上海申弘閥門有限公司
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PID控制流量調節閥 |
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PID控制流量調節閥 上海申弘閥門有限公司 隨著科學技術的發展，對工業生產工藝的控制要求也愈加苛刻。流量、溫度、壓力和物位一起被稱為過程控制的四大參數。對液體流量進行測量和調節是保證安全生產、提高產品質量和提高經濟效益的關鍵。調節閥作為一種常見的控制元件，其作用就是通過調節器發出的控制信號，來改變調節參數，把被調參數控制在工藝所要求的范圍內，以實現生產過程的自動化。 調節閥主要分為平衡閥（包括手動平衡閥和自力式平衡閥）、溫控閥和電動調節閥3種。手動平衡閥是一次性手動調節的，不能夠自動地隨系統工況變化而改變阻力系數，控制不方便；自力式調節閥不具有判斷和泄水功能，當壓差超過正常范圍時，就不能很好發揮應有的功能，甚至不能工作；溫控閥主要用于供暖系統的流量調節，其電熱驅動器的動作反應速度慢，當進水溫度變化較大時混水溫度會出現波動；電動調節閥電機運行過程中產生的內熱會導致熱保護，使調節閥停止工作，且由于運動部件多，容易產生故障。因此，設計一種結構簡單、控制方便、精度高的流量調節閥具有很強的實際意義。 1 PID控制流量調節閥基于PID的流量調節閥的原理 1.1 流量控制 基于PID的流量調節閥包括流量傳感器、手動平衡閥、步進電機和控制器等。流量調節閥的原理如圖1所示。步進電機與手動平衡閥用聯軸器相連，只要控制步進電機，就能控制手動平衡閥開閉的大小，從而控制輸出流量的大小。流量傳感器將當前輸出流量反饋回控制器，控制器根據設定值與實際輸出值的偏差，控制步進電機的正反轉和旋轉的角度，從而控制調節閥打開的大小，使輸出的流量等于設定值。SK－808/900系列智能PID調節儀與各類傳感器、變送器配合使用，實現對溫度、壓力、液位、容量、力等物理量的測量顯示、智能PID調節儀并配合各種執行器對電加熱設備和電磁、電動、氣動閥門進行PID調節和控制、報警控制、數據采集、記錄。
功能特點 圖1 流量調節閥原理圖 控制器采用STM32單片機。單片機控制驅動電路調節輸出流量大小，流量傳感器將當前流量反饋回單片機形成閉環，從而實現對流量的控制。PC機和單片機通過RS232電路進行串口通訊，PC機向單片機發送流量設定值，單片機向PC機時時傳送當前的流量，憑借PC機強大的處理能力和豐富的資源，可以方便的對流量調節閥的控制效果進行分析。 上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥流量調節閥的控制流程如圖2所示，控制算法采用PID。PID控制原理簡單、適應性和魯棒性強、對被控對象的變化不敏感，適用于環境惡劣的工作生產現場。
圖2 流量調節閥控制流程圖 1.2 PID控制原理 在連續時間控制系統中，PID控制器應用的非常廣泛，技術成熟。長期以來形成了典型的結構，參數整定方便，結構更改靈活，能滿足一般的控制要求。數字PID控制比連續PID控制更為*，因為計算機程序的靈活性，很容易克服連續PID存在的問題，經修正而得到更完善的數字PID算法。數字PID控制算法可分為位置式PID控制算法、增量式PID控制算法和速度式PID算法。由于計算量少，抗干擾強，計算機故障對設備的影響小。因此，在3種控制算法中，增量式PID控制算法zui為常用。 數字PID控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量，因此公式1的積分和微分項不能直接使用，需要進行離散化處理。當采樣周期T足夠短時，以一系列的采集時刻點kT代表連續時間t，以和式代替積分，以增量代替微分。k是采樣序號，u（k）為第k次采樣時刻數字控制器或計算機的輸出值，e（k）是第k次采樣時刻輸入的偏差。 增量式PID控制規律：為比例系數，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數。增量式PID控制算法是對偏差增量進行處理，然后輸出控制量的增量，即執行機構位置的增量。增量式PID數字控制器不會出現飽和，而且當計算機出現故障時能保持前一個采樣時刻的輸出值，保持系統穩定，因此在設計中增量式算法被采用作為編程算法來使用。 1.3 步進電機結構 步進電機又稱為脈沖電動機，是數字控制系統中將脈沖電信號轉化為相應角位移的執行機構。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響；繞組激磁時，電機停轉的時候具有zui大的轉矩；由于沒有電刷，可靠性較高，因此電機的壽命僅僅取決于軸承的壽命；的起停和反轉響應；步進電機zui有意義的一個優點就是在開環系統里可以實現的控制，只需要跟蹤輸入的步進脈沖就可以知道轉子的位置。步進電機的步距角為： θb＝360°/km ZR（k－1） （2） 其中：m為相數，采用單拍制時，k取1，采用雙拍制時，k取2。減小步距角，可以增加控制流量的精度。由公式（2）可知，增加步進電機的相數和采用雙拍制，都可以減小步距角。但是隨著電機相數的增加，電機的結構會變得復雜，電機的成本也會隨著增加。采用雙拍制步距角只能減小一半，滿足不了高精度的要求。將步距角進行細分，既能減小步進電機的步距角，也可以減小電機的振動、降低噪聲，提高步進電機的控制精度。 基于二相步進電機的驅動芯片種類較多，因此，流量調節閥的執行器件選擇兩相步進電機。兩相步進電機的結構如圖3所示。
圖3 兩相步進電機的結構圖 2 系統硬件設計 2.1 電源電路 12V穩壓電源原理如圖4所示，為步進電機提供電源。單相220V交流電經單相變壓器變壓可得12V交流電源，經過整流二極管D1到D4組成的整流橋及電容C1和C2的濾波，理論上可得到電壓幅值為17V的直流電，但整流橋會有1V左右的壓降，實際得到的電壓只有16V。再經過三端穩壓器78H12，就可得到12V電壓。
圖4 電源電路 自恢復保險絲PTC起到過流保護的作用，當電路發生短路或過載時，流經自恢復保險絲的大電流產生的熱量使聚合樹脂融化，體積迅速增長，形成高阻狀態，工作電流迅速減小，從而對電路進行限制和保護。當電流故障排除后，自恢復保險絲重新冷卻結晶，體積收縮，導電粒子重新形成導電通路，自恢復保險絲恢復為低阻狀態，從而完成對電路的保護。晶閘管VT、電阻R1和穩壓二極管DZ組成過壓保護電路。穩壓二極管選擇1N717，穩壓值為13V。當V1處的電位小于13V時，穩壓二極管DZ處于反向截止狀態。當V1處的電位大于13V時，由于穩壓二極管的穩壓作用，將V2處的電位鉗位在（V1－13）V，此時，晶閘管導通。從而使整流橋、自恢復保險絲PTC和晶閘管VT形成回路。此時的回路電流非常大，引起自恢復保險絲PTC形成高阻狀態。當電壓故障排除后，自恢復保險絲恢復為低阻狀態，從而完成對電路的保護。 2.2 步進電機驅動電路 TB67S169是東芝公司推出的一種配置PWM斬波器的兩相雙極步進電機驅動芯片。其主要特點有：采用BiCD工藝，額定值為50V/4A；允許全步，半步，1/4，1/8，1/16，1/32步運行；可通過外電阻與電容自定義電機的斬波頻率；內置錯誤檢測電路，過電流關斷以及上電復位等。 TB67S169芯片管腳如圖5所示。步進電機控制信號主要有6個，分別為電機脫機控制端EN、脈沖信號輸入端CLK、電機正反轉控制端DIR和3個細分數設定端（M1、M2和M3）。
圖5 電機驅動電路 3個細分數設定端用于細分步距角。步進電機選擇步進角為1.8°的步進電機，如果當前水流量非常接近設定流量，如果調整zui小角度1.8°，就會超出需要調整的水流量。可以通過驅動器程序將步進角細分，步進角為1.8°的步進電機在8細分下步距角為1.8°/8＝0.225°，細分后步進電機步距角按下列方法計算：步距角＝電機固有步距角/細分數。 *個虛線框中是步進電機斬波振蕩電路；第二個虛線框中是步進電機電角復位電路；第3個虛線框中是步進電機鎖相電流控制。 VREF的電壓范圍為0～3.6V，VREF所接電壓的大小決定步進電機鎖相電流的大小。步進電機要減少發熱，就要減少銅損和鐵損。減小銅損就是減小電阻和電流，要求在選型時盡量選擇電阻小和額定電流小的電機。但是這往往與力矩和高速的要求相抵觸。對于已選定的電機，可以充分利用驅動器的自動半流控制功能，自動半流在電機處于靜態時自動減小電流，脫機功能是將輸出電機電流切斷。 步進電機半流電路如圖6所示。改變電機的驅動電流，就可以改變電機輸出扭矩的大小。自動半流電路設計選用可重復觸發的單穩態電路芯片74HC123，用電機的驅動脈沖CLK作為單穩態電路的觸發脈沖。單穩態電路的A1端接驅動脈沖CLK，B1端接高點平。當CLK出現從高電平到低電平跳變時，Q1端出現一個高電平脈沖。高電平脈沖的寬度可以通過改變和的值改變。
圖6 半流電路因為芯片的供電電壓為5V，所以系數k取0.55，電阻單位為kΩ，電容單位為pF，計算可得，Q1輸脈沖寬度為55ms。 2.3 電機保護電路 電流檢測的方法主要有串電阻檢測、電流互感器檢測和基于霍爾感應原理的電流檢測3種。串電阻檢測溫漂較大，無隔離效果，量程較大時，需要分多個擋來處理結果且容易受地線干擾。電流互感器檢測電流互感器重量大、易受高頻干擾。基于霍爾感應原理的電流檢測既能檢測交流電流的大小，也能檢測直流電流的大小，具有低偏置、低噪音和響應時間快等優點，適合測量步進電機的電流。 ACS712是一種基于霍爾感應原理的芯片，由一個的低偏移線性霍爾傳感器電路與位于接近IC表面的銅箔組成，電流流過銅箔時，產生一個磁場，霍爾元件根據磁場感應出一個線性的電壓信號，經過內部的放大、濾波、斬波與修正電路，輸出一個電壓信號，該信號從芯片的第七腳輸出，直接反應出流經銅箔電流的大小。
圖7 電流檢測電路 由于步進電機額定電流為0.8A，選擇量程為A的ACS712，此時的電壓電流轉化系數為185mV/A。輸出電壓Vout和被檢測的電流IP間的關系為：Vout＝0.185IP＋2.5。ACS712的電壓輸出范圍為1.575～3.425V，量程為1.85V。由于ACS712的zui大輸出電壓為3.425V，而STM32單片機的供電電壓為3.3V，因此，需要在ACS712輸出端進行分壓。 2.4 STM32程序 STM32是一款高性能、低成本、低功耗嵌入式單片機。STM32程序主要由主程序和定時中斷處理兩部分組成。 主程序流程如圖8所示，首先對系統進行初始化，包括啟動定時器，設置串口等。然后不停的更新采集到的流量值Qnow和電流值Inow，并通過串口向PC機發送Qnow和Inow。當STM32的串口接收到PC機命令時，更新流量設定值Qset和流量控制開始標志變量startFlag。
圖8 STM32主程序流程圖 定時中斷處理程序流程如圖9所示，定時器中斷程序用于在固定周期內進行PID計算。當定時時間到時，先將定時值初始化，如果流量控制開始標志變量startFlag的值不等于1時，說明此時不對流量進行控制，中斷直接返回。當start－Flag的值等于1時，對流量進行控制，根據流量設定值和時時值之間的偏差，用PID算法得到輸出值，并控制執行模塊進行相應動作后，中斷再返回。
圖9 定時中斷處理程序流程圖 3 系統軟件設計 C＃是微軟公司發布的一種面向對象的、運行于.NETFramework的程序設計語言。C＃綜合了VB簡單的可視化操作和C＋＋的高運行效率，以其強大的操作能力、優雅的語法風格、創新的語言特性和便捷的面向組件編程的支持成為微軟公司極力推薦的新一代程序開發語言。
圖10 C＃編程界面 微軟公司的.NET開發平臺為基于C＃的應用程序開發提供了豐富的類庫，軟件主要用到了chart類（圖表類）和SerialPort類（串口通訊類）。軟件界面如圖10所示，應用Se－rialPort類能簡單的實現串口通訊，通過chart類可以方便的把從串口獲取的流量值和電流值轉化為波形，從而可以直觀便捷的對流量調節閥的控制效果進行分析和評價。 4 系統測試及性能分析 當手動平衡閥已轉到zui大極限位置時，電機輸出扭矩將會急劇變大，導致步進電機電流也隨著變大。因此，只要檢測步進電機電流的大小就能確定手動平衡閥是否到達了極限調節值。 每隔30min，使水流量的設定值依次為50L/min、100L/min、150L/min、200L/min和250L/min，時時采集輸出的流量值和步進電機電流的zui大值。得到的流量和電流波形如圖11所示。
圖11 流量調節閥性能分析軟件 從圖11的流量波形中可以看出，當流量從50L/min增加到200L/min過程中，輸出的流量能準確的跟隨設定值。當流量設定值從200L/min增加到250L/min時，因為手動平衡閥已轉到zui大極限位置處，手動平衡閥無法再打開的更大，所以輸出的流量無法繼續跟隨流量設定值，由此產生了無法消除的穩態誤差。 從圖11流量波形中可以得到，當流量從50L/min增加到200L/min過程中，步進電機供電電流的保持在0.8A左右，說明電機一直在動作，調節著輸出流量。當流量設定值從200L/min增加到250L/min時，步進電機電流急劇變大，可知手動平衡閥已轉到zui大極限位置，通過控制電機脫機控制端，使電機停止工作，起到保護電機和手動平衡閥的作用。此時，從電流波形圖中可以看出，步進電機供電電流迅速降為0A，電機已處于停止狀態。 基于PID的流量調節閥的控制精度如表1所示，當流量調節閥正常工作時，流量的誤差很小。當流量設定值從200L/min增加到250L/min時，由于此時手動平衡閥已轉到zui大極限位置，步進電機的電流急劇增大，電流保護電路使步進電機停止工作，從而導致輸出的流量值波動開始變大。 表1 流量調節閥的控制精度
5 結束語 針對流量控制，設計了一種結構簡單、控制方便、精度高的流量調節閥。重點介紹了流量調節閥的結構，并進行了實驗測試。結果驗證了基于PID的流量調節閥能使輸出的流量值準確快速的跟隨設定值的變化，能實現高精度的流量控制。與本文相關的產品有化工隔膜閥構造原理 |
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