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报告书

...wd......wd......wd...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.选择适宜的传感器、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系统仿真构造框图104.2示波器仿真图114.3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，要想使窑炉长期到达最正确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局部组成，瓷件烧成温度在1320℃左右，假设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展对比，再输出并经过相应的硬件进展处理后输出到执行机构进展控制，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，要想使窑炉长期到达最正确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局部组成，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Ａ/Ｄ转换后与设定值进展对比，控制器输出经由Ｄ/Ａ变换，变成4～20mA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。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，要想使窑炉长期到达最正确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局部组成，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Ａ/Ｄ转换后与设定值进展对比，控制器输出经由Ｄ/Ａ变换，变成4～20mA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，其控制构造简单，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生产的SMC2004A，该模块可显示20×4个字符，电路如以以下图：P3.4脚输出LCD的选通信号，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DAC8830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，以到达控制压力的目的。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传感器局部出处：西安微敏仪器仪表选择原则：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、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：5KPa～100MPa

零点输出：0～2mv〔传感器〕

输出信号：4～20mA、0～5V、1～5、50～100mv(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：15～36VDC

适用温区：-20～85℃

接口螺纹：M20x1.5(亦可定做〕

防爆等级：ExiallBT6

防护等级：IP654.2变送器局部选择原则：耐高温。精度高。出处：山东淄博西创测控技术开发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〕的构造优点，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开展，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：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构造、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，实现最正确测量采用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：12～36VDC，标准值24VDC；输出信号：4～20mADC；(特殊可为四线制220VAC供电0-10mADC输出)环境温度：－25～70℃〔一般变送器〕，－15～70℃〔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：－40～100℃；相对温度：0-100%RH防护等级：dⅡBT4，iaⅡCT5；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0～100%；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〔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、反响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：DCO～10mA/DC4～20mA.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〔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、反响零位及满位调整方便。型号量程范围传感器WMS-1压力5KPa～100MPa变送器MC1151/3351DP输出4mA～20mA执行器3610系列输入4mA～20mA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，其控制构造简单，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、微分的函数关系进展运算，其运算结果用以输出控制。增量型PID表达式为：u(k)=u(k-1)+Kp[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]离散的PID表达式为：P(k)=P(k-1)+Kp[E(k)-E(k-1)]+KIE(k)+KD[E(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,KI=Kp×T／TIKD：微分系数,KD=Kp×TD／T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，为到达这种控制效果，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系统仿真构造框图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.数字调节器软件模块floatDalin(floatM,floatR){inti;floatu;//用于返回输出值floate[2]={0};//定义数组用于存放偏差e(k)和输出u(k)floatu[5]={0};e[0]=R-M;//本次偏差u=u[0];e[1]=e[0];for(i=0;i<4;i++)//将最后面的输出赋以新值{u[i+1]=u[i];}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DATASEGMENTBUFDWDATAENDSCODESEGMENTMAINPROCFARASSUME：CS：CODE，DS：DATASTART：MOVAX，DATA；设置数据段MOVDS，AXMOVBX，OFFSETBUF；数据段缓冲区地址送BXMOVAL，9AH；设A、B口及C口高4位为输入方式，低四位为输出方式MOVDX，2C3HOUTDX，ALMOVAL，00H；使R/C为低电平，启动A/D转换OUTDX，ALNOPNOPLOOP：DECDXINAL，DX；查询STS的状态TESTAL，80HJNZLOOPMOVAL，01H；使R/C=1OUTDX，ALMOVDX，2C1HINAL，DX；读高8位数据MOV[BX+1]，AL；存入数据DECDXINAL，DX；读低四位数据ANLAL，0F0HMOV[BX]，AL；存入数据MOVAH，4COOHINT21HMAINENDPCODEENDSENDSTARTD/A〔12位〕转换器输出的接口驱动程序START: MOV DX,ADRESS ；DAC基地址送DX存放器 MOV CL,4 SHL BX,CL ；BX中12位数向左对齐 MOV AL,BH OUT DX,AL ；写入高8位数 INC DX MOV AL,BL OUT DX,AL ；写入低4位数 INC DX OUT DX,AL ；启动D/A转换〔AL中为任意数均可〕 HLT.数字滤波程序模块FARIFT PORC NEAR MOV CX,N DEC CX MOV SI,0 MOV DX,0 MOV AX,SAMP[SI]LOOP1: ADD AX,SAMP[SI+2] JNC NEXT INC DXNEXT: INC SI INC SILOOP LOOP1 MOV CX,N DIV CX MOV RESULT,AXFARIFT ENDP4.输出控制程序模块voidDataOut(unsignedcharnValue){inti;intj;for(i=0;i<8;i++){if((nValue&0x01)==1){P1OUT|=BIT0;//输出高电平}else{P1OUT&=~(BIT0);//输出低电平}SHCLK_Hi();//时钟高电平，上升沿有效for(j=10;j>0;j--);//延迟一点时间SHCLK_Lo();//时钟低电平for(j=10;j>0;j--);nValue>>=1;}return;}voidmain(void){unsignedcharnValue;//初始化时钟Init_CLK();//端口初始化Init_Port();//去除锁存信号STCLK_Lo()//输出0nValue=0;DataOut(seg[nValue]);//输出2nValue=2;DataOut(seg[nValue]);//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:MOV AX,SPECSUB AX,YKMOV R0,AXMOV R1,AXSUB AX,EK_1MOV R2,AXSUB AX,AEK_1MOV BEK,AXMOV R8,AXMOV AX,R1MOV EK_1,AXMOV AX,R2MOV AEK_1,AXTEST R1,8000HJZ EK1NEG R1EK1:MOV AX,R1 SUB AX,TBAND JC I1 MOV R3,00H JMP DDDI1:MOV AL,TS MOV AH,00H MOV CX,R1 MUL CX MOV CX,KI1 DIV CX MOV R3,AX TEST R0,8000H JZ DDD NEG R3DDD:TEST BEK,8000H JZ DDD1 NEG BEKDDD1:MOV AX,BEK MOV CX,KDD MUL CX PUSH AX PUSH DX MOV AL,TS MOV AH,00H MOV CX,0008H MUL CX MOV CX,AX POP DX POP AX DIV CX MOV R4,AX TEST R8,8000H JZ DD1 NEG R4DD1:MOV AX,R3 ADD AX,R4 MOV R5,AX J0 L9L2:MOV AX,R5 ADD AX,R2 MOV R6,AX J0 L3L5:MOV AX,R6 MOV CX,KPP IMUL CX MOV CX,1000H IDIV CX MOV CX,AX RCL AH,01H PUSHF RCR AL,01H POPF JC LLL1 CMP CH,00H JZ LLL2 MOV AL,7FH JMP LLL2LLL1:CMP CH,0FFH JZ LLL2 MOV AL,80HLLL2:MOV R7,AL ADD AL,CK_1 J0 L8L18:MOV CK_1,AL ADD AL,80H MOV CK RET越限报警程序ALARMC PROC NEAR ；越限报警子程序 MOV DX,PORTCNL ；设置8255A为基本I/O方式 MOV AL,80HOUT DXMOV YFCNB,0 ；报警及复位处理次数计数单元清零MOV BH,FLAG ；保护报警标志状态MOV AX,SAMP ；取测量值CMP AX,ALADEG ；越上限JA BRAN1 ；越上限，转BRAN1CMP AX,ALADEG+2 ；复上限JNB DONE ；未复上限，返回主程序SHR BH,1 ；已复上限JC BRAN2 ；越上限报警标志位已置位，转BRAN2CMP AX,ALADEG+4 ；越下限JNB BRAN3 ；越下限，转BRAN3CMP AX,ALADEG+6 ；复下限JNA DONE ；未复下限，返回主程序SHR BH,1 SHR BH,1JNC DONE ；越下限标志位未置位，返回主程序AND F