【文章內(nèi)容簡介】 導(dǎo)電銅箔，利用電刷與銅箔接觸與否代表邏輯“0”和“l(fā)”，銅箔的形狀按二進(jìn)制規(guī)律設(shè)計(jì)。四位二進(jìn)制碼盤分為導(dǎo)電區(qū)和絕緣區(qū)，所有導(dǎo)電部分連在一起接高電位，四個(gè)互相獨(dú)立的電刷沿同一徑向放置，并分別與四個(gè)碼道相接觸，各電刷經(jīng)電阻接地，四個(gè)電刷上輸出四位二進(jìn)制代碼。當(dāng)電刷與碼盤的導(dǎo)電部分接觸時(shí)，輸出為高電平“1”；而與碼盤的絕緣部分接觸時(shí)，輸出為低電平“0”。這樣，當(dāng)碼盤與油門指針一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，靜止的電刷將輸出一個(gè)與油門角位置相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)碼[7]?！　　　?)鍵盤與顯示電路　　　　由于CPU管腳的數(shù)量有限，因此在鍵盤和顯示電路的設(shè)計(jì)時(shí)，采用了8279可編程的鍵盤顯示專用擴(kuò)展I/O接口芯片，它本身能夠提供鍵盤、顯示控制所需的掃描信號(hào)，因此可以代替單片機(jī)完成鍵盤、顯示的控制。其中，鍵盤矩陣采用2行3列非編碼方式，采用軟件查詢方法來設(shè)計(jì)，低電平有效。顯示部分為3位LED數(shù)碼管顯示，顯示的內(nèi)容是溫度數(shù)值的十位、個(gè)位和小數(shù)點(diǎn)后一位。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。 　　　　顯示程序的執(zhí)行過程是：，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，接下來設(shè)置位選信號(hào)，利用SLSL2分別設(shè)置0或者1，分別選擇要顯示的LED數(shù)碼管(共陰極)，8279將要顯示的數(shù)字通過OUTB和OUTA口顯示在LED數(shù)碼管上，同時(shí)把將要顯示的數(shù)字轉(zhuǎn)換成7段碼形式，編寫成數(shù)據(jù)表格的形式，存儲(chǔ)在單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)空間里[8]。圖35給出了鍵盤與顯示電路圖?！　　　?　　　　　　　　圖35鍵盤與顯示電路圖　　　　　　　　在小鍵盤上有六個(gè)按鍵，分別是“設(shè)置狀態(tài)”按鍵、“運(yùn)行狀態(tài)”按鍵、“數(shù)值增加”按鍵、“數(shù)值減少”按鍵、以及“高溫”按鍵和“低溫”按鍵。當(dāng)系統(tǒng)開機(jī)運(yùn)行時(shí)，其溫度設(shè)定值由軟件編制時(shí)事先設(shè)置好，當(dāng)需要改變數(shù)值時(shí)，首先按下鍵盤的“設(shè)置狀態(tài)”按鍵，使顯示部分切換到設(shè)定值的顯示，然后由鍵盤的“高溫”或者“低溫”鍵切換到需要更改的溫度顯示，此時(shí)，三位LED數(shù)碼管中的最低一位開始閃爍，再由“數(shù)值增加”或“數(shù)值減少”按鍵輸入所需設(shè)置的數(shù)值，可以改變?cè)O(shè)定數(shù)值。當(dāng)設(shè)定好新的數(shù)值后，再次按下“運(yùn)行狀態(tài)”按鍵，切換到系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，這時(shí)三位LED數(shù)碼管所顯示的就是測(cè)量溫度數(shù)值?！　　　?)聲光報(bào)警電路　　　　為了系統(tǒng)的安全運(yùn)行，本系統(tǒng)對(duì)冷卻水溫度進(jìn)行了上限或下限聲光報(bào)警處理，如圖36所示[9]。　　　　 　　　　　　　　圖36報(bào)警電路和上、下限報(bào)警判斷 　　　　系統(tǒng)采用了如下的判斷報(bào)警方法：以冷卻水溫度設(shè)定值T設(shè)為參考數(shù)值，則溫度變化的上限是T上=T設(shè)+5℃，下限是T下=T設(shè)5℃。當(dāng)測(cè)量到的冷卻水溫度持續(xù)增加，高于上限T上，即TT上時(shí)，則上限報(bào)警狀態(tài)值THA=1；當(dāng)測(cè)量到的冷卻水溫度持續(xù)減少，低于下限T下，即T　　　　圖36中左側(cè)是實(shí)現(xiàn)超限聲光報(bào)警的電路。采用一片時(shí)基集成電路NE555，將其接成振蕩工作狀態(tài)，同時(shí)將NE555的復(fù)位端“4”。當(dāng)系統(tǒng)被測(cè)參數(shù)在正常范圍內(nèi)時(shí)，經(jīng)過反相后為低電平，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；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1, AT89C51啟動(dòng)自身定時(shí)器，(或連續(xù)方波)，這樣，NE555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)，繼電器常開開關(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。 　　　　7)執(zhí)行機(jī)構(gòu)　　　　AT89C51根據(jù)采樣的溫度數(shù)值對(duì)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(hào)，此控制信號(hào)為0,1(低、高電平)連續(xù)脈沖信號(hào)，經(jīng)過光電隔離器4N25和CD4052后，讓控制繼電器動(dòng)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。 　　　　 系統(tǒng)電路圖及各硬件的口地址　　　　系統(tǒng)電路圖如圖37。根據(jù)系統(tǒng)的電路圖，可以得到各元件的地址，如表32所示?！　　　　　　　”?2 I/O口地址表　　　　芯片型號(hào) 位置 地址　　　　ADC0809 IN0～I(xiàn)N7 0C00H～0C07H　　　　8279 輸入端 0D00H　　　　NE555 輸入端 2000H　　　　CD4052 輸入端 4000H/8000H　　　　 　　　　 　　　　圖37 系統(tǒng)電路圖　　　　4 系統(tǒng)的軟件開發(fā)　　　　　　　　 溫度算法的確定　　　　為了方便確定系統(tǒng)的控制算法，可畫出系統(tǒng)控制框圖，如圖41所示?！　　　?　　　　　　　　圖41系統(tǒng)控制框圖 　　　　　　　　 前饋控制　　　　冷卻水的擾動(dòng)主要是熱負(fù)荷的變化，而熱負(fù)荷的變化可通過功率的變化來反映，因此針對(duì)其慣性較大，可以在PID反饋控制的基礎(chǔ)上，引入以功率作為熱負(fù)荷信號(hào)的前饋控制，從而優(yōu)化控制性能。在前饋反饋控制系統(tǒng)中，由于有反饋控制來保證被調(diào)量最終等于給定值，可以降低對(duì)前饋控制的要求，使前饋調(diào)節(jié)器可以選用比較簡單的動(dòng)態(tài)特性和結(jié)構(gòu)形式；另一方面，由于有了前饋控制來抵消某些主要擾動(dòng)，使被調(diào)量不致出現(xiàn)過大的動(dòng)態(tài)偏差，因此反饋控制可以較慢的進(jìn)行[10～11]?！　　　D41中，Gp1是主對(duì)象，Gp2是輸入的擾動(dòng)對(duì)象，Controller是本系統(tǒng)的溫度控制算法。當(dāng)編碼器采集到負(fù)荷增加較大時(shí)，比如增量超過20%，前饋調(diào)節(jié)器迅速減少通過旁通閥的流量，讓通過冷卻通道的冷卻水流量增加；當(dāng)編碼器采集到負(fù)荷降低較大時(shí)，前饋調(diào)節(jié)器則迅速增加通過旁通閥的流量，讓通過冷卻通道的冷卻水流量減少。這樣就可以進(jìn)行提前調(diào)節(jié)，在缸套溫度明顯上升前進(jìn)行預(yù)調(diào)。當(dāng)然前饋控制是“利用擾動(dòng)補(bǔ)償擾動(dòng)”，無法保證每個(gè)功況下進(jìn)行無差補(bǔ)償，即，只有前饋調(diào)節(jié)不能對(duì)水溫進(jìn)行精確地控制，所以前饋控制只能是一種粗調(diào)，必須引入反饋控制環(huán)節(jié)?！　　　?反饋控制　　　　前面已經(jīng)分析過，船舶柴油機(jī)冷卻水的溫度控制系統(tǒng)具有明顯的純滯后特性。因此，在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。一般來說，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。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(dòng)速度，單位是米/秒(m/s)。滯后時(shí)間t的單位秒(s)。在不同船舶的中央冷卻系統(tǒng)中，系統(tǒng)的管路長度和水流速度都是不同的，要根據(jù)具體的情況進(jìn)行具體分析和計(jì)算?！　　　∧壳皯?yīng)用在遠(yuǎn)洋船舶上的大多數(shù)模擬式冷卻水溫度調(diào)節(jié)器都是采用的相對(duì)簡單的控制規(guī)律。比如，MRⅡ型調(diào)節(jié)器采用了PD調(diào)節(jié)規(guī)律(比例微分調(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。因此，在系統(tǒng)中必然會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)誤差，因而就會(huì)出現(xiàn)長時(shí)間使被控對(duì)象脫離最佳工作點(diǎn)的情況，使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)反復(fù)進(jìn)行執(zhí)行動(dòng)作，加速了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的磨損等；而另一種常見的冷卻水溫度調(diào)節(jié)器TELEPERM型，采用的是PI調(diào)節(jié)規(guī)律(比例積分調(diào)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(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)的動(dòng)作速度，減少了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間。因此，此類調(diào)節(jié)器沒有微分作用，而且冷卻水溫度是屬于慣性環(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，極易變成積分飽和，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性變差，甚至出現(xiàn)長時(shí)間振蕩?！　　　¤b于現(xiàn)有的此類控制器的種種控制規(guī)律存在的問題，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(dòng)態(tài)特性也得到良好改善。同時(shí)由于冷卻水溫度的這種純滯后特性的影響，可用一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)描述。因此，溫度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以表達(dá)為[12]：　　　　　　　　 (41)