电机，传统的电动执行器只能控制电机的启动、停止和方向。执行器控制电机进行阀门位置定位时，受管道压力、阀门摩擦力等因素的影响，驱动电机关停时阀门运动的距离是不确定的，只能控制在一定范围以内，这为阀门的精确定位造成了极大的困难。

传统的电动执行器定位控制中，电机的工作模式只有启动和停止两种状态。电机的启停通常是通过开关进行切换，电机在运行中的运行速度是固定的。在电动执行器定位控制中有个参数定位迟滞Hys，它表示停止电机过程中电动执行器阀门移动的距离。当电动执行器控制阀门接近目标定位点时通过Hys判断是否进入减速制动过程。还有一个控制参数死区Dband，它表示电动执行器允许的目标阀位点和实际阀位值偏差。图1是一个常用的电动执行器定位过程。该流程在电动执行器的控制过程中定期调用，控制定位过程中电机的动作。其中控制参数死区Dband为最终定位结束后的定位精度范围，它通常要求大于定位迟滞，否则执行器可能在定位点附近反复震荡。通常电动执行器的定位精度由死区Dband这个参数表示。

上述方案中电机运行时的速度是较快的，例如常用的50Hz额定频率，Hys值通常较大，另外由于电机没有减速过程是直接从运行状态直接切断电源，制动过程中电动执行器阀门的移动距离完全由机械结构和管道压力、阀门摩擦力等外部因素决定，一般情况下电动执行器的控制死区Dband仅能达到1％左右。在一些定位精度需求较高的场合只能通过加装减速机构来降低电机和阀门的传动比，这又会降低阀门的定位速度，也带来额外的设计需要增加了系统的复杂度和成本。同时电机启停方式属于开关电机电源的硬启停，在电机开动和停止时会给电机带来较大的负荷，也会对电动执行器机械结构造成冲击，影响产品的寿命。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述传统的电动执行器电机控制方式启停阶段电机突然启动或者停止造成的机械冲击和对电机的电路冲击较大，以及传统的电动执行器在进行阀门定位控制时，在电机的停止过程中实际上电子部分已经不再参与进行定位控制，定位控制精度主要受管道压力、阀门摩擦力等外部因素影响，定位精度和可重复性差，通常定位精度控制参数死区Dband只能达到1％左右的缺陷，提供一种电动执行器及其定位控制方法、阀门控制系统、存储介质。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种电动执行器定位控制方法，所述电动执行器通过控制变频器控制驱动阀门的电机的运行，所述方法包括：

电动执行器获取实时反馈的阀门的当前阀位值，计算当前阀位值与目标定位点的差值；

当所述差值减小至第一距离时控制电机缓慢减速直至电机速度到达预设低速；当所述差值减小至第二距离时控制电机快速减速至停止，所述第二距离小于所述第一距离。

进一步地，所述方法还包括：

在计算出新的所述差值时，先判断目前的运行状态；

当目前的运行状态是处于加速流程时，判断所述差值的大小，如果判断出所述差值小于所述第一距离则切换到减速流程；

当目前的运行状态是处于减速流程时，判断所述差值的大小，如果判断出所述差值小于所述第二距离则切换到停止流程，如果判断出所述差值大于所述第一距离则切换到加速流程；

当目前的运行状态是处于停止流程时，判断所述差值的大小，如果判断出所述差值大于所述第一距离则切换到加速流程，如果判断出所述差值大于死区距离则切换到减速流程，所述死区距离大于等于所述第二距离。

进一步地，所述方法还包括：在处于加速流程时，对于出现所述差值小于所述第一距离之外的其他情况，若电机速度已经处于正常速度时则保持匀速运行，否则控制电机加速至所述正常速度后保持匀速运行。

进一步地，所述的控制电机缓慢减速直至电机速度到达预设低速，具体包括：

当切换到减速流程时，对于出现所述差值小于所述第二距离和所述差值大于所述第一距离两种情况之外的其他情况，若电机速度已经处于所述预设低速时则保持匀速运行，否则控制电机以第一减速度减速并在电机速度到所述达预设低速后保持匀速运行。

进一步地，所述的控制电机快速减速至停止，具体包括：

当切换到停止流程时，对于出现所述差值大于所述第一距离和所述差值大于死区距离两种情况之外的其他情况，控制电机以第二减速度减速至电机停止，所述第二减速度的绝对值大于第一减速度的绝对值。

本发明另一方面还构造了一种电动执行器，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如前所述的方法的步骤。

本发明另一方面还构造了一种阀门控制系统，包括电动执行器、变频器、阀位反馈装置和电机，所述电动执行器经由所述变频器控制电机运行，所述电动执行器经由所述阀位反馈装置获取阀门的当前阀位值，所述电动执行器用于执行如前所述的方法的步骤。

本发明另一方面还构造了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前所述的方法的步骤。

本发明的电动执行器及其定位控制方法、阀门控制系统、存储介质，具有以下有益效果：本发明的电动执行器通过控制变频器控制驱动阀门的电机的运行，电动执行器获取实时反馈的阀门的当前阀位值，计算当前阀位值与目标定位点的差值，当所述差值减小至第一距离时控制电机缓慢减速直至电机速度到达预设低速；当所述差值减小至第二距离时控制电机快速减速至停止，如此，在现场整定设置执行器在电机不同速度下的减速过程中的阀门移动的距离，通过提前减速，提高了电动执行器的定位精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：

图1是现有技术中电动执行器定位控制方法的流程图；

图2是阀门控制系统的原理框图；

图3是典型的电机启停过程示意图；

图4是本发明的电机启停过程示意图；

图5是本发明电动执行器定位控制方法的流程图；

图6是一个具体实施例中的电动执行器定位控制方法的流程图。

图7是初始配置参数时的运行曲线示意图；

图8是对配置参数进行一次调整后的运行曲线示意图；

图9是对配置参数进行二次调整后的运行曲线示意图；

图10是对配置参数进行三次调整后的运行曲线示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本说明书中使用的“第一”、“第二”等包含序数的术语可用于说明各种构成要素，但是这些构成要素不受这些术语的限定。使用这些术语的目的仅在于将一个构成要素区别于其他构成要素。例如，在不脱离本发明的权利范围的前提下，第一构成要素可被命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以被命名为第一构成要素。

本发明总的思路是：电动执行器通过控制变频器控制驱动阀门的电机的运行。参考图2，阀门控制系统具体包括电动执行器、变频器和电机。所述电动执行器经由所述变频器控制电机运行，所述电动执行器经由所述阀位反馈装置获取阀门的当前阀位值。所述电动执行器用于执行定位控制方法。MCU为电动执行器的主控芯片，控制变频器的配置参数包括电机方向、运行频率、加减速时间、启动停止等，变频器输出控制电机运行的具体电压、电流波形，电机运行推动阀门运转，阀门的位置通过阀位反馈装置转换成电子信号后提供给MCU进行阀位计算。

本发明中的电动执行器通过变频器控制电机减速，近些年随着变频器的成本下降以及变频器电路的小型化、模块化，变频器开始在电动执行器上被使用，通过对变频器的设置可控制三相异步电机的启动、停止、转速、力矩和方向，通过变频器在控制电机减速过程中可以对电机的减速过程进行精确控制，也可以在定位偏差较小时用较低运行速度进行微调修正，大大提高了电动执行器的定位精度。如图3所示，使用了变频器后，电动执行器可以对运行过程中电机的运行状态进行更加细致的控制，一个典型的电机启停过程包含了电机的加速启动、匀速运行、减速停止3个阶段。

本发明的方法可以在现场整定设置执行器在电机不同速度下的减速过程中的阀门移动的距离，通过提前减速，提高了电动执行器的定位精度。参考图4，本发明将执行器运动速度分为两档：正常速度(Fnorm表示)和预设低速(Flow表示)。新增控制参数：第一距离(Dstop表示)和第二距离(Hstop表示)，Dstop是指的变频器驱动电机从Fnorm缓慢减速到0的过程中阀门运动的距离，Hstop是指的电机从Flow快速减速到0的过程中阀门运动的距离。电动执行器执行本发明的定位控制方法，控制变频器在执行器运动到距离P点Dstop时控制变频器开始缓慢减速至Flow，执行器继续运行，当执行器运动到距离P点Hstop时快速关停电机实现准确定位。

参考图5，本发明的定位控制方法包括：

S1：电动执行器获取实时反馈的阀门的当前阀位值，计算当前阀位值与目标定位点的差值；

S2：当所述差值减小至第一距离时控制电机缓慢减速直至电机速度到达预设低速；

S3：当所述差值减小至第二距离时控制电机快速减速至停止，所述第二距离小于所述第一距离。

以上，步骤S2是一个缓慢减速的过程，步骤S3是快速减速的过程，即本发明是在阀门将要到达目标定位点之前的合适位置，开始提前进行缓慢减速到一个预设低速，然后在接近目标定位点时快速关停电机。其中Fnorm、Flow、电机加速时间、电机减速时间等参数根据电动执行器的应用场景和现场工况进行设置。Dstop和Hstop可以人工在现场进行调整也可以编制整定程序由电动执行器在现场进行自整定自动获取。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

参考图4，下面提供定位控制方法的一个具体的实施例。在该实施例中，电动执行器定位控制方法实际上是由电动执行器的MCU定期执行，所述方法还包括：

S101：电动执行器获取实时反馈的阀门的当前阀位值D，计算当前阀位值D与目标定位点(暂记为P点)的差值Dx；

S102：在计算出新的所述差值Dx时，先判断目前的运行状态；

S103：当目前的运行状态是处于加速流程时，判断差值Dx的大小，则包括两种情况：

a1)如果判断出所述差值Dx小于所述第一距离Dstop则切换到减速流程，即进入步骤S104。

a2)对于出现所述差值小于所述第一距离Dstop之外的其他情况，即出现情况a1)之外的其他情况，若电机速度已经处于正常速度时则保持匀速运行，否则控制电机加速至所述正常速度后保持匀速运行；

S104：当目前的运行状态是处于减速流程时，则包括三种情况：

b1)如果判断出所述差值Dx大于所述第一距离Dstop则切换到加速流程；

b2)如果判断出所述差值Dx小于所述第二距离Hstop则切换到停止流程；

b3)对于出现所述差值小于所述第二距离和所述差值大于所述第一距离两种情况之外的其他情况，即出现情况b1)和b2)之外的其他情况，若电机速度已经处于所述预设低速时则保持匀速运行，否则控制电机以第一减速度减速并在电机速度到所述达预设低速后保持匀速运行。

S105：当目前的运行状态是处于停止流程时，则包括三种情况：

c1)如果判断出所述差值Dx大于死区距离Dband则切换到减速流程，所述死区距离Dband大于等于所述第二距离Hstop；

c2)如果判断出所述差值Dx大于所述第一距离Dstop则切换到加速流程；

c3)对于出现所述差值Dx大于所述第一距离Dstop和所述差值Dx大于死区距离Dband两种情况之外的其他情况，即出现情况c1)和c2)之外的其他情况，控制电机以第二减速度减速至电机停止，所述第二减速度的绝对值大于第一减速度的绝对值。

下面结合附图和具体应用实例对本发明进行详细说明。

我们采用变频器三相和异步电机的组合，一个应用实例中电动执行器的各项参数初始配置为：Fnorm＝50Hz，Flow＝12.5Hz，Dstop＝3.5％，Hstop＝0.5％，变频器加速时间和减速时间均为1秒，其中阀位使用百分比表示。电动执行器当前阀位为30.1％，向电动执行器发出指令，设置要到达的位置为50％。得到图7的运行曲线，最终执行器停止时阀位为49.6％。图中纵坐标为执行器阀位值，横坐标为通讯采样点编号，每个取点间隔为80ms左右。

上面运行过程中发现执行器减速到低速后还运行了4秒左右才停止，这表明Dstop设置过大，最终停止的位置为49.6％表明Hstop设置过大，修正相关配置为Dstop＝2％，Hstop＝0.2％.手动控制电动执行器将阀位调整到30.5％，向电动执行器发出指令，设置要到达的位置为50％。得到图8的运行曲线，最终执行器停止时阀位为49.8％。

上面运行过程中发现执行器减速到低速后还运行了两秒左右才停止，这表明Dstop设置过大，最终停止的位置为49.8％表明Hstop设置过大，调整新的配置为Dstop1.8％，Hstop＝0.1％。手动控制电动执行器将阀位调整到28.7％，向电动执行器发出指令，设置要到达的位置为50％。得到图9的运行曲线，最终执行器停止时阀位为50.0％。

通过以上几次调整，电动执行器的定位精度达到了良好的效果，再设置几个定位点让电动执行器运行查看效果，如图10所示。

图中分别设置了75％，60％，50％，30％，50％几个定位点，执行器完成定位后的阀位反馈值分别为75.0％，60.0％，50.0％，30.1％，50.0％。本实例为采用MF电动执行器测试所得，测试时阀门未加负载，因此测试数据较为理想，在实际运行环境中，由于阀门压力、环境干扰等原因，同一套配置参数在不同位置的定位精度会有少量波动，最终的阀门控制精度可以控制在0.5％以内，较以往产品1％左右的控制精度有较大提升。

本实施例的有益效果是：

1)本发明中引入了变频器进行电机驱动控制，通过配置电机的加速、减速时间可以控制电机的软启动和软停止，减少了电动执行器在电机启停时对阀门的冲击，减少了机械结构的磨损和对电机的冲击。

2)本发明中电动执行器最终的阀门控制精度由电机低速关断的距离Hstop决定，相较于传统方案这个距离通常较小，一般情况在0.1％～0.3％左右，大大提升了电动执行器的定位精度。

3)本发明中控制过程中的各项控制参数都在执行器启动前已经确定，在控制过程中免去了复杂的数学运算，仅仅通过一些简单的逻辑判断便可以实现定位效果，使得本方案可以方便应用于常用的电动执行器微控制器上。

4)本发明中各项控制参数逻辑简单调整方便，工程技术人员通过简单学习培训便可以进行调试，也可以随着执行器工作环境的变化进行快速调整优化。

需要说明的是，本方案中提到的电机速度控制由变频器和三相异步电机组合实现。在其他应用场景如使用直流无刷驱动或者其他方式达到控制电机转速调节的情况应属于本专利的保护范围。

基于同一发明构思，本发明还要求保护一种电动执行器，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述方法实施例所述的方法的步骤，具体实现过程可参阅上述方法实施例的描述，此处不再赘述。

基于同一发明构思，参考图2，本发明还要求保护一种阀门控制系统，包括电动执行器、变频器、阀位反馈装置和电机，所述电动执行器经由所述变频器控制电机运行，所述电动执行器经由所述阀位反馈装置获取阀门的当前阀位值，所述电动执行器用于执行如前述方法实施例所述的方法的步骤，具体实现过程可参阅上述方法实施例的描述，此处不再赘述。

基于同一发明构思，本发明还要求保护一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述方法实施例所述的方法的步骤，具体实现过程可参阅上述方法实施例的描述，此处不再赘述。

综上所述，本发明引入了变频器来进行电机的驱动控制，可以控制电机的运行速度和加减速速度实现柔性启停，而且在于将执行器的运行速度分为了常速Fnorm和低速Flow两档，在阀门定位过程中新增了控制参数电机从Fnorm缓慢减速到0的过程中阀门运动的距离Dstop以及控制参数电机从低运行速度Flow快速减速到0的过程中阀门运动的距离Hstop，电动执行器控制变频器在阀门运动到距离P点Dstop时控制变频器开始缓慢减速至Flow，执行器继续运行，当执行器运动到距离P点Hstop时快速关停电机实现准确定位。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种电动执行器定位控制方法，其特征在于，所述电动执行器通过控制变频器控制驱动阀门的电机的运行，所述方法包括：

电动执行器获取实时反馈的阀门的当前阀位值，计算当前阀位值与目标定位点的差值；

当所述差值减小至第一距离时控制电机缓慢减速直至电机速度到达预设低速；当所述差值减小至第二距离时控制电机快速减速至停止，所述第二距离小于所述第一距离；

所述方法还包括：

在计算出新的所述差值时，先判断目前的运行状态；

当目前的运行状态是处于加速流程时，判断所述差值的大小，如果判断出所述差值小于所述第一距离则切换到减速流程；

当目前的运行状态是处于减速流程时，判断所述差值的大小，如果判断出所述差值小于所述第二距离则切换到停止流程，如果判断出所述差值大于所述第一距离则切换到加速流程；

当目前的运行状态是处于停止流程时，判断所述差值的大小，如果判断出所述差值大于所述第一距离则切换到加速流程，如果判断出所述差值大于死区距离则切换到减速流程，所述死区距离大于等于所述第二距离。

2.根据权利要求1所述的电动执行器定位控制方法，其特征在于，所述方法还包括：在处于加速流程时，对于出现所述差值小于所述第一距离之外的其他情况，若电机速度已经处于正常速度时则保持匀速运行，否则控制电机加速至所述正常速度后保持匀速运行。

3.根据权利要求1所述的电动执行器定位控制方法，其特征在于，所述的控制电机缓慢减速直至电机速度到达预设低速，具体包括：

当切换到减速流程时，对于出现所述差值小于所述第二距离和所述差值大于所述第一距离两种情况之外的其他情况，若电机速度已经处于所述预设低速时则保持匀速运行，否则控制电机以第一减速度减速并在电机速度到达 所述预设低速后保持匀速运行。

4.根据权利要求3所述的电动执行器定位控制方法，其特征在于，所述的控制电机快速减速至停止，具体包括：

当切换到停止流程时，对于出现所述差值大于所述第一距离和所述差值大于死区距离两种情况之外的其他情况，控制电机以第二减速度减速至电机停止，所述第二减速度的绝对值大于第一减速度的绝对值。

5.一种电动执行器，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任一项所述的方法的步骤。

6.一种阀门控制系统，其特征在于，包括电动执行器、变频器、阀位反馈装置和电机，所述电动执行器经由所述变频器控制电机运行，所述电动执行器经由所述阀位反馈装置获取阀门的当前阀位值，所述电动执行器用于执行如权利要求1-4所述的方法的步骤。

7.一种存储介质，其特征在于，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任一项所述的方法的步骤。

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