閥門定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說明書-文庫吧資料
2024-08-16 07:08本頁面
【正文】 片機(jī)AT89C51，它除了增加4KB的E2PROM外，其余的與MCS一51系列的8031單片機(jī)完全一樣。智能化儀表中應(yīng)用單片機(jī)已十分廣泛。(4)在儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用上文中也談到單片機(jī)具備集成度高、體積小、較強(qiáng)的控制功能與擴(kuò)展的靈活性等特點(diǎn)，并且處理速度快，具有較高的可靠性，所以在智能儀器儀表領(lǐng)域其應(yīng)用也十分廣泛。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其體積較小、功能強(qiáng)大、具有靈活的擴(kuò)展性、應(yīng)用方便的特點(diǎn)也越來越突出，因此在醫(yī)用呼吸機(jī)、分析儀與監(jiān)護(hù)儀、超聲診斷設(shè)備、病床呼叫系統(tǒng)等設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用如下：(1)在家用電器領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)在在家用電器的更新、市場開拓等方面，單片機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，比如電子玩具或者高級(jí)的電視游戲機(jī)中，會(huì)應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)其控制功能；而洗衣機(jī)可以利用單片機(jī)識(shí)別衣服的種類與臟污程度，從而自動(dòng)選擇洗滌強(qiáng)度與洗滌時(shí)間；在冰箱冷柜中采用單片機(jī)控制可以識(shí)別食物的種類與保鮮程度，實(shí)現(xiàn)冷藏溫度與冷藏時(shí)間的自動(dòng)選擇；微波爐也可以通過單片機(jī)識(shí)別食物種類從而自動(dòng)確定加熱溫度與加熱時(shí)間等等，這些家用電器在應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)后，無論是性能還是功能，與傳統(tǒng)技術(shù)相比均有長足的進(jìn)步。5 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)硬件的配置及組成原理 單片機(jī)單片機(jī)(Microcontrollers)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。即判斷閥芯被卡住，驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路，直接報(bào)警。 報(bào)警觸發(fā)條件閥門開度大于90%或小于10%時(shí)由閥門定位器感應(yīng)，得到閥門開度，在確定定位器定位無誤后，報(bào)警器直接報(bào)警。工程整定方法和理論計(jì)算整定法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是試驗(yàn)，然后工程經(jīng)驗(yàn)公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接控制系統(tǒng)試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，工程實(shí)際中被廣泛采用。圖42 參數(shù)合理PID圖圖43 參數(shù)不合理PID圖參數(shù)整定方式主要有以下2種：主要依據(jù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。所得到的設(shè)定開度與閥門的實(shí)際開度進(jìn)行比較即可得出偏差，如果偏差大于所允許的誤差值（%），則輸出。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(zhǔn)確地測出閥芯的開度。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。為了編程方便，可將式()整理成如下形式： 式()式中， 調(diào)節(jié)閥開度顯示的設(shè)計(jì)因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)中要求顯示0100%的閥門開度，而通過A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)換算成閥門的開度。由式()可看出，位置型控制算式不夠方便，這是因?yàn)橐奂悠頴(i)，不僅要占用較多的存儲(chǔ)單元，而且不便于編寫程序，為此可對式()進(jìn)行修改。圖41給出了數(shù)字PID增量型控制算法的流程圖。 PID算法詳解在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)必須用數(shù)值逼近的方法。微分控制(D)：微分控制中，控制器輸出與輸入誤差信號(hào)微分（即誤差變化率）成正比關(guān)系，自動(dòng)控制系統(tǒng)克服誤差調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)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(shí)，抑制誤差作用就應(yīng)該是零，這就是說，控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠，比例項(xiàng)作用僅是放大誤差幅值，而目前需要增加是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)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(fù)值，避免了被控量嚴(yán)重超調(diào)，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(diào)節(jié)過程中動(dòng)態(tài)特性。主要用于消除靜差，提高習(xí)用的無差度。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)時(shí)間增加而加大，它推動(dòng)控制器輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。積分控制(I)：積分控制中，控制器輸出與輸入誤差信號(hào)積分成正比關(guān)系，對一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則這個(gè)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(xiàng)”。但是過大會(huì)產(chǎn)生較大超調(diào)，甚至導(dǎo)致不穩(wěn)定；若取得過小，能使系統(tǒng)減少超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)裕度增大，但會(huì)降低了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，使過渡過程時(shí)間延長。比例控制(P)：比例環(huán)節(jié)能及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)地偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。由于實(shí)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(shè)置了一階低通濾波器來限制高頻干擾的影響[2]。控制程序根據(jù)當(dāng)前的變量值以及變量值和設(shè)定值的偏差，進(jìn)行PID運(yùn)算。這樣系統(tǒng)就應(yīng)具有PID控制運(yùn)算模塊。 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(dá)到滿意的控制效果。它具有原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點(diǎn)；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控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。當(dāng)被控對象結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或不到精確數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。本控制系統(tǒng)選擇PID控制算法。對比上述兩種控制系統(tǒng)，可以得出本系統(tǒng)應(yīng)該采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。并不區(qū)分其中的個(gè)別原因。在閉環(huán)系統(tǒng)中，其控制作用的基礎(chǔ)是被控量與給定值之間的偏差。所以開環(huán)系統(tǒng)顯然不能滿足系統(tǒng)的功能需求。4 軟件算法設(shè)計(jì)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。閥門定位器的控制系統(tǒng)采用的是89C51為核心的單片機(jī)控制系統(tǒng)，它接收來自調(diào)節(jié)器的設(shè)定閥門開度的電流信號(hào)(420mA)，用這個(gè)信號(hào)與從調(diào)節(jié)閥閥桿反饋回來的實(shí)際開度信號(hào)進(jìn)行比較，如果微處理器得到一個(gè)偏差信號(hào)，就利用這個(gè)信號(hào)去控制壓電閥，使一定量的壓縮空氣經(jīng)過壓電閥進(jìn)入到調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣室，推動(dòng)閥芯的移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到閥芯的準(zhǔn)確定位。當(dāng)反饋信號(hào)和輸入信號(hào)相等，驅(qū)動(dòng)裝置就停止對閥位的調(diào)整。因此，閥門定位器和控制閥構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)。一般用于高壓、高溫處，克服摩擦力和不平衡力；用于高壓差，增大輸出力，克服不平衡力；控制器輸出直接轉(zhuǎn)換成氣壓信號(hào)去操作執(zhí)行器，提高響應(yīng)速度，輸出信號(hào)的流量大，滯后明顯減??；能實(shí)現(xiàn)氣開式、氣關(guān)式互換；改善和修正控制閥的流量特性；可實(shí)現(xiàn)分程控制。為保證執(zhí)行器控制精度，在某些特定場合需用閥門定位器。執(zhí)行器直接與生產(chǎn)過程接觸，工作在高溫、高壓、腐蝕和振動(dòng)等環(huán)境中。為了信號(hào)穩(wěn)定性，避免噪聲、共振等現(xiàn)象，做出了改進(jìn)，原
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