工业锅炉用智能气动阀门定位控制器的研究.pdf

2 0 1 0年 1月 第 3 8卷 第 2期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I CS J a n ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 2 ． 0 3 0 工业锅炉用智能气动阀门定位控制器的研究 王素凤 ，高欣 河北科技大学唐山分院机 电系，河北唐山 0 6 3 0 2 0 摘要 根据工业锅炉的实际情况，选择开关阀作为阀门定位器的控制元件 ，并选择基于 P I D的 P WM作为系统的控制 策略。介绍了阀门空位系统的构成，通过对控制器软硬件的设计 ，开发了智能气动阀门定位器专用控制器，通过实验验证 了该系统的定位精度、鲁棒性以及稳定性 ，结果表明该控制器完全达到设计要求。 关键 词 开关 阀；P WM；定位精度 ；单片机 中图分类号T P 2 4 1 ． 1 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 0 8 0 3 Re s e a r c h o n t he I n t e l l i g e n t Pne uma t i c Va l v e Po s i t i o n Co nt r o l S y s t e m f o r I nd u s t r i a l Bo i l e r WA NG S u f e n g ，GA0 Xi n H e b e i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y T a n g s h a n B r a n c h ，T a n g s h a n H e b e i 0 6 3 0 2 0，C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e a c t u a l s i t u a t i o n o f i n d u s t r i a l b o i l e r s ． s t c h v a l v e w a s s e l e c t e d a s c o n t r o l c o mp o n e n t s o f v a l v e p o s i t i o n c o n t r o l l e r ，a n d P W M b a s e d o n P I D c o n t r o l w a s s e l e c t e d t o c o n t r o l t h e s y s t e m o f i n d u s t r i a l b o i l e r s ． T h e mo d e l o f s wi t c h v alv e wa s s e l e c t e d ． An i n t e l l i g e n t p n e u ma t i c v alv e p o s i t i o n c o n t r o l l e r wa s d e v e l o p e d，i t s h a r d wa r e a n d s o f t w are wa s d e s i g n e d ． T h e e x p e ri me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h i s s y s t e m h a s h i g h p o s i t i o n i n g a c c u r a c y，g o o d r o b u s t n e s s a n d s t a b i l i t y ． I t f u l l y me e ts t h e d e s i gn r e q u i r e me n t s ． Ke y wo r ds S wi t c h v a l v e； PWM ；Po s i t i o n p r e c i s i o n； MCU 0 引言 工业锅炉是我 国重要的热能动力设备 ，年耗煤 量 占全国原煤产量 的 1 ／ 3 。但大多数工业锅 炉仍处于 能 耗高 、浪费大、环境污染严重等生产状态 ，需要进行 技术改造。作者所研究的智能气动阀门定位器为锅炉 改造及相似应用提供了支持。 主要研究内容为使用开关阀控制气缸，采取适 当的控制策略，以较低的成本 ，构造了具有一定控制 精度 、能够适应较为恶劣的外部环境并具有很好鲁棒 性的阀门定位器 ，为工业锅炉的节能改造及类似应用 提供硬件支持。 1 系统 构成及 特点 1 ． 1 系统构成 系统构 成如 图 1所示 。气缸 用于驱 动阀 门插板 ， 4个高速开关阀控制气缸。控制器根据安装在气缸上 的位移传感器控制气缸活塞杆的位移，从而达到控制 阀门开度的 目的。 在 图 1中 ，位移传感器用于测量气缸 的位移 ；气 缸控制阀门开度；开关阀驱动电路用于控制开关 阀； 变送器用于将传感器采集到的微弱的信号放大 ，以便 转送或启动控制元件 ，或将传感器输入的非电量转换 成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源， 根据需要还 可将模拟量变换为数字量 ；位置指令用于 向系统输入位置指令 ；外部数字指令接受外部非程序 性指令 ，主要起保护系统的作用 ；控制器主要实 现控 制策略；4～2 0 m A阀位信号通信接 口用于将阀口的 位置信号上传至远程控制中心。 图 1 阀 门定 位 系统 的构 成 1 ． 2 开关阀式气动位置系统特点 1 开关阀动作速度快、结构简单，所以开关 阀式气动伺服系统具有频响较高 、抗干扰能力强 、结 构简单、成本低廉和对环境要求不高等优点。 2 由于阀处于全开或全关 状态 ，过流 面积 大 ， 收稿 日期 2 0 0 9 0 1 0 4 作者简介 王素凤，硕士研究生，从事 自动化和机电方面的教学和科学研究。电话1 5 1 3 3 9 9 2 2 9 8 ，E m a i l s p a c e b a r ． 2 0 0 8 1 6 3． c o m。 第 2期 王素风 等 工业锅炉用智能气动 阀门定位控制器 的研究 8 1 减少了污染物堵塞的可能性 ，可靠性高 ，消除多种 非线性因素如 干摩擦等 的影 响。 3 阀的加工精度低，成本低。 4 由于开关 阀始 终工 作 在 开 或者 关 的状 态 ， 存在着一定 的开关死 区，所 以容易在平衡点附近产生 极限环振荡 。 从上面的叙述可 以看 出，开关 阀具 有结 构简单 、 价格便宜 、抗污染能力强 、容 易维护等优点 ，虽然 阀 的开关动作产生流量脉动会影响系统 的精度 、阀的开 关切换特性会形成零位死 区 ，但其本身所具有 的特点 再加上控制策略的弥补，应用仍较广泛。 2系统控制器的设计 2 ． 1 控制 器的硬 件设 计 控制器功能结构见 图 2所示 ，可分 为 4个模块 。 图2 控制器硬件功能结构图 第 1 模块为主体，包括 b l C U芯片，电源处理 、 扩展外部存储 器 R A M、A ／ D转 换 电路 、D ／ A转换 电 路 、R S 2 3 2 通信 、C A N总线 、仿真及逻辑 电平转换等 电路 ，此模块为控制器的核心部分 ；第 2 模块为显示 与控制 ，包括液晶显示 、控 制指示 灯 以及 控制按 钮 ， 其主要功能是显示 D A输 出的位 置 、各种工作状态 及 系统各参数 ，完成 自动 、手 动、联机 、复位 等功 能 ； 第 3模 块 为 远 程 控 制 和 提 供 各 种 外 部 接 口，包 括 R S 2 3 2 、复位 、仿真 以及远 程控制按 钮 、远程 控制指 示灯操作接 口；第 4 模 块为 电源 。通过 A C ． D C模块 ， 将 2 2 0 V交流 电压转换 为 2 4 V、 1 2 V和 5 V直流 电压 。 2 ． 2 控 制器 的软件 设计 程序采用 c语言编程。为了便于程序的维护和 修改，缩短程序的开发时间，采用了模块化的程序设 计方法，主要包括主程序、跟踪 D ／ A、显示子程序、 按键处理子程序 、液晶跟踪显示参数子程序、远程控 制子程序、通信子程序、同步串口子程序、异步串口 子程序、定时采样子程序和 A ／ D中断 控制算法 子程序。其关系如图3所示。 图 3 控制 系统软件结构 图 由于硬件设计大部分采用串口实现这些功能 ，因 此在 软 件 设 计 上 需 要 对 外 部 中 断 、定 时 器 、S P I 、 M C B S P 、S C I 、E C A N模块等 的时钟频率合理设置使 各 串 口之 间能够协调地工作 ，另外在编程时需要正确 设置 中断源 的优先级 ，以达到实时控制 的 目的 。 3 基于 P I D的 P WM阀门定位器控制策略研究 气缸 的每个腔室连接两个开关 阀，开关 阀 1 和开 关阀3 从气源向气缸提供压缩气体 ，开关阀2和开关 阀4把气缸内的压缩气体释放到大气中。控制开关阀 适时的打开和关闭，进而控制气缸两腔充气或放气， 从而推动活塞的往复运动，最后使活塞移动到设定位 置。一旦 活塞 到达设定位置 ，关 闭所有 的开关 阀，使 气缸两腔封闭 ，活塞位 置不再 改变 。 开关 阀 的控 制 信 号 采 用 P WM 脉 宽 调 制 控 制。该设计中脉宽周期 设定为4 0 m s ，开关阀开启 时间 在脉宽周期范围内可变。P WM控制信号的占 空 比根据关 系式 d ／ 1 0 0 ％ 可 以看到 占空 比可 以从 0变化到 1 0 0 ％ 。P WM控 制称为脉冲宽度调制控制 ，其 原理是使用一个正弦信 号对一个控制信号 e t 进行调制 ，用调制后的控制 信号z e t 作为新 的控制信号 ，如图4所示。在一定 的时间周 期 内 ，这 个 新 的控制信号与原控制信 号在控制结果上基本等 基 价 ，其原 因在于大多数 系统都是一个低通滤波 ■l 器 ，可 以把 t 的高 频分量滤掉，最终剩下 Si l l ． P f 『 、 l I l l t I I I l 2 3 4 5 6 7 8 t l s 与原控制信号 e t 等价 图4 脉冲宽度调制原理图 的低频分量 。 8 2 机床与液压 第3 8卷 控制信号 U t 由 P I D控制算法来确定 ，为避免 执行器在设定位置附近频 繁地轻微振荡 ，当位置偏差 e t 在设定的很小范围占 死区内时，设置控制信 号 M t 为 0 。 扮㈩ 】 I e l l o I e I ≤ 4实验及分析 4 ． 1 阀 门定位 实验 在所设计的控制器上分别输入不同的定位位置进 行定位实验 ，其响应 曲线如图 5 、6所示。 O 鑫 一0 矗 ．0 昌 趟 j二 鏖 0 20 4 O 6O 8O l 0O 0 2 O 4O 6 O 80 1 0O f ， s f ， s 图5 阀门定位距离为 图6 阀门定位距离为 0 ． 1 l m处响应曲线0 ． 0 5 m处响应曲线 4 ． 2 阀 门控制 器对 干扰 的响应 控制系统在工作过程目 中，总 会 受 到 外 界 的 干 蠢 扰。 一个良 好的控制系星 统 ，应对外界干扰有足够 目 的抵 抗 能 力 。在 该 系 统 系 篓 竺 二 二 图 7阀 门 控 制 器 对 干 干 扰 力 ， 系统的响应如 图 一 7所 不 。 4 ． 3 阀 门控制 器稳 定性 实验 该系统要求在很长一段时间内能够保持一定的位 置精度 ，图 8 、 9分别是系统在 2 O 0 0 s 和 3 5 0 0 s的时 问范 围内位移 曲线。 0 黑． 0 趟 一 0 庭 ． 0 0 O 0 昌 划 一 一 屡 图8 阀门控制器 2 0 0 0 s 图9 阀门控制器3 5 0 0 s 内的位移曲线响应 内的位移曲线响应 5结论 建立了智能气动阀门定位器专用控制器，通过试 验对实 际系统进行 了检验 ，包括 系统在不 同位置的定 位精度 检验 ，系统的抗干扰能力以及 系统长时稳定性 的检验等 。通过实验可以证明 ，作者所完成的工作达 到了预期 的 目标 ，所设计 的控制器可以很好 的应用于 实 际系统 。 参考文献 【 1 】李智， 林风云， 谈世哲， 等． 气动位置控制系统 P C M控制 方式的研究[ J ] ． 青岛大学学报 工程技术版， 1 9 9 7 ， 1 2 4 5 35 8 ． 【 2 】 陈萍， 彭光正， 赵彤． 带锁定装置气缸的 P WM位置伺服 控制系统的研究[ J ] ． 机械制造及 自动化 ， 2 0 0 0， 1 4 1 2l一2 4． 【 3 】 杭志奇， 杜志军， 张建生． 工业锅炉节能降耗的技改措施 [ J ] ． 中国能源 ， 2 0 0 3 5 4 4 4 7 ． 【 4 】张志义 ， 孙蓓， 黄元峰． 高速开关阀位置控制方法[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 5 5 1 2 61 2 8 ． 【 5 】曹会发 ， 陶国良， 周洪． 基于高速开关阀的气动执行器位 置伺服控制[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 6 1 6 7～ 6 9 ． 上接 第4 7页 5结论 通过 A ME S i m软件对 电液 比例节流阀设计方案进 行准确建模仿真 ，确定 了电液 比例节流 阀的主要结构 参数 ，成 功完成 了电液 比例节流阀的设计 、制造 和性 能试验 ，试验证 明 ，电液 比例节流阀的各项性能指标 均满足设计要求 。 ． 参考文献 【 1 】黄人豪． 二通插装阀控制技术及其应用[ M] ． 上海实用 科技研究 中心 ， 1 9 8 5 ． 【 2 】王庆国． 二通插装阀控制技术[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 1 ． 【 3 】 吴根茂． 新编实用电液比例技术[ M] ． 杭州 浙江大学出 版社 ， 2 0 0 6 ． 上接第 1 1 6页 G O 3 X 0 ． Z - 9 7 ． 5 R 6 7 ． 5 ； 圆弧插补 G O 0 Z 1 2 0 ． 0 ； 快速退刀 I F [ 5 0 0 G T 0 ． ]G O T O 1 0 ； 判断是否切削至最后一刀 M 3 0 ； 程序结束 5总结 基于宏程序的坐标平移方法，使程序编写简洁易 懂。以 F A N U C 0 i 系统为例， 对其他数控系统可根据 其系统参数号的具体定义， 参照文中的编程思路 ，可 实现对类似加工内容的程序编制。 参考文献 【 1 】 顾京， 等． 数控机床加工程序编制 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 2 】F A N U C S e r i e s O i T C操作说明书．