【正文】 統(tǒng)選用常見的電磁流量計作為傳感器。 1． 4 控制閥概述 控制閥是自動控制系統(tǒng)中非常重要的一個環(huán)節(jié)，猶如人的手和腳?？刂崎y調(diào)節(jié)流體流量，克服干擾來保證被控變量達(dá)到給定的工藝指標(biāo)。 控制閥的閥部分由閥的內(nèi)件和閥體組成，閥的內(nèi)件包括閥芯、閥 桿、填料函和上閥蓋等。上閥蓋和填料函用于對閥桿密封和對閥桿進(jìn)行導(dǎo)向，防止工藝介質(zhì)沿控制閥門的閥桿這個可動部件向外泄漏，它是閥體不可分割的一部分。 常規(guī)的上閥蓋結(jié)構(gòu)形式一般有四種：普通型、散熱片型、長頸型和波紋管密封型。材質(zhì)一般有鑄鐵、鑄鋼和不銹鋼，填料函一般為聚四氟乙烯或柔性石墨。 典型的控制閥的閥蓋由與閥體相同的材料或等效的材料制成。閥蓋承受與閥體相同的溫度和腐蝕性影響，閥桿密封在經(jīng)過幾百次的循環(huán)動作之后，就會磨損，在工程應(yīng)用中，流體壓力也會導(dǎo)致密封磨損；填料的選擇也是一個問題，填料選擇不 當(dāng)，控制閥的摩擦力增大而導(dǎo)致控制閥死區(qū)增大或者很容易使閥桿密封失效。 因此，選擇控制閥，除了閥體結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、口徑計算外，還應(yīng)根據(jù)控制流體的壓力、溫度、壓差、流體的性質(zhì)，合理選擇上閥蓋的結(jié)構(gòu)形式和填料函，以防止流體沿著控制閥閥桿泄漏出來，即應(yīng)充分考慮閥桿密封的性能和使用壽命。這在工程設(shè)計中顯得非常重要。 在強(qiáng)腐蝕、易揮發(fā)和有毒有害的工藝流體中，控制閥一般不采用普通型、散熱片型、長頸型上閥蓋及密封結(jié)構(gòu)形式，因?yàn)榇朔N結(jié)構(gòu)形式的密封性能和使用壽命極為有限。在強(qiáng)腐蝕、易揮發(fā)和有毒有害的工藝條 件下，一旦閥桿密封被破壞，強(qiáng)腐蝕、易揮發(fā)和有毒有害的工藝介質(zhì)從控制閥閥桿中泄漏出來，會對周邊環(huán)境和人身安全帶來嚴(yán)重的后果。 采用波紋管密封型形式是解決上述問題的一個途徑。波紋管一般由不銹鋼做成。這種特殊的閥蓋結(jié)構(gòu)保護(hù)控制閥的填料函避免和流體接觸，一旦波紋管破裂，在波紋管上面的填料函結(jié)構(gòu)會防止波紋管破裂失效時產(chǎn)生的嚴(yán)重后果。在工程實(shí)際中，波紋管密封形式的選擇應(yīng)充分考慮波紋管密封的壓力的額定值會隨溫度的增高而降低，流體中不能有固體的顆粒存在，及波紋管材料的最長循環(huán)動作壽命等。在不銹鋼不耐某些工藝介質(zhì)腐蝕的強(qiáng)腐蝕 的場所，如工藝介質(zhì)為濕氯氣時，濕氯氣中含有的微量鹽酸會使不銹鋼波紋管很快被腐蝕，則控制閥閥桿不能采用波紋管密封的形式。 本控制系統(tǒng)采用由步進(jìn)電機(jī)帶動的控制閥。 第二章 功能原理說明 2． 1 控制系統(tǒng)的基本功能 該控制系統(tǒng)的基本功能有如下幾點(diǎn)： 1．流量顯示功能 a 復(fù)位顯示功能： b 平均流量顯示內(nèi)容折算成立方米 c 累積流量顯示內(nèi)容為立方米 d 累積流量數(shù)值的保護(hù)不受停電的影響 e 顯示精度均保留到小數(shù)點(diǎn)后兩位 2．對水泵的工作狀態(tài) 進(jìn)行監(jiān)視 a 水泵工作正常，則顯示平均流量和累積流量的值 b 當(dāng)水泵停止工作時 LED 顯示部分顯示的內(nèi)容和復(fù)位時相同 3．對電動閥門有較好的控制功能 在軟件設(shè)計當(dāng)中考慮到對電機(jī)控制時避免頻繁啟動，因?yàn)轭l啟動會影響閥門的密封效果和使用壽命，流量控制是一個動態(tài)的調(diào)節(jié)過程，每次采樣后和以前的上次采樣值取平均值，用這個值和撥碼開關(guān)值進(jìn)行比較。這樣基本上流量控制精度在 2﹪～ 5﹪之間。 2． 2 系統(tǒng)工作原理 (1)總體設(shè)計 通過 AD 轉(zhuǎn)換器，作為單片機(jī)與外部輸入的接口，將外部的模擬量輸入單片機(jī)。單片機(jī)在系統(tǒng)軟 件的控制作用下，對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，向外部輸出控制信號，步進(jìn)電機(jī)是具體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。同時，系統(tǒng)還設(shè)有撥碼盤輸入和數(shù)碼管顯示。撥碼盤作為系統(tǒng)的設(shè)定值輸入，數(shù)碼管顯示動態(tài)的流量和累積的流量。系統(tǒng)軟件主要包括主程序，流量控制程序和供主程序調(diào)用的各個小的子程序。主程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的總體功能，子程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的具體功能。流量控制程序?qū)崿F(xiàn)對流量的控制。 （ 2）工作原理 系統(tǒng)的工作原理是流量傳感器采集到流量信息，通過變換器，轉(zhuǎn)化為電信號， AD 轉(zhuǎn)換器將模擬電信號轉(zhuǎn)化為離散信號，傳給單片機(jī)。單片機(jī)軟件系統(tǒng)根據(jù)事先的設(shè)定值對 采集的信息進(jìn)行處理，輸出離散的控制信號。 DA 轉(zhuǎn)換器將離散的控制信號轉(zhuǎn)化為模擬電量。通過模擬電量來控制閥門的動作，從而調(diào)節(jié)流量，實(shí)現(xiàn)流量的精確控制。 系統(tǒng)原理框圖如下： 圖 系統(tǒng)原理框圖 其中，電磁流量計作為流量傳感器，采集流量信息，經(jīng)放大器放大后送到 AD 轉(zhuǎn)換器。 AD 轉(zhuǎn)換器將連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)化為單片機(jī)能接受的離散的數(shù)字量。單片機(jī)收到流量信號后，在控制系統(tǒng)軟件的作用下，發(fā)出相應(yīng)的執(zhí)行命令給執(zhí)行機(jī)構(gòu) —— 步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)帶動 閥門動作，對流體流量進(jìn)行控制。2． 3 電磁流量計測量原理 電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律研制成功的一種流量計，重要用于測量導(dǎo)電液體體積流量。 20 世紀(jì) 30 年代便有了比較系統(tǒng)的電磁流量計的理論， 20 世紀(jì) 50 年代開始進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。 20 世紀(jì) 70、 80 年代電磁流量計技術(shù)有了突破性的發(fā)展，成為使用廣泛的一類儀表，應(yīng)用領(lǐng)域涉及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域，可測介質(zhì)范圍也從電導(dǎo)率很低的蒸餾水到電導(dǎo)率很高的液態(tài)金屬，并有成熟的耐高溫高壓及高腐蝕性的設(shè)計方法。電磁流量計已基本實(shí)現(xiàn)小型化、智能化、一體化，并已有 級精 度的商品化電磁流量計出現(xiàn)。 電磁流量計采用的原理與常見的差壓式流量計不同，后者需要在管道中設(shè)置一定的檢測元件，因此也易造成堵塞，且會帶來一定的壓力損失。而電磁流量計以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，通過安裝在管道兩側(cè)的磁鐵，以流動的液體當(dāng)作切割磁力線的導(dǎo)體，由產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢測知管道內(nèi)液體的流速和流量。 由法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動切割磁力線時，在它的兩端將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 e，其方向由右手定則確定，大小則與磁感應(yīng)強(qiáng)度 B、切割磁力線的有效長度 L、垂直于磁場方向的速度 v 成正比，即 e=BLSv B、 L、 v 三者之間 互相垂直。 電磁流量計中，在一段不導(dǎo)磁測量管兩側(cè)安裝上一對電磁鐵，產(chǎn)生一個均勻分布的磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度 B，則管內(nèi)以速度 v 流動的導(dǎo)電性液體就相當(dāng)于切割磁力線的導(dǎo)體，如果沿管道截面與磁場垂直方向上在外管壁兩測安裝一對電極，那么流體切割線的長度就是兩個電極間的距離，也就是管道內(nèi)徑 D（ m），則電極中的感應(yīng)電動勢為 e=BDv 由于體積流量 qv 與 v 有如下關(guān)系，即 qv=v 42dD 則 e= DB4 qv 由此可見，體積流量 qv 與 e/B 成正比，而當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 為恒定值時，在測量電極上就可以得到與流量成正比的電動勢。 2． 4 PID 控制算法介紹 將偏差的比例（ P）、積分（ I）和微分（ D）通過線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對被控對象進(jìn)行控制，這樣的控制器稱 PID 控制器。 PID 控制器是控制系統(tǒng)中技術(shù)比較成熟，而且應(yīng)用最廣泛的一種控制器。它的結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易調(diào)整，不一定需要系統(tǒng)的確切數(shù)學(xué)模型，因此在工業(yè)的各個領(lǐng)域中都有應(yīng)用。 PID 控制器最先出現(xiàn)在模擬控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的模擬 PID 控制器是 通過硬件（電子元件、氣動和液壓元件）來實(shí)現(xiàn)它的功能。隨著計算機(jī)的出現(xiàn)，把它移植到計算機(jī)控制系統(tǒng)中來 ,將原來的硬件實(shí)現(xiàn)的功能用軟件來代替，因此稱作數(shù)字 PID 控制器，所形成的一整套算法則稱為數(shù)字 PID 算法。數(shù)字 PID控制器與模擬 PID 控制器相比，具有非常強(qiáng)的靈活性，可以根據(jù)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)在線調(diào)整參數(shù)，因此可以得到很好的控制性能。 由于計算機(jī)的出現(xiàn)，計算機(jī)進(jìn)入了控制領(lǐng)域。人們將模擬 PID 控制規(guī)律引入到計算機(jī)中來。對 PID 控制規(guī)律進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q，就可以用軟件來實(shí)現(xiàn)PID 控制，即數(shù)字 PID 控制。 數(shù)字 PID控制算法可以分 為位置式 PID控制算法和增量式 PID控制算法。我們采用位置式 PID 算法，故這里主要介紹位置式 PID 算法。 由于計算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，而不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量，進(jìn)行連續(xù)控制。由于這一特點(diǎn)，原式中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)不能直接使用，必須進(jìn)行離散化處理。離散化處理的方法為：以 T 作為采樣周期， k 作為采樣序號，則離散采樣時間 kT 對應(yīng)著連續(xù)時間 t，用求和的形式代替積分，用增量的形式代替微分，可作如下近似變換： t? kT （ k=0， 1， 2） ?t0 dt)t(e?T??k0j )jT(e=T??k0j ej dt)t(de ? T ]T)1k[(e)kT(e ?? = T 1ekek ?? 上式中，為了表示方便 ,將類似于 e（ kT）簡化成 ek等。 將上式代入原式，就可以得到離散的 PID 表達(dá)式為 uk=Kp[ek+ 1TT ??k0j ej+ TTd （ ekek1） ]+u0 （ 2—— 1） 或 uk=Kpek+K1??k0j ej+KD(ekek1)+u0 （ 2—— 2） 式中 k—— 采樣序號， k=0， 1， 2， …… ； uk—— 第 k 次采樣時刻的計算機(jī)輸出值； ek—— 第 k 次采樣時刻輸入的偏差值； ek1—— 第 k1 次采樣時刻輸入的偏差值； K1—— 積分系數(shù)， K1=Kp 1TT ； KD—— 微分系數(shù)， KD=Kp TTD ； u0—— 開始進(jìn)行 PID 控制時的原始初值。 如果采樣周期取得足夠小，則式（ 2— 1）或式（ 2— 2）的近 似計算可獲得足夠精確的結(jié)果，離散控制過程與連續(xù)控制過程十分接近。 式（ 2— 1）和式（ 2— 2）表示的控制算法是直接按模擬式所給出的 PID控制規(guī)律定義進(jìn)行計算的，所以它給出了全部控制量的大小，因此被稱為全量式或位置式 PID 控制算法。 這種算法的缺點(diǎn)是：由于全量輸出，所以每次輸出均與過去狀態(tài)有關(guān)，計算時要對 ek 進(jìn)行累加，工作量大；并且，因?yàn)橛嬎銠C(jī)輸出的 uk 對應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計算機(jī)出現(xiàn)故障，輸出的 uk 將大幅度變化，會引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大幅度變化，有可能因此造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故，這在生產(chǎn)實(shí)際中是不能允許的。應(yīng) 用增量式 PID 控制算法可以避免這種現(xiàn)象發(fā)生。 在計算機(jī)控制系統(tǒng)中， PID 控制規(guī)律是用計算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)的，因此它的靈活性很大，一些原來在模擬 PID 中無法實(shí)現(xiàn)的問題，在引入計算機(jī)后，只要通過軟件處理就可以得到解決。于是，產(chǎn)生了一系列圍繞此目的的改進(jìn)算法，滿足不同控制應(yīng)用系統(tǒng)的需求。 第三章 總體設(shè)計 3． 1 硬件構(gòu)成與工作原理 本系統(tǒng)主要由水泵、流量傳感器、電動閥門和 MCS51 單片機(jī)控制系統(tǒng)以及液體管線和控制線、監(jiān)視線等組成。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下所示： 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 流量是指單位時間內(nèi)通過管道某一截面的物料數(shù)量。本控制系統(tǒng)的任務(wù)是對通過某一管道截面的物料數(shù)量即降粘劑流量進(jìn)行控制。本系統(tǒng)采用單片機(jī)控制，通過流量計采集流量信息，傳給單片機(jī)。單片機(jī)通過預(yù)先設(shè)定值和系統(tǒng)軟件進(jìn)行分析，發(fā)出相應(yīng)的控制信號，驅(qū)動調(diào)節(jié)閥動作，從而確定降粘劑的配比與耗量，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化。 系統(tǒng)的工作原理是流量傳感器采集到流量信息，通過變換器，轉(zhuǎn)化為電信號， AD 轉(zhuǎn)換器將模擬電信號轉(zhuǎn)化為離散信號，傳給單片機(jī)。單片機(jī)軟件系統(tǒng)根據(jù)事先的設(shè)定值對采集的信息進(jìn) 行處理，輸出離散的控制信號。 DA 轉(zhuǎn)換器將離散的控制信號轉(zhuǎn)化為模擬電量。通過模擬電量來控制閥門的動作，從而調(diào)節(jié)流量，實(shí)現(xiàn)流量的精確控制。 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如下圖所示： 圖 硬件框圖 3． 2 軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 該控制系統(tǒng)的程序主要分為三部分：主程序、流量控制程序和各種中斷子程序。主程序完成系統(tǒng)的地址分配、系統(tǒng)初始化和各子程序的調(diào)用。流量控制程序通過 PID 控制算法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字化控制。各子程序完成相應(yīng)的各功 能。 軟件設(shè)計是本控制系統(tǒng)設(shè)計的核心，在完成了系統(tǒng)硬件的搭接之后，剩下來的主要任務(wù)接是系統(tǒng)軟件的設(shè)計。該控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計可以分為三部分：一、主程序部分。該部分完成存儲器分區(qū)、數(shù)據(jù)定義和系統(tǒng)的初始化等，以及調(diào)用各個子程序，完成主要的控制功能；二、流量控制程序。通過 PID控制算法，編寫出相應(yīng)的流量控制子程序，實(shí)現(xiàn)對流量的控制，達(dá)到預(yù)期的控制要求；三、各子程序。各個子程序完成具體的實(shí)現(xiàn)方法，主要包括：設(shè)定值輸入、數(shù)碼管顯示、步進(jìn)電機(jī)控制、 AD 轉(zhuǎn)換中斷、 T0定時器中斷、采樣中斷等。由此我們可以得出系統(tǒng)的總體設(shè)計框 圖，如下圖所示。 軟件流程圖如下： 圖 主程序流程圖 第四章 硬件電路設(shè)計 4． 1 硬件總體設(shè)計思想 系統(tǒng)的總體設(shè)計思想是流量傳感器采集到流量信息，通過變換器，轉(zhuǎn)化為電信號， AD 轉(zhuǎn)換器將模擬電