（电力电子与电力传动专业论文）多回路温度控制器的研究与设计.pdf

a b s t r a c t 、i i ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fd s p t e c h n o l o g y , r e a l t i m ep r o c e s s i n g w i t h i ) s pd e v i c e s h a sa l r e a d yb e c o m ean e wf o c u s t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e ri s b e i n ga d o p t e di nm a n y a p p l i c a t i o na r e a sd u e t ot h en e e do f i n d u s t r yp r o c e s sc o n t r 0 1 h o wt od e s i g nh i g hc e n t r e l p r e c i s i o na n dh i 曲q u a l i t yt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rh a sb e c o m eo n eo ft h eh o tt o p i c s m c e n t l y i nt h i sa r t i c l e ，t a k i n gr o u t i n er e s i s t a n c ei n d u s t r y h e a t i n gf u r n a c e a st i l eb a c k g r o u n d w e d e s i g na m u l t i r o u t et e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rb a s e do nd s p c h i p s b e c a u s et h et e m p e r a t u r e c e n t r e ls y s t e mi sa p u r et i m ed e l a ys y s t e mw h i c hw i l lc a u s es y s t e r nn n s t a b l eo rr e d u c e w o r k p e r f o r m a n c e t h ec o n t r o lp r o b l e m o f p u r et i m ed e l a ys y s t e mw i l lb e s o l v e dw e l li f s m i t hp r e d i c t o ri s d e s i g n e dp r o p e r t y b u tt h ec h a n g e so fp l a n tp a r a m e t e r sw i l lc a u s e n e g a t i v ei n f l u e n c e a i m i n ga tt h ep r o b l e m , s m i t hp r e d i c t o r w h i c ht h ep a r a m e t e r sc a nb e r e v i s e di si n t r o d u c e di nt h ea r t i c l eb a s e do nc o n v e n f i o n a lp i dc o n t r o lm e t h o d t h ep r o b l e m s ，s u c ha st o om a n y i n p u ta n do u t p u tc h a n n e l ，t o os h o r ts a m p l i n gc y c l e ， c a nn o tb es o l v e db yr o u t i n ep r o c e s s o r i nt h i ss y s t e m t h ed s p c h i p sw h i c hm o d e li s t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2i sa d o p t e da st h ep r o c e s s o rt or e a l i z et h ed a t aa c q u i s i t i t na n dc o n t r 0 1 o u t p u to fm u l f i - c h a n n e lt e m p e r a t u r es i g n a l s n u m e r i c a le x a m p l e ss h o wt h ef e a s i b i l i t y a n de f f i c i e n c yo ft h ep r o p o s e dm e t h o d a s a t i s f a c t o r yc o n t r o l l i n ge f f e c ti so b t a i n e di n p r a c t i c e f ft h es y s t e m i s i m p r o v e dm o r e ，i t c a l lb ea p p l i e di nm a n yi n d u s t r i a la n d c o m m e r c i a lf i e l d sw h i e l ln e e d t e m p e r a t u r e m e a s u r ea n d s i g n a lp r o c e s s k e y w o r d s ：d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s 0 0 ，d a t aa c q u i s i t i o n ，s m i t hp r e d i c t o r , p a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o n ，n c r e a s i n gp i d m e t h o d i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着微电子技术和微型计算机的迅猛发展，微机测量和控制技术以其逻辑简 单、控制灵活、使用方便及性能价格比高的优点得到了迅猛发展和广泛应用。它不 仅在航空、航天、铁路交通、冶金、电力、电讯、石油化、制造业等领域获得了广 泛应用，而且其技术在日常生活中诸如微波炉、电冰箱、电视机、电动玩具、智能 空调机等高科技产品也具有广阔的应用前景，尤其是许多智能仪表和测控系统中电 脑控制技术的引入，使得传统仪器、仪表设备发生了根本变化，为工业生产的自动 化、智能化奠定了坚实的技术基础。 电阻炉广泛应用在机械、化工等领域，是主要的过程设备之一。尤其在材料行 业，它的性能优劣决定了产品质量的高低。目前，对于炉温控制系统大都采用以微 处理器为核心的计算机控制技术，既能提高设备的自动化程度，又能改善控制器的 控制精度。但是，目前还有许多电阻炉的控制器完全由模拟p i d 控制电路组成，所 以，对这部分电阻炉的控制系统进行技术改造具有重要的意义。由于模拟p i d 控制 器的控制精度较低，采用模拟p i d 控制器的控制系统己经不能满足生产高质量的要 求。对老式电阻炉控制器必须进行技术改造，以提高控制精度、改善设备的综合性 能，提高产品的成品率，增强市场的竞争力。 工业生产对象大多在不同程度上存在着纯滞后。在工业过程闭环控制系统中， 若存在纯滞后，也即在控制对象调节通道、测量元件及执行机构等环节存在纯滞后 时，闭环特征方程中就存在纯滞后，而且存在纯滞后的环节较多时，系统纯滞后时 间随之增加。由于纯时延的存在使得被调量不能及时反映控制信号的动作，控制信 号的作用只有在延迟t 以后才能反映到被调量；另一方面，当对象受到干扰而引起 被调量改变时，控制器产生的控制作用不能及时对干扰产生抑制作用。含有纯滞后 环节的闭环控制系统必然存在较大的超调量和较长的调节时间，纯滞后对象也因此 而成为难控的对象。而且，纯滞后占整个动态过程的时间越长，难控的程度越大。 般认为纯迟延时间t 与过程的时间常数t 之比大于0 3 n 说该过程是具有大迟延 的工艺过程。当t t 增加，过程中的相位滞后增加，使上述现象更为突出，有时 甚至会因为超调严重而出现聚爆、结焦等停产事故：有时则可能引起系统的不稳定， 被调量超过安全限，从而危及设备及人身安全。因此，大滞后系统的控制一直受到 许多学者的关注，成为重要的研究课题之一。 1 2 国外温度控制系统的发展情况 自7 0 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的 迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅 速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得显著成果。在这方面，以日本、 美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制 器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点 1 ) 适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。 2 ) 能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。 3 ) 能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。 4 ) 这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能 第一章绪论 等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛。 5 ) 温控器具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象 控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，能根据历史经验及 控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。 6 ) 温度控制系统具有控制精度高、抗二f 二扰力强、鲁棒性好的特点。目前，国外 温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。 1 3 国内温度控制系统的发展概况 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度 控制器来，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比， 仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面的总体技术水平还处于2 0 世纪8 0 年代中 后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的p i d 控制器为主，只能适应一般 温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统。而适应于较高控制场合的智 能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪 表也较少。 目前，我国在温度等控制仪表业与国外的差距主要表现在如下几个方面： 1 ) 行业内企业规模小，且较为分散，造成技术力量不集中，导致研发能力不强， 制约技术发展。 2 ) 商品化产品以p i d 控制器为主，智能化仪表少，这方面同国外差距较大。目 前，国内企业复杂的及精度要求高的温度控制系统大多采用进口温度控制仪表。 3 ) 仪表控制用关键技术、相关算法及控制软件方面的研究较国外滞后。例如： 在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品，但由于国外技术保密及 我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件；控制参数大多靠人工 经验及现场调试来确定。这些差距，是我们必须努力克服的。 随着我国经济的发展及加入w t o ，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企 业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，并通过合资、技术合 作等方式，组建了一批合资、合作及独资企业，使我国温度等仪表工业得到迅速的 发展。 1 4 目前d s p 芯片的应用背景 目前国内外的研究基本上均是采用单片机处理系统，以提高产品的通用性，降 低成本。随着信息化的进程和计算机科学与技术、信号处理理论与方法等的迅速发 展，需要处理的数据量越来越大，对实时性和精度的要求越来越高，低档单片机己 不再能满足要求。近年来，各种集成化的单片d s p 的性能得到很大改善，软件和开 发工具也越来越多，越来越好；价格却大幅度下滑，从而使得d s p 器件及技术更容 易使用，价格也能够为广大用户接受；越来越多的单片机用户开始选用d s p 器件来 提高产品性能，d s p 器件取代高档单片机的时机已经成熟。 随着d s p 性能的不断改善，用d s p 器件来作实时处理已成为当今和未来技术发展 的一个新热点。d s p 技术的不断完善，各种d s p 器件的不断推出，将为数字信号处理 的应用创造前所未有的广阔空间。 1 5 设计目标 本论文设计的温度控制系统应具备以下几个要求： 2 第一章绪论 1 ) 控制温度通道数目：1 0 0 路； 2 ) 温度工作范围：0 - 5 0 0 摄氏度； 3 ) 控制精度：0 2 ； 4 ) 工作稳定可靠； 5 ) 自动化程度高； 6 ) 在保证完成所需功能的同时经济性好，即性价比高； 7 ) 温度的超调量小。 1 6 课题的主要研究内容 本课题是设计一种多路温度控制系统，研究内容归纳如下： 1 构造了温度控制系统的组成形式，并针对被控对象具有纯滞后的特性，对p i d 、 s m i t h 、自适应及辨识各种算法进行了研究，将最常用的p i d ，s m i t h 预估器相比较， 并与自适应控制辩识被控对象参数相结合，得到了良好的控制效果。根据以上理论 的研究，本文阐述了这个系统在工业炉上的应用方式。 2 系统的硬件设计： 1 ) 温度传感器的选择，多路通道的输入设计。 2 ) 处理器的选择，处理器的外设，存储单元的扩展。 3 ) 处理器的通信，串口通信，双口r a m 和i - i p i 数据传输。 钔输出通道的的设计。 3 系统的软件设计，包括数据的采集、储存、处理以及被控对象的参数整定。 第二章系统的工作原理厦处理芯片的选择 第二章系统的工作原理及处理芯片的选择 2 1 系统的工作原理 本系统是应用于多路低温电阻炉，由传感器将采集到的温度信号转变为电信 号，经变送器及放大后成为a d 转换芯片能接收的信号；温度模拟信号经过a d 芯片转换成数字信号值，然后把温度数字信号值进行处理去控制加热开关，对温度 按照：l 艺预设值进行实时控制。 该系统主要由三片d s p 芯片及外围器件组成。主要有传感器、变送器、多路模 拟量转换开关、a d 转换器、三片d s p 芯片、上位机、输出通道构成。 为了便于系统的维护以及提高稳定性，我们根据一般工业现场的实际情况，通 过对系统控制方法的研究，对温度采用了闭环控制，并将系统总体分为四大部分， 三片d s p 芯片按照串行工作模式分别完成数据的采集、控制算法实现和反馈信号的 输出，上位机实现温度值设定、显示以及被控对象参数的整定。控制器设计结构如 图2 1 。 路 开 关 图2 - 1 控制器结构图 2 2d s p 芯片的选择 2 2 1d s p 系统的的特点及设计过程 由于数字信号处理系统是以数字信号处理理论为基础的，所以该系统具有数字 信号处理的全部优点“1 ： 1 ) 接口方便。d s p 系统与其它以数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的， 比模拟系统与这些系统接口要容易的多。 2 ) 编程方便。d s p 系统中的可编程d s p 芯片可以使设计人员在开发过程中，灵活 方便地进行修改和升级。 3 ) 稳定性好。d s p 系统以数字处理为基础，受周围环境。如噪声、温度等的影 响小，可靠性高。 4 ) 精度高。例如，1 6 位数字系统可以达到1 0 5 的精度。 5 ) 可重复性好。模拟系统的性能受元件参数变化影响大，而数字系统基本不受 影响，更便于测试、调试和大规模生产。 6 ) 集成方便。d s p 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模生产。 当然，d s p 也存在一定的不足。例如，由于d s p 成本较高，对于一些简单的信号 4 第二章系统的工作原理及处理芯片的选择 处理，反而会使成本增加。另外，d s p 系统中的高速时钟( 通常在几十兆赫) 可能带 来高频干扰和电磁泄漏问题，而且，d s p 的功率消耗在系统中也是较大的。由于d s p 技术发展得很快，数学知识要求多，目前的开发和调试工具还很不完善。但是，随 着近两年来d s p 技术突飞猛进的发展，成本的下降，使得多问题都得到了缓解。 一般来说，d s p 的设计过程应遵循一定的设计流程，如图2 2 所示 d s p 应用 定义系统性能指标 二二二工= 二= 选择d s p 芯片 软件编程 二二 软件调试 硬件设计 二二亡 硬件调试 系统集成 系统测试和调试 图2 2d s p 系统殴计流程 2 2 2c 5 4 x 系列芯片比较 t m s 3 2 0 c 5 4 x 是为实现低功耗、高性能而设计的定点d s p 芯片，主要应用在通信 系统方面。该芯片的内部结构及指令系统都是全新设计的，它的主要特点是。1 ： 1 ) 运算速度快。指令周期为2 5 2 0 1 5 t 2 5 l o n s ，相应的运算能力为4 0 5 0 6 6 8 0 1o o m i p s 。其中c 5 4 0 2 指令周期为i o n s 。 2 ) 优化的c p u 结构。它内部有1 个4 0 位的算术逻辑单元，2 个独立的4 0 位的累加 器，1 个1 7 x 1 7 的乘法器和1 个4 0 位的桶形移位器，4 条内部总线和2 个地址产 生器。另外，内部还集成了维特比加速器，用于提高维特比编译码的速度。 3 ) 低功耗方式。t m s 3 2 0 c 5 4 x 的主要特点是低功耗，可以在3 3 v 或2 7 v 下工作， 有三个低功耗方式：i d l e l ，i d l e 2 ，i d l e 3 指令，可以节省d s p 的功耗，因此， t m s 3 2 0 c 5 4 x 特别适合应用于无线移动通信设备。 4 ) 智能外设。除了标准的串行口和时分复用( t d m 串行口外，还提供了自动缓 冲串行口b s p ( a u t o b u f e r e ds e r i a lp o r t ) 和与外部处理器通信的h p i ( h o s t p o r ti n t e r f a c e ) 接口。b s p 可提供2 k 字节数据缓冲的读写能力，降低处理器 的额外开销。当指令周期是i o n s 时，b s p 的最大数据吞吐量为l o o m b i l s ，即 使在i d l e 方式下，b s p 也可以全速工作。h p i 可以与外部标准的微处理器直接 接口，笔者采用的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 处理器在本系列中处于先进水平。它的程序 r o m 为4 k ，双存取r a m ( d a r a m ) 有1 6 k ，1 个并行口，2 个多通道缓冲串口，电 压提供3 3 v ，核心电压i 8 v 更加省电，运行周期为i o n s ，并且提供了符合 i e e e 4 9 1 边界扫描逻辑接口标准的片上边界扫描仿真逻辑。 2 2 3v c 5 4 0 2 体系结构 5 第二章系统的工作原理及处理芯片的选择 本设计是1 0 0 路温度信号的控制，信息量大，数据多，要求的实时性高。与t i 公司的t m s 3 2 0 系列的其它芯片相比，v c 5 4 0 2 作为一款通用d s p 芯片具有低功耗和较 高性价比等优点，同时其很多性能符合本系统需要的高速数据通信要求，因此本系 统选用了该型d s p 。 5 4 0 2 体系结构由8 条主要的1 6 位总线( 4 条程序数据总线和4 条地址总线) 构成，其中： 1 ) 程序总线( p b ) ：从程序存储器装载指令码和立即操作数。 2 ) 3 条数据总线( c b ，d b ，e b ) ：负责将片上的各个不同的部分相互连接，例 女f f c p u ，数据地址产生逻辑、程序地址产生逻辑、片上外设和数据存储器。 其中，c b 和d b 从数据存储器读取操作数；e b 把操作数写到数据存储器。 3 ) 4 条地址总线( p a b ，c a b ，d a b ，e a b ) ：负责装载指令执行所需要的地址。 p b 能加载保存于程序存储空间的操作数( 如系数表) 到乘法器和加法器 进行乘、加操作或利用数据移动指令( m v p d 和r e a d a ) 把操作数移动到数据存 储空间的目的地址中。这种性能，与双操作数读取的特性一起，使5 4 x 支持 单周期三操作数指令。5 4 x 还有一条双向的片上总线用于访问片上外设。这 条总线轮流使用d b 和髓与c p u 连接。 4 ) 内部存储器： 5 4 0 2 存储器被组织进三个独立的可选择的空间：程序存储空间、数据存 储空间和u o 空间。各空间大小都是6 4 k ，总共是1 9 2 k 大小。包括随机存储器 ( r a m ) 和只读存储器( r o m ) 。其中，5 4 0 2 所采用的r a m 是双存取访问 r a m ( d a r a m ) 。片上双存取访问r a m ( d a r a m ) 被组织在一些块上，因为每个d a r a m 块能够在每个机器周期中被访问两次，结合并行的体系结构，使得5 4 0 2 得以 在一个指定的周期内完成四个并发的存储操作：一个取指操作、两个数据操 作和一个数据写操作。d a r a m 总是被映射到数据存储空间上，也可被映射进 程序存储空间用于保存程序代码。5 4 0 2 的2 6 个c p u 寄存器和片上外设寄存器 被映射在数据存储空间。 v c 5 4 0 2 提供了三个控制位用于存储空间中配置上存储器，利用这三个控 制位可以设置片上存储器怎样配置到不同存储空间，并指定是配置到程序存 储空间还是数据存储空间。以上通过设置处理器模式状态寄存器( p m s t ) 中 的状态位，可以进行以下调整： i ) m p m c ：当此位是1 时，禁止片上r o m 配置至i 5 4 0 2 的程序存储空间中，即微 处理模式；当此位是0 时，允许片上r o m 配置至t 5 4 0 2 的程序存储空间中， 即微计算机模式。 i i ) o v l y ：当o v l y = l 时，片上r a m 配置到程序和数据存储空间中：当o v l y = 0 时，片上r a m 仅配置到数据存储空间。 ni ) d r o m ：当d r o m = i 时，片上r o m 配置到程序和数据存储空间；当d r o m = o 时，片上r o m 不配置到数据存储空间。d r o m 与m p 他状态无关。 l 。程序存储空间”。 当芯片复位时，复位、中断和陷阱矢量分配在f f 8 卟开始的程序存储空间，5 4 0 2 也允许中断向量表重定位到一个1 2 8 字的边界上，这让使用者可以把中断向量表放 到程序存储器的其他位置，并从程序存储空间中删除片上r o m 。片上r o m 中。有1 2 8 个字用于保存检测设备，应用代码要避开这段存储器( f f o o h f f 7 f h ) 。 在5 4 0 2 片上的r o m 中，固化有以下内容： 第二章系统的工作原理及处理芯片的选择 1 ) 完成从串口、外部存储器、i o r e 或并行进口进行b o o t l o a d 功能的程序代码 2 ) 2 5 6 个字的“率扩展表； 3 ) 2 5 6 个字的a 率扩展表； 4 ) 2 5 6 个字的正弦表； 5 ) 中断向量表。 在片上r o m 分配情况，详见图2 3 。 f 8 0 0 h f 8 0 0 h f a 0 0 h f b 0 0 h f c 0 0 h f d 0 0 h f 咖h f f o o h f f 8 0 h 自举加载代码 2 5 6 字u 律扩展表 2 5 6 字 律扩展表 正弦查找表 i保留 i中断向量表 图2 1 3 片上r o m 分配 其中，片上r o m 中固化的s i n e 表，在程序中有着更为广泛的应用价值。v c 5 4 0 2 利用页扩展的方式可以扩展程序存储器，最多达i m b 。为了实现页扩展，v c 5 4 0 2 提 供了一些增强的特性： i ) 2 0 条地址线； 2 ) 额外的存储器映射寄存器，扩展程序计数器( x p c ) ； 3 ) 六条额外的指令用于寻址扩展的程序存储空间。 c 5 4 0 2 有1 6 页存储空间，每页6 4 k 。当片上r a m 配置到程序存储空间后，扩展程 序存储器的所有页被分为两个部分；共享部分和独立部分。共享部分在任何一页都 可以访问，独立部分则仅在特定页中访问，当片上r o m 可以访问时，r o m 配置到程序 空间的第o 页，在其他页中不能访问片上r o m 。芯片通过x p c 的值来访问程序存储器 的各个页，x p c 做为存储器映射寄存器被放到数据存储器的0 0 1 e h 处。扩展程序存储 器分配如图2 - 4 所示 0 0 0 图2 42 扩展程序存储器 7 第二章系统的工作原理及处理芯片的选择 2 数据存储空问。1 v c 5 4 0 2 可以寻址6 “的数据存储空间。片上的r o m 、双存取r a m ( d a r a m ) 可以通 过软件配置到数据存储空间中，芯片在访问存储器时会自动访问这些单元，当d a g e n ( 数据地址产生器) 产生了不在片上存储器的地址时，会自动产生一个外部总线操 作。一般，将片上r o m 配置到数据存储空间，需要修改p m s t 寄存器的d r o f 位，来允 许将片上r o m 当作数据存储器来访问。 c 5 4 0 2 的数据存储器第0 页的0 0 0 0 h o 0 0 7 f h 放着寄存器映射寄存器。内容包括： 1 ) 无等待状态访问的c p u 寄存器( 共2 6 个) ； 2 ) 片上外设的控制和数据寄存器，存放在0 0 2 0 h - 0 0 5 f h 的地址中： 3 ) 用于补充的3 2 个字的d a r a m ，这就不必将较大的r a m 快分成小碎片。 下面重点介绍几个重要的寄存器： 1 ) 中断寄存器( i m r 、i f r ) ，地址：o h 和l h 。其中，中断屏蔽寄存器( i m r ) 可 以个别的禁止或允许指定的可屏蔽中断。中断标志寄存器( i f r ) 可以指定当 前的中断状态。 2 ) 状态寄存器( s t o ，s t l ) ，地址：6 h 和7 h 。状态寄存器包含c 5 4 0 2 的不通的状 态和模式。其中，s t o 包括了算数运算和位操作试用的状态位( o v a 、o v b 、c 和t c ) 及d p 字段和a r p 字段，s t i 反映了处理器和指令执行所依赖的模式和状 态。 3 ) 辅助寄存器( a r o a r 7 ) ，地址：1 0 h 到1 7 h 。共有8 个1 6 位的辅助寄存器可被 c p u 和辅助寄存器算术单元( a r a u s ) 修改。主要作用是产生1 6 位的数据存储 空间地址，或作通用目的寄存器或保存变量。 4 ) 处理器模式状态寄存器( p a s t ) ，地址：1 d h 。用于控制存储器的配置。 5 ) 扩展程序计数器( x p c ) ，地址：i e h 。高7 位指定当前程序存储器的页，低位 指定当前程序存储器的地址。 3 z o 空间 c 5 4 0 2 提供了6 4 k 的i o 空间，寻址范围是0 0 0 0 h - o f f f f h ，作用是与片外设备连 结。p o r t r 和p o r t w 两条指令可咀访问这段存储空间。它适用于访问映射到i o 空间 的设备而不是存储器。 4 中央处理器 c 5 4 0 2 与其它的5 4 x 芯片使用相同的c p u ，它包括： 1 ) 4 0 位算术逻辑单元( a l u ) 2 ) 两个4 0 位的累加器 3 ) 桶形移位器 4 ) 1 7 1 7 位的乘法器 5 ) 4 0 位的加法器 6 ) 比较，选择和存储单元( c s s u ) 7 ) 数据地址产生器( d a g e n ) 和程序地址产生器( p a g e n ) 另外，还包括了指数译码器等特殊应用硬件元件。通过这些硬件，极大地提高 了c 5 4 0 2 在算术时的能力。 5 数据存储器寻址 c 5 4 0 2 提供了七种寻址方式： 1 ) 立即寻址：指令译码时产生一个定点数。 2 ) 绝对寻址：指令译码时产生一个1 6 位地址。 第二章系统的工作原理及处理芯片的选择 3 ) 累加器寻址：试用累加器a 访问程序存储器中的数据。 4 ) 直接寻址：在指令字包含地址的低七位，再与数据页指针d p 或堆栈指针s p 组 成实际的地址。 5 ) 间接寻址：利用辅助寄存器访问存储器。 6 ) 存储器映射寄存器寻址：在不修改d p 和s p 的情况下，使用寄存器寻址方式访 问c p u 和片上外设的寄存器。 7 ) 堆栈寻址：管理系统堆栈入栈和出栈操作。 6 程序存储器寻址 p c 寄存器一般用于程序存储器寻址，由程序存储器地址产生逻辑( p a g e n ) 加载。 一般，p a g e n 在取指之后连续增加p c 值，但当遇到非顺序的操作，如跳转、调用、 返回、条件操作、指令重复、复位和中断时。p c 值产生非连续变化。 7 流水线操作 v c 5 4 0 2 的流水线一共是6 级，流水线的每一级都是独立运行的，一个周期可以 由六条指令处于流水线上的不同阶段。当p c 值出现非连续的变化时，如跳转、调用 和返回，一条或多条流水线上的指令会被放弃。 8 片上外设 c 5 4 x 包含有相同的c p u ，但是c p u 连结不同的片上外设，c 5 4 0 2 包括的外设有： 1 ) 通用目的输出引脚( b i o 和x f ) 2 ) 软件等待状态发生器 3 ) 可编程存储切换逻辑 4 ) 并行口 5 ) 硬件定时器 7 ) 串行口，主要是多通道缓冲串行口 9 外部总线接口 v c 5 4 0 2 能寻址6 4 k 的数据存储器、6 4 k 的程序存储器( 可外部扩展) 和6 4 k 的i o 空间。任何堆外部存储器或i o 设备的访问都要使用外部总线接口。外部总线接口 的r e a d y , 1 脚和片上的软件等待状态发生器保证处理器能够与各种速度不同的外部 设备连结，外部总线接口的h o l d 方式允许其他设备占用5 4 x 的外部总线，这样，外 部设备就可以访问5 4 x 的程序存储器、数据存储器和i 0 空间上的资源。 l o i e e e l l 4 9 。l 标准的逻辑扫描电路 片上的j t a g 接口符合i e e e l l 4 9 1 标准。这个接口用于硬件仿真和测试。笔者所 应用的t i 公司提供的开发套件中，就包含一个硬件仿真器。使用硬件仿真器，可以 缩短工程开发周期，提高工作效率。 2 3 硬件开发环境一e l 曲s p i i p 试验系统 该系统是由北京精仪达盛科技有限公司生产的综合教学试验系统如图2 5 所 示，采用双c p u 设计，能实现d s p 的多处理器协调工作，并可以完成d s p 的基础试验、 算法试验、编解码通信试验。本论文用到以下硬件资源“1 ： 1 ) 双c p u ，两块t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 处理器 2 ) j t a g 仿真口 3 ) 复位电路 4 ) 存储器扩展单元：静态存储器s r 埘：程序存储器3 2 k x1 6 b i t 、数据存储器3 2 k 1 6 b i t ；e e p r o m ：3 2 k 8 b i t ，扩展到数据空间，固化系统程序 9 第二章系统的工作原理及处理芯片的选择 5 ) t c l 3 2 0 a d 5 0 模数转换芯片 6 ) 数字量输出输入单元 7 ) d s p 通讯接口：c p u 2 可以通过主机的接口来访i 矗q c p u t 的全部存储空间，并可 以对c p u i 实施必要的控制 8 ) 串行通信接口。 图2 4e l - d s p 1 i p 试验系统功能框图 第三章系统控制算法的研究 第三章系统控制算法的研究 一般的工业炉都存在着滞后现象。这些纯滞后时间都是由于物料传送、能量传 送过程所引起的，或者是由予多容积引起的。因此对时滞系统的控制和设计是一个 非常重要的问题。并且国内外做过不少的研究工作，本文着重研究了纯滞后系统的 控制方法，i j p i d 控制、s m i t h 预估控制、自适应s m i t h 预估算法，并对这几种算法 都进行了计算机仿真研究，结果表明一般p i d 算法很难对纯滞后系统进行控制，而 s m i t h 预估器则对纯滞后系统的控制效果较好。但是当系统参数与模型参数不匹配 情况下，控制效果不太理想。为了解决这一问题，本文提出了将自适应s m i t h 预估 器与p i d 相结合控制方法。自适应s m i t h 预估器是在s m i t h 预估器的基础上引入了对 被控对象参数的辩识，这种方法较好地解决了实际参数与模型参数不匹配的情况下 控制质量不好的问题。s m i t h 预估器采用预估补偿措施，但对于被控对象参数调整 一般现场操作人员无从下手，本文将其转化为全世界工程技术人员熟知的典型的 p i d 调节器，使系统调试更方便。这就是本文提出的自适应s m i t h 预估器与p 1 d h 结 合算法的思想。 炉温控制系统控制的核心问题是控制算法问题，常用的电阻工业炉热容量大， 有较大的滞后，其传递函数可近似为一阶惯性环节加滞后环节，即 哪) = 击e 叫咖 式中i ( 0 为放大系数，t 】为热媒炉的时间常数，t 为热媒炉的滞后时间，上述参 数均可由实验求得。下面具体介绍一下炉温控制系统的控制算法。 3 1p i d 控制算法 3 1 1 算法的理论 下面我们结合一个典型的按p i d 规律控制的原理图3 1 ，给出p i d 算法公式。 r 图3 1 一般增量式p d 温控系统 增量式的控制算式的离散化形式为旧 只= 耳【+ i 1 一 8 ，+ 睾乜一巳- 1 ) 】+ m 一。 个 r i o 1 由上式同样可以列出第n - 1 采样时刻的控制输出 第三章系统控制算法的研究 只= 只一只一。 只，= 砗h 一，j 三墓岛+ 事也一，一气- + m = 酢一) + ；乞+ 包一弛- 1 - - e a - 2 ) a 巧 包一岛一，) + k 巳+ 嘭心一2 e 一，一e 一2 ) 】 与位置式p i d 相比，只表示的是输出控制量的增量的增量，与执行器的初始状 态无关。故这个称为增量式p i d 算式。它具有以下优点： 1 ) 控制其输出的是控制量的增量，该动作小。 2 ) 实际控制中可实现手动自动的无扰切换。因此在位置式算法中，由手动到自 动切换时，必须首先使计算机输出的控制等于执行器原始开度才能切换，这 将给程序设计及实现带来困难；而增量算式中，运算仅与本次偏差有关，输 出的仅是增量，易于实现无扰切换。 3 ) 增量式积分项预算仅与本次偏差有关，不易产生积分饱和，可取得较好的调 节效果。 3 1 2 计算机仿真结果 计算机仿真结果如图3 - 2 所示。根据经验公式： 互；2 r r ，乃= 0 5 * t ，k j = 1 2 r o r ，墨= k j 五，j 毛= 酗 当被控对象z = 2 0 0 ，= 1 ，f 一3 0 时，仿真采样周期t 一1 诗算得k p = 8 ，k is 0 2 ，k d = 1 2 0 。 由曲线l 可以看出系统超调量很大，因此将p i d 参数适当减小，过渡过程效果比 较好。可见p i d 算法调试是最方便的，因此受到全世界工程技术人员的青睐。 第三章系统控制算法的研究 曲线1 ：= 2 0 0 ，k o = i ，l = 3 0 ，k p j 8 ，k l = 0 2 ，k d = 1 2 0 ，t = l 曲线2 ：t a = 2 0 0 ，k a = i ，l = 3 0 ，k p = 4 2 ，k i = o 0 5 ，k a = 6 0 ，t = i 图3 - 2 阶跃给定下p i d 算法的输出响应曲线比较 从仿真结果来看系统的凹线【比曲线2 控制参数大，因此超调大，相对稳定性不 好，当被控对象纯滞后时间t 较大时，若采用常规的p i d 控制就很难获得良好的控 制质量。 3 2s m i t h 预估器算法 3 2 1s m it h 预估器算法理论推导 下面我们结合一个典型的s m i t h 预估器规律控制的温控系统结构，如图33 “3 ， 圈3 - 3 加入s m i t h 预估器的温控系统结构图 s m i t h 预估器是克服纯滞后影响的有效方法之。因此在常规增量式p i d 校正 环节基础上引入了s m i t h 预估器补偿，其控制结构如图4 9 所示，如中虚线框内为 s m i t h 预估控制的原理框图。s m i t h 预估控制的实质就是并联一个模型，因此控制器 g c ( s ) 的等效控制对象变为g p ( s ) ，也就是说，设计控制器g c ( 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( 假设无干扰1 ： g r ( s ) g ，0 k 4 。 u p j 2 百西丽 从上式可见，e 1 已不包含在系统的特征方程里，也就是上式分母中，因此系 统性能完全不受纯滞后的影响。s m i t h 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。 3 2 2 计算机仿真结果 第三章系统控制算法的研究 曲线1 ：t = 2 0 0 ，k o = 1 ，l - 3 0 ，i g = 8 ，k ，= o 2 ，k a = 1 2 0 ，t = i 曲线2 ：t 。= 2 0 0 ，k o = 1 ，l = 3 0 ，k p = 8 ，n = 0 2 ，k a = 1 2 0 ，t = i 曲线3 ：t t = 2 0 0 ，k o = 1 ，l = 3 0 。k p = 2 5 ，k t ：o 0 8 ，i q = 1 2 0 ，t = i 图3 4s m i t h 预估补偿的输出响应曲线比较 曲线1 是采用常规p i d 控制输出响应曲线，曲线2 是引入了s m i t h 预估器后的 控制输出响应曲线，从仿真结果上看引入s m i t h 预估器比一般p i d 调节的输出响应 控制质量提高了很多，如果在加入s m i t h 预估器的基础上进一步调节p i d 的参数， 就可以得到曲线3 的输出响应。所以s m i t h 预估器能够满足对时滞系统的控制。 由于s m i t h 预估控制的鲁棒性较差，当被控模型特性变化时，一般如物料特性 的改变或者增减，常规的s m i t h 预估控制器由于被控模型不能被完全补偿，会使 s m i t h 预估控制器的控制特性变坏。为了解决上述矛盾，我们增加了自适应控制环 节。 3 3 自适应控制问题的提出 众所周知，对一个对象或是过程进行控制，它意味着使被控对象达到设定的性 能指标，或者在一定限制条件下达到最优的性能指标。要设计一个满意的自动控制 系统，首先必需具备个最基本的前题，这就是要知道被控对象所具有的性质和特 性，即数学模型，同时要掌握这些性质与特征随环境等因素变动的情况。引起系统 特性发生变动的影响因素有很多。1 ，下面将具体介绍这些因素。 1 ) 由于系统所处的环境变化，而引起的被控对象的参数变化。例如，飞行器在 低空中飞行的快慢，以及大气条件等，其空气动力学参数将发生宽范围的变动。远 洋轮船在航行中遇到风浪、气象变化等。通信卫星的通信系统，当相对位置变动， 地面接收的信号强度就将在很大范围内变动，这些都会使被控对象的特性或数学模 型的参数发生变化。 2 ) 由于系统本身的变化引起参数的变动。例如，电厂锅炉燃料的品质变化。化 学反应过程的原料变化。机械加工过程中，2 n t 工件的硬度特性和工件温度的变化。 在轧钢过程中，咬入钢锭温度和硬度的变化，都将影响轧制出来的钢板厚度。 3 ) 由于量测噪声从不同的量测通道进来，这些噪声的特性往往也是未知的。 综合以上原因，提出了一个解决以上问题的方法随机自适应控制方法。随 机自适应控制是在系统控制过程中，自动辩识被控对象的参数及其受到扰动的变 化，自动地修改控制器的控制作用，使控制系统性能按照所规定的标准达到最优或 1 4 第三章系统控制算法的研究 次最优。因此，随机自适应控制系统应包括下列三个基本功能： 1 ) 辩识受控对象或过程的未知结构和参数，建立其数学模型。 2 ) 综合出一种控制策略或控制规律，以保证控制过程达至0 预期的性能指标。 3 ) 自动地校正控制器的参数，以确保所综合出的控制策略的实现。 3 4 自适应控制应用 自适应控制最早在5 1 d 年代开始，由美国麻省理工学院( m i t ) 的怀特杰( w h i t a k e r ) 教授提出了参考模型自适应方法，试图用于解决飞行器的自动驾驶仪的问题，由于 当时计算机技术的限制，没有得到应用与推广。经过6 0 年代，现代控制理论蓬勃发 展，7 0 年代，自适应控制理论才有了长足的发展，不但在工程应用上取得了较大的 进步。在非工程领域也进行了一些新的探索。 大型油轮自动驾驶系统，在复杂的航行过程中，遇到海浪、潮流、大风，以及 在不同负荷航速下，使油轮能按照预定的航线航行，达到最优的经济效果。 在钢铁冶金工业，带钢热轧机的张力，板轧机的厚度等都不同程度地采用了自 适应控制，取得了很好控制效果。 在电力系统，实现锅炉燃烧的优化控制，自适应控制在水力发电厂都得到了应 用。 在卫星通信的随动系统中，卫星跟踪望远镜的高精度随动系统，采用了模型参 考自适应后，自动补偿了系统低速和抄低速运行时的系统惯量，增益与摩擦负载的 非线性特性的变化，从而大大提高了系统的跟踪精度。 在非工程应用方面，也引起了人们的关注，在生物、医学、系统工程管理等方 面都有所发展。 自适应控制随着计算机技术水平的迅速提高，特别是运算速度，存储能力的大 幅度提高。将发展成具有模式识别、人工智能、自学习等高级决策功能。可以预计， 自适应控制将有愈来愈广泛的应用前景。 3 5 自适应控制过程 对于那些被控对象动态特性未知或变化很大，而且随机干扰变化的系统，为了 达到比较高的性能指标，采用自适应控制是很有效的方法之一。图3 - 5 表示了一个 自适应控制系统的控制过程框图。 出量 图3 5 自适应控制过程方框图 在这个系统中，输入量、控制器、被控对象、输出