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本科毕业设计论文本科毕业设计论文 题题 目目 基于单片机的阀门定位器设计与开发专业名称 自动化 学生姓名 张瑞 指导教师 何振琦 毕业时间 2014 年 6 月 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文基于单片机的阀门定位器设计与开发摘 要阀门是管道系统介质流量的重要调节执行机构，阀门定位器是其主要附件之一。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。本文所述的阀门定位器是以单片机 ATmega16 为核心部件，还包括显示电路，RS485 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，所以采用模糊自整定 PID 结合产生相应的控制信号，使阀芯准确定位，实现对阀门工作的闭环控制。模糊自整定 PID 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。经过实验证明，该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：阀门定位器，模糊控制，PID 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文IDesign and Development of Valve Positioner Based on MCUABSTRACTThe valve as a executing agency adjust the medium flow of pipeline system,it is an very important implementation,and valve positioner is the one of main annex.Domestic traditional locators are mainly composed of force balance type, so when the stroke and the zero point adjustment needs to adjust repeatedly, set-up, single function, poor scalability. And abroad intelligent valve positioner is expensive. Realizes the digitalization, intelligent diagnosis and unattended intelligent valve positioner very urgently. is according to the actual needs of this, this paper expounds the independent development of valve positioner of the working principle and design process involved in the basic knowledge, and the key links are analyzed in detail.The ATmega16 is core of valve positioner in control system as the paper described, display circuit,RS485 interface converter ,as well as power supply,reset circuit,I/V conversion circuit,alarm and other components composed of the basic control system hardware structure. In that, process control can come true through the combination of grey predication and PID which can adjusted parameters by itself bases on fuzzy control.Grey precdication can play the action of ahead control,fuzzy self-tuning PID can make the system online and real-time control.The control combination of grey predication and fuzzy self-tuning PID can accurate spool positioning,to achieve closed-loop control of the valve work.The system would run by software supported in C language.Of course,other hardware using C language software program support for a variety of electrical signal can be processed. The experiments show that the design of intelligent valve positioner is feasible.Compared to the domestic traditional valve positioner ,the locator has control of high precision,easy adjustment,low energy consumption and for a wide range of characteristics,while the positioning device has a certain ability to think and solve,it can display valve position and fault alarm by itself.KEY WORDS:valve positioner, fuzzy control,PID西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文II目 录摘摘 要要 .IABSTRACT.II第一章第一章 绪论绪论 .11.1 课题背景及发展状况 .11.1.1 课题背景.11.1.2 发展状况.21.2 设计的研究内容和技术关键 .21.2.1 阀门定位器的原理 .21.2.2 研究内容.21.2.3 设计的关键技术 .31.3 预期成果.31.4 本文的主要内容.4第二章第二章 系统的总体设计系统的总体设计.52.1 系统的总体方案设计思路 .52.2 硬件结构设计.52.3 软件结构设计.7第三章第三章 系统硬件设计系统硬件设计 .73.1 单片机的选择及功能介绍 .83.1.1 单片机的选择 .83.1.2 ATmega16 的管脚说明.93.1.3 ATmega16 的主要特征.103.2 电源电路的设计.113.3 前向通道的设计.113.3.1 I/V 转换电路.123.3.2 时钟电路的设计 .123.3.3 复位电路的设计 .133.4 后向通道的设计.133.4.1 输出电路的设计 .133.4.2 报警电路.143.5 单片机与上位机的接口电路 .143.6 键盘、显示电路.153.7 硬件抗干扰.16第四章第四章 软件设计软件设计.174.1 开发环境和编程语言 .174.2 软件系统的结构分析与规划 .174.2.1 软件功能的规划 .174.2.2 功能结构.174.3 主程序.18西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文III4.3.1 初始化程序 .184.3.2 数据处理模块 .184.3.3 数字滤波.194.3.4 对阀门异常的判别和报警.194.4 通讯接口程序设计 .214.4.1 通讯接口的协议 .214.4.2 单片机的通信程序设计.22第五章第五章 系统控制策略系统控制策略 .245.1 模糊控制的概述.245.2 模糊控制原理.245.3 模糊自适应整定 PID 控制原理.25第六章第六章 总结与展望总结与展望.28参参 考考 文文 献献 .29致致 谢谢.30毕业设计小结毕业设计小结.31附录附录 设计原理图设计原理图.32西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文0第一章第一章 绪论绪论1.1 课题背景及发展状况 1.1.1 课题背景阀门定位器作为气动调节阀的主要附件之一，主要以改善阀门特性、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。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、自动化的方向发展。目前，自动化装置已经成为大型设备不可分割的一部分1。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，而过程控制则是工业自动化的一个重要分支。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。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。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。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文11.1.2 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。目前已基本将基于力平衡原理的完全气动的定位器和电气阀门定位器淘汰，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 Rockwell 公司具有非常完善的设备和测试基地，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 SIMENS 公司、英国的 ROTORK 公司、瑞典 ABB 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，具有一体化的结构、便捷的通讯功能、用于计算机控制、可以智能诊断，代表着此领域的世界领先水平。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 设计的研究内容和技术关键1.2.1 阀门定位器的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，阀门定位器和执行机构就构成了一个闭环回路2。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间有不同，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。1.2.2 研究内容本论文的研究中，主要的研究内容为以下几方面：（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；西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文2（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/V 转换；（4）对单片机输出的 TTL 电平信号进行 RS-485 标准转换，使单片机控制系统能与上位机进行串口通讯；（5）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；（6）将模糊自适应 PID 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）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。1.2.3 设计的关键技术设计中可能遇到的问题如下：（1）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。（2）进入调节阀气室的气压随环境温度和供气压力的变化而变化，被控过程难以建立准确的数学模型。现场有电磁、噪声和电路板的干扰。解决的方法：采用模糊自整定 PID 控制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，主要完成以下几方面工作：（1）控制精度要很高，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，提高了精度和可靠性；（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）能耗低：定位器空气泄漏小，在执行器处于稳定状态时，将气源切断，能耗低；（7）故障报警和现场阀位的显示。1.4 本文的主要内容本文共包括七章：西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文3第一章：绪论。阐述阀门定位器的原理、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：总体方案的设计。介绍了本设计的软、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。 第三章：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/V 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。第四章：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。第五章：控制策略。模糊自适应 PID 的阐述，详细介绍了本系统的控制策略。第六章：工作总结。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文4第二章 系统的总体设计2.1 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，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，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3。总体方案设计图如图 2-1 所示。键盘、显示等智能控制器执行器PC控制中心RS485实际反馈图 2-1 总体设计方案图在此基础上，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 AD 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）阀门定位器与上位机通过 RS485 进行串口通讯；（8）利用键盘对设定值进行更改。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文52.2 硬件结构设计如图 2-2 所示的阀门控制器原理图，是以单片机为核心的阀门控制系统。电位计单片机键盘/显示固态继电器2I/V转换报警电路MAX485固态继电器2阀位反馈杆被控介质调节阀（执行部分）膜头调节阀（调节部分）压电阀A压电阀B进气排气气源控制信号阀位反馈信号红外遥控到PC图 2-2 阀门控制器原理图其中控制器和执行器构成一个反馈回路，标准 RS485 接口转换芯片 MAX485 连接单片机到 PC 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 420mA 电流信号经 I/V 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。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 0，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西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文6行机构，使两压电阀均处于切断状态6。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。2.3 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：主要负责故障诊断和报警。（3）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。图 2-3 主程序流程框图开中断是否有中断显示模块数据处理控制决策NYNY清时间寄存器初始化时间有1s？上电中断服务程序结束西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文7第三章第三章 系统硬件设计系统硬件设计本设计硬件的主要目的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 3-1 所示，各部分的具体设计电路见以下各章节介绍。图 3-1 系统结构原理图3.1 单片机的选择及功能介绍3.1.1 单片机的选择随着电子信息技术的发展，单片机的功能也日趋完美，现在市场上的单片机种类非常多，主要分为 AT89 系列单片机、MSP430 系列单片机、PIC 系列单片机、AVR 系列单片机等。以下通过对各单片机的特点的介绍来选择合适的单片机。（1）AT89 系列单片机的特点：AT89 系列单片机是 ATEML 公司的 8 位 Flash 单片机。AT89 系列的引脚的定义和排列与 MCS-51 完全一样，可以直接替换。AT89 系列单片的CPUATMega16液晶显示模块（1602）四位独立式键盘RS485通讯PWM输出接口电路报警电路420mA信号前端处理电路电源模块西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文8核心是 8031，在软件和硬件方面与 MCS-51 系列完全兼容，AT89 系列的指令与有关定义和 MCS-51 完全相同，MCS-51 系列单片机应用系统编写的程序可以直接使用。其缺点就是功能不是很多，并且可扩充性差。（2）MSP430 系列单片机的特点：MSP430 系列单片机是 TI 公司推出的功耗极低的产品，待机电流仅为 1.5A/MHz，工作电流也小于 350A/MHz（3V 工作电压)，有五种节能工作模式，正常工作温度在-40 - +80。CPU 由 16 个寄存器、16 位的 ALU 和一套指令控制逻辑组成。CPU 内部有 16 位的数据和地址总线。MSP430 单片机的外围模块包括定时器、基本定时器、I/O 端口、AD 转换器、串行通讯口以及液晶显示驱动模块。MSP430 的 ROM、RAM 和外围模块，都用一个公共空间进行寻址，特殊寄存器及外围模块的地址在 0000H-1FFFH，ROM 的容量在 1-60KB，RAM、R0M 共享2000H-FFFFH 地址。对于 Flash 型的单片机，内部还集成有两段 128B 的信息内存以及 1KB存放自举程序。（3）PIC 系列单片机的特点：PIC 系列单片机是美国 Microchip 公司生产的低功耗、低价格、小体积、片内带 EEPR0M 的 CM0S 单片机。它的指令速度比同类单片机的提高五倍左右，程序内存可节约一半。具有容易学也容易用的精简指令集(RISC)结构和一次性的编程技术(0TP 型)，可大大缩短开发周期。（4）AVR 系列单片机的特点：AVR 系列单片机是 ATMEL 公司的产品，该系列单片机吸收了 PIC 系列单片机与 MCS-51 系列单片机的优点而开发的单片机，充分发挥了Flash 内存的特长，是性价比极高的单片机4。AVR 单片机是应用低功耗、非挥发式的CMOS 工艺制造的，通过 SPI 口和一般的编程器，就可以对 AVR 单片机的 Flash 内存进行编程。由于 AVR 单片机是采用哈佛结构，所以程序内存和数据存储器是分开的，并且可以直接访问 8M 字节的程序内存和 8M 字节的数据存储器，能够快速访问SRAM 内存。并且 AVR 单片机是精简指令 RISC 结构,这种结构综合了半导体集成技术和软件性能的新结构。单片机使用高级语言编程,已经成了一种标准编程方法，而AVR 结构单片机的开发目的就是在于能够采用 C 语言编程，从而能高效地开发出目标产品。为了对目标代码大小、性能及功耗的优化，AVR 单片机采用了大型快速存取寄存器文件和快速单周期指令。在 AVR 单片机中，使用通用工作寄存器来代替累加器，就避免了累加器和内存之间的数据传送。在其指令中，前一条指令执行的时候，就取出现行的指令，然后以一个时钟周期执行指令，AVR 单片机执行一条指令的时间是一个时钟周期。通过以上的介绍和比较，以及对本设计的系统的实际需求，本文选择了一款性价比最高的单片机 AVR 系列的 ATmega16。3.1.2 ATmega16 的管脚说明ATmega16 的引脚图如下图 3-2 所示：其每个引脚的含义如下2。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文9PB0(XCK/T0)1PB1(T1)2PB2(INT2/AIN0)3PB3(OC0/AIN1)4PB4(SS)5PB5(MOSI)6PB6(MOSO)7PB7(SCK)8RESET9VCC10GND11XTAL212XTAL113PD0(RXD)14PD1(TXD)15PD2(INT0)16PD3(INT1)17PD4(OC1B)18PD5(OC1A)19PD6(ICP1)20(OC2)PD721(SCL)PC022(SDA)PC123(TCK)PC224(TMS)PC325(TDO)PC426(TDI)PC527(TOSC1)PC628(TOSC2)PC729AVCC30GND31AREF32(ADC7)PA733(ADC6)PA634(ADC5)PA535(ADC4)PA436(ADC3)PA337(ADC2)PA238(ADC1)PA139(ADC0)PA040U1ATMEGA16PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7VCCGNDRXDTXDPD2PD3PD4PD5PD7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7AREFRSTPD6PC7VCCGNDPA0图 3-2 ATmega16 的引脚图VCC：供电电压。GND：接地。PA 口：PA 口为一个 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，埠 A 处于高阻状态5。PB 口：PB 口的作用和 PA 口是一样的，都是作为 I/O 口来使用。PC 口：PC 口的作用和 PA、PB 口一样。不同的是如果 JTAG 接口使能，即使复位出现引脚 PC5(TDI)、PC3(TMS)与 PC2(TCK)的上拉电阻被启动。PD 口：PD 口的作用和 PA、PB 口一样，作为一个 8 为双向的 I/O 口来使用。RST：复位输入。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。AVCC：AVCC 是埠 A 与 A/D 转换器的电源。不使用 ADC 时，该引脚应直接与Vcc 连接。使用 ADC 时应通过一个低通滤波器与 Vcc 连接。AREF：A/D 的模拟基准输入引脚。3.1.3 ATmega16 的主要特征ATmega16 是一款具有 16KB 系统内可编程 Flash 的 8 位 AVR 微控制器，其主要特征如下6：（1）高性能、低功耗的 8 位 AVR 微处理器；（2）先进的 RISC 结构；（3）非易失性程序和数据存储器；西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文10（4）JTAG 接口且与 IEEE1149.1 标准兼容；（5）两个具有独立预分频器和比较功能的 8 位定时器/计数器；（6）具有独立振荡器的实时计数器 RTC；（7）四通道 PWM；（8）8 路 10 位 ADC；（9）片内/片外中断源；（10）两个可编程的串行 USART；（11）上电复位以及可编程的掉电检测；（12）片内经过标定的 RC 振荡器。3.2 电源电路的设计电源主要给电路和一些元器件提供电压驱动，是整体控制电路的一部分，是非常重要和关键的。如果电源电路设计的不够合理将会产生非常严重的后果，轻则电路不能正常运行，重则会使电路或元器件烧毁。所以，在设计电源电路的时候，不仅要考虑所需要的电压，还要考虑电压的稳定性等。根据控制电路的实际需要，ATmega16 需要 5V 电压供电，而有的外设需要 12V 电压供电，要对输入电源电压进行变压处理，所以本文采用芯片 LM317，将电压通过电压转换变为+12V 和+5V 电压输出，分别给外设和其他元件提供电压。与此同时，需要考虑电路的稳定性和通用性等，在原电路的基础上，加入 R3 做调节输出电压的作用，D1、D2 起保护电路作用，电容起稳压隔离作用，具体电路图如图 3-3 所示。+5VVinGNDU3E6D2330KR3104C3104C4D112J3+12VGNDVCC100F/16VE2100F/24VE3321图 3-3 电源电路原理图3.3 前向通道的设计 在以单片机为核心组成的测控系统中，被测信号需要有输入信道进入单片机中，使得单片机获取其需要的输入信息。作为测控系统，获取被测对象的准确原始信号是系统的核心任务6。ATmega16 单片机内部集成了 A/D 转换电路，所以，前向通道的主要任务就是要将 4-20mA 的电流设定信号转换为单片机可以接收的电压信号。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文113.3.1 I/V 转换电路 本控制系统前向信道中要进入单片机的一路输入信号就是操作者设定的 4-20mA的电流信号。而单片机只能识别电压信号，所以在接收设定的 4-20mA 的电流信号进入单片机之前首先进行 I/V 转换。最简单的电路转换其转换电路图如图 3-4 所示：单片机I/V转换取样电路4-20mA输入输入图 3-4 最简单的 I/V 转换电路原理图仅仅使用一只 I/V 转换取样电阻，就可以把输入电流转换成为信号电压，其取样电阻可以按照 V/I=R 求出，V 是单片机需要的信号电压，I 是输入的最大信号电流。这种电路虽然简单，但是却不实用，因为采集过来的电压都很小，而传输过程中有很多干扰，使得输入到单片机的时候信号已经不准确了。解决上面问题的简单方法是在单片机输入之前配置一个由运算放大器组成的电压跟随器，如图 3-5 所示。其采用的是廉价运放 LM258，当转换后的电压送过来时，对其进行稳压，而这一部分的电容也起到了保护隔离和滤波的作用，保护了单片机和信号的有效性。图 3-5 中的 R 是电流取样电阻，因为单片机内部集成了 A/D 转换，并且其基准电压为 2.56V，也就意味转换后的最大电压为 2.56V，根据这个要求取R=128，但是这样会产生一个问题，就是转换后的电压的范围就不是 0-2.56V 了，而是 0.512V-2.56V。对这个问题，在编写程序当中做了相应处理。PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7AREFPC7VCCGNDPA0104C612J54-20mA与与R8128104C5GNDLM258VCC321图 3-5 I/V 转换电路原理图3.3.2 时钟电路的设计时钟电路通常采用的方式是在 XTAL1，XTAL2 引脚上外接定时组件即电容和晶体，使之组成并联谐振回路，利用芯片内部的振荡电路，产生自激振荡。振荡晶体可以在 1.2MHz12MHz 之间选择，不同的值就对应不同的时钟频率。电容值对振荡频率输出的值略有影响，C2，C3 可在 20pF100pF 之间取值。本电路中，振荡晶体选择8MHz，C2 和 C3 选择 30pF。具体电路图如图 3-6 所示。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文12VCCGNDRXDTXDPD2PD3PD4PD5PD630PC130PC21MR2GND与与与与12Y18M图 3-6 时钟电路原理图3.3.3 复位电路的设计复位电路的实现就是当按键按下时会在复位引脚上出现 l0ms 以上的 0。本单片机控制系统的复位电路如图 3-7 所示。D14001R110KVCCRESET与与与与4.7FE1S1GND图 3-7 复位电路3.4 后向通道的设计3.4.1 输出电路的设计在以单片机为核心的本测控系统中，后向通道的输出量是通过单片机的 I/O 口输出的，而这些 I/O 口根本直接驱动不起来气动阀，所以本系统采用固态继电器去驱动气动阀。智能阀门定位器的最主要功能就是对阀门运行进行精确控制，所以，本文采用 PWM 波的输出方式来控制它的精确度，其按照 PWM 波的占空比来决定气动阀门开度的大小。而 PWM 波的占空比的具体比值是根据控制算法经过精确计算得出的，其输出是通过软件实现的，这一部分将在后续章节中具体阐述。从单片机 I/O 口的 PWM波，到最终驱动气缸，中间发挥重要作用的就是固态继电器。其硬件电路如图 3-8 所示。123与与与与PD4PD5图 3-8 输出电路原理图西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文133.4.2 报警电路在阀门实际运行时，阀门在开度较大和较小时会发生较为严重的畸变，因此为了避免阀门损坏和延长其寿命都会要求阀门工作在一定的开度范围内。由于这个原因，阀门定位器为系统设定了上、下开度的限位报警功能。一旦调节阀的阀芯开度大于 90%或小于 10%时，系统就会自动进行报警。并且，在工作过程中阀门的阀芯被卡住时，系统也会检测到并自动进行报警。报警器采用电子蜂鸣器。电子蜂鸣器可直接接+5V 电源即可无需驱动使其鸣音。当工作在正常情况时，因为 ATmega16 的 PD7 口一直为1，所以电子蜂鸣器不会鸣音，但是一旦工作在调节阀要求的开度外或阀芯被卡时，程序便会设置 ATmega16 的 PD7 口输出 0 使电子蜂鸣器报警。报警电路如图 3-9 所示。100KR122KR13SP1Q29012GNDVCC与与与与图 3-9 报警电路原理图3.5 单片机与上位机的接口电路RS-485 是美国电子工业协会 ELA(Electrical Indusrtial Association)于 1983 年提出的串行通信接口标准，主要用于模拟信道传输数字信号的场合。RS(Recommeded Standard)代表推荐标准，485 是标识号。RS-485 的机械接口一般有 9 针、15 针和 25 针 3 种类型，标准的 RS-485 接口使用25 针的 DB 连接器(插头、插座)。目前的大多数场合下采用最多的是 9 针插头和插座，并且往往只使用其中的 3 根引脚：发送数据信号线 TxD、接收数据信号线 RxD 和逻辑地线 GND，通信双方进行交叉连接，即可进行串行通信，如图 3-10 所示。通讯接口 通讯接口 功能电路功能电路TxDRxDGND通讯接口通讯接口功能电路功能电路TxDRxDGND设备A设备B图 3-10 RS-485 最简单连接方式原理图在电气特性上，RS-485 采用正逻辑，-2-6V 为逻辑 0，+2+6V 为逻辑 1，空闲状态为逻辑 0。接口信号电平比 RS-232-C 降低了，就不易损坏接口电路的芯片， 且该电平与 TTL 电平相容，可方便与 TTL 电路连接。RS-485 采用平衡发送和差分接收方式实现通信：发送端将串行口的 TTL 电平信号转换成差分信号 A,B 两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成 TTL 电平信号。由于传输线通常使用双绞线，西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文14又是差分传输，所以有极强的抗共模干扰的能力。RS-485/422 最大的通信距离约为1219M，最大传输速率为 10Mb/S。RS-485 采用半双工异步工作方式，支持多点数据通信。RS-485 总线网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构。基于 RS-485 的各种优点，本文采用 RS-485 通讯方式，单片机 ATmega16 的接口和一般的 PC 机接口电气规范不同，所以需要一个 MAX485 的接口芯片来完成 PC 机与ATmega16 单片机之间的通讯。MAX485 接口芯片采用单一电源+5 V 工作，额定电流为 300 A，采用半双工通讯方式。它完成将 TTL 电平转换为 RS485 电平的功能。MAX485 芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制 MAX485 的接收和发送即可。同时将 A 和 B端之间加匹配电阻，经过反复实验，120 的电阻可以达到最好效果。其具体连接图如图 3-11 所示。RO1VCC8RE2B7DE3A6DI4GND5U5MAX485与与与与VCC12J6120R10RXDPD6TXDRS485与与图 3-11 MAX485 的接口电路原理图3.6 键盘、显示电路该设计中的显示部分主要是用于开度的显示、参数输入的显示和报警显示。根据实际需要，本文选择 LCD1602，其能够同时显示 16 列 2 行的字符。1602 采用标准的16 脚接口，其中：第 1 脚：GND 为电源地。第 2 脚：VCC 接 5V 电源正极。第 3 脚：V0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度） 。 第 4 脚：RS 为寄存器选择，高电平 1 时选择数据寄存器、低电平 0 时选择指令寄存器。4 脚和我们单片机的 PC4 口相连。第 5 脚：RW 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。5 脚和我们单片机的 PC5 口相连。 第 6 脚：E 端为使能端。6 脚和我们单片机的 PC6 口相连。 第 714 脚：D0D7 为 8 位双向数据端，向显示器提供所要显示的数据。这些数据由单片机 PB0-PB7 口提供。第 1516 脚：空脚或背灯电源。15 脚背光正极，16 脚背光负极。LCD1602 和单片机的连接图如图 3-12 所示。按键部分设计为 4 个键，采用独立式键盘。其中，S2 是进入菜单键、S3 是退出菜单键、S4 为调大设定值，短按为微调，毎按一次调大 1%，长按为快调，毎按一次调大 5%、S5 为调小设定值，短按为微调，毎按一次调小 1%，长按为快调，毎按一次调小 5%。在硬件的设计中，利用有中断功能的 PD3 脚和 PC0PC3 脚做键盘的行列扫描线。当有键按下的时候，具有中断功能的 PD3 引脚会有电平的跳变，此时程序就进西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文15入键盘中断服务程序。键盘和单片机的连接图如图 3-13 所示。12345678910111213141516J4PC4PC5PC6PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7与与与与GND12J1VCCGNDVCCR31KR410K图 3-12 显示电路连接原理图R410KR510KR610KR710KVCCPC0PC1PC2PC3PD3与与与与S2SW-PBS3SW-PBS4SW-PBS5SW-PBD2IN4148D3IN4148D4IN4148D5IN4148图 3-13 键盘电路连接原理图3.7 硬件抗干扰本系统在硬件抗干扰方面作了以下工作：（1）电源端接一个电解电容以防止脉冲干扰；（2）每个集成芯片都接一个 0.01uF 的瓷片电容以防止高频干扰。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文16第四章 软件设计4.1 开发环境和编程语言由于该课题采用的是单片机开发的电子仪器，功能比较多，程序量也比较大，并且设计者面临的是一个完全空白的单片机芯片如 ATmega16，及其相关周边硬件电路，也属于裸机环境，对于目前单片机软件开发主要采用的汇编语言和 C 语言，相对来说C 语言可以在尽量少的代码下实现其要求。所以采用 C 语言编程，其开发环境为 AVR studio。4.2 软件系统的结构分析与规划4.2.1 软件功能的规划整个软件系统可以看成是由若干程序模块组成的，其主要的模块如下：（1）初始化模块：完成系统硬件的初始设置和软件系统中各个变量默认值的设置。（2）时钟模块：完成时钟系统的设置和运行，为系统其它模块提供时间数据。系统时钟的实现方法有两种：一种是采用时钟芯片来实现；另一种是采用定时器来实现。（3）数据处理模块：将采集到的信号进行加工处理，得到所需结果。（4）控制决策模块：根据数据处理的结果和系统的状态，通过智能算法，决定系统应该采取的运行策略。（5）监控模块：通过获得键盘信息，解释并执行，完成操作者对系统的控制。该模块实现了系统的可操作性。（6）数据采集模块：采集系统运行所需要的外部信息，通常包括采集从调节阀传来的信号和设定的信号，并进行相应的转换使之能被单片机接收到和处理。（7）信号输出模块：根据控制决策模块的结论，输出对应的模拟信号或数字信号，对控制对象进行操作，使其按预定要求运行。（8）通信模块：完成不同设备之间的信息传输和交换。 4.2.2 功能结构 对于组成整个软件的若干功能模块，采用自上而下的模块设计思路，从功能模块化分开始，逐级细化。在本课题中，初始化模块，时钟模块是必须使用的模块。为了对系统进行操作，需要键盘显示模块，监控模块；为了完成控制过程，需要数据采集模块，数据处理模块，决策控制模块，信号输出模块；为了和上位机通信，需要通信模块。程序刚开始先上电复位且清零，然后对各元器件进行初始化。等每隔 1 秒，液晶显示器将采集来的当前的阀门开度和阀门开度设定值经过计算并显示出来，在此过程中，程序会响应 A/D 中断要求进入中断服务子程序，进行数据的转换后退出返回到西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文17主程序，在此之后主程序会进入控制决策模块将根据转换后的设定值和反馈值的差值通过算法程序计算出来的结果来进行输出，用这个输出通过驱动来使阀芯准确定位。于此同时，如果检测到有上位机传送过来的信号，则系统进入通讯中断服务程序，等任务完成后，再退出返回到主程序。同理，系统也会响应键盘的中断请求，进入其响应的服务子程序当中，如果完成其任务，则退出返回到主程序，系统一旦检测到有异常信号，则会自动驱动蜂鸣器报警，如此循环下去。在执行主程序的同时，还有外部中断服务程序，监控程序，监控键盘的启动与否。4.3 主程序 4.3.1 初始化程序系统初始化主要是对定时器、键盘、报警器、显示、A/D 转换等进行清零，进入初始化界面。4.3.2 数据处理模块由于 ATmega16 单片机内带的 A/D 转换的精度是 10 位的，所以 0.512V-2.56V 转换后的十进制数字的范围是 204-1023，而设定开度和实际阀门开度这两路信号的值均在 0-100%之间的。因此，还需要把 204-1023 转换成 0-100 的数字才可以真正的代表设定开度和实际阀门开度来进行计算和显示。（1）对相对设定开度的计算 设定阀门开度信号经 I/V 转换和模拟/数字转换后得到 2041023 之间的一个十进制数字 C，如果要得到相对设定开度的值 D，则按下式计算6： （4-1）2041023204CD在得到相对设定开度 D 后，便可以将其和已经设置好的参数一起带到所设定的阀门工作流量特性公式，这样就可以得到所需的阀门的相对设定开度6。如果以所用的阀门的流量特性是串联管道中的直线流量特性，则根据以上定义 ，将参数带到公式里就可以得到阀门相对设定开度 A%6： （4-2）%100111111%2NMDDNA（2）对实际阀门开度的换算通过传感器反馈回来的实际阀门开度在经过 A/D 转换后，也需要将十进制数字2041023 换算变为 0-100%的数字，这样做是为了方便与设定的阀门开度做显示和比较。在此采用如下所示的公式便可把反馈回来的数字转换成阀门的开度：西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文18 （4-3）%100%XhKHh其中 X 代表电位计输出后的真实值； H 代表电位计最大行程时输出转的值； h 代表电位计最小行程时输出后的值。与此同时，根据公式（4-3） ，可以解决阀芯与电位计的最大行程距离不可能完全相匹配的问题，同时也对阀芯反馈杆与智能阀门的电位器的连接带来极大的便利。因为通过别的途径比如想要通过改变机械结构使阀芯与电位器的最大行程完全相同这几乎是不可能的，并且也不具备兼容性。所以可以用以上公式中的 H 值即 1023 改为用安装时阀芯的行程最大值 Xmax，同理，h 值即 204 改为行程最小值 Xmin 来替换。这样以来在任何条件下，不管阀芯的情况如何，都可以准确的测出阀芯的实际开度。4.3.3 数字滤波数字滤波实际上是一种利用编写程序来对系统运行中产生的干扰进行滤波的方法。它利用计算机本身的运算功能，再加上一定的滤波算法，对输入信号进行处理，以减少干扰信号在总信号中的比重，提高信号的可靠性和真实性。这种滤波方法不需要增加硬件设备，而只需要在程序上作相应的处理，易于多任务并且可以减少成本预算。常用的数字滤波方法有：防脉冲干扰平均值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法、中位值滤波法和程序限幅滤波法。本系统用的是最后一种，程序限幅滤波法，也叫超值滤波法。程序限幅滤波法是根据经验确定两次采样允许的最大偏差Y，若先后两次采样值的差值均大于Y，则表明输入信号有干扰信号，应去掉，并且将上次采样值作为本次采样值消除信号误差；若小于Y，则本次采样值有效。本系统用程序限幅滤波来消除信号误差，效果非常好。4.3.4 对阀门异常的判别和报警本系统在编写软件时对其阀芯的最大和最小开度的极限值做了规定，这样以来不仅提高了阀门的稳定性和延长了其寿命，并且使其工作在要求范围内，当整个阀门系统在运行时，如果阀芯的开度大于 90%或小于 10%时，控制系统将会检测到其异常并且报警。与此同时，如果 ATmega16 的 PD4 或 PD5 口有信号输出，即控制系统驱动阀门的执行机构动作时，且单片机控制系统在连续的采集 500 次反馈阀门开度后，接收到的阀门开度都停留在一个地方上时，单片机就可以判定此时的阀门异常，然后报警。其程序流程图如图 4-1 所示。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文19开始PD7=0？阀变化了吗？N=N+1N=500？PD7=1报警返回下一段程序NNNYYY图 4-1 报警电路程序框图其具体程序代码如下：*/#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int/=位操作函数=#defineSetBit(Val,Bit_n)(Val|=(1(Bit_n)#defineClrBit(Val,Bit_n)(Val&=(1(Bit_n)#defineGetBit(Val,Bit_n)(Val&(1(Bit_n)/=蜂鸣器埠=#defineBeep_PORTPORTD/蜂鸣器所在埠#defineBeep_DDR DDRD/方向控制口#defineBeep_BIT PD7/蜂鸣器输出位/=ucharBeepEventFlag=0;/使能位ucharBeepTime=0;/鸣叫时间西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文20ucharBeepType=0;/鸣叫类型(时间)ucharBeepTypeTabe=8,80;/根据需要可添加/=voidInit_Beep(void)SetBit(Beep_DDR,Beep_BIT);/设置为输出口SetBit(Beep_PORT,Beep_BIT);/蜂鸣器关闭/=voidMnBeep(void) if(BeepEventFlag=0)return;BeepEventFlag = 0; /蜂鸣器刷新有效BeepTime = BeepTypeTabeBeepType;/时间ClrBit(Beep_PORT,Beep_BIT);/蜂鸣器开/=voidDeBeepTime(void)if(BeepTime=0)return;BeepTime-;if(BeepTime=0)SetBit(Beep_PORT,Beep_BIT);/蜂鸣器关闭voidBeepEventDeal(uchar i,uchar j)BeepEventFlag = i;BeepType = j;西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文214.4 通讯接口程序设计在上一章节中，我们详细介绍了通讯的硬件结构，我们采用 RS485 进行串行通信，因为通信涉及到两个硬设备，所以在编写程序之前，制定其双方的通信协议是十分重要的，否则将无法保证通信数据的可靠性，从而失去通信的意义。4.4.1 通讯接口的协议现在约定双方其通信协议如下：（1）串行通信的波特率为 9600bps。（2）设定发送允许标志。在传送数据前先看发送允许标志是否为 1，如果是的话则传送数据，否则继续等待。（3）无奇偶校验位。数据的通信采用累加和校验的方法，即每传送一组数据，校验一次累加和是否正确，正确则送回 00H,否则送回 FFH。（4）帧格式为：异步，1 位起始位，8 位数据位，1 位停止位。（5）联络方式为单片机主动联络 PC 机。（6）通信可以有查询方式和中断方式。本系统中单片机采用查询方式，PC 机采用中断方式。（7）PC 机采用 COM1 口通信。4.4.2 单片机的通信程序设计在本控制系统中，单片机将采集到的阀门开度实际值以 ASC 码的形式通过串口传送到 PC 机并将其显示。其程序框图如图 4-2 所示。具体程序代码如下:图 4-2 下位机发送程序框图 开始等待等待上位机准备好？发送数据帧发送数据帧发送准备好？结束NNYY西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文22#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intexternucharUSART_Send_En;externucharUSART_Sending_Flag;externuchar*Send_Buff_Ptr;externucharRecv_Done;externucharSend_Done;externucharRecv_Buff;/接收缓冲区voidMnApp(void);externvoidInit_USART(void);uchar kk = jikhjndmkuiks; uchar ll = fdsfsdf; /函 数 名: main()int main(void)Init_USART();while(1)MnApp();/函数名: MnApp()voidMnApp(void)if(Recv_Done)Recv_Done=0;Send_Buff_Ptr = ll;USART_Send_En = 1;Send_Buff_Ptr = kk;UDR = *Send_Buff_Ptr;Send_Buff_Ptr+;USART_Send_En = 1;西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文23Sending_Flag = 1;第五章 系统控制策略在阀门具体的运行工作当中，进入气动阀门气室的气压是随着为其提供气压的大小和其工作环境的改变而随之改变的，并且被控对象的执行机构承受的载荷和摩擦力也是随着对象和环境情况改变的，因此要通过传统的 PID 控制对被控过程进行有效的控制是非常不容易的。而模糊自适应整定 PID 控制可以克服传统的 PID 控制时三个参数一成不变的缺陷，可以实时的根据条件的变化而变化，使得控制效果大大提高7。5.1 模糊控制的概述1960 年左右模糊理论开始萌芽，真正提出模糊理论这一概念是 1965 年在名为“模糊集合”的文章中。70 年代，模糊理论发展到比较成熟的阶段并在实践中得到应用，到80 年代，模糊理论就处于大规模应用时期，在日本用模糊系统创造了世界上最先进的地铁系统。1987 年第二届国际模糊系统协会年会在东京召开，随后支持模糊理论的浪潮迅速蔓延到工程当中。1990 年前后，模糊理论虽然取得了巨大的成功，但是仍有更多的挑战。模糊系统一直广泛应用于各个领域，从控制、信号处理、通信、集成电路制造到商业专家系统、医药、行为科学等。不过最集中的应用是在控制问题上8。模糊系统既可以用作开环控制器如图 5-1 所示，也可用作闭环控制器如图 5-2 所示。图 5-1 开环模糊系统原理图图 5-2 闭环模糊系统原理图 当模糊系统作为开环控制器时，它通常会设置一些控制参数，然后系统根据这些控制参数来运行。一般应用在电子消费品的模糊控制属于开环控制。当模糊系统作为模糊系统过程模糊系统过程西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文24闭环控制器时，它会将输出反馈到控制器，通过与最初设定值的比较并连续的对系统进行控制。工业中的模糊系统就基本属于闭环控制器。5.2 模糊控制原理模糊控制作为现代控制理论的一支比传统的控制理论有非常多显著的优点，比如：它可以不需要精确的数学模型即完成对系统的控制，并且它具有内在的并行处理机制、鲁棒性好、工作和适用范围广等特点。以下就介绍一下模糊控制的原理。作为一个模糊控制系统首先它会把输入进来的具有清晰数值的数字量，由非常明确的变量通过模糊化处理用模糊语言变量来表示即用符号 PB( Positive Big )、PM ( Positive Medium )、PS( Positive Small )、ZE( Zero )、NS( Negative Small )、NM(Negative Medium)、NB(Negative Big)等表示。同理作为输出的控制量也是用模糊语言集来表示。此相应语言的变量值均由对应的隶属度来定义。当然如果这个系统有几个输入就要模糊化几个输入值，有几个输出值就模糊几个输出值。其次将这些输入值通过模糊推理得到控制作用集即输出，然后清晰化后作用于被控对象，使之达到理想的控制效果。其中模糊推理是根据专家对特定的被控对象或过程的控制策略总结出的一系列以“IF(条件)THEN(作用)”形式表示的控制规则。一个模糊的 IF-THEN 规则就是一个用连续隶属度函数对所描述的某些句子所做的 IF-THEN 形式的陈述。而隶属度函数就是看某一个元素是否属于这个模糊集的程度9。5.3 模糊自适应整定 PID 控制原理在实际的工业生产过程中，很多被控对象的对象特性参数或结构会随着负荷变化或者干扰因素的影响而发生改变，这样，在控制过程中，其控制参数也会随着被控对象的特性参数的改变而变化，可是 PID 控制中，其控制参数是预先设定好的，不会随着情况的变化而变化。现在，现场中大量采用的仍然是 PID 算法，这样就大大的降低了控制效果，根据实际情况，迫切需要一种控制策略可以实时辨识对象特征参数并可以将其参数随着对象的变化而变化，使控制系统可以取得最佳控制效果，但这种控制效果的好坏就在于系统辨识模型的精确度，这对于很多复杂系统来说在线辨识是非常困难的。随着科技的发展和进步，人们现在可以利用计算机将操作人员的经验作为知识保存下来，而计算机可以根据控制系统和对象的实际情况对照专家的经验实时的调整PID 参数，此种方法就诞生了智能化的 PID 控制器。这种控制器的优点是结合 PID 控制与专家系统的长处，使控制系统达到最优的控制效果。并且采用这种控制策略，就不需要在线辨识对象的模型，实现了系统的最佳控制方案。这种控制首先需要确定对象模型，再将专家长期实践积累的经验知识用控制规则模糊化，最后运用推理对 PID参数实现最佳的调整10。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文25以上控制的实际操作的最大难点在于操作者的经验值不是很容易来描述，并且描述的不是很准确，而上述的模糊控制理论能有效的解决由于操作者经验不易精确描述而带来的在控制过程中各种信号量以及评价指针不易定量表示的问题。所以可以将系统的各个参数和变量运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并且把这些模糊控制规则以及有关的信息作为知识存入计算机的知识库中，然后根据计算机采集回来的控制系统的实际响应情况，运用模糊推理，就会实现自动的对 PID 参数进行实时调整，这种方法就是模糊自适应 PID 控制11。模糊自适应 PID 控制器是将设定值和反馈回来的实际值的误差 e 和误差变化率 ec 作为输入，将操作者的经验作为模糊规则，用来满足不同时刻采集来的 e 和 ec 在线对 PID 参数随对象和环境的不同而变化的要求。利用将专家的经验总结而来的模糊控制规则实时的对 PID 参数进行修改，就组成了模糊自适应 PID 控制器。其结构如图 5-3 所示。PID调节器模糊推理对象de/dtrekpkikdyym图 5-3 模糊自适应 PID 控制器结构图PID 的三个参数利用模糊控制整定的目的就是找出三个参数 kp、ki、kd 与实际误差和误差变化率之间的模糊关系，在系统工作时通过不停检测和计算出的实际误差和误差变化率，根据模糊控制规则来对 PID 的三个参数进行实时修改，以满足在不同时刻的误差和误差变化率时对 kp、ki、kd 的不同要求，从而使被控对象具有良好的动态性能和静态性能。要找出 PID 的三个参数 kp、ki、kd 与 e 和 ec 之间的模糊关系，就要先了解三个参数对系统的响应速度、稳定性、调节时间、稳态精度和超调量等等各方面的影响，通过对 kp，ki，kd 的各参数作用和之间的互相制约关系的了解，我们可以明白在对 PID参数的整定规律的编写时一定要考虑在不同时间范围内三个参数的作用及其相互之间的制约关系。由此得出，模糊自适应 PID 就是以 PID 控制算法为基础，通过计算系统的当前误差和误差变化率，利用将操作者和专家经验写成的模糊控制规则进行模糊推理，通过查询模糊矩阵表对 PID 控制的三个参数进行实时的调整。要完成模糊自整定PID 这个控制策略的最关键的一个环节就是总结专家的实际操作经验和技术知识，并将其作为原理建立恰当的模糊控制规则表，分别得到关于 PID 三个参数整定的模糊控制规则表12。分别见表 5-1、5-2、5-3。表 5-1 kp 的模糊控制规则表eecNBNMNSZOPSPMPB西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文26NBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB表 5-2 ki 的模糊控制规则表eecNBNMNSZO PMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPMPBPBZOZOPSPMPMPBPB表 5-3 kd 的模糊控制规则表eecNBNMNSZOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZOZOZOZOZOPMPBNSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPBPID 三个参数的模糊控制规则表得到以后，就需要将从反馈装置传递过来的数据和设定值通过单片机计算出的系统误差和误差变化率模糊化，将其变化范围定义为模糊集上的论域，如下所示：e，ec=-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5其模糊子集也可以用字母记为 e，ec=NB,NM,NS,O,PS,PM,PB，且每一个字母和数字是一一对应的。假设系统误差和误差变化率和 PID 控制的三个参数均服从正态分布，由此可求出每一个模糊子集的隶属度，然后根据每一个模糊子集的隶属度赋值表和 kp，ki，kd 的模糊控制模型，根据模糊规则进行推理设计出关于kp，ki，kd 的西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文27模糊矩阵表，查出即将要修正的参数后代到下边式子中计算即可求出系统当前需要的参数值： （5-Pecekpkp11,1） （5-iecekiki11,2） （5-decekdkd11,3）在模糊自整定 PID 的系统运行过程中，单片机会将计算出来的的误差值和误差变化率值经过模糊规则的处理、查表和运算，完成对系统随着对象变化的实时控制13。这样就实现了 PID 的三个参数根据实际情况变化而变化，大大提高了控制精度。第六章 总结与展望本人基本完成了对阀门定位器系统的初步研究与开发，主要完成的工作包括以下几个方面：（1）了解、准备阶段 在了解、准备阶段，我主要的工作包括：阅读国内外相关文献数据，了解阀门定位器的历史和现在的发展状况以及未来的发展趋势。了解阀门定位器的原理与作用等等，并且分析现在正在使用的定位器存在的缺陷，并在改进此问题的基础上，确定本设计的总体框架。（2）对智能阀门定位器的研制智能阀门定位器的研制主要分为三个阶段来做的：（a）对硬件的设计：根据阀门定位器的作用和发展趋势，本文研制的智能阀门定位器系统主要由具有更高性价比的单片机 ATmega16，显示电路，RS485 接口转换芯片 MAX485 以及电源、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。（b）对软件的编写：在本系统对系统软件设计时，主要根据系统的硬件电路和定位器所要实现的各种功能来设计。系统软件设计采用模块化设计，自上而下的思路。并且采用高级语言 C西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文28来编写。（3）制作、调试阶段等本系统的研究和设计工作完成时，我在原理图的基础上对其进行了仿真，并将程序通过 JTAG 口下载到阀门定位器中，对其进行实质的调试工作，调试仿真工作并没有得到预期效果。虽然本设计比传统的阀门定位器有了很大的改进，但是由于作者各方面的限制，研制出的这个系统离一个完全成熟的阀门定位器还有一定的差距。因此，在以下几个方面还可以做大量的工作：（1）在通讯方面，本系统除了可以和 PC 机进行直接通讯
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