基于模糊控制的閥門定位器設(shè)計

摘要：介紹了一種基于模糊自適應(yīng)整定PID算法的智能閥門定位器。該定位器采用英飛凌公司的XC164CM微控制器，獨立設(shè)計了外圍電路。文中同時探討了如何利用模糊PID算法提高閥門響應(yīng)速度和精度，并給出了程序流程圖。
關(guān)鍵詞：閥門定位器；模糊自適應(yīng)算法；XCl64CM；PID控制；LT1920

0 引言
    閥門定位器是一種與改變流體流量的調(diào)節(jié)閥配套使用的輔助儀表。目前，國內(nèi)廣泛使用的定位器是采用模擬信號和力平衡原理生產(chǎn)的，隨著生產(chǎn)過程控制的不斷發(fā)展，及對控制性能的要求越來越高，傳統(tǒng)的定位器已難以滿足工業(yè)控制的需要。為此智能型閥門定位器應(yīng)運而生。它采用微處理器技術(shù)和功能模塊，具有自校準(zhǔn)自適應(yīng)自診斷功能和免維護(hù)運行等特點。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    本設(shè)計中運用先進(jìn)的微控制器芯片及外圍擴(kuò)展器件，設(shè)計具有良好性能的智能閥門定位器，對閥門的工作進(jìn)行定位、監(jiān)控，實現(xiàn)閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)字化、智能化的產(chǎn)品要求。最終研制的產(chǎn)品要做到體積小、精度高、功能齊全、操作方便。本文設(shè)計的定位器的原理結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1．1 微控制器及其外圍電路設(shè)計
    微控制器采用的是XC164CM單片機(jī)，它是德國英飛凌公司16位微控制器系列的第四代產(chǎn)品，具有運算速度快、穩(wěn)定性好、電磁兼容性強(qiáng)的特點，適用于實時性、可靠性要求高、電磁環(huán)境復(fù)雜的應(yīng)用場合。C166 V2內(nèi)核采用5級指令流水線機(jī)制(外加2級預(yù)取指令流水線)。該機(jī)制使得XC164CM執(zhí)行絕大多數(shù)指令平均只需一個CPU時鐘周期，大大提高了微控制器的指令執(zhí)行速度。C166 V2內(nèi)核中的高性能16位CPU內(nèi)部集成了一個乘法累加單元(MAC)。MAC單元擁有一套獨立指令集，使XC164CM具有16位定點DSP的部分功能，能夠在較短的時間內(nèi)完成較為復(fù)雜的數(shù)字算法，例如：MAC支持單時鐘周期完成乘加運算(16位x16位+32位)，并能自動地以飽和的方式來防止計算結(jié)果的溢出。XC164CM在C166 V2內(nèi)核的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了豐富的片上外圍子系統(tǒng)，能很好的滿足汽車傳動應(yīng)用場合對各種I／O接口的需要。
1．2 電源電路
    在系統(tǒng)電路中，邏輯電路需要5V直流電壓，傳感器電路、A／D、D／A、等需要5V參考基準(zhǔn)電壓，運算放大器需要±12V電壓，微控制器還需要一個2．5V的內(nèi)核電壓，而電磁閥則需要24V電壓。由于本定位器采用的是二線制低功耗設(shè)計，且定位器輸入的只是一個電流信號，因此，需要將4-20mA的電流變換為所需要的電壓。本實用新型中，通過電流輸入轉(zhuǎn)化的24V電壓經(jīng)過濾波電路后，提供給兩個DC／DC模塊，分別將電壓轉(zhuǎn)換為+5V和正負(fù)12V。+5V電壓經(jīng)過LM1117變換為+2．5V，用于微控制器的內(nèi)核供電。正負(fù)12V用于給運放供電。其中正12V還用于產(chǎn)生+5V參考電壓提供給A／D轉(zhuǎn)換電路。
1．3 信號調(diào)理及ADC電路
    圖2為4～20mA電流信號調(diào)理電路。4～20mA信號流過120歐姆的精密采樣電阻，轉(zhuǎn)換成電壓信號。再通過儀用放大器LT1920，輸出給ADC芯片MCP3204。二極管D1可以防止電流反接。D7是一個TVS管，起著過壓保護(hù)的作用。扼流圈用于抑制共模干擾。R12，R21，C10，C11，C12構(gòu)成一個低通濾波網(wǎng)絡(luò)，用于濾除高頻干擾?？梢钥闯?，電路中既有共模濾波(R12／C10，R21／C12)，又有差模濾波(R12+R21，C11)。濾波器的總帶寬至少應(yīng)為輸入信號帶寬的100倍。元件應(yīng)對稱安裝在具有大面積接地面的印制電路板上，并且位置十分靠近儀用放大器的輸入端，以使濾波器達(dá)到最佳性能。共模濾波的時間常數(shù)可以按如下計算：TCM=R12*C10=R21*C12。差模濾波的時間常數(shù)可以按如下公式計算：TDIFF=(R12+R21)*C11。

    LT1920是LINEAR公司的一款高精度儀用放大器。儀用放大器是一種具有差分輸入和其輸出相對于參考端為單端輸出的閉環(huán)增益單元。輸入阻抗呈現(xiàn)為對稱阻抗且具有較大的數(shù)值。與由接在反相輸入端和輸出端之間的外部電阻決定的閉環(huán)增益運算放大器不同，儀用放大器使用一個其信號和輸入端隔離的內(nèi)部反饋電阻網(wǎng)絡(luò)。其增益可由外部電阻設(shè)定，典型值為1～10000。LT1920是一款低功耗、高精度的儀用放大器。
    閥門的實際開度反饋信號來自于傳感器接口電路。傳感器采用的是高性能的導(dǎo)電塑料精密電位器，是具有較高分辨能力的、高可靠性的經(jīng)濟(jì)類型產(chǎn)品。傳感器輸入5V參考電壓，輸出反饋電壓信號。傳感器相當(dāng)于一個電位器，通過電阻進(jìn)行分壓，所以反饋電壓信號和閥門開度是線性的對應(yīng)關(guān)系。
    圖3為ADC電路，其中AD轉(zhuǎn)換芯片采用Microchip公司的12位精密ADC芯片MCP3204。MCP3204通過SSC串口和XC164CM通信。MCP3204共有4個模擬量轉(zhuǎn)換通道，分別用來轉(zhuǎn)換閥位反饋值、電壓設(shè)定值、電流設(shè)定值等模擬量。

1．4 DAC電路
    在定位器的工作中，對閥門的實際開度除了要求進(jìn)行LCD顯示外，有時還需要將閥門實際開度的模擬電流量送回到控制中心。位置變送器采用的是高性能導(dǎo)電塑料電位器，它送來的閥位反饋信號經(jīng)過微處理器進(jìn)行處理后，需要再經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換接口，變成電壓信號，然后通過電壓／電流轉(zhuǎn)換電路變成電流信號輸出，送往遠(yuǎn)程控制端。本設(shè)計中，新型的DAC芯片通過SSC串口和微控制器連接，用于將單片機(jī)給的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號，然后電壓信號再轉(zhuǎn)化為4～20mA電流信號。

2 軟件設(shè)計
    定位器利用閉環(huán)控制原理，將從調(diào)節(jié)器來的調(diào)節(jié)信號或直接的控制信號與從執(zhí)行器來的閥門位置反饋信號相比較，根據(jù)比較后的偏差使調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，從而使閥芯準(zhǔn)確定位，達(dá)到定位的目的。其離散PID算法的一般形式是：
   
    Kp，KI，KD分別表示比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。新型采用模糊自適應(yīng)整定PID算法原理如圖4所示。

    自適應(yīng)模糊PID控制器以誤差E和誤差變化EC作為輸入，可以滿足不同時刻的E和EC對PID參數(shù)自整定的要求。
    PID參數(shù)的整定必須考慮到在不同時刻三個參數(shù)的作用，總結(jié)工程設(shè)計人員的技術(shù)知識和實際的操作經(jīng)驗，就能建立針對Kp，KI，KD三個參數(shù)分別整定的模糊控制表，表1所列為Kp的模糊規(guī)則表。

    模糊控制規(guī)則表建立好后，可根據(jù)如下方法進(jìn)行Kp，KI，KD的自適應(yīng)校正。將系統(tǒng)誤差E和誤差變化率EC變化范圍定義為模糊集上的論域。
   
    其模糊子集為：
   
    設(shè)E,EC和Kp，KI，KD隸屬度函數(shù)為三角形函數(shù)，因此可以得出各模糊子集的隸屬度，根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)的模糊控制規(guī)則表，就可以得到各個模糊規(guī)則下的模糊關(guān)系。進(jìn)而求得Kp，KI，KD的模糊子集。
    根據(jù)實際情況，采用最大隸屬度法進(jìn)行解模糊判決。定義Kp，KI，KD參數(shù)的調(diào)整算式如下：
   
    在線運行過程中，控制系統(tǒng)通過對模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理，查表和運算，完成對PID參數(shù)的自校正，流程圖如圖5所示。其中：E：誤差，EC：誤差變化，U：控制量，kU：比例因子。

3 結(jié)束語
    本文主要討論了模糊控制算法在閥門定位器中的運用以及所用的微控制器和所涉及的外圍電路設(shè)計，在工程實踐中表明這些方法都是可行的。但是由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的干擾，控制精度有待進(jìn)一步的提高，而且算法還是可以進(jìn)一步優(yōu)化，在后續(xù)的研究中，可以嘗試用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制方法進(jìn)行更深入的研究。