阀门定位控制系统设计课程设计说明书(编辑修改稿)

阀门定位控制系统设计课程设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

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 6 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。 徐州工程学院课程设计论文 7 4 软件算法设计 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。 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、 …)。 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 41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 [2]。 所谓 PID即指比例、积分、微分控制算法。 徐州工程学院课程设计论文 8 比例控制 (P)： 比例环节能及时成比例地反映控制系统地偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控 制作用，以减少偏差。 比例系数 pK 增大，可以加快系统响应速度，减小系数稳态误差，提高控制精度。 但是过大会产生较大超调，甚至导致不稳定；若取得过小，能使系统减少超调量，稳态裕度增大，但会降低了系统的调节精度，使过渡过程时间延长。 根据系统控制过程中各个不同阶段对过渡过程的要求以及操作量的经验，通常在控制的初始阶段，适当地把 pK 放在较小的档次，以减小各物理量初始变化的冲击；在控制过程中期，适当加大 pK ，以提高快速性和动态精度，而到过渡过程的后期，为了避免产生大的超调和提高静态精度稳定性，又将 pK 调小 [3]。 积分控制 (I)： 积分控制中，控制器输出与输入误差信号积分成正比关系，对一个自动控制系统，进入稳态后存在稳态误差，则这个控制系统为有差系统，为了消除稳态误差，控制器中必须引入 “积分项 ”。 积分项对误差取决于时间积分，时间增加，积分项会增大。 这样，即便误差很小，积分项也会时间增加而加大，它推动控制器输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。 比例 +积分 (PI)控制器，可以使系统进入稳态后无稳态误差。 主要用于消除静差，提高习用的无差度。 积分作用的强弱取决于积分时间常数 iT ， iT 越大，积分作用越弱，反之则越强。 微分控制 (D)： 微分控制中，控制器输出与输入误差信号微分（即误差变化率）成正比关系，自动控制系统克服误差调节过程中可能会出现振荡失稳，其原因是存有较大惯性组件（环节）或有滞后 (delay)组件，具有抑制误差作用，其变化总是落后于误差变化，解决办法是使抑制误差作 用变化 “超前 ”，即误差接近零时，抑制误差作用就应该是零，这就是说，控制器中仅引入 “比例 ”项往往是不够，比例项作用仅是放大误差幅值，而目前需要增加是 “微分项 ”，它能预测误差变化趋势，这样，具有比例 +微分控制器，就能够提前使抑制误差控制作用等于零，为负值，避免了被控量严重超调，对有较大惯性或滞后被控对象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系统调节过程中动态特性。 能反省偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中应如一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。 PID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 41给出了数字 PID增量型控制算法的流程图。 徐州工程学院课程设计论文 9 图 41 数字 PID 增量型控制算法流程图 数字 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执行机构的位置 u(k)，如阀门的开度。 由式 ()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 ()进行修改。 根据式 ()不难写出 u(k1)的表达式，即： 10( 1 ) ( 2 )( 1 ) [ ( ) ( 1 ) ( ) ]kPDiIT e k e ku k K e k e k e i TTT        式 () 将式（ ）和式（ ）相减，即得数字 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 ——表示比例系数 1PK ； 徐州工程学院课程设计论文 10 iK ——表示积分系数 IPITKKT ； dK ——表示微分系数 DDPTKKT。 为了编程方便，可将式 ()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 调节阀开度显示的设计 因为系统设计中要求显示 0100%的阀门开度，而通过 A/D转换后得到的是 0255的数，为此我们采用如下公式来把 A/D 转换的数据换算成阀门的开度。 100%XhK Hh  式 () 式中 X ——电位器动触点输出的转换后实际值； H——电位器器动触点最大行程时输出的转换后值，其默认值为 255； h——电位器器动触点最小行程时输出的转换后值，其默认值为 0。 通过式 ()，我们可以为阀门定位器的电位器在现场与阀芯反馈杆的连接带来方便。 因为电位器的最大行程距离与阀芯的最大行程距离是不可能相同的，而我们要通过改变机械结构使阀芯的最大行程与电位器的最大行程完全匹配是相当困难的，所以可以根据实际安装时候阀芯的最大行程的 1X 来替换默认的 H 值，用最小行程时候的 2X 来替换默认的 h值。 这样就可以在 阀芯的最大行程距离小于且接近电位器的最大行程距离的条件下，无论阀芯的最大行程距离是多少，都可以准确地测出阀芯的开度。 从调节器过来的信号经 A/D 转换后得到的数据也需通过式 ()进行转换。 所得到的设定开度与阀门的实际开度进行比较即可得出偏差，如果偏差大于所允许的误差值（小于%），则输出。 PID参数整定 PID 控制器参数整定是控制系统设计核心内容、它是被控过程特性确定 PID 控制器比例系数、积分时间和微分时间大小。 徐州工程学院课程设计论文 11 图 42 参数合理 PID 图。