【正文】 目 錄 一 .課題要求 ???????????????????????????2 二 .課程設(shè)計(jì)目的 ???????????????????????2 三 .課程設(shè)計(jì)內(nèi)容 ???????????????????????2 四 .參考文獻(xiàn) ?????????????????????????18 1 一 課題要求 : ? (能克服工程設(shè)計(jì)和實(shí)施中的一些問(wèn)題 )? ? (如程 序的功能 )? 二 課程設(shè)計(jì)目的 : 本課程設(shè)計(jì)提供了一個(gè)既動(dòng)手又動(dòng)腦 ,自學(xué) ,查資料 ,獨(dú)立實(shí)踐的機(jī)會(huì) ?將本學(xué)期課本上的理論知識(shí)和實(shí)際有機(jī)的結(jié)合起來(lái) ,鍛煉實(shí)際分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力 ,提高自己適應(yīng)實(shí)際 ?實(shí)踐編程的能力 ,使自己對(duì)均勻控制系統(tǒng)更進(jìn)一步了解 ?給自己一個(gè)鍛煉和提高的機(jī)會(huì) ? 三 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容 : 均勻控制系統(tǒng)具有使控制量與被控量均勻緩慢地在一定范圍內(nèi)變化的特殊功能 ?在均勻控制系統(tǒng)中 ,控制量與被控量常常是同樣重要 ,控制的目的 ,是 使兩者在擾動(dòng)作用下 ,都有一個(gè)緩慢而均勻的變化 ? 在一些工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中 ,生產(chǎn)的連續(xù)性 是其特點(diǎn)之一 ?每一個(gè)裝置或設(shè)備都與前后的裝置或設(shè)備緊密的聯(lián)系著 ,前一個(gè)裝置或設(shè)備的出料亮量一般就是后一個(gè)裝置或設(shè)備的進(jìn)料量 ,而后一裝置或設(shè)備是互相聯(lián)系而又互相影響的 ?例如石油裂解氣分離過(guò)程 ,有許多精餾他串聯(lián)在一起工作 ,前一塔的出料就是后一塔的進(jìn)料?圖 a 為兩個(gè)連續(xù)操作的精餾塔 ,前一塔的出料是后一塔的進(jìn)料 ?為了保證分餾過(guò)程正常運(yùn)行 ,要求將一號(hào)塔釜液位穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi) ,故設(shè)有液位的控制系統(tǒng) ?而后一精餾塔又希望進(jìn)料穩(wěn)定 設(shè)有流量控制系統(tǒng) ?顯然 ,這兩套系統(tǒng)是不能協(xié)調(diào)工作的 ?假如 1 號(hào)塔在擾動(dòng)作用下使其塔釜液位上升時(shí) ,液位調(diào)節(jié)器發(fā)出控制信號(hào)去開(kāi)大調(diào)節(jié)閥 1 的開(kāi)度 ,從而使出料流量增大 。由于 1 號(hào)塔的出料量就是 2 號(hào)塔的進(jìn)料量 ,因而引起 2 號(hào)塔進(jìn)料量的增加 ,于是 ,流量調(diào)節(jié)器發(fā)出控制信號(hào)去關(guān)小調(diào)節(jié)閥 2 的開(kāi)度 ?這樣 ,按液位信號(hào) ,調(diào)節(jié)閥 1 的開(kāi)度要開(kāi)大 ,流量要增大 。安流量信號(hào) ,調(diào)節(jié)閥 2的開(kāi)度要關(guān)小 ,流量要減小 ?而調(diào)節(jié)閥 1,2裝在同一條管道上 ,結(jié)果 ,兩套控制系統(tǒng)互相矛盾 ,在物料供求上互不兼顧 ,不能滿足工藝生產(chǎn)要求 ? 為了解決前后兩個(gè)塔之間在物料供求上的矛盾 ,可在前后兩個(gè)串聯(lián)的塔中間增設(shè)一個(gè)緩沖設(shè)備 ?但是 ,增加緩沖設(shè)備不僅要增加投資 ,而且 要增加流體輸送過(guò)程中的能量消耗 ?尤其是有些生產(chǎn)過(guò)程的中間物料或產(chǎn)品不允許中間停留存在 ,否則 ,會(huì)使這些中間的物料或產(chǎn)品或重新聚合 ?所以 ,必須從自動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)上 2 去找出路 ,以滿足前后裝置或設(shè)備在物料供求上互相均勻協(xié)調(diào) ,統(tǒng)籌兼顧的要求 ?通常把能實(shí)現(xiàn)這樣控制目的的控制系統(tǒng)稱為均勻控制系統(tǒng) ? 其特點(diǎn)如下 : 1 液位 (或壓力 )和流量?jī)蓚€(gè)變量都是變化的 ,不是固定不變的 ? 2 兩個(gè)變量的調(diào)節(jié)過(guò)程在工藝容許的范圍內(nèi)是緩慢地變化的 ? 下面是一種用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度均勻控制的系統(tǒng) 一種基于 Smith 預(yù)估器的溫度均勻控制的系 統(tǒng) 環(huán)境溫度對(duì)儀器儀表性能指標(biāo)有很大的影響 ?為了更準(zhǔn)確地模擬儀表的實(shí)際工作環(huán)境 ,度量溫度對(duì)儀表參數(shù)的影響 ,有必要研制一個(gè)溫控系統(tǒng) ?一般的溫控系統(tǒng)為一大滯后系統(tǒng) ,純滯后可引起系統(tǒng)不穩(wěn)定或降低系統(tǒng)的反饋性能 ?考慮到Smith 預(yù)估器從理論上解決了純滯后系統(tǒng)的控制問(wèn)題 ,本文介紹一個(gè)帶 Smith預(yù)估器的溫控系統(tǒng) ,該系統(tǒng)能有效抑制純滯后的影響 ,而且魯棒性強(qiáng) ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 ,溫控精度可達(dá)177。 ℃ ? 1 帶 Smith 預(yù)估器的控制器設(shè)計(jì) 根據(jù)溫控箱的結(jié)構(gòu)及一般熱力學(xué)原理 ,可得到以下溫控箱為被控對(duì)象的傳遞函數(shù) ,其近似表 達(dá)為 (1) 式中 :Gp(S)為被控對(duì)象中不含純滯后的部分 ?可以看出 ,它是一個(gè)帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié) ?根 據(jù) 所 設(shè) 計(jì) 的 溫 控 箱 和 實(shí) 際 參 數(shù) 辨 識(shí) , 可 得 式 (1) 中的T=16s,K0=,τ=? 一般的溫控系統(tǒng)如圖 1 所示 ?圖中 ,Gc(S)表示設(shè)計(jì)的控制器 ,F 為控制器直流分量等干擾 ?其閉環(huán)傳遞函數(shù)為 (2) 由于特征方程里含有 eτs 項(xiàng) ,這對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性極其不利 ,若τ足夠大 ,系統(tǒng)就很難穩(wěn)定 ?而且由于系統(tǒng)中含有純滯后環(huán)節(jié) ,使控制器設(shè)計(jì)變得復(fù)雜 ? 3 圖 1 一般溫控系統(tǒng)方框圖 Smith 預(yù)估器 [1]是克服純滯后影響的有效方法之一 ,因此本文在常規(guī)校正環(huán)節(jié)基礎(chǔ)上引入了 Smith 預(yù)估器補(bǔ)償 ,其控制結(jié)構(gòu)如圖 2 所示 ,圖中虛線框內(nèi)為Smith 預(yù)估控制的原理框圖 ?Smith 預(yù)估控制的實(shí)質(zhì)就是與實(shí)際對(duì)象并聯(lián)一個(gè)模型 Gp(S)(1eτs),因此 ,控制器 Gc(S)的等效控制對(duì)象變?yōu)?Gp(S),也就是說(shuō) ,設(shè)計(jì)控制器 Gc(S)時(shí)不必考慮純滯后環(huán)節(jié)的影響 ?此時(shí)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 (3) 從式 (3)可見(jiàn) ,eτs已不包含在系統(tǒng)的特征方程里 ,因此系統(tǒng)性能完全不受純滯后的影響 ?Smith預(yù)估控制從理論上提供了將含有純滯后的對(duì)象簡(jiǎn)化為不含純滯后的對(duì)象進(jìn)行控制的方法 ? 圖 2 帶 Smith 預(yù)估器的溫控系統(tǒng) 2 溫控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 溫控系統(tǒng)的構(gòu)成如圖 3 所示 ,由溫度控制箱 ?溫度測(cè)量變換 ?測(cè)量放大 ?大功率運(yùn)放 ?A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器 ?輸入光電隔離 ?輸入光電隔離 ?驅(qū)動(dòng)電路 ?8098 單片機(jī)[2]?鍵盤(pán)顯示 ?存儲(chǔ)器組成 ?其中 8098 單片機(jī)是核心 ,由它統(tǒng)一管理完成 ?在該系統(tǒng)中 ,溫度和時(shí)間的設(shè)置 ?溫度值及誤差顯示 ?控制參數(shù)的設(shè)置 ?運(yùn)行 ?暫停及復(fù)位等功能由鍵盤(pán)及顯示電路完成 ,溫度設(shè)定范圍為 0~100℃ ,給定分辨率設(shè)置為℃ ,測(cè)溫范圍為 20~80℃ ? 4 圖 3 溫控系統(tǒng)硬件組成框圖 溫度控制箱的執(zhí)行部件為加熱片 ,它可以使溫控箱內(nèi)溫度分布較為均勻 。選擇適當(dāng)功率的加熱片 ,可以提高系統(tǒng)的升溫速度 ,縮短到達(dá)熱平衡的時(shí)間 ?為了保證精度 ,溫度測(cè)量變換器采用鉑電阻及專門(mén)電路 ,該電路利用橋式電路結(jié)構(gòu)及正反饋原理改善了溫度傳感器的檢測(cè)線性度 ,因此其測(cè)量精度 ?線性度和抗干擾性能都較好 。同時(shí)采用數(shù)字反饋 ,還可以利用計(jì)算機(jī)補(bǔ)償技術(shù) ,進(jìn)一步提高溫度檢測(cè)的精度 和線性度 。為抵消鉑電阻引線帶來(lái)的干擾 ,采用了四線制接法 ?相應(yīng)于溫度傳感器的精度 ,A/D 與 D/A 轉(zhuǎn)換都選用 12 位轉(zhuǎn)換器 ,分辨率為 212%,能滿足精密儀表精度要求 ?加入光電隔離器的目的是防止線路干擾的引入 ? 該溫控系統(tǒng)的工作原理為 :溫度測(cè)量變換器所測(cè)量的溫度信號(hào)經(jīng)放大電路放大?A/D 轉(zhuǎn)換 ,送到單片機(jī)中 ,單片機(jī)把它同由鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)的給定溫度進(jìn)行比較 ,再由單片機(jī)給出控制量 ,然后將控制量送驅(qū)動(dòng)電路 ?D/A 轉(zhuǎn)換后去驅(qū)動(dòng)大功率運(yùn)放對(duì)溫度控制箱進(jìn)行控制 ,從而構(gòu)成了實(shí)時(shí)閉環(huán)系統(tǒng) ? 3 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 溫控系 統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是在 8098 單片機(jī)上 ,由單片機(jī)來(lái)控制 ?主控程序包括初始化 ?鍵盤(pán)顯示管理及各子程序調(diào)用 ?溫度信號(hào)的采集 ?數(shù)字濾波 ?鉑電阻的非線性補(bǔ)償 ?溫度的顯示 ?遺傳算法優(yōu)化控制等功能的實(shí)現(xiàn)由各子程序完成 ?數(shù)字濾波可采用均值法 ?中間值法和一階慣性法等方法 ,目的是濾除干擾信號(hào)的影響 ?由于鉑電阻的電阻值與其所受的溫度并不完全是線性的 ,因而設(shè)計(jì)了分段線性插值線性化程序來(lái)對(duì)鉑電阻進(jìn)行非線性補(bǔ)償 ,得到了較為滿意的效果 ,其誤差低于 %?軟件還包括對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)和快速加溫的切換等 ?由于儀器儀表的工作環(huán)境存在強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾 ,為了 提高溫控系統(tǒng)的可靠性 ,在硬件上可