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电气
图书分类号：
密级：
课程设计说明书
阀门定位控制系统设计
DESIGNOFCONTROISYSTEMOF VAIVEPOSITIONING
学生学号
学生姓名
学院名称
信电工程学院
专业名称
电气工程及其自动化
指导教师
张旭隆
2013年
6月
30日
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深刻的变革，代表了气动执行器技术的发展方向。
本文首先详细讲述了智能阀门定位系统的相关原理。
然后以单片机为核心，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。
在此基础上，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。
关键词：
阀门定位器；PID；阀位调节
目录
摘要I
1绪论1
1.1课程背景1
1.2课程意义1
1.2论文结构2
2课题分析3
2.1课题要求3
2.2设计要求3
2.3设计思路3
3阀门定位的相关原理4
3.1计算机控制系统的工作原理4
3.2阀门定位器作用原理4
3.3系统工作原理4
3.4系统的控制要求5
4阀门定位系统的总体设计6
4.1方案选择6
4.2控制算法选择6
4.2.1PID控制算法6
4.2.2PID算法详解6
5阀门定位系统的详细设计9
5.1硬件设计9
5.2单片机AT89C51的设计9
5.2.1并行／串行I／O口9
5.2.2AT89C5内部定时器／计数器10
5.2.3AT89C51中断10
5.3A/D转换电路10
5.4键盘、显示器接口芯片10
5.5时钟／报警电路11
6阀门定位控制系统仿真12
结论14
致谢15
参考文献16
附录17
附录117
附录219
1绪论
1.1课程背景
气动调节阀是一种重要的执行器，其在众多的工业过程控制系统装置中，尤其是在石化、冶金等工业的流量控制中发挥着不可替代的作用。
而阀门定位器作为气动调节阀主要附件之一，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。
因而，阀门定位器数字化、智能化的实现为气动类执行器和调节阀的智能化，进而实现各种现场总线网络通信功能奠定了基础，使气动调节阀也成为智能化的网络控制设备。
目前，我国自行生产的气动调节阀主要以基于力平衡原理的机械式和模拟电子技术的产品为主。
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，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。
1.2论文结构
第一章，绪论。
讲述课题背景，课题意义，智能定位器的发展与现状。
第二章，课题分析。
第三章，阀门定位控制系统的相关原理介绍。
讲述阀门定位系统的概念、原理。
以及各个相关子系统的概念意义。
第四章，阀门定位控制系统的总体设，方案和控制算法选择。
第五章，阀门定位控制系统的详细设计，分别设计软硬件系统包含的各个子系统。
第六章，阀门定位控制系统的调试与仿真，测试系统各项功能指标，用Proteus软件仿真出结果。
第七章，结论。
总结系统设计完成的质量，特点，完成任务情况。
第八章，致谢。
感谢老师，总结整个设计过程所获得的经验，教训以及体会。
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作出处理。
3.2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，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。
3.3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
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。
4.2.2PID算法详解
在计算机控制系统中，PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法。
当采样周期相对短时，用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID离散化变为差分方程。
图4.2给出了数字PID增量型控制算法的流程图。
图4.2数字PID增量型控制算法流程图
数字PID位置型控制算法：
式（4.1）
式（4.1）表示的控制算法提供了执行机构的位置u（k），如阀门的开度。
由式（4.1）可看出，位置型控制算式不够方便，这是因为要累加偏差e（i），不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，为此可对式（4.1）进行修改。
根据式（4.1）不难写出u（k-1）的表达式，即：
式（4.2）
将式（4.1）和式（4.2）相减，即得数字PID增量型控制算法：
式（4.3）
其中，
称为比例增益；
称为积分系数；
称为微分系数。
为了编程方便，可将式（3.3）整理成如下形式
式（4.4）
其中，
5阀门定位系统的详细设计
5.1硬件设计
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。
其具体工作原理如下:
由阀杆位置传感器拾取阀门的实际开度信号，通过A/D转换变为数字编码信号，与定位器的设定信号的数字编码在CPU中进行对比，计算二者偏差值。
CPU根据偏差设定输出指令进行相应的开/关压电阀动作，即:
当设定信号大于阀位反馈时，升压阀打开，输出气源压力增大，执行机构气室压力增加使阀门开度增加，减小二者偏差;如设定信号小于阀位反馈则排气阀打开，通过排气减小输出气源压力，执行机构气室压力减小是阀门开度减小，二者偏差减小。
正是通过CPU控制阀门来调节输出气源压力的大小使输入信号与阀位达到新的平衡。
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中的中断标志位一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）
5.5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Proteus软件仿真作出的阀门定位控制系统仿真单片机连接图。
图6.1阀门定位控制系统仿真单片机连接图
运用仿真软件对上图进行测试，得到以下两个阀门开度图。
图6.2阀门开度小于10%仿真图
图6.3阀门开度大于90%仿真图
结论
本课题最终设计的智能阀门定位器实现了预定的设计目标。
位置反馈经过8位20ms采样的A/D转换器进行处理，从而保证了信号处理的精度及快速性。
操作程序包括用于自动调整参数的自整定过程及自适应控制程序，用于精确定位的优化控制操作。
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，按PID调节阀位达到设定值。
为期两周的课程设计就要结束了，真不好意思说自己学会了多少关于计算机控制系统的知识！
不是我不努力学习，时间实在是有点短，向往深一点的地方挖挖，感觉到时间真的是不够用。
计算机控制系统对我来说是既陌生又熟悉的知识，上了这门课才算对计算机控制系统有了初步的认识。
当然编写的程序也远远谈不上完美，只能用一个词：
“凑合”来对学的深浅进行概括。
对这一点，我是不满意的。
通过这两个周的学习，还是学到了不少的知识！
不仅纠正了课程学习过程中出现的许多错误，还在试验中验证了自己的一些猜想。
在学习的过程中有失败，当然也有困惑，有成功，当然就有喜悦。
虽然只是课程设计，但我拿出了自己的全部精力去对待，能学到知识固然值得骄傲，能认识到自己的过错和不足不也是一件幸事吗！
做学问也是做人，再作学问的过程中体味做人的道理不也是一种收获吗？
记得古语中说：
“学，然后知不足”！
我必将更加努力的学习它完善自己。
我想这就是我学习这门课的最大感受吧！
致谢
值此课程设计完成之际，衷心的感谢张老师在我的课程设计中给予悉心的指导和细心的关怀。
张老师在设计思想、实验方法等各方面都给了我极大的帮助、支持和引导。
张老师严谨的治学态度、忘我的工作精神、扎实的学术功底等诸多方面给我留下了深刻的印象，使我在学习生活中养成了良好的学习习惯和认真的学习态度。
张老师为我提供了良好的学习和科研环境，极大地提高了我的学习效率，加强了我的动手能力。
在生活、工作和为人处世方面张老师也给我提供了非常多的宝贵的意见和建议，使我对未来的规划和自身的发展有了清晰的认识。
在课程设计完成之际，再次向他表示最诚挚的敬意和衷心的感谢！
参考文献
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国防工业出版社,2007
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清华大学出版社,2005
附录
附录1
模拟量输入LED显示程序
#include
unsignedcharcodedispbitcode[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f};
unsignedcharcodedispcode[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00};
unsignedchardispbuf[8]={10,10,10,10,10,0,0,0};
unsignedchardispcount;
unsignedchargetdata;
unsignedinta;
longinti;
unsignedintR1;
sbitST=P3^0;
sbitOE=P3^1;
sbitEOC=P3^2;
sbit
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