阀门定位器的原理和设计介绍

　　阀门定位器是控制阀的主要附件，它将阀杆位移信号作为输入的反馈测量信号,以控制器输出信号作为设定信号，进行比较，当两者有偏差时，改变其到执行机构的输出信号，使执行机构动作，建立了阀杆位移量与控制器输出信号之间的一一对应关系。因此，阀门定位器组成以阀杆位移为测量信号，以控制器输出为设定信号的反馈控制系统。该控制系统的操纵变量是阀门定位器去执行机构的输出信号。

 

　　气动控制系统在工业自动化生产中已经得到了广泛应用。阀门定位器是工业生产自动化过程控制仪器仪表的重要组成部分。相比较于比例/伺服阀控系统，开关阀控系统具有价格便宜、抗污染能力强和维护方便等优点。由于气体压缩性、刚度低和系统摩擦力非线性等原因，气动控制系统很难获得较稳定的响应过程和精确的定位。为实现开关阀控气动定位系统较好的位置控制，使其满足一定的定位指标要求，阀门定位器的控制进行了相关研究，分析了系统相关特性并探究了该控制系统的工作原理方式和控制策略。

 

　　具体研究内容如下：首先本文采用二位二通开关阀搭建了开关阀控双作用气动阀门定位器的结构原理图，并对其进行了相关的机理建模分析，包括气缸两腔的流量连续性方程、能量方程和运动学方程，分析了气动系统易产生“爬行”现象的原因，最后重点分析了开关阀的阀口流量方程、阀芯的运动学方程和运动特性。分析了PWM控制开关阀的工作原理，在此基础上，利用AMESim软件搭建了气动系统模型，探究了PWM开关阀控气动系统静态特性和稳态响应特性，并对所得到的静特性曲线进行了相关分析。

 

　　利用AMESim软件搭建模型探究了开关阀控系统在双端单向驱动信号、双端同相和逆相驱动信号三种不同导通方式下，系统的稳态输出压力和压力波动特性曲线。根据前文PWM开关阀控气动系统特性研究，分别探究了气动控制系统在上述三种不同导通方式下的控制特性，分析得到同相驱动方式对缓解爬行现象和纹波问题具有明显的优势，然后探究了系统参数对同相驱动方式的性能影响，如初始压力、管路长度、外负载等，并寻求系统的最佳可控参数。最后采用了同相PWM驱动+PD复合控制方式对系统进行位置控制。仿真结果表明系统定位时间小于5s，稳态误差不大于0.5%，并且具有较好的稳态特性。

 

　　搭建了开关阀控气动阀门定位器试验台，采用MATLAB/xPCTarget工具箱进行实时控制和数据采集，采用ATMEGA64单片机作为系统控制器，并使用C语言进行编程，然后对上述仿真结果进行了试验验证。试验表明，试验结果与系统仿真的结果具有较好的吻合性，且满足实际要求的性能指标。