專利名稱：一種用于普通電動閥門的無振蕩高靈敏度控制器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬自動化儀表技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種能夠?qū)ζ胀妱娱y門實(shí)現(xiàn)無振蕩高靈敏度調(diào)節(jié)的控制器及其控制方法。
背景技術(shù)：
電動閥門由閥門和電動執(zhí)行器(Electronic Actuator)組成，電動執(zhí)行器由電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、限位機(jī)構(gòu)、過力矩保護(hù)機(jī)構(gòu)及位置反饋裝置等部件組成。電動執(zhí)行器使用電能作為驅(qū)動力，控制閥門完成開關(guān)或調(diào)節(jié)動作，從而實(shí)現(xiàn)對管道介質(zhì)進(jìn)行開關(guān)或調(diào)節(jié)的目的。電動閥門具有能源取用方便、信號傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、便于集中控制、靈敏度和精度較高、與電動調(diào)節(jié)儀表配合方便以及安裝接線簡單等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、冶金、環(huán)保、輕工、教學(xué)和科研設(shè)備等行業(yè)的工業(yè)過程自動控制系統(tǒng)中。電機(jī)是電動閥門開度調(diào)節(jié)的動力裝置，電機(jī)按功能劃分可分為驅(qū)動用電機(jī)和控制用電機(jī)?？刂朴秒姍C(jī)有伺服電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)等類型，該類電機(jī)成本較高，控制接口相對復(fù)雜，對使用和維護(hù)有較高的要求。驅(qū)動用電機(jī)成本低，控制接口簡單，使用和維護(hù)非常方便，因此在實(shí)際應(yīng)用中，以驅(qū)動用電機(jī)為動力的普通電動閥門占有很大比例。電動閥門有不同的分類方式，如果按公稱通經(jīng)分類，公稱通徑DN ( 40mm的閥門屬于小通徑閥門，全行程時(shí)間有5秒、10秒、15秒、30秒、60秒、120秒等類型，該類閥門具有體積小、重量輕、連線簡單、調(diào)節(jié)精度較高等特點(diǎn)。電動閥門控制器是上位控制系統(tǒng)與電動執(zhí)行器的接口單元，接受上位控制系統(tǒng)輸入的4-20mA (1-5V) 或0_20mA (0-5V)等標(biāo)準(zhǔn)信號，該信號對應(yīng)閥門從全關(guān)到全開的整個(gè)行程。具有開度調(diào)節(jié)功能的電動閥門使用電位器或標(biāo)準(zhǔn)電流信號作反饋，與可接受電位器反饋信號或標(biāo)準(zhǔn)電流信號的控制器配套使用。電動閥門控制器通常以單片機(jī)為控制核心(如圖1所示)，通過A/D轉(zhuǎn)換器采集上位控制系統(tǒng)輸入的閥門開度控制信號及閥門的位置反饋信號并進(jìn)行比較。當(dāng)輸入信號大于反饋信號時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，閥門開度增大；當(dāng)輸入信號小于反饋信號時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，閥門開度減?。划?dāng)輸入信號與反饋信號相等時(shí)(或小于死區(qū)時(shí))，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。在閥門開度的調(diào)節(jié)過程中，該類控制器采用的是閉環(huán)控制的工作方式。為了保證閥門開關(guān)的定位精度，須調(diào)節(jié)控制器的靈敏度范圍。靈敏度范圍小，定位精度聞，但容易廣生振蕩。靈敏度范圍大，不容易廣生振蕩，但定位精度低。因此，現(xiàn)有的電動閥門控制器難以同時(shí)兼顧控制的靈敏度和定位精度。在實(shí)際使用時(shí)，只能在兩者之間找到相對平衡，但即使是通過調(diào)整投入正常使用的閥門，在使用一段時(shí)間后，由于機(jī)械磨損等原因，閥門的定位精度與靈敏度會發(fā)生變化，當(dāng)閥門的定位精度與靈敏度之間的平衡被破壞后，閥門便難以滿足控制要求，嚴(yán)重時(shí)電動執(zhí)行器會出現(xiàn)振蕩，結(jié)果導(dǎo)致齒輪來回轉(zhuǎn)動、電機(jī)發(fā)熱甚至設(shè)備損壞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對電動閥門控制技術(shù)存在的上述缺陷提出了一種新的解決方案，該解決方案能最大限度地提高普通電動閥門的調(diào)節(jié)靈敏度，而且完全消除了電動閥門在使用過程中出現(xiàn)振蕩的可能性，本發(fā)明能夠從根本上解決電動閥門調(diào)節(jié)靈敏度與調(diào)節(jié)精度兩者之間固有的矛盾，特別是在小通徑電動閥門的開度調(diào)節(jié)方面具有同類產(chǎn)品不可比擬的優(yōu)勢。本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
一種用于普通電動閥門的無振蕩高靈敏度控制器，該控制器以單片機(jī)為控制核心，夕卜圍電路采用包括閥位控制信號輸入模塊、閥位反饋信號輸入模塊、存儲模塊、“WatchDog”模塊、電源模塊、LED/LCD顯示模塊、控制參數(shù)設(shè)置模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、閥位反饋信號輸出模塊，以上模塊分別與單片機(jī)連接。該控制器可接受上位控制系統(tǒng)(如PLC、DCS、計(jì)算機(jī)、智能儀表等)輸入的4-20mA(1-5V)或0-20mA (0-5V)等標(biāo)準(zhǔn)信號，該輸入信號對應(yīng)閥門從全關(guān)到全開整個(gè)行程的相應(yīng)位置。該控制器在進(jìn)行閥門開度調(diào)節(jié)時(shí)，將本次輸入信號與上次輸入信號的增減量換算成電機(jī)通電時(shí)間的長短，通電時(shí)間一到立即切斷電機(jī)的供電電源，從而達(dá)到閥門開度調(diào)節(jié)的目的，在閥門開度的調(diào)節(jié)過程中，控制器采用的是開環(huán)控制的工作方式；控制器在閥門開度調(diào)節(jié)完成后，再采集閥門的位置反饋信號，并將該信號回傳給上位控制系統(tǒng)，上位控制系統(tǒng)將該信號作為下一次閥門開度調(diào)節(jié)輸出信號的基準(zhǔn)值。本發(fā)明特點(diǎn)之一是，該控制器通過控制電機(jī)的通電時(shí)間來實(shí)現(xiàn)閥門的開度調(diào)節(jié)。在進(jìn)行閥門的開度調(diào)節(jié)時(shí)，控·制器將本次輸入信號與上次輸入信號的增減量換算成電機(jī)通電時(shí)間的長短，通電時(shí)間一到立即切斷電機(jī)的供電電源，從而達(dá)到閥門開度調(diào)節(jié)的目的。由于控制時(shí)間一到便切斷了電機(jī)的供電電源，所以從根本上消除了電動執(zhí)行器出現(xiàn)振蕩的可能性。本發(fā)明特點(diǎn)之二是，該控制器具有控制參數(shù)的設(shè)置功能?？刂茀?shù)主要包括電動閥門的全行程時(shí)間、電動閥門的最小動作時(shí)間(死區(qū))。由于可以通過控制參數(shù)設(shè)置模塊設(shè)置電動閥門的最小動作時(shí)間(死區(qū))，因此能最大限度地提高電動閥門的控制靈敏度。本發(fā)明特點(diǎn)之三是，該控制器在閥門開度的調(diào)節(jié)過程中，采用的是開環(huán)控制的工作方式。在進(jìn)行閥門開度調(diào)節(jié)時(shí)，只要電機(jī)的通電時(shí)間未到，控制器并不采集閥門的位置反饋信號。只有在電機(jī)的通電時(shí)間到后，即本次閥門開度調(diào)節(jié)完成后，控制器再采集閥門的位置反饋信號，并將該信號回傳給上位控制系統(tǒng)，上位控制系統(tǒng)將該信號作為下一次閥門開度調(diào)節(jié)輸出信號的基準(zhǔn)值。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖(閉環(huán)控制)；
圖2是本發(fā)明的電動閥門無振蕩高靈敏度控制器結(jié)構(gòu)示意圖(開環(huán)控制)。
具體實(shí)施例方式如圖2所示:本發(fā)明的電動閥門無振蕩高靈敏度控制器以單片機(jī)為控制核心，各功能模塊包括閥位控制信號輸入模塊、閥位反饋信號輸入模塊、存儲模塊、“WatchDog”模塊、電源模塊、LED/LCD顯示模塊、控制參數(shù)設(shè)置模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、閥位反饋信號輸出模塊分別與單片機(jī)連接。其中，閥位控制信號輸入模塊及閥位反饋信號輸出模塊用于和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)閥位信息交換；參數(shù)設(shè)置模塊用于完成電動閥門的全行程時(shí)間、電動閥門的最小動作時(shí)間(死區(qū))等主要控制參數(shù)的設(shè)置；電機(jī)驅(qū)動模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對電動閥門的開關(guān)控制，是電機(jī)的接口控制單元；存儲模塊用于保存控制器的運(yùn)行參數(shù)；“WatchDog”模塊實(shí)現(xiàn)控制器防死機(jī)功能；LED/IXD顯示模塊用于顯示控制器的工作狀態(tài)。本控制器的控制方法是通過閥位控制 信號輸入模塊接受上位控制系統(tǒng)(如PLC、DCS、計(jì)算機(jī)、智能儀表等)輸入的4-20mA (1-5V)或0_20mA (0-5V)等標(biāo)準(zhǔn)信號。由于同一種規(guī)格型號的電動閥門開關(guān)的全行程時(shí)間是相對固定的，因此在進(jìn)行閥門開度調(diào)節(jié)時(shí)，可以將本次閥門開度調(diào)節(jié)的信號增量換算成電機(jī)通電工作的時(shí)間長短，通過控制電機(jī)電源的正反向接通時(shí)間即可達(dá)到閥門開度調(diào)節(jié)的目的。由于控制時(shí)間一到便切斷了電機(jī)的供電電源，所以從根本上消除了電動執(zhí)行器出現(xiàn)振蕩的可能性。以全行程時(shí)間為30秒的電動閥門為例，假設(shè)該電動閥門的最小動作時(shí)間設(shè)置為t，控制器接受上位控制系統(tǒng)輸入的4-20mA (1-5V)標(biāo)準(zhǔn)控制信號，并通過A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)采集該信號，假設(shè)該信號的增量為AV，則電機(jī)的通電時(shí)間T=| AV|X30X1000/4 (毫秒)，具體控制算法如下:
I)當(dāng)AV>0且T>t時(shí)，本控制器控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，通電時(shí)間為T。2)當(dāng)AV > O且T彡t時(shí)，本控制器控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，通電時(shí)間為t。3)當(dāng)AV < O且T > t時(shí)，本控制器控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，通電時(shí)間為T。4)當(dāng)AV < O且T彡t時(shí)，本控制器控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，通電時(shí)間為t。5)通電時(shí)間一到，即切斷電機(jī)的供電電源，控制器采集閥門的實(shí)際位置反饋信號，并將該信號回傳給上位控制系統(tǒng)。6)上位控制系統(tǒng)將該閥門位置反饋信號作為閥門下一次開度調(diào)節(jié)輸出控制信號的基準(zhǔn)值。
權(quán)利要求
1.一種用于普通電動閥門的無振蕩高靈敏度控制器，其特征在于，以單片機(jī)為控制核心，外圍電路采用包括閥位控制信號輸入模塊、閥位反饋信號輸入模塊、存儲模塊、“WatchDog”模塊、電源模塊、LED/IXD顯示模塊、控制參數(shù)設(shè)置模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、閥位反饋信號輸出模塊，以上模塊分別與單片機(jī)連接。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于普通電動閥門的無振蕩高靈敏度控制器的控制方法，其特征在于，控制器在進(jìn)行閥門開度調(diào)節(jié)時(shí)，將本次輸入信號與上次輸入信號的增減量換算成電機(jī)通電時(shí)間的長短，通電時(shí)間一到立即切斷電機(jī)的供電電源，從而達(dá)到閥門開度調(diào)節(jié)的目的，在閥門開度的調(diào)節(jié)過程中，控制器采用的是開環(huán)控制的工作方式；控制器在閥門開度調(diào)節(jié)完成后，再采集閥門的位置反饋信號，并將該信號回傳給上位控制系統(tǒng)，上位控制系統(tǒng)將該信號作為下一次閥門開度調(diào)節(jié)輸出信號的基準(zhǔn)值。
全文摘要
一種用于普通電動閥門的無振蕩高靈敏度控制器及其控制方法，其中該控制器結(jié)構(gòu)為，以單片機(jī)為控制核心，外圍電路采用包括閥位控制信號輸入模塊、閥位反饋信號輸入模塊、存儲模塊、“WatchDog”模塊、電源模塊、LED/LCD顯示模塊、控制參數(shù)設(shè)置模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、閥位反饋信號輸出模塊分別與單片機(jī)連接。本發(fā)明能最大限度地提高普通電動閥門的調(diào)節(jié)靈敏度，而且完全消除了電動閥門在使用過程中出現(xiàn)振蕩的可能性，本發(fā)明能夠從根本上解決了電動閥門調(diào)節(jié)靈敏度與調(diào)節(jié)精度兩者之間固有的矛盾，特別是在小通徑電動閥門的開度調(diào)節(jié)方面具有同類產(chǎn)品不可比擬的優(yōu)勢。
文檔編號F16K31/04GK103256419SQ20131013019
公開日2013年8月21日 申請日期2013年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月16日
發(fā)明者艾昌文 申請人:云南大學(xué)