畢業(yè)論文基于單片機(jī)的柴油機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

1、畢業(yè)論文基于單片機(jī)的柴油機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究 目 錄摘要1Abstract2第1章 緒論31.1 課題提出的背景31.2 船舶柴油機(jī)冷卻水溫度控制技術(shù)開(kāi)展歷程31.3 本課題研究的主要內(nèi)容41.4 系統(tǒng)研究的應(yīng)用前景5第2章 溫度控制系統(tǒng)介紹72.1 系統(tǒng)的構(gòu)成72.1.1系統(tǒng)硬件框圖72.1.2系統(tǒng)各組成局部功能說(shuō)明82.2 系統(tǒng)的性能指標(biāo)92.2.1系統(tǒng)主要的技術(shù)指標(biāo)92.2.2系統(tǒng)的性能特點(diǎn)10第3章 系統(tǒng)的硬件開(kāi)發(fā)113.1 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)原理圖113.2 系統(tǒng)各主要模塊介紹:11第4章 系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)164.1 溫度控制算法確實(shí)定164.1.1系統(tǒng)傳遞函數(shù)和溫度控制算法:16

2、4.1.2算法介紹:174.1.3算法中各系數(shù)的整定:214.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)224.2.1上位PC機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì):234.2.2下位單片機(jī)軟件設(shè)計(jì):24第5章 系統(tǒng)的可靠性研究285.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中可靠性問(wèn)題的解決285.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中提高可靠性的方法30第6章 結(jié)論32第7章 結(jié)束語(yǔ)33參考文獻(xiàn)34附錄35致謝36基于單片機(jī)的柴油機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、測(cè)量?jī)x器和控制技術(shù)的高速開(kāi)展,在現(xiàn)代自動(dòng)控制領(lǐng)域中,應(yīng)用了越來(lái)越多的先進(jìn)測(cè)量控制技術(shù)、設(shè)備和方法。在這些眾多的先進(jìn)測(cè)量控制技術(shù)中,由于單片微處理器的性能日益提高、價(jià)格又不斷降低,使其性能價(jià)格比的優(yōu)勢(shì)非常明顯

3、。因此,如何將單片微處理器應(yīng)用到船舶自動(dòng)控制領(lǐng)域,成為目前輪機(jī)自動(dòng)化的焦點(diǎn)課題之一,為越來(lái)越多的科研機(jī)構(gòu)所重視。 本課題的研究正是適應(yīng)了這種開(kāi)展趨勢(shì),將單片機(jī)應(yīng)用于船舶主柴油機(jī)冷卻水溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中。課題首先對(duì)溫度測(cè)控系統(tǒng)各環(huán)節(jié)進(jìn)行了功能需求分析,明確了本溫控系統(tǒng)所要到達(dá)了技術(shù)要求,從而為隨后的系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的根底;然后又根據(jù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了硬件元器件的選擇和軟件算法確實(shí)定;最后,本課題最終給出了基于單片機(jī)的船舶柴油機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng)的整套軟硬件設(shè)計(jì)方案。同時(shí),又討論了有關(guān)提高控制系統(tǒng)可靠性的軟硬件解決措施,因而更進(jìn)一步完善了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案。根據(jù)本課題的研究,我們將單片機(jī)控

4、制方式成功地引入了船舶設(shè)備自動(dòng)控制領(lǐng)域,豐富了船舶自動(dòng)控制技術(shù),也為今后輪機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的開(kāi)展探索了一條 行之有效的道路,具有廣闊的開(kāi)展空間。 關(guān)鍵詞:船舶,冷卻水系統(tǒng),單片機(jī),溫度控制,可靠性The Microcontroller?Based Main Engine Cooling Water Temperature Control SystemAbstract With the highly speedy development to of computer technology,measurement apparatus,and control technology,more and mo

5、re advanced technology,equipments and methods for measurement and control are applied in modern automation control realm .In these numerous advanced measurement and control technology,because of the enhanced performance and reducedprice of single chip microcomputer,making the advantage that its rati

6、o of performance to price been obvious .Therefore,how to apply the single chip microcomputer to ship automation control realm,it becomes the one of questions for discussion in ship engine automation,more and more scientific research organization attach importance to itThis work of this monograph ada

7、pts to the development tendency,applying the single chip microcomputer to cooling water temperature automation control system of ship main engine. First of all, the monograph analyzes the function demand of all modules of the control system,specifies the technique request,it provides a solid foundat

8、ion for the subsequent system design ; then,confirms the choice of the hardware parts and the software arithmetic according to the system function: finally,this monograph provides a whole plan about hardware and software design for the al1 main engine cooling water temperature control system that ba

9、sed on single chip microcomputer. At the same time,discusses about hardware and software design methods for improving the reliability of the control system,these methods perfect the whole system designAccording to the research of this monograph,we successfully introduce the single chip microcomputer

10、 to ship engine automation control realm,it enriches the automation control technology and explore an effective way for ship engine automation. It has a wide development spaceKeywords: Ship; Cooling Water System: Single Chip Microcomputer: Temperature Control: Reliability第1章 緒論1.1 課題提出的背景 船舶柴油機(jī)冷卻水溫度

11、控制技術(shù)是輪機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的重要組成局部。輪機(jī)自動(dòng)化,是指用各種自動(dòng)化儀器儀表、控制元件、邏輯元件,以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等組成的各種自動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。它可以對(duì)船舶機(jī)艙內(nèi)動(dòng)力裝置的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制,對(duì)機(jī)器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警,也可以對(duì)主要機(jī)器設(shè)備進(jìn)自動(dòng)操作等。 我們知道,船舶主柴油機(jī)動(dòng)力裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),有許多機(jī)械、設(shè)備等的運(yùn)動(dòng)部件將會(huì)產(chǎn)生熱量,而燃燒的燃?xì)夂蛪嚎s的空氣也會(huì)散發(fā)出大量的熱量,為了保證受熱部件的溫度不致于過(guò)高而影響其正常工作,或者不致于因熱負(fù)荷過(guò)大而使其損壞,必須及時(shí)而有效地將這些多余的熱量散發(fā)出去。因此,冷卻水系統(tǒng)的功用,就是對(duì)需要及時(shí)散熱的機(jī)械和設(shè)備提供足夠的冷卻水進(jìn)行冷卻,以

12、保證其在一定適宜的溫度范圍內(nèi)平安、可靠地工作。 目前,船舶柴油機(jī)冷卻水溫度的自動(dòng)控制系統(tǒng)大多采用的是電子式控制方.式,使用的是模擬式調(diào)節(jié)儀表,主要以電子器件的邏輯運(yùn)算輸出控制信號(hào),來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制,從而到達(dá)對(duì)溫度的控制。從整體上看主要存在以下兩個(gè)明顯就缺點(diǎn):采用的元器件比擬落后,導(dǎo)致電路較為復(fù)雜,使用的邏輯元器件也較多,增加了備件管理和維護(hù)工作的難度;由于系統(tǒng)整體比擬復(fù)雜,同時(shí)模擬儀表的實(shí)現(xiàn)功能的限制,因此這些溫度控制器都采用了最簡(jiǎn)單的控制規(guī)律,不能提供很好的控制性能。綜合以上的各種不利因素,我們認(rèn)為,此類控制系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足日益提高的控制性能需求,必須采用新的控制方式。鑒于此

13、,我們提出了基于單片機(jī)控制的船舶柴油機(jī)冷卻水溫度控制方法。我們知道,單片微處理器具有高精確度、高靈敏度、高響應(yīng)速度,以及耗能少、機(jī)構(gòu)小、可以連續(xù)測(cè)量、自動(dòng)控制、平安可靠等優(yōu)點(diǎn),非常適合嵌入式控制。同時(shí),其邏輯控制運(yùn)算是由軟件來(lái)進(jìn)行的,可以容易的實(shí)現(xiàn)各種控制規(guī)那么,甚至是比擬復(fù)雜的控制算法的實(shí)現(xiàn),而且不受外界的工作環(huán)境的影響,因此,基于單片機(jī)的溫度控制器可以平安可靠地運(yùn)行,來(lái)智能地控制冷卻水的溫度穩(wěn)定在某一給定值,或者給定值附近,使得船舶柴油機(jī)冷卻水溫度測(cè)控滿足現(xiàn)代遠(yuǎn)洋船舶的要求。1.2 船舶柴油機(jī)冷卻水溫度控制技術(shù)開(kāi)展歷程 船舶柴油機(jī)冷卻水溫度控制技術(shù),在20世紀(jì)中得到了飛速開(kāi)展。其大致開(kāi)展歷

14、程如下: 1.直接作用式控制方式: 在20世紀(jì)50年代末期,船舶柴油機(jī)冷卻水溫度控制是采用直接作用方式。這是一種早期的反應(yīng)式控制方式。其特點(diǎn)是,他們都不需要外加能源,而是根據(jù)在冷卻水管路中的測(cè)量元件內(nèi)充注的工作介質(zhì)的壓力隨溫度成比例變化而產(chǎn)生的力來(lái)汽接驅(qū)動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥,進(jìn)而改變流經(jīng)淡水冷卻器的淡水流量和旁通淡水流量,從而進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)的。這種控制方式的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的,測(cè)量元件內(nèi)充注的工作介質(zhì)對(duì)密封性要求很高,如果造成測(cè)量元件內(nèi)充注的工作介質(zhì)泄漏,那么其本身的壓力就不能隨溫度成比例進(jìn)行變化,因而使得溫度控制失去作用。同時(shí),其控制精度不高,冷卻水溫度變化較大,對(duì)船舶柴油機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行不利。 2.氣動(dòng)

15、式控制方式: 在20世紀(jì)70年代末期,船舶柴油機(jī)冷卻水溫度控制是采用氣動(dòng)式作用方式。其特點(diǎn)是,利用感溫元件和溫度變送器,把氣缸冷卻水溫度的變化成比例地轉(zhuǎn)變成氣壓信號(hào)的變化送至調(diào)節(jié)器,與調(diào)節(jié)器的給定信號(hào)相比擬,其偏差信號(hào)經(jīng)調(diào)節(jié)作用規(guī)律運(yùn)算后,成為調(diào)節(jié)器輸出的控制氣壓信號(hào)去調(diào)節(jié)溫度。它也存在著以下的一些問(wèn)題,例如系統(tǒng)對(duì)氣體的密封性和壓力要求同樣很高,對(duì)運(yùn)輸和儲(chǔ)存氣體的管系的密閉性要求也很高,如果控制氣壓信號(hào)有所損失,使得控制精度降低,效果減小。因此,這種控制方式現(xiàn)在也很少采用了。 3.電動(dòng)式控制方式: 在20世紀(jì)80年代中期,船舶柴油機(jī)冷卻水溫度控制是采用氣動(dòng)式作用方式。也是目前遠(yuǎn)洋船舶上主要采用

16、的溫度控制方式。它的作用方法是,利用安裝在船舶柴油機(jī)氣缸冷卻水進(jìn)口或者出口管路中的感溫元件,通常為電阻數(shù)值與溫度變化在一定范圍內(nèi)成線性變化的熱敏電阻,經(jīng)分壓器分壓把冷卻水溫度成比例地轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),這個(gè)測(cè)量信號(hào)與由電位器整定的給定值電壓信號(hào)相比擬得到偏差信號(hào),再經(jīng)過(guò)比例微分作用,輸出一個(gè)控制信號(hào)并將此控制信號(hào)送至脈沖寬度調(diào)制器,將連續(xù)的控制信號(hào)變成斷續(xù)的脈沖信號(hào)去調(diào)節(jié)冷卻水溫度。盡管此類電動(dòng)控制系統(tǒng)的控制精度和效果可以在一定程度上滿足了船舶營(yíng)運(yùn)者的需求,但是這并不說(shuō)明這種控制方一式是完美無(wú)缺的。首先,這些控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器采用了較為簡(jiǎn)單的控制規(guī)律,比方比例微分PD控制規(guī)律或者比例積分PI控制規(guī)律

17、,假設(shè)采用PD控制會(huì)出現(xiàn)靜態(tài)誤差,使系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間偏離最正確工作點(diǎn)運(yùn)行,假設(shè)采用PI控制,那么對(duì)于冷卻水溫度這樣具有較大慣性的被控對(duì)象會(huì)因?yàn)槿狈Τ暗目刂谱饔枚a(chǎn)生較大的超調(diào)量,使得系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性較差,而且調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度改變以后,溫度傳感器不能馬上反映出調(diào)節(jié)作用的結(jié)果,存在滯后,難以得到滿意的控制效果。其次這種控制系統(tǒng)的測(cè)量和控制局部,是利用一些電子器件進(jìn)行邏輯運(yùn)算輸出的,它的缺點(diǎn)就是一旦邏輯輸出局部機(jī)械部件出現(xiàn)故障,那么整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的控制能力和精度就會(huì)出現(xiàn)故障,其工作效果大打折扣。而冷卻效果的下降,將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果,如船舶主柴油機(jī)氣缸和活塞溫度升高、潤(rùn)滑油隨溫度的升高而粘度降低造成機(jī)械運(yùn)動(dòng)的磨損,

18、縮短了柴油機(jī)的使用壽命等。1.3 本課題研究的主要內(nèi)容 “基于單片機(jī)的船舶柴油機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng)是以現(xiàn)代遠(yuǎn)洋船舶上廣泛應(yīng)用的船舶中央冷卻系統(tǒng)為研究模型,以船舶柴油機(jī)冷卻水的溫度測(cè)量和控制為研究對(duì)象進(jìn)行的。首先,我們介紹一下現(xiàn)代遠(yuǎn)洋船舶絕大多數(shù)所采用的中央冷卻系統(tǒng)的工作過(guò)程。利用船舷外的海水泵輸送海水進(jìn)入中央冷卻系統(tǒng),來(lái)冷卻低溫淡水,被冷卻后的低溫淡水再去冷卻船舶主柴油機(jī)氣缸套和氣缸蓋的高溫淡水。因此,這種冷卻系統(tǒng)中就有兩個(gè)冷卻水回路:一個(gè)是低溫回路,就是由舷外海水來(lái)冷卻低溫淡水的回路,因?yàn)楹Ｋ牧魅牒土鞒霾皇且粋€(gè)閉合的過(guò)程,因此又稱為開(kāi)式冷卻;另一個(gè)是高溫回路,就是由低溫淡水來(lái)冷卻高溫淡水的

19、回路,因?yàn)榈蜏氐透邷氐牧鲃?dòng)是一個(gè)循環(huán)利用的過(guò)程,因此又稱為閉式冷卻。在這種冷卻系統(tǒng)中,由于舷外海水不再接觸各種熱交換器和船舶主柴油機(jī)的冷卻空間,因而防止了海水引起的腐蝕,提高了設(shè)備和系統(tǒng)的平安可靠性以及設(shè)備使用壽命。 下列圖l.1為船舶中央冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖: 圖1.1 船舶中央冷卻水系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖 因此,我們?cè)O(shè)計(jì)的“基于單片機(jī)的船舶柴油機(jī)冷卻水控制系統(tǒng)課題應(yīng)該重點(diǎn)解決以下內(nèi)容: 其一,本課題的攻關(guān)任務(wù):研究船舶柴油機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng),開(kāi)發(fā)出具有智能控制裝置,實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量和控制; 其二,本課題的目標(biāo):提供具有溫度測(cè)控功能的智能控制設(shè)備一套; 其三,課題研究的技術(shù)關(guān)鍵: 多點(diǎn)測(cè)量:分

20、別在船舶柴油機(jī)中央冷卻系統(tǒng)的高溫淡水的進(jìn)口和出口、低溫淡水的進(jìn)口和出口處安裝了溫度傳感器。采用“進(jìn)口處溫度測(cè)控,出口處報(bào)警的方式,這樣,使整個(gè)系統(tǒng)各循環(huán)回路的溫度均可自動(dòng)調(diào)節(jié),提高了整個(gè)系統(tǒng)的適應(yīng)性和控制精確性: 通訊方式:在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,我們分析了多種單片機(jī)與上層控制計(jì)算機(jī)的通訊方式,最終實(shí)現(xiàn)了RS-232串口通訊接口,有利于系統(tǒng)今后的擴(kuò)展; 控制算法:分析了幾種在溫度控制中常見(jiàn)的控制算法,根據(jù)各自的優(yōu)缺點(diǎn),以及針對(duì)冷卻水的固有特性的分析,實(shí)現(xiàn)了帶有smith補(bǔ)償?shù)腜ID控制; 另外,系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了對(duì)船舶原有的資源進(jìn)行合理利用,應(yīng)用原有的計(jì)算機(jī)和打印機(jī)來(lái)搭建整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制中心上位機(jī)

21、,應(yīng)用現(xiàn)有的船舶網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)通訊和數(shù)據(jù)傳輸。1.4 系統(tǒng)研究的應(yīng)用前景 本溫度測(cè)控系統(tǒng)是用于對(duì)船舶主柴油機(jī)冷卻水的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制的全自動(dòng)智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)。它可以廣泛地應(yīng)用在船舶工程中,如現(xiàn)代遠(yuǎn)洋船舶上對(duì)溫度要求比擬高的船舶中央冷卻水控制系統(tǒng)中。它具有平安可靠、操作簡(jiǎn)單方便、智能控制等優(yōu)點(diǎn)。 另外,此測(cè)控系統(tǒng)以及相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā),既有利于推開(kāi)工控技術(shù)的開(kāi)展,又能帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 1.市場(chǎng)預(yù)測(cè): 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等高新技術(shù)在船舶工業(yè)的開(kāi)展和延伸,以計(jì)算機(jī)為中心的自動(dòng)化控制是當(dāng)今世界范圍內(nèi)的工業(yè)技術(shù)革命的核心之一。計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化和生產(chǎn)過(guò)程最優(yōu)控

22、制,是使得在現(xiàn)代遠(yuǎn)洋船舶上工作的人提高工作效率,減輕工作強(qiáng)度的有效保證。因此,這項(xiàng)測(cè)控系統(tǒng)具有良好的市場(chǎng)開(kāi)展空間。 2.課題的實(shí)用性及前瞻性: 現(xiàn)代船舶工業(yè)的快速開(kāi)展,使得船舶自動(dòng)控制技術(shù)也突飛猛進(jìn)的提高。“溫度測(cè)控技術(shù)具有很強(qiáng)的靈活性,根據(jù)用戶需要,可以方便地調(diào)整系統(tǒng)溫度給定值,從而使整個(gè)船舶主柴油機(jī)在更加理想的條件下運(yùn)轉(zhuǎn),增加了柴油機(jī)的使用壽命,滿足了人們對(duì)其經(jīng)濟(jì)性的要求。同時(shí),由于系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性能,可以與船舶內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊,使得系統(tǒng)功能再擴(kuò)展成為可能,最大限度地滿足了今后的需求。 3.本課題的社會(huì)效益: 本課題是以測(cè)控智能化為宗旨,旨在為現(xiàn)代遠(yuǎn)洋船舶提供有效、實(shí)用的溫度測(cè)控方法。

23、這一方面是對(duì)當(dāng)前船舶工業(yè)溫度測(cè)控技術(shù)的更新,另一方面也為現(xiàn)代遠(yuǎn)洋船舶主柴油機(jī)提供了良好的運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境。此外,對(duì)于生產(chǎn)船舶工業(yè)智能控制器的廠商來(lái)說(shuō),他們?cè)谕茝V應(yīng)用這項(xiàng)成果中,將會(huì)獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。 第2章 溫度控制系統(tǒng)介紹2.1 系統(tǒng)的構(gòu)成 整個(gè)船舶柴油機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)控制中心上位機(jī)和打印機(jī)、遠(yuǎn)程通訊模塊、單片機(jī)測(cè)控平臺(tái)下位機(jī).、溫度傳感器組、執(zhí)行機(jī)構(gòu),以及控制軟件等局部組成的,系統(tǒng)采用了總線結(jié)構(gòu)、模塊化的設(shè)計(jì)方法,各局部既可以獨(dú)立工作,又能夠聯(lián)網(wǎng)協(xié)同工作,組建方式靈活,并具有良好的可擴(kuò)展性。其中,計(jì)算機(jī)控制中心中的計(jì)算機(jī)和打印機(jī)可以利用船舶原有資源,安裝串行通訊軟件,實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)

24、系統(tǒng)的通訊:溫度采集模塊是由分布在柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng)各局部的溫度傳感器組成的,采用了具有良好性能的感溫元件,用來(lái)測(cè)量冷卻水的溫度;單片機(jī)測(cè)控平臺(tái)是是本課題最重要的研究?jī)?nèi)容,它內(nèi)置單片微處理器,智能化設(shè)計(jì),可以獨(dú)立工作又可以與上位機(jī)組成通訊網(wǎng)絡(luò),同時(shí)還可以對(duì)柴油機(jī)冷卻水的溫度進(jìn)行監(jiān)控,對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制指令,實(shí)現(xiàn)溫度的檢測(cè)與控制,是由溫度采集接口電路、鍵盤與顯示電路、串行通訊接口申路、看門狗電路,以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)接口電路所組成的。 同時(shí),由于現(xiàn)代遠(yuǎn)洋船舶的中央冷卻系統(tǒng)具有.高溫淡水和低溫淡水兩個(gè)冷卻水回路,因此,在設(shè)計(jì)本船舶柴油機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng)時(shí),我們分別對(duì)這兩個(gè)冷卻回路進(jìn)行設(shè)計(jì),其實(shí)際方法根本相

25、同。在本文的論述中,我們僅以高溫冷卻水回路的溫度控制設(shè)計(jì)方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明,低溫冷卻水回路的方法根本類似,因此不作介紹。2.1.1系統(tǒng)硬件框圖 整個(gè)系統(tǒng)的硬件組簡(jiǎn)圖如圖2.1所示。 圖2.1 系統(tǒng)硬件組成圖;系統(tǒng)設(shè)計(jì)了硬件看門狗電路,具有掉電數(shù)拒保護(hù)功能和系統(tǒng)故障復(fù)位功能,如果系統(tǒng)突然失去電力,測(cè)量數(shù)值可以保存在看門狗電路的EEPROM中,在系統(tǒng)重新工作時(shí),可以重新從看門狗的存儲(chǔ)單元里讀取數(shù)據(jù),保證了數(shù)據(jù)的平安,同時(shí),如果系統(tǒng)出現(xiàn)死機(jī)或者程序跑飛而進(jìn)入某個(gè)死循環(huán),由該看狗電路向CPU控制器發(fā)出復(fù)位信號(hào),使系統(tǒng)重新開(kāi)始運(yùn)行從而保證了系統(tǒng)平安、可靠地運(yùn)行。 系統(tǒng)控制流程是,單片機(jī)將溫度傳感器測(cè)量到的

26、信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)制電路和A/D轉(zhuǎn)換得到實(shí)際測(cè)量溫度,與預(yù)先設(shè)定溫度數(shù)值進(jìn)行比擬,當(dāng)測(cè)量溫度比設(shè)定溫度高時(shí),單片機(jī)斷續(xù)輸出控制信號(hào),經(jīng)過(guò)光電隔離和驅(qū)動(dòng)放大后,輸出給增大輸出繼電器,繼電器控制三相伺服交流電動(dòng)機(jī)斷續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),使得連接在電機(jī)上的三通調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)動(dòng),減少不經(jīng)冷卻器的旁通水量,增加經(jīng)冷卻器的淡水量;假設(shè)是測(cè)量溫度比設(shè)定溫度低時(shí),單片機(jī)斷續(xù)輸出控制信號(hào),經(jīng)過(guò)光電隔離和驅(qū)動(dòng)放大后,輸出給減小輸出繼電器,繼電器控制三相伺服交流電動(dòng)機(jī)斷續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),使得連接在電機(jī)上的三通調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)動(dòng),增加不經(jīng)冷卻器的旁通水量,減少經(jīng)冷卻器的淡水量。經(jīng)過(guò)此自動(dòng)控制過(guò)程,使柴油機(jī)冷卻水溫度穩(wěn)定在設(shè)定數(shù)值,或是設(shè)定數(shù)值周圍,從而到達(dá)自動(dòng)

27、控制溫度的目的。 4.溫度傳感器組: 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),我們采用了具有良好性能的感溫元件,鉑熱電阻Pt100,用來(lái)測(cè)量冷卻水的溫度。同時(shí),為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性,我們采用了多點(diǎn)測(cè)量的方法,即在高溫回路中高溫冷卻淡水的進(jìn)口和出口、低溫回路中低溫冷卻淡水的進(jìn)口和出口都安裝了溫度傳感器,分別測(cè)量這幾點(diǎn)的溫度,然后單片機(jī)控制多路開(kāi)關(guān),分別采集這幾點(diǎn)的溫度數(shù)值。在某一時(shí)刻,單片機(jī)采集的是某個(gè)點(diǎn)的溫度實(shí)際數(shù)值,然后與該點(diǎn)的設(shè)定數(shù)值相比擬,再輸出控制信號(hào),因此,并不會(huì)增加單片機(jī)的運(yùn)算負(fù)荷,使得單片機(jī)完全有能力承當(dāng)控制中心的任務(wù)。 由于采用了這種多點(diǎn)測(cè)量的方法,克服了在以往溫度控制中,只能單一的測(cè)量冷卻水進(jìn)口或者出

28、口的實(shí)際溫度,出現(xiàn)偏差的現(xiàn)象,這也證明了本課題設(shè)置的科學(xué)性和合理性。 5.執(zhí)行機(jī)構(gòu): 本控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是指進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)的機(jī)械裝置,即控制繼電器、三相伺服交流電動(dòng)機(jī)和三通調(diào)節(jié)閥。由于水是一種大慣性的傳熱介質(zhì),當(dāng)控制系統(tǒng)對(duì)水溫進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí),由于冷卻水的熱容量大,溫度響應(yīng)速度很慢,水溫并不是立即調(diào)整到指定數(shù)值,而是一個(gè)緩慢、漸進(jìn)的變化過(guò)程,因此,就需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行斷續(xù)地控制,以一定量的延遲時(shí)間來(lái)確定水溫的變化。利用繼電器接受單片機(jī)發(fā)出的間斷的控制指令,控制三相伺服交流電動(dòng)機(jī)斷續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),帶動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥的轉(zhuǎn)動(dòng),改變?nèi)ㄕ{(diào)節(jié)閥的開(kāi)度,進(jìn)而改變冷卻水的溫度。通過(guò)單片機(jī)控制指令的改變,來(lái)改變選擇增大輸出繼電器

29、和減小輸出繼電器,進(jìn)而改變?nèi)嗨欧涣麟妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向,來(lái)控制三通調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度,最終起到了溫度自動(dòng)控制的作用。 6.控制軟件: 系統(tǒng)的控制軟件包括計(jì)算機(jī)管理控制中心的溫度管理和儲(chǔ)存軟件、單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行軟件,以及RS-232通訊軟件等。計(jì)算機(jī)管理控制中心的溫度管理和儲(chǔ)存軟件可以使用戶在上位機(jī)上方便地對(duì)測(cè)量溫度數(shù)值和設(shè)定溫度數(shù)值進(jìn)行管理、查看、儲(chǔ)存和打印;單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行軟件是燒錄在單片機(jī)程序存儲(chǔ)器中,控制單片機(jī)運(yùn)行的程序,它包括初始化子程序、中斷子程序、測(cè)量子程序和比擬子程序等,是本課題中軟件編寫(xiě)的最重要局部;RS-232通訊軟件是使上位機(jī)與下位機(jī)進(jìn)行串行數(shù)據(jù)交換需要編寫(xiě)的軟件,符合標(biāo)準(zhǔn)R

30、S-232通訊標(biāo)準(zhǔn)。2.2 系統(tǒng)的性能指標(biāo)。同時(shí),根據(jù)多年總結(jié)的控制經(jīng)驗(yàn),當(dāng)船舶柴油機(jī)處于最正確工作狀態(tài)時(shí),高溫淡水溫度應(yīng)該穩(wěn)定工作在78左右,低溫淡水溫度應(yīng)該穩(wěn)定工作在54。 4.掉電數(shù)據(jù)保護(hù)和系統(tǒng)故障復(fù)位: 利用硬件看門狗watchdog電路,具有掉電數(shù)據(jù)保護(hù)功能和系統(tǒng)故障復(fù)位功能。當(dāng)系統(tǒng)突然失電時(shí),可以利用硬件看門狗中的EEPROM數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器,將控制系統(tǒng)中的正在運(yùn)算的數(shù)值和結(jié)果保存起來(lái),當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)供電后,單片機(jī)再?gòu)目撮T狗中讀出這些數(shù)據(jù),從而保證了系統(tǒng)中臨時(shí)數(shù)據(jù)的平安。同時(shí),當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障死機(jī)或者程序跑飛進(jìn)入某個(gè)死循環(huán)后,可以利用看門狗電路向單片機(jī)發(fā)出復(fù)位信號(hào),使系統(tǒng)重新開(kāi)始運(yùn)行。 5.報(bào)

31、警功能: 當(dāng)溫度測(cè)量數(shù)值偏離設(shè)定數(shù)值士5時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警,以提醒輪機(jī)管理人員注意,及時(shí)查明故障原因和解決問(wèn)題。 6.通訊功能: 利用尺5-232串行通訊模塊,可以打展系統(tǒng)的功能。例如,可以將單片機(jī)測(cè)控平臺(tái)接入計(jì)算機(jī)管理控制中心,利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大處理能力,以到達(dá)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和打印等目的。,足以滿足用戶對(duì)溫度控制的要求。 4.可控點(diǎn)多,擴(kuò)展性能好: 本系統(tǒng)采用了多點(diǎn)測(cè)溫的方法,單片機(jī)可以利用多路開(kāi)關(guān)來(lái)選擇測(cè)控點(diǎn),從而使用戶可以分別對(duì)中央冷卻系統(tǒng)的不同部位進(jìn)行監(jiān)測(cè),了解整個(gè)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí),也方便用戶今后對(duì)本控制系統(tǒng)的擴(kuò)展,利用增加傳感器的方法來(lái)增加測(cè)溫點(diǎn),因而具有良好的擴(kuò)展性能。第3章

32、系統(tǒng)的硬件開(kāi)發(fā)3.1 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)原理圖 溫度控制系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)原理圖如下列圖3.1所示。 圖3.1 硬件電路結(jié)構(gòu)原來(lái)圖和電路圖 本測(cè)控系統(tǒng)采用了AT89C51作為微處理器,采用鉑電阻pt100作為溫度傳感器,一與運(yùn)算放大器op27相結(jié)合構(gòu)成精密測(cè)溫電路,采用了ADC0809芯片作為精密測(cè)溫電路與單片機(jī)的轉(zhuǎn)換通道。鍵盤矩陣采用2行3列非編碼方式,顯示局部為3位LED數(shù)碼管顯示,看門狗電路采用了較為常見(jiàn)的X25045芯片。系統(tǒng)輸出環(huán)節(jié)通過(guò)單片機(jī)輸出口傳遞輸出控制信號(hào),經(jīng)光電藕合4N25和模擬開(kāi)關(guān)CD4052后去控制繼電器的通斷,進(jìn)而控制三相伺服交流步進(jìn)電機(jī)電機(jī)的旋轉(zhuǎn),當(dāng)實(shí)際溫度偏高時(shí),單片機(jī)

33、輸出控制信號(hào)使正轉(zhuǎn)繼電器通電,伺服電機(jī)正轉(zhuǎn),改變?nèi)ㄕ{(diào)節(jié)閥的開(kāi)度,增加流過(guò)淡水冷卻器的淡水量,使淡水溫度降低;當(dāng)實(shí)際溫度偏低時(shí),單片機(jī)輸出控制信號(hào)使反轉(zhuǎn)繼電器通電,伺服電機(jī)反轉(zhuǎn),改變?nèi)ㄕ{(diào)節(jié)閥的開(kāi)度,增加旁通冷卻水流量,使淡水溫度升高,最終起到溫度控制的作用。 3.2 系統(tǒng)各主要模塊介紹: 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由溫度檢測(cè)電路、信號(hào)調(diào)制電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、鍵盤與顯示電路、串行通訊模塊、看門狗電路、報(bào)警電路、驅(qū)動(dòng)電路和輸出控制電路等局部組成。下面,我們分別對(duì)幾個(gè)主要模塊進(jìn)行一下詳細(xì)介紹。 1.主控單元MCC: 主控單元采用ATMEL公司的AT89C51控制芯片,是一種高性能、低電壓、低功耗的8位C

34、M05微型處理器,它具有40針腳,與51系列單片機(jī)的指令、管腳完全兼容。具有4K字節(jié)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器,并且是FLASH工藝的,這種工藝的存儲(chǔ)器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫(xiě),同時(shí),寫(xiě)入單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn)行加密,因而可以有效地保存數(shù)據(jù)信啟、。由于本系統(tǒng)主要用于冷卻水溫度的測(cè)控,片內(nèi)具有的4K字節(jié)己經(jīng)能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。此外,AT89C51還具有128字節(jié)RAM,32條可編程I/O口線,2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,6個(gè)中斷源,1個(gè)串行l(wèi)/O日,片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。在控制軟件的支持下,CPU對(duì)外圍電路進(jìn)行控制、計(jì)算,將溫度檢測(cè)電路輸入的溫度測(cè)量數(shù)值進(jìn)行處理,并掃描、顯示,同時(shí)將計(jì)算得到的控制

35、結(jié)果輸出給控制電路對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作,完成整套控制過(guò)程。AT89C51的接口電路有ADC0809、8279、232、4N25、CD4052和X25045等芯片。其中,ADC0809作為溫度測(cè)量電路的輸入接口,8279用于鍵盤、LED數(shù)碼管數(shù)碼管顯示電路的接口,232是單片機(jī)與上位計(jì)算機(jī)的串行通訊接口,4N25和CD4052控制系統(tǒng)輸出,包括光電禍合和模擬開(kāi)關(guān)等元器件,X25045是硬件看門狗電路。我們將在后面著重介紹這些接口電路。 圖3.2是AT89C51芯片管腳分配示意圖。圖3.2 AT89C51芯片管腳分配示意圖 2.溫度檢測(cè)電路: 根據(jù)溫度測(cè)量電路的結(jié)構(gòu)圖。溫度傳感器采用的是鉑電阻Pt1

36、00,帶有不銹鋼鋼套,具有良好的精度指標(biāo)和穩(wěn)定性,在0150的范圍內(nèi),其電阻值與溫度成線性變化,性能優(yōu)良,本錢低。Pt100鉑熱電阻,當(dāng)其鉑絲溫度上升時(shí),其電阻阻值也隨之增加。其溫度0100。由于冷卻水是大慣性的傳熱介質(zhì),ADC0809的此項(xiàng)性能指標(biāo)己經(jīng)滿足了溫度控制的時(shí)間和精度,因此,我們選擇ADC0809作為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片,使系統(tǒng)本錢較低。圖3.3給出了ADC0809與AT89C51接口圖。在硬件連接時(shí),IN0IN7為8路通道模擬開(kāi)關(guān),我們只需要其中IN0路用以轉(zhuǎn)換電路,其他各路直接接地。溫度傳感器傳來(lái)的檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換后,變成單片機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào),從而可以對(duì)冷卻水溫度進(jìn)

37、行量化比擬。圖3.3 ADC0809接口電路示意圖 4.鍵盤與顯示電路: 由于CPU管腳的數(shù)量有限,因此對(duì)鍵盤和顯示電路的設(shè)計(jì),我們采用了8279可編程的鍵盤顯示一專用擴(kuò)展I/O接口芯片,它木身能夠提供鍵盤、顯示控制所需的掃描信號(hào),因此可以代替單片機(jī)完成鍵盤、顯示的控制。其中,鍵盤矩陣采用2行3列非編碼方式,采用軟件查詢方法來(lái)設(shè)計(jì),低電平有效。為了消除按鍵抖動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的干擾,在鍵盤軟件設(shè)計(jì)中,我們采用了20ms的延時(shí)程序。顯示局部為3位LED數(shù)碼管顯示,顯示的內(nèi)容是溫度數(shù)值的,十位、個(gè)位和小數(shù)點(diǎn)后一位,軟件設(shè)計(jì)中采用動(dòng)態(tài)掃描顯示的方法,以減少硬件本錢和增加系統(tǒng)可靠性。鍵盤控制的方式是采用8279

38、掃描鍵盤,判斷是否有按鍵按下,進(jìn)而判斷按鍵的內(nèi)容,送至AT89C51處理。顯示程序的執(zhí)行過(guò)程是:首先AT89C51通過(guò)P口選通8279,低電平有效,然后把將要顯示的數(shù)字,其相應(yīng)的字型碼送至DB口,接下來(lái)設(shè)置位選信號(hào),利用SL0、SL1、SL2二分別設(shè)置0或者l,分別選擇要顯示的二印數(shù)碼管共陰極,8279將要顯示的數(shù)字通過(guò)OPTB和OUTA口顯示在LED數(shù)碼管上。同時(shí),我們將要顯示的數(shù)字的二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成7段碼形式,編寫(xiě)成數(shù)據(jù)表格的形式,存儲(chǔ)在單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)空間里,這樣,單片機(jī)將A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果與表格的指針相結(jié)合,直接將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果顯示出來(lái),可以減輕系統(tǒng)計(jì)算量,提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和顯示速度。

39、下面介紹鍵盤與顯示電路。 在小鍵盤上有六個(gè)按鍵,分別是“設(shè)置狀態(tài)按鍵、“運(yùn)行狀態(tài)按鍵、“數(shù)值增加按健、“數(shù)值減少 按鍵、以及“高溫 按鍵和“低溫按鍵。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)運(yùn)行時(shí),其溫度設(shè)定值由軟件編制時(shí)事先設(shè)置好,當(dāng)需要改變數(shù)值時(shí),用戶首先按下鍵盤的“設(shè)置狀態(tài)按鍵,使顯示局部切換到設(shè)定值的顯示,然后由鍵盤的“高溫或者“低溫鍵切換到需要更改的溫度顯示,此時(shí),三位LED數(shù)碼數(shù)碼管中的最低一立開(kāi)始閃爍,再由“數(shù)值增加或“數(shù)值減少按鍵輸入所需設(shè)置的數(shù)值,可以改變了設(shè)定數(shù)值。當(dāng)設(shè)定好新的數(shù)值后,用戶再次按下“運(yùn)行狀態(tài)按鍵,切換列系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),這時(shí)三位LED數(shù)碼管所顯示的就是測(cè)量溫度數(shù)值。 5.串行通訊模塊: 本測(cè)

40、控系統(tǒng)是近距離小于15米的串行通訊,因此選擇了計(jì)算機(jī)和單片機(jī)之間通過(guò)RS-232接口直接相連。由于單片機(jī)串行口的輸入輸出都是TTL電平,而上位計(jì)算上的RS-232接口為了提高抗十?dāng)_性能,采用的是RS-232標(biāo)準(zhǔn)中EIA電平,EIA-RS-232C是用正負(fù)電壓來(lái)表示邏輯狀態(tài)邏輯“1:-3-15V;邏輯“0:+3-+15v,與單片機(jī)中TTL以上下電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同,因此,為了能夠?qū)崿F(xiàn)上位計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間的串行通訊,必須在EIA-RS-232C與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。我們選用了IM公司的232芯片來(lái)完成這兩種電平之間的轉(zhuǎn)換工作。采用了RS-232接口中的RD接收數(shù)據(jù)線、T

41、D發(fā)送數(shù)據(jù)線、GND信號(hào)地三條引腳來(lái)完成計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的雙工通訊任務(wù)。 6.聲光報(bào)警電路: 為了系統(tǒng)的平安運(yùn)行,我們對(duì)冷卻水溫度進(jìn)行上限或下限聲光報(bào)警處理,我們采用了如下的判斷報(bào)警方法:以冷卻水溫度設(shè)定值T設(shè)為參考數(shù)值,那么溫度變化的上限是T: T設(shè)+5,下限是TT設(shè)-5.當(dāng)測(cè)量到的冷卻水溫度持續(xù)增加,高于上限時(shí),即T,時(shí),那么上限報(bào)警狀態(tài)值THAl;當(dāng)測(cè)量到的冷卻水溫度持續(xù)減少,低于下限時(shí),即時(shí),那么下限報(bào)警狀態(tài)值TLAl。這樣,當(dāng)出現(xiàn)上、下報(bào)警狀態(tài)值THA,TLA為1的情況時(shí),就會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)報(bào)警電路。上圖中左側(cè)是實(shí)現(xiàn)超限聲光報(bào)警的電路。我們采用了一片時(shí)基集成電路NE555,將其接成振蕩工作狀

42、態(tài),同時(shí),將NE555的復(fù)位端“4與AT89C51的引腳反相連接。當(dāng)系統(tǒng)被測(cè)參數(shù)在正常范圍內(nèi)時(shí),AT89C51的引腳輸出端為高電平,經(jīng)過(guò)反相后為低電平,這樣,NE555的復(fù)位端“4處于低電平零電位,NE555電路處于穩(wěn)態(tài),被迫停止振蕩,那么輸出端“3恒為低電平,揚(yáng)聲器SP無(wú)聲,9014三極管NPN極性截止,報(bào)警燈不亮,使報(bào)警電路不工作;當(dāng)系統(tǒng)被測(cè)溫度出現(xiàn)高于上限或者低于下限的情況時(shí),即上、下報(bào)警狀態(tài)值THA,TLA為l,AT89C51啟動(dòng)自身定時(shí)器,使其引腳輸出端輸出連續(xù)脈沖波形或連續(xù)方波,這樣,NE555時(shí)基電路根據(jù)其復(fù)位端“4的信號(hào)變化,在它的輸出端“3產(chǎn)生頻率的輸出,輸出信號(hào)給繼申器J動(dòng)

43、作信號(hào),繼電器常開(kāi)開(kāi)關(guān)閉合,推動(dòng)揚(yáng)聲器SP工作,獲得聲音報(bào)警信號(hào),報(bào)警燈同步閃亮。 7.執(zhí)行機(jī)構(gòu): AT89C51根據(jù)采樣的溫度數(shù)值對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)規(guī)那么的計(jì)算、處理、判斷后,得出控制結(jié)果,從AT89C51的P2口輸出相應(yīng)的控制信號(hào),此控制信號(hào)為0、1低、高電平連續(xù)脈沖信號(hào),經(jīng)過(guò)光電隔離器4N25和CD4052后,去控制繼電器動(dòng)作,再經(jīng)過(guò)繼電器控制三相伺服交流步進(jìn)電機(jī),步進(jìn)電機(jī)是以脈沖方式進(jìn)行工作的,線圈中每輸入一個(gè)脈沖,轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角,因此,可以由電機(jī)的正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)節(jié)三通調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度,因而使冷卻水溫度得到控制。其中,口輸出的上下電平的占空比,有PID控制算法來(lái)決定,從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)閉環(huán)自

44、動(dòng)溫度控制。 由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,在本課題實(shí)施的過(guò)程中,沒(méi)有相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)果試驗(yàn),無(wú)法得到其電氣參數(shù),因而對(duì)輸出局部電路結(jié)構(gòu)就不作介紹。在本論文的表達(dá)中,僅僅說(shuō)明輸出控制相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理,并不作設(shè)計(jì)詳細(xì)說(shuō)明。第4章 系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)4.1 溫度控制算法確實(shí)定4.1.1系統(tǒng)傳遞函數(shù)和溫度控制算法: 根據(jù)硬件設(shè)計(jì)的原理圖可以畫(huà)出系統(tǒng)控制框圖,如圖4.1所示。4.1 系統(tǒng)控制框圖 圖中,TS是系統(tǒng)給定溫度值 是以BCD碼,由鍵盤或者上位機(jī)輸入。程序S的作用就是將TS的BCD碼轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以識(shí)別的二進(jìn)制碼,由軟件來(lái)承當(dāng)。Z是本系統(tǒng)的溫度控制算法,將由下文給出。 由于本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是

45、扮制量的增量,即驅(qū)動(dòng)的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī),因此,控制算法DZ的輸入是給定溫度數(shù)值r與系統(tǒng)測(cè)量數(shù)值yt之間的差值,經(jīng)過(guò)單片機(jī)的軟件計(jì)算,輸出的是控制增量uk。被控對(duì)象的輸出是ct,輸入是步進(jìn)電機(jī)的輸出ut。同時(shí),由溫度傳感器及信號(hào)處理模塊等組成了反應(yīng)回路。我們通過(guò)對(duì)冷卻水溫度調(diào)節(jié)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的分析,很容易發(fā)現(xiàn),船舶柴油機(jī)冷卻水的溫度控制系統(tǒng)還具有明顯的純滯后特性。這是由于溫度傳感器安裝在柴油機(jī)冷卻水的進(jìn)口和出口處,而控制作用卻是在相對(duì)較遠(yuǎn)的三通調(diào)節(jié)閥上實(shí)現(xiàn)的。因此,當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)施加了控制作用以后,冷卻水的溫度并不是馬上發(fā)生變化,無(wú)法反映控制作用,而是要等到冷卻水流過(guò)了淡水冷卻器,兩路水流混合后,再到達(dá)

46、溫度傳感器處,被測(cè)溫度的變化才能反映出控制效果。 因此,我們確定冷卻水溫度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)時(shí),必須要考慮到此純滯后特性。一般來(lái)說(shuō),冷卻水溫度變化滯后于控制作用的時(shí)間為t,那么t應(yīng)該由以下的表達(dá)式給出,即tL/V。其中,L是冷卻水流經(jīng)管路的長(zhǎng)度,單位是米m,v是冷卻水流動(dòng)速度,單位是米/秒m/S。滯后時(shí)間t的單位秒s。在不同船舶的中央冷卻系統(tǒng)中,系統(tǒng)的管路長(zhǎng)度和水流速度都是不同的,要根據(jù)具體的情況進(jìn)行具體分析和計(jì)算。目前,應(yīng)用在遠(yuǎn)洋船舶上的大多數(shù)模擬式冷卻水溫度調(diào)節(jié)器都是采用的相對(duì)簡(jiǎn)單的控制規(guī)律。比方,MR-型調(diào)節(jié)器采用了即調(diào)節(jié)規(guī)律比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律, 由于此類調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用中沒(méi)有積分調(diào)節(jié)作用,而積分環(huán)節(jié)的作用是消除靜態(tài)誤差,提高系統(tǒng)的無(wú)差度。因此,在系統(tǒng)中必然會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)誤差,因而就會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間使被控對(duì)象脫離最正確工作點(diǎn)的情況,使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)反復(fù)進(jìn)行執(zhí)行動(dòng)作,加速了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的磨損等;而另一種常見(jiàn)的冷卻水溫