在造紙、化工等行業的生產過程中,流量是重要的過程控制變量之一,其控制效果直接關系到產品質量,受到相關行業的高度關注。然而隨著企業對流量控制要求的提高,普通調節閥的控制精度已不能滿足要求,高精度定量閥因其具有較高的控制精度與良好的動態特性在流量控制中倍受青睞。由于國內目前尚未制造出高精度的定量閥,因此當前國內主要依賴于進口,國外高昂的壟斷價格使企業投資成本大幅度增加。為了打破國外的技術壟斷,迫切需要研制出一種具有競爭力的國產高精度定量閥。本論文受高精度定量控制執行器的研制項目(項目號:201311)和陜西省重點科技創新團隊計劃項目(項目號:2014KCT-15)的資助,圍繞高精度定量閥的機械結構及控制單元設計、加減速定位控制和位置閉環智能控制三個方面展開了以下研究工作:

(1)精密定量閥機械結構與控制單元的設計針對高精度定量閥驅動部件的選型問題,通過仿真實驗,對同步電機、異步電機,步進電機的開環定位精度進行了測試。根據測試結果,選擇定位精度相對較高的步進電機作為驅動部件,然后結合減速器、閥體等零部件,設計了高精度定量閥的整體機械結構。根據閥門控制的電機驅動、故障報警、閥位反饋、通信等功能需求,設計了以S7-200 PLC與步進電機驅動器構成的高精度定量閥控制單元。

(2)高精度定量閥加減速定位控制的研究針對高精度定量閥的驅動部件在運動過程中存在丟步與過沖的現象,提出了基于三角形、梯形、S形的加減速定位控制算法。通過分析每種算法的優缺點,并結合算法實現成本,選擇了擬合S形加減速算法對高精度定量閥進行定位控制。利用仿真實驗驗證了擬合S形加減速算法的定位效果,并且將擬合S形加減速算法在物理實驗平臺上做出了進一步地驗證。

(3)高精度定量閥位置閉環智能控制的研究針對閥門位置偏差以及步進電機強耦合性與高非線性的特點,提出了基于模糊PID的閥門位置閉環控制策略。通過仿真實驗發現,與傳統的PID控制器相比,模糊PID控制器能夠有效且快速地糾正閥門位置偏差,進一步提升高精度定量閥的控制精度,并且取得了令人滿意的動態特性。本論文通過高精度定量閥的定位控制提高了其控制精度與動態特性,將其應用在四川某企業的衛生紙機縱向定量控制中,現場流量歷史曲線和定量采樣數據表明,該高精度定量閥能夠有效地提高了漿料流量控制精度與縱向定量的穩定性。