課程設(shè)計-基于模型滯后的控制設(shè)計

1引言1.1課題背景

在多數(shù)工業(yè)過程當中,控制對象普遍存在著純時間滯后現(xiàn)象,如化工,熱工過程等.這種滯后時間的存在,會使系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的超調(diào)量和較長的調(diào)節(jié)時間,滯后嚴重時甚至會破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在工業(yè)生產(chǎn)上產(chǎn)生事故.因此長期以來,純滯后系統(tǒng)就一直是工業(yè)過程中的難控制對象,人們也對它進行了大量的研究.在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和理論研究中出現(xiàn)了多種控制方法,如PID控制、PID改進控制、Smith預(yù)估算法控制以及模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等.而對于最基礎(chǔ)的一階純滯后系統(tǒng)常用的控制方法主要是PID控制、微分先行控制、中間微分反饋控制、史密斯補償控制等1.2課題綜述

在現(xiàn)代科學技術(shù)的眾多領(lǐng)域中自動控制技術(shù)起著越來越重要的作用.自動控是指在沒有人直接參與的情況下,利用外加的設(shè)備或裝置(稱控制裝置或控制器),使機器,設(shè)備或生產(chǎn)過程(統(tǒng)稱被控對象)的某個工作狀態(tài)或參數(shù)(即被控制量)自動的按照預(yù)定的規(guī)律運行的控制技術(shù).

為了實現(xiàn)各種復雜的控制任務(wù),首先要根據(jù)設(shè)計要求將被控制對象和控制裝置按照一定的控制方式連接起來,組成一個有機的總體,這就是自動控制系統(tǒng).在自動控制系統(tǒng)中被控對象的輸出量即被控量是要嚴格加以控制的物理量,它可以要求保持為某一恒定值,例如溫度,壓力或飛行規(guī)跡等;而控制裝置則是對被控對象施加控制作用的機構(gòu)的總體,它可以采用不同的原理和方式對被控對象進行控制,但最基本的一種是基于反饋控制原理的反饋控制系統(tǒng).

在反饋控制系統(tǒng)中,控制裝置對被控裝置施加的控制作用,是取自被控量的反饋信息,用來不斷修正被控量和控制量之間的偏差從而實現(xiàn)對被控量進行控制的任務(wù),這就是反饋控制的原理.反饋過程中難免會產(chǎn)生滯后現(xiàn)象,純滯后問題對工業(yè)生產(chǎn)的影響越來越大,解決純滯后問題具有非常重要的意義2純滯后相關(guān)定義及其工藝過程2.1純滯后相關(guān)定義在工業(yè)生產(chǎn)過程中，被控對象通常具有不同程度的純延遲。例如氣體物料、液體物料通常經(jīng)過管道傳送，固體物料通過傳送帶傳送。而在工業(yè)生產(chǎn)中利用改變物料的流量來調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程時，經(jīng)過輸送環(huán)節(jié)的傳送時間（滯后）后，物料的變化情況才能到達生產(chǎn)設(shè)備進而實現(xiàn)工藝參數(shù)的改變。這個輸送過程的傳送時間是一個純滯后時間。再如，在熱交換過程中，經(jīng)常將被加熱物料的輸出溫度作為被控制量，而把載熱介質(zhì)（如過熱蒸汽）的流量作為控制量，載熱介質(zhì)流量改變后，經(jīng)過一定時間才表現(xiàn)為輸出物料溫度的變化。

系統(tǒng)這種表現(xiàn)可用含有純滯后的傳遞性描述。這類控制過程的特點是：當控制作用產(chǎn)生后，在滯后時間范圍內(nèi)，被控參數(shù)完全沒有響應(yīng)，使得系統(tǒng)不能及時隨被控量進行調(diào)整以克服系統(tǒng)所受的擾動。因此這樣的過程必然會產(chǎn)生較時顯的超調(diào)量和需要較長的調(diào)節(jié)時間。所以，含有純延遲的過程被公認為是較難控制的過程，其難控制程度與過程的時間常數(shù)之比大于0.3時，該過程是大滯后過程。隨此比值的增加，過程的相位滯后增加而使超調(diào)增大，在實際生產(chǎn)過程中甚至會因為嚴重超調(diào)而出現(xiàn)事故。在反饋控制系統(tǒng)中,控制裝置對被控裝置施加的控制作用,是取自被控量的反饋信息,用來不斷修正被控量和控制量之間的偏差從而實被控量進行控制的任務(wù),這就是反饋控制的原理.反饋過程中難免會產(chǎn)生滯后現(xiàn)象,純滯后問題對工業(yè)生產(chǎn)的影響越來越大,解決純滯后問題具有非常重要的意義2.2純滯后工藝過程在工業(yè)生產(chǎn)過程中，極大部分工藝過程的動態(tài)特性往往是既包含一部分純滯后特性又包括一部分慣性特性，這種工藝過程就稱為具有純滯后的工藝過程。譬如對于大型檔案館的溫濕度控制，就是存在純滯后較大的實際對象。在長沙地區(qū)，夏天的空氣相對濕度一般而言是比較大的，在檔案館進行適當?shù)某凉癫僮魇欠浅Ｓ斜匾?，而在進行除濕動作以后，檔案館內(nèi)的相對濕度要相應(yīng)得到降低則需要一段時間的延遲。當然，對檔案館內(nèi)溫度的控制也是如此。純滯后環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系（如圖1）所示:圖1純滯后環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系除過程本身的純滯后以外，多個設(shè)備串聯(lián)也會引起系統(tǒng)的純滯后。例如，在生產(chǎn)過程中常有這樣的操作情況：一個流水作業(yè)線或物料加工過程終端產(chǎn)品的質(zhì)量指標是用改變作業(yè)線起始端的輸入物料調(diào)節(jié)的。中間往往要經(jīng)過很多道加工工序，或是要經(jīng)過很多工藝設(shè)備。這時起始端物料流量的改變要引起終端產(chǎn)品質(zhì)量指標發(fā)生改變，必然要經(jīng)過一個較長的時間間隔，這個時間間隔一方面包括物料由起始端到終端的傳輸時間，另一方面包括物料在中間設(shè)備中的停留時間和處理時間，這兩個時間有時甚至達數(shù)十分鐘。在這些過程中，由于純滯后的存在，使得被調(diào)量不能及時反映系統(tǒng)所承受的擾動或系統(tǒng)的給定，即使測量信號到達調(diào)節(jié)器使得調(diào)節(jié)器立即工作，也需經(jīng)過純滯后時間以后(如圖1-1)，這時輸出才能作用到被控量上使之受到控制。所以，滯后過程必然會產(chǎn)生較明顯的超調(diào)和較長的調(diào)節(jié)時間。因此，調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在純滯后會造成閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)下降，純滯后愈大則系統(tǒng)控制品質(zhì)就愈差。另外，在一些工業(yè)對象的調(diào)節(jié)過程中，測量裝置會存在較大的純滯后。這在成份分析儀表及質(zhì)量儀表中較常見。這種純滯后一般有兩種:一種是取樣脈沖導管太長而引起的純滯后，另一種是測量系統(tǒng)中取樣后進行處理分析和切換等待的時間所造成的純滯后(可達數(shù)分鐘以上)。在測量系統(tǒng)中存在的純滯后同樣會使調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)不及時而導致系統(tǒng)控制品質(zhì)變差。2.2.1純滯后和大滯后在大多數(shù)的工業(yè)生產(chǎn)過程中，極大部分工藝過程的動態(tài)特性往往是既包含一部分純滯后特性又包括一部分慣性特性，這種工藝過程就稱為具有純滯后的工藝過程。大多數(shù)的工業(yè)過程可以描述為如下兩種簡化形式:（2-1）（2-2）式(1-1)所示的工業(yè)過程稱為具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，而式(1-2)所示的工業(yè)過程稱為具有純滯后的二階慣性環(huán)節(jié)。嚴格而言，很多文獻將工藝過程的純滯后系數(shù)和慣性時間常數(shù)T的比值作為一個衡量純滯后大小的指標。若<0.3則稱為一般具有純滯后的工藝過程，而當>0.3則稱為具有較大純滯后(即大滯后)的工藝過程。2.2.2等效變純滯后一個工藝過程的動態(tài)特性常常包括很多非線性因素，而且工藝參數(shù)也常顯分布狀態(tài)，很難用簡單的線性集中參數(shù)來推導其動態(tài)特性，所以常常借用實驗方法來測取其動態(tài)特性。對于大多數(shù)工藝過程，所測得的反應(yīng)曲線常常（如圖2）所示。（a）穩(wěn)定的工藝對象（b）不穩(wěn)定的工藝對象圖2反應(yīng)曲線2.2.3變純滯后在一些工藝過程中，純滯后時間是一個變數(shù)，這樣的工藝過程稱為變純滯后工藝過程。例如，當工藝過程的負荷改變會引起管道中物料的流速改變，這種純滯后時間也相應(yīng)改變。負荷減小使流速變慢，則純滯后時間增大，反之則減小。因考慮到變參數(shù)系統(tǒng)分析的復雜性，所以一般都處理為定純滯后系統(tǒng)。但值得注意的是，由于純滯后變化會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，在分析設(shè)計一個系統(tǒng)時對滯后變化應(yīng)加以適當?shù)氖孪瓤紤]。2.3純滯后對象的控制問題純滯后對象的控制一直是人們研究的重要課題。純滯后工業(yè)對象本身往往為一個分布參數(shù)系統(tǒng)，數(shù)學模型難以確定，又往往存在大量的不確定因素，如環(huán)境的動態(tài)變化大、強隨機干擾、系統(tǒng)的滯后大而且變滯后、存在未建模的高頻特性等等，以上諸多因素使得控制非常困難，這概括表現(xiàn)為:（1）建模困難;（2）檢測困難;（3）過程噪聲難以消除或限制在許可的范圍以內(nèi);（4）難以保證長期運行的穩(wěn)定性與可靠性。2.4純滯后對象的常規(guī)控制方法 純滯后對系統(tǒng)的影響，是使響應(yīng)遲緩和不穩(wěn)定。由于純滯后的存在，使得其控制具有特殊性。尤其是對于SISO(單輸入、單輸出)對象，人們研究了大量的控制方案，已經(jīng)非常成熟。在常規(guī)的控制算法有:大林算法、史密斯預(yù)估控制算法、無振蕩控制算法、最小方差和最優(yōu)控制算法等。（1）史密斯方法設(shè)對于無純滯后系統(tǒng)的串聯(lián)控制器為D(:)，閉環(huán)傳遞函數(shù)為:（2-3）其階躍響應(yīng)曲線對應(yīng)于圖2-3-a，顯然圖2-3-b的閉環(huán)傳遞函數(shù)為(2-4)對于純滯后系統(tǒng)，控制器為，系統(tǒng)方框圖（如圖3）：圖3純滯后系統(tǒng)方框圖其閉環(huán)傳遞函數(shù)為：(2-5)根據(jù)史密斯原則，要求：(2-6)所以(2-7)實現(xiàn)的方框圖可為（如圖4）:圖4因此閉環(huán)系統(tǒng)的實現(xiàn)框圖為（如圖5）：圖5閉環(huán)系統(tǒng)的實現(xiàn)框圖注意在（如圖5）,控制對象是實際的系統(tǒng)，而虛線框中的與是人為的傳遞函數(shù)。史密斯方法可歸納為:首先按無純滯后對象設(shè)計控制器，然后根據(jù)控制對象的和組成（如圖5）所示的控制器。離散史密斯算法可以由連續(xù)算法直接得來:,(2-8)其中D(z)為根據(jù)H(z)而設(shè)計的數(shù)字控制器脈沖傳遞函數(shù)，當然，D(z)可以是簡單的PID算法。采用史密斯預(yù)估控制器的直接數(shù)字控制系統(tǒng)（如圖6）。圖6史密斯預(yù)估控制器的直接數(shù)字控制系統(tǒng)史密斯方法性能分析：Smith預(yù)估控制算法將廣義對象輸出的信號C(s)與預(yù)估補償器的輸出信號相加后才作為反饋信號，因此這種補償是超前的反饋補償?？刂葡到y(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:（2-9）(2-10)由上述兩式可知，不論對于給定值作用還是負荷擾動，閉環(huán)系統(tǒng)特征方程式是相同的，即：（2-11）由于一個閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)特性主要決定于閉環(huán)特征方程式，而經(jīng)過Smith預(yù)估補償后，閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程中不再含有純滯后環(huán)節(jié)，這也是Smith預(yù)估控制算法的特點。由于閉環(huán)系統(tǒng)經(jīng)補償后相當于不存在純滯后，而分子中的僅僅將系統(tǒng)控制過程曲線在時間軸上推遲一個時間，所以預(yù)估補償完全補償了純滯后對過程的不利影響，系統(tǒng)品質(zhì)與無滯后過程完全相同，有可能提高調(diào)節(jié)器的增益，從而提高閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)質(zhì)量。由式(1-20)可知，其閉環(huán)傳遞函數(shù)由兩項組成，第一項為干擾量擾動對被控參數(shù)的影響;第二項為用來補償擾動對被控參數(shù)影響的控制作用。由于第二項有滯后，只有t>時產(chǎn)生控制作用，當t<=時無控制作用，所以Smith預(yù)估補償控制算法對給定值的跟蹤效果比對干擾量擾動的抑制效果要好。從理論上講，Smith預(yù)估控制能克服大滯后的影響。但是由于Smith預(yù)估器需要知道被控對象精確的數(shù)學模型，而實際中往往很難獲得對象的精確數(shù)學模型，故在應(yīng)用中總存在模型的不匹配。設(shè)為模型誤差，則系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:(2-12)(2-13)由上兩式得出，當對象模型不匹配時，由于存在模型誤差使滯后環(huán)節(jié)進入閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程，影響了系統(tǒng)的動態(tài)特性。特別是當模型滯后時間與對象實際滯后時間有差距時，這種誤差的影響將會更大，系統(tǒng)的品質(zhì)要差的多，甚至會不穩(wěn)定?？傊甋mith預(yù)估控制算法將滯后環(huán)節(jié)移出了系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程外，提高了系統(tǒng)的品質(zhì)，但其要求對象有精確的數(shù)學模型，對外部擾動的抑制能力較差，限制了它的應(yīng)用。3純滯后系統(tǒng)的設(shè)計概述本章系統(tǒng)講述了滯后控制系統(tǒng)的各種設(shè)計方法。首先講述了常規(guī)控制系統(tǒng)，包括微分先行控制系統(tǒng)和中間微分反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)滯后補償?shù)脑砑霸O(shè)計方法，并對這兩種方法進行了對比。其次講述了史密斯補償控制系統(tǒng)，主要有純滯后補償?shù)幕驹?、史密斯補償控制系統(tǒng)、完全抗干擾史密斯補償控制系統(tǒng)、增益自適應(yīng)補償控制系統(tǒng)、改進型史密斯補償控制系統(tǒng)的原理與設(shè)計方法，并對各種方法通過分析及實例進行了對比。3.1常規(guī)控制系統(tǒng)在純滯后系統(tǒng)控制中，為了充分發(fā)揮PID的作用，改善滯后問題，主要采用常規(guī)PID的變形形式：微分先行控制和中間微分控制。微分先行控制和中間微分控制都是為了充分發(fā)揮微分作用提出的。3.1.1微分先行控制微分的作用是導前，根據(jù)變化規(guī)律提前求出其變化率，相當于提取信息的變化趨勢，所以對滯后系統(tǒng)，充分利用微分作用，可以提前預(yù)知變化情況，進行有效的提前控如圖。圖7微分先行控制3.1.2中間微分反饋控制與微分先行控制方案的設(shè)想類似，采用中間微分反饋控制方案，加快系統(tǒng)的反應(yīng)速度進而改善系統(tǒng)的控制質(zhì)量。中間微分反饋控制方框圖（如圖8）所示。圖8中間微分反饋控制方框圖系統(tǒng)的微分只是對系統(tǒng)輸出起作用，并作為控制量的一部分，這樣的方式能在被控參數(shù)變化時，及時根據(jù)其變化的速度大小起附加校正作用。微分校正作用與PI調(diào)節(jié)器的輸出信號無關(guān)，僅在動態(tài)時起作用，而在靜態(tài)時或在被控參數(shù)變化速度恒定時就失去作用。微分先行和中間微分反饋方法都能有效地克服超調(diào)現(xiàn)象，縮短調(diào)節(jié)時間，而且不需特殊設(shè)備。因此，這兩種控制形式都具有一定的實際應(yīng)用價值。但是這兩種控制方式都仍有較大超調(diào)且響應(yīng)速度很慢，不適于應(yīng)用在控制精度要求很高的場合。3.2史密斯補償控制純滯后補償控制的基本思路是：在控制系統(tǒng)中某處采取措施（如增加環(huán)節(jié)，或增加控制支路等），使改變后系統(tǒng)的控制通道以及系統(tǒng)傳遞函數(shù)的分母不含有純滯后環(huán)節(jié)，從而改善控制系統(tǒng)的控制性能及穩(wěn)定性等。3.2.1純滯后補償?shù)幕驹砥浼儨笱a償原理公式（3-1）及其方框圖（如圖9）：（3-1）圖9純滯后補償原理通過（如圖9）所示附加并聯(lián)環(huán)節(jié)的補償處理。在和在之間傳遞函數(shù)不再表現(xiàn)為滯后特性。3.2.2史密斯滯后補償控制其史密斯滯后補償原理公式（3-1）及其方框圖（如圖10）：（3-2）圖10史密斯滯后補償原理可見，經(jīng)補償后，傳遞函數(shù)特征方程中已消除時間滯后項，也就是消除了時滯對系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響。下面用實例說明史密斯控制方案的應(yīng)用。對于某熱熔比較大的溫度控制系統(tǒng)燃料階躍輸入，溫度輸出測試數(shù)據(jù)如下表一：表一T/s052030405060708090100110T/0005801302502602802902973003.3史密斯滯后控制補償及實例仿真設(shè)計要求（1）：請依據(jù)上述數(shù)據(jù)，利用兩點法或者切線法確定系統(tǒng)的一階慣性控制模型，并要求對模型曲線與原有數(shù)據(jù)曲線進行合理逼真仿真。設(shè)計要求（2）：請依據(jù)模型，分別設(shè)計控制系統(tǒng)的控制算法和控制結(jié)構(gòu)，并完成控制系統(tǒng)的控制方塊圖，最好采用多種控制方案進行仿真選擇比較。設(shè)計要求（3）：請設(shè)計系統(tǒng)主要擾動量（主要是模型不準確的影響），并利用仿真分析控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。設(shè)計要求（4）：請采用PLC或者單片機完成控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計。▲接口電路和I/O通道的擴充▲組合邏輯或時序邏輯電路▲供電電源 ▲光電隔離▲電平轉(zhuǎn)換▲驅(qū)動放大電路▲A/D、D/A轉(zhuǎn)換▲流量檢測▲自動、手動轉(zhuǎn)換▲報警電路▲緊急故障停車電路▲鍵盤顯示電路（人機交互）設(shè)計要求（5）：完成該控制系統(tǒng)軟件設(shè)計。包括：▲確定具體要求▲軟件規(guī)劃▲程序流程編制▲算法仿真設(shè)計要求（1）的結(jié)果如下所示：程序一：（原始數(shù)據(jù)擬合）x=[052030405060708090100110];y=[000580130250260280290297300];axis([0120-1350])p=polyfit(x,y,6);p1=0:1:115;u1=polyval(p,p1);holdonplot(p1,u1,'-')Grid圖11原始數(shù)據(jù)仿真曲線程序二：x=[052030405060708090100110];y=[000580130250260280290297300];axis([02000350]);x1=polyfit(x,y,7);y1=polyval(x1,x);figure(1);plot(x,y,'o',x,y1,'b-')holdonxx=0:1:110;yy=spline(x,y);dyy=fnder(yy);x1_55=ppval(dyy,49.5);yy1=interp1(x,y,xx,'cublic');holdon;x=0:1:110;plot(x,11.1652*(x-50.98)+157.4,'r')holdonplot(x,300,'g.')plot(x,0,'g.')圖12切線曲線程序三：x=[052030405060708090100110];y=[000580130250260280290297300];x1=polyfit(x,y,6);y1=polyval(x1,x);figure(2);plot(x,y,'o',x,y1,'b-')holdonnum=[300];den=[181];sys=tf(num,den,'inputdelay',33);t=[0:0.1:120];y=step(sys,t);plot(t,y,'r-')圖13擬合曲線設(shè)計要求（2）：單閉環(huán)流程圖如下，PID控制器參數(shù)整定，系統(tǒng)等幅震蕩曲線仿真圖如下，P=0.0061；圖14等幅震蕩曲線系統(tǒng)P控制時的單位階躍響應(yīng)曲線仿真圖如下，P=0.00305；圖15P控制時單位階躍響應(yīng)曲線系統(tǒng)PI控制時的單位階躍響應(yīng)曲線仿真圖如下，P=0.003,I=0.000075;圖16PI控制時的單位階躍響應(yīng)曲線系統(tǒng)PID控制時的單位階躍響應(yīng)曲線仿真無法實現(xiàn)；綜上相比，PI的系統(tǒng)穩(wěn)定效果最好，即選擇PI整定。經(jīng)過精細調(diào)對PI參數(shù)分別為P=0.00215，I=0.0000745。單閉環(huán)仿真圖：圖17經(jīng)IP正定后的單閉環(huán)仿真曲線用Simulink畫出史密斯控制結(jié)構(gòu)的流程圖如下，PI參數(shù)分別為P=0.025，I=0.00125。史密斯控制結(jié)構(gòu)的仿真圖：圖18史密斯仿真曲線內(nèi)膜控制結(jié)構(gòu)的流程圖如下：內(nèi)膜控制結(jié)構(gòu)的仿真圖：圖19內(nèi)膜仿真曲線單閉環(huán)、史密斯與內(nèi)膜三者的比較流程圖如下：單閉環(huán)、史密斯與內(nèi)膜三者的仿真比較：圖20三種控制結(jié)構(gòu)的曲線仿真分析：由上圖可知，在三種方式中，只有單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是不適合的。PID+Smith預(yù)估控制方案和內(nèi)模控制方案是可行的。設(shè)計要求（3）史密斯控制結(jié)構(gòu)的仿真比較（K=200，300，400）：圖21史密斯模型不準確曲線內(nèi)膜控制結(jié)構(gòu)的仿真比較（K=200，300，400）：圖22內(nèi)膜模型不準確曲線加入干擾后的史密斯與內(nèi)膜控制系統(tǒng)的流程圖如下：加入干擾后的史密斯與內(nèi)膜控制系統(tǒng)的仿真圖23如下：圖23加入干擾后三種控制方案的比較圖曲線分析：由上圖可知，加上擾動后的smith控制系統(tǒng)，在一個小幅的波動下又回到了穩(wěn)定位置，此時說明此系統(tǒng)是穩(wěn)定的。其原因是史密斯預(yù)估控制方案具有比較好的適應(yīng)性和魯棒性。內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)在加擾動的情況下，還是趨于穩(wěn)定的。因為內(nèi)?？刂品桨妇哂蟹€(wěn)定性和無余差性。而且系統(tǒng)采用的是改進型的內(nèi)?？刂品桨?，所以同時還具有較強的魯棒性。因此能保證系統(tǒng)是穩(wěn)定的。4采用單片機完成控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計系統(tǒng)總體圖4.1硬件圖各模塊說明4.1.1輸入和A/D轉(zhuǎn)換模塊本電路使用了ADC0808芯片進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，ADC0808是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。ADC0808是ADC0809的簡化版本，功能基本相同。一般在硬件仿真時采用ADC0808進行A/D轉(zhuǎn)換，實際使用時采用ADC0809進行A/D轉(zhuǎn)換。用兩個滑動變阻器模擬傳感器測量的模擬量，當改變滑動變阻器的阻值時，輸入的模擬量發(fā)生變化，并將模擬量顯示在顯示器上。圖24數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊連接圖25數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊連接4.1.2單片機處理模塊由80C51單片機協(xié)調(diào)外圍電路的工作。對矩陣鍵盤、AD轉(zhuǎn)換來的數(shù)據(jù)進行處理，處理后的數(shù)據(jù)送給顯示器、DA轉(zhuǎn)換電路、報警電路、調(diào)節(jié)閥的指示燈。單片機通過尋址方式訪問外接電路，外接電路地址分配如表1所示。使用AT89C51作為主處理芯片，P0.0，P0.7作為輸入輸出端口，外接74LS138譯碼器及74LS373寄存器。它的主要功能為電壓值讀取、電壓值校正、給定值輸入、鍵盤控制、顯示部分。單片機系統(tǒng)含有的74LS373用來是P0和P2口聯(lián)合輸出地址進行外部器件的尋址。其連接圖如圖26。表1外接電路地址分配表地址功能0x1ffc鍵盤輸入0x1ffd報警0x9f87模數(shù)轉(zhuǎn)換通道10x9f8f模數(shù)轉(zhuǎn)換通道20x5fff數(shù)模轉(zhuǎn)換通道10x7fff數(shù)模轉(zhuǎn)換通道2圖26單片機處理模塊硬件圖4.1.3矩陣鍵盤模塊使用8155及若干部件設(shè)計鍵盤顯示模塊。其中數(shù)碼管選位和矩陣鍵盤掃描部分，由74LS138譯碼器對8155輸出的掃描信號進行譯碼來實現(xiàn)，使其能夠隨時掃描鍵盤和顯示端口。鍵盤電路能夠很穩(wěn)定的實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，包括啟動、停車輸入給定值等。顯示屏選用LM061L。圖27矩陣鍵盤模塊硬件圖4.1.4D/A轉(zhuǎn)換模塊單片機處理的數(shù)據(jù)經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后（DAC0832），送給調(diào)節(jié)閥，如圖28，這里用兩個燈模擬主副調(diào)節(jié)閥，當有調(diào)節(jié)作用時，相應(yīng)的燈亮。圖28DA轉(zhuǎn)換模塊硬件圖4.1.5報警電路模塊為了保證系統(tǒng)安全正常運行，還需設(shè)置報警電路，當調(diào)節(jié)閥作用60秒，還沒達到預(yù)期效果時，外部尋址0x1ffd，寫0xfc，自行報警，提醒工作人員。如下圖29所示。圖29報警電路模塊4.1.6放大電路，用于電壓信號的放大。圖30放大電路模塊硬件圖4.1.7自動/手動切換電路與緊急停車電路當出現(xiàn)報警時，切換到手動狀態(tài)進行調(diào)節(jié)，若手動調(diào)節(jié)也不起作用，緊急停車，對系統(tǒng)進行全面檢查，如圖31，自動/手動切換電路與緊急停車電路圖31自動/手動切換電路與緊急停車硬件圖軟件功能：過程控制系統(tǒng)中的溫度控制常常存在較大滯后，當滯后時間和控制對象的時間常數(shù)較大時，傳統(tǒng)的控制方案很難達到較好的控制效果，此時我們采用內(nèi)?？刂品桨竵砜朔到y(tǒng)滯后的影響。系統(tǒng)流程圖：首先，通過設(shè)置按鍵，設(shè)定恒溫運行時的溫度值，并且用顯示屏顯示這個溫度值。