【正文】 ： TTKCTTKBTTTTKADDDpDp??????)21()1(1 可以看出， A、 B、 C 都是與采樣周期 T、比例系數(shù) pK 、積分時間常數(shù) 1T 微分時間常數(shù) DT 等有關(guān)的系數(shù)。 e(k 一 1)— 第 (kl)次采樣時刻的輸入偏差數(shù)值 。即，計算機控制是一種采樣控制方法，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差數(shù)值來計算控制量，因此，在 式子 ()中的積分項和微分項下能直接進行計算，必須進行數(shù)字離散化處理之后，才能被計算機應(yīng)用。積分作用的強弱主要取決于系統(tǒng)的積分時間常數(shù) 1T ，當(dāng) 1T 的數(shù)值越大，則系統(tǒng)的積分作用越弱 。 1T — 積分時間常數(shù) 。 算法介紹 : 本系統(tǒng)采用基于 smith預(yù)估器補償?shù)?PID 控制算法。當(dāng)純滯后時間比較小時，可以直接采用 PID 控制 。 同時由于上文中分析的冷卻水溫度的這種純滯后特性的影響，我們對控制對象的描述是用一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)。因此，在系統(tǒng)中必然會產(chǎn)生靜態(tài)誤差，因而就會出現(xiàn)長時間使被控對象脫離最佳工作點的情況，使得執(zhí)行機構(gòu)反復(fù)進行執(zhí)行動作，加速了執(zhí)行機構(gòu)的磨損等 。滯后時間 t 的單位秒 (s)。因此，當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)施加了控制作用以后，冷卻水的溫度并不是馬上發(fā)生變化，無法反映控制作用，而是要等到冷卻水流過了 淡水冷卻器，兩路水流混合后，再到達溫度傳感器處，被測溫度的變化才 能反映出控制效果。被控對象的輸出是 c(t)，輸入是步進電機的輸出 u(t)。 系統(tǒng)控制框圖 圖中 ， TS 是系統(tǒng)給定溫度值 是以 BCD 碼，由 鍵盤或者上位機輸入。其中， ZP 口輸出的高低電平的占空比，有 PID 控制算法來決定，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)閉環(huán)自動溫度控制。我們采用了一片時基集成電路 NE555，將其接成振蕩工作狀態(tài)， 同時， 將 NE555 的復(fù)位端“ 4”與 AT89C51 的 ZP 引腳反相濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 連接。 : 為了系統(tǒng)的安全運行，我們對冷卻水溫度進行上限或下限聲光報警處理， 我們采用了如下 的判斷報警方法 :以冷卻水溫度設(shè)定值 T 設(shè) 為參考數(shù)值，則溫度變化的上限是 T:= T 設(shè) +5℃，下限是 T=T 設(shè) 5℃ .當(dāng)測量到的冷卻水溫度持 續(xù)增加，高于上限 1T 時，即 T 1T ，時，則上限報警狀態(tài)值 THA=l。 模塊 : 本測控系統(tǒng)是近距離 (小于 15 米 )的串行通訊，因此選擇了計算機和單片機之 間通過 RS232 接口直接相連。 下面介紹鍵盤與顯示電路。顯示部分為 3 位 LED 數(shù)碼管顯示 ，顯示的內(nèi)容是溫度數(shù)值的，十 位、個位和小數(shù)點后一位，軟件設(shè)計中采用動態(tài)掃描顯示的方法，以減少硬件成本和增加系統(tǒng)可靠性。 溫度傳感器傳來的檢測信號經(jīng)過模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換后，變成單片機可以識別的數(shù)字信號，從而可以對冷卻水溫度進行量化比較。 ADC0809 是一種 8 位逐次逼 近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，它由 8 通道模擬開關(guān)和 A/D 轉(zhuǎn)換兩部分組成，其轉(zhuǎn)換時間大約為 100vs，轉(zhuǎn)換精度為 ℃。 Pt100 鉑熱電阻，當(dāng)其鉑絲溫度 上 升時，其電阻阻值也隨之增加。我們將在后面著重介紹這些接口電路。此外， AT89C51 還具有 128 字節(jié) RAM， 32 條可編程 I/O 口線， 2 個 16 位 可編程定時計數(shù)器， 6 個中斷源， 1 個串行 l/O 日，片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。下面，我們分別對幾個主要模塊進行一下詳細介紹。鍵盤矩陣采用 2 行 3 列非編碼方式，顯示部分為 3 位 LED 數(shù)碼管顯示，看門 狗電路采用了較為常見的 X25045 芯片。 4． 可控點多，擴展性能好 : 本系統(tǒng)采用了多點測溫的方法，單片機可以利用多路開關(guān)來選擇測控點，從而使用戶可以分別對中央冷卻系統(tǒng)的不同部位進行監(jiān)測，了解整個機械設(shè)備的運行狀態(tài)。同時，外圍控制電路都選用了目前市場上常見的一些元器件，比如溫度傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換元件、看門狗器件以及 LED 數(shù)碼管等，其成本均不高，進一步降低了整個系統(tǒng)的造價，使得本控制系統(tǒng)具有良好的性價比。 : 利用尺 5232 串行通訊模塊，可以打展系統(tǒng)的功能。 ： 利用硬件看門狗 (watchdog)電路，具有掉電數(shù)據(jù)保護功能和系統(tǒng)故障復(fù)位功能。 系統(tǒng)的性能指標(biāo) 系統(tǒng)主要的技術(shù)指標(biāo) :0~℃ : 因為被控參數(shù)是水，其工作狀態(tài)始終是液態(tài)，所以其工作溫度就是在0~℃ 之間，三位 LED 數(shù)碼管顯示，其顯示數(shù)值范圍是 000999，代表溫度范圍是 ℃ 。 6． 控制軟件 : 系統(tǒng)的控制軟件包括計算機管理控制中心的溫度管理和儲存軟件、單片機測控系統(tǒng)運行軟件，以及 RS232 通訊軟件等。 5． 執(zhí)行機構(gòu) : 本控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)是指進行溫度調(diào)節(jié)的機械裝置，即控制繼電器、三相伺服交流電動機和三通調(diào)節(jié)閥。 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 : 在 系統(tǒng)設(shè)計時，我們采用了具有良好性能的感溫元件，鉑熱電阻 Pt100，用來測量冷卻水的溫度。數(shù)字小鍵盤可以使用戶輸入溫反設(shè)定值，其范圍是 000 一 999，代表的溫度范圍同樣是 ℃ ； 系統(tǒng)設(shè)計了硬件看門狗電路，具有掉電數(shù)拒保護功能和系統(tǒng)故障復(fù)位功能，如果系統(tǒng)突然失去電力，測量數(shù)值可以保存在看門狗電路的 EEPROM 中，在系統(tǒng)重新工作時，可以重新從看門狗的存儲單元里讀取數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的安全，同時，如果系統(tǒng)出現(xiàn)死機或者程序跑飛而進入某個死 循環(huán)，由該看狗電路向 CPU(控制器 )發(fā)出復(fù)位信號，使系統(tǒng)重新開始運行從而保證了系統(tǒng)安全、可靠地運行。 3． 單片機測控平臺 (下位機 ): 單片機測控平臺 (下位機 )是整個溫度控制系統(tǒng)的重要組成部分，是聯(lián)系溫度信號采集和計算機管理控制中心的樞紐。 2． 遠程通訊模塊 : 為了便于上位機 (計算機 )和下位機 (單片機 )的通訊，我們采用了標(biāo)準(zhǔn) RS232串行通訊規(guī)范。 圖 系統(tǒng)硬件組成圖 RS232 通信方式 計算機控制中心（上位機） 單片機檢測平臺（下位機） 溫度數(shù)據(jù)采集（溫度傳感器組） 執(zhí)行機構(gòu)（伺服電機、調(diào)節(jié)閥） 打印機 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 系統(tǒng)各組成部分功能說明 下 面，我們分別對計算機管理控制中心 (上位機 )和打印機、遠程通訊模塊、單片機測控平臺 (下位機 )、溫度傳感器組、執(zhí)行機構(gòu)和控制軟件等部分進行詳細的說明 : 1． 計 算機管理控制中心 (上位機 )和打印機 : 計算機控制中心可以對單片機測控平臺進行遠程實時顯示和檢測。單片機測控平臺是是本課題最重要的研究內(nèi)容，它內(nèi)置單片微處理器，智能化設(shè)計，可以獨立工作又可以與上位機組成通訊網(wǎng)絡(luò)，同時還可以對柴油機冷卻水的溫度進行監(jiān)控，對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制指令，實現(xiàn)溫度的檢測與控制，是由溫度采集接口電路、 鍵盤與顯示電路、串行通訊接口申路、看門狗電路，以及執(zhí)行機構(gòu)接口電路所組成的。這一方面是對當(dāng)前船舶工業(yè)溫度測控技術(shù)的更新，另一方面也為現(xiàn)代遠洋船舶主柴油機提供了良好的運轉(zhuǎn)環(huán)境。 2． 課題的實用性及前瞻性 : 現(xiàn)代船舶工業(yè)的快速發(fā)展，使得船舶自動控制技術(shù)也突飛 猛進的提高。 海水泵 淡水泵 淡水泵 低溫淡水膨脹水箱 高溫淡水膨脹水箱 淡水冷卻器 中央冷卻器 船舶柴油機 海水 舷外 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 另外，此測控系統(tǒng)以及相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)，既有利于推動工控技術(shù)的發(fā)展，又能帶來可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。 另外，系統(tǒng)設(shè)計時充分考慮了對船舶原有的資源進行合理利用，應(yīng)用原有的計算機和打印機來搭建整個系統(tǒng)的計算機控制中心 (上位機 )，應(yīng)用現(xiàn)有的船舶網(wǎng)絡(luò)進行系統(tǒng)通訊和數(shù)據(jù)傳輸。 其二，本課題的目標(biāo) :提供具有溫度測控功能的智能控制設(shè)備一套 。因此，這種冷卻系統(tǒng)中就有兩個冷卻水回路 :一個是低溫回路 ，就是由舷外海水來冷卻低溫淡水的回路，因為海水的流入和流出不是一個閉合的過程，因此又稱為開式冷卻 。而冷卻效果的下降，將會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，如 船舶主柴油機氣缸和活塞溫度 升高、潤滑油隨溫度的升高而粘度降低造成機械運動的磨損，縮短了柴油機的使用壽命等。它的作用方法是，利用安裝在船舶柴油機氣缸冷卻水進口或者出口管路中的感溫元件，通常為電阻數(shù)值與溫度變化在一 定范圍內(nèi)成線性變化的熱敏電阻，經(jīng)分壓器分壓把冷卻水溫度成比例地轉(zhuǎn)換為電壓信號，這個測量信號與由電位器整定的給定值電壓信號相比較得到偏差信號，再經(jīng)過比例微分作用，輸出一個控制信號并將此控制信號送至脈沖寬度調(diào)制器，將連續(xù)的控制信號變成斷續(xù)的脈沖信號去調(diào)節(jié)冷卻水溫度。 它 也存在著以下的一些問題，例如系統(tǒng)對氣體的密封性和壓力要求同樣很高，對運輸和儲存氣體的管系的密閉性要求也很高，如果控制氣壓信號有所損失，使得控制精度降低，效果減小。這種控制方式的缺點也是顯而易見的，測量元件內(nèi)充注的工作介質(zhì)對密封性要求很高，如果造成測量元件內(nèi)充注的工作介質(zhì)泄漏，那濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 么其本身的壓力就不能隨溫度成比例進行變化， 因而使得溫度控制失去作用。 船舶柴油機冷卻水溫度控制技術(shù)發(fā)展歷程 船舶柴油機冷卻水溫度控制技術(shù)，在 20 世紀(jì)中得到了飛速發(fā)展。綜合以上的各種不利因素，我們認為，此類控制系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足日益提高的控制性能需求，必須采用新的控制方式。因此，冷卻水系統(tǒng)的功用，就是對需要及時散熱的機 械和設(shè)備提供足夠的冷卻水進行冷卻，以保證其在一定合適的溫度范圍內(nèi)安全、可靠地工作。 Cooling Water System: Single Chip Microputer: Temperature Control: Reliability濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 第 1 章 緒論 課題提出的背景 船舶柴油機冷卻水溫度控制技術(shù)是輪機自動化技術(shù)的重要組成部分。同時，又討論了有關(guān)提高控制系統(tǒng)可靠性的軟硬件解決措施，因而更進一步完善了系統(tǒng)的整體設(shè)計方案。因此，如何將單片微處理器應(yīng)用到船舶自動控制領(lǐng)域，成為目前輪機自動化的焦點課題之一，為越來越多的科研機構(gòu)所重視。在這些眾多的先進測量控制技術(shù)中，由于單片微處理器的性能日益提高、價格又不斷降低，使其性能價格比的優(yōu)勢非常明顯。最后，本課題最終給出了基于單片機的船舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)的整套軟硬件設(shè)計方案。 then， confirms the choice of the hardware parts and the software arithmetic according to the system function: finally，this monograph provides a whole plan about hardware and software design for the al1 main engine cooling water temperature control system that based on single chip microputer. At the same time， discusses about hardware and software design methods for improving the reliability of the control system， these methods perfect the whole system design. According to the research of this monograph， we successfully introduce the single chip microputer to ship engine automation control realm， it enriches the automation control technology and explore an effective way for ship engine automation. It has a wide development space. Keywords: Ship。 我們知道，船舶主柴油機動力裝置運轉(zhuǎn)時，有許多機械、設(shè)備等的運動部件將會產(chǎn)生熱量，而燃燒的燃氣和壓縮的空氣也會散發(fā)出大量的熱量，為了保證受熱部件的溫度不致于過高而影響其正常工作，或者不致于因熱負荷過大而使其損壞，必須及時而有效地將這些多余的熱量散發(fā)出去。②由于系統(tǒng)整體比較復(fù)雜，同時模擬儀表的實現(xiàn)功能的限制，因此這些溫度控制器都采用了最簡單的控制規(guī)律，不能提 供很好的控制性能。同時，其邏輯控制運算是由軟件來進行的，可以容易的實現(xiàn)各種控制規(guī)則，甚至是比較復(fù)雜的控制算法的實現(xiàn)，而且不受外界的工作環(huán)境的影響，因此，基于單片機的溫度控制器可以安全可靠地運行，來智能地控制 冷卻水的溫度穩(wěn)定在某一給定值，或者給定值附近，使得船舶柴油機冷卻水溫度測控滿足現(xiàn)代遠洋船舶的要求。其特點是，他們都不需要外加能源，而是根據(jù)在冷卻水管路中的測量元件內(nèi)充注的工作介質(zhì)的壓力隨溫度成比例變化而產(chǎn)生的力來汽接驅(qū)動二通調(diào)節(jié)閥，進而改變流經(jīng)淡水冷卻器的淡水 流量和旁通淡水流量，從而進行溫度調(diào)節(jié)的。其特點是，利用感溫元件和溫度變送器，把氣缸冷卻水溫度的變化成比例地轉(zhuǎn)變成氣壓信號的變化送至調(diào)節(jié)器，與調(diào)節(jié)器的給定信號相比較， 其偏差信號經(jīng)調(diào)節(jié)作用 規(guī)律運算后，成為調(diào)節(jié)器輸出的控制氣壓信號去調(diào)節(jié)溫度。