【正文】 ........................................ 25 徐州工程學院課程設計論文 1 1 緒論 課程背景 生產(chǎn)過程的自動控制簡稱過程控制，它在工業(yè)生產(chǎn)中占有極其重要的地位。本文討論的一種輔助控制儀表 ——閥門定位器，是各國競相研究的對象，它在一定程度上決定了過程控制的調(diào)節(jié)品質(zhì)，且隨著過程 控制水平的發(fā)展，定位器也必須不斷發(fā)展以滿足現(xiàn)代生產(chǎn)對過程控制的要求。國內(nèi)目前普遍使用的電氣閥門定位器采用的是機械式力平衡原理，存在一些不足且不能滿足過程控制發(fā)展的需要，而由國外進口的智能型定位器價格昂貴，因此研究設計智能型電氣閥門定位器是十分必要的。本課題研制的主要對象是智能閥門定位器的 控制系統(tǒng)，它通過采集從調(diào)節(jié)器來的設定閥門開度信號和反饋回來的實際閥門開度信號，在經(jīng)過偏差與偏差變化率的計算后，通過模糊運算與決策輸出相應的控制信號去控制壓電閥的開啟時間，從而控制進入調(diào)節(jié)閥氣室的進氣量，以此推動閥芯動作并準確定位。 隨著智能、網(wǎng)絡、通信和控制 /管理綜合自動化技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制現(xiàn)場對氣動調(diào)節(jié)閥的智能化要求日益迫切。 課程意義 本課題所設計的智能閥門定位器系統(tǒng)由于使用新型控制元件如導電塑料和壓電閥，可以使閥門定位達到很高精度；又由于采用氣動執(zhí)行機構(gòu)，可在各種惡劣條件下使用并且使用壽命長，故障率低，這兩點從根本上提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。對于生產(chǎn)商來說，這一系統(tǒng)市場前景廣闊，價值高，利潤大。 這一系統(tǒng)可以進行自動調(diào)校。對使用廠家來說即簡化了設備安裝調(diào)試過程，減小了因安裝設備對企業(yè)正常生產(chǎn)的影響。傳統(tǒng)定位器的噴嘴、擋板系統(tǒng)是連續(xù)耗氣型元件。對使用廠家來說即降低了生產(chǎn)能耗，節(jié)省了生產(chǎn)資源。 這一系統(tǒng)的定位器與閥門可以采用分離式安裝方式。對使用廠家來說即此系統(tǒng)可在狹小，特定的設備空間中安裝，而不需為安裝這一設備而特別開辟空間。并且可保證定位器的可靠使用和壽命。 設計要求 (1)要求閥開度大于 90 或小于 10%，以及閥心被卡住時，進行報警。 (3)用數(shù)碼管實時閥位開度。由鍵盤輸入閥門的工作量特性以及閥心的最大、最小行程等參數(shù)。定位速率由各組自行設定， 即確定 PID 控制算法參數(shù)。在計算機控制系統(tǒng)中，需有專門的數(shù)字 模擬轉(zhuǎn)換設備和模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換設備。計算機控制系統(tǒng)的工作原理可歸納為以下三個過程： (1)實時數(shù)據(jù)采集 :對被控量的瞬時值進行檢測，并輸入給計算機。 (3)實時控制 :根據(jù)決策，適時地對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務。 閥門介紹 閥門是流體輸送系統(tǒng)中的控制部件，具有截止、調(diào)節(jié)、導流、防止逆流、穩(wěn)壓、分流或溢流泄壓等功能。閥門可用于控制空氣、水、蒸汽、各種腐蝕性介質(zhì)、泥漿、油品、液態(tài)金屬和放射性介質(zhì)等各種類型流體的流動。 智能閥門定位器 閥門定位器按其結(jié)構(gòu)形式和工作原理可以分成氣動閥門定位器、電－氣閥門定位器和智能式閥門定位器。 閥門定位器是控制閥的主要附件它將閥桿位移信號作為輸入的反饋測量信號 ,以控制器輸出信號作為設定信號，進行比較，當兩者有偏差時，改變其到執(zhí)行機構(gòu)的輸出信號，使執(zhí)行機構(gòu)動作，建立了閥桿位移量與控制器輸出信號之間的一一對應關(guān)系。該控制系統(tǒng)的操縱變量是閥門定位器去執(zhí)行機構(gòu)的輸出信號 [1]。為了信號穩(wěn)定性，避免 噪聲、共振等現(xiàn)象，做出了改進，原理框如圖 31。執(zhí)行器直接與生產(chǎn)過程接觸，工作在高溫、高壓、腐蝕和振動等環(huán)境中。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。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)換成氣壓信號去操作執(zhí)行器，提高響應速度，輸出信號的流量大，滯后明顯減??；能實現(xiàn)氣開式、氣關(guān)式互換；改善和修正控制閥的流量特性；可實現(xiàn)分程控制。因此，閥門定位器和控制閥構(gòu)成一個閉環(huán)。當反饋信號和輸入信號相等，驅(qū)動裝置就停止對閥位的調(diào)整。 閥門定位器的控制系統(tǒng)采用的是 89C51 為核心的單片機控制系統(tǒng)，它接收來自調(diào)節(jié)器的設定閥門開度的電流信號 (420mA)，用這個信號與從調(diào)節(jié)閥閥桿反饋回來的實際開度信號進行比較，如果微處理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(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機構(gòu)的氣室，推動閥芯的移動或轉(zhuǎn)動，從而達到閥芯的準確定位。 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。所以開環(huán)系統(tǒng)顯然不能滿足系統(tǒng)的功能需求。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。并不區(qū)分其中的個別原因。 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)。本控制系統(tǒng)選擇 PID 控制算法。當被控對象結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或不到精確數(shù)學模型時，控制理論其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應用 PID 控制技術(shù)最為方便。 PID 控制，實際中也有 PI和 PD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。這樣系統(tǒng)就應具有 PID控制運算模塊?？刂瞥绦蚋鶕?jù)當前的變量值以及變量值和設定值的偏差，進行 PID運算。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]。 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。但是過大會產(chǎn)生較大超調(diào)，甚至導致不穩(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，但會降低了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，使過渡過程時間延長。 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(guān)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 ”。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。主要用于消除靜差，提高習用的無差度。 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(guān)系，自動控制系統(tǒng)克服誤差調(diào)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(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)過程中動態(tài)特性。 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。圖 41給出了數(shù)字 PID增量型控制算法的流程圖。 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。 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(diào)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(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 。 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。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。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。 徐州工程學院課程設計論文 11 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)學模型，理論計算確定控制器參數(shù)。 主要依賴工程經(jīng)驗，直接控制系統(tǒng)試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，工程實際中被廣泛采用。 工程整定方法和理論計算整定法各有其特點，其共同點都是試驗，然后工程經(jīng)驗公式徐州工程學院課程設計論文 12 對控制器參數(shù)進行整定。 報警觸發(fā)條件 閥門開度大于 90%或小于 10%時由閥門定位器感應，得到閥門開度，在確定定位器定位無誤后，報警器直接報警。即判斷閥芯被卡住，驅(qū)動報警電路，直接報警。 徐州工程學院課程設計論文 13 5 系統(tǒng)總體設計方案 系統(tǒng)硬件的配置及組成原理 單片機 單片機 (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、 隨機存儲器 RAM、 只讀存儲器 ROM、多種 I/O口和 中斷系