智能阀门定位器的研究与开发.pdf

检测与仪表 化工自动化及仪表, 2010,37 4 64～66 Control and Instruments in Che mical Industry 智 能 阀 门 定 位 器 的 研 究 与 开 发 李 颀,栾翔鹤 陕西科技大学 电气与信息工程学院,西安710021 摘要 调节阀是一种重要的执行器,阀门定位器是主要附件之一。传统定位器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。而智能阀门定位器以微控制器为核心,运用基于灰色预测的PI D2模糊控 制算法产生相应控制信号,使阀芯准确定位。经仿真表明,智能阀门具有很高的控制精度和抗干扰能力。 关键词 定位器;单片机;模糊控制; PI D;灰色预测 中图分类号 TP214 文献标识码 A 文章编号 10002393220100420064203 1 引 言 阀门是管道系统中应用最广泛的执行机构。可 以用来截断或调节管道系统中的介质流量,在工业 生产和人民群众生活中发挥着重要的作用。国外已 从生产机械式,电子式过渡到智能型和总线型的电 气阀门定位器,其技术特点包括具有人机交互功 能,采用工作参数组态通用性强,安装自动调校,故 障诊断与处理,采用数字信号传输以及高的技术性 能指标。我国目前生产的阀门定位器大都是基于喷 嘴挡板工作原理的机械式定位器,品种多通用性差, 零件多结构复杂,安装调校费力,故障率高维护困 难,功能简单,性能指标差。所以对智能阀门定位器 的研究与开发迫在眉睫。 以单片机为核心的智能阀门定位器的原理与一 般定位器是不同的。它采用的是以单片机为核心的 控制电路,它接受来自调节器的设定阀门开度的电 流信号,用这个信号与从阀位传感器反馈回来的实 际开度信号进行比较,如果微处理器得到一个偏差 信号,就输出一个相应的信号去控制执行机构。如 果反馈信号比设定信号大,则控制气缸排气;如果反 馈信号比设定信号小,则控制气缸进气;如果两个信 号相等,则执行机构不动,从而达到阀芯的准确定 位。 ① 2 系统的硬件设计 2. 1 芯片选择 AVR系列的ATmega16单片机为高性能,低功 耗的八位微处理器,其利用精简指令集,系统工作相 对稳定,处理能力强。另外它集成了丰富的外围模 块,A /D模块,D /A模块,看门狗电路等,在利用时 大大减少了空间体积。由于VR系列单片机具有 超低功耗,处理数据强大,考虑到以后在算法中要运 用灰色预测时需要大量运算,综合考虑我们选择 AVR系列的ATmega16单片机。这种芯片工作电压 为4. 5～5. 5 V,其有40个管脚,串行通信可选择异 步或同步通信,芯片内部有八路10位A /D转换器, 综合功能和成本都比较合适。 2. 2 硬件电路设计 硬件电路设计的系统总体框图如图1所示。 图1 系统整体框图 由执行机构反馈回来的实际阀门开度经过前端 处理电路输入到单片机,单片机将此信号和设定的 阀门开度相比较,得到阀门开度偏差与偏差变化率, 经过我们的算法处理,单片机将根据算法得出的不 同结果发出一定宽度的脉冲信号去控制执行机构。 与此同时,液晶显示模块将实际阀门开度和设定阀 门开度显示出来,单片机通过RS485通讯接口将数 据传送给上位机。 电源模块给单片机和外部设备分 别提供5 V和12 V的电压。键盘模块主要功能为 设定阀门开度。 报警模块将在阀位大于整个行程的 90或小于整个行程的10时和单片机出现故障 时报警提示相关操作人员。 而遥控模块的设计是为 了避免操作人员爬高的不方便。 整个电路实施方式 ①收稿日期2 2 修改稿 基金项目 陕西省年西安市科技创新支撑计划项目 YF 3 A 2010 01 27 2007 070 1 如下。 1前端处理电路如图2所示,将传感器反馈 回来的实际阀门开度4～20 mA的电流经过电阻的 转换变为电压,再经过电容的滤波,最后进入LM258 电压跟随器对电压起稳压作用,最后输入到单片机 的PA0口。 由于4～20 mA的电流经过电阻的转换 是无法到达0～5 V的电压,这就引起对阀门开度反 馈的不准确,影响控制效果 。所以我们在单片机的 PA1口和电源之间加一个电位器,在程序里我们可 以将PA0口的值减去PA1口的值,这样我们可以得 到更为准确的阀门开度。 2电源模块设计 ATmega16需要5 V电压供 电,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,这里用专用芯片LM317。电压通 过变压转变为12 V和5 V电压输出。分别给运 放和其他元器件供电。R8的作用是调节输出电压, D2,D3主要是起保护电路作用,电容在这里起稳压 作用,如图3所示 。 图2 前端处理电路图 图3 电源模块电路图 3键盘模块、RS485通讯电路及显示电路等 键盘模块采用四位独立式。RS485通讯电路模块选 择专用芯片MAX485,MAX485为单电源5 V供电, 半双工通讯方式,其功能是实现ATmega16的TTL 电平和RS485电平的转换。LED显示和报警电路 及遥控电路,限于篇幅这里就不再叙述。 3 系统的软件和算法设计 整个软件设计可以看成是若干功能模块组成 的,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。在系统中,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、 监控模块和射频遥控模块;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。而系统的软件实现核心是灰色预测的模 糊 2PI D控制算法的实现。下面对算法做详细介绍。 3. 1 灰色预测 灰色系统理论是一种基于数据少,信息不确定 性问题的新方法。其主要通过对一小“ 部分 ” 已知 信息的生成,开发,提取有价值的信息,实现对系统 运行行为,演化规律的正确预测。在灰色系统理论 中, G M,模型即单变量的一阶灰色预测模型是 根据关联度,生成数的灰导数以及灰微分等观点建 立起来的微分方程。灰色预测控制就是建立在G M 1,1模型的基础上,所以它不需要建立被控对象 的数学模型,而且具有较强的自适应性,需要的原始 数据少,计算量小,使用简单且速度快,适用于复杂 的动态过程,能够满足对大惯性系统的实时控制 。 根据灰色预测理论可建立G M 1,1灰色微分 方程 y 0 k, i agkz 1 k, i bgk1 其中,z 1 k, i [ y 1 k, i y 1 k, i -1] 2 , 由此可得式1的白化方程 dy 1 t dt agy 1 t bg2 参数可使用最小二乘法进行估计 agk bg k B TB-1BTY 3 其中 B - [ y 1 k,1 y 1 k,2] 2 1 - [ y 1 k,2 y 1 k,3] 2 1 ⋯⋯ [ y 1 k, n -1 y 1 k, n] Y [ y ,, y ,3,⋯, y ,] T 根据白化方程式 ,得到y 在时刻时 56 第4期 李 颀等.智能阀门定位器的研究与开发 1 1 - 2 1 0 k 2 0 k 0 k n 2tk1 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 的解为 y 1 p k 1 [ y 0 k,1 - bg ag ] e - agk bg ag 4 根据式4进行k M时刻的预测,最后对累 加后的数据进行还原得到原始数据对k M时刻 的预测为 y 0 p k M [ y 0 k - bg ag ] e - agM 1- e - ag 5 3. 2 模糊控制 模糊控制器我们采用目前最为广泛使用的二维 模糊控制器,两输入一输出的模糊控制方式。其中 以偏差u和偏差变化率Δu作为模糊控制输入量,这 种方式不仅能保证控制系统的稳定性,还可以减少 阀门的振荡现象。 而采用灰色预测值的结果作为u 和Δu,那么输出就是具有预测性的结果,使得控制 效果更好。一输出为压电阀的开启时间。 我们确定的模糊定量为u为阀门开度偏差;Δu 为阀门开度偏差变化率; c为压电阀的开启时间。 其 分别的隶属度分别如图4～ 图6所示。 图4 输入变量的隶属度 图5 输入变量变化率的隶属度 图6 输出量的隶属度 模糊控制是建立在一系列模糊控制规则基础上 的,这些规则是人们通过对被控对象进行控制后的 经验总结。在此我们采用二维模糊语句,根据气体 流量的参数特点以及现场实际操作经验等,总结出 模糊控制规则表,如表所示 。 表1 模糊控制控制规则表 Δu u NBNSOPSPB NBPBPBPSPSPS NSPBPSPSONS OPSPSON SNS PSPSONSN SNB PBN SNSNBNBNB 有了表1所示的模糊控制规则,再根据Mamda2 ni蕴涵的定义,可求出一个三元模糊关系R为R ∪ n i 1 AiBiCi,由此对于给定的A 3 ,B 3 的值, 通过模糊合成运算可得到模糊输出量C 3 A 3 B 3 .R。 在得出了输出控制量C3以后,以最大隶 属度法进行清晰化计算,可以求出C 3 对应论域中 的隶属度最大的元素,这个元素就是输出控制的清 晰值。 3. 3 整体控制算法及其仿真结果 在控制算法中,我们刚阐述的模糊控制能对难 以建模的复杂过程进行有效控制,但却不能消除控 制系统的稳态误差,容易在平衡点附近产生小幅振 荡,影响了整个控制的效果 。 应用最为广泛的常规 PI D控制的最大优点在于算法简单,可靠性高,缺点 是难以控制非线性,时变和机理复杂的过程;基于各 控制策略的优缺点,我们可以采用Fuzzy2PI D复合控 制策略;此系统中的被控量i4～20mA,控制量为 Δv Y p - r,当偏差较大时即大于设定值r的7 时,采用模糊控制;当偏差减小到较小范围时即小于 设定值r的7时,采用PI D控制。两种控制模式并 行能使得系统响应时间缩短,同时明显地消除稳态 误差。 我们整体 的控制算法是 采用灰色预测 的模 糊 2PI D控制,整体控制算法是在以上提到的算法 基础上在反馈回路中增加一个灰色预测模型,其 工作原理如图7所示 。该 预测模型是 以系统行 为代替系统的数学模型,即利用当前时刻k之前 的n个连续采样数据,由灰色预测算法求得k M 时刻的预测值,用预测误差e k r k - y k M取代当前测量误差ek rk- yk。 利 用误差的预测值来进行控制,可以看作是一种事 先调节,起到缩短调节时间的作 用,使 控制效果 大大的提高 。 下转第 6页 66 化 工 自 动 化 及 仪 表 第37卷 17 w w w . b z f x w . c o m Designed of O ilW ellsW ireless RemoteM on itor ing System Based on Embedded Technology CHENG Bao2zhi, G UO Xian2feng,CHEN Chun2yu,WANG Yu2ling,CUIHai2ying Depa rtment of Physica l and Electricity Infor ma tion Engineering, Daqing Normal University, Daqing163712, China Abstract In order to automate the acquisition of oilwell parameters and control them through the network technolo2 gy, the scheme of establishing an embedded remote system to monitor the oil well was proposed based upon the ad2 vantages of ZigBee and GPRS technologies. The embedded controller2cored terminal acquisition, hardware design of wireless transmission unit, and that of control software and structure construction of themanagement platfor m were an2 alyzed. The control centerwould monitoroilwell’s conditionswith ZigBee and GPRS2basedwireless network technol2 ogies. The system benefits the automatic control ofoil well. Key wordsoil well remote monitoring; ARM and uCLinux; embedded system 上接第66页 图7 控制系统结构图 为了说明本文提出的控制策略的有效性,同时 对常规PI D控制,模糊 2PI D控制和采用灰色预测的 模糊 2PI D控制进行了对比仿真研究。智能控制阀 门定位器的传递函数为Gs 12.3e -5s 0.8s 2 -40.7s ,其 仿真结果如图8所示。 图8 几种控制方式响应曲线比较图 4 结束语 本定位器以微处理器为核心,控制信号和阀位 的比较是直接的数字比较,不易受环境影响,工作稳 定性好,同时外界对系统的干扰可以通过软件进行 祛除,从而保证了较高的控制精度。本智能阀门定 位器的控制系统因为采用了灰色预测的PI D2模糊 控制技术,所以,不仅很好地解决了该控制系统的非 线性、 实时性,具有良好的鲁棒性,而且使智能阀门 定位器模仿人的思维,具有一定的自诊断性。实际 应用表明,该系统具有结构简单,可靠性高,功能更 加完善,适应性好和方便安装调试等特点 。 经测试, 系统定位精度可以达到全行程的0. 5。 参考文献 [ 1] 何衍庆.控制阀工程设计与应用[M ].北京化学工业出版 社,2005 205 - 207. [ 2] 徐淑华.单片微机原理及应用[M ].黑龙江哈尔滨工业大 学出版社,1997 201 - 221. 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