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1、第六章 微型计算机控制系统的设计,6.1 控制系统设计的一般步骤 6.2 微型计算机控制系统的软件 6.3 常用应用程序设计 6.4 微机控制直流伺服系统设计 6.5 微机温度控制系统设计,第一节 控制系统设计的一般步骤, 系统总体控制方案设计 微型计算机选择 系统总体设计 硬件设计 控制算法设计 软件设计 系统联调,控制系统设计原则: 可靠性高、操作性好、实施性强、通用性好、经济效益高,一系统总体控制方案设计 确定控制任务 1. 深入了解控制对象,熟悉生产工艺过程,提出系统的控制要求,确定系统要完成的任务。 考虑系统结构 执行机构采用什么方案 有否特殊控制要求?特殊要求应采取那些措施。 确定
2、计算机在整个控制系统中所起的作用 2. 完成系统设计的任务书,画出系统构成的粗框图。,二微型计算机选择,(一) 微型计算机系统构成方案选择 1组装方案 2单片机方案:体积小、可靠性高、价格便宜、性能指标高。 3通用微型计算机系统方案 4通用工业控制计算机系统方案 (二) 微型计算机系统性能指标选择 1完善的中断系统 2足够的存储容量 3完备的输入输出通道和实时时钟 4微处理器有足够的数据处理能力 字长、指令的执行速度、指令系统,三. 系统总体设计 硬件软件功能分配与协调 尽可能地用软件来实现系统的控制功能。 通道设计 系统I/O通道: 数字量I/O通道 开关量I/O通道 模拟量I/O通道 脉冲
3、量I/O通道 在总体设计中,应确定本系统应设置什么样的通道、每个通道由几部分组成,各部分选用什么器件等。, 接口设计 接口设计内容: 扩充接口 安排接口电路的I/O信号及交换方式。 接口电路I/O信号的交换方式: 程序控制方式(无条件、查询) 中断控制读取IO方式 直接存储器存取方式 常用的扩充方法: 选用专门的功能接口板 选用通用接口电路 用集成电路自行设计接口电路 操作员控制台设计 包括:各种转换开关、按钮、键盘、数字显示器、状态故障指示灯等。,四、硬件设计 任务:根据系统总体框图,设计出系统的电气原理图,再按照电气原理图选购元件和进行施工设计。 包括: 接口电路和I/O通道的扩充 组合逻
4、辑或时序逻辑电路 供电电源 光电隔离 电平转换 驱动放大电路等,五. 控制算法设计 在对系统数学模型分析、综合设计的基础上求得相应的控制规律,之后程序化。 (1)控制算法对系统的性能指标有直接的影响,确定算法能否满足控制速度、精度和系统稳定性的要求。 (2)各种控制算法提供了一套通用的计算公式,是对一般性的问题而言的,应针对具体情况,进行修改与补充。 (3)可实现性。确定为设计、调试方便,可将控制算法作合理的简化,逐步将控制算法完善,直到获得最好的控制效果。,六、软件设计 七. 系统联调:软硬件系统联调 第一步在实验室模拟装置上进行,要尽量创造条件使模拟装置接近于实际控制系统,在调试时应采取一
5、些必要的测量监视和保护措施。 第二步是在工业生产现场进行工业试验。经过一段考机和试运行后,即可投入正式运行。,6.2 微型计算机控制系统的软件 一、软件的分类,软件,系统软件 应用软件,操作系统 语言加工系统 诊断系统,控制程序 数据采集及处理程序 巡回检测程序 数据管理程序,编辑程序 编译程序 连接、装配程序 调试程序 子程序库,数据可靠性检查程序 AD转换及采样程序 数字滤波程序 线性化处理程序,数据采集程序 越限报警程序 事故预告程序 画面显示程序,二、应用程序的语言选择及设计步骤 1、语言选择 机器语言、汇编语言、 高级语言、高级语言和汇编语言混合编程 用高级语言编写计算,图形绘制,显
6、示,打印程序,用汇编语言编写时钟管理,中断管理和输入输出程序等。 2、应用程序的设计步骤和方法 应用程序设计的五个步骤: 问题定义 程序设计 编码 调试 改进和再设计,程序设计通常采用模块程序设计法和结构程序设计法 结构化程序设计基本思想的三种基本结构表示: 顺序结构 选择结构 循环结构,应用软件设计,组织应用软件的内容及步骤: 确定具体要求 软件规划 程序编制 软件调试 善后工作 确定具体要求 管理要求 输入输出要求 语言加工要求 功能处理要求, 软件规划 模式选择 语言选择 汇编语言 高级语言 确定数据结构 划分程序块 确定程序编制顺序 内存安排 用符号来代替某部分程序的首址。 粗略估算各
7、部分容量 根据具体情况对内存作精确安排,应用软件编制的要求: 实时性 针对性 灵活性和通用性 可靠性,三、高级语言和汇编语言的混合编程 1、 混合语言编程的基本概念 1)程序接口 在一种语言程序中调用由其他语言编写的程序模块。 2)命名约定 为了解决不同语言对名称标识符的不同处理,对名称标识符、目标文件名长度的不同限制的约定。 3)调用约定 在两种程序语言中为实现彼此调用而建立的一种协定,如调用过程中参数的个数及顺序 4)参数传递约定 传值、传址、传名、传结果,C语言程序调用汇编程序举例 例:用汇编过程完成A2B计算,并由C语言程序将计算结果显示输出。 /*C语言程序:CAC.C,向汇编程序传
8、送两个参数A和B,并将汇编程序返回的计算结果(由AX累加器传递)显示*/ Extern int power2 (int,int) main() Printf (“3times 2to the power of 5 is %dn”,power2(3,5) ,;汇编语言程序CAA.ASM MODEL SMALL CODE SEGMENT PUBLIC _Power2 _power2 PROC NEAR PUSH BP MOV BP,SP MOV AX,BP+4 MOV CL,BP+6 SHL AX,CL POP BP RET _power2 ENDP CODE ENDS,四微型计算机控制系统的研制
9、工具 微型计算机控制系统的研制工具主要有微型计算机开发系统(MDS)、联机仿真器(ICE)以及模拟仿真程序等。 MDS由常规微型计算机的一些主要部件(如微处理器、存储器和输入输出设备)和系统软件、工具软件(如编辑程序、调试程序、跟踪程序和模拟程序等)和硬件(如联机仿真器、EPROM编程器等)组合而成。它与常规的微型计算机系统大致相似。 利用联机仿真器可以实现以下开发手段: 1)系统实时仿真 2)资源借调 3)控制系统综合设计和调试,第三节 常用应用程序设计,一数字滤波 数字滤波是通过一定的计算程序对信号作数字化的处理,以减少干扰在信号中的比重。数字滤波克服了模拟滤波器的不足,与模拟滤波器相比有
10、以下优点: (1)用程序完成,可多个输入通道共用一个滤波程序。 (2)不需硬件设备,可靠性高、稳定性好,各回路之间不存在阻抗匹配等问题。 (3)可对频率很低的信号滤波。 (4)改变程序就可实现不同的滤波方法或调整滤波参数,灵活、方便。, 算术平均值滤波,算术平均值滤波主要对压力、流量、液面等周期脉动的采样值进行平滑加工。, 中值滤波 中值滤波去掉脉动性干扰比较有效。 一般取N为35即可, 动态滤波方法一阶滞后滤波,适用于快速随机变化参数, 程序判断滤波, 限幅滤波,限幅滤波程序流程图,若 ,则本次采样值为x2,若 ,则本次采样值为x1,2限速滤波 设相邻的采样时刻t1,t2,t3的采样值为x1
11、,x2,x3,则限速滤波的规则为: 若 ,则以x2作为滤波输出值。 若 ,则x2不采用,但仍保留,再取第三次采样值x3。 若 ,则x3作为滤波输出值。 若 ,则以(x2+ x3)/2作为滤波输出值。 限速滤波是一个折衷方案,既照顾了滤波输出值的实时性,又照顾了其变化的连续性。, 限速滤波,限速滤波程序流程图,则本次采样值为x2,则x2不用,则本次采样值为x3,则本次采样值为x3,则本次采样值为 (x2+x3)/2,2、 线性化处理 分段线性插值,2 线性插值的计算机实现步骤 (1)用实验方法测量输入输出的非线性关系曲线。反复测量,选一条较精确的曲线。 (2)将测量得到的曲线进行分段,选取各插值
12、点。可以等间隔分,也可不等间隔分,曲线变化大的部分间距小些,曲线平缓的部分间距可大些。 (3)确定并计算出各插值点的xi,yi值及两相邻插值点间的拟合直线的斜率ki,并以表格的方式放在存储器中。 (4)经查表找出x所在区间(xi,xi+1),并取出该段的斜率ki,基点值xi、 yi。 (5)计算结果y= yi+ ki(x- xi)。,2、 线性化处理 分段线性插值,3、数码显示 两位十进制数显示程序流程图,4、越限报警处理程序,若xnxmax,则上限报警 若xnxmin,则上限报警,5、PID控制算法程序, 6.3 微型计算机温度控制系统设计,网带式多温区电阻炉微型计算机温度控制系统的设计。
13、一、系统总体设计 明确控制要求,对硬件和软件有个大概考虑 1、确定系统的控制任务 控制对象:六温区网带式连续烧结电阻炉。 设计要求: 每个温区的温度在6001000范围内连续可控; 各温区的温度以及网带的运行速度可自行设定; 要求系统能够对六个温区的温度及网带运行速度巡回检测、显示和定时打印。,计算机控制系统应完成的主要任务有: 六个温区温度的闭环直接数字控制。 网带拖动直流调速系统的速度给定和速度检测。 六个温区温度及网带运动速度的巡回检测、显示和定时打印。 此外,实现系统升温、保温状态指示,超温、断偶报警等功能。,a. 温度检测 6001000 检测元件选用镍铬-镍铝热电偶,适用于0100
14、0的温度测量范围,相应输出电压为0mV41.32mV。经变送器变换成010V 。,二 输入输出通道及其接口设计 1)温度检测模拟输入通道设计 温度检测模拟输入通道由温度检测元件、变送器和ADC等组成。,热电偶图片,非线性补偿线性化处理,根据热电偶的技术数据可以绘制出输出电压信号V和温度T之间的特性曲线,假设热电偶的输出特性曲线如下图所示。,由图可以看出,该热电偶的输出特性曲线斜率的变化不大,可以采用线性插值法进行非线性补偿。 选择4个插值基点(V1,T1)、(V2,T2)、(V3,T3)、(V4,T4),然后写出每段曲线的插值函数表达式,表达式如下式所示。,参数存储单元分配表,b. 多路模拟开
15、关CD4051,c. A/D转换 由VF变换器和定时计数器组成 VF转换输入通道的结构通常为:,设VF变换器的额定输出频率为Fs,计数器对输出脉冲的计数时间为Ts,AD转换结果的分辨率为i,则有:,取Ts1s,若VF的输出频率范围010kHz内,可以得到13位的AD转换结果。F=D/TS,F=D/TS,温度检测模拟输入通道设计,2) 晶闸管数字触发输出通道设计 晶闸管简介 晶闸管(可控硅整流器) 功率放大器件。,晶闸管的工作方式有: 调压方式 调功方式,调压方式:是通过利用移相触发脉冲调节晶闸管的导通角,使输入到电加热元件的电压改变,达到调节用电器的输入功率,来实现控制目的 。,n=1,n=2
16、,n=4,n=N=8,调功方式:触发电路采用的是过零触发方式,外加正弦电压过零时控制信号才使晶闸管的触发导通,则负载上得到的电压是一个正弦波。 调功方式输入电炉的平均功率为:, 晶闸管数字触发输出通道设计 过零检测同步脉冲电路 :,A,B,C,D,E,F,图6-32 导通波头数控制电路。,3) 拨码盘给定输入通道 拨码盘作为数字量的输入设备,设定和修改码盘值可作为控制系统的给定值。 输入非数字信息时,需要事先将非数字信息转换为数字代码,再由拨码盘输入。,4) 数码显示输出通道 包括: 数字量输出接口电路 锁存译码驱动电路 七段数码管显示器 炉温显示:一位显示温区代号,四位显示4位温度值; 网带
17、速度显示:一位显示网带速度代号,四位显示网带速度。 5) 打印机输出通道 系统配置了通用打印机接口电路。 打印内容包括表头、制表、采样数据和采样时间。,二、微型计算机选择 控制系统选取采用STD总线标准的模块式工业控制计算机。 本系统: 主机板采用8098单片机多功能CPU模板,主频6MHz。 配置了显示及操作面板接口模板 打印机接口模板。 非通用数字触发控制模板 反馈通道的VF变换及AD转换模板,三、控制算法设计 整个系统属于多变量系统,其数学描述传递矩阵为:,其中:,离散后可近似为:,式中:y(k) 66矩阵;U(k) 61矩阵; A 66矩阵; B 66矩阵。,对于系统的每一个温区,其简
18、化动态结构:,被控对象传递函数为:,广义脉冲传递函数为:,系统的闭环脉冲传递函数为:,数字控制器的脉冲传递函数为:,进一步简化为:,式中:,差分化后得到控制器差分方程:,四、硬件设计 硬件电路设计有: 前级放大器及多路模拟转换开关。 AD转换模板。 数字触发控制模板。,五、软件设计 系统控制程序的任务 系统控制程序的模块化 按控制功能将程序分成三个程序模块:, 系统初始化程序模块,系统初始化包括: 设置堆栈 清除动态数据缓冲区 初始化打印缓冲区 设置8253计数器的控制字和计数初始值 设置时钟系统的初始值 设置控制算法程序的初始值 系统中断控制初始化等, 外部中断服务程序模块 中断服务程序的任
19、务: 读取AD转换结果,以BCD码的形式送到数码管中显示。 读取温度给定值并将BCD码转换为二进制码,完成控制算法的运算。 外部中断产生ls钟内,将多路模拟转换开关切换到下一个通道 。,定时打印程序模块 程序内容: 实时时钟程序 根据设定时间完成打印控制,温度检测模拟输入通道设计,复习,非线性补偿线性化处理,根据热电偶的技术数据可以绘制出输出电压信号V和温度T之间的特性曲线,假设热电偶的输出特性曲线如下图所示。,复习,由图5-8可以看出,该热电偶的输出特性曲线斜率的变化不大,可以采用线性插值法进行非线性补偿。 选择4个插值基点(V1,T1)、(V2,T2)、(V3,T3)、(V4,T4),然后写出每段曲线的插值函数表达式,表达式如下式所示。,复习,参数存储单元分配表,复习, 晶闸管数字触发输出通道设计 过零检测同步脉冲电路 :,A,B,C,D,E,F,复习,图6-32 导通波头数控制电路。,复习,数字控制器的脉冲传递函数为:,进一步简化为:,差分化后得到控制器差分方程:,复习,
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