计算机控制技术第10章讲述

1、自动化教研室第第1010章章计算机控制系统设计与实现计算机控制系统设计与实现 v 10.1 系统设计的原则与步骤v 10.2 系统的设计与实现v 10.3 电热油炉温度单片机控制系统设计v 10.4 换热站监控系统设计v 10.5 三维直线运动平台PLC控制系统设计10.1 系统设计的原则与过程系统设计的原则与过程v 10.1.1 系统设计的原则v 10.1.2 系统设计的10.1.1 系统设计的原则系统设计的原则v安全可靠v 工业控制计算机不同于一般的用于科学计算或管理的计算机，它的工作环境比较恶劣，周围的各种干扰随时威胁着它的正常运行，而且它所担当的控制重任又不允许它发生异常现象。v具有冗

2、余性v 为了预防计算机故障，需设计后备装置。对于重要的控制回路，选用常规控制仪表作为后备。对于特殊的控制对象，设计两台控制机，互为备用地执行控制任务，称为双机系统。 v实时性强v 工业控制机的实时性，表现在对内部和外部事件能及时地响应，并做出相应的处理，不丢失信息，不延误操作。v 计算机处理的事件一般分为两类，一类是定时事件，如数据的定时采集，运算控制等；另要是随机事件，如事故、报警等。对于定时事件，系统设置时钟，保证定时处理。v 对于随机事件，系统设置中断，并根据故障的轻重缓急，预先分配中断级别，一旦事故发生，保证优先处理紧急故障。操作维护方便操作方便表现在操作简单、直观形象、便于掌握。并不

3、强求操作工要掌握计算机知识才能操作。既要体现操作的先进性，又要兼顾原有的操作习惯。通用性好灵活性强工业控制机的灵活性体现在两方面，一是硬件模板设计采用标准总线结构(如PC总线)，配置各种通用的功能模板，以便在扩充功能时，只需增加功能模板就能实现；二是软件模块或控制算法采用标准模块结构，用户使用时不需要二次开发，只需按要求选择各种功能模块，灵活地进行控制系统组态。v具有开放性v 开放性体现在硬件和软件两个方面。v经济效益高v 计算机控制应该带来高的经济效益，系统设计时要考虑性能价格比，要有市场竞争意识。经济效益表现在两个方面，一是系统设计的性能价格比要尽可能的高；二是投入产出比要尽可能的低。 1

4、0.1.2 系统设计的过程系统设计的过程v 计算机控制系统工程的设计过程主要包括设计任务书、初步设计、详细设计、安装调试、资料归档等五个阶段。v1.设计任务书v 设计任务书是计算机控制系统设计、评价的主要依据，在设计任务书中要明确：v (1)工艺流程或被控对象特征 v 计算机控制系统的目的是为了最有效地保证工艺流程的顺利进行，所以熟悉工艺流程是设计计算机控制系统的前提。v v (2)主要工艺参数及指标要求 v 任何一个生产过程中，影响产品质量和生产速度的因素很多，所以必须确定被控对象的主要工艺参数及其性能指标，根据工艺参数的性能要求不同构建不同种类的计算机控制系统。v (3)系统运行环境 v

5、工业生产环境是复杂的，任何一种控制装置或仪器都不可能百分之百地适用于所有的工作环境，为了保证控制系统的正常运行及所有性能指标符合设计要求，需要对系统的运行环境包括温度变化范围、湿度变化范围、电磁干扰环境、粉尘、噪音、电网变化、静电场等有充分的了解并在系统设计中采取有效措施。v (4)系统设计目标 v 同样的生产工艺，可以有不同的控制系统，而且系统性能指标一般来说也是越高越好。如何决定系统的设计方案和评价指标，在系统的性能、造价、复杂度、可靠性、可扩展性、可维护性等诸多约束条件中确定最佳平衡点，这就是规定系统设计目标的目的。v2.初步设计v 根据系统设计任务书，以及市场可入手的设备、装置和设计者

6、自身所掌握的技术，对可能满足设计任务书的各类及其特征进行分析后，确定系统设计的总体方案。v (1)系统方案选择 v 满足同一种生产工艺要求的系统设计方案可能不只一种，必须根据设计任务书规定的其他指标，如性能价格比、操作的方便程度、可扩展性等确定一种比较合理的设计方案。v v (2)系统结构的确定 v 系统结构除了依存于生产工艺要求外，还取决于系统运行环境、生产管理者的要求、可入手设备及装置的性能等。v (3)主要设备和装置的选择 v 控制系统是由一系列的装置和元器件组成的。从某种意义上讲，构成系统的元器件和装置的性能决定了系统的性能。v (4)性能价格比评价 v 根据技术指标选择了系统的方案后

7、，要对系统技术指标以外的各种指标，主要是性能价格比进行比较评价，才能设计出有限条件下最好的控制系统。v3.详细设计v 根据初步设计所确定的系统方案和系统结构，对系统的软硬件系统进行具体详细的设计。v (1)系统功能块划分 v 一个控制系统根据设计要求不同，可以划分为多个不同的 功能块，合理地划分系统功能块并对各功能块分别设计，可有效地提高系统设计效率，提高系统的可维护性。v (2)硬件设计 v 针对各个不同功能块合理选择硬件实现方案及元器件和装置。v (3)软件设计 v 对系统及各功能块有效运行所必须的程序和指令系统进行设计、编程。v (4)辅助系统设计 v 为了保证控制系统可靠、稳定运行需要

8、为系统设计一些诸如保护系统、热备系统等辅助系统。v4.安装调试v (1)系统离线调试与评价 v 系统设计完成后，需要在实验室或现场进行实验评价，以确认系统是否按设计期望正常运转、各项性能是否符合设计要求。v (2)系统现场安装 v 经过实验评价的系统最终要在生产现场进行安装。v (3)现场调试 v 由于实验室环境和现场生产环境一般是不一样的，所以尽管系统经过实验室调试评价，但在现场安装完成后还要进行各项参数的调整才能保证系统正常运行。v (4)在线测试 v 经过现场调试的控制系统，在正式投入使用前还要测试各项控制指标，以保证系统安全投入使用。v (5)系统最终评价 v 系统投入使用初期,要按照

9、设计任务书所规定的各项指标，逐一进行评价，必要时对系统进行微调，最终使系统完全按照设计任务书的要求正常可靠运转。v5.资料归档v (1)设计图纸整理 v 经过现场调试投入使用后，要对安装调试的依据即设计图纸整理归档，不可漏掉一张图纸，包括调试过程中图纸变化记录，因为这些资料是系统今后维护、维修必不可少的依据。v (2)评价结果整理 v 对系统评价的方法、环境、所使用的仪器、评价的依据、实验者及评价人和责任人等数据、资料在系统投入使用前必须系统整理归档，以备为日后系统分析、责任区分等提供原始资料和数据。v (3)编写使用说明书 v 系统设计完成投入使用后，设计者的基本义务是为系统使用者提供完整的

10、使用说明，并保证具体使用操作者能够正确熟练地操作系统。v (4)设计完成确认书 v 系统设计任务书是系统使用单位根据实际需要给设计者提供的设计依据和约束条件，设计完成确认书是使用者为系统设计者提供设计合格及设计终了证明，只有拿到设计完成确认书，系统设计者才算最终完成系统设计任务。10.2 系统的设计与实现系统的设计与实现v 10.2.1 初步设计v 10.2.2 硬件的详细设计v 10.2.3 软件的详细设计v 10.2.4 系统的调试与运行10.2.1 初步设计初步设计v系统方案的选择v 依据设计任务的技术要求确定系统的性质是数据采集处理系统，还是对象控制系统，如果是对象控制系统，还应根据系

11、统性能指标要求，决定采用开环控制，还是采用闭环控制。v 根据控制要求、任务的复杂度、控制对象的地域分布等，确定整个系统是采用直接数字控制(DDC)、还是采用计算机监督控制(SCC)，或者采用分布式控制系统。v 由于每个特定的控制对象均有其特定的控制要求和规律根据系统的性能指标，因而必须选择与之相适应的控制策略和控制算法，依据具体的性能指标不同要求可选择PID、智能控制算法等。同时，还要综合考虑系统的实时性、整个系统的性能价格比等。v确定系统的构成方式v 控制方案确定后，就可进一步确定系统的构成方式，即进行控制装置机型的选择。目前用于工业控制的计算机装置有多种可供选择，如单片机、可编程控制器、I

12、PC、DCS、FCS等。v现场设备选择v 主要包含传感器、变送器和执行机构的选择。这些装置的选择是正确控制精度的重要因素之一。根据被控对象的特点，确定执行机构采用什么方案，比如是采用电机驱动、液压驱动还是其他方式驱动，应对多种方案进行比较，综合考虑工作环境、性能、价格等因素择优而用。v其它方面的考虑v 总体方案中还应考虑人机联系方式的问题，系统的机柜或机箱的结构设计、抗干扰等方面的问题。v系统总体方案设计v 系统总体方案设计的方法采用“黑箱”设计法。v 所谓“黑箱”设计，就是根据控制要求，将完成控制任务所需的各功能单元、模块以及控制对象，采用方块图表示，从而形成系统的总体框图。v 在这种总体框

13、图上、只能体现各单元与模块的输入信号、输出信号、功能要求以及它们之间的逻辑关系，而不知道“黑箱”的具体结构实现；各功能单元既可以是一个软件模块，也可以采用硬件电路实现。v 总体设计后将形成系统的总体方案。总体方案确认后，要形成文件，建立总体方案文档。系统总体文件的内容包括：v 系统的主要功能、技术指标、原理性方框图及文字说明。v 控制策略和控制算法，例如PID控制、达林算法、Smith补偿控制、最级控制、前馈控制、解耦控制、模糊控制、最优控制等。v 系统的硬件结构及配置，主要的软件功能、结构及框图。v 方案比较和选择。v 保证性能指标要求的技术措施。v 抗干扰和可靠性设计。v 机柜或机箱的结构

14、设计。v 经费和进度计划的安排。10.2.2 硬件的详细设计硬件的详细设计v 系统的初步设计方案确定后，开始对系统进行详细设计。v 详细设计包括硬件设计和软件设计二部分。v 总线式工业控制机的高度模块化和插板结构，采用组合方式能够大大简化计算机控制系统的设计，只需要简单地更换几块模板，就可以很方便地变成另外一种功能的控制系统。 v 选择系统的总线和主机机型v 选择系统的总线v 内总线选择v 常用的工业控制机内总线有ISA、PCI和STD总线等，根据需要选样其中一种。v 外总线选择v 根据计算机控制系统的基本类型，如果采用分级控制系统DCS等，必然有通信的问题。根据通信的速率、距离、系统拓扑结构

15、、通信协议等要求来综合分析确定。 v 选择主机机型v 在总线式工业控制机中，有许多机型，都因采用的CPU不同而不同。v 以ISA总线工业控制机为例，其CPU有Intel Pentium、Intel Pentium4、AMD AM2 Athlon64等多种型号，内存、硬盘、主频、显示卡、CRT显示器也有多种规格。v 设计人员可根据要求合理地进行选型。v选择输入输出通道模板v 一个计算机控制系统，除了主机以外，还必须配备各种输入输出通道模板才能构成完整的系统，实现控制任务。v 数字量(开关量)输入输出(DI/DO)模板v 模拟量输入输出(AI/AO)模板v选择变送器和执行机构v 选择变送器v 选择

16、执行机构10.2.3 软件的详细设计软件的详细设计v编程语言选择v 在软件设计前，首先应针对具体的控制要求，选择合适的编程语言 v数据类型和数据结构规划v 在系统总体方案设计中，系统的各个模块之间有着各种因果关系，互相之间要进行各钟信息传递。必须严格规定好各个接口条件，即各接口参数的数据结构和数据类型。v资源分配v 完成数据类型和数据结构的规划后，便可开始分配系统的资源了。系统资源包括ROM、RAM、定时器/计数器、中断源、I/O地址等。 v实时控制软件设计v 数据采集及数据处理程序v 控制算法程序v 控制量输出程序v 实时时钟和中断处理程序v 数据管理程序v 数据通信程序10.2.4 系统的

17、运行调试系统的运行调试v 系统的运行调试分为离线调试阶段和现场调试与运行阶段。离线调试般在实验室或非工业现场进行，现场调试与运行在生产过程工业现场进行。离线调试阶段是基础，检查硬件和软件的整体性能，为现场投运做准备，现场投运是对全系统的实际考验与检查。 v离线调试v 硬件调试v 对于各种标准功能模板，按照说明书检查主要功能。用户可采用制造商提供的测试软件进行测试。v 软件调试v 软件调试的顺序是子程序、功能模块和主程序。 v在线调试和运行v 在上述调试过城中，尽管工作很仔细，检查很严格，但仍然没有经受实践的考验。因此，在现场进行在线调试和运行过程中，设计人员与用户要密切配合，在实际运行前制定一

18、系列调试计划、实施方案、安全措施、分工合作细则等。v 现场调试与远行过程是从小到大，从易到难，从手动到自动，从简单回路到复杂回路逐步过渡。 10.3 电热油炉温度单片机控制系统设计电热油炉温度单片机控制系统设计v 10.3.1 控制任务与工艺要求v 10.3.2 硬件系统详细设计v 10.3.3 控制算法v 10.3.4 软件设计10.3.1 控制任务与工艺要求控制任务与工艺要求v电热油炉的组成与工作原理v 有机载体加热技术是采用有机载体，作为传热介质完成热能转换、传递，从而获得最佳用热工艺的新技术。v 电热油炉是电升温有机载体供热设备，可为化工、塑料、橡胶等行业用热过程提供稳定的低压高温热源

19、。v 它的供热原理是以电热升温，采用导热油作传热介质，导热油以强制液相循环方式在闭路系统中以低压、高温状态运行，将热能不断输送给用热设备，即加热一循环一再加热再循环。其工艺流程图如图10.2所示。图10.2电热油炉应用工艺流程图v 电热油炉基本上由四大部分组成：加热炉、循环系统、膨胀槽及电控柜。v 加热炉结构采用列管式换热形式，把电热元件直接埋入流动的导热油中，完成换热过程损失非常小。v 电热元件采用三相Y型接法，其电路原理图见图10.3所示。图10.3电热油炉主电路原理图v工艺要求与技术指标v 电热油炉的主要控制参数是导热油的温度，必须保证稳定、均匀、柔和加热和高精度的温度控制，并且能在较低

20、的压力（0.45Mpa）下运行，保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量。v 电热油炉要求在一定条件下保持恒温，不能随电源电压波动或用热对象而变化；或者要求根据工艺条件，按照某个指定的升温或保温规律而变化。v 循环泵不运转，电热元件不能通电。v 设定出口温度4位数码管显示，实际测量的出口温度、入口温度4位数码管显示；v 循环泵运行闭锁控制；v 温度控制采用平均功率法，电热管的通、断电控制采用固态继电器；v 九段温度曲线给定设置，掉电不丢失；v 温度范围：0300，精度1；v 供电电压:三相交流380Vv 功率：6KW。10.3.2 硬件系统详细设计硬件系统详细设计v系统的基本工作原理v 电热

21、油炉温度自动控制系统采用AT89S52单片机作为控制器，扩展了数码管显示、键盘、报警及A/D转换电路等，其系统框图如图10.4所示。v 控制系统采用铂电阻测量加热炉导热油的入口温度和出口温度，经A/D装换后送入单片机与给定温度比较，其偏差经PID运算后输出，控制三相固态继电器导通和断开时间的不同来控制电热元件的通电时间，并由此来控制导热油的加热温度，同时循环泵不运转，加热炉不能通电加热。 图10.4 电热油炉温度控制系统框图v单片机的选择v 选择AT89S52单片机作为控制系统的核心，AT89S52内部有8K的程序储存器，256字节的数据储存器，因而无需再扩展储存器，使系统大大简化。主要完成温

22、度的采集、控制、显示和报警等功能。v数据储存器扩展v 设定的温度曲线需要长期保存，扩展一片串行EEPROM AT24C256来保存设定的温度曲线。v传感器的选择v 导热油的温度测量范围为0300，温度传感器选择带变送器的铂电阻来测量温度，温度测量范围0300，4mA20mA（DC）电流输出,二线制方式。由于A/D转换器只能输入电压信号，须将电流信号转换为电压信号。v.A/D转换器的选择与接口设计v 由于导热油的温度测量范围为0300，精度1，因而选择TLC1543串行A/D转换器。EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112

23、P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U189S52NC1NC2NC3GND4VCC8TEST7SCL6SDA5U2AT24C256NC1CS2CH03CH14CH25CH36DGND7Vcc14DI13CLK12SART11DO10AGND8REF9U3TLC0834VCCVCCOUTVCCR3R4VCCR5R6L1L2VCCR7VCCY1C230pFC130pFVCCCS1CS

24、2CLKZDIOZKEYINT34U4B74F0412U4A74041234U8SSRR2R1VCCVCC+-U7J1220V图10.7模拟量采样电路原理图v执行器的选择v 选择交流接触器控制循环泵，增强型三相固态继电器3H380D35控制加热元件，它的输入电压为432V，驱动电流为630mA。由单片机控制其导通和关断的时间完成对电热元件的加热，达到温度控制的目的。电路原理图如图10.7所示。v显示器、键盘接口设计v 键盘、显示电路由ZLG7289A芯片来完成。ZLG7289A是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的，具有SPI串行接口功能的，可同时驱动8位共阴式数码管或64只独立LED的智能

25、显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示键盘接口的全部功能。 v 扩展了二片ZLG7289A驱动12位数码管，用来显示导热油出口温度的给定值、出口温度和入口温度的测量值。v 键盘由16个键组成，其中09数字键用于各种参数的设定；6个功能键分别是循环泵启动键、循环泵停止键、加热启动键、加热停止键、设置键、修改键。v 键盘显示电路如图10.8所示。v报警电路与状态显示电路v 报警电路由蜂鸣器和发光二极管组成，当系统中温度超限时，灯光报警。v 电路图如图10.7所示。图10.8 键盘显示电路10.3.3 PID算法及参数整定算法及参数整定v 加热炉出口温度闭环控制

26、系统方框图如图10.9所示。PID位置式离散表达式为：( )(1)( )(1)( )( )2 (1)(2)IDu ku kKp e ke kK E kKe ke ke kPID参数整定采用归一参数整定法 ( )( )(1)2.45 ( )3.5 (1)0.125 (2)Pu ku ku kKe ke ke k图10.9加热炉出口温度闭环控制系统方框图10.3.4 软件设计软件设计v 软件设计采用模块化结构设计。v 包括初始化子程序、A/D转换子程序、数据采样子程序、标度变换子程序、中值滤波子程序、PID控制算法子程序、键盘输入子程序、LED显示子程序等。v主程序v 主程序流程图如图10.10所

27、示 v数据采样子程序v 首先采集入口温度、然后采集出口温度，这二个信号各采集10遍并存储起来。数据信号采集需要多次调用A/D转换子程序。vA/D转换子程序v 串行A/D转换器TLC1543程序依据其工作时序来编制的，转换结果存放在R2R3中。图10.10 主程序流程图v数字滤波子程序v 将温度信号的10次测量值排序，去掉一个最大值和一个最小值，剩余8个求平均值即为该信号的测量结果，即采用中值滤波与平均值滤波结合的复合滤波方法。v标度变换子程序v 温度变送器输出的420mA DC信号，经I/V变换为15V DC信号，进行10位A/D转换后，即得10位二进制X，其对应的实际物理量要按下面方法求得3

28、00(205)(0.366775.18)1023205yxx10.4 换热站监控系统设计换热站监控系统设计v 10.4.1 换热站系统概述v 10.4.2 系统初步设计v 10.4.3 系统硬件详细设计v 10.4.4 系统软件详细设计v 换热站和热水管网是连接热源和热用户的重要环节。v 热水管网分为一次网与二次网。v 一次网是指连接于城市管网与换热站之间的管网。v 二次网是指连接于换热站与热用户之间的管网。v 换热站是指连接于一次网与二次网并装有与用户连接的相关设备、仪表和控制设备的机房。v 调整和保持热媒参数(压力、温度和流量)，使供热和用热达到安全经济运行，是热量交换、热量分配以及系统监

29、控、调节的枢纽。 10.4.1 换热站的运行原理与控制要求换热站的运行原理与控制要求v换热站的运行原理v 热源提供的高温水由一次热网送至各换热站，在换热站中，一次热网高温水通过换热器与循环水相混合，进行热量交换，将热能传递给二次网循环水，再由二次网经供热管道输送到用户，冷却的回水返回二次网回水管，一次网回水降温后回到热源。 图10.11 换热站工艺流程图v 换热站的主要设备：v 水一水(汽一水)换热器；v 离心式水泵；v 控制柜；v 热水储水箱；v 过滤器；v 补水箱；v 调节阀门；v 热媒参数调节和检测仪表等。v系统的控制要求v 具有数据采集、计量、实时控制等功能，实现换热站的自动化监测与控

30、制。v 数据采集：系统能够实现一次网供水、回水温度、一次网供水、回水压力、一次网回水流量，二次网供水、回水温度、二次网供水、回水压力、二次网流量、室外温度等11个参数的采集。v 计量分析：系统能够进行流量、热量的瞬时计算与累积计算，进行能源的管理与考核。v 实时控制：系统能够根据换热站的用热特点进行自动控制，提高换热站的供暖质量，降低能源消耗。10.4.2 系统总体设计系统总体设计 v1.换热站监控系统的体系结构v 换热站监控系统的体系结构如图10.12所示。以IPC为控制核心，辅以变频调速系统实现二次供水温度的控制。采用GPRS通用分组无线业务实现数据传输功能。图10.12换热站监控系统体系

31、结构图v主机及过程通道模板的选型v 主机v IPC-610H工控机 19英寸标准上架4U机型；v 支持14槽无源底板（4个PCI和7个ISA总线插槽），配置300 W ATX PFC/PS2电源（双冷却风扇）。v CPU：INTEL P4 2.4，v 内存：DDR1G，v 接口：2个串口、1个并口、2个前置USB接口、标准键盘鼠标接口。v 模拟量输入/输出模板的选择 v 选择阿尔泰科技PCI-2013 16路12位光电隔离A/D板，并配有A1-IV16A 16路I/V变换板，作为系统的模拟量输入通道。v 12位AD精度，100KS/s采样频率 单端16路/差分8路模拟量输入，可仃意切换模拟通用

32、 AD缓存：8K字FIF0存储器 AD量程：10V，5V，O10Vv 硬件增益：11000倍 AD触发方式：多种模拟量，数字量触发方式v 12位DA精度 2路模拟量输出 DA量程：05V，010V，5V，10V 数字量输入、输出各16路 v 选择PC8201 8路12位光电隔离D/A转换板，作为模拟量输出通道。v 12位DA精度，100KS/s 模数转换频率 8路电压输出或8路电流输出 电压输出量程：10.8V，10V，5V， 010.8V，010V，05V 电流输出量程：010mA,420mA 输出类型：光电隔离输出 隔离电压：2500Vrms(Min.)+PC8201PCI-2013A1-

33、IV16Av检测装置和执行机构v 供水、回水温度检测采用WZPJ-231一体化铂电阻温度变送器，其输入量程0200，输出420mA；v 室外温度检测采用WZPJ-231一体化铂电阻温度变送器，其输入量程-2050，输出420mA；v 供水、回水压力检测采用CECY-150G电容式压力变送器，其输入量程00.25Mpa，输出420mA；v 补水箱液位检测采用CECU-341电容式液位变送器，其输入量程（差压）00.02Mpa，输出420mA；v 回水流量检测用电磁流量计，其输入量程0500m3/h，输出420mA；v控制方案v 换热器二次供水温度调节v 通过对各二次供热系统的温度检测、分析，结合

34、外界干扰因素(室外天气温度)，算出最佳的供水温度，通过调节一次管网流量，使二次供水温度接近于它的设定值，这样在供热系统满足用户需求量的前提下，保证最佳工况。v 控制元件是换热器一次水出口的控制阀，该阀门控制换热器的一次供水流量。v 将预设定温度作为给定值，测量温度值作为反馈值，阀门的开度作为输出值，采用PID算法，保证二次供水温度的恒定。v 供回水压差控制v 根据二次侧供回水压差控制循环泵，维持恒定压差，变频、变流量供热，降低热网输送成本。v 通过对二次侧供回水压差进行控制，可以对温度进行质调节。根据室外温度，IPC工控机通过变频器适时适量地控制循环泵电机的转速来调节循环泵的输出流量，满足供暖

35、负荷要求，从而使电机在整个负荷和变化过程中的能量消耗降到最小程度。v 补水泵的定压控制v 在供热系统中，回水管的压力水头必须高于用户系统的充水高度，以防止系统倒吸入空气，破坏正常运行和腐蚀管道。v 维持恒压点压力恒定是供热系统正常运行的基本前提。v 通过控制变频器来(改变速度频率)控制补水泵的转速，从而改变系统的补水量，维持供水系统的恒压点压力恒定。v 采用PID算法。v控制系统软件v 数据采集、滤波、标度变换v 控制计算、控制输出v 中断、计时v 显示、报警v 调节参数修改、报表、图形、曲线显示等。10.4.3 系统硬件设计系统硬件设计v模拟量输入通道设计v 模拟量输入通道由一块PC-550

36、2 16路12位光电隔离A/D板和一块A1-IV16A 16路I/V变换板组成，可完成5个温度信号、4个压力信号、1个液位信号、2个流量信号等12个模拟信号的采集。所有的模拟信号都经变送器转换为标准的420mA的直流电流信号，再经I/V变换板转换为15V的直流电压信号送入A/D板。v模拟量输出通道设计v 模拟量输出通道由PC-5512 4路12位光电隔离D/A转换板组成，输出标准的420mA的直流电流信号控制二个变频器和一个电动调节阀。10.4.4 系统软件设计系统软件设计v 换热站监控系统软件系统结构如图10.15所示。v 它由6个模块组成。v 软件设计采用监控组态软件MCGS。v数据采集模

37、块v 按顺序依次采集5个温度信号、4个压力信号、2个流量信号和1个液位信号，这些信号各采集10遍并存储起来，采样周期T=1s。v数据处理模块v 数字滤波程序v 将每个信号的10次测量值排序，去掉一个最大值和一个最小值，剩余8个求平均值即为该信号的测量结果，即采用中值滤波与平均值滤波结合的复合滤波方法。v 标度变换程序v 变送器输出的420mA DC信号，经I/V变换为15V DC信号，进行10位A/D转换后，即得10位二进制X，其对应的实际物理量要按下面方法求得v 温度的标度变换，供水、回水温度的量程范围为0200，其标度变换计算公式为：2000(819)4095819yx(0.06150)x

38、v 室外温度量程范围为-2050，其标度变换计算公式为：50( 20)(819)( 20)4095819yx (0.021437.5)x= 压力的标度变换，供水、回水压力的量程范围为00.25Mpa，其标度变换计算公式为：50.250(819)(7.63 100.0625)4095819yxMPaxMPav 流量的标度变换，回水流量的量程范围为0500m3/h，其标度变换计算公式为 335000(819)0/(0.153125)/4095819yxmhxmh液位的标度变换, 液位的量程范围（压差）为00.02Mpa，其标度变换计算公式为：6430.02 100(819)06.4 100.511

39、09.78 (4095 819)Hxxv显示模块v 既能显示实时数据，又能以表格或者曲线的方式显示历史数据。vPID控制算法v 采用PID位置式算法。PID位置式离散表达式为：( )(1)( )(1)( )( )2 (1)(2)IDu ku kKp e ke kK E kKe ke ke kPID参数整定采用归一参数整定法，则( )( )(1)2.45 ( )3.5 (1)0.125 (2)Pu ku ku kKe ke ke k10.5 TM11型三维步进电机直线运动平台型三维步进电机直线运动平台PLC控制系统设计控制系统设计v 10.5.1 系统概述v 10.5.2 系统初步设计v 10.

40、5.3 系统硬件详细设计v 10.5.4 软件设计10.5.1 TM11型三维步进电机直线运动平台的组成型三维步进电机直线运动平台的组成v TM11型三维步进电机直线运动平台采用桌面式轻巧型设计，全铝合金移动式龙门架结构，有效加工体积为300mm220mm100mm。工作台可做水平和垂直方向运动，构成三维运动系统，由三台二相混合式步进电机拖动。采用PLC实现直线和圆弧插补控制。v 工作台装有图板和绘图笔（或刀具），可在A4纸大小的方型工作台上绘制出或加工直线、斜线、圆弧、螺旋线等图形。加工精度0.1mm；整机毛重20Kg。其结构如图10.16所示。10.5.2 系统总体方案设计系统总体方案设计v系统的体系结构v 本系统采用西门子S7-200PLC控制三维直线运动平台，用PC机作上位机构成控制系统，通过直线插补、圆弧插补运算实现运动平台按规定的轨迹运动。v设备选型v 上位机v 采用PC机，与控制机通过RS232接口传输数据。设计人