【文章內(nèi)容簡介】 生在過程輸出變量出現(xiàn)偏差之前，比單回路控制及時。前饋控制必須使用針對具體過程的干擾和受控輸出變量特性的專用控制器。不可能有專用的前饋控制器。這也給實際應(yīng)用增加了麻煩和困難。一種前饋控制作用只能消除一種干擾的影響。前饋和反饋完全不同，前饋控制不是閉環(huán)而是開環(huán)系統(tǒng)?？刂谱兞勘徽{(diào)節(jié)后并不反過來影響干擾變量；調(diào)節(jié)作用對受控輸出變量影響的結(jié)果也沒有反饋機制。相形之下，一個反饋回路有可能克服多種干擾的影響。由此可以看出，盡管前饋控制具有在理論上可以實現(xiàn)完美控制的吸引力，實際應(yīng)用還仍然受到許多限制。 方案的確定不同的控制方法都有自己的優(yōu)點與缺點，由于此系統(tǒng)干擾很小可以忽略不計，以上三種方案都能實現(xiàn)對過熱蒸汽溫度的控制，但是從成本上來看單回路控制更經(jīng)濟些，因此經(jīng)過分析采用單回路控制能滿足本設(shè)計的需要，而且單回路控制形式簡單，容易實現(xiàn)。根據(jù)控制要求，溫度單回路控制系統(tǒng)的控制參數(shù)是蒸汽溫度，測量便采用溫度傳感器，控制器是單片機，執(zhí)行器是調(diào)節(jié)閥，所以溫度單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖28所示。圖28 單回路控制系統(tǒng)方框圖第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖余熱鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)的主控部分由單片機構(gòu)成。通過按鍵電路進行溫度報警值的設(shè)定，并對鍋爐的過熱蒸汽溫進行采集及處理，然后與報警值比較，當過熱蒸汽溫度的測量值等于設(shè)定值時，噴水閥門不動，系統(tǒng)處在動態(tài)平衡狀態(tài)。[8]此時，若爐膛燃燒工況發(fā)變化使蒸汽溫度上升，造成給定值和測量值產(chǎn)生偏差，則偏差信號經(jīng)過控制器的方向判斷及數(shù)學運算后，產(chǎn)生控制信號使噴水閥門以適當形式打開噴水流量。測量值最終回到設(shè)定值，系統(tǒng)重新回到平衡狀態(tài)。下圖31為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖31 系統(tǒng)方案框圖 單片機與8155的接口電路MCS51單片機可直接和8155連接，不需要任何外加邏輯電路，可以直接為系統(tǒng)增加256B外部RAM、22根I/O線及一個14位定時器。其基本硬件連接方法如圖32所示。由于8155片內(nèi)有鎖存器，所以單片機P0口輸出的低8位地址不需要另加鎖存器，直接與8155的AD7～AD0相連，既作為低8位地址總線，又作為數(shù)據(jù)總線，利用8051的ALE信號的下降沿鎖存P0送出的地址信息。片選信號CE和IO/。圖32 51單片機與8155的連接方式 信號輸入部分 溫度信號采集與處理采用構(gòu)建橋式電路，電橋的四個電阻中三個是恒定的，另一個用Pt100熱電阻，當Pt100電阻值變化時，測試端產(chǎn)生一個電勢差，由此電勢差換算出溫度。電路中使用的是1kΩ（0℃）的鉑電阻，因為鉑電阻阻值高達1kΩ所以不受布線溫度的影響。R0、RRt構(gòu)成橋式電路橋式電路的輸出電壓經(jīng)由差動放大器放大。可以表示為： （31）在圖中所示參數(shù)的條件下，℃。為了將他放大為10mA/℃的靈敏度，差動放大器的增益G必須為10/=。具體電路如圖33所示。該電路中為了使橋式電路的電阻不受影響，將輸入電阻選取了高達1MΩ的數(shù)值，由此決定了運算放大器必須是低輸入偏置電流的場效應(yīng)管晶體管輸入型。經(jīng)過儀器放大器放大后的電壓輸出送給A/D轉(zhuǎn)換芯片的INO口，從而把熱電阻的阻值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。[18]圖33 信號采集與處理 A/D轉(zhuǎn)換利用熱電阻PT100溫度傳感器具有抗振動、穩(wěn)定性好、準確度高、耐高壓、線性較好的特點作為溫度傳感器，然后通過運算放大器構(gòu)建差分放大將溫度信號轉(zhuǎn)換成ADC0809模擬通道的輸入的05V標準信號，再將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入單片機。AD轉(zhuǎn)換器選ADC0809，ADC0809是一種逐次比較式的8路模擬輸入，內(nèi)部具有所存功能，故不需加地址鎖存器。ALE腳為地址所存信號，高電平有效，三根地址線固定接地，由于地址信號已經(jīng)固定，固將ALE接高電平。系統(tǒng)只需要一路信號，選擇IN0作為輸入。START腳為AD轉(zhuǎn)換啟動信號，高電平有效，程序控制。AD采樣值為系統(tǒng)的偏差信號，固選擇ADC0809的VREF接+5V和5V。由圖可以看出，ALE信號和START信號聯(lián)系在一起，這樣連接可以在信號的前沿寫入地址信號，在其后沿啟動A/D轉(zhuǎn)換。START和ALE互連可以使ADC0809在接收模擬量路數(shù)地址時啟動工作。AD轉(zhuǎn)換結(jié)果由8155的PA0～PA7口讀入，故將AD轉(zhuǎn)換器的輸出與8155的PA0～PA7口相連，高地位依次相連。AD轉(zhuǎn)換器與單片機的接口電路如下圖34所示。圖34 ADC0809與單片機的接口設(shè)計 顯示電路設(shè)計數(shù)碼管動態(tài)顯示實際是將所有數(shù)碼管的8個筆畫段a～h的各同名段分別并接在一起，并把他們接在單片機的字段輸出口上。為了防止各個數(shù)碼管同時顯示相同的數(shù)字，各個數(shù)碼管的公共端COM還要收到另一組信號的控制，即把他們連到位輸出口上。這樣，一組數(shù)碼管顯示器需要由兩組信號來控制：一組字段輸出口輸出的字形代碼，用來控制顯示的字形，稱為段碼；另一組是位輸出口的控制信號，用來選擇第幾個顯示器工作，稱為位碼。所謂動態(tài)顯示就是利用循環(huán)掃描的方式，分時輪流宣統(tǒng)各個數(shù)碼管的公共端，使各個數(shù)碼管輪流導通，在導通的同時送上不同的段碼。當掃描速度達到一定程度時，人眼就分辨不出來了，即認為各個數(shù)碼管在同時顯示。[12]如圖35所示，8155的PB口作為段控制，PC口通過4個PNP型三極管8550控制數(shù)碼管的4個COM公共端。如果要第一個數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，PC0需要輸出低電平0，則此時第一個PNP三極管導通，通過第一位數(shù)碼管的COM公共端向第一個數(shù)碼管供電。以此類推，可以分時點亮4個LED數(shù)碼管。但是，需要注意的是不能讓PC0～PC3中的2個或2個以上同時輸出低電平0，否則就會造成顯示混亂，除非2個數(shù)碼管上要顯示的內(nèi)容相同。本例中數(shù)碼管選擇的是SM410364共陽極四位一體的LED顯示器。三極管采用PNP型8550，PB口接的限流電阻是8個470Ω的；；。圖35 數(shù)碼管動態(tài)顯示驅(qū)動電路 信號輸出部分 D/A轉(zhuǎn)換DAC0832的基本原理是把數(shù)字量的每一位轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后根據(jù)疊加定理將每一位對應(yīng)的模擬分量相加，輸出相應(yīng)的電流或者電壓。DAC0832是具有兩個輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位DAC，可以直接與51單片機相連，參考電壓+5V，直接與供電電源相連。DAC0832是電流型輸出，在應(yīng)用時外接運放使之成為電壓型輸出。CSDA：片選信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效；WR：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生LE1，當LE1為高電平時，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，LE1的負跳變時將輸入數(shù)據(jù)鎖存；DAC0832的數(shù)據(jù)口和單片機的P1口相連。如圖36為DAC0832與單片機的連接電路。圖36 DAC0832與單片機的接口設(shè)計 420mA標準信號輸出 LM324的5管腳與DAC0832的（IOUT2）12管腳相連，LM324的6管腳與DAC0832的（IOUT1）11管腳相連，LM324的7管腳與DAC0832的REF（9）管腳相連。第一級運算放大器的作用是將DAC0832輸出的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號V1，第二級運算放大器的作用是將輸出的05V電壓轉(zhuǎn)換為420mA標準信號。從而控制輸出調(diào)節(jié)蒸汽溫度減溫閥，達到減溫的目的。420mA標準信號輸出如下圖37所示。圖37 420mA標準信號輸出 串口與上位機通信電路單片機與外部設(shè)備或單片機與單片機之間的數(shù)據(jù)傳輸稱為通信，其傳輸介質(zhì)稱為通信接口。按信號傳輸方式，通信可分為并行通信與串行通信兩種基本方式。[14]上位機的RS232串口標準為：正電平在+3V～+15V，負電平在3V～15V。也就是說對于RS232信號而言，當傳輸點評的絕對值大于3V時，電路可以有效地檢查出來，介于3V～+3V之間的電壓無意義，低于15V或高于+15V的電壓也認為無意義。因此，實際工作時，應(yīng)保證電平在177。（3～15）V之間。而單片機使用的是TTL/COMS電平，與RS232串行借口標準是不兼容的，因此要實現(xiàn)上位機和單片機之間的通信，必須進行電平的轉(zhuǎn)換。這里采用電平轉(zhuǎn)換收發(fā)芯片MAX232進行RS232與TTL/CMOS電平的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)單片機與計算機通信，51單片機與該芯片接口電路如圖38所示，T1IN、T2IN為TTL/CMOS電平輸入端，T1IN、T2IN可連接單片機的TXD（發(fā)送）引腳。R1OUT、R2OUT為TTL/COMS電平輸出端，R1OUT、R2OUT可連接單片機的RXD（接收）引腳。R1IN、R2IN為RS232電平輸入端，R1IN、R2IN連接DB9借口的3腳，接收上位機發(fā)來的數(shù)據(jù)。T1OUT、T2OUT為RS232電平輸出端，T1OUT、T2OUT連接到DB9的2腳，向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)。3和5引腳之間分別接電容，Vcc和V+之間接電容，GND和V之間接電容。DB9接口的5腳必須接地。圖38 單片機與MAX232的接口電路 報警電路設(shè)計報警電路與8155的PC4口相連接，由于單片機的I/O口輸出的電流無法直接驅(qū)動蜂鳴器，所以設(shè)計了報警電路如圖39所示：當蒸汽溫度高于上限溫度、低于下限溫度或者在輸入錯誤時，單片機給8155的PC4口輸出一個低電平信號來導通三極管8550以驅(qū)動蜂鳴器和LED燈，進行系統(tǒng)報警，當溫度恢復(fù)到設(shè)置范圍內(nèi)后，聲光報警自動撤銷。圖39 報警電路 鍵盤電路設(shè)計鍵盤是由一組規(guī)則排列的按鍵組成，一個按鍵實際上是一個開關(guān)元件，也就是說鍵盤是一組規(guī)則排列的開關(guān)。本次設(shè)計中，按鍵較少，故而選擇獨立式按鍵。進入系統(tǒng)之前首先對溫度報警值的設(shè)置。本系統(tǒng)有四個按鍵分別K1,K2,K3,K4。(1)K1功能鍵：選擇修改溫度設(shè)定值、上限值、下限值、顯示溫度。(2) K2確認鍵：對結(jié)果確認并保存。(3) K3加1鍵：設(shè)置余熱鍋爐鍋爐溫度報警值的溫度值增加按鍵；K3每按下一次，位選標志所指的當前位的值加比上一次值增加一。(4) K4減1鍵：設(shè)置余熱鍋爐鍋爐溫度報警值的溫度值減少按鍵；K4每按下一次，位選標志所指的當前位的值比上一次值減少一。、各個按鍵的開關(guān)處均采用了4*10KΩ的上拉電阻，這是為了保證按鍵開關(guān)斷開時，各I/O口線有確定的高電平。圖310 鍵盤電路 穩(wěn)壓電源電路設(shè)計如下圖311所示是由變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電源等幾部分電路組成。變壓器的輸出端是三抽頭的，經(jīng)過兩組整流二極管整流，在通過電容CC6和CC7濾波后分別輸入到穩(wěn)壓片子7812和7912的輸入端，從7812 和7912的輸出端就可以得到比較穩(wěn)定的12V電壓和12V電壓。12V電壓在通過兩個電容濾波后輸入到7805穩(wěn)壓芯片的輸入端，在7805的輸出端就可以得到5V的穩(wěn)定電壓。圖311中兩個發(fā)光二極管起到電源指示作用。圖311 穩(wěn)壓電源電路圖 單片機最小系統(tǒng)單片機雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路。利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在第18腳XTAL第19腳XTAL2上外接定時元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩，用示波器可以觀察到XTAL2輸出的時鐘信號。~12MHz之間選擇，電容值無嚴格要求，但在電容值取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響，CXCX2可在20pF~100pF之間取值。在外部晶體上選用晶體振蕩器，頻率為12MHz，為提高頻率穩(wěn)定性，CXCX2都為30pF。時鐘電路如圖312所示。圖312 時鐘電路復(fù)位是單片機的初始化操作，在其上電后第9腳RESET出現(xiàn)24個振蕩周期以上的高電平后，單片機內(nèi)部初始復(fù)位。如圖313所示是一個簡單的手動復(fù)位與上電復(fù)位綜合的復(fù)位電路。RR2構(gòu)成手動復(fù)位電路，R2一般取1~=200Ω時，R2=1KΩ時，若按鍵按下。當k閉合、Urst3V時，是可靠的復(fù)位電平，則該電路的復(fù)位時間約為11ms。為保證可靠復(fù)位，一般選取復(fù)位時間為10ms即可。[2]圖313 復(fù)位電路第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 軟件設(shè)計思路本章詳細的介紹了基于AT89S51單片機的余熱鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。根據(jù)系統(tǒng)功能，可以將系統(tǒng)設(shè)計為若干個子程序進行設(shè)計，如溫度采集子程序、PID控制子程序、顯示子程序等。本章從設(shè)計思路、軟件系統(tǒng)框圖出發(fā)，先介紹整體思路，在逐一分析各模塊程序算法的實現(xiàn)，最終編寫滿足任務(wù)需要的程序。本系統(tǒng)要完成溫度信號的采集與控制，需要實現(xiàn)溫度信號的采集與A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸?shù)然竟δ?。從功能上可以將其分為信號輸入、控制單元、信號輸出三大部分進行設(shè)計。 系統(tǒng)軟件流程圖 主程序流程圖在系統(tǒng)軟件中，主程序依次完成系統(tǒng)初始化、溫度信號采集與處理、PID控制算法、溫度顯示、（串口的初始化，ADC0809的初始化，通信緩沖區(qū)的初始化），LED顯示的初始化，輸出端口的初始化，采集、累計數(shù)據(jù)的初始化。A/D轉(zhuǎn)換包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（主要實現(xiàn)將測量電路監(jiān)測到的電壓信號轉(zhuǎn)換成LED顯示所需的數(shù)據(jù)類型）。顯示數(shù)據(jù)包括顯示溫度的上限值、下限值以及溫度數(shù)值顯示。其程序主流程圖如下圖41所示。設(shè)計時采用單回路控制系統(tǒng)對余熱鍋爐的過熱蒸汽溫度進行控制，以AT89S51單片機為核心，包括溫度采集模塊、按鍵處理模塊、溫度顯示模塊、控制輸出模塊、執(zhí)行機構(gòu)模塊和通信模塊等組成。圖41 主程序流程圖 采樣子程序首先由熱電阻溫度傳感器檢測外部輸入的模擬量信號，通過運算放大器構(gòu)建差分放大后，溫度信號轉(zhuǎn)換成ADC模擬通道輸入的標準信號，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后進行顯示溫度測量結(jié)果，圖42所示為溫度信號采集流程圖。圖42 采樣子程序流程圖 數(shù)字濾波由于干擾的存在，可能導致A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果與鍋爐蒸汽溫度出現(xiàn)差異，為了提高系統(tǒng)的可靠性和信號的真實性，采用程序計算的方法對采樣信號進行平滑加工，從而克服虛假信號，這種算法稱為數(shù)字濾波。數(shù)字濾波的方法有以下幾種：，其基本方法是通過比較相鄰(n和n1時刻)的兩個采樣值和，如果它們的差值過大．超出了參數(shù)可能的最大變化范圍，則認為發(fā)生了隨機干擾，并視后一次采樣值為非法值，應(yīng)予剔除。，就是連續(xù)采樣三次，取中間值