反應(yīng)釜的溫度控制系統(tǒng)-畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

PAGEPAGE40安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書(shū)課題名稱(chēng)反應(yīng)釜的溫度控制系統(tǒng)學(xué)院電氣信息學(xué)院專(zhuān)業(yè)班級(jí)儀表093姓名學(xué)號(hào)099064035摘要反應(yīng)釜是化工生產(chǎn)過(guò)程中的重要設(shè)備，反應(yīng)過(guò)程中伴隨有大量的吸、放熱現(xiàn)象，具有大滯后、時(shí)變、非線性、反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜等特點(diǎn).傳統(tǒng)的PID控制是一種基于過(guò)程參數(shù)的控制方法。具有控制原理簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高、參數(shù)易調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，但其設(shè)計(jì)依賴(lài)于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，在線橄定參數(shù)的能力差，而反應(yīng)釜因?yàn)闄C(jī)理復(fù)雜、各個(gè)參數(shù)在系統(tǒng)反應(yīng)過(guò)程中時(shí)變，不能建立精確的數(shù)學(xué)模型，不能滿足系統(tǒng)在不同條件下對(duì)參數(shù)自整定的要求，因而采用一般的PID控制器無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)釜的精確控制。模糊控制是一種基于規(guī)則的語(yǔ)言控制，在設(shè)計(jì)中不需要建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，魯棒性強(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響被大大減弱，控制效果好。但模糊控制器是以誤差和誤差變化作為輸入變量，這種控制器具有模糊比例一微分控制作用，精度不太高、穩(wěn)態(tài)誤差較大、自適應(yīng)能力有限和易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。預(yù)測(cè)控制是一種優(yōu)化控制算法，它是通過(guò)對(duì)某一性能指標(biāo)的最優(yōu)來(lái)確定未來(lái)的控制作用的，具有對(duì)模型要求低、魯棒性好、適用于數(shù)字計(jì)算機(jī)控制的優(yōu)點(diǎn)。由于計(jì)算機(jī)模型預(yù)測(cè)控制具有良好的跟蹤性能，能有效地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和消除誤差，對(duì)滯后過(guò)程有明顯控制效果，更加符合工業(yè)溫度控制的實(shí)際要求，從而大大提高了溫度控制系統(tǒng)的性能。本文比較全面的分析了反應(yīng)釜溫度變化的特點(diǎn)以及控制難點(diǎn)，總結(jié)當(dāng)前溫度控制系統(tǒng)精度差的根本原因，在此基礎(chǔ)上采用基于預(yù)側(cè)的模糊自整定PID集成控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)釜溫度控制，其主要思想是利用系統(tǒng)模型的預(yù)測(cè)輸出，結(jié)合常規(guī)PID的控制經(jīng)驗(yàn)，采用模糊推理方法，對(duì)控制器算法進(jìn)行改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與通常的PID控制方案相比，該方案提高了系統(tǒng)的魯棒性和適應(yīng)性，較好的解決了反應(yīng)釜溫度控制的難題。課題完成了反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件的編譯與調(diào)試，對(duì)基于預(yù)測(cè)的模糊自整定溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)研究，與PID控制方法相比，控制性能更加穩(wěn)定，可靠性更高，實(shí)時(shí)性、適應(yīng)性、魯棒性都顯著增強(qiáng)，控制效果較好。關(guān)鍵詞:反應(yīng)釜，預(yù)鍘控制，模糊控制，PID控制AbstractReactoristheimportantequipmentintheprocessofchemicalproduction,thechemicalreactionaccompaniedbyphenomenonwherebyheatisliberatedorabsorbed,havingcharacteristicsoflargetimedelay,time-varying,nonlinear,andthecomplicatedreactionmechanism.TraditionalPIDcontrolisacontrolmethodbasedonprocessparameter,havingmanyadvantagesofasimplecontrolprinciple,goodstability,highreliabilityandeasyadjustmentofparameters.Butthedesignoftheabjectdependsontheprecisemathematicalmodelandbadattuningparameteronline.Themechanismofreactoriscomplexandeveryparameterchangesinthereactionprocess,unabletoestablishaprecisemathematicalmodelanditcannotmeettherequirementsofself-tuningunderdifferentconditions.SothegeneralPIDcontrollercannotbeachievedontheprecisecontrolofreactor.Fuzzycontrolisarule-basedlanguagecontrol,theprecisemathematicalmodeldoesnotneedtobeestablishedinthedesignandwithgoodrobustness,theeffectthatinterferenceandthechangesofparametershaveonthecontrolresultisgreatlyreduce,witheffectiveControl.However,thefuzzycontrollertakeserrororerrorchangeforinputvariablesandthiscontrollerhasfuzzyproportion-differentialcontroltalc.Theaccuracyisnettoohigh,withalargersteady-stateerror,limitedadaptiveabilityandeasyoscillation.Predictivecontrolisanoptimalcontrolalgorithm,whichdeterminesthefuturecontrolrolebyoptimizationofaperformanceindex;havingadvantagesoflowmodel,goodrobustness,applicabilitytothemeritsofdigitalcomputercontrol.Thepredictivecontrolofcomputermodelhasagoodtrackingperformance,anditcaneffectivelyimprovesystemstabilityandeliminatetheerror,hassignificantcontrolresultforlagprocess,moreinlinewiththeactualindustrialtemperaturecontrolrequirements,soitgreatlyimprovestheperformanceoftemperaturecontrolsystem.Inthispaper,thecharacteristicsandcontroldifficultyofreactortemperaturechangeareanalyzed,andtherootcausesofpooraccuracyforthecurrenttemperaturecontrolsystemissummarized,onthebasis,atechnologyoffuzzyself-tuningPIDcontrolbasedonpredictionisusedtoachievereactortemperaturecontrol.Themainideaistousethepredictionoutputofsystemmodel,combinedwiththeexperienceofconventionalPIDcontrol,usingfuzzyreasoningalgorithmtoimprovethealgorithmofcontroller.TheexperimentalresultsshowthatthePIDcontrolscheme,comparedtothecommonPIDcontrolscheme,canimprovethesystemrobustnessandadaptability,withabettersolutiontothereactortemperaturecontrolproblem.Thissubjectcompletesthehardwarecircuitdesignofthereactortemperaturecontrolsystem,thecompilersanddebuggingofsystemsoftware.Simulationandexperimentalstudyaredoneforfuzzyself-tuningPIDcontrolbasedonprediction,comparedtothePIDcontrolmethod,themethodhasmorestablecontrolperformance,higherreliabilityandtheteal-timeperformance,adaptability,robustnessaresignificantlyincreased.Thecontrolresultisbetter.Keywords:Reactor,predictivecontrol,fuzzycontrol,PIDcontrol.目錄摘要 2Abstract 3第1章緒論 71.1國(guó)內(nèi)外化工控制發(fā)展現(xiàn)狀 71.2控制方案的設(shè)計(jì)及不足 81.3本課題采用的方案及內(nèi)容 81.4本論文結(jié)構(gòu)安排 9第2章溫度控制系統(tǒng)方案 102.1微機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 102.1.1微機(jī)控制系統(tǒng)分類(lèi) 102.1.2微機(jī)控制系統(tǒng)硬件 112.1.3微機(jī)控制系統(tǒng)軟件 112.2PID及新型PID控制算法簡(jiǎn)介 122.2.1PID控制算法的理論基礎(chǔ) 122.2.2數(shù)字PID控制算法的改進(jìn) 142.2.3新型PID控制算法 142.3反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng) 162.4小結(jié) 17第3章溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 183.1中央控制單元 183.1.1中央控制單片機(jī) 183.1.2看門(mén)狗 193.2A/D轉(zhuǎn)換采樣輸入單元 203.3D/A轉(zhuǎn)換輸出控制單元 223.3.1控制原理 223.3.2芯片及參數(shù)的選取 233.4鍵盤(pán)顯示報(bào)警單元 263.4.1鍵盤(pán)顯示部分 263.4.2報(bào)警部分 273.5電源單元 273.6小結(jié) 28第4章溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 294.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基本原理 294.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu) 294.2.1主程序結(jié)構(gòu) 294.2.2參數(shù)調(diào)節(jié)中斷服務(wù)程序 304.2.3采樣中斷程序 314.3Smith-PID算法軟件設(shè)計(jì) 32第5章系統(tǒng)調(diào)試 335.1控制算法參數(shù)整定與軟件調(diào)試 335.1.1PID整定簡(jiǎn)介 335.1.2PID控制算法的整定 335.1.3算法軟件調(diào)試 345.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果 345.3抗干擾措施 365.4小結(jié) 36結(jié)論 37參考文獻(xiàn) 38致謝 39第1章緒論1.1國(guó)內(nèi)外化工控制發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)入現(xiàn)代社會(huì)，材料工業(yè)和人們的生活密不可分，如化工工業(yè)、醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料、高新產(chǎn)業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)等無(wú)不與材料工業(yè)密切相關(guān)，材料工業(yè)已經(jīng)與能源，信息產(chǎn)業(yè)成為當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱產(chǎn)業(yè)。高分子聚合物作為材料領(lǐng)域之中的后起之秀，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到尖端技術(shù)、國(guó)防建設(shè)、建筑業(yè)、電子行業(yè)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域之中[1]，高分子聚合物的生產(chǎn)在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有非常重要的地位[2]。隨著石化工業(yè)的蓬勃發(fā)展和新工藝、新技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)高分子聚合物的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化提出了更高的要求。高分子聚合物生產(chǎn)中的聚合反應(yīng)主要是在間歇式反應(yīng)釜中進(jìn)行，約占總聚合裝置的90%。為了高效的進(jìn)行生產(chǎn)，必須對(duì)聚合反應(yīng)生產(chǎn)工藝過(guò)程中的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量、速度等進(jìn)行有效的控制。其中最重要的環(huán)節(jié)就是反應(yīng)器的溫度控制[3]，其調(diào)節(jié)品質(zhì)的好壞將直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。但是由于加料數(shù)量和品種的影響,聚合反應(yīng)中存在的一系列復(fù)雜化學(xué)變化，以及聚合反應(yīng)本身強(qiáng)烈的放熱效應(yīng)，使得聚合反應(yīng)釜聚合反應(yīng)溫度的動(dòng)態(tài)特性具有時(shí)變、強(qiáng)烈非線性、大純時(shí)滯的特點(diǎn)[4]，這使得建立精確的聚合反應(yīng)數(shù)學(xué)模型非常困難，很難實(shí)現(xiàn)反應(yīng)溫度的精確控制，這可能?chē)?yán)重影響最終的產(chǎn)品質(zhì)量，還會(huì)危及生產(chǎn)的安全性。因此聚合反應(yīng)溫度對(duì)于保證產(chǎn)品質(zhì)量和安全性起著關(guān)鍵作用。本論文以進(jìn)行MMA(methylmethacrylate,甲基丙烯酸甲酯)聚合反應(yīng)的反應(yīng)釜溫度控制為研究對(duì)象，采用先進(jìn)的控制算法實(shí)現(xiàn)反應(yīng)釜溫度的精確控制，全面提高PMMA(polymethylmethacrylate,聚甲基丙烯酸甲酯)的產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。目前，化工自動(dòng)化的底層控制仍然以PID為主流[5]。PID算法控制具有原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便、無(wú)靜態(tài)誤差等特點(diǎn)，能滿足多數(shù)工業(yè)過(guò)程的需要。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和應(yīng)用，從模擬控制器發(fā)展到數(shù)字控制器，性能不斷提高。但是對(duì)于象聚合反應(yīng)溫度這樣的，大純時(shí)滯、非線性、無(wú)精確數(shù)學(xué)模型、時(shí)變的控制對(duì)象，PID往往很難取得滿意的控制效果[6]，通常需要采取一些特殊的控制手段，在PID基本算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，如抑制積分飽和的積分分離PID算法和變速PID算法，防止微分飽和的不完全微分PID算法和前置濾波PID算法，抑制振蕩的帶死區(qū)PID算法等等。但至今仍無(wú)一種通用的行之有效的方法。同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，一些新的現(xiàn)代控制理論在工業(yè)控制中得到較好的應(yīng)用，比如模糊控制算法、自適應(yīng)控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法、Smith預(yù)估控制算法[7]。它們和PID算法相結(jié)合，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，形成模糊PID算法、自適應(yīng)PID算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法等，在復(fù)雜工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用，取得較好的控制效果。但到目前為止，Smith預(yù)估控制算法仍然是大純滯后溫度控制最成功的算法，可以消除大純滯后對(duì)系統(tǒng)的影響，但是Smith預(yù)估控制算法對(duì)預(yù)估模型的精度要求高，需要精確的數(shù)學(xué)模型[8,9]，且對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)的抑制能力較差，因而很難在工程上實(shí)用。1.2控制方案的設(shè)計(jì)及不足在反應(yīng)釜溫度控制這個(gè)環(huán)節(jié)中，原廠配置的控制器采用的是如下方案：由鉑電阻采樣溫度信號(hào)，采用一個(gè)NE-6402型溫度控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。我們對(duì)NE-6402型溫度控制器做了簡(jiǎn)單的分析，該控制器以微處理器為基礎(chǔ)，采用的控制算法是增量式PID調(diào)節(jié)，如圖1-1所示。按下式計(jì)算本次控制調(diào)節(jié)增量輸出。圖1-1控制器算法原理框圖可見(jiàn)該控制器采用傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)方案。從控制對(duì)象的特征來(lái)看，反應(yīng)釜溫度具有非線性、大滯后、時(shí)變以及多干擾等特點(diǎn)，使用常規(guī)的PID控制方法，很難獲得滿意的動(dòng)態(tài)靜態(tài)控制效果。實(shí)驗(yàn)室實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，MMA聚合反應(yīng)溫度控制非常不穩(wěn)定，靜態(tài)效果差，同時(shí)產(chǎn)生很大的超調(diào)，甚至超調(diào)達(dá)50℃，靜態(tài)控制效果也不是很理想，在控制溫度附近波動(dòng)達(dá)30因此必須尋找一種合適的溫度控制方案，以達(dá)到滿意的控制效果。1.3本課題采用的方案及內(nèi)容本文較為深入的研究和分析了PID控制算法和Smith預(yù)估控制的控制原理，將二者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)了一種溫度控制系統(tǒng)。課題要求反應(yīng)釜溫度控制(反應(yīng)釜最大反應(yīng)容積為5升，最高溫度為300℃)，超調(diào)量盡量小，溫度靜態(tài)控制精度±10℃左右，為此我們采用一種改進(jìn)Smith預(yù)估算法本算法分Smith預(yù)估算法和PID算法兩部分，其中的Smith預(yù)估算法采用一種經(jīng)過(guò)改進(jìn)的、工程實(shí)用的預(yù)估方法，實(shí)現(xiàn)溫控的滯后補(bǔ)償，避免了寫(xiě)出被控對(duì)象的精確模型，因而易于實(shí)現(xiàn)，預(yù)估補(bǔ)償效果好；PID算法采用積分分離分段式PID位置算法，其不僅具有常規(guī)PID工作穩(wěn)定、可靠性高的特性，同時(shí)又保證了控制超調(diào)小，穩(wěn)態(tài)控制精度高，工程可操作性強(qiáng)。本算法優(yōu)點(diǎn)是不需要掌握受控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，有較強(qiáng)的魯棒性，對(duì)噪聲干擾有較強(qiáng)的抑制能力，非常適合這種模型未知或多變的聚合反應(yīng)溫度控制系統(tǒng)，具有很高的工業(yè)實(shí)用價(jià)值。本課題首先完成了單片機(jī)硬件控制電路的設(shè)計(jì)與制作，其中包括數(shù)據(jù)采集，人機(jī)交互以及加熱控制三部分的設(shè)計(jì)、制作、安裝，然后進(jìn)行了軟件的設(shè)計(jì)、編寫(xiě)和調(diào)試，最后在實(shí)驗(yàn)室分別進(jìn)行反應(yīng)釜空箱和加料反應(yīng)聯(lián)調(diào)。全套系統(tǒng)基本上滿足反應(yīng)釜溫度控制的要求，明顯優(yōu)于原控制方案，而且對(duì)于MMA聚合具有很好的控制性能。1.4本論文結(jié)構(gòu)安排本文依據(jù)課題的內(nèi)容做了如下結(jié)構(gòu)安排：(1)化工控制在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展和應(yīng)用狀況，本課題來(lái)源及內(nèi)容，論文的結(jié)構(gòu)安排(第1章)。(2)溫度控制系統(tǒng)方案總述(第2章)。(3)溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)(第3章)。(4)溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)(第4章)。(5)系統(tǒng)調(diào)試(第5章)。第2章溫度控制系統(tǒng)方案2.1微機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介隨著系統(tǒng)硬件費(fèi)用急劇下降、體積縮小、可靠性提高、運(yùn)算速度加快以及較容易實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)和更復(fù)雜的控制算法，計(jì)算機(jī)用于控制系統(tǒng)的技術(shù)日趨成熟廣泛[10]。同時(shí)它又促進(jìn)了自動(dòng)控制理論在深度和廣度更進(jìn)一步的發(fā)展，使計(jì)算機(jī)控制技術(shù)更趨于完善與深化。從單一過(guò)程、單一對(duì)象的局部控制發(fā)展到對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程、整個(gè)車(chē)間甚至整個(gè)工廠的大規(guī)模復(fù)雜控制，并逐步向智能化方向發(fā)展。微機(jī)控制系統(tǒng)是由微型機(jī)與其他器件和裝置適當(dāng)連接起來(lái)組成硬件，并在軟件的操作下協(xié)調(diào)運(yùn)行，執(zhí)行預(yù)定的測(cè)量或控制任務(wù)。2.1.1微機(jī)控制系統(tǒng)分類(lèi)按微機(jī)在控制系統(tǒng)之中控制方式，微機(jī)控制系統(tǒng)可以分為如下幾類(lèi)：(1)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)從功能上說(shuō)，主要是對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)隨時(shí)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)(如濕度、壓力、流量、成份、速度、位移量等)進(jìn)行巡回檢測(cè)、收集、記錄、統(tǒng)計(jì)、運(yùn)算、分析、判斷等處理。硬件系統(tǒng)中主機(jī)與生產(chǎn)過(guò)程只通過(guò)模擬量輸入通道和開(kāi)關(guān)量輸入通道來(lái)聯(lián)系，一般不需要輸出過(guò)程通道。在軟件系統(tǒng)方面，它除了有控制數(shù)據(jù)輸入的程序外，還要有與功能要求相適應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序。一般這種控制系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)的下位機(jī)，完成數(shù)據(jù)的采集。(2)直接數(shù)字控制DDC(DirectDigitalControl)系統(tǒng)DDC系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng)應(yīng)用形式。這類(lèi)系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)除了經(jīng)過(guò)輸入通道對(duì)多個(gè)工業(yè)過(guò)程參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)采集外，它還代替模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的模擬調(diào)節(jié)器，按預(yù)定的調(diào)節(jié)規(guī)則進(jìn)行調(diào)節(jié)運(yùn)算，然后將運(yùn)算結(jié)果通過(guò)過(guò)程輸出通道輸出并作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)多回路調(diào)節(jié)的目的。直接數(shù)字控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)常規(guī)的PID(比例、積分、微分)調(diào)節(jié)，也可實(shí)現(xiàn)其它復(fù)雜或先進(jìn)的調(diào)節(jié)規(guī)律，調(diào)節(jié)規(guī)律的改變只需改變控制軟件。不同的是硬件部分除按需適當(dāng)增減通道的數(shù)量外，一般不需作大的變動(dòng)，所以使用比較靈活。顯然DDC系統(tǒng)是一個(gè)“在線”的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制系統(tǒng)。(3)計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制SCC(SupervisoryComputerControl)系統(tǒng)為兩級(jí)控制，上位機(jī)完成生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型和求解控制策略，其輸出作為模擬調(diào)節(jié)器或DDC系統(tǒng)的設(shè)定值，這一設(shè)定值將根據(jù)采集到的生產(chǎn)過(guò)程工藝信息，按照預(yù)定的數(shù)學(xué)模型或用其它方法所確定的規(guī)律進(jìn)行自動(dòng)修改；模擬調(diào)節(jié)器或DDC微機(jī)作為下位機(jī)直接面向生產(chǎn)過(guò)程，完成生產(chǎn)過(guò)程的直接執(zhí)行控制與數(shù)據(jù)采集。SCC系統(tǒng)至少是一個(gè)兩級(jí)控制系統(tǒng)。一臺(tái)上位SCC微機(jī)可監(jiān)督控制多臺(tái)DDC或模擬調(diào)節(jié)器，這種系統(tǒng)具有較高的運(yùn)行性能和可靠性。(4)計(jì)算機(jī)多機(jī)控制系統(tǒng)它是三級(jí)控制系統(tǒng)：最低級(jí)為直接控制級(jí)，中間級(jí)為計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制級(jí)(SCC)，最高級(jí)為管理級(jí)MIS(ManagementInformationSystem)。直接控制級(jí)完成采集的數(shù)據(jù)、控制的執(zhí)行，監(jiān)督控制級(jí)如前所述，主要是建立生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型、求解控制策略，并完成與DDC級(jí)以及SCC之間的通信，MIS級(jí)可以分為幾個(gè)層次，它主要是搜集SCC級(jí)相關(guān)數(shù)據(jù)，制作報(bào)表，接受上一級(jí)的命令，監(jiān)督和指揮SCC級(jí)的工作。(5)分布型綜合控制系統(tǒng)TDCS(TotalDistributedControlSystems)也被稱(chēng)為分布型微處理機(jī)控制系統(tǒng)DMCS(DistributedMicroprocessorsControlSystems)或分布控制系統(tǒng)DCS(DistributedControlSystems)，簡(jiǎn)稱(chēng)集散控制系統(tǒng)或分布系統(tǒng)。它是計(jì)算機(jī)、控制器、通訊和顯示技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，多臺(tái)以微處理器為核心的控制器分散于整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程各部分，整個(gè)系統(tǒng)采用單元模塊組合式結(jié)構(gòu)。各單元用通訊線路連接成一個(gè)整體，不同的系統(tǒng)可用不同的模塊來(lái)組合以適應(yīng)不同的要求。但整個(gè)系統(tǒng)一般總是由實(shí)現(xiàn)DCC局部控制的基本控器、實(shí)現(xiàn)監(jiān)督控制的上級(jí)監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)及控制操作臺(tái)等組成，它可使整條生產(chǎn)線或整個(gè)車(chē)間達(dá)到全自動(dòng)控制的目的。集散系統(tǒng)有組成靈活、操作方便、能實(shí)現(xiàn)集中控制和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，它已經(jīng)成為目前生產(chǎn)工廠控制和監(jiān)控、車(chē)間綜合操作的標(biāo)準(zhǔn)解決方案[11]。2.1.2微機(jī)控制系統(tǒng)硬件硬件是微機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在軟件的協(xié)調(diào)下實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的檢測(cè)與控制，硬件包括：主機(jī)，人機(jī)交互臺(tái)，傳感器，模擬量輸入通道，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，模擬量輸出通道，接口電路和電源等。2.1.3微機(jī)控制系統(tǒng)軟件控制系統(tǒng)的軟件，包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件是微機(jī)操作運(yùn)行的基本條件之一，包括：(1)監(jiān)控軟件或操作系統(tǒng)監(jiān)控軟件是一種低級(jí)計(jì)算機(jī)的管理軟件。它主要是完成鍵盤(pán)掃描，人機(jī)對(duì)話，接受用戶(hù)程序，顯示、調(diào)試、修改和運(yùn)行用戶(hù)程序，顯示和修改存儲(chǔ)器中的內(nèi)容。上電后立即進(jìn)入監(jiān)控程序，各種程序均在監(jiān)控程序下運(yùn)行。操作系統(tǒng)是一種微機(jī)的大型管理軟件，是在監(jiān)控程序的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展許多控制程序形成的。其主要功能是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，管理微機(jī)、存儲(chǔ)器、操作臺(tái)、外部設(shè)備(CRT、打印機(jī)等等)、文件和作業(yè)進(jìn)程。它控制各軟件的運(yùn)行。(2)匯編程序、解釋程序和編譯程序匯編程序用于把匯編語(yǔ)言程序變成計(jì)算機(jī)能夠認(rèn)識(shí)和執(zhí)行的機(jī)器語(yǔ)言程序(目標(biāo)程序)。例如MCS-5匯編程序。解釋程序能夠把用于某種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言寫(xiě)的源程序(如BASIC)，翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序(目標(biāo)程序)。編譯程序能夠把高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的源程序(如FORTRUN)，編譯成某種中間語(yǔ)言(如匯編語(yǔ)言)或機(jī)器語(yǔ)言程序。應(yīng)用軟件按照對(duì)系統(tǒng)功能要求和完成任務(wù)的不同而不同，通常由用戶(hù)來(lái)編寫(xiě)，可以分為兩類(lèi)：(1)通用軟件這類(lèi)軟件是在微機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到的。比如：數(shù)制變換程序、運(yùn)算程序、查表程序等等。(2)專(zhuān)用軟件針對(duì)某一具體控制系統(tǒng)和不同的控制規(guī)律編制的程序。比如：數(shù)據(jù)采集程序、輸出控制程序、各種控制算法程序等。2.2PID及新型PID控制算法簡(jiǎn)介2.2.1PID控制算法的理論基礎(chǔ)PID(ProportionalIntegralandDifferential)控制是工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域應(yīng)用最早使用最廣泛的控制策略[12-13]，大部分工業(yè)過(guò)程控制仍然在使用“傳統(tǒng)”的PID控制[14]，至今仍有90％左右的控制回路具有PID結(jié)構(gòu)。我們今天所熟知的PID控制器產(chǎn)生并發(fā)展于1915-1940年期間[15]。盡管自1940年以來(lái)，許多先進(jìn)控制方法不斷推出，但PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、對(duì)模型誤差具有魯棒性及易于操作等優(yōu)點(diǎn)，仍被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、輕工和機(jī)械等工業(yè)過(guò)程控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。概括地講，PID控制的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：(1)原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便，是一種能夠滿足大多數(shù)實(shí)際需要的基本控制器。(2)適用于多種截然不同的對(duì)象，算法在結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)的魯棒性。事實(shí)表明，對(duì)于PID這樣簡(jiǎn)單的控制器，能夠適用于如此廣泛的工業(yè)與民用對(duì)象，并仍以很高的性能/價(jià)格比在市場(chǎng)中占據(jù)著重要地位，充分的反應(yīng)了PID控制器的良好品質(zhì)。在大多數(shù)微機(jī)控制系統(tǒng)中使用以模擬PID算法為基礎(chǔ)的數(shù)字PID算法，數(shù)字式PID控制算法分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。模擬PID算法模擬PID算法為：控制器的輸入為e(t)=r(t)?c(t），其中r(t)為溫度設(shè)定值，c(t)為溫度實(shí)際測(cè)定值，e(t)為溫度偏差，控制器的輸出u(t)：式中Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，dt為微分時(shí)間常數(shù)控制原理框圖如圖2-1所示。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，PID控制器各個(gè)校正環(huán)節(jié)的作用如下：圖2-1模擬PID控制原理框圖(1)比例環(huán)節(jié)及時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。比例環(huán)節(jié)是PID控制算法中的決定因素，直接決定控制器的好壞。(2)積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，保證被控量在穩(wěn)態(tài)時(shí)對(duì)設(shè)定值的無(wú)靜差跟蹤，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)IT，IT越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。但同時(shí)積分環(huán)節(jié)也是引起系統(tǒng)超調(diào)的主要原因。(3)微分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)主要是改善整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。它能反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，即變化速率，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在閉環(huán)系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間。但在控制器中微分環(huán)節(jié)對(duì)隨機(jī)脈沖干擾很敏感，有可能引入高頻噪聲，這是我們?cè)谠O(shè)計(jì)控制器時(shí)應(yīng)該注意的。數(shù)字PID算法將模擬PID算法離散化得到數(shù)字PID位置式控制算法。式(2-2)(2-3)為數(shù)字PID位置式控制算法，式中積分系數(shù)微分系數(shù)，Un為第n次采樣時(shí)刻計(jì)算機(jī)輸出值，en為第n次采樣時(shí)刻輸入的偏差值，en?1為第n-1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值。這種算法的缺點(diǎn)是，由于是全量輸出，每次輸出均與過(guò)去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)en進(jìn)行累加，計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量大。而且因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的Un對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，Un的大幅度變化，會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的，在某些場(chǎng)合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故，因而，在位置算法的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了數(shù)字PID增量式控制算法。所謂數(shù)字PID增量式控制算法是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量?Un。執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的控制量增量為，式中，式(2-4)稱(chēng)為數(shù)字PID增量式控制算法。采用增量式算法時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的控制增量?Un對(duì)應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置(例如閥門(mén)開(kāi)度)的增量。雖然只是算法上的一點(diǎn)改進(jìn)，卻帶來(lái)了不少的優(yōu)點(diǎn)：(1)由于計(jì)算機(jī)輸出增量，所以誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可用邏輯判斷方法去掉。(2)手動(dòng)/自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號(hào)的鎖存作用，故能仍然保持原值。(3)算式中不需要累加，控制增量?Un的值僅與最近n次采樣值有關(guān)，所以較容易通過(guò)加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。但增量式控制也有其不足之處：積分截?cái)嘈Ч螅徐o態(tài)誤差，溢出的影響大。因此，在選擇時(shí)不可一概而論，一般認(rèn)為以晶閘管作為執(zhí)行器或在控制精度要求高的系統(tǒng)中，可采用位置式算法，而在以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或電動(dòng)閥門(mén)作為執(zhí)行器的系統(tǒng)中，則可采用增量式控制算法。2.2.2數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律是用計(jì)算機(jī)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此它的靈活性很大。一些原來(lái)在模擬PID控制器中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，在引入計(jì)算機(jī)以后，就可以得到解決，于是產(chǎn)生了一系列的改進(jìn)算法，以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。下面介紹幾種數(shù)字PID的改進(jìn)算法：積分分離PID控制算法、遇限削弱積分PID控制算法、不完全微分PID控制算法、微分先行PID控制算法和帶死區(qū)的HD控制算法等。這里我們介紹一下積分分離PID控制算法。在普通的PID數(shù)字控制器中引入積分環(huán)節(jié)的目的，主要是為了消除靜差、提高精度。但在過(guò)程的啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定值時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差，會(huì)造成PID運(yùn)算的積分積累，致使算得的控制量超過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能最大動(dòng)作范圍對(duì)應(yīng)的極限控制量，最終引起系統(tǒng)較大的超調(diào)。甚至引起系統(tǒng)的振蕩，這在某些生產(chǎn)過(guò)程中絕對(duì)不允許的。引進(jìn)積分分離PID控制算法，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候加入或是去掉積分作用，既保持了積分作用，又減小了超調(diào)量，使得控制性能有了較大的改善。寫(xiě)成計(jì)算公式，根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)定一個(gè)閾值ε(ε>0)和變量β(β值為1或者0)：以數(shù)字PID增量式控制算法為例，寫(xiě)成積分分離形式即可：2.2.3新型PID控制算法新型PID控制算法簡(jiǎn)介實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程往往具有非線性、時(shí)變不確定性、難以確定精確的數(shù)學(xué)模型等特點(diǎn)，單單應(yīng)用P1D控制器不能達(dá)到理想的控制效果；在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中，由于受到參數(shù)整定方法煩雜的困擾，常規(guī)PID控制器參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對(duì)運(yùn)行工況的適應(yīng)性很差。針對(duì)這些問(wèn)題，長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直在尋求新型PID控制器技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標(biāo)的控制要求。隨著微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字智能式控制器的實(shí)際應(yīng)用，這種設(shè)想已經(jīng)變成了現(xiàn)實(shí)。同時(shí)，隨著現(xiàn)代控制理論(諸如智能控制、自適應(yīng)控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等)研究和應(yīng)用的發(fā)展與深入，為控制復(fù)雜無(wú)規(guī)則系統(tǒng)開(kāi)辟了新途徑。近年來(lái)，將常規(guī)PID控制與現(xiàn)代控制理論相結(jié)合，出現(xiàn)了許多新型PID控制器，對(duì)于復(fù)雜對(duì)象，其控制效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)PID控制。這些新型控制算法有：自適應(yīng)PID控制算法、智能PID控制算法、模糊PID控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法、預(yù)測(cè)PID控制算法、Smith純滯后補(bǔ)償PID控制算法等等。純滯后的Smith預(yù)估補(bǔ)償控制算法純滯后在工業(yè)上是一種普遍的現(xiàn)象。例如，冶金、造紙工業(yè)中板材厚度的控制，加熱爐、窯爐的傳熱，化工、冶煉生產(chǎn)中物料傳輸，反應(yīng)器的化學(xué)合成等等系統(tǒng)都存在純滯后。由于純滯后在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的存在，會(huì)導(dǎo)致控制作用不及時(shí)，引起超調(diào)或是振蕩，影響系統(tǒng)的控制精度，導(dǎo)致生產(chǎn)出的產(chǎn)品精度不高甚至是廢品，嚴(yán)重的有可能會(huì)損壞生產(chǎn)設(shè)備。對(duì)于純滯后、非線性，PID控制算法及其改進(jìn)算法很難取得很好的控制效果，通常需要采取一些特殊的控制手段，但至今仍無(wú)一種通用的行之有效的方法。50年代由Smith(史密斯)提出的Smith預(yù)估補(bǔ)償控制仍然是目前大純滯后溫度控制最成功的算法，它通過(guò)在回路中并接一補(bǔ)償環(huán)節(jié)，這個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)稱(chēng)為Smith預(yù)估器。由文獻(xiàn)[22]可知，一般工業(yè)溫度控制對(duì)象都可以用一階系統(tǒng)表示其傳遞函數(shù)：式中為被控對(duì)象中不含純滯后部分的傳遞函數(shù)，e?τs為被控對(duì)象中純滯后部分的傳遞函數(shù)，τ為純滯后時(shí)間。則所并接的反饋預(yù)估環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為(τ為純滯后時(shí)間)，從而可以在環(huán)路中補(bǔ)償純滯后時(shí)間。系統(tǒng)框圖如圖2-2所示。圖2-2Smith預(yù)估原理框圖由Smith預(yù)估器和調(diào)節(jié)器D(s)(PID)組成補(bǔ)償回路稱(chēng)為純滯后補(bǔ)償器，其傳遞函數(shù)為D'(s)，即，經(jīng)補(bǔ)償后系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為式(2-9)說(shuō)明，經(jīng)補(bǔ)償后，消除了純滯后部分對(duì)控制系統(tǒng)的影響，因?yàn)槭街械膃?τs在閉環(huán)控制回路之外，不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，拉氏變換的位移定理說(shuō)明，e?τs僅將控制作用推移一個(gè)時(shí)間τ，控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程及其性能指標(biāo)都與對(duì)象特性為GP(s)時(shí)完全相同。數(shù)字PID控制器和Smith預(yù)估器都由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，這時(shí)計(jì)算機(jī)應(yīng)完成以下幾步計(jì)算任務(wù)：(1)計(jì)算反饋回路的偏差。(2)計(jì)算補(bǔ)償器的輸出。(3)進(jìn)行PID運(yùn)算。要實(shí)現(xiàn)Smith預(yù)估控制器，首先必須準(zhǔn)確知道被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，即控制方案需要被控對(duì)象的精確模型。如果在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，依照某一對(duì)象的傳遞函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，一旦對(duì)象的參數(shù)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生變化，或者對(duì)象的傳遞函數(shù)本來(lái)就不精確，按原參數(shù)設(shè)計(jì)的預(yù)估器就不能完全補(bǔ)償對(duì)象的純滯后。事實(shí)上，對(duì)于大多數(shù)過(guò)程控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其被控對(duì)象的精確傳遞函數(shù)是寫(xiě)不出來(lái)的，而對(duì)象的純滯后時(shí)間則可通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法獲得。因此要對(duì)該控制系統(tǒng)作一些改進(jìn)。將圖2-2等效簡(jiǎn)化得到圖2-3原理框圖。圖2-3改進(jìn)Smith預(yù)估算法原理框圖由圖2-3可以看出來(lái)，系統(tǒng)不需要被控對(duì)象的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，因而不存在對(duì)象參數(shù)變化的影響，關(guān)鍵是對(duì)被控對(duì)象C(s)未來(lái)τ時(shí)刻其數(shù)值C'(s)的準(zhǔn)確預(yù)估。如果能做到這一點(diǎn)，就能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)模型控制。2.3反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)本課題要控制的MMA聚合反應(yīng)主要是采用自由基聚合中的本體聚合。直接在MMA單體中加入引發(fā)劑和鏈轉(zhuǎn)移劑，反應(yīng)器采用間歇攪拌釜式聚合反應(yīng)器(反應(yīng)釜)，釜內(nèi)有攪拌器，釜外有夾套層及保溫裝置，釜的最大反應(yīng)容積為5升，最高溫度為300℃，超調(diào)量盡量小，溫度控制精度±10圖2-4系統(tǒng)硬件原理框圖其單閉環(huán)基本控制原理為：傳感器將溫度采樣值經(jīng)過(guò)A/D采樣輸入單片機(jī)89C55中央控制單元，采樣值與溫度設(shè)定值同時(shí)送入算法子程序進(jìn)行運(yùn)算得到輸出控制量，輸出控制量通過(guò)固態(tài)繼電器(執(zhí)行電路)作用到加熱電阻絲上，控制部分采用脈寬調(diào)功(壓)即PWM(pulsewidthmodulator)，通過(guò)控制一個(gè)時(shí)間段內(nèi)通過(guò)的交流電波數(shù)控制加熱功率。軟件方面，分為主程序、溫度采樣中斷程序、控制中斷程序、時(shí)間計(jì)時(shí)中斷程序、參數(shù)調(diào)節(jié)中斷服務(wù)程序。主程序完成初始化、顯示、報(bào)警并等待各個(gè)中斷；溫度采樣完成溫度采樣、濾波、以及控制算法運(yùn)算等；控制中斷定時(shí)輸出控制信號(hào)給D/A，控制PWM的脈寬，控制加熱功率；參數(shù)調(diào)節(jié)中斷服務(wù)程序隨時(shí)等待鍵盤(pán)中斷，輸入控制參數(shù)；時(shí)間計(jì)時(shí)中斷程序累計(jì)啟動(dòng)以后的時(shí)間。最重要的控制算法子程序采用改進(jìn)Smith預(yù)估算法－積分分離分段式抗飽和PID位置控制算法，Smith預(yù)估算法采用的改進(jìn)算法，如式(2-22)到（2-26）所示，PID采用積分分離、控制分段、抗飽和的位置式數(shù)字PID控制算法?？驁D如圖2-5所示。圖2-5控制算法原理框圖本算法不僅具有PID工作穩(wěn)定、可靠性高的特性，而且又解決了系統(tǒng)非線性的問(wèn)題，不需要對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，工程可操作性強(qiáng)，有較強(qiáng)的魯棒性，對(duì)噪聲干擾有較強(qiáng)的抑制能力，非常適合模型未知或多變的溫度控制對(duì)象。在實(shí)驗(yàn)中，本套系統(tǒng)取得較好的控制效果。2.4小結(jié)本章首先介紹了目前應(yīng)用的微機(jī)控制系統(tǒng)情況，同時(shí)闡述了課題相關(guān)的PID控制算法和預(yù)估控制算法Smith的改進(jìn)算法。在此基礎(chǔ)上，確定整套控制系統(tǒng)采用的硬件方案、控制算法方案。第3章溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本章主要論述溫度控制系統(tǒng)硬件部分。聚合反應(yīng)容器為間歇攪拌釜式聚合反應(yīng)器，釜的最大反應(yīng)容積為5升，最高溫度為300℃，超調(diào)量盡量小，溫度控制精度±10影響反應(yīng)釜反應(yīng)溫度有好多因素，按照擾動(dòng)的來(lái)源分為兩類(lèi)：一類(lèi)內(nèi)因，來(lái)自于反應(yīng)釜內(nèi)部，加入MMA數(shù)量的不同，加入引發(fā)劑和鏈轉(zhuǎn)移劑品種和數(shù)量的不同，反應(yīng)過(guò)程中的吸熱放熱，這都直接影響反應(yīng)釜的溫度，是影響反應(yīng)釜溫度的主要原因。另一類(lèi)是外因，來(lái)自反應(yīng)釜之外的外部擾動(dòng)，比如實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)溫度，電源波動(dòng)等等，外部擾動(dòng)雖然沒(méi)有內(nèi)部擾動(dòng)對(duì)反應(yīng)釜溫度影響大，但是外部擾動(dòng)需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才能消除其影響，降低控制品質(zhì)。內(nèi)因、外因，同時(shí)再加上熱系統(tǒng)的滯后，使得控制系統(tǒng)要達(dá)到很好的品質(zhì)，必須采取準(zhǔn)確的測(cè)溫控制系統(tǒng)。整個(gè)硬件系統(tǒng)包括：中央控制單元、A/D轉(zhuǎn)換采樣輸入單元、D/A轉(zhuǎn)換輸出控制單元、鍵盤(pán)顯示單元、電源單元，如圖3-1所示。圖3-1系統(tǒng)硬件原理框圖3.1中央控制單元3.1.1中央控制單片機(jī)中央控制單元采用ATMEL公司生產(chǎn)的51系列單片機(jī)中的89C55，該單片機(jī)是一種COMS8位低功耗內(nèi)含20K快閃可編程/擦除只讀存貯器的微控制器。89C55與80C51的指令和引腳完全兼容。89C55的性能如下:與MCS-51產(chǎn)品系列的指令兼容，片內(nèi)有20K字節(jié)可在線重復(fù)編程快閃只讀存貯器，存貯器可循環(huán)寫(xiě)入/擦除1000次，存貯器數(shù)據(jù)保存時(shí)間長(zhǎng)10年，工作電壓范圍2.7-6V，工作時(shí)鐘頻率0-30MHz。程序存貯器有三級(jí)保護(hù)，內(nèi)部RAM有256×8位，32條可編程輸入/輸出線，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。中斷結(jié)構(gòu)有8個(gè)中斷源，兩個(gè)優(yōu)先級(jí)。一個(gè)全雙工串行通訊口，可置低功耗和掉電保護(hù)狀態(tài)，數(shù)字接口為T(mén)TL,封裝40腳塑料DIP，具有低功耗和掉電2種工作模式。本系統(tǒng)選用8位單片機(jī)主要考慮以下幾個(gè)方面的原因：(1)溫度采樣屬于變化緩慢的信號(hào)，對(duì)控制器速度沒(méi)有什么特殊要求。(2)控制一個(gè)閉合回路，只有一個(gè)采樣點(diǎn)和控制點(diǎn)，任務(wù)非常簡(jiǎn)單。(3)控制算法采用改進(jìn)的PID控制算法，方法簡(jiǎn)單，運(yùn)算量小。所以選用8位單片機(jī)完全可以勝任。8位機(jī)采用ATMEL公司的89C55，12M晶振。89C55與80C51的指令和引腳完全兼容，其相關(guān)的開(kāi)發(fā)軟件非常成熟，而且配套兼容的芯片種類(lèi)豐富，這最大程度的減小了軟硬件開(kāi)發(fā)的難度，片內(nèi)提供256B位RAM，基本上滿足采樣濾波和算法浮點(diǎn)運(yùn)算的內(nèi)存需要，同時(shí)片內(nèi)提供20KB的可擦寫(xiě)ROM存儲(chǔ)單片機(jī)程序，這大大的方便了單片機(jī)的開(kāi)發(fā)和程序的修改，避免了電路接額外的ROM電路的麻煩，這樣既可以簡(jiǎn)化電路，又可以增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，性?xún)r(jià)比非常高。89C系列單片機(jī)目前已經(jīng)成為8位單片機(jī)應(yīng)用的首選。3.1.2看門(mén)狗微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)必須長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。MMA聚合反應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣，有精餾、超濾、反應(yīng)釜、真空泵、加壓泵、電磁閥、繼電器等等電磁干擾設(shè)備。使得單片機(jī)工作場(chǎng)所形成強(qiáng)電與弱電、數(shù)字與模擬共存的局面，各種干擾通過(guò)電源線、地線、輸入輸出通道等進(jìn)入系統(tǒng)，影響單片機(jī)系統(tǒng)的正常工作，甚至發(fā)生程序跑飛，可能導(dǎo)致控制誤差加大。嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)失靈，甚至造成巨大的損失，造成生產(chǎn)事故，因此必須采取抗干擾措施。一般來(lái)說(shuō)，單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾措施分為預(yù)防性的和補(bǔ)救性的，可采用抗干擾技術(shù)分為硬件抗干擾技術(shù)和軟件抗干擾技術(shù)。預(yù)防性硬件抗干擾技術(shù)是設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)首選的措施，它能有效抑制干擾源，阻斷干擾傳輸通道。只要合理地布置與選擇有關(guān)參數(shù)，硬件抗干擾措施就能抑制系統(tǒng)的絕大部分干擾。本系統(tǒng)采用的看門(mén)狗就屬于預(yù)防性硬件抗干擾技術(shù)?？撮T(mén)狗功能由MAX813L完成，MAX813L看門(mén)狗電路如圖3-2所示。圖3-2看門(mén)狗電路原理圖MAX813L是美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的低價(jià)格單片機(jī)監(jiān)控電路。它減少了在微處理器系統(tǒng)中采用分離元件來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能所用的元器件數(shù)量和復(fù)雜性，并能提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。它除有看門(mén)狗作用以外，還有電源電壓檢測(cè)和上電(手動(dòng))復(fù)位的功能。其芯片特點(diǎn)如下：(1)加電、掉電以及供電電壓下降情況下的復(fù)位輸出，復(fù)位脈沖寬度典型值為200ms；(2)獨(dú)立的看門(mén)狗輸出，如果看門(mén)狗輸入在1.6s內(nèi)末被觸發(fā)，其輸出將變?yōu)楦唠娖健?3)1.25V門(mén)限值檢測(cè)器，用于電源故障報(bào)警、電池低電壓檢測(cè)或+5V以外的電源監(jiān)控。(4)低電平有效的手動(dòng)復(fù)位輸入。(5)8引腳DIP封裝。看門(mén)狗功能如下：(1)系統(tǒng)正常復(fù)位系統(tǒng)正常復(fù)位分為上電復(fù)位和人工復(fù)位，電源上電時(shí)，當(dāng)電源電壓超過(guò)復(fù)位門(mén)限電壓4.65V，RST端輸出200ms的復(fù)位信號(hào)，使系統(tǒng)復(fù)位；當(dāng)復(fù)位開(kāi)關(guān)按下并釋放，RST端獲得低電平也使RST端輸出復(fù)位信號(hào)。(2)電壓電源干擾引起的系統(tǒng)復(fù)位當(dāng)電源受到干擾，使VCC低于復(fù)位門(mén)限電壓(4.65V)時(shí)，WDO端由高電平變?yōu)榈碗娖剑瑫r(shí)RST端輸出復(fù)位脈沖(高電平)，使系統(tǒng)復(fù)位，當(dāng)干擾過(guò)后，VCC、恢復(fù)正常再經(jīng)過(guò)200ms，RST端恢復(fù)低電平(無(wú)效)，系統(tǒng)正常工作，此電路的響應(yīng)時(shí)間約為350ms，可見(jiàn)該電路能監(jiān)測(cè)檢測(cè)到毫秒級(jí)的瞬間低電平干擾，從而可通過(guò)軟件制定相應(yīng)的對(duì)策。(3)電源以外的干擾引起的系統(tǒng)復(fù)位根據(jù)看門(mén)狗的原理，我們通過(guò)一個(gè)口線(如P1.1)向MAX813L的WDI端輸出方波，方波的高電平和低電平的寬度可不等，但時(shí)間不能超過(guò)1.6s，這樣片內(nèi)的看門(mén)狗定時(shí)器就不會(huì)溢出，WDO也保持高電平，MR端保持高電平，系統(tǒng)正常工作。當(dāng)干擾信號(hào)使系統(tǒng)程序走飛，或進(jìn)入死循環(huán)，8031的P1.1端不能正常輸出脈寬小于1.6s的矩形波，使WDO端的高或低電平持續(xù)時(shí)間超過(guò)1.6s，看門(mén)狗定時(shí)器溢出，WDO端由高電平變?yōu)榈碗娖剑琑ST端輸出復(fù)位脈沖，單片機(jī)復(fù)位，看門(mén)狗定時(shí)器清零，WDO端又恢復(fù)為高電平。3.2A/D轉(zhuǎn)換采樣輸入單元測(cè)溫的溫度傳感器采用鉑電阻Pt100。鉑電阻溫度傳感器因穩(wěn)定性好、測(cè)量準(zhǔn)確度高、量程范圍寬而被廣泛用作標(biāo)準(zhǔn)儀器。在0-650℃范圍內(nèi),其電阻溫度特性為分別為t℃和0℃時(shí)鉑電阻的電阻值，a、b為溫度特性常數(shù)圖3-3A/D電路原理圖由原理框圖可以看出，這種鉑電阻溫度測(cè)量方案是一開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，不形成正反饋，各功能部分的輕微變化對(duì)輸出顯示的影響不大，因而其穩(wěn)定性?xún)?yōu)于常規(guī)的閉環(huán)反饋校正。圖中R21、R6、R7、Rt與U17(OP07放大器)組成有源線性電橋網(wǎng)絡(luò)。為了獲得較高的分辨率和靈敏度，要求供給鉑電阻兩端的電壓盡量大一些，但供給電壓大，又會(huì)使鉑電阻的耗散功率增加，從而產(chǎn)生自熱，影響測(cè)量精度。鉑電阻每耗9.1mW，溫度上升1℃。電路配用的Pt100型鉑電阻，標(biāo)稱(chēng)值為100?模/數(shù)轉(zhuǎn)換器選用ICL7109，ICL7109是一種高精度、低噪聲、低漂移、價(jià)格低廉的雙積分型12位A/D轉(zhuǎn)換器。它具有很強(qiáng)的抗工頻干擾能力，尤其適用于噪聲大、環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，是中低速精確數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和智能儀表裝置的理想接口芯片。ICL7109輸出12位二進(jìn)制數(shù)(B1-B12)和一位極性位(POL)、一位溢出位(OR)，轉(zhuǎn)換器分辨率為2-12>0.1%，能滿足精密儀表精度要求，可直接掛接于單片機(jī)數(shù)據(jù)總線上(89C55的P0口)。此電路中ICL7109工作于直接方式，上電以后，7109進(jìn)入連續(xù)不停的工作狀態(tài)，當(dāng)7109完成一次轉(zhuǎn)換時(shí)，STATUS端由高到低，向89C55請(qǐng)求中斷INT1。89C55響應(yīng)中斷，進(jìn)入相應(yīng)的服務(wù)程序，分兩次讀入7109的低字節(jié)、高字節(jié)以及POL、OR數(shù)據(jù)。高字節(jié)選通和低字節(jié)選通的控制信號(hào)HBEN和LBEN由89C55的RD信號(hào)、高位地址線P2.1和P2.0產(chǎn)生。ICL7109外接元件選擇：3.3D/A轉(zhuǎn)換輸出控制單元3.3.1控制原理這部分主要是完成過(guò)零觸發(fā)PWM脈寬調(diào)功，由D/A轉(zhuǎn)換器、三角波發(fā)生器、電平比較器、施密特觸發(fā)器、光耦隔離和固態(tài)繼電器組成。組成框圖如圖3-4所示。圖3-4D/A電路原理框圖固態(tài)繼電器交流調(diào)壓(功)在電加熱控制系統(tǒng)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。目前國(guó)內(nèi)固態(tài)繼電器交流調(diào)壓(功)溫控電路常用相位控制和過(guò)零觸發(fā)PWM控制方式。相位控制方式使固態(tài)繼電器在電源電壓每個(gè)周期內(nèi)，在選定的時(shí)刻內(nèi)將負(fù)載與電源接通，改變選定的時(shí)刻就可以達(dá)到調(diào)壓的目的。這種方式最大缺點(diǎn)是，“缺角”的正弦波會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的射頻干擾，并通過(guò)電網(wǎng)傳輸?shù)胶苓h(yuǎn)的距離，給電力系統(tǒng)造成“傷害”，而且功率因數(shù)低。而過(guò)零觸發(fā)PWM控制方式是把固態(tài)繼電器作為開(kāi)關(guān)將負(fù)載與交流電源接通幾個(gè)周期(工頻1周期為20ms)，然后在斷開(kāi)一定的周期，改變通斷的時(shí)間比值達(dá)到調(diào)壓的目的。這種控制方式與相位控制方式相比，不但性能穩(wěn)定，工作可靠，同時(shí)具有體積小、安裝調(diào)試容易、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，特別重要的是，負(fù)載上得到的電壓電流是完整的正弦波，基本上不存在電網(wǎng)波形的畸形和高頻感干擾?？刂圃砣鐖D3-5所示。圖3-5PWM調(diào)功原理圖本系統(tǒng)控制的方式采用過(guò)零觸發(fā)PWM控制方式的固態(tài)繼電器交流調(diào)壓(功)。其原理是，首先三角波發(fā)生器產(chǎn)生頻率恒定的三角波，它和D/A轉(zhuǎn)換器輸出的控制信號(hào)同時(shí)輸入到電平比較器，控制信號(hào)與三角波在電平比較器中比較，從而產(chǎn)生不同占空比(占空比由控制信號(hào)決定)的PWM脈沖波。PWM脈沖波經(jīng)施密特觸發(fā)器(波形整形器)濾除電平附近由于干擾產(chǎn)生的振蕩成分，使波形規(guī)則化，同時(shí)起到驅(qū)動(dòng)后邊負(fù)載的作用。經(jīng)光電耦合隔離器，控制過(guò)零觸發(fā)固態(tài)繼電器的導(dǎo)通和截至的時(shí)間比例，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出功率和控制溫度的目的。3.3.2芯片及參數(shù)的選取D/A轉(zhuǎn)換器考慮到控制精度，同時(shí)與A/D轉(zhuǎn)化器相匹配，D/A轉(zhuǎn)換器采用MAXIM公司的MAX530芯片。MAX530是—種低功耗、12位并行輸入、上電復(fù)位、采用+5V單電源或者±5V雙電源供電的D/A轉(zhuǎn)換器芯片。雖然是并行12位輸入，但其輸入僅8位，其中8位共用4根輸入管腳，對(duì)TTL/CMOS電平兼容，與89C55連接非常方便。輸出為電壓型，內(nèi)含2.048V參考電壓源。MAX530有三種工作方式，通過(guò)改變補(bǔ)償電阻ROFS的連接方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，方式一對(duì)應(yīng)輸出電壓范圍為0-2.048V；方式二對(duì)應(yīng)輸出電壓范圍為0-4.096V；方式三為雙極性輸出，對(duì)應(yīng)輸出電壓范圍為(-2.048V)至(+2.048V)?？紤]到要與max038產(chǎn)生的三角波比較，所以MAX530工作在方式三，即雙極性方式，將ROFS連接到REFIN端。MAX530的連接框圖如圖3-6所示。圖3-6MAX530電路原理圖CLR端為清零端口，接P1.0端口，可以隨時(shí)通過(guò)P1.0設(shè)零使輸出清零，避免生產(chǎn)事故。同時(shí)單片機(jī)的RET復(fù)位端通過(guò)與門(mén)與CLR端連接，可以使MAX530與單片機(jī)系統(tǒng)同步復(fù)位。單片機(jī)P2.7與片選端CS相連，P2.6、P2.5通過(guò)非門(mén)驅(qū)動(dòng)與高低位尋址A1、A0相連，這樣D/A的片選地址為#7FFFH(低8位)和#1FFFH(高4位)。同時(shí)采用8+4方式(即依次輸出12位中的高4位和低8位)輸入數(shù)據(jù)，這樣LDAC端直接接地。當(dāng)單片機(jī)完成算法運(yùn)算之后，通過(guò)地址尋址，選中D/A和相應(yīng)的高低位，依次輸入12位控制信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬輸出。三角波發(fā)生器三角波發(fā)生器選用MAX038。MAX038是美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的高頻、高精度、低輸出電阻、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)(20mA)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器芯片。使用很少的外部元器件它就可以產(chǎn)生精確、高頻率的三角波、鋸齒波、正弦波、方波、脈沖波形等信號(hào)。利用內(nèi)部2.5V電壓作參考配以外部的電阻及電容可實(shí)現(xiàn)輸出頻率0.1Hz-20MHz，占空比可調(diào)節(jié)范圍為15%-85%。三角波發(fā)生器電路如圖3-7所示。圖3-7MAX038電路原理圖波形設(shè)定端A0、A1分別設(shè)定為1和0(1為高電平，0為低電平)，此時(shí)輸出波形為三角波。將占空比調(diào)節(jié)輸入端DADJ接地，則三角波形的占空比固定為50%。這樣MAX038在OUT端輸出占空比為50%、頻率0.5HZ、P-P值為2V的三角波。但是由于三角波要比較的D/A控制信號(hào)為(-2.048V)至(+2.048V)，因此輸出后要加上一個(gè)放大電路使得波形與控制信號(hào)匹配，P-P值為4.096V。放大器選用LM318，連接如圖3-7所示。電平比較器三角波輸入到電平比較器的正輸入端子，每隔2s(與三角波頻率相同)，D/A轉(zhuǎn)換器輸出控制信號(hào)輸入到比較器的負(fù)輸入端子，在比較器中相比較，這樣在比較器的輸出端就產(chǎn)生了脈寬與控制信號(hào)大小相對(duì)應(yīng)的PWM波。再經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器的反相與整形，就得到了脈寬與D/A控制信號(hào)成正比的PWM波。D/A控制信號(hào)越大，PWM波的脈寬越寬，D/A控制信號(hào)越小，PWM波的脈寬越窄。當(dāng)D/A控制信號(hào)電壓為+2.048V時(shí)，PWM波輸出全為高電平，即占空比為100%，當(dāng)D/A控制信號(hào)電壓為-2.048V時(shí)，PWM波全為低電平，即占空比為0%。這樣達(dá)到了用D/A輸出信號(hào)控制占空比的目的。控制原理見(jiàn)圖3-8。圖3-8D/A電路控制波形圖比較器采用LM339。它為低功耗、低失調(diào)電壓比較器，具有全溫度范圍內(nèi)的失調(diào)電壓漂移低，輸入差動(dòng)電壓范圍等于電源電壓，能與TTL、DTL、ECL、MOS等邏輯系統(tǒng)兼容等特點(diǎn)，在測(cè)量和控制領(lǐng)域用途廣泛。LM339是一種高增益寬帶器件，在印刷電路板布局時(shí)應(yīng)注意輸入信號(hào)線與輸出線不要靠近，以免輸出信號(hào)通過(guò)分布電容耦合到輸入端引起比較器自激。并應(yīng)注意集成塊的接地端應(yīng)與整機(jī)的接地點(diǎn)盡可能的靠近，以減少接地阻抗?？刂撇糠蛛娐吩砜驁D如圖3-9所示。圖3-9控制電路原理圖施密特觸發(fā)器由于生產(chǎn)環(huán)境干擾很多，同時(shí)PWM控制波經(jīng)過(guò)傳輸通道后往往發(fā)生波形畸變，波形的上升和下降沿將明顯變壞，出現(xiàn)附加噪聲。為了獲得比較理想的矩形脈沖控制波形，通常使用施密特觸發(fā)器整形。本系統(tǒng)的施密特觸發(fā)器采用74LS14(為6個(gè)施密特觸發(fā)的反相器)，電路連接見(jiàn)圖3-9。光耦隔離交流固態(tài)繼電器是大功率器件，雖然固態(tài)繼電器輸入與輸出間采用光隔離，但是提高系統(tǒng)的抗干擾性使用光耦4N25。連接見(jiàn)圖3-9。固態(tài)繼電器交流固態(tài)繼電器AC-SSR(Alternatingcurrent-SolidStateRelays)是一種由固態(tài)電子器件組成的新型無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)器件。它利用分立元件、集成器件及微電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制回路(輸入)與負(fù)載回路(輸出)之間的電隔離和信號(hào)耦合。達(dá)到無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)火花接通和斷開(kāi)電路的目的，具有工作可靠、驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)噪音和抗干擾的特點(diǎn)，且能與CMOS、TTL、HTL等數(shù)字電路相兼容。另外AC-SSR內(nèi)設(shè)光電隔離電路，可有效減少電網(wǎng)對(duì)微機(jī)的干擾。因此，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，諸如微機(jī)的I/O接口、防爆場(chǎng)合和自動(dòng)控制領(lǐng)域等。交流固態(tài)繼電器按控制觸發(fā)的形式分為過(guò)零觸發(fā)型和隨機(jī)導(dǎo)通型兩種。當(dāng)控制信號(hào)加入時(shí)，前者只能在交流電源電壓過(guò)零點(diǎn)附近才導(dǎo)通，后者則在交流電壓的任意相位上導(dǎo)通和關(guān)閉。由于過(guò)零觸發(fā)通斷過(guò)程中都是完整的正弦波，電磁干擾和浪涌電壓都非常小，所以本系統(tǒng)采用交流型過(guò)零觸發(fā)固態(tài)繼電器(AC-SSR)。示意圖如圖3-10所示。圖3-10交流固態(tài)繼電器示意圖直流控制端輸入PWM控制脈沖波，交流控制輸出端接交流加熱電源，由PWM波控制交流電路的通斷。在每個(gè)周期內(nèi)(本系統(tǒng)為2s)，輸出端導(dǎo)通的時(shí)間與PWM波的占空比成正比，而每一周期內(nèi)PWM波的占空比與單片機(jī)輸出的控制信號(hào)成正比，過(guò)零固體繼電器輸出端導(dǎo)通正弦波數(shù)與導(dǎo)通時(shí)間成正比，從而使得一周期內(nèi)加熱電路通過(guò)的周波數(shù)與單片機(jī)輸出控制信號(hào)成正比，達(dá)到過(guò)零觸發(fā)PWM調(diào)壓(功)的目的。交流固態(tài)繼電器電路連接圖見(jiàn)圖3-9所示。被控的交流加熱平均功率為：式中P為輸入反應(yīng)釜的加熱功率，PMAX為反應(yīng)釜滿額電加熱功率(4kW)，n為允許導(dǎo)通的周波數(shù)，N為設(shè)定的滿額周波數(shù)。當(dāng)ｎ=0時(shí)，加熱輸出功率為零；當(dāng)ｎ=N時(shí)，加熱輸出功率為滿功率。本系統(tǒng)的控制周期設(shè)定2s，則工頻50Hz交流電滿額周波數(shù)N=2×50=100，n與PWM控制波占空比成正比，取值范圍為0-100。加熱功率的控制精度1%，最小輸出功率為：3.4鍵盤(pán)顯示報(bào)警單元3.4.1鍵盤(pán)顯示部分本單元支持人機(jī)交互操作，完成控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示與參數(shù)輸入設(shè)定，主要是采用鍵盤(pán)顯示專(zhuān)用芯片8279。Intel生產(chǎn)的8279是一種功能很強(qiáng)的通用可編程鍵盤(pán)和顯示I/O接口集成電路。在各種智能儀表及自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，鍵盤(pán)和顯示器是不可缺少的一部分，利用8279可對(duì)鍵盤(pán)顯示器自動(dòng)掃描，可使CPU從鍵盤(pán)和顯示掃描過(guò)程中解脫出來(lái)，更少的占用CPU的時(shí)間而且顯示穩(wěn)定。在掃描鍵盤(pán)輸入方式中，鍵盤(pán)最高可設(shè)置64(8×8)鍵，擴(kuò)充可至128(8×8×2)鍵，顯示最多可設(shè)置16位顯示。圖3-118279電路原理框圖3.4.2報(bào)警部分硬件報(bào)警部分完成整個(gè)溫度控制系統(tǒng)溫度和時(shí)間的聲光報(bào)警。本系統(tǒng)的聲音報(bào)警采用蜂鳴器，光報(bào)警采用發(fā)光二極管，同時(shí)用單片機(jī)的P1口線作輸出，考慮到單片機(jī)的負(fù)載情況，在P1口控制線與蜂鳴器或發(fā)光二極管之間都接了一個(gè)由三極管組成的簡(jiǎn)單放大器。當(dāng)反應(yīng)溫度超過(guò)設(shè)定值或是溫度超過(guò)反應(yīng)釜最高允許溫度時(shí)，當(dāng)反應(yīng)釜運(yùn)行時(shí)間超過(guò)了設(shè)定時(shí)間，報(bào)警軟件將P1口相應(yīng)的位置1，蜂鳴器和發(fā)光二極管將同時(shí)報(bào)警。3.5電源單元直流電源為系統(tǒng)硬件供電。電源直接影響電氣設(shè)備和控制系統(tǒng)的工作性能和運(yùn)行安全，因此電源單元的設(shè)計(jì)也是系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵。本系統(tǒng)的直流電源采用電網(wǎng)220V交流供電，經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓得到所需的直流電源。原理框圖如下圖3-12所示。圖3-12電源電路原理框圖本系統(tǒng)中硬件電路既有模擬電路又有數(shù)字電路，所需的直流電源電壓有四種規(guī)格要求：+5V、-5V、+12V、+12V。所以要有四套不同的直流電路。變壓器用兩個(gè)，功率都為8W，均為次級(jí)單繞組、三抽頭雙極性輸出變壓器。次級(jí)輸出電壓分別為9V和15V(對(duì)應(yīng)輸出直流電壓±5V和±12V)。整流選用單相橋式整流電路。濾波采用1000μF25V電解電容并聯(lián)濾波(每0.5A電流1000μF容量選取)。穩(wěn)壓部分采用三端固定集成穩(wěn)壓器7800系列(正穩(wěn)壓)和7900系列(負(fù)穩(wěn)壓)。3.6小結(jié)本章主要論述了溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括：中央控制單元、A/D轉(zhuǎn)換采樣輸入單元、D/A轉(zhuǎn)換輸出控制單元、鍵盤(pán)顯示單元、電源單元幾個(gè)部分。詳細(xì)的介紹了每一部分的電路原理、設(shè)計(jì)思想、具體實(shí)現(xiàn)和相關(guān)元件參數(shù)的選定。第4章溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，單片機(jī)所具有的智能功能要由軟件來(lái)控制完成。它具有充分的靈活性，可以根據(jù)系統(tǒng)的要求而變化。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，將控制軟件分成各個(gè)模塊，分別編寫(xiě)、調(diào)試，所有模塊完成之后，再進(jìn)行連接調(diào)試。模塊化設(shè)計(jì)既使設(shè)計(jì)調(diào)試非常方便，又便于維護(hù)系統(tǒng)，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基本原理反應(yīng)釜溫度控制的范圍在0℃4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu)單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)軟件的執(zhí)行部分主要包括采樣計(jì)算過(guò)程和控制輸出過(guò)程兩個(gè)階段。軟件總體上包括以下幾個(gè)部分：主程序、參數(shù)調(diào)節(jié)中斷服務(wù)程序、采樣中斷程序、控制中斷程序和T1計(jì)時(shí)中斷程序。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制性，軟件全部采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。主程序進(jìn)行系統(tǒng)的初始化并啟動(dòng)A/D采樣，同時(shí)進(jìn)行LED顯示和報(bào)警判定，等待各個(gè)中斷。參數(shù)調(diào)節(jié)中斷服務(wù)程序處理溫度參數(shù)和時(shí)間參數(shù)的輸入。采樣中斷程序處理采樣數(shù)據(jù)并進(jìn)行算法運(yùn)算。控制中斷程序輸出控制量。T1計(jì)時(shí)中斷程序計(jì)算從系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)刻運(yùn)行的時(shí)間。89C55的INT0作為參數(shù)調(diào)節(jié)中斷，INT1作為采樣中斷，T0作為D/A中斷，T1作為運(yùn)行計(jì)時(shí)。在初始化時(shí)設(shè)定INT0參數(shù)調(diào)節(jié)中斷服務(wù)程序優(yōu)先級(jí)最高，其余中斷依照同級(jí)優(yōu)先原則從高到低依次為T(mén)0、INT1、T1。INT0由鍵盤(pán)按鈕控制，當(dāng)有按鈕按下時(shí)，向單片機(jī)申請(qǐng)中斷，89C55響應(yīng)中斷后轉(zhuǎn)入?yún)?shù)調(diào)節(jié)中斷服務(wù)程序，在此期間屏蔽INT1采樣中斷和T0D/A輸出中斷，并置輸出控制信號(hào)為最低(-2.04