一种进气自动调节辅助定位装置及方法

技术领域

本发明涉及一种智能自动化仪表，特别是涉及一种进气自动调节辅助定位装置及方法。

背景技术

阀门定位器是气动调节阀的控制核心，主要用于改善气动调节阀的特性，增加气动调节阀控制的灵活性，以及提高气动调节阀控制的速度和精度，对气动调节阀和整个控制系统起着决定性的作用。气动调节阀的动静态特性不仅受行程类型、阀缸大小、调节阀安装角度、填料质量等静态参数影响，而且受到工作负荷、气源压力、环境温度等动态参数的影响。从而导致控制精度受到很大影响，同时还可能引起超调和震荡现象的产生。所以在如何开发配套装置并自动控制进气量使得定位器的通用性好，精度高就变得额外重要。

目前，在空压机与智能阀门定位器的气管线路上控制进气量的装置有节流阀。但是节流阀流量稳定性较差，只能用于负载变化不大或对速度控制精度要求不高的系统中，也无法形成自动控制。此外，国外的定位算法配套装置上仅有手动控制进气量大小的装置，但是效果不好，需要经验调试。正因如此，国内更应加大力度自主开发自动控制进气量装置，快速占据全球市场份额，不再让国外市场长期占领阀门定位器领域的主导地位。

发明内容

本发明针对空压机与压电阀进气口之间对进气量控制精度不足以及没有与定位算法相配合的问题，提供了一种进气自动调节辅助定位装置及方法。

一种进气自动调节辅助定位方法，具体包括如下步骤：

步骤A1：将进气自动调节辅助定位装置与调节阀装有智能阀门定位器的压电阀的进气端口进行连接，并将开度设置为45％-50％；用户输入标准阀门行程时间t

步骤A2：建立行程时间与进气嘴进气量的数学模型，并计算调节阀所需调节的进气量大小；具体包括如下步骤：

步骤C1：将管线与进气嘴所组成的系统等效为一个收缩喷嘴，把气动流过进气嘴的过程看成是一种理想气体通过收缩喷管的一维等熵流动，并建立能量方程：dh+vdv＝0；其中，dh为入口处高度的微分；v为入口流速，单位是mm/s；dv为入口流速的微分；

步骤C2：对步骤C1建立的能量方程进行积分后，得：

步骤C3：将h

步骤C4：由气体状态方程P＝ρRT，代入式

步骤C5：对于等熵流动

步骤C6：理想气体通过进气嘴的进气量为：

步骤C7：调节阀全开时，此时进气或排气所需量最大，行程时间越长，气缸内气体的增加或减少量就越多，因此导致压力变化量越大；反之行程时间越短，进气和排气量就越少，调节阀气缸内气体压力的变化量就越小；因此得出输出量Q

步骤C8:调节阀所需调节的进气量为：Q

步骤A3：用户输入目标阀位值r(t)与实时阀位值c(t)进行比较，如果误差大于设定的精度，进入定位算法的闭环控制阶段步骤A4；如果误差小于设定的精度，则表示到达目标位置；

步骤A4：根据步骤A2计算的进气量，由智能微处理器反馈自动调节装置开度；具体包括如下过程实现：

步骤D1:定义ε＝β*FSR,e

步骤D2：当阀位处于粗调区内时，采用Bang-Bang控制,并保持原始开度不变；当阀为处于细调区内时，则进入步骤D3；当阀位处于死区内时，阀位到达目标位置，闭环控制算法结束；

步骤D3：根据步骤A2所计算出的所需进气量，智能微处理器发出对应调节信号；如果调节阀为大阀，则增加

步骤D4：杆芯紧紧贴在推杆底部，通过流量调节手轮，可使推杆沿轴向移动，改变进气腔和出气腔之间的流通面积，即能够调整装置开度，自动控制进气量大小；也能够通过手动旋转流量调节手轮，实现装置手动控制。

进一步的，所述的参数自整定阶段具体包括如下过程：

步骤B1：确定行程类型；给压电阀发出排气信号，将气缸内的气体全部排空，记录当前阀位反馈值；给压电阀发出进气信号，进气30-40秒后判断阀位反馈值的变化方向；若当前阀位反馈值小于初始阀位反馈值，则可判断该阀位是正行程，反之为反行程；

步骤B2：整定阀门行程范围FSR；发出充气指令，速度采集模块一旦检测到阀杆速度为0，记此刻位置为顶端位置，对应的AD值(AD值表示模拟信号转换成数字信号的数值)X

步骤B3：计算出行程时间t

步骤B4：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，当检测出阀位移动的速度达到最大值时，记录此阀位对应的AD值为S

所述的进气自动调节辅助定位装置包括主体、进气嘴、流量调节手轮、推杆、杆芯、不锈钢弹簧、步进电机模块、进气腔和出气腔；推杆设置在主体中部，将主体内腔为进气腔和出气腔；推杆的一端固定设置有流量调节手轮，流量调节手轮内设置有步进电机；步进电机带动流量调节手轮旋转，从而带动推杆在垂直方向上移动；推杆的另一端设置有杆芯，杆芯为空心状，用于出气腔与进气腔之间介质的导通，当推杆在垂直方向移动时，杆芯伸长或缩短；进气腔进气端设置有进气嘴；主体内腔底部与推杆对应位置设置有不锈钢弹簧。

本发明通过自动调节装置开度可以将定位控制算法达到最优控制，克服了以往采用手动控制带来的不准确性问题。另外，通过与定位算法匹配们可以提高控制过程的快速性，避免阀杆过冲带来的回调问题和阀杆速度过快带来的震荡问题。

附图说明

图1为本发明装置的内部结构示意图；

图2为气体通过收缩喷管的流动示意图。

图3为调节阀闭环控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本命的技术方案进行详细说明：

如图1所示，一种进气自动调节辅助定位装置包括主体1、进气嘴6、流量调节手轮2、推杆3、杆芯4、不锈钢弹簧5、步进电机模块9、进气腔8和出气腔7。推杆3设置在主体1中部，将主体1内腔为进气腔8和出气腔7；推杆3的一端(顶部)固定设置有流量调节手轮2，流量调节手轮2内设置有步进电机9。步进电机9带动流量调节手轮2旋转，从而带动推杆3在垂直方向上移动；推杆3的另一端(底端)设置有杆芯4，杆芯4为空心状，用于出气腔与进气腔之间介质的导通，当推杆3在垂直方向移动时，可以使杆芯4伸长或缩短；进气腔8进气端设置有进气嘴6；主体1内腔底部与推杆对应位置设置有不锈钢弹簧5，初始时不锈钢弹簧5处于未压缩状态，随着杆芯4的伸缩，不锈钢弹簧5变为压缩状态(如图1中不锈钢弹簧的状态)，从而改变出气腔7与进气腔8之间的开度，最终实现装置气体从进气嘴6的进气与主体1的通气过程。本装置通过智能微处理器的参数自整定过程，整定行程时间与用户输入的标准阀门时间做比较，另外建立行程时间与装置口处的进气量数学模型，明确进气量所需大小。由智能微处理器发出控制信号，步进电机模块接收对应信号，带动该装置运动，从而实现与定位算法相匹配。

用于上述装置的进气自动调节辅助定位方法，具体包括：

步骤A1：将进气自动调节辅助定位装置与调节阀装有智能阀门定位器的压电阀的进气端口进行连接，并将开度设置为45％-50％。用户输入标准阀门行程时间t

参数自整定阶段具体包括如下过程：

步骤B1：确定行程类型。给压电阀发出排气信号，将气缸内的气体全部排空，记录当前阀位反馈值；给压电阀发出进气信号，进气30-40秒后判断阀位反馈值的变化方向。若当前阀位反馈值小于初始阀位反馈值，则可判断该阀位是正行程，反之为反行程。

步骤B2：整定阀门行程范围FSR。发出充气指令，速度采集模块一旦检测到阀杆速度为0，记此刻位置为顶端位置，对应的AD值(AD值表示模拟信号转换成数字信号的数值)X

步骤B3：计算出行程时间t

步骤B4：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，当检测出阀位移动的速度达到最大值时，记录此阀位对应的AD值为S

步骤A2：建立行程时间与进气嘴6的进气量数学模型，并计算调节阀所需调节的进气量大小。

数学建模阶段具体包括如下过程实现：

步骤C1：由于气体是可压缩的，将管线与进气嘴6所组成的系统等效为一个收缩喷嘴来计算，把气动流过进气嘴6的过程看成是一种理想气体通过收缩喷管的一维等熵流动，如图2所示，并建立能量方程：dh+vdv＝0；其中，dh为入口处高度的微分；v为入口流速，单位是mm/s；dv为入口流速的微分。

步骤C2：对能量方程进行积分后，得：

步骤C3：将h

步骤C4：由气体状态方程P＝ρRT，代入式

步骤C5：对于等熵流动

步骤C6：理想气体通过进气嘴6的进气量为：

步骤C7：调节阀全开时，此时进气或排气所需量最大，行程时间越长，气缸内气体的增加或减少量就越多，因此导致压力变化量越大。反之行程时间越短，进气和排气量就越少，调节阀气缸内气体压力的变化量就越小。因此得出输出量Q

步骤C8:调节阀所需调节的进气量为：Q

步骤A3：用户输入目标阀位值r(t)与实时阀位值c(t)进行比较，如果误差大于设定的精度，进入定位算法的闭环控制阶段步骤A4。如果误差小于设定的精度，则表示到达目标位置。

步骤A4：根据步骤A2计算的进气量，由智能微处理器反馈自动调节装置开度。具体包括如下过程实现：

步骤D1:定义ε＝β*FSR,e

步骤D2：当阀位处于粗调区内时，采用Bang-Bang控制,并保持原始开度不变；当阀为处于细调区内时，则进入步骤D3；当阀位处于死区内时，阀位到达目标位置，闭环控制算法结束。

步骤D3：根据步骤A2所计算出的所需进气量，智能微处理器发出对应调节信号。如果调节阀为大阀，则增加

步骤D4：杆芯4紧紧贴在推杆底部，通过流量调节手轮2，可使推杆3沿轴向移动，改变进气腔8和出气腔7之间的流通面积，即可调整装置开度，自动控制进气量大小。

步骤D5：手动旋转流量调节手轮2，即可实现装置手动控制。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。