控制机毕业设计论文终稿.docx

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控制机毕业设计论文终稿

摘要

随着科学技术的不断发展，各项事业也在飞速的前进。

工业的发展尤为突出，因此对工业生产过程的控制也提出了更高的要求。

而配料工序是工业生产过程中非常重要的环节，其配料精度直接影响着产品的质量。

针对实际问题，本设计在进行了一系列的考察后，根据现实的需求，加上对ARM控制器的理解和分析，采用ARM7控制器（LPC2131）来实现自动配料系统的控制。

详细讲述了自动配料系统的设计步骤，着重对软件开发与硬件调试做了介绍，完成了配料的硬件配置和软件设计，并利用键盘显示模块实现实时监控系统的设计。

本设计主要分为四部分，其中第一部分对前人的配料系统做了简要的介绍，并结合现实条件，对本次设计做了简要的分析和设想。

第二部分根据毕业设计要求，结合自己的实践经验，提出了合理的设计方案，并对设计步骤作了进一步的介绍。

另外对资源的配置以及在现实中上料装置的原理做了介绍。

第三部分对配料系统硬件的设计进行了细致的讲解。

第四部分对编程软件和编程中所用到的一些指令作了介绍，对部分程序作了详细的解读。

本设计通过软硬件之间的配合与调试，从而达到工业设计的要求，实现配料的自动化控制。

关键词：

ARM控制器；LPC2131；自动配料系统

ABSTRACT

Withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,eachenterprisealsoinrapidadvance.Industrydevelopmentisoutstandingly,thereforeitalsosetahigherrequesttotheindustrialproduction'sproduceprocesscontrol.Buttheingredientworkingprocedureisanimportantlinkintheindustrialproductionprocess,anditsingredientprecisionimmediateinfluencethequalityoftheproduct.

Inthedesignofaseriesoffieldvisits,accordingtotherealityofdemand,coupledwiththeunderstandingoftheprogrammablecontrollerandanalysis,aARM7toachieveautomaticdosagesystemcontrol.Describedindetailtheautomaticdosagesystemdesignsteps,focusingonsoftwaredevelopmentanddebuggingdone,completedthedosagehardwareconfigurationandsoftwaredesignandofusingKey-boardmodulemonitoringreal-timesystem.

Thedesignconsistsoffourparts,thefirstpartisabriefintroductionofthepreviousdosagesystem,inconjunctionwithfieldinspectionexperiencewiththedesigndonethisbriefanalysisandideas.Thesecondpartisaccordingtoofgraduationdesign,inconjunctionwithownpracticalexperience,tobringforwardareasonabledesign,anddesignstepsfurtherintroduction.Inadditiontotheallocationofresourcesaswellasinreality,theprincipleofdevicewasintroduced.Thethirdpartisadetailedintroductionofthehardwaresystem.Thefourthpartofthedosagesystemsoftwaredesignforthedetailedpresentation,andprogrammingsoftwareanddictateswereintroduced,someoftheprocedureswereinterpreteddetailly.

   Throughthedebuggingandco-ordinationamongthehardwareandsoftwaretomeettherequirementsofindustrialdesigntoachieveautomaticcontroldosage.

Keywords:

ARM7controller;LPC2131;automaticdosagesystem

第一章绪论

1.1引言

在生产领域中，各种原材料之间的配比精度对生产过程的稳定和产品的质量、产量有重要影响。

定量配料系统已广泛应用于水泥建材、冶金化工、电力煤炭等行业粉体连续输料的流量测量与定量给料的工业环节，如水泥厂入窑煤粉的定量给料及输送就是一个典型的例子，其供料过程中的稳定性、均匀性等问题是影响计量精度的主要因素。

由于它用途广泛，对提高给料系统的自动化程度就有重要的现实意义。

本文的自动定量配料系统是根据国内外智能配料系统的发展状况和趋势，结合企业实际需求的基础上设计的配料系统计量装置；它采用ARM控制器作为整个控制系统的核心，具有原理先进、结构简单、给料均匀可靠、测量准确等特点。

1.2开题背景

在工业高速发展的今天，作为工业生产过程中非常重要的一个环节的配料工序，由于其配料精度直接影响着产品的质量，所以传统的手工配料计量的方法，已经不能满足生产精度以及人们对物质的大量、更高的需求，那么如何搭建供需之间的桥梁呢？

国内配料厂前期投入使用的微机配料系统大部分是国外引进的。

随着我国电脑工业的发展，微机配料系统已逐步国产化，我国许多科研、生产单位都投入到开发生产的行列。

配料系统普遍存在的问题是：

配料精度低，机电控制部分的可靠性差，缺少数据库管理生产以及对生产过程的实时动态监视。

配料精度低的主要原因是电子秤系统的动态性范围小，而可靠性差主要是中间继电器和微机控制系统的可靠性低所致。

随着计算机应用领域不断扩大，人们以往的想法现在大多已变成现实，这是集人们的智慧、微电子技术、计算机技术等综合应用的结果。

由于各行业对配料的效率和精度要求越来越高，所以研制高效率、高精度自动配料生产线势在必行。

基于以上情况，设计了新的基于ARM7的自动定量配料控制系统：

采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，满足并解决了现实生活中提出的"快速、准确、连续、自动"称量要求，同时有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求。

1.3电子皮带秤的研究状况及发展趋势

电子皮带秤是皮带输送机输送固体散状物料过程中对物料进行连续自动称重的一种计量设备，它可以在不中断物料流的情况下测量出皮带输送机上通过物料的瞬时流量和累积流量。

1908年，美国一个年轻人赫尔伯特·梅里克（Herbert·Merrick）发明了一种皮带输送机使用的称重设备，据称那是世界上第一台根据皮带速度和重量用机械方法进行计算的动态称重设备，这一发明完全改变了原有测量固体物料流量的方法。

这种根据重力测量固体物料流量的设备后来被称为梅里克型机械式皮带秤。

赫尔伯特·梅里克用这项发明成立了梅里克（Merrick）公司，开始生产皮带秤。

在德国申克（SCHENCK）公司的历史回顾资料中，可看到“1902年，皮带秤”这一段产品编年史，表明该公司1902年就有皮带秤产品。

国外从上世纪五十年代开始使用电子皮带秤，国内则从1965年开始研制生产电子皮带秤。

时至今日，虽然核子皮带秤、固体质量流量计、冲量式流量计、失重式秤、转子秤等多种固体物料连续计量设备也有一定规模的应用，但他们仍无法与电子皮带秤抗衡，也无法撼动电子皮带秤作为固体物料连续自动称重主流计量设备的地位。

1.4系统开发的应用

在企业生产工艺过程中，需要将各种原料按照一定的比例配成混合物料，配比的准确性以及配料系统的可靠性都将直接影响产品的质量和企业的经济效益。

在工业生产中，很多情况下是通过现场操作人员按照配比，人工调节给料机的给料量。

其缺点是给料量的大小完全靠操作人员的经验或"人工跑盘"的结果来决定，配比精度较差，操作人员劳动强度大，自动化水平极低。

因此实现高精度自动配料对工业企业生产具有重要的意义。

在冶金、水泥、化工等企业里高精度的自动配料系统有着广泛的应用场所，并贯穿于大部分生产工序。

例如采矿中选矿厂入磨矿量计量与控制、输出铁精矿的计量、炼铁的部分原料的计量和控制、烧结原料与原燃料的计量与控制、部分炼钢厂辅料的计量与控制；冶金企业自备焦化厂的配煤计量与控制、输出焦炭计量控制；自备发电厂煤耗计量与控制；自备水泥厂、耐火材料厂相应物料的计量和控制等。

综上所述，基于电子皮带秤的定量配料控制系统在冶金企业内部应用十分广泛，它直接影响着生产经营和产品质量。

1.5本章小结

本章简单介绍了国内外有关计量配料行业技术的历史和发展状况，根据目前工业生产过程中对定量配料控制系统的要求明确了具体的设计目标和实现方案，并总结了定量配料控制系统在各种工业生产过程中的一些实际应用。

第二章系统整体结构设计

2.1引言

配料是冶金、建材、化工等行业的典型生产工艺，近年来，采用电子皮带秤配料方式的配料系统依然盛行，主要是该配料方式具有计量准确、维护简便的优点。

而LPC2131是一个基于支持实时仿真和嵌入式跟踪的32／16位ARMTTDMI-STMCPU的微控制器，并带有32KB的嵌入的高速Flash存储器，它不但处理速度快，而且损耗也很低。

本文所设计的配料系统是一种基于常用的皮带秤式称重装置，它的上料与下料过程均由ARM进行控制，成本低、精度高。

2.2系统设计目标

研究目标：

尽量减小配料误差，保证配料精度，把时下流行的ARM控制技术和先进的配料工艺完美结合,实现生产自动化和管理科学化。

具备以下几个功能：

1.具有实时监控自动连续生产的功能，具有实时数据采集、查询等功能。

2.每种物料在配料过程中一般有给料、称量、卸料、报警等动作。

针对以上工艺要求和系统功能要求开发了能满足要求的配料控制器。

2.3系统总体结构及设计思想

此系统可分为设备系统和控制系统两大部分。

设备系统：

主要包括一个装料仓、一台下料电磁振动给料机、皮带传动装置等3个部分。

根据不同物料的要求，可以配置不同的给料装置。

粉料如水泥等可以选择螺旋给料装置，砂和石子可以采用料门给料装置，而水等液料则采用电磁阀给料装置，物料送到称重显示控制器。

开始称量时，启动给料装置，打开给振斗，物料即从料仓下落到皮带上。

当传感器检测到的物料实际重量满足实际要求时，就可保持原样下料，反之则多减少补。

控制系统：

如图2.1所示，主要包括称重传感器、信号放大器、输入输出接口、ARM控制器、可控硅、键盘和LED显示部分。

图2.1控制系统组成结构图

2.4系统各模块方案论证

2.4.1控制模块—PID控制

目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。

同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。

智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。

自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。

一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。

控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。

不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。

比如压力控制系统要采用压力传感器。

电加热控制系统的传感器是温度传感器。

目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器（intelligentregulator），其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。

有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器（PLC），还有可实现PID控制的PC系统等等。

可编程控制器（PLC）是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器（PLC）可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。

还有可以实现PID控制功能的控制器，如Rockwell的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。

1、开环控制系统

开环控制系统（open-loopcontrolsystem）是指被控对象的输出（被控制量）对控制器（controller）的输出没有影响。

在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。

2、闭环控制系统

闭环控制系统（closed-loopcontrolsystem）的特点是系统被控对象的输出（被控制量）会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。

闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈（NegativeFeedback），若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。

闭环控制系统的例子很多。

比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。

如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。

另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。

3、阶跃响应

阶跃响应是指将一个阶跃输入（stepfunction）加到系统上时，系统的输出。

稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。

控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。

稳是指系统的稳定性（stability），一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来（Steady-stateerror）描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。

4、PID控制的原理和特点

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

比例（P）控制：

一种最简单的控制方式。

其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。

积分（I）控制：

控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。

对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。

为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。

积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。

这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。

因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

微分（D）控制：

控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。

其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。

解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。

这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。

所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

5、PID控制器的参数整定

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。

它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。

PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：

一是理论计算整定法。

它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。

这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。

二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。

PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。

三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。

但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。

现在一般采用的是临界比例法。

利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：

（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；

（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

因配料系统需要增减少补，故本设计采用闭环控制系统进行差值比较、反馈、补偿。

2.4.2采样模块—A/D转换器

A/D转换器的功能是将输入的模拟电压转换为输出的数字信号，即将模拟量转换成与其成比例的数字量。

一个完整的AD转换过程，必须包括采样、保持、量化、编码四部分电路。

在具体实施时，常把这四个步骤合并进行。

例如，采样和保持是利用同一电路连续完成的。

量化和编码是在转换过程中同步实现的，而且所用的时间又是保持的一部分。

1、采样定理

如图2.2是某一输入模拟信号经采样后得出的波形。

为了保证能从采样信号中将原信号恢复，必须满足条件

（2-1）其中fs为采样频率，fi（max）为信号ui中最高次谐波分量的频率。

这一关系称为采样定理。

AD转换器工作时的采样频率必须大于等于式（2-1）所规定的频率。

采样频率越高，留给每次进行转换的时间就越短，这就要求AD转换电路必须具有更高的工作速度。

因此，采样频率通常取fs=（3-5）fi（max）已能满足要求。

图2.2采样波形

2、采样保持电路

图2.3所示的是一个实际的采样保持电路，图中A1、A2是两个运算放大器，S是模拟开关，L是控制S状态的逻辑单元电路。

采样时令uL=1，S随之闭合。

A1、A2接成单位增益的电压跟随器，故uo=uo'=ui。

同时uo'通过R2对外接电容Ch充电，使uch=ui。

因电压跟随器的输出电阻十分小，故对Ch充电很快结束。

当uL=0时，S断开，采样结束，由于uch无放电通路，其上电压值基本不变，故使uo得以将采样所得结果保持下来。

图中还有一个由二极管D1、D2组成的保护电路。

在没有D1和D2的情况下，如果在S再次接通以前ui变化了，则uo'的变化可能很大，以致于使A1的输出进入非线性区，uo'与ui不再保持线性关系，并使开关电路有可能承受过高的电压。

接入D1和D2以后，当uo'比uo所保持的电压高出一个二极管的正向压降时，D1将导通，uo'被钳位于ui+UD1。

这里的UD1表示二极管D1的正向导通压降。

当uo'比uo低一个二极管的压降时，将uo'钳位于ui-UD2。

在S接通的情况下，因为uo'

uo，所以D1和D2都不导通，保护电路不起作用。

图2.3采样保持电路

3、量化与编码

为了使采样得到的离散的模拟量与n位二进制码的2n个数字量一一对应，还必须将采样后离散的模拟量归并到2n个离散电平中的某一个电平上，这样的一个过程称之为量化。

量化后的值再按数制要求进行编码，以作为转换完成后输出的数字代码。

量化和编码是所有AD转换器不可缺少的核心部分之一。

数字信号具有在时间上离散和幅度上断续变化的特点。

这就是说，在进行AD转换时，任何一个被采样的模拟量只能表示成某个规定最小数量单位的整数倍，所取的最小数量单位叫做量化单位，用△表示。

若数字信号最低有效位用LSB表示，1LSB所代表的数量大小就等于△，即模拟量量化后的一个最小分度值。

把量化的结果用二进制码，或是其他数制的代码表示出来，称为编码。

这些代码就是AD转换的结果。

既然模拟电压是连续的，那么它就不一定是△的整数倍，在数值上只能取接近的整数倍，因而量化过程不可避免地会引入误差。

这种误差称为量化误差。

4、A/D转换器的分类

按转换过程，AD转换器可大致分为直接型AD转换器和间接AD转换器。

直接型AD转换器能把输入的模拟电压直接转换为输出的数字代码，而不需要经过中间变量。

常用的电路有并行比较型和反馈比较型两种。

间接AD转换器是把待转换的输入模拟电压先转换为一个中间变量，例如时间T或频率F，然后再对中间变量量化编码，得出转换结果。

AD转换器的大致分类如图2.4所示。

图2.4转换器

5、AD转换器的转换精度与转换时间

●AD转换器的转换精度

在单片AD转换器中，也用分辨率和转换误差来描述转换精度。

分辨率是指引起输出二进制数字量最低有效位变动一个数码时，输入模拟量的最小变化量。

小于此最小变化量的输入模拟电压，将不会引起输出数字量的变化。

也就是说，AD转换器的分辨率，实际上反映了它对输入模拟量微小变化的分辨能力。

显然，它与输出的二进制数的位数有关，输出二进制数的位数越多，分辨率越小，分辨能力越高。

但超出了AD转换器分辨率的极限值，再增加位数，也不会提高分辨率。

转换误差通常以相对误差的形式给出，它表示AD转换器实际输出的数字量与理想输出的数字量之间的差别，并用最低有效位LSB的倍数来表示。

●转换时间

表示完成一次