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摘要:針對自主研制的計算機控制三容水箱實驗系統(tǒng)存在的數(shù)據采集精度低、可控性較差等問題，從硬件和軟件兩方面進行了優(yōu)化設計。硬件上采用了ADuCM360芯片作為控制核心，設計采集控制板為4層電路板，并完成了相關功能的測試。軟件上采用單位時間內各模塊實時采樣的方法，增加了采集的數(shù)據量。改變了閥門的控制策略，并進行了控制特性測試，通過MATLAB進行數(shù)據擬合，分析了閥門的可控程度。對優(yōu)化后的系統(tǒng)采用了動態(tài)矩陣控制與比例—積分—微分(PID)控制結合(DMC-PID)串級控制算法進行仿真驗證。結果表明:優(yōu)化后的系統(tǒng)在穩(wěn)定性與可控性方面均有提高。

關鍵詞:計算機控制;優(yōu)化設計;ADuCM360芯片;動態(tài)矩陣控制;比例—積分—微分(PID)控制

在工業(yè)控制領域，工業(yè)系統(tǒng)越復雜，模型建立越困難，控制算法應用到工業(yè)對象驗證的代價越高。一般采用MATLAB仿真的方法完成此類實驗，但仿真實驗并不能很好地體現(xiàn)工業(yè)控制過程。三容水箱實驗控制系統(tǒng)作為計算機控制實驗系統(tǒng)的典型代表，為控制算法實驗提供了驗證對象，解決了僅有理論分析、仿真計算而缺乏實驗驗證的問題。許多工業(yè)系統(tǒng)中的控制對象都可以抽象成三容水箱控制模型，該實驗系統(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)場驗證其實際控制效果［1］。三容水箱實驗控制系統(tǒng)具有柔性化特點，可通過對閥門和水泵的靈活控制組合成多種過程狀態(tài)，可構建復雜的多輸入、多輸出控制回路［2］，對液位、溫度等多種參數(shù)進行監(jiān)測與控制，具有良好的可觀性，可以模擬復雜的工業(yè)控制過程［3］，與實際工業(yè)領域結合緊密，具有很高的研究意義與應用價值。李志軍等人［4］使用西門子S7—300PLC，結合用于過程控制的OLE(objectlinkingandembeddingforprocesscontrol，OPC)技術設計了可控制液位的四容水箱實驗系統(tǒng);馮曉會［5］利用西門子S7—300PLC研制了可對液位、溫度等參量進行監(jiān)測與控制的三容水箱實驗裝置;蔣建波等人［6］以西門子S7—300PLC為控制器設計了仿真與實驗相結合的三容水箱實驗裝置。目前大部分多容水箱實驗系統(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)實驗系統(tǒng)僅能進行液位控制，功能較為單一;閥門大多需要手動調節(jié)開度，操作繁瑣且不準確。本文以一種自主研制的三容水箱系統(tǒng)為研究對象。該三容水箱實驗系統(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)據精度不高，軟件中單位時間內分時采樣，采集數(shù)據量少，導致階躍響應曲線的繪制不精確進而影響系統(tǒng)辨識;原系統(tǒng)電動閥通過計時控制閥門開度，導致控制誤差較大，影響算法控制的準確性與快速性;原系統(tǒng)采集控制板中傳感器與執(zhí)行器接口布局混亂，易產生電磁干擾，檢修困難等。針對以上問題，本研究對該三容水箱實驗系統(tǒng)進行了優(yōu)化與設計。

1整體優(yōu)化方案設計

優(yōu)化后的三容水箱實驗控制系統(tǒng)主要由數(shù)據采集模塊、執(zhí)行器控制模塊、電源管理模塊和上位機監(jiān)控模塊四部分組成，其功能框圖如圖1所示。采集控制板設計為4層電路板，采用負片的設計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，該芯片的內核為ARMCortex—M3，通過芯片內集成的兩個24位高精度ADC，來采集3路液位、1路壓力、1路溫度信號，相比之前的16位ADC，采集精度大幅提高，并且可同時開啟多路采樣通道。

2路流量信號的采集

借助芯片內的計數(shù)器，通過計算單位時間內獲取到的電壓脈沖頻率來完成。另外，需要將采集到的數(shù)據存儲至FLASH/EE數(shù)據存儲器以進行校準與標定。圖1三容水箱實驗控制系統(tǒng)功能框圖采集到的各項數(shù)據通過RS—232串口上傳至上位機監(jiān)控系統(tǒng)，通信協(xié)議采用MODBUS-RTU，實現(xiàn)雙向數(shù)據交互［7］。同時對控制指令進行了循環(huán)冗余校驗(cyclicredun-dancycheck，CRC)［8］。上位機通過對采集到的數(shù)據進行算法分析，以下發(fā)相應的控制指令使相關執(zhí)行器完成指定動作，從而滿足目標要求。通過數(shù)模轉換器(digitaltoanalogconverter，DAC)和脈寬調制(pulsewidthmodulation，PWM)完成對水泵、循環(huán)泵和加熱器的控制，使用I2C總線完成對進水電磁閥和電動閥的開度控制。通過對220V交流電整流濾波轉換為24V直流電，為電磁閥和水泵供電，之后通過LM2575_12芯片降為12V給電動閥供電，同時通過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)化設計圖2所示為部分硬件電路設計。1)最小系統(tǒng)模塊:主控芯片為ADuCM360，外接頻率為32．768kHz的晶振，以此產生芯片工作所需的時鐘頻率。ADC數(shù)據采集使用REF3125芯片產生的2．5V電壓作為基準電壓。系統(tǒng)上電后通過ADM809芯片實現(xiàn)自動復位功能。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采集后經信號調理與相關公式轉換得到［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測值最高可達5V，所以采集到的電壓信號必須經過降壓濾波電路，然后輸入到主控芯片中。采集到的電壓信號首先經過電阻R49與R50分壓，再經電阻器R13與電容器C45濾波后，得到轉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:流量的采集通過對流量傳感器輸出的電壓脈沖信號頻率進行捕獲得到。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的導通，進而控制流量信號的采集。采集到的流量信號首先需要經過1kΩ上拉電阻，將流量傳感器采集到的信號進行放大，但由于放大后的信號不穩(wěn)定，且流量為零時電壓脈沖信號的實測峰值電壓為5V，流量不為零時電壓降至2．5～2．8V，因此，需要將電壓脈沖信號穩(wěn)定在一個易于捕獲且安全的數(shù)值。流量信號經過光耦器件后，首先由RC濾波電路進行信號濾波處理，之后經過LM258雙運算放大器，配以合適的比較電路［11］，最后再經過濾波電容器C56，以防止脈沖信號中毛刺噪聲的出現(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)化設計

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校驗模塊、FLASH標定模塊等。在壓力、液位和溫度信號采集方面，由分時采樣優(yōu)化為實時采樣，增加了單位時間內采集的數(shù)據量，同時采集精度提高到24位。通過限幅濾波的方法剔除了采集數(shù)據中的壞點。在CRC校驗模塊中采用了16位的循環(huán)冗余校驗碼，確保控制指令的正確性［12］。當系統(tǒng)上電后，首先進行對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、定時器定時周期的確定等。然后系統(tǒng)自動進入到數(shù)據采集狀態(tài)，采樣周期為0．5s，該采樣周期先由芯片內部16MHz高頻振蕩器經過256分頻后，再通過定時器預裝載值與定時時間之間的關系式得到。另外，當完成一個周期的采樣過程后，系統(tǒng)在清除定時器溢出中斷標志位的同時，會驅動采集控制板上的LED閃爍，以提示正在進行數(shù)據采集。程序流程圖如圖3所示。其中，在液位采集過程中，傳感器輸出電壓實測值為0～5V，經降壓濾波電路后為0～2．5V。利用液位與輸出電壓的關系式式中Vout值取1/2是因為輸入到主控芯片的電壓為傳感器輸出電壓值的1/2，后半部分表示1mV電壓對應的AD值。由于ADC是24位采樣，所以對應的最大值為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式為(3)另外，通過公式計算得到，流量傳感器輸出的每個電壓脈沖對應的流量為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系基本呈線性，且穩(wěn)定性較高［14］。在0℃時對應的阻值為100Ω，溫度每升高1℃電阻值相應地增加0．385Ω［15］。

4電動閥控制與測試

4．1控制方式

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

4．2測試分析

改變閥門控制方式后，選取了電動閥的10個不同開度進行放水用時測試。測試的液位分別為100，200，300mm，經計算水箱底面積為6047．5658mm2，因此測試的放水量為604．76，1209．51，1814．27mL。由測試所得數(shù)據擬合出放水用時變化曲線如圖4(a)所示。由于在測試過程中存在一些誤差，導致數(shù)據略有偏差，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%時放水效果不明顯，所以圖中沒有顯示?，F(xiàn)針對擬合曲線變化較為明顯的一部分進行分析，選取了閥門開度20%～45%，并增加了一些測試點。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，可采用分段控制的策略，求得電動閥的放水流量。式中Q為放水流量，mL/s;x為閥門開度，%。在不同開度范圍內選擇不同的控制策略，可以實時控制放水流量。再由流量采集模塊測得進水流量，根據物料平衡原理，可提高三容水箱實驗系統(tǒng)模型精度，達到優(yōu)化模型的目的。

5算法仿真驗證

基于系統(tǒng)特性測試得到的各項數(shù)據，根據物料平衡原理，利用MATLAB建立二階串級系統(tǒng)數(shù)學模型，得到傳遞函數(shù)為主回路采用DMC控制，可實現(xiàn)較好的跟蹤性能，增強了系統(tǒng)的魯棒性，副回路的PID控制可有效克服系統(tǒng)中的擾動。外環(huán)DMC選取截斷點N=3500，采樣周期0．5s，內環(huán)PID選取KP=500，KI=10。設定期望液位100mm，給定階躍信號。改變預測時域P和控制時域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，在控制時域M值不變的情況下，增大預測時域P值，系統(tǒng)響應快速性有所下降，但穩(wěn)定性好;反之，系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性會變差，所以P值一般選擇近似于階躍響應的上升時間。保持預測時域P值不變，增大控制時域M值，可以看到系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所降低，所以控制時域M值選擇要兼顧系統(tǒng)的時效性與穩(wěn)定性，且M≤P。P值與M值的選取對系統(tǒng)控制性能有很大影響，現(xiàn)選取預測時域P=410，控制時域M=20，得到算法控制效果如圖6(b)所示。在2200s時增加30mm擾動，得到擾動下算法控制效果如圖6(c)所示。從圖中可以看出該系統(tǒng)響應速度快，超調小，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，故調節(jié)時間相對較久。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。圖6仿真實驗結果

6結論

針對一種自主研制的三容水箱實驗控制系統(tǒng)存在的缺陷，本文從硬件和軟件兩方面進行了優(yōu)化設計。提高了數(shù)據采集的精確度與單位時間內采集的數(shù)據量，采集控制板優(yōu)化設計為四層電路板，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與抗干擾能力［17］。提高了電動閥的可控性，并且在一定開度范圍內可直接求得放水流量，間接提高了模型精度，改善了算法控制實驗的效果。優(yōu)化后的三容水箱實驗控制系統(tǒng)為科研人員提供了更加準確可靠的實驗平臺，可進行多種算法的驗證與工業(yè)生產過程的研究。

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