[发明专利]一种基于自抗扰控制算法的阀门电动执行器控制方法

权利要求书

1.一种基于自抗扰控制算法的阀门电动执行器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立电机输出轴模型，得到电机输出轴的动力学平衡方程；

步骤2，建立齿轮减速机构模型，并简化为一阶线性系统；

步骤3，建立丝杠传动机构模型，将旋转运动变换为阀门电动执行器输出轴直线运动；

步骤4，建立阀门电动执行器输出轴模型；

步骤5，建立负载力模型；

步骤6，加入位移传感器，建立阀门电动执行器的位移传感器数学模型；

步骤7，根据阀门电动执行器传递函数，采用自抗扰控制算法对阀门电动执行器系统进行控制；

步骤1所述的建立电机输出轴模型，得到电机输出轴的动力学平衡方程，具体如下：

电机输出轴的动力学平衡方程为：

式中，J_m为折算到电机轴上的等效转动惯量；为电机输出角速度；为电机输出角加速度；K_t为电机转矩常数；i_a为电枢电流；T_L为负载力矩，即电机轴的输出力矩；V_m为电机轴等效粘性阻尼系数；η为传动系统总效率；F_s为阀门电动执行器输出轴驱动力；L为丝杠导程；

步骤2所述的建立齿轮减速机构模型，并简化为一阶线性系统，具体如下：

简化为一阶线性系统的齿轮减速机构模型为：

式中，i为齿轮减速机构减速比；θ为电机输出角；θ_s为齿轮减速机构输出角；

步骤3所述的建立丝杠传动机构模型，将旋转运动变换为阀门电动执行器输出轴直线运动，具体如下：

丝杠传动机构模型为：

式中，x_s为丝杠机构输出直线位移；L为丝杠导程；

步骤4所述的建立阀门电动执行器输出轴模型，具体如下：

阀门电动执行器输出轴与调节阀门的阀杆相连，控制阀门运行，阀门电动执行器输出轴模型为：

式中，m为输出轴等效到阀门电动执行器的质量，包括输出轴和与输出轴连接的阀门活动部分的质量；F_L为输出轴负载力；F_s为阀门电动执行器输出轴驱动力；V为输出轴等效阻尼系数；K为电机输出轴总刚度；x为丝杠机构输出直线位移；x₀为阀门电动执行器输出轴位移；

步骤5所述的建立负载力模型，具体如下：

步骤5.1，建立不平衡力模型：

式中，F_V为不平衡力；d₁为阀门阀芯直径；d₂为阀门阀杆直径；p₁为阀门上游绝对压力；p₂为阀门下游绝对压力；

步骤5.2，建立摩擦力模型：

F_f＝kd₂WP_N

式中，F_f为摩擦力；k为比例系数，其取值受填料长度、宽度及阀门压力等级的影响；W为填料宽度；P_N为调节阀额定压力等级；

步骤5.3，建立负载力模型：

F_L＝F_V+F_f

式中，F_L为输出轴负载力；

将步骤5.1所述建立不平衡力模型和步骤5.2建立摩擦力模型所产生的扰动量以及未知外部扰动估计值，在阀位移信号进入控制中心前进行主动补偿；

步骤6所述的加入位移传感器，建立阀门电动执行器的位移传感器数学模型，具体如下：

将位移传感器视为一个增益为K_c的比例环节，将位移传感器采集到的阀门电动执行器输出轴的当前位置信号转换为电压信号，输入到下位机控制器的I/O口，通过比较当前位置和目标位置的差值来驱动阀门电动执行器运行；

交流电机电压平衡方程为：

式中，L_a为电枢电感；i_a为电枢电流；K_i为电流环增益；K_s为速度环增益；为电机设定角速度；θ为电机输出角，为电机输出角速度；K_e为电机反电动势；R_a为电枢绕组电阻；

采用交流电机控制模式为位置式控制模式，电动执行器控制系统微处理器MCU控制器输出的PWM脉冲数与电机角度成比例关系：

K_pN_PWM＝θ_ref (6)

式中，K_p为电机位置比例增益；N_PWM为阀门电动执行器控制系统微处理器MCU控制器发出的PWM信号脉冲数量；θ_ref为电机的设定角度；

令：

H₃＝J_mL_a；

N₅＝mJ_mL_a；

N₄＝mJ_m(R_a+K_i)+L_a(J_mV+mV_m)；

其中，b₁为阀门电动执行器控制系统微处理器MCU控制器发出PWM信号脉冲数量N_PWM系数；H₃为输出轴负载力F_L的三次项系数；H₂为F_L的二次项系数；H₁为F_L的一次项系数；H₀为F_L的常数项；N₅为阀门电动执行器输出轴位移x₀的五次项系数；N₄为x₀的四次项系数；N₃为x₀的三次项系数；N₂为x₀的二次项系数；N₁为x₀的一次项系数；

将式(1)至式(6)进行拉普拉斯变换，联立，化简阀门电动执行器系统得阀门电动执行器系统输出位移与负载力F_L的传递函数为：

设定外扰为ω，则式(7)转换为：

y(N₅s⁵+N₄s⁴+N₃s³+N₂s²+N₁s)＝(H₃s³+H₂s²+H₁s+H₀)u+ω

式中，y代表阀门电动执行器输出位移x₀(s)，u代表负载力F_L；

对等号两边同时进行三次积分，具有二阶相对阶的五阶系统变为如式(8)所示的二阶系统：

式(8)为对于负载反馈下的位置控制情况，构建的一个标准的二阶自抗扰控制算法控制结构，即基于自抗扰控制算法的阀门电动执行器控制方法数学模型。