【正文】 回路，也就成了一個(gè)開環(huán)控制系 統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。 閉環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)(closedloop control system)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出(被控制量)會(huì)反送回來(lái)影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。 開環(huán)控制系統(tǒng) 開環(huán)控制系統(tǒng)(openloop control system)是指被控對(duì)象的輸出(被控制量)對(duì)控制器(controller)的輸出沒(méi)有影響?？删幊炭刂破?PLC) 是利用其閉環(huán)控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制，而可編程控制器(PLC)可以直接與ControlNet相連，如Rockwell的PLC5等。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器 （儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器 (intelligent regulator)，其中PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。控制器的輸出經(jīng)過(guò)輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過(guò)傳感器，變送器，通過(guò)輸入接口送到控制器。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時(shí)，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。 控制系統(tǒng)：如圖2. 1所示，主要包括稱重傳感器、信號(hào)放大器、輸入輸出接口、ARM控制器、可控硅、鍵盤和LED顯示部分。開始稱量時(shí)，啟動(dòng)給料裝置，打開給振斗，物料即從料倉(cāng)下落到皮帶上。根據(jù)不同物料的要求，可以配置不同的給料裝置。 此系統(tǒng)可分為設(shè)備系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分。 、稱量、卸料、報(bào)警等動(dòng)作。研究目標(biāo)：盡量減小配料誤差，保證配料精度，把時(shí)下流行的ARM控制技術(shù)和先進(jìn)的配料工藝完美結(jié)合, 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化和管理科學(xué)化。而LPC2131是一個(gè)基于支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32／16位ARMTTDMISTM CPU的微控制器，并帶有32KB的嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器，它不但處理速度快，而且損耗也很低。 本章小結(jié) 本章簡(jiǎn)單介紹了國(guó)內(nèi)外有關(guān)計(jì)量配料行業(yè)技術(shù)的歷史和發(fā)展?fàn)顩r，根據(jù)目前工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)定量配料控制系統(tǒng)的要求明確了具體的設(shè)計(jì)目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)方案，并總結(jié)了定量配料控制系統(tǒng)在各種工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的一些實(shí)際應(yīng)用。例如采礦中選礦廠入磨礦量計(jì)量與控制、輸出鐵精礦的計(jì)量、煉鐵的部分原料的計(jì)量和控制、燒結(jié)原料與原燃料的計(jì)量與控制、部分煉鋼廠輔料的計(jì)量與控制；冶金企業(yè)自備焦化廠的配煤計(jì)量與控制、輸出焦炭計(jì)量控制；自備發(fā)電廠煤耗計(jì)量與控制；自備水泥廠、耐火材料廠相應(yīng)物料的計(jì)量和控制等。因此實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)配料對(duì)工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。在工業(yè)生產(chǎn)中，很多情況下是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作人員按照配比，人工調(diào)節(jié)給料機(jī)的給料量。時(shí)至今日，雖然核子皮帶秤、固體質(zhì)量流量計(jì)、沖量式流量計(jì)、失重式秤、轉(zhuǎn)子秤等多種固體物料連續(xù)計(jì)量設(shè)備也有一定規(guī)模的應(yīng)用，但他們?nèi)詿o(wú)法與電子皮帶秤抗衡，也無(wú)法撼動(dòng)電子皮帶秤作為固體物料連續(xù)自動(dòng)稱重主流計(jì)量設(shè)備的地位。在德國(guó)申克（SCHENCK）公司的歷史回顧資料中，可看到“1902年，皮帶秤”這一段產(chǎn)品編年史，表明該公司1902年就有皮帶秤產(chǎn)品。赫爾伯特Merrick）發(fā)明了一種皮帶輸送機(jī)使用的稱重設(shè)備，據(jù)稱那是世界上第一臺(tái)根據(jù)皮帶速度和重量用機(jī)械方法進(jìn)行計(jì)算的動(dòng)態(tài)稱重設(shè)備，這一發(fā)明完全改變了原有測(cè)量固體物料流量的方法。1908年，美國(guó)一個(gè)年輕人赫爾伯特基于以上情況，設(shè)計(jì)了新的基于ARM7的自動(dòng)定量配料控制系統(tǒng)：采用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)一體化的電子稱量裝置，滿足并解決了現(xiàn)實(shí)生活中提出的快速、準(zhǔn)確、連續(xù)、自動(dòng)稱量要求，同時(shí)有效地消除人為誤差，使之更符合法制計(jì)量管理和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制的應(yīng)用要求。 隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，人們以往的想法現(xiàn)在大多已變成現(xiàn)實(shí)，這是集人們的智慧、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等綜合應(yīng)用的結(jié)果。配料系統(tǒng)普遍存在的問(wèn)題是：配料精度低，機(jī)電控制部分的可靠性差，缺少數(shù)據(jù)庫(kù)管理生產(chǎn)以及對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)視。在工業(yè)高速發(fā)展的今天，作為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)的配料工序，由于其配料精度直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，所以傳統(tǒng)的手工配料計(jì)量的方法，已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)精度以及人們對(duì)物質(zhì)的大量、更高的需求，那么如何搭建供需之間的橋梁呢？國(guó)內(nèi)配料廠前期投入使用的微機(jī)配料系統(tǒng)大部分是國(guó)外引進(jìn)的。由于它用途廣泛，對(duì)提高給料系統(tǒng)的自動(dòng)化程度就有重要的現(xiàn)實(shí)意義。江西理工大學(xué)2008屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）電子皮帶秤是皮帶輸送機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在生產(chǎn)領(lǐng)域中，各種原材料之間的配比精度對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定和產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量有重要影響。定量配料系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于水泥建材、冶金化工、電力煤炭等行業(yè)粉體連續(xù)輸料的流量測(cè)量與定量給料的工業(yè)環(huán)節(jié)，如水泥廠入窯煤粉的定量給料及輸送就是一個(gè)典型的例子，其供料過(guò)程中的穩(wěn)定性、均勻性等問(wèn)題是影響計(jì)量精度的主要因素。本文的自動(dòng)定量配料系統(tǒng)是根據(jù)國(guó)內(nèi)外智能配料系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r和趨勢(shì)，結(jié)合企業(yè)實(shí)際需求的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的配料系統(tǒng)計(jì)量裝置；它采用 ARM控制器作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，具有原理先進(jìn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、給料均勻可靠、測(cè)量準(zhǔn)確等特點(diǎn)。隨著我國(guó)電腦工業(yè)的發(fā)展，微機(jī)配料系統(tǒng)已逐步國(guó)產(chǎn)化，我國(guó)許多科研、生產(chǎn)單位都投入到開發(fā)生產(chǎn)的行列。配料精度低的主要原因是電子秤系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性范圍小，而可靠性差主要是中間繼電器和微機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性低所致。由于各行業(yè)對(duì)配料的效率和精度要求越來(lái)越高，所以研制高效率、高精度自動(dòng)配料生產(chǎn)線勢(shì)在必行。電子皮帶秤是皮帶輸送機(jī)輸送固體散狀物料過(guò)程中對(duì)物料進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)稱重的一種計(jì)量設(shè)備，它可以在不中斷物料流的情況下測(cè)量出皮帶輸送機(jī)上通過(guò)物料的瞬時(shí)流量和累積流量。梅里克（Herbert這種根據(jù)重力測(cè)量固體物料流量的設(shè)備后來(lái)被稱為梅里克型機(jī)械式皮帶秤。梅里克用這項(xiàng)發(fā)明成立了梅里克（Merrick）公司，開始生產(chǎn)皮帶秤。國(guó)外從上世紀(jì)五十年代開始使用電子皮帶秤，國(guó)內(nèi)則從1965年開始研制生產(chǎn)電子皮帶秤。在企業(yè)生產(chǎn)工藝過(guò)程中，需要將各種原料按照一定的比例配成混合物料，配比的準(zhǔn)確性以及配料系統(tǒng)的可靠性都將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。其缺點(diǎn)是給料量的大小完全靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)或人工跑盤的結(jié)果來(lái)決定，配比精度較差，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，自動(dòng)化水平極低。 在冶金、水泥、化工等企業(yè)里高精度的自動(dòng)配料系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)所，并貫穿于大部分生產(chǎn)工序。綜上所述，基于電子皮帶秤的定量配料控制系統(tǒng)在冶金企業(yè)內(nèi)部應(yīng)用十分廣泛，它直接影響著生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和產(chǎn)品質(zhì)量。第二章 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 配料是冶金、建材、化工等行業(yè)的典型生產(chǎn)工藝，近年來(lái)，采用電子皮帶秤配料方式的配料系統(tǒng)依然盛行，主要是該配料方式具有計(jì)量準(zhǔn)確、維護(hù)簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。本文所設(shè)計(jì)的配料系統(tǒng)是一種基于常用的皮帶秤式稱重裝置，它的上料與下料過(guò)程均由ARM進(jìn)行控制，成本低、精度高。具備以下幾個(gè)功能： 　，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、查詢等功能。針對(duì)以上工藝要求和系統(tǒng)功能要求開發(fā)了能滿足要求的配料控制器。 設(shè)備系統(tǒng)：主要包括一個(gè)裝料倉(cāng)、一臺(tái)下料電磁振動(dòng)給料機(jī)、皮帶傳動(dòng)裝置等3個(gè)部分。粉料如水泥等可以選擇螺旋給料裝置，砂和石子可以采用料門給料裝置，而水等液料則采用電磁閥給料裝置，物料送到稱重顯示控制器。當(dāng)傳感器檢測(cè)到的物料實(shí)際重量滿足實(shí)際要求時(shí)，就可保持原樣下料，反之則多減少補(bǔ)。圖2. 1 控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖 控制模塊—PID控制 目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。智能 控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接 口。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、 變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制 器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。還有可以實(shí)現(xiàn) PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix產(chǎn)品系列，它可以直接與ControlNet相連，利用網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來(lái)以形成任何閉環(huán)回路。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號(hào)與系 統(tǒng)給定值信號(hào)相反，則稱為負(fù)反饋( Negative Feedback)，若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。比如人就是一個(gè)具有負(fù)反饋 的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋，人體系統(tǒng)能通過(guò)不斷的修正最后作出各種正確的動(dòng)作。另例，當(dāng)一臺(tái)真正的全自動(dòng)洗衣機(jī)具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動(dòng)切斷電源，它就是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的期望輸出與實(shí)際輸出之差。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性(stability)，一個(gè)系統(tǒng)要能正常工作，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的；準(zhǔn)是指控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、控 制精度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)(Steadystate error)描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差；快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，通常用上升時(shí)間來(lái)定量描述。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或 不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。 積分（I）控制：控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。微分（D）控制：控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能 夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。 PID控制器的參數(shù)整定 PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng) 曲線法和衰減法。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需 要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩， 記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。 采樣模塊—A/D 轉(zhuǎn)換器 A/D 轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字信號(hào)，即將模擬量轉(zhuǎn)換成與其成比例的數(shù)字量。在具體實(shí)施時(shí)，常把這四個(gè)步驟合并進(jìn)行。量化和編碼是在轉(zhuǎn)換過(guò)程中同步實(shí)現(xiàn)的，而且所用的時(shí)間又是保持的一部分。為了保證能從采樣信號(hào)中將原信號(hào)恢復(fù)，必須滿足條件 (21) 其中f s為采樣頻率，f i(max) 為信號(hào) u i 中最高次諧波分量的頻率。 AD 轉(zhuǎn)換器工作時(shí)的采樣頻率必須大于等于式（21）所規(guī)定的頻率。因此，采樣頻率通常取fs=(35)fi(max) 已能滿足要求。采樣時(shí)令 u L =1 ， S 隨之閉合。=u i。通過(guò) R 2 對(duì)外接電容 C h 充電，使 u ch =u i 。當(dāng) u L =0 時(shí)，S斷開，采樣結(jié)束，由于u ch 無(wú)放電通路，其上電壓值 基本不變，故使 u o 得以將采樣所得結(jié)果保持下來(lái)。在沒(méi)有 D 1 和 D 2 的情況下，如果在 S 再次接通以前 u i 變化了，則uo39。與u i不再保持線性關(guān)系，并使開關(guān)電路有可能承受過(guò)高的電壓。比uo所保持的電壓高出一個(gè)二極管的正向壓降時(shí)， D 1 將導(dǎo)通，uo39。這里的 U D1 表示二極管 D 1 的正向?qū)▔航怠１萿o低一個(gè)二極管的壓降時(shí)，將uo39。在 S 接通的情況下，因?yàn)閡o39。 圖2. 3 采樣保持電路 量化與編碼 為了使采樣得到的離散的模擬量與 n 位二進(jìn)制碼的2n 個(gè)數(shù)字量一一對(duì)應(yīng)，還必須將采樣后離散的模擬量歸并到2n個(gè)離散電平中的某一個(gè)電平上，這樣的一個(gè)過(guò)程稱之為 量化 。量化和編碼是所有 AD 轉(zhuǎn)換器不可缺少的核心部分之一。這就是說(shuō)，在進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換時(shí)，任何一個(gè)被采樣的模擬量只能表示成某個(gè)規(guī)定最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，所取的最小數(shù)量單位叫做 量化單位 ，用△表示。把量化的結(jié)果用二進(jìn)制碼，或是其他數(shù)制的代碼表示出來(lái)，稱為編碼 。 既然模擬電壓是連續(xù)的，那么它就不一定是△的整數(shù)倍，在數(shù)值上只能取接近的整數(shù)倍，因而量化過(guò)程不可避免地會(huì)引入誤差。A/D 轉(zhuǎn)換器的分類 按轉(zhuǎn)換過(guò)程，AD 轉(zhuǎn)換器可大致分為直接型 AD 轉(zhuǎn)換器和間接 AD 轉(zhuǎn)換器。常用的電路有并行比較型和反饋比較型兩種。 AD 轉(zhuǎn)換器的大致分類如圖2. 4所示。分辨率是指引起輸出二進(jìn)制數(shù)字量最低有效位變動(dòng)一個(gè)數(shù)碼時(shí)，輸入模擬量的最小變化量。也就是說(shuō)， AD 轉(zhuǎn)換器的分辨率，實(shí)際上反映了它對(duì)輸入模擬量微小變化的分辨能力。但超出了 AD 轉(zhuǎn)換器分辨率的極限值，再增加位數(shù)，也不會(huì)提高分辨率。 l 轉(zhuǎn)換時(shí)間 表示完成一次從模擬量到數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，它反映了 AD 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。雙積分 AD 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間一般在幾十至一、二百毫秒。 檢測(cè)模塊—稱重傳感器 準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和可靠性是稱重傳感器的重要質(zhì)