導(dǎo)語(yǔ)：計(jì)算機(jī)控制三容水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)探討一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:針對(duì)自主研制的計(jì)算機(jī)控制三容水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)存在的數(shù)據(jù)采集精度低、可控性較差等問題，從硬件和軟件兩方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。硬件上采用了ADuCM360芯片作為控制核心，設(shè)計(jì)采集控制板為4層電路板，并完成了相關(guān)功能的測(cè)試。軟件上采用單位時(shí)間內(nèi)各模塊實(shí)時(shí)采樣的方法，增加了采集的數(shù)據(jù)量。改變了閥門的控制策略，并進(jìn)行了控制特性測(cè)試，通過MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，分析了閥門的可控程度。對(duì)優(yōu)化后的系統(tǒng)采用了動(dòng)態(tài)矩陣控制與比例—積分—微分(PID)控制結(jié)合(DMC-PID)串級(jí)控制算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明:優(yōu)化后的系統(tǒng)在穩(wěn)定性與可控性方面均有提高。

關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)控制;優(yōu)化設(shè)計(jì);ADuCM360芯片;動(dòng)態(tài)矩陣控制;比例—積分—微分(PID)控制

在工業(yè)控制領(lǐng)域，工業(yè)系統(tǒng)越復(fù)雜，模型建立越困難，控制算法應(yīng)用到工業(yè)對(duì)象驗(yàn)證的代價(jià)越高。一般采用MATLAB仿真的方法完成此類實(shí)驗(yàn)，但仿真實(shí)驗(yàn)并不能很好地體現(xiàn)工業(yè)控制過程。三容水箱實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的典型代表，為控制算法實(shí)驗(yàn)提供了驗(yàn)證對(duì)象，解決了僅有理論分析、仿真計(jì)算而缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的問題。許多工業(yè)系統(tǒng)中的控制對(duì)象都可以抽象成三容水箱控制模型，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可被用來研究控制算法的可行性和有效性，之后再將算法還原于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證其實(shí)際控制效果［1］。三容水箱實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)具有柔性化特點(diǎn)，可通過對(duì)閥門和水泵的靈活控制組合成多種過程狀態(tài)，可構(gòu)建復(fù)雜的多輸入、多輸出控制回路［2］，對(duì)液位、溫度等多種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，具有良好的可觀性，可以模擬復(fù)雜的工業(yè)控制過程［3］，與實(shí)際工業(yè)領(lǐng)域結(jié)合緊密，具有很高的研究意義與應(yīng)用價(jià)值。李志軍等人［4］使用西門子S7—300PLC，結(jié)合用于過程控制的OLE(objectlinkingandembeddingforprocesscontrol，OPC)技術(shù)設(shè)計(jì)了可控制液位的四容水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);馮曉會(huì)［5］利用西門子S7—300PLC研制了可對(duì)液位、溫度等參量進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制的三容水箱實(shí)驗(yàn)裝置;蔣建波等人［6］以西門子S7—300PLC為控制器設(shè)計(jì)了仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的三容水箱實(shí)驗(yàn)裝置。目前大部分多容水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以可編程邏輯控制器(programmablelogiccontroller，PLC)為主控裝置，與采集控制模塊無法集成到一塊電路板中，接線繁雜且可靠性不高;多數(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)僅能進(jìn)行液位控制，功能較為單一;閥門大多需要手動(dòng)調(diào)節(jié)開度，操作繁瑣且不準(zhǔn)確。本文以一種自主研制的三容水箱系統(tǒng)為研究對(duì)象。該三容水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能較為完備，但仍有其局限性:原系統(tǒng)主控芯片采集數(shù)據(jù)精度不高，軟件中單位時(shí)間內(nèi)分時(shí)采樣，采集數(shù)據(jù)量少，導(dǎo)致階躍響應(yīng)曲線的繪制不精確進(jìn)而影響系統(tǒng)辨識(shí);原系統(tǒng)電動(dòng)閥通過計(jì)時(shí)控制閥門開度，導(dǎo)致控制誤差較大，影響算法控制的準(zhǔn)確性與快速性;原系統(tǒng)采集控制板中傳感器與執(zhí)行器接口布局混亂，易產(chǎn)生電磁干擾，檢修困難等。針對(duì)以上問題，本研究對(duì)該三容水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化與設(shè)計(jì)。

1整體優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

優(yōu)化后的三容水箱實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、執(zhí)行器控制模塊、電源管理模塊和上位機(jī)監(jiān)控模塊四部分組成，其功能框圖如圖1所示。采集控制板設(shè)計(jì)為4層電路板，采用負(fù)片的設(shè)計(jì)方式將模擬電路和數(shù)字電路分開，將地層與電源層合理分割，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性與抗干擾能力。主控芯片為ADuCM360芯片，該芯片的內(nèi)核為ARMCortex—M3，通過芯片內(nèi)集成的兩個(gè)24位高精度ADC，來采集3路液位、1路壓力、1路溫度信號(hào)，相比之前的16位ADC，采集精度大幅提高，并且可同時(shí)開啟多路采樣通道。

2路流量信號(hào)的采集

借助芯片內(nèi)的計(jì)數(shù)器，通過計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)獲取到的電壓脈沖頻率來完成。另外，需要將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至FLASH/EE數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以進(jìn)行校準(zhǔn)與標(biāo)定。圖1三容水箱實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)功能框圖采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)通過RS—232串口上傳至上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，通信協(xié)議采用MODBUS-RTU，實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交互［7］。同時(shí)對(duì)控制指令進(jìn)行了循環(huán)冗余校驗(yàn)(cyclicredun-dancycheck，CRC)［8］。上位機(jī)通過對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法分析，以下發(fā)相應(yīng)的控制指令使相關(guān)執(zhí)行器完成指定動(dòng)作，從而滿足目標(biāo)要求。通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digitaltoanalogconverter，DAC)和脈寬調(diào)制(pulsewidthmodulation，PWM)完成對(duì)水泵、循環(huán)泵和加熱器的控制，使用I2C總線完成對(duì)進(jìn)水電磁閥和電動(dòng)閥的開度控制。通過對(duì)220V交流電整流濾波轉(zhuǎn)換為24V直流電，為電磁閥和水泵供電，之后通過LM2575_12芯片降為12V給電動(dòng)閥供電，同時(shí)通過B2405S芯片降為5V給各傳感器供電，最后通過ADP1720ARMZ_3．3芯片降為3．3V給主控芯片供電。2硬件系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)圖2所示為部分硬件電路設(shè)計(jì)。1)最小系統(tǒng)模塊:主控芯片為ADuCM360，外接頻率為32．768kHz的晶振，以此產(chǎn)生芯片工作所需的時(shí)鐘頻率。ADC數(shù)據(jù)采集使用REF3125芯片產(chǎn)生的2．5V電壓作為基準(zhǔn)電壓。系統(tǒng)上電后通過ADM809芯片實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位功能。其最小系統(tǒng)電路如圖2(a)所示。2)液位采集模塊:液位值的獲取通過液位傳感器輸出電壓由ADC采集后經(jīng)信號(hào)調(diào)理與相關(guān)公式轉(zhuǎn)換得到［9］。液位采集模塊電路如圖2(b)所示，由于該電路屬于模擬電路部分，因此采用模擬電源AVDD經(jīng)電容器C1，C2組成的濾波電路后為其供電［10］。另外，由于ADuCM360芯片的最高輸入電壓為3．96V，而液位傳感器采集到的電壓實(shí)測(cè)值最高可達(dá)5V，所以采集到的電壓信號(hào)必須經(jīng)過降壓濾波電路，然后輸入到主控芯片中。采集到的電壓信號(hào)首先經(jīng)過電阻R49與R50分壓，再經(jīng)電阻器R13與電容器C45濾波后，得到轉(zhuǎn)換后的電壓為采樣值的1/2，所以最高輸出電壓為2．5V，屬于主控芯片輸入電壓的安全范圍。3)流量采集模塊:流量的采集通過對(duì)流量傳感器輸出的電壓脈沖信號(hào)頻率進(jìn)行捕獲得到。流量采集模塊電路圖如圖2(c)所示，該電路屬于數(shù)字電路部分，因此采用數(shù)字電源DVDD為其供電。由P0．5引腳控制光耦隔離器件AQY210KS的導(dǎo)通，進(jìn)而控制流量信號(hào)的采集。采集到的流量信號(hào)首先需要經(jīng)過1kΩ上拉電阻，將流量傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行放大，但由于放大后的信號(hào)不穩(wěn)定，且流量為零時(shí)電壓脈沖信號(hào)的實(shí)測(cè)峰值電壓為5V，流量不為零時(shí)電壓降至2．5～2．8V，因此，需要將電壓脈沖信號(hào)穩(wěn)定在一個(gè)易于捕獲且安全的數(shù)值。流量信號(hào)經(jīng)過光耦器件后，首先由RC濾波電路進(jìn)行信號(hào)濾波處理，之后經(jīng)過LM258雙運(yùn)算放大器，配以合適的比較電路［11］，最后再經(jīng)過濾波電容器C56，以防止脈沖信號(hào)中毛刺噪聲的出現(xiàn)，以此便可得到穩(wěn)定的電壓脈沖方波。

3軟件系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用模塊化編程思想，程序包括主函數(shù)模塊、采集與執(zhí)行模塊、指令控制模塊、串口通信模塊、CRC校驗(yàn)?zāi)K、FLASH標(biāo)定模塊等。在壓力、液位和溫度信號(hào)采集方面，由分時(shí)采樣優(yōu)化為實(shí)時(shí)采樣，增加了單位時(shí)間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)量，同時(shí)采集精度提高到24位。通過限幅濾波的方法剔除了采集數(shù)據(jù)中的壞點(diǎn)。在CRC校驗(yàn)?zāi)K中采用了16位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，確?？刂浦噶畹恼_性［12］。當(dāng)系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行對(duì)各模塊的初始化工作，包括串口波特率選擇、ADC采樣通道的選擇、定時(shí)器定時(shí)周期的確定等。然后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入到數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，采樣周期為0．5s，該采樣周期先由芯片內(nèi)部16MHz高頻振蕩器經(jīng)過256分頻后，再通過定時(shí)器預(yù)裝載值與定時(shí)時(shí)間之間的關(guān)系式得到。另外，當(dāng)完成一個(gè)周期的采樣過程后，系統(tǒng)在清除定時(shí)器溢出中斷標(biāo)志位的同時(shí)，會(huì)驅(qū)動(dòng)采集控制板上的LED閃爍，以提示正在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。程序流程圖如圖3所示。其中，在液位采集過程中，傳感器輸出電壓實(shí)測(cè)值為0～5V，經(jīng)降壓濾波電路后為0～2．5V。利用液位與輸出電壓的關(guān)系式式中Vout值取1/2是因?yàn)檩斎氲街骺匦酒碾妷簽閭鞲衅鬏敵鲭妷褐档?/2，后半部分表示1mV電壓對(duì)應(yīng)的AD值。由于ADC是24位采樣，所以對(duì)應(yīng)的最大值為224，另外，輸入到主控芯片的電壓最大值為2500mV。所以得到液位的表達(dá)式為(3)另外，通過公式計(jì)算得到，流量傳感器輸出的每個(gè)電壓脈沖對(duì)應(yīng)的流量為0．3365mL/s［13］。溫度的采集借助于Pt100鉑熱電阻器來完成，其電阻值與溫度的變化關(guān)系基本呈線性，且穩(wěn)定性較高［14］。在0℃時(shí)對(duì)應(yīng)的阻值為100Ω，溫度每升高1℃電阻值相應(yīng)地增加0．385Ω［15］。

4電動(dòng)閥控制與測(cè)試

4．1控制方式

由于ADuCM360的GPIO端口數(shù)量有限，因此不能同時(shí)滿足5個(gè)電動(dòng)閥的控制。首先借助于I2C總線將控制信號(hào)串行輸入至鎖存器74HC595，再并行輸出至驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003，最后輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可直接控制電動(dòng)閥閥門開度。

4．2測(cè)試分析

改變閥門控制方式后，選取了電動(dòng)閥的10個(gè)不同開度進(jìn)行放水用時(shí)測(cè)試。測(cè)試的液位分別為100，200，300mm，經(jīng)計(jì)算水箱底面積為6047．5658mm2，因此測(cè)試的放水量為604．76，1209．51，1814．27mL。由測(cè)試所得數(shù)據(jù)擬合出放水用時(shí)變化曲線如圖4(a)所示。由于在測(cè)試過程中存在一些誤差，導(dǎo)致數(shù)據(jù)略有偏差，但從圖4(a)可以看出，這三條擬合曲線的變化趨勢(shì)基本相同。由于閥門開度超過60%之后曲線基本保持水平，所以不具有明顯的可控性;另外，閥門開度不足10%時(shí)放水效果不明顯，所以圖中沒有顯示?，F(xiàn)針對(duì)擬合曲線變化較為明顯的一部分進(jìn)行分析，選取了閥門開度20%～45%，并增加了一些測(cè)試點(diǎn)。以放掉液位為100mm的水為例，得到放水流量與閥門開度的曲線如圖4(b)所示。從圖4(b)可以看出，在一定的誤差范圍內(nèi)，可采用分段控制的策略，求得電動(dòng)閥的放水流量。式中Q為放水流量，mL/s;x為閥門開度，%。在不同開度范圍內(nèi)選擇不同的控制策略，可以實(shí)時(shí)控制放水流量。再由流量采集模塊測(cè)得進(jìn)水流量，根據(jù)物料平衡原理，可提高三容水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型精度，達(dá)到優(yōu)化模型的目的。

5算法仿真驗(yàn)證

基于系統(tǒng)特性測(cè)試得到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，根據(jù)物料平衡原理，利用MATLAB建立二階串級(jí)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，得到傳遞函數(shù)為主回路采用DMC控制，可實(shí)現(xiàn)較好的跟蹤性能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性，副回路的PID控制可有效克服系統(tǒng)中的擾動(dòng)。外環(huán)DMC選取截?cái)帱c(diǎn)N=3500，采樣周期0．5s，內(nèi)環(huán)PID選取KP=500，KI=10。設(shè)定期望液位100mm，給定階躍信號(hào)。改變預(yù)測(cè)時(shí)域P和控制時(shí)域M的值，得到的算法仿真圖如圖6(a)所示。從圖6(a)可以看出，在控制時(shí)域M值不變的情況下，增大預(yù)測(cè)時(shí)域P值，系統(tǒng)響應(yīng)快速性有所下降，但穩(wěn)定性好;反之，系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性會(huì)變差，所以P值一般選擇近似于階躍響應(yīng)的上升時(shí)間。保持預(yù)測(cè)時(shí)域P值不變，增大控制時(shí)域M值，可以看到系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所降低，所以控制時(shí)域M值選擇要兼顧系統(tǒng)的時(shí)效性與穩(wěn)定性，且M≤P。P值與M值的選取對(duì)系統(tǒng)控制性能有很大影響，現(xiàn)選取預(yù)測(cè)時(shí)域P=410，控制時(shí)域M=20，得到算法控制效果如圖6(b)所示。在2200s時(shí)增加30mm擾動(dòng)，得到擾動(dòng)下算法控制效果如圖6(c)所示。從圖中可以看出該系統(tǒng)響應(yīng)速度快，超調(diào)小，過渡過程較為平緩。由于系統(tǒng)中各水箱串聯(lián)控制，耦合性較強(qiáng)，故調(diào)節(jié)時(shí)間相對(duì)較久。整體而言優(yōu)化后的系統(tǒng)可控性較好，穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)。圖6仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6結(jié)論

針對(duì)一種自主研制的三容水箱實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)存在的缺陷，本文從硬件和軟件兩方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。提高了數(shù)據(jù)采集的精確度與單位時(shí)間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)量，采集控制板優(yōu)化設(shè)計(jì)為四層電路板，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與抗干擾能力［17］。提高了電動(dòng)閥的可控性，并且在一定開度范圍內(nèi)可直接求得放水流量，間接提高了模型精度，改善了算法控制實(shí)驗(yàn)的效果。優(yōu)化后的三容水箱實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)為科研人員提供了更加準(zhǔn)確可靠的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可進(jìn)行多種算法的驗(yàn)證與工業(yè)生產(chǎn)過程的研究。

作者：宋濤 姜周曙 黃國(guó)輝 單位：杭州電子科技大學(xué) 能量利用系統(tǒng)與自動(dòng)化研究所