基于智能儀表溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2025-01-06 22:05 本頁面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 圖 4 輸出型變送器方框圖 圖 4 中的放大單元包括的變送系統(tǒng)主要電路有集成運(yùn)放，功率放大和隔離輸出。這一部分的主要功能是放大，器件技術(shù)采用了高性能集成運(yùn)算放大器。隔離輸出有利輸入回路 反饋回路 集成運(yùn)放 整流濾波 DC/DA/DC 功率放大 隔離輸出 XX 于防爆性能的實(shí)現(xiàn)。放大單元的另一個(gè)特點(diǎn)是直接接 受 24V DC 外部電源供電并經(jīng)過“直 交 直”變換和整流、濾波。分別向輸入回路、集成運(yùn)放和功率放大供電。 儀表的選擇及連接 AI 調(diào)節(jié)器 本系統(tǒng)所采用的控制儀表為上海萬訊公司的 AI 智能儀表 。 AI 調(diào)節(jié)器即人工智能調(diào)節(jié)器，是把 CPU，存儲(chǔ)器， 顯示器，鍵盤 I/O 接口，通訊接口以及軟件集成在一起的所謂 CPU 模塊。通過面板操作設(shè)置 AI 調(diào)節(jié)器的“輸入規(guī)格”，“顯示上限”，“顯示下限”和“輸出規(guī)格”等參數(shù)，就能正確讀取各種不同被測(cè)參數(shù)的樹枝和輸出所要求的不同類型控制信號(hào)，使得 AI 調(diào)節(jié)器在輸入上能直接與多種傳感器和變送器連接，而輸出能適配各種標(biāo)準(zhǔn)，各種量程的記錄儀和執(zhí)行器。 AI 調(diào)節(jié)器本身具有 A/D 和 D/A 功能，因而能兼有數(shù)據(jù)采集和輸出模塊的功能。當(dāng)其工作在手動(dòng)方式時(shí)控制功能切斷，即相當(dāng)于一個(gè)同時(shí)具有模擬量輸入和模擬量輸出并帶有 RS485 通訊接口的遠(yuǎn)程 I/O 模塊。而 AI 調(diào)節(jié)器多輸入的技術(shù)規(guī)格使得在建立面向溫度，壓力，流量和液位等多種不同過程參數(shù)的計(jì)算機(jī)控制研究平臺(tái)時(shí)，不需要多種調(diào)理模塊，只一臺(tái) AI 調(diào)節(jié)器就能兼容。而且，他提供 420mA 的直流電流輸出可供電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行器直接使用，無需增加 V/I 轉(zhuǎn)換電路 或模塊。因而使用 AI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的輸入輸出通道簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu) [7]。 AI 調(diào)節(jié)器的硬件結(jié)構(gòu)和工作過程 AI 調(diào)節(jié)器通過 RS485 通信接口，經(jīng) RS232/485 轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)相連。計(jì)算機(jī)采用 PC 機(jī)，用于運(yùn)行監(jiān)控軟件，執(zhí)行控制算法，完成控制功能。輸入輸出通道由AI 調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的工作過程是： AI 調(diào)節(jié)器直接與各種傳感器或變送器相連，來自這些檢測(cè)裝置的各種測(cè)量信號(hào)在 AI 調(diào)節(jié)器內(nèi)部經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后，得到的數(shù)據(jù)由RS485 總線經(jīng) RS232/485 轉(zhuǎn)換器發(fā)送給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)采 樣得到數(shù)據(jù)，用戶給定值等要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，計(jì)算和保存等處理，對(duì)被控參數(shù)根據(jù)相應(yīng)的控制算法計(jì)算出控制輸出量，并通過 RS485 總線將數(shù)據(jù)發(fā)送給 AI 調(diào)節(jié)器。在 AI 調(diào)節(jié)器中經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換后輸出 420mA 電流信號(hào)給 移相觸發(fā)模塊 ，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制 [8]。 儀表常用參數(shù)設(shè)置： CtrL(控制方式 )： CtrL=0，采用位式控制； CtrL=1，采用 AI 人工智能調(diào)節(jié) /PID 調(diào)節(jié)； CtrL=2,啟動(dòng)自整定參 數(shù)功能； CtrL=3，自整定結(jié)束。 Sn(輸入規(guī)格 ):Sn=21， Pt100 熱電阻輸入； Sn=32，～ 1VDC 電壓輸入； Sn=33， 1～ 5VDC 電壓輸入。 DIL：輸入下限顯示值，一般 DIL=0。 DIH：輸入上限顯示值。輸入為液位信號(hào)時(shí)，DIH=；輸入為電阻和流量信號(hào)時(shí)， DIL=100。 OP1：輸出方式，一般 OP1=4 為 4～ 20mA 線性電流輸出。 CF：系統(tǒng)功能選擇。 CF=0 為內(nèi)部給定，反作用調(diào)節(jié)； CF=1 為內(nèi)部給定，正作用調(diào)節(jié) ； CF=8 為外不給定，反作用調(diào)節(jié)； CF=9 外部給定，正作用調(diào)節(jié)。 圖 5 智能儀表示意圖 Addr：通訊地址。單回路實(shí)驗(yàn) Addr=1：串級(jí)實(shí)驗(yàn)主控為 Addr=1，副控為 Addr=2；三閉環(huán)實(shí)驗(yàn)主控為 Addr=1，副控為 Addr=2，內(nèi)環(huán)為 Addr=3。 P、 I、 D 參數(shù)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)節(jié) [8]。 RS485 串行標(biāo)準(zhǔn)接口 串行通訊方式具有使用線路少、成本低的特點(diǎn)，在遠(yuǎn)程傳輸時(shí)被廣泛采用。在串行通訊時(shí)，要求通訊雙方都采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同的設(shè)備可以方便地連接起來進(jìn)行通訊。 RS232C 接口和 RS485 接口是目前最常用的兩種串行通訊接口。 由于 RS232C 接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)較早，其傳輸速率低，傳輸距離短，接口易產(chǎn)生共模干擾及信號(hào)電平值較高，所以在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用中不能得到推廣。 針對(duì) RS232C 的不足，出現(xiàn)了 RS485 接口標(biāo)準(zhǔn)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格 低廉、通信距離和數(shù)據(jù)傳輸速率適當(dāng)，被廣泛應(yīng)用于儀器儀表、智能化傳感器集散控制、樓宇控制、監(jiān)控報(bào)警等領(lǐng)域。 它具有以下特點(diǎn) : 1) RS485 的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為 10Mbps。 2) RS485 接口的最大傳輸距離為 1200m。 3) RS485 接口采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。 4) RS485 接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般只需二根連線，所以 RS485 接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。 5) RS485 接口在總線上允許連接多達(dá) 128 個(gè)收發(fā)器，即具有多站能力，可以利用 RS485 接口方便地建立控制網(wǎng)絡(luò) [9]。 本系統(tǒng)采用 RS485 通信接口。 AI 儀表的控制算法 AI 系列儀表中的人工智能控制算法，即對(duì) PID 算法加以改進(jìn)保留，又加模糊控制算法規(guī)則，并對(duì)給定值的變化加入了前饋調(diào)節(jié)。在誤差大時(shí)， 運(yùn)用模糊邏輯確定輸出，如同熟練工人進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)誤差趨小時(shí)，采用改進(jìn)后的 PID 算法控制輸出。其控制參數(shù)采用被控對(duì)象特征描述方式。一組 (MPT)參數(shù)即可同時(shí)確定 PID 參數(shù)和模糊控制參數(shù)。系統(tǒng)具有無超調(diào)和高控制精度等特點(diǎn) 。針對(duì)不穩(wěn)定的非線性復(fù)雜調(diào)節(jié)對(duì)象，表內(nèi)設(shè)有自適應(yīng)調(diào)節(jié)規(guī)則，可使系統(tǒng)進(jìn)一步加快響應(yīng)速度，改善控制品質(zhì) 。針對(duì)控制參數(shù)較難確定的現(xiàn)實(shí)，表內(nèi)設(shè)有自整定專家系統(tǒng)，可使系統(tǒng)的控制參數(shù)確定簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度提高，因此，自整定系統(tǒng)的引人，不僅使復(fù)雜勞動(dòng)簡(jiǎn)單化，節(jié)約了調(diào)試時(shí)間，而且提高了控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。 在 AI 系 列儀表中，當(dāng)控制參數(shù)在比例帶 以 外時(shí)，采用模糊控制，不存在抗飽和積分問題，而對(duì) PID 算法部分又加以改進(jìn)如下 : 輸出 =比例作用 (P)+積分作用 (I)十微分作用 (D)十微分積分作用 由于儀表中增加了微分積分作用，所以，使常規(guī) PID 算法中的積分飽和現(xiàn)象得到較大緩解。理論和事實(shí)都可以證明，微分積分作用與微分作用一樣，對(duì)控制大滯后對(duì)象 (例如溫度控制 )沒有超調(diào)起到重要作用。不過從上式中可以看到，原有 PID 參數(shù)已較難確定了，又增加了一個(gè)微積分作用 ,所以 這些參數(shù)必然互相影響，使得新算法參數(shù)更難確定。為此，經(jīng)過 認(rèn)真的研究和實(shí)驗(yàn)分析，比例作用與微分作用的比值和積分作用與微分作用的值可取相同的值，并且比例作用與微分作用的最佳比值同控制對(duì)象的滯后時(shí)間有關(guān)。滯后時(shí)間越大，則比例作用應(yīng)相應(yīng)減少，而微分作用相應(yīng)增加。兩者存在的關(guān)系如下 : 比例作用 =K(1/t) ? ? ?dtK 11??微分作用 式中， K 為系數(shù)
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