直行程电动执行机构的控制研究

摘要

阀门广泛应用在石油化工、电力、冶金、城市供热、轻纺、建筑等行业的管网系统控制中。随着我国现代化建设和工业自动化进程的加快，阀门产业在装备制造业中的地位日益凸显，这同时也给阀门产业带来了挑战。阀门执行机构作为驱动阀门的重要组件，这对其响应速度、控制精度、安全性等也提出了更高的要求。其中电动执行机构不断应用科技发展的成果，其出色的性能能够满足阀门控制的需求。然而高端市场的电动执行机构大多被国外巨头垄断，所以研发拥有自主知识产权的高水平电动执行机构势在必行。基于以上思考，本课题开展了直行程电动执行机构的控制研究。
　　首先，根据电动执行机构具体的工况要求，完成了其控制系统的总体方案设计，开发出一套以LPC1768芯片为控制核心的控制器。在硬件上完成了键盘输入、液晶显示、串行通讯、数据存储、信号采集、报警、伺服电机驱动等模块电路的设计;在软件中实现了电动执行机构的参数设定、伺服控制、串口通讯等功能，其算法简单易行，程序执行速度快。
　　其次，根据电动执行机构控制系统远程操控的需求，基于RS-232串口通讯协议，应用VB语言设计了上位机监控系统。上位机监控系统能够与下位机控制器进行数据通讯，能够完成对控制系统的操控，建立数据库并能够对数据库进行更高级操作。
　　再次，提出了一种能够快速准确辨识交流异步电机电磁转矩的方法，旨在应用于电动执行机构电子转矩保护系统。对所提出的转矩辨识算法进行了详细的推导，从交流异步电机数学模型出发，经由坐标变换、转子磁场定向、转子磁链观测，最后得出转矩辨识算法。通过在Matlab/Simulink中建立模型进行了精确仿真，研究了系统在阶跃负载下的转矩的辨识结果，验证了所提出的转矩辨识算法优越性。
　　最后，对电动执行机构系统进行了分析，以系统各个部分的数学模型为基础，推导出了电动执行机构的传递函数，并验证了系统具有较好的稳定性。然后对电动执行机构控制系统的控制策略进行了研究，在常规PID的基础上，提出了基于“教与学”(TLBO)算法优化的PID控制策略。通过MATLAB编程仿真，得出了执行机构控制系统在应用新的控制策略后的阶跃响应，正弦跟踪性能、方波跟踪性能、随机信号跟踪性能，并与常规的PID控制策略进行了对比，阐述了其优越性，验证了应用新的控制策略的电动执行机构系统能够达到设计要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．2．3 发展趋势

1．3 本课题研究的意义及主要内容

第2章 直行程电动执行机构的总体方案设计

2．1 工况分析

2．2 电动执行机构控制系统设计要求分析

2．3 执行机构控制系统总体方案设计

2．3．1 电动执行机构控制原理

2．3．2 总体方案设计

2．3．3 电机选择

2．3．4 微处理器选型

2．3．5 远程监控设计

2．3．6 转矩保护研究

2．3．7 控制策略研究

2．4 本章小结

第3章 电动执行机构控制器研究

3．1 功能设计

3．2 硬件设计

3．2．1 主控制芯片

3．2．2 电源电路

3．2．3 复位电路

3．2．4 系统时钟电路

3．2．5 JTAG接口电路

3．2．6 串行通讯接口电路

3．2．7 键盘输入电路

3．2．8 液晶显示电路

3．2．9 数据存储电路

3．2．10 数据采集电路

3．2．11 报警电路

3．2．12 伺服电机驱动电路

3．3 软件设计

3．3．1 软件开发环境简介

3．3．2 总体设计原则

3．3．3 主程序

3．3．4 初始化程序

3．3．5 数据采集子程序

3．3．6 键盘操作子程序

3．3．7 液晶显示子程序

3．3．8 伺服电机控制程序

3．3．9 通讯程序

3．4 本章小结

第4章 基于VB的上位机监控程序设计

4．1 总体方案设计

4．2 上位机程序的具体实现

4．2．1 主窗体界面实现

4．2．2 串口通讯实现

4．2．3 数据曲线动态显示的实现

4．2．5 数据库功能实现

4．3 本章小结

第5章 电动执行机构转矩保护研究

5．1 算法基本思路

5．2 矢量控制原理的基本思路

5．3 交流异步电机数学模型和坐标变换

5．3．1 交流异步电机在三相静止坐标系下数学模型

5．3．2 坐标变换

5．4 转子磁场定向

5．5 转矩辨识算法的推导

5．5．1 定子电流T轴分量求解

5．5．2 转子磁链Ψr求解

5．6 转矩辨识算法仿真实验

5．7 本章小结

第6章 电动执行机构系统建模和控制策略研究

6．1 执行机构系统建模

6．1．1 驱动电机数学模型

6．1．2 传动系统数学模型

6．1．3 负载力模型

6．1．4 传感器数学模型

6．1．5 执行机构系统传递函数

6．2 系统稳定性分析

6．3 执行机构控制策略研究

6．2．1 PID控制器参数整定概述

6．2．2 “教与学”优化算法概述

6．2．3 TLBO算法优化PID控制器参数原理

6．4 MATLAB仿真验证

6．4．1 系统的阶跃响应

6．4．2 系统的跟踪性能

6．5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢