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第八章 计算机控制系统的设计与实现,8.1 计算机控制系统的设计原则 8.2 计算机控制系统的设计方法及步骤 8.3 计算机控制系统设计举例,8.1 计算机控制系统的设计原则,（1）可靠性要高 采用双机系统。 采用集散控制系统。 双工工作方式 分布式控制方案 （2）实时性强 （3）系统操作性能要好 （4）通用性好、便于扩充 （5）经济效益高,返回本章首页,8.2 计算机控制系统的设计方法及步骤,返回本章首页,设计步骤： 确定系统整体方案； 建立数学模型，确定控制算法； 硬件设计； 软件设计； 系统调试运行。,第一：要从系统控制策略，是采用开环控制还是闭环控制。 第二：控制系统类型的选择。 第三：考虑执行机构采用什么方案，是采用电机驱动、液压驱动还是其他方式驱动，比较各种方案，择优而用。,1. 确定系统整体控制方案,（1）确定算法能否满足控制速度、精度和系统稳定性的要求。 （2）确定某些情况下要进行修改与补充。 （3）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。,2. 建立数学模型，确定控制算法,（1）字长 （2）速度 （3）足够的存储容量 （4）较完善的中断系统 （5）完备的输入输出通道 （6）变送器 （7）选择执行机构,3. 硬件设备的选择,（1）数据类型和数据结构规划 （2）资源分配 （3）实时控制软件设计 数据采集和数据处理程序 控制算法程序 控制量输出程序 实时时钟和中断处理程序 数据管理程序 数据通信程序,4. 软件设计,系统联调是要把已调好的各程序功能块按照总体设计要求连成一个完整的程序。程序调试完成后，还要进行在线仿真，然后进行试运行。经过一段考机和试运行后，即可投入正式运行。可分为离线仿真与调试和在线调试与运行阶段。,5. 系统的调试与运行,(1)离线仿真和调试,硬件调试 硬件调试包括对硬件的主要功能的检查，输入输出通道的测试，仪器仪表及执行机构的校验等。 软件调试 软件调试的顺序是子程序、功能模块和主程序。 系统控制模块的调试分为开环和闭环两种。 系统仿真 所谓系统仿真，就是应用相似原理和类比关系来研究事物，也就是用模型来代替实际生产过程(即被控对象)进行实验和研究。系统仿真有以下三种类型：全物理仿真(或称在模拟环境条件下的全实物仿真)；半物理仿真(或称硬件闭路动态试验)；数字仿真(或称计算机仿真)。 系统仿真尽量采用全物理或半物理仿真。,（2）在线调试和运行,为了保证设备的可靠的正常运行，必须作好运行前的设备检查工作，主要包括以下检查工作： (1)检测组件、变送器、显示仪表、调节阀等必须通过校验，保证精确度要求。作为检查，可进行一些现场校验。 (2)各种接线和导管必须经过检查，保证连接正确。 (3)对在流量中采用隔离液的系统，要在清洗好引压导管以后，灌入隔离液(封液)。 (4)检查调节阀能否正确工作。旁路阀及上下游截断阀关闭或打开要正确。 (5)检查系统的干扰情况和接地情况，如果不符合要求，应采取措施。 (6)对安全防护措施也要进行检查。,在实时过程控制中，要把计算机控制系统的安全可靠放在首位，因此在计算机控制系统设计中很重视采取各种技术措施，提高系统的可靠性。,8.3.1 多重化结构技术,系统可靠性的度量参数介绍 双重结构系统（冗余系统）可靠性 双重结构系统的平均故障间隔时间,8.3.2 控制系统的抗干扰措施,信号系统的抗干扰措施 电源系统的抗干扰措施 接地与抗干扰 信号隔离技术 （1）光电耦合电路 （2）变压器耦合电路 看门狗技术 电源掉电处理技术,8.3.3 软件设计的可靠性措施,使程序高速循环 输出反馈、表决和周期刷新 存储器使用技巧 实时诊断,8.3.4 重视安装工艺措施,在生产现场或运输过程中，免不了会受到振动和冲击，因此对计算机控制系统的组件、导线和电线的固定，接插件的选择、安装，应给予充分的重视。,8.4 加热炉温度控制系统,8.4.1 温控系统的组成 8.4.2 硬件电路 8.4.3 数字控制器的数学模型 8.4.4 控制系统程序设计,返回本章首页,8.4.1 温控系统的组成,8.4.2 温控系统的硬件设计,主要设计内容包括温度测量、AD转换、单片机系统、键盘操作系统、温度显示电路、报警电路、DA转换等部分。,1. 检测元件及变送器,因为退火炉的温度测量范围为010000C所以检测元件选用镍铬一镍铝热电偶(分度号为K)，其对应输出信号为0412643mV。温度变送器选用集成一体化变送器，在010100C时对应输出为05V。本系统使用12位AD转换器，故采样分辨率为101040960.250CLSB。,表8.1 温度变送器的温度一数字量对照表,2. A/D转换器及数据采样,系统采用12位AD转换器为AD574 ，它与8031的接口电路，图8.7所示。 如图8.7所示，被测参数经多路开关CD4051选通后，送到采样保持器的输入端。到底哪一路被选中，由多路开关的选择控制端C，B，A以及禁止锁存端INH控制。采样保持器的工作状态由AD转换器的转换结束标志STS的状态控制。当AD转换正在进行时，STS输出为高电平，经反相后，变为低电平，送到SH的逻辑控制端(Logic)，使SH处于保持状态，此时即可开始AD转换。转换后的数字量通过8031的数据总线分两次读到CPU寄存器。 转换结束后，STS由高电平变为低电平，反相后呈高电平，因而使SH进入采样状态。这种方法不必单独送SH控制信号，所以使系统运行速度加快。,图8.7 数据采集系统原理图,3键盘显示接口电路,为了使操作人员能够随时掌握每个炉子的温度变化情况，设计了4位LED显示器。根据系统的需要，显示方法设计成两种方式：自动循环显示，在这种方式下，计算机可自动地把采样的18退火炉的温度不间断地依次进行显示；定点显示，即操作人员可随时任意查看某一座退火炉的温度，且两种显示方式可任意切换。,8.8 键盘/显示接口电路,图8.9 报警接口电路,4报警电路,图8.10 地址译码器接口电路,5译码电路,843 数字控制器的数学模型,在温度调节系统中，由于炉子温度的时间常数很大(相对于采样周期而言)，所以其闭环调节系统可以用一个一阶滞后环节来近似。其控制系统的结构如图8.11所示。,图8.11 退火炉温度控制系统的结构图,由于整个系统为纯滞后环节，所以应用第3章的3.7节所介绍的达林算法来设计数字控制器。由图8.11所示可知，炉子的传递函数为,（8.1）,根据大林算法，由式3.113可知，其系统的整个闭环脉冲传递函数为：,844 温度控制系统软件设计,1 控制系统主程序 2 定时采样处理中断服务程序,1 控制系统主程序,主程序主要进行初始化，分配内存单元及设置定时器参数，以便为系统正常工作创造条件。由于本系统数据通道比较多，而且采样数据为12位(双字节)，加上一些给定值，如温度上、下限报警给定值，控制曲线设定值等，所占内存单元较多，故本系统将同时使用内部RAM及外部RAM。,图8.12 温度控制系统的主程序,2 定时器采样处理中断服务程序,定时采样处理中断服务程序即5s定时中断服务程序。它是本系统的主要部分，其主要任务是： (1)数据采集； (2)数字滤波； (3)标度变换； (4)报警处理； (5)显示通道号及温度； (6)控制计算； (7)控制输出等。,图8.13 定时采样中断服务程序流程图,程序中每个模块用一个子程序代替。因此，在中断服务程序中，只需按顺序调用各功能模块子程序即可，程序可读性强。 (1)数据采集模块 数据采集程序的主要任务是巡回检测8个退火炉的温度参数，并把它们存放在外部RAM指定单元00H4FH中。巡回检测的方法是先把8个通道各采样一次，然后再采第二次，第三次，直到每个通道均采样5次为止。为简化电路，本系统使用延时方式进行采样。采样程序流程如图8.14所示。,图8.14 采样程序流程图,(2)报警处理模块,图8.16 温度报警处理程序的流程,正如在图8.9中所示的报警接口电路部分所叙述的那样，下限报警信号必须等两个控制信号LAl和LB1同时为高电平时才能是黄色。因此，本程序在输出报警信息之前必须先做一些处理，即把下限报警信息及正常信号信息合并后再由8031的P1口和8255A的C口分别输出。,3，数字控制器的程序设计,数字控制器是本控制系统的核心，用它对被测参数进行自动调节，这里采用直接程序设计法进行设计。 由式(8.6)可知，本系统数字控制器的模型如下式所示：,图8.17 数字控制器程序流程图,8.45 手动后援问题,为了保证系统安全可靠工作，特别是在系统控制器发生故障时，系统不致影响生产，系统专门增加手动后援操作。所谓手动后援就是一旦系统自动状态发生故障时，则可转入手动状态工作。手动后援有两种方法实现。一种方法是在系统中增设手动操作器，如DDZ-型电动组成仪表中的手动操作器DTQ-3110型(输出15VDC)和DTQ-3200型(420mADC)。另一种方法也可以采用简单的电位器电路。,图8.18 手动后援电路的原理,8.5 基于EPA标准的蓝牙/以太网混合测控试验系统,利用蓝牙无线通信技术、以太网技术组建了一套基于EPA标准的测控试验系统，其结构如图8.19所示。该系统由上位机、EPA控制器、HUB、带接入功能的EPA蓝牙控制器、变频器、电机、编码器、光电开关、接近开关以及EPA蓝牙测控模块组成。其中，上位机的功能是通过图形界面监控电机的转动过程；EPA控制器分时控制电机或其它执行机构的运行（通过HUB与其它被控的执行机构相连）；带接入功能的EPA蓝牙控制器一方面通过变频器控制电机转速，另一方面接收控制EPA蓝牙测控模块传来的检测信息，起到一个蓝牙/以太网接入网关的作用；而EPA蓝牙测控模块则通过编码器、光电开关和接近开关三种方式检测电机转速。,图8.19 基于EPA标准的蓝牙测控试验系统结构示意图,8.5.2 带接入功能的EPA蓝牙控制器,带接入功能的EPA蓝牙控制器，通过以太网端口与EPA控制器相连，接收EPA控制器下发的EPA协议报文，并在解析该EPA报文后决定将该EPA报文转发给EPA蓝牙测控模块，还是根据该EPA报文信息直接控制电机的转动；另一方面，带接入功能的EPA蓝牙控制器接收来自蓝牙测控模块检测信息，并将该信息反馈给EPA控制器，实现蓝牙和以太网的桥接。,1.工作原理,带接入功能的EPA蓝牙控制器上有一个10Mb/s的以太网端口，通过HUB可以和EPA控制器相连。上电后，该控制器会一方面启动以太网端口，另一方面对蓝牙芯片发出初始化指令，复位蓝牙芯片。并且自动作为主设备查询其覆盖范围内是否有蓝牙设备，如果查询到覆盖范围内有蓝牙设备，就会发出建立链接指令，请求建立链接。在经过双方的鉴权和认证后，数据通路建立。带接入功能的EPA蓝牙控制器最多可与7个激活的从设备进行数据通信，构成一个蓝牙控制微网。控制器接收来自EPA协议报文后，判断是否是EPA协议报文。如果是EPA报文，则分析报文里的内容，并执行相应的操作。其中，报文里的D/A转化命令，则是驱动数模转化，输出变化的电压来控制变频器，从而让电机转速发生变化。同时，带接入功能的EPA蓝牙控制器不断接收EPA蓝测控模块采集的测量信息，处理后，反馈给EPA控制器。,2.硬件设计,图8.20 带接入功能的EPA蓝牙控制器,3.软件设计,图8.21 带接入功能的EPA蓝牙控制器中蓝牙接入流程图,8.5.3 EPA蓝牙测控模块,1.工作原理 EPA蓝牙测控模块上电后，自动初始化为从设备等待主设备的建立链接请求。链接后，不断采集编码器、光电开关、接近开关的脉冲数，从而计算出电机的转速。EPA蓝牙测控模块分时周期性地采集电动机的转速，并把采集的数据封装成EPA报文格式发送给带接入功能的EPA蓝牙测控模块EPA蓝牙控制器。,2.硬件结构 蓝牙测控模块的硬件结构图如图8.22所示，其主要包括微处理器、蓝牙模块、射