基于参数自学习的电机执行机构控制器及参数自学习方法

摘要

本发明公开了一种基于参数自学习的电机执行机构控制器，包括人机交互模块，主控模块，通信模块，电机控制模块，阀位检测模块，存储模块及电源模块。本发明的目的是提供一种基于参数自学习的电机执行机构控制器，利用固态继电器对电机进行驱动、控制，另外利用参数自学习的控制算法进行自学习获得静差数据，既解决了谐波问题，又解决了面向不同控制对象的静差不稳定问题。

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种电机执行机构控制器，具体涉及一种基于参数自学习的电机执行机构控制器及参数自学习方法，主要实现对船舶系统中需要快速开关和开度调节的阀门的高精度控制。

背景技术

在现代化的大规模工业生产中，执行机构起着非常重要的作用，尤其是在煤炭、钢铁、建材、化工、造纸、石油等对水、气（汽）、油等流体具有较大的应用需求行业中，执行机构作为控制系统的关键设备，其性能很大程度上影响到整个工业生产的效率与安全。根据能量源的不同，执行机构一般可分三大类：气（汽）动、液动和电动 。气（汽）动执行机构安全系数高、构造简单，在高危行业，如化工、石油等具有广泛的应用，但是气（汽）动执行机构需要额外的气（汽）源、控制精度较低。液动执行机构能提供较大的力量，并且输出力矩可以根据使用要求进行精细调整，广泛使用在机电一体化的设备中，但是液动执行机构需要外部附带的液压系统支持，体积较大。而电动执行机构精度高、成本低、体积小，越来越受到重视，在对力矩、防爆等要求不高的场合得到广泛使用。

目前，电动执行机构已经是工业控制中实现对阀门等控制对象远程控制、集中控制和自动控制的一种不可缺少的动作部件。一般来说电动执行器包括电动执行机构和调节阀，其主要功能是根据过程控制系统的命令，驱动阀门或挡板等机械结构在直线方向上或旋转方向上进行位移，以实现自动控制。长期以来，由于工业控制发展水平的制约，我国的电动执行机构的控制水平也相对较低，大量早期的电动执行机构仍在工业生产中使用。传统的电机开断控制的电动执行机构控制器在面向不同控制对象的情况下，静差不稳定，。而一些新型的采用变频调速的电动执行机构又存在向电网引入谐波的问题。随着我国科学技术的进步，市场对具有智能化的电动执行机构的需求不断增加，对电动执行机构的功能要求也不断提高，电动执行机构本体设计、生产技术已经较为成熟，而市场在不断地向电动执行机构控制器的设计与研发提出新的需求，市场急需一种智能化、能够适应各种工作环境的产品替代目前使用的功能单一的产品，以提高生产效率并降低生产成本。

发明内容

发明的目的：本发明的目的是提供一种基于参数自学习的电机执行机构控制器及参数自学习方法，利用固态继电器对电机进行驱动、控制，另外利用参数自学习的控制算法进行自学习获得静差数据，既解决了谐波问题，又解决了面向不同控制对象的静差不稳定问题。

本发明采用的技术方案：一种基于参数自学习的电机执行机构控制器及控制方法，包括包括人机交互模块，主控模块，通信模块，电机控制模块，阀位检测模块，存储模块及电源模块，其中：

所述存储模块中存储有运行模式种类，不同模式下运行方式、报警上下限、信号标定值、开向限位值及关向限位值，起始位置，增量数组；

人机交互模块与主控模块之间通过I/O接口连接，具体结构包括显示屏及霍尔按键，所述显示屏与霍尔按键组合成基本人机交互平台，用于选择运行模式，参数预设定；

所述通信模块包括RS485通信接口，4~20mA通信接口及CAN通信接口；

所述电机控制模块包括固态继电器连接驱动电机，所述固态继电器与主控模块之间连接有隔离强电和弱电的TLP521-1光耦隔离器；

所述阀位检测模块为多圈绝对值编码器，与主控模块之间通过RS485通信接口连接，用以检测阀门主轴旋转圈数从而获得阀位值发送给主控模块；

所述主控模块采用STM32F103VET6嵌入式微处理器，其与存储模块连接，用于读取存储模块总存储的数据，同时将接受的阀位值，人机交互模块的设定值输入存储模块进行存储。

所述运行模式种类包括就地运行模式，远程运行模式及自学习模式，其中就地运行模式下的运行方式包括脉冲式和维持式，所述远程运行模式下的运行方式包括开关量脉冲式，开关量维持式，模拟量式，Modbus式。

所述增量数组总共30个，包括8个+8%增量，8个-8%增量，4个+15%增量，4个-15%增量，2个+35%增量，2个-35%增量，1个+70%增量，1个-70%增量。

所述起始位置为10%阀位 。

一种基于参数自学习的电机执行机构控制器的参数自学习方法，包括如下步骤：

a、通过霍尔按键结合显示屏选择运行模式为自学习模式，此时主控模块读取存储模块中自学习模式下的报警上下限、信号标定值、开向限位值及关向限位值，还读取了起始位置，增量数组；

b、主控模块按照增量数组中第一个增量值给出控制设定值，并根据该控制设定值控制驱动电机运行到预设位置；

c、通过阀位检测模块检测当前阀门的实际阀位位置，并发送给主控模块；

d、主控模块根据控制设定值与实际阀位值计算出本次自学习的静差值数据，并存储至存储模块，同时增量整定次数加1；

e、主控模块在上一次控制设定值的基础上继续下一个增量值的设定，给出下一个控制设定值，并控制驱动电机运行到该设定值的位置上；

f、阀位检测模块检测当前阀门实际发尾位置，主控模块根据此次控制设定值与实际发位置计算出静差值数据，并存储至存储模块，同时增量整定次数再次加1；

g、判断增量整定次数是否达到30次，若否则重复上述步骤e~f，若是则进行步骤h；

h、将30组静差值以及每组静差值对应的控制设定值输入MATLAB软件中，计算一元二次方程f（x）=ax²+bx+c中的参数a，b，c，其中f（x）为静差值，x为控制设定值；

i、利用参数a，b，c结合一元二次方程f（x）=ax²+bx+c，在就地运行模式或远程运行模式时，通过输入的控制值获得相应的静差值。

本发明所接是一种基于参数自学习的电机执行机构控制器及参数自学习方法，一般阀门的开度为0~100°，而在实际中会预留10%的起始阀位和10%闭合阀位，因此可以调节的阀位范围只有80%，而每次阀位调度是都会有2%的偏差余量，因此本发明对不同的增量值都设定了合理的次数，此外由于本发明中的阀门使用在船舶上的阀门控制，这种阀门运行快速，且在实际运行过程中存在不同类型的控制需求，有小范围控制，大范围控制，在小范围控制时，启动时间短，阀门运行到停止冲击力小，因此差值小，而大范围控制的启动时间长，阀门运行到停止冲击力大，差值较大，为了全面覆盖各种范围的控制，本发明选择了合理的增量数组，8次8%增量，4次15%增量，2次35%增量以及1次70%增量，其中8%为小范围控制，15%和35%为中范围控制，70%为大范围控制。

此外本发明中通过30组静差值结合一元二次方程进行参数计算，而非简单的求平均值，因为差值的变幻有大有小，有正有负，若仅仅采用平均值从整体考量可行，但从每一个值考量就不可行，若平均值为正数，对于原本差值为负数的，加上正数平均值可以消除偏差，但对于原本差值就是正数的，加上正数平均值，其差异值只会更大，本发明中结合一元二次方程可以根据设定值计算出精确的静差值，使得最后的实际阀位值与控制设定值一致。

有益效果：本发明所揭示的一种基于参数自学习的电机执行机构控制器及参数自学习方法，增加了自学习模式，通过自动运行预先设定的设定值，获取反馈值，从而得到静差数据并记录、学习，运行过自学习模式之后，存储模块内部就记录了适应实际工作环境（被控对象）的控制参数，此时控制器再切换到普通的就地模式或者远程模式下运行便能够获得较好的控制效果，该控制器可以较好的解决电动执行机构在面向不同控制对象的静差不稳定的问题。

附图说明

图1是本发明所述的模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施例进行详细阐述：

如图1所示，本发明所揭示的一种基于参数自学习的电机执行机构控制器，包括人机交互模块，主控模块，通信模块，电机控制模块，阀位检测模块，存储模块及电源模块，具体说来：

所述存储模块中存储有运行模式种类，不同模式下运行方式、报警上下限、信号标定值、开向限位值及关向限位值，起始位置，增量数组，其中运行模式种类包括就地运行模式，远程运行模式及自学习模式，其中就地运行模式下的运行方式包括脉冲式和维持式，所述远程运行模式下的运行方式包括开关量脉冲式，开关量维持式，模拟量式，Modbus式，所述增量数组包括8个+8%增量，8个-8%增量，4个+15%增量，4个-15%增量，2个+35%增量，2个-35%增量，1个+70%增量，1个-70%增量，所述起始位置为10%阀位。

人机交互模块与主控模块之间通过I/O接口连接，具体结构包括显示屏及霍尔按键，所述显示屏选择OLED显示屏，所述霍尔按键为所述显示屏与霍尔按键组合成基本人机交互平台，用于选择运行模式，参数预设定；

所述通信模块包括RS485通信接口，4~20mA通信接口及CAN通信接口；

所述电机控制模块包括固态继电器连接驱动电机，所述固态继电器与主控模块之间连接有隔离强电和弱电的TLP521-1光耦隔离器；

所述阀位检测模块与主控模块之间通过RS485通信接口连接，采用多圈绝对值编码器，检测阀门主轴旋转圈数从而转换得到阀位值发送给主控模块，多圈绝对值编码器测量范围大，安装时不必找零点，安装调试简单；

所述主控模块采用STM32F103VET6嵌入式微处理器，其与存储模块连接，用于读取存储模块总存储的数据，同时将接受的阀位值，人机交互模块的设定值输入存储模块进行存储。

一种基于参数自学习的电机执行机构控制器的参数自学习方法，包括如下步骤：

a、通过霍尔按键结合显示屏选择运行模式为自学习模式，此时主控模块读取存储模块中自学习模式下的报警上下限、信号标定值、开向限位值及关向限位值，还读取了起始位置，增量数组；

b、主控模块按照增量数组中第一个增量值给出控制设定值，并根据该控制设定值控制驱动电机运行到预设位置；

c、通过阀位检测模块检测当前阀门的实际阀位位置，并发送给主控模块；

d、主控模块根据控制设定值与实际阀位值计算出本次自学习的静差值数据，并存储至存储模块，同时增量整定次数加1；

e、主控模块在上一次控制设定值的基础上继续下一个增量值的设定，给出下一个控制设定值，并控制驱动电机运行到该设定值的位置上；

f、阀位检测模块检测当前阀门实际发尾位置，主控模块根据此次控制设定值与实际发位置计算出静差值数据，并存储至存储模块，同时增量整定次数再次加1；

g、判断增量整定次数是否达到30次，若否则重复上述步骤e~f，若是则进行步骤h；

h、将30组静差值以及每组静差值对应的控制设定值输入MATLAB软件中，计算一元二次方程f（x）=ax²+bx+c中的参数a，b，c，其中f（x）为静差值，x为控制设定值；

i、利用参数a，b，c结合一元二次方程f（x）=ax²+bx+c，在就地运行模式或远程运行模式时，通过输入的控制值获得相应的静差值。

上述步骤中，所述静差数据为远程运行模式提供补偿依据，远程运行模式时，远程主机通过通信模块给出阀位设定值后，主控模块计算出增量，根据增量值在存储模块中查找最接近的静差数据，结合静差数据计算出电机控制模块运行的参数值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。