（电力电子与电力传动专业论文）智能阀门定位器的研究与开发.pdf

2 010 年5 月 fiip 1ll l 1 1l 1ll lllf 17 9 9 017 t h er e s e r c ha n dd e v e l o p m e n to f i n t e l l i g e n tv a l v ep os i t i o n e r a t h e s i s ( o rd i s s e r t a t i o n ) s u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f 壁望g i 望曼! = i 望g b y 坠丛垒堕k i 垒旦g 塾璺。 t h e s i s ( o rd i s s e r t a t i o n ) s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r 鲤 m a y , 2 0 1 0 智能阀门定位器的研究与开发 摘要 阀门作为管道系统介质流量的调节执行机构，是一种重要的执行器， 阀门定位器是主要附件之一。而我们国内传统定位器主要以力平衡式为主， 所以行程和零点调整时需反复调整，调校麻烦、功能单一、可扩充性差。 而国外进口的智能型阀门定位器价格昂贵。实现数字化、智能化诊断与无 人看守的智能阀门定位器己经变得十分迫切。本文就是根据这样的实际需 求，阐述了自主开发的智能阀门定位器的工作基本原理和设计过程中所涉 及到的基本知识，并对关键环节进行了详细分析。 本文所述的智能阀门定位器是以单片机a t m e g a l 6 为核心部件，还包 括显示电路，r s 4 8 5 接口、电源、复位电路、i v 转换电路、报警器等组成 基本控制系统的硬件结构。因为智能阀门定位器具有非线性和实时性，并 且在控制过程中出现滞后现象，所以采用灰色预测和模糊自整定p i d 结合 产生相应的控制信号，使阀芯准确定位，实现对阀门二【作的闭环控制。灰 色预测起到提前控制的作用，而模糊自整定p i d 使系统可以进行在线的、 实时的控制。这些功能的实现是用c 语言的软件程序支持。同时，在软件 程序的支持下其它的硬件也能够对各种电信号进行反应和处理，并同时对 阀门工作中出现的故障情况也可以做出紧急反应，并且，此系统非常人性 化f i , j ：d r i 入了红外遥控控制，避免了人爬高带来的种种不便。作为智能阀门 定位器，能够对命令信号和反馈信号进行生成、传输、显示，从而模拟远 程控制中心的工作。 经过实验证明，该智能阀门定位器的设计方案是切实可行的。与国内 传统定位器相比，该阀门定位器不仅可以显示阀位、与上位机进行串口通 信、故障报警且具有控制精度高、调整方便、能耗低、适用范围广等特点。 关键词：智能，阀门控制器，灰色预测，模糊自整定p i d 厂一 一 t h er e s e r c ha n dd e v e l o p m e n to f i n t e l l i g e n tv a l v ep o s i t i o n e r a bs t r a c t t h ev a l v ea sa e x e c u t i n ga g e n c ya d j u s tt h em e d i u mf l o w o fp i p e l i n e s y s t e m ，i ti sa nv e l 3 i m p o r t a n ti m p l e m e n t a t i o n ，a n dv a l v ep o s i t i o n e ri st h eo n eo f m a i na n n e x o u rd o m e s t i ct r a d i t i o n a lv a l v e p o s i t i o n e r b a s e d m a i n l y o n f o r c e b a l a n c e t r a d i o n a ll o c a t o r i t i n e r a r y a n dz e r oa d j u s t m e n th a v et ob e a d j u s t e dr e p e a t l y , s ot i l ep r o c e s si s s ot r o u b l e s o m e ；a n df u n c t i o ni sl i m i t e d ，i ti s d i f f i c u l tt oe x p a n d t h es m a r tv a l v ep o s i t i o n e ri m p o r t e df r o ma b r o a di s v e r y e x p e n s i v e ，s od i g i t a la n di n t e l l i g e n td i a g n o s i sa n du n m a n n e di n t e l l i g e n tv a l v e p o s t i o n e rh a sb e c o m ev e r yu r g e n t t h ep a p e rb a s e do nt h ea c t u a ln e e d s ，t h e d e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tv a l v ep o s i t i o n e rb a s i cp r i n c i p l ea n dd e s i g no ft h e w o r ki n v o l v e di nt h ep r o c e s so ft h eb a s i ck n o w l e d g ea r ei n t r o d u c e d ，a n dt h ek e y p a r r t sa r ea n a l y s e di nd e t a i l t h ea t m e g a16i sc o r eo fi n t e l l i g e n tv a l v ep o s i t i o n e ri nc o n t r o ls y s t e ma s t h ep a p e rd e s c r i b e d ，d i s p l a yc i r c u i t ，r s 4 8 5i n t e r f a c ec o n v e r t e r ，a sw e l la sp o w e r s u p p l y , r e s e tc i r c u i t ，i v c o n v e r s i o n c i r c u i t ，a l a r m a n do t h e r c o m p o n e n t s c o m p o s e do ft h eb a s i cc o n t r o ls y s t e mh a r d w a r es t r u c t u r e i nt h a t p r o c e s s c o n t r o lc a nc o m et r u et h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no fg r e yp r e d i c a t i o na n dp i d w h i c hc a n a d j u s t e dp a r a m e t e r s b y i t s e l fb a s e so n f u z z yc o n t r 0 1 g r e y p r e c d i c a t i o nc a np l a yt h ea c t i o no fa h e a dc o n t r o l ，f u z z ys e l f - t u n i n gp i dc a n m a k et h es y s t e mo n l i n ea n dr e a l t i m ec o n t r 0 1 t h ec o n t r o lc o m b i n a t i o no fg r e y p r e d i c a t i o na n df u z z ys e l f - t u n i n gp i dc a na c c u r a t es p o o lp o s i t i o n i n g ，t oa c h i e v e c l o s e d l o o p c o n t r o lo ft h ev a l v ew o r k t h e s y s t e mw o u l dr u nb y s o f t w a r e s u p p o r t e di ncl a n g u a g e o fc o u r s e ，o t h e rh a r d w a r eu s i n gcl a n g u a g es o f t w a r e p r o g r a ms u p p o r tf o rav a r i e t yo fe l e c t r i c a ls i g n a lc a nb ep r o c e s s e d ，w h i l et h e w o r ko nt h ev a l v em a lf u n c t i o ns i t u a t i o nc a l lm a k ea ne m e r g e n c yh a n d l i n g ，a s w e l la s ，w ea d da ni n f f a r e dr e m o t ec o n t r o lv e r yu s e r - f r i e n d l y , t oa v o i dt i l ev a l i o u s i n c o n v e n i e n c e so fp e o p l e c l i m b i n g a s as m a r t v a l v e p o s i t i o n e r , i tc a nb e g e n e r a t i o n ，t r a n s m i s s i o n a n d d i s p l a y i n g o fc o m m a n d s i g n a l a n df e e d b a c k s i g n a l s oi tc a ns i m u l a t et h ew o r ko fr e m o t ec o n t r o lc e n t e r t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ed e s i g no fi n t e l l i g e n tv a l v ep o s i t i o n e ri s f e a s i b l e c o m p a r e dt ot h ed o m e s t i ct r a d i t i o n a lv a l v ep o s i t i o n e r t h el o c a t o rh a s c o n t r o lo fh i g hp r e c i s i o n ，e a s ya d j u s t m e n t ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o na n df o ra w i d er a n g eo fc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i l et h ep o s i t i o n i n gd e v i c eh a sac e r t a i na b i l i t yt o t h i n ka n ds o l v e i tc a nd i s p l a yv a l v ep o s i t i o na n df a u l ta l a r mb yi t s e l k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n t ，v a l v ec o n t r o ll m ；g r e yp r e d i c a t i o n ，f u z z ya d a p t i v e p i d 目录 摘要。i a b s t r a c t i i l 绪论1 1 1 课题的提出1 1 1 1 课题的立项背景l 1 1 2 发展状况1 1 2 课题的研究内容和技术关键一2 1 2 1 研究内容2 1 2 2 课题的关键技术3 1 3 预期成果3 1 4 本文的主要内容4 2 阀门定位器概述5 2 1 阀门定位器的基本原理5 2 2 阀门定位器的分类及特点5 2 2 1 气动阀门定位器5 2 2 2 电气阀门定位器6 2 2 3 智能阀门定位器7 3 系统的总体设计8 3 1 系统的总体方案设计思路8 3 1 1 硬件结构设计8 3 1 2 软件结构设计1 0 3 2 降低系统功耗的措施1 0 4 系统硬件设计1 1 4 1 单片机的选择及功能介绍l l 4 1 1 单片机的选择1 1 4 1 2a t m e g a l 6 的主要特征1 2 4 1 3a t m e g a l 6 的管脚说明1 3 4 2 前向通道的设计1 4 4 2 1 i v 转换电路1 4 4 3 后向通道的设计15 4 4 单片机与上位机的接口电路1 5 4 5 键盘、显示电路17 4 6 电源电路：1 8 4 7 报警电路1 8 4 8 时钟电路的设计：19 4 9 复位电路1 9 4 10 硬件抗干扰2 0 4 1 1 遥控电路的设计2 0 4 1 1 1 硬件原理图2 0 4 1 1 2 各主要功能模块的介绍2 0 5 系统控制策略2 3 5 1 灰色预测2 3 5 1 1 生成数列2 3 5 1 2g m 灰色模型j 2 4 5 1 3 灰色预测控制的建模2 4 5 2 自适应模糊p i d 2 6 5 2 1 模糊控制的概述2 6 5 2 2 模糊控制原理：2 6 5 2 3 模糊自适应整定p i d 控制原理2 7 5 3 智能阀门定位器的控制策略及其仿真结果3 0 6 软件设计3 7 6 1 开发环境和编程语言3 7 6 2 软件系统的结构分析与规划3 7 6 2 1 软件功能的规划3 7 6 2 2 功能结构3 7 6 3 主程序3 8 6 3 1 初始化程序3 8 6 3 2 数据处理模块3 9 6 3 3 数字滤波4 0 6 3 4 对阀门异常的判别和报警4 0 6 4 通讯接口程序设计4 3 6 4 1 通讯接口的协议4 3 6 4 2 单片机的通信程序设计4 3 6 5 红外遥控程序的设计4 5 i i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ 。 _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。_ _ _ _ _ _ _ 。_ 。_ _ 。 7 总结与展望：4 6 7 1 工作总结4 6 7 2 展望4 6 致谢4 8 参考文献。4 9 附录a 主程序代码5 2 攻读硕士学位期间发表的论文6 0 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明6 l i i i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。_ _ 。 _ _ _ _ _ _ - 。 _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ 。_ - 。1 。 智能阀门定位器的研究与开发 1 绪论 1 1 课题的提出 1 1 1 课题的立项背景 随着社会的不断进步和生产力的发展，工业生产已经向大规模的方向发展，自动化 水平越来越高，同时人参与的环节也越来越少。目前，自动化装置已经成为大型设备不 可分割的一部分，可以这么说，如果不配置合适的自动控制系统，那么大型的生产过程 根本无法完成。因此生产过程中的自动化程度成为衡量工业现代化水平的一个重要标 志。工业自动化涉及的范围非常广泛，过程控制是其重要的一个分支。 对于过程控制来讲，调节阀是其重要的一个环节。调节阀性能的好坏直接影响着过 程控制的性能指标。而阀门定位器是调节阀的一个辅助执行机构，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。而现在我国市场上大量使用的还是被国外 淘汰的产品，这些产品有很多缺陷使得调节阀在控制过程中精度不高且机械结构复杂， 这和现代工业发展的要求格格不入。在科技发展飞速的今天，对“阀门 进行有效的改 造使其更加智能化、且易于操作者对其进行控制，这对实际生产领域有着非凡的意义。 基于这些，实现阀门定位器的数字化和智能化是整个阀门系统实现智能化的关键，并且 基于此从而可以实现各种现场总线的网络通信功能，使阀门成为真正的智能化网络设备 的一部分。 随着电子技术的发展和进步，智能阀门定位器已经将基于模拟和数字电子技术的产 品淘汰，出现了新型产品智能阀门，产品作用也由最初的辅助有关人员工作，到现在代 替操作员自动化操作。新型智能阀门不仅弥补了传统阀门的缺陷，而且还改善了控制精 度，并且节省了人力物力，可以大量对其进行开发和推广。随着单片机技术的成熟，为 智能阀门定位器的开发提供了坚强的物质基础，使阀门在一定程度上实现了自动化，且 也为各智能阀门组成局域网络提供了物质基础，基于单片机，我们可以将专家解决问题 的方法和思维方式以编程序的形式加入到单片机系统里，从而使阀门的智能化进一步的 提高。 1 1 2 发展状况 自从阀门问世以来，基于阀门气动装置本身的缺点国外很多公司都在进行新产品和 新技术的研发。时至今日，随着单片机技术、通讯技术和网络技术等的发展和技术的成 熟，已经取得了一些成果。目前己基本将基于力平衡原理的完全气动的定位器和电一气 阀门定位器淘汰，智能阀门定位器这个新型定位器随之抢占了市场。这些新型的阀门定 位器表现出操作方便、质量卓越、外形美观的优点。随着产品的更新和普及，在美国就 有二十多个从事专门或相关的气动执行器研究所，如r o c k w e l l 公司具有非常完善的设 陕西科技大学硕士学位论文 备和测试基地，对产品可以进行多方面性能参数的测定。由于高新技术的迅猛发展、大 量人力物力的投入和关键元器件技术难关的突破，智能化阀门装置在国外已经形成许多 系列产品，广泛应用于许多工业领域中。国外对这方面产品有特别研究的德国s i m e n s 公司、英国的r o t o r k 公司、瑞典a b b 公司等几家生产智能阀门定位器的公司生产的 产品功能强大，技术先进，代表着此领域的世界领先水平，它们的产品主要有以下几个 特点【2 6 】： ( 1 ) 一体化的结构。一体化的结构可以使一个现场仪表包括了整个系统，使控制 系统从最初的安装到具体的运行以及到后期的维护这些工作都简便很多，并且减少了众 多干扰等因素对系统的影响，提高了稳定性和可靠性。 ( 2 ) 通讯功能。智能阀门定位器与p c 机相连采用数字通讯的方式，p c 机送出的 信号通过双绞线或别的引线被阀门定位器接收，阀门定位器的单片机会对收到的信号做 相应的处理。除此之外，操作者可以通过通讯功能对智能阀门定位器进行远程监控和修 改参数等。现在很多厂家已经配备相应的p c 软件，操作者可以利用这些软件对阀门相 关设备进行编程，使得p c 机与智能阀门定位器之间通过各种串口按照一定的协议相连 接。 ( 3 ) 计算机控制。在过程控制中，通过调整阀门的开度来调节压力和流量的。一 般情况下，计算机可以接收来自反馈回路传送的实际阀门开度和操作者设定的所要达到 的阀门开度，并且求出差值后通过一定的算法求出控制信号，然后驱动执行机构去动作。 如今先进的阀门系统都具有更为人性化的智能控制，可按照设定值进行自动调节。 ( 4 ) 智能诊断。可以在阀门反馈设备上安装一些传感器，而通过这些传感器反馈 回来的值在单片机里进行相应的处理后会达到智能诊断的作用，其原理就是检测一些实 时数据并通过处理这些数据来判断系统现在的状态。与此同时，单片机也会在运行中对 整个系统进行全程监控，如果发现有故障立即执行事先设定的程序，采取相应措施并报 警。不仅如此，单片机和传感器本身也会受到监控。当出现故障需要操作者解决时，会 自动报警提示相关操作者，以便快速地诊断和排除故斟3 8 l 。 智能阀门定位器的发展给工业自动化产业带来了新的局面，代表了气动阀门未来的 发展趋势。而我们国内才开始着手研究，在国外各大公司竞先抢占市场的同时，我们得 尽早投入研究，开发出拥有自主产权的智能化产品，使其规模生产。本课题在理解国内 外同类产品的基础上，对智能阀门定位器的硬件组成、软件设计和控制系统进行了进一 步的研究和探索。 1 2 课题的研究内容和技术关键 1 2 1 研究内容 本论文的研究中，我们主要的研究内容为以下几方面： 2 智能阀门定位器的研究与开发 ( 1 ) 深入了解传统控制器的结构和工作原理，并分析其不足。并了解气动阀门控 制器的特点； ( 2 ) 查阅相关数据，对智能阀门定位器的系统进行总体设计，然后对系统中的芯 片进行选材； ( 3 ) 在系统设计中应用单片机和i 转换； ( 4 ) 对系统的后向信道、键盘、显示电路、看门狗电路以及复位电路、报警等电 路进行设计、制作； ( 5 ) 对单片机输出的t t l 电平信号进行r s 4 8 5 标准转换，使单片机控制系统能 与上位机进行串口通讯； ( 6 ) 将模糊自适应p i d 控制技术应用到系统中，使人们可以根据相应的经验知识 做出相应的决策； ( 7 ) 将灰色预测技术应用到系统中，使系统具有超前预测功能，提高控制质量； ( 8 ) 对整个电路进行程序的编写，以实现控制系统的各种功能和实现控制系统的 控制策略。 1 2 2 课题的关键技术 设计中可能遇到的问题如下：由于系统对控制精度要求很高在全行程的0 5 。另 外现场有电磁和噪声的干扰以及要求系统的尺寸在满足系统功能的情况下尽可能的小 且造价少。 解决的方法：采用模糊自整定p i d 控制技术结合灰色预测技术可以得到很好的控制 效果、电源进线端接电解电容和集成芯片配置瓷片电容可以减少干扰且挑选性价比高的 芯片。 1 3 预期成果 本论文的研究中，我们主要完成以下几方面工作： ( 1 ) 智能阀门定位器以微处理器为核心，设定信号与实际阀位的比较是数字比较， 不易受影响，提高可靠性； ( 2 ) 调整方便，适用范围广，满足各类阀的要求； ( 3 ) 现场阀位和设定阀门的显示以及故障报警； ( 4 ) 遥控功能的实现； ( 5 ) 通讯功能：可以将单片机所采集的数据经处理后传送到上位机，使工作人员 随时监控现场调节阀的工作情况； ( 6 ) 智能控制算法在智能阀门定位器中的应用从而可以使阀：签定位准确，定位精 度可以达到全行程的o 5 。 陕西科技大学硕士学位论文 1 4 本文的主要内容 本文共包括七章： 第一章：绪论。阐述阀门定位器的发展以及现状，在此基础上提出要研究的内容和 关键技术，总结要做的工作。 第二章：阀门定位器简介。简单介绍了阀门控定位器的基本原理、作用、分类等。 第三章：总体方案的设计。基于传统阀门定位器的缺陷提出一种新的智能阀门定位 器并介绍了其软、硬件构成及整体设计方案，并在此基础上提出了降低系统功耗的措施， 使系统工作的绿色环保。 第四章：系统硬件设计。硬件设计主要围绕微处理器即单片机的选型、i 转换、 显示电路、接口电路、键盘、遥控器等技术难题作了一定的研究工作，提出了相应的解 决方案。 第五章：系统软件设计。系统软件采用模块化设计，介绍了主程序、控制程序、通 讯程序等。 第六章：控制策略。通过对灰色预测，模糊自适应p i d 等的阐述，详细介绍了本系 统的控制策略。 第七章：总结与展望。 4 智能阀门定位器的研究与开发 2 阀门定位器概述 2 1 阀门定位器的基本原理 阀门定位器是调节阀的主要附件之一，它与调节阀配套使用，接受来自调节器的输 出信号，然后阀门定位器经过一些控制算法得到一个输出信号去控制调节阀，当执行器 开始工作后，反馈机构使阀门的位移信号反馈到定位器中。由此可以看出，阀门定位器 和执行机构就构成了一个闭环回路，如图2 1 所示f 6 1 。 图2 - 1 阀门定位器的作用图 f i 薛一lf u n c t i o no fv a l v ep o s i t i o n e r 一个阀门定位器，不管是气动还是电动的，都是由以下三部分组成： ( 1 ) 输入机构：输入部分检测从前向通道引入的信号并将其送到比较装置。 ( 2 ) 比较机构：比较机构比较设定信号和阀位反馈信号，如果检测到这两个信号 之问有不同，就通过算法得到控制信号驱动阀门直至阀门反馈信号与设定信号一致。 ( 3 ) 反馈机构：反馈装置检测阀门位置的变化，并把反馈信号传递到前向通道。 2 2 阀门定位器的分类及特点 阀门定位器按照其工作原理的不同可以分为气动阀门定位器、电一气阀门定位器和 智能阀门定位器三种。 2 2 1 气动阀门定位器 当阀门定位器最初出现时，控制回路都是气体驱动的，传送单元、调节器和控制模 块被连接在一起并通过一个气动信号来通讯，同时这个信号也被看做一个动力源用来驱 动控制模块的执行机构。但通常，阀的反应速度非常慢，或者让执行机构驱动尺寸相对 比较大的阀时，常用的低气压信号使控制效果就远远达不到理想效果。为了解决这个问 题，就给气动定位器的气压信号添加一个气体的继动器，这个器件就会按顺序操作一个 滑阀或喷嘴挡板机构。其中，阀的位置通过一个凸轮来确定，在最后的控制模块中加入 一个弹簧避免气压减小时执行机构的逆反应【4 7 】。其工作原理图如图2 2 所示。l 为波纹 管、2 为挡板、3 为喷嘴、4 为放大器、5 为回馈凸轮、6 为回馈杆、7 为阀杆、8 为膜 陕西科技大学硕士学位论文 头。 执 行 嚣 图2 - 2 气动阀门定位器原理图 f i 9 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fp n e u m a t i cv a l v ep o s i t i o n e r 虽然气动阀门定位器的改良确实改进了控制效果，但是也存在以下缺点：1 装好的 阀门由于其内部状况是变化的，若将不同作用和不同规格的阀门硬件组合在一起很难实 现其最佳控制。2 其负责动作的部件比较多，容易受环境和振动的影响。3 喷嘴需连续 供给压缩空气，即使在稳定状态也需要供给，能耗大。4 喷嘴孔很小，易被灰尘等堵 住，使定位器不能正常工作。5 功能单一，可扩充性差。6 其行程和零点调整时，需反 复调整，调校麻烦。 2 2 2 电气阀门定位器 电气阀门定位器的输入是电流信号，输出是气压信号。一般情况下，它起两种作 用，一个是气动阀门定位器，另一个是电一气转换器。此定位器接受来自执行机构的反 馈信号，和气动阀门配合工作。 电气阀门定位器与气动阀门定位器最大的差别在于它采用力矩马达来替代波纹 管，这样它的工作原理就是根据力矩平衡原理。其具体的运行过程如下：当代表信号的 电流通到力矩马达的线圈两端时，与永久磁铁作用后，对主杠杆会产生一个力矩，于是 阀门当中的挡板靠近喷嘴，经放大器放大后的输出压力通到执行机构的气缸，再通过反 馈凸轮拉伸反馈弹簧，当反馈弹簧作用在主杠杆的反馈力矩与输入电流作用在主杠杆上 的力矩相平衡时，阀门达到平衡状态，由以上的叙述可以看出，不同的阀门开度对应的 电流也不刚47 1 。 虽然电一气阀门定位器比起气动阀门定位器控制效果大大改善，但是也有难以克服 的自身缺陷。比如：信号是单向流入定位器中的，当出现故障时，不能自诊断故障和报 警；在对行程和零点调整时，需反复调整，调校麻烦；功能单一，可扩充性差。 6 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。1 。1 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ 。1 。1 。 智能阀门定位器的研究与开发 2 2 3 智能阀门定位器 随着微电子技术的发展，单片机越来越被广泛的应用到常规电子线路，由于单片机 上芯片的集成度很高，其一块芯片上可以同时集成了、内存、c p u 、并行和串行接口、 定时器计数器、a d 转换器等。随着这些新技术的发展，将其和测量技术结合会产生 新型的智能化测控仪器，这种仪器比起以前老式的产品不管是在性能上还是在外观实用 性上都有很大的优势。当然，在测控仪器中使用单片机也成为了一种趋势，不仅可以大 大节省成本，而且提高了仪器工作的稳定性和可靠性。 智能阀门定位器主要由信号设定、单片机、电气转化控制部门和阀位反馈装置构成。 如图2 3 所示。它的工作原理与一般定位器不同。它采用的是以单片机为核心的控制电 路，接受来自操作者设定的阀门开度信号和从调节阀阀杆反馈回来的实际阀门开度信 号，传递回来的信号为电压信号，而设定的信号为4 - 2 0 m a ：的电流信号。并将两个信号 做比较，则单片机会得到一个计算出来的新信号，通过一定的控制算法，就输出一个相 应的信号去控制压电阀。如果有偏差，则输出信号给压电阀，从而使相对控制信号一定 量的压缩空气经过压电阀进到阀门的执行机构的气室，推动阀芯的移动，使阀芯准确定 位。 竣定值 4 2 0 m a 镣能闯 定位器 教i 空介度 图2 - 3 智能阀门定位器原理图 f i 9 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h es m a r tv a l v ep o s i t i o n e r 从以上的叙述中可以看到，智能阀门定位器是今后的发展方向，所以，本文主要任 务就足在借鉴国外此类产品的基础上，开发研究出功能更为齐全的新一代智能阀门定位 器。 陕西科技大学硕士学位论文 3 系统的总体设计 3 1 系统的总体方案设计思路 本系统就是以气动智能阀门定位器系统的单片机为工作的核心，对气动阀门的开度 进行控制。其中，智能阀门定位器中的单片机接收操作人员通过键盘所设定的信号与反 馈回来的阀位实际信号并通过计算出这两个值的差值，再经过控制算法对这个差值的计 算会得出一个控制信号值，最后控制信号的值通过输出驱动阀门动作，同时，智能阀门 定位器还可以完成将各类信号液晶显示，故障报警，串口通讯等功能，从而达到预想的 控制效果。另外，也可以通过红外遥控进行信号量的无线传输或设定，提高系统的智能 化。总体方案设计图如图3 1 所示。 图3 一l 总体设计方采图 f i 9 3 1d i a g r a mo f o v e r a l ld e s i g n 在此基础上，我们对系统的具体设计中应该考虑如下几个方面使得智能阀门定位 器能达到预期的控制效果。 ( 1 ) 接收设定值信号，进行i v 转换，经过运算处理，存入寄存器； ( 2 ) 接收传感器反馈回来的阀门实际开度量，进行a d 转换，并处理为相应数字 量，存入寄存器； ( 3 ) 将阀门实际开度信号与设定信号送到液晶模块进行显示 ( 4 ) 将阀门实际开度信号与设定开度信号进行比较处理后输出并驱动控制信号； ( 5 ) 在阀门工作时，进行故障诊断，一旦发现异常就立刻进行报警并及时处理故 障； ( 6 ) 智能控制算法的应用； ( 7 ) 智能阀门定位器与上位机通过r s 4 8 5 进行串口通讯； ( 8 ) 红外遥控功能的实现； ( 9 ) 利用键盘对设定值进行更改。 3 1 1 硬件结构设计 如3 2 图所示的智能阀门控制器原理图，是以单片机为核心的智能阀门控制系统。 8 智能阀门定位器的研究与开发 其中控制器和执行器构成一个反馈回路，标准r s 4 8 5 接口转换芯片m a x 4 8 5 连接单片 机到p c 机的通信，另外键盘、显示电路、压电阀控制电路等一起组成了基本系统。其 中，设定的4 - - - 2 0 m a 电流信号经i 转换后，在单片机中设定信号经a d 转换后进行 阀门的开度换算后变为相对的设定开度信号值。与此同时，由于控制算法后的输出作用 使阀芯动作同时也带动阀位的反馈杆动作，阀位反馈杆会经过一些机械装置带动电位计 动作，通过电位计动作就把阀门的开度情况输出得到相应的电压信号，并进入微处理器 后进行a d 转换【6 j 。阀位传感器位置反馈信号与给定信号值的差值在单片机中进行比较 并通过算法处理，如果微处理器得到一个偏差信号，就输出一个相应的控制信号，如果 实际开度信号与设定值的偏差在允许范围之内或偏差为o ，则认为阀门控制系统处于稳 定状态，即阀门开度在所要求的位置上，单片机不再输出控制信号给执行机构，使两压 电阀均处于切断状态【6 j 。如果偏差很大，则输出连续信号给压电阀，使压缩气体连续地 进入执行机构气室，使阀芯快速动作；如果偏差不是很大，则根据其大小程度，输出不 同宽度的脉冲序列给压电阀，使压缩气体间断性的进入执行机构气室，使阀芯缓慢动作。 控 被控介 质 调节阀 ( 执行 部分) 图3 - 2 智能阀门控制器原理图 f i 9 3 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h es m a r tv a l v ep o s i t i o nc o n t r o l l e r 9 陕西科技大学硕士学位论文 3 1 2 软件结构设计 软件采用模块化设计、自上而下的结构，采用当下最为流行的高级语言c 语言来 编写。其主要分为主程序、监控程序、功能程序这三大块。其功能分别如下： ( 1 ) 主程序：单片机上电后，启动看门狗、对各个器件进行初始化、开启各中断， 随时等待响应中断并进入中断服务程序里，等中断完成后又返回到主程序，主程序继续 执行其功能程序和监控程序，如此循环下去。 ( 2 ) 监控程序和功能程序：监控模块主要负责故障诊断和报警、而功能程序完成 键盘功能、显示功能、算法实现等各个具体的功能要求。 3 2 降低系统功耗的措施 由于功耗过大，不仅造成资源的极大浪费，也使得系统由于功耗过大，产生大量热 量，系统也会由于温漂的影响工作时产生不稳定等不良影响，所以，在整体设计过程中， 我们应该将降低系统功耗作为一项很重要的指标考虑进来。因此我们需要采取多种措施 在不影响系统实现的前提下尽最大的可能来降低系统的功耗。我们可以从以下几方面来 考虑如何降低系统的功耗： ( 1 ) 设计电路板时，尽量减少功率的消耗； ( 2 ) 尽量选用低功耗的元器件； ( 3 ) 尽量选用集成度高的元器件，以减少元器件数量； ( 5 ) 在设计软件时考虑设计进去休眠状态； ( 6 ) 充分利用器件的省电方式或空闲方式。 另外，我们也得明白，低的功耗和电压也就意味着系统的速度、精度等各方面的性 能要大大折扣，在设计过程中应该充分考虑和分析其利弊，在不降低系统性能的基本要 求下，尽量降低系统的功耗。 1 0 智能阀门定位器的研究与开发 4 系统硬件设计 硬件设计的主要目的就是为控制系统提供实施其信号的载体，因此，控制电路的实 现和选择最合适的芯片是本技术项目实现的关键。其整个系统的结构如图4 1 所示，各 部分的具体设计电路如以下各章节介绍。 图4 - l 系统结构图 f i 9 4 1t h ec h a r to fs y s t e ms t r u c t u r e 4 1 单片机的选择及功能介绍 4 1 1 单片机的选择 随着电子技术和信息技术的发展，单片机在功能上也日趋完美，现在市场上的单片 机种类非常多，主要分为m s p 4 3 0 系列单片机、a v r 系列单片机、p i c 系列单片机、a t 8 9 系列单片机等。以下我们将详细阐述各单片机的特点。 ( 1 ) a t 8 9 系列单片机的特点：a t 8 9 系列单片机是a t e m l 公司的8 位f l a s h 单片机。 a t 8 9 系列单片的核心是8 0 3 1 ，在软件和硬件方面与m c s - 5 1 系列完全兼容，a t 8 9 系列 的指令与有关定义和m c s 一5 l 完全相同，m c s - 5 1 系列单片机应用系统编写的程序可以直 接使用