嵌入式计算机技术在饲料制粒机控制系统中的应用研究

摘要

制粒过程是现代饲料生产中的最常见的工艺之一，为了获得质量稳定的产品和最大化的生产效率，制粒机调质温度以及主机电流必须准确地控制在期望值附近。因此设计基于先进控制算法的制粒机控制系统对于提高饲料生产企业的产品质量、改善生产效率具有十分重要的意义。
　　 本文以制粒机作为控制对象，在研究总结现有理论成果的基础上，提出了IMC-Smith(InternalModelControl)预估控制器设计方案，完成了对时滞过程控制方法的改进和创;实现了制粒机过程的离线仿真，搭建了基于嵌入式uC/OS-Ⅱ的制粒机控制系统软硬件平台，并在此基础上完成了制粒机专用控制器产品样机。本文主要在以下几个方面展开研究:
　　 1.嵌入式系统与时滞控制系统的历史、现状以及本课题的研究内容。
　　 2.粒机控制系统的建模与仿真。本文研究了制粒机的工作原理，建立了它的近似数学模型。利用LabVIEW开发环境，建立制粒机控制系统仿真模型，用于IMC-Smith预估控制算法的仿真验证，仿真结果表明IMC-Smith预估控制性能较常规时滞控制算法有较大的提高，证明了控制方案的有效性。
　　 3.开发嵌入式制粒机控制系统硬件。在分析了制粒机控制系统对控制器要求的基础上，开发了基于ARM7TDMI内核，以LM3S8962微处理器为核心的嵌入式制粒机控制系统，详细介绍了各个模块电路设计的原理及功效，实现了温度、电流的实时采集与控制功能。
　　 4.开发嵌入式制粒机控制系统软件。详细分析了uC/OS-Ⅱ的内核及其工作原理，在此基础上介绍了LM3S8962的启动代码、uC/OS-Ⅱ向LM3S8962的移植过程，以及嵌入式硬件系统各模块的驱动程序。
　　 5.设计IMC-Smith预估器。Smith预估控制是一种有效的、经典的时滞补偿方法，但制粒机具有大时滞、非线性的特性，常规Smith预估器无法达到理想的控制效果。针对这一问题，本文提出了一种改进型的IMC-Smith预估器结构，并利用内模控制原理对控制参数进行整定，从而使系统具有响应迅速，扰动抑制明显的特点。
　　 本文通过设计IMC-Smith预估器和构建嵌入式软硬件开发平台，详细阐述了制粒机控制系统的总体设计方案。该控制系统由先进抗时滞算法和基于ARM/uC/OS-Ⅱ的嵌入式系统构成，是一个多功能的综合控制系统方案。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题的提出

1．2 基于嵌入式技术的历史和研究现状

1．3 时滞系统控制方法研究现状

1．3．1 常规控制法

1．3．2 智能控制方法

1．4 本文的研究内容

1．5 本章小结

第二章 饲料制粒机系统的LabVIEW仿真

2．1 饲料制粒机系统的概述

2．1．1 饲料制粒机的生产过程

2．1．2 制粒机生产过程的重要变量

2．2 被控过程数学模型

2．3 LabVIEW仿真

2．3．1 仿真系统各软件模块的设计

2．3．2 信号采集模块设计

2．3．3 数据处理模块

2．3．4 系统仿真结果

2．4 本章小结

第三章 饲料制粒机控制系统硬件实施方案

3．1 系统整体设计方案

3．2 系统的基本控制系统

3．2．1 CPU简介

3．2．2 时钟与复位电路

3．3 模拟量输入模块

3．4 模拟量输出模块

3．5 开关量输入模块

3．6 开关量输出模块

3．7 RS-485接口

3．8 JTAG接口电路

3．9 硬件设计注意事项

3．10 本章小结

第四章 饲料制粒机控制系统软件实施方案

4．1 uC/OS-II简介

4．1．1 uC/OS-II的体系结构

4．1．2 uC/OS-II原理分析

4．2．3 uC/OS-II内核的运行机制

4．2 uC/OS-II系统在LM3S8962硬件平台上的移植

4．2．1 uc/os-II的移植工作内容

4．2．2 uC/OS-II的移植过程

4．3 设备驱动程序的加载

4．3．1 模拟量输入驱动API函数

4．3．2 模拟量输出驱动API函数

4．3．3 数字量输入驱动API函数

4．3．4 数字量输出驱动API函数

4．3．5 RS-485Modbus通信协议驱动API函数

4．4 人机界面软件设计

4．5 生产流程的软件实现

4．6 本章小结

第五章 控制算法

5．1 Smith预估器

5．2 内模控制

5．2．1 内模控制原理

5．2．2 内模控制器的设计

5．2．3 内模控制器的性能

5．2．4 内模控制与smith预估器的联系

5．3 IMC-Smith预估控制器的设计

5．4 IMC-Smith预估控制效果

5．4．1 实验室仿真结果

5．4．2 现场调试

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 前景与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文