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关于工业锅炉用智能气动阀门定位控制器的研究

现目前,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调节阀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;4~20mA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MCU芯片,电源处理、扩展外部存储器RAM、A/D转换电路、D/A转换电路、RS232通信、CAN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DA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RS232、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ACDC模块,将220V交流电压转换为+24V、12V和+5V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、SPI、MCBSP、SCI、ECAN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PID的PWM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PWM(脉宽调制)控制。该设计中脉宽周期Tp设定为40ms,开关阀开启时间Ton在脉宽周期范围内可变。PWM控制信号的占空比根据关系式:

可以看到占空比可以从0变化到100%。PWM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ze(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价,其原因在于大多数系统都是一个低通滤波 器,可以把ze(t)的高频分量滤掉,最终剩下与原控制信号e(t)等价的低频分量。

图4 脉冲宽度调制原理图

控制信号U(t)由PID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(死区)内时,设置控制信号u(t)为0。

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。

图5 阀门定位距离为0.11m处响应曲线



图6 阀门定位距离为0.05m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中,总会受到外界的干扰。一个良好的控制系统,应对外界干扰有足够的抵抗能力。在该系统中,给系统突然添加一个干扰力,系统的响应如图7所示。

图7 阀门控制器对干扰的响应曲线

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2000s和3500s的时间范围内位移曲线。


图8 阀门控制器2000s内的位移曲线响应

图9 阀门控制器3500s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,能满足生产达到控制阀门运行的需要。