基于数字控制技术的电动执行器的研究与开发

论文摘要

电动执行器是过程控制的重要设备,是工业自动化系统中的执行单元。它以电动机作为动力源,将控制信号转换成相应的动作来控制阀门或挡板的位置。本文分析了国内外电动执行机构的研究现状和发展趋势,开发出了以8031单片机为核心,集智能信号采集、检测、显示和控制为一体的新型电动执行器,用于工业现场对流体的流量、速度的控制,具有安全可靠、性能优越、精度高等特点。为了使执行机构能精确、可靠的工作,减速机构一直是执行器设计的核心。本文通过比较分析,利用差动螺旋传动的相关理论,设计了一种全新的减速机构。这种减速机构具有精度高、传动平稳、方便实现微调等优点。本文不仅对其设计原理和过程做了介绍,也对设计出来的减速机构进行了多方面的校核,满足了执行器所具有的基本条件和参数要求。智能电动执行机构从结构上主要分为控制部分、执行驱动部分及信号检测部分。本文详细分析了该执行机构各功能元件的选型。系统采用的控制算法为模糊参数自整定PID,论文着重介绍了模糊参数自整定PID控制器的结构、参数整定思想、参数整定原则并建立了模糊控制决策表。系统软件采用模块化设计方案,用汇编语言编写。论文完成了监控程序、数据采集及处理、模糊参数自整定PID控制算法、速度图生成原理、键盘管理以及液晶显示等主要软件设计。从调试的结果可知,本文设计的基于数字控制的电动执行器是可行的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 电动执行器国内外发展的情况
• 1.2.1 国内发展的情况
• 1.2.2 国外电动执行机构的研究现状
• 1.3 电动执行机构的发展趋势
• 1.3.1 国外电动执行机构的发展方向
• 1.3.2 国内电动执行机构的发展方向
• 1.4 本文的研究的目的及主要工作
• 2 电动执行器的总体方案的研究
• 2.1 电动执行器的工作原理及组成
• 2.1.1 电动执行器的工作原理
• 2.1.2 智能电动执行器的结构和功能
• 2.2 减速机构方案的研究
• 2.3 控制系统方案的研究
• 2.3.1 系统的理论基础
• 2.3.2 执行器控制系统方案
• 3 减速机构的研究与设计
• 3.1 差动螺旋传动相关理论
• 3.2 减速机构结构的设计
• 3.2.1 差动螺旋减速机构模型
• 3.2.2 减速机构的结构
• 3.3 减速机构尺寸设计与校核
• 3.3.1 减速机构尺寸的确定
• 3.3.2 减速机构的校核
• 4 控制系统的研究与设计
• 4.1 控制系统的硬件设计
• 4.1.1 单片机
• 4.1.2 模拟量输入通道设计
• 4.1.3 模拟量输出通道设计
• 4.1.4 PWM 波形产生机理
• 4.1.5 开关量输入输出回路
• 4.1.6 人机界面单元
• 4.1.7 看门狗电路
• 4.1.8 位置检测反馈电路
• 4.1.9 时钟电路
• 4.1.10 通讯接口
• 4.2 电动执行机构的硬件电路板图
• 4.2.1 CPU 板
• 4.2.2 输入板
• 4.2.3 输出板
• 4.2.4 电源板
• 4.2.5 键盘及显示板
• 4.3 电动执行机构控制策略的研究
• 4.3.1 电动执行机构控制模型的确定
• 4.3.2 速度发生器数学模型的建立
• 4.3.3 速度调节器的研究（模糊参数自整定PID）
• 5 系统软件开发
• 5.1 应用系统软件设计原则
• 5.2 系统软件设计规划
• 5.3 系统软件设计
• 5.3.1 监控程序流程图
• 5.3.2 模糊参数自整定PID 控制程序流程图
• 5.3.3 速度图生成子程序
• 5.3.4 数据采集及处理子程序流程图
• 5.3.5 液晶显示子程序流程图
• 5.3.6 键盘管理程序设计
• 6 系统的可靠性设计
• 6.1 硬件抗干扰技术
• 6.1.1 去藕电路
• 6.1.2 信号隔离
• 6.1.3 接地技术
• 6.1.4 硬件滤波技术
• 6.1.5 屏蔽技术
• 6.2 软件抗干扰技术
• 6.2.1 数字滤波
• 6.2.2 指令冗余
• 6.2.3 软件陷阱
• 6.2.4 在设计中要坚持程序结构化，功能模块化原则
• 6.2.5 采用超时判断克服程序的“死锁”
• 7 结论和展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录