【正文】 的單位秒 (s)。 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)。 算法介紹 : 本系統采用基于 smith預估器補償的 PID 控制算法。積分作用的強弱主要取決于系統的積分時間常數 1T ，當 1T 的數值越大，則系統的積分作用越弱 。 e(k 一 1)— 第 (kl)次采樣時刻的輸入偏差數值 。 smith 預估器是得到廣泛應用的時滯系統的控制方法。 (2)積分環(huán)節(jié)中，考慮到被控對象的慣性較大，容易產生積分飽和現象，從而會使系統的動態(tài)性能變差，因此，要將積分時間常數 1T 的數值取得較大，即采用較弱的積分作用方式 。 75% 50~60 177。 系統的軟件設計 軟件是整個控制系統設計的核心環(huán)節(jié)，它具有充分的靈活 J 目一和自由性，可以根據系 統的控制要求而變化。單片機子系統的軟件是由主程序、濰坊學院本科畢業(yè)設計（論文） 23 采樣 (A/D 轉換 )子程序、帶 Smith 預估器的尸拍算法子程序、報警處理子程序、鍵盤和顯示子程序、 RS232 串行口通信子程序等組成。 ② PortOpen:[TRUE/FALSE]，設置并返回通信端口的狀態(tài)，或者打開和關閉端 口 。 整個上位機軟件的實現過程是這樣的 :在上位機上設定一個按鈕“接收”，當按鈕按下時，計算機便向單片機發(fā)出一個請求信號，單片機收到信息后，通過串 口向計算機發(fā)送溫度“設定值”和“測量值”。 (4)異常報警 : 當上位計算機檢測到的實時溫度數據超越了設定的上、下限溫度數值時，啟動報警程序，聲光 報警。 ⑥ CommEvent :返回最近的通訊事件或者錯誤。在 window、環(huán)境下，我們利用 VB中提供的通信控件 ，可以方便地對串行通信的各項參數進行設置，包括串口狀態(tài)、通信格式和通信協議等。整個控制系統的軟件設計包括上位 PC 機軟件和單片機子系統軟件兩個部分。 84% 表 42 實際系統運行結果 表中，無誤差時間是指運行過程中，溫度無誤差時間與恒溫時間的百分比。 恒溫溫度 最大超調 精度 無誤差時間 40~50 177。 v d 純滯后補償 C (t) u e r STeK n11 )1(??? ? STeK n11?? ? PID 控制 被控對象 u e r PID 控制 STK11? neK?? 濰坊學院本科畢業(yè)設計（論文） 21 算法中各系數的整定 : 我們在確定使用基于 smith 預估器補償的 PID 控制算法之后，還要進一步確定 PID 算法中，比例系數 PK 、積分時間常數 1T 、微分時間常數三 DT 個具體數值。至于 pK 、 1T 、 DT 這三個數值的確定，將在后文中介紹。 顯然，在上述的離散化處理過程中，只有采樣周期足夠短才能保證近似轉化有足夠的計算精確度 將式 子 (44)代入到式子 (42)中， 就可以推導出數字 PID 的控制算法表達式 為 : )]1()([)()()(0?????? ??kekeKjeKkeKku Dkjjp （ 45） 式中： k— 采樣時刻序號， k=0， l， 2，? : u(k)— 第 k 次采樣時刻的計算機輸出數值 。 總體來說， PID 控制器的各個校正環(huán)節(jié)的作用如下 : ①比例環(huán)節(jié) :比例環(huán)節(jié)可以及時成比例地反映控制系統的偏差信號 e(t)偏差數值一旦產生，控制器就會立即產生控制作用，用以減少和糾正偏差，及時性和快速性。在本系統中，純滯后時間與慣性環(huán)節(jié)時間常數的比值，遠遠大于所要求的 ，這就要求我們必須選擇另外一種控制算法。因此，此類調節(jié)器沒有了微分作用，而且冷卻水溫度又是屬于慣 性環(huán)節(jié)較大的控制對象，使系統超調會比較大，調節(jié)時間長，汲易變成積分飽 和，使系統的動 態(tài)特性變差，甚至出現長時間振蕩 。一 般來說，冷卻水溫度變化滯后于控制作用的時間為 t，則 t 應該由以下的表達式給出，即 t=L/V。 [)(Z)是本系統的溫度控制算法，將由下 文給出。當系統被測溫度出現高于上限或者低于下限的情況時，即上、下報警狀態(tài)值 (THA， TLA)為 l，AT89C51 啟動自身定時器，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.:時基電路根據其復位端“ 4”的信號變化，在它的輸出端“ 3”產生頻率的輸出，輸出信號給繼申器 (J)動作信號，繼電器常開開關閉合，推動揚聲器(SP)工作，獲得聲音報警信號，報警燈同步閃亮。我們選用了 MAXIM 公司的 MAX232 芯片來完成這兩種電平之間的轉換工作。顯示程序的執(zhí)行過程是 :首先 AT89C51 通過 P 口選通 8279，低電平有效，然后把將要顯示的數字，其相應的字型碼送至 DB 口 ，接下來設置位選信號，利用 SL0、 SL SL2 二分別設置 0 或者 l，分別選擇要顯示的 }二印數碼管 (共陰極 )， 8279 將要顯 示的數字通過 OPTB 和 OUTA 口顯示在LED 數碼管 上。圖 給出了 ADC0809 與 AT89C51接口圖。 圖 AT89C51 芯片管腳分配示意圖 2．溫度檢測電路 ： 根據 溫度測量電路的結構圖。具有 4K 字節(jié)片內程序存儲器，并且是 FLASH 工藝的，這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫，同時，寫入單片機內的程序還可以進 行加密，因而可以有效地保存數據信啟、。 濰坊學院本科畢業(yè)設計（論文） 11 第 3 章 系統的硬件開發(fā) 系統電路結構原理圖 溫度控制系統的硬件電路結構原理圖如下圖 所示。 系統的性能特點 : 隨著單片微處理器性能的增強，價格卻始終不斷降低， 使得單片機的性能價格比很高。 2． 多點測量 : 分別在高溫回路中高溫冷卻淡水的進口和出口、低溫回路中低溫冷卻淡水的進 口 和出 口 安裝了溫度傳感器，用戶可以 對任念一個測量點的溫度進行監(jiān)控和設置，方便調節(jié)。利用繼電器接受單片機發(fā)出的間斷的控制指令，控制三相伺服交流電動機斷續(xù)運轉，帶動三通調節(jié)閥的轉動，改變三通調節(jié)閥的開度，進而改變冷卻水的溫度。若是測量溫度比設定溫度低時，單片機斷續(xù)輸出控制信號，經過光電隔離和驅動放大 后，輸出給減小輸出繼電器，繼電器控制三相伺服交流電動機斷續(xù)運轉，使得連接在電機上的三通調節(jié)閥轉動，增加不經冷卻器的旁通水量，減少經冷卻器的淡水量。 同時，我們知道， RS232 通訊標準的有效傳輸距 離受到一定的限制，只有15 米左右，這對系統總的布局不利。在本文的論述中，我們僅以高溫冷卻水回路的溫度控制設計方法進行詳細說明，低溫冷卻水回路的方法基本類似，因此不作介紹。同時，由于系統具有良好的擴展性能，可以與船舶內部網絡進行通訊，使得系統功能再擴展成為可能，最大限度地滿足了今后的需求。它可以廣泛地應用在船舶工程中，如現代遠洋船舶上對溫度要求比較高的船舶中央冷卻水控制系統中。在這種冷卻系統中，由于舷外海水不再接觸各種熱交換器和船舶主柴油機的冷卻空間，因而避免了海水引起的腐蝕，提高了設備和系統的安全可靠性以及設備使用濰坊學院本科畢業(yè)設計（論文） 5 壽命。首先，這些控制系統的調節(jié)器采用了較為簡單的控制規(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 控制會出現靜 態(tài)誤差，使系統長時間偏離最佳工作點運行，若采 用 PI控制，則對于冷卻水溫度這樣具有較大慣性的被控對象會因為缺乏超前的控制作用而產生較大的超調量，使得系統動態(tài)特性較差，而且調節(jié)閥的開度改變以后，溫度傳感器不能馬上反映出調節(jié)作用的結果，存在滯后，難以得到滿意的控制效果。 2． 氣動式控制方式 ： 在 20世紀 70年代末期，船舶柴油機冷卻水溫度控制是采用氣動式作用方式。我們知道，單片微處理器具有高精確度、高靈敏度、高響應速度，以及耗能少、機構小、可以連續(xù)測量、自動控制、安全可靠等優(yōu)點，非常適合嵌入式控制。它可以對船舶機艙內動力裝置的運動參數進行自動控制，對機器設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和報警，也可以對主要機器設備進自動操作等。課題首先對溫度測控系統各環(huán)節(jié)進行了功能需求分析，明確了本溫控系統所要達到了技術要 求，從而為隨后的系統設計打下了堅實的基礎 ； 然后又根據系統所要實現的功能進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了這種發(fā)展趨勢，將單片機應用于船舶主柴油機冷卻水溫度自動控制系統中。輪機自動化， 是指用各種自動化儀器儀表、控制元件、邏輯元件，以及計算機系統等組成的各種自動控制和監(jiān)測系統。鑒于此，我們提出了基于單片機控制的船舶柴油機冷卻水溫度控制方法。同時，其控制精度不高，冷卻水溫度變化 較大，對船舶柴油機的穩(wěn)定運行不利。盡管此類電動控制系統的控制精度和效果可以在一定程度上滿足了船舶營運者的需求，但是這并不說明這種控制方一式是完美無缺的。另一個是高溫回路，就是由低溫淡水來冷卻高溫淡水的回路，因為低溫淡水和高溫淡水的流動是一個循環(huán)利用的過程，因此又稱為閉式冷卻。 系統研究的應用前景 本溫度測控系統是用于對船舶主柴油機冷卻水的溫 度進行監(jiān)測和控制的全自動智能調節(jié)系統?！皽囟葴y控技術”具有很強的靈活性，根據用戶需要，可以方便地調整系統溫度給定值，從而使整個船舶主柴油機在更加理想的條件下運轉，增加了柴油機的使用壽命，滿足了人們對其經濟性的要求。 同時，由于現代遠洋船舶的中央冷卻系統具有 .高 溫淡水和低溫淡水兩個冷卻水回路，因此，在設計本船 舶柴油機冷卻水溫度控制系統時，我們分別對這兩個冷卻回路進行設計 ，其實際方法基本相同。通過 RS232 接口，單片機可以將采集到的溫度數據傳輸到計算機中， 從而可以利用計算機的強大處理能力對數據進行分析和存儲，以及連接打印機對數據進行打印保存。 系統控制流程是，單片機將溫度傳感器測量到的信號經信號調制電路和 A/D轉換得到實際測量溫度，與預先設定溫度數值進行比較，當測量溫度比設定溫度高時，單片機斷續(xù)輸出控制信號，經過光電隔離和驅動放大后，輸出給增大輸出繼電器，繼電器控制三相伺服交流電動機斷續(xù)運轉，使得連接在電機上的三通調節(jié)閥轉動，減少不經冷卻器的旁通水量，增加經冷卻器的淡水量 。由于水是一種大 慣性的傳熱介質，當控制系統對水溫進行調節(jié)時，由于冷卻水的熱容量大，溫度響應速度很慢，水溫并不是立即調整到指定數值，而是一個緩 慢 、漸進的變化過程，因此，就需要執(zhí)行機構進行斷續(xù)地控制，以一定量的延遲時間來確定水溫的變化。同時，根據多年總結的控制經驗，當船舶柴油機處于最佳工作狀態(tài)時，高溫淡水溫度應該穩(wěn)定工作在 78℃ 左右，低溫淡水溫度應該穩(wěn)定工作在54℃左右。例如，可以將單片機測控平臺接入計算機管理控制中心，利用現代計算機的強大處理能力，以達到數據存 儲和打 印等目的。同時，也方便用戶今后對本控制系統的擴展，利用增加傳感 器的方法來增加測溫點，因而具有良好的擴展性能。 (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 放大調制電路 鍵盤與顯示電路 串行通信 單片機 多路開關 看門狗電路 執(zhí)行機構 驅動電路 報警電路 A/D 轉換 濰坊學院本科畢業(yè)設計（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， ADC0809的此項性能指標己經滿足了溫度控制的時間和精度，因此，我們選擇 ADC0809作為模擬 /數字轉換芯片，使系統成本較低。鍵盤控制的方式是采用 8279 掃描鍵盤，判斷是否有按鍵按下，進而判斷按鍵 的內容，送至 AT89C51 處理。由于單片機串行口 的輸入輸出都是 TTL 電平，而上 位計算 上的 RS232 接口 為了提高抗十擾性能，采用的是 RS232 標準中 EIA電 平， EIARS232C 是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài) (邏輯“ 1” :3~15V； 邏輯“ 0” :+3+15v)，與單片機中 TTL 以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同，因此，為了能 夠實現上位計算機與單片機之間的串行通訊，必須在 EIARS232C 與 TTL電路之間進行電平和邏輯關系 的變換。當系統被測參數在正常范圍內時， AT89C51 的 ZP 引腳輸出端為高電平，經過反相后為低電平，這樣， NE555 的復位端“ 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，揚聲器 (SP)無聲，9014 三極管 (NPN 極性 )截止，報警燈不亮，使報警電路不工作 。程序 TSD（ S） 的作用就是將 TS 的 BCD 碼轉換成單片機可 以識別的二進制碼，由軟件來承擔。 因此，我們確定冷卻水溫度控制系統的傳遞函數時，必須要考慮到此純滯后特性。而另一種常見的冷卻水溫度調節(jié)器 TELEPERM型，采用的是內調節(jié)規(guī)律 (比例積分調節(jié)規(guī)律 )，沒有微分作用，而微分環(huán)節(jié)的作用是能夠 反映 偏差信號的變化趨勢 (或者變化速率 )，并且能夠在偏差信號數值變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修 正 信號，從而加快系統