閉環(huán)模擬控制09

1、沈陽理工大學課程設計 過程控制課程設計閉環(huán)模擬控制系統(tǒng)設計硬件制版圖設計部分1 概述隨著科學技術的進步，人們越來越多的用計算機來實現(xiàn)控制系統(tǒng)，因此，充分理解計算機控制系統(tǒng)是十分重要的。我們可以把計算機控制系統(tǒng)看作是模擬量控制系統(tǒng)的一種近似，但這種看法是相當貧乏的，因為它沒有充分發(fā)揮計算機控制的潛力，最多只能獲得與采用模擬制時一樣的控制效果。近幾年來，計算機技術、自動控制技術、檢測與傳感技術、CRT顯示技術、通信與網(wǎng)絡技術、微電子技術的高速發(fā)展，給計算機控制技術帶來了巨大的變革。人們利用這種技術可以完成常規(guī)控制技術無法完成的任務，達到常規(guī)控制技術無法完成的性能指標。隨著計算機技術、高級控制策略、

2、現(xiàn)場總線智能儀表和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，計算機技術水平必將打打提高。計算機控制系統(tǒng)原理圖如圖1.1所示。圖1.1 計算機控制系統(tǒng)原理圖1.2系統(tǒng)的原理圖單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理圖如圖1.2所示：圖1.2單閉環(huán)轉速負反饋直流調速系統(tǒng)原理圖2 課程設計內容本課題的研究對象為直流電動機，對其轉速進行控制。基本思想是利用C8051F020自帶的PWM口，通過調整PWM的占空比，控制電機的電樞電壓，進而控制轉速。 系統(tǒng)硬件設計為：以C8051F020為核心，由轉速環(huán)、顯示、按鍵控制等電路組成。 具體內容如下： （1）、介紹直流電動機工作原理及PWM調速方法。（2）、完成以C8051F020為控制核心的直流電機數(shù)

3、字控制系統(tǒng)硬件設計。 （3）、以該系統(tǒng)的特點為基礎進行分析，使用PWM控制電機調速，并由實驗得到合適的PI控制及相關參數(shù)。 （4）、對該數(shù)字式直流電動機調速系統(tǒng)的性能做出總結。3 直流電動機調速器工作原理3.1 直流電機PWM(脈寬調制)調速工作原理在直流調速系統(tǒng)中，開關放大器提供驅動電機所需要的電壓和電流，通過改變加在電動機上的電壓的平均值來控制電機的運轉。在開關放大器中，常采用晶體管作為開關器件，晶體管如同開關一樣，總是處在接通和斷開的狀態(tài)。在晶體管處在接通時，其上的壓降可以略去；當晶體管處在斷開時，其上的壓降很大，但是電流為零，所以不論晶體管導通還是關斷，輸出晶體管中的功耗都是很小的。一

4、種比較簡單的開關放大器是按照一個固定的頻率去接通和斷開放大器，并根據(jù)需要改變一個周期內“接通”和“斷開”的相位寬窄，這樣的放大器被稱為脈沖調制放大器。PWM脈沖寬度調制技術就是通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得獲得所需要波形（含形狀和幅值）的技術。根據(jù)PWM控制技術的特點，到目前為止主要有八類方法：相電壓控制PWM、線電壓控制PWM、電流控制PWM、非線性控制PWM，諧振軟開關PWM、矢量控制PWM、直接轉矩控制PWM、空間電壓矢量控制PWM。 利用開關管對直流電動機進行PWM調速控制原理圖及輸入輸出電壓波形如圖2-1、圖2-2所示。當開關管MOSFET的柵極輸入高電平時，開關管導通

5、，直流電動機電樞繞組兩端由電壓。秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開關管截止，電動機電樞兩端電壓為0。秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關管的動作重復前面的過程。這樣，對應著輸入的電平高低，直流電動機電樞繞組兩端的電壓波形如圖2-2所示。電動機的電樞繞組兩端的電壓平均值為： （式3.1） 式中 占空比，占空比表示了在一個周期里，開關管導通的時間與周期的比值。的變化范圍為01。由式2-1可知，當電源電壓不變的情況下，電樞的端電壓的平均值取決于占空比的大小，改變值就可以改變端電壓的平均值，從而達到調速的目的，這就是PWM調速原理。在PWM調速時，占空比是一個重要參數(shù)。以下是三種可改變占空比的方法：（1）、定

6、寬調頻法:保持不變，改變，從而改變周期（或頻率）。（2）、調寬調頻法：保持不變，改變，從而改變周期（或頻率）。（3）、定頻調寬法：保持周期（或頻率）不變，同時改變、。 前2種方法由于在調速時改變了控制脈沖的周期（或頻率），當控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起振蕩，因此應用較少。目前，在直流電動機的控制中，主要使用第3種方法。圖3.1 PWM調速控制原理產(chǎn)生PWM控制信號的方法有4種，分別為：（1）、分立電子元件組成的PWM信號發(fā)生器這種方法是用分立的邏輯電子元件組成PWM信號電路。它是最早期的方式，現(xiàn)在已經(jīng)被淘汰了。（2）、軟件模擬法利用單片機的一個I/O引腳，通過軟件對該引腳不斷

7、地輸出高低電平來實現(xiàn)PWM信號輸出。這種方法要占用CPU大量時間，需要很高的單片機性能，易于實現(xiàn)，目前也逐漸被淘汰。（3）、專用PWM集成電路從PWM控制技術出現(xiàn)之日起，就有芯片制造商生產(chǎn)專用的PWM集成電路芯片，現(xiàn)在市場上已有許多種。這些芯片除了由PWM信號發(fā)生功能外，還有“死區(qū)”調節(jié)功能、保護功能等。在單片機控制直流電動機系統(tǒng)中，使用專用PWM集成電路可以減輕單片機負擔，工作也更可靠。（4）、單片機PWM口新一代的單片機增加了許多功能，其中包括PWM功能。單片機通過初始化設置，使其能自動地發(fā)出PWM脈沖波，只能在改變占空比時CPU才進行干預。其中常用后兩中方法獲得PWM信號。實驗中使用方法

8、（4）獲得PWM信號。3.2 轉速負反饋單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理3.2.1 單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成 只通過改變觸發(fā)或驅動電路的控制電壓來改變功率變換電路的輸出平均電壓，達到調節(jié)電動機轉速的目的，稱為開環(huán)調速系統(tǒng)。但開環(huán)直流調速系統(tǒng)具有局限性：（1）、通過控制可調直流電源的輸入信號，可以連續(xù)調節(jié)直流電動機的電樞電壓，實現(xiàn)直流電動機的平滑無極調速，但是，在啟動或大范圍階躍升速時，電樞電流可能遠遠超過電機額定電流，可能會損壞電動機，也會使直流可調電源因過流而燒毀。因此必須設法限制電樞動態(tài)電流的幅值。（2）、開環(huán)系統(tǒng)的額定速降一般都比較大，使得開環(huán)系統(tǒng)的調速范圍D都很小，對于大部分需要調速的生產(chǎn)機械都

9、無法滿足要求。因此必須采用閉環(huán)反饋控制的方法減小額定動態(tài)速降，以增大調速范圍。（3）、開環(huán)系統(tǒng)對于負載擾動是有靜差的。必須采用閉環(huán)反饋控制消除擾動靜差為克服其缺點，提高系統(tǒng)的控制質量，必須采用帶有負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，方框圖如圖3.3所示。在閉環(huán)系統(tǒng)中，把系統(tǒng)輸出量通過檢測裝置（傳感器）引向系統(tǒng)的輸入端，與系統(tǒng)的輸入量進行比較，從而得到反饋量與輸入量之間的偏差信號。利用此偏差信號通過控制器（調節(jié)器）產(chǎn)生控制作用，自動糾正偏差。因此，帶輸出量負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)能提高系統(tǒng)抗擾性，改善控制精度的性能，廣泛用于各類自動調節(jié)系統(tǒng)中。調節(jié)器調節(jié)器被控對象擾動量檢測裝置輸出量反饋量偏差輸入量+ 圖3.3 閉環(huán)

10、系統(tǒng)方框圖 對于調速系統(tǒng)來說，輸出量是轉速，通常引入轉速負反饋構成閉環(huán)調速系統(tǒng)。在電動機軸上安裝一臺測速發(fā)電機TG，引出與輸出量轉速成正比的負反饋電壓，與轉速給定電壓進行比較，得到偏差電壓，經(jīng)過放大器A，產(chǎn)生驅動或觸發(fā)裝置的控制電壓，去控制電動機的轉速，這就組成了反饋控制的閉環(huán)調速系統(tǒng)，如圖3.4所示。圖3.4 轉速負反饋單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)靜態(tài)框圖3.2.2速度負反饋單閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性由圖3.4，按照梅森公式可以直接寫出轉速給定電壓Un*和負載擾動電流IL與轉速n的關系式如下： （式3.2） 其中,閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)為： （式3.3）開環(huán)系統(tǒng)的負載速降為： （式3.4）由式3.2閉環(huán)時的負

11、載速降為： （式3.5）上式表明采用速度閉環(huán)控制后，其負載速降減小了（1+Kol）倍，使得閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性比開環(huán)時硬得多；因而，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多，可以大大增加閉環(huán)系統(tǒng)的調速范圍。 3.2.3轉速負反饋單閉環(huán)系統(tǒng)的基本特征 直流電動的轉速與施加于電機兩端的電壓大小有關，可以采用C8051F060片內的D/A轉換器DAC0的輸出控制直流電機的電壓從而控制點擊的轉速。在這里采用簡單的比例調節(jié)器算法（簡單的加一、減一法）。比例調節(jié)器的輸出系統(tǒng)式為：式中：y為調節(jié)器的輸出；為調節(jié)器的輸入，一般為偏差值；為比例系數(shù)。從式中可以看出，調節(jié)器的輸出y與輸入偏差成正比。因此，只要偏差一出現(xiàn)就產(chǎn)生與之成

12、比例的調節(jié)作用，具有調節(jié)及時的特點，這是一種最基本的調節(jié)規(guī)律。比例調節(jié)作用的大小除了與偏差有關外，主要取決于比例系數(shù)，比例調節(jié)系數(shù)愈大，調節(jié)作用越強，動態(tài)特性也越大。反之，比例系數(shù)越小，調節(jié)作用越弱。對于大多數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，太大時將會引起自激振蕩。比例調節(jié)的主要缺點是存在靜差，對于擾動的慣性環(huán)節(jié)，太大時會引起自激振蕩。對于擾動較大、慣性也比較大的系統(tǒng)，若采用單純的比例調節(jié)器就難于兼顧動態(tài)和靜態(tài)特性，需采用調節(jié)規(guī)律比較復雜的PI（比例積分調節(jié)器）或PID（比例積分微分調節(jié)器）算法。3.3 采用PI調節(jié)器的單閉環(huán)無靜差調速系統(tǒng)前面所述的單閉環(huán)調速系統(tǒng)采用的是比例調節(jié)器，其控制作用需要用偏差來，只能減

13、少靜差，但不能消除靜差。對于有靜差調速系統(tǒng)，如果根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標要求計算出系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)，動態(tài)性能可能較差，或根本達不到穩(wěn)態(tài)，也就談不上是否滿足穩(wěn)態(tài)要求。采用比例積分調節(jié)器代替比例放大器后，可以使系統(tǒng)穩(wěn)定且足夠的穩(wěn)定欲量，并改善動態(tài)性能，實現(xiàn)無靜差調速。圖3.6為單閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖。利用結構圖的運算法則，可以得到采用不同的調節(jié)器時，輸出量與擾動量之間的關系如下。圖3.6 帶調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統(tǒng)動態(tài)結構圖當采用比例調節(jié)器時，得式 ：當采用比例積分調節(jié)器時，調節(jié)器的傳遞函數(shù)分別為： 得到負載擾動引起的穩(wěn)態(tài)速度偏差為： 突加負載使，利用拉氏變換的終值定理可以求出負載擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差為

14、： 因此，比例積分控制的調速系統(tǒng)為無靜差系統(tǒng)。但如果積分環(huán)節(jié)出現(xiàn)在擾動點以后，它對消除靜差是無能為力的。 另外，采用比例積分控制的單閉環(huán)無靜差調速系統(tǒng)，只是在穩(wěn)態(tài)時無差，動態(tài)還是有差的。在整個調節(jié)過程中，比例部分在開始和中間階段起主要作用，在的作用下，PI調節(jié)器立即輸出比例調節(jié)部分,使晶閘管整流輸出電壓 出現(xiàn)，阻值轉速n的繼續(xù)下降，幫助轉速的順利回升，隨著轉速接近穩(wěn)態(tài)值，比例部分作用變小。積分部分在調節(jié)過程的后期起主要作用，而且依靠它最后消除轉速偏差。在動態(tài)過程中最大的轉速降落叫做動態(tài)速降（如果突減負載，則為動態(tài)速升），它表明了系統(tǒng)抗擾的動態(tài)性能?？傊捎肞I調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統(tǒng)，在穩(wěn)定運

15、行時，只要不變，轉速n的數(shù)值也保持不變，與負載的大小無關；但是在動態(tài)調節(jié)過程中，任何擾動都會引起動態(tài)速度變化。因此系統(tǒng)是轉速無靜差系統(tǒng)。需要指出，“無靜差”是理論上的，因為比例積分調節(jié)器在穩(wěn)態(tài)時電容器C兩端電壓不變，相當于開路，運算放大器的放大系數(shù)理論上為無窮大，才能達到輸入偏差電壓為0，輸出電壓為任意所需值。實際上，這時的放大系數(shù)是運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)，其數(shù)值很大，但任是有限的，因此仍存在著很小的，即仍有很小的偏差，只是在一般的精度要求下可以忽略不計。3.4 數(shù)字式轉速負反饋單閉環(huán)系統(tǒng)原理3.4.1原理框圖 該系統(tǒng)原理框圖如圖3.7 所示，轉速反饋控制環(huán)的調節(jié)是利用單片機軟件實現(xiàn)的PI調

16、節(jié)。圖中虛線部分是采用單片機實現(xiàn)的控制功能。+轉速調節(jié)PI晶閘管裝置+轉速調節(jié)PI晶閘管裝置直流電動機轉速反饋 3.4.2 數(shù)字式PI調節(jié)器設計原理PI調節(jié)器的傳遞函數(shù)為：，其中，為積分時間常數(shù)，為比例系數(shù)。該調節(jié)器的模擬輸出為： （式3.6）式中，e(t)為調節(jié)器的偏差輸入，即給定值與反饋至只差。將式3.6按如下原則離散化： （1）、微分方程中的導數(shù)直接用差分項代替； （2）、積分用積分的求和式代替； （3）、時間t編程離散量kT，T為采樣周期，kT為第k個采樣周期的時刻。得到式3.6的差分方程為： 式3.7為使計算簡便，將式3.6轉換為遞推式，有： 式3.8即 式3.9其中常數(shù) 。式3.9

17、表明：計算本次的控制量只需上次的控制量和上次與本次的偏差量即可。常數(shù)和A事先存于固定的存儲單元中，每次PI運算只是進行兩次乘法運算和兩次加法運算。4 直流電動機調速器硬件設計4.1 系統(tǒng)硬件設計總體方案及框圖4.1.1系統(tǒng)硬件設計總體方案 系統(tǒng)的硬件結構主要包括：C8051F020單片機、由霍爾元件A44E構成的轉速檢測及反饋電路、LED顯示電路、功能鍵控制電路、H型PWM變換電路。4.1.2 總體框圖DC MOTORDC MOTOR轉速檢測、反饋LED顯示功能鍵控制PWMC8051F020圖4.1系統(tǒng)總體框圖4.2 系統(tǒng)硬件設計4.2.1 C8051F020單片機1 單片機簡介C8051F0

18、20是Cygnal公司出品的完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有64個數(shù)字I/O引腳。以下為其主要特性： （1）、高速、流水線結構的8051兼容的CIP-51內核（可達25MIPS） （2）、全速、非侵入式的在系統(tǒng)調試接口（片內） （3）、真正12位、100ksps的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開關 （4）、真正8位500ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關 （5）、兩個12位DAC,具有可編程的FLASH存儲器 （6）、64K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器 （7）、4352字節(jié)的片內RAM （8）、可尋址64K字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口 （9）、硬件實現(xiàn)的SPIS

19、MBus、和兩個UART串行接口 （10）、5個通用的16位定時器 （11）、具有5個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列 （12）、片內看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器 具有片內VDD監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的C8051F020是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設均可由用戶固件使能/禁止和配置。FLASH存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051固件。 該單片機可在工業(yè)溫度范圍（-45到+85）內用2.7V到-3.6V的電壓工作。端口I/O、/RST和JTAG引腳都容許5V的輸入信號電壓。C8051F020為100腳TQFP封裝

20、。 下面介紹的是實驗中主要使用到的C8051F020的功能： （1）、JTAG調試和邊界掃描：C8051F020具有片內JTAG邊界掃描和調試電路，通過4腳JTAG接口并使用安裝在最終應用系統(tǒng)中的產(chǎn)品器件就可以進行非侵入式（不占用片內資源）、全速的在系統(tǒng)調試。該JTAG接口完全符合IEEE1149.1規(guī)范，位生產(chǎn)和測試提供完全的邊界掃描功能。Silicon Labs的調試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、觀察點、堆棧指示器和單步執(zhí)行。不需要額外的目標RAM、程序存儲器、定時器或通信通道。在調試時所有的模擬和數(shù)字外設都正常工作。當MCU單步執(zhí)行或遇到斷點而停止運行時，所有的外設（ADC

21、和SMBus除外）都停止運行，以保持與指令執(zhí)行同步。（2）、可變成計數(shù)器陣列：除了5個16位的通用計數(shù)器/定時器之外，C8051F020 MCU系列還有一個片內可編程計數(shù)器/定時器陣列（PCA）。PCA包括一個專用的16位計數(shù)器/定時器時間基準和5個可編程的捕捉/比較模塊。時間基準的時鐘可以是下面的六個時鐘源之一：系統(tǒng)時鐘/12、系統(tǒng)時鐘/4、定時器0溢出、外部時鐘輸入（ECI）、系統(tǒng)時鐘和外部振蕩源/8。每個捕捉/比較模塊都有六種工作方式：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時器、高速輸出、頻率輸出、8位脈沖寬度調制器和16位脈沖寬度調制器。PCA捕捉/比較模塊的I/O和外部時鐘輸入可以通過數(shù)字交叉開關連到

22、MCU的端口I/O引腳。實驗中使用了8位脈寬調制器的工作方式。（3）、可編程數(shù)字I/O和交叉開關：C8051F020具有標準8051的端口（0、1、2和3）。在F020/2中由4個附加的端口（4、5、6和7），因此共有64個通用端口I/O。這些端口I/O的工作情況與標準8051相似，但有一些改進。每個端口I/O引腳都可以被配置為推挽或漏極開路輸出。在標準8051中固定的“弱上拉”可以被總體禁止，這為低功耗應用提供了進一步節(jié)電的能力。該單片機引入了數(shù)字交叉開關。這是一個大的數(shù)字開關網(wǎng)絡，允許將內部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到P0、P1、P2和P3的端口I/O引腳。與具有標準復用數(shù)字I/0的微控制器不同，這

23、種結構可支持所有的功能組合。可通過設置交叉開關控制寄存器將片內的計數(shù)器/定時器、串行總線、硬件中斷、ADC轉換啟動輸入、比較器輸出以及微控制器內部的其它數(shù)字信號配置為出現(xiàn)在端口I/O引腳。這一特性允許用戶根據(jù)自己的特定應用選擇通用端口I/O和所需數(shù)字資源的組合。2 使用可編程定時器/計數(shù)器陣列獲得8位PWM信號 當PCA 捕捉/比較模塊配置為8位PWM方式時，出現(xiàn)在CEXn的波形周期等于256個PCA時鐘周期，該信號的低電平時間等于在模塊的捕捉/比較寄存器PCA0CPLn的低字節(jié)中所存儲的8位數(shù)字，在主PCA計數(shù)器PCA0L的低字節(jié)發(fā)生溢出時，模塊的比較寄存器的高字節(jié)被拷貝到模塊的比較寄存器的

24、低字節(jié)中（PCA0CPLn=PCA0CPHn），通過更新PCA0CPHn就能改變占空比，拷貝過程保證在輸出端不產(chǎn)生毛刺。輸出波形的占空比（用%表示）如下式：占空比=(（256-PCA0CPHn）/256)100PCA0CPHn可以含有1個0255的數(shù)值，所以占空比的范圍為0.38%100%，其分辨率為：（1/256）100=0.38。8位PWM方式的最大優(yōu)點是不需要CPU的干預就可以輸出一個固定占空比的波形。若CIDL位（PCA0MD.7）置為0（復位狀態(tài)），即使CPU處于休眠狀態(tài)，輸出波形也將保持。因此改變占空比是通過向PCA0CPHn寫入一個8位數(shù)來完成的。3 單片機端口配置 C8051F

25、020各端口連接圖如圖4.3所示。圖4.2 C8051F020數(shù)字交叉開關圖4.3 單片機各端口連接圖4.2.2主電路 主電路為H型PWM變換電路，硬件電路如圖4.4所示。該H型電路由2對功率晶體管芯片TIP31（NPN）/32(PNP)、4個三極管BC184構成。由圖可知，該電路有兩個輸入端，當任一端輸入高電壓而另一端輸入低電壓時，高電壓一邊的BC184導通使得與之相連的TIP32、TIP31分別處于導通、截止的狀態(tài)，而低電壓一邊的BC184截止使得與之相連的TIP32、TIP31分別處于截止、導通的狀態(tài)，此時形成一個回路，電動機電樞繞組承受電壓。當兩端同時輸入高電壓時，兩個TIP31同時截

26、止，電動機兩端無回路形成，因此電動機兩端因無電壓而停轉，即該電路可以防止上下直通的情況產(chǎn)生。兩個輸入端均可輸入PWM0、PWM1兩個脈寬調制信號，控制電動機正反轉時的電樞電壓。由前述的PWM控制工作原理可知，在程序進行控制時，將一端的PWM信號占空比設為0，則電動機此時將受另一端輸入的PWM信號控制方向及轉速大小。圖4.4 H型PWM變換電路（主電路）4.2.3 LED顯示電路LED顯示電路由一個共陽極四位一體的LED實現(xiàn)，硬件電路如圖4.5所示。使用單片機的P6.0P6.3口控制LED的位選信號，P5口控制段碼選擇信號。圖4.5 LED顯示電路4.2.4 按鍵控制電路 硬件電路如圖4.6、4

27、.7所示。系統(tǒng)中使用這六個按鍵依次實現(xiàn)選位、置位、確定、升速、降速、反轉六個功能。六個按鍵通過四個與門后與外部中斷0、1口相連，則只要有按鍵按下，就會觸發(fā)外部中斷0、1。另外使用P3口作為鍵值輸入口。程序上使用外部中斷0、1（INT0、INT1）及鍵值掃描實現(xiàn)對按鍵的控制。當按下選位鍵時，可以對四位LED進行選擇，選定某位后按下置位鍵則可在該位上選擇09任一個數(shù)，當完成轉速給定值設定后按下確定鍵，則系統(tǒng)開始調速。在電動機運行過程中按下升速、降速或反轉鍵則能進行對電動機升、降速及反轉的控制。圖4.6 按鍵接入外部中斷0、1圖4.7 鍵值輸入電路4.2.5 轉速檢測、反饋電路轉速檢測、反饋電路使用

28、霍爾元件A44E實現(xiàn)。 根據(jù)霍爾效應制成的霍爾傳感器不僅可以用于磁場的測量,大量的還是以磁場為工作媒體,將物體的多種運動參量轉變?yōu)殡妷狠敵?，因而在自動控制、各種物理量的測量中得到了大量的應用。 隨著集成電路技術的發(fā)展,集成霍爾傳感器被大量研制和生產(chǎn),其應用也愈來愈廣泛。如:位移傳感、速度傳感、角度傳感、電流感應、直流電機、汽車點火和自動控制等。 在工業(yè)中大量自動檢測采用了霍爾傳感技術。 集成霍爾傳感器主要由霍爾片和放大器組 ,根據(jù)不同應用的需要,有的還加溫度補償電路、穩(wěn)壓電源或施密特觸發(fā)器及開關電路等,加了不同附加器件后其應用和特性各不相同。集成霍爾傳感器的特點是:體積小、頻響寬、動態(tài)特性好、

29、對外圍電路要求簡單、使用壽命長及價格低廉。集成霍爾傳感器一般可分為三種:集成線性霍爾傳感器（也稱位置傳感器） 、集成霍爾開關和集成霍爾鎖存器 。它們都具有傳感和控制功能。集成霍爾開關：當霍爾器件所在位置的磁場尚未達到工作點之前 ,器件以高電平輸出,當磁場增強到工作點 B時,霍爾片輸出的電壓 U 經(jīng)差分放大器放大后,送至施密特觸發(fā)器,使之翻轉導通,從而使門電路輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖?稱此為“開”狀態(tài)。 反之,當磁場減小到釋放點 B 時,門電路輸出端截止,則由低電平變?yōu)楦唠娖? 稱為“關”狀態(tài)。常見的霍爾開關有UGN3109、A44E和US5881.由于該傳感器只對一定強度的磁場起作用,抗干擾能

30、力強,因而應用廣泛。A44E的應用。計數(shù)、轉數(shù)和轉速的測量。由于A44E靈敏度較高 ,抗干擾能力強,因而大量用于計數(shù)、轉數(shù)和轉速的測量中,一般有兩種方法:在非鐵磁性材料圓盤邊緣粘一小磁鋼 ,將霍爾開關固定于圓盤邊緣附近,當圓盤轉動 ,磁鋼經(jīng)過霍爾開關時,霍爾開關將輸出一脈沖;另一方法是將小磁鋼粘在霍爾開關背面,一起靠近轉動的齒輪,由于齒輪的凹與凸,使霍爾開關的磁感應強度呈明顯變化,霍爾開關同樣輸出脈沖,這樣當脈沖輸入頻率測量儀,即可達到相應的測量與控制目的。本實驗中采用的是第一種方法。硬件電路圖如4.8所示。使用定時/計數(shù)器0作為16位定時器，定時/計數(shù)器1作為8位自動重載計數(shù)器并使用交叉開關

31、分配到P0.4口。將A44E輸出接入P0.4（定時/計數(shù)器1），定時器每50ms定時中斷一次，計數(shù)器計入每50ms電動機旋轉次數(shù)，通過計算得出每分鐘轉數(shù)并顯示。圖4.8轉速檢測、反饋電路4.2.6 12V電源電路 硬件電路圖如4.9所示。該電路完成AC 220V到DC 12V的轉換，作為電動機的供電電壓。圖4.9 12V電源電路 其中，78L12為輸出電壓為12V的三端固定正穩(wěn)壓器，具有內部過流、熱過載和輸出晶體管安全區(qū)保護功能，電路使用安全可靠。主要性能： （1）、輸出電壓：5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V。 （2）、最大輸出電流：0.1A。 （3）、失穩(wěn)電壓：2V。 （4）

32、、內部熱過載保護。 （5）、內部過流、短路保護。 （6）、輸出晶體管安全區(qū)保護。5水箱水位控制系統(tǒng)硬件設計5.1水箱液位控制系統(tǒng)液位自動控制是通過控制投料閥來控制液位的高低，當傳感器檢測到液位設定值時，閥門關閉，防止物料溢出；當檢測液位低于設定值時，閥門打開，使液位上升，從而達到控制液位的目的。在制漿造紙工廠常見有兩種方式的液位控制：常壓容器和壓力容器的液位控制，例如漿池和蒸汽閃蒸罐。液位自動控制系統(tǒng)由液位變送器（或差壓變送器）、電動執(zhí)行機構和液位自動控制器構成。根據(jù)用戶需要也可采用控制泵啟?；蚋淖冸姍C頻率方式來進行液位控制。結構簡單，安裝方便，操作簡便直觀，可以長期連續(xù)穩(wěn)定在無人監(jiān)控狀態(tài)下運

33、行。圖5.15.1.1有自平衡能力的單容元件如果被控對象在擾動作用下偏離了原來的平衡狀態(tài)，在沒有外部干預的情況下（指沒有自動控制或人工控制參與），被控變量依靠被控對象內部的反饋機理，能自發(fā)達到新的平衡狀態(tài)，我們稱這類對象是有自平衡能力的被控對象。具有自平衡能力的單容對象的傳遞函數(shù)為 (式5.1)這是個一階慣性環(huán)節(jié)。描述這類對象的參數(shù)是時間常數(shù)T和放大系數(shù)K。圖5.2 單容水箱圖5.2是單容水箱的示意圖。我們已經(jīng)推導過水箱的傳遞函數(shù)為其中T=RC，C為水箱的橫截面積，R為輸出管道閥門的阻力。T稱為水箱的時間常數(shù)。K稱為水箱的放大系數(shù)。一階系統(tǒng)的特性我們已經(jīng)在時域分析中進行了詳細的討論，所有結論都

34、適用于單容對象。作為過程控制的被控對象，單容對象的時間常數(shù)比較大。5.1.2電動機的數(shù)學模型直流電動機的數(shù)學模型。直流電動機可以在較寬的速度范圍和負載范圍內得到連續(xù)和準確地控制，因此在控制工程中應用非常廣泛。直流電動機產(chǎn)生的力矩與磁通和電樞電流成正比，通過改變電樞電流或改變激磁電流都可以對電流電機的力矩和轉速進行控制。在這種控制方式中，激磁電流恒定，控制電壓加在電樞上，這是一種普遍采用的控制方式。設 為輸入的控制電壓、 電樞電流、 為電機產(chǎn)生的主動力矩、 為電機軸的角速度、 為電機的電感、 為電樞導數(shù)的電阻、 為電樞轉動中產(chǎn)生的反電勢、 為電機和負載的轉動慣量根據(jù)電路的克?；舴蚨ɡ碚砗?（式

35、5.2）式中： 稱為直流電動機的電氣時間常數(shù)； 稱為直流電動機的機電時間常數(shù)；,為比例系數(shù)。直流電動機電樞繞組的電感比較小，一般情況下可以忽略不計，式5.2可簡化為5.1.3減速器的傳遞函數(shù)減速器是原動機和工作機之間的獨立的閉式傳動裝置，用來降低轉速和增大轉矩，以滿足工作需要，在某些場合也用來增速，稱為增速器。減速器在原動機和工作機或執(zhí)行機構之間起匹配轉速和傳遞轉矩的作用，其傳遞函數(shù)如下：5.2系統(tǒng)的傳遞函數(shù)控制器，執(zhí)行機構、測量變送器都屬于自動化儀表，他們都是圍繞被控對象工作的。也就是說，一個過程控制的控制系統(tǒng)，是圍繞被控現(xiàn)象而組成的，被控對象是控制系統(tǒng)的主體。因此，對被控對象的動態(tài)特性進行

36、深入了解是過程控制的一個重要任務。只有深入了解被控對象的動態(tài)特性，了解他的內在規(guī)律，了解被控辯量在各種擾動下變化的情況，才能根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，為控制系統(tǒng)制定一個合理的動態(tài)性能指標，為控制系統(tǒng)的設計提供一個標準。性能指標頂?shù)钠?，可能會對產(chǎn)品的質量、產(chǎn)量造成影響。性能指標頂?shù)倪^高，可能會成不必要的投資和運行費用，甚至會影響到設備的壽命。性能指標確定后，設計出合理的控制方案，也離不開對被控動態(tài)特性的了解。不顧被控對象的特點，盲目進行設計，往往會導致設計的失敗。尤其是一些復雜控制方案的設計，不清楚被控對象的特點根本就無法進行設計。有了正確的控制方案，控制系統(tǒng)中控制器，測量變送器、執(zhí)行器等儀表的選擇

37、，必須已被控對象的特性為依據(jù)。在控制系統(tǒng)組成后，合適的控制參數(shù)的確定及控制系統(tǒng)的調整，也完全依賴與對被控對象動態(tài)特性的了解。由此可見，在控制工程中，了解被控制的對象是必須首先做好的一項工作。寫出控制器、執(zhí)行結構、被控對象、反饋機構的傳遞函數(shù)，則系統(tǒng)的總傳遞函數(shù)為：=其中：為系統(tǒng)的控制器傳遞函數(shù)，為系統(tǒng)的執(zhí)行器傳遞函數(shù)，為被控對象傳遞函數(shù)，為系統(tǒng)反饋裝置傳遞函數(shù)。5.2.1控制器的確定根據(jù)本次試驗，選擇被控對象電機的數(shù)學模型為=，執(zhí)行機構的傳遞函數(shù)為=，反饋系統(tǒng)的數(shù)學模型為=故確定當%30%時，系統(tǒng)控制器的傳遞函數(shù)為=故系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：=系統(tǒng)的特征方程為：勞斯表為： 25 50 8.2 75

38、0.164 0 23 8.2 0 18 0 8.2顯然，勞斯表第一列系數(shù)符號相同，故系統(tǒng)是穩(wěn)定的。5.3控制器的正反作用 控制系統(tǒng)要能正常工作，必須有一個負反饋控制系統(tǒng)。為了保證這一點，必須正確選擇各環(huán)節(jié)的正反作用?？刂破鞯恼醋饔檬歉鶕?jù)被控變量的測量值和控制器輸出之間的關系確定的。被控變量測量值增加時，控制器的輸出也增加，則控制器為正作用控制器，并規(guī)定其穩(wěn)態(tài)放大系數(shù) 為負。被控對象的測量值增加時，控制器的輸出值減小，則控制器為反作用控制器，并規(guī)定器穩(wěn)態(tài)放大系數(shù) 為正。被控對象的輸出與調節(jié)閥內的介質流量變化決定了被控對象的正反作用。介質流量增加，被控對象的輸出也增加，則被控對象為正作用，規(guī)定其

39、放大系數(shù) 為正。介質流量增加時，被控對象輸出減小，則被控對象為反作用，規(guī)定其放大系數(shù) 為負。執(zhí)行器氣開式為正作用，氣關式為反作用，并規(guī)定正作用調節(jié)閥的放大系數(shù) 為正，反作用的 為負。變送器的作用一般都是正作用，其放大系數(shù) 為正。要保證系統(tǒng)是負反饋系統(tǒng)，組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的正反作用的乘積必須為正。這可用各環(huán)節(jié)的放大系數(shù)來表示。即 為正。這里相乘只取正符號計算，不必計算放大系數(shù)的具體數(shù)值。選擇控制器的正反作用的步驟是先根據(jù)工藝及安全要求確定調節(jié)閥正反作用，被控對象的正反作用是固有的特性，測量變送器一般是正作用，所以往往可以排除在外，最后再選擇控制器的正反作用，使 的乘積為正。5.4硬件電路控制器傳遞

40、函數(shù)=，由傳遞函數(shù)可知系統(tǒng)控制器是由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)組成，用硬件實現(xiàn)控制器，經(jīng)過計算，控制器可由運算放大器、電阻、電容組成，其結構如下圖所示：由控制器的傳遞函數(shù)進而確定電阻電容的確定值，=,=0.02,選擇為2千歐，則整定為9千歐，電容值為0.01微法。5.5控制系統(tǒng)的校正在工業(yè)生產(chǎn)過程中，被控對象的特性并不是不變的。當被控對象特性發(fā)生變化后，原定整定的控制參數(shù)就不是最合適的參數(shù)了，必須重新整定。這將給連續(xù)化的生產(chǎn)帶來不利的影響。有一種控制系統(tǒng)，能根據(jù)被控對象特性的變化或其他條件的變化，自動調整控制系統(tǒng)的控制規(guī)律和控制器的控制參數(shù)，使控制系統(tǒng)始終處于最佳狀態(tài)，我們稱這種控制系統(tǒng)為自適應控制系統(tǒng)。能對控制器參數(shù)進行自動整定的自適應控制系統(tǒng)成為自校正系統(tǒng)或自整定系統(tǒng)。圖5.3 自校正系統(tǒng)的工作原理圖 5.3時自校整系統(tǒng)的工作原理圖。自校正系統(tǒng)與一般控制系統(tǒng)