（机械工程专业论文）调节阀阀门定位器智能控制系统的研制.pdf

m 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：臣 思0 学位论文作者签名：l 飘走每 日 期：细1 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： lr，lr 1 制系统的研制 及控制理论知识和相关的软件知 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，功能增多的特点，而且它能集合一定的人的经验知识，具有 一定的思维能力，符合过程控制的发展需要。 本课题主要完成了以下内容： 1 、深入了解传统阀门定位器的结构，主要工作原理；分析传统定位器 存在的主要问题，跟踪国外智能阀门定位器的发展情况。 2 、对智能阀门定位器的控制系统进行了总体设计，对系统中的各个芯 片进行选型。 3 、在系统控制策略方面，将模糊控制技术应用到系统中，使系统不仅 不需要建立被控对象完整精确的数学模型，而且能够使系统根据人们的经验知识 作出相应的决策。同时使得本系统具有良好的“鲁棒性”和自诊断性。 4 、对从调节器送来的4 2 0 m a 电流信号进行i 转换，同时对转换后 的信号进行a d 转换；对经电位器反馈回来的阀位信号进行a d 转换。在单片 机中对以上两路信号进行标度变换、b c d 码的转换，以便在显示板上进行十进 制的显示。 5 、对系统的后向通道进行设计制作。使单片机输出的微弱控制信号能 够通过固态继电器来控制压电阀开启，最终实现控制调节阀气室进气量的目的。 6 、对系统的键盘、显示电路进行设计制作。 7 、对系统进行数据的断电保护功能设计，使重要的参数在断电时得以 保存，同时在来电时使重要参数能得以自动恢复：对系统进行看门狗功能的设计。 8 、对单片机输出的t t l 电平进行r s 2 3 2 c 标准的转换，使单片机控 制系统能够与上位机进行串口通讯。对单片机控制系统传送的数据进行a s ci i 码转换，以便于上位机的接收与识别。 i i 9 、对复位电路、报警等电路进行设计制作。 1 0 、对整个控制系统进行程序编写，以实现控制系统的各个功能和实现 控制系统的控制策略。单片机控制系统的程序采用汇编语言编写。上位机的串口 通信程序使用v b 6 0 进行开发，并通过v b 6 0 提供的m s c o m m 通信控件来实现 数据传输。 关键词：调节阀阀门定位器智能控制系统单片机模糊控制通讯技术 j r e s e a r c ho nt h ei n t e l l i g e n c ec o n t r o l ss y s t e mo ft h ev a l v e p o s i t i o n e ro nr e g u l a t i n gv a l v e s u m m a r y m e c h a n i s m ，e l e c t r o n i c s ，c o m m u n i c a t i o n ，t h ek n o w l e d g eo ft h ec o n t r o lt h e o r ya n d t h ek n o w l e d g eo fr e l a t i v es o f t w a r ea r ea p p l i e di ni n t e l l i g e n tv a l v ep o s i t i o n e r , s oi ti sa i n t e l l i g e n tp r o d u c to fm u t i - s u b j e c t t h em a i no b j e c tr e s e a r c h e db yt h i s t h e s i si s c o n t r o ls y s t e mo fs i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r i ts e n do u ts i g n a lt oc o n t r o l p i e z o e l e c t r i c i t yv a l v ea f t e rc o l l e c t i n gt h ed e s i g n e ds i g n a lo ft h ev a l v ep o s i t i o nf r o m t h ea d j u s t o ra n dt h er e a ls i g n a lo ft h ev a l v ep o s i t i o nf r o mf e e d b a c k ，a n df u z z i l y d e a l i n gw i t ht h i st w os i g n a l s ，s ot h a ti tc a nc o n t r o lt h eq u a n t i t yo fg a sw h i c hi s i n j e c t e di n t ot h eg a sc h a m b e ri nt h ec o n t r o lv a l v e w h i c hm a k et h ev a l v es t e mw o r k a n dm a k ei ta t t a i na c c u r a t ep o s i t i o n c o m p a r i n g 、析t ht 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 e i n t e l l i g e n tv a l v ep o s i t i o n e rh a st h ea d v a n t a g e so fe x c e l l e n tc o n t r o l l i n ga c c u r a c y , l o w e n e r g yc o n s u m p t i o na n dm o r ef u n c t i o n s ，a n di tm e e tt h ed e m a n do fp r o c e s sc o n t r o l w i t l li t sf u n c t i o no ft h i n k i n ga n dp o s s e s s i n gs o m ee x p e r i e n c ea n dk n o w l e d g eo fm a n t h i sr e s e a r c hh a sm a i n l ya c c o m p l i s h e dt h ec o n t e n ta sf o l l o w i n g s ： ( 1 ) l e a r nd e e p l ya b o u tt h ec o n f i g u r a t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft r a d i t i o n a lv a l v e p o s i t i o n e r , a n a l y s et h em a i nd i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lv a l v ep o s i t i o n a la n dl e a r n a b o u tt h ed e v e l o p i n gs i t u a t i o no ft h ef o r e i g ni n t e l l i g e n tv a l v ep o s i t i o n e r ( 2 ) d e s i g nw h o l l yt h ec o n t r o ls y s t e mo f t h ei n t e l l i g e n tv a l v ep o s i t i o n e r ；c h o o s et h e r i g h tc h i pw h i c hi si nt h ec o n t r o ls y s t e m ( 3 ) a sf o r m c o n t r o l l i n gs t r a t e g yo ft h es y s t e m ，t h ef u z z yc o n t r o li sa p p l i e di nt h i s s y s t e m s oi ti sn o tn e c e s s a r yt ob eb u i l tt h ew h o l ea n da c c u r a t em a t h e m a t i cm o d e lf o r t h es y s t e m ，a n dt h es y s t e mc a nm a k ead e c i s i o na c c o r d i n gt op e o p l e se x p e r i e n c ea n d k n o w l e d g e a tt h es a m et i m e ，t h es y s t e mp o s s e s s e sg o o dr o b u s t n e s sa n ds e l f - d i a g n o s e f u n c t i o n ( 4 ) m a k ei vt r a n s f o r mf o rt h ec u r r e n ts i g n a lo f4 2 0 m ac o m i n gf r o ma d j u s t o r , t h e n m a k ea dt r a n s f o r mf o rt h es i g n a lr e c e i v e dj u s tn o w m a k ea dt r a n s f o r mf o rt h e i v s i g n a ld e l e g a t i n gv a l v ep o s i t i o n ，w h i c hi sf e e d ，b a c k e df r o mt h e p o t e n t i o m e t e r ( 5 ) d e s i g na n dm a n u f a c t u r et h eb a c kp a s s a g eo ft h es y s t e m w h i c hm a k es i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rs e n do u tf a i n tc o n t r o l l i n gs i g n a lt oc o n t r o lt h eo n o f fo f p i e z o e l e c t r i c i t yv a l v et h r o u g hs o l i ds t a t er e l a y a sar e s u l t ，i tc a nc o n t r o lt h eq u a n t i t y o fg a sw h i c hi si n j e c t e di n t ot h eg a sc h a m b e ri nt h ec o n t r o lv a l v e ( 6 ) d e s i g na n dm a n u f a c t u r et h ek e ya n ds h o w i n gc i r c u i to ft h es y s t e m ( 7 ) d e s i g nt h ef u n c t i o no fp r o t e c t i n gd a t aw h e nn op o w e r w h i c hc a np r o t e c tt h e i m p o r t a n td a t aw h e np o w e r , i so f f , a n ds e n dt h ep r o t e c t e dd a t ai n t ot h es i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e rw h e nt h ep o w e ri so n ( 8 ) m a k e at r a n s f o r mf r o mt t ls i g n a ls e n t o u tf r o mt h e s i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e rt or s - 2 3 2 ，w h i c hc a l lm a k et h ec o n t r o ls y s t e mo fs i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e rw i t hp c ( 9 ) d e s i g na n dm a n u f a c t u r et h er e p l a c i n ga n dw a r n i n gc i r c u i t ( 1o ) c o m p i l et h ep r o g r a mf o rt h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m ，w h i c hr e a l i z ea l lk i n d so f f u n c t i o n sa n dt h ec o n t r o l l i n gs t r a t e g yo ft h ec o n t r o ls y s t e m t h es o f t w a r eo ft h e c o n t r o ls y s t e mo fs i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ri sw r i t t e nw i t ha s s e m b l yl a n g u a g e ，t h e f o r mo ft h ed a t ai nt h es o f t w a r ei st h ef o r mo ft h ef i x e dp o i n td a t a t h ep r o g r a mo f s e r i e sc o m m u n i c a t i o no fp ci s d e v e l o p e dw i t hv b 6 0a n dt h ed a t ai st r a n s f e r r e d t h r o u g hm s c o m m c o m m u n i c a t i o nc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：c o n t r o lv a l v e v a l v ep o s i t i o n e rt h ei n t e l l i g e n c ec o n t r o l ss y s t e m s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rf u z z yc o n t r o l c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e v 0 2 2 1气动阀门定位器8 2 2 2 电气阀门定位器9 2 2 3 智能阀门定位器1 0 2 3 与阀门定位器有关的阀的性能参数1 1 2 - 3 1 调节阀的作用方式11 - 2 3 2 调节阀的流量特性1 2 2 3 2 1 理想流量特性1 2 2 3 2 2 工作流量特性15 2 3 3阀门定位器的输入信号范围1 7 第三章总体设计18 3 1 智能阀门定位器控制系统的总体设计方案1 8 3 2 单片机的选择1 9 3 3 单片机控制系统的地址译码方法2 0 第四章系统控制策略2 2 4 1 模糊控制思想2 2 4 1 1模糊控制2 2 4 1 2 人一机系统中人的模糊控制概念2 2 4 1 3 模糊控制2 3 4 2 模糊控制原理2 3 4 3 智能阀门定位器中模糊控制系统的工作原理2 5 4 4 模糊控制理论在模糊控制器中的应用2 6 4 4 1 确定模糊定量2 6 4 4 2 精确量的模糊化2 6 4 4 3 模糊控制规则及推理2 8 4 5 模糊控制的程序设计3 0 第五章前、后向通道配置31 5 1 单片机控制系统中的前向通道配置与接口电路3 1 5 1 1 前向通道的含义3 1 5 1 2 单片机控制系统中f j 向通道的设计3 1 5 1 2 1 a d 转换电路31 5 1 2 2i 厂v 转换电路3 5 5 1 2 3电位器的选择3 7 5 1 3a d 转换器的程序设计3 7 5 2 单片机控制系统中的后向通道配置与接口技术3 9 5 2 1后向通道的含义3 9 5 2 2 后向通道的设计3 9 5 2 3 后向通道的程序设计4 0 第六章单片机8 9 c 51 与p c 机的串口通讯4 2 6 1单片机8 9 c 51 的串行接口4 2 6 1 1 串行口的结构4 2 6 1 2 串行口的工作方式0 1 4 4 6 2 单片机8 9 c 51 与p c 机通讯接口设计4 6 6 3 单片机8 9 c 51 与p c 机通讯接口程序设计4 8 6 3 1 单片机的通信程序设计4 8 6 3 2p c 机的串口通信程序设计5 0 6 3 2 1 用户界面的设计5 2 6 3 2 2 程序初始化5 5 6 3 2 3 发送数据一5 6 6 3 2 4 接收数据- 5 6 - 6 3 2 5 其他工作- 5 8 一 第七章人机交互接口设计一5 9 7 1 键盘显示器接口芯片8 2 7 9 一5 9 - 7 1 18 2 7 9 的内部结构和工作原理6 0 7 1 28 2 7 9 的引脚和功能6 卜 7 1 38 2 7 9 的工作方式6 3 7 1 48 2 7 9 的命令格式和命令字6 3 7 1 58 2 7 9 状态格式与状态字6 8 7 1 68 2 7 9 的数据输入输出6 8 7 1 78 2 7 9 的内部译码与外部译码- 6 9 7 2 8 2 7 9 与单片机、键盘显示器的接口6 9 7 3 键盘显示程序设计- 6 9 7 4 系统其他基本电路设计- 7 3 5 2 3 后向通道的程序设计4 0 第六章单片机8 9 c 5 1 与p c 机的串口通讯4 2 6 1 单片机8 9 c 5 1 的串行接口4 2 6 1 1 串行口的结构4 2 6 1 2 串行1 2 1 的工作方式4 4 6 2 单片机8 9 c 51 与p c 机通讯接口设计4 6 6 3 单片机8 9 c 51 与p c 机通讯接口程序设计4 8 6 3 1 单片机的通信程序设计4 8 6 3 2p c 机的串口通信程序设计5 0 6 3 2 1 用户界面的设计5 2 6 3 2 2 程序初始化5 5 6 3 2 3 发送数据5 6 6 3 2 4 接收数据5 6 6 3 2 5 其他工作5 8 第七章人机交互接口设计5 9 7 1 键盘显示器接口芯片8 2 7 9 5 9 7 1 18 2 7 9 的内部结构和工作原理6 0 7 1 28 2 7 9 的引脚和功能6 l - 7 1 38 2 7 9 的工作方式6 3 7 1 48 2 7 9 的命令格式和命令字6 3 7 1 58 2 7 9 状态格式与状态字6 8 7 1 68 2 7 9 的数据输入输出6 8 7 1 78 2 7 9 的内部译码与外部译码 7 28 2 7 9 与单片机、键盘显示器的接口 7 3 键盘显示程序设计。 7 4 系统其他基本电路设计 东北大学硕士学位论文第一章引言 第一章引言 1 1过程控制的概念 自2 0 世纪3 0 年代以来，自动化技术获得了惊人的成就，已在工业生产和国 民经济各行各业起着关键的作用。自动化水平已成为各行各业现代化水平的一个 重要标志。 过程控制( p r o c e s sc o n t r 0 1 ) 通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建 材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动化控制，它 是自动化技术的重要组成部分。在现代化工业生产过程中，过程控制技术正在为 实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保 护生态环境等方面起着越来越大的作用。 过程控制的任务就是在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的 基础上，根据控制目标的要求，应用一定的理论对控制系统进行分析和综合，最 后采用适宜的技术手段加以实现。 1 2 过程控制的基本组成 要对生产过程进行自动控制，至少要有被控过程、检测元件和变送器、控 制器以及执行器四个部分，如图1 1 所示。 图1 1 过程控制系统方框图 f i g 1 1f u n c t i o nd i a g r a mo ft h ep r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ( 1 )被控过程被控过程指的是自动控制系统中需要实现控制的设备、 机器或生产过程。被控过程可以很复杂，也可以很简单。如化工生产中的各类塔 器、反应器、泵、压缩机以及容器，甚至一段输送流体的管道或整个生产过程等， 都可以是被控过程。被控过程内要求保持设定数值( 接近恒定值或按要预定规律 变化) 的物理量，称为被控变量( 如图1 1 中的y ) 。非控制装置操纵而又作用于 东北大学硕士学位论文 第一章引言 过程并引起被控变量变化的因素称为扰动( 即干扰，如图1 1 中的d ) 。在被控 过程中应抑制扰动影响。 ( 2 )检测元件和变送器检测元件的作用是感受工艺变量的变化，并把 它转换成电信号或气压信号。变送器的作用是将检测元件的检测信号转换成统一 标准的气压信号( 2 0 l o o k p a ) 或直流电流信号( 0 1 0 m a 或4 - 一2 0 m a ) ，送往 其它装置。检测变送装置输出的信号被称为被测量( 即y m ) 。 ( 3 )控制器( 调节器)控制器是控制系统的核心，在调节系统中起分 析、运算、判断决策的作用。生产过程中用得最多的是调节器，它把变送器送来 的测量值y m 与设定值r 进行比较得出偏差，根据偏差大小及变化趋势，按预先 设计好的控制规律进行运算后，输出相应的控制信号给执行器。所谓设定值是指 被控变量的预定值，而偏差e 就是设定值r 与被控对象y 的实际值之差。由于被 控变量是测量得到的，因此通常把设定值与测量值之差作为偏差，即e = r y m 。 ( 4 )执行器执行器接收控制器送来的信号，相应地去改变操纵变量， 克服扰动的影响，最终实现控制要求。所谓操纵变量是指受控制装置操纵，用以 使被控变量保持设定值的物理量。执行器与调节系统中的其它部分不同，它直接 与生产过程相接触，换句话说，执行器要工作在高温、高压、腐蚀、振动等恶劣 的现场环境中，同时要有足够的功率以影响生产过程。对应于不同的调节参数， 执行器可以是风门、步进电机、变频调速器和调节阀等。所谓调节阀，就是改变 流体流量的执行器，由于绝大部分调节系统的调节参数都选为某种介质的流量， 所以调节阀是最常见的一种执行器。 1 3 过程控制的发展概况 过程控制的发展，大致经历了以下几个阶段： 一、局部自动化阶段( 2 0 世纪5 0 6 0 年代) 2 0 世纪5 0 年代前后，过程控制开始得到发展。一些工厂企业实现了仪表化 和局部自动化。这一阶段的主要特点是：采用的过程检测控制仪表为基地式仪表 和部分单元组合式仪表，而且多数是气动仪表；过程控制系统的结构绝大多数是 单输入单输出系统；被控参数主要是温度、压力、流量和液位四种工艺参数； 控制的目的主要是保持这些工艺参数的稳定、确保生产安全；过程控制系统分析、 综合的理论基础是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论。 二、集中控制阶段( 2 0 世纪6 0 7 0 年代中期) 在6 0 年代，随着工业生产的不断发展，对过程控制提出了新的要求；电子 东北大学硕士学位论文第一章引言 技术的迅速发展，也为自动化技术工具的不断完善提供了条件，过程控制开始进 入第二阶段。在这一阶段中，工业生产过程出现了一个车间乃至个工厂的综合 自动化，其主要特点是：大量采用单元组合仪表( 包括气动和电动) 和组装式仪 表。与此同时，计算机开始应用于过程控制领域，实现了直接数字控制( d d c ) 和设定值控制( s p c ) 。在过程控制系统的结构方案方面，相继出现了各种复杂 的控制系统，如串级控制、前馈一反馈复合控制、s m i t h 预估控制以及比值、均 匀、选择性控制等，一方面提高了控制质量，另一方面也满足了一些特殊的控制 要求。过程控制系统的分析与综合的理论基础，由经典控制理论发展到现代控制 理论。控制系统由单变量系统转向多变量系统，以解决生产过程中遇到的更为复 杂的问题。 三、集散控制阶段( 2 0 世纪7 0 年代中期至今) 2 0 世纪7 0 年代中期以来，随着现代工业生产的迅猛发展，微型计算机的开 发与应用使过程控制的发展达到了一个新的水平，实现了全车间、全厂、甚至全 企业无人或很少人参与操作管理、过程控制最优化与现代过程控制的新阶段，这 是过程控制发展的第三阶段。在这一阶段集散控制系统( d s c ) 问世。d s c ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 集散控制系统是在传统控制系统中引入计算机技 术，利用软件组成各个功能块替代过去传统的电动单元组合( d d z ) 仪表。使运 算控制策略更容易实现，解决了控制系统所无法实现的控制策略，使用d c s 集 散控制系统后，非常方便、灵活。这给控制领域带来了质的飞跃。 但是随着时间的推移，计算机、通信、网络等技术的迅猛发展，d c s 各厂 家为了各自的垄断利益使d c s 的发展相对滞后，目前d c s 越来越显现出它自身 的弱点：费用昂贵；d c s 各厂家通讯标准不统一，互不兼容，封闭式的控制模 式阻碍了信息共享。现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 的出现使这一 问题得到了解决。现场总线控制系统( f c s ) 是当今自动化领域技术发展的热点 之一，被誉为自动化领域的计算机局域网，它的出现标志着工业控制领域又一个 新时代的开始，并将对该领域的发展产生重要的影响。如果说d c s 替代过去的 传统仪表是一次自动化领域的数字革命，那么f c s 替代d c s 将是一次自动化领 域的信息革命。现场总线技术是将专用微处理器置入传统的测量控制仪表或i 0 模块，使它们各自都具有数字计算和数字通信能力，采用通讯电缆( 常用简单屏 蔽双绞线) 把它们连接在一起，使它们之间、它们与计算机之间能够实现数据传 输与信息交换，从而形成各种适应实际需要的自动控制系统。换而言之，它把单 个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带把它们连接成可以相互 沟通信息，共同完成自控任务的网络系统与控制系统。 东北大学硕士学位论文 第一章引言 f c s 的出现，给过程控制仪表提出了更高的要求，即过程控制仪表必须朝着 智能化方向发展才能满足f c s 的要求。 1 4 过程控制仪表 实现生产的自动化，实现工业生产的过程控制，最基本的要求之一就是要构 成负反馈的闭环调节系统。最原始的调节系统是由人的眼睛、大脑和手的功能， 就可构成自动调节系统。完成这些功能的仪表被称为过程控制仪表。过程控制仪 表主要包括变送器、调节器和执行器。在自动调节系统中除了上述三种主要的过 程控制仪表外，还有很多种辅助控制仪表和装置，它们在某些特定的场合下是重 要的甚至是不可缺少的，例如阀门定位器。 常规的过程控制仪表广泛应用于过程的流量、压力、液位、温度等工艺参数 的检测和控制。近四十年来，我国的过程控制仪表不断更新换代，2 0 世纪5 0 年 代末期，主要采用机械式和气动仪表；6 0 年代广泛采用i 型电动单元组合仪表； 7 0 年代中期，i i 型电动单元组合仪表成为过程检测和控制的主流产品；到了8 0 年代初，开始采用i i i 型电动单元组合仪表。总的趋势是电动电子仪表逐步取代气 动仪表，由集成电路构成的电动i i i 型仪表将逐步取代由分列元件制成的i 、i i 型 仪表。 近年来，自动化仪表及装置向着智能化、数字化、模块化、高精度和小型化 的方向发展。其中智能化是最主要的特点，与常规仪表相比，智能化仪表具有测 量精度高、自动校准、自动修正误差和自诊断的能力，允许灵活地改变功能，实 现高级控制，其最终将取代常规仪表。 1 5 阀门定位器 1 5 1阀门定位器的作用 首先，阀门定位器是用来控制调节阀阀位的；此外，它能够增大调节阀的输 出功率，减少调节信号的传递滞后，加快阀杆的移动速度，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。归纳起来，它有以下作用： ( 1 )用于高压介质和高、低温处 当调节阀处于高压介质时，为了防止流体从阀杆填料处泄漏，经常把填料压 盖压得比较紧，因此对阀杆产生很大的静摩擦力，使阀杆行程产生误差。配用定 iiiiiiiijjji)叫ff 东北大学硕士学位论文 第一章引言 位器之后，能克服这些摩擦力的作用，也能克服流体不平衡力的作用，明显的改 善了基本特性。 当温度过高或过低时，由于阀杆与填料之间的摩擦力增大使调节信号与阀门 的行程之间产生较大的误差。配用定位器之后，也能克服摩擦力的影响。 ( 2 )用于高压差 当调节阀两端的压差p 大于1 m p a 时，介质对阀芯产生较大的不平衡力， 此力将破坏原来的工作位置，使控制系统产生扰动作用，尤其是对单座调节阀， 其不平衡力大于双座阀。使用定位器，可以提高输出压力，增大执行机构的输出 力，克服不平衡力的作用。 ( 3 )增加执行机构的动作速度 当调节器与调节阀相距较远时，气动信号管比较长，为了克服信号的传递滞 后，可使用电气定位器，让调节器输出的电流信号直接转换成气压信号去操 作调节阀。在调节器与调节阀的距离超过6 0 m 时，效果比采用继动器要好得多。 ( 4 )实现调节阀反向动作 当一台气关式调节阀需要改成气开式调节阀时，必须把阀芯反装，或采用反 作用式执行机构。在现场这样改装比较麻烦，劳动强度大阿，而且用户必须有一 定的备品才能进行。如果利用阀门定位器，把气关改成气开，或者作相反的改变 就比较容易。 ( 5 )改善调节阀的流量特性 调节阀的流量特性可以通过改变反馈凸轮的几何形状来改变。因为反馈凸轮 的几何形状不一样，能改变调节阀对定位器的反馈量，使定位器的输出特性变化， 从而改变调节阀的输出信号与调节阀位移之间的关系，即修j 下了流量特性。 ( 6 )用于分程控制 所谓分程控制，即用一台调节器控制多个调节阀，每个调节阀只在一定的控 制信号范围内工作。 1 5 2 传统阀门定位器与智能阀门定位器的比较 虽然阀门定位器的出现使调节阀的调节品质得到了明显的改善，但是他人仍 然存在着以下几个问题： ( 1 ) 因采用机械力平衡式原理工作，定位器中有很多相互作用的小零件，可 动件较多，容易受温度波动的影响，误差较大。 ( 2 ) 耐环境性差。采用机械力平衡式原理的定位器易受外界振动的影响，外 东北大学硕士学位论文第一章引言 界振动传到力平衡机构，有时会使定位器难以工作。 ( 3 ) 装好的调节阀由于尺寸、衬垫摩擦等是多变的，若将各种调节阀也作相 应改变，达到最佳控制状态，难以实现。 ( 4 ) 喷嘴本身就是一个潜在的故障源，易被空气中的灰尘或污染颗粒堵住， 使定位器不能正常工作。 ( 5 ) 能耗大。常规定位器由喷嘴连续供给压缩空气，在执行器处于稳定状态 也要供给压缩空气，当工厂使用的执行器较多时，能耗较大，也即所费成本较大 ( 每台定位器大约每分钟排放0 3 5 立方英尺的空气，这种空气排放平均每年大 约花费2 0 0 美元) 。 ( 6 ) 常规定位器手动调整时不用专用设备( 如减压阀) ，不中断控制回路是不 可能的。 ( 7 ) 常规定位器零点和行程的调整分别用手动调整，需反复进行，很费时间。 智能阀门定位器不仅能很好地消除或减小以上问题，而且智能阀门定位器与 普通阀门定位器在性能、使用情况、性价比等方面进行比较，有以下一些特点。 如表l 。1 所示： 此外，智能阀门定位器可以将全部气源压力送到调节阀的执行机构的膜室， 使气源压力得到充分的利用，因此提高了执行机构输出力；减少普通阀门定位器 气动信号的传递滞后，加快动作速度；进一步改善了调节阀的静态特性和动态特 性；通过功能键，智能阀门定位器能方便地进行流量特性的设置，同时它具有显 示和报警功能。 表1 1 普通阀门定位器与智能阀门定位器的比较 t a b i 1c o m p a r i s o no ft h ec o m m o nv a l v ep o s i t i o n e r a n dt h ei n t e l l i g e n c ev a l v ep o s i t i o n e 类型配用普通定位器的调节阀配用智能定位器的调节阀 基本误差小于令行程的士2 小于全行程的士o 5 回差 2 o 5 死区o 8 o 1 阀门的稳定性 稳定 极其稳定 调校现场手动调校通过校验仪在现场、机柜或与d c s 信号源4 2 0 m a 或气动信号4 2 0 m a 或数字信号 耗气量 大极小 性能价格比 低 高 通讯尤有 安装、调试不方便方便 东北大学硕士学位论文 第一章引言 1 6 课题的来源和主要任务 近年，国内外市场上均已推出智能变送器、智能调节器，来自调节阀市场的 消息大多与调节阀本身无关，而与定位器的先进性有关。目前，国外一些在工业 自动化领域有着多年经验和雄厚技术优势的大公司，如西门子、费希尔罗斯蒙特 等相继研制成功了智能两线制、或配有h a r t 总线、f f 总线等现场总线接口的 智能阀门定位器。而国内在这方面起步较晚。目前国内仍普遍使用的是z p d 型 和h e p 型电气阀门定位器都是采用机械式力平衡原理，即喷嘴一挡板技术。 中国铝业贵州分公司在氧化铝生产中，近几年来投入大量资金用于设备更新 与改造，不仅解决了生产需要也为不断发展、提高成品氧化铝产量奠定了基础。 但在生产现场仍存在大量功能不齐全、可靠性差、笨重、落后、型号繁多的常规 调节阀这样的实际问题，无法满足现代生产对过程控制的需要，而全部由国外进 口智能电器阀门定位器进行全面更新不仅价格昂贵，而且也不现实。立足现有装 备条件，通过自主革新改造是解决当前问题的一条出路，于是提出了本课题。 本人所需完成的主要工作包括： ( 1 )根据收集的资料和已有的设计方案对智能阀门定位器的控制系统进 行改进和进一步的设计。 ( 2 )根据总体方案及智能阀门定位器的功能，进行定位器硬件系统( 主 要是单片机控制系统) 的研制与实验，主要包括单片机系统配置及其相关接口电 路的设计；系统与上位机之间串口通信的设计；在控制策略方面，将模糊控制技 术应用到本控制系统之中，使它能够集合人们一定的经验知识，在一定程度上模 仿人的思维。 ( 3 )根据定位器的工作原理、功能以及硬件系统，进行系统软件设计。 主要包括系统软件模块的划分，各模块程序流程的详细设计，并用汇编语言对单 片机控制系统各模块进行详细编制，进行上位机的串口通信程序的编制。 东北大学硕士学位论文 第一章引言 第二章阀门定位器概述 2 1阀门定位器的基本原理及构成 阀门定位器是调节阀的主要配件，它与气动调节阀配套使用，接收调节器的 输出信号，然后以阀门定位器的输出信号去控制气动调节阀，当调节阀动作后， 阀杆的位移又通过机械反馈装置 反馈到阀门定位器。因此，这种 定位器和调节阀组成一个闭环回 路，如图2 1 所示。 一个定位器，无论是气动的 还是电动的都由三部分组成： ( 1 ) 输入部分：输入部分检测 引入的信号( 控制信号) ，并把它送入 图2 。1 阀门定位器作用图 比较装置： f i g 2 1a c tc h a r to f t h ev a l v ep o s i t i o n e ( 2 ) 比较装置：比较装置比较输入 信号和阀位反馈信号，如果检测到这两个信号之间有差异，就驱动阀门的执行机 构直到反馈信号和输入信号相匹配。 ( 3 ) 反馈装置：反馈装置检测阀门的变化，并把信号传递给输入比较装置。 一旦反馈信号和输入信号相等，驱动装置就停止对阀位作进一步的改变。 2 2 阀门定位器的分类 阀门定位器的产品按其结构形 式和工作原理可以分成气动阀门定 位器、电一气阀门定位器和智能阀 门定位器。 2 2 i 气动阀门定位器 气功薄磁溺节阀- 砥： 五十多年前，控制( 或自 图2 2 气动阀f j 定位器原理图 动反馈过程)