基于模糊控制的閥門定位器設計

摘要：介紹了一種基于模糊自適應整定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算法提高閥門響應速度和精度，并給出了程序流程圖。
關鍵詞：閥門定位器；模糊自適應算法；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節(jié)閥配套使用的輔助儀表。目前，國內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運而生。它采用微處理器技術和功能模塊，具有自校準自適應自診斷功能和免維護運行等特點。

1 系統(tǒng)硬件設計
本設計中運用先進的微控制器芯片及外圍擴展器件，設計具有良好性能的智能閥門定位器，對閥門的工作進行定位、監(jiān)控，實現(xiàn)閥門的執(zhí)行機構的數(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。本文設計的定位器的原理結構框圖如圖1所示。

1．1 微控制器及其外圍電路設計
微控制器采用的是XC164CM單片機，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、電磁兼容性強的特點，適用于實時性、可靠性要求高、電磁環(huán)境復雜的應用場合。C166 V2內核采用5級指令流水線機制(外加2級預取指令流水線)。該機制使得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內核中的高性能16位CPU內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完成較為復雜的數(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果的溢出。XC164CM在C166 V2內核的基礎上擴展了豐富的片上外圍子系統(tǒng)，能很好的滿足汽車傳動應用場合對各種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，分別將電壓轉換為+5V和正負12V。+5V電壓經(jīng)過LM1117變換為+2．5V，用于微控制器的內核供電。正負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轉換電路。