电气阀门定位系统建模及性能分析

电气阀门定位系统建模及性能分析

Summary：电气的阀门定位器是气动调节阀的一个重要和关键部件，能够更好的实现电气阀门定位的工作效率。可以实现对阀动态以及静态特性的改善，促使控制阀在工作的过程中能够实现对摩擦力的有效克服，不仅能够实现更为灵活的控制，同时也可以促使控制器在进行系统控制的过程中有更高的精度表现。在中国，关于该领域技术的研发起步较晚，但发展较快。但是与国外相比，总体上仍然存在着比较大的差距。国内控制阀企业虽然数量较多，但发展历史较短、规模较小、缺乏技术上的沉淀。国内产品与进口产品相比，在工艺技术、制造水平、使用寿命、调节精度、密封性、准确性、稳定性等方面依然存在一定差距。随着科学理论的全面发展和社会的不断进步，工业生产的过程中广泛地应用控制阀。在工业过程的控制上，对流量控制有较高的需求，对控制精度也会有较高要求，同时在多样化控制方式等方面也有一定的需求，这要求阀门定位器有着更强的性能。Keys：电气阀门；定位系统；建模；性能分析引言在工业自动化过程控制领域中，变送器、调节器和调节阀可以组成一个常见的控制回路，调节阀作为最终的控制执行元件，在很大程度上决定了过程控制性能的优劣。阀门定位器与阀门、执行机构共同构成调节阀，经由输入和反馈，形成闭环控制回路。阀门定位器的优劣可影响阀门静态特性、动态特性、控制精度、速度和控制的灵活性。1模糊PID控制的智能型阀门定位器原理和结构为了实现阀门开度的精确的控制，模糊智能阀门定位器PID模糊控制主要是通过对微处理器的阀门开度给定值的实际值和反馈进行比较，然后再利用偏差信号来对进气控制阀的气动执行器室进行控制。容积室、被控对象、控制器、压电阀、阀位变送器等等统一组成了整个控制系统。控制器包括CPU芯片、各种具有协调控制功能的外围扩展电路、被控对象等等。电转换也是由电转换单位使用压电阀作为先导来完成。当阀开度不定时，定位器将根据反馈相关的镗孔变送器与设定值对阀门开度偏差值进行设定，并且实现对进排气阀也进行有效的控制。通过充放电对音量、压力、气体的压力和体积型也进行有效的控制，通过膜片对阀杆的运动效果起到推动作用，与杆位置的方法可以通过阀门位置变送器进行定位和反馈，从而实现闭环控制效果，从而可以使设定值与阀门的实际开值进行相应的程度上的对应，最后完成电能转换。当实际需要调整开度和定位方法以及进入排气阀停止动作时，就会使容积压力达到平衡，由此可以实现精确控制阀门开度。压电陶瓷的压电效应是有效的对进气阀排气阀压力阀进行利用的基本原理。该原理主要是通过一个相对比较特殊化的生产使压电陶瓷板的弯曲发生变形，总可达到几十微米，从而可以对进气口进行阻挡，进而可以有效的对空气进行控制。2阀门定位器系统设计分析2.1性能指标与设计要求基于嵌入式的智能电气阀门定位器，其要求是将输入信号（４～２０ｍＡ）送入转换电路后，由电流给整个电路供电，而外接的２２０Ｖ交流电只作为机械驱动的电源，并且还要将电流信号通过Ａ／Ｄ转换后送到微处理器，然后微处理器再将这些数值进行精确运算，进而根据计算的偏差值进行优化并输出ＰＷＭ，再通过驱动电路驱动压电阀进行动作，进一步控制气动驱动单元，然后由驱动执行机构动作，从而达到消除偏差、准确定位的目的。设计阀门定位器的主控电路加载在输出设备上，电机由工厂确定，广泛应用于大部分工业领域，尤其在石油化工方面。它以Ｈ桥作为电机驱动，使电动执行器在接收到主控传递的模拟信号时电机能以稳定速度转动一定的时间。从系统的需求出发，智能型电气阀门定位器的电气系统设计了控制单元、角度检测、电源管理、电机驱动、通信接口、人机接口、自检电路、应急电源、输入通道、输出通道与ＨＡＲＴ接口等模块电路，并把这些模块按需分布在三个ＰＣＢ中，以满足系统的需求。2.2系统结构分析设计主控电路主要包含阀杆驱动、供电电源、检测单元、模数转换及控制电路等模块的设计和测试。设计软件系统，是依据电路反馈与输入信号的偏差，进而研究适合的ＰＩＤ控制算法，完成该智能电气阀门定位器在误差允许范围内的定位阀杆与输出力矩。软件系统作为整个智能阀门定位器的大脑，它与电气系统相对应，这也是整个智能阀门定位器系统功能实现的关键所在。在获取外部信息后，软件系统将控制思想和算法转化为控制信号，从而实现整个系统的控制任务。整个智能阀门定位器的软件系统包括：各子模块的底层驱动、整个软件的监控程序、各个数据的处理算法、核心的阀门主轴控制算法、为更友好的人机交互而设置的组态菜单以及专门为支持ＨＡＲＴ协议而开发的ＨＡＲＴ函数。设计的阀门主轴位置ＰＩＤ单闭环中，为了减少误差以及计算量，采用了增量式ＰＩＤ控制算法。一般而言，当系统的采样周期在确定后就不会再改变。具体步骤如下：第一步，对各个模块信号进行初始化并编写相应的驱动程序；第二步，根据硬件反馈出的阀杆位置进行采样，并设计好闭环位置定位的控制算法；第三步，编写显示屏程序，实现对电路系统的有效监控，同时可以参考相关的例程，提高编写程序的效率。2.3机械系统设计结构件作为阀门定位器的执行、反馈机构，实现阀门定位器精确定位，是系统功能实现的基础，包括壳体、气路模块、反馈装置及调整机构等。壳体为各硬件结构提供安装孔位，实现系统各模块合理布局。气路模块和压电阀作为连接气源与气动执行机构的桥梁，有效而精确地驱动气动执行机构来调节阀位。通过气路模块中气路的不同设计，以满足阀门定位器的不同需求，如单作用、双作用定位器。反馈装置由角度传感器、一对传动比为3∶1的齿轮、传动轴及轴承座等其他配件构成，通过反馈装置将阀门开度转角实时放大传递至系统。调整机构由弹片和调整连杆构成，用于传动齿轮间的离合，调整齿轮位置，简单易用。3阀门定位器基于ＰＩＤ的控制算法性能的研究模糊ＰＩＤ控制吸取了模糊控制与传统ＰＩＤ控制的优点，是根据一定的模糊规则利用模糊逻辑算法来优化ＰＩＤ控制，从而使系统的动态性能得到提高，实现较为理想的控制。在一般ＰＩＤ控制的基础上，加上模糊规则控制的环节，对ＰＩＤ参数进行一定的修改，以误差ｅ以及误差变化率ｅｃ作为输入变量，以控制器的调节参数变化量Δｋｐ、Δｋｉ和Δｋｄ作为输出变量。采用重心法来解模糊控制方法，这种方法是求函数曲线与横坐标所围成的面积，再将其作为后续输出值。在设计模糊规则时应该注意以下３条规则。（１）当ｅ（ｔ）的值较大时，应该调大ｋｐ，从而提高系统的反应速度；同时为了避免超调过大，ｋｉ应取比较小的值；在加快系统的响应速度的同时，也能够避免系统超出控制的范围。（２）当ｅ（ｔ）的值比较合适时，ｋｐ应取较小，同时适当增加ｋｉ。（３）当ｅ（ｔ）的值较小时，ｋｐ和ｋｉ可以取相对大一些的值，同时根据系统偏差变化率的变化情况，取合适的ｋｄ的值。结语为了能够实现系统要求，经过对目前主流电机的分析选取，最终确立了用于驱动电路的电机为直流无刷电机。同时，为了最大程度地降低系统的不稳定性，即减少系统的误差，设计出系统误差检测电路及在突发情况下使用备份电源。由于前期对这些问题认识不足，我们应当在以后的学习中加以认识并提高。Reference［１］周智刚．浅析智能电气阀门定位器开发关键技术［Ｊ］．现代制造技术与装备，２