8-计算机控制系统设计与实现优秀PPT.ppt

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1、东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校第第1 1章章 计算机限制系统概述计算机限制系统概述第第2 2章章 工业限制计算机工业限制计算机第第3 3章章 I/O接口与过程通道接口与过程通道第第4 4章章 依次限制与数字限制技术依次限制与数字限制技术第第5 5章章 数字限制器设计数字限制器设计第第6 6章章 限制系统的数据处理技术限制系统的数据处理技术计算机限制技术课件计算机限制技术课件第第7 7章章 困难限制技术困难限制技术第第8 8章章 计算机限制系统设计与实现计算机限制系统设计与实现第第9 9章章 智能限制技术基础智能限制技术基础第第1010章章 限制网络技

2、术限制网络技术东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校第第6 6章章 限制系统的数据处理技术限制系统的数据处理技术 8.1 系统设计的原则与步骤系统设计的原则与步骤8.2 系统的工程设计与实现系统的工程设计与实现8.3 电热油炉温度单片机限制电热油炉温度单片机限制系统设计系统设计8.4 工控机应用实例工控机应用实例仿真转台限制系统设计仿真转台限制系统设计第第1 1章章 计算机限制系统概述计算机限制系统概述第第2 2章章 工业限制计算机工业限制计算机第第3 3章章 I/O接口与过程通道接口与过程通道第第4 4章章 依次限制与数字限制技术依次限制与数字限制技术第第

3、5 5章章 数字限制器设计数字限制器设计第第7 7章章 困难限制技术困难限制技术第第8 8章章 计算机限制系统设计与实现计算机限制系统设计与实现第第9 9章章 智能限制技术基础智能限制技术基础第第1010章章 限制网络技术限制网络技术计算机限制技术课件计算机限制技术课件东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校系统设计的原则与步骤系统设计的原则与步骤8.18.1.2 系统设计的步骤系统设计的步骤 系统设计的原则系统设计的原则东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校系统的工程设计与实现系统的工程设计与实现8.28.2.2 硬件的工

4、程设计与实现硬件的工程设计与实现 系统总体方案设计系统总体方案设计8.2.3 软件的工程设计与实现软件的工程设计与实现8.2.4 系统的调试与运行系统的调试与运行东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校电热油炉温度单片机限制系统设计电热油炉温度单片机限制系统设计8.38.3.2 硬件系统设计硬件系统设计8.3.1 限制任务与工艺要求限制任务与工艺要求8.3.3 数学模型与限制算法数学模型与限制算法8.3.4 软件设计软件设计东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校仿真转台限制系统设计仿真转台限制系统设计8.48.4.2 硬件设

5、计硬件设计 系统概述系统概述8.4.3 软件设计软件设计东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校系统设计的原则系统设计的原则平安牢靠操作维护便利实时性强通用性好经济效益高东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校系统设计的步骤系统设计的步骤甲方提出任务托付书乙方探讨任务托付书双方对托付书进行确认性修改乙方初步进行系统总体方案设计乙方进行方案可行性论证签订合同书 工程项目与控制任务的确定阶段1东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校组建项目研制小组、系统总体方案的设计、方案论证与评审、硬件和软件的

6、细化设计、硬件和软件的调试、系统的组装 工程项目的设计阶段2东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校图8.1离线仿真和调试阶段流程如图 离线仿真和调试阶段离线仿真和调试阶段3东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校 系统离线仿真和调试后便可进行在线调试和运行。在线调试和运行就是将系统和生产过程联接在一起，进行现场调试和运行。尽管离线仿真和调试工作特殊细致、细致，现场调试和运行仍可能出现问题，因此必需细致分析加以解决。系统运行正常后，可以再试运行一段时间，即可组织验收。验收是系统项目最终完成的标记，应由甲方主持乙方参与，双方协同

7、办理。验收完毕应形成验收文件存档。在线仿真和调试阶段在线仿真和调试阶段4东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校系统总体方案设计系统总体方案设计 依据合同书(或协议书)的技术要求确定系统的性质是数据采集处理系统，还是对象限制系统，假如是对象限制系统，还应依据系统性能指标要求，确定接受开环限制，还是接受闭环限制。依据限制要求、任务的困难度、限制对象的地域分布等，确定整个系统是接受干脆数字限制(DDC)、还是接受计算机监督限制(SCC)，或者接受分布式限制，并划分各层次应当实现的功能，同时，综合考虑系统的实时性、整个系统的性能价格比等。确定系统的性质和结构1东北大

8、学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校 限制方案确定后，就可进一步确定系统的构成方式，即进行限制装置机型的选择。目前用于工业限制的计算机装置有多种可供选择，如单片机、可编程限制器、IPC、DCS、FCS等。在以模拟量为主的中小规模的过程限制环境下，一般应优先选择总线式IPC来构成系统的方式；在以数字量为主的中小规模的运动限制环境下，一般应优先选择PLC来构成系统的方式。IPC或PLC具有系列化、模块化、标准化和开放式系统结构，有利于系统设计者在系统设计时依据要求随意选择，象搭积木般地组建系统。这种方式能够提高系统研制和开发速度，提高系统的技术水平和性能，增加牢靠性

9、。当系统规模较小、限制回路较少时，可以接受单片机系列；当系统规模较大，自动化水平要求高，集限制与管理于一体的系统可选用DCS、FCS等。确定系统的构成方式2东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校 主要包含传感器、变送器和执行机构的选择。这些装置的选择是正确限制精度的重要因素之一。依据被控对象的特点，确定执行机构接受什么方案，比如是接受电机驱动、液压驱动还是其他方式驱动，应对多种方案进行比较，综合考虑工作环境、性能、价格等因素择优而用。现场设备选择3东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校 在硬件系统确定后，计算机限制系统的限

10、制效果的优劣，主要取决于接受的限制策略和限制算法是否合适。很多限制算法的选择与系统的数学模型有关，因此建立系统的数学模型是特殊必要的。所谓数学模型就是系统动态持性的数学表达式，它反映了系统输入、内部状态和输出之间的逻辑与数量关系，为系统的分析、综合或设计供应了依据。每个特定的限制对象均有其特定的限制要求和规律，必需选择与之相适应的限制策略和限制算法，否则就会导致系统的品质不好，甚至会出现系统不稳定、限制失败的现象。确定控制策略和控制算法4东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校 在计算机限制系统中，一些功能既能由硬件实现，也能由软件实现。故系统设计时，硬件和软

11、件功能的划分要综合考虑，以确定哪些功能由硬件实现，哪些功能由软件来完成。一般接受硬件实现时速度比较快，可以节约CPU的大量时间，但系统比较困难、灵敏性差，价格也比较高；接受软件实现比较灵敏、价格便宜，但耍占用CPU更多的时间。所以，一般在CPU时间允许的状况下尽量接受软件实现，假如系统限制回路较多、CPU任务较重，或某些软件设计比较困难时，则可考虑用硬件完成。硬件、软件功能的划分5东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校 总体方案中还应考虑人机联系方式的问题，系统的机柜或机箱的结构设计、抗干扰等方面的问题。其它方面的考虑6东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇

12、岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校总体设计后将形成系统的总体方案。总体方案确认后，要形成文件，建立总体方案文档。系统总体文件的内容包括：系统的主要功能、技术指标、原理性方框图及文字说明。限制策略和限制算法，例如PID限制、达林算法、Smith补偿限制、最级限制、前馈限制、解耦限制、模糊限制、最优限制等。系统的硬件结构及配置，主要的软件功能、结构及框图。方案比较和选择。保证性能指标要求的技术措施。抗干扰和牢靠性设计。机柜或机箱的结构设计。经费和进度支配的支配。系统总体方案7东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校硬件的工程设计与实现硬件的工程设计与实现选择系统

13、的总线内总线选择常用的工业限制机内总线有两种：PC总线和STD总线。一般常选用PC总线工业限制机。外总线选择依据计算机限制系统的基本类型，假如接受分级限制系统DCS等，必定有通信的问题。外总线就是计算机与计算机之间、计算机与智能仪器或智能外设之间进行通信的总线，它包括并行通信总线(IEEE-488)和串行通信总线(RS232C)。另外还有可用来进行远距离通信、多站点互联的通信总线RS422和RS485。选择系统的总线和主机机型1东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校选择主机机型在总线式工业限制机中，有很多机型，因采用的CPU不同而不同。以PC总线工业限制既为

14、例，其CPU有8088、80286、80386、80486、Pentium(586)等多种型号，内存、硬盘、主频、显示卡、CRT显示器也有多种规格。设计人员可依据要求合理地进行选型 东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校数字量(开关量)输入输出(DIDO)模板 PC总线的并行IO接口模板多种多样，通常可分为TTL电平的DIDO和带光电隔离的DIDO。通常和工业限制机共地装置的接口可以接受TTL电平，而其它装置与工业限制机之间则接受光电隔离。对于大容量的DIDO系统，往往选用大容量的TTL电平的DIDO板，而将光电隔离及驱动功能支配在工业限制机总线之外的非总线

15、模板上，如继电器板（包括固体继电器板）等。选择输入输出通道模板 2东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校模拟量输入输出(AIAO)模板 AIAO模板包括AD、DA板及信号调理电路等。AI模板输入可能是05V、110V、010mA、420mA以及热电偶、热电阻和各种变送器的信号。AO模板输出可能05V、110V、010mA、420mA等信号。选择AIAO模板时必需留意辨别率、转换速度、量程范围等技术指标。东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校选择变送器变送器是这样一种仪表，它能将被测变量（如温度、压力、物位、流量、电压、电流

16、等）转换为可远传的统一标准信号(010mA、420mA等)，且输出信号与被测变量有确定的连续关系。在限制系统中其输出信号被送至工业限制机进行处理、实现数据采集。常用的变送器有温度变送器、压力变送器、液位变送器、差压变送器、流量变送器、各种电量变送器等。系统设计人员可根据被测参数的种类、量程、被测对象的介质类型和环境来选择变送器的具体型号。选择变送器和执行机构 3东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校选择执行机构执行机构是限制系统中必不行少的组成部分，它的作用是接受计算机发出的限制信号，并把它转换成调整机构的动作，使生产过程按预先规定的要求正常运行。执行机构分

17、为气动、电动、液压三种类型。气动执行机构的持点是结构简洁、价格低、防火防爆；电动执行机构的持点是体积小、种类多、运用便利；液压执行机构的特点是推力大、精度高。常用的执行机构为气动和电动两种。另外，还有各种有触点和无触点开关，也是执行机构，实现开关动作。电磁阀作为一种开关阀在工业中也得到了广泛的应用。在系统中，选样气动调整阀、电动调整阀、电磁阀、有触点和无触点开关之中的哪种，要跟据系统的要求来确定。但要实现连续的精确的限制目的，必需选用气动或电动调整阀，对要求不高的限制系统可选用电磁阀。东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校软件的工程设计与实现软件的工程设计与

18、实现汇编语言汇编语言是面对详微小处理器的，运用它能够具体描述限制运算和处理的过程、紧凑地运用内存，对内存和地址空间的支配比较清晰，能够充分发挥硬件的性能，所编软件运算速度快、实时性好，所以主要用于过程信号的检测、限制计算和限制输出的处理。高级语言接受高级语言编程的优点是编程效率高，不必了解计算机的指令系统和内存支配等问题，其计算公式与数学公式相近等。其缺点是，编制的源程序经过编译后、可执行的目标代码比完成同样功能的汇编语言的目标代码长得多，一方面占用内存量增多，另一方面使得执行时间增加很多，往往难于满足实时性的要求。组态软件组态软件是一种针对限制系统而设计的面对问题的高级语言，它为用户供应了众

19、多的功能模块 编程语言选择1东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校从数据类型：逻辑型和数值型，但通常将逻辑型数据归到软件标记中去考虑。数值型可分为定点数和浮点数。定点数有直观、编程简洁、运算速度快的优点，其缺点是表示的数值动态范围小，简洁溢出。浮点数则相反，数值动态范围大、相对精度稳定、不易溢出，但编程困难，运算速度低。假如某参数是系列有序数据的集合，如采样信号序列，则不只有数据类型问题，还有一个数据存放格式问题，即数据结构问题。数据类型和数据结构规划2东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校完成数据类型和数据结构的规划后，

20、便可起先支配系统的资源了。系统资源包括ROM、RAM、定时器计数器、中断源、IO地址等。ROM资源用来存放程序和表格，IO地址、定时器/计数器、中断源在任务分折时已经支配好了。因此，资源支配的主要工作是RAM资源的支配，RAM资源规划好后，应列出一张RAM资源的具体分配清单，作为编程依据 资源分配3东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校数据采集及数据处理程序数据采集程序主要包括模拟量和数字量多路信号的采样、输入变换、存储等。数据处理程序主要包括数字滤波程序、线性化处理和非线件补偿、标度变换程序、超限报警程序等。(2)限制算法程序限制算法程序主要实现限制规律的

21、计算，产生限制量。其中包括：数字PID限制算法、大林算法、Smith补偿限制算法、最少拍限制算法、串级限制算法、前馈限制算法、解耦限制算法、模糊限制算法、最优限制算法等。：实际实现时，可选择合适的一种或几种限制算法，来实现限制。实时控制软件设计4东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校(3)限制量输出程序限制量输出程序实现对限制量的处理(上下限和变更率处理)、限制量的变换及输出，驱动执行机构或各种电气开关。限制量也包括模拟量和开关量输出两种。模拟限制量由D/A转换模板输出，般为标准的00mA(DC)或420mA(DC)信号，该信号驱动执行机构如各种调整阀。开关

22、量限制信号驱动各种电气开关。东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校(4)实时时钟和中断处理程序实时时钟是计算机限制系统一切与时间有关过程的运行基础 实时任务有两类：第类是周期性的，如每天固定时间启动，固定时间撤消的任务，它的重复周期是一天。其次类是临时性任务，操作者预定好启动和撤消时间后由系统时钟来执行，但仅一次有效。很多实时任务如采样用期、定时显示打印、定时数据处理等都必需利用实时时钟来实现。并由实时中断服务程序去执行相应的动作或处理动作状态标记等。另外，事故报警、掉电检测及处理、重要的事务处理等功能的实现也常常运用中断技术，以便计算机能对事务做出刚好处理

23、。事务处理用中断服务程序和相应的硬件电路来完成。东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校(5)数据管理程序这部分程序用于生产管理，主要包括画而显示、变更趋势分析、报警记录、统计报表打印输出等。(6)数据通信程序数据通信程序主要完成计算机与计算机之间、计算机与智能设备之间的信息传递和交换。这个功能主要在分散型限制系统、分级计算机限制系统、工业网络等系统中实现 东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校系统的调试与运行系统的调试与运行系统的调试与运行分为离线仿真与调试阶段和在线调试与运行阶段。离线仿真与调试阶段般在试验室或非工业现场

24、进行，在线调试与运行阶段是在生产过程工业现场进行。离线仿真与调试阶段是基础，是检查硬件和软件的整体性能，为现场投运做准备，现场投运是对全系统的实际考验与检查。系统调试的内容很丰富，遇到的问题是干变万化的，解决的方法也是多种多样的，并没有统一的模式。东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校硬件调试对于各种标准功能模板，依据说明书检查主要功能。在调试AD和DA模板之前，必需准备好信号源、数字电压表、电流表等 利用开关量输入和输出程序来检查开关量输入(DI)和开关量输出(DO)模板 硬件调试还包括现场仪表和执行机构 如是分级计算机限制系统和分散型限制系统，还要调试通

25、信功能，验证数据传输的正确性。离线仿真和调试离线仿真和调试1东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校软件调试软件调试的依次是子程序、功能模块和主程序。般与过程输入输出通道无关的程序，都可用开发机(仿真器)的调试程序进行调试 系统限制模块的调试庇分为开环和闭环两种状况进行。开环调试是检查它的阶跃响应特性，闭环调试是检查它的反馈限制功能 整体调试的方法是自底向上逐步扩大 东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校系统仿真在硬件和相软件分别联调后，必需再进行全系统的硬件、软件统调。这次的统调试验，就是通常所说的“系统仿真”(也称为模拟

26、调试)。所谓系统仿真，就是应用相像原理和类比关系来探讨事物，也就是用模型来代替实际生产过程(即被控对象)进行试验和探讨。系统仿真有以下三种类型：全物理仿真(或称在模拟环境条件下的全实物仿真)；半物理仿真(或称硬件闭路动态试验)；数字仿真(或称计算机仿真)。东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校现场安装及在线调试前先要进行下列检查：检测元件、变送器、显示仪表、调整阀等必需经过校验，保证精确度要求。作为检查，可进行一些现场校验。各种接线和导管必需经过检查，保证连接正确。例如，孔板的上下引压导管要与差压变送器的正负压输入端极性一样；热电偶的正负端与相应的补偿导线相

27、连接，并与温度变送器的正负输入端极性致等。除了极性不得接反以外，对号位置都不应接措。对在流量中接受隔离液的系统，要在清洗好引压导管以后。灌入隔离液(封液)。检查调整阀能否正确工件。旁路阀及上下游截断阀关闭或打开，要搞正确。检查系统的干扰状况和接地状况，假如不符合要求，应实行措施。对平安防护措施也要检查。经过检查并已安装正确后即可进行系统的投运和参数的整定。投运时应先切入手动，等系统运行接近于给定位时再切入自动，并进行参数的整定。在线仿真和调试在线仿真和调试2东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校限制任务与工艺要求限制任务与工艺要求有机载体加热技术是接受有机载

28、体，作为传热介质完成热能转换、传递，从而获得最佳用热工艺的新技术。电热油炉是电升温有机载体供热设备，可为化工、塑料、橡胶等行业用热过程供应稳定的低压高温热源。它的供热原理是以电热升温，接受导热油作传热介质，导热油以强制液相循环方式在闭路系统中以低压、高温状态运行，将热能不断输送给用热设备，即加热一循环一再加热再循环。其工艺流程图如图8.1所示。系统概述系统概述1东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校14567P3反应釜2T1T2T3T4T5Y序号序号1234567名称名称注油泵注油泵膨胀槽膨胀槽电控柜电控柜过滤器过滤器油气分离器油气分离器循环泵循环泵加热炉加

29、热炉T1：出口温度 T2：入口温度东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校图8.3电热油炉主电路原理图东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校设定出口温度、实际测量的出口温度、入口温度数码管显示限制循环泵的运行限制二路沟通接触器、一路固态继电器九段温度曲线给定设置温度范围：0300供电电压:三相沟通380V功率：5.6KW系统的技术指标系统的技术指标2东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校电热油炉温度的限制，依据工艺要求不同而有所变更，但大体上可以归纳为以下几个过程：自由升温段，即依据电阻炉

30、自身的条件，不对升温速度进行限制的升温过程。恒速升温段，即要求炉温上升的速度按某一斜率1进行。保温段，即要求在某一过程中炉温基本保持不变。恒速降温段，即要求炉温下降的速度按某一斜率2进行。自由降温段，即依据电阻炉自身的条件，不对降温速度进行限制的升温过程。工艺要求工艺要求3东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校炉温变更曲线要求参数如下：炉温变更曲线要求参数如下：过渡过程时间过渡过程时间ta：即从升温起先到进入保温段的时间，：即从升温起先到进入保温段的时间，ta100min.超调量超调量P:即升温过程的温度最大值即升温过程的温度最大值TM与保温值与保温值TO之

31、差与保之差与保温值之比，温值之比，静态误差静态误差ev：即当温度进入保温段后的实际温度值：即当温度进入保温段后的实际温度值T与保温值与保温值TO之差的确定值之差的确定值温度的变更范围：温度的变更范围：20220，保温值为，保温值为200。东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校硬件系统设计硬件系统设计图8.5 电热油炉温度限制系统框图系统的基本工作原理1东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校电热油炉温度自动限制系统接受51系列单片机作为限制器，铂电阻温度计作为温度检测元件，限制固态继电器的导通和断开时间的长短来限制电热元件的

32、通电时间来限制导热油温度。另外，系统还扩展了数码管显示、键盘、报警电路，其系统框图如图8.5所示。通过限制过零触发型固态继电器的通断比,来限制输入到加热炉的功率,从而达到限制温度的目的。固态继电器有两个输入限制端,另外两端为输出限制端,中间利用光电耦合器实现电气隔离.输入端只要很小的输入电流便能限制它的导通,没有输入电流则截止.与有触点的继电器相比,固态继电器限制电路简洁、开关速度快、运用寿命长、没有噪音等一系列优点。东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校选择AT89S52单片机作为限制系统的核心，AT89S52内部有8K的程序储存器，256字节的数据储存器

33、，因而无需再扩展储存器，使系统大大简化。主要完成温度的采集、限制、显示和报警等功能。单片机的选择2数据存储器扩展3设定的温度曲线须要长期保存，扩展一片串行EEPROM AT24C256来保存设定的温度曲线东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校 目前在温度测量领域内，除了广泛运用热电偶以外，电阻温度计也得到了广泛的应用，尤其工业生产中120500范围内的温度测量常常运用电阻温度计。本例中接受铂电阻来测量温度，其分度号为，电阻的初值为，温度每上升一度，铂电阻的阻值约增加。传感器的选择4东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校图图

34、8.6 铂电阻及其信号放大电路图铂电阻及其信号放大电路图东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校测量部分是一个不平衡电桥，铂电阻与固定电阻组成不平衡电桥的四个桥臂。为了保证测温的精度，接受两次稳压。在温度为0时，铂电阻的阻值，电桥平衡，对角线A、B两点没有电压差；当温度变更时，铂电阻的阻值变为，其变更值与温度成正比，电桥不平衡，使对角线A、B两点有电压差，此电压差送到运算放大器的输入端，经过放大后送到A/D转换芯片。变更R2*，RL的数值，可以得到不同的放大系数 东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校 模拟量采样电路如图8.

35、6所示。模拟量输入接受TLC0834串行A/D转换芯片完成，串行芯片占用单片机口线较少，由于温度变更缓慢，所以转换速度完全可以满足要求。A/D转换器的选择与接口设计转换器的选择与接口设计5东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校温度的设定与测量结果通过键盘和数码管显示电路完成。键盘显示电路由ZLG7289A芯片完成。ZLG7289A是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的具有SPI串行接口功能的可同时驱动8位共阴式数码管或64只独立LED的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的

36、键盘矩阵，单片即可完成LED显示键盘接口的全部功能。不须要的按键可以不接。ZLG7289A 内部含有译码器，可干脆接受BCD码或16进制码，并同时具有2 种译码方式。此外还具有多种限制指令如消隐闪烁左移右移段寻址等。ZLG7289A 具有片选信号可便利地实现多于8 位的显示或多于64 键的键盘接口。系统中扩展了二片ZLG7289A驱动12位数码管，用来显示导热油出口温度的给定值、出口温度和入口温度的测量值。键盘由16个键组成，其中09数字键用于各种参数的设定；6个功能键分别是油泵启动键、油泵停止键、加热启动键、加热停止键、设置键、修改键。显示器、键盘接口设计显示器、键盘接口设计6东北大学东北大

37、学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校 选择沟通接触器限制循环泵，晶闸管三相调功模块限制加热元件。三相调功模块内部含有晶闸管主电路、过零触发及限制电路和强弱电隔离电路,并有1 个5 引脚的限制插口,由单片机限制其导通和关断的时间完成对电热元件的加热，达到温度限制的目的 执行器的选择执行器的选择7东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校 报警电路由风鸣器和发光二极管组成，当系统中温度超限时，灯光报警 报警电路与状态显示电路报警电路与状态显示电路8东北大学东北大学东北大

38、学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校数学模型与限制算法数学模型与限制算法接受飞升曲线法来确定电热油炉温度限制的传递函数。电热油炉出口温度的飞升曲线如图8.8所示。系统是带纯滞后的一阶对象，其传递函数为 数学模型建立数学模型建立1东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校依据温度变更曲线的要求，可将其分为三段来进行限制：自由升温段、保温段和自然降温段。而真正须要电气限制的是前面两个阶段，即自由升温段和保温段。为避开过冲，从室温到80%额定温度为自由升温段，在20%额定温度时为保温段。输入的电功率为，=0时电功率最小，=1时为全功率。在自由升温段中，

39、希望升温越快越好，总是将加热功率全开，因此得到自由升温段限制方程：当温度时，已较接近须要保温的值，为此接受保温段限制方程。保温限制方法有多种，假如接受比例限制，由于电热元件所加功率的变更和油温变更之间存在一段时间延迟，因此当以温差来限制输出时，系统只有在温度与给定值相等时才停止输出。控制规律的选择和参数计算控制规律的选择和参数计算2东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校 这时由于油温变更的延迟性质，油温并不因输入停止而马上停止上升，从而超过给定值。滞后时间越大，超过给定值也越大。油温上升到确定程度后，才起先下降，并下降到小于给定值时系统才重新输出。同样，由于

40、油温变更滞后于输出，它将接着下降，从而造成温度的上下波动，即所谓的振荡。考虑到滞后的影响，调整规律必需加入微分因数，即PD调整。有了PD调整，系统输出不仅取决于温差的大小，还取决于温差的变更速率。当油温从自由升温段进入保温段时，油温还小于给定值，但温度变更较大，因而系统可以提前削减或停止输出，使油温不至于出现过大的超调。同样，在降温过程中也是如此。这样就改善了油温调整的动态品质。积分作用可以提高温度限制的静态精度，适当选择积分作用，则可以在不影响动态性能状况下提高温度限制的精度。所以保温段限制最好接受PID限制方法。东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校PI

41、D算法和参数选定 连续系统PID校正的限制量P可以表示为 接受离散算法可以表示为（增量式）：东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校式中：为已知。数字限制器的实现数字限制器的实现依据上述连续系统原理设计出来的模拟调整依据上述连续系统原理设计出来的模拟调整器，经离散化后变成适合于计算机计算的器，经离散化后变成适合于计算机计算的差分方程。依据差分方程就可以设计程序差分方程。依据差分方程就可以设计程序流程图，进行程序设计。流程图，进行程序设计。东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校软件设计软件设计软件设计接受C51语言，模块化结构

42、设计。包括初始化程序、主程序、A/D转换和数据采集程序、中值滤波程序、PID限制算法程序、键盘显示程序等 东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校NN开始上电复位初始化系统自检正常？报警调LED显示子程序调键盘输入子程序NNNN设置参数启动油泵停止加热停止油泵油泵启动？晶闸管三相调功模块导通启动A/D转换数据采样数字滤波标度变换温度显示温度超限？全功率输出温差10？PID控制调键盘输入子程序加热停止键？NNNN有键按下？设定键？油泵启动键？加热启动键？加热停止键？油泵停止键？东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校系统概述系统

43、概述 三轴仿真转台是一种高精度的多功能仿真设备，是各种飞行限制系统进行地面仿真的关键设备。它可以依据要求，模拟飞行器飞行时的航向角、俯仰角、横滚角，实时模拟飞行器在空中飞行的姿态，供应物理仿真和综合测试的平台。本系统的三轴仿真转台，要求三个方位轴均具有精确定位、速率限制、正弦摇摆等功能，实时显示三方位的角度值，并可通过串行通讯口接收上位机的限制叮嘱。依据系统要求，按实现功能划分为上位监控机、下位机限制柜、功放驱动柜、转台台体四大部分。功放部分由内环电机驱动限制、中环电机驱动限制、外环电机驱动限制等组成。东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校图图8.11 伺服

44、系统组成框图伺服系统组成框图转台台体部分可分为内环轴、中环轴、外环轴，分别用X轴、Y轴、Z轴表示。三轴仿真转台由工业限制计算机、测角电路、功率放大、驱动电机、被控对象构成闭环限制系统，如图8.10所示。东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校硬件设计硬件设计 系统的硬件由伺服限制、驱动执行机构和反馈环节等组成。驱动执行机构接受无刷直流力矩电机，反馈环节测角部分选用感应同步器。伺服限制部分接受抗干扰性强的IPC610工控机，全数字限制，限制算法由软件实现 工业机箱的选择选择IPC-610-H-02-S 4U高14槽上架式机箱。主要特点如下：4U高支持14槽背板

45、配置300WATX PFC PS/2电源 前端可安装3个半高磁盘驱动器，一个3.5”FDD 和一个内置3.5”磁盘驱动器 前置USB/PS2 接口 工控机主机的选择工控机主机的选择1东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校前置系统状态监测模块 能抗冲击，振荡，并且能在高温下稳定工作 支持ATX 母板和400W PFC电源主机板的选择选择PCA6187全长型主机板。PCA6187接受Intel 865G芯片组，支持Intel Socket 478 Pentium4/Celeron处理器，支持400/533/800前端总线，由于支持双通道DDR400内存，因此供应

46、更高的内存带宽。除了支援IDE界面外，PCA6187还支援SATA界面，可以有更高的磁盘性能表现，更细的更长的线缆便于布线。其它的特点包括内建高性能VGA显示卡，双千兆以太网接口，双通道Ultra 160 SCSI界面，六个USB2.0端口，和两个RS232串口，一个并口，和软驱接口。无源底板的选择选择PCA-6114P7-0D3E型底板。东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校数字量的输入输出部分(DIDO)：接受PCL-722并行DIO卡 模拟量的输出部分(AO)：选用光电隔离型HY-6050板卡。I/O输入输出模块的选择输入输出模块的选择2传感器的选择传

47、感器的选择3角度的测量选用感应同步器，测量后的数据由集成的转换模块转换为数字信号，经数字量输入端口读入工控机。东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校 运用工控机本身的硬件资源COM1或者COM2来实现同上位机的通讯，叮嘱的传输通过串行通讯进行。上位机限制到工控机的叮嘱运用串行中断的方式，在中断服务程序中进行数据的处理；工控机到上位机的数据运用查询的方式。工控机硬件组成框图如图8.11 所示。通信接口通信接口4东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校图图8.12 IPC硬件组成框图硬件组成框图东北大学东北大学东北大学东北大学

48、秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校软件设计软件设计系统要求三个方位轴均具有精确定位、速率限制、正弦摇摆等功能，实时显示三方位的角度值，并可通过串行通讯口接收上位机的限制叮嘱。依据系统的硬件设计分工，软件设计接受模块化设计方法。限制程序可分为初始化子程序、设置限制方式和限制参数子程序和中断服务子程序，图8.12 为限制程序流程图。东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校图图8.13 主程主程序流序流程图程图东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校初始化子程序模块主要完成各基本功能模块的初始化设置，包括几个子模块：设置定时中

49、断模块：包括设置定时中断的时间常数、修改中断向量指向等；设置串行中断模块：设置串行通讯的数据格式，通讯端口，设置中断方式时的中断向量；创建文件模块：设定保存实时采集的角度数据的文件，若文件原来存在，则进行覆盖；假如不存在则创建新文件；初始化数字量输入输出板卡(PCL-722板卡)模块：设定板卡的基地址，各个通道的工作方式，初始化各个通道的端口；初始化模拟量输出板卡模块：设定板卡的基地址，初始化各个通道。初始化子程序初始化子程序1东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校 限制方式和限制参数子程序主要应用于现场的调试和操作，是操作者工控机进行对话的途径，使操作者可

50、以对被控对象进行本地的调试和操作。操作者可以通过选择相应的功能选项，执行相应的功能，包括指定三个轴相应的运动方式，设定运动的初始参数，数据的处理等。设置控制方式和控制参数子程序设置控制方式和控制参数子程序2东北大学东北大学东北大学东北大学 秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校秦皇岛分校包括：定时中断、键盘中断、串行通讯中断等子程序。定时中断处理子程序 定时中断用于实时限制及数据采集模块。通过改写系统板上的定时器通道0来实现定时中断。实现方法是：(1)保存原中断向量；(2)重新对定时器通道0进行编程，并设置新的中断向量为中断服务程序入口地址；(3)在程序退出前复原原中断向量。键盘中断处理子程序:接收键