工业系统的驱动、测量、建模、与控制设计作业

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运行 */ initgraph(&gd, &gm, ""); } /*************数模转换***************/ void DA(char way,float vtg) { unsigned char Byte_H, Byte_L; unsigned int out=0; out=vtg*4095.0/10.0; Byte_H=(out>>8)&0x0f; Byte_L=out&0xff; outportb(Base+4+2*(way-1),Byte_L); outportb(Base+5+2*(way-1),Byte_H); } /*************模数转换***************/ float AD(char way) { short flag; int Byte_H, Byte_L; float temp; outportb(Base+10,way); outportb(Base+9,0); outportb(Base+11,1); flag=1; outportb(Base+12,1); while((flag!=0)&&(!kbhit())) { flag=inportb(Base+5)&0x10; } Byte_H=inportb(Base+5)&0x0f; Byte_L=inportb(Base+4)&0xff; temp=((Byte_H<<8)+Byte_L-2047)*20.0/4095.0; return temp; } /*************绘制窗口***************/ void init_window() { char i; setfillstyle(1,1); bar(0,0,640,480); setfillstyle(1,0); bar(50,50,550,350); setcolor(10); for(i=0;i<10;i++)line(50,50+i*30,550,50+i*30);
参数或型号
220μ 0.1μ 1N4007 4.7k 100k 20k 1k 20k 10k 2k 18V×2 7815 7915 7810 OP07 4066 4011
说明
电解电容 普通电容 整流桥 普通电阻 普通电阻 普通电位器 普通电位器 普通电阻 S 普通电阻 普通电位器 变压器 三端稳压器 三端稳压器 三端稳压器 运算放大器 模拟电子开关 四二输入与非门
图（3）压阻式集成压力传感器电路结构
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2
图（3）为网上找到的传感器电路结构。这种压阻式压力传感器已将将四个检测电阻组 成的桥路、电压放大器和温度补偿电路集成在一起，组成单块集成化压力传感器，可以 有效抑制零点漂移， 因此实际应用时只需额外增加一级差动放大就可获得符合要求的信 号。
R01
R3 100k C9 0.1μ Uin+ UinR1 4.7k +Vcc1
R5 20k
R8 10k
R1210k +Vcc1
R7
20k U5 OP07 AI10 +Vcc1
u1 u2
U4 OP07
uo
R6 R10 1k 10k
R2
4.7k C10 0.1μ -Vcc1 R4 100k R15 20k R9 20k R11 10k -Vcc1 R13 4.7k R17 2k R16 4.7k OP07
数量
6 8 1 4 2 2 1 2 5 1 1 1 1 1 4 1 1
2、仪器设备 工业控制计算机，PCL-812PG 采集卡，电动球阀，压阻式压力传感器等 3、调试用仪器设备 数字多用电表等
七、软件流程框图
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开 始
初 始 化 系 统
接 受 键 入 Kp,Ki,Kd,Ts
u(k),u(k-1),u(k-2)赋 初 值
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for(i=1;i<21;i++)line(50+25*i,50,50+25*i,350); line(50,350,560,350); line(560,350,558,348); line(560,350,558,352); line(50,40,50,350); line(50,40,48,42); line(50,40,52,42); outtextxy(43,30,"P"); outtextxy(53,30,"MPa"); outtextxy(565,350,"Time"); outtextxy(565,357,"ms"); outtextxy(40,350,"0"); } /*************绘制曲线***************/ void draw(float vtg,int time) { if(time==1)y1=350-vtg*30; else y1=y2; y2=350-vtg*30; setcolor(YELLOW); line(50+time-1,y1,50+time,y2); line(50+time-1,y1-1,50+time,y2-1); } /*************主函数***************/ int main(void) { int i, j,k; long color=0; float Va,Vb,Vc; float Kp,Ki,Kd; float Ctr; int Ts,time=1; DA(1,0); /*系统初始化*/ sleep(1); DA(2,10); /* 开始对电磁阀控制 */ printf("Kp,Ki,Kd,Ts\n"); scanf("%f %f %f %d",&Kp,&Ki,&Kd,&Ts); Va=0; Vb=0; Vc=0; initgr(); /* BGI初始化 */ init_window(); /*初始化窗口*/ while((!kbhit())&&(Vc<=5)) {
，
R02 R4 R15 117.5k 。实际取 R3 R4 100k ， R5 R15 20k 。
此外，电容 C9 ， C10 可抑制高频干扰，吸收尖峰脉冲。 U5 组成的反相加法器可用来消除各种原因引起的漂移（包括运放本身的漂移） ，调 整 R6 可使气压为 0Pa 对应输出 0V。
13
4066 2 AO1
U9A 4011 3
2 1 6
-Vcc1
4 5 U9B 4011
EM AO2
图（5）输出控制电路 模拟开关 4066 和与非门 4011 组成强制关闭电路，即只有当 EM 为高电平（气压 <10MPa）且 AO2 为高电平（工控机程序已正常运行）时，模拟开关导通，工控机输出的 控制量 AO1 才能控制球阀。否则模拟开关断开，U7 同相输入端始终为 0V，即球阀关闭。 U7 为跟随器，起隔离作用。可防止工业现场的强电磁干扰影响测量和控制电路。
计 算 控 制 量
输 出 控 制 量
AO
输 出 控 制
电 动 球 阀
延 时 Ts毫 秒
u(k),u(k-1),u(k-2)刷 新 屏 幕 刷 新
AI
信 号 处 理
压 阻 式 压 力 传感 器
Y
有 键 按 下 吗 ？
Y
N N u(k)>5V吗 ？ Y
关 闭 球 阀 ， 报 警
结 束
Y
图（6）软件流程框图
U6 EM
R02
图（4）信号处理电路 U4 组成差动放大器，U5 组成反相加法器，U6 组成电压比较器。 原始信号的满量程的变化范围约在 0-400mV 之间， 为充分利用 AD 通道的转换精度， 可将其放大至 25 倍，即 20MPa 对应输出 10V。根据电压、电流关系列出方程：
uin u1 u1 uo R R01 1 uin u 2 u2 0 R02 R2 u1 u2
二、设计思路
本系统可由测量和控制两部分组成， 测量部分用于采集气压信息， 控制部分用于对采集 来的气压信息进行处理， 并计算出控制量， 反馈给执行机构， 对系统作出正确的调整和处理。
三、总体结构框图
（省略各部分的电源）
储 气 罐
压 阻 式 压 力 传感 器
原 始 信 号 （ 模 拟 ）
信 号 处 理 电 路
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输入电压范围相比很小，故必须由信号处理电路处理，将信号放大至可与采集卡 AD 通 道输入电压范围相比较， 并加入适当的直流偏移， 以保证气压信号采集及后续转换的精 度。 同时，信号处理电路也对气压信号进行监控，当气压超过上限时强制关闭球阀，以 防工控机程序不正常时气压失控。 （2）信号的转换及控制量的计算 处理后的信号即可由采集卡进行 AD 转换，控制量的计算采用增量型 PID 算法，使 储气罐中的气压快速、稳定、精确地控制在 8MPa。 除了计算控制量，程序还对信号进行监控。当信号超过上限时关闭球阀并报警。 控制量由采集卡的 DA 通道输出。 （3）输出控制 从 DA 通道输出的控制信号还不能直接控制球阀，必须加一级隔离，以防外部强电 磁干扰影响采集卡。 此外，输出控制电路还包括强制关闭球阀部分。该部分受硬件和软件双重控制，以 确保球阀能可靠关闭。
Vo
3
220μ
-15V -Vcc1
GND
C11
+
1 C12
Vo
3 C13 0.1μ
+
C14 220μ
+Vcc2 +10V
220μ
0.1μ
图（2）电源部分 +Vcc1、-Vcc1 供运放使用，+Vcc2 供压阻式压力传感器使用。 78、79 系列集成三端稳压器都要求输入与输出保持 3V 以上的电压差，故变压器次 级有效值取 18V；二极管 1N4148 最大整流电流为 1A，反向击穿电压为 1000V，可以满 足本设计的要求；电路中各电容的耐压取 50V。 （2）信号处理电路
六、主要元器件和仪器设备
1、 主要元器件
标号
C1, C2, C7, C8, C11, C14 C3, C4, C5, C6, C9, C10, C12, C13 D1 R1, R2, R13, R16 R3, R4 R5, R15 R6 R7, R9 R8, R10, R11, R12, R14 R17 T1 U1 U2 U3 U4, U5, U6, U7 U8 U9
处 理 后 的 信 号 （ 模 拟 ）
紧 急 关 闭 信 号 （ 数 字 ） 电 动 调 节 球 阀 控 制 信 号 （ 模 拟 ） 输 出 控 制 电 路 输 出 信 号 （ 模 拟 ）
PCL812PG 采 集 卡
数 据 交 换 工 控 机 （ 数 字 ）
图（1）总体结构框图
四、工作原理及过程
（1）信号的采集和处理 气压信号的采集采用压阻式压力传感器， 这种传感器具有线性度好的特点。 气压信 息经传感器转化为随气压线性变化的电压信号。原始的电压信号变化幅度和采集卡 AD
《工业系统驱动与控制》
综合设计作业
学院： 班级： 学号： 姓名：
电子信息工程学院 电子 73 班 07051072 陈佳力 2009 年 6 月 29 日
《工业系统驱动与控制》综合设计
一、题目及要求
某一化工生产过程中需要对储气罐内的气体压力进行精度控制及安全保护， 压力设定值 为 8Mpa，其中压力采集使用压阻式压力传感器，压力控制采用电动 V 型调节球阀调节。此 外， 当压力高于 10Mpa 时必须关断调节球阀。 请结合本门课所学知识及选用的相关仪器设备， 查阅相关文献，给出采用工业控制计算机作为控制器的设计方案。 压阻式压力传感器的主要技术参数： 1、 工作电源 10v 2、测量范围 0-20Mpa 3、全程线性度好 4、灵敏度 20mv/ Mpa 电动调节球阀的主要技术参数： 1、工作电源：AC220V; 2、控制信号：0~10V. (对应阀的开度：0％－100％). 【要求】 1）画出系统的总体结构框图并注明各个环节的输入输出的信号类型（30 分） 2）简单描述系统的工作原理或过程（10 分） 3）设计传感器的测量电路（20 分） 4）列出系统使用的主要元器件和仪器设备（10 分） 5）画出软件流程框图 (10 分) 6）编写控制程序 (20 分)
八、程序编写
/*参考程序：WIN-TC示例程序， 《工业系统的驱动、测量、*/ /*建模与控制》附录7 屏幕绘波形程序 */ #include "Conio.h" #include "graphics.h" #include<dos.h> #include<stdio.h> #define closegr closegraph #define Base 0x220 int y1,y2; void initgr(void) /* BGI初始化 */ { int gd = DETECT, gm = 0; /* 和gd=VGA,gm=VGAHI是同样效果 */ registerbgidriver(EGAVGA_driver);/*注册BGI驱动后可以不需要.BGI文件的支持
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U6 组成电压比较器用来以硬件方法对气压实时监控。U6 工作在单电源开环方式。 调整 R17 使 U6 同相输入端电压为 5V（对应 10MPa） ，当 AI10 的电压低于 5V 时 EM 输出 约+15V，当 AI10 的电压高于 5V 时 EM 输出约 0V。 （3）输出控制电路
+Vcc1 U8A U7 1 Control OP0 R01 uin uin R1 R2 R02 R1
由已知条件和设计要求，uo 25(uin uin ) 。所以有 R01 25R1 ，R02 25R2 。 实 际 取
R1 R2 4.7k
，
计
算
得
R01 R3 R5 117.5k
五、各部分电路。
（1）电源
屏 幕 刷 新
U1 7815
2
Vi
GND
1 D1 T1 18V~ 220V~ 18V~
4
+
Vo
3 C6 0.1μ C5 0.1μ
+
C2
C4 0.1μ C3 0.1μ 2
C8 220μ C7
+Vcc1 +15V
1
3
+
1
C1 220μ
2
220μ
+
1N4007
GND
Vi U2 7915 U3 7810 Vi