【正文】 來自合肥工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目，目的在于對(duì)ＴＫＧＫ一１實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行控制、調(diào)節(jié)，使管道的流量、液位等參數(shù)值達(dá)到給定要求；減小或消除來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部的影響：克服滯后現(xiàn)象；提高系統(tǒng)的魯棒性；優(yōu)化控制參數(shù)等。事實(shí)上，在許多領(lǐng)域，過程控制的主要目的在于消除或減小外界的干擾對(duì)被控量的影響，使被控量能夠穩(wěn)定在給定值上。單片微機(jī)在許多過程控制設(shè)備和產(chǎn)品中都得到廣泛的應(yīng)用。２．１ＴＫＧＫ－ｌ實(shí)驗(yàn)裝置所構(gòu)建的控制對(duì)象ＴＫＧＫ一１過程控制實(shí)驗(yàn)裝置的對(duì)象模型是由上、下兩個(gè)水箱構(gòu)成液位、壓力、流量三個(gè)參數(shù)的控制系統(tǒng)，由復(fù)合水箱和加熱器構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)。上、下水箱滾位或壓力作為被控對(duì)象由兩個(gè)水泵供水（由交流、直流調(diào)速電機(jī)、齒輪泵和壓力傳感器等組成），水箱水溫作為被控對(duì)象是由溫度傳感器、加熱器、固態(tài)繼電器等組成；管道上裝有電磁流量計(jì)、閥門等。系統(tǒng)的工藝流程圖如圖２．１所示，交流電動(dòng)機(jī)從儲(chǔ)水箱中抽水，提供給對(duì)象，一方面它可以通過閥５或閥６供給復(fù)合溫控水箱，再經(jīng)過電磁流量計(jì)（ＦＴ）后，經(jīng)閥１或閥３分別供給上，下兩個(gè)水箱；另外一方面，直流電動(dòng)機(jī)從儲(chǔ)水箱中抽水，通過閥７和閥ｇ也可供水給上、下兩個(gè)水箱，兩個(gè)水箱內(nèi)均裝有液位傳感器＜ｕＬ ＬＴ２）和溢流口，而且每個(gè)水箱的出水口均經(jīng)過線形處理，上水箱的水經(jīng)過閥２的調(diào)節(jié)流到下水箱，上水箱中還安置了壓力傳感器（ｐＴ），用于檢測(cè)壓力的大小。圖２．１ ＴＫＧＫ－－１實(shí)驗(yàn)裝置工藝流程圖Ｈｇ．２．１ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆｔｈｅＴＫＧＫ—ｌ ｓｙｓｔｅｍ在閥ｌ、閥２、閥３，閥４都打開的情況下，可以構(gòu)建一個(gè)恒定液位或永壓的控制系統(tǒng)。２．２．２被控參數(shù)為非電量的如前所述，ＴＫＧＫ－Ｉ實(shí)驗(yàn)裝置所提供的被控參數(shù)可以是壓力、流量、液位、溫度等各種非電量；使用該裝置可直接模擬工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)各種參量控制過程，這４些過程的機(jī)理不同，有些可以使用同樣的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，例如壓力、流量、溫度的控制中都使用了交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)和水泵作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)；有些則使用不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，例如溫度的控制系統(tǒng)中則使用了電熱器和無觸點(diǎn)繼電器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。對(duì)于同一個(gè)控制對(duì)象——變頻器及交流電機(jī)一水泵無極調(diào)速系統(tǒng)，操作者可以選擇利用裝置上所配備的不同模塊，組合成不同的控制系統(tǒng)或采用不同的控制方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖２．２微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)繪的液位動(dòng)態(tài)波形Ｆｉｇ．２．２Ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃｌｉｑｕｉｄ ｕｎｄｅｇｃｈ目葉ｍａｐｐｉｎｇ ｂｙｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ２．３ＴＫＧＫ－１實(shí)驗(yàn)裝置所選用的測(cè)控儀表過程控制是通過各種檢測(cè)儀表、控制儀表（包括電動(dòng)儀表和氣動(dòng)儀表．模擬儀表和智能儀表）和電子計(jì)算機(jī)（看作一臺(tái)儀表）等自動(dòng)化技術(shù)工具，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)監(jiān)督和自動(dòng)控制，過程檢測(cè)控制儀表包括檢測(cè)元件、變送器、調(diào)節(jié)器（包括計(jì)算機(jī)）、調(diào)節(jié)閥等。它由單個(gè)ｘ型壓敏電阻代替了以往由４個(gè)電阻組成的惠斯登電橋。它的優(yōu)點(diǎn)如下”…：（ｉ）內(nèi)部含有Ｆｌａｓｈ存儲(chǔ)器。（３）靜態(tài)時(shí)鐘方式。（５）可進(jìn)行反復(fù)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。ｌ實(shí)驗(yàn)裝置采用的是三菱ＦＲ—ｓ５２０Ｓ變頻器，這是～個(gè)智能型器件，內(nèi)有嵌入式微控制器具有可編程參數(shù)設(shè)置和完善的自動(dòng)故障檢測(cè)及保護(hù)功能。它集成了１４個(gè)輸入／１０個(gè)輸出，總共有２４個(gè)數(shù)字量Ｉ／Ｏ點(diǎn)。Ｉ／Ｏ端子排可很容易地整體裝／卸，是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集單元，操作者可以通過變送器面板上的操作按鈕對(duì)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行手工操作，也可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控。２．４單容水箱液位／壓力控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介圖２１３為單容水箱液位，壓力控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。本文的主要研究對(duì)象是：以單片機(jī)為控制核心，輔助以與單片機(jī)系統(tǒng)配套的Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換單元及電路，通過執(zhí)行數(shù)字ＰＩＤ程序?qū)崿F(xiàn)參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整（設(shè)定值在單片機(jī)鍵盤上完成），使水箱的實(shí)際液位／壓力值與設(shè)定值接近，最終穩(wěn)定于設(shè)定值。合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的控制效果。系統(tǒng)從原來的手動(dòng)操作要切換到自動(dòng)操作狀況，必須要無擾動(dòng)的，這就要求調(diào)節(jié)器的輸出量能跟蹤手動(dòng)的輸出值，同時(shí)在切換時(shí)應(yīng)使測(cè)量值與給定值無偏差存在。在對(duì)ＴＫＧＫ～１實(shí)驗(yàn)裝置的電子電路作進(jìn)一步深入的研究和分析后，我們看到，單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在本裝置中起到了核心和關(guān)鍵的作用。再經(jīng)過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換之后被變換為數(shù)字量，單片機(jī)定時(shí)采集這些數(shù)字信號(hào)，將其存儲(chǔ)起來。在本裝置中，所謂控制，其實(shí)是指對(duì)變頻調(diào)速器的控制。（４）鍵盤及顯示監(jiān)控。在本實(shí)驗(yàn)裝置中，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的任務(wù)是將檢測(cè)元件獲取的當(dāng)前水箱的實(shí)際液位高度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值，以便單片機(jī)將該電壓值與設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較，從而按所得偏差ｅ進(jìn)行控制運(yùn)算。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制部分采用的是ＡＴＥＭＬ公司出產(chǎn)的ＡＴ８９Ｃ５１單片機(jī)，其主要特性如下‘１５～６１：１）工作頻率為０～２塒Ｈｚ２）兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)１６位定時(shí)／計(jì)數(shù)器３）可編程Ｉ／０口線３２條，中斷源５個(gè)４）４Ｋ字節(jié)俠閑ＲＯＭ．１２８字節(jié)ＲＡＭ５）工作電壓２．７～６ｖ，編程電壓１２Ｖ／５Ｖ６）可電擦寫１０００次７）４０引腳，ＤＩＰ封裝本實(shí)驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集對(duì)象為隨時(shí)間緩慢變化的液位，壓力信號(hào)，因此選用ＴＩ公司的１２位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器ＴＬＣ２５４３，其分辨率較高，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換過程，而且采用的是串行輸入結(jié)構(gòu)，大大節(jié)省了單片機(jī)的ＦＯ資源。３；：１０：；謄：；ｉ【圖３．１ＴＬＣ２５４３引腳Ｆｉｇ．３．１ ＴｈｅＰｉｎｓ ｏｆＴＬＣ２５４３ＴＬ０２５４３的引腳排列如圖３．１所示。３．３模擬信號(hào)的采集與處理３．３．１液位的測(cè)量本裝置中液位的測(cè)量采用的是ＭＰＸ２．０１０ＤＰ型傳感器。實(shí)驗(yàn)中具體的測(cè)量方式為空氣管傳感方式：將一根管子（橡皮或塑料）豎直立起，其一端放于液體容器中，另一端完全敞開，則在管子里面的液面與容器中的是完全相同的。通道的選擇、數(shù)據(jù)格式的設(shè)定，都是通過控制器向ＴＬＣ２５４３寫控制字來實(shí)現(xiàn)的。．軟件關(guān)閉電源控制字相當(dāng)于ＴＬＣ２５４３內(nèi)部一個(gè)８位的控制寄存器，用于選擇通道、選擇傳輸數(shù)據(jù)格式、傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。圖３．２ＴＬＣ２５４３與ＡＴ８９Ｃ５１芯片的接口電路Ｆｉｇ．３．２ Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ＴＬＣ２５４３ ａｎｄ ＡＴ９９Ｃ５１）西＝１，Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換周期此時(shí)Ｉ／ＯＣＬＯＣＫ、ＤＡＴＡＩＮ被禁止，ＤＡＴＡＯＵＴ引腳呈現(xiàn)高阻態(tài)，ＥＯＣ為高，ＴＬＣ２５４３被禁止，為共同使用串行總線的其他芯片讓出了總線使用權(quán)。ＴＬＣ２５４３收到第４個(gè)時(shí)鐘信號(hào)后，通道號(hào)也已經(jīng)收到，此時(shí)ＴＬＣ２５４３開始對(duì)選定通道的模擬量（液位值）進(jìn)行采樣，并保持到第１２個(gè)時(shí)鐘的下降沿，ＥＯＣ變低，開始對(duì)本次采樣的模擬量進(jìn)行Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為１０ｙｓ，轉(zhuǎn)換完成后ＥＯＣ變高，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)在輸出寄存器中。ＰＩＤ有兩種基本結(jié)構(gòu)，即完全微分型ＰＩＤ和不完全微分型ＰＩＥ）。（ｓ）＝巧（１＋ｊ否１＋ＴｄＳ），不完全微分型ＰＩＤ的傳遞函數(shù)為燜＝Ｋｐ（１＋Ｔ去Ｓ＋眷即Ｍｏ＋匆ｃ焉，嘲刈＋兩ｌ＋囂（３－１）（３－２）＠３）為了達(dá)到最優(yōu)的控制效果，ＰＩＤ調(diào)節(jié)參數(shù)以（比例增益）、乃（微分時(shí)間）、ｆ（積分時(shí)間）以及微分增益ｒ必須設(shè)置，即進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)整定。它們?cè)诓煌潭壬峡朔藗鹘y(tǒng)ＰＩＤ控制的缺點(diǎn)［２４２６］：（１）積分分離算法克服了積分飽和，可以顯著降低系統(tǒng)的超調(diào)，縮短過渡時(shí)間；（２）遇限削弱積分算法可以避免控制器長(zhǎng)時(shí)間留在飽和區(qū)；（３）不完全微分算法，對(duì)高頻噪聲起到了濾波作用，對(duì)有用信號(hào)的微分時(shí)間加長(zhǎng)，從而達(dá)到改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的目標(biāo)，可以適用于控制質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合。從盡快消除控制系統(tǒng)的靜態(tài)誤差的角度考慮，希望ＰＩＤ算法的積分系數(shù)盡量的大；但從降低控制過程中超調(diào)量的角度考慮，又希望Ｐ１Ｄ控制算法的積分系數(shù)盡量的小。則有；＂穆ｎ－ｉ∽托。為此，設(shè)置一個(gè)當(dāng)前偏差的函數(shù)ｆ（ｅ”），且ｆ（ｅ。ｌ的關(guān)系可以是高階的，也可以是線性的，一般可選擇下式所描述的“開關(guān)”函數(shù)：１，‰｜≤Ｎ，（ｑ．））＝一擊‰Ｉ＋］Ｍｒ＋Ｎ，ⅣｃＭ ｃⅣ＋Ⅳ（Ｈ）ｏ，ｋ）卜膨＋Ⅳ式中Ｍ、Ｎ為開關(guān)芬數(shù)。Ｋ口——微分系數(shù)，％＝Ｋ，ｂ‘－３．５系統(tǒng)的軟件部分任何一個(gè)控制系統(tǒng)必須通過軟、硬件的結(jié)合才能構(gòu)成完整的控制系統(tǒng)，執(zhí)行相應(yīng)的操作。３．５．１數(shù)據(jù)采集子程序串行輸入輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，在編程應(yīng)特別注意ＴＬＣ２５４３的工作時(shí)序。數(shù)據(jù)采集子程序的程序流程圖如圖３．３所示：Ｉ／ＯＣＬＯＣＫ時(shí)鐘清零上通道左移４位工功能選擇ＣＳ關(guān)閉‘Ｉ等待轉(zhuǎn)換結(jié)柬標(biāo)志位為１‘功能選擇ＣＳ開啟上寫Ａ通道方式控制字，并讀出１２位數(shù)據(jù)的高８位上讀出低４位數(shù)據(jù)圖３．３數(shù)據(jù)采集子程序流程圖Ｆｉｇ．３．３ Ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｓｕｂｐｒｏｇｒａｍ３．５．２數(shù)據(jù)傳輸子程序單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸子程序的功能是將單片機(jī)通過ＴＬＣ２５４３采集到的數(shù)據(jù)，通過單片機(jī)的串行口以一個(gè)固定的波特率發(fā)送到ＰＣ機(jī)。Ｐ１Ｄ增量型的出口參數(shù)是直接輸入Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換的數(shù)值。根據(jù)位置型變速積分ＰＩＰ算式（３—８）．把實(shí)際值與給定值進(jìn)行比較，計(jì)算出ｆｑ。采用變速積分法根據(jù)系統(tǒng)偏差的丈小改變積分項(xiàng)的累積速度，對(duì)提高系統(tǒng)的品質(zhì)十分有效。通信方式有兩種，即并行通信和串行通信［３２１。其優(yōu)點(diǎn)是傳送速度茯：缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)有多少位，就需要多少根傳送線。它的突出優(yōu)點(diǎn)是只需一對(duì)傳輸線（利用電話線就可作為傳送線），這樣就大大降低了傳送成本，特別適用于遠(yuǎn)距離通信：其缺點(diǎn)是傳送速度較低。工程中當(dāng)系統(tǒng)Ａ和系統(tǒng)Ｂ在不通信的情況下，應(yīng)使它們分別工作為接受狀態(tài)，這樣系統(tǒng)Ａ和系統(tǒng)Ｂ就可以隨時(shí)接收到對(duì)方輸出的數(shù)據(jù)。４．３異步通信和同步通信按照串行數(shù)據(jù)的同步方式，串行通信又分為異步通信和同步通信兩種方式。字符幀由發(fā)送端一幀一幀地發(fā)送，通過傳輸線由接收設(shè)備一幀一幀地接收。字符幀格式和波特率是兩個(gè)重要指標(biāo)，一般由用戶根據(jù)實(shí)際情況選定。每一幀數(shù)據(jù)首先發(fā)送幀數(shù)據(jù)的最低位（Ｄ。接收端在接收到停止位之后，通信線又恢復(fù)為空閑邏輯“ｌ”狀態(tài)。數(shù)據(jù)傳送時(shí)使用同一頻率的時(shí)鐘脈沖來實(shí)現(xiàn)發(fā)送端與接收端的嚴(yán)格時(shí)間同步，這種時(shí)鐘脈沖成為同步脈沖。采用同步方式傳送，硬件設(shè)各較為復(fù)雜，因?yàn)閷?duì)同步脈沖相位的一致性要求嚴(yán)格。波特率越高，數(shù)據(jù)傳輸速度越快。在異步串行通信中，接收設(shè)備和發(fā)送設(shè)各保持相同的傳送波特率，并以字符數(shù)據(jù)的起始位與發(fā)送設(shè)備保持同步。如圖４．１所示。圖４．１ ８９（２５１串行口內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Ｆｊ９４．１ １１ｌｅｃｈａｎ ｏｆ８９Ｃ５１ ｓｃｄａｌ ｏｒｉｆｉｃｅｉｎｓｉｄｅ蚰Ⅵｃｔｕｒｅ系統(tǒng)中由兩個(gè)特殊功能寄存器ｓｃｏＮ和ＰＣＯＮ來控制串行口的工作方式和波特率。ｓｃｏＮ的格式及各位的定義如圖４．２所示。其格式如圖４．３所示。方式１、方式２和方式３都是異步通信方式，方式１是８位異步通信接口，一幀信息由１０位組成，用于雙機(jī)通信；方式２和成正比。發(fā)送數(shù)據(jù)由ＴＸＤ端輸出，接收數(shù)據(jù)由ＲＸＤ端輸入。它是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（ＥＩＡ）在１９６９年公布利用公用電話網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義可接口中的信號(hào)功能，信號(hào)的電氣特征和接口的機(jī)械結(jié)構(gòu)。表４—－４是ＲＳ－－２３２Ｃ電氣性能表。ＭＡＸ２０２是ＭＡＸＩＭ公司出產(chǎn)的低功耗、單電源雙ＲＳ２３２發(fā)送／接收器。所以，采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只要單一的＋５Ｖ即可。Ｔ１Ⅲ，Ｔ２ｍＴｌ時(shí)，Ｔ如ⅢＣ１＋，Ｃ１．，Ｃ！豐，Ｃｏ虬，礦‰功能ＲＳ２３２標(biāo)準(zhǔn)電平輸入１１１。近程通信是指?jìng)鬏斁嚯x在１５ｍ以內(nèi)收／發(fā)雙方可直接用電纜連接，遠(yuǎn)距離通信可采用調(diào)制解調(diào)（Ｍｏｄｅｍ）技術(shù)。ＲＴＳ 堂生堂！塞一席藤愛露一‘｝—————一Ｌ————■－ ｆＴｓＣＹＳ 清除發(fā)進(jìn)ｊｍ蓄旦［‘準(zhǔn)備好或ＤＳＲ在實(shí)現(xiàn)雙機(jī)通信的過程中，為確保通信成功，通信雙方必須在軟件上有一系列的約定，通常稱為軟件通信“協(xié)議”，本系統(tǒng)的軟件“協(xié)議”如下：本系統(tǒng)的晶振為ｌｌ，０５９２ＭＨｚ，通信雙方波特率設(shè)置為９６００ｂ／ｓ．雙方約定，發(fā)送，先發(fā)送一個(gè)呼叫信號(hào)，以詢問接收機(jī)是否可以接收數(shù)據(jù)；接收，接收到呼叫信號(hào)后，若同意接收數(shù)據(jù)，則回發(fā)“００Ｈ”作為應(yīng)答信號(hào)。在Ｗｉｎｄｏｗｓ環(huán)境下，用戶有兩種方式實(shí)現(xiàn)串口通信１４”。但利用ＡＰＩ編寫串口通信程序比較復(fù)雜，需要掌握的知識(shí)較多，而通過ＭＳＣｏｍｍ控件進(jìn)行通信程序設(shè)計(jì)較之調(diào)用ＡＰＩ函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單、快捷，且只要較少的代碼可實(shí)現(xiàn)相同