1、計算機控制系統(tǒng)課程設計說明書閥門定位控制系統(tǒng)設計DESIGN OF VALVE POSITION CONTROL SYSTEM學生姓名劉慶學院名稱信電工程學院學號20120501157班級12電氣1專業(yè)名稱電氣工程及其自動化指導教師曹言敬2015年7月10日 摘要閥門定位器作為氣動調(diào)節(jié)閥的主要附件之一，可以改善閥門特性、提高控制的精度、速度和增加控制的靈活性。智能閥門定位器數(shù)字化、通信化、智能化以及支持現(xiàn)場總線的特性，給工業(yè)自動化生產(chǎn)帶來了深刻的變革，代表了氣動執(zhí)行器技術的發(fā)展方向。本文講述了智能閥門定位系統(tǒng)的相關原理。以單片機為核心，加上A/D、D/A（模數(shù)、數(shù)模）轉(zhuǎn)換接口，使三位氣動放大器

2、驅(qū)動氣動執(zhí)行機構，構成智能閥位控制系統(tǒng)。利用電位計反映實際閥位值，控制單片機通過A/D采集實際閥位值和鍵入的設定閥位值算出偏差，并且按PID（比例微分積分控制算法）控制調(diào)節(jié)閥位達到設定值。智能閥門定位器使得調(diào)節(jié)閥變得更易于控制，更精確，同時簡化了高性能控制回路的設計，使得控制回路的執(zhí)行更加緊湊。由于硬件難以實現(xiàn)，本文選擇Proteus軟件進行仿真，不僅簡化設計流程也便于修改和調(diào)試。關鍵詞 閥門定位器；PID；A/D轉(zhuǎn)換器目 錄1 緒論11.1 課程背景11.2 課程意義12 課題分析32.1 課題要求32.2 設計要求32.3 設計思路33 閥門定位的相關原理4 計算機控制系統(tǒng)的工作原理43.

3、2 閥門介紹4 智能閥門定位器4 閥門定位器作用原理5 系統(tǒng)工作原理5 系統(tǒng)的控制要求64 軟件算法設計74.1 方案選擇7 控制算法選擇74.2.1 PID控制算法74.2.2 PID算法詳解8調(diào)節(jié)閥開度顯示的設計104.4 PID參數(shù)整定104.5 報警觸發(fā)條件125 系統(tǒng)總體設計方案135.1 系統(tǒng)硬件的配置及組成原理13 A/D轉(zhuǎn)換電路165.3 鍵盤，顯示器接口芯片17 時鐘報警電路196 閥門定位控制系統(tǒng)仿真20結論22致謝23參考文獻24附錄251 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。過程控制的質(zhì)量很大程度上決定于過程控制儀表，它包括變

4、送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器以及各種輔助控制裝置。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。目前定位器的研究熱點主要在于智能閥門定位器，國外一些大公司，如西門子、費希爾-羅斯蒙特等，已相繼有產(chǎn)品推出，國內(nèi)這方面起步較晚。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。 智能閥門定位器集合了機械、電子、通訊以及控制理論知識和相關軟件知識，

5、是一個跨學科的智能產(chǎn)品。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。這樣，相對傳統(tǒng)閥門定位器，該智能閥門定位器不僅體現(xiàn)出精度提高，能耗降低，功能增多等優(yōu)點，而且它能集合一定人類的經(jīng)驗知識，具有一定的思維能力，符合過程控制的發(fā)展需要。隨著智能、網(wǎng)絡、通信和控制/管理綜合自動化技術的發(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。本課題的研究緊密結合我國新一代智能氣動調(diào)節(jié)閥

6、的核心技術攻關和產(chǎn)品的更新?lián)Q代，代表了傳統(tǒng)氣動儀表的智能化、網(wǎng)絡化發(fā)展趨勢。1.2 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，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。由于微處理的使用，可以使定位器的調(diào)校以及適用范圍有大的改善。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。對于使用本系統(tǒng)的廠家來說，這一系統(tǒng)的應用可極大的節(jié)省生產(chǎn)資源，提高生產(chǎn)效率，降低能耗及原材料損耗，對廠家減耗增效有很好的助推作用。這一系統(tǒng)可以進行自動調(diào)校。組態(tài)簡便、靈活，可以非常方便的設定

7、閥門正反作用，流量特性，行程限定或分程操作等功能。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。這一系統(tǒng)的定位器的耗氣量極小。傳統(tǒng)定位器的噴嘴、擋板系統(tǒng)是連續(xù)耗氣型元件。智能定位器只有在減小輸出壓力時，才向外排氣，因此在大部分時間內(nèi)處于非耗氣狀態(tài)。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)具有智能通訊和現(xiàn)場顯示功能，對使用者來說即便于維修人員對定位器工作情況進行檢查維修。 這一系統(tǒng)的定位器與閥門可以采用分離式安裝方式。因為智能定位器的位置反饋元件是電位器，閥位信息是用電信號傳遞的，并且可以在CPU中對閥門的特征進行現(xiàn)場整定。對使用廠家來說即此系統(tǒng)可

8、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。這一系統(tǒng)的行程檢測裝置可以采用非接觸式位置傳感器，很適合需要在惡劣現(xiàn)場使用的廠家。并且可保證定位器的可靠使用和壽命。2 課題分析2.1 課題要求利用單片機實現(xiàn)閥門定位的單片機控制系統(tǒng)，見圖2-1，通過位置傳感器檢測氣缸位置，再進行控制調(diào)節(jié)閥的開度。2.2 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。(2)要求具有調(diào)節(jié)閥線圈的故障診斷功能。(3)用數(shù)碼管實時閥位開度。2.3 設計思路利用位置傳感器檢測位置，反饋到單片機中作為反饋模擬信號，經(jīng)單片機內(nèi)PID控制算法進行信號處理后輸出一定寬度的脈沖來驅(qū)動調(diào)

9、節(jié)閥并實現(xiàn)定位反饋控制。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)。采用功能鍵實現(xiàn)點動和自動以及復位。定位速率由各組自行設定，即確定PID控制算法參數(shù)。氣缸驅(qū)動電路單片機鍵盤輸入位置傳感器調(diào)節(jié)閥1調(diào)節(jié)閥1A/D轉(zhuǎn)換圖2-1 閥門定位控制系統(tǒng)示意圖3 閥門定位的相關原理 計算機控制系統(tǒng)的工作原理計算機控制系統(tǒng)包括硬件組成和軟件組成。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。由于過程控制一般都是實時控制，有時對計算機速度的要求不高，但要求可靠性高、響應及時。計算機控制系統(tǒng)的工作原理可歸納為以下三個過程：    

10、60;(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。     (2)實時決策:對采集到的表征被控參數(shù)的狀態(tài)量進行分析，并按已定的控制規(guī)律，決定下一步的控制過程。     (3)實時控制:根據(jù)決策，適時地對執(zhí)行機構發(fā)出控制信號，完成控制任務。 這三個過程不斷重復，使整個系統(tǒng)按照一定的品質(zhì)指標進行工作，并對被控量 和設備本身的異?，F(xiàn)象及時作出處理。3.2 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。用于流體控

11、制系統(tǒng)的閥門，從最簡單的截止閥到極為復雜的自控系統(tǒng)中所用的各種閥門，其品種和規(guī)格相當繁多。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。閥門根據(jù)材質(zhì)還分為鑄鐵閥門，鑄鋼閥門，不銹鋼閥門（201、304、316等），鉻鉬鋼閥門，鉻鉬釩鋼閥門，雙相鋼閥門，塑料閥門，非標訂制等閥門材質(zhì)。3.3 智能閥門定位器閥門定位器按其結構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。閥門定位器能夠增大調(diào)節(jié)閥的輸出功率，減少調(diào)節(jié)信號的傳遞滯后的情況發(fā)生，加快閥桿的移動速度，能夠提高閥門的線性度，克服閥桿的摩擦力并消除不平衡力的影響，從

12、而保證調(diào)節(jié)閥的正確定位。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)行機構的輸出信號，使執(zhí)行機構動作，建立了閥桿位移量與控制器輸出信號之間的一一對應關系。因此，閥門定位器組成以閥桿位移為測量信號，以控制器輸出為設定信號的反饋控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)的操縱變量是閥門定位器去執(zhí)行機構的輸出信號1。閥門定位器用來確定閥門位置，為單片機的控制提供信息。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3-1。圖3-1 智能電氣閥門定位器原理框圖3.4 閥門定位器作用原理執(zhí)行器是控制系統(tǒng)的終端設備，它接收控制

13、器信號，改變操縱變量，實現(xiàn)控制要求。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。對不同的操縱變量，執(zhí)行器可以是控制閥、風門、步進電機和變頻調(diào)速器等。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。定位器控制執(zhí)行器的閥位，能夠增大執(zhí)行機構的輸出功率，減少信號傳遞滯后，克服閥桿摩擦力并消除不平衡力的影響等，保證準確定位。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、氣關式互換；改善和修正控制閥的流量特性；可實現(xiàn)分程控制。閥門定位器是控制閥

14、的主要附件，它接收控制器的輸出的電流控制信號，輸出氣壓信號去控制閥門；當控制閥動作后，閥桿的位移通過反饋裝置反饋到閥門定位器。因此，閥門定位器和控制閥構成一個閉環(huán)。定位器檢測輸入控制信號并和閥位反饋信號比較，若兩信號有差異，就驅(qū)動閥門的執(zhí)行機構直到反饋信號和輸入信號相匹配。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。普通電氣定位器使控制閥的品質(zhì)得到改善，但受結構等因素限制，仍易受溫度波動、振動影響；安裝調(diào)試技術要求高；噴嘴一擋板易堵、能耗較大；定位器零點和行程調(diào)整需反復進行等問題。系統(tǒng)工作原理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

15、的電流信號(4-20mA)，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。閥門定位器對單片機控制系統(tǒng)的設計要求有以下幾點：(1)能夠接收來自調(diào)節(jié)器的電流信號并能將它轉(zhuǎn)換成為電壓信號, 能夠采集閥位反饋回來的模擬信號；(2)能對以上采集到的信號進行運算、整理，最后根據(jù)偏差的大小輸出連續(xù)信號或一定寬度的脈沖信號來控制壓電閥；(3)利用數(shù)碼管能現(xiàn)場顯示輸入的參數(shù)以及閥門開度；(4)利用按鍵能在現(xiàn)場對閥門的工作流量特性的參數(shù)，以及閥

16、芯的最大、最小行程等參數(shù)進行設定；(5)調(diào)節(jié)閥在自動運行過程中，當閥芯開度大于90% 或小于10% 時, 以及閥芯被卡住時, 控制系統(tǒng)能進行報警；(6)具有斷電保存功能、看門狗功能、電源電壓監(jiān)測功能。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。而系統(tǒng)最主要的功能就是將測量的結果反饋到輸入端與輸入量相減得到偏差，再由偏差產(chǎn)生直接控制作用去消除偏差。所以開環(huán)系統(tǒng)顯然不能滿足系統(tǒng)的功能需求。而采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)根據(jù)實際輸出跟輸入比較后進行雙向的數(shù)據(jù)交換來系統(tǒng)修正控制的功能，實現(xiàn)對被控對象進行實時控制。在

17、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。這個偏差是各種實際擾動所導致的總結果。并不區(qū)分其中的個別原因。因此，這種系統(tǒng)往往同時能夠抵制多種擾動，而且對系統(tǒng)自身元部件參數(shù)的波動也不甚敏感。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)。工業(yè)控制中常用的控制算法有PID控制算法、最少拍隨動控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)等。本控制系統(tǒng)選擇PID控制算法。PID控制器問世至今己有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制主要技術之一。當被控對象結構和參數(shù)不能完全掌握，或不到精確數(shù)學模型時，控制理論其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)

18、試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能有效測量手段來獲系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是系統(tǒng)誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制。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調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡便，結構改變靈活(PI、PD、)。 PID控制算法對大多數(shù)控制對象，采用數(shù)字PID控

19、制，均可達到滿意的控制效果?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)把DCS控制站的功能分配給現(xiàn)場儀表，從而構成虛擬控制站。這樣系統(tǒng)就應具有PID控制運算模塊。PID控制程序流程如圖4-1所示?？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。此外程序還提供手自動切換功能，并對輸出值大小和變化速率進行限制。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。所謂PID即指比例、積分、微分控制算法。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。比例系數(shù)增大，可以加快系統(tǒng)響應速度

20、，減小系數(shù)穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。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。根據(jù)系統(tǒng)控制過程中各個不同階段對過渡過程的要求以及操作量的經(jīng)驗，通常在控制的初始階段，適當?shù)匕逊旁谳^小的檔次，以減小各物理量初始變化的沖擊；在控制過程中期，適當加大，以提高快速性和動態(tài)精度，而到過渡過程的后期，為了避免產(chǎn)生大的超調(diào)和提高靜態(tài)精度穩(wěn)定性，又將調(diào)小3。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

21、入“積分項”。積分項對誤差取決于時間積分，時間增加，積分項會增大。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。比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。主要用于消除靜差，提高習用的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強。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”

22、，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。能反省偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中應如一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。4.2.2 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。當采樣周期相對短時，用求和代替積分、用

23、后向差分代替微分，使模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠?。圖4-1給出了數(shù)字PID增量型控制算法的流程圖。圖4-1 數(shù)字PID增量型控制算法流程圖數(shù)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執(zhí)行機構的位置u(k)，如閥門的開度。由式(4.1)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(4.1)進行修改。根據(jù)式(4.1)不難寫出u(k-1)的表達式，即： 式(4.2)將式（4.1）和式（4.2）相減，即得數(shù)字PID增量型控制算法： 式(4.3)式中，表示比例系數(shù)； 表示積分系數(shù)；表示微分系數(shù)。為了編程方

24、便，可將式(3.3)整理成如下形式： 式(4.4)式中， 4.3 調(diào)節(jié)閥開度顯示的設計因為系統(tǒng)設計中要求顯示0-100%的閥門開度，而通過A/D轉(zhuǎn)換后得到的是0-255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。 )式中 電位器動觸點輸出的轉(zhuǎn)換后實際值； 電位器器動觸點最大行程時輸出的轉(zhuǎn)換后值，其默認值為255；電位器器動觸點最小行程時輸出的轉(zhuǎn)換后值，其默認值為0。通過式(4.5)，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。因為電位器的最大行程距離與閥芯的最大行程距離是不可能相同的，而我們要通過改變機械結構使閥芯的最大行程與電位器的最大行程完全匹配是相當

25、困難的，所以可以根據(jù)實際安裝時候閥芯的最大行程的來替換默認的值，用最小行程時候的來替換默認的值。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。從調(diào)節(jié)器過來的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)也需通過式(4.5)進行轉(zhuǎn)換。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0.2%），則輸出。4.4 PID參數(shù)整定PID控制器參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計核心內(nèi)容、它是被控過程特性確定PID控制器比例系數(shù)、積分時間和微分時間大小。圖4-2 參數(shù)合理PID圖圖4-3 參數(shù)不合理PID圖參數(shù)整定方式

26、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)。這種方法所到計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須結合工程實際進行調(diào)整和修改。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?？刂破鲄?shù)工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。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)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但采用哪一種方法所到控制器參數(shù)，都需要實際運行中進行最后調(diào)整與完善，現(xiàn)一般采用是臨界比例法。4.5 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。判斷閥芯

27、是否沒卡住的時候，先判斷系統(tǒng)輸出是否為0%，若為0%，且定位器判斷閥門位置在單位時間內(nèi)閥門沒有動。即判斷閥芯被卡住，驅(qū)動報警電路，直接報警。若閥門線圈被燒毀則現(xiàn)象與閥芯卡住一致。5 系統(tǒng)總體設計方案 系統(tǒng)硬件的配置及組成原理5.1.1 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口和中斷系統(tǒng)、定時器和計數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領域廣泛應用。

28、從上世紀80年代，由當時的4位、8位單片機，發(fā)展到現(xiàn)在的300M的高速單片機4。單片機應用廣泛，主要應用如下：(1)在家用電器領域的應用現(xiàn)在在家用電器的更新、市場開拓等方面，單片機的應用越來越廣泛，比如電子玩具或者高級的電視游戲機中，會應用單片機實現(xiàn)其控制功能；而洗衣機可以利用單片機識別衣服的種類與臟污程度，從而自動選擇洗滌強度與洗滌時間；在冰箱冷柜中采用單片機控制可以識別食物的種類與保鮮程度，實現(xiàn)冷藏溫度與冷藏時間的自動選擇；微波爐也可以通過單片機識別食物種類從而自動確定加熱溫度與加熱時間等等，這些家用電器在應用單片機技術后，無論是性能還是功能，與傳統(tǒng)技術相比均有長足的進步。(2)在醫(yī)用設備

29、領域的應用現(xiàn)代醫(yī)療條件越來越發(fā)達，人們對醫(yī)療滅菌消毒技術也越來越重視，但是一些偏遠地區(qū)的小醫(yī)院、小診所其消毒滅菌設備還十分簡陋，無法有效的控制消毒質(zhì)量。隨著單片機技術的發(fā)展，其體積較小、功能強大、具有靈活的擴展性、應用方便的特點也越來越突出，因此在醫(yī)用呼吸機、分析儀與監(jiān)護儀、超聲診斷設備、病床呼叫系統(tǒng)等設備中得到了廣泛的應用。(3)在工業(yè)控制領域的應用其實最早的單片機正是從工業(yè)領域開始興起的，至今其在工業(yè)控制領域的應用仍然十分廣泛，利用單片機技術構成多種多樣的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與智能控制系統(tǒng)，比如工廠流水線的智能化管理、智能化電梯、報警系統(tǒng)等等，均是通過單片機技術與計算機聯(lián)網(wǎng)構成二級控制系統(tǒng)。(4)

30、在儀器儀表領域的應用上文中也談到單片機具備集成度高、體積小、較強的控制功能與擴展的靈活性等特點，并且處理速度快，具有較高的可靠性，所以在智能儀器儀表領域其應用也十分廣泛。從某種程度而言，單片機帶動了傳統(tǒng)測量、控制儀器儀表技術的一項革命，通過單片機技術實現(xiàn)了儀器儀表技術的數(shù)字化、智能化、綜合化以及多功能化，與傳統(tǒng)的電子電路或者數(shù)字電路相比，其功能更強大，綜合性更突出。智能化儀表中應用單片機已十分廣泛。直到現(xiàn)在，MCS-51內(nèi)核系列兼容的單片機仍是應用的主流產(chǎn)品(如目前流行的89S51、89C51等)。ATMEL公司的單片機AT89C51，它除了增加4KB的E2PROM外，其余的與MCS一51系列

31、的8031單片機完全一樣。AT89C51同8031一樣有4個8位并行U0口，兩個16位可編程序的定時器計數(shù)器，128字節(jié)RAM，5個中斷源，全雙工串行通訊H，操作電壓為2.7V至5.5V，主頻110592MHZ。AT89C51是一種低功耗高性能的8位單片機，片內(nèi)帶有一個4K字節(jié)的Flash可編擦除只讀存儲器(EPROM)，它采用了CMOS工藝和高密度非易失性存儲器(NURAM)技術，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)與MCU一51系列單片機兼容。片內(nèi)Flash存儲器允許在系統(tǒng)內(nèi)可改編程序，主要用在工業(yè)控制?？蓴U展64K字節(jié)程序ROM，外部數(shù)據(jù)存儲器。具有5個中斷，包括兩個外部中斷，兩個定時器中斷，一個串

32、行口中斷。AT89C51是功能強大的微控制器(MCU)，具有各功能模塊能滿足定位器系統(tǒng)的控制。本系統(tǒng)選用89C51單片機，A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0808，可編程的鍵盤、顯示接口芯片8279等組成基本系統(tǒng)。此外，還有一些基本的附加電路，如復位電路、報警電路等。其具體工作原理如下：由閥桿位置傳感器拾取閥門的實際開度信號，通過A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字編碼信號，與定位器的設定信號的數(shù)字編碼在CPU中進行對比，計算二者偏差值。CPU根據(jù)偏差設定輸出指令進行相應的開/關壓電閥動作，即：當設定信號大于閥位反饋時，升壓閥打開，輸出氣源壓力增大，執(zhí)行機構氣室壓力增加使閥門開度增加，減小二者偏差；如設定信號小于閥位反饋則

33、排氣閥打開，通過排氣減小輸出氣源壓力，執(zhí)行機構氣室壓力減小是閥門開度減小，二者偏差減小。正是通過CPU控制閥門來調(diào)節(jié)輸出氣源壓力的大小使輸入信號與閥位達到新的平衡4。圖5-1 AT89C51單片機圖5-2 AT89C51管腳示意圖 并行與串行I/O口AT89C51共集成四個8位雙向并行接口，每位均設有輸出鎖存器，輸出驅(qū)動器和輸出緩沖器，四個口分別為P0，Pl，P2， P3。P0口的每一位均由一個輸出鎖存器、兩個三態(tài)緩沖器、一個輸出驅(qū)動器和一個輸出控制電路組成，其工作狀態(tài)受輸出控制電路的控制。PO口可作為地址/數(shù)據(jù)線，又可作為通用O；P1口為一個8位準雙向并行I/O口，做通用I/O用；P2口也是

34、一個8位的準雙向并行I/O口，比P1口多一個輸出轉(zhuǎn)換控制部分。P3口做通用I/O使用時，在為多功能端口時，作讀/寫信號和標準串行1/O口。AT89C51有一個可編程、全雙工的串行I/O口，為通用異步接收/發(fā)送器(UART)，也可作同步移位寄存器用。AT89C51的串行I/O設有緩沖寄存器SBUF，能直接尋址的SFR，接收和發(fā)送緩沖寄存器。串行I/O口有：方式0、方式1、方式2和方式3四種工作方式。方式0為同步移位寄存器，由TXD引腳發(fā)送出同步移位脈沖，由RXD引腳送出或接收串行數(shù)據(jù)。方式1為I/O位異步接收發(fā)送方式，串行數(shù)據(jù)位由TXD引腳傳送出，由RXD引腳將對方發(fā)來的串行數(shù)據(jù)位接收。方式2為

35、11位異步接收發(fā)送方式，字符格式的最后可以插入第9位數(shù)據(jù)位，可設置為奇偶校驗位。方式3為11位異步接收發(fā)送方式。5.1.3 AT89C51內(nèi)部定時器/計數(shù)器5l系列單片機內(nèi)部都帶有定時/計數(shù)器，AT89C51內(nèi)部有兩個16位的定時/計數(shù)器：11D和T1。主要特點：定時/計數(shù)可是計數(shù)方式也可定時方式；計數(shù)器模值是可變的，其最大值取決于計數(shù)器的位數(shù)；可以計算由11D或T1引腳的輸入脈沖數(shù)，作計數(shù)器或頻率計。AT89C51的定時器、計數(shù)器是可編程的。5.1.4 AT89C51中斷AT89C51有五個中斷源，即兩個外部中斷，兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串行口中斷。當某種中斷源產(chǎn)生中斷時，便設定在SFR中

36、的中斷標志位一TCON中的各位，MCU在從標志位識別出中斷種類并響應申請時，立刻從主程序轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務子程序以進行中斷服務，并保護現(xiàn)場。各種中斷的向量地址，即是中斷服務程序的入口地址。中斷程序結束之后恢復程序運行環(huán)境，回到斷點處繼續(xù)執(zhí)行程序。5.2 A/D轉(zhuǎn)換電路圖5-3 ADC0808管腳示意圖為了將電氣閥門定位器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)成單片機能處理的數(shù)字信號，需要A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換的作用是將時間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時間離散、幅值也離散的數(shù)字信號，因此，A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過取樣、保持、量化及編碼4個過程。在實際電路中，這些過程有的是合并進行的，例如，取樣和保持，量化和編碼

37、往往都是在轉(zhuǎn)換過程中同時實現(xiàn)的。將模擬量或連續(xù)變化的量進行量化（離散化），轉(zhuǎn)換為相應的數(shù)字量的電路。A/D變換包含三個部分：抽樣、量化和編碼。一般情況下，量化和編碼是同時完成的。抽樣是將模擬信號在時間上離散化的過程；量化是將模擬信號在幅度上離散化的過程；編碼是指將每個量化后的樣值用一定的二進制代碼來表示。ADC0808是價格適中的逐次比較式8位A/D轉(zhuǎn)換器，可輸入8路模擬信號，在這里我們選用IN0和IN1作為模擬信號輸入通道。ADC0808的最大不可調(diào)誤差小于1/2LSB，典型時鐘頻率為640kHz，每一通道的轉(zhuǎn)換時間約為100 Ls。89C51通過地址線P0.0和讀、寫控制線控制轉(zhuǎn)換的模擬輸

38、入通道地址鎖存、啟動和輸出允許。模擬輸入通道地址的譯碼輸入A、B、C由P2.2-P2.4提供，因為ADC0808具有通道地址鎖存功能，所以我們省掉了地址鎖存器74LS373，直接將P2.2-P2.4分別與A、B、C相連。例如當我們要選中IN0路模擬電路送入ADC0808的時候，執(zhí)行如下的程序：MOV DPTR, # 0FEFFH;輸入ADC0808的地址FEFFH給DPTRMOVA, # 00H;將IN0模擬電壓地址送AMOVX DPTR,A; 將A中數(shù)據(jù)送入A、B、C，并啟動ADC08085.3 鍵盤、顯示器接口芯片5.3.1 獨立按鍵獨立按鍵電路圖如下所示：圖5-4 獨立按鍵電路當按鍵K1

39、按下時，地通過電阻R1然后再通過按鍵K1最終進入I/O口形成一條通路，那么這條線路CON8.1這個引腳就是個低電平。當松開按鍵后，線路斷開，就不會有電流通過，那么CON8.1恢復默認高電平。我們就可以通過IO口的高低電平來判斷是否有按鍵按下。5.3.2 矩陣鍵盤矩陣按鍵電路圖如下所示：圖5-5 矩陣鍵盤電路圖矩陣鍵盤讀取方式與獨立鍵盤類似，但其讀取方式節(jié)省I/O口。 鍵盤消抖絕大多數(shù)情況下，我們按按鍵是不能一直按住的，所以我們通常是判斷按鍵從按下到彈起兩種狀態(tài)發(fā)生變化了，就認為是有按鍵按下。程序上，我們可以把每次按鍵狀態(tài)都存儲起來，當下一次按鍵狀態(tài)讀進來的時候，與當前按鍵狀態(tài)做比較，如果發(fā)現(xiàn)這

40、兩次按鍵狀態(tài)不一致，就說明按鍵發(fā)生動作了，當上一次的狀態(tài)是未按下、現(xiàn)在是按下，此時的按鍵動作就是“按下”；當上一次的狀態(tài)是按下、現(xiàn)在是未按下，此時的按鍵動作就是“彈起”。顯然，每次按鍵動作都會包含一次“按下”動作和一次“彈起”動作，我們可以任選一個動作來執(zhí)行程序，或者兩個都用以執(zhí)行不同的程序也是可以的。通常按鍵所用的開關都是機械彈性開關，當機械觸點斷開、閉合時，由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關在閉合時不會馬上就穩(wěn)定的接通，在斷開時也不會一下子徹底斷開，而是在閉合和斷開的瞬間伴隨了一連串的抖動，如圖5-6所示。圖5-6 按鍵抖動狀態(tài)圖按鍵穩(wěn)定閉合時間長短是由操作人員決定的，通常都會在100m

41、s以上，刻意快速按的話能達到40-50ms左右，很難再低了。抖動時間是由按鍵的機械特性決定的，一般是都會在10ms以下，為了確保程序?qū)Π存I的一次閉合或者一次斷開只響應一次，必須進行按鍵的消抖處理。當檢測到按鍵狀態(tài)變化時，不是立即去響應動作，而是先等待閉合或斷開穩(wěn)定后再進行處理。5.4 時鐘/報警電路單片機雖有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外接附加電路。內(nèi)部時鐘利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1，XTAL2引腳上外接定時元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。最常用的內(nèi)部時鐘方式是采用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路，振蕩晶體可在1.2MHz到12MHz之間選擇。系統(tǒng)設置了上、下限位報警。當控制

42、閥開度大于90或小于10時，控制系統(tǒng)能進行報警。該蜂鳴器接到+5V電源便可嗚音，當需要報警時，通過程序設置“CLR P2.0”便可使AT89C51的P2.0輸出低電平使報警電路報警。6 閥門定位控制系統(tǒng)仿真根據(jù)上述設計運用Proteus設計，并應用Keil設計程序。能用到的元件有AT89C51，ADC0808，8段數(shù)碼管，按鈕，LED顯示燈，蜂鳴器，按鈕等。圖6-1 Proteus中所使用的元件代碼下圖是用Proteus軟件仿真作出的閥門定位控制系統(tǒng)仿真單片機連接圖。圖6-2 閥門定位控制系統(tǒng)仿真單片機連接圖運用仿真軟件對上圖進行測試，得到以下兩個閥門開度圖。圖6-3 閥門開度小于10%仿真圖

43、圖6-4 閥門開度大于90%仿真圖結論本課題最終設計的智能閥門定位器實現(xiàn)了預定的設計目標。位置反饋經(jīng)過8位20ms采樣的A/D轉(zhuǎn)換器進行處理，從而保證了信號處理的精度及快速性。操作程序包括用于自動調(diào)整參數(shù)的自整定過程及自適應控制程序，用于精確定位的優(yōu)化控制操作。單片機通過A/D采集實際閥位值和鍵入的設定閥位值算出偏差，按PID調(diào)節(jié)閥位達到設定值。根據(jù)查閱相關資料，首先根據(jù)系統(tǒng)特點。最重要的輸入階段的核心為數(shù)模轉(zhuǎn)換?？刂坪诵氖菃纹瑱C，51單片機體積小、成本低、穩(wěn)定性高。且可以滿足本系統(tǒng)的要求。對于其他硬件選擇，與單片機匹配，盡量節(jié)省單片機資源，便于實現(xiàn)，且滿足系統(tǒng)要求。對于編程，根據(jù)課本所學知識以及任務的要求。用模塊化編程的思想。將任務分為輸入，處理，輸出三個方面。輸