控制系统工程设计第4章

第4章基于工控机的微型加热器温度控制系统

4.1工控机实验装置

4.2系统总体设计

4.3系统硬件设计

4.4系统软件设计返回总目录4.1工控机实验装置

4.1.1工控机实验装置介绍工控机（IPC）实验装置分类：柜式、台式及盒式。研华IPC按结构分类：1、普通台式——其I/O接口卡插在主机ISA或PCI插槽里，还有分布式RS-485远程控制I/O模块等2、整体式——键盘和显示器均固定在主机上3、模块式——模块种类有电源模块、CPU模块、输入输出I/O接口卡模块、工业以太网接口模块、现场总线接口模块和分布式RS-485远程控制I/O模块等）多D/A结构（图2-1(a)）和共享D/A结构（图中2-1(b)）。柜式工控机（IPC）图4-1IPC实验装置外形与结构

4.1.2控制要求1、硬件设计(1)被控对象设计(2)加热器电源设计(3)主控装置设计(4)加热器控制电路设计(5)加热器电气及电子原理图设计(6)信号调理模块和加热器模块电气及电子工艺设计2、控制方式与控制指标

除了手动方式控制以外，还有自动方式控制。3、软件设计采用中国亚控公司中文组态王Kingview及与其配套的软PLC语言KingACT为编程语言。4.2系统总体设计4.2.1系统设计流程1、系统调研和设计任务书的拟订自动化系统设计任务书是整个系统设计的依据，同时又是今后设备竣工验收的依据。

2、方案设计对同一控制对象和控制要求，往往有多种控制方案。在满足控制要求的前提下，设计方案应该力求简单、经济和实用，不宜盲目追求高指标。

3、安全性、可靠性考虑4、硬件与软件设计5、系统安装调试4.2.2控制方案设计1、软硬件主要方案（1）硬件部分前面已经叙述过，除了用工控机IPC及其I/O摸板控制已经确定以外，还有：要求采用微型廉价测温传感器测量温度；要求采用高效集成式控制电路控制加热器的加热元件。（2）软件部分前面已经叙述过，用基于经典自动控制理论模拟PID的数字式恒值温度控制和基于现代控制理论离散型动态规划及最小原理变值温度控制控制，采用中文组态王Kingview及与其配套的软PLC语言KingACT为编程语言。2、控制算法与软件方案的拓宽（1）控制算法（2）编程语言（3）设计题目树4.3系统硬件设计

4.3.1

系统组成结构图4-2加热器IPC控制系统组成结构4.3.2系统功能划分1、工控机IPCIPC是整个控制系统的核心和大脑。从自动控制理论的角度出发，IPC属于自动运算、调节和控制环节。2、ISA或PCI多功能卡加热器的IPC控制，既有模拟量控制，又有开关量控制，故要有AI、AO、DI和DO输入输出点，要选择多功能卡。多功能卡产生TTL级的控制信号。3、通信转换模块及远程模块由于IPC另外还要控制电梯等对象，控制电梯需要较多的DI、DO点，而多功能卡上的DI、DO点不够用，故要增设这两个模块及RS232/485通信转换模块，兼有远程网络控制的功能。4、信号调理模块5、加热器模块6、AC电源和DC电源4.3.3工控机IPC概述

1、IPC硬件

研华公司是国际上最早从事工业计算机和自动化控制器的生产厂商之一研华产品的市场占有率较高。研华主要产品系列有：(1)工业计算机平台(2)电子自动化(3)嵌入式计算机(4)数字视频平台2、IPC软件与组态软件除了可用通用汇编语言、VB和C++语言编程以外，还具有方便用户编程的多实时工业组态软件，而一般IPC工业监控已较少使用前三种语言编程。工业组态软件特点有：(1)内置实时数据库(2)图形化软PLC语言（梯形图LD和功能块图FBD等）编写非常直观(3)能高速采样与控制(4)拥有同其它语言进行通信的软件接口

4.3.4主控设备选型及配置

工控机IPC及其I/O板卡是本课题的主要控制设备。1、IPC主机设备选型(1)选定普通台式IPC。(2)具体选IPC-610型。(3)全长All-in-OneCPU卡选PCA-6187型。(4)1个硬盘，1个光驱，1个鼠标，1个键盘，1台17英寸彩色显示器。

2、插入式数据采集控制考虑到作为一般的IPC实验和低速数据采集控制工业应用，选用PCL-812PG型ISA多功能卡。其性能指标为：16路12位单端模拟量输入AI2路12位AO输出一个Intel8253-5型可编程定时器/计数器16位数字量输入DI，16位数字量输出DO连接插座

3、信号调理模块和端子板

(1)PCLD-782型光隔离数字量输入板信号调理模块和端子板用于连接主机箱里的PCL-812PG多功能卡。

图4-3PCLD-782型光隔离数字量输入板内部及外部接口电路(2)PCLD-785型继电器输出模块

图4-4DO0继电器输出通道与PCLD-780型螺旋接线端子板单个通道电路图

(3)PCLD-780型螺旋接线端子板PCLD-780型接线端子板具有2套10通道连接器，其单个通道的电路图如图4-4b所示。共有4种设置方式：直通连接（工厂出厂设置）R1=0Ω，R2和C取消。1.6KHz（3dB）低通滤波器R1=10KΩ，C1=0.01μF，R2取消。10比1电压衰减器R1=9Ω，R2=2Ω，C1取消。0～20mA到0～5V（DC）信号转换器R1=0Ω，R2=250Ω，C1取消。4、远程通信模块和远程控制模块(1)通信转换模块选取AIAM-4520型光隔离RS232至RS-422/RS-485转换模块。(2)远程数字量输入输出模块选取2块AIAM-4050数字量输入输出模块（7点DI，8点DO），输入电压电平0～30V，8路NPN型晶体管集电极开路数字量输出。4.3.5系统电气电子原理图设计一、IPC、I/O插卡、信号调理模块、按钮和指示灯电路的设计工作原理：图4-5微型加热器IPC控制系统电气原理图(略）。二、加热器电路的设计加热器电路如图4-5所表示。1、加热器的信号输入加热器的信号输入端有两个，分别为AIU0和AII0，分别采用工业控制标准电压信号（0～5V）和电流信号（0～20mA）两种方式。图4-5微型加热器IPC控制系统电气原理图2、输入信号放大与槽形电压表指示输入信号采用单电源运算放大器N1A进行放大所用运算放大器LM358内部有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器电压表PV1为槽形电压表稳压二极管VZ1用于保护表头3、SG3524型PWM控制芯片介绍加热元件的加热电阻R30（100Ω，10W）采用功率管V20高效脉宽调制方式控制SG3524是美国硅通用公司（SiliconGeneral）生产的

端推挽输出式脉宽调制器，工作频率高于100kHz，工作温度为0℃～70℃，适宜控制100W～500W中功率开关电源、加热器和直流电动机等。

SG3524采用DIP-16型封装，其内部结构如图4-6所示，管脚功能:引脚1：反相输入，误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。引脚2：同相输入，误差放大器同相输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。

引脚3

：振荡器输出，内部振荡器输出。引脚4

：限电流（+）输入CLSENSE，采用电流传感器引入，进行限电流保护。引脚5

：限电流（-）输入CLSENSE，采用电流传感器引入，进行限电流保护。引脚6

：振荡器外接电阻。引脚7

：振荡器外接定时电容。振荡器频率由外接电阻和电容决定。引脚8

：地GND。引脚9

：补偿、外接RC网络，PWM比较器补偿信号输入端。引脚10

：通/断控制：外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被禁止。低电平时，输出为高阻状态。引脚11

：内部激励发射极输出。引脚12

：内部激励集电极输出。引脚13

：内部激励集电极输出B。引脚14

：内部激励发射极输出EMITTERB。引脚15

：电源电压VIN。引脚16

：基准电源电压VRF，+5V，既可用于内部电路，又可用于外部电路。图4-6SG3524型PWM控制芯片内部原理图4、加热器PWM控制原理(1)参见图4-5。运算放大器N1A的输出端，经R25、R24同R26分压SG3524脚16提供的基准电源+5V，而后接至PWM控制芯片SG3524的脚2（误差放大器同相输入端）。脚1（误差放大器反向输入端）和脚9（补偿、外接RC网络端）进行短接，使得内部误差放大器变成射跟随器形式。脚2实际上就是自动控制给定输入端，在此，我们仅对PWM控制芯片采用模拟式开环控制方式，但是就加热器温度大反馈控制而言，PWM控制芯片作为控制电器，不过是整个温度闭环控制系统的一个执行环节。(2)振荡器脚7须外接电容，脚6须外接电阻。振荡器频率由外接电阻和电容决定。本设计开关频率设定为0.5Hz，可取C=20μF，R=130kΩ。振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至PWM比较器的同相端，比较器的反向端接误差放大器的输出。

(3)误差放大器的输出与锯齿波电压在PWM比较器中进行比较，从而在PWM比较器的输出端出现一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲，此方波脉冲经过RS双稳态触发器A送到两个或非门的输入端。每个或非门的另两个输入端分别为振荡器输出方波电压和另一个触发器B的Q端（两个或非门分别接Q正端和反端）。触发器B的两个输出端互补，交替输出高低电平，其作用是将PWM脉冲交替送至两个三极管V1及V2的基极，使得推挽输出对管交替输出脉冲宽度调制波，两者相位相差180°。当输出对管并联应用时，其输出脉冲的占空比为0％～90％；当输出对管分开使用时，输出脉冲的占空比为0％～45％。(4)本设计不用电流反馈，将脚4[限电流（＋）输入]和脚5[限电流（－）输入]接地。通/断控制（脚10）悬空。(5)用中功率管V20（8050型）的开关工作方式控制加热电阻R30（100Ω，10W）的通断。易算得流过加热电阻R30的最大电流为Imax=180mA。不妨设功率管V20的放大倍数β=60，则PWM控制芯片双输出晶体管（也处于开关工作方式）外接集电极电阻R28的最大电流大约为6mA，而每个晶体管的集电极电流为3mA。易算得R28大约2k，就取R28=2kΩ。(6)本系统不存在控制死区问题。当控制信号输入端AIU0从0～1变化时，PWM控制芯片给定输入端（脚2）信号就立即变化，使得推挽输出管的通断情况产生变化，进而使得加热电阻的发热情况产生变化。(7)如此，当加热器实际温度低于设定温度时，经过IPC根据某一自动控制算法运算后，IPC送出的AO信号上升，运算放大器N1A输出信号随之上升，PWM控制芯片给定输入端信号也随之上升，输出的脉冲宽度随之增大，使得加热功率管的导通时间延长，加热功率增大，实际温度上升，如此等等。5、测温传感器AD590介绍AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：(1)电流在数值上等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，单位为μA；Tk—热力学温度，单位为K。(2)AD590的测温范围为-55℃～+150℃。(3)AD590的电源电压范围为4V～30V。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。(4)精度高：AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。6、加热器测温电路(1)由于所选用的AD590为电流型器件，所用电源电压为12V，故考虑用AD590与一个电阻R31=10kΩ相串联，另一端接地（如图4-5所示),温度为0℃时，可算得UB

=2.73V；温度为100℃时，UB

=3.73V。(2)设置零点调节电阻的目的是当温度为0℃时，使得测温电路的输出，亦即运算放大器N1B的输出为0V。(3)反馈电阻与反相输入电阻的计算。(4)设置扰动开关S、电阻R32和电位器RP1的目的是模拟环境温度突然降低对加热器温度的影响。(5)测温第2级放大器N2A采用全反馈跟随器形式，其同相输入端的电压变化范围应在0～5V之间，R36=1kΩ，RP3=4.7kΩ，R37=3kΩ。(6)电压表PV2为槽形电压表，刻度在0～100之间，对应0～100℃。稳压二极管VZ2用于保护表头(7)工业标准信号0～5V到0～20mA转换电路如图4-5所示。显见运算放大器N2B与晶体管V21电路构成负反馈电路，R43为反馈电阻。我们的设计目标是当UF=0～5V时，晶体管V21的集电极电流随之0～20mA变化，从而发射极亦然。(8)在R40～R43取值已知的情况下，晶体管V21集电极电阻R44=300Ω。(9)由于晶体管V21发射极输出作为0～20mA信号输出端，而接收电路可能要使之变成电压信号，故V21发射极最大电压为5V，因此设置稳压二极管VZ3（稳压值为5.6V），此管一般情况下并不处于反向导通状态，除非产生保护动作时，才反向导通。(5)测温第2级放大器N2A采用全反馈跟随器形式，其同相输入端的电压变化范围应在0～5V之间，R36=1kΩ，RP3=4.7kΩ，R37=3kΩ。(6)电压表PV2为槽形电压表，刻度在0～100之间，对应0～100℃。稳压二极管VZ2用于保护表头。(7)工业标准信号0～5V到0～20mA转换电路如图4-5所示。显见运算放大器N2B与晶体管V21电路构成负反馈电路，R43为反馈电阻。我们的设计目标是当UF=0～5V时，晶体管V21的集电极电流随之0～20mA变化，从而发射极亦然。(8)在R40～R43取值已知的情况下，晶体管V21集电极电阻R44=300Ω。(9)由于晶体管V21发射极输出作为0～20mA信号输出端，而接收电路可能要使之变成电压信号，故V21发射极最大电压为5V，因此设置稳压二极管VZ3（稳压值为5.6V），此管一般情况下并不处于反向导通状态，除非产生保护动作时，才反向导通。1、机械结构设计所设计的IPC实验装置为柜式，其外形及结构和各模块的布置如图4-1所示。对此，前面已经作了介绍。机械设计包括机械零件图设计、机械装配图设计、外购件和金属及非金属材料清单汇总等。这些工作一般由机械技术人员承担，电气自动化技术人员密切配合。2、各模块电气元件布置图设计各模块电气元件布置图是指各模块箱体内电气元件的布置，以便电气元件的安装。必须根据元件产品样本或实物，了解元件的安装形式与尺寸，进行设计。4.3.6系统电气电子工艺设计3、各模块面板设计与制造实验装置上各模块的面板有各元件的接线端子插座、电位器、开关、按钮、电表、指示灯、发光二极管和数码管等，还要写上电气元件图形符号及文字符号和其它文字。例如，加热器模块的面板PCB制板图如图4-7所示（略）。面板加工图采用Protel软件PCB文件格式设计（工程上还广泛采用PowerPCB、Cadence和Allegro等软件），随后将PCB文件格式面板加工图送往专业厂进行光绘，将铝合金板材进行喷砂、氧化处理，再涂上一层感光材料，而后感光印刷、裁剪和打孔。4、加热器PCB图的设计与制造印刷线路制板图一般常用Protel软件的PCB文件格式设计，常称为PCB制板。用户只需在计算机上完成PCB文件的设计，然后发往线路板制造厂。例如，加热器模块的PCB图如图4-8所示。图4-8加热器模块的PCB制板图4.4系统软件设计4.4.1软件设计流程程序设计是一种高度复杂的创造性劳动，必须遵循科学的软件设计流程，才能使程序设计有条不紊地进行下去。自动化工程控制软件设计的流程一般为：(1)控制规律与控制算法设计。(2)基于某一控制算法和某一编程语言进行人机界面设计与控制程序设计。对规模较大的系统，要事先编制程序设计框图。(3)自动化工程控制软件并非是单一性软件，它同硬件、实际电气控制设备及被控对象紧密相关，因此要进行软硬件综合调试。4.4.2控制规律与控制算法设计1、系统动态数学模型的计算、估算与测试熟悉被控对象是进行自动控制系统设计首先要做的事情，而系统建模，即系统动态数学模型的建立，是实施各种控制策略与控制算法的重要依据。系统建模分计算、估算与测试几个环节。测试画面如图4-9所表示。(1)系统动态数学模型的计算和估算本例只研究传热过程。(2)系统动态数学模型的“飞升曲线法”测试在推导出系统的传递函数之后，还要进一步通过工程测试法获得其具体参数，最常用的测试方法是“飞升曲线法”。测试环境：电网电压为AC220V环境温度为标准室温25℃。这是测定曲线、建立数学模型的标准条件。环境变了，要作为随机干扰信号处理。测试画面如图4-9所示，测试软件采用中文组态王编制。

图4-9在线飞升曲线法测定被控对象的动态特性简述如下：(1)在组态王工程浏览器/设备/板卡/研华/PCL812PG路径下安装PCL-812PG多功能卡。(2)在组态王工程管理器中定义变量（在组态王中变量无斜体与下标）：模拟量输出AO0，I/O实数（要事先软件安装PCL-812PG多功能卡，并进行I/O变量连接，选取AO0通道）；输入调节内存实数，由于组态王Y-T图的显示特点，要将内存实数的最大默认值1×109改为5，才能调到5V时满幅显示；放大倍数K0，内存实数；稳态温度，内存实数；加热器温度采集AI0，I/O实数加热器实测温度y，内存实数，类似地，要将内存实数的最大值改为100，才能当温度为100℃时满幅显示；时间常数T，内存实数；纯滞后时间，内存实数；初始温度，内存实数；稳态温度，内存实数；隐含与可见，内存离散。(3)变量“输入调节”连接游标（可产生输入阶跃信号）、“加热器输入”文本框和实时趋势Y-T图输入阶跃信号曲线；变量“加热器实测温度y”连接“加热器输出”文本框和实时趋势Y-T图加热器实测温度曲线。(4)组态王画面命令语言（循环扫描时间设置为1000ms）为：加热器实测温度y=（加热器温度采集AI0）*100/4095模拟量输出AO0=输入调节*4095/5；/*A/D和D/A均为12位转换*/(5)“初始温度”、“稳态温度”和“K0”为3个自制按钮，用工具箱中的矩形图并放置文本而成，它们动画连接“弹起时”的命令语言分别为：初始温度=加热器实测温度y；和稳态温度=加热器实测温度y；和放大倍数K0=（稳态温度-初始温度）/（模拟量输出AO0/4095））(6)图中的“隐含/可见”按钮用于控制、和的可见与隐含，其“按下时”和“弹起时”的命令语言分别为：隐含/可见=0；和隐含/可见=1；观察图4-9，可见对象是一阶带纯滞后的自平衡对象，并且纯滞后时间系统时间常数3因为测温传感器离加热电阻很近，故不再考虑。图4-9中参数、的测量是在在线运行时通过人工观察Y-T图测得并通过组态王软键盘（“”和“”为2个自制按钮，用工具箱中的矩形图并放置文本而成，它们的动画连接均选取“模拟值输入”，运行时，若用鼠标操作，可自动弹出小键盘，以便实时键入观察值，当然也可用普通硬键盘）键入图形画面的，这不可避免地会带来一些观察误差，但适合一般工程的实际应用；当然，也可考虑全自动测定，但是编程较烦琐。2、基于经典控制理论的二阶最佳工程设计及离散化处理3、基于现代控制理论连续型庞特里雅金最小原理的控制算法设计(1)系统的状态空间描述与控制性能指标(2)基于连续型庞特里雅金最小原理的控制算法4、基于现代控制理论离散型动态规划原理的控制算法设计(1)对象动力学方程的离散化处理要应用现代控制理论之离散型动态规划原理进行控制，必须进行离散化处理将连续型微分方程转换为离散型差分方程(2)系统的状态空间描述与控制性能指标状态空间描述法用五个空间来完整地描述一个动力系统，因此系统的空间是一个五元组，对本系统，它是离散型状态空间。

(3)基于离散型动态规划原理的最优控制计算法动态规划理论创立于二十世纪五十年代初期。当时由于生产部门和空间科学技术发展的需要，提出了一系列寻求多级决策过程的最优控制问题，动态规划就是为了解决这类问题由美国数学家贝尔曼（R.Ballman）首先提出的。

4.4.3系统控制与人机界面设计1、基于经典二阶最佳工程设计技术的控制与人机界面（1）基于经典二阶最佳工程设计技术控制律与主要参数（2）特殊控制要求（3）人机界面设计（4）I/O设备的安装（5）组态王变量设定（6）控制软件设计（7）动态数据交换DDE通信2、特殊控制要求(1)控制系统“密码启动”。“密码启动”或“密码启停控制”是工业控制中常用的安全操作方法，也是实现“一人一题”的具体措施之一。(2)只有当系统状态灯HL0、HLR0亮后，IPC上的所有其它操作才能有效。(3)只有当统状态灯HL0、HLR0亮后，将万能转换开关SA置于手动或自动，则相应的硬/软灯HL1/HLRSD或HL2/HLRZD才能被点亮，也就是使得IPC上的所有其它操作才能有效的具体实现手段。也可用屏幕上的软按钮SBRSD、SBRZD进行转换。(4)只有当手动或自动灯亮以后，按动加热启动硬/软按钮SB2/SBRJR，则加热硬/软灯HL3/HLRNJR被点亮，此时IPC才能真正地产生AO信号传输到加热器加热控制电路；反之当按动加热停止硬/软按钮SB3/SBRTZ，则加热硬/软灯HL3/HLJR熄灭，AO信号立即变为0，停止加热。(5)设置超温报警灯硬/软灯HL4/HLRBJ，当温度超过90℃时，HL4/HLRBJ立即被点亮，且HLRBJ闪烁不停；并且还要用组态王的“报警窗口”图形对象进行显示。(6)进行温度恒值控制，用组态王游标进行温度设定，以方便修改与调节。另外的设定方法是：编程时直接数字设定，硬/软递增递/减按钮。(7)系统放大倍数、时间常数编程时直接数字设定，而积分系数通过编程自动计算，用游标显示（游标是一种双向元件，兼有控制/被控制功能）。(8)设定温度、实际温度用实时趋势图（Y-T图）和文本数字显示方法显示，棒图和游标也是常用的显示方法。(9)根据控制算法与控制律实时计算所得的加热器理论控制输入和实际控制输入（≥0≤+5V，通过在编程时将理论控制输入进行约束得到）用数字显示。(10)利用组态王的动态数据交换DDE功能，进行组态王与Windows电子表格应用软件Excel的双向数据通信，具体数据为某些重要的现场控制数据，如设定温度（给定温度和实际温度等，自己拟订。(11)采用实时签名制度：做完实验，在组态王运行状态屏幕上进行实时签名，签上班级名称和姓名，而后用屏幕拷贝形式将加热器温控情况实时复制到实验报告Word文件里。(12)应有年月/日期显示。3、人机界面设计经组态王工程浏览器/画面，分别建立名为“加热器二阶最佳设计”和“报警显示与DDE通信”的两个人机界面图形对象，前一个为主窗口，分别如图4-9和4-10所示。4、I/O设备的安装(1)经组态王工程浏览器/设备/板卡安装名为“PCL812PG多功能卡”的设备。(2)经组态王工程浏览器/设备/COM1/PLC安装名为“亚控仿真PLC”的设备，用于将组态王中的某些内存变量如“设定温度TSD”等先用基于“亚控仿真PLC”的I/O变量替代，而后发送到其它Windows应用程序，如Excel等。(3)经组态王工程浏览器/设备/DDE安装名为“DDE通信Excel”的设备，服务程序名为“Excel.exe”，主题名为“sheet1”，数据交换方式为“标准的Windows项目交换”。“DDE通信”设备用于将其它Windows应用程序，如Excel等中的数据向组态王发送数据。5、组态王变量设定在组态王工程浏览器/数据库/数据词典中定义变量：(1)转换开关SA手动、转换开关SA自动、加热启动SB2、加热停止SB3:I/O离散连接设备—PCL812PG多功能卡，寄存器—DI0～DI3，数据类型—bit，读写属性—只读。(2)密码启动SBR