閥門定位器的原理和設(shè)計(jì)介紹

　　閥門定位器是控制閥的主要附件，它將閥桿位移信號(hào)作為輸入的反饋測(cè)量信號(hào),以控制器輸出信號(hào)作為設(shè)定信號(hào)，進(jìn)行比較，當(dāng)兩者有偏差時(shí)，改變其到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出信號(hào)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，建立了閥桿位移量與控制器輸出信號(hào)之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，閥門定位器組成以閥桿位移為測(cè)量信號(hào)，以控制器輸出為設(shè)定信號(hào)的反饋控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)的操縱變量是閥門定位器去執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出信號(hào)。

 

　　氣動(dòng)控制系統(tǒng)在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。閥門定位器是工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化過(guò)程控制儀器儀表的重要組成部分。相比較于比例/伺服閥控系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)閥控系統(tǒng)具有價(jià)格便宜、抗污染能力強(qiáng)和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。由于氣體壓縮性、剛度低和系統(tǒng)摩擦力非線性等原因，氣動(dòng)控制系統(tǒng)很難獲得較穩(wěn)定的響應(yīng)過(guò)程和精確的定位。為實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)閥控氣動(dòng)定位系統(tǒng)較好的位置控制，使其滿足一定的定位指標(biāo)要求，閥門定位器的控制進(jìn)行了相關(guān)研究，分析了系統(tǒng)相關(guān)特性并探究了該控制系統(tǒng)的工作原理方式和控制策略。

 

　　具體研究?jī)?nèi)容如下：首先本文采用二位二通開(kāi)關(guān)閥搭建了開(kāi)關(guān)閥控雙作用氣動(dòng)閥門定位器的結(jié)構(gòu)原理圖，并對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)的機(jī)理建模分析，包括氣缸兩腔的流量連續(xù)性方程、能量方程和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，分析了氣動(dòng)系統(tǒng)易產(chǎn)生“爬行”現(xiàn)象的原因，最后重點(diǎn)分析了開(kāi)關(guān)閥的閥口流量方程、閥芯的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和運(yùn)動(dòng)特性。分析了PWM控制開(kāi)關(guān)閥的工作原理，在此基礎(chǔ)上，利用AMESim軟件搭建了氣動(dòng)系統(tǒng)模型，探究了PWM開(kāi)關(guān)閥控氣動(dòng)系統(tǒng)靜態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性，并對(duì)所得到的靜特性曲線進(jìn)行了相關(guān)分析。

 

　　利用AMESim軟件搭建模型探究了開(kāi)關(guān)閥控系統(tǒng)在雙端單向驅(qū)動(dòng)信號(hào)、雙端同相和逆相驅(qū)動(dòng)信號(hào)三種不同導(dǎo)通方式下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出壓力和壓力波動(dòng)特性曲線。根據(jù)前文PWM開(kāi)關(guān)閥控氣動(dòng)系統(tǒng)特性研究，分別探究了氣動(dòng)控制系統(tǒng)在上述三種不同導(dǎo)通方式下的控制特性，分析得到同相驅(qū)動(dòng)方式對(duì)緩解爬行現(xiàn)象和紋波問(wèn)題具有明顯的優(yōu)勢(shì)，然后探究了系統(tǒng)參數(shù)對(duì)同相驅(qū)動(dòng)方式的性能影響，如初始?jí)毫Α⒐苈烽L(zhǎng)度、外負(fù)載等，并尋求系統(tǒng)的最佳可控參數(shù)。最后采用了同相PWM驅(qū)動(dòng)+PD復(fù)合控制方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行位置控制。仿真結(jié)果表明系統(tǒng)定位時(shí)間小于5s，穩(wěn)態(tài)誤差不大于0.5%，并且具有較好的穩(wěn)態(tài)特性。

 

　　搭建了開(kāi)關(guān)閥控氣動(dòng)閥門定位器試驗(yàn)臺(tái)，采用MATLAB/xPCTarget工具箱進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)采集，采用ATMEGA64單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器，并使用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，然后對(duì)上述仿真結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)表明，試驗(yàn)結(jié)果與系統(tǒng)仿真的結(jié)果具有較好的吻合性，且滿足實(shí)際要求的性能指標(biāo)。