8-計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

第1章計算機限制系統(tǒng)概述第2章工業(yè)限制計算機第3章I/O接口與過程通道第4章依次限制與數(shù)字限制技術(shù)第5章數(shù)字限制器設(shè)計第6章限制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)《計算機限制技術(shù)》課件第7章困難限制技術(shù)第8章計算機限制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)第9章智能限制技術(shù)基礎(chǔ)第10章限制網(wǎng)絡技術(shù)第6章限制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)

8.1系統(tǒng)設(shè)計的原則與步驟8.2

系統(tǒng)的工程設(shè)計與實現(xiàn)8.3電熱油爐溫度單片機限制系統(tǒng)設(shè)計8.4工控機應用實例—仿真轉(zhuǎn)臺限制系統(tǒng)設(shè)計第1章計算機限制系統(tǒng)概述第2章工業(yè)限制計算機第3章I/O接口與過程通道第4章依次限制與數(shù)字限制技術(shù)第5章數(shù)字限制器設(shè)計第7章困難限制技術(shù)第8章計算機限制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)第9章智能限制技術(shù)基礎(chǔ)第10章限制網(wǎng)絡技術(shù)《計算機限制技術(shù)》課件系統(tǒng)設(shè)計的原則與步驟8.18.1.2系統(tǒng)設(shè)計的步驟8.1.1

系統(tǒng)設(shè)計的原則系統(tǒng)的工程設(shè)計與實現(xiàn)8.28.2.2硬件的工程設(shè)計與實現(xiàn)8.2.1

系統(tǒng)總體方案設(shè)計8.2.3軟件的工程設(shè)計與實現(xiàn)8.2.4系統(tǒng)的調(diào)試與運行電熱油爐溫度單片機限制系統(tǒng)設(shè)計8.38.3.2硬件系統(tǒng)設(shè)計8.3.1限制任務與工藝要求8.3.3數(shù)學模型與限制算法8.3.4軟件設(shè)計仿真轉(zhuǎn)臺限制系統(tǒng)設(shè)計8.48.4.2硬件設(shè)計8.4.1

系統(tǒng)概述8.4.3軟件設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計的原則⒈平安牢靠⒉操作維護便利⒊實時性強⒋通用性好⒌經(jīng)濟效益高8.1.1系統(tǒng)設(shè)計的步驟⑴甲方提出任務托付書⑵乙方探討任務托付書⑶雙方對托付書進行確認性修改⑷乙方初步進行系統(tǒng)總體方案設(shè)計⑸乙方進行方案可行性論證⑹簽訂合同書8.1.2工程項目與控制任務的確定階段1組建項目研制小組、系統(tǒng)總體方案的設(shè)計、方案論證與評審、硬件和軟件的細化設(shè)計、硬件和軟件的調(diào)試、系統(tǒng)的組裝工程項目的設(shè)計階段2圖8.1離線仿真和調(diào)試階段流程如圖

離線仿真和調(diào)試階段3系統(tǒng)離線仿真和調(diào)試后便可進行在線調(diào)試和運行。在線調(diào)試和運行就是將系統(tǒng)和生產(chǎn)過程聯(lián)接在一起，進行現(xiàn)場調(diào)試和運行。盡管離線仿真和調(diào)試工作特殊細致、細致，現(xiàn)場調(diào)試和運行仍可能出現(xiàn)問題，因此必需細致分析加以解決。系統(tǒng)運行正常后，可以再試運行一段時間，即可組織驗收。驗收是系統(tǒng)項目最終完成的標記，應由甲方主持乙方參與，雙方協(xié)同辦理。驗收完畢應形成驗收文件存檔。在線仿真和調(diào)試階段4系統(tǒng)總體方案設(shè)計依據(jù)合同書(或協(xié)議書)的技術(shù)要求確定系統(tǒng)的性質(zhì)是數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，還是對象限制系統(tǒng)，假如是對象限制系統(tǒng)，還應依據(jù)系統(tǒng)性能指標要求，確定接受開環(huán)限制，還是接受閉環(huán)限制。依據(jù)限制要求、任務的困難度、限制對象的地域分布等，確定整個系統(tǒng)是接受干脆數(shù)字限制(DDC)、還是接受計算機監(jiān)督限制(SCC)，或者接受分布式限制，并劃分各層次應當實現(xiàn)的功能，同時，綜合考慮系統(tǒng)的實時性、整個系統(tǒng)的性能價格比等。8.2.1確定系統(tǒng)的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)1限制方案確定后，就可進一步確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式，即進行限制裝置機型的選擇。目前用于工業(yè)限制的計算機裝置有多種可供選擇，如單片機、可編程限制器、IPC、DCS、FCS等。在以模擬量為主的中小規(guī)模的過程限制環(huán)境下，一般應優(yōu)先選擇總線式IPC來構(gòu)成系統(tǒng)的方式；在以數(shù)字量為主的中小規(guī)模的運動限制環(huán)境下，一般應優(yōu)先選擇PLC來構(gòu)成系統(tǒng)的方式。IPC或PLC具有系列化、模塊化、標準化和開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有利于系統(tǒng)設(shè)計者在系統(tǒng)設(shè)計時依據(jù)要求隨意選擇，象搭積木般地組建系統(tǒng)。這種方式能夠提高系統(tǒng)研制和開發(fā)速度，提高系統(tǒng)的技術(shù)水平和性能，增加牢靠性。當系統(tǒng)規(guī)模較小、限制回路較少時，可以接受單片機系列；當系統(tǒng)規(guī)模較大，自動化水平要求高，集限制與管理于一體的系統(tǒng)可選用DCS、FCS等。確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式2主要包含傳感器、變送器和執(zhí)行機構(gòu)的選擇。這些裝置的選擇是正確限制精度的重要因素之一。依據(jù)被控對象的特點，確定執(zhí)行機構(gòu)接受什么方案，比如是接受電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動還是其他方式驅(qū)動，應對多種方案進行比較，綜合考慮工作環(huán)境、性能、價格等因素擇優(yōu)而用?，F(xiàn)場設(shè)備選擇3在硬件系統(tǒng)確定后，計算機限制系統(tǒng)的限制效果的優(yōu)劣，主要取決于接受的限制策略和限制算法是否合適。很多限制算法的選擇與系統(tǒng)的數(shù)學模型有關(guān)，因此建立系統(tǒng)的數(shù)學模型是特殊必要的。所謂數(shù)學模型就是系統(tǒng)動態(tài)持性的數(shù)學表達式，它反映了系統(tǒng)輸入、內(nèi)部狀態(tài)和輸出之間的邏輯與數(shù)量關(guān)系，為系統(tǒng)的分析、綜合或設(shè)計供應了依據(jù)。每個特定的限制對象均有其特定的限制要求和規(guī)律，必需選擇與之相適應的限制策略和限制算法，否則就會導致系統(tǒng)的品質(zhì)不好，甚至會出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定、限制失敗的現(xiàn)象。確定控制策略和控制算法4在計算機限制系統(tǒng)中，一些功能既能由硬件實現(xiàn)，也能由軟件實現(xiàn)。故系統(tǒng)設(shè)計時，硬件和軟件功能的劃分要綜合考慮，以確定哪些功能由硬件實現(xiàn)，哪些功能由軟件來完成。一般接受硬件實現(xiàn)時速度比較快，可以節(jié)約CPU的大量時間，但系統(tǒng)比較困難、靈敏性差，價格也比較高；接受軟件實現(xiàn)比較靈敏、價格便宜，但耍占用CPU更多的時間。所以，一般在CPU時間允許的狀況下．盡量接受軟件實現(xiàn)，假如系統(tǒng)限制回路較多、CPU任務較重，或某些軟件設(shè)計比較困難時，則可考慮用硬件完成。硬件、軟件功能的劃分5總體方案中還應考慮人—機聯(lián)系方式的問題，系統(tǒng)的機柜或機箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計、抗干擾等方面的問題。其它方面的考慮6總體設(shè)計后將形成系統(tǒng)的總體方案?？傮w方案確認后，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：⑴系統(tǒng)的主要功能、技術(shù)指標、原理性方框圖及文字說明。⑵限制策略和限制算法，例如PID限制、達林算法、Smith補償限制、最級限制、前饋限制、解耦限制、模糊限制、最優(yōu)限制等。⑶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。⑷方案比較和選擇。⑸保證性能指標要求的技術(shù)措施。⑹抗干擾和牢靠性設(shè)計。⑺機柜或機箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計。⑻經(jīng)費和進度支配的支配。系統(tǒng)總體方案7硬件的工程設(shè)計與實現(xiàn)⑴選擇系統(tǒng)的總線①內(nèi)總線選擇常用的工業(yè)限制機內(nèi)總線有兩種：PC總線和STD總線。一般常選用PC總線工業(yè)限制機。②外總線選擇依據(jù)計算機限制系統(tǒng)的基本類型，假如接受分級限制系統(tǒng)DCS等，必定有通信的問題。外總線就是計算機與計算機之間、計算機與智能儀器或智能外設(shè)之間進行通信的總線，它包括并行通信總線(IEEE-488)和串行通信總線(RS—232C)。另外還有可用來進行遠距離通信、多站點互聯(lián)的通信總線RS—422和RS—485。8.2.2選擇系統(tǒng)的總線和主機機型1選擇主機機型在總線式工業(yè)限制機中，有很多機型，因采用的CPU不同而不同。以PC總線工業(yè)限制既為例，其CPU有8088、80286、80386、80486、Pentium(586)等多種型號，內(nèi)存、硬盤、主頻、顯示卡、CRT顯示器也有多種規(guī)格。設(shè)計人員可依據(jù)要求合理地進行選型⑴數(shù)字量(開關(guān)量)輸入輸出(DI／DO)模板PC總線的并行I／O接口模板多種多樣，通?？煞譃門TL電平的DI／DO和帶光電隔離的DI／DO。通常和工業(yè)限制機共地裝置的接口可以接受TTL電平，而其它裝置與工業(yè)限制機之間則接受光電隔離。對于大容量的DI／DO系統(tǒng)，往往選用大容量的TTL電平的DI／DO板，而將光電隔離及驅(qū)動功能支配在工業(yè)限制機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。選擇輸入輸出通道模板2⑵模擬量輸入輸出(AI／AO)模板AI／AO模板包括A／D、D／A板及信號調(diào)理電路等。AI模板輸入可能是0～±5V、1～10V、0～10mA、4～20mA以及熱電偶、熱電阻和各種變送器的信號。AO模板輸出可能0～5V、1～10V、0～10mA、4～20mA等信號。選擇AI／AO模板時必需留意辨別率、轉(zhuǎn)換速度、量程范圍等技術(shù)指標。⑴選擇變送器變送器是這樣一種儀表，它能將被測變量（如溫度、壓力、物位、流量、電壓、電流等）轉(zhuǎn)換為可遠傳的統(tǒng)一標準信號(0～10mA、4～20mA等)，且輸出信號與被測變量有確定的連續(xù)關(guān)系。在限制系統(tǒng)中其輸出信號被送至工業(yè)限制機進行處理、實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。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)計人員可根據(jù)被測參數(shù)的種類、量程、被測對象的介質(zhì)類型和環(huán)境來選擇變送器的具體型號。選擇變送器和執(zhí)行機構(gòu)3⑵選擇執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)是限制系統(tǒng)中必不行少的組成部分，它的作用是接受計算機發(fā)出的限制信號，并把它轉(zhuǎn)換成調(diào)整機構(gòu)的動作，使生產(chǎn)過程按預先規(guī)定的要求正常運行。執(zhí)行機構(gòu)分為氣動、電動、液壓三種類型。氣動執(zhí)行機構(gòu)的持點是結(jié)構(gòu)簡潔、價格低、防火防爆；電動執(zhí)行機構(gòu)的持點是體積小、種類多、運用便利；液壓執(zhí)行機構(gòu)的特點是推力大、精度高。常用的執(zhí)行機構(gòu)為氣動和電動兩種。另外，還有各種有觸點和無觸點開關(guān)，也是執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)開關(guān)動作。電磁閥作為一種開關(guān)閥在工業(yè)中也得到了廣泛的應用。在系統(tǒng)中，選樣氣動調(diào)整閥、電動調(diào)整閥、電磁閥、有觸點和無觸點開關(guān)之中的哪種，要跟據(jù)系統(tǒng)的要求來確定。但要實現(xiàn)連續(xù)的精確的限制目的，必需選用氣動或電動調(diào)整閥，對要求不高的限制系統(tǒng)可選用電磁閥。軟件的工程設(shè)計與實現(xiàn)⑴匯編語言匯編語言是面對詳微小處理器的，運用它能夠具體描述限制運算和處理的過程、緊湊地運用內(nèi)存，對內(nèi)存和地址空間的支配比較清晰，能夠充分發(fā)揮硬件的性能，所編軟件運算速度快、實時性好，所以主要用于過程信號的檢測、限制計算和限制輸出的處理。⑵高級語言接受高級語言編程的優(yōu)點是編程效率高，不必了解計算機的指令系統(tǒng)和內(nèi)存支配等問題，其計算公式與數(shù)學公式相近等。其缺點是，編制的源程序經(jīng)過編譯后、可執(zhí)行的目標代碼比完成同樣功能的匯編語言的目標代碼長得多，一方面占用內(nèi)存量增多，另一方面使得執(zhí)行時間增加很多，往往難于滿足實時性的要求。⑶組態(tài)軟件組態(tài)軟件是一種針對限制系統(tǒng)而設(shè)計的面對問題的高級語言，它為用戶供應了眾多的功能模塊8.2.3編程語言選擇1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)歸到軟件標記中去考慮。數(shù)值型可分為定點數(shù)和浮點數(shù)。定點數(shù)有直觀、編程簡潔、運算速度快的優(yōu)點，其缺點是表示的數(shù)值動態(tài)范圍小，簡潔溢出。浮點數(shù)則相反，數(shù)值動態(tài)范圍大、相對精度穩(wěn)定、不易溢出，但編程困難，運算速度低。假如某參數(shù)是—系列有序數(shù)據(jù)的集合，如采樣信號序列，則不只有數(shù)據(jù)類型問題，還有一個數(shù)據(jù)存放格式問題，即數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)問題。數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃2完成數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的規(guī)劃后，便可起先支配系統(tǒng)的資源了。系統(tǒng)資源包括ROM、RAM、定時器／計數(shù)器、中斷源、I／O地址等。ROM資源用來存放程序和表格，I／O地址、定時器/計數(shù)器、中斷源在任務分折時已經(jīng)支配好了。因此，資源支配的主要工作是RAM資源的支配，RAM資源規(guī)劃好后，應列出一張RAM資源的具體分配清單，作為編程依據(jù)資源分配3⑴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和數(shù)字量多路信號的采樣、輸入變換、存儲等。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償、標度變換程序、超限報警程序等。(2)限制算法程序限制算法程序主要實現(xiàn)限制規(guī)律的計算，產(chǎn)生限制量。其中包括：數(shù)字PID限制算法、大林算法、Smith補償限制算法、最少拍限制算法、串級限制算法、前饋限制算法、解耦限制算法、模糊限制算法、最優(yōu)限制算法等。：實際實現(xiàn)時，可選擇合適的一種或幾種限制算法，來實現(xiàn)限制。實時控制軟件設(shè)計4(3)限制量輸出程序限制量輸出程序?qū)崿F(xiàn)對限制量的處理(上下限和變更率處理)、限制量的變換及輸出，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)或各種電氣開關(guān)。限制量也包括模擬量和開關(guān)量輸出兩種。模擬限制量由D/A轉(zhuǎn)換模板輸出，—般為標準的0～0mA(DC)或4～20mA(DC)信號，該信號驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)如各種調(diào)整閥。開關(guān)量限制信號驅(qū)動各種電氣開關(guān)。(4)實時時鐘和中斷處理程序?qū)崟r時鐘是計算機限制系統(tǒng)一切與時間有關(guān)過程的運行基礎(chǔ)實時任務有兩類：第—類是周期性的，如每天固定時間啟動，固定時間撤消的任務，它的重復周期是一天。其次類是臨時性任務，操作者預定好啟動和撤消時間后由系統(tǒng)時鐘來執(zhí)行，但僅一次有效。很多實時任務如采樣用期、定時顯示打印、定時數(shù)據(jù)處理等都必需利用實時時鐘來實現(xiàn)。并由實時中斷服務程序去執(zhí)行相應的動作或處理動作狀態(tài)標記等。另外，事故報警、掉電檢測及處理、重要的事務處理等功能的實現(xiàn)也常常運用中斷技術(shù)，以便計算機能對事務做出剛好處理。事務處理用中斷服務程序和相應的硬件電路來完成。(5)數(shù)據(jù)管理程序這部分程序用于生產(chǎn)管理，主要包括畫而顯示、變更趨勢分析、報警記錄、統(tǒng)計報表打印輸出等。(6)數(shù)據(jù)通信程序數(shù)據(jù)通信程序主要完成計算機與計算機之間、計算機與智能設(shè)備之間的信息傳遞和交換。這個功能主要在分散型限制系統(tǒng)、分級計算機限制系統(tǒng)、工業(yè)網(wǎng)絡等系統(tǒng)中實現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)試與運行系統(tǒng)的調(diào)試與運行分為離線仿真與調(diào)試階段和在線調(diào)試與運行階段。離線仿真與調(diào)試階段—般在試驗室或非工業(yè)現(xiàn)場進行，在線調(diào)試與運行階段是在生產(chǎn)過程工業(yè)現(xiàn)場進行。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，為現(xiàn)場投運做準備，現(xiàn)場投運是對全系統(tǒng)的實際考驗與檢查。系統(tǒng)調(diào)試的內(nèi)容很豐富，遇到的問題是干變?nèi)f化的，解決的方法也是多種多樣的，并沒有統(tǒng)一的模式。8.2.4⑴硬件調(diào)試對于各種標準功能模板，依據(jù)說明書檢查主要功能。在調(diào)試A／D和D／A模板之前，必需準備好信號源、數(shù)字電壓表、電流表等利用開關(guān)量輸入和輸出程序來檢查開關(guān)量輸入(DI)和開關(guān)量輸出(DO)模板硬件調(diào)試還包括現(xiàn)場儀表和執(zhí)行機構(gòu)如是分級計算機限制系統(tǒng)和分散型限制系統(tǒng)，還要調(diào)試通信功能，驗證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。離線仿真和調(diào)試1⑵軟件調(diào)試軟件調(diào)試的依次是子程序、功能模塊和主程序?！闩c過程輸入輸出通道無關(guān)的程序，都可用開發(fā)機(仿真器)的調(diào)試程序進行調(diào)試系統(tǒng)限制模塊的調(diào)試庇分為開環(huán)和閉環(huán)兩種狀況進行。開環(huán)調(diào)試是檢查它的階躍響應特性，閉環(huán)調(diào)試是檢查它的反饋限制功能整體調(diào)試的方法是自底向上逐步擴大⑶系統(tǒng)仿真在硬件和相軟件分別聯(lián)調(diào)后，必需再進行全系統(tǒng)的硬件、軟件統(tǒng)調(diào)。這次的統(tǒng)調(diào)試驗，就是通常所說的“系統(tǒng)仿真”(也稱為模擬調(diào)試)。所謂系統(tǒng)仿真，就是應用相像原理和類比關(guān)系來探討事物，也就是用模型來代替實際生產(chǎn)過程(即被控對象)進行試驗和探討。系統(tǒng)仿真有以下三種類型：全物理仿真(或稱在模擬環(huán)境條件下的全實物仿真)；半物理仿真(或稱硬件閉路動態(tài)試驗)；數(shù)字仿真(或稱計算機仿真)。現(xiàn)場安裝及在線調(diào)試前先要進行下列檢查：⑴檢測元件、變送器、顯示儀表、調(diào)整閥等必需經(jīng)過校驗，保證精確度要求。作為檢查，可進行一些現(xiàn)場校驗。⑵各種接線和導管必需經(jīng)過檢查，保證連接正確。例如，孔板的上下引壓導管要與差壓變送器的正負壓輸入端極性一樣；熱電偶的正負端與相應的補償導線相連接，并與溫度變送器的正負輸入端極性—致等。除了極性不得接反以外，對號位置都不應接措。⑶對在流量中接受隔離液的系統(tǒng)，要在清洗好引壓導管以后。灌入隔離液(封液)。⑷檢查調(diào)整閥能否正確工件。旁路閥及上下游截斷閥關(guān)閉或打開，要搞正確。⑸檢查系統(tǒng)的干擾狀況和接地狀況，假如不符合要求，應實行措施。⑹對平安防護措施也要檢查。經(jīng)過檢查并已安裝正確后即可進行系統(tǒng)的投運和參數(shù)的整定。投運時應先切入手動，等系統(tǒng)運行接近于給定位時再切入自動，并進行參數(shù)的整定。在線仿真和調(diào)試2限制任務與工藝要求有機載體加熱技術(shù)是接受有機載體，作為傳熱介質(zhì)完成熱能轉(zhuǎn)換、傳遞，從而獲得最佳用熱工藝的新技術(shù)。電熱油爐是電升溫有機載體供熱設(shè)備，可為化工、塑料、橡膠等行業(yè)用熱過程供應穩(wěn)定的低壓高溫熱源。它的供熱原理是以電熱升溫，接受導熱油作傳熱介質(zhì)，導熱油以強制液相循環(huán)方式在閉路系統(tǒng)中以低壓、高溫狀態(tài)運行，將熱能不斷輸送給用熱設(shè)備，即加熱一循環(huán)一再加熱~再循環(huán)。其工藝流程圖如圖8.1所示。8.3.1系統(tǒng)概述114567P3反應釜2T1T2T3T4T5Y序號1234567名稱注油泵膨脹槽電控柜過濾器油氣分離器循環(huán)泵加熱爐T1：出口溫度T2：入口溫度圖8.3電熱油爐主電路原理圖⑴設(shè)定出口溫度、實際測量的出口溫度、入口溫度數(shù)碼管顯示⑵限制循環(huán)泵的運行⑶限制二路溝通接觸器、一路固態(tài)繼電器⑷九段溫度曲線給定設(shè)置⑸溫度范圍：0～300℃⑹供電電壓:三相溝通380V⑺功率：5.6KW系統(tǒng)的技術(shù)指標2電熱油爐溫度的限制，依據(jù)工藝要求不同而有所變更，但大體上可以歸納為以下幾個過程：①自由升溫段，即依據(jù)電阻爐自身的條件，不對升溫速度進行限制的升溫過程。②恒速升溫段，即要求爐溫上升的速度按某一斜率△1進行。③保溫段，即要求在某一過程中爐溫基本保持不變。④恒速降溫段，即要求爐溫下降的速度按某一斜率△2進行。⑤自由降溫段，即依據(jù)電阻爐自身的條件，不對降溫速度進行限制的升溫過程。工藝要求3爐溫變更曲線要求參數(shù)如下：過渡過程時間ta：即從升溫起先到進入保溫段的時間，ta≤100min.超調(diào)量σP:即升溫過程的溫度最大值TM與保溫值TO之差與保溫值之比，靜態(tài)誤差ev：即當溫度進入保溫段后的實際溫度值T與保溫值TO之差的確定值溫度的變更范圍：20℃～220℃，保溫值為200℃。硬件系統(tǒng)設(shè)計圖8.5電熱油爐溫度限制系統(tǒng)框圖8.3.2系統(tǒng)的基本工作原理1電熱油爐溫度自動限制系統(tǒng)接受51系列單片機作為限制器，鉑電阻溫度計作為溫度檢測元件，限制固態(tài)繼電器的導通和斷開時間的長短來限制電熱元件的通電時間來限制導熱油溫度。另外，系統(tǒng)還擴展了數(shù)碼管顯示、鍵盤、報警電路，其系統(tǒng)框圖如圖8.5所示。通過限制過零觸發(fā)型固態(tài)繼電器的通斷比,來限制輸入到加熱爐的功率,從而達到限制溫度的目的。固態(tài)繼電器有兩個輸入限制端,另外兩端為輸出限制端,中間利用光電耦合器實現(xiàn)電氣隔離.輸入端只要很小的輸入電流便能限制它的導通,沒有輸入電流則截止.與有觸點的繼電器相比,固態(tài)繼電器限制電路簡潔、開關(guān)速度快、運用壽命長、沒有噪音等一系列優(yōu)點。選擇AT89S52單片機作為限制系統(tǒng)的核心，AT89S52內(nèi)部有8K的程序儲存器，256字節(jié)的數(shù)據(jù)儲存器，因而無需再擴展儲存器，使系統(tǒng)大大簡化。主要完成溫度的采集、限制、顯示和報警等功能。單片機的選擇2數(shù)據(jù)存儲器擴展3設(shè)定的溫度曲線須要長期保存，擴展一片串行EEPROMAT24C256來保存設(shè)定的溫度曲線目前在溫度測量領(lǐng)域內(nèi)，除了廣泛運用熱電偶以外，電阻溫度計也得到了廣泛的應用，尤其工業(yè)生產(chǎn)中－120℃﹢500℃范圍內(nèi)的溫度測量常常運用電阻溫度計。本例中接受鉑電阻來測量溫度，其分度號為，電阻的初值為，溫度每上升一度，鉑電阻的阻值約增加。傳感器的選擇4圖8.6鉑電阻及其信號放大電路圖測量部分是一個不平衡電橋，鉑電阻與固定電阻組成不平衡電橋的四個橋臂。為了保證測溫的精度，接受兩次穩(wěn)壓。在溫度為0℃時，鉑電阻的阻值，電橋平衡，對角線A、B兩點沒有電壓差；當溫度變更時，鉑電阻的阻值變?yōu)?，其變更值與溫度成正比，電橋不平衡，使對角線A、B兩點有電壓差，此電壓差送到運算放大器的輸入端，經(jīng)過放大后送到A/D轉(zhuǎn)換芯片。變更R2*，RL的數(shù)值，可以得到不同的放大系數(shù)模擬量采樣電路如圖8.6所示。模擬量輸入接受TLC0834串行A/D轉(zhuǎn)換芯片完成，串行芯片占用單片機口線較少，由于溫度變更緩慢，所以轉(zhuǎn)換速度完全可以滿足要求。A/D轉(zhuǎn)換器的選擇與接口設(shè)計5溫度的設(shè)定與測量結(jié)果通過鍵盤和數(shù)碼管顯示電路完成。鍵盤顯示電路由ZLG7289A芯片完成。ZLG7289A是廣州周立功單片機發(fā)展有限公司自行設(shè)計的具有SPI串行接口功能的可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管或64只獨立LED的智能顯示驅(qū)動芯片，該芯片同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示﹑鍵盤接口的全部功能。不須要的按鍵可以不接。ZLG7289A內(nèi)部含有譯碼器，可干脆接受BCD碼或16進制碼，并同時具有2種譯碼方式。此外還具有多種限制指令如消隱﹑閃爍﹑左移﹑右移﹑段尋址等。ZLG7289A具有片選信號可便利地實現(xiàn)多于8位的顯示或多于64鍵的鍵盤接口。系統(tǒng)中擴展了二片ZLG7289A驅(qū)動12位數(shù)碼管，用來顯示導熱油出口溫度的給定值、出口溫度和入口溫度的測量值。鍵盤由16個鍵組成，其中0～9數(shù)字鍵用于各種參數(shù)的設(shè)定；6個功能鍵分別是油泵啟動鍵、油泵停止鍵、加熱啟動鍵、加熱停止鍵、設(shè)置鍵、修改鍵。顯示器、鍵盤接口設(shè)計6選擇溝通接觸器限制循環(huán)泵，晶閘管三相調(diào)功模塊限制加熱元件。三相調(diào)功模塊內(nèi)部含有晶閘管主電路、過零觸發(fā)及限制電路和強弱電隔離電路,并有1個5引腳的限制插口,由單片機限制其導通和關(guān)斷的時間完成對電熱元件的加熱，達到溫度限制的目的執(zhí)行器的選擇7報警電路由風鳴器和發(fā)光二極管組成，當系統(tǒng)中溫度超限時，燈光報警報警電路與狀態(tài)顯示電路8數(shù)學模型與限制算法接受飛升曲線法來確定電熱油爐溫度限制的傳遞函數(shù)。電熱油爐出口溫度的飛升曲線如圖8.8所示。系統(tǒng)是帶純滯后的一階對象，其傳遞函數(shù)為8.3.3數(shù)學模型建立1依據(jù)溫度變更曲線的要求，可將其分為三段來進行限制：自由升溫段、保溫段和自然降溫段。而真正須要電氣限制的是前面兩個階段，即自由升溫段和保溫段。為避開過沖，從室溫到80%額定溫度為自由升溫段，在±20%額定溫度時為保溫段。輸入的電功率為，=0時電功率最小，=1時為全功率。在自由升溫段中，希望升溫越快越好，總是將加熱功率全開，因此得到自由升溫段限制方程：當溫度時，已較接近須要保溫的值，為此接受保溫段限制方程。保溫限制方法有多種，假如接受比例限制，由于電熱元件所加功率的變更和油溫變更之間存在一段時間延遲，因此當以溫差來限制輸出時，系統(tǒng)只有在溫度與給定值相等時才停止輸出?？刂埔?guī)律的選擇和參數(shù)計算2這時由于油溫變更的延遲性質(zhì)，油溫并不因輸入停止而馬上停止上升，從而超過給定值。滯后時間越大，超過給定值也越大。油溫上升到確定程度后，才起先下降，并下降到小于給定值時系統(tǒng)才重新輸出。同樣，由于油溫變更滯后于輸出，它將接著下降，從而造成溫度的上下波動，即所謂的振蕩。考慮到滯后的影響，調(diào)整規(guī)律必需加入微分因數(shù)，即PD調(diào)整。有了PD調(diào)整，系統(tǒng)輸出不僅取決于溫差的大小，還取決于溫差的變更速率。當油溫從自由升溫段進入保溫段時，油溫還小于給定值，但溫度變更較大，因而系統(tǒng)可以提前削減或停止輸出，使油溫不至于出現(xiàn)過大的超調(diào)。同樣，在降溫過程中也是如此。這樣就改善了油溫調(diào)整的動態(tài)品質(zhì)。積分作用可以提高溫度限制的靜態(tài)精度，適當選擇積分作用，則可以在不影響動態(tài)性能狀況下提高溫度限制的精度。所以保溫段限制最好接受PID限制方法。⑴PID算法和參數(shù)選定連續(xù)系統(tǒng)PID校正的限制量P可以表示為接受離散算法可以表示為（增量式）：式中：為已知。⑵數(shù)字限制器的實現(xiàn)依據(jù)上述連續(xù)系統(tǒng)原理設(shè)計出來的模擬調(diào)整器，經(jīng)離散化后變成適合于計算機計算的差分方程。依據(jù)差分方程就可以設(shè)計程序流程圖，進行程序設(shè)計。軟件設(shè)計軟件設(shè)計接受C51語言，模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。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限制算法程序、鍵盤顯示程序等8.3.4NN開始上電復位初始化系統(tǒng)自檢正常？報警調(diào)LED顯示子程序調(diào)鍵盤輸入子程序NNNN設(shè)置參數(shù)啟動油泵停止加熱停止油泵油泵啟動？晶閘管三相調(diào)功模塊導通啟動A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采樣數(shù)字濾波標度變換溫度顯示溫度超限？全功率輸出溫差≤10℃？PID控制調(diào)鍵盤輸入子程序加熱停止鍵？NNNN有鍵按下？設(shè)定鍵？油泵啟動鍵？加熱啟動鍵？加熱停止鍵？油泵停止鍵？系統(tǒng)概述三軸仿真轉(zhuǎn)臺是一種高精度的多功能仿真設(shè)備，是各種飛行限制系統(tǒng)進行地面仿真的關(guān)鍵設(shè)備。它可以依據(jù)要求，模擬飛行器飛行時的航向角、俯仰角、橫滾角，實時模擬飛行器在空中飛行的姿態(tài)，供應物理仿真和綜合測試的平臺。本系統(tǒng)的三軸仿真轉(zhuǎn)臺，要求三個方位軸均具有精確定位、速率限制、正弦搖擺等功能，實時顯示三方位的角度值，并可通過串行通訊口接收上位機的限制叮囑。依據(jù)系統(tǒng)要求，按實現(xiàn)功能劃分為上位監(jiān)控機、下位機限制柜、功放驅(qū)動柜、轉(zhuǎn)臺臺體四大部分。功放部分由內(nèi)環(huán)電機驅(qū)動限制、中環(huán)電機驅(qū)動限制、外環(huán)電機驅(qū)動限制等組成。8.4.1圖8.11伺服系統(tǒng)組成框圖轉(zhuǎn)臺臺體部分可分為內(nèi)環(huán)軸、中環(huán)軸、外環(huán)軸，分別用X軸、Y軸、Z軸表示。三軸仿真轉(zhuǎn)臺由工業(yè)限制計算機、測角電路、功率放大、驅(qū)動電機、被控對象構(gòu)成閉環(huán)限制系統(tǒng)，如圖8.10所示。硬件設(shè)計系統(tǒng)的硬件由伺服限制、驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)和反饋環(huán)節(jié)等組成。驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)接受無刷直流力矩電機，反饋環(huán)節(jié)測角部分選用感應同步器。伺服限制部分接受抗干擾性強的IPC610工控機，全數(shù)字限制，限制算法由軟件實現(xiàn)8.4.2⑴工業(yè)機箱的選擇選擇IPC-610-H-02-S4U高14槽上架式機箱。主要特點如下：4U高支持14槽背板配置300WATXPFCPS/2電源前端可安裝3個半高磁盤驅(qū)動器，一個3.5”FDD和一個內(nèi)置3.5”磁盤驅(qū)動器前置USB/PS2接口工控機主機的選擇1前置系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測模塊能抗沖擊，振蕩，并且能在高溫下穩(wěn)定工作支持ATX母板和400WPFC電源⑵主機板的選擇選擇PCA－6187全長型主機板。PCA－6187接受Intel865G芯片組，支持IntelSocket478Pentium4/Celeron處理器，支持400/533/800前端總線，由于支持雙通道DDR400內(nèi)存，因此供應更高的內(nèi)存帶寬。除了支援IDE界面外，PCA－6187還支援SATA界面，可以有更高的磁盤性能表現(xiàn)，更細的更長的線纜便于布線。其它的特點包括內(nèi)建高性能VGA顯示卡，雙千兆以太網(wǎng)接口，雙通道Ultra160SCSI界面，六個USB2.0端口，和兩個RS－232串口，一個并口，和軟驅(qū)接口。⑶無源底板的選擇選擇PCA-6114P7-0D3E型底板。⑴數(shù)字量的輸入輸出部分(DIDO)：接受PCL-722并行DIO卡⑵模擬量的輸出部分(AO)：選用光電隔離型HY-6050板卡。I/O輸入輸出模塊的選擇2傳感器的選擇3角度的測量選用感應同步器，測量后的數(shù)據(jù)由集成的轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)數(shù)字量輸入端口讀入工控機。運用工控機本身的硬件資源COM1或者COM2來實現(xiàn)同上位機的通訊，叮囑的傳輸通過串行通訊進行。上位機限制到工控機的叮囑運用串行中斷的方式，在中斷服務程序中進行數(shù)據(jù)的處理；工控機到上位機的數(shù)據(jù)運用查詢的方式。工控機硬件組成框圖如圖8.11所示。通信接口4圖8.12IPC硬件組成框圖軟件設(shè)計系統(tǒng)要求三個方位軸均具有精確定位、速率限制、正弦搖擺等功能，實時顯示三方位的角度值，并可通過串行通