1、计 算 机 控 制 系 统课 程 设 计 说 明 书阀门定位控制系统设计DESIGN OF VALVE POSITIONCONTROL SYSTEM学 生 姓 名 刘 庆学 院 名 称 信 电 工 程 学 院学 号 20120501157班 级 12 电 气 1专 业 名 称 电 气 工 程 及 其 自 动 化指 导 教 师 曹 言 敬2015 年 7 月 10 日徐 州 工 程 学 院 课 程 设 计 论 文I摘要阀门定位器作为气动调节阀的主要附件之一，可以改善阀门特性、提高控制的精度、速度和增加控制的灵活性。智能阀门定位器数字化、通信化、智能化以及支持现场总线的特性，给工业自动化生产带来了
2、深刻的变革，代表了气动执行器技术的发展方向。本文讲述了智能阀门定位系统的相关原理。以单片机为核心，加上 A/D、D/A （模数、数模）转换接口，使三位气动放大器驱动气动执行机构，构成智能阀位控制系统。利用电位计反映实际阀位值，控制单片机通过 A/D 采集实际阀位值和键入的设定阀位值算出偏差，并且按 PID（比例微分积分控制算法）控制调节阀位达到设定值。智能阀门定位器使得调节阀变得更易于控制，更精确，同时简化了高性能控制回路的设计，使得控制回路的执行更加紧凑。由于硬件难以实现，本文选择 Proteus 软件进行仿真，不仅简化设计流程也便于修改和调试。关键词 阀门定位器；PID；A/D 转换器徐
3、州 工 程 学 院 课 程 设 计 论 文II目 录1 绪论 .11.1 课程背景 .11.2 课程意义 .12 课题分析 .32.1 课题要求 .32.2 设计要求 .32.3 设计思路 .33 阀门定位的相关原理 .43.1 计算机控制系统的工作原理 .43.2 阀门介绍 .43.3 智能阀门定位器 .43.4 阀门定位器作用原理 .53.5 系统工作原理 .53.6 系统的控制要求 .64 软件算法设计 .74.1 方案选择 .74.2 控制算法选择 .74.2.1 PID 控制算法 .74.2.2 PID 算法详解 .84.3 调节阀开度显示的设计 .104.4 PID 参数整定 .1
4、04.5 报警触发条件 .125 系统总体设计方案 .135.1 系统硬件的配置及组成原理 .135.2 A/D 转换电路 .165.3 键盘，显示器接口芯片 .175.4 时钟报警电路 .196 阀门定位控制系统仿真 .20结论 .22致谢 .23参考文献 .24附录 .25徐 州 工 程 学 院 课 程 设 计 论 文11 绪论1.1 课程背景生产过程的自动控制简称过程控制，它在工业生产中占有极其重要的地位。过程控制的质量很大程度上决定于过程控制仪表，它包括变送器、调节器、执行器以及各种辅助控制装置。本文讨论的一种辅助控制仪表阀门定位器，是各国竞相研究的对象，它在一定程度上决定了过程控制的
5、调节品质，且随着过程控制水平的发展，定位器也必须不断发展以满足现代生产对过程控制的要求。目前定位器的研究热点主要在于智能阀门定位器，国外一些大公司，如西门子、费希尔-罗斯蒙特等，已相继有产品推出，国内这方面起步较晚。国内目前普遍使用的电气阀门定位器采用的是机械式力平衡原理，存在一些不足且不能满足过程控制发展的需要，而由国外进口的智能型定位器价格昂贵，因此研究设计智能型电气阀门定位器是十分必要的。 智能阀门定位器集合了机械、电子、通讯以及控制理论知识和相关软件知识，是一个跨学科的智能产品。本课题研制的主要对象是智能阀门定位器的控制系统，它通过采集从调节器来的设定阀门开度信号和反馈回来的实际阀门开
6、度信号，在经过偏差与偏差变化率的计算后，通过模糊运算与决策输出相应的控制信号去控制压电阀的开启时间，从而控制进入调节阀气室的进气量，以此推动阀芯动作并准确定位。这样，相对传统阀门定位器，该智能阀门定位器不仅体现出精度提高，能耗降低，功能增多等优点，而且它能集合一定人类的经验知识，具有一定的思维能力，符合过程控制的发展需要。随着智能、网络、通信和控制/管理综合自动化技术的发展，工业控制现场对气动调节阀的智能化要求日益迫切。本课题的研究紧密结合我国新一代智能气动调节阀的核心技术攻关和产品的更新换代，代表了传统气动仪表的智能化、网络化发展趋势。1.2 课程意义本课题所设计的智能阀门定位器系统由于使用
7、新型控制元件如导电塑料和压电阀，可以使阀门定位达到很高精度；又由于采用气动执行机构，可在各种恶劣条件下使用并且使用寿命长，故障率低，这两点从根本上提高了产品的质量。由于微处理的使用，可以使定位器的调校以及适用范围有大的改善。对于生产商来说，这一系统市场前景广阔，价值高，利润大。对于使用本系统的厂家来说，这一系统的应用可极大的节省生产资源，提高生产效率，降低能耗及原材料损耗，对厂家减耗增效有很好的助推作用。这一系统可以进行自动调校。组态简便、灵活，可以非常方便的设定阀门正反作用，流量特性，行程限定或分程操作等功能。对使用厂家来说即简化了设备安装调试过程，减小了因安装设备对企业正常生产的影响。这一
8、系统的定位器的耗气量极小。传统定位器的喷嘴、挡板系统是连续耗气型元件。徐 州 工 程 学 院 课 程 设 计 论 文2智能定位器只有在减小输出压力时，才向外排气，因此在大部分时间内处于非耗气状态。对使用厂家来说即降低了生产能耗，节省了生产资源。这一系统具有智能通讯和现场显示功能，对使用者来说即便于维修人员对定位器工作情况进行检查维修。这一系统的定位器与阀门可以采用分离式安装方式。因为智能定位器的位置反馈元件是电位器，阀位信息是用电信号传递的，并且可以在 CPU 中对阀门的特征进行现场整定。对使用厂家来说即此系统可在狭小，特定的设备空间中安装，而不需为安装这一设备而特别开辟空间。这一系统的行程检
9、测装置可以采用非接触式位置传感器，很适合需要在恶劣现场使用的厂家。并且可保证定位器的可靠使用和寿命。徐 州 工 程 学 院 课 程 设 计 论 文32 课题分析2.1 课题要求利用单片机实现阀门定位的单片机控制系统，见图 2-1，通过位置传感器检测气缸位置，再进行控制调节阀的开度。2.2 设计要求(1)要求阀开度大于 90 或小于 10%，以及阀心被卡住时，进行报警。(2)要求具有调节阀线圈的故障诊断功能。(3)用数码管实时阀位开度。2.3 设计思路利用位置传感器检测位置，反馈到单片机中作为反馈模拟信号，经单片机内 PID 控制算法进行信号处理后输出一定宽度的脉冲来驱动调节阀并实现定位反馈控制
10、。由键盘输入阀门的工作量特性以及阀心的最大、最小行程等参数。采用功能键实现点动和自动以及复位。定位速率由各组自行设定，即确定 PID 控制算法参数。图 2-1 阀门定位控制系统示意图单片机驱动电路 A/D 转换位置传感器气缸调节阀 1调节阀 1键盘输入徐 州 工 程 学 院 课 程 设 计 论 文43 阀门定位的相关原理3.1 计算机控制系统的工作原理计算机控制系统包括硬件组成和软件组成。在计算机控制系统中，需有专门的数字-模拟转换设备和模拟-数字转换设备。由于过程控制一般都是实时控制，有时对计算机速度的要求不高，但要求可靠性高、响应及时。计算机控制系统的工作原理可归纳为以下三个过程： (1)
11、实时数据采集:对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。 (2)实时决策: 对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。 (3)实时控制: 根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。 这三个过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进行工作，并对被控量 和设备本身的异常现象及时作出处理。3.2 阀门介绍阀门是流体输送系统中的控制部件，具有截止、调节、导流、防止逆流、稳压、分流或溢流泄压等功能。用于流体控制系统的阀门，从最简单的截止阀到极为复杂的自控系统中所用的各种阀门，其品种和规格相当繁多。阀门可用于控制空气、水、蒸汽、各种腐蚀性介质、泥浆、油
12、品、液态金属和放射性介质等各种类型流体的流动。阀门根据材质还分为铸铁阀门，铸钢阀门，不锈钢阀门（201、304、316 等） ，铬钼钢阀门，铬钼钒钢阀门，双相钢阀门，塑料阀门，非标订制等阀门材质。3.3 智能阀门定位器阀门定位器按其结构形式和工作原理可以分成气动阀门定位器、电气阀门定位器和智能式阀门定位器。阀门定位器能够增大调节阀的输出功率，减少调节信号的传递滞后的情况发生，加快阀杆的移动速度，能够提高阀门的线性度，克服阀杆的摩擦力并消除不平衡力的影响，从而保证调节阀的正确定位。阀门定位器是控制阀的主要附件它将阀杆位移信号作为输入的反馈测量信号,以控制器输出信号作为设定信号，进行比较，当两者有
13、偏差时，改变其到执行机构的输出信号，使执行机构动作，建立了阀杆位移量与控制器输出信号之间的一一对应关系。因此，阀门定位器组成以阀杆位移为测量信号，以控制器输出为设定信号的反馈控制系统。该控制系统的操纵变量是阀门定位器去执行机构的输出信号 1。阀门定位器用来确定阀门位置，为单片机的控制提供信息。为了信号稳定性，避免噪声、共振等现象，做出了改进，原理框如图 3-1。徐 州 工 程 学 院 课 程 设 计 论 文5图 3-1 智能电气阀门定位器原理框图3.4 阀门定位器作用原理执行器是控制系统的终端设备，它接收控制器信号，改变操纵变量，实现控制要求。执行器直接与生产过程接触，工作在高温、高压、腐蚀和
14、振动等环境中。对不同的操纵变量，执行器可以是控制阀、风门、步进电机和变频调速器等。为保证执行器控制精度，在某些特定场合需用阀门定位器。定位器控制执行器的阀位，能够增大执行机构的输出功率，减少信号传递滞后，克服阀杆摩擦力并消除不平衡力的影响等，保证准确定位。一般用于高压、高温处，克服摩擦力和不平衡力；用于高压差，增大输出力，克服不平衡力；控制器输出直接转换成气压信号去操作执行器，提高响应速度，输出信号的流量大，滞后明显减小；能实现气开式、气关式互换；改善和修正控制阀的流量特性；可实现分程控制。阀门定位器是控制阀的主要附件，它接收控制器的输出的电流控制信号，输出气压信号去控制阀门；当控制阀动作后，
15、阀杆的位移通过反馈装置反馈到阀门定位器。因此，阀门定位器和控制阀构成一个闭环。定位器检测输入控制信号并和阀位反馈信号比较，若两信号有差异，就驱动阀门的执行机构直到反馈信号和输入信号相匹配。当反馈信号和输入信号相等，驱动装置就停止对阀位的调整。普通电气定位器使控制阀的品质得到改善，但受结构等因素限制，仍易受温度波动、振动影响；安装调试技术要求高；喷嘴一挡板易堵、能耗较大；定位器零点和行程调整需反复进行等问题。3.5 系统工作原理阀门定位器的控制系统采用的是 89C51 为核心的单片机控制系统，它接收来自调节器的设定阀门开度的电流信号(4-20mA)，用这个信号与从调节阀阀杆反馈回来的实际开度信号
16、进行比较，如果微处理器得到一个偏差信号，就利用这个信号去控制压电阀，使一定量的压缩空气经过压电阀进入到调节阀的执行机构的气室，推动阀芯的移动或转动，从而达到阀芯的准确定位。徐 州 工 程 学 院 课 程 设 计 论 文63.6 系统的控制要求阀门定位器对单片机控制系统的设计要求有以下几点：(1)能够接收来自调节器的电流信号并能将它转换成为电压信号, 能够采集阀位反馈回来的模拟信号；(2)能对以上采集到的信号进行运算、整理，最后根据偏差的大小输出连续信号或一定宽度的脉冲信号来控制压电阀；(3)利用数码管能现场显示输入的参数以及阀门开度；(4)利用按键能在现场对阀门的工作流量特性的参数，以及阀芯的
17、最大、最小行程等参数进行设定；(5)调节阀在自动运行过程中，当阀芯开度大于 90% 或小于 10% 时, 以及阀芯被卡住时, 控制系统能进行报警；(6)具有断电保存功能、看门狗功能、电源电压监测功能。徐 州 工 程 学 院 课 程 设 计 论 文74 软件算法设计4.1 方案选择在控制系统中，如果采用开环控制系统，则只有给定量影响输出量，被控制量只能受控于控制量，而被控制量不能反过来影响控制量。而系统最主要的功能就是将测量的结果反馈到输入端与输入量相减得到偏差，再由偏差产生直接控制作用去消除偏差。所以开环系统显然不能满足系统的功能需求。而采用闭环控制系统，可以实现根据实际输出跟输入比较后进行双
18、向的数据交换来系统修正控制的功能，实现对被控对象进行实时控制。在闭环系统中，其控制作用的基础是被控量与给定值之间的偏差。这个偏差是各种实际扰动所导致的总结果。并不区分其中的个别原因。因此，这种系统往往同时能够抵制多种扰动，而且对系统自身元部件参数的波动也不甚敏感。对比上述两种控制系统，可以得出本系统应该采用闭环控制系统。4.2 控制算法选择工业控制中常用的控制算法有 PID 控制算法、最少拍随动控制系统、神经网络系统等。本控制系统选择 PID 控制算法。PID 控制器问世至今己有近 70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要技术之一。当被控对象结构和参数不能完
19、全掌握，或不到精确数学模型时，控制理论其它技术难以采用时，系统控制器结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能有效测量手段来获系统参数时，最适合用 PID 控制技术。PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是系统误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶滞后纯滞后” 与“二阶滞后纯滞后 ”的控制对象， PID 控制器是一种最优控制。PID 调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活(PI 、PD 、)。4.2.1 PID控制算法对大多数控制对象，采用数字PID控制，均可达到满意的控制效果。现场总线控制系统把DCS 控制站的功能分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。这样系统就应具有PID控制运算模块。PID控制程序流程如图4-1所示。控制程序根据当前的变量值以及变量值和设定值的偏差，进行PID运算。此外程序还提供手自动切换功能，并对输出值大小和变化速
