一種智能型電動執(zhí)行機構的控制系統(tǒng)及其工作方法
【專利摘要】一種智能型電動執(zhí)行機構的控制系統(tǒng)及其工作方法。提出了一種結構精巧、穩(wěn)定性好，可實現(xiàn)對電動執(zhí)行機構的死區(qū)進行自適應，從而大幅提高了電動執(zhí)行機構的穩(wěn)定性和阻尼特性的智能型電動執(zhí)行機構的控制系統(tǒng)及其工作方法。所述控制系統(tǒng)包括CPU、三角波信號發(fā)生電路、采樣電路、信號處理電路、A/D轉換采集電路和反饋電路，通過所述CPU控制所述動力機構和三角波信號發(fā)生電路；通過所述信號處理電路對比所述采樣電路和所述三角波信號發(fā)生電路送入的信號，并將生成結果通過A/D轉換采集電路處理后送入CPU；通過所述反饋電路將反饋狀態(tài)反饋給CPU。本發(fā)明滿足了現(xiàn)場閥門對電動執(zhí)行機構的可靠性高、死區(qū)自適應、阻尼特性好等要求。
【專利說明】一種智能型電動執(zhí)行機構的控制系統(tǒng)及其工作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電動執(zhí)行機構的控制系統(tǒng)領域，尤其涉及對電動執(zhí)行機構死區(qū)智能化自適應的控制系統(tǒng)及其工作方法提出的改進。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)有技術中，電動執(zhí)行機構通常由動力機構(電機和傳動組件)和控制系統(tǒng)組成，并通過控制系統(tǒng)控制動力機構，從而由傳動組件帶動閥門進行開、關運動；其中，對閥門的開關量的位置精度的要求極高，即閥門制動后的最終位置需確保在預設的死區(qū)范圍(目標位置的可允許的上下偏移范圍)內。
[0003]然而，由于電動執(zhí)行機構的機械傳動之間存在間隙，加上閥門的制動慣性，導致閥門的目標位置與實際停止位置往往存在較大的偏差，從而導致閥門制動后的位置精度極低，并直接影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和整套電動執(zhí)行機構的使用壽命。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明針對以上問題，提出了一種結構精巧、穩(wěn)定性好，可實現(xiàn)對電動執(zhí)行機構的死區(qū)進行自適應，從而大幅提高了電動執(zhí)行機構的穩(wěn)定性和阻尼特性的智能型電動執(zhí)行機構的控制系統(tǒng)及其工作方法。
[0005]本發(fā)明的技術方案是:所述電動執(zhí)行機構包括動力機構和控制系統(tǒng)，通過所述動力機構驅動閥門進行開、關動作；
所述控制系統(tǒng)包括CPU、三角波信號發(fā)生電路、采樣電路、信號處理電路、A/D轉換采集電路和反饋電路；
通過所述CPU控制所述動力機構和三角波信號發(fā)生電路；通過所述信號處理電路對比所述采樣電路和所述三角波信號發(fā)生電路送入的信號，并將生成結果通過A/D轉換采集電路處理后送入CPU ;通過所述反饋電路將反饋狀態(tài)反饋給CPU。
[0006]所述采樣電路包括采樣電阻、RC濾波電路、電壓跟隨電路。
[0007]所述三角波信號發(fā)生電路包括三角波觸發(fā)電路和恒流源電路。
[0008]所述信號處理電路包括波形比較電路和信號隔離電路。
[0009]所述A/D轉換采集電路包括濾波電路、整形電路和積分電路。
[0010]按以下步驟進行工作:
1)、接收控制信號:通過采樣電路接收控制信號；
2)、處理控制信號:控制信號在所述采樣電路中依次經(jīng)過電阻采樣、RC濾波及電壓跟隨，從而轉換為直流電壓信號；
3)、生成三角波信號:通過CPU觸發(fā)三角波信號發(fā)生電路發(fā)出三角波信號；
4)、信號對比:通過信號處理電路將步驟2)中的直流電壓信號和步驟3)中的三角波信號進行電壓比較，生成周期固定、占空比隨直流電壓信號而改變的矩形波，再將矩形波進行光率禹隔尚;5)、矩形波處理:將矩形波送入A/D轉換采集電路，對其進行濾波、整形及積分，從而生成A/D信號；
6)、CPU處理:
6.1)、信號采集:通過CPU完成對A/D信號及反饋狀態(tài)進行采集；
6.2)、差值計算:
6.2.1)、一次計算:判斷閥門當前的實際位置是否超出目標位置的死區(qū)范圍，若是，則進行開向或關向；若否，則進入步驟7)；
6.2.2)、二次計算:判斷閥門當前的實際位置是否超出目標位置的死區(qū)范圍，若是，則進行開向或關向；若否，則進入步驟7);
6.2.3)、三次計算:判斷閥門當前的實際位置是否超出目標位置的死區(qū)范圍，若是，則進行開向或關向；若否，則進入步驟7)；
6.2.4)、四次計算:判斷閥門當前的實際位置是否超出目標位置的死區(qū)范圍，若是，則進入步驟6.3);若否，則進入步驟7)；
6.3)、擴大死區(qū)范圍:通過CPU擴大死區(qū)范圍；
6.4)、判斷是否處于穩(wěn)定狀態(tài):是則進行下一步，否則返回步驟6.3)；
6.5)、縮小死區(qū)范圍:通過CPU控制動力機構驅動閥門朝向目標位置進行多次微量移動，同時逐步縮小死區(qū)范圍；
7)、完畢。
[0011]本發(fā)明采用電動執(zhí)行機構死區(qū)自適應控制方法，可以解決傳統(tǒng)電動執(zhí)行機構中死區(qū)范圍固定或無法調節(jié)以及電路體積大、結構復雜、信號漂移等技術問題，避免了電動執(zhí)行機構在4-20mA模擬量信號控制狀態(tài)下，頻繁振蕩或控制精度低(偏差大)的問題，實現(xiàn)了死區(qū)自適應功能，提高了電動執(zhí)行機構控制精度，提升了電動執(zhí)行機構智能化性能，從而滿足了現(xiàn)場閥門對電動執(zhí)行機構的可靠性高、死區(qū)自適應、阻尼特性好等要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明的結構框圖，
圖2是本發(fā)明中采樣電路的電路圖，
圖3是本發(fā)明中三角波發(fā)生電路的電路圖，
圖4是本發(fā)明中信號處理電路的電路圖，
圖5是本發(fā)明中A/D轉換采集電路的電路圖，
圖6是本發(fā)明中信號處理電路中電平變化圖，
圖7是本發(fā)明的工作流程圖，
圖8是本發(fā)明中CPU計算的工作流程圖，
圖9是本發(fā)明中縮小死區(qū)范圍的工作流程圖。
【具體實施方式】
[0013]本發(fā)明如圖1-9所示,所述電動執(zhí)行機構包括動力機構和控制系統(tǒng),通過所述動力機構驅動閥門進行開、關動作；
所述控制系統(tǒng)包括CPU、三角波信號發(fā)生電路、采樣電路、信號處理電路、A/D轉換采集電路和反饋電路；
通過所述CPU控制所述動力機構和三角波信號發(fā)生電路；通過所述信號處理電路對比所述采樣電路和所述三角波信號發(fā)生電路送入的信號，并將生成結果通過A/D轉換采集電路處理后送入CPU ;通過所述反饋電路將反饋狀態(tài)(即閥門當前的實時位置狀態(tài))反饋給CPU。
[0014]所述采樣電路包括采樣電阻、RC濾波電路、電壓跟隨電路。
[0015]如圖2所示，采樣電路由采樣電阻、RC濾波電路、電壓跟隨電路組成，通過輸入采樣電路，將1-20πιΑ模擬量控制信號轉換成穩(wěn)定的直流電壓信號。其中運算放大器L258工作在深度負反饋，其兩輸入端之間的電壓Ul-=Ul+( “虛短路”)，正輸入端的電流11+~0(“虛斷路”)，則有:U1+=U1’ =IOOIi (I) Ulo=Ul- (2)
綜合1、2兩式，可得Ulo = IOOIi
運算放大器輸出端電壓等于輸入端電壓，實現(xiàn)了電壓傳遞，其輸入電阻大，輸出電阻小，有很強的帶負載能力。因集成運放本質上是一個高增益直接耦合的多級放大電路，在線性應用中又引入深度負反饋，所以會引起自激振蕩，使電路無法正常工作，為此接入補償電容C32，C33電容則實現(xiàn)濾波功能。外部1-20πιΑ DC電流信號+、_接反或者輸入電流信號過大時，雙二極管BAV99導通，能夠保護運算放大器。
[0016]所述三角波信號發(fā)生電路包括三角波觸發(fā)電路和恒流源電路。
[0017]如圖3所示，三角波觸發(fā)電路與恒流源電路配合，將矩形波經(jīng)RC變換為三角波。從引腳P0.7發(fā)出占空比為0.8，頻率為23.8Hz的矩形波，通過光耦0P14以對稱波周期性導通，隔離后的矩形波用來控制三極管Q6和Q7的導通和關斷。正常狀態(tài)下，恒流源一直對電容C34進行充電，在Q6、Q7關斷狀態(tài)下，電容C34端電壓維持不變，當Q6、Q7集電極、發(fā)射結承受正電壓導通，導通的瞬間電容C34兩端的電壓Uo'被強制為低電平，由此產(chǎn)生周期性三角波。
[0018]所述信號處理電路包括波形比較電路和信號隔離電路。
[0019]如圖4所示，信號處理電路由波形比較電路、信號隔離電路組成，具體流程為:周期固定的三角波與外部4~20mA轉換為電壓信號Ulo進行比較，當Ulo與三角波某點相等時，輸出波形電平發(fā)生變化。正輸入端U2+輸入周期固定的三角波，t(Ttl時刻，運算放大器正輸入引腳U2+大于負輸入引腳U2-，U14A輸出U2o為高電平，光耦0P4導通，U3被拉為低電平，U3經(jīng)過由R62和C31組成的濾波網(wǎng)絡后，輸出FW_SET為低電平；tl~tO+T時刻，運算放大器正輸入引腳U2+小于負輸入引腳U2-，U14A輸出U2o為低電平，U3由上拉電阻R63拉為高電平，F(xiàn)ff_SET為高電平。對應電平變化如圖6所示:
通過信號處理電路，由1-20πιΑ模擬量控制信號轉換的直流電壓信號，通過與周期性三角波進行電壓比較后，形成了周期固定、占空比可變的矩形波，通過光耦隔離電路后，成為隔離的矩形脈沖信號。
[0020]所述A/D轉換采集電路包括濾波電路、整形電路和積分電路。
[0021]如圖5所示，A/D轉換采集電路由濾波、整形、積分電路組成，然后輸入到電動執(zhí)行機構主控制器CPU，由CPU進行A/D信號的采集，完成4~20mA模擬量控制信號的采集，CPU實時采集1-20πιΑ模擬量控制信號，并實時監(jiān)測當前反饋狀態(tài)，計算、比較控制信號與當前反饋狀態(tài)的差值。[0022]按以下步驟進行工作:
1)、接收控制信號:通過采樣電路接收由外部送入的4~20πιΑ模擬量控制信號；
2)、處理控制信號:4~20πιΑ模擬量控制信號進入采樣電路中，先經(jīng)過采樣電阻的電阻采樣，然后通過RC濾波電路的RC濾波，最后通過電壓跟隨電路中運算放大器的電壓傳遞，實現(xiàn)電壓跟隨功能，從而將4`20πιΑ模擬量控制信號轉換成穩(wěn)定的直流電壓信號；
3)、生成三角波信號:為實現(xiàn)信號隔離，系統(tǒng)工作時，CPU將觸發(fā)一個周期固定的三角波信號發(fā)生電路，從而發(fā)出三角波信號；
4)、信號對比:通過信號處理電路中的波形比較電路將步驟2)中的直流電壓信號和步驟3)中的三角波信號進行電壓比較，得到周期固定、占空比隨直流電壓信號而改變的矩形波，矩形波通過信號隔離電路進行光耦隔離；
5)、矩形波處理:將矩形波送入A/D轉換采集電路，并在A/D轉換采集電路分別通過濾波電路、整形電路和積分電路對矩形波進行濾波、整形及積分，從而生成A/D信號；
6)、CPU處理:
6.1)、信號采集:由CPU進行A/D信號的采集，完成4`20πιΑ模擬量控制信號的采集，CPU實時采集4~20πιΑ模擬量控制信號，并實時監(jiān)測當前反饋狀態(tài)；
6.2)、差值計算:
6.2.1)、一次計算:判斷閥門當前的實際位置(即通過反饋電路反饋至CPU中的閥門的即時位置狀態(tài)信息)是否超出目標位置的死區(qū)范圍(制動的目標位置的可允許的上下誤差范圍)，若是，則進行開向(當實際位置未到達目標位置時，通過開向操作以進行補足)或關向(當實際位置已超過目標位置時，通過關向操作以進行反向回退)操作；若否，則進入步驟
7)；
6.2.2)、二次計算:判斷閥門當前的實際位置是否超出目標位置的死區(qū)范圍，若是，則進行開向或關向；若否，則進入步驟7);
6.2.3)、三次計算:判斷閥門當前的實際位置是否超出目標位置的死區(qū)范圍，若是，則進行開向或關向；若否，則進入步驟7)；
6.2.4)、四次計算:判斷閥門當前的實際位置是否超出目標位置的死區(qū)范圍，若是，則進入步驟6.3);若否，則進入步驟7)；
在制動過程中，一旦閥門的實際位置超出預設的死區(qū)范圍，CPU則會根據(jù)實際位置是、否已超出目標位置從而發(fā)出關向、開向操作，此時，由于機械傳動間的間隙、電機制動產(chǎn)生的慣性、信號采集的延時以及4~20πιΑ模擬量輸入信號的干擾將導致每次開、關向操作后其實際位置依然超出死區(qū)范圍。這樣，閥門將在多次快速的往復運動(即振蕩)中將產(chǎn)生極大的磨損，給設備整體的使用壽命和運行精度帶來極大的影響(尤其當閥門在核電、石油領域中運用時)。
[0023]因此，在上述步驟中，以最多三次開向或關向操作，在閥門運行時，既保證了閥門的運行精度，又有效地避免了振蕩的廣生，從而大幅的提聞了設備穩(wěn)定性和使用壽命；
6.3)、擴大死區(qū)范圍:通過CPU擴大死區(qū)范圍；
6.4)、判斷是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，是則進行下一步；否則返回步驟6.3);
6.5)、縮小死區(qū)范圍:通過CPU控制動力機構驅動閥門朝向目標位置進行多次微量調整(微量開、關向操作)，同時逐步縮小死區(qū)范圍；通過多次的微量調整使得實際位置逐步接近目標位置，同時通過CPU同步縮小死區(qū)范圍，從而最終落入適當?shù)乃绤^(qū)范圍內，實現(xiàn)了死區(qū)自適應的功能；
這樣，當閥門處于穩(wěn)定狀態(tài)后，再逐步縮小死區(qū)范圍，從而通過CPU控制動力機構驅動閥門運行至更加精確的位置；
通過步驟6.3)和步驟6.4)中“快增慢減”的過程，有效的在縮小死區(qū)范圍的同時，避免了閥門因多次“振蕩”引起的機械損傷；這樣，即可在步驟6)中有效的實現(xiàn)對死區(qū)范圍的自適應功能，從而大幅提高了電動執(zhí)行機構的穩(wěn)定性和阻尼特性；
7)、完畢。
【權利要求】
1.一種智能型電動執(zhí)行機構的控制系統(tǒng)，所述電動執(zhí)行機構包括動力機構和控制系統(tǒng)，通過所述動力機構驅動閥門進行開、關動作； 其特征在于，所述控制系統(tǒng)包括CPU、三角波信號發(fā)生電路、采樣電路、信號處理電路、A/D轉換采集電路和反饋電路； 通過所述CPU控制所述動力機構和三角波信號發(fā)生電路；通過所述信號處理電路對比所述采樣電路和所述三角波信號發(fā)生電路送入的信號，并將生成結果通過A/D轉換采集電路處理后送入CPU ;通過所述反饋電路將反饋狀態(tài)反饋給CPU。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種智能型電動執(zhí)行機構的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述采樣電路包括采樣電阻、RC濾波電路、電壓跟隨電路。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種智能型電動執(zhí)行機構的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述三角波信號發(fā)生電路包括三角波觸發(fā)電路和恒流源電路。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種智能型電動執(zhí)行機構的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述信號處理電路包括波形比較電路和信號隔離電路。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種智能型電動執(zhí)行機構的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述A/D轉換采集電路包括濾波電路、整形電路和積分電路。
6.一種權利要求1所述的智能型電動執(zhí)行機構的控制系統(tǒng)的工作方法，其特征在于，按以下步驟進行工作: 1)、接收控制信 號:通過采樣電路接收控制信號； 2)、處理控制信號:控制信號在所述采樣電路中依次經(jīng)過電阻采樣、RC濾波及電壓跟隨，從而轉換為直流電壓信號； 3)、生成三角波信號:通過CPU觸發(fā)三角波信號發(fā)生電路發(fā)出三角波信號； 4)、信號對比:通過信號處理電路將步驟2)中的直流電壓信號和步驟3)中的三角波信號進行電壓比較，生成周期固定、占空比隨直流電壓信號而改變的矩形波，再將矩形波進行光率禹隔尚; 5)、矩形波處理:將矩形波送入A/D轉換采集電路，對其進行濾波、整形及積分，從而生成A/D信號； 6)、CPU處理: 6.1)、信號采集:通過CPU完成對A/D信號及反饋狀態(tài)進行采集； 6.2)、差值計算: 6.2.1)、一次計算:判斷閥門當前的實際位置是否超出目標位置的死區(qū)范圍，若是，則進行開向或關向；若否，則進入步驟7)； 6.2.2)、二次計算:判斷閥門當前的實際位置是否超出目標位置的死區(qū)范圍，若是，則進行開向或關向；若否，則進入步驟7); 6.2.3)、三次計算:判斷閥門當前的實際位置是否超出目標位置的死區(qū)范圍，若是，則進行開向或關向；若否，則進入步驟7); 6.2.4)、四次計算:判斷閥門當前的實際位置是否超出目標位置的死區(qū)范圍，若是，則進入步驟6.3);若否，則進入步驟7)； 6.3)、擴大死區(qū)范圍:通過CPU擴大死區(qū)范圍； 6.4)、判斷是否處于穩(wěn)定狀態(tài):是則進行下一步，否則返回步驟6.3)；`6.5)、縮小死區(qū)范圍:通過CPU控制動力機構驅動閥門朝向目標位置進行多次微量移動，同時逐步縮小死區(qū)范圍； `7)、完畢。`
【文檔編號】F16K31/04GK103821995SQ201410088045
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月11日 優(yōu)先權日:2014年3月11日
【發(fā)明者】陳久松, 蔡軍, 方超, 羅兆榮, 朱樂堯, 費向軍, 張建祥 申請人:揚州電力設備修造廠