阀门定位控制系统设计课程设计说明书论文.docx
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阀门定位控制系统设计
DESIGNOFVALVEPOSITION
CONTROLSYSTEM
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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
1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。
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。
气缸
键盘输入
位置传感器
调节阀1
调节阀1
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:
(1)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。
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。
3.5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。
3.6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、…)。
4.2.1PID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[2]。
所谓PID即指比例、积分、微分控制算法。
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
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
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
,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
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
,
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。
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4-1给出了数字PID增量型控制算法的流程图。
图4-1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)
式中,
——表示比例系数
;
——表示积分系数
;
——表示微分系数
。
为了编程方便,可将式(3.3)整理成如下形式:
式(4.4)
式中,
4.3调节阀开度显示的设计
因为系统设计中要求显示0-100%的阀门开度,而通过A/D转换后得到的是0-255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。
式(4.5)
式中
——电位器动触点输出的转换后实际值;
——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;
——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(4.5),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
来替换默认的
值,用最小行程时候的
来替换默认的
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(4.5)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0.2%),则输出。
4.4PID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。
图4-2参数合理PID图
图4-3参数不合理PID图
参数整定方式主要有以下2种:
1.理论计算整定法
主要依据系统数学模型,理论计算确定控制器参数。
这种方法所到计算数据未必可以直接用,还必须结合工程实际进行调整和修改。
2.工程整定方法
主要依赖工程经验,直接控制系统试验中进行,且方法简单、易于掌握,工程实际中被广泛采用。
控制器参数工程整定方法,主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
工程整定方法和理论计算整定法各有其特点,其共同点都是试验,然后工程经验公式对控制器参数进行整定。
但采用哪一种方法所到控制器参数,都需要实际运行中进行最后调整与完善,现一般采用是临界比例法。
4.5报警触发条件
阀门开度大于90%或小于10%时由阀门定位器感应,得到阀门开度,在确定定位器定位无误后,报警器直接报警。
判断阀芯是否没卡住的时候,先判断系统输出是否为0%,若为0%,且定位器判断阀门位置在单位时间内阀门没有动。
即判断阀芯被卡住,驱动报警电路,直接报警。
若阀门线圈被烧毁则现象与阀芯卡住一致。
5系统总体设计方案
5.1系统硬件的配置及组成原理
5.1.1单片机
单片机(Microcontrollers)是一种集成电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器和计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统,在工业控制领域广泛应用。
从上世纪80年代,由当时的4位、8位单片机,发展到现在的300M的高速单片机[4]。
单片机应用广泛,主要应用如下:
(1)在家用电器领域的应用
现在在家用电器的更新、市场开拓等方面,单片机的应用越来越广泛,比如电子玩具或者高级的电视游戏机中,会应用单片机实现其控制功能;而洗衣机可以利用单片机识别衣服的种类与脏污程度,从而自动选择洗涤强度与洗涤时间;在冰箱冷柜中采用单片机控制可以识别食物的种类与保鲜程度,实现冷藏温度与冷藏时间的自动选择;微波炉也可以通过单片机识别食物种类从而自动确定加热温度与加热时间等等,这些家用电器在应用单片机技术后,无论是性能还是功能,与传统技术相比均有长足的进步。
(2)在医用设备领域的应用
现代医疗条件越来越发达,人们对医疗灭菌消毒技术也越来越重视,但是一些偏远地区的小医院、小诊所其消毒灭菌设备还十分简陋,无法有效的控制消毒质量。
随着单片机技术的发展,其体积较小、功能强大、具有灵活的扩展性、应用方便的特点也越来越突出,因此在医用呼吸机、分析仪与监护仪、超声诊断设备、病床呼叫系统等设备中得到了广泛的应用。
(3)在工业控制领域的应用
其实最早的单片机正是从工业领域开始兴起的,至今其在工业控制
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