（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm的智能控制器的软件设计.pdf

浙 江 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 自 动化仪表的应用领域日益广泛， 在过程自 动化领域已经取得了良 好的成绩。 但是在 一些特殊领域，包括热处理、加热炉、真空炉、 制陶、 食品、简单的锅炉控制等方面，由 于经常会针对特定的工业设备提出特殊的需求， 希望对配套的自 动化仪表可以进行画面和 算法的简单组态和设置， 同时对成本的要求比较高。 我的毕业课题就是研究和设计一种通 用、高可靠性、高性价比的智能控制器来适应这样的要求。 我所参加的 c 3 0 0 0智能控制器的设计，在智能化记录的基础上增加了复杂的运算功 能和控制功能。 该控制器采用a r m微处理器作为核心处理单元， 实现了复杂的程序功能， 也达到了高性能、低功耗的要求。 课题中我做了大量的研究工作，主要包括: . 表达式算法的研究与设计。 研究和设计表达式算法， 实现对表达式的分析和处理， 并将算法应用于c 3 0 0 0 控制器。 使用户能够将各种输入输出及虚拟通道作为数据 源来使用， 可以对它们进行复杂的运算， 这样使控制器具有了复杂的运算和控制 功能。 . 基于新的历史数据结构的对于记录数据的控制功能， 确保不会丢失历史数据， 提 高了f l as h 的存储效率，允许用户任意选择需要记录的 数据。 . 继电自 整定算法的研究与设计。 使控制器能够实现p i d参数的自 动整定， 增加用 户在投运上的方便。 本文在最后还介绍了该控制器在烘箱温度控制方面的一个应用， 并就智能控制器在工 业控制应用中存在的问题做了一定的探讨和展望。 关键词:a r m;智能控制器;表达式:历史数据库;继电自 整定 第 1 页 共 7 0页 浙 il 大 学 硕 士 学 位 论 文 abs t ract t h e a u t o m a t i o n i n s t r u m e n t a p p l i c a t i o n t e r r i t o r y i s g e t t i n g b r o a d i n c r e a s i n g l y a n d t h e g o o d a c h i e v e m e n t h a s b e e n a c q u i r e d i n p r o c e s s a u t o m a t i o n f i e l d . s i n c e c o n s t a n t l y b e a b l e t o b e a i m e d a t s p e c i a l l y d e s i g n a t e d i n d u s t r ia l e q u i p m e n t p r o p o s e p a rt i c u l a r d e m a n d s , y e t t h e e a s y c o n f i g u r a t i o n a n d s e tt i n g o n m e n u a n d a l g o r i t h m a t t h e s a m e t i m e h i g h e r r e q u e s t t o c o s t b e w i s h e d t o b e c a r r ie d t o t h e a u t o m a t i o n i n s t r u m e n t s t o s o m e p a rt i c u l a r t e r r i t o r i e s s u c h a s t h e r m a l t r e a t m e n t , h e a t i n g f u rna c e , v a c u u m f u rn a c e , s y s t e m p o tt e ry , f o o d a n d e a s y b o i le r c o n t r o l a n d s o o n . s o t h e p a p e r i s t o d e s i g n a s o rt o f i n t e l l i g e n t c o n t r o l l e r t h a t i s c u r r e n t , o f h i g h d e p e n d a b i l i t y a n d h i g h p e r f o r m a n c e p r i c e r a t i o t o s a t i s f y t h e d e m a n d s - t h e d e s i g n o f c 3 0 0 0 i n t e l l i g e n t c o n t r o l l e r w h i c h i t a k e p a r t i n m a k e t h e c o n t r o l l e r h a v e t h e f u n c t i o n s s u c h a s c o m p le x c a l c u l a t i n g a n d c o n t r o l b e s i d e s r e c o r d . t h e c o n t r o l l e r u s e s t h e a r m m ic r o p r o c e s s o r a s c o r e p r o c e s s o r u n it a n d r e a l i z e s c o m p l i c a t e d p r o g r a m f u n c t i o n , a l s o r e a c h i n g t h e a i m o f t h e h i g h e r c a p a b i l i t y a n d l o w e r p o w e r c o n s u m p t i o n . my p a p e r i s m a i n l y i n v o l v e d i n t h r e e a s p e c t s o f r e s e a r c h . . t h e r e s e a r c h a n d d e s i g n o f t h e e x p r e s s i o n a l g o r it h m . t h e c o n f i g u r a t i o n a n d e x e c u t i n g o f t h e e x p r e s s i o n i s u s e d t o m a k e a l l k i n d s o f i o a n d d u m m y c h a n n e l s b e u s e d b y u s e r , w h i c h c a n c a r r y t h r o u g h c o m p l i c a t e d c a lc u l a t i o n a n d c o n t r o l . . t h e r e s e a r c h o f t h e c o n t r o l f u n c t i o n t o t h e h i s t o ry d a t a b a s e d o n t h e n e w h i s t o ry d a t a s t r u c t u r e t h a t m a k e s s u r e d a t a d o n t l o s e , im p ro v e m e m o ry e ff i c i e n c y o f f l a s h a n d m a k e u s e r c a n c h o o s e fr e e l y w h a t d a t a n e e d t o b e r e c o r d e d . . t h e r e s e a r c h a n d d e s i g n o f t h e re la y s e l f - t u n i n g a l g o r i t h m . t h e s e l f - t u n in g f u n c t io n r e a l i z e s t h e a u t o t u n in g o f p i d p a r a m e t e r s a n d m a k e t h e c o n t r o l l e r e a s i e r t o b e u s e d in i n d u s t ry e q u i p m e n t f o r u s e r . a t t h e e n d , t h e p a p e r i n t r o d u c e s a n a p p l i c a t i o n o f t h e c o n t r o l l e r i n t h e t e m p e r a t u r e c o n t r o l o f f u rn a c e . a l s o t h e k e y i s s u e a n d t h e f o r e g r o u n d o f t h e a u t o m a t i o n i n s t r u m e n t a n d i n t e l l i g e n t c o n t r o l l e r a p p l i c a t i o n a r e d i s c u s s e d . k e y w o r d s : a r m, i n t e l l i g e n t c o n t r o l l e r , e x p r e s s i o n , h i s t o ry d a t a b a s e , r e l a y s e l f - t u n i n g . 第 v页 共 7 0页 浙 江 大 学 硕 士 学 位 论 文 第一章概论 本章概述了 嵌入式系统的发展现状，介绍了自 动化仪表的发展历程和特点，对自 动化仪表的 发展 方向进行了 展望，最后给出了 论文的主要研究内容与论文结构 1 . 1 嵌入式系统概述 1 . 1 . 1 嵌入式系统的含义及分类 通常， 嵌入式系统被定义为:以 应用为中心， 以 计算机技术为基础， 软件硬件可以 进 行裁剪来适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等要求的专用计算机系统1 。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、 半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合 后的产物， 这一点就决定了它必然是一个技术密集、 资金密集、 高度分散、 不断创新的知 识集成系统。 嵌入式系统是计算机应用的另一种形态， 它与通用计算机应用不同: 嵌入式 系统是以嵌入的形式隐藏在各种装置、 产品和其他应用系统之中的一种软硬件高度专业化 的特定计算机系统，并不直接表现为大家常见的计算机的形式。 目 前根据其发展现状，嵌入式系统可以分成以下几类: 1 嵌入式微处理器 ( e m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o r u n i t , e m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器装配 在专门设计的电路板_ 匕 只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度 减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在 功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方 面一般都做了各种增强。 2 .嵌入式微控制器 ( m i c r o c o n t r o l l e r u n i t , m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为 核心， 芯片内 部集成r o m / e p r o m , r a m 、 总线、 总线逻辑、 定时/ 计数器、 w a t c h d o g , 1 / 0 、串行口、脉宽调制输出、a / d , d / a , f l a s h r a m , e 2 p r o m 等各种必要功能和 外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种 衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样 可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成 第 t页 共 7 0页 浙 江 大 学 硕 士 学 位 论 文 本。和嵌入式微处理器相比，嵌入式微控制器的最大特点是单 片化，体积大大减 小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。 嵌入式d s p 处理器 ( e m b e d d e d d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r , e d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行 d s p 算法， 编译效率较高， 指令执行速度也较高。 在数字滤波、 f f t 、 谱分析等方面d s p 算法 正在大量进人嵌入式领域，d s p 应用也从利用通用单片机的普通指令实现d s p 功 能渐渐过渡到采用专用的嵌入式d s p 处理器。 嵌入式片上系统 ( s y s t e m o n c h i p ) 随着e d 工 的推广和us i 设计的普及化， 以及半导体工艺的迅速发展， 在一个 硅片上实 现一个更为复杂的 系统的时代已 来临 这就是s y s t e m o n c h i p ( s o c )。 各种通用处理器内 核将作为s o c 设计公司的标准库， 和许多其它嵌入式系统外设 一样，成为us i 设计中一种标准的 器件。 用标准的v h d l 等语言 描述，存储在器 件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以 将设计图交给半导 体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可 集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功 耗、提高可靠性非常有利。 1 . 1 . 2 a r m 处理器概述 1 9 8 5 年第一个a r m 原型在英国 剑桥诞生。1 9 9 0 年成立了a d v a n c e d r i s c m a c h i n e l i m i t e d ( a r m 公司) 。目前a r m 应用己 扩展到世界范围，占据高性能、低功耗、低成本的 嵌入式应用领域， 作为3 2 位嵌入式r i s c 微处理器业界的领先供应商，占有大于7 5 % 的市 场 川 。 a r m 处理器的三大特点是: 低功耗、1 6 / 3 2 位双指令集和众多合作伙伴。 a r m 商品模 式的强大之处在于它在世界范围有超过7 0 个合作伙伴， 但是a r m 公司本身并不生产芯片， 仅进行专业的芯片设计，它采用转让许可证制度，由合作伙伴生产芯片2 。 当前a r m 体系结构的扩充己经达到了如下的程度: .t h u m b 1 6 位指令集，改善代码密度 .d s p 应用的算术运算指令集 .允许用户直接执行j a v a 字节码 第 2页 共 7 0页 浙 江 大 学 硕 士 学 位 论 文 a r m 处理器系列提供的解决方案有: .无线、消费类电子和图像应用的开放平台 . 存储、自 动化、_工 一 业和网络应用的嵌入式实时系统 .智能卡 和s i m 卡的安全应用 a r m 处理器本身是3 2 位设计，但也配备1 6 位指令集。因此存储器比等价3 2 位代码 节省3 5 %，同时保留了3 2 位系统的所有优势。 c p u 功能上增加d s p 指令集提供增强的1 6 位和3 2 位算术运算能力， 提高了芯片的性能和灵活性。 a r m 还提供嵌入式i c e - r t 逻辑和 嵌入式跟踪宏核 ( k t m s )来辅助深度嵌入处理器高集成s o c 器件的调试。 当前a r m 处理器有5 个产品系列- - a r m 7 , s e c u r c o r e , a r m 9 , a r m 9 e 和a r m i o 系列: . a r m 7 用于对价位和功耗敏感的低功耗产品， 其特点有: 嵌入式工 c e - r t 逻辑 非常低的功耗 3 0 .三级流水线和冯 诺依曼结构，运算能力可以 达到0 . 9 m 工 p s / m h z o .s e c u r c o r e 该系列特为安全市场设计， 带特定的抗拒窜改和反工程的特性。 还带有灵活性保 护单元确保操作系统和应用数据的安全。 . a r m g 系列 在高性能和低功耗上领先的硬宏单元，带有5 段流水线， 采用的哈佛结构提供 i . 1 m i p s / m h z 的运算能力。 a r m 9 2 t 和a r m 9 2 2 t内置全性能的m m u 、指令、数据c a c h e 和高速a m b a 片上总线 接口。 a m b a 片上总线是一个开放标准的总线， 已 成为s o c 构建和i p 库开发的事 实标准。 a m b a 先进的高性能总线 ( a h b ) 接口 现由 所有新的a r m 核支持。 a r m 9 4 0 t内置指令和数据c a c h e 、保护单元和高速a m b a 总线接口。 . a r m 9 e 系列 该系列带有d s p 扩充和紧祸合存储器 ( t c m )接口，使存储器可以以处理器相同 的速度运转，也可直接连接到内核上。 a r m 9 6 6 e - s 用于重视硅片尺寸并且对。 a c h e 没有要求的实时嵌入式应用， 可配置 t c m 大小: 0 , 4 k , 8 k , 1 6 k ，最大达6 4 m . a r m 9 4 6 e - s 内置集成保护单元，提供实时嵌入式操作系统的c a c h e 核方案。 第 3页 共 7 0页 浙 江 大 学 硕 士 学 位 论 文 a r m 9 2 6 f t - s 带j a z e l i e 扩充，分开的指令/ 数据高速a h b 接口及全性能m m u . v f p 9 向 量浮点协处理器进一步提高a r m 9 e 处理器性能， 提供浮点操作的硬件支 持。 . a r m 1 0 系列 6 4 位 a h b 指令和数据接g, 6 段流水线，1 . 2 5 m i p s / m h z , t 匕 同等的a r m 9 器件性 能提高5 0 % 。采用新的先进的节能方式使耗电异常低。v f p 1 0 协处理器提供高性 能的浮点解决方案。 1 . 1 . 2 . 1 a r m 7 t d m i 的性能分析 结合了t h u m b 指令集的a r m 7 t d m i 是 3 2 位r i s c ，具有低功耗、小体积和高性能的特 点，适合于便携式、嵌入式和多媒体应用领域。t h u m b较好的处理了r i s c 处理器常见的 代码大小问题。 系统设计者可以充分利用3 2 位r i s c内核提供的高性能和大寻址范围。 这 使得应用开发可以在提高性能同时保持有竞争力的系统开销和功耗3 a r m 7 t h u m b系列特征有 : . 3 2 位 r i s c处理器性能 . t h u m b 1 6 位指令集降 低系统开销 . 时钟速度为6 6 m h z . 平均功耗为0 . 6 m w / m h z . 广泛的第三方支持 . 与 a r m 9 t h u m b系列 a r m 1 0 t h u m b系列和s t r o n g a r m .处理器相兼容 . 3 2 位寻址空间 ( 4 g b线性地址空间) . 3 2 x 8乘法器 ( 具有d s p 特性的累加乘的指令) . 3 2 位寄存器区和a l u . 三级流水指令结构 . 3 2 - b i t桶状移位器 a r m 7 t d m i 具有如下的特点: 1 )运算能力强大 a r m 7 t d m i 具有4 0 m i p s 的性能，晶振可达到6 6 m h z . a r m 7 t d m i 具有硬件乘法 器，可以进行 d s p 所需要的累加乘指令。 第 4页 共 7 0页 浙 江 大 学 硕 十 学 位 论 文 a r m 7 处理器是典型的r i s c 处理器， 具有很好的性能， 但它不支持浮点运算。 用这种处理器的设备，程序算法中的浮点运算一般是通过编译系统提供，用定点 运算仿真浮点运算的软件库来实现的，运行效率较低，速度慢。因此，如果要开 发出高效的应用程序，办法是对应用程序源代码逐行进行浮点运算向定点运算的 转换。浮点运算向定点运算的转换要求对于应用程序非常了解，对于每个变量的 精度、动态范围都十分了解，否则，转换后极易造成结果数值的误差和溢出。因 此，在针对a r m 7 的编程中，一般需要遵循以下原则: . 尽量将除法转化为乘法或移位运算。 对于微处理器来说， 整数乘法和移位 的运算速度比除法快; . 将程序中的浮点类型变量，采用定点类型变量代替; . 将程序中的浮点类型常数， 按比 例扩大成定点类型的常数。 当然， 在后序 运算中要按相应的比例缩小; . 根据算术运算函数不同的函数用途以及程序中的应用场合分别进行定点 化，获得更高的运行效率; . 无论是采用哪种方法进行浮点向定点的转化， 都要严格检查转换后的定点 变量所产生的误差，使误差控制在程序容忍的范围内。 2 )软硬件开发工具丰富 由于a r m 7 的广泛应用， 它的开发工具也相对丰富， 有不同功能不同层次的软 硬件i具可供选择。 编译连接软件有g r e e n h i l l s t o o l s , a d s 1 . 1 和s d t 2 . 5 ， 其 中s d t 2 . 5 由于价格比较适中因而应用比较广泛。 硬件开发工具主要包括两类， 一 是j t a g 仿真器， 二是全功能在线仿真器。 前者是通过a r m 处理器中的调试模块的 功能， 通过j t a g边界扫描口 来与仿真器连接。这种仿真器比 较便宜， 连接比 较 方便。 但由于仅通过十几条线来调试， 因而功能有局限。目 前j t a g 仿真器在市场 上比 较流行的是e p t 公司的j e e n i 合m a j i c ，德国l a u t e r b a c h 公司有一款 t r a c e 3 2 - i c d 也能很好的支持a r m 系列处理器。对于全功能仿真器，由于其仿真 头完全取代目 标板的c p u ，因 而功能非常强大， 但价格非常昂 贵。 t r a c e 3 2 - f i r e 就是其中的一款。在c 3 0 0 0 的软件设计中，我们使用s d t 进行代码开发， h i t o o l 进行调试。 3 ) 支持多任务和操作系统 第 5页 共 7 0页 浙 江 大 学 硕 士 学 位 论 文 不同的工作方式，不同的中断方式，众多的中断和异常，以 及内部的c a c h e 和b u f f e r以及m e ( 存储器管理单元) 都为应用实时操作系统作 下了 硬件的基础。 支持a r m的 r t o s( 实时操作系统) 有很多， 如v x w o r k s , n u c l e u s , o s e 和 u c o s 等。 1 . 2自动化仪表的发展 1 . 2 . 1 自 动化仪表发展的历程和趋势 自 动化仪表是工业生产过程自 动化的重要工具，其发展过程大致可分为以下三个阶 段 : 1 ) 3 0 -4 0 年代， 运用以单变量控制为主要内容的古典控制理论， 采用大尺寸的基地 式仪表，实现就地分散控制，以 稳定产品质量，改善劳动条件，降低原料和能源 消耗; 2 ) 5 0 -6 0 年代， 运用以多变量控制， 最佳控制和自 适应控制为主要内容的现代控制 理论，以单元组合仪表构成集中控制系统，并将单元组合仪表、巡回检测仪表和 工业计算机相配合组成控制系统，以 适合工业设备大型化和连续化，实现集中 控 制和最佳控制，提高设备效率，确保生产安全。整个系统分成现场设备和中央控 制室两块。 现场设备一般是检测、 执行单元仪表。 控制室则完成调节单元仪表， 记录、 显示等功能。 现场设备和中央控制室之间以0 -1 0 m a , 4 -2 0 m a 等标准信号 传递信息; 3 ) 7 0 年代以来，以计算机通信技术为基础， 运用大系统理论，采用大、中、小、微 型计算机，组成分级控制系统一简称集散控制系统，把单机控制、协调控制、最 佳控制和生产调度结合起来，实现综合自 动化l 。 从仪表自 身的特点来看，主要分为: 1 )第一代仪表是以指针显示为主的仪表，这些仪表以 模拟电路为基础，核心器件由 分立元件过渡到集成运放，基本结构由 基地式过渡到单元组合式; 2 )第二代仪表是数字显示式仪表，此类仪表的基本原理是将模拟量转化为数字量进 行测量，并以数字形式显示和打印。第二代仪表与第一代相比，仪表的显示切能 由数字电路实现，两者统称为传统仪表; 3 )第三代仪表是智能仪表，这类仪表以微处理器为核心，能实现信号 检测、采集、 第 6页 共 7 0页 浙 江 大 学 硕 十 学 位 论 文 处理和分析。 随着计算机技术和控制技术的发展， 以及现代化生产需求不断提高， 智能仪表取得了迅速发展和广泛的应用。 智能仪表一般具有以 卜 特点: 测量精度明 显提高，能够进行间接测量，能够自 动校正，具有自 动修正误差的能力，具有自 诊断能力，能够实现复杂的控制功能，允许灵活地改变仪表的功能。因此，现代 工业仪表的发展方向是智能仪表。 自动化仪表的发展趋势可概括为: 1 ) 高精度、高可靠性。随着科学技术的发展，对仪器仪表校验的精度提出了更高的 要求，如美国等国家提出机械工程的纳米计划。同时对仪表的可靠性要求也日 益 提高，尤其象航天等高 精尖领域使用的仪表，其校验可靠性尤为重要5， 。 2 )功能的汇集。在一些原来配套使用一次表，二次表和执行器的工业现场，现在可 以用一台仪表就实现原有系统的功能。由于有了a / d 和d / a 技术，仪表可以实现 模拟信号到数字信号的转换，能够对数字信号进行处理和控制。同时，自 动化仪 表逐渐实现各种先进的控制算法，如自 适应控制、最优控制和模糊控制等，仪表 的控制功能变得更加强大。具有良 好的通信能力，使控制系统网 络化和大型化成 为可能。 3 )现场总线是一个重要发展方向。目 前在自 动化测量及控制仪器仪表行业中发展最 快的两个部分是智能仪表和现场总线技术，两者是密不可分、相辅相成的。随着 仪表智能化的发展， 要求建立一个标准的现场仪表与上位机系统的数字通信链路， 这条通信链路就是现场总线，f c 5 也就应运而生。 1 . 2 . 2国外仪表发展给我们的启发 近年来， 虽然我国 在自 动化仪表的应用水平上已 经得到了一定程度的提高( 在工程建 设中 仪表的投资与工程设备的总投资比 从过去的6 %- 8 % 提高到1 2 %- 2 0 %)， 但是与 发达国家仍然具有非常大的差距。 日 前主要的自 动化仪表生产厂家主要集中在美国、 日 本、 德国等工业发达国家， 这些公司大多是实力雄厚的跨国公司， 代表着自 动化仪表领域的最 新成就。 针对我国的仪器仪表现状， 我们首先要引进、 消化和吸收的是先进的智能式仪器 仪表的设计方法和理论。这主要表现在以下六个方面: u 要重视可靠性设计。 可靠性( r e l i a b i l i t y ) 理论广泛应用于.l 程技术的各个领域， 其分支可靠性分析和设计更是在先进的智能式仪表设计中得到了广泛的重视 第 7页 共 7 0页 浙 汀 大 学 硕 士 学 位 论 文 和应用。高水平的产品离开高可靠性保证就是废品。国外先进的智能仪器仪表， 在设计阶段就十分注意可 靠性的分析与设计。运用可靠性分配理论，将可靠性指 标从系统整机到部件级、元器件级逐级分配，从而使整机的可靠性得到保证。国 外智能仪表不仅注重仪表本身的可靠性设计，并对使用环境也会加以设计考虑。 2 )注重可维护性设计。可维护性 ( m a i n t a i n a b i l i t y )不仅包括使用中产品的维修， 还包括生产阶段仪器的校准功能、调试功能和维修功能等技术指标，可维护性必 须在设计阶段加以保证。国外智能仪器仪表，具有较高的可维护性，使其便于生 产调试和维修，包括在设计中实施于自 动检测系统。这样设计的产品给用户在测 量和使用过程中提供了极大的方便性。 3 )先进的设计手段和方法。 国外智能仪器仪表的设计， 广泛使用现代化的设计手段， 如逻辑分析仪、计算机辅助设计系统等， 这样可使设计调试效率提高几十倍甚至 数百倍。因此我国仪器仪表行业要重视和执行c a d / c a m 的应用工作。 4 )产品系列化和通用化。国外的仪表制造厂家，其产品系列化工作做得很好。几乎 每一种类型产品，都先后推出系列产品。有简单到复杂的功能型系列;有低到高 的量程范围型系列; 有仪表附件、接口 等不同的附件系列等。这样会给用户带来 巨 大的吸引力。先进的智能式仪器仪表，其通用性都很强。这突出反映在绝大多 数产品都有通用接口系统，可以很方便地将系统互联并与计算机组建成自 动测试 系统。 这样就使得仪表的 用途和使用范围大大地扩展了。 5 )同步发展自 动测试系统。新型仪表大多是基于微处理机的智能式设计。 这样，人 工调试非常困难， 有时是不可能的。 因此，自 动测试系统 ( a t s ) 就要随着仪器仪 表的发展而同步研制。有了a t s 的强大的技术支持，才能使精心设计的智能式仪 表的大量生产得到可靠保证。国外大的仪器和计算机制造厂家都配备有高水平的 自 动检测、自 动校准和在线维修技术的功能和系统。 6 )完善的配套服务设施。智能仪表都配有详细的使用说明，给出许多实用的操作使 用程序，并附有各种可选择的、用于扩大应用范围的附件。这些附件的设计都要 同主机设计进行一体化考虑，对仪表的易损件和定期更换件都配套供应，使用户 感到十分方便。这种 “ 软科学”发展了，仪器仪表硬件电路的智能化水平就能迅 速提高。这方面英国厂家是一个很好的例证。英国的集成电路工业较薄弱，但仪 表工业却很先进。这主要在于用现代化的设计思想和方案来组织设计用进口元器 第 8页 共 7 0页 浙 江 大 学 硕 士 学 位 论 文 件所构成的仪表。 1 . 3 本课题的任务及论文结构 随着智能化、数字化仪器仪表的发展，以及我国改革开放政策的深化，近年来我们引 进了大批的国际上高水平的仪器仪表，进口数量也在逐年增加。这不仅对国内测量仪器的 设计研制、元器件、生产工艺带来很大的冲击，更是对我国仪器仪表的设计理论和制造方 法的巨大震动。 c 3 0 0 0 项目 是要设计一种通用、高可靠性、高性价比的智能控制器，本论文的任务是解 决c 3 0 0 0 的几个功能的软件算法问 题， 提出了几种算法并应用于控制器， 结果很好的实现了 控制器的功能，同时满足系统资源和性能方面的需求。该控制器是国内生产的 第一个同 类 产品，和中控仪表公司的系列记录仪相比较，它将是该公司第一个真正意义上的控制器， 同时解决了 记录仪以 往存在的一些不足， 它可以 替代日 本横河、 富士、 h o n e y w e l l 的某些控 制器来应用于一些特殊领域包括热处理、加热炉、真空炉、制陶、食品、简单的锅炉控制 等方面，用户可以进行画面和算法的简单组态和设置，结构更加简单，成本降低，功耗降 低，实时处理和控制能力提高。 1 ) 本课题主要任务有: a )研究和设计表达式算法， 实 现对表达式的分析和处理， 并将算法应用于c 3 0 0 0 控制器。 使控制器可以通过虚拟通道做具体的算术和逻辑运算功能: 能够对 组态中设定的中缀表达式进行有效性判断， 继而把正确组态的中缀表达式式 转化成后缀表达式， 然后对后缀表达式进行运算， 对运算结果进行检验， 得 出虚拟通道运算结果和质量码。 b )针对无纸记录仪历史数据功能存在的不足和c 3 0 0 0 历史数据功能的需求， 研 究并提出了一种新的历史数据结构，并将该数据结构应用于c 3 0 0 0 控制器。 新的历史数据结构， 使控制器在r 系列仪表的基本记录功能上增加了一系列 记录数据的控制功能， 如可以自由选择需要记录的数据， 支持对记录间隔的 修改而不影响已 有记录等。 c )结合资源和性能需求，深入研究和设计继电 器自 整定算法，并应用于c 3 0 0 0 控制器。 传统的p i d 控制具有一定的局限性，比如当被控对象具有非线性和 时 变性时， p i d 参数 ( k p , t i , t d ) 就难以实现自 动调整。 在控制器中 加入 继电 器自 整定环节， 利用继电反馈引起的周期振荡来确定系统的临界增益和 第 9页 共 7 0页 浙 江 大 学 硕 士 学 位 论 文 临界周期，当系统出 现临界振荡时，用临界比 例度的方法计算出p i d 参数， 使得 p 丁 d 控制的参数整定自 动实现， 控制鲁棒性好， 减少了用户在现场参数 整定的工作量。 2 ) 本论文的结构: a ) 控制器的整体功能描述 本章介绍了基于a r m 微处理器的c 3 0 0 0 智能控制器的整体功能。 b ) 表达式算法的研究与应用 介绍了表达式功能的设计目 标， 基于这一目 标， 深入研究和设计了表达式算 法， 给出了表达式算法的流程图。 表达式功能是c 3 0 0 0 控制器实现复杂的算 术和控制功能的基础， 如同p l c 可以用梯形图进行编程一样， 表达式功能使 控制器可以进行逻辑运算、 顺序控制、定时、计数、算术运算等操作，完成 对数据的处理和控制。 将设计的表达式算法应用于c 3 0 0 0 很好的实现了控制 器的逻辑和控制功能。 c )历史数据库在控制器中的应用 分析了在c 3 0 0 0 中使用新的历史数据结构的原因， 介绍了c 3 0 0 0 历史数据功 能需求， 针对这些需求提出一种新的历史数据结构、 数据记录方式等， 将无 纸记录仪和0 3 0 0 0 控制器对历史数据处理方法进行了对比，c 3 0 0 0 很多强大 功能的实现都建立在新的历史数据功能基础上。 d ) 继电器自 整定算法的研究与应用 本章概述了p i d 参数自 整定的技术和方法， 着重介绍0 3 0 0 0 中使用的继电器 自 整定方法和原理， 结合资源和性能需求， 深入研究并提出了一种继电自 整 定算法，给出了该算法的流程图。 将该算法应用于c 3 0 0 0 ，使控制器在某些 应用领域具有较好的参数自 整定效果， 它和先进的控制算法配合使用能满足 大多数工业控制的要求。 e ) c 3 0 0 0 控制器的应用 介绍了0 3 0 0 0 作为温度控制器在热风循环烘箱温度控制方面的一个应用， 并 讨论了智能控制器在设备控制中的应用前景。 第 1 0页 共 7 0页 浙 江 人 学 硕 士 学 位 论 文 第二章智能控制器的研究和总体设计 本章介绍了 一些高 档温度控制器和多功能复杂控制器， 给出了c 3 0 0 。 的总体设计方案， 并就c 3 0 0 0 的功能特点和可行性，进行了研究和探讨. 2 . 1 c 3 0 0 0 控制器的可行性分析及其功能特点 市场上流行的控制仪表很好的满足了一些工业现场需求 但是在一些特殊领域包括热处理、加热炉、真空炉、制陶、 ， 特别是流程工业的控制需求 食品、简单的锅炉拎制等方面， 由于用户的标准化程度不高，经常会针对特定的工业设备提出 特殊的需求，希望对配套的 自 动化仪表可以进行画面和算法的简单组态和设置。因此我们的目 标是设计一种通用、高 可靠性、高性价比的智能控制器。 和中控仪表公司以往设计的系列记录仪表相比，c 3 0 0 0 控制器主要增加了以下功能: . 表达式功能:帮助实现复杂的算术和逻辑运算，允许用户自己进行表达式组态， 实现复杂的控制; . 控制功能:能够对内外给定进行串级控制和特殊控制，算法可以进行组态; . 记录数据的控制功能， 包括可以自由选择需要记录的数据， 支持记录间隔的修改， 支持更多的记录间隔，最小支持 0 . 1 2 5 5记录间隔，选择自 动或手动来启动或停 止记录; . p i d参数的自 整定功能， 实现对p i d参数的自 动整定， 减少用户现场输入数据的 工作量; . 定时器功能， 巧妙运用定时器， 可以和表达式功能一起来实现复杂的逻辑和控制。 和国 外仪表相比， c 3 0 0 0 控制器具有高 档温度控制器 ( 日 本岛电、山 武、 h o n e y w e l l , 富士等)的所有功能，包括最复杂的温度程序控制、事件输出功能;具有复杂控制器 ( c c - m i6 l , u m c 8 0 0 , c x - 1 0 0 ,y s - 1 0 0 1 1 ) 的 一 些基 本功能， 能 够进行比 值、串 级 控制。 目 前市场上比较流行的高档温度控制器和多功能复杂控制器如表2 . 1 和2 .2 所示: 第 i n页 共 7 0页 浙江大学硕士学位论文 第二章智能控制器的研究和总体设计 本章介绍了一些高档温度控制器和多功能复杂控制器，给出了c 3 d 0 0 的总体设计方案，并就c 3 0 0 0 的功能特点和可行性，进行了研究和探讨。 2 1c 3 0 0 0 控制器的可行性分析及其功畿特点 市场上流行的控制仪表很好的满足了一些工业现场需求，特别是流程工业的控制需求， 但是在一些特殊领域包括热处理、加热炉、真空炉、制陶、食品、简单的锅炉控制等方面， 由于用户的标准化程度不高，经常会针对特定的工业设备提出特殊的需求，希望对配套的 自动化仪表可以进行画面和算法的简单组态和设置。因此我们的目标是设计一种通用、高 可靠性、高性价比的智能控制器。 和中控仪表公司以往设计的系列记录仪表相比，c 3 0 0 0 控制器主要增加了以下功能： 表达式功能：帮助实现复杂的算术和逻辑运算，允许用户自己进行表达式组态， 实现复杂的控制； 控制功能：能够对内外给定进行串级控制和特殊控制，算法可以进行组态； 记录数据的控制功能，包括可以自由选择需要记录的数据，支持记录间隔的修改， 支持更多的记录间隔，最小支持0 1 2 5 s 记录间隔，选择自动或手动来启动或停 止记录； p i d 参数的自整定功能，实现对p i d 参数的自动整定，减少用户现场输入数据的 工作量； 定时器功能，巧妙运用定时器，可以和表达式功能一起来实现复杂的逻辑和控制。 和国外仪表相比，c 3 0 0 0 控制器具有高档温度控制器( 日本岛电、山武、h o n e y w e l l 、 富士等) 的所有功能，包括最复杂的温度程序控制、事件输出功能；具有复杂控制器 ( c c m t “，u m c 8 0 0 、c x 1 0 0 ，y s 1 0 0 1 7 1 ) 的一些基本功能，能够进行比值、串级控制。 目前市场上比较流行的高档温度控制器和多功能复杂控制器如表2 1 和2 2 所示： 第1 1 页共7 0 页 浙江大学硕士学位论文 表2 1 几种高档温度控制器的比较 温度控制器 日本岛电山武 h o n e y w e l i 富士 型号 f p 2 l d c p 5 5 1 u d c 3 3 0 0p x r 9 显示 l e d + l c dl c d + l e d l e dl e d 精度 o 1 o 1 o 2 0 5 模拟量输入 11 2 路万能输入 1 开关量输入 o12 路 模拟量输出 221 路 2 开关量输出 82 路可选 控制回路 1 12l 控制算法p i d ，程序控制p i d ，程序控制p i d ，程序控制 输；_ _ 方式连续、时间比例、连续、时间比例、连续、时间比例、 连续、时间比例、 位置比例 位置比例位置比例位置比例 程序控制最多8 1 段 最多9 9 段 8 自整定有有 有有 开孔 9 2 9 21 3 8 1 3 8 9 2 9 29 2 9 2 电源 9 0 2 6 4 9 0 t o2 6 4 va g9 0 x 2 6 41 1 0 2 4 0 通讯 2 3 2 、4 2 22 3 2 、4 8 5 2 3 2 、4 2 22 3 2 、4 8 5 采样速度 o ，2 5 0 ，l s0 。1 6 s o 2 5 控制算法 程序控制程序控制 程序控制、冷热控程序控制、冷热 制控制 无扰动切换 有有 有有 - 6 0 9 0不明 不明不明 价格一路变送输出+ 5 6 0 二路变送输出+ 1 1 2 0 通讯+ 9 8 0 第1 2 页共7 0 页 浙豇大学硕主学位论文 表2 2 几种高档复杂控制器的比较 多功 能控日本横河h o n e y w e l l 日本横河日本富士 制器 v s l 5 0y r x l 8 0 c x l 0 0c c m 显示 l c d1 0 4 l c dl c dl c d 模拟 44 81 28 量输 入 开关i3 26 1 0 量输