【正文】 T??? ? ?? ? ? ? ? ?? 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(xué)院課程設(shè)計(jì)論文 10 iK ——表示積分系數(shù) IPITKKT? ； dK ——表示微分系數(shù) DDPTKKT? 。 徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)的位置 u(k)，如閥門的開(kāi)度。當(dāng)采樣周期相對(duì)短時(shí)，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?。能反省偏差信?hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)的值變得太大之前，在系統(tǒng)中應(yīng)如一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) iT ， iT 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。比例 +積分 (PI)控制器，可以使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間積分，時(shí)間增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。根據(jù)系統(tǒng)控制過(guò)程中各個(gè)不同階段對(duì)過(guò)渡過(guò)程的要求以及操作量的經(jīng)驗(yàn)，通常在控制的初始階段，適當(dāng)?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(guò)程中期，適當(dāng)加大 pK ，以提高快速性和動(dòng)態(tài)精度，而到過(guò)渡過(guò)程的后期，為了避免產(chǎn)生大的超調(diào)和提高靜態(tài)精度穩(wěn)定性，又將 pK 調(diào)小 [3]。比例系數(shù) pK 增大，可以加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減小系數(shù)穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。 所謂 PID即指比例、積分、微分控制算法。此外程序還提供手自動(dòng)切換功能，并對(duì)輸出值大小和變化速率進(jìn)行限制。 PID控制程序流程如圖 41所示。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)把 DCS控制站的功能分配給現(xiàn)場(chǎng)儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站。 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律是 連續(xù)系統(tǒng) 動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)改變靈活 (PI、 PD、 …) 。 PID 控制器就是系統(tǒng)誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能有效測(cè)量手段來(lái)獲系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID 控制器問(wèn) 世至今己有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制主要技術(shù)之一。 工業(yè)控制中常用的控制算法有 PID 控制算法、最少拍隨動(dòng)控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。因此，這種系統(tǒng)往往同時(shí)能夠抵制多種擾動(dòng)，而且對(duì)系統(tǒng)自身元部件參數(shù)的波動(dòng)也不甚敏感。這個(gè)偏差是各種實(shí)際擾動(dòng)所導(dǎo)致的總結(jié)果。 而采用閉環(huán)控制系 統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)際輸出跟輸入比較后進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)交換來(lái)系統(tǒng)修正控制的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。而系統(tǒng)最主要的功能就是將測(cè)量的結(jié)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。 徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)論文 6 閥門定位器對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求有以下幾點(diǎn)： (1)能夠接收來(lái)自調(diào)節(jié)器的電流信號(hào)并能將它轉(zhuǎn)換成為電壓信號(hào) , 能夠采集閥位反饋回來(lái)的模擬信號(hào)； (2)能對(duì)以上采集到的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算、整理，最后根據(jù)偏差的大小輸出連續(xù)信號(hào)或一定寬度的脈沖信號(hào)來(lái)控制壓電閥； (3)利用數(shù)碼管能現(xiàn)場(chǎng)顯示輸入的參數(shù)以及閥門開(kāi)度； (4)利用按鍵能在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)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(jìn)行設(shè)定； (5)調(diào)節(jié)閥在自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)閥芯開(kāi)度大于 90% 或小于 10% 時(shí) , 以及閥芯被卡住時(shí) , 控制系統(tǒng)能進(jìn)行報(bào)警； (6)具有斷電保存功能、看門狗功能、電源電壓監(jiān)測(cè)功能。普通電氣定位器使控制閥的品質(zhì)得到改善，但受結(jié)構(gòu)等因素限制，仍易受溫度波動(dòng)、振動(dòng)影響；安裝調(diào)試技術(shù)要求高；噴嘴一擋板易堵、能耗較大；定位器零點(diǎn)和行程調(diào)整需反復(fù)進(jìn)行等問(wèn)題。定位器檢測(cè)輸入控制信號(hào)并和閥位反饋信號(hào)比較，若兩信號(hào)有差異，就驅(qū)動(dòng)閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)直到反饋信號(hào)和輸入 信號(hào)相匹配。 閥門定位器是控制閥的主要附件，它接收控制器的輸出的電流控制信號(hào)，輸出氣壓信號(hào)去控制閥門；當(dāng)控制閥動(dòng)作后，閥桿的位移通過(guò)反饋裝置反饋到閥門定位器。定位器控制執(zhí)行器的閥位，能夠增大執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出功率，減少信號(hào)傳遞滯后，克服閥桿摩擦力并消除不平衡力的影響等，保證準(zhǔn)確定位。對(duì)不同的操縱變量，執(zhí)行器可以是控制閥、風(fēng)門、步進(jìn)電機(jī)和變頻調(diào)速器等。 徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)論文 5 圖 31 智能電氣閥門定位器原理框圖 閥門定位器作用原理 執(zhí)行器是控制系統(tǒng)的終端設(shè)備，它接收控制器信號(hào)，改變操縱變量，實(shí)現(xiàn)控制要求。 閥門定位器用來(lái)確定閥門位置，為單片機(jī)的控制提供信息。因此，閥門定位器組成以閥桿位移為測(cè)量信號(hào)，以控制器輸出為設(shè)定信號(hào)的反饋控制系統(tǒng)。 閥門定位器能夠增大調(diào)節(jié)閥的輸出功率，減少調(diào)節(jié)信號(hào)的傳遞滯后的情況發(fā)生，加快閥桿的移動(dòng)速度，能夠提高閥 門的線性度，克服閥桿的摩擦力并消除不平衡力的影響，從而保證調(diào)節(jié)閥的正確定位。閥門根據(jù)材質(zhì)還分為鑄鐵閥門，鑄鋼閥門，不銹鋼閥門（ 20 30 316 等），鉻鉬鋼閥門，鉻鉬釩鋼閥門，雙相鋼閥門，塑料閥門，非標(biāo)訂制等閥門材質(zhì)。 用于流體控制系統(tǒng)的閥門，從最簡(jiǎn)單的截止閥到極為復(fù)雜的自 控系統(tǒng)中所用的各種閥門，其品種和規(guī)格相當(dāng)繁多。 這三個(gè)過(guò)程不斷重復(fù)，使整個(gè)系統(tǒng)按照一定的品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行工作，并對(duì)被控量 和設(shè)備本身的異?，F(xiàn)象及時(shí)作出處理。 (2)實(shí)時(shí)決策 :對(duì)采集到的表征被控參數(shù)的狀態(tài)量進(jìn)行分析，并按已定的控制規(guī)律，決定下一步的控制過(guò)程。由于過(guò)程控制一般都是實(shí)時(shí)控制，有時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)速度的要求不高，但要求可靠性高、響應(yīng)及時(shí)。 圖 21 閥門定位控制系統(tǒng)示意圖 單片機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路 A/D 轉(zhuǎn)換 位置傳感器 氣缸 調(diào)節(jié)閥 1 調(diào)節(jié)閥 1 鍵盤輸入 徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)論文 4 3 閥門定位的相關(guān)原理 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)包括硬件組成和軟件組成。采用功能鍵實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)和自動(dòng)以及復(fù)位。 設(shè)計(jì)思路 利用位置傳感器檢測(cè)位置，反饋到單片機(jī)中作為反饋模擬信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)內(nèi) PID 控制算法進(jìn)行信號(hào)處理后輸出一定寬度的脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥并實(shí)現(xiàn)定位反饋控制。 (2)要求具有調(diào)節(jié)閥線圈的故障診斷功能。 徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)論文 3 2 課題分析 課題要求 利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)閥門定位的單片機(jī) 控制系統(tǒng)，見(jiàn)圖 21，通過(guò)位置傳感器檢測(cè)氣缸位置，再進(jìn)行控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度。 這一系統(tǒng)的行程檢測(cè)裝置可以采用非接觸式位置傳感器，很適合需要在惡劣現(xiàn)場(chǎng)使用的廠家。因?yàn)橹悄芏ㄎ黄鞯奈恢梅答佋请娢黄?，閥位信息是用電信號(hào)傳遞的，并且可以在 CPU 中對(duì)閥門的特征進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整定。 這一系統(tǒng)具有智能通訊和現(xiàn)場(chǎng)顯示功能，對(duì)使用者來(lái)說(shuō)即便于維修 人員對(duì)定位器工作情況進(jìn)行檢查維修。徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)論文 2 智能定位器只有在減小輸出壓力時(shí)，才向外排氣，因此在大部分時(shí)間內(nèi)處于非耗氣狀態(tài)。 這一系統(tǒng)的定位器的耗氣量極小。組態(tài)簡(jiǎn)便、靈活，可以非常方便的設(shè)定閥門正反作用，流量特性，行程限定或分程操作等功能。對(duì)于使用本系統(tǒng)的廠家來(lái)說(shuō)，這一系統(tǒng)的應(yīng)用可極大的節(jié)省生產(chǎn)資源，提高生產(chǎn) 效率，降低能耗及原材料損耗，對(duì)廠家減耗增效有很好的助推作用。 由于微處理的使用，可以使定位器的調(diào)校以及適用范圍有大的改善。本課題的研究緊密結(jié) 合我國(guó)新一代智能氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的核心技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)品的更新?lián)Q代，代表了傳統(tǒng)氣動(dòng)儀表的智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢(shì)。這樣，相對(duì)傳統(tǒng)閥門定位器，該智能閥門定位器不僅體現(xiàn)出精度提高，能耗降低，功能增多等優(yōu)點(diǎn)，而且它能集合一定人類的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，具有一定的思維能力，符合過(guò)程控制的發(fā)展需要。 智能閥門定位器集合了機(jī)械、電子、通訊以及控制理論知識(shí)和相關(guān)軟件知識(shí)，是一個(gè)跨學(xué)科的智能產(chǎn)品。目前定位器的研究熱點(diǎn)主要在于智能閥門定位器，國(guó)外一些大公司，如西門子、費(fèi)希爾 羅斯蒙特等，已相繼有產(chǎn)品推出，國(guó)內(nèi)這方面起步較晚。過(guò)程控制的質(zhì)量很大程度上決定于過(guò)程控制儀表，它包括變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器以及各種輔助控制裝置。 由于硬件難以實(shí)現(xiàn)， 本文選擇 Proteus 軟件進(jìn)行仿真，不僅簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程也便于修改和調(diào)試。利用電位計(jì)反映實(shí)際閥位值，控制單片機(jī)通過(guò) A/D采集實(shí)際閥位值和鍵入的設(shè)定閥位值算出偏差，并且按 PID（比例微分積分控制算法）控制調(diào)節(jié)閥位達(dá)到設(shè)定值。 本文講述了智能閥門定位系統(tǒng)的相關(guān)原理。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 課程 設(shè)計(jì)說(shuō)明書 閥門定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) DESIGN OF VALVE POSITION CONTROL SYSTEM 學(xué)生姓名 劉慶 學(xué)院名稱 信電工程學(xué)院 學(xué)號(hào) 20xx0501157 班級(jí) 12 電氣 1 專業(yè)名稱 電氣工程及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師 曹言敬 20xx 年 7 月 10 日 徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)論文 I 摘要 閥門定位器作為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的主要附件之一，可以改善閥門特性、提高控制的精度、速度和增加控制的靈活性。智能閥門定位器數(shù)字化、通信化、智能化以及支 持現(xiàn)場(chǎng)總線的特性，給工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)帶來(lái)了深刻