微机原理及应用课程设计2014电气自动化5.27

成人高等学历教育 课课 程程 设设 计计 题题 目目 电阻炉炉温控制系统微机原理电阻炉炉温控制系统微机原理 姓姓 名名 林江峰林江峰 学学 号号 71450213067145021306 年年 级级 20142014 级级 专专 业业 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 第一章第一章 微型计算机系统的设计步骤微型计算机系统的设计步骤 微型计算机控制系统的被控对象多种多样 设备类型 控制方 式和生产过程规模各有不同 但系统设计的基本任务和步骤大致是 相同的 本节主要介绍一般的微型计算机控制系统设计过程中应考 虑的问题 设计微型计算机控制系统时 首先应考虑被控系统采用微型计 算机控制的必要性 应用微型机控制后对被控系统的主要性能 生 产技术指标和安全性 可靠性 可维护性是否有所改善 以及在采 用微型机控制后的经济效益是否显著等 在进行了上述综合分析的 基础上 再决定是否选用微型机控制 微型机控制系统的设计步骤 1 首先要通过调研熟悉控制系统的生产过程及工艺要求 根据 工艺要求确定系统应完成的任务 再提出不同的总体方案进行比较 后确定出系统的总体方案 2 确定控制算法 要测出被控对象的数学模型 根据系统品质指 标确定控制算法 控制系统中要求以计算机为控制中心 通过外围 和接口电路 与被控对象联系起来 3 选择总线标准及微型计算机系统 根据被控系统对控制方式和 外围设备以及计算速度进行实时控制的要求来选择微型计算机机型 4 根据系统的总体方案和所选微型计算机对系统进行硬件设计 5 根据微型机的总体方案 硬件系统及控制算法进行系统软件 的设计 6 控制系统调试 下面就上述设计步骤分别作一介绍 一 确定控制系统的总体方案一 确定控制系统的总体方案 在进行系统设计之前 必须先熟悉被控制对象的生产过程和工 艺要求 对控制对象的工作过程进行深入的调查 根据实际应用中 的问题提出具体控制要求 以确定系统所要完成的任务 然后提出 不同的总体方案进行比较论证 确定出系统的总体方案 1 确定系统采用的控制方式 从系统结构上考虑 是采用开环控制还是闭环控制 或者是控 制加管理系统 对闭环控制系统 还要确定系统是采用直接数字控 制 DDC 监督控制 SCC 还是分级控制 2 选择检测元件及执行机构 根据被测参数和精度要求 选择检测元件 根据不同的被控对 象选择合适的执行机构 如采用电机驱动 液压驱动或其他方式的 驱动 易燃易爆环境则可采用气动阀等 3 选择输人输出通道及外围设备 根据被控对象的控制 监视和管理的具体要求 选择输入输出 通道的配置并配备所需的外围设备 4 画出整个系统的原理框图 在上述讨论的基础上 进行方案的比较论证 包括可行性分析和 性能价格分析 在确定系统的总体方案时 对系统的硬件和软件功能应进行综 合性考虑 因为系统的一个控制功能一般是既可以用硬件来完成 也可以由软件来完成 究竟采用什么方式 则要根据系统的实时性 及硬件系统的性能价格比综合平衡后加以确定 一般情况下 用硬 件来完成速度快 可节省 CPU 的大量时间 但这会使系统比较复杂 而且价格会高一些 用软件实现价格便宜 但要占用 CPU 较多的时 间 所以一般的原则是在 CPU 时间允许的情况下 尽量采用软件 如果控制回路较多或者有些软件设计比较困难 则可考虑用硬件来 完成 总之 一个控制系统哪一部分用硬件实现 哪一部分用软件 实现 要结合具体情况进行比较后再确定 二 确定控制算法二 确定控制算法 当微型机控制系统总体方案确定后 采用什么控制算法才能使 系统达到控制要求 是非常重要的问题 这一步工作的主要任务 就是确定系统的数学模型 根据数学模型确定系统的控制算法 所 谓数学模型 就是系统动态特性的数学表达式 它表示系统输人输 出及其内部状态之间的关系 通过实验测出系统的飞升曲线 由此 曲线可确定出系统的数学模型 现经常采用计算机记录并绘制飞升 曲线 确定出系统的数学模型以后 就可根据数字控制器的设计方 法选择合适的控制算法 对于控制算法的选择 由于控制对象各不相同 控制对象的数 学模型也各异 控制算法也是很多 如 PID 控制 纯滞后补偿 最 小拍无波纹控制 自适应控制等 选择哪一种控制算法主要取决于 系统的特性和要求 1 一般的控制可采用数字 PID 算法 2 对于系统变化比较快的系统 如数字随动系统等 可采用最小 拍无波纹调节控制 3 对于具纯滞后的系统 如温度等可采用滞后补偿 如大林算法 或 Smith 预估调节器等 以上所述仅是一般情况 某一个系统究竟采用何种控制算法要 根据实验调试来确定 三 选择总线标准及微型机系统三 选择总线标准及微型机系统 1 总线标准 1 微型机总线 总线是一组传送规定信号或数据的公共通道 在计算机与测控 系统中 广泛采用标准并行总线 市场上流行的总线有许多种 需 要根据具体情况选用 2 现场总线 现场总线技术在进人 20 世纪 90 年代中期以来发展十分迅速 现场总线是智能化仪表与计算机网络相结合的新一代产品 2 选择微型计算机系统 在系统的总体方案确定之后 微型机的选型就成为组成整个控 制系统的关键 对此一般应考虑以下几个方面 1 选型的根据和出发点 选型要根据计算机的实时性 可靠性 处理能力 通信功能 运算 速度 数据库 软件支持和性能价格比等 实时性 在过程控制中计算机对信号的输人和输出运算都要 在一定的允许时间范围内 超出了这个时间范围 就失去了控制时 机 如针织提花圆机针头的向上织线若错过 则所织花帽的花形就 会出错 就会使花形走样 对于导弹控制系统目标状态变化量 必 须在几毫秒内或几十毫秒内进行控制 否则就不能击中目标 可靠性及可维护性 可靠性和可维护性是衡量数字控制系统 的两个重要方面 它决定了数字控制系统的可利用率 运转率 如 果两个故障引起的系统停机时间间隔越长 则对生产和科研的影响 越小 处理能力 这里主要是指浮点运算 并行处理 快速存储等能 力 2 微型机控制系统的结构形式 根据生产过程对控制和管理复杂程度 可靠性的要求以及生产系 统处理上的分散程度来考虑选择集中式或分布式等 3 微型计算机的选择 根据生产过程 生产设备和生产环境的不同具体要求 以及系统 的实时性 可靠性 可维护性选择不同的微型机设备 可选用一般 的台式微型计算机 工业控制机 可编程控制器 单片微型机 也 可选用标准系统总线的不同功能模块集成系统或利用开发系统自行 设计开发 四 四 系统硬件及软件设计系统硬件及软件设计 1 系统硬件设计 系统硬件设计的主要任务是对接口电路 逻辑电路 电平转换 电路 驱动放大电路 抗干扰电路及操作台等进行设计 其中大部 分内容在相应课程中都有介绍 这里仅简单介绍操作台设计 操作控制台是人机对话的纽带 其主要功能如下 1 能将源程序输送到内存 或通过操作监视现场的工作情况 2 具有显示和打印功能 能在显示装置或显示屏上显示生产 过程的各状态参数生产流程画面及故障指示等 并能根据需要打印 有关生产过程中的各种参数 3 可根据生产工艺要求 修改检测点和控制点的控制参数及给定 值 4 能选择工作方式 起动 停止系统或完成某指定的功能和控制 回路等 5 能完成手动及自动无扰切换 并应设有报警装置及紧急停止按 钮 在紧急事故出现时使系统停止运行 进行故障处理 设计操作台时 应以操作方便简单 安全可靠为原则 并具有 自保功能 即使是操作人员误操作也不会给生产带来严重后果 2 系统的软件设计 系统软件的设计应以实时性 针对性 灵活性和可靠性为原则 四者相辅相成 互为制约 缺二不可 微型机控制系统中的软件分为系统软件 应用软件和数据库管 理软件三大部分 系统软件是由微型机设计者提供的 用来使用和 管理计算机本身的程序 应用软件是面向用户的程序 它包括过程 监视 过程控制计算及公共服务程序 多数据库及数据库管理系统 软件主要应用于大量的数据管理及资料检索系统 比如建立存放数 据的表格和形式 以及查询 显示 调用和修改这些数据等 其中 后两大部分一般均由用户自己编程 但近些年市场上也出现了一些 具有不同功能的通用性用户软件 用户采用哪一种语言来编写应用程序 主要取决于控制系统软件 配备的情况和整个系统的要求 用户可以选用机器语言 汇编语言 或高级语言来编写程序 用汇编语言编制应用软件较繁琐 工作量 大 开发周期长 通用性差 有一定局限性 不便于交流推广 但 优点是程序执行速度快 在工业控制中可采用结构化高级语言 如 C 等 在一些系统中 有些功能不能用高级语言实现 或要求某个 过程运行速度快一些 这时可采用高级语言带汇编语言的方法来实 现 也是将汇编子程序作为一个外部过程 由高级语言来调用 五 控制系统的调试五 控制系统的调试 微型机控制系统设计完成之后 需对整个系统进行调试 调试 的内容和具体步骤如下 1 系统硬件调试 首先应对系统硬件的不同功能部件进行调 试 检查硬件各部件的正确性 然后进行系统硬件联调 最后要经 过连续考机运行 2 系统软件调试 主要是在微型机系统上把各模块程序分别进 行调试 使其正确无误后 再进行软件系统的调试 最后将调试好 的程序固化在存储器中 3 系统硬软件联调 当系统硬件和软件分别调试完成后 在实 验室进行系统硬软件联调 4 现场系统调试 在实验室进行系统硬软件联调以后 再到现 场进行安装调试 并根据实际控制的效果和具体要求 对系统硬件 及软件进行修改调试 以达到对系统的设计要求 以上微型机控制系统的设计步骤和基本方法可根据具体系统的 要求和复杂程度的不同 选取其中的全部或部分内容和步骤 第二章第二章 微型机控制系统应用实例微型机控制系统应用实例 在工业生产过程中 微型机控制已得到了广泛的应用 在石油 化工 钢铁 汽车 医药 电力 煤炭 轻工等各领域都有很多成 功应用的实例 下面仅就生产过程中经常遇到的温度控制系统的应 用实例作一介绍 温度在很多工业生产过程中是主要的被控参数之一 因为任何 物理变化和化学反应的过程都与温度有关 在钢铁 机械 石油化 工 医药 电力及轻工各类工业中的很多生产环节要求按照一定规 律控制温度 现以电阻炉炉温控制系统为实例 说明微型机直接数 字控制系统的一般设计步骤和具体方法 1 工艺要求 1 电阻炉选用型号 CKS 一 70 一 1 型 使用电压范围 0 220V AC 允许最高温度 256 功率 700W 2 电阻炉温度控制通过 PWM 脉冲调宽功率放大器 再经 SSR 固态 继电器 来提供电阻炉炉丝的供电电压 3 工艺要求炉温的控制过程包括两个阶段 自由升温段 要求炉温快速升温到 90 保温段 炉温升至 90 后要求温度维持 90 基本不变 升温段用自由升温的办法 即对升温速度没有限制 当升温到 90 时 要求保温 4h 然后打开炉门 让其自然冷却 整个系统的 升温 保温 降温过程如图 1 1 a 所示 炉温的检测元件采用铂 电阻 放在炉中的隔板正中 所检测的炉温用 u 来表示 对保温段 的控制要求 超调量 p 15 过渡过程时间 ts 120min 一 2 静态误差 es 2 为了满足上述要求 就要对控制系统进行设计 这就要求了解被 控系统的特性 首先了解被控系统的特性 建立系统的数学模型 作为设计自动调节系统的依据 炉温控制系统是常见的确定性系统 采用飞升曲线测量方法 测出炉温控制系统的飞升曲线 即可得到 控制对象的数学模型 如图 1 1 b 所示 由图可知它是带有纯滞 后的一阶惯性环节 其 图 1 1 飞升曲线 传递函数为 Wd sC sY sT Ke T 1 1 式中 纯滞后时间 T1 对象的时间常数 C s 对象输入信号 c t 的拉普拉斯变换 y s 对象输出信号 y t 的拉普拉斯变换 K 系统的放大倍数 K minmax minmax ccc yyy 其中 Cmax Cmin 调节器输入信号可能取的最大值与最小值 ymax ymin 对象输出的最大值与最小值 这样就求出了一阶对象炉温系统的三个参数 K T1 这里要说明的是 在测试飞升曲线时 一般阶跃信号不从零开 始 这样会使系统造成很大的非线性 影响被测对象正常工作 一 般的作法是给调节对象输人到 c1使对象开环稳定运行于实际工况附 近 如 70 并以此输出值作为纵坐标的原点 0 值 然后在 t t0时加一正阶跃输入 使对象输出随之向上变化 最后稳定在c 某一值 如对应为 90 定此值为 1 即为 100 在 t t1 时 再加一负阶跃输人一 使对象输出随之向下变化 最后又稳定在c 0 值处 比如又回到 70 从这过程开始 我们按照一定时间间隔 把函数 yi f t 和 ci f t 的数据记录下来 并画出如图 1 2 所示的 飞升曲线 这样就可以根据上升曲线和下降曲线得到被控对象电阻 炉的纯滞后时间和系统的时间常数及 将所测的两个纯滞 11 TT 后时间和两个时间常数分别取平均值 确定为对象的纯滞后时间 和时间常数 系统的放大倍数 K 为控制对象的输出稳态值 1 TY 输入增量 与输入阶跃值 输入增量 之比 即c c y K TT T 2 2 11 1 图 1 2 飞升曲线 2 控制算法的选择和参数的计算 要使系统满足上述提出的控制要求 有很多种控制方法 如 PID 调节规律 纯滞后补偿 大林算法及最优化控制等 选用 PID 调节规律对炉温进行控制 调节的灵活性较大 只要在程序上稍加 改变就可以达到改善控制质量的目的 针对不同的被控对象 除 PID 调节外还可采用一些不同的运算方法 如只选用积分 比例积 分或比例微分等 对于本例电阻炉炉温的控制来说 1 当 T 9 0 时为自由升温段 只要求升温越快越好 所以应 将加热功率全开足 即全量输出 为避免过冲 将自由升温上限定 为 80 即当 T 80 时 Pi最大 全量输出 也就是说在自由升 温段 采用全量输出对系统进行开环控制 2 当 T 80 时 已接近需要的保温值 9 0 此时采用保温段 控制方法 如采用比例控制 因炉丝电压尸的变化和炉温变化之间 存在很大的时间延迟 因此当以温差来控制输出 即比例控制时 系统只有在炉温与给定值 保温温度 相等时才停止输出 这时由于 炉温变化的延迟性质 炉温并不因输出停止而马上停止上升 从而 超过给定值 而且只有在炉温上升到一定高度后 才开始下降 并 继续下降到略小于给定值时 系统才重新输出 同样由于炉温变化 落后于输出 它将继续下降 从而造成温度的上下波动 即所谓振 荡 考虑到电阻炉上述的滞后影响 调节规律必须加入微分成分 即 PD 调节 PD 调节系统输出不仅取决于温度大小 还取决于温差 的变化率 所以当炉温还小于给定值时 由于温差逐渐减小 即其 变化率为负 系统则可提前减少或停止输出 使炉温不致于出现过 大的超调 从而改善了炉温调节的动态品质 积分作用 可以减小 控温的静态误差 适当选择积分的作用 可在不影响动态性能下减 小控温的误差 所以保温段控制通常采用闭环的 PD 控制方法 也可 以采用闭环的 PID 控制方法 连续系统 PD 校正的控制可表示为 P Kp E dt de Td 式中 e uo ui uo 给定值 ui 反馈值 PD 离散算法可表示为 Pk Kp MTEETE kkdk 1 式中 M 常数项 作为稳定值时所需的保温功率 在编制控制算法程序时 可用下面的实际算法 Pk A M 1 kk RE 1 k R 1 k BE 式中 A Kp 1 Td T B Kp Td T Ek uok uik Td 微分时间常数 Kp 一一比例系数 T 一一采样周期 根据如下经验公式 可求 出 K p Kd dpddp TKKT K T K 5 0 2 1 1 式中 K 一一控制对象放大倍数 一一控制对象的时间常数 1 T 控制对象纯滞后时间 初值可以取 算法程序每步要计算其中的其0 1 k K kkk RPE 中用于计算下步 k R k P 采样定理给出了选择采样周期的原则 对于电阻炉炉温控制 由于炉温变化是一个缓慢过程 微型计算机所提供的运算速度 足 以满足采样周期的要求 所以采样周期 T 的选择有很大余地 根据 上述原则和实践经验 对电阻炉炉温的采样周期可选 1min 2min 左 右 3 微型计算机机型的选择及总体设计 计算机直接数字控制系统主要是由三部分组成 即被控制对象 微型计算机 输入输出接口及外围设备 电阻炉炉温控制系统是一 个慢过程 采样周期选为 1 min 2min 对该系统实行计算机直接 数字控制 其输入输出均为单通道 输入采样是炉温 计算机按 PD 调节规律计算出的控制量输出 经小功率脉冲调宽放大器 PWM 及固 态继电器 SSR 输出给电阻炉炉丝 如采用模数转换器为八位的数字 量输入和八位的数字量输出 在计算精度上要求不是很高的情况下 可选择 8086 8088 CPU 微型计算机 它以 8086 8088 CPU 为中央控 制器 其指令系统比较完备 给程序设计提供了很大的灵活性 808 6 8088 微型机可选用并行输入输出接口模板和计时计数模板供用户 使用 4 系统硬件 本例选用 8086CPU 微型机为控制核心组成电阻炉炉温自动控制 系统的硬件结构 8086 处理器将运算结果传送给 ADC0832 数模转换芯片 再经运 算放大器和 PWM 及 SSR 输出给电阻炉炉丝 电阻炉的炉温采用铂电 阻作为检测元件 接到电桥的一臂 电桥的输出电压经运算放大器 送至模数转换芯片 ADC0809 转换成数字量 再经 CPU 采样输人计算 机 采样周期为 l min 2min 的延时周期 由采样检测到的炉温 经 CPU 按控制运算规律计算出的控制量 输出给外部设备 电阻炉 后 在下次采样周期未到之前 将采样炉 温和输出值在 PC 显示器上进行显示并通过打印机打印 采用以上部 件就构成了电阻炉炉温的自动控制系统 如图 1 3 所示 图 1 3 电阻炉炉温控制系统框图 下面就构成微型计算机控制系统输人部分的检测元件作一简单 介绍 炉温的检测可选用电阻温度计或热电偶等元件 检测温度范围 在一 120 500 内经常采用电阻温度计 检测温度范围在 0 256 及温度稍低一些的可采用热电阻检测温度 选用铂电阻来 检测 实现检测的方法是 将铂电阻 Rt两端引出与其他三个电阻 R1 R2 R3 见图 1 4 组成电桥 当炉温发生变化时 铂电阻的电阻 值将发生变化 根据铂电阻随温度变化的特性 就可在铂电阻两端 相应输出不同的电压值 电阻值随温度变化的变化率为 1 1 dT dR R 如我们选用分度号为 BA2的铂电阻 在环境温度为 0 时 R 100 温度每变化 1 电阻值变化 0 39 即 0 39 当炉温发生变化时 铂电阻的温度也随之变化 在 电桥的两端就可输出不同的龟压值 经运算放大器 F032 输出给 ADC0809 模数转换芯片转换成数字量 从 8086CPU 数据总线输人 这样就完成了炉温温度检测 改变运算放大器的反馈电阻数值时 可以得到不同的放大倍数 满足对电阻炉炉温检测值的最大要求 图 1 4 微型计算机自动控制炉温系统结构框图 5 软件程序编制 在前面讨论控制算法时 已根据控制对象确定了系统的控制规律 要实现上述控制规律 首先对炉温每隔 l min 2min 或根据实际调 试而定 进行一次对炉温的采样 然后根据采样数据 进行全量输出 FFH 当采样炉温小于或等于 80 时 或按 PD 规律进行运算后适量输 出 炉温大于 80 时 并对采样的炉温温度和输出值进行显示 当 到达采样周期时又开始采样 运算输出 重复上述过程 从而达到 自动控制炉温的目的 因系统采用 8086CPU 计算机构成 所以程序可采用 8086 的指令 系统也可用 C 语言编写 程序中的数据和地址均采用 1 6 进制代