双作用式开关阀控气动阀门定位器控制研究

论文摘要

本论文所研究的双作用式开关阀控气动阀门定位器,是石油、化工、电力、冶金等行业实现自动化控制,提高生产效率和降低生产成本的关键元部件之一。本定位器采用开关阀驱动双作用气缸,具有造价低、抗污染力强、安装维护方便等优点,但获得满意的定位精度和稳定的过渡过程则较为困难。本论文即针对该种定位器的控制进行研究,以获得满足性能指标要求的定位精度和过渡过程。具体包括以下几方面的内容:首先搭建双作用式开关阀控气动阀门定位器系统的试验平台,这其中主要有位移传感器电流信号到电压信号的转换,研华PCL-818L数据采集卡的使用,开关阀驱动电路的设计,以及对采集信号的硬件滤波处理等。其次利用机理建模方法,对双作用式开关阀控气动阀门定位器系统进行数学建模,包括气缸两腔内的压力微分方程、开关阀的质量流量方程和气缸运动的动力学方程,并依据上述方程分别建立气缸两腔内压力、开关阀质量流量和气缸运动动力学的SIMULINK仿真模型。再次对比了基于PID的PWM控制策略和Bang-Bang状态反馈控制策略。通过对比可知,基于PID的PWM控制策略,存在对系统摩擦力较为敏感,定位精度低和无法适应长管路等缺点,因此对于本系统是不适用的,而采用Bang-Bang状态反馈控制策略可使本系统获得满意的控制效果,并进一步定性分析了位移偏差区间划分和活塞运动速度区间划分对控制性能的影响,还定性分析了负载质量、气源压力和系统摩擦力对控制性能的影响,为以后的此类应用提供参考。最后,在试验平台上对Bang-Bang状态反馈控制策略进行了验证,通过实际物理系统的检验可知,采用Bang-Bang状态反馈控制策略,使本系统达到了定位精度为1%,过渡过程时间不超过10s的性能指标要求。综上,本课题所研究的基于Bang-Bang状态反馈控制策略的双作用式开关阀控气动阀门定位器取得了良好的控制效果,今后将在电厂等工业应用场合的使用中进一步完善。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及课题的研究意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题的研究意义
• 1.2 阀门定位器的工作原理
• 1.3 国内外气动位置控制系统研究现状及分析
• 1.3.1 气动位置控制系统分类
• 1.3.2 常用控制策略
• 1.3.3 气动位置控制系统取得的主要成果
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 开关阀控气动阀门定位器系统研究平台
• 2.1 系统研究平台主要组成部分
• 2.1.1 位移传感器及其信号转换
• 2.1.2 数据采集卡
• 2.1.3 开关阀驱动电路
• 2.1.4 信号的硬件滤波处理
• 2.2 系统研究平台
• 2.3 本章小结
• 第3章 开关阀控气动阀门定位器系统建模
• 3.1 开关阀控气动阀门定位器系统数学模型
• 3.1.1 气缸两腔质量流量连续性方程
• 3.1.2 气缸两腔内的压力微分方程
• 3.1.3 开关阀的质量流量方程
• 3.1.4 气缸运动动力学方程
• 3.2 开关阀控气动阀门定位器系统SIMULINK模型
• 3.2.1 开关阀阀口质量流量SIMULINK模型
• 3.2.2 气缸两腔压力SIMULINK模型
• 3.2.3 气缸运动动力学SIMULINK模型
• 3.3 本章小结
• 第4章 开关阀控气动阀门定位器系统控制研究
• 4.1 基于PID的PWM控制策略研究
• 4.1.1 系统工作原理
• 4.1.2 基于PID的PWM控制参数整定
• 4.1.3 基于PID的PWM控制策略系统仿真研究
• 4.2 Bang-Bang状态反馈控制策略研究
• 4.2.1 Bang-Bang控制方法
• 4.2.2 Bang-Bang状态反馈控制策略研究
• 4.3 本章小结
• 第5章 开关阀控气动阀门定位器系统试验研究
• 5.1 信号实时采集及处理
• 5.1.1 Real-Time Workshop
• 5.1.2 外部模式
• 5.1.3 信号采集与处理
• 5.2 系统不同位置定位的试验结果
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢