专利名称：一种变pwm占空比的压电式阀门定位器控制方法
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，特别是一种以超低功耗单片机(MCU)为核心、变PWM(脉冲宽度调制)占空比的带反向PWM的五步开关法的压电式阀门定位器控制方法。
背景技术：
气动调节阀由阀门定位器、气动执行机构和调节阀组成，是过程控制系统的重要设备之一，广泛应用于石油、化工、冶金、电力、轻纺等工业部门，尤其适用于易燃易爆等生产场合。阀门定位器作为气动调节阀的控制核心，对气动调节阀的工作起着决定性作用。阀门定位器按照其工作原理可分为喷嘴挡板式和压电式。其中，压电式阀门定位器利用压电阀的陶瓷片在电压作用下产生微弯变形的原理制成，具有高可靠性、低功耗和低耗气量等特点，逐渐成为智能阀门定位器的主流，国内外一些企业和学者纷纷深入研究压电式智能阀门定位器及其控制方法。在国外，德国西门子公司生产的压电式SIPART PS2系列阀门定位器，采用五步开关法作为其主控制算法，但是，没有披露具体的控制方法细节(许文胜.西门子PS2系列定位器介绍及调试.安装.2009 (6): 47-48)。在国内，杭州电子科技大学的SEVP型阀门定位器米用变结构的控制算法(Shang Qunli, Yu Shanen, Wu Haiyan.Modeling and Experimentof Pneumatic Position System with Spring-and-Diaphragm Actuator.Proceedings ofthe 27th Chinese Conference.2008:388-392 ;尚群立,蒋鹏.智能电气阀门定位器的研制.仪器仪表学报.2007，28(4):718-721);浙江大学的PZD1000型阀门定位器采用PID控制算法(曹会发.智能阀门伺服定位系统的研究.浙江大学硕士论文，2006);上海自动化仪表股份有限公司的SHVH型阀门定位器采用改进的自适应PID控制算法(李倩如，赖庆峰等.HART协议的智能阀门定位器的设计和实现.自动化仪表.2010, 31 (6): 55-57);衡阳北光的ZPZD3100型阀门定位器采用积分分离的模糊PID控制算法(蔡明，姜福杰.一款新型智能阀门定位器的设计.仪器仪表装置，2008 (10): 17-19)。这些方法在某些方面取得了较好的效果，但是，在产品中，人们更喜欢使用原理简单、易于实现和定位速度快的五步开关法。所以，国内压电式阀门定位器基本上采用五步开关法。为此，合肥工业大学和重庆川仪自动化股份有限公司针对传统五步开关法经常出现超调和振荡的情况，提出了带反向PWM的五步开关法，通过反向PWM的降速调节，能够有效地降低执行机构的速度，使阀位平缓地进入死区范围，从而减少了控制脉冲的个数，加快了阀门定位器的定位速度，在实际中得到了很好的应用(徐科军，姜鹏，王沁等.一种压电开关式阀门定位器控制方法与系统，专利号:201110043007.8,申请日:2011.2.23.，授权公告日=2012.05.30.;王沁，徐科军，姜鹏等.具有反向PWM的压电式阀门定位器控制方法及实现.仪器仪表学报.2011.32(9):2016-2023 ;王沁，徐科军，姜鹏等.压电式阀门定位器参数寻优自整定方法.电子测量与仪器学报，2011，25(7):612-618)。带反向PWM的五步开关法应用于小范围阶跃控制，即给定阶跃和阀位反馈值之差的绝对值小于Bang-Bang控制(以下简称B-B控制)与PWM控制的分界点时，无B-B控制，此时，阀位直接由正向PWM脉冲启动。而由最佳占空比产生的PWM进气(或排气)脉冲较小，不足以使执行机构马上动作。直到经过多个正向PWM脉冲的效果积累之后，执行机构才开始动作。因此，阀位启动过程缓慢，需要的正向PWM脉冲个数较多，导致调节时间较长。为了解决小范围阶跃控制阀位启动慢的问题，使得带反向PWM的五步开关法更为完善，本发明采用分段PI方法或线性化方法变正向PWM占空比，并在基于MSP430F5418超低功耗单片机的硬件系统上进行了实时实现，取得了较好的实验效果。
发明内容
本发明要解决的问题:带反向PWM的五步开关法应用于小范围阶跃控制时，由于最佳占空比产生的进气(或排气)脉冲较小，导致小范围阶跃启动过程缓慢，调节时间较长；因此，如何加速小范围阶跃控制的阀位启动过程，减少正向PWM脉冲的个数和减小其调节时间是本发明要解决的问题。本发明所采用的技术方案:将带反向PWM的五步开关法中的降速区和微调区统称为PWM控制区，并针对PWM控制区内的正向PWM微调过程，提出两种变正向PWM占空比的方法:分段PI方法和线性化方法。采用分段PI方法变正向PWM占空比，在进行正向PWM微调时，将PWM控制区分为两个区域:PI控制区和安全区，并将最小阀位变化量作为PI控制区和安全区的分界点；在？1控制区内，阀位未动作时，采用PI方法设置正向PWM占空比，使得起始PWM具有较大的占空t匕，从而产生较大的进气或排气脉冲，阀位能够很快启动；当阀位启动之后，切除PI方法，此时取比例系数和积分系数都为零，设置正向PWM占空比为最佳占空比；而在安全区内，仍采用最佳占空比，以确保阀位不会产生超调或过冲。采用线性化方法变正向PWM占空比，在进行正向PWM微调时，将PWM控制区分为两个区域:线性区和安全区，并将最小阀位变化量作为线性区和安全区的分界点；在线性区内，根据阀位误差采用线性化方法设置正向PWM占空比，随着阀位误差绝对值的减小，正向PWM占空比逐渐减小，直到最佳占空比；而在安全区内，则采用最佳占空比，以确保阀位不会产生超调或过冲。在带反向PWM的五步开关法中加入分段PI方法或线性化方法变正向PWM占空比，使得小范围阶跃控制阀位启动时，起始PWM具有较大的占空比,从而可以加速小范围阶跃的阀位调节。相较于带反向PWM的五步开关法中以固定的最佳占空比去驱动执行机构动作，可以极大地加速阀位启动过程，获得更好的控制效果。本发明的优点是:(I)在带反向PWM的五步开关法加入分段PI方法或线性化方法变正向PWM占空t匕，在小范围阶跃控制时，能够获得较大占空比的正向PWM脉冲，从而加速阀位启动过程，减少正向PWM脉冲的个数和减小其调节时间；(2)在PI控制区(线性区)和死区之间设置了安全区。安全区的范围是根据最小阀位变化量来设定的，它是阀位控制不产生超调的最小距离，从而使得PI控制区(线性区)可以尽可能的大一些，加快控制过程，减小调节时间。同时，安全区内正向PWM的占空比为最佳占空比，保证阀位能够很快的逼近目标位置，且不产生超调。
图1是本发明中分段PI方法变正向P丽占空比原理示意图。图2是本发明中线性化方法变正向PWM占空比原理示意图。图3是本发明中基于MSP430F5418的压电式阀门定位器控制系统硬件框图。图4是本发明中系统软件总体框图。图5是本发明中主监控程序流程图。图6是本发明中闭环控制算法流程图。图7是本发明中分段PI方法变正向P丽占空比程序流程图。图8是2.5%FSR (满量程范围)阶跃上升过程控制效果图(从4.4mA到10.0mA)，其中，Ca)是带反向PWM的五步开关法控制效果图，(b)是分段PI方法变占空比控制效果图。图9是2.5%FSR阶跃上升过程控制效果局部放大图(从4.4mA到10.0mA)，其中，Ca)是带反向PWM的五步开关法控制效果局部放大图，(b)是分段PI方法变占空比控制效果局部放大图。图10是2.5%FSR阶跃下降过程控制效果图(从18.8mA到13.6mA)，其中，(a)是带反向PWM的五步开关法控制效果图，(b)是分段PI方法变占空比控制效果图。图11是2.5%FSR阶跃下降过程控制效果局部放大图(从18.8mA到13.6mA)，其中，Ca)是带反向PWM的五步开关法控制效果局部放大图，(b)是分段PI方法变占空比控制效果局部放大图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的说明。在带反向PWM的五步开关法中，根据阀位误差和误差变化率(即阀位速度)的大小，将控制过程分为:快速区、降速区、微调区和死区，并在相应区域内采用不同的控制策略。其具体工作过程为:当误差绝对值较大，即阀位处于快速区时，采用B-B控制，快速地减小误差；当误差绝对值较小，但阀位速度较大，即阀位处于降速区时，采用反向PWM降速控制，迅速地减小阀位速度；当误差绝对值较小，且阀位速度较小，即阀位处于微调区时，采用正向PWM微调控制，缓慢地逼近目标位置；当阀位平缓地进入死区后，控制阀位保持。本发明将带反向PWM的五步开关法中的降速区和微调区统称为PWM控制区，则整个阀位控制过程又可以分为:快速区，PWM控制区和死区。下面针对PWM控制区内的正向PWM微调过程，提出两种变正向PWM占空比的方法。本发明采用分段PI方法变正向PWM占空比。分段PI方法变正向PWM占空比原理示意图如图1所示。在进行正向PWM微调时，将PWM控制区分为两个区域:PI控制区和安全区。在PI控制区内，阀位未动作时，采用PI方法设置正向PWM占空比，使得起始PWM具有较大的占空比，从而产生较大的进气或排气脉冲，阀位能够很快启动；当阀位启动之后，切除PI方法，此时取比例和积分系数都为零，设置正向PWM占空比为最佳占空比。而在安全区内，仍采用最佳占空比，以确保阀位不会产生超调或过冲。这种分段PI方法即可以实现阀位的最快启动，又消除了超调，加快了小范围阶跃的控制过程，减小了调节时间。小范围阶跃控制过程中正向PWM占空比的变化趋势也可从图1中看出，一开始由于PI作用，占空比越来越大，阀位启动之后，切除PI方法，占空比恢复到最佳占空比，直到阀位到达目标位置。定义最佳定位速度为
权利要求
1.一种变PWM占空比的压电式阀门定位器控制方法，由主监控程序模块、初始化模块、参数自整定模块、阀位控制模块、人机交互模块、中断处理模块、EEPROM存储模块和看门狗模块组成软件系统；软件系统操作步骤是:首先，进行初始化；然后开中断，查询是否有按键按下，如果有，则进行参数自整定并显示相应的参数，否则，开启单片机的定时器模块，计算初始控制参数；然后，采样给定信号和阀位反馈信号，进行阀门闭环控制；完成控制后，主监控程序再查询是否收到上位机发出的通讯请求并进行相应的处理，最后返回，重新开始上述过程并不断循环；其特征在于:在小范围阶跃控制，即给定阶跃和阀位反馈值之差的绝对值小于Bang-Bang控制与PWM控制的分界点时，无Bang-Bang控制,此时,在带反向PWM的五步开关法中加入分段PI方法或线性化方法变正向PWM占空比，使得小范围阶跃控制阀位启动时，起始PWM具有较大的占空比，从而产生较大的进气或排气脉冲，阀位能够很快地启动；当阀位启动之后，再切换到最佳占空比进行控制，以确保阀位不会产生超调或过冲。
2.如权利要求1所述的一种变PWM占空比的压电式阀门定位器控制方法，其特征在于:所述分段PI方法变正向PWM占空比，在进行正向PWM微调时，将PWM控制区分为两个区域:PI控制区和安全区，并将最小阀位变化量作为PI控制区和安全区的分界点；在？1控制区内，阀位未动作时，采用PI方法设置正向PWM占空比，使得起始PWM具有较大的占空比，从而产生较大的进气或排气脉冲，阀位能够很快启动；当阀位启动之后，切除PI方法，此时取比例系数和积分系数都为零，设置正向PWM占空比为最佳占空比；而在安全区内，仍采用最佳占空比，以确保阀位不会产生超调或过冲；这种分段PI方法即可以实现最快启动，又消除了超调，减少了正向PWM脉冲的个数和减小了调节时间，从而加快了小范围阶跃的控制过程。
3.如权利要求2所述的一种变PWM占空比的压电式阀门定位器控制方法，其特征在于:所述分段PI方法设置正向PWM占空比采用位置型数字PI算法，其算式为
4.如权利要求2所述的一种变PWM占空比的压电式阀门定位器控制方法，其特征在于:所述比例和积分系数由实验经验设置，根据Bang-Bang控制与PWM控制的分界点和进气或排气各段的正向PWM占空比来选取比例系数Kp ;以执行机构上升过程为例，设PI控制区的正向PWM占空比的最大线性变化量为δρ，el为上升过程中Bang-Bang控制和PWM控制的分界点，Lmin是单位时间内期望的最小阀位变化量，则可得比例系数
5.如权利要求1所述的一种变PWM占空比的压电式阀门定位器控制方法，其特征在于:所述线性化方法变正向PWM占空比，在进行正向PWM微调时，将PWM控制区分为两个区域:线性区和安全区，并将最小阀位变化量作为线性区和安全区的分界点；在线性区内，根据阀位误差采用线性化方法设置正向PWM占空比，随着阀位误差绝对值的减小，正向PWM占空比逐渐减小，直到最佳占空比；而在安全区内，则采用最佳占空比，以确保阀位不会产生超调或过冲。以执行机构上升过程为例，线性区内正向PWM占空比为
全文摘要
本发明涉及一种变PWM占空比的压电式阀门定位器控制方法，由主监控程序模块、初始化模块、参数自整定模块、阀位控制模块、人机交互模块、中断处理模块、EEPROM存储模块和看门狗模块组成软件系统；该控制方法在带反向PWM的五步开关法中加入分段PI方法或线性化方法变正向PWM占空比，应用于小范围阶跃控制时，能够获得较大占空比的正向PWM脉冲，加速阀位启动过程，减少正向PWM脉冲的个数和减小小范围阶跃控制的调节时间，从而加快小范围阶跃的控制过程。
文档编号F16K37/00GK103195975SQ20131012759
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月12日 优先权日2013年4月12日
发明者徐科军, 杨庆庆, 胡小玲, 任保宏 申请人:合肥工业大学