【導(dǎo)讀】取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含。任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重。要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本。聲明的法律后果由本人承擔(dān)。文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部。制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。力試驗(yàn)臺的壓力、溫度等參數(shù)的自動控制。控制系統(tǒng)不僅具備了計(jì)算機(jī)的存儲容量大、提高了控制系統(tǒng)的整體性能及自動化操作程度。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅穩(wěn)定?？煽?，而且軟硬件擴(kuò)充能力強(qiáng)。驗(yàn)的關(guān)鍵是需要對壓力進(jìn)行精確控制，另外還需要對循環(huán)介質(zhì)的溫度及環(huán)。境溫度進(jìn)行自動控制，這對控制系統(tǒng)的性能和可靠性提出了很高的要求。術(shù)和可編程邏輯控制器組合在一起的控制技術(shù)，提出了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及思路，并闡述了部分軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。

　　

【正文】 or1DS?LED1VCCVCC 光電隔離器選擇 光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電一光一電轉(zhuǎn)換 器件 。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的 引腳 為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極 管、 光敏三極管 等等 工作原理 在光電耦合器輸入端加電信號使發(fā)光源發(fā)光，光的強(qiáng)度取決于激勵電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了 光電流 ，由受光器輸出端引出，這樣就實(shí)現(xiàn)了電一光一電的轉(zhuǎn)換。 光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管（ LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電 — 光 — 電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的 電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。 光 耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，使用壽命長，傳輸效長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士 畢業(yè) 論文 22 率高。光耦合器是 70 年代發(fā)展起來產(chǎn)新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級間耦合、驅(qū)動電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩 器、信號隔離、級間隔離 、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器 (SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。在單片開關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。 基本工作特性（以光敏三極管為例） 共模抑制比很高 在光電耦合器內(nèi)部，由于發(fā)光管和受光器之間的 耦合電容 很小（ 2pF以內(nèi)）所以共模輸入電壓通過極間耦合電容對輸出電流的影響很小，因而共模抑制比很高。 輸出特性 光電耦合器的輸出特性是指在一定的發(fā)光電流 IF 下，光敏管所加 偏置電壓 VCE與輸出電流 IC之間的關(guān)系，當(dāng) IF=0 時，發(fā)光二極管不發(fā)光，此時的光敏晶體管集電極輸出電流稱為 暗電流 ，一般很小。當(dāng) IF0 時，在一定的 IF作用下，所對應(yīng)的 IC基本上與 VCE 無關(guān)。 IC與 IF之間的變化成線性關(guān)系，用半導(dǎo)體管特性圖示儀測出的光電耦合器的輸出特性與普通 晶體三極管 輸出特性相似。 光電耦合器可作為線性耦合器使用。 在發(fā)光二極管上提供一個 偏置電流 ，再把信號 電壓 通過電阻耦合到發(fā)光二極管上，這樣光電晶體管接收到的是在偏置電流上增、減變化的光信號，其輸出電流將隨輸入的信號電壓作線性變化。光電 耦合器也可工作于開關(guān)狀態(tài)，傳輸 脈沖信號 。在傳輸脈沖信號時，輸入信號和輸出信號之間存在一定的延遲時間，不同結(jié)構(gòu)的光電耦合器輸入、輸出延遲時間相差很大。 在設(shè)計(jì)光耦光電隔離電路時必須正確選擇光耦合器的型號及參數(shù)，選取原則如下： (1)由于光電耦合器為信號單向傳輸器件，而電路中數(shù)據(jù)的傳輸是雙向的，電路板的尺寸要求一定，結(jié)合電路設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，就要選擇單芯片集成多路光耦的器件； (2)光耦合器的電流傳輸比 (CTR)的允許范圍是不小于 500%。因?yàn)楫?dāng) CTR500%時，光耦中的 LED 就需要較大的工作電流 ( mA)，才能保證信號在長線傳輸中不發(fā)生錯誤，這會增大光耦的功耗； (3)光電耦合器的傳輸速度也是選取光耦必須遵循的原則之一，光耦開關(guān)速度過慢，無法對輸入電平做出正確反應(yīng)，會影響電路的正常工作。 (4)推薦采用線性光耦。其特點(diǎn)是 CTR 值能夠在一定范圍內(nèi)做線性調(diào)整。設(shè)計(jì)中由于電路輸入輸出均是一種高低電平信號，故此，電路工作在非線性狀態(tài)。而在線性應(yīng)用中，因?yàn)樾盘柌皇д娴膫鬏?，所以，?yīng)根據(jù)動態(tài)工作的要求，設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使電路工作在線性狀態(tài)。 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士 畢業(yè) 論文 23 通常情況下，單芯片集成多路光耦的器件速度都比較慢，而速度快 的器件大多都是單路的，大量的隔離器件需要占用很大布板面積，也使得設(shè)計(jì)的成本大大增加。在設(shè)計(jì)中，受電路板尺寸、傳輸速度、設(shè)計(jì)成本等因素限制，無法選用速度上非常占優(yōu)勢的單路光耦器件，在此選用 TOSHIBA 公司的 TLP5214。 開關(guān) 量 輸 出通道的 設(shè)計(jì) 開關(guān)量輸出通道 設(shè)計(jì) 簡 述 開關(guān) 量 輸 出信道的 設(shè)計(jì)電 路如 圖 所示 。 數(shù) 字信 號輸 出端 DO經(jīng)過緩沖 器 74LS07開 漏輸 出 ， 控制 繼電 器的 開 端和 閉 合 ， 從 而控制外接 電 路的通 斷 。 VCCVCC 緩沖器選擇 緩沖寄存器又稱緩沖器，它分輸入緩沖器和輸出緩沖器兩種。前者的作 用是將外設(shè)送來的數(shù)據(jù)暫時存放，以便處理器將它取走；后者的作用是用來暫時存放處理器送往外設(shè)的數(shù)據(jù)。有了數(shù)控緩沖器，就可以使高速工作的 CPU與慢速工作的外設(shè)起協(xié)調(diào)和緩沖作用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送的同步。由于緩沖器接在數(shù)據(jù)總線上，故必須具有三態(tài)輸出功能。 基本原理 ： 在 CPU的設(shè)計(jì)中，一般輸出線的直流負(fù)載能力可以驅(qū)動一個 TTL負(fù)載，而在連接中，CPU的一根地址線或數(shù)據(jù)線，可能連接多個存儲器芯片，但現(xiàn)在的存儲器芯片都為 MOS電路 ，主要是 電容 負(fù)載，直流負(fù)載遠(yuǎn)小于 TTL負(fù)載。故小型系統(tǒng)中， CPU可與存儲器直長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士 畢業(yè) 論文 24 接相連，在大型系統(tǒng)中 就需要加緩沖器。 任何程序或數(shù)據(jù)要為 CPU所使用，必須先放到主存儲器（內(nèi)存）中，即 CPU只與主存交換數(shù)據(jù)，所以主存的速度在很大程度上決定了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。程序在運(yùn)行期間，在一個較短的時間間隔內(nèi)，由程序產(chǎn)生的地址往往集中在存儲器的一個很小范圍的地址空間內(nèi)。指令 地址 本來就是連續(xù)分布的，再加上循環(huán)程序段和子程序段要多次重復(fù)執(zhí)行，因此對這些地址中的內(nèi)容的訪問就自然的具有時間集中分布的傾向。數(shù)據(jù)分 布的集中傾向不如程序這么明顯，但對 數(shù)組 的存儲和訪問以及工作單元的選擇可以使存儲器地址相對地集中。這種對局部范圍的存儲 器地址頻繁訪問，而對此范圍外的地址訪問甚少的現(xiàn)象被稱為程序訪問的局部化（ Locality of Reference）性質(zhì)。由此性質(zhì)可知，在這個局部范圍內(nèi)被訪問的信息集合隨時間的變化是很緩慢的，如果把在一段時間內(nèi)一定地址范圍被頻繁訪問的信息集合成批地從主存中讀到一個能高速存取的小容量存儲器中存放起來，供程序在這段時間內(nèi)隨時采用而減少或不再去訪問速度較慢的主存，就可以加快程序的運(yùn)行速度。這個介于 CPU和主存之間的高速小 容量存儲器就稱之為 高速緩沖存儲器 ，簡稱 Cache。不難看出，程序訪問的局部化性質(zhì)是Cache得 以實(shí)現(xiàn)的原理基礎(chǔ)。同理，構(gòu)造磁盤高速緩沖存儲器（簡稱磁盤 Cache），也將提高系統(tǒng)的整體運(yùn)行速度。目前 CPU一般設(shè)有一級緩存（ L1 Cache）和二級緩存（ L2 Cache）。一級緩存是由 CPU制造商直接做在 CPU內(nèi)部的，其速度極快，但容量較小，一般只有十幾 K。 PⅡ 以前的 PC一般都是將二級緩存做在主板上，并且可以人為升級，其容量從 256KB到 1MB不等，而 PⅡ CPU則采用了全新的封裝方式，把 CPU內(nèi)核與二級緩存一起封裝在一只金屬盒內(nèi)，并且不可以升級。二級緩存一般比一級緩存大一個數(shù)量級以上，另外，在目前的 CPU中，已經(jīng)出現(xiàn)了帶有三級緩存的情況。 繼電器選擇 繼電器是一種電控制器件。它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士 畢業(yè) 論文 25 稱輸出回路）之間的互動關(guān)系。通常應(yīng)用于自動化的控制電路中，它實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種 “ 自動開關(guān) ” 。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。 繼電器主要分為 電磁繼電器 ，固態(tài)繼電器，溫度繼電器，舌簧繼電器，高頻繼電器，時間繼電器等。 這里選用的為電磁繼電器。 電磁繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過 一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）釋放。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對于繼電器的 “ 常開、常閉 ” 觸點(diǎn)，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱為 “ 常開觸點(diǎn) ” ；處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱為 “ 常閉觸點(diǎn) ” 。繼電器一般有兩股電路，為低壓控制電路和高壓工作電路。 繼電器是具有 隔離功能的自動開關(guān)元件，廣泛應(yīng)用于遙控、遙測、通訊、自動控制、機(jī)電一體化及電力電子設(shè)備中，是最重要的控制元件之一。 繼電器一般都有能反映一定輸入變量（如電流、電壓、功率、阻抗、頻率、溫度、壓力、速度、光等）的感應(yīng)機(jī)構(gòu)（輸入部分）；有能對被控電路實(shí)現(xiàn) “ 通 ” 、 “ 斷 ”控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（輸出部分）；在繼電器的輸入部分和輸出部分之間，還有對輸入量進(jìn)行耦合隔離，功能處理和對輸出部分進(jìn)行驅(qū)動的中間機(jī)構(gòu)（驅(qū)動部分）。 作為控制元件，概括起來，繼電器有如下幾種作用： 1） 擴(kuò)大控制范圍： 例如，多觸點(diǎn)繼電器控制信號達(dá) 到某一定值時，可以按觸點(diǎn)組的不同形式，同時換接、開斷、接通多路電路。 2） 放大 ：例如，靈敏型繼電器、中間繼電器等，用一個很微小的控制量，可以控制很大功率的電路。 3） 綜合信號 ：例如，當(dāng)多個控制信號按規(guī)定的形式輸入多繞組繼電器時，經(jīng)過比較綜合，達(dá)到預(yù)定的控制效果。 4） 自動、遙控、監(jiān)測 ：例如，自動裝置上的繼電器與其他電器一起，可以組成程序控制線路，從而實(shí)現(xiàn)自動化運(yùn)行。 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士 畢業(yè) 論文 26 模擬 量 輸 出通道的 設(shè)計(jì) 壓力 模擬量輸出通道設(shè)計(jì)簡 述 壓 力控制 輸 出信道是整 個 控制系 統(tǒng) 的核心，也是 較為 復(fù) 雜 的控制 單 元，其直接 驅(qū)動 一 個電 液伺服 閥 ， 驅(qū)動 信 號為 7～ 7MA，具體信道 電 路如 下 圖 所示。 壓 力控制的 數(shù)字信 號經(jīng) 12位 A/D轉(zhuǎn)換 成 電壓 信 號 ， 經(jīng)過 適 當(dāng) 放大，再與 調(diào) 零 電 路迭加，得到 矯 正后的控制信 號 。后一 級為電壓 ／ 電 流 轉(zhuǎn)換電 路，把 電壓 信 號轉(zhuǎn)換 成 7～ 7MA內(nèi) 的 電 流信號輸 入到伺服 閥 的控制信 號 端， 從 而 實(shí)現(xiàn)壓 力的精確控制。 _+_+R?RPot SM12R?RPot SM_+R?RPot SM_+ 電液伺服閥選擇 電液伺服閥是電液伺服控制中的關(guān)鍵元件，它是一種接受模擬電信號后，相應(yīng)輸出調(diào)制的流量和壓力的液壓控制閥。電液伺服閥具有動態(tài)響應(yīng)快、控制精度高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于航空、航天 、艦船、冶金、化工等領(lǐng)域的電液伺服控制系統(tǒng)中。 發(fā)展過程 ： 液壓 控制技術(shù) 的歷史最早可追溯到公元前 240年，當(dāng)時一位古埃及人發(fā)明了人類歷史上第一個 液壓伺服系統(tǒng) —— 水鐘。然而在隨后漫長的歷史階段，液壓控制技術(shù)一直裹足不前，直到 18世紀(jì)末 19世紀(jì)初，才有一些重大進(jìn)展。在二戰(zhàn)前夕，隨著工業(yè)發(fā)展的需要，液壓控制技術(shù)出現(xiàn)了突飛猛進(jìn)地發(fā)展，許多早期的控制閥原理及專利均是這一時代的產(chǎn)物。如： Askania調(diào)節(jié)器公司及 AskaniaWerke發(fā)明及申請了射流管閥原理的專利。同樣 Foxboro發(fā)明了噴嘴擋板閥原理的專利。而德 國 Siemens公司發(fā)明了一種具有永磁馬達(dá)及接收機(jī)械及電信號兩種輸入的雙輸入閥，并開創(chuàng)性地使用在航空領(lǐng)域。 在二戰(zhàn)末期，伺服閥是用螺線管直接驅(qū)動閥芯運(yùn)動的單級開環(huán)控制閥。然隨著控長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士 畢業(yè) 論文 27 制理論的成熟及軍事應(yīng)用的需要，伺服閥的研制和發(fā)展取得了巨大成就。 1946年，英國 Tinsiey獲得了兩級閥的專利； Raytheon和 Bell航空發(fā)明了帶反饋的兩級閥； MIT用力矩馬達(dá)替代了螺線管使馬達(dá)消耗的功率更小而線性度更好。 1950年， 第一個發(fā)明了單噴嘴兩級伺服閥。 1953年至 1955年間， 兩級伺服閥； ； Wolpin發(fā)明了干式力矩馬達(dá)，消除了原來浸在油液內(nèi)的力矩馬達(dá)由油液污染帶來的可靠性問題。 1957年 Askania射流管原理研制了兩級射流管伺服閥。并于 1959年研制了三級電反饋伺服閥。 1959年 2月國外某液壓與氣動雜志對當(dāng)時的伺服閥情況作了 12頁的報(bào)道，顯示了當(dāng)時伺服閥蓬勃發(fā)展的狀況。那時生產(chǎn)各種類型的伺服閥的制造商有 20多家。各生產(chǎn)廠家為了爭奪伺服閥生產(chǎn)的霸權(quán)地位展開了激烈地競爭?；仡櫄v史，可以看到最終取 勝的幾個廠家，大多數(shù)生產(chǎn)具有反饋及力矩馬達(dá)的兩級伺服閥。我們可以看到 1960年的伺服閥已具有現(xiàn)代伺服閥的許多特點(diǎn)。如：第二級對第一級反饋形成閉環(huán)控制；采用干式力矩馬達(dá)；前置級對功率級的壓力恢復(fù)通?？蛇_(dá)到 50%；第一級的機(jī)械對稱結(jié)構(gòu)減小了溫度、壓力變化對零位的影響。同時，由早期的直動型開環(huán)控制閥發(fā)展變