阀门定位控制系统设计.docx
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阀门定位控制系统设计
计算机控制系统课程设计说明书
阀门定位控制系统设计
学生姓名
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指导教师
2014年
6月
3日
摘要
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。
关键词阀门定位器；反馈控制系统；输出信号；
1绪论
1.1课程背景
在现代工业自动化控制中，工业过程控制的质量很大程度上取决于过程控制仪表性能的高低。
气动调节阀是工业过程控制的重要调节机构，本文研究的智能阀门定位器是气动调节阀的核心附件，它能够显著改善阀门的动态特性，提高阀门的响应速度、定位精度以及控制灵活性。
阀门定位器从二十世纪中期产生至今，经历了几个不同的发展阶段.目前智能式阀门定位器是国内外研究和使用的重点。
1.根据目前国内、外对智能阀门定位器的研究，通过深入分析典型智能阀门定位器的结构，工作原理及其实现的功能，制定了以LPC2290为定位器核心的硬件系统方案，并预测了所设计的定位器硬件系统达到的性能指标。
2.对智能阀门定位器硬件系统进行了特性分析。
根据所制定的定位器硬件系统设计方案，在数学建模的基础上详细分析了所设计的智能阀门定位器硬件系统主要模块的动、静态特性、工作原理及其对定位器控制系统的作用和影响。
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。
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。
2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。
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
3阀门定位的相关原理
3.1阀门定位器原理
反馈阀门的开度位置发生变化，当输入信号产生的电磁力矩与定位器的反馈系统产生的力矩相等，定位器力平衡系统处于平衡状态，定位器处于稳定状态，此时输入信号与阀位成对应比例关系。
当输入信号变化或介质流体作用力等发生变化时，力平衡系统的平衡状态被打破，磁电组件的作用力与因阀杆位置变化引起的反馈回路产生的作用力就处于不平衡状态，由于喷嘴和挡板作用，使定位器气源输出压力发生变化，执行机构气室压力的变化推动执行机构运动，使阀杆定位到新位置，重新与输入信号相对应，达到新的平衡状态。
在使用中改变定位器的反馈杆的结构（如凸轮曲线），可以改变调节阀的正、反作用，流量特性等，实现对调节阀性能的提升。
智能阀门定位器，有气动执行机构，控制和驱动电路，以及位置反馈传感器的数据采集电路，均位于定位器内的电路板中。
控制电路主要完成控制信号和位置反馈信号的数据采集与处理工作，同时形成稳定输出电压。
驱动电路用于PWM电流滤波后的功率放大。
喷嘴挡板、喷嘴以及相应组件构成了I/P转换器，实现电气转换。
调节喷嘴挡板和喷嘴的间距，通过气体放大器，完成对输出气体的调节。
反馈杆和位置反馈传感器，完成气动执行机构位移的检测，并组成完整的闭环控制系统。
3.1.1阀门定位器实现的功能
阀门控制器都具有增大调节阀的输出功率、减少调节信号的传递滞后、加快阀杆的移动速度、提高阀门的线性度、克服阀杆的磨擦力，并消除不平衡力的影响等功能，从而保证调节阀的正确定位。
智能阀门控制器实现的主要功能可概括为以下几个方面：
1）实现准确定位
智能型电/气阀门控制器用于控制气动直行程或角行程执行机构，实现阀门的准确定位。
控制器的输入是从调节器送来的阀位设定信号（既可以是从DCS输出的模拟信号，即4-20mA或0～20mA范围内的直流信号，也可以是从监控计算机通过各种总线通信接口发送的数字信号），与反馈的实际阀位信号在微处理器中进行智能比较，输出控制信号，以驱动气动执行器，实现阀门的精确定位。
2）远程通讯、监控
利用上位监控计算机和总线通讯，用户可在中央控制室使用安装在操作站中的现场设备管理软件了解和设置阀门控制器的全部信息，如工作方式、报警信息、设定值与实际运行过程的过程变量。
另外，控制器的数字通讯能以极快的速度提供大量的信息，这对于系统发生故障时快速诊断十分重要。
3）零点和量程自动调整功能
零点调整与量程调整互不影响，调整过程简单快捷：
且能自动识别所配装的执行机构规格，如气室容积、作用形式、行程范围等，并自动进行调整，从而使调节阀处于最佳工作状态.
4）通过组态，实现多种功能通过对智能阀门控制器的组态，可以实现多种功能，如可以设定行程范围、实现分程控制、设置不同的流量特性等。
通过控制器的按键操作和LCD显示还
可以实现现场手动调节阀门的开度。
5）具有诊断和检测功能
除一般的自诊断功能之外，还可输出与调节阀实际动作相对应的反馈信号，用于远距离监控调节阀的工作状态。
接受数字信号的智能式阀门控制器，具有双向的通讯能力，可以就地或远距离地利用上位机或手持式操作器进行阀门控制器的组态、调试和诊断1151。
3.2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：
（一）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。
（二）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。
（三）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做出处理。
3.3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。
3.4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。
4阀门定位系统的总体设计
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。
4.2.1PID控制算法
PID（ProportionalIntegralDifferential）控制是比例、积分、微分控制的简称。
在自动控制领域中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。
PID控制器的原理是根据系统的被调量实测值与设定值之间的偏差，利用偏差的比例、积分、微分三个环节的不同组合计算出对广义被控对象的控制量。
图4-1是常规PID控制系统的原理图。
图4-1常规PID控制系统的原理图
其中虚线框内的部分是PID控制器，其输入为设定值
与被调量实测值
构成的控制偏差信号
:
=
-
式（4.1）
其输出为该偏差信号的比例、积分、微分的线性组合，也即PID控制律：
式（4.2）
式中，
为比例系数；
为积分时间常数；
为微分时间常数。
根据被控对象动态特性和控制要求的不同，式（4.2）中还可以只包含比例和积分的PI调节或者只包含比例微分的PID调节。
下面主要讨论PID控制的特点及其对控制过程的影响、数字PID控制策略的实现和改进，以及数字PID控制系统的设计和控制参数的整定等问题。
4.2.2PID算法详解
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4-2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率进行限制。
由于实际控制系统的采样回路都可能存在高频干扰，因此几乎所有的控制回路都设置了一阶低通滤波器来限制高频干扰的影响。
所谓PID即指比例、积分、微分控制算法。
比例控制（P）：
能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，比例增益的加大，会引起系统的不稳定。
积分控制（I）：
只要系统存在误差，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。
微分控制（D）：
可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。
4.2.3PID算法详解
（1）位置型算法
式（4.3）
模拟调节器的调节动作是连续的，任何瞬间的输出控制量u都对应于执行机构（如调节阀）的位置。
由式（4.3）可知，数字控制器的输出控制量
也和阀门位置相对应，故称为位置型算式（简称位置式）。
相应的算法流程图如图4-2所示。
由图4-2可以看出，因为积分作用是对一段时间内偏差信号的累加，因此，利用计算机实现位置型算法不是很方便，不仅需要占用较多的存储单元，而且编程也不方便，因此可以采用其改进式——增量型算法来实现。
图4-2位置型算法流程图
（2）增量型算法
根据式（4.3）不难得到第（k-1）个采样周期的控制量，即
式（4.4）
将式（4.3）与式（4.4）相减，可以得到第k个采样时刻控制量的增量，即
式（4.5）
式中
--比例增益；
--积分系数，
式（4.6）
式中
--微分系数，
式（4.7）
由于式（4.5）中对应于第k个采样时刻阀门位置的增量，故称式（4.5）为增量型算式。
由此，第k个采样时刻实际控制量为
式（4.8）
为了编写程序方便，将式（4.5）改写为
式（4.9）
式（4.10）
式（4.11）
式（4.12）
由此可见，要利用
和
得到
，只需要用到
和
三个历史数据。
在编程过程中，这三个历史数据可以采用平移法保存，从而可以递推使用，占用的存储单元少，编程简单，运算速度快。
增量型算法的程序流程图如图4-3所示。
图4-3增量型算法流程图
5阀门定位系统的详细设计
5.1硬件设计
阀门控制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，阀门控制器组成了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控制器对执行机构的输出信号。
虽然智能式阀门控制器与传统控制器在控制原理上基本相同，都是将输入信号与阀位反馈信号进行比较后对输出压力信号进行调节，但在执行元件上智能控制器和传统控制器完全不同，也就是工作方式上二者完全不同。
智能控制器以微处理器为核心，利用了新型的压电阀代替传统控制器中的喷嘴、挡板调压系统来实现对输出压力的调节。
智能式阀门控制器与调节阀配套使用，组成了一个闭合的控制回路系统。
该系统主要由微控制器、压电阀、气动执行机构、调节机构、阀位反馈装置组成。
本系统采用89C51单片机,A/D转换芯片ADC0808,可编程的键盘、显示接口芯片8279等组成基本系统。
此外,还有一些基本的附加电路,如复位电路、报警电路等。
5.1.1控制硬件组成
经分析国内、外智能阀门控制器典型产品，除通信方式不同之外，其基本结构大体相同。
整体来讲智能阀门控制器的硬件部分主要由：
信号调理模块、微处理器、电气转换模块和阀位检测反馈装置四部分构成。
其硬件组成原理如图所示。
1）信号调理模块：
对输入的设定信号和阀位检测反馈信号进行合理、有效调理，转换为微处理器所能接受的数字信号；并且根据所转换的输入信号类型及通讯协议的不同，信号调理部分的具体电路将有所不同；
2）微处理器控制：
微处理器将信号调理模块送入的两个数字信号按照预先设定的特性关系进行比较，判断阀门开度与设定信号的对应关系，并输出控制信号至电气转换模块；
3）电气转换模块：
将微处理器输入的控制电信号转换为相应的气压信号送至气动执行机构，推动调节机构动作；
4）阎位检测反馈装置：
检测执行机构的阀杆位移并将其转换为电信号反馈至控制器的信号调理模块。
图5-1智能阀门控制器硬件组成原理图
5.2单片机AT89C51的设计
智能化仪表中应用单片机已十分广泛。
直到现在，MCS一51内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品（如目前流行的89S51、89C51等）。
ATMEL公司的单片机AT89C51，它除了增加4KB的E2PROM外，其余的与MCS一51系列的8031单片机完全一样。
AT89C51同8031一样有4个8位并行U0口，两个16位可编程序的定时器／计数器，128字节RAM，5个中断源，全双工串行通讯H，操作电压为2．7V至5．5V，主频11．0592MHZ。
AT89C51是一种低功耗高性能的8位单片机，片内带有一个4K字节的Flash可编擦除只读存储器（EPROM），它采用了CMOS工艺和高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统与MCU一51系列单片机兼容。
片内Flash存储器允许在系统内可改编程序，主要用在工业控制。
可扩展64K字节程序ROM，外部数据存储器。
具有5个中断，包括两个外部中断，两个定时器中断，一个串行口中断。
AT89C51是功能强大的微控制器（MCU），具有各功能模块能满足定位器系统的控制。
5.2.1并行／串行I／O口
AT89C51共集成四个8位双向并行接口，每位均设有输出锁存器，输出驱动器和输出缓冲器，四个口分别为P0，Pl，P2，P3。
P0口的每一位均由一个输出锁存器、两个三态缓冲器、一个输出驱动器和一个输出控制电路组成，其工作状态受输出控制电路的控制。
PO口可作为地址／数据线，又可作为通用O；P1口为一个8位准双向并行1／O口，做通用1／O用；P2口也是一个8位的准双向并行I／O口，比Pl口多一个输出转换控制部分。
P3口做通用1／O使用时，在为多功能端口时，作读／写信号和标准串行1／O口。
AT89C51有一个可编程、全双工的串行1／O口，为通用异步接收／发送器（UART），也可作同步移位寄存器用。
AT89C51的串行I／O设有缓冲寄存器SBUF，能直接寻址的SFR，接收和发送缓冲寄存器。
串行1／O口有：
方式0、方式1、方式2和方式3四种工作方式。
方式0为同步移位寄存器，由TXD引脚发送出同步移位脉冲，由RXD引脚送出或接收串行数据。
方式1为1O位异步接收发送方式，串行数据位由TXD引脚传送出，由RXD引脚将对方发来的串行数据位接收。
方式2为11位异步接收发送方式，字符格式的最后可以插入第9位数据位，可设置为奇偶校验位。
方式3为11位异步接收发送方式。
5.2.2AT89C5内部定时器／计数器
5l系列单片机内部都带有定时／计数器，AT89C51内部有两个16位的定时／计数器：
11D和T1。
主要特点：
定时／计数可是计数方式也可定时方式；计数器模值是可变的，其最大值取决于计数器的位数；可以计算由110或T1引脚的输入脉冲数，作计数器或频率计。
AT89C51的定时／计数器是可编程的。
5.2.3AT89C51中断
AT89C51有五个中断源，即两个外部中断，两个定时／计数器中断和一个串行口中断。
当某种中断源产生中断时，便设定在SFR中的中断标志位TCON中的各位，MCU在从标志位识别出中断种类并响应申请时，立刻从主程序转去执行中断服务子程序以进行中断服务，并保护现场。
各种中断的向量地址，即是中断服务程序的入口地址。
中断程序结束之后恢复程序运行环境，回到断点处继续执行程序
5.3A/D转换电路
ADC0808是价格适中的逐次比较式8位A/D转换器,可输入8路模拟信号,在这里我们选用IN0和IN1作为模拟信号输入通道。
ADC0808的最大不可调误差小于
1/2LSB,典型时钟频率为640kHz,每一通道的转换时间约为100Ls。
89C51通过地址线P0.0和读、写控制线控制转换的模拟输入通道地址锁存、启动和输出允许。
模拟输入通道地址的译码输入A、B、C由P2.2—P2.4提供,因为ADC0808具有通道地址锁存功能,所以我们省掉了地址锁存器74LS373,直接将P2.2--P2.4分别与A、B、C相连。
例如,当我们要选中IN0路模拟电路送入ADC0808的时候,执行如下的程序:
MOVDPTR,#0FEFFH;输入ADC0808的地址
FEFFH给DPTR
MOVA,#00H;将IN0模拟电压地址送A
MOVX@DPTR,A;将A中数据送入A、B、C,并启动ADC0808
5.4仪表放大器
高精度、低噪声、使用简单、增益值大等这些优点使AD620较为广泛的使用，而且其还具有很好的交直流特性，加之AD620的高性价比，所以，选择AD620作为设计电路的仪表放大器是较理想的选择。
图5-2AD620引脚示意图
图5-3AD620连接线路图
l、8脚跨接一个电阻来调整放大倍率；4、7脚需提供正负相等的工作电压；由2、3脚接入的放大电压在经过AD620调理放大后即从6脚输出；引脚5则是参考基准，如果接地则引脚6输出即为与地之间的相对电压。
因为，在方案五所设计的电路中，采样电阻值为250fl4.20mA的设定输入电流值对应电压输出为1-5V，而ADC的输入电
压范围一般是0-5V，采样电压量程在ADC的输入量程之内，即整个I厂V转换电路不需要进行信号放大。
所以，AD620不需要进行比例放大环节，即放大倍数G=I。
由AD620放大增益关系式及增益可调电阻关系式可得：
式（5.1）
式（5.2）
仪表放大器AD620增益倍数G为1时，增益可调电阻心无穷大，相当于电路断开，故设电路中AD620芯片的引脚l和引脚8没有连接。
在信号输入端2、3引脚间接有一电容C，用来消除输入信号共模干扰。
AD620的输出信号，在进行AD转换前，仍需对信号进行前后级的隔离缓冲，同时达到阻抗匹配的目的，为此后续电路采取了两次反向比例放大器输出的方式，运放器件仍选用方案三中的高精度、低温漂运放OP07。
整个电路设计从原理上来理解并不复杂，但由于信号输入方式、仪表级精密放大器的选用，采样电阻的排阻替换，消除了参考基准电源引入的误差干扰等因素，使电路精度方面达到了很高的水准。
5.5键盘、显示器接口芯片
智能阀门定位器显示部分用于显示开度、参数输入和报警。
根据需要，LED显示块设定为2位。
按键部分为数字键、字母键（用于上、下限选取）、功能键（作为确认、取消、删除键）等。
为扩展单片机的IVOIN，系统采用在单片机的8155可编程并行I／O接口芯片。
表5-4键盘对应键功能说明表
7
8
9
开度变小（快速）
4
5
6
开度变大（快速）
1
2
3
开度变小（慢速）
复位
0
确定
开度变大（慢速）
5.6时钟／报警电路
单片机虽有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外接附加电路。
内部时钟利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1，XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。
最常用的内部时钟方式是采用外接晶体和电容组成的并联谐振回路，振荡晶体可在1．2MHz到12MHz之间选择。
系统设置了上、下限位报警。
当控制阀开度大于90％或小于10％时，控制系统能进行报警。
该蜂鸣器接到+5V电源便可呜音，当需要报警时，通过程序设置“CLRP2．0”便可使AT89C51的P2．0输出低电平使报警电路报警。
6阀门定位控制系统仿真
根据上述设计运用Proteus设计，并应用Keil设计程序。
下图是用Pro
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