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                        單片機的微量計量泵閉環控制系統開發設計

                        添加時間:2020/04/08 來源:蘭州交通大學 作者:楊艷萍
                        我國對計量泵的研究開展相對較晚,國內的計量泵發展技術相對滯后。在自動控制水平的進步和現代工藝的的不斷發展今天,傳統的計量泵控制方式已經無法滿足對大規模工業化生產工藝的控制要求。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘 要

                          計量泵作為一種專門用于流體精確計量的特殊泵,已被廣泛的應用在國民經濟發展的各行各業中。隨著生產工藝和自動化控制要求的提高,對計量泵也提出了更嚴格的標準。由于國產計量泵控制方式的精度不理想、流量顯示不直觀、可靠性差,無法滿足對現代化工業生產工藝的控制需求。近些年,隨著機電一體化迅速崛起和快速發展,在測控領域掀起了一場新的革命,也對計量泵的控制提出來更高的要求。

                          本文以 MSP430 系列超低功耗單片機為控制核心,設計了一套可以通過控制步進電機方向和轉速,來實現流量控制的微量計量泵閉環控制系統。論文的主要研究內容如下:

                          首先,在對微量計量泵控制系統的各組成環節進行數學理論分析的基礎上,建立整個系統正確的數學模型,設計了與控制系統相匹配的模糊控制器,以達到流量的智能控制。用 Matlab/Simulink 仿真驗證了在步進電機的不同勵磁方式下該模糊控制器的精確性和穩定性。

                          其次,采用 MSP430 作為主控芯片,以步進電機為控制對象,以增量式光電編碼器為檢測反饋元件,設計了系統的硬件功能電路,包括系統電源電路、按鍵電路、LCD 顯示電路、步進電機驅動電路、轉速采集電路和報警電路等。用 IAR Embedded Workbench開發平臺編寫調試與硬件系統相適合的軟件程序。軟硬件相結合實現了包括按鍵控制步進電機轉動狀態,直觀顯示步進電機轉速和光電編碼器采集以及報警等功能。

                          最后,通過 VB(Visual Basic)上位機開發軟件設計了微量計量泵系統的上位機控制顯示界面,使其具有直觀顯示系統的工作模式和流量數據的功能。采用 RS232 標準串口實現控制系統上下位機的相互通信。上位機通過 COM 組件調用模糊 PID 運算,實現精確的流量控制。

                          關鍵詞:MSP430 單片機;模糊 PID 控制器;VB6.0

                        Abstract

                          Metering pump, as a specific pump designed for accurate measurement of fluid, has been widely used in various industries of our developmental national economy. With the improvement of the production technology and automation control, more strict standards are raised for metering pumps. Due to its poor control precision, indirect flow indication and unreliability, the metering pump is unable to meet the control requirements of modern industrial production processes. In recent years, with the rapid rise and development of mechatronics, a new revolution sets off in the field of measurement and control. Strict requirements are proposed for the control of the metering pump.

                          The article sets the low power consumption MSP430 series microcontroller as the core, and designs a closed-loop control system for the micro-metering pump to achieve flow control by controlling the direction and speed of the stepper motor. The main research contents are as follows:

                          Firstly, carry out mathematical analysis on each component part of the control system and establish the correct mathematical model for the entire system. In order to achieve intelligent control of the flow, a fuzzy controller is designed to match the control system. Using Matlab/Simulink to simulate and verify the accuracy and stability of the fuzzy controller on different exciting mode of the stepper motor.

                          Secondly, the function circuit of the hardware system, including the system power circuit,the button circuit, the LCD display circuit, the stepper motor drive circuit, the speed acquisition circuit and the alarm circuit, is designed using MSP430 as the main control chip, the stepper motor as control object and the incremental photoelectric encoder as feedback element for detection. Write and debug software program which fit the hardware system with IAR Embedded Workbench. Combination of hardware and software guarantees the implementation of buttons control of the stepper motor rotation status, visual display of the stepper motor speed, photoelectric encoder acquisition and alarm functions.

                          Finally, an upper computer controlled display interface for micro-metering pump in an operating mode with intuitive display system and flow data is designed using Visual Basic (VB) upper computer software. In order to realize the communication between the upper and lower computer, a standard RS232 serial interface is employed. The upper computer calls fuzzy PID operation through the COM component to achieve precise control of the flow.

                          Key Words:MSP430 microcontroller, Fuzzy PIDcontroller, VB6.0

                          作為一種專門用于流體精確計量的特殊泵,計量泵距今已有 80 年的發展史[1],它的應用早已擴展到經濟生產的各行各業,尤其是被廣泛應用于石油、制藥、化工、食品等行業。由于現代化工業對生產設備的自動化水平要求更高,人們更加注重自動化生產和安全生產的重要性。為了適應市場需求,計量泵應與智能控制技術相結合,實現復雜精確的控制[2,3]。

                          對于生產、生活中常見的小于 5L/h 的計量泵我們稱之為微量計量泵。其主要組成部分為動力驅動裝置、泵頭流體輸送和控制系統。微量計量泵有多種類型,其中柱塞式微量計量泵以其簡單的結構和極限溫度、壓力情況下的良好性能而倍受生產企業青睞。

                          1936 年,美國米頓羅·西恩發明了世界上第一臺計量泵,開創了計量泵產業的誕生。

                          1939 年,第一臺液壓驅動隔膜計量泵在紐約問世。首臺電磁計量泵于 1963 年在德國出現。在計量泵發展的初期,其運動沖程是不可調節的,要改變流量只能通過變換液體的出口位置來實現。另外,計量泵的動力驅動機構和液體傳送機構是分來的,占據了很大的體積,容易發生故障。隨著機械設計和加工技術的發展,這兩部分逐漸改進成為一體,減少了故障的發生。各行業對流量精確調節的工業要求使流量調節成為一個受人重視的領域,得到深入地研究和發展[5,6]。20 世紀 70 年代,計量泵行業的專家就提出流量可以通過改變柱塞的行程進行調節。計量泵行業一直在電氣控制和機電一體化方面尋求發展。電動伺服機的引入實現對計量泵的行程機構的自動控制。改變了長期以來,手動調節計量泵流量的操作方式。選用變頻電機或者外控變頻器控制沖程頻率實現流量調節。

                          采用內部集成微處理器計算機實現流量的精確調節[7,8]。德國的普羅名特公司、德帕姆公司等研制生產的計量泵產品主要包括脈沖信號、4mA~20mA的電流信號和現場總線CAN-BUS(Controller Area Network-Bus,控制器局域網總線技術)控制技術等[9]。這些產品將多種調節方式和現場總線技術集成到計量泵中,針對不同的需求,只要適當的調整模塊功能,就能滿足不同的應用需要。

                          經過近 80 年的發展,目前計量泵有很多種,按過流部分分類可劃分為柱塞式、隔膜式和齒輪式。按照驅動方式可分為電機驅動式、電磁驅動式和氣動式。

                          柱塞式計量泵是產生最早,結構簡單,價格低廉且排壓高。柱塞泵是由驅動機構帶動柱塞作往復運動,將液體吸入,加壓后排出。柱塞在往復運動中,由于液體的研磨作用,使柱塞磨損很快,使計量泵的使用壽命縮短,柱塞的更換增加了工業成本。而且,柱塞泵在往復運動中產生的脈動較大,使輸出的液體流量不穩定。此外,柱塞泵的軸封是填料密封式的,有泄露,還要定期填料。由于計量介質和泵內潤滑劑之間無法完全隔離,亦無法滿足高防污染的要求,這些缺點使柱塞計量泵在應用中受到諸多限制。但是在過去幾十年的發展中,柱塞泵一直保持著重要的地位,大部分產品被用于電廠和石油化工領域。

                          為了滿足計量介質無污染無泄漏的要求,在柱塞式計量泵的結構基礎上,出現了隔膜式的過流端泵頭結構,隔膜式計量泵又分為機械式隔膜計量泵和液壓式隔膜計量泵。

                          它們的主要區別在于驅動機制的不同。機械式隔膜計量泵是機械傳動直接作用于隔膜上,在驅動機構的作用下將液體吸入后加壓排出,而液壓式是由活塞驅動液壓油,再推動隔膜運動。由特殊加工制成的隔膜耐磨程度高,提高了計量泵的使用壽命。而且,運行更加可靠,對工作環境要求低,易維修并且維修更換成本低。所以,這種性價比高的計量泵成為了主力泵,被迅速推廣,如今它的應用非常廣泛[10]。

                          齒輪泵特殊的結構使其輸出的流量與排壓無關,只能作為定量泵使用。

                          國外的計量泵產業起步早,這一新興行業已經得到了很好的發展。目前,國外的計量泵種類較多,主要有機械驅動式柱塞計量泵,機械驅動式隔膜計量泵,電磁驅動式計量泵和液壓驅動式計量泵。近幾年來,國外的產品結合了不少先進的現代微電子技術與二次儀表等自動控制技術。目前國外的計量泵制造業漸漸從供應純粹的計量泵設備發展成提供一套完整的控制方案和設備,使用戶不用再考慮安裝設備之間的不兼容,這一改變提高了工業生產效率,促進計量泵的產業的發展。

                          國內計量泵產業興起于 20 世紀 70 年代初,雖然起步相對晚,但是借鑒了國外的制造技術,起點較高,由于當時的工業生產能力有限,加上沒有足夠注重后續的開發設計,使得該產業發展緩慢。隨著中國經濟形勢一片大好,國內出現了大批計量泵生產制造廠家,推出的產品成本低、售價便宜,但其性能遠不如國外的同類產品。如今國產的計量泵主要有機械驅動柱塞計量泵和液壓驅動隔膜計量泵兩種。要想拓展國產計量泵的應用市場,必須提高產品的含金量,使產品與先進的測量控制手段相結合。

                          近些年來,國內的微量計量泵成果層出不窮。運用PLC完成對行程和網絡的控制[11]。

                          伴隨著模糊控制理論的發展,使得變頻計量泵穩定性能、精確性能得以優化[12]。與單片機控制相結合的計量泵流量控制器具有直觀顯示功能[13]。這些新型控制方式的出現,讓國內計量泵產業的發展出現新氣象。

                        單片機的微量計量泵閉環控制系統開發設計

                        IAR Embedded Workbench 的軟件界面截圖
                        IAR Embedded Workbench 的軟件界面截圖

                        COM 組件生成截圖
                        COM 組件生成截圖

                        調用動態鏈接庫截圖
                        調用動態鏈接庫截圖

                        控制系統登錄界面截圖
                        控制系統登錄界面截圖

                        微量計量泵參數設置界面截圖
                        微量計量泵參數設置界面截圖

                        微量計量泵控制系統實驗平臺連接實物圖
                        微量計量泵控制系統實驗平臺連接實物圖

                        目 錄

                          摘 要
                          Abstract
                          目 錄
                          1 緒論
                            1.1 課題的研究背景
                            1.2 微量計量泵簡介
                            1.3 MSP430 單片機簡介
                            1.4 計量泵機電一體化的發展
                            1.5 微量計量泵的國內外現狀和發展趨勢
                            1.6 課題研究的意義
                            1.7 課題主要研究內容和框架
                          2 微量計量泵系統建模和模糊PID控制器設計仿真
                            2.1 微量計量泵的工作原理
                            2.2 控制系統結構分析
                            2.3 控制系統數學模型
                              2.3.1 驅動器數學模型
                              2.3.2 兩相混合步進電機數學模型
                              2.3.3 同步帶的數學模型
                              2.3.4 光電編碼器的數學模型
                            2.4 PID控制理論
                            2.5 模糊控制原理
                            2.6 模糊PID算法
                            2.7 模糊PID控制器的設計方法
                            2.8 模糊PID控制算法的Matlab仿真
                            2.9 小結
                          3 微量計量泵控制系統硬件設計
                            3.1 控制系結構及工作原理
                            3.2 主控芯片及外圍電路設計
                              3.2.1 主控芯片的選擇
                              3.2.2 單片機工作的最小系統
                              3.2.3 操作按鍵電路
                              3.2.4 數字顯示電路
                              3.2.5 光電傳感器電路
                              3.2.6 上位機通信電路設計
                              3.2.7 報警電路
                            3.3 步進電機驅動電路設計
                            3.4 光電編碼器的選擇與連接
                            3.5 電源轉換電路設計
                            3.6 硬件抗干擾設計
                            3.7 小結
                          4 系統軟件構成
                            4.1 軟件開發環境
                            4.2 系統軟件的結構
                              4.2.1 主程序設計
                              4.2.2 按鍵操作與延時消抖模塊
                              4.2.3 步進電機驅動控制程序
                              4.2.4 轉速檢測模塊
                              4.2.5 LCD1602 液晶顯示模塊
                              4.2.6 上位機通信模塊
                              4.2.7 報警處理模塊
                            4.3 軟件抗干擾設計
                            4.4 小結
                          5 上位機軟件的實現及VB界面設計
                            5.1 模糊PID控制算法的實現
                            5.2 VB內核中調用COM組件
                            5.3 微量計量泵登錄界面
                            5.4 系統整體測試
                            5.5 小結
                          結 論
                          致 謝
                          參考文獻

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