（电路与系统专业论文）基于hart协议的智能电气阀门定位器.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 智能阀门定位器具有高灵敏度、高可靠性以及内设整定参数可选择性，使 有死区的阀门动态响应得到很大的改善，并使阀门行程精确和稳定地操作。阀 门定位器向数字化、集成化和总线化方向发展。h a r t 协议兼容模拟信号和数 字信号，使得基于h a r t 协议的智能阀门定位器具有较大的开发前景。 本文研究的是气动执行机构、喷嘴挡板式的1 p 转换单元的智能电气阀门 定位器。该智能电气定位器由控制单元、采样单元、输出转换电路、i p 转换 单元，阀门位置反馈单元等组成。控制单元比较当前位置p v 和目标位置s p 的值，根据定位算法产生p w m 方波，该方波经过积分、反馈等电路，输出至 线圈，最后由线圈产生的电磁场场强大小驱动精密机械装置带动控制器进行定 位。阀门位置反馈单元借助磁阻角度传感器实现，将角信号转换为电信号。使 用分行程分段p i d 控制，能够实现快速、精确、稳定的定位，满足控制系统的 静态特性和动态特性。通过自整定算法解决了阀门种类繁多，行程不一、摩擦 力不同的参数自适应调节问题。4 2 0 m a 提供整个定位器的电源，并且可以叠 加h a r t 协议信号对定位器进行组态、参数设置。 关键字： h a r t 协议磁阻传感器p w m 方波p i d 控制自整定算法 i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a ( t a b s t r a c t i n t e l l i g e n tv a l v ep o s i t i o n e rw i t hh i g hs e n s i t i v i t y , h i g hr e l i a b i l i t y , a n d e q u i p p e dw i t ho p t i o n a lt u n i n gp a r a m e t e r s ，s ot h a td e a dz o n eo ft h ev a l v e d y n a m i cr e s p o n s eh a v eb e e ng r e a t l yi m p r o v e d ，a n dm a k et h ev a l v es t r o k e a c c u r a t ea n ds t a b l eo p e r a t i o n t h ei m p r o v e m e n to ft h ev a l v ep o s i t i o n e di s d i g i t a l ，i n t e g r a t e da nb u s o r i e n t e dd i r e c t i o n h a r tp r o t o c o lc o m p a t i b l ew i t h a n a l o gs i g n a l sa n dd i g i t a ls i g n a l s ，s ov a l v ep o s i t i o n e rb a s e do nh a r tp r o t o c o l t h ei n t e l l i g e n th a sl a r g ep r o s p e c t so fd e v e l o p m e n t t h i sp a p e ri so nt h er e s e a r c ho ft h ei n t e l l i g e n te l e c t r i cv a l v ep o s i t i o n e ro f p n e u m a t i ca c t u a t o r , n o z z l eb a f f l e 。s t y l ei pc o n v e r s i o nu n i tp n e u m a t i c i n t e l l i g e n tv a l v ep o s i t i o n e ri s c o n s i s to fc o n t r o lm o d u l e ，s a m p l i n gm o d u l e ， c o n v e r to u t p u tc i r c u i t ，i pc o n v e r t i n gm o d u l e ，v a l v ef e e d b a c km o d u l ea n ds o o n c o n t r o lm o d u l ec o m p a r e st h ec u r r e n tp o s i t i o na n d a i mp o s i t i o n ，a n dg i v e s t h ep w ms q u a r ew a v ea c c o r d i n gt ot h el o c a l i z a t i o na l g o r i t h m t h i ss q u a r e w a v et h r o u g hi n t e g r a lf e e d b a c kc i r c u i t sg o e st ot h ec o i l s a tl a s t , t h e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dm a d eb yt h ec o i l s ，d r i v e st h ev a l v ea c t u a t o rm o v i n g v a l v e f e e d b a c km o d u l ei sm a d eu po fv a r i a b l er e l u c t a n c es e n s o r , c o n v e r t i n gt h ea n g l e s i g n a lt oe l e c t r i c a ls i g n a l u s i n gt h em u t i - i n t e r a lp idc o n t r o la l g o r i t h m ，w ea r e a b l et om a k et h ev a l v ea c h i e v et h ea i mp o sf a s t , a c c u r a t ea n ds t a b l e t h r o u g h s e l f - t u n i n ga l g o r i t h mt os o l v ea w i d ev a r i e t yo fv a n e s ，s t r o k ev a r i e si nd i f f e r e n t f r i c t i o np a r a m e t e r so fa d a p t i v er e g u l a t i o np r o b l e m 4 20 m ac u r r e n ts i g n a l g e n e r a t o rp r o v i d e st h ep o w e r o ft o t a ls y s t e m ，a n dc a nb es u p e r i m p o s e dh a r t p r o t o c o ls i g n a lf o rc o n f i g u r a t i o n ，p a r a m e t e rs e t t i n g h a r tp r o t o c o l ，p i dc o n t r o l ，v a r i a b l er e l u c t a n c es e n s o r ，p w ms q u a r e w a v e ，s e l f - t u n i n ga l g o r i t h m l l i 浙江大学硕士学位论文插图和附表清单 插图和附表清单 图2 1 闭环控制系统框图5 图2 2 执行机构和阀门结构图6 图2 3 阀体运动受力分析6 图2 _ 4i p 转换单元结构图。7 图2 5 喷嘴挡板结构及其特性7 图3 1 智能阀门系统框图1 0 图3 2 智能电气阀门定位器结构示意图1 0 图3 3 系统总体框图j 1 2 图3 4 软件设计层次图1 4 图3 5 上位机软件实现界面1 5 图4 1 控制单元电路框图1 7 图4 2m s p 4 3 0 f1 4 9 的原理图。18 图4 3m s p 4 3 0 f 1 4 9 的f l a s h 结构图1 9 图4 - 4 电源电路和电流采样2 l 图4 5 多种电源实现2 l 图4 6 磁阻传感器示意图2 2 图4 7 位置信号放大单元2 2 图4 8c p u 与a d 采样的接口。2 3 图4 - 9 a d 7 7 1 4 的附属电路2 3 图4 1 0 a d 7 7 1 4 操作流程2 4 图4 1 l 物理层波形2 5 图4 1 2h t 2 0 1 5 与m s p 4 3 0 f 1 4 9 接口设计2 6 图4 138 6 0 4 k 时钟产生电路2 6 图4 1 4h t 2 0 1 5 的相关接口。2 7 图4 1 5 带通滤波和偏置电路2 7 图4 16 输出电路。2 8 图5 1h a r t 协议帧结构3 0 图5 2h a r t 协议的帧结构体3l 浙江大学硕士学位论文插图和附表清单 图5 3h a r t 通讯总体流程3 2 图5 - 4 查表实现电流采样3 4 图5 - 5 广义控制系统3 5 图5 - 6 阶跃响应( 零点满度) 3 6 图5 7 阶跃响应( 占空比从o 3 9 0 5 0 ) 3 6 图5 8 阶跃响应( 满度零点) 3 7 图5 - 9 阶跃响应( 0 3 4 0 4 2 ) 3 7 图5 1 0 直接增量p i d 控制3 9 图5 - 11 分程分段p i d 控制效果图4 0 图5 1 2 分程分段p i d 控制效果图( 部分) 4 0 图5 1 3 定位算法参数自整定4 l 图5 。1 4 软件总体流程图4 2 图6 1 阀门静态特性曲线4 4 图6 2 大行程动态效果图4 5 图6 3 中行程动态效果图4 6 图6 - 4 小行程动态效果图4 6 表4 1f l a s h 的具体实现1 9 表4 2m s p 4 3 0 f 1 4 9 的低功耗模式及其实现方法。2 0 表4 3a d 7 7 1 4 与c p u 通讯的具体实现2 4 表5 1 电流采样表3 3 表6 1 阀门定位器的静态特性4 5 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。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 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 锌叭 j 签字日期： 扣p 年多月1 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江大学有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲象午级新魏f 二号 签字日期：如卜年3 月l 日签字日期：动fb 年多月【，日 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 时光飞逝，研究生两年多的即将结束，在这期间的学习和工作让我收获颇 丰，从理论知识的学习转换到实际项目开发，不同的阶段都让我积累了不同的 知识和经验。 在此首先要衷心感谢我的导师徐新民老师，本论文的选题和研究工作就是 在徐新民老师的悉心指导下顺利完成的。徐新民老师为我提供了多学科综合学 历的机会，让我有机会接触到机械、电气、电路等方面的要求，并在生活工作 中给予我热心的鼓励和耐心的指导。徐新民老师认真严谨的工作作风，科学求 是的治学精神，以及平易近人的生活态度让我非常钦佩，受益终身，在此表示 深深的谢意。 其次，我要感谢实验室的周雯和马振亮同学，是在你们两位同学的协助之 下，该项目的研究才得以快速有效的进行。 同样需要感谢的是浙江富阳三方阀门厂给予的强大的合作与支持，使得我 有机会接触到各种类型的阀门进行现场调试。 也感谢实验室里的其他同学，正是因为你们，我的研究生生活才会如此丰 富多彩，我才能在一个良好的环境下学习，生长。 同时感谢我的父母，家人，朋友，你们是我积极进取的动力和支柱。同时 祝福我的所有亲人、师长、朋友们身体健康、幸福快乐。 浙江大学硕士学位论文 绪论 1 1 应用背景 第1 章绪论 调节阀应用广泛，涉及到多个领域：石油和气体，造纸和纸浆，炼油， 食品和饮料，化工和石化，制药，电力，金属与冶炼，半导体等。在实际工业 控制工程中，流量控制方面的要求越来越高，不但要求控制精度高，同时要求 控制方式上多样化，这就对阀门定位器特性提出了更高要求，提高其控制精度、 响应速度以及增加控制的灵活性。因此，阀门定位器已成为工业控制领域十分 重要的研究热点。 阀门定位器是调节阀的核心控制附件，可以改善阀门的静态特性和动态特 性，有助于克服介质的不平衡力和填料的摩擦力，提高控制精度，同时增加控 制的灵活性【1 】。 阀门定位器从最初的纯气动机械力平衡式发展到使用电磁转换的电一气 阀门定位器，直到目前的智能型和现场总线技术的定位器，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【2 】【3 】。 国外一些著名公司相继推出了基于现场总线的智能阀门定位器，实现了定 位器的数字化、智能化、网络化，大大提高了阀门定位器的控制性能，满足了 生产实际的需要，代表了阀门定位器的主流发展方向【4 】。早在十多年前，国外 一些在工业自动化领域有着多年经验和雄厚技术优势的生产厂家，如西门子、 费希尔罗斯蒙特、山武株式会社等公司，纷纷开始着手对智能型阀门定位器 系统进行了开发研制，相继研制成功了智能二线制阀门定位器，有的还配置 h a r t 总线、f f 总线等现场总线接口，规定了各自所遵循的通讯协议和控制方 式，在智能阀门定位器生产研制方面，代表了当今的世界水平和发展方向【3 j 。 目前看来，费希尔罗斯蒙特公司生产的基于现场总线式阀门定位系统d v c 系 列产品，其性能优良，质量上乘，智能化程度高，在一定程度上代表了当今阀 门定位器制造领域产品的国际最高水平。而西门子公司生产的s i p a r t 系列、 山武株式会社生产的s v p 系列产品依靠各自具备的特色和稳定可靠的性能， 浙江大学硕士学位论文绪论 也在各个领域中被广泛采用。 而在国内，虽然我们在这方面的起步较晚，但在这种国际大趋势的带动下， 现在已经逐步认识到进行相关研究的迫切性，开始迎头赶上。一些较有实力的 生产厂家在担当国外相关产品代理商的同时，自身也投入人力、物力和财力进 行研制开发各种智能阀门定位器产品，有的已经取得了不错的成果，但和国外 的产品相比，还存在较大的差距。比如天津大学( 王化祥) 【s 】和浙江大学( p l c 实现 6 】) 都采用了压电陶瓷阀作为其i p 转换单元取得了一定的成果。但是国 内压电陶瓷技术刚刚起步，成本高，性能不够稳定，这些方面导致投入到大规 模生产都有一定难度。喷嘴挡板结构的i p 转换单元虽然耗气较多，但是技术 比较成熟，成本相对较低。 1 2 研究目的及其意义 智能阀门定位器具有高灵敏度、高可靠性以及内设整定参数可选择性，使 有死区的阀门动态响应得到很大的改善，并使阀门行程精确和稳定地操作。与 传统的阀门定位器相比，智能阀门定位器有着显著的优势，更适合现代过程控 制的需要，故成为当前阀门定位器的研究重点和发展趋势【7 1 。 智能阀门定位器根据原先阀门定位器的不足之处进行设计，能够改善调节 阀的流量特性，提高调节阀的工作性能，并且还可以通过与d c s 系统或总线 设备进行数字信息通讯，提高企业生产装置的控制能力，为装置的安全、稳定 运行提供保障。 现场总线是一种新型工业控制系统，它的出现带来工业控制领域内的深刻 革命。目前现场，正处于群雄并起、百家争鸣的阶段，许多大型的工业应用场 合广泛使用现场总线技术【3 1 。现场总线在降低系统成本，提高控制精度和系统 可靠性方面具有无可比拟的优势，全数字系统代替模拟系统已大势所趋，现场 仪表的数字化势在必行。由于模拟仪表与数字仪表的存在本质上的差别，所以 要市场接受全数字仪表还需要一定的时间。 h a r t 协议采用半双工通信方式【引，它是基于b e l l2 0 2 标准通信基础上发 展起来的通信协议，使用频移键控f s k ( f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ) 技术，在4 2 0 m a 过程控制模拟信号上叠加一个频率信号，它成功地使模拟信号与数字信 2 浙江大学硕士学位论文绪论 号双向通信能同时进行，而不相互干扰。 h a r t 协议最初由美国r o s e m o u n t 公司开发，已应用了多年；作为一个公 开的成熟协议，有它独特的优势，可使模拟信号与数字信号同时传送而不互相 干扰；它很容易对系统进行扩展，只需少量的改动即对原系统增加数字通讯的 功能，因此受到绝大部分企业的欢迎，并得到广泛采用f 9 】【1 0 】【1 1 】。 由于h a r t 协议具有兼容数字信号和模拟信号的特点【1 2 】，提供了一种无风 险的智能仪表间的通信解决方案，所以h a r t 仪表的开发与应用发展迅速。 由于模拟仪表的大量使用，从模拟到全数字仪表的更新较国外将更为缓慢，因 此在今后很长的一段时间内，h a r t 协议产品在国内仍然具有十分广阔的市场， 开发基于h a r t 的智能阀门定位器将具有十分广阔的应用前景。 1 3 研究内容及其安排 1 3 1 研究内容 本文就根据这些特点，对喷嘴挡板式的气动调节阀进行研究，提出了一种 基于磁阻传感器的智能电气阀门定位器，并且在定位器的基础上加上h a r t 通 讯装置，实现参数设置和数据通讯。具体研究内容为： 查找相关文献资料，研究阀门定位器的工作原理，并且对喷嘴挡板式的气 动调节阀进行控制对象的分析，为后续的定位算法打下基础。研究阀门定位器 的相关特性，得到需要实现的相关设计要求。 选择合适的角度传感器，用于计算阀门的运动行程，实时的反馈阀门运动 情况，以及找到合适的方法避免温度变化造成的影响。 构建以m s p 4 3 0 为控制中心的系统，包括控制单元，电源单元，位置采样 单元，电流采样单元，信号输出调理单元，h a r t 通讯单元等。使其满足4 2 0 m a 电流供应整个系统的低功耗和电流采样精确度高的双重要求。 通过对整个控制系统的分析，并且通过数据图像的开环特性分析，对p i d 算法、多模态等控制算法进行试验，找到一种切实可行的控制方法，满足控制 系统的动态特性和静态特性。并且针对类型不同、行程不同、摩擦力不同等多 种阀门进行试验，实现自整定算法设计。 浙江大学硕士学位论文 绪论 根据h a r t 协议的相关规定，实现p c 机与阀门定位器的数据通讯，并且 在p c 机上设计h a r t 的相关上位机软件。 1 3 2 本文安排 本文总共包括六章的内容。第一章首先讲述了阀门定位器的应用背景，分 析了其研究意义以及国内外研究现状，提出了设计基于h a r t 协议的阀门定位 器，并对具体的研究内容进行了分析。第二章分析了阀门定位器的工作原理， 并针对气动执行机构、i p 转换单元进行了具体分析，得到了广义控制对象特 性，最后提及了第三章根据需求分析，说明了该定位器设计的功能和性能要求， 提出了总体设计方案，概要的介绍了硬件、软件的框架设计，并且说明了该设 计方案中的技术难点和重点。第四章主要讲述智能阀门定位器的硬件以及驱动 程序设计。主要包括控制单元m s p 4 3 0 f 1 4 9 的接口电路及相应底层模块的设 计；电源供应和电流采样单元；磁阻传感器和位置采样单元；a d 转换及其s p i 接i = i 实现；p w m 方波转换电路分析；h a r t 的接口电路及其硬件驱动单元。 第五章在硬件驱动程序的基础上，首先介绍了h a r t 协议的实现和当前位置和 目标位置采集模块，然后主要对定位算法进行了较多的研究，根据系统分析， 实验测试得到了采样分程分段p i d 算法，而后在本算法基础上对对多种类型的 阀门进行分析，提出了一种可行的自整定方法。最后就整体实现给出了智能阀 门定位器的实现效果，包括静态特性、动态特性和其他的电路特性。第六章讲 述本文研究的方法在智能阀门定位器上的调试结果。第七章总结和展望。 1 4 本章小结 在本章中，首先讲述了阀门定位器的应用前景，分析了其研究意义以及国 内外研究现状，提出了设计基于h a r t 协议的智能阀门定位器，接着对具体的 研究内容进行了分析，最后在本文安排上做了较为简略的说明。 4 浙江大学硕士学位论文阀门定位器 第2 章阀门定位器 2 1 阀门定位器的工作原理 图2 - 1 闭环控制系统框图所示的是阀门定位器的控制原理，主要由三部 分组成，信号处理单元，调节阀和阀门反馈【s 】。执行器是过程控制系统的重要 组成部分，根据调节器输出信号控制执行器动作。当气动执行机构动作时，被 控制物理量( 阀门定位器输出量为对应的阀杆的位移) 经机械装置反馈至定位 器，使定位器与执行器构成闭环回路 1 3 1 。由于目标值根据外部电流大小进行 变化，因此该系统为一个过程控制系统。 图2 1 闭环控制系统框图 为了能够达到较好的控制效果，必须对控制对象进行研究分析，而在 该系统中，广义的控制对象( 如虚线框内所示) 包括调节阀，i p 转换单元等。 2 2 控制对象分析 2 2 1执行机构气动调节阀 气动调节阀是工业中的一种重要的执行机构，相对于电动和液动调节阀应 用最为广泛，它利用压缩空气作动力，具有结构简单、动作可靠平稳、能防火 防爆等优点 1 4 1 1 1 5 1 。 如图2 2 所示，调节阀为气动膜头式，空气进入膜腔，膜腔内的压强逐 渐增大，克服填料为主的摩擦力，驱动阀杆向下运动，同时弹簧被拉长，膜腔 内空气容量保持不变，则阀杆将会稳定在某个位置。同理，当膜腔内空气减少， 浙江大学硕士学位论文阀门定位器 弹簧张力大于气体压力，阀门将会向上运动，此时要克服反向的填料摩擦力， 最终达到一个新的平衡。 压力协号a u 图2 2 执行机构和阀f - j 结构图 根据牛顿定律和力学分析，如图2 - 3 所示，得到以下两个平衡式： 向下运动：p 宰s = 戤+ 厂 向上运动：尸乖s + f = k x 压力f = p * s + f 弹= k x 图2 3 阀体运动受力分析 但是由于受到气体的可压缩性、气缸摩擦力等因素的影响，导致了其调节 阀模型不仅是非线性的而且包含了许多时变的未知参数 1 3 1 4 1 。这些非线性、 时变因素使得气动执行机构的精确位置控制难以完成 1 4 1 。 另外调节阀种类各异，有正反作用，行程大小差异，填料不同，密封程度 不同造成的摩擦力大小差异。所以如何通过自整定程序获得阀门的行程、正反 作用以及摩擦力大小；并且根据行程、摩擦力等参数进行合理的控制成为智能 阀门定位器的关键。 6 浙江大学硕士学位论文阀门定位器 2 2 2i p 转换单元喷嘴挡板结构 如图2 4i p 转换单元结构图所示，由气体放大器，恒节流孔，喷嘴，挡 板，线圈和气源组成。挡板根据线圈电流的大小，靠近或者远离喷嘴，导致背 压的变化，控制气体放大器流入调节阀的空气流量，来决定调节阀的位置变化。 气源 线圈 图2 _ 4i ，p 转换单元结构图 恒节流孔相当于一个固定气阻，和电路中的固定电阻相当，而喷嘴挡板相当 于一个可变气阻，和电路中的可变电阻相当，当喷嘴挡板的距离改变时，由背压 室进入大气的气阻也跟着改变当空气通过恒节流孔进入背压室，再由喷嘴挡 板的缝隙排入大气，当恒节流孔和喷嘴挡板的尺寸配合适当时，挡板对于喷嘴只 要几个丝的位移就可由气阻的变化，使背压室的压力发生满幅度的变化，背压室 的压力还不足以驱动负载必须经过放大器驱动负载。 气舞 曩喷 气 气 板 户 气 户 霄压弓l 出 鑫 艿- 鑫 = c u r r m i nv a l u e & & a c l v a l u e t b ic u r r e n t 1 p r e t u r nm i n u a ；一 i f c u r r u m i t _ v a l u e = = e d g e b ) j r e t u r nm a x _ u a ；j i f a d v a t u e 船e d g e a & & a d q a l u e e 堍e b p r e t u r n ( i * i o + m i n _ u a ； p p 图5 4 查表实现电流采样 2 ) 公式法 使用该方法，必须知道4 m a 和2 0 m a 的电流采样值，然后根据公式获得 当前电流值： (va1ue-curr_4ma_va1ue)*(max_ua-min_ua)4-minu a ( c u r r 一2 0 m a y 砒一c u r r 一4 m a v l u e ) 一 其中的v a l u e 当前的采样值 c u r r - 4 m a v a l u e 4 m a 的电流采样值 c u r r 一2 0 m a - v a l u e 2 0 m a 的电流采样值 m 删2 0 m a 的电流，由于精度最高为u a ，值为2 0 0 0 0 m i nu a 4 m a 的电流，由于精度为u a ，值为4 0 0 0 3 ) 电流位置转交实现 为了得到我们所需的目标值的位置，需要知道阀门的零点位置s t a r t _ p o s 和终点位置e n d _ p o s ，针对不同的阀门需要通过自整定程序获得。该过程会在 下一节中进行详细介绍，这里我们介绍如何通过阀门的始末位置来得到对应的 当前位置。 (cur-min_ua)*(end_pos-start_pos)+star，los m a xu a m i nu a 浙江大学硕士学位论文智能阀门定位器的软件设计 可以直接通过采样值获得目标位置值 ( v a l u e c u r r 4 m av a l u e ) 牛( e n d p o s s t a r tp o s ) ( c u r t2 0 m av a l u e c u r r4 m av a l u e ) s t a r t 一p o s 二= 二= 二二：= ：= ：；- 二山 5 2 2 阀门当前值采集 通过实际的实验可得，阀门的角度值在2 0 。一十2 0 。之间，而针对 a d 7 7 1 4 全差分的情况下，如果使用单极性会造成在角度小于0 度的时候，读 出的值，因此在采样的时候需要注意a d 7 7 1 4 的几个寄存器值。 5 3 定位算法 执行机构为气动调节阀，由于气体的可压缩性、汽缸摩擦力等因素的影响， 导致了其模型不仅是非线性的而且还包含了许多时变的位置参数【1 4 】【1 5 】。这些 非线性、时变因素使得气动执行机构的精确位置控制难以完成。 对于这样一个非线性的时变系统，使用怎么样的控制算法才能满足其静态 性能和动态性能，从而满足系统需求。 图5 - 5 广义控制系统 由于该系统不仅仅应用于一种阀门，而是应用于同一类阀门，该阀门有着 相同的执行机构，而对于正作用，反作用，还是直行程，角行程等其他因素， 都需要通过自整定获得相关的参数。这一点更加提高了设计的难度。 如何设计定位算法成为智能阀门定位器的重点和难点。接下去，将介绍本 文使用的定位算法以及比较和其他算法比较其效果。 如图s s 所示，将经过积分反馈电路，i p 转换电路，执行结构和阀门看 作为一个广义的控制对象，控制单元比较目标值s p 和当前位置p v 输出p w m 斯大学硕 位论z智能月门定i 的软件设计 方波至调节阀，调节阀将阀门位置卖时的反馈给控制单元 5 3 i 开环特性 根据广义控制系统输出固定占空比的p w n 方波观察其阶跃响应情况。 根据第二节对执行机构的受力舟析可知，阀门上升和下阵过程不同。因此阶跃 响应情况也有所不同。 i m e ! m # 口n n 自# 田5 $ 阶跃响应( 霉点满度) t 女e e 女“h 月n 自# 圉5 - 7 阶跃响应( 自空比从03 9 - 05 0 ) 如图5 - 6 阶跃响应( 零点满度) 所示，为电流上升的开环阶跃响应 曲线不同的p w m 方渡其总体趋势差不步都是剐开始的时候有些时踅 * 雅目f 1 定女轼件设计 然后靠近终点。由于阀门存在静摩擦力，要克服该摩擦力需要一定的电流，所 以当p w m 方波占空比小于0 4 时，阀门几乎静止。 但是相对于静摩攘力，阀门的动摩擦力较小，所以当p w m 方渡占空比为 o5 时。便可以到达阀门满度。所以仔细观察中问占空 匕的阶跃响应，可以得 到如图s 一7 所示阀门根据不同的占空比，能够停留在一个较稳定的位置， 占空比和稳定位置差不多是线性关系。 # m 自女m h 4 h n # # t 图5 - 8 阶跃响应( 满度军点 围5 - 9 阶跃响应( 03 4 - 0 4 2 ) 同样，可以观察满度到零点的不同p w m 方玻占空比的阶跃响应情况。首 先输入占空比为1 的方波，使其到达阀门底端，然后输出固定占空比的万渡来 观察画出曲线，如图圈5 - 8 阶跃响应( 满度零点) 和图5 - 9 阶跃响应 浙江大学硕士学位论文智能阀门定位器的软件设计 ( 0 3 4 0 4 2 ) 所示。阀门下降同样需要克服一定的摩擦力，而处于稳态的方波 占空比为o - 3 0 4 s 之间。 5 3 2 增量p l d 控制 按偏差的比例( p r o p o r t i o n a l ) 积分( i n t e g r a l ) 和微分( d e r i v a t i v e ) 进行控制 的调节器( 简称p i d 调节器、也称p i d 控制器) 。由于其算法简单、鲁棒性能好、 可靠性高等优点，p i d 控制策略被广泛应用于工业过程控制中。国际上一些研 究文章陈述了当前工业控制的状况表明9 0 以上的控制回路是采用p i d 控制 策略 3 q 。 本文借鉴南京航天航空大学的有关智能阀门定位器的研究与开发【1 8 】，使 用了增量p i d 控制，其控制原理如下所示。可以通过调节k 尸，k ，k d 达到 阀门静态特性和动态特性的较佳值。 增量式控制的突出优点在于：由于每次只输出控制增量，故机器故障时影 响范围小；控制从手动到自动切换时，冲击小；算式无需累加，增量只与最近 几次采样值有关，容易获得较好的控制效果。 甜( 七) = 玉，c p ( 后) 一p ( 七一1 ) + 吾 p ( 后) 】+ 弓 【p ( 后) 一2 e ( j | 一1 ) + p ( 七一2 ) ) 其中 琏= 巧比例系数 墨= 等一积分系数 = 警一微分撒 根据实验测试，以及多次调解p i d 参数，得到如图s 1 0 直接增量p i d 控 制所示的曲线。可以观察到，当p = 7 5 木0 0 0 1 ，d = 6 0 0 * 0 0 0 1 时，效果较佳， 但是仍然存在着较多的过冲和稳态误差，这是因为p i d 控制一般应用于在稳态 基础上，由于外部干扰造成了误差，而通过p i d 调节使其回到稳定状态。而我 们所控制的阀门是需要实现过程控制的，经常需要从其中一个稳态跨越到另外 一个稳态，这两个稳态之间的距离可能较大，光是利用p i d 控制不能完全的很 浙江大学硕士学位论文智能阀门定位器的软件设计 好的处理过冲现象。所以在增量p i d 基础上，本文研究了分程分段p i d 控制。 输出电压变化致使阀门运动轨迹 5 3 3分程分段p i d 控制 图5 - 1 0 直接增量p i d 控制 采用分程分段p i d 法控制调节阀开度。根据当前位置和目标位置的差值和 总行程的关系分为大行程，中行程，小行程。大行程时，分为五个阶段，第一 阶段快速阶段，第二阶段趋近阶段，第三阶段p i d 粗调阶段，第四阶段细调 p i d 阶段，第五阶段稳定阶段。中行程时，分为三个阶段，第三阶段p i d 粗调 阶段，第四阶段细调p i d 阶段，第五阶段稳定阶段。小行程时，直接进入第四 阶段细调p i d 阶段。阀门上升运动和下降运动由于重力，摩擦力等要素的影响， 过冲和惯性都不一致。所以上升过程和下降过程分开控制，针对不同的五个阶 段p w m 方波占空比和p i d 参数设置都不同。 5 3 4 控制效果 如图5 1 1 分程分段p i d 控制效果图，为从4 m a - - 1 2 m a 位置的动态特性， 与单独的增量p i d 算法比较可以发现，运动过程比较清晰，系统z o o 3 2 ( 系统 的采样频率为3 2 h z ) = 7 s 左右，就已经达到稳定状态，而且和目标值吻合，几 乎看不出误差，最佳的一组参数控制，可以在1 2 0 3 2 s 内达到稳定，观察其 3 9 哪掣莨霉ll整 浙江大学硕士学位论文智能阀门定位器的软件设计 过冲3 0 0 1 5 0 0 0 = 2 。基本上满足了快速，稳定，过冲小的要求。 图5 - 1 1 分程分段p i d 控制效果图 5 4 自整定算法 时间序列 图5 - 1 2 分程分段p i d 控制效果图( 部分) 实际生产过程中往往具有非线性、不确定性，难以建立精确的数学模型， 应用常规的p i d 控制器难以达到理想的控制效果，在实际生产过程中，由于受 到参数整定方法烦杂的困扰，常规p i d 控制器参数往往整定不良、性能欠佳， 对运行环境的适应性较差。针对上述问题，长期以来，人们一直在寻求p i d 控 制器参数的自整定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。本文就根据 浙江大学硕士学位论文智能阀门定位器的软件设计 相应的分程分段算法提出了一种参数整定方法。 根据所讲述的广义控制系统，根据输出占空比的大小以及第四节中提到的 定位算法实现。如图5 1 3 定位算法参数自整定所示，首先根据得到零点和满 度值，判断阀门执行机构的正反作用，然后根据来回运动时间的长短，得到执 行机构膜腔的容量和行程的大小，一般阀门有1 s ，2 5 ，4 0 ，6 0 ，l o o c m 等多 个行程，需要通过自整定获得。 开始 调节占空比，使得输出电压 为最小，d u t y = o ，获得起始 位置p o ss t a r t 调节占空比，使得输出电压 为最大，d u t y = c y c ，获得当 前的位置p o s _ e n d d u t y = c y c ，逐步减t j 、d u t y 值， 使得阀门运动，记录当前d u t y 值为p 珊_ t a i l d u t y = o ，逐步增大d u t y 值，使 得阀门运动，记录当前d u t y 值 为p 啷一s t a r t d u t y = o 至d u t y = c y c ，记录 阀门运动至中点的时间t u p d u t y = c y c 至d u t y = o ，记录阀 门运动至中点的时间t d o w n 根据t u p 和t d o w n 大小确定 行程，膜室容量大小 选择一组参数，使阀门运动 至中点位置并且保持稳定 在当前d u t y 基础上，逐步 增大d u t y ，使阀门产生小 运动，记录p o s l i ) u t y l 再次稳定后，逐步减小 d u t y ，使阀门产生小运动， 记录p o s 2 ，d u t y 2 确定死区= p o s l - p o s 2 根据d u t y 2 一d u t y l 的大小判 断摩擦力情况 根据摩擦力大小 修正参数 将所得的参数都保存到 f l a s h 中 结束 图5 1 3 定位算法参数自整定 接着，判断阀门摩擦力的大小，由于阀门用途不同，在有些场合为了使阀 门能够密闭需要摩擦力很大的填料，而且即使对于同一个阀门，摩擦力的大小 也会有所不同。而摩擦力大小和死区设定有着较大的关系。因此，要跟据摩擦 力的大小，在线的修正p i d 及其其他参数，使阀门能够快、精、准的进行定位。 4 l 浙江大学硕士学位论文智能阀门定位器的软件设计 5 5 软件总体流程 如图s 1 4 软件总体流程图所示，主要实现的是根据当前定位器状态和电 流输入，通过状态转换，实现定位功能，系统刚刚启动的时候，首先是软件模 块初始化，并且从f l a s h 中读出各种控制参数，判断参数是否存在并且符合要 求，如果参数符合要求，就开始总体循环，反之，则通过串口或者h a r t 总线 将参数传入定位器中。 图5 1 4 软件总体流程图 随后，判断1 m s 定时器中断，如果进入中断，则执行查看当前状态，反 之，停留在等待中断的状态。然后判断当前的状态，如果为控制状态，执行五 段控制算法的相关程序，如果为电流采样状态，则采集电流，进行稳态的变更， 参数转换等工作，如果为自整定状态，进行参数自整定。 4 2 浙江大学硕士学位论文智能阀门定位器的软件设计 执行过程循环返回，直到外部动作强制停止。 5 6 本章小结 本章是整篇论文的重点以及难点部分，首先介绍了h a r t 协议，然后根据 协议相关规范中的帧结构实现了数据的接收、处理和发送。 在第四章的基础上讲述了阀门目标值和阀门当前值的采集，然后根据两个 值进行比较，介绍了多种控制算法。在介绍定位算法之前，通过采集多组数据， 得到了整个系统的开环特性，通过开环特性曲线，我们了解到该系统是个二阶 系统。然后介绍了增量p i d ，多模态控制，以及分程分段p i d 控制算法，通过 不同算法的曲线比较控制效果的优劣，最后选择了分成分段p i d 控制算法。 由于阀门种类、作用方向、行程大小等多种不同，本章介绍了自整定算法 实现零点、满度自实现；作用方向自判定，并且通过判断摩擦力，从而获得了 一组参数用于实现快速定位。 另外，该软件包含多个部分，与h a r t 通讯，f l a s h 参数读写，自整定算 法，定位算法，数据采集等等一系列过程，所以本章在最后介绍了软件的总体 流程实现，并且根据实验所得，给出了阀门定位器的定位效果，其中包括静态 特性、动态特性以及相关的电路特性。 4 3 浙江大学硕士学位论文智能阀门定位器实验效果 第6 章智能阀门定位器实验结果 针对一个过程控制系统来说，判断一个系统的好坏，主要看静态特性和动 态特性两个方面。经过试验，下面给出了使用分程分段p i d 算法进行控制的结 果。 6 1 静态特性 通过观察，如图6 - 1 阀门静态特性曲线和表6 - 1 阀门定位器的静态特性 所示，可以发现无论是上升还是下降过程，过程控制现象总是和目标相吻合， 曾线性状态。 回差：0 0 6 2 5 = 0 2 4 稳态误差：0 0 6 7 2 5 = 0 2 7 开度输出信号精度：0 1 ( 采样确定) 图6 1 阀门静态特性曲线 浙江大学硕士学位论文智能阀门定位器实验效果 表6 1 阀门定位器的静态特性 辫衍定侄嚣的