【正文】 也是目前遠(yuǎn)洋船舶上主要采用的溫度控制方式。其次這種控制系統(tǒng)的測量和控制部分，是利用一些電子器件進(jìn)行邏輯運(yùn)算輸出的，它的缺點(diǎn)就是一旦邏輯輸出部分機(jī)械部件出現(xiàn)故障，則整個(gè) 測控系統(tǒng)的控制能力和精度就會出現(xiàn)故障，其工 作效果大打折扣。利用船舷外的海水泵輸送海水進(jìn)入中央冷卻系統(tǒng)，來冷卻低溫淡水，被冷卻后的低溫淡水再去冷卻船舶主柴油機(jī)氣缸套和氣缸蓋的高溫淡水。 下圖 為船舶中央冷卻系統(tǒng)簡化框圖 : 圖 船舶中央冷卻水系統(tǒng)簡化框圖 因 此 ，我們設(shè)計(jì)的“基于單片機(jī)的船舶柴油機(jī)冷卻水控制系統(tǒng)”課題應(yīng)該重點(diǎn)解決以下內(nèi)容 ： 其一，本課題的攻關(guān)任務(wù) :研究船舶柴油機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng)，開發(fā)出具有智能控制裝置，實(shí)現(xiàn)對溫度進(jìn)行測量和控制 。 ③控制算法 :分析了幾種在溫度控制中常見的控制算法，根據(jù)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，以及針對冷卻水的固有特性的分析，實(shí)現(xiàn)了帶有 smith 補(bǔ)償?shù)?PID 控制 。它具有安全可靠、操作簡單方便、智能控制等優(yōu)點(diǎn)。因此，這項(xiàng)測控系統(tǒng)具有良好的市場發(fā)展空 間。 3． 本課題的社會效益 : 本課題是以測控 智能化為宗旨，旨在為現(xiàn)代遠(yuǎn)洋船舶提供有效、實(shí)用的溫度測控方法。其中，計(jì)算機(jī)控制中心中的計(jì)算機(jī)和打印機(jī)可以利用船舶原有資源，安裝串行通訊軟件，實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)系統(tǒng)的通訊 :溫度采集模塊是由分布在柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng)各部分的溫度傳感器組成的，采用了具有良好性能的感溫元件，用來測量冷卻水的溫度 。 系統(tǒng)硬件框圖 整個(gè)系統(tǒng)的硬件組簡圖如圖 所示 。當(dāng)每次啟動軟件時(shí)，該軟件可以自動的從單片機(jī)溫度控制器中讀出歷史數(shù)據(jù)并存儲到計(jì)算機(jī)中。但由于船舶上的空間有限，一般情況下，上位機(jī)與下 位機(jī)的距離都在 15 米以內(nèi)，所以就不再對通訊模塊加裝長距離接受器 (中繼器 )或者進(jìn)行 RS232 轉(zhuǎn) RS485 處理，以降低系統(tǒng)的整體投資。本測控設(shè)備提供了 3 位 LED 數(shù)碼管顯示設(shè)定溫度數(shù)值和測量溫度數(shù)值，其顯示的數(shù)值范圍是 000 一 999，代表溫度范圍是 ℃ 。經(jīng)過此自 動控制過程，使柴油機(jī)冷卻水溫度穩(wěn)定在設(shè)定數(shù)值，或是設(shè)定數(shù)值周圍，從而達(dá)到自動控制溫度的目的。 由于采用了這種多點(diǎn)測量的方法，克服了在以往溫度控制中，只能單一的測量冷卻水進(jìn)口或者出口的實(shí)際溫度，出現(xiàn)偏差的現(xiàn)象，這也證明了本課題設(shè)置的科學(xué)性和合理性。通過單片機(jī)控制指令的改變，來改變選擇增大輸出繼電器和減小輸出繼電器，進(jìn)而改變?nèi)嗨欧涣麟妱訖C(jī)的轉(zhuǎn)動方向，來控制三通調(diào)節(jié)閥的開度，最終起到了溫度自動控制的作 用。RS232 通訊軟件是使上位機(jī)與下位機(jī)進(jìn)行串行數(shù)據(jù)交換需要編寫的軟件，符合標(biāo)準(zhǔn) RS232 通訊規(guī)范 。 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 3． 設(shè)定溫度 : 用戶可以自行設(shè)定任何一個(gè)測量點(diǎn)的溫度數(shù)值，數(shù)字小鍵盤輸入、三位 LED數(shù)碼管顯示，其顯示數(shù)值范圍是 000 一 999，代表溫度范圍是 0 一 ℃。 : 當(dāng)溫度測量數(shù)值偏離設(shè)定數(shù)值士 5℃時(shí)，系統(tǒng)會自動報(bào)警，以提醒輪機(jī)管理人員注意，及時(shí)查明故障原因和解決問題。本系統(tǒng)由于選用了單片機(jī)作為控制核心，使得系統(tǒng)整體的成本控制在有限的范圍內(nèi)。 3． 控制精度高 : 由于采用了高精度的溫度傳感器和性能良好的信號調(diào)制電路，使得溫度控制的精度進(jìn)一步提高，運(yùn)用 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換單元，使得系統(tǒng)控制精度達(dá)到 ℃，足以滿足用戶對溫度控制的要求。 圖 硬件電路結(jié)構(gòu)原來圖和電路圖 本測控系統(tǒng)采用了 AT89C51 作為微處理器，采用鉑電阻 (pt100)作為溫度傳感器，一與運(yùn)算放大器 (op27)相結(jié)合構(gòu)成精密測溫電路，采用了 ADC0809 芯片作為精密測溫電路與單片機(jī)的轉(zhuǎn)換通道。 系統(tǒng)各主要模塊介紹 : 系統(tǒng)的 硬件結(jié)構(gòu)主要由溫度檢測電路、信號調(diào)制電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、鍵盤與顯示電路、串行通訊模塊、看門狗電路、報(bào)警電路、驅(qū)動電路和輸出控制電路等部分組成。由于本系統(tǒng)主要用于冷卻水溫度的測控，片內(nèi)具有的 4K 字節(jié)己經(jīng)能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。其中， ADC0809 作為溫度測量電路的輸入接口， 8279用于鍵盤、 LED 數(shù)碼管 數(shù)碼管 顯示電路的接口 ， MAX232 是單片機(jī)與上位計(jì)算機(jī)的串行通訊接口， 4N25 和 CD4052 控制系統(tǒng)輸出， 包括光電禍合和模擬開關(guān)等元器件， X25045 是硬件看門狗電路。溫度傳感器采用的是鉑電阻 Pt100，帶有不銹鋼鋼套，具有良好的精度指標(biāo)和穩(wěn)定性，在 0~150℃的范圍內(nèi)，其電阻值與溫度成線性變化，性能優(yōu)良，成本低。 3． A/D 轉(zhuǎn)換電路 : A/D 轉(zhuǎn)換電路中采用了比較常用的 ADC0809 芯片。在硬件連接時(shí)， IN0~IN7 為 8 路通 道模擬開關(guān)，我們只需 要其中 IN0 路用以轉(zhuǎn)換電路，其他各路直接接地。為了消除按鍵抖動對系統(tǒng)的干擾，在鍵盤軟件設(shè)計(jì)中，我們采用了 20ms 的延時(shí)程序。同時(shí)，我們將要顯示的數(shù)字 的二 進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成 7 段碼形式，編寫成數(shù)據(jù)表格的形式，存儲在單片機(jī)內(nèi)部存 儲空間里 ，這樣，單片機(jī)將 A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果與表格的指針相結(jié)合，直接將 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果顯示出來，可以減輕系統(tǒng)計(jì)算量，提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和顯示速度。當(dāng)設(shè)定好新的數(shù)值后，用戶再次按下“運(yùn)行狀態(tài)”按鍵，切換列系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，這時(shí)三位 LED 數(shù)碼管所顯示的就是測量溫度數(shù)值。采用了 RS232接口 中的 RD(接收數(shù)據(jù)線 )、TD(發(fā)送數(shù)據(jù)線 )、 GND(信號地 )三條引腳來完成計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的雙工通訊任務(wù)。上圖中左側(cè)是實(shí)現(xiàn)超限聲光報(bào)警的電路。 : AT89C51 根據(jù)采樣的溫度數(shù)值對其進(jìn)行相應(yīng)規(guī)則的計(jì)算、處理、判斷后，得出控制結(jié)果，從 AT89C51 的 P2 口輸出相應(yīng)的控制信號，此控制信號為 0、 1(低、高電平 )連續(xù)脈沖信號，經(jīng)過光電隔離器 4N25 和 CD4052 后，去控制繼電器動作，再經(jīng)過繼電器控制三相伺服交流步進(jìn)電機(jī) ，步進(jìn)電機(jī)是以脈沖方式進(jìn)行工作的，線圈中每輸入一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，因此，可以由電機(jī)的正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)三通調(diào)節(jié)閥的開度，因而使冷卻水溫度得到控制。濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 第 4 章 系統(tǒng)的軟 件開發(fā) 溫度控制算法的確定 系統(tǒng)傳遞函數(shù)和溫度控制算法 : 根據(jù)硬件設(shè)計(jì)的原理圖可以畫出系統(tǒng)控制框圖，如圖 所示。 由于本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是扮制量的增量，即驅(qū)動的是步進(jìn) 電動機(jī)，因此，控制算法 D（ Z） 的輸入是給定溫度數(shù)值 r 與系統(tǒng)測量數(shù)值 y(t)之間的差值，經(jīng) 過單片機(jī)的軟件計(jì) 算，輸出的是控制增量△ u(k)。這是由于溫度傳感器安裝在柴油機(jī)冷卻水的進(jìn)口和出口處，而控制作用卻是在相對較遠(yuǎn)的三通調(diào)節(jié)閥上實(shí)現(xiàn)的。其中， L 是冷卻水流經(jīng)管路的長度，單位是米 (m)， v是冷卻水流動速度，單位是米 /秒 (m/S)。比如， MRⅡ 型調(diào)節(jié)器采用了即調(diào)節(jié)規(guī)律 (比r y(t) c (t) △ u(k) e(k) TSD （ S） D(Z) 步進(jìn)電動機(jī) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 被控對象 溫度傳感器 信號處理 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 例微分調(diào)節(jié)規(guī)律 )， 由于此類調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用中沒有積分調(diào)節(jié)作用，而積分環(huán)節(jié)的作用 是消除靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度。 鑒于現(xiàn)有的此類控制器的種種控制規(guī)律存在的問題，我們在本溫度控制系統(tǒng)中采用了 PID 控制規(guī)律(比例積分微分作用 )，使得系統(tǒng)沒有靜態(tài)誤差，動態(tài)特性也得到良好改善。我們知道，對于帶純滯后時(shí)間對象的反饋系統(tǒng)當(dāng)頻率高時(shí)是不穩(wěn)定系統(tǒng)，純滯后降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，我們選擇了基于 smith 預(yù) 估器補(bǔ)償?shù)?PID 控制算法。P1D 控制的基本算法是這樣的 :PID 控制器是一種線性控制器，它是根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值 C(t)構(gòu)成了控制偏差，如下式 : )()()( tctrte ?? (41) 然后將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對波控對象進(jìn)行控制的，其控制規(guī)律如下 : dt tdeTdtteTteKtu Dp )()(]1)([)( 1 ? ??? (42) 將上式 (42)改寫成傳遞函數(shù)形式如下 : )11()( )()( 1 TSSTKSE SUsG P ???? (43) 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 式中 : pK — 比例系數(shù) 。 ②積分環(huán)節(jié) :積分環(huán)節(jié)的作用主要是用來消除控制系統(tǒng)靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的整體無差度。 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字 PID 控制器。 e(k)— 第 k 次采樣時(shí)刻的輸入偏差數(shù)值 。由式子 (45)提供的增量 PID 控制算式，根據(jù)遞推原理可以得到以下兩個(gè)相近的算式 ： 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 )]2()1([)()1()1()]1()([)()(100????????????????????kekeKjeKkeKkukekeKkeKkuDkjJpDKJp （ 46） 兩式相減可得以下關(guān)系式： )]2()1(2)([)()()]2()1(2)([)()]1()([)(???????????????????kekekeKkeKkeKkekekeKkeKkekeKkuDjpDjp （ 47）式中 ： )1()()( ???? kekeke （ 48） 式子（ 48）稱為增量式 PID 控制算法。 (2)純滯后補(bǔ)償算法一一 smith 預(yù)估器 : 由上文介紹，本系統(tǒng)的簡化傳遞函數(shù)為 : STeKSGn11)( ??? ? 但是由于被控對象具有明顯的純滯后特性，會導(dǎo)致系統(tǒng)的控制作用不及時(shí)，引起系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)或者振蕩的現(xiàn)象，所以我們采用了 smith純滯后補(bǔ)償算法，利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算性能好的特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)被控對象滯后補(bǔ)償。 圖 smith 純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng) 如圖 所示，增加的補(bǔ)償環(huán)節(jié)與被控對象組成了一個(gè)廣義對 象，其傳遞函 數(shù)是 : STKSG 11)( ?? 這樣，可以將控制系統(tǒng)框圖簡化為圖 所示 : 圖 用 Smith 補(bǔ)償后控制系統(tǒng)簡化框圖 由上 圖我 們 可以看出，用 srnith 預(yù)估器進(jìn)行純滯后補(bǔ)償之后，被控對象的純滯后壞節(jié)被移到反饋回路之外，而系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是簡單的一階慣性環(huán)節(jié)，在進(jìn)行肛三調(diào)節(jié)時(shí)，不再存在因滯后帶來的一系列問題，能夠得到良好 的調(diào)節(jié)效果，因而系統(tǒng)是穩(wěn)定的。 由于被控對象的 /T 的數(shù)值比較大，因而比較難于控制，所以在確定這三個(gè)數(shù)值時(shí)，我們應(yīng)該遵循以下的原則 : (l)比例環(huán)節(jié)中，由于被控對象的滯后時(shí)間比較長，因?yàn)楸壤h(huán)節(jié)的作用相對會小一些，因此比例系數(shù) PK 的取值應(yīng)該小一些 。 本系統(tǒng)被控對象是一階慣性純滯后特性 。 177。 177?？梢?，控制效果滿足了我們對系統(tǒng)的要求，因而達(dá)到了 溫度控制的目的，取得了滿意的控制效果。在本“基于單片機(jī)的船舶柴油機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)中，控制參數(shù)的輸入和計(jì)算等都是需要軟件來完 成 的。 其中，上位 PC 機(jī)的軟件主要是系統(tǒng)給定值的設(shè)定、歷史數(shù)據(jù)的顯示和于 打印 、異常報(bào)警、與單片機(jī)進(jìn)行通信的各個(gè)程序 。 圖 上位機(jī)主要模塊結(jié)構(gòu) 上位 PC 監(jiān)控軟件 主要實(shí)現(xiàn)以下功能 : (1)串行通信 :主要是進(jìn)行上位機(jī)和卜位機(jī)的通信模式配置，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下 位機(jī)之間的串行通信。 MSCOMM 控件有很多屬性，主要的有 ： ① CommPor: 設(shè)置并返回通信端口號，此屬性反映了系統(tǒng)所使用的端口，如果使用上位匹機(jī)的 COMI 口，則設(shè)置 :Commpor=1。 ④ Output:問緩沖區(qū)中寫數(shù)據(jù)，可以是文本文件或者二進(jìn)制文件，本系統(tǒng)設(shè)置為二進(jìn)制數(shù)據(jù) 。在與單片機(jī)通信時(shí)用到的串口事件如下表 43 所示 : 參數(shù)設(shè)置 報(bào)警處理 串行通信 檢測平臺界面 歷史數(shù)據(jù)記錄 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 常數(shù) 值 屬性描述 ComEvSend 1 發(fā)送數(shù)據(jù)事件 ComEvReceive 2 接受數(shù)據(jù)事件 ComEvCD 5 檢測到 CD 載波信號 ComEvRing 6 檢測到振鈴 ComEvEOF 7 文件結(jié)束標(biāo)志 表 43 串口通信事件 當(dāng) CommEVent 屬性的數(shù)值發(fā)生變化時(shí)，則觸發(fā) OnComm 事件，通過編程了解通信事件的類型后進(jìn)行相應(yīng)的處理。 (2)數(shù)據(jù)顯示、存儲和打印 : 用戶可以隨時(shí)查看當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到文件，以文本方，式將數(shù)據(jù)保存到一個(gè)文本文件中。 下位單片機(jī)軟件設(shè)計(jì) : 系統(tǒng)的 下位單片機(jī)應(yīng)用軟件包括主程序、采樣 (A/D 轉(zhuǎn)換 )子程序、帶 Smith頂估器的 PID 算法子程序、報(bào)警處理于程序、鍵盤和顯示 子程序、 RS232 串行口通信子程序