基于模糊控制的閥門定位器設(shè)計(jì)

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(dú)立設(shè)計(jì)了外圍電路。文中同時(shí)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(guó)內(nèi)廣泛使用的定位器是采用模擬信號(hào)和力平衡原理生產(chǎn)的，隨著生產(chǎn)過(guò)程控制的不斷發(fā)展，及對(duì)控制性能的要求越來(lái)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(yùn)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(yùn)行等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)中運(yùn)用先進(jìn)的微控制器芯片及外圍擴(kuò)展器件，設(shè)計(jì)具有良好性能的智能閥門定位器，對(duì)閥門的工作進(jìn)行定位、監(jiān)控，實(shí)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(jì)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(jì)
    微控制器采用的是XC164CM單片機(jī)，它是德國(guó)英飛凌公司16位微控制器系列的第四代產(chǎn)品，具有運(yùn)算速度快、穩(wěn)定性好、電磁兼容性強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于實(shí)時(shí)性、可靠性要求高、電磁環(huán)境復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合。C166 V2內(nèi)核采用5級(jí)指令流水線機(jī)制(外加2級(jí)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(gè)CPU時(shí)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(gè)乘法累加單元(MAC)。MAC單元擁有一套獨(dú)立指令集，使XC164CM具有16位定點(diǎn)DSP的部分功能，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成較為復(fù)雜的數(shù)字算法，例如：MAC支持單時(shí)鐘周期完成乘加運(yùn)算(16位x16位+32位)，并能自動(dòng)地以飽和的方式來(lái)防止計(jì)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(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)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(yùn)算放大器需要±12V電壓，微控制器還需要一個(gè)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(jì)，且定位器輸入的只是一個(gè)電流信號(hào)，因此，需要將4-20mA的電流變換為所需要的電壓。本實(shí)用新型中，通過(guò)電流輸入轉(zhuǎn)化的24V電壓經(jīng)過(guò)濾波電路后，提供給兩個(gè)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(guò)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(yùn)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。[!--empirenews.page--]
1．3 信號(hào)調(diào)理及ADC電路
    圖2為4～20mA電流信號(hào)調(diào)理電路。4～20mA信號(hào)流過(guò)120歐姆的精密采樣電阻，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。再通過(guò)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(gè)TVS管，起著過(guò)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(gè)低通濾波網(wǎng)絡(luò)，用于濾除高頻干擾?？梢钥闯觯娐分屑扔泄材V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(hào)帶寬的100倍。元件應(yīng)對(duì)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(shí)間常數(shù)可以按如下計(jì)算：TCM=R12*C10=R21*C12。差模濾波的時(shí)間常數(shù)可以按如下公式計(jì)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(duì)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(duì)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(yùn)算放大器不同，儀用放大器使用一個(gè)其信號(hào)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。[!--empirenews.page--]
    閥門的實(shí)際開度反饋信號(hào)來(lái)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(hào)。傳感器相當(dāng)于一個(gè)電位器，通過(guò)電阻進(jìn)行分壓，所以反饋電壓信號(hào)和閥門開度是線性的對(duì)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(guò)SSC串口和XC164CM通信。MCP3204共有4個(gè)模擬量轉(zhuǎn)換通道，分別用來(lái)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(duì)閥門的實(shí)際開度除了要求進(jìn)行LCD顯示外，有時(shí)還需要將閥門實(shí)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(lái)的閥位反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)微處理器進(jìn)行處理后，需要再經(jīng)過(guò)D／A轉(zhuǎn)換接口，變成電壓信號(hào)，然后通過(guò)電壓／電流轉(zhuǎn)換電路變成電流信號(hào)輸出，送往遠(yuǎn)程控制端。本設(shè)計(jì)中，新型的DAC芯片通過(guò)SSC串口和微控制器連接，用于將單片機(jī)給的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)，然后電壓信號(hào)再轉(zhuǎn)化為4～20mA電流信號(hào)。
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2 軟件設(shè)計(jì)
    定位器利用閉環(huán)控制原理，將從調(diào)節(jié)器來(lái)的調(diào)節(jié)信號(hào)或直接的控制信號(hào)與從執(zhí)行器來(lái)的閥門位置反饋信號(hào)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(dòng)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(shí)刻的E和EC對(duì)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(shí)刻三個(gè)參數(shù)的作用，總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際的操作經(jīng)驗(yàn)，就能建立針對(duì)Kp，KI，KD三個(gè)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(gè)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。[!--empirenews.page--]
    根據(jù)實(shí)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(yùn)行過(guò)程中，控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理，查表和運(yùn)算，完成對(duì)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(yǔ)
    本文主要討論了模糊控制算法在閥門定位器中的運(yùn)用以及所用的微控制器和所涉及的外圍電路設(shè)計(jì)，在工程實(shí)踐中表明這些方法都是可行的。但是由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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。