【文章內容簡介】 器得到一個偏差信號，就利用這個信號去控制壓電閥，使一定量的壓縮空氣經(jīng)過 壓電閥進入到調節(jié)閥的執(zhí)行機構的氣室，推動閥芯的移動或轉動，從而達到閥芯的準確定位。 徐州工程學院課程設計論文 6 閥門定位器對單片機控制系統(tǒng)的設計要求有以下幾點： (1)能夠接收來自調節(jié)器的電流信號并能將它轉換成為電壓信號 , 能夠采集閥位反饋回來的模擬信號； (2)能對以上采集到的信號進行運算、整理，最后根據(jù)偏差的大小輸出連續(xù)信號或一定寬度的脈沖信號來控制壓電閥； (3)利用數(shù)碼管能現(xiàn)場顯示輸入的參數(shù)以及閥門開度； (4)利用按鍵能在現(xiàn)場對閥門的工作流量特性的參數(shù)，以及閥芯的最大、最小行程等參數(shù)進行設定； (5)調節(jié)閥在自動運行過程中，當閥芯開度大于 90% 或小于 10% 時 , 以及閥芯被卡住時 , 控制系統(tǒng)能進行報警； (6)具有斷電保存功能、看門狗功能、電源電壓監(jiān)測功能。 徐州工程學院課程設計論文 7 4 軟件算法設計 在控制系統(tǒng)中，如果采用開環(huán)控制系統(tǒng)，則只有給定量影響輸出量，被控制量只能受控于控制量，而被控制量不能反過來影響控制量。而系統(tǒng)最主要的功能就是將測量的結果反饋到輸入端與輸入量相減得到偏差，再由偏差產(chǎn)生直接控制作用去消除偏差。所以開環(huán)系統(tǒng)顯然不能滿足系統(tǒng)的功能需求。 而采用閉環(huán)控制系 統(tǒng)，可以實現(xiàn)根據(jù)實際輸出跟輸入比較后進行雙向的數(shù)據(jù)交換來系統(tǒng)修正控制的功能，實現(xiàn)對被控對象進行實時控制。在閉環(huán)系統(tǒng)中，其控制作用的基礎是被控量與給定值之間的偏差。這個偏差是各種實際擾動所導致的總結果。并不區(qū)分其中的個別原因。因此，這種系統(tǒng)往往同時能夠抵制多種擾動，而且對系統(tǒng)自身元部件參數(shù)的波動也不甚敏感。 對比上述兩種控制系統(tǒng)，可以得出本系統(tǒng)應該采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。 工業(yè)控制中常用的控制算法有 PID 控制算法、最少拍隨動控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)等。本控制系統(tǒng)選擇 PID 控制算法。 PID 控制器問 世至今己有近 70 年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制主要技術之一。當被控對象結構和參數(shù)不能完全掌握，或不到精確數(shù)學模型時，控制理論其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用 PID 控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能有效測量手段來獲系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID 控制技術。 PID 控制，實際中也有 PI和 PD控制。 PID 控制器就是系統(tǒng)誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制。 它具有原理簡單，易于實現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相 互獨立，參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點；而且在理論上可以證明，對于過程控制的典型對象 ——“一階滯后＋純滯后 ”與 “二階滯后＋純滯后 ”的控制對象， PID 控制器是一種最優(yōu)控制。 PID 調節(jié)規(guī)律是 連續(xù)系統(tǒng) 動態(tài)品質校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡便，結構改變靈活 (PI、 PD、 …) 。 PID控制算法 對大多數(shù)控制對象，采用數(shù)字 PID控制，均可達到滿意的控制效果。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)把 DCS控制站的功能分配給現(xiàn)場儀表，從而構成虛擬控制站。這樣系統(tǒng)就應具有 PID控制運算模塊。 PID控制程序流程如圖 41所示。控制程序根據(jù)當前的變量值以及變量值和設定值的偏差，進行 PID運算。此外程序還提供手自動切換功能，并對輸出值大小和變化速率進行限制。由于實際控制系統(tǒng)的采樣回路都可能存在高頻干擾，因此幾乎所有的控制回路都設置了一階低通濾波器來限制高頻干擾的影響 [2]。 所謂 PID即指比例、積分、微分控制算法。 徐州工程學院課程設計論文 8 比例控制 (P)： 比例環(huán)節(jié)能及時成比例地反映控制系統(tǒng)地偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控 制作用，以減少偏差。比例系數(shù) pK 增大，可以加快系統(tǒng)響應速度，減小系數(shù)穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但是過大會產(chǎn)生較大超調，甚至導致不穩(wěn)定；若取得過小，能使系統(tǒng)減少超調量，穩(wěn)態(tài)裕度增大，但會降低了系統(tǒng)的調節(jié)精度，使過渡過程時間延長。根據(jù)系統(tǒng)控制過程中各個不同階段對過渡過程的要求以及操作量的經(jīng)驗，通常在控制的初始階段，適當?shù)匕?pK 放在較小的檔次，以減小各物理量初始變化的沖擊；在控制過程中期，適當加大 pK ，以提高快速性和動態(tài)精度，而到過渡過程的后期，為了避免產(chǎn)生大的超調和提高靜態(tài)精度穩(wěn)定性，又將 pK 調小 [3]。 積分控制 (I)： 積分控制中，控制器輸出與輸入誤差信號積分成正比關系，對一個自動控制系統(tǒng)，進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則這個控制系統(tǒng)為有差系統(tǒng)，為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，控制器中必須引入 “積分項 ”。積分項對誤差取決于時間積分，時間增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會時間增加而加大，它推動控制器輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。比例 +積分 (PI)控制器，可以使系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。主要用于消除靜差，提高習用的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) iT ， iT 越大，積分作用越弱，反之則越強。 微分控制 (D)： 微分控制中，控制器輸出與輸入誤差信號微分（即誤差變化率）成正比關系，自動控制系統(tǒng)克服誤差調節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩失穩(wěn)，其原因是存有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后 (delay)組件，具有抑制誤差作用，其變化總是落后于誤差變化，解決辦法是使抑制誤差作 用變化 “超前 ”，即誤差接近零時，抑制誤差作用就應該是零，這就是說，控制器中僅引入 “比例 ”項往往是不夠，比例項作用僅是放大誤差幅值，而目前需要增加是 “微分項 ”，它能預測誤差變化趨勢，這樣，具有比例 +微分控制器，就能夠提前使抑制誤差控制作用等于零，為負值，避免了被控量嚴重超調，對有較大慣性或滯后被控對象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系統(tǒng)調節(jié)過程中動態(tài)特性。能反省偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中應如一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調節(jié)時間。 PID算法 詳解 在計算機控制系統(tǒng)中， PID控制規(guī)律的實現(xiàn)必須用數(shù)值逼近的方法。當采樣周期相對短時，用求和代替積分、用后向差分代替微分，使模擬 PID離散化變?yōu)椴罘址匠?。圖 41給出了數(shù)字 PID增量型控制算法的流程圖。 徐州工程學院課程設計論文 9 圖 41 數(shù)字 PID 增量型控制算法流程圖 數(shù)字 PID位置型控制算法： 0( ) ( 1 )( ) [ ( ) ( ) ]kPDiIT e k e ku k K e k e i TTT???? ? ?? 式 () 式 ()表示的控制算法提供了執(zhí)行機構的位置 u(k)，如閥門的開度。 由式 ()可看出，位置型控制算式不夠方便，這是 因為要累加偏差 e(i)，不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，為此可對式 ()進行修改。根據(jù)式 ()不難寫出 u(k1)的表達式，即： 10( 1 ) ( 2 )( 1 ) [ ( ) ( 1 ) ( ) ]kPDiIT e k e ku k K e k e k e i TTT??? ? ?? ? ? ? ? ?? 式 () 將式（ ）和式（ ）相減，即得數(shù)字 PID增量型控制算法： ( ) ( ) ( 1 ) [ ( ) ( 1 ) ] ( ) [ ( ) 2 ( 1 ) ( 2) ]P I Du k u k u k K e k e k K e k K e k e k e k? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 式 () 式中， PK ——表示比例系數(shù) 1PK ??； 徐州工程學院課程設計論文 10 iK ——表示積分系數(shù) IPITKKT? ； dK ——表示微分系數(shù) DDPTKKT? 。 為了編程方便，可將式 ()整理成如下形式 ： 0 1 2( ) ( ) ( 1 ) ( 2 )u k q e k q e k q e k? ? ? ? ? 式 () 式 中， 0 ( 1 )DP I TTqK TT? ? ? 1 2(1 )DP TqK T? ? ? 2 DPTqKT? 調節(jié)閥開度顯示的設計 因為系統(tǒng)設計中要求顯示 0100%的閥門開度，而通過 A/D轉換后得到的是 0255的數(shù)，為此我們采用如下公式來把 A/D 轉換的數(shù)據(jù)換算成閥門的開度 。 100%XhK Hh?? ? 式 () 式中 X ——電位器動觸點輸出的轉換后實際值； H——電位器器動觸點最大行程時輸出的轉換后值，其默認值為 255； h——電位器器動觸點最小行程時輸出的轉換后值，其默認值為 0。 通過式 ()，我們可以為閥門定位器的電位器在現(xiàn)場與閥芯反饋桿的連接帶來方便。因為電位器的最大行程距離與閥芯的最大行程距離是不可能相同的，而我們要通過改變機械結構使閥芯的最大行程與電位器的最大行程完全匹配是相當困難的，所以可以根據(jù)實際安裝時候閥芯的最大行程的 1X 來替換默認的 H 值，用最小行程時候的 2X 來替換默認的 h值。這樣就可以在 閥芯的最大行程距離小于且接近電位器的最大行程距離的條件下，無論閥芯的最大行程距離是多少，都可以準確地測出閥芯的開度。 從調節(jié)器過來的信號經(jīng) A/D 轉換后得到的數(shù)據(jù)也需通過式 ()進行轉換。所得到的設定開度與閥門的實際開度進行比較即可得出偏差，如果偏差大于所允許的誤差值（小于%），則輸出。 PID參數(shù)整定 PID 控制器參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計核心內容、它是被控過程特性確定 PID 控制器比例系數(shù)、積分時間和微分時間大小。 徐州工程學院課程設計論文 11 圖 42 參數(shù)合理 PID 圖