温度自动控制系统,自动温度控制系统

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2022温度自动控制系统,自动温度控制系统正文内容

目前,船舶主机缸套冷却水温度的自动控制大多使用的是模拟式调节仪表,由电子器件的逻辑运算输出控制信号来驱动继电器,从而对电动机进行转向控制,实现对温度的控制。从整体上看主要存在以下两个明显的缺点:一是采用的元器件比较落后,导致电路较为复杂,使用的逻辑元器件也较多,增加了备件管理和维护工作的难度;二是由于系统整体比较复杂和模拟仪表的实现功能的限制,这些温度控制器都采用了较简单的控制规律,不能提供很好的控制性能。综合这些不利因素,此类控制系统已经无法满足日益提高的控制性能需求,必须采用新的控制方式。

鉴于此,决定用单片机来控制船舶主机缸套冷却水的温度。单片机具有高精确度、高灵敏度、高响应速度,以及耗能少、机构小、可以连续测量、自动控制、安全可靠等优点。同时,其逻辑控制运算是由软件来进行的,可以容易地实现各种控制规则,甚至是比较复杂的控制算法,而且很少受外界工作环境的影响。因此,单片机可以安全可靠地运行,并且智能地控制冷却水的温度稳定在某一给定值,或者给定值附近,使得船舶柴油机冷却水温度测控满足现代远洋船舶的要求[1]。

1 船舶主机缸套冷却水温度控制技术发展历程

1.1 直接作用式控制方式

在20世纪50年代末期,船舶柴油机冷却水温度控制是采用直接作用方式。这是一种早期的反馈式控制方式。其特点是,不需要外加能源,而是根据在冷却水管路中的测量元件内充注的工作介质的压力随温度成比例变化而产生的力来驱动三通调节阀,进而改变流经淡水冷却器的淡水流量和旁通淡水流量,从而实现温度调节。

这种控制方式的缺点是显而易见的,测量元件内充注的工作介质对密封性要求很高,如果测量元件内充注的工作介质泄漏,那么其本身的压力就不能随温度成比例进行变化,因而使得温度控制失去作用。同时,其控制精度不高,冷却水温度变化较大,对船舶柴油机的稳定运行也会不利。

1.2 气动式控制方式

在20世纪70年代末期,船舶柴油机冷却水温度控制是采用气动式作用方式。其特点是,利用感温元件和温度变送器,把气缸冷却水温度的变化成比例地转变成气压信号的变化送至调节器,与调节器的给定信号相比较,其偏差信号经调节作用规律运算后,成为调节器输出的控制气压信号去调节温度。

它也存在着一些问题,例如系统对气体的密封性和压力要求同样很高,对运输和储存气体的管系的密闭性要求也很高,如果控制气压信号有所损失,就会使得控制精度降低,效果变差。因此,这种控制方式现在也很少采用了。

1.3 电动式控制方式

在20世纪80年代中期,船舶柴油机冷却水温度控制是采用电动式作用方式。这也是目前远洋船舶上主要采用的温度控制方式。它的作用方法是,利用安装在船舶柴油机气缸冷却水进口或者出口管路中的感温元件,通常为电阻数值与温度变化在一定范围内成线性变化的热敏电阻,经分压器分压把冷却水温度成比例地转换为电压信号,这个测量信号与由电位器整定的给定值电压信号相比较得到偏差信号,再经过比例微分作用,输出一个控制信号,并将此控制信号送至脉冲宽度调制器,将连续的控制信号变成断续的脉冲信号去调节冷却水温度[2]。

尽管此类电动控制系统的控制精度和效果可以在一定程度上满足船舶运行的需求,但是并不说明这种控制方式是完美无缺的。首先,这些控制系统的调节器采用了较为简单的

控制规律,比如比例微分(PD)控制规律或者比例积分(PI)控制规律,若采用PD 控制会出现静态误差,使系统长时间偏离最佳工作点运行;若采用PI 控制,则对于冷却水温度这样具有较大惯性的被控对象,会因为缺乏超前的控制作用而产生较大的超调量,使得系统动态特性较差,而且调节阀的开度改变以后,温度传感器不能马上反映出调节作用的结果,存在滞后,难以得到满意的控制效果。其次,这种控制系统的测量和控制部分,是利用一些电子器件进行逻辑运算输出的,它的缺点就是一旦逻辑输出部分机械部件出现故障,则整个测控系统的控制能力和精度就会出现故障,其工作效果大打折扣。而冷却效果的变差,将会产生严重的后果,例如,船舶主机气缸和活塞温度的升高、润滑油随温度的升高使粘度降低而造成机械运动的磨损,缩短了柴油机的使用寿命等。

2 温度控制系统介绍

2.1 系统的构成

首先,介绍一下现代远洋船舶绝大多数所采用的中央冷却系统的工作过程。利用船舷外的海水泵输送海水进入中央冷却系统,来冷却低温淡水,被冷却后的低温淡水再去冷却船舶主柴油机气缸套和气缸盖的高温淡水。因此,这种冷却系统中就有两个冷却水回路:一个是低温回路,就是由舷外海水来冷却低温淡水的回路,因为海水的流入和流出不是一个闭合的过程,因此又称为开式冷却;另一个是高温回路,就是由低温淡水来冷却高温淡水的回路,因为低温淡水和高温淡水的流动是一个循环利用的过程,因此又称为闭式冷却。在这种冷却系统中,由于舷外海水不再接触各种热交换器和船舶主柴油机的冷却空间,因而避免了海水引起的腐蚀,提高了设备和系统的安全可靠性以及设备使用寿命。此设计中主要研究高温淡水循环。图2-1为船舶中央冷却系统简化框图。

图2-1 船舶中央冷却系统简化框图

整个船舶主机冷却水温度控制系统主要是由单片机测控平台、温度传感器组、执行机构,以及控制软件等部分组成的。

其中,温度采集模块是由分布在柴油机冷却水系统各部分的温度传感器组成的,采用了具有良好性能的感温元件,用来测量冷却水的温度;单片机测控平台内置单片微处理器,由温度采集接口电路、键盘与显示电路、以及执行机构接口电路所组成,可以对柴油机冷却

水的温度进行监控,对执行机构发出控制指令,实现温度的检测与控制[3]。

2.2 系统各组成部分功能说明

下面分别对单片机测控平台、温度传感器组、执行机构和控制软件等部分进行详细的说明:

1) 单片机测控平台

单片机测控平台是整个温度控制系统的重要组成部分,它要获取温度传感器组的测量数据,并且与温度设定值进行比较,同时输出控制信号到执行机构,实现温度的检测与控制。

系统控制过程是,当测量温度比设定温度高时,单片机断续输出控制信号,经过光电隔离和驱动放大后,输出给增大输出继电器,继电器控制三相伺服交流电动机断续运转,使得连接在电机上的三通调节阀转动,减少不经冷却器的旁通水量,增加经冷却器的淡水量;若是测量温度比设定温度低时,单片机断续输出控制信号,经过光电隔离和驱动放大后,输出给减小输出继电器,继电器控制三相伺服交流电动机断续运转,使得连接在电机上的三通调节阀转动,增加不经冷却器的旁通水量,减少经冷却器的淡水量。经过此自动控制过程,使主机缸套冷却水温度稳定在设定数值,或是设定数值附近,从而达到自动控制温度的目的。

2) 温度传感器组

本系统采用了具有良好性能的铂热电阻pt100,用来测量冷却水的温度。同时,为了保证测量的准确性,采用了多点测量的方法,即在主机缸套冷却水的进口和出口,及缸套壁处都安装了温度传感器,分别测量这几点的温度,然后单片机控制多路开关,分别采集这几点的温度数值。在某一时刻,单片机采集的是某个点的温度实际数值,然后与该点的设定数值相比较,再输出控制信号。

3) 执行机构

执行机构是指进行温度调节的机械装置,即控制继电器、三相伺服交流电动机和三通调节阀。由于水是一种大惯性的传热介质,当控制系统对水温进行调节时,由于冷却水的热容量大,温度响应速度很慢,水温并不是立即调整到指定数值,而是一个缓慢、渐进的变化过程,因此,就需要执行机构进行断续地控制,以一定量的延迟时间来确定水温的变化。 利用继电器接受单片机发出的间断的控制指令,控制三相伺服交流电动机断续运转,带动三通调节阀的转动,改变三通调节阀的开度,进而改变冷却水的温度。通过单片机控制指令的改变,来改变选择增大输出继电器和减小输出继电器,进而改变三相伺服交流电动机的转动方向,来控制三通调节阀的开度,最终起到自动控制温度的作用。

4) 控制软件

单片机测控系统运行软件是烧录在单片机程序存储器中,控制单片机运行的程序,它包括主程序、采样(A/D转换)子程序、带smith 顶估器的PID 算法子程序、报警处理程序、键盘和显示子程序等。

2.3 系统的性能指标

2.3.1 系统主要的技术指标

1) 测温范围

因为被控参数是水,其工作状态始终是液态,所以其工作温度就是在0-99.9℃之间。用三位LED 数码管显示,其显示数值范围是000-999,代表温度范围是0-99.9℃。

2) 多点测量

分别在主机缸套冷却水的进口和出口、及缸套壁上安装了温度传感器,可以对任意一个测量点的温度进行监控和设置,方便调节。

3) 设定温度

用户可以自行设定任何一个测量点的温度数值,数字小键盘输入、三位LED 数码

管显示,其显示数值范围是000-999,代表温度范围是0-99.9℃。

4) 报警功能

当温度测量数值偏离设定数值±5℃时,系统会自动报警,以提醒轮机管理人员注意,及时查明故障原因和解决问题。

2.3.2 系统的性能特点

1) 系统整体造价低

本系统由于选用了单片机作为控制核心,使得系统整体的成本控制在有限的范围内。同时,外围控制电路都选用了目前市场上常见的一些元器件,比如温度传感器、A/D转换元件,以及LED 数码管等,其成本均不高,使得本控制系统具有良好的性价比。

2) 控制精度高

由于采用了高精度的温度传感器和性能良好的信号调制电路,使得温度控制的精度进一步提高,运用8位A/D转换单元,使得系统控制精度达到0.4℃,足以满足温度控制的要求。

3) 可控点多,扩展性能好

本系统采用了多点测温的方法,单片机可以利用多路开关来选择测控点,从而可以分别对缸套冷却水的不同部位进行监测,了解整个主机的运行状态。

3 系统的硬件设计

3.1 系统电路结构原理图

温度控制系统的硬件电路结构原理图如下图3-1所示。

图3-1硬件电路结构原理图和电路图

本测控系统采用了AT89C51作为微处理器,采用铂电阻(pt100)作为温度传感器,与运算放大器相结合构成精密测温电路,采用了ADC0809芯片作为精密测温电路与单片机的转换通道。接触式编码器用来指示柴油机油门的位置。键盘矩阵采用2行3列非编码方式,显示部分为3位LED 数码管显示。系统输出环节通过单片机输出口传递输出控制信号,经光电耦合4N25和模拟开关CD4052后去控制继电器的通断,进而控制三相伺服交流步进电机的旋转。

3.2 系统各主要模块介绍

如图3-1所示,系统的硬件结构主要由温度检测电路、A/D转换电路、键盘与显示电路、报警电路、驱动电路和输出控制电路等部分组成。下面,分别对几个主要模块进行详细介绍。

1) 主控单元

主控单元采用A TMEL 公司的AT89C51控制芯片。AT89C51是一种高性能、低电压、低功耗的8位CMOS 微型处理器,具有40针脚,与51系列单片机的指令、管脚完全兼容。它具有4K 字节的片内程序存储器,并且是FLASH 工艺的,这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写,同时,写入单片机内的程序还可以进行加密,因而可以有效地保存数据信息。由于主要用于冷却水温度的测控,片内具有的4K 字节己经能够满足系统设计需求。此外,AT89C51还具有128字节RAM,32条可编程I/O线,2个16位可编程定时/计数器,6个中断源,1个串行I/O口,片内振荡器和时钟电路[4]。

在控制软件的支持下,CPU 对外围电路进行控制、计算,将温度检测电路输入的温度测量数值进行处理,并扫描、显示,同时将计算得到的控制结果输出给控制电路对执行

机构进行操作,完成整套控制过程。

AT89C51的接口电路有ADC0809、8279、4N25和CD4052等芯片。其中,ADC0809作为温度测量电路的输入接口,8279用于键盘、LED 数码管显示电路的接口,4N25和CD4052控制系统输出,包括光电耦合和模拟开关等元器件。

图3-2是A T89C51芯片管脚分配示意图。

图3-2 AT89C51芯片管脚分配示意图

2) 温度检测电路

温度传感器采用的是铂电阻pt100,带有不锈钢钢套,具有良好的精度指标和稳定性,在0-150℃的范围内,其电阻值与温度成线性变化,温度系数大约为+0.4Ω/℃,性能优良,成本低。当铂丝温度上升时,其电阻阻值也随之增加。其温度(0-100℃时) 与阻值的关系如下表3-1所示[5]。

表3-1 pt100铂电阻温度与阻值的关系

温度(℃) 0 25 50 75 100

阻值(Ω) 100 109.73 119.40 128.98 138.50

可见,其关系并不是严格线性的,不过由于温控系统对温度精度要求不高,可以按照线性关系处理。图3-3给出了温度测量电路的结构图。

(1) (2)

(3)

图3-3温度检测电路

如图3-3所示为温度检测电路中的测量电桥,从图中(1)中的A 、B 两端向左看进去,运用戴维南定理和叠加原理,可以将图中(1)的电桥放大电路转化为等效的差动放大电路,如图中(2)所示。

由运算放大器的基本电路理论可得:

(3-1)

其中,U+为电桥电压,Rt 为铂热电阻ptl00。

电桥的输出为:

(3-2)

取R1=R2, Rt=R4,且R1 、R2远大于Rt 、R4, ,则有:R2//R4+RF≈RF;R1//Rt+RF≈RF;所以,得到:U0≈RF/R4·ΔU,即U0 ∝ΔU,电桥放大电路的增益为:

(3-3)

根据测温要求,当t=0 ℃时,U0=0V;当t=100℃时,U0=5 V。

取R1=R2=10kΩ,R4=100Ω:

①当t=0 ℃时,Rt =100 ℃,故电桥平衡,ΔU0 =OV,U0 =OV;

②当t=100℃时,R=138. 50Ω(查铂热电阻pt100的温度阻值表) ,取U+=5V , 由式

子(3-2)得: 。

因此,当要求输出电压U0=5V时,由式子(3-3)可知,电压放大倍数应为:AF=U0/ΔU=5000mV/18.799mV=266

故应选择RF 的阻值为:RF=AF*R4=266×100=26600Ω,可取标称电阻为RF=27K。 如上图3-3所示,测量电桥的输出端串接两个电阻和一个电位器是为了系统调零作用,因为电桥各臂的电阻并不一定完全满足条件:R1R4=R2Rt,即在0℃时,电桥有一定的输出,可以通过调节电位器RP 即可调零。图中,RP=47kΩ,R5=R6=100kΩ。

3)A/D转换电路

A/D转换电路中采用了比较常用的ADC0809芯片。ADC0809是一种8位逐次逼近式A/D转换器,它由8通道模拟开关和A/D转换两部分组成,其转换时间大约为100μs,转换精度为0.4℃。由于冷却水是大惯性的传热介质,ADC0809的此项性能指标已经满足了温度控制的时间和精度,因此,选择ADC0809作为模拟/数字转换芯片,使系统成本较低。 图3-4给出了ADC0809与A T89C51接口图。在硬件连接时,IN0-IN7为8路通道模拟开关,只需要其中IN0一路用以转换电路,故其他各路直接接地[6]。

温度传感器传来的检测信号经过模拟/数字转换后,变成单片机可以识别的数字信号,从而可以对冷却水温度进行比较。

图3-4 ADC0809接口电路示意图

4) 接触式编码器

接触式编码器是一种位置反馈和测量元件,具有结构简单、可靠性高、分辨率高、精度高、体积小、重量轻等特点。将码盘与油门指针同轴连接,旋转时即输出一系列脉冲,送到计数器即可推算出油门所转过的角度。其中码盘是转角的数字编码器,在绝缘材料圆盘上粘贴导电铜箔,利用电刷与铜箔接触与否代表逻辑“0”和“l”,铜箔的形状按二进制规律设计。四位二进制码盘分为导电区和绝缘区,所有导电部分连在一起接高电位,四个互相独立的电刷沿同一径向放置,并分别与四个码道相接触,各电刷经电阻接地,四个电刷上输出四位二进制代码。当电刷与码盘的导电部分接触时,输出为高电平“1”;而与码盘的绝缘部分接触时,输出为低电平“0”。这样,当码盘与油门指针一起转动时,静止的电刷将输出一个与油门角位置相应的二进制数码[7]。

5) 键盘与显示电路

由于CPU 管脚的数量有限,因此在键盘和显示电路的设计时,采用了8279可编程的键盘显示专用扩展I/O接口芯片,它本身能够提供键盘、显示控制所需的扫描信号,因此可以代替单片机完成键盘、显示的控制。其中,键盘矩阵采用2行3列非编码方式,采用软件查询方法来设计,低电平有效。显示部分为3位LED 数码管显示,显示的内容是温度数值的十位、个位和小数点后一位。键盘控制的方式是采用8279扫描键盘,判断是否有按键按下,进而判断按键的内容,送至AT89C51处理。

显示程序的执行过程是:首先AT89C51通过P2.1口选通8279,低电平有效,然后把将要显示的数字,其相应的字型码送至DB 口,接下来设置位选信号,利用SL1、SL2分别设置0或者1,分别选择要显示的LED 数码管(共阴极) ,8279将要显示的数字通过OUTB 和OUTA 口显示在LED 数码管上,同时把将要显示的数字转换成7段码形式,编写成数据表格的形式,存储在单片机内部存储空间里[8]。图3-5给出了键盘与显示电路图。

图3-5键盘与显示电路图

在小键盘上有六个按键,分别是“设置状态”按键、“运行状态”按键、“数值增加”按键、“数值减少”按键、以及“高温”按键和“低温”按键。当系统开机运行时,其温度设定值由软件编制时事先设置好,当需要改变数值时,首先按下键盘的“设置状态”按键,使显示部分切换到设定值的显示,然后由键盘的“高温”或者“低温”键切换到需要更改的温度显示,此时,三位LED 数码管中的最低一位开始闪烁,再由“数值增加”或“数值减少”按键输入所需设置的数值,可以改变设定数值。当设定好新的数值后,再次按下“运行状态”按键,切换到系统运行状态,这时三位LED 数码管所显示的就是测量温度数值。

6) 声光报警电路

为了系统的安全运行,本系统对冷却水温度进行了上限或下限声光报警处理,如图3-6所示[9]。

图3-6报警电路和上、下限报警判断

系统采用了如下的判断报警方法:以冷却水温度设定值T 设为参考数值,则温度变化的上限是T 上=T设+5℃,下限是T 下=T设-5℃。当测量到的冷却水温度持续增加,高于上限T 上,即T>T上时,则上限报警状态值THA=1;当测量到的冷却水温度持续减少,低于下限T 下,即T

图3-6中左侧是实现超限声光报警的电路。采用一片时基集成电路NE555,将其接成振荡工作状态,同时将NE555的复位端“4”与AT89C51的P2.5引脚反相连接。当系统被测参数在正常范围内时,A T89C51的P2.5引脚输出端为高电平,经过反相后为低电平,这样,NE555的复位端“4”处于低电平(零电位) ,NE555电路处于稳态,被迫停止振荡,则输出端“3”恒为低电平,扬声器(SP)无声,9014三极管(NPN极性) 截止,报警灯不亮,使报警电路不工作;当系统被测温度出现高于上限或者低于下限的情况时,即上、下报警状态值(THA,TLA ) 为1, A T89C51启动自身定时器,使其P2.5引脚输出端输出连续脉冲波形(或连续方波) ,这样,NE555时基电路根据其复位端“4”的信号变化,在它的输出端“3”产生频率的输出,输出信号给继申器(J)动作信号,继电器常开开关闭合,推动扬声器(SP )工作,获得声音报警信号,报警灯同步闪亮。

7) 执行机构

AT89C51根据采样的温度数值对其进行相应规则的计算、处理、判断后,得出控制结果,从AT89C51的P2口输出相应的控制信号,此控制信号为0,1(低、高电平) 连续脉冲信号,经过光电隔离器4N25和CD4052后,让控制继电器动作,再经过继电器控制三相伺服交流步进电机,步进电机是以脉冲方式进行工作的,线圈中每输入一个脉冲,转子就旋转一个步距角,因此,可以由电机的正转或者反转来调节三通调节阀的开度,因而使冷却水温度得到控制。

3.3 系统电路图及各硬件的口地址

系统电路图如图3-7。根据系统的电路图,可以得到各元件的地址,如表3-2所示。

表3-2 I/O口地址表

芯片型号 位置 地址

ADC0809 IN0~IN7 0C00H~0C07H

8279 输入端 0D00H

NE555 输入端 2000H

CD4052 输入端 4000H/8000H

图3-7 系统电路图

4 系统的软件开发

4.1 温度算法的确定

为了方便确定系统的控制算法,可画出系统控制框图,如图4-1所示。

图4-1系统控制框图

4.1.1 前馈控制

冷却水的扰动主要是热负荷的变化,而热负荷的变化可通过功率的变化来反映,因此针对其惯性较大,可以在PID 反馈控制的基础上,引入以功率作为热负荷信号的前馈控制,从而优化控制性能。在前馈-反馈控制系统中,由于有反馈控制来保证被调量最终等于给定值,可以降低对前馈控制的要求,使前馈调节器可以选用比较简单的动态特性和结构形式;另一方面,由于有了前馈控制来抵消某些主要扰动,使被调量不致出现过大的动态偏差,因此反馈控制可以较慢的进行[10~11]。

图4-1中,Gp1是主对象,Gp2是输入的扰动对象,Controller 是本系统的温度控制算法。当编码器采集到负荷增加较大时,比如增量超过20%,前馈调节器迅速减少通过旁通阀的流量,让通过冷却通道的冷却水流量增加;当编码器采集到负荷降低较大时,前馈调节器则迅速增加通过旁通阀的流量,让通过冷却通道的冷却水流量减少。这样就可以进行提前调节,在缸套温度明显上升前进行预调。当然前馈控制是“利用扰动补偿扰动”,无法保证每个功况下进行无差补偿,即,只有前馈调节不能对水温进行精确地控制,所以前馈控制只能是一种粗调,必须引入反馈控制环节。

4.1.2 反馈控制

前面已经分析过,船舶柴油机冷却水的温度控制系统具有明显的纯滞后特性。因此,在确定冷却水温度控制系统的传递函数时,必须要考虑到此纯滞后特性。一般来说,冷却水温度变化滞后于控制作用的时间为t ,则t 应该由以下的表达式给出,即t=L/v。其中,L 是

冷却水流经管路的长度,单位是米(m) , v是冷却水流动速度,单位是米/秒(m/s)。滞后时间t 的单位秒(s)。在不同船舶的中央冷却系统中,系统的管路长度和水流速度都是不同的,要根据具体的情况进行具体分析和计算。

目前应用在远洋船舶上的大多数模拟式冷却水温度调节器都是采用的相对简单的控制规律。比如,MR-Ⅱ型调节器采用了PD 调节规律(比例微分调节规律) ,由于此类调节器的调节作用中没有积分调节作用,而积分环节的作用是消除静态误差,提高系统的无差度。因此,在系统中必然会产生静态误差,因而就会出现长时间使被控对象脱离最佳工作点的情况,使得执行机构反复进行执行动作,加速了执行机构的磨损等;而另一种常见的冷却水温度调节器TELEPERM 型,采用的是PI 调节规律(比例积分调节规律) ,没有微分作用,而微分环节的作用是能够反映偏差信号的变化趋势(或者变化速率) ,并且能够在偏差信号数值变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少了系统的调节时间。因此,此类调节器没有微分作用,而且冷却水温度是属于惯性环节较大的控制对象,使系统超调会比较大,调节时间长,极易变成积分饱和,使系统的动态特性变差,甚至出现长时间振荡。

鉴于现有的此类控制器的种种控制规律存在的问题,本温度控制系统中采用了PID 控制规律(比例积分微分作用) ,使得系统没有静态误差,动态特性也得到良好改善。同时由于冷却水温度的这种纯滞后特性的影响,可用一阶惯性加纯滞后环节描述。因此,温度控制系统的传递函数可以表达为[12]:

(4-1)

其中,K 为控制对象的静态增益;T1为惯性环节时间常数;τ=t,为纯滞后时间。 带纯滞后时间对象的反馈系统,当频率高时是不稳定系统,纯滞后降低了系统的稳定性。当纯滞后时间比较小时,可以直接采用PID 控制;但是,当τ/T≥0.5时,再采用常规的PID 控制,就无法取得良好的控制效果了,特别是当纯滞后时间较大时会产生系统的持续振荡。在本系统中,纯滞后时间与惯性环节时间常数的比值,远远大于所要求的0.5。这就必须选择另外一种控制算法。因此,系统选择了基于smith 预估器补偿的PID 控制算法。 下面分别介绍一下这两种控制算法的主要特点。

1)PID 控制算法

PID 控制算法即比例积分微分控制,是目前应用最为广泛的一种控制规律。PID 控制的基本算法是这样的:P1D 控制器是一种线性控制器,它是根据给定值r (t)与实际输出值c(t)构成了控制偏差,如下式:

(4-2)

然后将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量,对被控对象进行控制,其控制规律如下:

(4-3)

将上式(4-3)改写成传递函数形式如下:

(4-4)

式中:KP ——比例系数;

TI ——积分时间常数;

TD ——微分时间常数。

在计算机控制系统中,使用的是数字PID 控制器,它只能根据采样时刻的偏差数

值来计算控制量,因此,在式子(4-4)中的积分项和微分项不能直接进行计算,必须进行数字离散化处理之后,才能被计算机应用。因此,把式子(4-3)进行一系列转化:以一系列的采样时刻点kT 代表连续时间t ,以求和的方式代替积分运算,以求增量值的方法来代替微分运算,进行如下近似变换:

(4-5)

式中:T——系统采样周期。

显然,在上述的离散化处理过程中,只有采样周期T 足够短,才能保证此近似转化有足够的计算精度。

将式子(4-5)代入到式子(4-3)中,就可以推导出数字PID 的控制算法表达式为:

(4-6)

式中:k ——采样时刻序号,k=0, 1, 2,…;

u(k)——第k 次采样时刻的计算机输出数值;

e(k)——第k 次采样时刻的输入偏差数值;

e(k-1)——第(k-1)次采样时刻的输入偏差数值;

KI ——积分系数,由KI=KPT/TI表示;

KD ——微分系数,由KD=KPTD/T表示。

同时,又由于上文介绍的,本系统的执行机构需要的是控制量的增量,即驱动的是步进电动机,因此,所使用的控制算法是增量式PID 控制算法。

由式子(4-6)提供的增量PID 控制算式,根据递推原理可以得到以下两个相近的算式:

(4-7)

两式相减,得到以下关系式:

(4-8)

式中:Δe(K) = e(k)-e(k-1)。

式子(4-8)就称为增量式PID 控制算法。

将式子(4-8)进一步改写为以下关系式:

(4-9)

式中:

可以看出,A 、B 、C 都是与采样周期T 、比例系数KP 、积分时间常数TI 、微分时间常数TD 等有关的系数。由于在计算机控制系统中是采用的恒定的采样周期T ,这样,当进行计算时,只要确定了比例系数KP 、积分时间常数TI 、微分时间常数TD 这三个数值,使用前后三次测量数值的偏差,就可以使用计算机执行软件计算出控制增量来[13]。

2) 纯滞后补偿算法smith 预估器

由上文介绍,本系统的简化传递函数为:

(4-10)

但是由于被控对象具有明显的纯滞后特性,会导致系统的控制作用不及时,引起系统产生超调或者振荡的现象,所以采用了smith 纯滞后补偿算法,利用计算机的计算性能好的特点来实现被控对象滞后补偿。

Smith 预估器是得到广泛应用的时滞系统的控制方法。该方法的基本思路是:预先估计出系统在基本扰动下的动态特性,然后由预估器对时滞进行补偿,力图使被延迟了的被调量超前反映到调节器,使调节器提前动作,从而抵消掉时滞特性所造成的影响,减小系统超调量,提高系统的稳定性,加速调节过程,从而提高了系统的快速性。

Smith 补偿的原理是:与PID 控制器并联一个补偿环节,用于补偿纯滞后的产生,这个补偿环节就是smith 预估器,其传递函数如下所示[14]:

(4-11)

带有纯滞后补偿的系统框图,如图4-2所示。

图4-2 smith纯滞后补偿控制系统

如图4-2所示,增加的补偿环节与被控对象组成了一个广义对象,其传递函数是:

(4-12)

这样,可以将控制系统框图简化为图4-3所示:

图4-3用smith 补偿后控制系统简化框图

由图4-3可以看出,用smith 预估器进行纯滞后补偿之后,被控对象的纯滞后环节被移到反馈回路之外,而系统的传递函数是简单的一阶惯性环节,在进行PID 调节时,不再存在因滞后带来的一系列问题,能够得到良好的调节效果,因而系统是稳定的。

同时,纯滞后环节中,存在函数e-τy。在以往冷却水温度调节器是模拟仪表时,是很难实现的环节,但是现在用单片机控制时,可以很容易用执行软件计算的形式来实现。

4.2 算法中各系数的整定

当确定使用基于smith 预估器补偿的PID 控制算法之后,还要进一步确定PID 算法中KP 、TI 和TD 三个具体数值。由于被控对象的/T的数值比较大,因而比较难于控制,所以在确定这三个数值时,应该遵循以下的原则:(1)比例环节中,由于被控对象的滞后时间比较长,因为比例环节的作用相对会小一些,因此KP 的取值应该小一些;(2)积分环节中,考虑到被控对象的惯性较大,容易产生积分饱和现象,从而会使系统的动态性能变差,因此,要将TI 的数值取得较大,即采用较弱的积分作用方式;(3)微分环节中,由于被控对象的纯滞后影响,使得系统超调会比较大,调节时间长,极易变成积分饱和,使系统的动态特性变差,甚至出现长时间振荡,因此,TD 的取值应该大一些。

通过以上对KP 、TI 、TD 三个具体数值取值的分析,可在P1D 控制参数整定中,由经验法确定出本控制系统的采样周期为15秒,同时利用温度飞升曲线法来测定对象,然后利用Cohn-Coon 公式来求解系统参数。

本系统被控对象是一阶惯性纯滞后特性,其飞升曲线如图4-4所示。

图4-4冷却水温度飞升曲线

Cohn-Goon 公式如下:

(4-13)

式中,△M ——系统的阶跃输入;

△C ——系统的相应输出响应;

T0.28——被控对象飞升曲线为0.28△C 时的时间;

T0.632——被控对象飞升曲线为0.632△C 时的时间。

经过计算,可以得到如下结果:

由于α=τ/T>0.5,所以被控对象属于难于控制的情况,根据经验,可对比例系数KP 、积分时间常数TI 、微分时间常数TD 进行设置初始数值,KP=3, TI=10, TD =1,并且在实际的系统实验中逐步调节到最佳数值。

4.3 系统的软件设计

软件是整个控制系统设计的核心环节,它具有充分的灵活性和自由性,可以根据系统的控制要求而变化。如果说,硬件部分的设计具有通用性,那么软件设计则主要是针对某一特定控制对象,可以用来完成硬件设计不能达到的功能。单片机所具备的智能功能就是要由软件部分来完成。在本设计中,控制参数的输入和计算等都是需要软件来完成的。

在进行软件设计时,软件的结构采用了模块化的设计思路,将本控制器所要完成的功能分别进行编写和调试,等到所有的模块都调试成功后,再将各个模块连接成整体,组成单片机软件系统。这样的设计思路,有利于程序代码的编写和优化,同时也便于设计、调试和日后的维护等。

系统的单片机应用软件包括主程序、采样(A/D转换)子程序、带smith 顶估器的PID 算法子程序、报警处理子程序、键盘和显示子程序等主要模块。它们的模块结构图,如图4-5所示。

图4-5 单片机程序模块结构图

在编程前,需要对A T89C51的资源进行具体分配。数据存储器的分配与定义见表4-1。

表4-1 温度控制软件数据存储器分配表

地址 功能 名称 初始化值

50H ~51H 当前检测温度,高位在前 TEMP1~TEMP2 00H

52H ~53H 预置温度,高位在前 ST1~ST2 00H

54H ~56H 温度BCD 码显示缓冲区(十位,个位,小数位) T10,T ,T0.1 00H 57H ~58H 二进制显示缓冲区高位在前 BT1,BT2 00H

59H ~7FH 堆栈区

PSW.5 报警允许标志F0=0时禁止报警;F0=1时允许报警 F0 0

1) 主程序

主程序流程图如图4-6所示。主程序完成系统的初始化、温度预置及合法性检测、预置温度的显示及定时器T0的初始化设置等。主程序详见附录。

图4-6 单片机主程序流程图

2)T0中断服务子程序

T0中断服务子程序是本温度控制系统的主体程序,用于温度检测、控制和报警等。流程图如图4-7所示。T0中断服务子程序见附录。

调用温度检测子程

图4-7 T0中断服务子程序流程图

3) 带有smith 补偿的PID 控制算法子程序

带有smith 补偿的PID 控制算法子程序是用于控制系统输出控制信号的重要运算程序,其流程图如图4-8所示。由于本人水平有限,具体的程序有待进一步学习之后另行编写。

图4-8带有smith 补偿的PID 控制算法子程序流程图

结论

本文对船舶主机缸套冷却水温度的控制系统进行了设计,考虑到冷却水温度控制系统具有明显的纯滞后性,采用了前馈与反馈相结合的控制方法,前馈作为粗调,反馈作为细调,并采取smith 预估器补偿的PID 控制算法对各参数进行了整定,但具体参数值还应在实际中调整至最佳值。通过这次毕业设计,本人对单片机控制系统的开发过程有了深刻的认识。当然,由于本人水平有限,本设计完成得还不够完善,比如对功率的测定元件没有深入的选型,汇编程序没有调试运行等。今后还应不断地进行改进,使该系统能够达到实际设计的目的。

致谢语

参考文献

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[5]何立民. 单片机高级教程[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,1999. 40~42.

[6]丁元杰. 单片微机原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2005. 184~186.

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[13]陶永华. 新型PID 控制及其应用[M].北京:机械工业出版社,2002. 42~45.

[14]王丹, 藤人伟. 采用Smith 预估器的船舶主机冷却水温度控制器的设计[J]. 大连海事大学学报,1996(2): 45~48.

附录:

主程序:

TEMP1 EQU 50H ;当前检测温度(高位) TEMP2 EQU TEMP1+1 ;当前检测温度(低位) ST1 EQU 52H ;预置温度(高位) ST2 EQU 53H ;预置温度(低位) T10 EQU 54H ;温度BCD 码显示缓冲区(百位) T EQU T10+1 ;温度BCD 码显示缓冲区(十位) T0.1 EQU T10+2 ;温度BCD 码显示缓冲区(小数位) BT1 EQU 57H ;温度二进制码显示缓冲区(高位) BT2 EQU BT1+1 ;温度二进制码显示缓冲区(低位) ADINO EQU 0C00H ;ADC0809通道IN0的端口地址 F0 BIT PSW.5 ;报警允许标志 TEMP1 DB 00H, 00H, 00H, 00H, 00H, 00H, 00H, 00H, 00H ;50H ~58H 单元初始化(清零) ORG 0000H AJMP MAIN ;转主程序 ORG 000BH AJMP PT0 ;转T0中断服务子程序 ORG 0030H MAIN: MOV SP, #59H ;设堆栈指针 CLR F0 ;报警标志清零 MOV TMOD, #01H ;定时器0初始化(方式1) MOV TL0, #0B0H ;定时器100ms 定时常数 MOV TH0, #3CH MOV R7, #150 ;置15s 软计数器初值 SETB ET0 ;允许定时器0中断 SETB EA ;开中断 SETB TR0 ;启动定时器0 MIAN1: ACALL KIN ;调键盘管理子程序 ACALL DISP ;调显示子程序 SJMP MAIN1 T0中断服务子程序PT0: PT0: MOV TL0,#0B0H MOV TH0,#3CH ;重置定时器0初值 DJNZ R7,BACK ;15s 到否,不到返回 MOV R7,#150 ;重置软计数器初值 ACALL TIN ;温度检测 MOV BT1,TEMP1 ;当前温度送显示缓冲区 MOV BT2,TEMP2 ACALL DISP ;显示当前温度 ACALL CONT ;温度控制 ACALL ALARM ;温度越限报警 BACK : RETI

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