太原理工大学造纸原料蒸煮过程装料微机控制系统课程设计

1、目录陶瓷隧道窑微机压力控制系统3一、总体方案设计 41.对象的工艺过程42.对象分析43.控制系统设计要求及功能设计4二、硬件的设计和实现51.选择计算机机型和系统总线52.设计支持计算机工作的外围电路（EPROM、RAM、键盘、显示、通信端口等）53.设计输入输出通道64.选择合适的传感器、变送器及执行机构或控制元件7三数字控制器的设计9四、控制算法仿真104.1 系统仿真结构框图104.2 示波器仿真图11 4.3 系统输出响应曲线124.4仿真计算过程12四软件的设计131.系统程序框图132.数字调节器软件模块143.A/D及 D/A转换器处理程序模块154.输出控制程序模块175.其

2、他程序模块程序18五主要结论 22。六 参考文献 23。七 附录 23。摘 要 关键词：隧道窑、计算机、压力控制隧道窑一般是一条长的直线形隧道，其两侧及顶部有固定的墙壁及拱顶，底部铺设的轨道上运行着窑车。目前我国陶瓷隧道窑炉大多采用人工或简单仪表控制，要想使窑炉长期达到最佳工作状态是不可能的，造成产品合格率、一级品率一直处于较低的水平。陶瓷隧道窑炉是由预热带、烧成带和冷却带三个部分组成，瓷件烧成温度在1320左右，若用人工控制这个压力场，不仅控制上有难度控制精度上的问题更大，因此，我们此处引入了计算机控制，通过采集各点的压力（两到三个点），然后通过A/D转换送入计算机与设定值进行比较，再输出并

3、经过相应的硬件进行处理后输出到执行机构进行控制，它不仅能改善控制的精度，还能用软件代替一些硬件，大大的降低了成本，更主要的是解放了人的劳动力。陶瓷隧道窑微机压力控制系统目前我国陶瓷隧道窑炉大多采用人工或简单仪表控制，要想使窑炉长期达到最佳工作状态是不可能的，造成产品合格率、一级品率一直处于较低的水平。陶瓷隧道窑炉是由预热带、烧成带和冷却带三个部分组成，瓷件烧成温度在1320左右，窑内温度场主要由烧成带12对喷嘴燃冷煤气产生，窑炉系统用8组风机来调节窑内的压力场。压力控制系统将采集的各点压力值，经/转换后与设定值进行比较，控制器输出经由/变换，变成 420mA形式模拟量输出给电动执行器，驱动风机

4、调节调节挡板，从而控制排烟风机和助燃风机来调节烧成带的压力。关键词：8088系统、WMS-1系列绝压传感器、MC1151/3351DP差压变送器 ，PID算法、STD总线、多路开关.一.总体方案设计 1.对象的工艺过程 目前我国陶瓷隧道窑炉大多采用人工或简单仪表控制，要想使窑炉长期达到最佳工作状态是不可能的，造成产品合格率、一级品率一直处于较低的水平。陶瓷隧道窑炉是由预热带、烧成带和冷却带三个部分组成，瓷件烧成温度在1320左右，窑内温度场主要由烧成带12对喷嘴燃冷煤气产生，窑炉系统用8组风机来调节窑内的压力场。压力控制系统将采集的各点压力值，经/转换后与设定值进行比较，控制器输出经由/变换，

5、变成 420mA形式模拟量输出给电动执行器，驱动风机调节调节挡板，从而控制排烟风机和助燃风机来调节烧成带的压力。窑压力控制示意图2.对象分析 被控过程传递函数 是一个二阶环节，而且压力的控制对系统的输出超调量有严格的限制，控制算法采用数字PID控制,数字PID控制是应用最广，技术最成熟的一种调节方式，其控制结构简单，参数容易调整，不必求出被控对象的数学模型便可以调节。3.控制系统设计要求 根据系统总体方案，系统由8088基本系统、前向通道、后向通道和人机对话通道等4个主要的功能模块组成；8088系统是整个控制系统的核心，前向通道是信息采集的通道，主要包括传感器、信号放大、A/D转换等电路，后向

6、通道是实现控制信号输出的通道，人机对话通道主要由键盘、LED显示和打印机组成。2.设计支持计算机工作的外围电路（EPROM、RAM、键盘、显示、通信端口等） 键盘由10个数字键和6个功能键组成。 数字键包括0、1、2、3、4、5、6、7、8、9共10个， 功能键包括A、B、C、D、E、F共6个。 其中：A表示确认，B表示取消，C表示温度设定，D表示修改PID参数，E表示运行，F表示打印。在此，用8255A芯片来外接键盘，其电路图如下： 显示 本控制系统的采用LCD显示，液晶模块采用长沙太阳人电子有限公司生产的SMC2004A，该模块可显示204个字符，电路如图所示：P3.4脚输出LCD的选通信

7、号，SMC2004A的总线地址分别为：3F00（写指令）7F00H（读状态）、BF00H（写数据）、FF00H（读数据）。用于显示温度值。 压力变送器及A/DC574A转换电路3.设计输入输出通道（压力测量、控制输出电路等）；陶瓷隧道窑炉中压力通过传感器变换为微弱电压信号再经变送器转换为4-20ma电压信号， A/D转换器，内部有一个带有采样保持器8通道的12位A/D转换器，由于本设计中有12个通道的值要送A/D转换，所以需外接多路开关，多路开关选用16通道的CD4067，分时地将12组模拟量送A/D转换器，实现数据的采集，输出通道有12组输出，单片机数据处理后送出数字量经D/A转换器DAC8

8、830芯片，转换为模拟量再经过16通道的CD4067多路分配器输出经变送器变为4-20mA标准信号再通过电动调节阀来控制阀位的开度，以达到控制压力的目的。4.所选用传感器、变送器及执行器的类型、型号及量程范围4.1传感器部分出处：西安微敏仪器仪表有限公司选择原则：窑内温度高。需用耐高温的传感器稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强、体积小、性价比高。WMS-1系列绝压变送器采样瑞士高精度传感器做压力采集单元，再经线性处理、一体化温度补偿、低通滤波、抗干扰处理及放大量化，最小量程可到5KPA，实现在接近真空测量时仪器仍有很高的灵敏度,在真空测量和控制方面具有很高的优势。稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强

9、、体积小、性价比高等优点。特 点温度补偿、精度高稳定性好、寿命长电源自稳定技术自动恢复技术过压、过流自动保护应 用航空航天、科研教学医疗器械、化工试验液压气动、油田城市供水能源及自动化设备配套等技 术 指 标测量介质：与1Cr18Ni9Ti不锈钢兼容的气体或液体测量范围：5KPa100MPa零点输出：02mv（传感器）输出信号：420mA、05V、15、50100mv(传感器)，可定做精度等级：0.1级、0.25级、0.5级稳 定 性：0.2%FS/年、最大值0.25%FS/年供电电源：1536VDC适用温区：-2085接口螺纹：M20x1.5(亦可定做）防爆等级：ExiallBT6防护等级：

10、IP654.2变送器部分选择原则：耐高温。精度高。出处：山东淄博西创测控技术开发有限公司MC1151/3351DP差压变送器的关键原材料、元器件和零部件均源自进口或合资生产，整机经过严格组装和测试。该产品具有设计原理先进、品种规格齐全、安装使用简便等特点。由于该机型外观上完全融合了目前国内最为流行，并被广泛使用的两种变送器（罗斯蒙特3051与横河EJA）的结构优点，让使用者有耳目一新的感觉，并具有很强的通用性和替代能力。为适合国内自动化水平的不断提高和发展，该系列产品除设计小巧精致外，更推出具有HART现场总线协议的智能化功能。产品特点： 超级的测量性能，用于压力、差压、液位、流量测量 精度高

11、：数字精度+（-）0.05%；模拟精度+（-）0.5%+（-）0.1%F.S 量程、零点外部连续可调，量程比100：1 正迁移可达500%、负迁移可达600% 稳定性能好，稳定性：0.25% 60个月 耐过压 固体传感器设计 全系列统一结构、互换性强 接触介质的膜片材料可选 低压浇铸铝合金壳体 测量速率：0.2S 小型化（2.4kg）全不锈钢法兰，易于安装 过程连接与其它产品兼容，实现最佳测量 采用16位计算机的智能变送器 标准4-20mA，带有基于HART协议的数字信号，远程操控 支持向现场总线与基于现场控制的技术的升级技术参数 使用对象 ：液体、气体;和蒸汽 供电电压 ： 1236V DC

12、，标准值24VDC； 输出信号 ： 420mADC； (特殊可为四线制 220V AC供电 0-10mA DC 输出) 环境温度 ： 2570 （一般变送器）， 1570 （带现场指示器） 测量温度 ：-40-104，法兰灌充硅油-40-104，灌充高温硅油15-315 储藏温度 ： 40100； 相对温度 ：0-100%RH 防护等级 ：dBT4， iaCT5 ； 电源影响 ：小于输出范围的 0.005%/V； 振动影响 ：在任何方向上振动 200Hz ，引起的误差为最大范围的 0.05%g（微差压为0.25%g） ； 安装位置影响：当工作膜片未垂直安装时，可能产生不大于 0.24Pa 的零

13、位误差，误差可通过调整零位来消除，对量程无影响； 稳定性 ：六个月内不超过变送器的精度； 指示器 ：线性指示 0100%；3-1/2位LCD 液晶显示 量程和零位 ：外部连续可调 正负迁移 ：最大正迁移量为 500% ，最大负迁移量为 600% 材料：隔离膜片 ： 316L不锈钢，哈式合金-C ，蒙耐尔合金，钽 排气/排液阀 ： 316L不锈钢，哈式合金-C， 蒙耐尔合金 法兰和接头 ： 316L不锈钢，哈式合金-C ，蒙耐尔合金 O 型圈 ：氟橡胶 灌充液 ：硅油 惰性油 螺栓 ： 316L 不锈钢 电子壳体 ：低铜铝合金4.3电动调节阀选用原则：具有状态设定功能，断信号后自动进入设定状态（

14、开启、保持原位、关闭）。 在运行过程中，遇到断电，具有自锁功能，保持其原位。 行程零位及满位、死区、反馈零位及满位调整方便。 出处：朝凯阀门公司选用3610系列电子式电动调节阀其主要特点：1.伺服控制器和执行器合二为一，集机电于一体，控制精度高，可构成高品质的调节系统。2.伺服控制器功能多，高度集成化，可靠性高，操作简便。3.具有选择功能： 控制信号：DCO10mA/DC420mA.动作方向：正作用/反作用。 4.位置检测采用高可靠性器件，并有间隙补偿装置，通过发送器可输出DCO-10MA、DC4-20MA阀位信号。具有自诊断及处理和指示功能。 5.具有状态设定功能，断信号后自动进入设定状态（

15、开启、保持原位、关闭）。 6.在运行过程中，遇到断电，具有自锁功能，保持其原位。 7.行程零位及满位、死区、反馈零位及满位调整方便。 型号量程范围传感器 WMS-1压力5KPa100MPa变送器MC1151/3351DP输出4mA20mA 执行器3610系列 输入4mA20mA三数字控制器的设计 被控过程传递函数： 是一个二阶延迟环节。算法采用数字PID控制,数字PID控制是应用最广，技术最成熟的一种调节方式，其控制结构简单，参数容易调整，不必求出被控对象的数学模型便可以调节。PID调节的实质就是根据输入偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制。增量型PID表达式为

16、：u ( k) = u ( k - 1) + Kp e ( k) - e ( k - 1) + KI e ( k) + KD e ( k) - 2e ( k - 1) + e ( k - 2) 离散的PID表达式为：P(k)=P(k-1)+KpE(k)-E(k-1)+KI E(k)+KDE(k)-2E(k-1)+E(k-2)式中： T：采样周期 E（k）：第K次采样时的偏差值 E（k-1）：第K-1次采样时的偏差值E（k-2）：第K-2次采样时的偏差值 K：采样序号：K=0，1，2 P（k）：第K次采样时调节器的输出 Kp：比例系数TI 为积分时间系数TD 为微分时间系数 KI：积分系数, K

17、I =KpTTI KD：微分系数, KD =KpTDT在本系统中当压力高于给定值 ，调节阀应该关小，以降低压力，为达到这种控制效果，控制控制器必须彩反作用控制，这时输入E(k)=R(k)-C(k)。对于PID控制器,当偏差值输出较大时,输出值会很大,可能导致系统不稳定,所以在实际中,需要对调节器的输出限幅。四、控制算法仿真4.1 系统仿真结构框图4.2 示波器仿真图4.3 系统输出响应曲线4.4仿真计算过程设置PID参数初值：Kp=0.5；ki=0.1；kd=2.0；仿真后的PID参数值Kp=0.8645；ki=0.1653；kd=9.5491；四软件的设计 1.系统程序框图 2.数字调节器软

18、件模块float Dalin(float M,floatR) int i; float u; /用于返回输出值 float e2=0; /定义数组用于存放偏差e(k)和输出u(k) float u5=0; e0=R-M; /本次偏差 u=u0; e1=e0; for(i=0;i4;i+) /将最后面的输出赋以新值 ui+1=ui; return(u) /返回控制量3.A/D及 D/A转换器处理程序模块A/D（12位）转换程序如下DATA SEGMENTBUF DW？DATA ENDSCODE SEGMENTMAIN PROC FARASSUME：CS：CODE，DS：DATASTART：MOV

19、 AX，DATA ；设置数据段 MOV DS，AX MOV BX，OFFSET BUF；数据段缓冲区地址送BX MOV AL，9AH ；设A、B口及C口高4位为输入方式，低四位为输出方式MOV DX，2C3HOUT DX，ALMOV AL，00H ；使R/C为低电平，启动A/D转换OUT DX，ALNOPNOPLOOP：DEC DX IN AL，DX ；查询STS的状态 TEST AL，80H JNZ LOOP MOV AL，01H ；使R/C=1 OUT DX，AL MOV DX，2C1HIN AL，DX ；读高8位数据 MOV BX+1，AL ；存入数据 DEC DX IN AL，DX ；

20、读低四位数据 ANL AL，0F0H MOV BX，AL ；存入数据 MOV AH，4COOH INT 21H MAIN ENDPCODE ENDSEND START D/A（12位）转换器输出的接口驱动程序START:MOVDX,ADRESS；DAC基地址送DX寄存器MOVCL,4SHLBX,CL；BX中12位数向左对齐MOVAL,BHOUTDX,AL；写入高8位数INCDXMOVAL,BLOUTDX,AL；写入低4位数INCDXOUTDX,AL；启动D/A转换（AL中为任意数均可）HLT.数字滤波程序模块FARIFTPORCNEARMOVCX,NDECCXMOVSI,0MOVDX,0MOV

21、AX,SAMPSILOOP1:ADDAX,SAMPSI+2JNCNEXTINCDXNEXT:INCSIINCSILOOPLOOP1MOVCX,NDIVCXMOVRESULT,AXFARIFTENDP4.输出控制程序模块void DataOut(unsigned char nValue) int i; int j; for(i = 0;i 0; j-) ;/延迟一点时间 SHCLK_Lo();/时钟低电平 for(j = 10; j 0; j-) ; nValue = 1; return;void main(void) unsigned char nValue;/初始化时钟 Init_CLK()

22、;/端口初始化 Init_Port(); /清除锁存信号 STCLK_Lo()/输出0 nValue = 0; DataOut(segnValue);/输出2 nValue = 2; DataOut(segnValue);/显示上面的8位数据 STCLK_Hi(); return;5.其他程序模块程序:PID算式程序PID:MOVAX,SPECSUBAX,YKMOVR0,AXMOVR1,AXSUBAX,EK_1MOVR2,AXSUBAX,AEK_1MOVBEK,AXMOVR8,AXMOVAX,R1MOVEK_1,AXMOVAX,R2MOVAEK_1,AXTESTR1,8000HJZEK1NEG

23、R1EK1:MOVAX,R1SUBAX,TBANDJCI1MOVR3,00HJMPDDDI1:MOVAL,TSMOVAH,00HMOVCX,R1MULCXMOVCX,KI1DIVCXMOVR3,AXTESTR0,8000HJZDDDNEGR3DDD:TESTBEK,8000HJZDDD1NEGBEKDDD1:MOVAX,BEKMOVCX,KDDMULCXPUSHAXPUSHDXMOVAL,TSMOVAH,00HMOVCX,0008HMULCXMOVCX,AXPOPDXPOPAXDIVCXMOVR4,AXTESTR8,8000HJZDD1NEGR4DD1:MOVAX,R3ADDAX,R4MOVR

24、5,AXJ0L9L2:MOVAX,R5ADDAX,R2MOVR6,AXJ0L3L5:MOVAX,R6MOVCX,KPPIMULCXMOVCX,1000HIDIVCXMOVCX,AXRCLAH,01HPUSHFRCRAL,01HPOPFJCLLL1CMPCH,00HJZLLL2MOVAL,7FHJMPLLL2LLL1:CMPCH,0FFHJZLLL2MOVAL,80HLLL2:MOVR7,ALADDAL,CK_1J0L8L18:MOVCK_1,ALADDAL,80HMOVCK,ALRET越限报警程序ALARMCPROCNEAR；越限报警子程序MOVDX,PORTCNL；设置8255A为基本I/O

25、方式MOVAL,80HOUTDX,ALMOVYFCNB,0；报警及复位处理次数计数单元清零MOVBH,FLAG；保护报警标志状态MOVAX,SAMP；取测量值CMPAX,ALADEG；越上限？JABRAN1；越上限，转BRAN1CMPAX,ALADEG+2；复上限？JNBDONE；未复上限，返回主程序SHRBH,1；已复上限JCBRAN2；越上限报警标志位已置位，转BRAN2CMPAX,ALADEG+4；越下限？JNBBRAN3；越下限，转BRAN3CMPAX,ALADEG+6；复下限？JNADONE；未复下限，返回主程序SHRBH,1SHRBH,1JNCDONE；越下限标志位未置位，返回主程序ANDFLAG,0FDH；已置位