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　　调节阀是通过动力操作等方法来改变流体流量的一种装置，用于过程控制系统中，还被称为控制阀。[1]它内含一个阀部件，内部有可以改变流体流率的组件，这个阀体部件又与一个或多个用来响应控制元件送来的信号的执行机构相连。调节阀的应用范围特别广泛，涉及到例如化工、石油、纺织、制药、冶金等很多的大型过程控制领域，它属于控制阀系列，主要是用来调节介质的压力、流量、温度等参数的，是工艺控制系统中最终的控制元件。[2]

　　定位器作为调节阀的主要附件，实现的是阀门定位系统的闭环控制，主要由三部分构成即：输入部分、比较装置和反馈装置。其中输入装置用来检测输入的控制信号(4-20mA电流信号)并将其送入比较装置，比较装置是将输入的控制信号和阀位反馈信号进行比较。如果输入信号与反馈回来的信号不同，或者相差的差值超过允许的规定范围，调节阀的执行机构就会做出相应动作来改变阀门的开度，直到反馈信号和输入的控制信号的误差调整在规定的允许范围内，执行机构才会停止动作。反馈装置的作用是检测阀门开度的变化，并把检测到的对应于调节阀开度的信号传递回比较装置。调节阀就会通过比较将控制信号与阀位检测的反馈信号的差值做出判断，根据比较判断后输出偏差控制信号，这个偏差控制信号会驱动调节阀的执行机构来带动阀芯进行动作调整，从而达到定位目的。调剂阀定位器的主要作用有：通过阀位检测反馈装置，将反馈信号送入比较装置，比较装置发出动作信号，动作信号带动执行机构动作改变阀门开度，阀门开度发生变化时，检测反馈装置随之动作再次传送反馈信号，这样就形成了一个比较小的闭环控制系统，能使阀位控制更加准确和可靠；还可以用来改善阀门的静态特性，有利于克服介质的不平衡力等，提高控制精度。此外，定位器还具有分程控制等功能，所谓分程控制，即用一台调节器控制多个调节阀，每个调节阀只在一定的控制信号范围内工作[3]。

　　最早的阀门定位器属于完全的气动阀门定位器，原理为力平衡原理，其结构原理如图1-1所示：当输入调节器的控制信号增大时，内部零件波纹管就会相应的伸长一定长度，挡板由于与反馈凸轮连接，而且此时反馈凸轮未进行动作，所以此时挡板就以反馈凸轮作为支点，在伸长的波纹管推动的作用下做逆时针的偏转，逐渐靠近喷嘴,使喷嘴背压升高。此背压通过放大器，经过放大器放大后，输出的压力则会迅速上升并经由通道送入气动调节阀的膜头,膜头动作压迫阀杆向下发生位移，带动反馈杆同时向下移动，又因为反馈杆与反馈凸轮固定连接在一起，所以反馈杆向下移动时就会带动反馈凸轮绕支点顺时针偏转，反馈凸轮的偏转又会带动挡板以波纹管作为支点作逆时针方向偏转，使挡板慢慢远离喷嘴，最终输出压力下降，总而言之，阀杆向下移动起到的是负反馈作用，其中一定的信号压力就对应于一定的阀门位置[4]。

　　这种气动阀门定位器属于机械传动式阀门定位器。一方面，由于其组成结构复杂，各部分连接固定时需要大量的螺钉、弹簧，所以在安装调试时要拆分结构、调节各部分。为了达到力平衡就要反复调节这一系列的弹簧、螺钉，不仅过程复杂，而且使用过程中易磨损，导致精度越来越低；另一方面，由于其控制不够灵活，不能方便地配合不同型号、不同额行程的阀门，也难以提供多种作用特性和流量特性。但这种结构多年来，一直在气动阀门定位器产品中占主导地位[5]。目前，在国内这种阀门定位器还在大量的使用。

　　工业控制电气化越来越普遍，越来越广泛，阀门定位器也随之升级，具有更高的性能特性的电气阀门定位器开始出现，其结构原理如图1.2所示。

　　新出现的电气阀门定位器只是在之前的气动阀门定位器的基础上做出了一些改进，尽管与气动阀门定位器不完全相同，但是整体结构却是类似的。它们的不同之处主要就是在于气动阀门定位器的波纹管被更换成电气阀门定位器的电磁铁。改进后输出的气压信号不仅可以实现气动阀门定位器的作用，还可以实现电气转换器的作用，可接受电动调节器输入的信号，和气动调节阀配套使用。电气阀门定位器不仅可以用于控制气动角行程还可以控制直行程，既适用于有弹簧执行机构状态又适用于无弹簧执行机构的状况[6]。

　　??目前，我国广泛使用的电气阀门定位器采用的都是利用的机械式力平衡原理，这种产品存在很多不足，无法满足过程控制发展的需要。实际的工业应用中，由于种种原因，对流量控制也做出了更高的要求，要求要有更高的控制精度。调节阀定位器作为调节阀的核心控制附件，有很多的功能作用例如：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。因此，阀门定位器是一种非常重要的过程控制仪表，它的发展和选择，将直接影响调节阀和控制系统的整体性能和品质，阀门定位器已成为工业控制领域十分重要的研究热点[7]。

　　70年代以来，电子技术发展的越来越好，单片机逐渐兴起。各种仪器仪表的结构也因为单片机的问世从根本上发生了变化，之前仪器仪表中的各种连接线路被一块单片机芯片所取代。单片机芯片虽然型体微小但功能却十分强大，而且还可以解决之前的电路中接线繁琐复杂的难题，用起来简单方便。在此基础上设计出了比气动阀门定位器性能更加优良的智能型调节阀定位器，这种智能型调节阀定位器用电平衡原理取代了之前的力平衡原理。并以数字化技术进行数据处理、决策生成及双向通信，将电控指令转换成气动定位增量实现对阀位的精确控制。为了加强和扩展原有阀门定位器的功能，还在原有基础上增加传感器并配备其他功能。智能型调节阀定位器大体上是由三部分组成，这三部分分别是微控制器控制单元、将电信号转换成气动信号的电气转换单元、检测并传送阀门位置信号的阀位检测反馈单元。其结构简图如图1-3所示：

　　智能型调节阀定位器的结构原理图如图1-4所示，其具体工作原理如下：首先阀位检测反馈模块中的传感器测试阀门实际的开度信号,借助能将模拟信号转换成微控制器能接受的数字信号的模数转换电路对拾取到的信号进行变换并传送到微控制器。与此同时，系统输入的设定的电流信号同样经过模数转换电路转换成为数字信号送入微控制器。微控制器就会对这两路信号进行比较，计算偏差值，偏差的大小反应的就是实际的阀门开度与设定的阀门开度的偏差。如果二者偏差值超出事先规定的可允许的精度,也就是说实际阀门开度与要求的阀门开度相差太多，微控制器就会输出指令使执行机构动作。主要就是使升压压电阀或排气压电阀动作：即当设定信号大于阀位反馈信号时,反应的就是实际的阀门开度比要求的阀门开度要大。此时要求升压压电阀V-1打开,增加输出的气源压力，也就是增加了执行机构的气室压力从而加大阀门开度使其逐渐接近设定的目标值，减小二者间的偏差；当设定信号小于阀位检测反馈模块反馈回来的信号时，反映的是实际的阀门开度比要求的阀门开度小。此时要求排气压电阀V-2打开，通过排气系统减小气源压力，也就是减小了气动执行机构的气室压力从而减小阀门开度使其逐渐接近实际的目标[8]。

　　1)采用单片机做微控制器，之前的力平衡原理实现了进一步的转换，不再靠各部件例如弹簧、螺钉等的力平衡。而是通过电路检测其位置信号并通过模数转换将其送入微控制器，微控制器对此进行智能化的判断调整，这一过程中减少了很多零件的摩擦损耗，极大提高了可靠性；

　　2)通过PID优化算法能实现自动修改控制参数的功能，进一步解决了填料老化所造成的摩擦问题、补偿机械磨擦的变化，达到了更精确的控制效果；

　　4)智能型调节阀定位器比传统的阀门定位器相比大大减小了耗气量，很大程度降低了能耗；

　　5)智能型调节阀定位器的可动部件比传统阀门定位器的可动部件要少的多，可动部件少了。固定硬件又不易被外界动作影响，所以对振动相对不太敏感，更加稳定一；

　　调节阀在很多工程领域都有应用，例如纺织、冶金、石油化工、制药等。传统的阀门定位器由于存在或多或少的不足致使整个控制过程不够完美，例如机械传动式的阀门定位器弹簧、螺丝等零部件较多，为了达到力平衡在安装调试时要反复调节一系列弹簧、螺钉，整个过程极其复杂，导致使用过程中存在精度低的问题；甚至还需要工作人员现场调控参数，应用过程更加繁琐；而且耐环境性较差，容易受外界温度，震动的影响，易磨损。还有些调节阀定位器控制不够灵活，对于不同型号、不同额定行程的阀门无法实现灵活的配合，也难以提供多种作用特性和流量特性。

　　自从改革开放以来，随着工业领域的强有力的发展，以前的笨重的工业机器已经无法满足此时的工业发展需求了。因为对灵敏度、精确度的进一步要求，许多大型化、高性能装置应运而生,我国自己生产的传统阀门定位器已经再也无法满足工业控制中的要求了，于是传统阀门定位器在这些装置中的使用逐渐减少下来,导致市场上流通使用的都是以全进口的阀门定位器为主的、或者通过引进国外品牌定位器技术制造国内生产的产品。总体来说，智能调节阀定位器控制性能的进步是推动产业技术进步的需要，智能控制策略的研究有利于开拓国内市场[9]。

　　本论文主要是对智能型调节阀定位器的研究，研究大体分为硬件部分的设计与软件部分的设计。

　　第一章简要介绍调节阀，调节阀定位器的发展用途，对比说明传统阀门定位器存在的缺点，提出智能型调节阀定位器的概念及相比于传统阀门定位器的优点。明确题目研究的背景与意义。

　　第二章智能型调节阀定位器硬件电路的设计，通过系统的硬件结构图明确硬件部分的主要结构，分别说明各部分的作用，针对各部分作用要求绘制出电路的主要电路如电流电压转换电路，电压电流转换电路，A/D转换电路，D/A转换电路以及通过检测阀门开度反馈阀门位置信号的阀位检测反馈信号。此外还有单片机最小系统的电源、晶振及复位电路；调节阀定位器的人机交互部分的按键、显示电路等。

　　第三章这一章为智能型调节阀定位器的软件设计，通过对智能型调节阀定位器控制系统的特性分析，明确定位器存在的问题，针对相应问题进行软件部分的设计。软件设计采用PID控制算法，通过PID的系统框图及流程图明确控制算法过程。根据对比例控制，积分控制，微分控制的原理介绍及各种控制算法的特点和适用范围，最终选取比例积分微分控制算法来计算。通过比较几种积分型性能指标选取其中能使误差信号最小的作为适合伺服控制系统的性能指标。

　　本章为文章所涉及的基础理论，简要介绍了调节阀的分类、用途及发展，定位器作为调节阀的的主要部件，在调节阀的作用中必然起到极为重要的作用。通过介绍电气阀门定位器，气动阀门定位器的结构组成，分析工作过程中可能会受到的影响，总结传统阀门定位器的缺点。在此基础上提出智能型调节阀定位器的概念并介绍其原理，通过比较罗列出智能型调节阀定位器相比于传统调节阀定位器的优点，明确题目的研究背景与意义。最后简单介绍此论文的组织结构及主要内容，确定文章思路。

　　通过对各种智能型调节阀定位器的比较并对典型的智能型调节阀定位器的分析可知，对于不同型号、不同额定行程的智能型调节阀定位器总结得出：各种定位器除主要的通信方式存在些不同外，剩下的其它结构都没有太大的区别、大致相同。硬件部分主要由四部分构成即：信号调理模块、微处理器模块、电气转换模块、阀位检测反馈模块。硬件组成原理图如图2-1。

　　信号调理模块:顾名思义，就是对信号进行调理的电路。主要作用就是接收上一级电路输送来的初始信号和反馈信号进行有效调理，调理的主要内容就是将上一级输送来的电压的模拟信号转换成单片机可以接受的数字信号，并将得到的数字信号送入微控制器。

　　微控制器模块：信号调理模块将得到的两个数字信号送入微处理器，并对两个数字信号按照规定好的特性关系（两个数字信号相等或者在一定的误差范围内）进行比较,根据比较结果来进一步判断实际阀门开度与设定阀门开度的对应关系,并输出相应的控制信号到电气转换模块。作为整个阀门定位器的核心部件，调节阀定位器的性能优劣与定位器的控制效果有着直接关系。原则上选取的微控制器不仅要求功能较强、功耗较低而且还要满足抗干扰能力强、价格低等要求。

　　电气转换模块：电气转换模块是阀门定位器的关键部件之一，它是将微处理器输入的控制电信号转换为相应的气压信号送至气动执行机构,推动调节机构动作。由智能型调节阀定位器的功能要求这一模块必须有较好的可控性、抗振动性，同时又要求其耗电量、耗气量较低，这些指标都是直接影响整机性能的。

　　阀位检测反馈装置：检测执行机构的阀杆位移并将其转换为电信号反馈至定位器的信号调理模块。

　　报警与复位：系统工作过程中某一环节发生错误可能会导致整个系统受损，因此当系统中发生错误时可通过报警模块及时发出警报并采取停止系统运行等措施，故障修复后通过复位电路使系统重新正常运行。这一部分的设计在了解报其原理的基础上通过光电耦合器或其它器件根据不同的信号判断出是否发出报警信号。

　　显示部分：显示器是人机交互模块中的一部分。用来显示调节阀定位器的各种运行参数和状态信息，为现场工作人员提供完善的就地操作功能。显示部分可以选用液晶显示器（LCD）、发光二极管（LED）等，但LED主要状态显示，可显示的信息不够全面。而LCD可完成数字或图形显示。LCD的主要特点包括易于色彩化；没有磁电辐射，对人体安全；显示的信息量大，此外，LCD功耗较低，总的来说可以达到较为良好的人机对话效果。因此通过比较，设计中的显示部分选用LCD。

　　通信部分：通信部分主要是把现场的运行参数、一次开关工作状态等信息通过数字通信网络上传至后台管理系统计算机，并接收它们发送给现场的有关信息和指令[10]。

　　智能型调节阀定位器硬件模块的整体设计方案如图2-2，硬件模块主要包括中央处理器单片机、控制升压降压的压电阀、检测传递反馈信号的阀位传感器、显示定位器数据及输入控制命令的人机交互几个部分。

　　设定信号是调节器输出的4-20mA的标准电流信号,此信号经过信号调理电路（I/V电流电压转换电路）将电流信号转化为电压信号，再经模数转换器（A/D转换）将模拟信号转换成为CPU能接收的数字信号送入CPU中，阀位传感器输入信号通过同样的过程输入到CPU中。二者在CPU中进行比较,当二者不相等或存在偏差范围较大时,改变其到压电阀的输出控制信号,控制执行机构进行动作,直至输出信号稳定。定位器系统供电由工业标准电源提供,同时定位器具有人机交互模块即按键、液晶显示等。

　　控制部分基本上是一个以单片机或其它可编程数字处理器件为中心的最小系统。在智能型调节乐鱼股份有限公司阀定位器设计的控制部分主要进行以下工作：将检测到的阀门开度信号作为反馈测量信号输送到单片机，并与控制器输送来的初始设定信号进行比较。二者不等或者存在偏差范围过大时，通过控制系统的控制调节，输出相应信号给执行机构，控制执行机构如何动作。

　　微控制器是控制部分的核心，目前接触到的控制器主要有单片机、可编程逻辑控制器（PLC）、数值信号处理（DSP）、ARM等。其中PLC主要用于工业自动等领域，大多采用梯形图编程，价格较为昂贵。DSP主要用于算法复杂的场合或图像处理等。单片机方式经济,处理能力强，根据智能阀门定位器的功能，进行扩展的外围电路主要有信号调理（I/V转换电路）输出，LCD显示和按键等，综合项目需求与成本考虑此设计中的微控制器选用MSP430f149。

　　2)超低功耗：激活模式：280μA（在1MHz频率和2.2V电压条件下）

　　单片机最小系统是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，一般包括：电源、晶振电路及复位电路[11]。通过对MSP430f149单片机的特性的了解这部分设计了最小系统中的晶振电路、复位电路。

　　晶振电路中：晶振要与单片机的晶振的工作引脚XIN、XOUT并联。电容C1、C2的取值在10-30pF之间选择都是可以的，主要作用是要过滤掉晶振部分的高频信号，让晶振工作的时候更加稳定。

　　复位电路中：S1为按键复位，由电容电阻等构成的复位电路，在开发板供电时，提供一个延迟的低电平给单片机的RST端口，可以让单片机在供电时，能够自动复位，从零开始执行程序。

　　由于本系统设计定位器选用的的输入信号范围为二线mA电流设定信号。而单片机I/O口最高承受5V数字电压信号，因此需要设计一个电流电压转换电路(I/V转换电路)来实现4-20mA的电流信号到低于5V的电压信号的转换。如果通过采样电阻来实现电流电压的转换，二者存在线性关系，但是其中电流信号范围是4-20mA，量程起点不为零，如果转换成0-5V的电压范围的话还需要设置一定的偏置电压，较为繁琐。因此这部分电路设计的是0-20mA的电流信号到1-5V的电压信号的转换，即当输入4mA的电流时，电路输出1V的电压；当输入20mA的电流时电路输出5V电压。电路设计图如图2-5所示，这一电路主要是利用有源器件运算放大器及电阻构成的，当设定电流输入后，由于极性电容的作用使电阻两端产生一定的压降，这一部分实现了电流到电压的转换。然后电压经过运算放大器的放大得到我们需要的电压范围，从而完成电流到电压的转换。

　　现如今通过数字计算机技术来处理信号这种方法已经应用的非常广泛了，这种技术对提高控制领域中的系统的性能指标有着非常有效的作用。而在实际工作过程中，系统工作对象往往都是在一定范围内变化的模拟量，而单片机只能识别二进制的离散的数字量，模拟量这种连续变量不会直接被单片机接受。因此，若想要单片机对测量到的模拟信号进行分析处理只能先将其变为离散的二进制信号，这种变换就是通过设计出的模数转换电路来完成的。这部分我们设计的模数转换电路实现的就是将经电流电压变换得到的电压信号和阀位检测装置反馈回来的电压信号转换成数字量输入单片机中进行比较以判断实际阀门开度与要求的阀门开度的关系。同样的，计算机分析处理后的数字信号要重新转换成模拟信号才能再次向下传递保证系统的正常运行。所以，在单片机输出信号后要紧接着设计一个数模转换（D/A）电路。总结来说，由于单片机输入输出信号的特殊性这部分我们要分别设计一个模数转换电路和一个数模转换电路。

　　这部分设计的A/D转换电路主要如图2-6。MSP430f149芯片虽然自带模数转换模块，但是由于这部分精度要求较高，所以我们选择用外部扩展A/D转换器的方式，这部分转换芯片选用的是输入范围可调的12位精度的高速转换芯片ADC-MAX197，MAX197芯片为单一电源供电且转换时间很短,引脚图及其说明如下：

　　采用外部时钟模式时，外部时钟脉冲由此输入；采用内部时钟模式时，对地接一电容以设置内部时钟频率

　　参考缓冲输出/ADC参考输出。内部参考时，参考缓冲输出4.096V，并在REFADJ引脚上调节；外部参考时，使REFADJ和相连从而屏蔽内部缓冲器。

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