一种开关式智能阀门定位器精确控制方法技术

本发明专利技术公开了一种开关式智能阀门定位器精确控制方法，本发明专利技术通过内部参数自整定方法，获得预测控制所需要的参数，然后通过内部的预测控制方法预测出最终停下的阀位，并将此阀位与目标阀位进行比较，根据两者差值的大小，计算出开关式压电阀的工作状态以及所对应的PWM波大小，从而实现目标阀位的精确定位。精度高、调节速度快、稳定性强、通用性强。

A precise control method of switch type intelligent valve positioner

【技术实现步骤摘要】
一种开关式智能阀门定位器精确控制方法
本专利技术涉及一种自动化仪表，特别是涉及一种开关式智能阀门定位器精确控制方法。
技术介绍
阀门定位器是调节阀的主要附件，它可以增大执行器的输出功率，减少调节信号传递中的滞后时间，加快阀杆的动作，提高阀门控制的速度，同时克服阀杆移动中的摩擦力，提高阀门控制的精度，对气动调节阀和整个控制系统起着决定性的作用。阀门定位器根据内部结构和工作原理的不同可以分为气动阀门定位器、电气阀门定位器和智能阀门定位器。智能阀门定位器按内部电气转换单元(简称I/P转换单元)的不同又可以分为喷嘴式和压电式(包括压电开关式和压电比例式)。目前，压电开关式智能阀门定位器凭借耗气量低、耗电量低、抗干扰能力强等优点，得到广泛推广。我国在工业控制领域起步较晚，技术较为落后，国产阀门定位器市场占比小，且主要集中在低端市场，中高端阀门定位器主要依赖进口国外品牌成套设备，每年进口国外成套阀门的数量逐年增加，主要原因是因为国产阀门定位器在稳定性、控制精度和调节速度等方面均和国外品牌有很大差距。阀门定位器控制性能的好坏主要受内部控制算法的影响，一个好的控制算法能大幅提升阀门的控制精度和速度。因此，为了将国产定位器引入中高端市场，提高国产阀门定位器的市场占比，急需研制一种控制精度高、调节速度快、稳定性强、通用性强的阀门控制方法。
技术实现思路
本专利技术针对开关式智能阀门定位器存在控制精度较低、调节速度慢、超调量大等问题，提出了一种开关式智能阀门定位器精确控制方法，该控制方法通过内部参数自整定方法，获得预测控制所需要的参数，然后通过内部的预测控制方法预测出最终停下的阀位，并将此阀位与目标阀位进行比较，根据两者差值的大小，计算出开关式压电阀的工作状态以及所对应的PWM波大小，从而实现目标阀位的精确定位。本专利技术给出的开关式智能阀门定位器精确控制方法通过以下步骤实现目标阀位的精确控制：步骤A1：通过参数自整定方法，整定出闭环控制所需的参数和神经网络所需的数据集。步骤A2：通过神经网络学习方法，进行模型构建。步骤A3：将目标阀位值与实时阀位值进行比较。如果误差大于设定的精度要求，则进入步骤A4；否则不进行任何操作。步骤A4：通过闭环控制，计算出实时的PWM占空比，以及压电开关阀的工作状态。并将此PWM和控制指令输出给压电开关阀，以此控制压电开关阀充气/排气量，实现阀位的精确控制。转入步骤A3，循环执行。所述的参数自整定方法，主要进行以下操作以获得神经网络模型和闭环控制方法所需的参数(此过程选择使用气开型阀门作为分析对象，此参数自整定方法同样适用于气关型阀门)：步骤B1：获得行程类型、端点位置、行程范围FSR。向开关式压电阀输出100％PWM波并且发出充气指令，调整压电阀处于充气状态，实时检测阀位反馈信号和阀杆速度信号，检测出阀杆的最大速度为Vup以及最大速度阀位对应的AD值(AD值表示模拟信号转换成数字信号的数值)Sup1，当检测到速度等于0时，立即记录此时阀位AD值即为顶端位置对应的AD值Sfar。向开关式压电阀输出100％PWM波并且发出排气指令，调整压电阀处于排气状态，实时检测阀位反馈信号和阀杆速度信号，检测阀杆的最大速度为Vdown以及最大速度阀位对应的AD值Sdown1，当检测到速度等于0时，立即记录此时阀位AD值即为低端位置对应AD值Snear，行程范围FSR＝|Sfar-Snear|。步骤B2：获得充气和排气阶段最大超调量对应AD值。向开关式压电阀输出100％PWM波，并且发出充气指令，调整开关式压电阀处于充气状态，实时采集反馈阀位，一旦阀位到达Sup1位置，立即向开关式压电阀发出阀位保持指令，延时10秒钟记录此时阀位对应AD值Sup2，定义充气阶段最大超调量对应的AD值为Sover1＝|Sup1-Sup2|。向压电阀发出充气指令，检测到速度等于0时，立即发出排气指令，调整开关式压电阀为排气状态，实时采集阀位，一旦阀位到达Sdown1位置，立即向开关式压电阀发出阀位保持指令(既不充气也不排气)，延时10秒钟记录此时阀位对应AD值Sdown2，定义排气阶段最大超调量对应AD值为Sover2＝|Sdown1-Sdown2|。步骤B3：获得最小启动PWM。向开关式压电阀发出充气指令和100％PWM，实时采集阀位反馈信号，将阀位调整到0.5*FSR阀位(其中*表示乘积，FSR表示行程范围)。此时向开关式压电阀输出0％PWM，PWM以1％为幅度不断增加，直到阀杆可以缓慢均匀的运行，记录并定义此时的PWM值Pup为充气阶段的最小启动PWM，再将阀位控制到x1＝0.5*FSR阀位处，并向开关式压电阀输出0％PWM和排气指令，PWM以1％为幅度不断增加，直到阀杆可以缓慢均匀的运行，记录并定义此时的PWM值Pdown为排气阶段的最小启动PWM，定义启动PWM为Pstr＝|Pup+Pdown|/2。步骤B4：获取神经网络学习样本数据集。定义S1＝Snear+Sover1，S2＝Sfar-Sover1。步骤B5：定义Sup＝S1+x*β*FSR表示阀位AD值，P1＝Pstr+y*1％表示PWM占空比大小，x、y的初始值均为1，分别表示当前循环的次数，β表示控制精度，系统出厂默认采用0.5％精度，β取值范围为0～1。步骤B6：向开关式压电阀发出大小为P1的PWM波，并且发出充气指令，此时开关式压电阀处于充气状态，当检测到阀位到达Sup位置，立即向开关式压电阀发送保持指令，并且记录此时的速度v1和阀位AD值Sup，当检测到速度为0时，记录此时的阀位AD值S'up。速度为v1，阀位AD值为Sup时对应的超调量即为Sup_over＝|Sup-S'up|。并将(v1、Sup、Sup_over)保存到数据集中。步骤B7：向开关式压电阀发出100％PWM波，并且发出排气指令，此时开关式压电阀处于排气状态，控制阀位运行到S1。x＝x+1,Sup＝S1+x*β*FSR；如果Sup≥S2则Sup＝S1+x*β*FSR其中x＝1，y＝y+1,P1＝Pstr+y*1％；继续执行步骤B6。如果P1＞100％，x＝1,Sdown＝S2-x*β*FSR,y＝1,P2＝Pstr+y*1％，继续执行步骤B8。步骤B8：向开关式压电阀发出100％PWM波，并且发出充气指令，此时开关式压电阀处于充气状态，控制阀位运行到S2。步骤B9：向开关式压电阀发出大小为P2的PWM波，并且发出排气指令，此时开关式压电阀处于排气状态，当检测到阀位到达Sdown位置，立即向开关式压电阀发送保持指令，并且记录此时的速度v2和阀位AD值Sdown，当检测到速度为0时，记录此时的阀位AD值S'down。速度为v2，阀位AD值为Sdown时对应的超调量即为Sdown_over＝|Sdown-S'down|。并将(v2、Sdown、Sdown_over)保存到数据集中。步骤B10：向开关式压电阀发出100％PWM波，并且发出充气指令，此时开关式压电阀处于充气状态，控制阀位运行到S2。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种开关式智能阀门定位器精确控制方法，其特征在于：通过以下步骤实现目标阀位的精确控制：/n步骤A1：通过参数自整定，整定出闭环控制所需的参数和神经网络所需的数据集；/n步骤A2：通过神经网络学习，进行模型构建；/n步骤A3：将目标阀位值，与实时阀位值进行比较；如果误差大于用户设定的精度要求，则进入步骤A4；否则不进行任何操作；/n步骤A4：通过闭环控制，计算出实时的PWM占空比，以及压电开关阀的工作状态；并将此PWM和控制指令输出给压电开关阀，以此控制压电开关阀充气/排气量，实现阀位的精确控制；转入步骤A3，循环执行。/n

【技术特征摘要】
1.一种开关式智能阀门定位器精确控制方法，其特征在于：通过以下步骤实现目标阀位的精确控制：
步骤A1：通过参数自整定，整定出闭环控制所需的参数和神经网络所需的数据集；
步骤A2：通过神经网络学习，进行模型构建；
步骤A3：将目标阀位值，与实时阀位值进行比较；如果误差大于用户设定的精度要求，则进入步骤A4；否则不进行任何操作；
步骤A4：通过闭环控制，计算出实时的PWM占空比，以及压电开关阀的工作状态；并将此PWM和控制指令输出给压电开关阀，以此控制压电开关阀充气/排气量，实现阀位的精确控制；转入步骤A3，循环执行。


2.如权利要求1所述的开关式智能阀门定位器精确控制方法，其特征在于：步骤A1所述的参数自整定，进行以下操作以获得所需的参数：
步骤B1：获得行程类型、端点位置、行程范围FSR；向开关式压电阀输出100％PWM波并且发出充气指令，调整压电阀处于充气状态，实时检测阀位反馈信号和阀杆速度信号，检测出阀杆的最大速度为以及最大速度阀Vup位对应的AD值Sup1，当检测到速度等于0时，立即记录此时阀位AD值即为顶端位置对应的AD值Sfar；向开关式压电阀输出100％PWM波并且发出排气指令，调整压电阀处于排气状态，实时检测阀位反馈信号和阀杆速度信号，检测阀杆的最大速度为Vdown以及最大速度阀位对应的AD值Sdown1，当检测到速度等于0时，立即记录此时阀位AD值即为低端位置对应AD值Snear，行程范围FSR＝|Sfar-Snear|；
步骤B2：获得充气和排气阶段最大超调量对应AD值；向开关式压电阀输出100％PWM波，并且发出充气指令，调整开关式压电阀处于充气状态，实时采集反馈阀位，一旦阀位到达Sup1位置，立即向开关式压电阀发出阀位保持指令，延时10秒钟记录此时阀位对应AD值Sup2，定义充气阶段最大超调量对应的AD值为Sover1＝|Sup1-Sup2|；向压电阀发出充气指令，检测到速度等于0时，立即发出排气指令，调整开关式压电阀为排气状态，实时采集阀位，一旦阀位到达Sdown1位置，立即向开关式压电阀发出阀位保持指令，延时10秒钟记录此时阀位对应AD值Sdown2，定义排气阶段最大超调量对应AD值为Sover2＝|Sdown1-Sdown2|；
步骤B3：获得最小启动PWM；向开关式压电阀发出充气指令和100％PWM，实时采集阀位反馈信号，将阀位调整到x1＝0.5*FSR阀位；此时向开关式压电阀输出0％PWM，PWM以1％为幅度不断增加，直到阀杆可以缓慢均匀的运行，记录并定义此时的PWM值Pup为充气阶段的最小启动PWM，再将阀位控制到x1＝0.5*FSR阀位处，并向开关式压电阀输出0％PWM和排气指令，PWM以1％为幅度不断增加，直到阀杆能够缓慢均匀的运行，记录并定义此时的PWM值Pdown为排气阶段的最小启动PWM，定义启动PWM为Pstr＝|Pup+Pdown|/2；
步骤B4：获取神经网络学习样本数据集；定义S1＝Snear+Sover1，S2＝Sfar-Sover1；
步骤B5：定义Sup＝S1+n*β*FSR表示阀位AD值，P1＝Pstr+m*1％表示PWM占空比大小，m、n的初始值均为1，分别表示当前循环的次数，β表示控制精度，系统出厂默认采用0.5％精度，β取值范围为0～1；
步骤B6：向开关式压电阀发出大小为P1的PWM波，并且发出充气指令，此时开关式压电阀处于充气状态，当检测到阀位到达Sup位置，立即向开关式压电阀发送保持指令，并且记录此时的速度v1和阀位AD值Sup，当检测到速度为0时，记录此时的阀位AD值S'up；速度为v1，阀位AD值为Sup时对应的超调量即为Sup_over＝|Sup-S'up|；并将(v1、Sup、Sup_over)保存到数据集中；
步骤B7：向开关式压电阀发出100％PWM波，并且发出排气指令，此时开关式压电阀处于排气状态，控制阀位运行到S1；n＝n+1,Sup＝S1+n*β*FSR；如果Sup≥S2则Sup＝S1+n*β*FSR其中n＝1，m＝m+1,P1＝Pstr+m*1％，执行步骤B6；如果P1＞100％，n＝1,Sdown＝S2-n*β*FSR,m＝1,P2＝Pstr+m*1％，执行步骤B8；
步骤B8：向开关式压电阀发出100％PWM波，并且发出充气指令，此时开关式压电阀处于充气状态，控制阀位运行到S2；
步骤B9：向开关式压电阀发出大小为P2的PWM波，并且发出排气指令，此时开关式压电阀处于排气状态，当检测到阀位到达Sdown位置，立即向开关式压电阀发送保持指令，并且记录此时的速度v2和阀位AD值Sdown，当检测到速度为0时，记录此时的阀位AD值S'down；速度为v2，阀位AD值为Sdown时对应的超调量即为Sdown_over＝|Sdown-S'down|；并将v2、Sdown、Sdown_over保存到数据集中；
步骤B10：向开关式压电阀发出100％PWM波，并且发出充气指令，此时开关式压电阀处于充气状态，控制阀位运行到S2；n＝n+1,Sdown＝S2-n*β*FSR；如果Sdown≤S1则Sdown＝S2-n*β*FSR其中n＝1，m＝m+1,P2＝Pstr+m*1％，执行步骤B9；如果P2＞100％不进行任何操作。


3.如权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：程前，江爱朋，蒋恩辉，李峰旭，丁强，陈云，夏宇栋，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33