第1章绪论
1.1应用背景与意义
气动阀门广泛应用于工业控制的各个方面，在电力、冶金、石化、城市供排水系统中作为重要技术装备起着关键作用。在实际工业控制过程中，对阀门的流量控制功能要求越来越高，不但控制精度要求高，同时也对控制方式的多样性和灵活性提出了要求。阀门定位器作为阀门的核心控制件，可以改善阀门的静态特性和动态特性，有助于克服由介质引起的不平衡力和执行机构与填充料之间的摩擦力，增加控制的灵活性，同时提高控制精度。因此，除执行器本身的性能改进以外，阀门定位器的发展进步也成了一种必然要求。最初的阀门定位器为纯气动机械力平衡式，但随着工业自动化的发展，传统的手工机械调节的方式在许多场合己不再适用。发展到现在，出现了将微处理器应用于阀门定位器中的智能式电气阀门定位器。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[4]。智能电气阀门定位器除了应具备总线通信功能、数据恢复、流量特性选择等功能之外，另一个至关重要的功能就是一键式自整定功能。传统定位器控制参数整定过程繁琐，需反复调整，费时费力，并且需要操作人员有丰富的控制知识及对控制回路参数整定的丰富经验而智能电气阀门参数自整定则能够自动识别阀门机构尺寸与摩擦力、自动完成零点——满度设置、自动选择最优控制参数等一系列系统控制设定，使得其控制参数整定变的十分简单，并在一定程度上提高了阀门定位的静态特性与动态特性。因此，对智能电气阀门定位器的自整定和控制算法的研究有着十分重要的现实意义。
1.2国内外研究现状
在目前的中国市场上，智能阀门定位器主要以国外品牌为主，国内自主研发、拥有自主知识产权的智能阀门定位器几乎是空白。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HART总线、FF总线等现场总线接口，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，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][6]。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DVC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SIPART系列、山武株式会社生产的SVP系列产品依靠各自具备的特色和稳定可靠的性能，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。如重庆川仪十一厂开发的HVP系列、乐清市自动化仪表九厂开发的SEPP4000等。虽然已经取得了不错的成果，但和国外的产品相比，还控制性能方面还存在较大的差距。
第2章阀门定位器原理
2.1定位器工作原理
本文所涉及的智能阀门定位器专门针对于气动阀门，与阀门和I/P转换单元一起构成完整的闭环控制系统其工作系统框图如图2-1所示：虚线框部分表示智能阀门定位器，主要包括信号处理单元和阀门位置反馈单元两部分。在定位器的一个控制周期内，信号处理单元接收外部定位信号（如4-20mA电流信号，HART数字信号等），通过阀位反馈单元提供的阀门当前位置采样信号，计算输出驱动电信号。I/P转换单元将该电信号转换成相应的气动信号，驱动阀门运动。阀门位置的变化又被阀位反馈单元所感知，由系统实时的采集阀位信号并反馈给信号处理单元进行处理。
2.2 I/P转换单元
本文中所使用的I/P转换单元为喷嘴挡板式I/P转换单元，这种结构的I/P转换单元由气体放大器，恒节流孔，喷嘴，挡板，线圈和气源等组成，具体结构如图2-2所示。通电线圈环绕在铁芯上产生磁力，磁力大小随线圈中电流大小的改变而改变，磁力大时，喷嘴对挡板吸合力就大，磁力小时，喷嘴对挡板吸合力就小。通过改变线圈电流的大小可以有效控制喷嘴与挡板间的距离，从而导致喷嘴一侧的背压改变，进而调节从气体放大器流入阀门的空气流量，最终表现为阀门的位置变化[8]。
2. 3阀门特性分析
气动阀门的结构原理如图2-3所示，由执行结构和阀体两部分构成。执行结构由膜片、推杆和平衡弹簧组成，它是阀门的推动装置，推动阀芯(塞子)动作，使得流经阀体的液体流量受到阀芯所处位置的影响。阀芯与阀杆相连，阀杆的移动受到密封装置所产生的摩擦力（静摩擦和动摩擦）的影响。因此，阀门的阀芯位置受弹簧的弹力（Elastic Force )、输入的空气压力（Air Pressure)和摩擦力(Friction)三者的共同影响，只有在这三个力达到平衡时阀芯位置才能稳定。阀门静摩擦现象比较复杂，如果输入空气压力所产生的推动力不能克服静摩擦力，阀芯位置将不会发生改变。
第3章阀门系统辨识........... 8
3.1 继电反馈原理.......... 9
3.2 阀门系统辨识方法.......... 10
3.2.1 继电反馈辨识算法.......... 10
3.2.2 阀门模型辨识.......... 11
3.3 阀门系统辨识结果.......... 12
3.3.1 气动阀门辨识结果.......... 13
3.3.2 mat lab 仿真验证.......... 15
第4章PID控制方式及其参数整定.......... 17
4.1 PID控制参数整定方法.......... 17
4.1.1 PID 控制.......... 17
4.1.2 常规PID参数整.......... 18
4.1.3 基于误差性能指标的整定规则.......... 19
4.2 基于ISTE值最小的PID参数整.......... 20
4.3 定位器PID控制算法.......... 24
第5章定位器自整定算法与控制算法实现.......... 29
5. 1 定位器工作流程.......... 29
5. 1. 1 控制参数在flash中的存储.......... 30
5. 1. 2 整定模式与控制模式转换.......... 32
5.2 定位器控制参数自整定实现.......... 32
5. 2. 1 定位器对阀门特征参数的识别.......... 34
5.2.2 阀门PID控制参数整定.......... 37
5. 3 定位器控制算法实现.......... 38
结论
本文对釆用喷嘴挡板式i/P转换单元的智能电气阀门定位器，在前期定位器硬件系统基本成型的基础上，主要针对其软件流程和定位控制算法做了大量研究与实验，提出了能具有不同规格气动阀门通用性并且达到相关控制要求的自整定算法与控制算法。经过两年时间的研究幵发，最终实现了以下成果：
(1) 能够对气动阀门进行基于继电反馈法的系统辨识，得到气动阀门整体的一个较为精确的一阶惯性加纯滞后模型。
(2) 实现了在系统辨识得到的数学模型的基础上，利用matlab进行系统仿真。通过对比研究确定了 ISTE准则作为PID控制参数寻优方法，并且个出了具体的matlab计算过程与方法。结合阀门的数学模型，能够给出相应的具有良好控制效果的PID控制参数。
(3) 在传统PID控制的基础上，结合定位器对阀门控制的实际情况，给出了分段式PID控制方法。实现了在matlab上分段式PID控制参数的寻优。
(4) 实现了定位器的控制参数自整定。将对阀门的系统辨识进行简化，使之能够在线对不同规格阀门的特征参数进行识别，并通过查表法得到相应的控制参数。
虽然智能电气阀门定位器的研发已经取得了重大成果，能实现一键式自整定，能够达到实际工业应用中的相关控制要求，但相对于一个成熟的能够量产的工业产品而言还得进行一些相关工作，并且在有几个技术方面还可以有改进或者进一步研究的地方。
参考目录
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