[发明专利]一种压电开关式阀门定位器控制方法与系统

说明书

技术领域

本发明涉及气动调节阀领域，为一种智能电气阀门定位器控制方法与系统，特别是一种以超低功耗单片机(MCU)为核心、带反向PWM(脉冲宽度调制)的五步开关法与参数自整定相结合的压电开关式阀门定位器方法与系统。

背景技术

随着化工、冶金、电力和制药等行业的快速发展，对整个过程控制中的重要部件——气动调节阀提出了更高的要求。阀门定位器作为气动调节阀的大脑，对整个调节阀的控制性能和现场功能起着决定性的作用。它根据控制信号(如4～20mA直流信号)与阀位反馈信号之间的偏差大小，控制着进入执行机构气动信号的大小，从而改变气动调节阀阀门的开度，控制生产装置的介质流量达到预定值。

最初的阀门定位器诞生于20世纪40年代，它利用机械力平衡式原理，通过改变喷嘴与挡板之间的距离，改变喷嘴压力，为一种完全气动式的阀门定位器。它利用力平衡原理，调试过程需要反复调节弹簧、螺钉、凸轮等部件，且使用过程中易磨损，精度不高；之后出现了电气阀门定位器定位器，其输入为4～20mA电流信号，通过电气I/P转换变为气动信号驱动执行机构，使用过程可动部件少，提高了使用寿命与控制精度。根据电气I/P转换单元的不同，电气阀门定位器可以分为电磁式与压电式两种，在压电式中又分为压电开关式和压电比例式。由于压电开关式阀门定位器采用内阻极高的压电陶瓷材料，功耗极小，在组成本安防爆结构时比较有利，因此广受青睐。

阀门定位器从最初的纯气动机械力平衡式结构逐渐发展到电磁转换结构的电气阀门定位器，再到如今具有参数自整定、故障诊断、数据通讯等功能的智能电气阀门定位器，其每个结构单元、功能单元均经历了较大的改进，但总的趋势是电气化、智能化，并且必将与全数字化工业控制相适应。目前国际上比较主流的智能阀门定位器以德国西门子公司生产的压电式SIPART PS2系列和美国费希尔-罗斯蒙特公司生产的喷嘴挡板式DVC500、日本山武公司生产的喷嘴挡板式SVP300系列为代表，三者占据了全球大部分的市场。

在压电开关式电气阀门定位器的控制过程中，由于气源压力、负载大小、安装角度、阀门磨损状况等因素的影响，使得被控参数具有时变、非线性、大滞后以及不确定等特性，很难有效构造控制系统模型。为此，人们提出了五步开关法控制压电开关式阀门定位器。其原理简单、扩展方便，也易于系统实现。但是，普通的五步开关法在阀门非线性特性比较严重时，不同的目标位置调节时间差距较大；当阀门气缸体积较小，运行速度较大时，容易造成很大的超调甚至振荡。因此，本发明在五步开关法的基础上进行改进：(1)通过参数自整定，寻找最佳定位速度，从而获得不同目标位置处的最佳PWM占空比，解决非线性特性严重时，不同目标位置调节时间差异较大的问题；(2)提出带反向PWM的五步开关法，通过反向PWM降速，降低在微调区间的阀位速度，使阀位平缓地进入死区，有效地减小系统超调。

发明内容

本发明要解决的问题是：(1)根据五步开关法，在误差比较小时，使用正向PWM微调，那么，PWM占空比选择的合适与否，直接影响到阀门定位器的到位速度与稳定性。如果PWM占空比过大，很容易造成超调甚至振荡；反之，则调节时间较长。因此，如何控制阀位较快和较稳地进入死区，获得较好的控制精度与稳定性是本发明要解决的一个问题。(2)现场实际使用的气动执行机构种类繁多，根据动作角度不同，可以分为直行程类型与角行程类型；根据运行特性的不同，可以分为线性类型、抛物线类型和快开类型；另外，不同厂家生产的执行机构也有所区别。总之，不同种类的执行机构特性差距很大，即便是同一厂家生产的同一型号的执行机构，由于每个执行机构所带负载材料的不同，工人安装时的角度、力度不同，特性差别也较大，如何找到一个统一的算法，普遍适用于多种负载、多种类型、多个厂家的执行机构，是目前亟需解决的一个难题，也是本发明要解决的另外一个问题。

本发明所采用的技术方案如下：

压电开关式阀门定位器控制系统由4～20mA电流源、I/V变换电路、电压变换模块、控制信号放大滤波电路、反馈信号放大滤波电路、2片外部ADC（模数转换器）、超低功耗单片机(MCU)(例如，美国TI公司生产的MSP430系列单片机)、液晶键盘模块、EEPROM（只读存储器）、无源晶体、压电阀驱动放大电路组成。