机床控制系统的设计资料.doc.doc

目 录一.课题要求2二.课程设计目的2三.课程设计内容2四.参考文献1819一 课题要求:1.采用单片机来实现均匀控制系统的功能2.能克服积分饱和(能克服工程设计和实施中的一些问题)3.易于现场整定和投运4.要有详细说明(如程序的功能)二 课程设计目的:本课程设计提供了一个既动手又动脑,自学,查资料,独立实践的机会将本学期课本上的理论知识和实际有机的结合起来,锻炼实际分析问题和解决问题的能力,提高自己适应实际实践编程的能力,使自己对均匀控制系统更进一步了解给自己一个锻炼和提高的机会三 课程设计内容:均匀控制系统具有使控制量与被控量均匀缓慢地在一定范围内变化的特殊功能在均匀控制系统中,控制量与被控量常常是同样重要,控制的目的,是 使两者在扰动作用下,都有一个缓慢而均匀的变化在一些工业生产过程中,生产的连续性是其特点之一每一个装置或设备都与前后的装置或设备紧密的联系着,前一个装置或设备的出料亮量一般就是后一个装置或设备的进料量,而后一装置或设备是互相联系而又互相影响的例如石油裂解气分离过程,有许多精馏他串联在一起工作,前一塔的出料就是后一塔的进料图a为两个连续操作的精馏塔,前一塔的出料是后一塔的进料为了保证分馏过程正常运行,要求将一号塔釜液位稳定在一定的范围内,故设有液位的控制系统而后一精馏塔又希望进料稳定 设有流量控制系统显然,这两套系统是不能协调工作的假如1号塔在扰动作用下使其塔釜液位上升时,液位调节器发出控制信号去开大调节阀1的开度,从而使出料流量增大;由于1号塔的出料量就是2号塔的进料量,因而引起2号塔进料量的增加,于是,流量调节器发出控制信号去关小调节阀2的开度这样,按液位信号,调节阀1的开度要开大,流量要增大;安流量信号,调节阀2的开度要关小,流量要减小而调节阀1,2装在同一条管道上,结果,两套控制系统互相矛盾,在物料供求上互不兼顾,不能满足工艺生产要求 为了解决前后两个塔之间在物料供求上的矛盾,可在前后两个串联的塔中间增设一个缓冲设备但是,增加缓冲设备不仅要增加投资,而且要增加流体输送过程中的能量消耗尤其是有些生产过程的中间物料或产品不允许中间停留存在,否则,会使这些中间的物料或产品或重新聚合所以,必须从自动控制方案设计上去找出路,以满足前后装置或设备在物料供求上互相均匀协调,统筹兼顾的要求通常把能实现这样控制目的的控制系统称为均匀控制系统其特点如下:1 液位(或压力)和流量两个变量都是变化的,不是固定不变的2 两个变量的调节过程在工艺容许的范围内是缓慢地变化的下面是一种用单片机来实现温度均匀控制的系统 一种基于Smith预估器的温度均匀控制的系统 环境温度对仪器仪表性能指标有很大的影响为了更准确地模拟仪表的实际工作环境,度量温度对仪表参数的影响,有必要研制一个温控系统一般的温控系统为一大滞后系统,纯滞后可引起系统不稳定或降低系统的反馈性能考虑到Smith预估器从理论上解决了纯滞后系统的控制问题,本文介绍一个带Smith预估器的温控系统,该系统能有效抑制纯滞后的影响,而且鲁棒性强实验结果表明,温控精度可达0.21 带Smith预估器的控制器设计 根据温控箱的结构及一般热力学原理,可得到以下温控箱为被控对象的传递函数,其近似表达为(1)式中:Gp(S)为被控对象中不含纯滞后的部分可以看出,它是一个带纯滞后的一阶惯性环节根据所设计的温控箱和实际参数辨识,可得式(1)中的T=16s,K0=1.5,=1.4s 一般的温控系统如图1所示图中,Gc(S)表示设计的控制器,F为控制器直流分量等干扰其闭环传递函数为(2) 由于特征方程里含有e-s项,这对控制系统稳定性极其不利,若足够大,系统就很难稳定而且由于系统中含有纯滞后环节,使控制器设计变得复杂图1 一般温控系统方框图 Smith预估器1是克服纯滞后影响的有效方法之一,因此本文在常规校正环节基础上引入了Smith预估器补偿,其控制结构如图2所示,图中虚线框内为Smith预估控制的原理框图Smith预估控制的实质就是与实际对象并联一个模型Gp(S)(1-e-s),因此,控制器Gc(S)的等效控制对象变为Gp(S),也就是说,设计控制器Gc(S)时不必考虑纯滞后环节的影响此时系统的闭环传递函数为(3)从式(3)可见,e-s已不包含在系统的特征方程里,因此系统性能完全不受纯滞后的影响Smith预估控制从理论上提供了将含有纯滞后的对象简化为不含纯滞后的对象进行控制的方法图2 带Smith预估器的温控系统2 温控系统的硬件设计 温控系统的构成如图3所示,由温度控制箱温度测量变换测量放大大功率运放A/D与D/A转换器输入光电隔离输入光电隔离驱动电路8098单片机2键盘显示存储器组成其中8098单片机是核心,由它统一管理完成在该系统中,温度和时间的设置温度值及误差显示控制参数的设置运行暂停及复位等功能由键盘及显示电路完成,温度设定范围为0100,给定分辨率设置为0.01,测温范围为2080图3 温控系统硬件组成框图 温度控制箱的执行部件为加热片,它可以使温控箱内温度分布较为均匀;选择适当功率的加热片,可以提高系统的升温速度,缩短到达热平衡的时间为了保证精度,温度测量变换器采用铂电阻及专门电路,该电路利用桥式电路结构及正反馈原理改善了温度传感器的检测线性度,因此其测量精度线性度和抗干扰性能都较好;同时采用数字反馈,还可以利用计算机补偿技术,进一步提高温度检测的精度和线性度;为抵消铂电阻引线带来的干扰,采用了四线制接法相应于温度传感器的精度,A/D与D/A转换都选用12位转换器,分辨率为2-120.1%,能满足精密仪表精度要求加入光电隔离器的目的是防止线路干扰的引入 该温控系统的工作原理为:温度测量变换器所测量的温度信号经放大电路放大A/D转换,送到单片机中,单片机把它同由键盘实现的给定温度进行比较,再由单片机给出控制量,然后将控制量送驱动电路D/A转换后去驱动大功率运放对温度控制箱进行控制,从而构成了实时闭环系统3 温控系统软件设计 温控系统的软件设计是在8098单片机上,由单片机来控制主控程序包括初始化键盘显示管理及各子程序调用温度信号的采集数字滤波铂电阻的非线性补偿温度的显示遗传算法优化控制等功能的实现由各子程序完成数字滤波可采用均值法中间值法和一阶惯性法等方法,目的是滤除干扰信号的影响由于铂电阻的电阻值与其所受的温度并不完全是线性的,因而设计了分段线性插值线性化程序来对铂电阻进行非线性补偿,得到了较为满意的效果,其误差低于0.1%软件还包括对系统的保护和快速加温的切换等由于仪器仪表的工作环境存在强电磁场干扰,为了提高温控系统的可靠性,在硬件上可采用光电隔离器;在软件上除了设计数字滤波程序外,还可设计软件监视器等通过地址锁存器74LS373扩展一片8K字节的2764作为程序存储器:存放程序控制表及加温曲线;扩展一片8K字节的6264作为外部数据存储器:存放上次输入的曲线参数及有关的数据,同时设计可靠的保护电路,实现掉电保护功能为使系统在运行中能准确记录保护动作和控制投入的时间,配置了实时日历时钟芯片MSM5832,该芯片具有秒分时日星期月和年等计时功能8155作为打印机的接口,同时也用作声光报警的接口8279作为键盘显示器的接口可采用按键定时和故障备忘三种打印方式,可打印炉温曲线和故障等;当系统出现温度越限断偶及其它故障时,可进行声光报警及相应提示符显示12位双积分A/D转换器ICL7109和12位D/A转换器DAC1208用于温度的测量与控制A/D转换输出的12位数据按两个8位数分次读取,以配合CPU的要求12位D/A转换器的工作采用双缓冲方式,数据按两个字节分别打入锁存器 (先送高8位数据,再送低4位数据),然后将该12位数据一次送入DAC寄存器进行转换 控制器是控制系统的核心,控制器是一种利用专家知识和操作者经验设计的专家控制系统,设计时不用数学解析模型来描述受控系统的特性在本温度控制系统设计中,采用二维模糊控制器,即以偏差e和偏差变化率e作为控制器的输入变量,把加热操作量作为输出变量在控制过程中,同时把偏差和偏差的变化率作为输入量,这种方法不仅能保证系统控制的稳定性,而且还可减少超调量和振荡现象根据受控系统的实际情况,确定输入变量的测量范围和输出变量的控制作用范围,以确定每个变量的论域,KeKec和Ku分别为输入和输出变量的量化因子和比例因子先经限幅处理,再经量化处理就得到了E和EC根据当前已求得的E和EC,直接查询控制表就获得控制量的变化值U,将该变化值U乘以比例因子Ku,即可得到当前的实际控制量增量u再将该增量和前一采样时刻的实际控制量相加,就得到目前应实施的控制动作,即 uk=uk-1+KuU 在单片机中对输入的量进行推理,须将所有描述控制过程的控制规则存储在单片机的EPROM中把专家知识和现场经验转换为用语言表达的控制规则,即设计控制规则库本系统中,偏差E偏差变化率EC和控制量的变化的子集定义为 E=NB,NM,NS,NO,P0,PS,PM,PB EC=NB,NM,NS,0,PS,PM,PB U=NB,NM,NS,0,PS,PM,PB PN分别表示正负,BMS分别表示大中小 建立控制规则表的基本思想,以偏差为负的情况说明当偏差为负大时,若偏差变化为负,表明此时偏差有增大的趋势,为尽快消除已有的负大偏差并抑制偏差进一步增大,所以控制量的变化取正大当偏差为负而偏差变化为正时,系统本身已有减少偏差的趋势,所以为尽快消除偏差且又不超调,应取较小的控制量故当偏差为负大且偏差变化为正小时,控制量的变化取为正中若偏差变化为正大或正中时,控制量不宜增加,否则将会造成较大的超调,出现正偏差,因此这时的控制量变化取为0级当偏差为负中时,控制量的变化应该使偏差尽快消除,基于这种原则,控制量的变化选择同偏差为负大时相同当偏差为负小时,系统接近稳态若偏差变化为负时,选取控制量变化为正中,以抑制偏差往负方向变化;若偏差变化为正,系统本身有消除负小偏差的趋势,选取控制量变化为正小即可可见选取控制量变化的原则是:当偏差大或较大时,选择控制量的大小以尽快消除偏差为主;而当偏差较小时,选择控制量要注意防止超调,以使系统稳定为主要出发点 为节省内存,提高单片机应用系统的工作速度,实现有效的实时控制,根据隶属函数和控制规则表离线计算对应的控制表(即查询表),并将该表内置在应用软件的EPROM表中,供实时控制过程使用在实际控制时,控制器首先把输入量量化到输入量的语言变量论域中,再根据量化的结果去查表求出控制量,这样可大大提高控制的实时效果,节省内存空间 图4 温控系统软件流程图4 结果分析与讨论 采用体积为0.46m0.34m的温度控制箱,对LH-1型挠性陀螺仪进行了实验结果为:温控系统的控制精度可达0.2,可见温控精度较高;用100W的加热片对温控系统加热,图5给出了温控系统温度的变化曲线,温度的设定值为55,大约20min就达到了55,系统的平均升温速率为2.5/min左右这样的温升速率很理想,因为升温太快,在达到设定温度时会产生较大的“过冲”;若升温太慢,则要经过较长的时间才能达到设定温度,影响工作效率图5 温控系统温度变化曲线 为了得到更好的控制效果和升温速度,可以采用这样的方法:在不同阶段,用不同功率的加热片进行加热,即在开始的过渡阶段使用较大功率的加热片加热,过一段时间后用较小功率的加热片加热,这就提高了过渡阶段的升温速度 总结基于Smith预估器的温控系统能有效克服纯滞后对控制系统稳定性的影响具有较好的鲁棒性能达到温度均匀控制 由单片机实现的均匀控制系统具有调试方便可靠性好等优点采用体积为0.46m0.34m的温度控制箱,对LH-1型挠性陀螺仪进行了实验结果为:温控系统的控制精度为0.2四 相关程序:#include#includeSbit RST =p20;Sbit CLK =p21;Sbit DQ =p22;Sbit TSOR =p23;Sbit ALERT =p27;Sbi RW =26;Sbit EN =p25;Static unsigned char templ,tenmp2; /温度值的整数部分小数部分Static unsigned char pls plsset; /数字电位器的电位值设定值Static unsigned char min,sec; /分钟秒Static unsigned char count; /Timer0中断计数Static unsigned char minset; /设定的分钟数Static unsigned char statusl,status2; /状态标志bit stop,timeover; /定时停止结束static char line0=“ 00:00;” / static char line1=“ .C W;”void initinterupt();void keyboarddelay();void delayl();void delays();void writecommand(unsigned char c);void writedata(unsigned char c);void showchar(unsigned char pls,unsigned char c);void showstring(unsigned char line.char*ptr);void initlcd();unsigned char getkey();void changepos(bit sel,unsigned char plsl,unsigned char pls2);void delay15();void delay60();void delay100ms();void write0ts();void write1ts();bit readts();void resets();void writebts(unsigned char byte);unsigned char readbts();void initts();void initts();void gettempts();void main (void) char code str1=“Hello world”; char code str2=“2006-1-10”; unsigned char I; SP=0x50; Alert=0; /报警灯灭 Tsor=1; /1-wire总线释放 Delayl()lInitlcd(); /初始化LCDDelayl();Showstring(0,str1); /启动画面Showstring(1,str2);For(i=0;i39) /超过40摄氏度,告警灯亮Alert=1; If(i99) /超过100摄氏度,显示温度的百位 Line10=0x31; i-=100; Line11=i/10+0x30; /显示温度的十位 Line12=i%/10+0x30; /显示个位 Line14=temp2+0x30; /显示小数位 If(timeover) /若定时结束,则电位器缓慢复0 For(;pls0;pls-);Changepls(0,255-pos,255-pos);_nop_();_nop_();Timeover=0;Posset=0;If(posposset) /若按键修改电位器位置 For(;posposset;pos-) /则缓变到设定值Changepos (0,255-pos,255-pos);_nop_();_nop_();Changepos(0,255-pos,255-pos);Else if(posposset) For(;pos99) Line19=i/100+0x30; I=i%100;Line110=i/10+0x30;Line211=i%10+0x30; Showstring(1,line1); Line05=min/10+0/30; /显示时间Line06=min%10+0x30; Line08=sec/10+0x30; Line09=sec%10+0x30; Showstrjing(0,line0); Delay100ms(); Int0_process()interrupt0using0Unsigned char key;Unsigned char keycode=“TP”; /计时调节/功率调节状态编码Unsigned char step3=1,2,5; /计时和功率调节步长EA=0;Key=getkey(); /获得按键值Switch(key) /按键分支处理 Case0: /按键0,切换计时开始/停止 Stop=!stop; Min=minset; /计数复位 Sec=0; Break; Case1: /按键1,2,3计时按照步长增加 Case2: Case3: If(stop) Minset+=stepkey-1; If(minset60) Minset=0; Min=minset; Break; Case5: /按键5,6,7,功率等级按照步长增加 Case6: Case7: If(stop) Minset-=stepkey-5 If(minset60) Minset=0; Min=minset;Break;Case9:Case10:Case11: Posset+=stepkey-9; Break;Case13; /按键13,14,15,功率等级按照步长减少Case14:Case15:Posset-=stepkey-13; Break; Default:Break;Tro=!stop; /按照状态标志设置定时器0启动与否Keyboarddelay(); /延时P1=0xf0; /重置p1口高4位为高电平EA=1; /开中断Timer0_process()interrupt1using0 EA=0; /关中断 TR0=0; /关定时器0 TL0=0x00; /重置定时常数 TH0=0x4c; Count+; /软件计数自加 if(count=20) /如果到累计定时到达1s If(sec=0) /定时处理 If(min=0) /总定时到,则置结束标志 Timeover=1;Else /否则,则时间计数递减Min-;Sec=59;Else Sec-; Count=0;TR0=1;EA=1;Void delay100ms() /延时100ms Unsigned char I,j,k;For(i=0;i8;i+) For(j=0;j25;j+) For(k=0;k250;k+);void delay15() /延时15usunsigned char I:for(i=0;i8;I+);void delay60() /延时60usunsigned char I;for (I=0;I30;I+);void write0ts() /写bit 0tsor=1;tsor=0;ldelay15(); /延时delay15();delay15();delay15();tsor=1;_nop_();_nop_();void writets() /写bit 1 tsor=1; tsor=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); tsor=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();delay15();delay15();delay15();bit readts() /读取数据位bit b; tsor=1; tsor=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); 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/获得温度值小数部分 四 参考文献赵亮侯国锐 编著 单片机C语言编程与实例 北京:人民邮电出版社 2004年1月王子才 编著 控制系统设计手册 北京:国防工业出版社 1993年3月徐春山 主编 过程控制仪表 北京:冶金工业出版社 1993年庞国仲 编著 自动控制原理 安徽合肥:中国科学技术大学出版社 1993年 邵裕森 巴筱云 过程控制系统及仪表 机械工业出版社 1993年 励志美文美句摘抄 1不要放弃自己就是真正的坚强,虚心就是坚强,努力就是坚强,从头再来就是坚强,正直就是坚强,学会坚强之前要学会如何爱惜自己 2人生,就没有,永远的悲痛;也没有,永远的欢欣能使我们坚强的,往往不是顺境,而是逆境;能让我们醒悟的,往往不是高兴,而是伤心学会忍受,懂得艰辛,于曲折中前进 3人都说比天空和大地更远的距离是人与人的距离,因为人心里都会藏匿太多的猜忌和戒备,想要快乐就甩开生命中这些过于沉重,却又不必要的行李吧,生命中有爱就足够了试着给周围你所熟识的还有你还陌生的人一个真诚无惕的微笑吧,它可以触摸到他人的心灵,微笑是有感染力有连带性的,它会无声的渗透进每个易感的心灵,更会让更多的心灵为之感动,心中有爱就会快乐,就会让微笑发自心底,灿烂在脸上 4千万不要因为自己已经到了结婚年龄而草率结婚想结婚,就要找一个能和你心心相印相辅相携的伴侣不要因为放纵和游戏而恋爱,不要因为恋爱而影响工作和事业,更不要因一桩草率而失败的婚姻而使人生受阻感情用事往往会因小失大 5你要从现在开始,微笑着面对生活,不要抱怨生活给了你太多的磨难,不要抱怨生活中有太多的曲折,不要抱怨生活中存在的不公当你走过世间的繁华与喧嚣,阅尽世事,你会幡然明白:人生不会太圆满,再苦也要笑一笑! 6不要让灰色的乌云笼罩一辈子,生命中还有很多美好的不要让其遮盖,不要因为一片乌云毁了一切,人生中还有很多可以去把握 7每一个成功者的背后都有一个心路的旅程,雨中漫步你不会比别人先一步看到彩虹 8面对人生的烦恼与挫折,最重要的是摆正自己的心态,积极面对一切再苦再累,也要保持微笑笑一笑,你的人生会更美好! 9命运,不过是失败者无聊的自慰,不过是懦怯者的解嘲人们的前途只能靠自己的意志自己的努力来决定 10你或许无法改变身高和体形,但是可以改变你的态度我们每个人都有力量去培养和保持为我所用的积极态度,提高我们的人生质量,完成我们的人生目标态度是人生理想的昭示,而非既有成果的反映改变你的态度,就可以改变你的人生 11不要像玻璃那样脆弱有的人眼睛总盯着自己,所以长不高看不远;总是喜欢怨天尤人,也使别人无比厌烦没有苦中苦,哪来甜中甜?不要像玻璃那样脆弱,而应像水晶一样透明,太阳一样辉煌,腊梅一样坚强既然睁开眼睛享受风的清凉,就不要埋怨风中细小