【正文】 的單位秒 (s)。 同時(shí)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(duì)控制對(duì)象的描述是用一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)。 算法介紹 : 本系統(tǒng)采用基于 smith預(yù)估器補(bǔ)償?shù)?PID 控制算法。積分作用的強(qiáng)弱主要取決于系統(tǒng)的積分時(shí)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 。 e(k 一 1)— 第 (kl)次采樣時(shí)刻的輸入偏差數(shù)值 。 smith 預(yù)估器是得到廣泛應(yīng)用的時(shí)滯系統(tǒng)的控制方法。 (2)積分環(huán)節(jié)中，考慮到被控對(duì)象的慣性較大，容易產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變差，因此，要將積分時(shí)間常數(shù) 1T 的數(shù)值取得較大，即采用較弱的積分作用方式 。 75% 50~60 177。 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 軟件是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)，它具有充分的靈活 J 目一和自由性，可以根據(jù)系 統(tǒng)的控制要求而變化。單片機(jī)子系統(tǒng)的軟件是由主程序、濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 采樣 (A/D 轉(zhuǎn)換 )子程序、帶 Smith 預(yù)估器的尸拍算法子程序、報(bào)警處理子程序、鍵盤和顯示子程序、 RS232 串行口通信子程序等組成。 ② PortOpen:[TRUE/FALSE]，設(shè)置并返回通信端口的狀態(tài)，或者打開(kāi)和關(guān)閉端 口 。 整個(gè)上位機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)過(guò)程是這樣的 :在上位機(jī)上設(shè)定一個(gè)按鈕“接收”，當(dāng)按鈕按下時(shí)，計(jì)算機(jī)便向單片機(jī)發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)收到信息后，通過(guò)串 口向計(jì)算機(jī)發(fā)送溫度“設(shè)定值”和“測(cè)量值”。 (4)異常報(bào)警 : 當(dāng)上位計(jì)算機(jī)檢測(cè)到的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)超越了設(shè)定的上、下限溫度數(shù)值時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警程序，聲光 報(bào)警。 ⑥ CommEvent :返回最近的通訊事件或者錯(cuò)誤。在 window、環(huán)境下，我們利用 VB中提供的通信控件 ，可以方便地對(duì)串行通信的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括串口狀態(tài)、通信格式和通信協(xié)議等。整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括上位 PC 機(jī)軟件和單片機(jī)子系統(tǒng)軟件兩個(gè)部分。 84% 表 42 實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果 表中，無(wú)誤差時(shí)間是指運(yùn)行過(guò)程中，溫度無(wú)誤差時(shí)間與恒溫時(shí)間的百分比。 恒溫溫度 最大超調(diào) 精度 無(wú)誤差時(shí)間 40~50 177。 v d 純滯后補(bǔ)償 C (t) u e r STeK n11 )1(??? ? STeK n11?? ? PID 控制 被控對(duì)象 u e r PID 控制 STK11? neK?? 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 算法中各系數(shù)的整定 : 我們?cè)诖_定使用基于 smith 預(yù)估器補(bǔ)償?shù)?PID 控制算法之后，還要進(jìn)一步確定 PID 算法中，比例系數(shù) PK 、積分時(shí)間常數(shù) 1T 、微分時(shí)間常數(shù)三 DT 個(gè)具體數(shù)值。至于 pK 、 1T 、 DT 這三個(gè)數(shù)值的確定，將在后文中介紹。 顯然，在上述的離散化處理過(guò)程中，只有采樣周期足夠短才能保證近似轉(zhuǎn)化有足夠的計(jì)算精確度 將式 子 (44)代入到式子 (42)中， 就可以推導(dǎo)出數(shù)字 PID 的控制算法表達(dá)式 為 : )]1()([)()()(0?????? ??kekeKjeKkeKku Dkjjp （ 45） 式中： k— 采樣時(shí)刻序號(hào)， k=0， l， 2，? : u(k)— 第 k 次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出數(shù)值 。 總體來(lái)說(shuō)， PID 控制器的各個(gè)校正環(huán)節(jié)的作用如下 : ①比例環(huán)節(jié) :比例環(huán)節(jié)可以及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e(t)偏差數(shù)值一旦產(chǎn)生，控制器就會(huì)立即產(chǎn)生控制作用，用以減少和糾正偏差，及時(shí)性和快速性。在本系統(tǒng)中，純滯后時(shí)間與慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)的比值，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所要求的 ，這就要求我們必須選擇另外一種控制算法。因此，此類調(diào)節(jié)器沒(méi)有了微分作用，而且冷卻水溫度又是屬于慣 性環(huán)節(jié)較大的控制對(duì)象，使系統(tǒng)超調(diào)會(huì)比較大，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，汲易變成積分飽 和，使系統(tǒng)的動(dòng) 態(tài)特性變差，甚至出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間振蕩 。一 般來(lái)說(shuō)，冷卻水溫度變化滯后于控制作用的時(shí)間為 t，則 t 應(yīng)該由以下的表達(dá)式給出，即 t=L/V。 [)(Z)是本系統(tǒng)的溫度控制算法，將由下 文給出。當(dāng)系統(tǒng)被測(cè)溫度出現(xiàn)高于上限或者低于下限的情況時(shí)，即上、下報(bào)警狀態(tài)值 (THA， TLA)為 l，AT89C51 啟動(dòng)自身定時(shí)器，使其 ZP 引腳輸 出 端輸出連 續(xù)脈沖波形 (或連續(xù)方波 )，這樣， NE55.:時(shí)基電路根據(jù)其復(fù)位端“ 4”的信號(hào)變化，在它的輸出端“ 3”產(chǎn)生頻率的輸出，輸出信號(hào)給繼申器 (J)動(dòng)作信號(hào)，繼電器常開(kāi)開(kāi)關(guān)閉合，推動(dòng)揚(yáng)聲器(SP)工作，獲得聲音報(bào)警信號(hào)，報(bào)警燈同步閃亮。我們選用了 MAXIM 公司的 MAX232 芯片來(lái)完成這兩種電平之間的轉(zhuǎn)換工作。顯示程序的執(zhí)行過(guò)程是 :首先 AT89C51 通過(guò) P 口選通 8279，低電平有效，然后把將要顯示的數(shù)字，其相應(yīng)的字型碼送至 DB 口 ，接下來(lái)設(shè)置位選信號(hào)，利用 SL0、 SL SL2 二分別設(shè)置 0 或者 l，分別選擇要顯示的 }二印數(shù)碼管 (共陰極 )， 8279 將要顯 示的數(shù)字通過(guò) OPTB 和 OUTA 口顯示在LED 數(shù)碼管 上。圖 給出了 ADC0809 與 AT89C51接口圖。 圖 AT89C51 芯片管腳分配示意圖 2．溫度檢測(cè)電路 ： 根據(jù) 溫度測(cè)量電路的結(jié)構(gòu)圖。具有 4K 字節(jié)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，并且是 FLASH 工藝的，這種工藝的存儲(chǔ)器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫(xiě)，同時(shí)，寫(xiě)入單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn) 行加密，因而可以有效地保存數(shù)據(jù)信啟、。 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 第 3 章 系統(tǒng)的硬件開(kāi)發(fā) 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)原理圖 溫度控制系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)原理圖如下圖 所示。 系統(tǒng)的性能特點(diǎn) : 隨著單片微處理器性能的增強(qiáng)，價(jià)格卻始終不斷降低， 使得單片機(jī)的性能價(jià)格比很高。 2． 多點(diǎn)測(cè)量 : 分別在高溫回路中高溫冷卻淡水的進(jìn)口和出口、低溫回路中低溫冷卻淡水的進(jìn) 口 和出 口 安裝了溫度傳感器，用戶可以 對(duì)任念一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度進(jìn)行監(jiān)控和設(shè)置，方便調(diào)節(jié)。利用繼電器接受單片機(jī)發(fā)出的間斷的控制指令，控制三相伺服交流電動(dòng)機(jī)斷續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥的轉(zhuǎn)動(dòng)，改變?nèi)ㄕ{(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，進(jìn)而改變冷卻水的溫度。若是測(cè)量溫度比設(shè)定溫度低時(shí)，單片機(jī)斷續(xù)輸出控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電隔離和驅(qū)動(dòng)放大 后，輸出給減小輸出繼電器，繼電器控制三相伺服交流電動(dòng)機(jī)斷續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，使得連接在電機(jī)上的三通調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)動(dòng)，增加不經(jīng)冷卻器的旁通水量，減少經(jīng)冷卻器的淡水量。 同時(shí)，我們知道， RS232 通訊標(biāo)準(zhǔn)的有效傳輸距 離受到一定的限制，只有15 米左右，這對(duì)系統(tǒng)總的布局不利。在本文的論述中，我們僅以高溫冷卻水回路的溫度控制設(shè)計(jì)方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，低溫冷卻水回路的方法基本類似，因此不作介紹。同時(shí)，由于系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性能，可以與船舶內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，使得系統(tǒng)功能再擴(kuò)展成為可能，最大限度地滿足了今后的需求。它可以廣泛地應(yīng)用在船舶工程中，如現(xiàn)代遠(yuǎn)洋船舶上對(duì)溫度要求比較高的船舶中央冷卻水控制系統(tǒng)中。在這種冷卻系統(tǒng)中，由于舷外海水不再接觸各種熱交換器和船舶主柴油機(jī)的冷卻空間，因而避免了海水引起的腐蝕，提高了設(shè)備和系統(tǒng)的安全可靠性以及設(shè)備使用濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 壽命。首先，這些控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器采用了較為簡(jiǎn)單的控制規(guī)律，比如比例微分 (PD)控制規(guī)律或者比例積分 (PI)控制規(guī)律，若采用 PD 控制會(huì)出現(xiàn)靜 態(tài)誤差，使系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間偏離最佳工作點(diǎn)運(yùn)行，若采 用 PI控制，則對(duì)于冷卻水溫度這樣具有較大慣性的被控對(duì)象會(huì)因?yàn)槿狈Τ暗目刂谱饔枚a(chǎn)生較大的超調(diào)量，使得系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性較差，而且調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度改變以后，溫度傳感器不能馬上反映出調(diào)節(jié)作用的結(jié)果，存在滯后，難以得到滿意的控制效果。 2． 氣動(dòng)式控制方式 ： 在 20世紀(jì) 70年代末期，船舶柴油機(jī)冷卻水溫度控制是采用氣動(dòng)式作用方式。我們知道，單片微處理器具有高精確度、高靈敏度、高響應(yīng)速度，以及耗能少、機(jī)構(gòu)小、可以連續(xù)測(cè)量、自動(dòng)控制、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，非常適合嵌入式控制。它可以對(duì)船舶機(jī)艙內(nèi)動(dòng)力裝置的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制，對(duì)機(jī)器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警，也可以對(duì)主要機(jī)器設(shè)備進(jìn)自動(dòng)操作等。課題首先對(duì)溫度測(cè)控系統(tǒng)各環(huán)節(jié)進(jìn)行了功能需求分析，明確了本溫控系統(tǒng)所要達(dá)到了技術(shù)要 求，從而為隨后的系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) ； 然后又根據(jù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了硬件元器件的選擇和軟件算法的確定 。 本課題的研究正是適應(yīng)了這種發(fā)展趨勢(shì)，將單片機(jī)應(yīng)用于船舶主柴油機(jī)冷卻水溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中。輪機(jī)自動(dòng)化， 是指用各種自動(dòng)化儀器儀表、控制元件、邏輯元件，以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等組成的各種自動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。鑒于此，我們提出了基于單片機(jī)控制的船舶柴油機(jī)冷卻水溫度控制方法。同時(shí)，其控制精度不高，冷卻水溫度變化 較大，對(duì)船舶柴油機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行不利。盡管此類電動(dòng)控制系統(tǒng)的控制精度和效果可以在一定程度上滿足了船舶營(yíng)運(yùn)者的需求，但是這并不說(shuō)明這種控制方一式是完美無(wú)缺的。另一個(gè)是高溫回路，就是由低溫淡水來(lái)冷卻高溫淡水的回路，因?yàn)榈蜏氐透邷氐牧鲃?dòng)是一個(gè)循環(huán)利用的過(guò)程，因此又稱為閉式冷卻。 系統(tǒng)研究的應(yīng)用前景 本溫度測(cè)控系統(tǒng)是用于對(duì)船舶主柴油機(jī)冷卻水的溫 度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制的全自動(dòng)智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)?！皽囟葴y(cè)控技術(shù)”具有很強(qiáng)的靈活性，根據(jù)用戶需要，可以方便地調(diào)整系統(tǒng)溫度給定值，從而使整個(gè)船舶主柴油機(jī)在更加理想的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，增加了柴油機(jī)的使用壽命，滿足了人們對(duì)其經(jīng)濟(jì)性的要求。 同時(shí)，由于現(xiàn)代遠(yuǎn)洋船舶的中央冷卻系統(tǒng)具有 .高 溫淡水和低溫淡水兩個(gè)冷卻水回路，因此，在設(shè)計(jì)本船 舶柴油機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng)時(shí)，我們分別對(duì)這兩個(gè)冷卻回路進(jìn)行設(shè)計(jì) ，其實(shí)際方法基本相同。通過(guò) RS232 接口，單片機(jī)可以將采集到的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中， 從而可以利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大處理能力對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和存儲(chǔ)，以及連接打印機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打印保存。 系統(tǒng)控制流程是，單片機(jī)將溫度傳感器測(cè)量到的信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)制電路和 A/D轉(zhuǎn)換得到實(shí)際測(cè)量溫度，與預(yù)先設(shè)定溫度數(shù)值進(jìn)行比較，當(dāng)測(cè)量溫度比設(shè)定溫度高時(shí)，單片機(jī)斷續(xù)輸出控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電隔離和驅(qū)動(dòng)放大后，輸出給增大輸出繼電器，繼電器控制三相伺服交流電動(dòng)機(jī)斷續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，使得連接在電機(jī)上的三通調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)動(dòng)，減少不經(jīng)冷卻器的旁通水量，增加經(jīng)冷卻器的淡水量 。由于水是一種大 慣性的傳熱介質(zhì)，當(dāng)控制系統(tǒng)對(duì)水溫進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，由于冷卻水的熱容量大，溫度響應(yīng)速度很慢，水溫并不是立即調(diào)整到指定數(shù)值，而是一個(gè)緩 慢 、漸進(jìn)的變化過(guò)程，因此，就需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行斷續(xù)地控制，以一定量的延遲時(shí)間來(lái)確定水溫的變化。同時(shí)，根據(jù)多年總結(jié)的控制經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)船舶柴油機(jī)處于最佳工作狀態(tài)時(shí)，高溫淡水溫度應(yīng)該穩(wěn)定工作在 78℃ 左右，低溫淡水溫度應(yīng)該穩(wěn)定工作在54℃左右。例如，可以將單片機(jī)測(cè)控平臺(tái)接入計(jì)算機(jī)管理控制中心，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大處理能力，以達(dá)到數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)和打 印等目的。同時(shí)，也方便用戶今后對(duì)本控制系統(tǒng)的擴(kuò)展，利用增加傳感 器的方法來(lái)增加測(cè)溫點(diǎn)，因而具有良好的擴(kuò)展性能。 (MCC): 主控單元采用 ATMEL 公司的 AT89C51 控制芯片，是一種高性能、低電壓、溫度傳感器組 放大調(diào)制電路 鍵盤與顯示電路 串行通信 單片機(jī) 多路開(kāi)關(guān) 看門狗電路 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)電路 報(bào)警電路 A/D 轉(zhuǎn)換 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 低功耗的 8 位 CM05 微型處理器，它具有 40 針腳，與 51 系列單片機(jī)的指令、管腳完全兼容。 圖 是 AT89C51 芯片管腳分配示意圖 。由于 冷卻水是大慣性的傳熱介質(zhì)， ADC0809的此項(xiàng)性能指標(biāo)己經(jīng)滿足了溫度控制的時(shí)間和精度，因此，我們選擇 ADC0809作為模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，使系統(tǒng)成本較低。鍵盤控制的方式是采用 8279 掃描鍵盤，判斷是否有按鍵按下，進(jìn)而判斷按鍵 的內(nèi)容，送至 AT89C51 處理。由于單片機(jī)串行口 的輸入輸出都是 TTL 電平，而上 位計(jì)算 上的 RS232 接口 為了提高抗十?dāng)_性能，采用的是 RS232 標(biāo)準(zhǔn)中 EIA電 平， EIARS232C 是用正負(fù)電壓來(lái)表示邏輯狀態(tài) (邏輯“ 1” :3~15V； 邏輯“ 0” :+3+15v)，與單片機(jī)中 TTL 以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同，因此，為了能 夠?qū)崿F(xiàn)上位計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間的串行通訊，必須在 EIARS232C 與 TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系 的變換。當(dāng)系統(tǒng)被測(cè)參數(shù)在正常范圍內(nèi)時(shí)， AT89C51 的 ZP 引腳輸出端為高電平，經(jīng)過(guò)反相后為低電平，這樣， NE555 的復(fù)位端“ 4”處于低電平 (零電位 )， NE555電路處于穩(wěn)態(tài)，被迫停止振蕩，則輸出端“ 3”恒為低電平，揚(yáng)聲器 (SP)無(wú)聲，9014 三極管 (NPN 極性 )截止，報(bào)警燈不亮，使報(bào)警電路不工作 。程序 TSD（ S） 的作用就是將 TS 的 BCD 碼轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可 以識(shí)別的二進(jìn)制碼，由軟件來(lái)承擔(dān)。 因此，我們確定冷卻水溫度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)時(shí)，必須要考慮到此純滯后特性。而另一種常見(jiàn)的冷卻水溫度調(diào)節(jié)器 TELEPERM型，采用的是內(nèi)調(diào)節(jié)規(guī)律 (比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律 )，沒(méi)有微分作用，而微分環(huán)節(jié)的作用是能夠 反映 偏差信號(hào)的變化趨勢(shì) (或者變化速率 )，并且能夠在偏差信號(hào)數(shù)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修 正 信號(hào)，從而加快系統(tǒng)