计算机控制技术chapter9

1、计算机控制技术电子教案 9.1 系统设计的原则与步骤系统设计的原则与步骤 9.2 系统的工程设计与实现系统的工程设计与实现 9.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例 9.1 系统设计的原则与步骤系统设计的原则与步骤 9.1.1 系统设计的原则系统设计的原则 9.1.2 系统设计的步骤系统设计的步骤9.1.1 系统设计的原则系统设计的原则 1.安全可靠安全可靠 2.操作维护方便操作维护方便 3.实时性强实时性强 4.通用性好通用性好 5.经济效益高经济效益高9.1.2 系统设计的步骤系统设计的步骤 1.工程项目与控制任务的确定阶段工程项目与控制任务的确定阶段 工程项目与控制任务的确定

2、一般按工程项目与控制任务的确定一般按图图9.1所示所示的流程进行的流程进行。 2.工程项目的设计阶段工程项目的设计阶段 工程项目的设计阶段的流程图。工程项目的设计阶段的流程图。 3. 离线仿真和调试阶段离线仿真和调试阶段 4 4。在线调试呵运行阶段。在线调试呵运行阶段9.2 系统的工程设计与实现系统的工程设计与实现 9.2.1 系统总体方案设计系统总体方案设计 9.2.2 9.2.3 9.2.4 系统的调试与运行系统的调试与运行微机控制系统设计的基本要求和特点微机控制系统设计的基本要求和特点微机控制系统的设计方法及步骤微机控制系统的设计方法及步骤9.2.1 系统总体方案设计系统总体方案设计1.

3、硬件总体方案设计硬件总体方案设计 硬件总体方案设计主要包含一下几个方面的内容。硬件总体方案设计主要包含一下几个方面的内容。确定系统的结构和类型确定系统的结构和类型确定系统的构成方式确定系统的构成方式现场设备选择现场设备选择其它方面的考虑其它方面的考虑2.软件总体方案设计软件总体方案设计3.系统总体方案系统总体方案 将上面的硬件总体方案和软件总体方案合在一起构成系统的总体方案。总体方案论证可行后，要形成文件，建立总体方案文档。系统总体文件的内容包括：系统的主要功能、技术指标、原理性方框图及文字说明。控制策略和控制算法，例如PID控制、达林算法、Smith补偿控制、最少拍控制、串级控制、前馈控制、

4、解耦控制、模糊控制、最优控制等。系统的硬件结构及配置，主要的软件功能、结构及框图。方案比较和选择。保证性能指标要求的技术措施。抗干扰和可靠性设计。机柜或机箱的结构设计。1)经费和进度计划的安排。微机控制系统设计的基本要求和特点1. 设计的基本要求（1）系统操作性能要好 （2）通用性好、便于扩充（3）可靠性要高 采用双机系统。 采用集散控制系统。返回本章首页2. 设计特点 在进行微机控制系统设计时，系统设计人员必须把系统要执行的任务和应具备的功能合理地分配给硬件和软件来实现，做到合理权衡硬件、软件的配置，并尽量节省机器时间和内存空间。硬件设计主要采用大规模集成电路。 返回本节微机控制系统的设计方

5、法及步骤1. 确定系统整体控制方案第一：要从系统构成上考虑，是采用开环控制还是闭环控制。第二：考虑执行机构采用什么方案，是采用电机驱动、液压驱动还是其他方式驱动，比较各种方案，择优而用。第三：考虑是否有特殊控制要求。 返回本章首页2. 确定控制算法（1）确定算法能否满足控制速度、精度和系统稳定性的要求。（2）确定某些情况下要进行修改与补充。（3）确定为设计、调试方便，可将控制算法作合理的简化，逐步将控制算法完善，直到获得最好的控制效果。3. 选择微型计算机和外围设备（1）较完善的中断系统 （2）足够的存储容量（3）完备的输入输出通道和实时时钟（4）字长（5）速度（6）指令种类和数量（7）寻址范

6、围和寻址方式 （8）内部存储器的种类和数量 4. 系统总体设计（1）估计内存容量、进行内存分配（2）过程通道和中断处理方式的确定（3）系统总线的选择 （4）操作台的控制5. 硬件和软件的具体设计（1）硬件设计：）硬件设计：根据系统总体框图，设计出系统电气原理图，再按照电气原理图着手元件的选购和开始施工设计工作。 （2）软件设计：）软件设计：实时性。 针对性。 灵活性和通用性。 可靠性。6. 系统联调 系统联调是要把已调好的各程序功能块按照总体设计要求连成一个完整的程序。程序调试完成后，还要进行在线仿真，然后进行试运行。经过一段考机和试运行后，即可投入正式运行。 7. 可靠性高 对任何计算机应用

7、系统来说，尽管各种各样的要求很多，但可靠性是最突出和最重要的一个。因为一个系统能否长时期安全可靠地正常工作，对一个工厂来说将要影响到整个装置、整个车间，乃至整个工厂的正常生产。一旦故障发生，就会造成整个生产过程的全面混乱甚至瘫痪，从而引起严重后果，所以对可靠性有很高的要求。特别是作为控制核心的微机，其可靠性要求则更高。提高可靠性常采用双机系统和多微机集散控制。 1) 采用双机系统 在双机系统中，用两台微机作为系统的核心控制器。由于两台微机同时发生故障的概率很小，从而大大提高了系统的可靠性。双机系统中两台微机的工作方式，常见的有以下几种。 (1)备份机工作方式。在这种方式中，一台微机投入系统 运

8、行，另一台虽然也同样处于运行状态，但是它是脱离系统的，只是作为系统的一台备份机。当投入系统运行的那一台微机出现故障时，通过专门的程序和切换装置，自动地把备份机切入系统，以保持系统正常运行。被替换下来的微机经修复后，就变成系统的备份机，这样可使系统不因主机故障而影响系统正常工作。 (2)主-从工作方式。这种方式是两台微机同时投入系统运行。在正常情况下，这两台微机分别执行不同任务。如一台微机可以承担系统的主要控制工作，而另一台可以执行诸如数据处理等一般性的工作。当其中一台发生故障时，故障机能自动地脱离系统，另一台微机就自动地承担起系统的所有任务，以保证系统的正常工作。 图82 多微机集散控制示意图

9、 BA1BUSA2An被 测 控 对 象第 一 级 2) 采用多微机集散控制系统 多微机集散控制系统结构是目前提高系统可靠性的一个重要发展趋势。如果把系统的所有任务分散地由多台微机来承担,为了保持整个系统的完整性，还需用一台适当功能的微机作为上一级的管理主机，第一级由多台微机分别对各被控对象进行控制，而上一级的微机通过总线与下一级的微机相连接，并对它们实施管理和监督。 多级分散应用系统可以使微机的故障对系统所产生的影响减至最小。如果第一级中某一台微机发生故障，其影响是很小的一个局部，而且故障机所承担的任务还可以由上一级主机来接替，因此，系统工作基本不受影响。如果上一级管理机发生了故障，则下一级

10、微机仍可以独立维持对被控对象的控制，直到上一级管理机排除故障为止。 有关微机应用系统可靠性的问题是一个十分重要而又复杂的课题。可靠性设计应包括硬件的、软件的、电源的、环境的及电磁兼容性的设计等，由于本书内容的限制，请读者参阅有关资料。设计原则：设计原则： 操作性好操作性好 实施性强实施性强 通用性好通用性好 经济效益高经济效益高 可靠性高可靠性高一般设计步骤：一般设计步骤： 系统总体控制方案设计系统总体控制方案设计 微型计算机选择微型计算机选择 控制算法设计控制算法设计 硬件设计硬件设计 软件设计软件设计 系统联调系统联调一、确定系统总体控制方案一、确定系统总体控制方案 构思系统的整体方案，应

11、从以下几方面入手构思系统的整体方案，应从以下几方面入手 ： 考虑系统结构考虑系统结构 执行机构采用什么方案执行机构采用什么方案 有否特殊控制要求？特殊要求应采取那些措施。有否特殊控制要求？特殊要求应采取那些措施。 确定计算机在整个控制系统中所起的作用确定计算机在整个控制系统中所起的作用 二、确定控制算法二、确定控制算法三、选择计算机三、选择计算机所选计算机应满足以下要求：所选计算机应满足以下要求： 完善的中断系统完善的中断系统 足够的存储容量足够的存储容量 完备的完备的I/O通道和实时时钟通道和实时时钟四、系统总体设计四、系统总体设计 硬件软件功能分配与协调硬件软件功能分配与协调大量使用硬件会

12、增加成本，影响系统可靠性；增加软件，系大量使用硬件会增加成本，影响系统可靠性；增加软件，系统速度相应降低统速度相应降低 。 接口设计接口设计 接口设计内容：接口设计内容： 扩充接口扩充接口 安排接口电路的安排接口电路的I/O信号及交换方式。信号及交换方式。常用的扩充方法：常用的扩充方法： 选用专门的功能接口板选用专门的功能接口板 选用通用接口电路选用通用接口电路 用集成电路自行设计接口电路用集成电路自行设计接口电路 接口电路接口电路I/O信号的交换方式：信号的交换方式： 中断控制读取中断控制读取IO方式方式 直接存储器存取方式直接存储器存取方式 通道设计通道设计系统系统I/O通道：通道： 数字

13、量数字量I/O通道通道 开关量开关量I/O通道通道 模拟量模拟量I/O通道通道 脉冲量脉冲量I/O通道通道 在总体设计中，应确定本系统应设置什么样的通道、每个通道在总体设计中，应确定本系统应设置什么样的通道、每个通道由几部分组成，各部分选用什么器件等。由几部分组成，各部分选用什么器件等。 操作员控制台设计操作员控制台设计 包括：各种转换开关、按钮、键盘、数字显示器、状态故障指包括：各种转换开关、按钮、键盘、数字显示器、状态故障指示灯等。示灯等。 可靠性设计可靠性设计 五、硬件设计五、硬件设计 任务：任务：根据系统总体框图，设计出系统的电气原理图，再按根据系统总体框图，设计出系统的电气原理图，再

14、按照电气原理图选购元件和进行施工设计。照电气原理图选购元件和进行施工设计。包括：包括： 接口电路和接口电路和I/O通道的扩充通道的扩充 组合逻辑或时序逻辑电路组合逻辑或时序逻辑电路 供电电源供电电源 光电隔离光电隔离 电平转换电平转换 驱动放大电路等驱动放大电路等 计算机应用系统硬件的一般组成 外部接口及设备微处理机监视及报警设备输入接口常规外围设备操 作 控 制 台BUS输出接口外存储器输入通道信号变换电 路输出通道信号变换电 路控制监测对象六、软件设计六、软件设计 软件软件 系统软件系统软件应用软件应用软件组织应用软件的内容及步骤：组织应用软件的内容及步骤： 确定具体要求确定具体要求 软件

15、规划软件规划 程序编制程序编制 软件调试软件调试 善后工作善后工作 确定具体要求确定具体要求 管理要求管理要求 输入输出要求输入输出要求 语言加工要求语言加工要求 功能处理要求功能处理要求 软件规划软件规划 模式选择模式选择 语言选择语言选择 汇编语言汇编语言 高级语言高级语言 确定数据结构确定数据结构 划分程序块划分程序块 确定程序编制顺序确定程序编制顺序 内存安排内存安排 用符号来代替某部分程序的首址。用符号来代替某部分程序的首址。 粗略估算各部分容量粗略估算各部分容量 根据具体情况对内存作精确安排根据具体情况对内存作精确安排 程序编排和分配程序编排和分配 软件装配和总调软件装配和总调 软

16、件设计的善后工作软件设计的善后工作 软件软件 系统软件系统软件应用软件应用软件 操作系统操作系统语言加工系统语言加工系统诊断系统诊断系统 控制程序控制程序数据采集及处理程序数据采集及处理程序巡回检测程序巡回检测程序数据管理程序数据管理程序编辑程序编辑程序编译程序编译程序连接、装配程序连接、装配程序调试程序调试程序子程序库子程序库 数据可靠性检查程序数据可靠性检查程序AD转换及采样程序转换及采样程序 数字滤波程序数字滤波程序 线性化处理程序线性化处理程序 数据采集程序数据采集程序 越限报警程序越限报警程序 事故预告程序事故预告程序 画面显示程序画面显示程序 图9-1 控制系统设计步骤流程图返回本

17、节控制对象的功能和工作过程分析估算及分配I/O口,存储器容量及外围设备画系统工艺流程图I/O口的具体分配画系统程序框图系统部件的详细设计编制源程序部件芯片老化筛选和测试汇编布线及安装形成目标程序系统试运行调试硬件调试和仿真完成否?硬件错否?完成否?写入EPROM结束设计硬件设计软件设计是是是否否否开 始9.3 微机控制系统设计举例 一 （电阻炉炉温控制系统）电阻炉炉温控制系统） 3.1 硬件电路 3.2 数字控制器的数学模型 3.3 控制系统程序设计返回本章首页图图9-2 电阻炉炉温控制系统原理图电阻炉炉温控制系统原理图9.3.1 硬件电路变送器键盘与显示T0T1P1.3P1.2P1.1P1.

18、0P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0ALEP0PSENWRRDEAP3.3803174LS37327328155CEOC D7 0ALECEIO/MA7 0A7 01/2WRRDA0A1A2红绿红ABCCLKD7 0OEALESTARTIN0EOC.光耦驱动器MC14528220V加热丝LM31174LS00TIL117.过零信号发生器ACD0809.热电偶1. 检测元件及变送器 检测元件选用镍铬-镍铝热电偶，分度号为EU，适用于01000的温度测量范围，相应输出电压为0mV41.32mV。 变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成：毫伏变送器用于把热电偶输出的041.32mV变换成01

19、0mA范围内的电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的010mA电流变换成05V范围内的电压。 表9-1 温度-数字量对照表2. 接口电路 8031的接口电路有ADC0809、8155和2732等。本系统采用ADC0809型A/D转换器，该芯片为8位逐次逼近型A/D转换器。ADC0809为温度测量电路的输入接口；8155用于键盘和显示接口；2732作为8031外部程序(ROM)存储器。3. 温度控制电路如图 双向可控硅和加热丝串接在交流回路，因此可控硅导通时间决定加热丝的 加热功率。图9-3给出了可控硅在给定周期T内具有不同导通时间的情况。过零信号是正弦交流电压过零时刻的同步脉冲，可使可控

20、硅在交流电压正弦波过零后触发导通。过零同步脉冲由过零触发电路产生，如图9-4所示。图图9-3 输出功率与通断时间的关系输出功率与通断时间的关系uuuutttt12.5%25%50%100%图图9-4 过零触发电路过零触发电路返回本节. . . .LM311MCQ1Q274LS0014528TIL117+5V+5V+12V220V加热器+5VA1P1.39.3.2 数字控制器的数学模型 闭环调节系统可近似看成一阶惯性环节加一个延迟环节。因此，根据前面的推导，可以得出：z )e-(1ze-1)e1 (K)e1)(ze1 (D(z)1 -N-T/-1 -T/-T/-P-T/-1-T/11经化简后得到

21、：1 -N-1 -1z )C-(1Cz1Bz-AD(z)式中： A= )e1 (Ke11T/-P-T/B=A C= 1-T/e-T/e因为，D(z)=R(z)/E(z)，得：E(z)BzA(R(z)z )C(1Cz1 -11 -N-1y(n)=Ae(n)-Be(n-1)+Cy(n-1)+(1-C)y(n-N-1) 式中：y(n)n时刻的输出值；e(n)n时刻的偏差值；e(n-1)n-1时刻的偏差值；y(n-N-1)n-N-1时刻的输出值。由系统的飞升特性曲线确定出和1后，系数A、B、C则可分别求出。返回本节9.3.3 控制系统程序设计控制系统程序设计图9-5 主程序流程图1. 主程序主程序设定

22、堆栈指针清标志和暂存单元清显示缓冲区T0初始化开CPU中断扫描键盘温度显示T1中断程序清标志D5H停止输出T1中断服务程序开 始开 始返 回2. T0中断服务程 T0中断服务程序是此系统的主体程序，用于启动A/D转换、读入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限处理、大林算法计算和输出可控硅的同步触发脉冲等。在T0中断服务程序中，要用到一系列子程序。如：采样子程序、数字滤波子程序、越限处理程序、大林算法程序、标度变换程序和温度显示程序等。T0中断服务程序流程图如图9-6所示。图9-6 T0中断服务程序流程图返回本节保护现场采样炉温数字滤波U(n)=Ymax否？清上次越限标志U(n)Y max否？

23、U(n)=Ymin否？温度标度转换初始化T1从P1.3输出求 补计算Y(n)温度显示(D5H)=1否?恢复现场取Ymax值输出下限报警置本次越限标志上次越限否?越限计数器加1越限N 次否?清越限标志上限报警本次越限标志送5FH清零5EH单元上限处理是是是是是是否否否否否否返 回开 始9.3 计算机控制系统设计实例二(城市交通管理控制系统分析与设计) 城市交通管理中十字路口交通灯的控制对车辆运行效率及安全来说十分重要。传统管理利用人工定时切换方式，控制过程机械不灵活。采用计算机控制具有实时、高效、灵活和安全等优点，可为城市交通管理带来极大的经济效益和社会效益。 1.控制要求及系统分析 城市交通管

24、理中十字路口的交通灯布局情况如图所示。 交通管理系统中要求对十字路口的交通灯进行定时转换控制，这种灯光控制的规律要求可归结为： 纵向(A向)与横向(B向)的交通灯定时60s交换红绿色一次。 灯光有三种颜色：红、黄、绿(对应图中的R、O、G)。每次交换时要求在黄色灯亮时停留3s。 一路在60s内过车完后超过6s，无车继续过时，如另一路有车在等待，则自动提前交换灯色。交换过程也得先在黄灯处停留3s。 在紧急车辆(如消防车、救护车等)通过时，四边街口均显红灯，以便只许紧急车辆通过。其他车辆暂停行驶。紧急车辆过后自动恢复原来的灯色标志。 还可以提出更多的要求。不过，上述四点基本要求已足以说明交通灯控制

25、问题对计算机提出的方式是什么。这种控制方式具有如下的特点： (1)这是一个开环控制系统，即无反馈的程序控制。 (2)开关量输入和开关量输出。图中的车辆检测传感器(A1、A2及B1、B2)是光电开关式的，所以送入计算机的信息是开关量。计算机控制交通灯的通断是通过继电器的，所以也是开关量输出。 (3)有中断响应功能。即一路的车辆能够申请另一路中断其绿灯而让其通行，不过这是有条件的，必须是被请求的一路已有6s无车通过，才会响应。 (4)有非屏蔽中断响应功能。当图中的紧急车辆检测传感器(J)检测到有紧急车辆要通过时，立即发出紧急中断信号(也是开关量)。这种中断请求不必等到被请求的一路已无车通过，而是无

26、条件地停止其车辆通过。这就叫做非屏蔽中断，是最高优先级的中断形式。图JJB1B2GAGBRARBJA1A2JB向OARAA向OBGBOAGAOBRB 2. 系统硬件结构设计 十字路口的交通灯控制应用系统的计算机控制硬件结构框图如图所示。图中各部分的内容及功能分述如下。 微型计算机是系统的核心，它具有下列最基本的组件： 微处理机包含CPU、ROM/RAM等部件。CPU是执行程序，接受输入信号并发出控制信号的指挥中心；ROM/RAM是只读存储器/随机存储器，存放着控制系统的程序和数据，其中的程序是由用户编制的，故称为用户程序。这个程序是根据交通灯控制的需要而由设计者(用户)制定的。图PC8088微

27、处理机继电器板&并行接口电路ABGBA1B1B2A 向 三 色 灯RAREL微 型 计 算 机PAPB7J紧 急 检 测 器或 门 板LED板&OAGARBOBGBB 向 三 色 灯A 向 检 测 器B 向 检 测 器A2 LED为发光二极管显示器(模拟灯光标志)。在编制程序时，此显示器可帮助程序员观察到存储器中所存的内容是否符合所编程序的要求，也可显示控制过程。 并行接口电路：利用PA端口连接和控制十字路口的红、黄、绿三色灯，PB端口连接紧急车辆检测器。 REL为继电器板。其中有六个继电器以提高输出接口的六条输出线的功率，以便去控制A向及B向的交通灯。 RA、OA、GA为A向

28、两个街口的交通灯，红、黄、绿三色各有两个灯。 RB、OB、GB为B向两个街口的交通灯，也是三色各有两个灯。 GB为门电路板。其中装有两个或门，这实际上是一个门电路组件。其各个与门的输入输出逻辑关系为：A1+A2=A，B1+B2=B。 A1及A2为放在A向两个街口的检测器，只要其中一个为1(有车要通过)，则A=1，即通知计算机A向有车要求通过。 B1与B2是放在B向两个街口的检测器，其作用和A1、A2是相同的。 J是四个紧急车辆检测器的公共入口。即四个控制器的输出端并联一起，接至此处。NMI为CPU的一个非屏蔽中断输入端，低电位(即在J=0时)有效(表示有紧急车辆要通过)。通过NMI端而将此信息

29、进入CPU，从而使RAM中正在进行的程序中断，而跳转至让紧急车辆通过的中断服务子程序。当车辆过后，J恢复为1，则经由PC口的输入线而使程序恢复到原来的主程序上去。 3. 系统工作原理 这个系统的工作过程如下： 开始时设A向通行(GA，即A向的绿灯亮)，B向不通(RB，即B向的红灯亮)。这样通行60s后自动转为B向通行(GB绿灯亮)，A向不通(RA红灯亮)。这是两个方向都很频繁通车的情况。 如在GA(绿灯)及RB(红灯)亮时，A向并未有车辆通行，等待6s之后，如B向有车辆在等待通过，则通过B1或B2使程序跳转，其结果是使灯光自动按次序改变： GA及RB灭； OA及OB亮(3s)； RA及GB亮，

30、同时OA及OB灭。 从此时起B向车辆可以通行，60s后又自动转为A向车辆通行的程序。如无论哪个方向正在通行时，突然来了紧急车辆，不论其方向是否与正在通行的方向相同，则通过J(J=0)使程序跳转至让紧急车辆通行的子程序而使RA及RB都亮，此时没有黄灯过渡时期，以便禁止一般车辆继续通行。 此时子程序所达到的灯光控制效果为：如本来GA是亮的，则GA由亮转灭，然后RA亮。而原来就是亮红灯(RB)的B向，其红灯RB仍不变。在A向和B向的红灯全亮时，紧急车辆可以不受交通灯的管制而可随意通行。根据上述的控制过程的灯色配置，可以将灯色状态归纳成四个模式(PAD)，表列出了这四种模式各自的灯色配置。表 灯色配置

31、模式 4. 系统软件设计 根据上面讨论的交通规则要求，可设计出如图所示的程序流程图。 程序设计思路如下： 程序开始后，即对A向(纵向)进行测试，如A=1为真，即A向有车要求通过，则程序转至CHK1端而直接输出灯色模式ZA，否则输出灯色模式ZB(CHK2端)。 如 A 向 及 B 向 均 无 车 时 ， 则 对CHK0及CHK2进行循环测试，同时维持原来的某一输出状态不变。在循环测试过程中，测试某一方向有车，如A向有车，A=1为真，其控制流程为图中的左半部，则控制过程如下：先检查该A向原来是否已处于放行状态(PAD=ZA)，如PADZA，则在A向转为绿灯之前，必须经黄灯的过渡。所以要用ZC子程序

32、和3s子程序，然后调用ZA子程序。 如果PAD=ZA，则说明该A向已处于放行状态，不需经过ZC这个子程序，而直接由CHK1处进入输出ZA的方框(即PAD=ZA，而且已经是了)，并等到60s子程序进行完毕后再去进行循环检查。当检出B=1为真，即B向有车时，其控制流程为图中的右半部，其过程和左半部完全一样。 在图中的60s子程序方框旁的箭头附注A=0(或B=0)的意义是：在A向无车时，就转入进行循环测试。为此，必须每隔若干秒(一般为零点几秒)测试一次A或B是否为0。如A向(或B向)始终有车，则PAD=ZA(或PAD=ZB)，要延续至满60s再转入循环测试程序。 当有紧急车辆通过时，非屏蔽中断线有效

33、，则计算机进入紧急车辆程序，此程序一开始就将系统复位至初始状态，等紧急车辆过完后，才又从“开始”框进入控制流程。图 交通灯控制软件流程图 开 始A 1？输 出 ZCCHK3CHK1是是是是否否否否否是A 0A 1？PAD ZA3秒 子 程 序输 出 ZA60秒 子 程 序B 1？PAD ZB输 出 ZC3秒 子 程 序输 出 ZB60秒 子 程 序B 09.3 计算机控制系统设计举例三计算机控制系统设计举例三 (啤酒发酵过程计算机控制系统啤酒发酵过程计算机控制系统) 啤酒发酵工艺及控制要求啤酒发酵工艺及控制要求 系统总体方案的设计系统总体方案的设计 系统硬件和软件的设计系统硬件和软件的设计 系

34、统的安装调试运行及控制效果系统的安装调试运行及控制效果 啤酒发酵过程计算机控制系统 麦汁发酵过程是啤酒生产的重要环节。过去，啤酒发酵过程采用传统的手工操作控制，生产效率低，劳动强度大，不易于管理，啤酒质量差，产量低，酒损多。有些啤酒生产厂家采用常规的仪表调节系统，虽然给企业带来一些益处，但不利于现代化管理和机动灵活地修改工艺参数。采用计算机对啤酒发酵过程进行自动控制和现代化管理，很好地解决了以上问题，获得了巨大的经济效益和社会效益。 1.啤酒发酵工艺及控制要求 1) 啤酒发酵工艺简介 啤酒发酵是一个复杂的生物化学过程，通常在锥型发酵罐中进行。在20多天的发酵期间，根据酵母的活动能力和生长繁殖的

35、快慢，确定发酵给定温度曲线，如图所示。要使酵母的繁殖和衰减、麦汁中糖度的消耗和双乙醇等杂质含量等方面达到最佳状态，必须严格控制发酵各阶段的温度，使其在给定温度的0.5范围内。直至满足工艺要求为止。另外，在发酵过程中，还需在各段工艺中实行保压，即要求发酵罐顶部气体压力恒定，以保证发酵过程的正确进行。 图 发酵过程温度工艺曲线示意图 ar /t / hbcdefg0 某啤酒厂要求控制10个200m3的锥型啤酒发酵罐，这种发酵罐的内层是用不锈钢板焊接而成的，外层用白铁皮包制而成，内层与外层中间是保温材料和上、中、下三段冷却带。罐体由上、下两部分组成，上部分是圆柱体，下部分是圆锥体，故称为锥型发酵罐。

36、在啤酒发酵期间，当罐内温度低于给定的温度时，则要关闭冷却带的阀门，使之自然发酵升温；当罐内温度高于给定温度时，则要求接通冷却带的阀门，自动地将冷酒精打入冷却带循环使之降温， 2) 系统的控制要求 该系统的控制要求主要有以下几个方面： (1)系统共有10个发酵罐，每个罐测量5个参数，即发酵罐的上、中、下三段温度，罐内上部气体的压力和罐内发酵液的高度，共有30个温度测量点、10个压力测量点、10个液位测量点。因此共需检测50个参数。 (2)自动控制各个发酵罐中的上、中、下三段温度使其按图所示的工艺曲线运行，温度控制误差不大于0.5,共有30个控制点。 (3)系统具有自动控制、现场手动控制、控制室遥

37、控三种工作方式。 (4)系统具有掉电保护、报警、参数设置和工艺曲线修改设置功能。 (5)系统具有表格、图型、曲线等显示和打印功能。 2. 系统总体方案的设计 1) 发酵罐测控点的分布及管线结构 本系统有10个发酵罐，每个发酵罐上有5个检测点和3个控制点，其中包括上段温度TTa、中段温度TTb、下段温度TTc、罐内上部气体压力PT、液位LT、上段冷带调节阀TVa、中段冷带调节阀TVb、下段冷带调节阀TVc。检测点与控制点的分布如图所示。图 发酵罐的测控点分布及管线图 TTaTTbTTcPTLT冷却液TVaTVbTVc 2) 检测装置和执行机构 检测装置中，温度检测采用WZP231铂热电阻(Pt1

38、00)和RTTBEKT温度变送器，其输入量程为20+50，输出为420mA；压力检测采用CECY150G电容式压力变送器，输入量程(差压)为00.25MPa，输出为420mA；液位检测采用CECU341G电容式液位变送器，输入量程(差压)为00.2MPa，输出为420mA。 执行机构采用ZDLP6B电动调节阀，通径为DG50，流通能力为CG32，并配有操作器DFQ2100。 3) 控制规律 啤酒发酵过程中，输入量为冷却液流量，输出量为发酵液温度，由操作经验和离线辨识可知，被控对象具有大惯性和纯滞后特性，而且在不同发酵阶段特性参数变化很大，这是确定控制规律的依据。 为适应温度给定值为折线的情况，

39、在恒温段采用增量型PI控制算法，在升温、降温段采用PID控制算法，考虑到被控对象大惯性和纯滞后的特点，在控制软件设计中提供了史密斯(Smith)预估控制算法。 4) 控制系统主机及过程通道模板 本 系 统 的 控 制 主 机 选 用 康 拓IPC8500工业控制机，并配有A/D和D/A模板来实现过程通道中的信号变换。 (1) IPC8500工业控制机。 康拓IPC8500工业控制机，机箱采用全钢加固型结构,内装14槽PC总线无源母板，配有250W高效开关电源，带有双制冷风扇，前面板安装引风扇，开关电源内安装排风扇，引风量大于排风量，机箱内部形成微正压环境。 IPC8500工业控制机，选用All

40、inoneCPU板，CPU为Intel80486DX266，板上有二级WATCHDOG(看门狗)，当应用软件不能控制系统时，可触发NMI和RESET。 另外，IPC8500工业控制机与标准键盘、CRT显示器及打印机相连。 (2) 过程通道模板。 本系统选择康拓IPC548832路12位光电隔离A/D板，并配有CMB54191B32路I/V变换板，作为系统的模拟量输入通道。另外，选IPC54868路12位光电隔离D/A转换板，作为模拟量输出通道。 5) 控制系统的软件 控制系统的软件主要包括采样、滤波、标度变换、控制计算、控制输出、中断、计时、打印、显示、报警、调节参数修改、温度给定曲线设定及修

41、改、报表、图形、曲线显示等功能。 3.系统硬件和软件的设计 1) 系统硬件的设计 根据系统总体方案，可以画出控制系统的组成框图，如图所示。 (1)模拟量输入通道设计。 本系统检测30个温度(T1T30)、10个压力(P1P10)、10个液位(H1H10)。对于温度，我们选用WZP231铂热电阻30支和RTTBEKT温度变送器3 0 只 进 行 温 度 测 量 和 变 送 ， 即 将 -20+50变换成420mA(DC)信号， 图 啤酒发酵过程计算机控制系统硬件框图 IPC-8500工业控制机键盘PCBUS32路 A/D板IPC5488RTTB -EKTT1T30P1P10H1H10TV1TV8

42、TV9TV16TV17TV24TV25TV3032路 I/V板CMB5419 -1BRTTB -EKTRptRptCECY-150GCECY-150GCECY-341GCECY-341G32路 I/V板CMB5419 -1B32路 A/D板IPC5488ZDLP -6BZDLP -6BDFQ -2100DFQ -21008路 D/A板IPC5486ZDLP -6BZDLP -6BDFQ -2100DFQ -21008路 D/A板IPC5486ZDLP -6BZDLP -6BDFQ -2100DFQ -21008路 D/A板IPC5486ZDLP -6BZDLP -6BDFQ -2100DFQ

43、-21008路 D/A板IPC5486CRT打 印 机 送至32路I/V变换板CMB54191B，把420mA(DC)信号变换成15V(DC)信号，最后把15V(DC)信号送至32路12位光电隔离A/D板IPC5488，从而实现温度的数据采集。对于压力，选用10台电容式压力变送器CECY150G进行压力测量与变送，即将00.25MPa压力变换成420mA(DC)信号，同样经过I/V变换板送至A/D板。对于液位，选用10台电容式液位变送器CECY341G(实际上是单法兰差压变送器)，进行液位测量和变送，即将00.2MPa的差压转换成420mA(DC)信号，同样经I/V变换送至A/D板。 (2)

44、模拟量输出通道设计。 本系统自动控制30个温度，即使用30个电动调节阀ZDLP6B，通过调节阀自动调节阀门开度，从而调节冷却液(淡酒精)流量，达到控制发酵温度的目的。在模拟输出通道中，采用8路12位光电隔离D/A转换板IPC5486，将计算机输出的控制量转换成420mA(DC)信号 ， 该 信 号 送 至 操 作 器 D F Q 2 1 0 0 ，DFQ2100具有自动和手动切换功能，它输出420mA(DC)信号送至电动调节阀，从而实现控制30个调节阀(TV1TV30)，达到控制温度的目的。 另外，系统还配有+24V(DC)电源给变送器、操作器供电。因采用光电隔离技术，故A/D板和D/A板都采

45、用了DCDC电源变换模块，提供光电隔离所需的工作电源。 2) 系统软件的设计 (1)数据采集程序。 首先按顺序采集30个温度信号，然后再采集10个压力信号，最后采集10个液位信号，这些信号共采集5遍并存储起来，采样周期T2s。 (2) 数字滤波程序。 将每个信号的5次测量值排序，去掉一个最大值和一个最小值，剩余3个求平均值即为该信号的测量结果，即采用中位值滤波法与平均值滤波法相结合来实现数字滤波。 (3)标度变换程序。 变送器输出的420mA(DC)信号，经I/V变换后产生15V(DC)信号，进行12位A/D转换后，即得12位二进制x，其对应的实际物理量要按下面方法求得(对于12位A/D转换器，05V(DC)时输出为000HFFFH)。 温度的标度变换。 温度的量