計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、2 8.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則與步驟 8.2 系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 8.3 電熱油爐溫度單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8.4角位置伺服系統(tǒng)IPC控制設(shè)計(jì)3 8.1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則 安全可靠 操作維護(hù)方便 實(shí)時(shí)性強(qiáng) 通用性好 經(jīng)濟(jì)效益高4 工程項(xiàng)目與控制任務(wù)的確定階段 甲方提出任務(wù)委托書(shū) 乙方研究任務(wù)委托書(shū) 雙方對(duì)委托書(shū)進(jìn)行確認(rèn)性修改 乙方初步進(jìn)行系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 乙方進(jìn)行方案可行性論證 簽訂合同書(shū) 5 工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段 組建項(xiàng)目研制小組、 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)、 方案論證與評(píng)審、 硬件和軟件的細(xì)化設(shè)計(jì)、 硬件和軟件的調(diào)試、 系統(tǒng)的組裝 6離線硬件聯(lián)調(diào)離線軟件聯(lián)調(diào)離線硬件軟件統(tǒng)調(diào)考機(jī)現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試試運(yùn)行驗(yàn)收結(jié)束

2、圖8.1離線仿真和調(diào)試階段流程如圖 7 在線調(diào)試和運(yùn)行階段 系統(tǒng)離線仿真和調(diào)試后便可進(jìn)行在線調(diào)試和運(yùn)行。在線調(diào)試和運(yùn)行就是將系統(tǒng)和生產(chǎn)過(guò)程聯(lián)接在一起，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和運(yùn)行。盡管離線仿真和調(diào)試工作非常認(rèn)真、仔細(xì)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和運(yùn)行仍可能出現(xiàn)問(wèn)題，因此必須認(rèn)真分析加以解決。系統(tǒng)運(yùn)行正常后，可以再試運(yùn)行一段時(shí)間，即可組織驗(yàn)收。驗(yàn)收是系統(tǒng)項(xiàng)目最終完成的標(biāo)志，應(yīng)由甲方主持乙方參加，雙方協(xié)同辦理。驗(yàn)收完畢應(yīng)形成驗(yàn)收文件存檔 。8 8.2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)確定系統(tǒng)的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備選擇確定控制策略和控制算法硬件、軟件功能的劃分其它方面的考慮系統(tǒng)總體方案9 系統(tǒng)總體方案 總體設(shè)計(jì)后將形成系統(tǒng)的

3、總體方案。總體方案確認(rèn)后，要形成文件，建立總體方案文檔。系統(tǒng)總體文件的內(nèi)容包括： 系統(tǒng)的主要功能、技術(shù)指標(biāo)、原理性方框圖及文字說(shuō)明。 控制策略和控制算法，例如PID控制、達(dá)林算法、Smith補(bǔ)償控制、最級(jí)控制、前饋控制、解耦控制、模糊控制、最優(yōu)控制等。 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及配置，主要的軟件功能、結(jié)構(gòu)及框圖。 方案比較和選擇。 保證性能指標(biāo)要求的技術(shù)措施。 抗干擾和可靠性設(shè)計(jì)。 機(jī)柜或機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 經(jīng)費(fèi)和進(jìn)度計(jì)劃的安排。10 選擇系統(tǒng)的總線和主機(jī)機(jī)型l 選擇系統(tǒng)的總線l 內(nèi)總線選擇l常用的工業(yè)控制機(jī)內(nèi)總線有兩種：PC總線和STD總線。一般常選用PC總線工業(yè)控制機(jī)。l 外總線選擇l根據(jù)計(jì)算機(jī)控制系

4、統(tǒng)的基本類型，如果采用分級(jí)控制系統(tǒng)DCS等，必然有通信的問(wèn)題。l外總線就是計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與智能儀器或智能外設(shè)之間進(jìn)行通信的總線，它包括并行通信總線(IEEE-488)和串行通信總線(RS232C)。另外還有可用來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信、多站點(diǎn)互聯(lián)的通信總線RS422和RS485。11 選擇主機(jī)機(jī)型l在總線式工業(yè)控制機(jī)中，有許多機(jī)型，都因采用的CPU不同而不同。l以PC總線工業(yè)控制既為例，其CPU有8088、80286、80386、80486、Pentium(586)等多種型號(hào)，l內(nèi)存、硬盤(pán)、主頻、顯示卡、CRT顯示器也有多種規(guī)格。l設(shè)計(jì)人員可根據(jù)要求合理地進(jìn)行選型 12 選擇輸入輸出通道模

5、板 數(shù)字量(開(kāi)關(guān)量)輸入輸出(DIDO)模板 PC總線的并行IO接口模板多種多樣，通?？煞譃門(mén)TL電平的DIDO和帶光電隔離的DIDO。通常和工業(yè)控制機(jī)共地裝置的接口可以采用TTL電平，而其它裝置與工業(yè)控制機(jī)之間則采用光電隔離。對(duì)于大容量的DIDO系統(tǒng)，往往選用大容量的TTL電平的DIDO板，而將光電隔離及驅(qū)動(dòng)功能安排在工業(yè)控制機(jī)總線之外的非總線模板上，如繼電器板（包括固體繼電器板）等。13 選擇輸入輸出通道模板 模擬量輸入輸出(AIAO)模板 AIAO模板包括AD、DA板及信號(hào)調(diào)理電路等。AI模板輸入可能是05V、110V、010mA、420mA以及熱電偶、熱電阻和各種變送器的信號(hào)。AO模板

6、輸出可能05V、110V、010mA、420mA等信號(hào)。選擇AIAO模板時(shí)必須注意分辨率、轉(zhuǎn)換速度、量程范圍等技術(shù)指標(biāo)。14 選擇變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu) 選擇要送器 變送器是這樣一種儀表，它能將被測(cè)變量（如溫度、壓力、物位、流量、電壓、電流等）轉(zhuǎn)換為可遠(yuǎn)傳的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(010mA、420mA等)，且輸出信號(hào)與被測(cè)變量有一定的連續(xù)關(guān)系。在控制系統(tǒng)中其輸出信號(hào)被送至工業(yè)控制機(jī)進(jìn)行處理、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。 DDZ-型變送器輸出的是420mA信號(hào),供電電源為24V(DC)且采用二線制，DDZ-型比DDZ-型變送器性能好,使用方便。DDZ-S系列變送器是在總結(jié)DDZ型變送器的基礎(chǔ)上，吸取了國(guó)外同類變送器的先進(jìn)技

7、術(shù)，采用模擬技術(shù)與數(shù)字技術(shù)相結(jié)合，從而開(kāi)發(fā)出的新一代變送器?，F(xiàn)場(chǎng)總線儀表也將被推廣應(yīng)用。 常用的變送器有溫度變送器、壓力變送器、液位變送器、差壓變送器、流量變送器、各種電量變送器等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可根據(jù)被測(cè)參數(shù)的種類、量程、被測(cè)對(duì)象的介質(zhì)類型和環(huán)境來(lái)選擇變送器的具體型號(hào)。15 選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是控制系統(tǒng)中必不可少的組成部分，它的作用是接受計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成調(diào)整機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，使生產(chǎn)過(guò)程按預(yù)先規(guī)定的要求正常運(yùn)行。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為氣動(dòng)、電動(dòng)、液壓三種類型。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的持點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低、防火防爆；電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的持點(diǎn)是體積小、種類多、使用方便；液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是推力大、精度高。

8、常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為氣動(dòng)和電動(dòng)兩種。 另外，還有各種有觸點(diǎn)和無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，也是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)動(dòng)作。電磁閥作為一種開(kāi)關(guān)閥在工業(yè)中也得到了廣泛的應(yīng)用。 在系統(tǒng)中，選樣氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電磁閥、有觸點(diǎn)和無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)之中的哪種，要跟據(jù)系統(tǒng)的要求來(lái)確定。但要實(shí)現(xiàn)連續(xù)的精確的控制目的，必須選用氣動(dòng)或電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，對(duì)要求不高的控制系統(tǒng)可選用電磁閥。16 編程語(yǔ)言選擇 匯編語(yǔ)言 匯編語(yǔ)言是面向具體微處理器的，使用它能夠具體描述控制運(yùn)算和處理的過(guò)程、緊湊地使用內(nèi)存，對(duì)內(nèi)存和八)空間的分配比較清楚，能夠充分發(fā)揮硬件的性能，所編軟件運(yùn)算速度快、實(shí)時(shí)性好，所以主要用于過(guò)程信號(hào)的檢測(cè)、控制計(jì)算和控制輸出的處理。 高級(jí)語(yǔ)

9、言 采用高級(jí)語(yǔ)言編程的優(yōu)點(diǎn)是編程效率高，不必了解計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)和內(nèi)存分配等問(wèn)題，其計(jì)算公式與數(shù)學(xué)公式相近等。其缺點(diǎn)是，編制的源程序經(jīng)過(guò)編譯后、可執(zhí)行的目標(biāo)代碼比完成同樣功能的匯編語(yǔ)言的目標(biāo)代碼長(zhǎng)得多，一方面占用內(nèi)存量增多，另一方面使得執(zhí)行時(shí)間增加很多，往往難于滿足實(shí)時(shí)性的要求。 組態(tài)軟件 組態(tài)軟件是一種針對(duì)控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的面向問(wèn)題的高級(jí)語(yǔ)言，它為用戶提供了眾多的功能模塊 17 2數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃 從數(shù)據(jù)類型：邏輯型和數(shù)值型，但通常將邏輯型數(shù)據(jù)歸到軟件標(biāo)志中去考慮。 數(shù)值型可分為定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)。定點(diǎn)數(shù)有直觀、編程簡(jiǎn)單、運(yùn)算速度快的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是表示的數(shù)值動(dòng)態(tài)范圍小，容易溢出。浮點(diǎn)數(shù)則相反

10、，數(shù)值動(dòng)態(tài)范圍大、相對(duì)精度穩(wěn)定、不易溢出，但編程復(fù)雜，運(yùn)算速度低。 如果某參數(shù)是系列有序數(shù)據(jù)的集合，如采樣信號(hào)序列，則不只有數(shù)據(jù)類型問(wèn)題，還有一個(gè)數(shù)據(jù)存放格式問(wèn)題，即數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)問(wèn)題。18 3資源分配完成數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的規(guī)劃后，便可開(kāi)始分配系統(tǒng)的資源了。 系統(tǒng)資源包括ROM、RAM、定時(shí)器計(jì)數(shù)器、個(gè)斷源、IO地址等。 ROM資源用來(lái)存放程序和表格，IO地址、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷源在任務(wù)分折時(shí)已經(jīng)分配好了。 因此，資源分配的主要工作是RAM資源的分配，RAM資源規(guī)劃好后，應(yīng)列出一張RAM資源的詳細(xì)分配清單，作為編程依據(jù) 19 4實(shí)時(shí)控制軟件設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理程序 數(shù)據(jù)采集程序主要包括模擬量

11、和數(shù)字量多路信號(hào)的采樣、輸入變換、存儲(chǔ)等。數(shù)據(jù)處理程序主要包括數(shù)字濾波程序、線性化處理和非線件補(bǔ)償、標(biāo)度變換程序、超限報(bào)警程序等。 (2)控制算法程序 控制算法程序主要實(shí)現(xiàn)控制規(guī)律的計(jì)算，產(chǎn)生控制量。其中包括：數(shù)字PID控制算法、大林算法、Smith補(bǔ)償控制算法、最少拍控制算法、串級(jí)控制算法、前饋控制算法、解耦控制算法、模糊控制算法、最優(yōu)控制算法等。：實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，可選擇合適的一種或幾種控制算法，來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。20 4實(shí)時(shí)控制軟件設(shè)計(jì) (3)控制量輸出程序 控制量輸出程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)控制量的處理(上下限和變化率處理)、控制量的變換及輸出，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或各種電氣開(kāi)關(guān)?？刂屏恳舶M量和開(kāi)關(guān)量輸出兩種。模

12、擬控制量由D/A轉(zhuǎn)換模板輸出，般為標(biāo)準(zhǔn)的010mA(DC)或420mA(DC)信號(hào)，該信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)如各種調(diào)節(jié)閥。開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)各種電氣開(kāi)關(guān)。21 (4)實(shí)時(shí)時(shí)鐘和中斷處理程序 實(shí)時(shí)時(shí)鐘是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一切與時(shí)間有關(guān)過(guò)程的運(yùn)行基礎(chǔ) 實(shí)時(shí)任務(wù)有兩類：第類是周期性的，如每天固定時(shí)間啟動(dòng)，固定時(shí)間撤消的任務(wù)，它的重復(fù)周期是一天。第二類是臨時(shí)性任務(wù)，操作者預(yù)定好啟動(dòng)和撤消時(shí)間后由系統(tǒng)時(shí)鐘來(lái)執(zhí)行，但僅一次有效。 許多實(shí)時(shí)任務(wù)如采樣用期、定時(shí)顯示打印、定時(shí)數(shù)據(jù)處理等都必須利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)。并由實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序去執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作或處理動(dòng)作狀態(tài)標(biāo)志等。 另外，事故報(bào)警、掉電檢測(cè)及處理、重要的事件處理等功

13、能的實(shí)現(xiàn)也常常使用中斷技術(shù)，以便計(jì)算機(jī)能對(duì)事件做出及時(shí)處理。事件處理用中斷服務(wù)程序和相應(yīng)的硬件電路來(lái)完成。22 (5)數(shù)據(jù)管理程序 這部分程序用于生產(chǎn)管理，主要包括畫(huà)而顯示、變化趨勢(shì)分析、報(bào)警記錄、統(tǒng)計(jì)報(bào)表打印輸出等。 (6)數(shù)據(jù)通信程序 數(shù)據(jù)通信程序主要完成計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與智能設(shè)備之間的信息傳遞和交換。這個(gè)功能主要在分散型控制系統(tǒng)、分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn) 23 系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行分為離線仿真與調(diào)試階段和在線調(diào)試與運(yùn)行階段。離線仿真與調(diào)試階段般在實(shí)驗(yàn)室或非工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，在線調(diào)試與運(yùn)行階段是在生產(chǎn)過(guò)程工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。離線仿真與調(diào)試階段是基礎(chǔ)，是檢查硬件和軟件的整體性能，

14、為現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)做準(zhǔn)備，現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)是對(duì)全系統(tǒng)的實(shí)際考驗(yàn)與檢查。系統(tǒng)調(diào)試的內(nèi)容很豐富，碰到的問(wèn)題是干變?nèi)f化的，解決的方法也是多種多樣的，并沒(méi)有統(tǒng)一的模式。24 硬件調(diào)試對(duì)于各種標(biāo)準(zhǔn)功能模板，按照說(shuō)明書(shū)檢查主要功能。 在調(diào)試AD和DA模板之前，必須準(zhǔn)備好信號(hào)源、數(shù)字電壓表、電流表等 利用開(kāi)關(guān)量輸入和輸出程序來(lái)檢查開(kāi)關(guān)量輸入(DI)和開(kāi)關(guān)量輸出(DO)模板 硬件調(diào)試還包括現(xiàn)場(chǎng)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu) 如是分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和分散型控制系統(tǒng)，還要調(diào)試通信功能，驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。 25 軟件調(diào)試 軟件調(diào)試的順序是子程序、功能模塊和主程序。 般與過(guò)程輸入輸出通道無(wú)關(guān)的程序，都可用開(kāi)發(fā)機(jī)(仿真器)的調(diào)試程序進(jìn)行調(diào)試 系統(tǒng)

15、控制模塊的調(diào)試庇分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種情況進(jìn)行。開(kāi)環(huán)調(diào)試是檢查它的階躍響應(yīng)特性，閉環(huán)調(diào)試是檢查它的反饋控制功能 整體調(diào)試的方法是自底向上逐步擴(kuò)大 26 系統(tǒng)仿真 在硬件和相軟件分別聯(lián)調(diào)后，必須再進(jìn)行全系統(tǒng)的硬件、軟件統(tǒng)調(diào)。這次的統(tǒng)調(diào)試驗(yàn)，就是通常所說(shuō)的“系統(tǒng)仿真”(也稱為模擬調(diào)試)。 所謂系統(tǒng)仿真，就是應(yīng)用相似原理和類比關(guān)系來(lái)研究事物，也就是用模型來(lái)代替實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程(即被控對(duì)象)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究。 系統(tǒng)仿真有以下三種類型： 全物理仿真(或稱在模擬環(huán)境條件下的全實(shí)物仿真)； 半物理仿真(或稱硬件閉路動(dòng)態(tài)試驗(yàn))； 數(shù)字仿真(或稱計(jì)算機(jī)仿真)。27現(xiàn)場(chǎng)安裝及在線調(diào)試前先要進(jìn)行下列檢查：l 檢測(cè)元件、變送器

16、、顯示儀表、調(diào)節(jié)閥等必須經(jīng)過(guò)校驗(yàn)，保證精確度要求。作為檢查，可進(jìn)行一些現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)。l 各種接線和導(dǎo)管必須經(jīng)過(guò)檢查，保證連接正確。例如，孔板的上下引壓導(dǎo)管要與差壓變送器的正負(fù)壓輸入端極性一致；熱電偶的正負(fù)端與相應(yīng)的補(bǔ)償導(dǎo)線相連接，并與溫度變送器的正負(fù)輸入端極性致等。除了極性不得接反以外，對(duì)號(hào)位置都不應(yīng)接措。l 對(duì)在流量中采用隔離液的系統(tǒng)，要在清洗好引壓導(dǎo)管以后。灌入隔離液(封液)。l 檢查調(diào)節(jié)閥能否正確工件。旁路閥及上下游截?cái)嚅y關(guān)閉或打開(kāi)，要搞正確。l 檢查系統(tǒng)的干擾情況和接地情況，如果不符合要求，應(yīng)采取措施。l 對(duì)安全防護(hù)措施也要檢查。經(jīng)過(guò)檢查并已安裝正確后即可進(jìn)行系統(tǒng)的投運(yùn)和參數(shù)的整定。投運(yùn)時(shí)

17、應(yīng)先切入手動(dòng)，等系統(tǒng)運(yùn)行接近于給定位時(shí)再切入自動(dòng)，并進(jìn)行參數(shù)的整定。28 8.3.1控制任務(wù)與工藝要求 系統(tǒng)概述14567P3反應(yīng)釜2T1T2T3T4T5Y2914567P3反應(yīng)釜2T1T2T3T4T5Y序號(hào)序號(hào)1234567名稱名稱注油泵注油泵膨脹槽膨脹槽電控柜電控柜過(guò)濾器過(guò)濾器油氣分離器油氣分離器循環(huán)泵循環(huán)泵加熱爐加熱爐T1：出口溫度 T2：入口溫度30圖8.3電熱油爐主電路原理圖31 設(shè)定出口溫度、實(shí)際測(cè)量的出口溫度、入口溫度數(shù)碼管顯示 控制循環(huán)泵的運(yùn)行 控制二路交流接觸器、一路固態(tài)繼電器 九段溫度曲線給定設(shè)置 溫度范圍：0300 供電電壓:三相交流380V 功率：5.6KW32電熱油爐

18、溫度的控制，根據(jù)工藝要求不同而有所變化，但大體上可以歸納為以下幾個(gè)過(guò)程： 自由升溫段，即根據(jù)電阻爐自身的條件，不對(duì)升溫速度進(jìn)行控制的升溫過(guò)程。 恒速升溫段，即要求爐溫上升的速度按某一斜率1進(jìn)行。 保溫段，即要求在某一過(guò)程中爐溫基本保持不變。 恒速降溫段，即要求爐溫下降的速度按某一斜率2進(jìn)行。 自由降溫段，即根據(jù)電阻爐自身的條件，不對(duì)降溫速度進(jìn)行控制的升溫過(guò)程。33MOPOTT=10%T2VOeTT爐溫變化曲線要求參數(shù)如下：爐溫變化曲線要求參數(shù)如下：過(guò)渡過(guò)程時(shí)間過(guò)渡過(guò)程時(shí)間ta：即從升溫開(kāi)始到進(jìn)入保溫段的時(shí)間，：即從升溫開(kāi)始到進(jìn)入保溫段的時(shí)間，ta100min.超調(diào)量超調(diào)量P:即升溫過(guò)程的溫度最

19、大值即升溫過(guò)程的溫度最大值TM與保溫值與保溫值TO之差與之差與保溫值之比，保溫值之比，靜態(tài)誤差靜態(tài)誤差ev：即當(dāng)溫度進(jìn)入保溫段后的實(shí)際溫度值：即當(dāng)溫度進(jìn)入保溫段后的實(shí)際溫度值T與保與保溫值溫值TO之差的絕對(duì)值之差的絕對(duì)值溫度的變化范圍：溫度的變化范圍：20220，保溫值為，保溫值為200。34 系統(tǒng)的基本工作原理AT89S52信號(hào)處理電路A/D轉(zhuǎn)換EEPROM固態(tài)繼電器晶閘管三相調(diào)功模塊報(bào)警電路顯示、鍵盤(pán)入 口 溫度出 口 溫度油泵加熱爐圖8.5 電熱油爐溫度控制系統(tǒng)框圖35 電熱油爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)采用51系列單片機(jī)作為控制器，鉑電阻溫度計(jì)作為溫度檢測(cè)元件，控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通和斷開(kāi)時(shí)間的長(zhǎng)

20、短來(lái)控制電熱元件的通電時(shí)間來(lái)控制導(dǎo)熱油溫度。另外，系統(tǒng)還擴(kuò)展了數(shù)碼管顯示、鍵盤(pán)、報(bào)警電路，其系統(tǒng)框圖如圖8.5所示。 通過(guò)控制過(guò)零觸發(fā)型固態(tài)繼電器的通斷比,來(lái)控制輸入到加熱爐的功率,從而達(dá)到控制溫度的目的。 固態(tài)繼電器有兩個(gè)輸入控制端,另外兩端為輸出控制端,中間利用光電耦合器實(shí)現(xiàn)電氣隔離. 輸入端只要很小的輸入電流便能控制它的導(dǎo)通,沒(méi)有輸入電流則截止. 與有觸點(diǎn)的繼電器相比,固態(tài)繼電器控制電路簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)速度快、使用壽命長(zhǎng)、沒(méi)有噪音等一系列優(yōu)點(diǎn)。 36 單片機(jī)的選擇 選擇AT89S52單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，AT89S52內(nèi)部有8K的程序儲(chǔ)存器，256字節(jié)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器，因而無(wú)需再擴(kuò)展儲(chǔ)存器，使

21、系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化。主要完成溫度的采集、控制、顯示和報(bào)警等功能。 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器擴(kuò)展 設(shè)定的溫度曲線需要長(zhǎng)期保存，擴(kuò)展一片串行EEPROM AT24C256來(lái)保存設(shè)定的溫度曲線 37 傳感器的選擇 目前在溫度測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)，除了廣泛使用熱電偶以外，電阻溫度計(jì)也得到了廣泛的應(yīng)用，尤其工業(yè)生產(chǎn)中120500范圍內(nèi)的溫度測(cè)量常常使用電阻溫度計(jì)。 本例中采用鉑電阻來(lái)測(cè)量溫度，其分度號(hào)為，電阻的初值為，溫度每升高一度，鉑電阻的阻值約增加。 38圖圖8.6 鉑電阻及其信號(hào)放大電路圖鉑電阻及其信號(hào)放大電路圖39 測(cè)量部分是一個(gè)不平衡電橋，鉑電阻與固定電阻組成不平衡電橋的四個(gè)橋臂。 為了保證測(cè)溫的精度，采用兩次穩(wěn)壓。 在溫

22、度為0時(shí)，鉑電阻的阻值，電橋平衡，對(duì)角線A、B兩點(diǎn)沒(méi)有電壓差； 當(dāng)溫度變化時(shí)，鉑電阻的阻值變?yōu)?，其變化值與溫度成正比，電橋不平衡，使對(duì)角線A、B兩點(diǎn)有電壓差，此電壓差送到運(yùn)算放大器的輸入端，經(jīng)過(guò)放大后送到A/D轉(zhuǎn)換芯片。 改變R2*，RL的數(shù)值，可以得到不同的放大系數(shù) 40EA/VP31X119X218RESET9RD17W R16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728P

23、SEN29ALE/P30TXD11RXD10U189S52NC1NC2NC3GND4VCC8TEST7SCL6SDA5U2AT24C256NC1CS2CH03CH14CH25CH36DGND7Vcc14DI13CLK12SART11DO10AGND8REF9U3TLC0834VCCVCCOUTVCCR3R4VCCR5R6L1L2VCCR7VCCY1C230pFC130pFVCCCS1CS2CLKZDIOZKEYINT34U4B74F0412U4A74041234U8SSRR2R1VCCVCC+-U7J1220V41溫度的設(shè)定與測(cè)量結(jié)果通過(guò)鍵盤(pán)和數(shù)碼管顯示電路完成。鍵盤(pán)顯示電路由ZLG7289A

24、芯片完成。ZLG7289A是廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司自行設(shè)計(jì)的具有SPI串行接口功能的可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管或64只獨(dú)立LED的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片同時(shí)還可連接多達(dá)64鍵的鍵盤(pán)矩陣，單片即可完成LED顯示鍵盤(pán)接口的全部功能。不需要的按鍵可以不接。ZLG7289A 內(nèi)部含有譯碼器，可直接接受BCD碼或16進(jìn)制碼，并同時(shí)具有2 種譯碼方式。此外還具有多種控制指令如消隱閃爍左移右移段尋址等。ZLG7289A 具有片選信號(hào)可方便地實(shí)現(xiàn)多于8 位的顯示或多于64 鍵的鍵盤(pán)接口。系統(tǒng)中擴(kuò)展了二片ZLG7289A驅(qū)動(dòng)12位數(shù)碼管，用來(lái)顯示導(dǎo)熱油出口溫度的給定值、出口溫度和入口溫度的測(cè)量值。鍵盤(pán)由

25、16個(gè)鍵組成，其中09數(shù)字鍵用于各種參數(shù)的設(shè)定；6個(gè)功能鍵分別是油泵啟動(dòng)鍵、油泵停止鍵、加熱啟動(dòng)鍵、加熱停止鍵、設(shè)置鍵、修改鍵。 42R TC C1VC C2NC3GND4NC5C S6C LK7DIO8KEY9SG10SF11SE12SD13SC14SB15SA16DP17DIG018DIG119DIG220DIG321DIG422DIG523DIG624DIG725C LK026R C27R ST28U5ZLG7289AR TC C1VC C2NC3GND4NC5C S6C LK7DIO8KEY9SG10SF11SE12SD13SC14SB15SA16DP17DIG018DIG119DIG

26、220DIG321DIG422DIG523DIG624DIG725C LK026R C27R ST28U6ZLG7289AVC CR 8VC CY2C 630pFC 530pFR 10R 11R 12R 13R 14R 15R 16R 17270VC CR 18R 19R 20R 21R 22R 23R 24R 25270R 26100KR 27100KR 28100KR 29100KR 30100KR 31100KR 32100KR 33100KS1S2S3S4S5S6S7S8S9S10S11S12S13S14S15S16R 26R 27R ESZLGR ESZLGR CC LK0R CC

27、LK0C S1C S2C LKZDIOZKEYINTC S1C S2C LKZDIOZKEYINTD1D8D9D10D11D12D243 選擇交流接觸器控制循環(huán)泵，晶閘管三相調(diào)功模塊控制加熱元件。三相調(diào)功模塊內(nèi)部含有晶閘管主電路、過(guò)零觸發(fā)及控制電路和強(qiáng)弱電隔離電路, 并有1 個(gè)5 引腳的控制插口, 由單片機(jī)控制其導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間完成對(duì)電熱元件的加熱，達(dá)到溫度控制的目的 44 報(bào)警電路由風(fēng)鳴器和發(fā)光二極管組成，當(dāng)系統(tǒng)中溫度超限時(shí)，燈光報(bào)警 45 數(shù)學(xué)模型建立:系統(tǒng)是帶純滯后的一階對(duì)象 1SKeW STS72minT 8min330K 通過(guò)測(cè)量飛升曲線求得的參數(shù)：46 根據(jù)溫度變化曲線的要求，可將

28、其分為三段來(lái)進(jìn)行控制：自由升溫段、保溫段和自然降溫段。而真正需要電氣控制的是前面兩個(gè)階段，即自由升溫段和保溫段。為避免過(guò)沖，從室溫到80%額定溫度為自由升溫段，在20%額定溫度時(shí)為保溫段。輸入的電功率為，=0時(shí)電功率最小，=1時(shí)為全功率。在自由升溫段中，希望升溫越快越好，總是將加熱功率全開(kāi)，因此得到自由升溫段控制方程：當(dāng)溫度時(shí)，已較接近需要保溫的值，為此采用保溫段控制方程。保溫控制方法有多種，如果采用比例控制，由于電熱元件所加功率的變化和油溫變化之間存在一段時(shí)間延遲，因此當(dāng)以溫差來(lái)控制輸出時(shí)，系統(tǒng)只有在溫度與給定值相等時(shí)才停止輸出。 47 這時(shí)由于油溫變化的延遲性質(zhì)，油溫并不因輸入停止而馬上停

29、止上升，從而超過(guò)給定值。滯后時(shí)間越大，超過(guò)給定值也越大。油溫上升到一定程度后，才開(kāi)始下降，并下降到小于給定值時(shí)系統(tǒng)才重新輸出。同樣，由于油溫變化滯后于輸出，它將繼續(xù)下降，從而造成溫度的上下波動(dòng)，即所謂的振蕩?？紤]到滯后的影響，調(diào)節(jié)規(guī)律必須加入微分因數(shù)，即PD調(diào)節(jié)。有了PD調(diào)節(jié)，系統(tǒng)輸出不僅取決于溫差的大小，還取決于溫差的變化速率。當(dāng)油溫從自由升溫段進(jìn)入保溫段時(shí)，油溫還小于給定值，但溫度變化較大，因而系統(tǒng)可以提前減少或停止輸出，使油溫不至于出現(xiàn)過(guò)大的超調(diào)。同樣，在降溫過(guò)程中也是如此。這樣就改善了油溫調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。積分作用可以提高溫度控制的靜態(tài)精度，適當(dāng)選擇積分作用，則可以在不影響動(dòng)態(tài)性能情況下

30、提高溫度控制的精度。所以保溫段控制最好采用PID控制方法。 48 PID算法和參數(shù)選定 連續(xù)系統(tǒng)PID校正的控制量P可以表示為 采用離散算法可以表示為（增量式）：01tPDIdEPKETEdtdtT11122DkkPkkkkkkITTPPkEEEEEETT491/kpokikDikikP K U UK U UT MPKDKM式中：為已知。 數(shù)字控制器的實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制器的實(shí)現(xiàn) 根據(jù)上述連續(xù)系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)出來(lái)的模擬根據(jù)上述連續(xù)系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)出來(lái)的模擬調(diào)節(jié)器，經(jīng)離散化后變成適合于計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)器，經(jīng)離散化后變成適合于計(jì)算機(jī)計(jì)算的差分方程。根據(jù)差分方程就可以計(jì)算的差分方程。根據(jù)差分方程就可以設(shè)計(jì)程序流程圖，進(jìn)行

31、程序設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)程序流程圖，進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。50 軟件設(shè)計(jì)采用C51語(yǔ)言，模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 包括初始化程序、 主程序、 A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集程序、 中值濾波程序、 PID控制算法程序、 鍵盤(pán)顯示程序等 51NN開(kāi)始上電復(fù)位初始化系統(tǒng)自檢正常？報(bào)警調(diào)LED顯示子程序調(diào)鍵盤(pán)輸入子程序NNNN設(shè)置參數(shù)啟動(dòng)油泵停止加熱停止油泵油泵啟動(dòng)？晶閘管三相調(diào)功模塊導(dǎo)通啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采樣數(shù)字濾波標(biāo)度變換溫度顯示溫度超限？全功率輸出溫差10？PID控制調(diào)鍵盤(pán)輸入子程序加熱停止鍵？NNNN有鍵按下？設(shè)定鍵？油泵啟動(dòng)鍵？加熱啟動(dòng)鍵？加熱停止鍵？油泵停止鍵？52 8.4.1. 系統(tǒng)概述 本系統(tǒng)是三自由度的角位置伺服系統(tǒng)，

32、 要求三個(gè)方位均具有精確定位、速率控制、正弦擺動(dòng)等功能， 可通過(guò)串行通訊口接收上位機(jī)的控制命令，并實(shí)時(shí)顯示三方位的角度值。 根據(jù)系統(tǒng)要求，由伺服控制、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、被控對(duì)象、測(cè)角電路構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求：相角裕度大于50，超調(diào)量小于25%，系統(tǒng)帶寬大于10Hz。53控制運(yùn)算測(cè)角電路功放上位機(jī)輸入處理輸出處理電機(jī)工控機(jī)部分被控對(duì)象控制運(yùn)算測(cè)角電路功放上位機(jī)輸入處理輸出處理電機(jī)工控機(jī)部分被控對(duì)象圖圖8.11 伺服系統(tǒng)組成框圖伺服系統(tǒng)組成框圖54 系統(tǒng)的硬件由伺服控制、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和反饋環(huán)節(jié)等組成。 驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用無(wú)刷直流力矩電機(jī)，反饋環(huán)節(jié)測(cè)角部分選用感應(yīng)同步器。 伺服控制部分采用抗干

33、擾性強(qiáng)的IPC610工控機(jī)，全數(shù)字控制，控制算法由軟件實(shí)現(xiàn) 數(shù)字量的輸入輸出部分(DIDO)：采用PCL-722并行DIO卡 模擬量的輸出部分(AO)：選用光電隔離型HY-6050板卡。 使用工控機(jī)本身的硬件資源COM1或者COM2來(lái)實(shí)現(xiàn)同上位機(jī)的通訊，命令的傳輸通過(guò)串行通訊進(jìn)行。上位機(jī)控制到工控機(jī)的命令使用串行中斷的方式，在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理；工控機(jī)到上位機(jī)的數(shù)據(jù)使用查詢的方式。55工 控 機(jī) 主 板 ISA、 PCI 總 線模入信號(hào)調(diào)理板模擬量輸出板HY-6050顯示器打印機(jī)鍵盤(pán)伺服放大數(shù)字量輸入輸出板PCI-722串口通信上位機(jī)工 控 機(jī) 主 板 ISA、 PCI 總 線模入信

34、號(hào)調(diào)理板模擬量輸出板HY-6050顯示器打印機(jī)鍵盤(pán)伺服放大數(shù)字量輸入輸出板PCI-722串口通信上位機(jī)圖圖8.12 IPC硬件組成框圖硬件組成框圖56 控制軟件分為主程序和中斷服務(wù)子程序兩大部分 主程序主要包括: 初始化程序、 界面操作程序 57開(kāi)始初始化包括初始化PCL722板卡創(chuàng)建保存采集數(shù)據(jù)的文件串口數(shù)據(jù)標(biāo)志=1顯示采集的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)保存標(biāo)志=1有按鍵按下報(bào)文數(shù)據(jù)處理子程序串口數(shù)據(jù)標(biāo)志=0保存數(shù)據(jù)子程序數(shù)據(jù)保存標(biāo)志=0計(jì)數(shù)器=0按鍵處理子程序(ESC退出)YYY開(kāi)中斷初始化串口初始化定時(shí)器設(shè)定工作方式圖圖8.13 主主程程序序流流程程圖圖58 初始化程序 主要完成各基本功能模塊的設(shè)置。 設(shè)置定時(shí)中斷：包括設(shè)置定時(shí)中斷的時(shí)間常數(shù)、修改中斷向量指向。 設(shè)置串行中斷：串行通訊的數(shù)據(jù)格式，通訊端口，中斷方式時(shí)的中斷向量。 創(chuàng)建保存數(shù)據(jù)的文件：在初始化時(shí)設(shè)定保存實(shí)時(shí)采集的角度數(shù)據(jù)的文件，原來(lái)存在的進(jìn)行覆蓋，如果不存在則創(chuàng)建文件。 初始化PCL-722板卡：設(shè)定板卡的基地址，各個(gè)通道的工作方式，初始化各個(gè)通道的端口。 初始化HY-6050板卡：設(shè)定板卡的