閥門定位器設(shè)計報告-sy開題

一、選題依 1.1選題背景和意 國內(nèi)外研究現(xiàn) 二、研究方 研究目 研究內(nèi) 擬解決的關(guān)鍵問 研究方法與技術(shù)路 方案分 三、預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)和成 四、課題計劃安 參考文 一、選題依1.1選題背景和意制水平的發(fā)展閥門開度的控制器也必須不斷發(fā)展以滿足現(xiàn)產(chǎn)對過程控制的要求[2]。目前，主要的閥門開度控制機構(gòu)是閥門和PLC，其中PLC因其廣泛性可應(yīng)用于各個過程控制領(lǐng)域，但因不是機構(gòu)其控制品質(zhì)較差。而閥門作為一種專門對閥門開度進(jìn)行控制的儀表控制精度較高，是閥門開度控制的主要應(yīng)用儀器。閥門的研究熱點主要在于智能閥門，國外一些大公司，如西門子、·、門采用的是機械式力平衡原理，存在一些不足且不能滿足過程控制發(fā)展的需要，而由國口的智能型閥門價格昂貴，因此研究設(shè)計國產(chǎn)高性價比的智能式閥門是十分必要的。智能閥門集合了機械、電子、通訊、控制理論和相關(guān)本次課題是航空航天大學(xué)與浙江康賽特自動控制閥門合作項目《智能國內(nèi)外研究現(xiàn)目前國外閥門開度控制主要方式多為控制和控制相結(jié)合的五步開關(guān)法德國公司基于此種方法推出的SIPARTPSZ2系列智能定位控制器同時兼?zhèn)渲С諬ARTProfibus-PA協(xié)議的雙向通訊功能，通過公司自行研發(fā)的配套軟硬件可以保存實際工程車間里所有智能定位控制器的相關(guān)狀態(tài)信息[4]；Fisher-Rosemount公司推出的C系列智能閥門將控制系統(tǒng)集成到中，既可以與傳統(tǒng)的模（數(shù)字/T協(xié)議5]matke制造的SVP系列智能閥門SVP3000plus是以系統(tǒng)控制器輸出的直流電流信號為設(shè)定量實現(xiàn)對氣動閥門定位控制該系列除具最基本的功能外還具有數(shù)字通訊自自定義程序等功能生產(chǎn)過程的效率和可靠性得以大幅度提升[6]。這些國外的智能閥門憑借良好的穩(wěn)定性、可靠性以及各特別是中小企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。下表為部分國外企業(yè)設(shè)計的典型智能式閥門[7]。1（美4-20mA線性度4-20mA線性度4-20mA回差4-20mA精度1%~8692、0-5V/0-10VFY4-20mA分辨率滯后性3730-4-20mA精度遲滯性9-17mA（最線性度0.5%~我國閥門早在50年代中期開始仿制的YI-1型氣動閥門之后仿制的對象是英國FISHER公司3560型和橫河生產(chǎn)的C型氣動閥門。1964年我國自行研發(fā)生產(chǎn)出ZPQ型氣動閥門，70年代，ZPD型電氣閥門面市[8]圍內(nèi)工業(yè)管線、閥門生產(chǎn)廠家眾多、品牌繁雜、規(guī)模小，其控制部件一一基本為國外產(chǎn)品一統(tǒng)天下每年僅行業(yè)閥門年需求量就在40-50萬臺左右。上。一些較有實力的生產(chǎn)廠家在擔(dān)當(dāng)國外相關(guān)產(chǎn)品商的同時，自身也投入人力、物力和財力進(jìn)行研制開發(fā)各種智能閥門產(chǎn)品，有些已經(jīng)取得了不錯的成果。如重慶川儀在仿制、Yamatake的基礎(chǔ)上推出了自己的智能；衡陽北方光電自主研發(fā)技術(shù)取得了突破，成功開發(fā)了系列化產(chǎn)品。國內(nèi)生產(chǎn)閥門的廠家還有重慶川儀、自動化儀表、吳忠儀表、浙江樂清儀表廠等。但是國內(nèi)產(chǎn)品的總產(chǎn)能規(guī)模不大，高端智能閥門產(chǎn)品也很少[9]。，知識的智能式閥門。的從2003年開始，帶領(lǐng)團(tuán)隊研究基于HART協(xié)議的智能電氣閥門了多篇基于HART協(xié)議的智能電氣閥門力、物力和財力進(jìn)行研制開發(fā)各種智能閥門產(chǎn)品，有的已經(jīng)取得了不錯的成果，[22-26]。但和國外的產(chǎn)品相比，還存在較大的差距24-20mA遲滯性4-20mA線性度4-20mA線性度4-20mA4-20mA研究目本課題的目的針對項目設(shè)計要求研究出一種以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為控制算法，進(jìn)工、能源領(lǐng)域發(fā)展具有重要作用。研究內(nèi)調(diào)節(jié)閥外，執(zhí)行器還包括氣動馬達(dá)?氣械手?電磁閥?電動調(diào)速泵等產(chǎn)品[7]?對于閥門開度控制的被控對象為調(diào)節(jié)閥。由于調(diào)節(jié)閥在進(jìn)行開度控制是受力與開度閥口前后壓力以及流過介質(zhì)的性質(zhì)都有關(guān)系為了使所控制方法具有更好的控制性能需要對閥門流量特性和動力學(xué)特性進(jìn)行研究。I/P干擾等問題。智能式閥門為電磁、氣動、計算機、控制技術(shù)的產(chǎn)品，執(zhí)行生產(chǎn)對控制精度也提出了較高的要求[29]本課題研究的控制方法所使用的試驗平臺利用先導(dǎo)式電磁閥控制帶有氣動執(zhí)行機口上下游壓力可以由收縮噴管的一維等熵流動公式近似。PP2kd dPkPu Pu t t

d

k1k2k2kkk1

u ukC2k1C0.528 k1 本課題計劃對智能式閥門的電磁閥通過查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行氣動仿建立流量特性方程和動力學(xué)方程初步確定包含外加負(fù)載下的占空比和氣體流量之間的關(guān)系。擬解決的關(guān)鍵PID控制參數(shù)整定的研究關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和相難點在于通過確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)后使其整定PID控制參數(shù)，并對控制系統(tǒng)進(jìn)研究方法與技術(shù)路對硬件系統(tǒng)的各個模塊逐一進(jìn)行設(shè)計，應(yīng)用Multisim電路仿真分析基礎(chǔ)。根據(jù)所設(shè)計的硬件電路，應(yīng)用AltiumDesigner進(jìn)行電路原理圖及PCB圖繪式中：—閥門的開度;max—閥門的最大開度;Q—閥門流量和閥門最大流Qmax—閥門流量和閥門最大流量工作時,閥兩端的壓差是在不斷的變化,這種情況下稱為調(diào)節(jié)閥的工作流量特性[15]?圖 調(diào)節(jié)閥流量特性曲線線性流量特性是指閥門相對流量與閥門相對開度之間成直線關(guān)系[18]?dQmax

式中,k為常數(shù)?

dQk

邊界條件為：0時，min；max時，則c

k1RQmax

QR1

R 這里要注意的是Qmin是指閥門可調(diào)節(jié)的最小流量,并不是閥門全關(guān)時的泄漏值[23]?線性調(diào)節(jié)閥在開度較小時其流量相對變化值大,這時靈敏度過高,控制作用過強,產(chǎn)生震蕩,對控制不利;在開度較大時其流量相對變化值小,這時靈敏度又太小,控制緩慢因此,當(dāng)調(diào)節(jié)閥工作在大開度或小開度的情況下,控制性能都較差ddd

經(jīng)過積分,同直線特性的推導(dǎo)過程一樣,將上式代入邊界條件,Q

Rmax

由于等百分比調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)隨相對開度的增大而增大,因此有利于自動控制系統(tǒng)[25]?在小開度時,等百分比閥的放大系數(shù)小,控制平穩(wěn)緩和;在大開度時,放大系數(shù)大,控制靈敏有效?d

dd

Q

1[R2

1

R快開特性調(diào)節(jié)閥適用于迅速啟閉的切斷或雙位控制系統(tǒng)R拋物線流量特性是指單位相對行程的變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量值的平方根成正比關(guān)系,用數(shù)學(xué)式表達(dá)為d

)2dd

RQ1R

1

圖 閥門開關(guān)特性研究路I/P 3微控制器輸出的再經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動I/P轉(zhuǎn)換單元的電磁閥以及氣動執(zhí)行機圖 I/P轉(zhuǎn)換模塊特性研究路線任務(wù)請求時采用中斷喚醒MCU工作，完成后返回低功耗模式[46]。智能閥門圖3智能式閥門主程序流程等。智能閥門上電后，系統(tǒng)首先自動從器中預(yù)留的初始化參數(shù)，對系2）I/P單元中電磁閥經(jīng)典PID控制算法理論成熟，運用廣泛，是目前工業(yè)控制領(lǐng)域中采用最多的算法。采用PID算法的控制系般都可以用PID控制器和被控對象來構(gòu)成，如下圖所示。圖 PID算法控制原制偏差y（t，即e(t)r(t) （P（I象進(jìn)行控制，可得到PID控制器的理想算法為tu(t) e(t)dtt

de(t)

TKP TI

dt KPTI-為TD為KP、積分時間常數(shù)TI和微分時間常數(shù)PID參數(shù)，再將此模擬形式PID校正環(huán)節(jié)進(jìn)行離散化，以便于CPU然而然而當(dāng)控制對象為非線性時變系統(tǒng)時應(yīng)用常規(guī)PID算產(chǎn)生較大的誤差。PID控制算法并不能達(dá)到很好的控制精度?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究5PID向比較各種不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，擇優(yōu)選取一種可以彌補經(jīng)典PID缺點的控制算法，將其進(jìn)行互補結(jié)合，最后得到改進(jìn)型的PID控制算法。在系統(tǒng)硬件和全部設(shè)計完成之后，就要對閥門控制系統(tǒng)進(jìn)行整體調(diào)試，尤其是對的調(diào)試，調(diào)試結(jié)果直接表征了控制系統(tǒng)即智能式閥門的性能[48]。本課題計劃基于所設(shè)計的軟硬件控制系統(tǒng)對整個氣動調(diào)節(jié)閥控制過程進(jìn)試，準(zhǔn)備相應(yīng)完善控制系統(tǒng)的設(shè)計。420mA穩(wěn)定，設(shè)定值和真實值的采樣電路是否可靠，液晶顯示屏是否斷碼顯示等。方案分本次課題是基于航空航天大學(xué)與浙江康賽特自動控制閥門合作項《智能閥門產(chǎn)品的研發(fā)》展開的研究項目。試驗平臺由康賽特公司提供的調(diào)節(jié)閥已經(jīng)其他元器件進(jìn)行搭建。目前已經(jīng)完成相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)研工作并對需的動力學(xué)、為試驗平臺的智能閥門外殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計，完成了其底座、上蓋、電磁閥閥板、接（IP65）閥門控制原理以及軟硬件設(shè)計思路都有了一定的思考與認(rèn)識。國內(nèi)外關(guān)于智能式閥門的研究文獻(xiàn)眾多，產(chǎn)品成功案例也較多，這對本課題的研究展開有一定的參課題相關(guān)知識儲備情況分析——目前已基本了解和掌握了智能式閥門的能力，應(yīng)用C語言進(jìn)行編程也有一定的基礎(chǔ)。已掌握了Multisim電路仿真常用，了解了AltiumDesigner電路繪制，對原理圖和PCB的繪制做了初步學(xué)習(xí)?？捎觅Y源情況分析——對于調(diào)節(jié)閥智能控制實驗平臺的搭建，項目有各種電子類加工工具、電源、檢測儀表（Agilent八位半萬用表）等實驗設(shè)對于電磁閥開口流量特性的研究考慮到電磁閥從響應(yīng)到完全開啟時間內(nèi)氣體的流啟關(guān)閉，因此考慮這一問題更符合電磁閥實際氣體流量特性。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)PIDPID控制理論與一些前閥-執(zhí)行器氣體流量特性的研究推導(dǎo)一般性方程并。建立I/PANSYS研究適用于閥門開度控制的的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)PID2-3篇，并完成。 利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定PID 在主控的開發(fā)環(huán)境下編程，并燒錄到內(nèi)進(jìn)行調(diào)試 驗證，2-3篇； 完成，準(zhǔn)備答辯[1].過程控制與自動化儀表[M].:機械工業(yè),[2],倪雁等.閥門及智能化的分析[J].工程設(shè)計,2004,25解懷仁.智能型電氣閥門[J].化工自動化及儀表,1995,2:51-蘭燕.智能閥門在工程實踐中的應(yīng)用[J].石油化工自動化,2005,(5):92-美,,張文萍.Fisher智能閥門在化工裝置中的應(yīng)用[J].化工設(shè)計通訊,2010,(2):17-19長坂,本田善郎.智能式閥門SVP3000Alphaplus的開發(fā)[J].世界儀表與自動化,1998,(6):65-69UedaH,AkagiT,DohtaS.Developmentof2-position3-portcontrolvalvewithself-holdingfunction[C].//SICEAnnualConference2010,Proceedingsof.IEEE,2010:1239-馬玉山.智能閥門[J].設(shè)備管理與維修,2006,(12):44-李寶華.智能電氣閥門新品——2009～2013年智能電氣閥門新品介紹及應(yīng)用[J].流程工業(yè),2013,(21):42-42,林慧.智能式電氣閥門[J].電子質(zhì)量,2003(9):17-楊偉清,.智能電氣閥門的參數(shù)自整定[J].電子測量技術(shù),2008,林慧.智能電氣閥門的研究開發(fā)[D].:,逯大軍,.基于HART協(xié)議的低功耗智能電氣閥門[J].自動化儀表,2005,26(11):37逯大軍.基于HART協(xié)議的低功耗智能電氣閥門[D].:,,,肖素枝.基于HART協(xié)議的智能電氣閥門[J].制造業(yè)自動化,2006,28(2):27-30,,滿,等.基于CAN總線的閥門控制系統(tǒng)[J].自動化儀表,2004,25(7):59-63,,滿.一種PROFIBUS-DP閥門控制器的實用設(shè)計[J].微計算機信息,2004,20(9):30-32廖正龍,,滿.智能型非侵入式閥門電動裝置自動試驗臺的設(shè)計尚群立,.智能電氣閥門的研制[J].儀器儀表學(xué)報,2007,28(4):718-舒歡.基于HART協(xié)議的智能電氣閥門[D].浙江:浙江大學(xué),發(fā).智能閥門伺服的研究[D].杭州:浙江大學(xué),發(fā).智能閥門伺服的研究[D].杭州:浙江大學(xué),,馮,,等.智能閥門PID單參數(shù)模糊自適應(yīng)控制設(shè)計[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2008,27(6):563-566,,.智能閥門PID自整定方案評價設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用,2010(11):93-95,馮,.智能電氣閥門的設(shè)計與自適應(yīng)控制[J].計算機測量與控制,2010(11):2514-2516如,賴慶峰,毛曉明,等.HART協(xié)議的智能閥門的設(shè)計[J].自動化儀表,2010,31(6):55-57高,韓麟鳳,.智能電氣閥門的研究分析[J].中國科技,(12):17-.世紀(jì)之交的自動化儀表--檢測儀表與執(zhí)行器的技術(shù)進(jìn)展[J].自動化儀表,2000,21(1):1-4,郭萬軍.智能閥門控制系統(tǒng)設(shè)計[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計量,(6):39-楊彥召.智能式閥門硬件系統(tǒng)設(shè)計[D].南昌:南昌大學(xué),.智能電氣閥門的設(shè)計[D].南昌:南昌大學(xué),MarchesseaultRR,OmidbakhshS,ReilandRF.Digitalvalvepositioner[J].UnitedStatesPatent5848609,1998HuangX,YuF.Asimplemethodforfauetectionofindustrialdigitial//InligentControlandAutomation,2008.WCICA2008.7thWorldCongresson.IEEE,2008:6863-6866QunliS,PengJ.Researchoninligenectro-paticvalvepositioner[J].ChineseJournalofScientificInstrument,2007,28(4):718BrownGC,LenzGA,WarriorJ.Valvepositionerwithpressurefeedback,dynamiccorrectionanddiagnostics:U.S.Patent5,573,032[P].1996-11-12GudaSR,WangC,NehrirMH. -basedmicroturbinemodelforgenerationstudies[C]//PowerSymposium,2005.Proceedingsofthe37thAnnualNorthAmerican.IEEE,2005:269-274李勇振.智能閥門控制系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].:理工大學(xué),龐彥斌,,.基于FF協(xié)議的智能氣動閥門開發(fā)[J].儀器儀表學(xué)報,2001,22(3):491-493.關(guān)于HVP系列智能閥門的研發(fā)[J].自動化儀表,2007,廖正軍,薛心喜.單片機控制系統(tǒng)在閥門中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)(),2002,29(11):17-20吳朋,