（机械制造及其自动化专业论文）压电式电气转换器控制系统及其可靠性研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 电一气转换器是一种完成由电信号到气信号转换的装置，是许多自动化过程控制系 统中不可或缺的关键设备。压电式电气转换器是对大连理工大学薄膜式电气转换器的改 进，它利用喷嘴一挡板机构的转换原理，采用压电陶瓷复合圆盘作为挡板微动执行机构， 突破了电一气转换装置机械结构的传统模式，结构简单，易于控制。 本文主要完成了三个方面的工作：一是研究了电一气转换装置即压电复合圆盘的转 换特性，二是对转换器的可靠性进行了初步研究，三是阐述了转换器的智能控制系统的 软硬件设计过程。其中，可靠性分析和控制系统的研制是本文的重点部分。 在最佳结构参数情况下，电气转换装置的转换特性良好，但不同试件的关键性能指 标即完成0 0 2 o 1 m p a 范围内的气压输出所需要的最大驱动电压v q 却不尽相同，6 0 的产品超出了i o v 的理想电压范围，而且在0 0 2 o 0 3 m p a 气压范围内出现了爬行 现象。针对上述问题，本文改变了电一气转换的实现方式，优化了转换装置的静态特性， 将所有试件的v 臼均降至8 v 以内，同时克服了爬行现象。 设计了电气转换器可靠性验证试验方案，通过给电一气转换器的主要动作部分一 一压电陶瓷复合圆盘旋加频率为2 0 h z ，幅值为2 0 v 的方波电压，对转换器进行了循环 疲劳试验，并做了可靠性分析，完成了失效率5 级定级试验。 研制了压电式电一气转换器智能控制系统，该系统以超低功耗的微处理器 m s p 4 3 0 f 1 4 9 为核心，由软硬件共同实现控制任务，采用模拟、数字闭环控制方式，使 用软件滤波、数字p i d 控制、插值查表等技术，具有控制、诊断和保护智能化的特点。 实现了二线制低功耗仪表的设计要求，大大提高了控制精度与系统可靠性。 通过对转换装置的静态测试和整机现场运行，结果表明，压电式电一气转换器结构 设计合理，控制系统性能可靠，实现了预期的设计目标。 关键词：电一气转换器。可靠性，智能控制，m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机，压电复合圆盘 黄爱芹：压电式电一气转换器控制系统及其可靠性研究 t h ec o n t r o ls y s t e mo fp i e z o e l e c t r i c e l e c t r o p n e u m a t i ct r a n s d u c e ra n dt h es t u d yo f i t sr e l i a b i l i t y a b s t r a c t e l e c t r o p n e u m a t i c c o n v e r t e ri sak i n do fe q u i p m e n tt h a tc o n v e r t se l e c t r i cs i g n a lt o p n e u m a t i cs i g n a l ，a n di st h ee s s e n t i a lk e yd e v i c ei nm a n ya u t o m a t i cp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m p i e z o e l e c t r i c e l e c t r o p n e u m a t i c c o n v e r t e ri sa n i m p r o v e m e n t o ft h em e m b r a n e e l e c t r o - p n e u m a t i cc o n v e r t e r o fd a l i a n u n i v e r s i t y o ft e c h n o l o g y i tm a k e su s eo ft h e c o n v e r t i n gp r i n c i p l eo fn o z z l e f l a p p e rs t m c t u r e ，a d o p t st h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i cc o m p o s i t e p l a t ea st h ea c t u a t o r t h e s em a k ei tm a k e sab r e a k t h r o u g hi nt h et r a d i t i o n a lm o d e i t ss i m p l e s t r u c t u r e da n de a s yt oc o n t r 0 1 t h i st h e s i sm a i n l yc o m p l e t e dt h r e ep a r t s ：t h ef i r s ti st h er e s e a r c ho nt h ec o n v e r t i n g c h a r a c t e r i s t i co ft h ee l e c t r o p n e u m a t i cc o n v e r t i n gd e v i c e t h es e c o n di st h er e s e a r c ho nt h e c o n v e r t e r sr e l i a b i l i t y a n dt h et h i r di st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h ec o n v e r t e r s i n t e l l i g e n c ec o n t r o ls y s t e m t h ec o n v e r t e rh a sag o o dr e p e a t a b i l i t y b u tt h ek e yp e r f o r m a n c e - t h ed r i v i n gv o l t a g ev q f o rf m i s h i n g0 0 2 m p a - - - 0 1 m p aa i rp r e s s u r eo u t p u t i n g , i sd i f f e r e n tf o rd i f f e r e n ts a m p l e s t h e r e a r e6 0 s a m p l e sb e y o n dt h er a n g eo ft h ei o vi d e a lv o l t a g e f u r t h e rm o r e ，t h e r ei sc r a w l h e n o m e n o nw h e nt h ea i rp r e s s u r ei sb e t w e e n0 0 2 m p a - - 0 0 3 m p a i no r d e rt or e s o l v ea b o v e p r o b l e m s ，t h et h e s i sc h a n g e sr e a l i z i n gm o d eo fe l e c t r o - p n e u m a t i cc o n v e r t i n g , o p t i m i z e st h e s t a t i cs p e c i a l i t yo ft h ec o n v e r t i n gd e v i c e s ot h ev qo fa l lt h es a m p l e si sd e c l i n e dw i t h i n8 v a tt h es a m et i m et h ep r o b l e mo f c r a w lp h e n o m e n o ni so v e r c a m e d t h er e l i a b i l i t ys a m p l i n gv a l i d a t i n ge x p e r i m e n t a ls c h e m ei sd e s i g n e d f o rt h em a i na c t i n g p a r t o ft h ee l e c t r o - p n e u m a t i cc o n v e r t e r - 一p i e z o e l e c t r i cc e r a m i cc o m p o s i t ep l a t e ，t h et h e s i s m a k e saf a t i g u i n ge x p e r i m e n ta n dc a r r y so nt h ea n a l y s i sf o rt h er e l i a b i l i t y b yb r i n g i n ga s q u a r ew a v ev o l t a g eo ff r e q u e n c y2 0 h za n ds i z e2 0 vt ob e a ro nt h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i c c o m p o s i t ep l a t e ，t h et h e s i sc a r r y s o naa n a l y s eo nt h ec o n v e r t e r sr e l i a b i l i t y ，f i n i s h e st h e s e t t i n gc l a s se x p e r i m e n tf o r5c l a s sf a i l u r er a t e t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo ft h ee l e c t r o p n e u m a t i cc o n v e r t e ri sd e v e l o p e d t h es u p e r l o wd i s s i p a t i o nm i c r o p r o c e s s o rm s p 4 3 0 f 1 4 9i st h ek e r n e lo ft h ec o n t r o ls y s t e m t h ec o n t r o l t a s ki sa c c o m p l i s h e db ys o f t w a r ea sw e l la sh a r d w a r e t h ec o n t r o lm e t h o da d o p t st h ea n a l o g a n dd i g i t a lc l o s e dl o o pc o n t r o l ，u s i n gt h et e c h n i q u e so fs o f t w a r ef i l t e r ，d i g i t a lp i dc o n t r o l ， c o n t r o li n t e l l i g e n c e ，d i a g n o s ei n t e l l i g e n c ea n dp r o t e c t i o ni n t e l l i g e n c ea r et h er e m a r k a b l e c h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e m ；i m p r o v e sc o n t r o la c c u r a c ya n dt h es y s t e mc r e d i b i l i t yg r e a t l y 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：e l e c t r o - p n e u m a t i ct r a n s d u c e r , r e l i a b i l i t y ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，s i n g a lc h i p m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，p i e z o - e l e c t r i cc o m p o s i t ep l a t e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：耋重辇日期：型堕望：12 大连理工大学硕士研究鱼学戡埝文 大连蘧工大学学健论文版投使用授权喾 本掌键论文 蕈者及指导激辫完全了辩“大连麓王大学竣、游士攀袋埝文缀裰搜矮 麓霆”，瓣藏夫迄遥工大学绦濑并两鬻家谢关部门或粳辑送交学位论文熟篾窝佟被穗子 敝，寇谗谂文被鲞瘸黟馐霾。零入援投六逶理工夫学鼙数： 冬毒学菠谗文黪全豁竣郝分瘫 嚣编入密芙数据麾送行检索，也谭采掰移印、缩黼线籀箍等复制手段保存霸汇编攀彼论 文。 锫嚣签名_ 燕鱼盎 警赡繁名：墨& 玉至1 勉型瞻迦嚣嬉霾 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 电一气转换器综述 1 ，1 1 气动执行器在自动化生产中的地位 自动化技术是本世纪以来发展迅速和影响极大的科学技术之一 1 - 2 ，尤其在机械、 电子、信息、石油、化工、冶金、电站、水利等工业中的应用极大地促进了人类社会生 产力水平的提高。而任何一个完整的自动化系统，无论是简单的还是复杂的，都包括信 息采集、信息处理和信息执行三个部分。信息执行完全由执行器来承担，可见，执行器 在自动化系统中是三大支柱之，起着三足鼎立的作用【3 j 。 现代执行器根据工作能源不同，分为三大类 4 5 ：气动执行器、电动执行器、液压 执行器。其中，气动技术由风动技术及液压技术演变、发展而成为独立的技术门类不到 5 0 年，却已经充分显示出它在自动化领域中强大的生命力，成为二十世纪应用最广，发 展最快，也最易被接受及重视的技术之一。 与电动、液动相比，气动执行器利用压缩空气作动力，具有结构简单、输出力大、 动作可靠、性能稳定、维护方便、价格便宜、本质安全、防火防爆等优点。在当今工业 如机械、电子、钢铁、运行车辆及其制造、橡胶、纺织、轻工、化工、食品、包装、印 刷、烟草等领域中，气动技术已成为不可缺少的基本部分，目前，气动执行器的使用数 量约占执行气总数的9 0 1 6 j 。 气动执行器的缺点是滞后大，气压信号传递速度慢，传输距离短( 传送距离限制在 1 5 0 m 以内) ，管线安装不便。相比之下，电信号在传输、放大、变换、测量都比气压 信号方便的多，特别是电动仪表容易和电子巡回检测装置和工业控制计算机配合使用。 并且，随着电子技术的飞速发展，在使用低电压、小电流的电信号时，可以在电路结构 上采取安全布线、抗干扰等严密措施，从而保证生产现场的安全性和可靠性，而且电信 号与气压信号相比，在信号处理、现场控制以及通信联络等方面十分方便，因而电动设 备得到了广泛的应用【7 i a 鉴于气动信号与电动信号各自的优越性，目前太部分的自动化 装置两种信号并存，在信号采集、数据处理、调节控制、通信联络等方面大量使用电动 装置，而执行部件仍采用气动装置。这就要求在自动化装置中必须进行电信号和气压信 号之间的转换( 引，电一气阀门转换器或定位器就是完成电信号到气信号之间转换的仪表， 是自动化生产中不可或缺的关键设备。 图1 1 为电动或气动仪表采用不同的执行器互相转换示意图【9 】。 黄爱芹：压电式电气转换器控制系统及其可靠性研究 图1 1 电动与气动仪表互相转换示意圈 f i 9 1 1s c h e m a t i cv i e wo fc o n v e r t i o nb e t w e e ne l e c t r i ca n dp n e u m a t i ci n s t r u m e n t s 1 1 2 电一气转换器定义及其工作原理 如上所述，电一气信号转换仪表是一种完成电信号到气压信号之间转换的装置，它 是自动化系统中不可或缺的信号转换关键设备。电一气转换器用以将4 2 0 m a 的电流信号 转换成0 0 2 “0 1 m p a ( 0 2 l k g c m 2 ) 的气动信号，作为气动调节阀、气动阀门定位器等 执行器件的气动控制信号。电一气转换器在自动化过程控制中的一种典型应用如图1 2 所示【1 0 1 。 ， 分、温度 流量等 图1 2电一气转换器的典型应用 f i g 1 2t y p i c a la p p l i c a t i o no fe l e c t r o - p n e u m a t i cc o n v e r t e r 图中r 为被调量的设定值；y 为被调量；y 为被调量的测量值；u 为控制器的输出信 号 f 为电一气转换器的输出信号；c 为执行器反馈给转换器的信号。转换器利用闭环控 制原理，将从调节器来的调节信号( 4 、2 0 m a d c ) 与从执行器来的执行结果反馈信号 相比较，根据比较后的偏差使调节执行机构动作，从而准确地控制最终被调量的输出。 其中被调量可以是工业现场的水分、温度、流量等各种参数。 大连理工大学硕士学位论文 工业生产自动控制( 过程控制) 主要针对六大参数，即温度、压力、流量、液位或 物位、成分和物性等参数的控制问题，覆盖诸如石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、 造纸及医药等各行各业。电一气转换器是过程控制系统中不可缺少的重要组成部分，是 沟通电动仪表与气动仪表之间的混合应用的转换环节，还为过程控制计算机配用气动终 端执行器提供便捷的转换通道，因此具有极其重要的地位。 1 2 电一气转换器、定位器在国内外的技术现状及发展趋势 1 2 1 电一气转换器、定位器在国内外的技术现状 根据电一气信号转换器所采用的核心转换部件的不同，可以将其分为以下几种类别： 机械式、电子式和智能式i u j 。 ( 1 ) 机械式电一气转换器 自动化系统中最早得到应用的就是机械式电一气信号转换器。具体包括力平衡式电一 气转换器、电气阀门定位器和位移平衡式电一气转换器。这些转换器的设计都是基于机 械平衡的原理。 机械力平衡原理如图1 3 所示。来自变送器或调节器的标准电流信号通过线圈后， 产生电磁场，可动铁心被磁化。在永久磁铁的磁场作用下产生一个电磁力矩，使可动铁 心绕支点作逆时针转动。此时固定在可动铁心上的挡板靠近喷嘴，改变喷嘴和挡板的间 隙，输出气压随之改变。这种喷嘴挡板机构是气动仪表中一种最基本的变换和放大环节， 它能将挡板对于喷嘴的微小位移灵敏地变换成气压信号。经过气动功率放大器后产生的 输出压力功率增大。此压力反馈到波纹 管中，便在可动铁心另一端产生一个反 馈力矩，此力矩与线圈产生的电磁力相 平衡，构成闭环系统，从而达到使输出 压力与输入电信号成比例地变化。 图1 4 是美国s a m s o n 公司根据 机械力平衡原理生产的电一气转换装置 原理图，用于电一气阔门转换器；另外 日本山武霍尼韦尔公司生产的h e p 电一 气阀门定位器；我国上海长成自控设备 有限公司生产的q z d - - - 2 0 0 0 型电一气转 换器、以及2 0 0 0 型系列电一气阀门定位 器；常州市石化仪表厂生产的q e d 2 0 0 0 1 喷嘴2 挡板3 永久磁铁4 支点5 平衡锤； 6 波纹管7 放大器8 气阻9 调零弹簧 图1 3 机械式电，气转换器原理图 f i g 1 。3 s c h e m a t i cd i a g r a m o fm e c h a n i c a l e l e c t r o p n e u m a t i cc o n v e n e r 黄爱芹：压电式电气转换器控制系统及其可靠性研究 电气转换器、e p 3 0 0 0 电一气阀门定位器、i p d 2 0 0 0 电一气阀门定位器等都是基于上述机 械力平衡原理。由于这种转换器或定位器具有价格低廉、使用安全、防燃防爆等优点， 目前在我国传统企业里仍在使用。但是机械力平衡结构具有其不可克服的缺点：机械部 件易磨损，抗振动冲击性差，使用寿命短，气压信号传递速度慢，传输距离短，存在较 大的惯性和弹性滞后，动态性能差，调节环节多，机构繁杂，故障率高，维护困难，手 动调整费时且需要中断控制回路等等1 1 “。 6 7 2 气源 1 挡板；2 喷嘴；3 平衡粱；4 弹簧；5 机械调零；6 柱塞线圈；7 永久 图1 4 机械力平衡原理电气转换装置图 f i g 1 4 s t r u c t u r eo fe l e c t r o - p n e u m a t i cc o n v e r t e rd e v i c ew i t hp r i n c i p l eo ff o r c eb a l a n c e ( 2 ) 电子式电一气信号转换器 电子式电气阀门定位器在八十年代初开始走向市场，近几年技术手段不断更新。电子 式电气转换器与传统的机械式转换器不同的是使用电子元器件代替磁力马达，或者用微电 子电路控制低能耗的电气转换部件实现电气信号的转换。 如英国的i v c o p r o c e s s v a l v e i n c 开发出了一种能进行简单的p i d 运算的电气转换 器，并将其用于阀门的控制，称为k 8 0 p c i l 4 。美国的x o m o x 公司和e l - o m a t i c 公司 也开发出了相类似的产品。其主要原理见图1 5 ：调节阀的阀杆与一个反馈内电位计相 连，每个阀位对应一个相应的电位，阀位随阀杆的移动而连续变化。k 8 0 p c 中的比较器 将输出调节阀的信号与调节阀阀杆的位置对应的反馈内电位计的电位信号相比较。如果 不相等，则打开通向汽缸或薄膜上下气室的微气动开关中的一个，使阀杆移动；如果相 等( 包括阀杆移动后) ，则同时切断两个微气动开关，使执行机构保持其现有状态不变， 或将执行机构锁定在新的位置上。其p i d 电路安装在k 8 0 p c 输入端和比较器的输入端 之间，使得输入信号在内电位计的电位比较前进行p i d 运算和调整。从上面所介绍的情 况看，i v c o 研制开发的电子式产品的确有其独到之处，它没有将标准电信号转换为标 大连理_ r ：大学硕士学位论文 准压力信号后，再去控制阀门，这种方法是值得借鉴的。但是，就这种产品本身而言， 其通用性不强。 图1 6 是日本h o n e y w e l l 公司生产的e p 2 3 0 0 2 4 0 0 电子式电气阀门定位器工作 原理图，线性电位器把阀杆位置转换成电信号和初始设定值比较，经过p i 控制器调整 和信号放大输出至压电微型阀，控制输出气压，经气动放大器输出。当输入信号与反馈 信号平衡时，气动放大器输出稳定的压力信号，保证调节阀精确定位。由此可见，控制 原理完全不同于过去的机械力平衡原理，给定值与实际反馈值的比较完全是电信号，不 再是力平衡，减少了中间传递环节，消除了力传递和转换过程中一些问题，提高了抗干 扰能力。其中电气转换元件采用压电 微型阀，压电阀具有动作速度快、质 量小、寿命长等突出优点，在实现气 路平衡的同时，完成电信号到气信号 的精确转换。 美国r o s e m o u n t 公司开发出了通 用的电子化的电气转换器t y p e 8 4 6 1 5 】； 美国的x o m o x 公司和e l - o l m a t i c 公 司也开发出了类似的产品；美国 a m s o n 公司生产的6 1 1 6 型电一气转 换器、4 7 6 3 电一气定位器，都是电子 式转换器、定位器的代表。 ( 3 ) 智能式电一气信号转换器 随着多种微处理器及微型计算机 的应用，国外于2 0 世纪5 0 年代推出 了带微处理器的两线制压差、压力变 送器，标志着过程控制领域的现场仪 表已进入了智能化，并得到了较快的 普及。智能技术已广泛应用于各种测 量控制仪表。其主要原因是智能化仪 表使用方便，实际使用精度高、功能 强、扩展容易、可靠性高等。而气动 执行器发生故障时，对生产过程影响 也非常大。为了提高整个控制系统的 图1 5k 8 0 p c 原理 f i g 。1 5t h ep r i n s i p a lo fk s o p c 图1 6e p 2 3 0 0 2 4 0 0 电子式屯一气阀门定位器原理图 f i g 1 6t h es c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fe p 2 3 0 0 2 4 0 0e l e c t d c a l e l e c t r o p n e u m a t i cv a v l ep o s i t i o n e r 黄爱芹：压电式电气转换器控制系统及其可靠性研究 可靠性，执行器的智能化也是必要的。为适应现代化工业生产对过程控制的要求， 便于同d c s ( 集散控制系统) 和计算机接口，电气转换器也必然要向智能化方向发展， 并且必定要与将来的全数字化工业控制相适应 “。 智能式电一气转换器是对电子式转换器功能的扩展，引入了程序控制以及通信技 术，实现了智能控制器、智能转换器、智能通信器的综合，不但实现了使用软件进行控 制运算，而且可以对转换器件特性的补偿、诊断、修正以及通信等功能。 1 望竺堡苎l + 一 一i h 。r f 涌信樽擤i c d 显示及i + 一 微 处 理 键控制面i 器 阀位反馈模块 4 2 0 m a e 翮一 娟磊丙；订一 镪坚晦 l 阀付后懦i 、i 图i 7 智能型电一气阀门定位器原理图 f i g 1 7s c h e m a t i c d i a g r a mo fi n t e l u g e n te l e c t r o - p n e u m a t i c v a v l ep o s i o o n e r 图1 8i c v p 示意图 h g 1 8s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fi c v p 大规模集成电路制造技术、 控制理论和计算机技术的发展， 尤其是微处理器芯片在仪器仪 表中的应用，为转换器、定位器 的发展创造了良好的条件。国外 各大仪表公司在传统技术基础 上，都在积极进行电子化、智能 化的产品开发，代表了当今转换 器、定位器技术的发展方向。自 2 0 世纪9 0 年代初，各发达国家 主要的工业过程仪表制造厂陆 续推出了新一代智能( s m a r t ) 电气仪表，如美国霍尼威尔 ( h o n e y w e l l ) 公司的 s t 3 0 0 0 系列；福克斯波罗 ( f o x b o r o ) 公司的8 6 0 系列、 8 2 0 s m a r t 系列；贝利 ( b a i l e y ) 公司的b c n 、p t c 系列；日本富士电机的f c x 系 列和德国h b 公司的a s 系列 等等【。 最早是美国尤他州的 v a l t e k 公司提出智能管理器 i v m ( i n t e l l i g e n t v a l v e m a n a g e r ) 的全新概念 1 8 】。现在定位器自诊 大连理工大学硕士学位论文 断和通信等功能在不断加强，智能定位器以微处理器为核心，采用数字定位，加强并扩 展了定位器的功能，已经成为各国仪器仪表公司研究、开发的热点。 图1 7 是德国s i e m e n s 公司生产的智能阀门定位器原理图。微处理器对设定值与 实际阀位的反馈值进行比较，如果检测到偏差很大，就输出一个连续信号，快速响应： 如果偏差较小，则输出数字脉冲信号，以精确定位【l 刀。 图1 8 所示是一种以u p 为基础的智能型带控制功能的调节阀，该项研究提出了一 个全新概念的仪器装置。称之为i c v ( i n t e l l i g e n tc o n t r o l v a l v e ) 的这个装置包括阀 体、普通执行机构和电气转换器、完成控制任务的智能单元i c v 和为其组态的智能编 程器i c p 等几部分。其设计要点是：将普通电气转换器加以微机化改造，引入i c v ， 因而使其成为：智能控制器：用软件进行各种智能化控制运算；智能转换器：阀特性修 正、补偿、自诊断等功能：智能通信器：通过两种通信接口，按最佳方式与编程器、上 位机通信。i c v p 的独到之处是它采用了i n t e l 公司的微处理器p u p i 4 4 。这种集有控制任 务和通信功能于一体的芯片使i c v p 既能单独完成就地控制任务，也可以与p l c 、d c s 或其它上位机联网运行。 日本y a m a t a k e 公司生产的s v p 3 0 0 智能定位器，美国f i s h e r r o s e m o u n t 公司生产的d v c s 0 0 0 智能阀门定位器，都是以微处理器为核心的智能化产品u 。问献 e 2 0 中利用自行设计正平面弹簧结构，成功应用在电一气转换阀门上，拓展了我们的思 路。2 0 0 0 年北京举办的第十一届多国仪器仪表展览会上，出现了日本山武公司的 s v p 3 0 0 0 数字式阀门定位器、美国a b b 公司的智能阀门定位器和h s h e r r o s e m o u n t 公 司的智能电气阀门控制器。国外这些在工业自动化领域有着多年经验和雄厚技术优势的 大公司对开发新型智能电气转换器、阀门定位器给予了极大的重视【“】。 在同类产品中， f i s h e r r o s e m o u n t 公司的 f i e l d v u ed v c 系列智 能型电气阀门控制器 2 2 。2 3 】 具有很强的典型性和实用 性，在国内得到了比较广 泛的应用。 国内从事自主开发 转换器和定位器的研究、 生产已经有几十年，但是， 从事新产品的开发能力不 图1 9h v p 智能型电一气阀门定位器结构框图 f i g 1 9 s t r u c t u r ef r a m e w o r ko fi n t e l l i g e n te l e c t r o - p n e u m a t i c v a l v ep o s i t i o n e r 黄爱芹：压电式电气转换器控制系统及其可靠性研究 强，尤其是电子化、智能化研究刚刚起步。在国际大趋势的带动下，现在已经逐步认识 到进行工业现场技术改造的迫切性。为此，一些厂家和研究部门在消化理解国外公司同 类产品的基础上，对智能电一气转换器、阀门定位器进行了探索和研究。 近几年，智能产品的开发也引起了我国各科研单位和仪表企业的重视，由于起步较 晚，还处于研制的初始阶段。北京化工大学对基于f f 协议的智能阀门定位器进行了开 发研究，提出了f f 智能气动阀门定位器的硬件设计、软件设计以及f f 通信实现的方案 【2 4 1 。清华大学m o t o r o l a 单片机应用开发研究中心正在开发支持h a r t 协议的智能低功 耗二线制电一气阀门定位器【矧。四川大学把模糊控制引入智能阀门定位器控制系统 1 2 6 1 【2 4 】。大连理工大学在自主研发压电阀的基础上，引入单片机控制系统，取得良好的实 验效果。重庆川仪十一厂有限公司开发了具有自主知识产权的h v p 智能型电一气阀门 定位器，其结构框图如图1 9 所示f 韧，控制思想和结构设计达到国外同类产品的水平， 为气动执行器产品智能化走向实用打下了坚实的基础。 1 2 2 电气转换器、定位器发展趋势 随着我国工业生产规模的扩大，自动控制水平的提高，对气动执行器控制精度，运 行可靠性的要求也越来越高，作为调节阀的控制元件，电一气转换器、定位器必然向如 下几个方向发展i ”o 】。 智能化 执行器智能化正在以其独特的优势受到各行各业的青睐，是执行器行业的总趋势。 在许多石油化工企业，气动执行器位置高，工作环境恶劣，监控与维护极其困难，调节 阀性能不稳引起的停产给企业带来生产困难。智能定位器由于以微处理器为核心不受环 境影响，调校方便快捷，易于维护，可以实现远程监控，代表了定位器的发展方向。以 美国f i s h e r 公司生产的智能定位器为例，仅调节器上就集成了五个传感器，调节阀上、 下两个气室压力，气源压力，阀杆位移，流过介质温度。使控制的三个过程：测量、决 断、执行于一体，极大提高了控制的精确性和灵活性。 数字化 无论是以前的3 1 5 p s i 气动信号，还是现在现场通用的4 2 0 m a 直流电流信号，都 是模拟信号，并且信息只能单向流动。随着数字通信技术的发展，数字技术必将应用于 自动控制领域，这和现场总线技术要求相一致，使其具备数字计算和通信的能力。目前， 大多是利用h a r t 数字信号叠加于4 - - 2 0 i n a 模拟信号上，也就是说，模拟信号与数字 信号混合使用。具有纯数字双向通信，满足基金会现场总线( f i e l db u s ) 技术规范是智 能现场仪表发展的必然趋势。 节能化 大连理工大学硕士学位论文 近年来，各行各业节能的呼声越来越高，气动技术也不例外，气动节能主要指降 低电力消耗和气量消耗。压缩空气由压缩机产生，减少空气消耗量就是降低压缩机电力 消耗。传统电一气转换原理在执行器处于稳定状态时，也要连续消耗压缩空气，压电微 型阀采用开关原理，在系统状态稳定时，切断气源，大大减少了气源消耗。此外，流过 压电阀的电流很小，功率消耗低。采用这种消耗能源低、反应快、性能稳定、寿命长的 电一气转换装置必然成为发展的主流。 1 3 本课题的研究意义及主要研究内容 1 3 1 本课题的来源及研究意义 我国从五、六十年代开始就对电一气转换器进行了研制，但基本上都是基于机械力 平衡原理。尽管这种机械结构电一气转换器传递环节多、机构复杂、故障率高、易磨损 等缺陷，但由于价格便宜，目前在国内一些传统企业里仍在使用。近几年，国外各大仪 表厂商，例如美国布兰特公司、德国西门子等早已对广阔的中国市场跃跃欲试。它们从 1 9 9 6 年开始，便以展销、试销、培训等方式向中国用户推荐新一代电子式或智能式电一 气转换器( 定位器) 产品，但由于售价过高且性能不甚稳定，所以至今未能打开中国市 场。国内到目前为止，也只有重庆川仪十一仪表厂研制成功了智能式电一气定位器并投 入生产，就全国范围来说，这是远远不够的。而且根据中国实际情况，市场上急需的是 性能稳定、价格低廉、能代替传统机械结构的智能式电一气转换器。因此，积极开展这 方面的设计理论和实际生产的研究迫在眉睫。 压电式电气转换器的研制是基于大连理工大学薄膜式电气转换器的研制和改进，因 为压电执行器不受温度、振荡等外界环境的影响，可以从根本上克服薄膜片失效的问题。 压电结构电一气转换装置的研制，为新一代电子式及压电式电一气转换器的研制打下坚实 的基础，同时为开发系列压电转换阀创造了条件。 目前，我国机电自动化产业正处于对传统产业进行改造和建立现代企业制度的关键 时期，其中自控、化工、热工仪表等行业中的各种传统仪器仪表亟待更新换代。压电式 电一气转换器的成功研制，可创建国产品牌，实现我国自控仪表的升级换代，通过该项 目产品的系列化与产业化，将大大提高我国自控仪表行业电一气转换器元器件的水平和 挡次，为将来自控仪表器件参与国际竞争打下坚实的基础。 本课题是辽宁省创新基金项目，同时是国家科技部中小企业创新基金 r 0 0 c 2 6 2 2 2 1 2 1 1 6 3 ) 及鞍山市科委立项的科技攻关项目的延伸。以振兴东北老工业基地为 目的，在辽宁省科委的支持下，应鞍山热工仪表集团及鞍山科委的委托，我们结合当前 技术现状，跟踪国际先进技术，丌发并不断改进了新型高性能的电一气转换器，适合当 黄爱芹：压电式电气转换器控制系统及其可靠性研究 前该领域的技术发展方向和市场需求，对于提高我国在电气信号转换仪表研制开发方面 的理论研究及技术水平，提高产品的市场竞争力方面有很大的现实意义。 1 3 2 压电智能式电一气转换器的总体设计方案 本课题在对国内外电一气转换仪表相关领域的深入了解与研究的基础上，提出了新 型压电智能式电一气转换器的实现方案。其总体框图如图l 一1 4 所示。 信号输入 气源 01 4 l v a 图1 1 4 压电式电一气转换器方案 f i g 1 1 4s c h e m eo f p i e z o e l e c t r i ce l e c t x o l - p n e r m a t i ct r a n s d u c e r 其中实箭头为电信号工作路径，空心箭头为气压信号传输路径。控制室以两线制的 方式输出控制信号4 2 0 ad c ，经信号电源分离模块分离出控制信号和电源， 其中控制信号经过输入保护后送入控制模块，控制模块根据输入信号输出信号来控制电 一气转换模块，使其输出相映的气压信号，此气压值再经过精密固态压力传感器反馈至 控制模块，如此形成闭环控制，当气压反馈值与设定值相等时，电气转换器就输出稳定 的气压信号。 这种设计思想的特点在于： 在总体设计上，借鉴国外电子式和智能式产品的模块化结构和先进的控制方式， 达到工业现场的实际指标并满足技术进步的迫切需要，力争与最先进的技术同步； 用固态精密压力传感器代替传统的反馈气路，以克服压力信号传输延迟的缺 陷，并提高控制系统的响应速度。 采用适合于自动控制的压电式电一气转换部件，结构小巧，无电磁噪声及发热 现象。 采用国际流行的模块拼装式结构，调节环节少，故障率低，便于组装、调试和 功能扩展，便于现场维护。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 3 论文的主要研究内容 本论文主要研究内容如下： ( i ) 研究了压电式电一气转换器的核心部件电一气转换装置的转换特性，得 到结论：它具有良好的重复性，最大为2 1 ( f s ) ；在最佳结构参数情况下不同试件 的线性度、迟滞等指标表现相同，性能稳定可靠，但其关键指标即完成0 0 2 0 1 m p a 范围内的气压输出所需要的最大驱动电压v q 却不尽相同，6 0 的产品超出了1 0 v 的理 想电压范围，另外当气压在0 0 2 o 0 3 m p a 范围内出现了爬行现象。 ( 2 ) 改变电一气转换的实现方式，优化转换装置的静态性能：将初始气压值从 0 1 m p a 改为0 0 5 m p a ， 使用正、负双级控制，大大降低了v q 的绝对值，所有试件的 v q 均在8 v 以内；同时也克服了0 0 2 m p a 0 0 3 m p a 气压范围内的爬行现象。 ( 3 ) 设计了电气转换器可靠性验证试验方案，通过给电一气转换器的主要动作部 分压电陶瓷复合圆盘施加频率为2 0 h z ，幅值为2 0 v 的方波电压，对转换器进行了 循环疲劳试验，并做了可靠性分析，完成了失效率5 级定级试验。从而对电气转换器的 可靠性做了初步研究，为其产品化和市场化打下了基础，是本为重点之一。 ( 4 ) 研制了电一气转换器智能控制系统，包括a d 采样电路、d a 转换电路、压 力传感器反馈电路、人机通道接口等。完成了低功耗两线制智能仪表控制系统的软硬件 设计，实现电一气转换器的智能化，智能控制系统的研制也是本文的一大重点。 ( 5 ) 通过整机调试实验，测试了电一气转换器的主要性能。包括整机精度、稳态 过渡过程性能、试件漂移性能。 黄爱芹：压电式电气转换器控制系统及其可靠性研究 2 压电式电一气转换器转换模块的研究 21 压电物理基础 2 1 1 压电效应的定义 1 8 8 0 年，j a c q u e sc u r i e 和p i e r r ec u r i e 兄弟首先在口石英晶体上发现了压电效应， 由此开始了压电学的历史。1 8 8 1 年，g l i p p m a n 根据热力学原理，借助能量守恒和电量 守恒定律，预见到逆压电效应的存在，同年，c u r i e 兄弟通过试验验证了逆压电效应， 并且获得了石英晶体的相同的正逆压电常数【3 。 当对压电元件施加机械力时，会引起它内部的正负电荷中心发生相对位移而产生 电极化，从而导致元件的两个表面上出现符号相反的等量束缚电荷，电荷密度与外力成 正比，这种现象称为正压电效应，如图2 1 中1 ) 所示。正压电效应反映了压电元件将机 械能转变为电能的能力。利用正压电效应可以制成压电式力、速度或加速度传感器等。 反之，若将压电元件置于外电场中，会引起其内部正负电荷中心产生相对位移，导 致压电元件的变形，这种现象称为逆压电效应1 3 ”，如图2 1 中2 ) 所示。逆压电效应则反 映了压电元件将电能转变为机械能的能力。利用逆压电效应可以制成压电式位移或力输 出器，作为物性型执行器等。 1 ) 正压电效应 1 ) l l u s t r a t i o no fd i r e c tp i e z o e l e c t r i ce f f e c t 2 ) 逆压电效应 2 ) i l l u s t r a t i o n o fc o u n t o r p i e z o e l e c t r c 图2 1 压电效应示意图 f i g 2 1s k e t c ho fp i e z o e l e c t r i ce f f e c t 2 1 2 压电陶瓷材料 ( 1 ) 压电陶瓷极化机理 3 2 】 压电效应的早期研究主要是针对罗息盐和石英晶体进行的。3 0 年代发现了铁电 k d p ( 磷酸二氢钾) 及与之同型的一系列晶体，但压电材料及其应用取得划时代的进展开 大连理工大学硕士学位论文 始于第二次世界大战中美国、日本和前苏联分别独自发现的b a t i 0 3 陶瓷，这也为压电 陶瓷的大规模应用掀开了序幕o 。 压电陶瓷是通过氧化物混合( 氧化锆、氧化铅、氧化钛) 高温烧结，粉粒之间发生 固相反应后无规则集合而成的具有压电性的多晶体。压电陶瓷具有类似铁