计算机控制技术 西电版PPT第8章计算机控制系统的设计

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1、8.1 微 型 机 控 制 系 统的 设 计 方 法 及 步 骤8.2 炉 温 计 算 机 控 制系 统8.3 多 容 液 位 控 制 系统 (自 学 )第 8章 计 算 机 控 制 系 统 的 设 计 计 算 机 控 制 系 统 的 设 计 ， 既 是 一 个 理 论 问 题 ， 又是 一 个 工 程 问 题 ， 涉 及 自 动 控 制 理 论 、 计 算 机 技 术 、 检测 技 术 、 通 信 技 术 、 电 工 电 子 技 术 等 。 计 算 机 控 制 系 统 的 设 计 原 则 ：操作性能好，维护与维修方便；通用性好，便于扩展；可靠性高；实时性好，适应性强；经济效益好。8.1 微

2、型 机 控 制 系 统 的 设 计 方 法 及 步 骤 控 制 系 统 总 体 方 案 的 确 定 微 型 计 算 机 及 接 口 的 选 择 控 制 算 法 的 选 择 控 制 系 统 硬 件 设 计 控 制 系 统 软 件 设 计 微 型 计 算 机 控 制 系 统 的 调 试微 型 机 控 制 系 统 的 设 计 步 骤 ： 8 .1 .1 控制系统总体方案的确定1 . 确定控制系统方案根据系统的要求，首先确定是采用开环系统还是闭环系统，或者是数据处理系统。 2 . 选择检测元件在确定方案的同时，必须选择好用于检测被控参数的测量元件，它是影响控制系统精度的首要因素。 3 . 选择执行机构

3、 执行机构是计算机控制的重要组成部件，它的选择一方面要与控制算法相匹配，另一方面要根据被控对象的实际情况来决定。（电动执行机构，气动调节阀，步进电机，液压伺服机构） 4 . 选择输入/输出通道及外围设备计算机控制系统的过程通道，通常应根据被控对象参数的多少来确定，并根据系统的规模及要求，配以适当的外围设备，选择时应考虑以下问题。 (l) 被控对象参数的数量； (2 ) 各输入/输出通道是串行操作还是并行操作； (3 ) 各通道数据的传输速率； (4 ) 各通道数据的字长及选择位数； (5 ) 对显示、 打印有何要求。 5 . 画出系统原理图前面4步完成以后，结合工业流程图，最后要画出一个完整的

4、控制系统原理图，其中包括各种传感器、变送器、外围设备、输入/输出通道及微型计算机等。 8 .1 .2 微型计算机及接口的选择1 . 选用成品微型机系统根据被控对象的任务，选择适合系统应用的微型计算机系统(或芯片)是十分重要的，它直接关系到系统的投资及规模，一般根据总体方案进行选择。 1 ) 工业控制机如果系统的任务比较大，需要的外设比较多，如打印机、CRT等，而且设计时间要求比较紧，不妨选用一台现成的工业控制机（研华工控机）。这些机器不仅提供了具有多种装置的主机系统板，而且还配备了各种接口板。 2 ) 单片机系统目前有一些由单片机组成的小系统可供选择，它们大都具有单片机、 存储器及I/O接口、

5、LED显示器和小键盘等。再配以各类I/O接口板，就可组 成简单的控制系统。 2 . 利用单片机芯片自行设计选择合适的单片机芯片，针对被控对象的具体任务，自行开发和设计一个单片机系统是目前微型计算机系统设计中经常使用的方法。这种方法具有针对性强，投资少，系统简单、灵活等特点，特别对于批量生产，更有独特的优势。 事实上，目前已经具备了单片机系统开发工作的条件： 一是有了各种各样的开发工具；二是市场芯片资源丰富，且价格便宜；三是技术已经成熟，现在有很多关于单片机的图书、资料供设计者参考。利用各种 硬件电路、各种系统软件和应用软件，可以方便地进行系统设计。 8 .1 .3 控制算法的选择1 . 直接数

6、字控制当被控对象的数学模型能够确定时，可采用直接数字控制，如最少拍随动系统、最少拍无纹波系统以及大林算法等。此外，还有最小二乘法系统辨识、最优控制及自适应控制等。 2 . 数字化PID控制由于被控对象是复杂的，因此并非所有的系统均可求出数学模型， 有些即使可以求出来，但由于被控对象环境的影响，许多参数经常变化，因此很难进行直接数字控制，此时最好选用数字化PID控制。 3 . 模糊控制模糊控制既不用像DDC控制那样要求有严格的被控系统数学模型，也不像PID控制那么“呆板”，它是一种非常灵活的控制方法，只要根据实验数据找出Fuzzy控制规律，便能达到所要求的控制效果。 8 .1 .4 控制系统硬件

7、设计1 . 存储器扩展对单片机系统，由于单片机有4种存储器空间，且程序存储器和数据存储器独立编址，所以其存储容量与同样位数的微型计算机相比，扩大了一倍多。实际使用中，已很少进行存储器扩展。 2 . 模拟量输入通道的扩展1 ) 数据采集通道的结构形式一般来说，微型计算机控制系统是多通道系统, 因此选用什么样的结构形式采集数据是进行模拟量输入通道设计时首先要考虑的问题。（共享S/H和A/D或多路S/H共享A/D的结构形式） 2 ) A/D转换器的选择设计时一定要根据被控对象的实际要求选择A/D转换器。在满足系统要求的前提下，尽量选用分辨率低的A/D转换器。另外还可选择 V/F变换器以及串行A/D转

8、换器、以及数据采集芯片（具备多路开关、放大器、 S/H和1 2位A/D等多种电路）。 3 . 输出通道的扩展模拟量输出通道是微型计算机控制系统与执行机构(或控制设备)连接的桥梁，设计时要根据被控对象的通道数及执行机构的类型进行选择。 对于那些能直接接受数字量的执行机构，可由微型机直接输出数字量，如步进电机或开关、继电器系统等；对于只能接受模拟量的执行机构(如电动、气动执行机构，液压伺服机构等)，则需要用D/A转换器把数字量转换成模拟量后，再带动执行机构。 和输入通道一样，输出通道的设计也有两个方面的问题需要考虑，数据输出通道的连接方式(每个通道设置一个D/A转换器或多通道共享D/A转换器)及D

9、/A转换器的选择。 4 . 开关量I/O接口设计在微型计算机控制系统中，除了模拟量输入/输出通道外，经常遇到的还有开关量I/O接口。 5 . 操作面板操作面板也叫操作台，它是人机对话的纽带。根据具体情况，操作面板可大可小，大到可以是一个庞大的操作台，小到只有几个功能键和开关。 6. 系 统 速 度 匹 配 问 题 在 不 影 响 系 统 速 度 的 前 提 下 ， 时 钟 频 率 选 低 一 些 为 好 , 这 样 可 降 低系 统 对 其 他 元 器 件 工 作 速 度 的 要 求 ， 从 而 降 低 成 本 和 提 高 系 统 可 靠 性 。 7. 系 统 负 载 匹 配 问 题 1) 逻

10、 辑 电 路 间 的 接 口 及 负 载 匹 配 问 题 进 行 系 统 设 计 时 ， 有 时 需 要 TTL和 CMOS两 种 电 路 混 合 使 用 ， 但 两者 要 求 的 电 平 不 一 样 (TTL高 电 平 为 +5 V， CMOS则 为 +10 V +18 V) ，因 此 ， 一 定 要 注 意 电 流 及 负 载 的 匹 配 问 题 。 2) MCS-51系 列 单 片 机 负 载 匹 配 问 题 微 型 计 算 机 与 微 型 计 算 机 之 间 ， 微 型 计 算 机 与 I/O接 口 之 间 都 存 在着 负 载 匹 配 问 题 。 8 .1 .5 控制系统软件设计 1

11、 . 控制系统对应用软件的要求1 ) 实时性由于工业过程控制系统是实时控制系统，所以对应用软件的执行速度都有一定的要求，即能够在被控对象允许的时间间隔内对系统进行控制、计算和处理。 2 ) 灵活性和通用性在应用程序设计中，为了节省内存和具有较强的适应能力，通常要求有一定的灵活性和通用性。现在多采用模块化的程序设计结构。 3 ) 可靠性在微型计算机控制系统中，系统的可靠性至关重要，它是系统正常运行的基本保障。 2 . 软件、 硬件折中问题在微型计算机过程控制系统设计中，常遇到的一个问题就是，同样一个功能，例如，计数、逻辑控制等，既可以通过硬件实现，也可以用软件完成，这时需要根据系统的具体情况 确

12、定哪些用硬件完成，哪些用软件实现。这就是所谓的软件、硬件折中问题。一般而言 在系统允许的情况下，尽量采用软件，这样可以节省经费；若系统要求实时性比较强，则可采用硬件。 3 . 软件开发过程软件开发大体包括以下几个方面。 (1 ) 划分功能模块及安排程序结构。 (2 ) 画出各程序模块详细的流程图。 (3 ) 选择合适的语言(如高级语言或汇编语言) 编写程序。 (4 ) 将各个模块连结成一个完整的程序。 8 .1 .6 微型计算机控制系统的调试 1 . 硬件调试根据设计逻辑图制作好实验样机，便进入硬件调试阶段。调试工作的主要任务是排除样机故障，其中包括设计错误和工艺性故障。 1 ) 脱机检查用万

13、用表或逻辑测试笔逐步按照逻辑图检查印刷板中器件的电源及各引脚的连接是否正确，检查数据总线、地址总线和控制总线是否有短路等故障。有时为了保护芯片，先对各管脚电位(或电源)进行检查，确定无误后再插入芯片检查。 2 ) 联机调试利用仿真器进行调试，观察各部分接口电路是否满足设计要求。此时 可通过运行一些简单的软件以检查各个接口工作是否正常。 如果正常，则说明各接口硬件没问题；否则，应进行针对性的处理。 2 . 软件调试 可以利用仿真软件进行调试(keil C+Proteus)。仿真软件可以不用硬件直接在PC机上调试程序，待程序基本调试好以后，再移到硬件系统中去调试。这种软件、硬件并行调试方法，可大大

14、加快系统的开发速度。 软件调试完成以后，即可通过EPROM程序写入器，将目标代码写入EPROM中，并将其插入机器的相应插座上，系统便可投入运行。 3 . 硬件、 软件联合调试经过硬件、软件单独调试后，即可进入硬件、软件联合调试阶段， 找出硬件、软件之间不相匹配的地方，反复修改和调试。实验室调试工作完成以后，即可组装成机器，移至现场进行运行和进一步调试，并根据运行及调试中的问题反复进行修改。 8 .2 .1 炉温计算机控制系统的原理本系统采用直接数字控制系统(DDC)，对功率为2 kW的单相电阻炉进行温度控制，要求温度在4 0 0 1 0 0 0 范围内可调，温度稳态误差1 .5 。系统能够完成

15、以下内容： (1 ) 电阻炉温度的检测； (2 ) 电阻炉温度的闭环控制；(3 ) 电阻炉温度曲线显示和打印。 8.2 炉 温 计 算 机 控 制 系 统 根据系统要完成的任务和要求， 考虑到保持本章与前面章节硬件的一致性， 选用5 1系列单片机（AT9 8 C5 2）, 系统组成结构框图如下所示。 根 据 系 统 要 完 成 的 任 务 和 要 求 ， 考 虑 到 保 持 本 章 与 前 面 章 节 硬 件的 一 致 性 ， 选 用 51系 列 单 片 机 （ AT98C52） , 系 统 组 成 结 构 框 图 如 下 所示 。 8 .2 .2 炉温计算机控制系统硬件设计1 .温度检测电路

16、 本 系 统 采 用 的 型 （ 镍 铬 镍 硅 ） 热 电 偶 ， 其 可 测 量 1312 以 内 的温 度 ， 线 性 度 较 好 ， 而 且 价 格 便 宜 。 变 送 器 采 用 的 是 高 精 度 的 集 成 芯 片MAX6675来 完 成 “ 热 电 偶 电 势 温 度 ” 的 转 换 ， 不 需 外 围 电 路 、 I/O接线 简 单 、 精 度 高 、 成 本 低 。 2. 时 钟 电 路 在 系 统 中 需 要 准 确 显 示 升 温 时 间 、 恒 温 时 间 等 ， 因 而 选 用 了 时 钟 芯片 DS12887构 成 定 时 电 路 来 完 成 对 时 间 的 显

17、示 及 准 确 计 时 ， 也 可 以 不 需 要。 3.键 盘 、 显 示 及 报 警 电 路 系 统 采 用 3*3键 盘 ， 由 单 片 机 P1口 控 制 ， 可 通 过 按 键 设 定 温 度 和 时 间。 显 示 器 选 用 点 阵 字 符 型 液 晶 显 示 器 TC1602， TC1602的 显 示 形 式 是 16*2行 ， 可 显 示 炉 温 、 设 定 时 间 、 实 际 时 间 等 。 报 警 电 路 是 将 单 片 机 的 I/O口与 驱 动 芯 片 MC1413相 连 ， 通 过 MC1413驱 动 蜂 鸣 器 。 4.控 温 电 路 控 温 电 路 包 括 驱 动

18、 芯 片 MC1413、 过 零 型 交 流 固 态 继 电 器 （ Z型 SSR） 8 .2 .3 炉温计算机控制系统软件设计1 . 控制算法设计理论分析和实验证明，电阻炉是一个具有自平衡能力的大惯性大滞后特性的被控对象，可用一个一阶大惯性环节和一个滞后环节来近似描述，考虑到零阶保持器，系统简化后其动态结构图如下所示。 被控对象加上零阶保持器的广义对象传递函数为 本系统数字控制器采用增量式PID调节器 或采用前述积分分离、大林算法或模糊PID等，只需要转化为差分方程即可迭代编程。 1ee1 TsKs)s(G sTs )k(e)k(e)k(eTT)k(eTT)k(e)k(eK)k(u)k(u

19、21211 DIP )k(eK)k(eK)k(eK)k(u 21 321 2 . 软件设计 系统的软件由三大模块组成：主程序模块、功能实现模块和运算控制模块。 主程序模块：完成系统初始化和电炉丝的导通和关断； 功能实现模块：主要由定时中断处理子程序、炉温检测子程序、键盘处理子程序、时间确定子程序、显示子程序、报警子程序等部分组成。 运算控制模块：主要由标度转换子程序、滤波子程序 、PID控制算法子程序等部分组成。 8 .2 .4 炉温计算机控制系统的扩展设计-远程上位监控 采用工控组态软件完成系统的上位监控。实现人机友好界面，可方便的对温度和参数设置、温度显示、超量报警、实时检测、数据打印等操作，数据库管理方便，易于操作。工控组态软件主要是指数据采集与过程控制的专用软件， 它们提供自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境， 使用灵活的组态方式， 能够为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、 通用层次的 软件工具。 目前工控领域常用的工控组态软件有Kingview组态王、 西门子的WinCC组态软件及MCGS组态软件。 炉 温 控 制 系 统 的 主 监 控 界 面