计算机控制——chapter8计算机控制系统的设计与实现课件幻灯片.ppt

　2、系统整体设计 　　　本系统主要完成数据采集、数据显示、炉温控制、上下位机通信、数据库的管理、事故检测及故障处理与报警等功能。 系统上位机为586工控机，在windows98环境下开发DELPHI应用程序； 下位机为自行研制的单片机智能控制器，采用规则自寻优模糊控制算法进行过程控制； 上下位机采用485半双工通讯； 热处理炉主回路采用双向可控硅控制； 双向可控硅的触发通过过零触发器控制触发，下位机输出通断率控制信号，产生双向可控硅的过零触发脉冲。 　系统整体结构如图8.5所示。 图8.5　 系统整体结构 　3、智能模糊控制器软、硬件设计 　　　本系统的下位机为自行开发的智能控制器。80C196KC单片机是控制器的主体，它与一些扩展电路(程序存储器，数据存储器，地址锁存器，地址译码器等)构成处理器模块。被测量的热偶输出mV信号经过放大电路放大成0~10V的标准信号，再将此信号经A/D转换之后进入单片机，单片机根据输入的各种命令，通过模糊控制算法计算得到控制值，输出脉冲触发信号，通过过零触发电路驱动双向可控硅，从而加热热处理炉。另外，智能控制器还包括与上位机的通讯接口，硬件看门狗电路，下位机数据保存电路，故障检测电路，数码显示电路以及各种电源等。智能模糊控制器的硬件框图如图8.6所示。 图8.6　智能模糊控制器硬件框图 　下位机智能模糊控制器程序的主要流程是： 　　　利用定时器中断，产生控制周期，控制周期一到，程序则转入控制模块，调A/D转换模块及分度表模块得到炉温的反馈信号，根据给定值和控制算法得到控制量，经HSO输出口输出脉冲信号控制过零触发器。 　　　下位机的启动、停止及复位等命令和给定值手工设定利用外部中断产生，有外部中断则调外部中断服务程序确定下位机控制面板命令状态；上位机的命令是通过串行口中断到通讯模块的。程序框图如图8.7所示。 图8.7 智能模糊控制器程序流程图　(a) 主程序流程图 (b) 控制算法流程图 　4、规则自寻优模糊控制算法研究 　　　模糊控制是智能控制中的一大分支，它具有以下特点：它是一种非线性控制方法，工作范围宽，适用范围广，特别适合于非线性系统的控制；它不依赖于对象的数学模型，对无法建模或很难建模的复杂对象，也能利用人的经验知识来设计模糊控制器，完成控制任务。而传统的控制方法都要已知被控对象的数学模型，才能设计控制器；它具有内在的并行处理机制，表现出极强的鲁棒性，对被控对象的特性变化不敏感，模糊控制器的设计参数容易选择调整；算法简单，执行快，容易实现；不需要很多的控制理论知识，容易普及推广。 　　　本系统的对象热处理加热炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，用基于精确数学模型的常规控制难以保证加热工艺曲线要求。为此，我们选用模糊控制算法中的规则自寻优算法。 　算法的基本原理如下： 　　　我们采用解析表达式描述的控制规则，它简单方便，易于处理。二维控制规则自寻优算法可以用解析表达式概括为： 　式中：α为修正因子。控制作用取决于偏差及偏差变化率，当α取不同值时，对偏差及偏差变化率的权重不同，则控制规则不同。当α较大时，表明控制规则对偏差重视程度高，而对偏差变化率的加权小，因此超调大，振荡幅度大；当α较小时，对误差的重视程度较低，超调较小，振荡幅度也较小，稳定性好。 　　　可以通过改变α的大小调整控制规则。控制系统在不同的状态下，对控制规则中误差与误差变化率的加权程度应有不同的要求。如误差较大时，控制系统的主要任务是消除偏差，此时对误差的加权应该大些；当误差小时，控制系统的主要任务是使系统尽快稳定，减小超调，此时要求在控制规则中误差变化率的加权大些。只有根据不同的状态来选用不同的修正因子，才能更加真实地体现人的控制经验。同时，为了获得好的控制性能，就要求α值在控制过程中可在线调整。 　　　为了得到好的控制性能，就要求值在控制过程中可调整，即控制规则可在控制过程中在线修正。我们采用运筹学中的“优选法”对进行在线修正，如下式所示： 　 　本系统控制原理图如图8.8所示。 图8.8　热处理加热炉智能模糊控制系统原理图 　5、上位机软、硬件设计 　　　本系统上位机采用586工控机，利用DEPLPHI高级编程语言在Windows98下进行控制程序开发。它主要用来向下位机发布监控命令，接收现场控制器发回的反馈信息，完成记录、统计、保存、打印等管理工作。它的组成部分包括各种界面设计，数据库管理，与下位机通讯程序的设计，温度设定计算等。　 　上位机操作界面包括以下部分： 　启动界面：要求输入口令，口令正确则进入主界面，口令错误3次以后退出系统。 　主界面：有炉号选择、设定曲线与实际曲线的显示、数据表格、各炉号的状态显示，以及有实时数据、历史数据查询、开始运行、停止本炉、查看报表、打印报