基于偏差耦合法的智能阀门组定位器设计研究

基于偏差耦合法的智能阀门组定位器设计研究

叶际涵 林考 叶际俊 朱建宝

慎江阀门有限公司 浙江 温州 325605

摘要：工业生产因为工业水平的渐渐提高，也提出了越来越高的阀门控制要求，陈旧的气动阀门定位器设置复杂，不方便调试，且控制精度低。在当前工业控制自动化与智能化的趋势中已不适合应用。智能阀门定位器是集成的电路控制技术，已变成智能化气动执行器的重点控制部件。石油、化工等行业中智能阀门定位器是自动化控制系统的关键组成部分，本文主要分析了智能阀门定位器的运用与发展趋势。

关键词：智能；阀门定位器；发展

引言：在工业生产中阀门定位器决定了工业生产过程控制的调节品质，其占有很重要的作用。阀门定位器因为工业化水平的渐渐提高，也需要持续地发展和改进，以让过程控制品质需求得到满足。调节阀的控制精度、流量特点及功能要求也因为应用了智能阀门定位器得到了大大地改善，智能定位器的数字信息通讯能够经过DCS或者设备总线实施，让企业生产控制能力提高，为装置的安全稳定生产供应提供保证。

一、智能阀门定位器技术组件的基本原理

通常技术条件下，输入端位置的给定技术信号是强度处在4.00—20.00mA之间的模拟量电流技术信号，且输出端位置的给定技术信号，与阀门技术组件阀位介于0.00-100.00%之间的打开程度能够建构形成一对一的相互对应关系。主控微处理器技术组件能够将其接收获取的来源于上位机设备之中的输入技术信号充当控制信号，之后指令具体的各执行技术机构迅速针对控制信号作出适当形式的响应过程，继而执行技术机构将会借由对气源气压的运用，具体将阀门技术组件的阀杆组成结构移动到目标设定阀位的附近位置，之后，阀位检测技术模块能够及时地将处在这一时间节点之下的阀杆技术结构位移技术信号作为反馈测量技术信号反馈回微处理器技术组件内部。微处理器技术组件借由计算对比输入端技术点位控制信号，以及反馈测量技术信号之间所发生的偏差值，具体改变调整其发送给执行技术机构的控制信号，继而支持诱导执行技术机构能够继续向着目标阀位执行适当程度的技术动作。

二、智能阀门定位器优点

（一）较高的定位精度与可靠性

机械可动部件比较少，直接对输入的信号与阀位反馈的信号实施数字比较，不会受到环境的影响，具有比较好的稳定性，使机械误差导致的死区影响不存在，具备更好的定位精度与可靠性。

（二）便于修改流量特性

直线等百分比、快开特模块是包含在智能阀门定位里面的，数据能够通过按钮或者上位机、手持式设定器实施设定。

（三）简单的零点、量程调整

零点调整不影响量程调整，调整过程简单方便。

（四）具备诊断与检验作用

除了通常自己的诊断作用以外，调节阀的工作状态能应用输出和调节阀现实动作相对应的反馈信号进行远距离监控。智能阀门定位器的接收数字信号具备双向的通讯的功能，阀门定位器的组态、调试与诊断能够就地或者远距离地运用上位机或者手持式操作器实施。

三、基于偏差耦合法的智能阀门组定位器设计

（一）偏差耦合法原理与应用

偏差耦合法是一种先进的控制策略，在智能阀门组定位器设计中发挥着关键作用。该方法的核心思想是利用实际状态与期望状态之间的差异作为控制信号，通过精心设计的算法对执行机构进行调节，从而实现高精度的定位控制。在智能阀门系统中，这种方法能够显著提高定位精度和响应速度，同时有效减少外部干扰对系统性能的影响。偏差耦合法的工作原理基于反馈控制理论，通过实时监测阀门的实际位置或状态，并将其与设定的目标值进行比较。产生的偏差信号经过处理后，被用来驱动阀门执行机构，使其朝着消除偏差的方向运动。这个过程不断重复，直到实际状态与目标状态达到预定的一致性。与传统的开环控制相比，偏差耦合法能够更快速、更准确地响应系统变化，并在外部干扰存在的情况下保持稳定性。在智能阀门组定位中，偏差耦合法的应用带来了多方面的优势。它能够显著提高阀门的定位精度，即使在复杂的工业环境中也能保持稳定的性能。通过实时调整控制参数，系统可以适应不同的工作条件和负载变化，确保阀门始终处于最佳工作状态。此外，偏差耦合法还能够有效抑制系统振荡，减少过冲和欠调节现象，从而延长设备的使用寿命并提高整体系统的可靠性。

（二）智能阀门组定位器的设计与优化

智能阀门组定位器的设计是一个复杂的系统工程，涉及多个方面的考虑和优化。在硬件选型方面，需要根据应用场景选择合适的执行机构、传感器和控制器。执行机构通常采用电动或气动装置，要考虑其响应速度、输出力矩和精度等参数。传感器选择至关重要，常用的有位置传感器、压力传感器和流量传感器等，它们必须具备高精度、快速响应和良好的环境适应性。控制器则需要具备足够的计算能力和通信接口，以支持复杂的控制算法和远程监控功能。在传感器集成方面，关键是实现多源信息的有效融合。通过综合分析来自不同传感器的数据，可以更准确地估计阀门的实际状态，提高控制的可靠性。例如，结合位置传感器和压力传感器的数据，可以更好地判断阀门是否存在卡阻或泄漏等问题。同时，采用先进的信号处理技术，如卡尔曼滤波或粒子滤波，可以有效抑制传感器噪声，提高测量精度。控制算法的实现是智能阀门组定位器设计的核心。基于偏差耦合法，可以构建多层次的控制结构。底层采用PID控制实现基本的位置调节，中层引入自适应机制动态调整控制参数，顶层则可以实现优化决策和协调控制。为了提升系统的智能化水平，可以引入模糊逻辑控制。模糊控制器能够处理系统中的不确定性和非线性，通过设计合适的模糊规则集，可以实现更加平滑和灵活的控制效果。

（三）系统稳定性与可靠性分析

系统稳定性和可靠性是智能阀门组定位器设计中至关重要的方面，直接关系到整个控制系统的性能和安全性。在不同工况下的表现分析是评估系统稳定性的重要手段。负载变化是影响阀门定位精度的主要因素之一，因此需要通过理论分析和实验测试来验证系统在不同负载条件下的动态响应特性。通过构建系统的传递函数模型，可以利用根轨迹法、频率响应法等经典控制理论工具分析系统的稳定裕度。同时，采用李雅普诺夫稳定性理论可以更深入地研究系统的全局稳定性，特别是在存在非线性和时变特性的情况下。温度波动对智能阀门组定位器的影响主要体现在传感器精度和执行机构性能的变化上。为了保证系统在宽温度范围内的稳定运行，需要采取温度补偿措施。这可以通过硬件设计，如选用温度特性稳定的元器件，或软件算法，如实时温度补偿模型来实现。此外，还需要考虑温度变化对机械结构的影响，如热膨胀导致的定位误差，并在控制算法中加入相应的补偿机制。电源干扰是影响系统稳定性的另一个重要因素。电源波动可能导致控制信号失真、传感器读数不准确等问题。为此，需要在硬件设计中采用高质量的电源管理模块，包括电压稳定器和滤波电路。在软件层面，可以通过数字滤波算法进一步抑制电源噪声的影响。同时，对关键信号采用差分传输和光电隔离等技术，可以有效提高系统的抗干扰素力。

结语

响应中国工业化水平持续提高的要求，所以就要进行智能阀门定位器的研发，工业制造水平与工业效率因为研制新型的智能阀门定位器可以大大地提高，让整体工业的生产也提高了水平。智能定位器因为其较高的精度、较好的稳定性、较高的自动化程度而受到广大用户运用，在设备稳定性提高的同时也让生产过程的品质提高了。随着现阶段的科技进步，智能定位器功能会越来越完善，会为企业的安全稳定生产更好地做出贡献。

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