工業(yè)系統(tǒng)驅(qū)動與控制課程設計報告

1、<p>　　《工業(yè)系統(tǒng)驅(qū)動與控制》</p><p><b>　　設計報告</b></p><p><b>　　設計內(nèi)容與要求</b></p><p>　　在某工業(yè)系統(tǒng)中，需要一個由計算機精確控制的施力裝置，用來對某系統(tǒng)進行力加載試驗，請設計一個能夠精確控制輸出力為180公斤的工業(yè)控制系統(tǒng)。</p>

2、<p><b>　　要求：</b></p><p>　　1）使用本門課所學知識，按上述要求設計系統(tǒng)，畫出系統(tǒng)組成框圖，</p><p>　　并注明各個環(huán)節(jié)的輸入和輸出信號的形式； </p><p>　　2）簡單描述系統(tǒng)的工作原理或過程； </p><p>　　3）列出系統(tǒng)及調(diào)試所用的儀器設備和主要器件； <

3、;/p><p>　　4）畫出軟件流程框圖；</p><p>　　5）改寫DRAWINGC.C或CONTOL_D.C程序，實現(xiàn)控制；（將本課程所用采集</p><p>　　卡的位數(shù)改為10位，選用13路AD采集通道，2路DA控制輸出通道）</p><p><b>　　附：</b></p><p>　　一

4、、傳感器型號為XYL-1，指標如下：</p><p>　　1）量程：0～200kg</p><p>　　2）工作電壓為10V</p><p>　　3）輸出范圍0~20mV</p><p>　　4）傳感器是線性的。</p><p>　　二、電壓/力轉(zhuǎn)換器（執(zhí)行器）：輸入0~10V，輸出0~200公斤，輸出線性。</

5、p><p><b>　　設計分析</b></p><p>　　首先針對題目進行分析可以看到，本題具體要求可以抽象成一個比較簡單的工業(yè)問題，即如何通過數(shù)字控制以實現(xiàn)信號的穩(wěn)定，快速，精確輸出。結合本課程的內(nèi)容，可以基本確定其主體結構為一數(shù)字PID控制系統(tǒng)，通過PID反饋網(wǎng)絡對信號進行調(diào)節(jié)從而實現(xiàn)題設中壓力的輸出。故而整個系統(tǒng)執(zhí)行流程大致如下:</p><

6、p><b>　　圖1 系統(tǒng)工作流程</b></p><p>　　在工控計算機中輸入指定輸出的壓力，例如本題為180，由于題中壓力轉(zhuǎn)換器的參數(shù)可知，輸入范圍為0-10V，輸出為0-200，故而根據(jù)其線性特性二者可以建立以下關系：，其中。取該值進行線形計算可知180壓力對應電壓為9V,即我們需要通過采集卡輸出9V電壓。從而工控計算機可以通過相應的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換函數(shù)對采集卡進行操作達到以上目

7、的。</p><p>　　當系統(tǒng)通過采集卡輸出電壓至電壓/壓力轉(zhuǎn)換器后，將產(chǎn)生相應的壓力作用于受力物體上，但是受制于工業(yè)機械的性能問題，受力物體無法在較短時間內(nèi)精確接受到相應的壓力，從而影響了工業(yè)系統(tǒng)的性能。因此，我們在此引入反饋系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)。</p><p>　　利用壓力傳感器實時采集當前受力對象所受的壓力并轉(zhuǎn)換成電壓信號輸入到采集卡中，注意，由于壓力傳感器的可用輸出電壓范圍僅為0-20

8、mV，在采集卡增益處理時需要選擇比較大的增益倍數(shù)，否則無法精確地處理數(shù)據(jù)，或者可以再此處加入比例放大電路來實現(xiàn)電壓放大功能，但是會因此產(chǎn)生延遲。</p><p>　　通過采集卡的AO通道將電壓返回工控計算機中，利用指定的PID算法進行調(diào)整并再次輸出，同時，在屏幕上繪制圖像來判斷壓力信號是否在較短的時間內(nèi)到達穩(wěn)定的輸出值。</p><p>　　在該系統(tǒng)實現(xiàn)之前，需要針對具體的PID系統(tǒng)參數(shù)進

9、行調(diào)試，從而達到最優(yōu)控制的效果。</p><p>　　通過以上流程可以基本實現(xiàn)PID程序控制。</p><p><b>　　主要設備器件</b></p><p><b>　　基本器件如下：</b></p><p>　　IPC-610/RK-40610工控計算機1臺</p><p&

10、gt;　　PCL-812PG/ACL-8112PG數(shù)據(jù)采集卡一塊</p><p>　　PCLD-880 REV.A1或ACLD-9188 REV.B1端子板一塊</p><p>　　20pin扁平電纜一條或37pinD形電纜一條</p><p>　　XYL-1壓力傳感器一臺</p><p>　　電壓/壓力轉(zhuǎn)換器一臺</p>&l

11、t;p>　　直流穩(wěn)壓輸出電源一臺</p><p><b>　　各色導線若干</b></p><p>　　為了實現(xiàn)比例放大電路，以下器件可選：</p><p><b>　　電阻，電阻各一</b></p><p>　　UA741運算放大器</p><p>　　通過以上放大電

12、路，根據(jù)深反 饋原理，可以實現(xiàn)電壓100倍放大，故而此時反饋電壓范圍可以擴展到0-2V。</p><p><b>　　工控軟件設計</b></p><p>　　為了實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)功能，在此給出其程序設計流程圖以及部分核心函數(shù)的代碼，但是在開始之前，需要針對PID系統(tǒng)的三大參數(shù)進行調(diào)試確定工作。線代PID參數(shù)確定一般采用兩種方法，一是使用最為廣泛的人工調(diào)試法，二是基

13、于神經(jīng)網(wǎng)絡或是遺傳算法等高級智能算法進行參數(shù)自適應調(diào)整從而達到最優(yōu)效果。此處采用人工調(diào)試法。</p><p>　　經(jīng)過調(diào)試后得合適的PID參數(shù)，即比例項，積分項，微分項參數(shù)。</p><p><b>　　圖2 軟件流程圖</b></p><p><b>　　核心代碼：</b></p><p>　　#

14、include "math.h"</p><p>　　#include "graphics.h"</p><p>　　int Base=0x220;</p><p>　　DA(int port, int data) //數(shù)字轉(zhuǎn)模擬并執(zhí)行輸出</p><p><b>　　{</b>&

15、lt;/p><p>　　short high,low;</p><p>　　low=data&0xff;</p><p>　　high=(data>>8)&0x0f;</p><p>　　outportb(Base+4+port*2,low);</p><p>　　outportb(Base+5

16、+port*2,high);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　int AD (int port) //在指定端口獲取模擬量并轉(zhuǎn)為數(shù)字信號</p><p><b>　　{</b></p><p>　　short high,low,temp;</p><

17、p>　　int outdata;</p><p>　　outportb(Base+10,port);</p><p>　　outportb(Base+9,2);//增益為(010)d,即Gain=4，放大4倍</p><p>　　outportb(Base+11,1);</p><p>　　outportb(Base+12,0x

18、ff);</p><p>　　temp=inportb(Base+5);</p><p>　　temp=temp&0x10;</p><p>　　while(temp==0x10)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　temp=inportb(Base+5);<

19、;/p><p>　　temp=temp&0x10;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　high= inportb(Base+5);</p><p>　　low = inportb(Base+4);</p><p>　　outdata=high&0x0f;<

20、;/p><p>　　outdata=outdata<<8;</p><p>　　outdata=outdata+low;</p><p>　　return(outdata);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　////////////////////以下均為Dra

21、wingc.c自帶圖形繪制函數(shù)//////////////</p><p>　　void auto_initgraph()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　int gd=DETECT,mode,erro;</p><p>　　mode=0;erro=0;</p><p>

22、;　　closegraph();</p><p>　　initgraph(&gd,&mode,"");</p><p>　　erro=graphresult();</p><p>　　if(erro<0)</p><p>　　{printf("initgraph erro/n");

23、</p><p><b>　　exit(0);</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void draw_xy(ox,oy,widthx,heighty,color)</p><p>

24、　　int ox,oy,widthx,heighty,color;</p><p><b>　　{</b></p><p>　　int points1[8],points2[8];</p><p>　　setcolor(color);</p><p>　　setlinestyle(0,0,1);</p>&

25、lt;p>　　moveto(ox,oy);lineto(ox,oy-heighty);</p><p>　　moveto(ox,oy);lineto(ox+widthx,oy);</p><p>　　setfillstyle(1,color);</p><p>　　points1[0]=ox;points1[1]=oy-heighty-(int)(height

26、y/20);</p><p>　　points1[2]=ox-(int)(heighty/110);</p><p>　　points1[3]=oy-heighty;</p><p>　　points1[4]=ox+(int)(heighty/110);</p><p>　　points1[5]=oy-heighty;</p>

27、<p>　　points1[6]=points1[0];points1[7]=points1[1];</p><p>　　fillpoly(4,points1);</p><p>　　points2[0]=ox+widthx+(int)(widthx/25);</p><p>　　points2[1]=oy;points2[2]=ox+widthx;<

28、;/p><p>　　points2[3]=oy-(int)(widthx/150);</p><p>　　points2[4]=ox+widthx;</p><p>　　points2[5]=oy+(int)(widthx/150);</p><p>　　points2[6]=points2[0];points2[7]=points2[1];&l

29、t;/p><p>　　fillpoly(4,points2);</p><p>　　settextstyle(0,0,1);</p><p>　　outtextxy(ox+6,oy+6,"o");</p><p>　　outtextxy(points1[0]+6,points1[1],"y");</p

30、><p>　　outtextxy(points2[0],points2[1]+6,"x");</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void draw_dash(ox,oy,widthx,heighty,color)</p><p>　　int ox,oy,widthx,height

31、y,color;</p><p><b>　　{</b></p><p>　　int i,fx,fy;</p><p>　　setcolor(color);</p><p>　　setlinestyle(1,0,1);</p><p>　　for(i=1;i<11;i++)</p>

32、;<p><b>　　{</b></p><p>　　fx=ox+i*widthx/10.0;</p><p>　　moveto(fx,oy);</p><p>　　fy=oy-heighty;</p><p>　　lineto(fx,fy);</p><p><b>　　

33、}</b></p><p>　　for(i=1;i<11;i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　fy=oy-i*heighty/10.0;</p><p>　　moveto(ox,fy);</p><p>　　fx=ox+widthx;</p

34、><p>　　lineto(fx,fy);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void draw_curve(pointsx,pointsy,points_num,max_v,ifdrawdash)</p><p>

35、;　　double *pointsx,*pointsy,max_v;</p><p>　　int points_num,ifdrawdash;</p><p><b>　　{</b></p><p>　　int i,widthx,heighty,ox,oy;</p><p><b>　　int x,y;<

36、/b></p><p>　　double xpert,yperv;</p><p>　　ox=20;oy=400;</p><p>　　widthx=550; heighty=370;</p><p>　　yperv=heighty/max_v;</p><p>　　xpert=((double)widthx)/

37、((double)points_num-1.0);</p><p>　　if(ifdrawdash==1) draw_dash(ox,oy,widthx,heighty,3);</p><p>　　draw_xy(ox,oy,widthx+10,heighty+10,2);</p><p>　　setcolor(4);</p><p>　　

38、setlinestyle(0,0,1);</p><p>　　for(i=0;i<(points_num-1);i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　x=(int)(ox+pointsx[i]*xpert);</p><p>　　y=(int)(oy-pointsy[i]*yperv

39、);</p><p>　　moveto(x,y);</p><p>　　x=(int)(ox+pointsx[i+1]*xpert);</p><p>　　y=(int)(oy-pointsy[i+1]*yperv);</p><p>　　lineto(x,y);</p><p><b>　　}</b&

40、gt;</p><p><b>　　return;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　/////////////////////////////////////////////////////////////////////</p><p>　　//////////

41、/////////////////主函數(shù)///////////////////////////////////</p><p><b>　　main()</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　int i,t,da_out;</p><p>　　double x[200]

42、,y[200],e1,e2,Ey,u,sume;</p><p>　　double kp,ki,kd;</p><p>　　double Nout;</p><p>　　t=1000;da_out=0;</p><p>　　scanf("%f,%f,%f",&kp,&ki,&kd);//輸入經(jīng)過

43、調(diào)試后的PID參數(shù)</p><p>　　scanf("%f ",&Nout);//讀取輸出的壓力，用戶可輸入180</p><p>　　Ey=Nout/20.0; //將期望輸出壓力轉(zhuǎn)換為相應的期望電壓</p><p>　　e1=Ey-0.0; e2=0.0; sume=e1;</p><p>　　DA(0,0);

44、//clear DA輸出</p><p>　　for(i=0;i<200;i++)</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　u=kp*e1+ki*sume+kd*(e1-e2);</p><p>　　If(u>8.0) u=8.0;</p><p>　　I

45、f(u<0.0) u=0.0;</p><p>　　da_out=(int)(u/10.0*1023.0); </p><p>　　//采集卡位數(shù)為10位， 故最大值發(fā)生改變</p><p>　　DA(0,da_out); </p><p>　　delay(t);//延時</p><p>　　y[i]=（

46、AD(13)/1023.0*8.0）*10.0/8.0-8.0;</p><p>　　//注意，傳感器經(jīng)過100倍放大再加上采集卡增益后對應的電壓范圍為0-8V，故而需要再做一次線性變換來符合執(zhí)行器0-10V輸入電壓范圍</p><p><b>　　x[i]=i;</b></p><p>　　e2=e1;e1=Ey-y[i];sume=sume

47、+fabs(e1); </p><p><b>　　}</b></p><p>　　auto_initgraph();//初始化圖像設備</p><p>　　draw_curve(x,y,200,10.0,1); //畫圖</p><p><b>　　getch();</b></p&

48、gt;<p><b>　　DA(0,0);</b></p><p>　　closegraph(); //關閉圖像設備 </p><p><b>　　}</b></p><p>　　/////////////////////////////////////////////////////////////////

49、////</p><p><b>　　總結與感想</b></p><p>　　通過以上程序以及設計流程可以基本實現(xiàn)題目要求的功能，在此可以看到，反饋這一概念在工業(yè)控制中常常扮演重要角色，特別是在精確控制等領域。事實上，反饋的思想在電工學，生理學等多方面均有表現(xiàn)。</p><p>　　本次實驗尚有一些不足，主要是程序未能在真實場景中進行測試，故而