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气动智能阀门定位器设计与实现

作　者: 周欢喜
导　师: 姜建芳
学　校: 南京理工大学
专　业: 控制工程
关键词: 气动智能阀门定位器 HART协议闭环控制非线性自适应PID控制
分类号: TH138.52
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

气动调节阀由于其结构简单、操作方便、使用可靠、易于维护和防火防爆等优点,在石油、化工、纺织、冶金、制药等大型过程控制领域具有广泛的应用。气动智能阀门定位器是气动调节阀的专用控制部件,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。随着工业应用对流量控制精度要求的不断提高,对气动智能阀门定位器的性能相应提出了更高的要求。气动执行器具有非线性、时变性和滞后性等控制特性,而且多应用于工业的复杂干扰环境中,这使得气动智能阀门定位器采用传统的PID控制算法很难达到更高的性能要求。为了提高气动智能阀门定位器的控制性能,早日实现智能阀门定位器的国产化和产业化,论文以国家发展和改革委员会信息产业技术进步和产业升级专项的资助(发改办高技[2004]1196号)为应用背景,针对气动执行器的非线性特性,研究了气动智能阀门定位器的总体方案、软硬件实现及控制方案,本文主要做了以下工作：1、论文以气动执行机构为研究对象,分析了其控制特性,建立了其数学模型,在此基础上提出了以超低功耗单片机MSP430芯片为核心控制器,基于工业现场4-20mA电流环信号和HART协议总线信号的智能阀门定位器总体控制方案和关键电路模块实现原理；2、针对气动执行器的纯滞后、非线性时变特性,结合I/P转换器的特性分析,提出一种新型非线性自适应PID控制算法,该算法采用非线性增益及积分、微分常数自适应,实验表明该算法简单,对多种阀门全行程内适应性较强,满足工业生产需要；3、基于工业现场组态控制要求,设计了一种简单而有效的前馈数学变换的流量控制方法,设计了简易键控及显示的人机界面,实现了HART协议通讯接口及软件。经过专业厂家的第三方测试表明,论文设计的气动智能阀门定位器的稳态精度、动态响应特性、抗气源及负载扰动能力等技术指标均较好地达到预期要求。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
1 绪论  9-15
  1.1 背景与意义  9-10
    1.1.1 背景  9
    1.1.2 意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-13
    1.2.1 阀门定位器的分类  10-11
    1.2.2 阀门定位器产品的发展趋势  11
    1.2.3 阀门定位器控制算法研究现状  11-12
    1.2.4 现场总线技术在阀门定位器控制系统中的应用趋势  12-13
  1.3 关键技术与论文内容安排  13-14
    1.3.1 关键技术  13
    1.3.2 论文内容安排  13-14
  1.4 本章小结  14-15
2 气动执行器控制特性分析与建模  15-21
  2.1 气动执行器  15
  2.2 气动执行器物理特性分析  15-16
  2.3 气动执行器系统结构  16-17
  2.4 分析与建模  17-20
    2.4.1 气动薄膜阀气动力学数学模型  17-18
    2.4.2 气动阀门开环驱动响应特性分析  18-19
    2.4.3 综合控制对象模型推导  19-20
  2.5 本章小结  20-21
3 智能阀门定位器总体方案设计  21-29
  3.1 系统功能及性能指标  21
    3.1.1 系统功能  21
    3.1.2 系统性能指标  21
  3.2 系统总体设计方案  21-23
  3.3 电路设计方案  23-25
    3.3.1 电源及HART通讯电路设计方案  23-24
    3.3.2 键控及接口电路设计方案  24
    3.3.3 位置反馈电路设计方案  24-25
    3.3.4 控制信号输出及电流变换电路设计方案  25
  3.4 I/P转换器及气动功率放大器设计方案  25-26
  3.5 控制器设计  26-28
  3.6 本章小结  28-29
4 智能阀门定位器的硬件设计  29-42
  4.1 气动放大器设计  29-33
    4.1.1 气动放大器分析  29
    4.1.2 气动放大器设计  29-33
  4.2 I/P转换器设计  33-37
    4.2.1 I/P转换器原理  33
    4.2.2 I/P转换器设计与分析  33-37
  4.3 电磁驱动电路设计  37
  4.4 控制及接口电路设计  37-38
  4.5 电源及变换电路设计  38-39
    4.5.1 电源电路设计  38-39
    4.5.2 信号变换与调理  39
  4.6 通信电路设计  39-41
    4.6.1 HART通讯电路设计  39-41
    4.6.2 位置反馈电路设计  41
  4.7 本章小结  41-42
5 智能阀门定位器控制算法设计与研究  42-50
  5.1 系统结构  42
  5.2 常规PID控制简介  42-44
  5.3 PID控制器的设计  44-46
    5.3.1 PID离散化的两种形式  44-45
    5.3.2 数字式非线性自适应PID控制算法的改进  45-46
  5.4 PID控制器参数的整定  46-49
    5.4.1 反馈环路分析  46
    5.4.2 PID参数的整定目标  46-47
    5.4.3 PID参数的整定方法  47-49
  5.5 本章小结  49-50
6 智能阀门定位器的软件设计  50-56
  6.1 软件总体设计  50-51
    6.1.1 软件功能划分  50
    6.1.2 智能阀门定位器工作方式  50-51
  6.2 软件程序设计  51-52
  6.3 关键程序模块设计  52-55
    6.3.1 定时中断PID控制算法中断服务子程序  52
    6.3.2 PWM脉冲生成中断服务子程序  52-53
    6.3.3 键盘中断服务子程序  53-54
    6.3.4 HART通讯中断服务子程序  54-55
  6.4 本章小结  55-56
7 系统调试与试验  56-63
  7.1 电路单板调试  56-57
  7.2 I/P转换器测试  57-58
  7.3 气动放大器分析与测试  58
  7.4 整机调试、试验  58-60
  7.5 用户测试  60-61
  7.6 环境及可靠性试验  61-62
  7.7 本章小结  62-63
8 总结与展望  63-65
  8.1 总结  63-64
    8.1.1 研制过程学术成果  63
    8.1.2 产品已形成批生产能力  63-64
    8.1.3 技术特色  64
  8.2 展望  64-65
致谢  65-66
参考文献  66-68

气动智能阀门定位器设计与实现

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