（测试计量技术及仪器专业论文）嵌入式多功能数字控制综合实验台的研究.pdf

中文摘要 论文根据天津大学实验教学改革的要求，致力于开发以自动控制原理为核心 的多课程综合实验平台，为高等院校的测量和控制类相关专业提供实验教学设 备。 经过课题组两年多的努力，已经设计了电动机转速和位置的模拟电路控制系 统，并且投入o l 、0 2 级本科生教学实验课使用，取得了很好的效果。但是，随 着现代控制理论的发展，控制方式多种多样，为了使学生能够更好理解和掌握所 学专业课程的知识，论文主要通过多信号源的数据采集，电机转速的开、闭环控 制等环节，设计了嵌入式多功能数字控制系统。同时设计了功能强大的虚拟仪器 软件和控制系统辅助分析设计软件，利用其与m a t l a b 接口的特点进行各种综合 实验，提高了实验教学效率。 论文的主要工作包括以下几个方面： 1 通过实际考察和理论分析，确定了嵌入式多功能数字控制综合实验台的 设计方案，涉及到多种类型传感器信号放大、电路信号调理、控制算法编程及执 行功率驱动放大等技术。 2 完成嵌入式多功能数字控制综合实验台的硬件电路的设计，开发出能接 收旋转编码器、测速电机、热电偶、热电阻、压力传感、0 _ - 5 v 、一5 v 一+ 5 v 、 4 _ 一2 0 n 认等信号的高兼容电路，以及后续放大，a d 转换电路和电机转速开、 闭环控制方案。 3 设计了单片机和计算机综合控制方案。完成了增量式数字p i d 控制算法 的实现；完成了基于r s 2 3 2 串口的计算机多功能控制台虚拟仪器程序；最后通 过m a t c o m 完成了虚拟仪器软件与m a t l a b 接口等功能，实现了系统的总体性 能要求。 4 根据传感器、测控电路、单片机和自动控制原理等课程的 实验教学要求，设计了多种传感器信号采集实验、线性系统时域分析实验、电压 信号的数字p i d 校正实验和电动机转速开、闭环控制实验。使学生能够更深刻更 全面地掌握理论知识。 关键词：数字控制单片机嵌入式增量式p i dm a t c o m a b s t r a c t g u i d e db y t i a n ji nu n i v e r s i t ye x p e r i m e n t a lc o u r s e sr e n o v a t i o nr e q u i r e m e n t s ”，t h e t h e s i sd e d i c a t e st ot h e d e v e l o p m e n to fm u l t i f u n c t i o ni n t e g r a t e de x p e r i m e n t a l e q u i p m e n tw h i c hc e n t e r sa u t o c o n t r o lt h e o r ya si t sc o r ea n dp r o v i d e sa ne x p e r i m e n t a l e q u i p m e n tf o rt h ee d u c a t i o no f m e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gr e l a t e dm a j o r si nc o l l e g e a r e rt w o y e a r se f f o r t so fo u rr e s e a r c hg r o u p t h ea n a l o gc i r c u i tc o n t r o ls y s t e mf o r e l e c t r i cm o t o rr o t a t i o ns p e e da n dp o s i t i o nh a sb e e nd e s i g n e da n du s e di nt h e e x p e r i m e n t a ic o u r s e so f0 1a n d0 2y e a ru n d e r g r a d u a t es t u d e n t s t h ee f f e c to fc o u r s e s w a ss a t i s f y i n g h o w e v e r , a st h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nc o n t r o lt h e o r y , t h e r ea r em o r e a n dm o r em e a s u r e so fc o n t r o l ，t oh e l ps t u d e n t sb e t t e ru n d e r s t a n da n dg r a s pt h e k n o w l e d g e sl e a r n e di nm a j o rc o u r s e s t h et h e s i sd e s i g n e dt h ee m b e d d e dm u l t i f u n c t i o n d i g i t a lc o n t r o li n t e g r a t e de x p e r i m e n t a le q u i p m e n tw h i c hi n c l u d e sd a t aa c q u i s i t i o no f m u l t i s i g n a ls o u r c e s e l e c t r i cm o t o rr o t a t i o ns p e e do p e n - l o o p c l o s e l o o pc o n t r o l ，a n d e t c m e a n w h i l e i nt e r m so fs o f t w a r e t h e r ea r et h ef u n c t i o n a ls o f t w a r e o fv i r t u a l i n s t r u m e n ta n dt h es o f t w a r eo fc o n t r o is y s t e ma s s i s t a n ta n a l y z i n g t h ee f f i c i e n c yo f e x p e r i m e n te d u c a t i o nh a sb e e ni m p r o v e d t h et h e s i s sm a i nw o r k si n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 b yp r a c t i c a li n v e s t i g a t i o na n dt h e o r e t i c a la n a l y z i n g ，c h o s et h ed e s i g np l a no ft h e e m b e d d e dm u l t i f u n c t i o nd i g i t a lc o n t r o li n t e g r a t e de x p e r i m e n t a le q u i p m e n t c o n c e r n i n gm a n yt e c h n o l o g i e sl i k es i g n a lm a g n i f y i n go fs e n s o r s ，c i r c u i ts i g n a l s a d j u s t i n g ，c o n t r o la l g o r i t h mp r o g r a m m m g a n d e x e c u t i n gp o w e rd r i v i n g m a g n i f i c a t i o n ，e t c 2 f i n i s h e dt h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g no ft h ee m b e d d e dm u l t i f u n c t i o nd i g i t a l c o n t r o ii n t e g r a t e de x p e r i m e n t a le q u i p m e n t d e v e l o p e dah i g h l yc o m p a t i b l ec i r c u i t w h i c hc a nr e c e i v ef r o mr o t a t i o ne n c o d e r , s p e e dm e a s u r i n ge l e c t r i cm o t o r , t h e r m o c o u p l e ，t h e r m a lr e s i s t a n c e ，p r e s s u r es e n s o r , 0t o5v o l t a g e ，一5 vt o + 5 v4 t o2 0m a a n do t h e rs i g n a ls o u r c e s a n dc a m eo u tw i t ht h er e s o l u t i o n sf o r f o l l o w i n gm a g n i f y i n g ，a dc o n v e r t i n ga n de l e c t r i cm o t o ro p e n c l o s el o o pc o n t r 0 1 3 d e s i g n e di n t e g r a t e dc o n t r o lp l a nu s i n gs i n g l e c h i pc o m p u t e ra n dp c f i n i s h e dt h e a l g o r i t h mo fi n c r e m e n t a ld i g i t a lp i dc o n t r o l ；f i n i s h e dt h ev i r t u a li n s t r u m e n t a p p l i c a t i o np r o g r a mf o rm u l t i f u n c t i o nc o n t r o le q u i p m e n tb a s e do nr s 2 3 2s e r i a l p o r t ；i nt h ee n d ，b yu s i n gm a t c o m a c h i e v e dt h ei n t e r f a c i n gb e t w e e nv i r t u a l i n s t r u m e n ts o f t w a r ea n dm 棚，a b r e a c h e dt h eo v e r a l lf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s o f t h es y s t e m 4 a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n td i d a c t i c a lr e q u i r e m e n to fc o u r s e s ，l i k e “s e n s o r ， m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ic i r c u i t s i n g l e - c h i pc o m p u t e r a n d a u t o c o n t r o l t h e o r y ”d e s i g n e de x p e r i m e n to fm u l t is e n s o r ss i g n a la c q u i s i t i o n ，e x p e r i m e n to f l i n e a rs y s t e mt i m ed o m a i na n a l y z i n g e x p e r i m e n to fv o l t a g es i g n a ld i g i t a lp i d c a l i b r a t i o n a n de x p e r i m e n to fe l e c t r i cm o t o ro p e n c l o s el o o pc o n t r 0 1 a l lo ft h e s e c o u l dh e l ps t u d e n t sg r a s pt h e o r yk n o w l e d g e sm o r ed e e p l ya n dc o m p r e h e n s i v e l y k e yw o r d s ：d i g i t a lc o n t r o l ，s i n g l e c h i pc o m p u t e r , i n c r e m e n t a lp i d ，e m b e d e d ， m a t c o m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨垄盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 巷 签字日期： 良力7 年月艮秒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 本洳 导师签名： 签字日期：& 叼年f ，月文矿日 签字日期： 粒定呵 嘛月反口日 天津大学硕士学位论文嵌入式多功能数字控制综合实验台的研究 1 1 课题研究背景 第一章绪论 测量和控制是我院各个专业的根本，两者相互依赖，相互促进。由于教改时 间较短的原因，控制部分所占的比重与它的身份很不相称。教学只停留在原理性 授课，实验环节很少，近几年只开设了计算机仿真实验( m 枷，a b 语言) ，实践 环节的实验器材相当匮乏。学生普遍反映，课程缺乏实践环节，过于抽象。另外， 学生对自控原理涉及到的常用被控对象、执行器等都缺乏了解，这不仅影响到课 程教学质量，学生的学习积极性，也有悖于实验与教学相结合，实事求是的教学 方针。 传感技术与测控电学实验室是天津大学精密仪器及光电子工程学院高新技 术教学实验基地重要实验室之一，承担学院各专业多门课程的实验教学任务，并 且该实验室实行面对本科生、研究生、教师以及院外学生的全面开放运行模式， 为课程实验、学生课外科技术活动、教师科研提供了良好的实验和科研场所，近 几年的运作情况相当好，深受校领导和专家的肯定和好评，其运行模式已为兄弟 院校关注。随着教改和学科建设的进一步深入，对实验条件和实验方式提出了越 来越高的要求。但是，由于经费限制以及市场上没有满足要求的教学实验设备提 供，该实验室的建设已经滞后于教改和学科建设的步伐。 根据教学改革和学科建设的要求，分析了现代教学的发展方向，考虑到自 动控制原理是一门集测量、控制、输出驱动技术于一体的综合性课程，涉及到 多门相关课程技术，为提高所研制实验装置的适用面，拟开发成以自动控制原 理课程为主线兼顾多门相关课程( 如：自动控制原理、控制与系统、现 代控制理论、执行器、传感器、单片机接口技术等) 的实验平台。希望 该实验台能够实现如下目标： 1 能承担学院各专业多门专业基础课和专业课的实验教学任务。由于学院 各专业( 包括测控、光电信息、生物医学工程) 在专业基础课和专业课中都涉及 传感器技术；测控电路( 或医用电路等) 、信号与系统、自动控制原理、 单片机原理等课程，且实验都是这些课程的重要环节，而这些课程相关性很 强，完全可以把这些实验课程集中于此实验室。 2 能尽量满足各课程的各种实验方式要求。课程实验一般分为验证性、设 计性、综合性和前瞻性几个等级。 第一章绪论 3 能尽量实现多门课程共用实验装置的要求。由于实验室空间和经费有限， 如各门课程都采用各自不同的实验装置，会增加实验设备的成本，降低实验设备 的利用效率。考虑到这些课程相关性很强，完全可以开发一套涵盖这些课程实验 内容的综合性实验系统，这不仅可大大节约实验设备成本，少占实验室空间，还 可给学生建立系统的、各课程相互关联的思想。 4 能满足综合性课程设计的要求。现在，本科生毕业设计前的综合性课程 设计环节较少，只有机械类的综合设计课程，较少涉及传感技术、电路技术、信 号处理技术、计算机技术、自动控制技术和单片机技术的综合性课程设计环节， 而我院的这些课程都是重要的专业基础课程，占有十分重要的地位，急需一门有 关这些课程的综合性设计课程。现在本科生进行毕业设计时，各相关课程的综合 运用能力较弱，在毕业设计的前期大都需进行实践能力训练，这制约了本科生毕 业设计整体水平的提高。 5 能为本科生毕业设计和学生课外科技活动提供综合设计平台。如今本科 生和研究生越来越多，每位教师指导的研究生和本科生数量在急剧增长，按现在 发展势头，几年内，一位硕士生导师同时指导的研究生达6 人以上，每年指导的 本科生也在6 人以上。如果综合性实验系统能承担部分毕业设计任务，这将减轻 教师压力，同时提高毕业设计的整体质量。 目前，课题组根据天津大学精仪学院自动控制原理课程的实验教学改革 要求，已经开发出了基于运算放大器的模拟控制教学实验样机，并且经过0 1 、 0 2 级本科生的实验教学使用，取得了良好的教学效果。该教学系统主要由运算 放大器、电阻、电容等器件构成，完成典型环节和系统的电子模拟，组成电动机 的转速、位置控制系统。模拟电路控制板上各种运放、电阻、电容、电位器等均 独立布置，直观性强，学生可以根据实验要求运用切换开关灵活地组成各种不同 参数与结构的控制系统，提高实验的灵活性。另外，学生可以利用实验台灵活方 便地设计温度控制系统、液位控制系统等。 模拟电路控制系统由以下部分构成： 1 ) 典型环节 2 ) 直流电动机功率驱动模块 系统采用了p w m 功率驱动器，使功率转换效率大大提高，可以适应较大功 率的电动机。同时功率驱动模块具有过流保护等功能，增强了系统的安全性，适 合用于控制系统的教学实验。同时它也用在数字控制系统中。 3 ) 传感器调理电路 直流电动机转速位置控制系统中用到的传感器有测速发电机、旋转编码器、 标准电阻和电位器等，不同的传感器要求信号调理电路各不相同，信号经过调理 2 天津大学硕士学位论文嵌入式多功能数字控制综合实验台的研究 后，可以得到符合标准的信号。 4 ) 转速、位置校正环节 模拟电路控制系统中有开环控制和闭环控制等方式。在闭环控制方式时，采 用了多种校正环节。学生可以选择不同的校正环节，学习各种校正环节的使用方 法，通过实验比较各种校正环节的校正效果。 1 2 测控类实验教学仪器的发展动态 1 2 i 基于硬件模拟的实验教学仪器 随着中国高等教育事业的蓬勃发展，对于工科高等院校而言，教育改革的关 键是能够使学生将所学理论与实践联系起来。而教学实验设备就可以很好的实现 这一目标。因此，首先从高等院校内部开始，他们针对某一学科或课程开发出专 用型的实验平台，从而满足了一定要求。其中最具有代表性的就是华中理工大学 在上世纪8 0 年代就研制出d w - i i i 型电子模拟实验装置。它用于自动控制原 理课程的实验教学，采用模拟电子元器件模拟各种线性和非线性典型环节及系 统。配合超低频示波器和信号发生器等设备，完成典型环节的模拟和研究、二阶 系统的模拟与研究、二阶系统的扰动与分析、三阶系统的模拟与研究以及非线性 典型环节的模拟与研究等实验项目。 随后，上世纪9 0 年代东南大学研制成功g m i i 过程模拟实验装置2 1 ，该装 置引进实际物理对象，对工业生产中常见的流量、压力、液位、温度、p h 值等 非电量进行控制。它允许建立多种物理模型，例如流量对象的数学模型、流量加 液位的数学模型和流量、液位且带纯滞后环节的数学模型。该装置同时能够组成 多种控制系统：单回路控制、串级控制、比值控制、选择性控制等。由于采用实 际物理对象，很好地把理论与实践结合起来，该实验装置给参加实验的学生留下 了深刻的印象。 1 2 2 基于计算机软件仿真的计算机教学系统 随着随现代控制理论和计算机技术的迅猛发展，早期的教学实验仪器已不能 满足当前工科院校教学实验的要求和市场的需求。在这种形势下，国内已经有几 家公司专门从事教学实验设备的研发和生产。目前，这些公司的教学实验产品已 经覆盖工科院校大部分专业的专业必修课程，而且其在实验设备的研究方法和实 验设备的功能等方面与传统的教学实验设备已有很大的不同。 计算机的迅速发展为我们提供很大的方便，随着个人计算机速度和存储空间 第一章绪论 的不断提高，很多仿真软件也应运而生。常见的控制类仿真软件有 m a t l a b ( s i m u l i n k ) 、l a b v i e w 等。其中，m a t l a b 软件应用面广、功能强 大，它包含工程计算与建模、控制理论工具箱和信号与系统工具箱等。控制理论 工具箱可以完成控制系统建模、系统模型连接、时域响应分析、根轨迹分析、频 率分析等。m a t l a b 提供的控制系统仿真工具s i m u l i n k 以其友好的界面，简 单的操作方式和强大的功能著称。另外，m a t l a b 通过与v i s u a lc + + 和l a b v i e w 等高级开发软件接口，从而实现在高级软件软件内对m a t l a b 函数的调用，对 用户在工程应用方面提供了便利。 同时，国内的教学仪器公司也推出相应的计算机仿真软件和虚拟仪器。精仪 达盛推出模拟、数字混合模式电路仿真软件t i n a p r o “1 ，它为设计和分析模拟、 数字以及混合型电子电路提供方便的仿真功能，允许学生测试实际的电路并将结 果与从模拟仿真中获得的进行比较。 1 2 3 软硬件结合的多功能教学实验仪器 基于硬件模拟的教学实验仪器以其直观性等特点，能够使实验者亲身体验现 实物理对象的各种特性。实验者的感性认识深刻，能够激发学生的学习兴趣和动 力。基于计算机软件仿真的教学实验利用数学工具，能够精确地对物理对象建模， 很适合理论的仿真与验证。这两种实验仪器也各有不足之处。前一种需要配备多 种价格昂贵的测量设备才能完成相应的实验项目，另外仪器功能不易再扩展；后 一种则因为没有引入实际物理对象而缺乏一定的直观性。 目前很多公司将以上两种实验仪器进行有机结合，组成功能强大、可扩展性 好、价格便宜的教学实验仪器。北京精仪达盛的e l s c a t 自动控制计算机控制 信号与系统三合一教学实验系统“1 ，它的实验平台构成如图1 - l 所示，主要由计 算机、模数数模转换卡、实验箱组成。 图1 1 精仪达盛公司自动控制实验系统框图 在此实验仪器中，计算机实现虚拟信号源、虚拟示波器等功能。实验箱完全 由电子元器件完成各实验项目的模拟。它可以同时支持自动控制原理的教学 实验，计算机控制技术实验，过程控制实验和信号与系统实验。由于 4 无津 学硕士学位论文嵌入式多功能数字控制综合实验台的研究 采j f j 计算机作为数据处理，简化实验平台提高丈验效率，并且易于扩展其它相 关实验。自科融创公司的r c - z k i i 型自动控制实验系统“1 如图卜2 所示，其实现 的功能与精仪达盛公司的产品类似。 圈1 2 百科融创公司自动控制实验系统 爱迪克自控计算机控制二合一实验机a e d k - a b a c t 在上述两个产品的基 础上增加实际物理对象一步进电机、直流电机和温度模块，如图l - 3 所示。 图1 3 爱迪克公司n 动控制川算机控制宴骑系统 第一章绪论 1 3 数字控制系统的介绍 数字控制系统是以数字计算机作为数字控制器，实现对连续对象( 或过程) 的闭环控制，因此也称为计算机控制系统。它是现代控制理论的重要组成部分。 自1 9 7 5 年美国t e x a s 仪器公司研制开发的第一台单片微型计算机问世以来， 单片机技术已经发展成为计算机技术的一个独立分支。由于单片机原理与应用技 术与数字控制技术有着不可分割的联系，是自动控制方面的必备知识。现代控制 技术是以微控制器为核心的技术，由此构成的控制系统成为当今工业控制的主流 系统。这种系统已取代常规的模拟检测、调节、显示、记录等仪器设备和很大部 分操作管理的人工职能，并具有较高复杂度的计算方法和处理方法，使受控对象 的动态过程按规定方式和技术要求运行，以完成各种过程控制、操作管理等任务。 近几年来，随着嵌入式系统在交通、通信、工业、仪器、医疗等领域的广泛应用， 现代控制技术己深入到各行业的诸多领域。 随着计算机技术的发展，计算机控制理论为数字控制系统提供了分析、设 计的理论的基础。香农( s h a n n o n ) 在1 9 4 9 年提出的采样定理解决了采样值复现信 号的理论问题。1 9 5 2 年被定义的z 变换经过改进，在2 0 世纪5 0 年代末期发展 成熟并引出脉冲传递函数的概念，其为分析、设计采样系统提供了有效的数学工 具。当时，可用差分方程描述离散系统，用差分方程的特征根来定义系统的稳定 性。对于现代工业日趋复杂的问题，1 9 6 2 年庞特里亚金确定了最优化控制理论 的极大值理论，k a l m a n 建立了控制系统的状态空间表示法，奠定了现代控制理 论的发展基础。由于现代控制理论应用于现代航天工业取得了辉煌的成果，故 2 0 世纪6 0 年代初到7 0 年代末掀起了现代控制理论向过程控制领域推广应用的 热潮。除线性多变量系统和最优控制理论外，随机控制、自适应控制和大系统控 制等理论逐步成熟起来。 基于上述情况，数字控制系统的应用得到了空前的发展，特别是单片机控制 系统，作为嵌入式系统的一个主流发展方向，在功能、可靠性、实时性、控制算 法等方面都得到了快速的发展6 1 。随着单片机技术的发展，目前国内在单片机 技术应用领域方面取得了辉煌的成果，主流机型也由原来的5 1 系列单片机逐步 向其他功能更强、体积更小的新型机型变更。随着实践的证明，这些新型机型在 性能方面更加稳定、可靠，并进一步提高了在软件编写方面的效率。本系统主要 使用的a t m e l 公司的新型增强型8 位单片村l a t m e g a l 2 8 就是是目前国内使用的 比较广泛的一种新机型。 6 天津大学硕士学位论文 嵌入式多功能数字控制综合实验台的研究 1 3 1 数字控制系统的组成与功能、 图1 4 数字控制系统组成框图 数字控制系统由数字控制器和工业对象两部分组成，如图1 - 4 所示。数字控 制器由硬件和软件两部分组成。硬件是指数字控制器本身及外围设备实体，其中 数字控制器是数字控制系统的核心部件，主要通过各种接口接收人的指令和各类 工业对象的参数，向系统各部分发送各种命令数据，完成巡回检测、数据处理、 控制计算、逻辑和判断等工作。 前向通道和接口分为模拟量和数字量两种。数字量包括开关量、脉冲量和数 据编码。它们负责单片机与工业对象的信息传递和交换。过程输入通道及接口把 工业对象的参数转换成微机可以接受的数字代码。 后向通道和接口把单片机处理结果转换成可对被控对象进行控制的信号。 人机接口部分包括显示器、键盘、记录仪等，它们是操作人员和单片机进行 联系的工具。 软件是指管理数字控制器的程序以及过程控制的应用程序，由系统软件和应 用软件组成。系统软件通常包括程序设计系统、操作系统、语言处理程序等，具 有一定的通用性。应用软件通常根据用户的要求编写的解决实际问题所配置的各 种程序，包括完成系统内各种控制任务的程序。 工业对象包括被控对象、测量便送、执行机构和电气开关等装置。 1 3 2 数字控制系统的特点 1 ) 程序控制：易于修改，改变控制规律不需修改硬件，通过修改控制子程 序就可以满足不同的控制要求。因此相对于连续控制系统更具有灵活性。 2 ) 精度高：模拟控制器的精度由硬件决定，同一批次的元器件可能具有不 第一章绪论 同的性能，例如电阻、电容的标称值和实际测量值会有不同，达到高精度很不容 易，元器件的价格随精度不同变化很大；而数字控制器的精度与计算机的控制算 法和字长有关，在系统设计时就已经决定了。 3 ) 稳定性好：数控计算机只有“0 ”、“1 ”状态，抗干扰能力强，不象 电阻、电容等受外界环境影响较大。 需要说明的是：数字控制系统的闭环控制与连续系统的闭环控制不同，系统 只根据采样时刻，即离散时间点上的过程变量值进行工作，也就是说数控系统只 是在采样时刻处为闭环控制；在采样时刻之间，数控系统处于开环控制1 。 1 4 课题的研究目的及主要内容 依据我院对测量控制类本科生的教学改革的具体要求，经针对性地分析得 出，市面上现有教学实验仪器或者构造庞大，功能冗余，价格昂贵；或者功能单 一。现有教学实验仪器不能很好的满足教学改革的要求，这就需要根据我院测控 类专业的特殊情况进行量身定制这样一台教学实验仪器。它能够满足测控类专业 多门课程的教学实验要求，提供针对本科生的教学的验证性实验和设计性实验以 及针对研究生的前瞻性实验。 系统拟推出能够集运算放大器模拟实际物理对象、计算机检测与控制以及单 片机检测与控制于一体的多课程综合实验台。对现有的教学仪器取长补短，使实 验更生动、更形象，以解决长期以来学生在学习中的理论和实际脱节的问题。提 高实验对教学贡献的高效性。 由于前面已经研制了基于模拟电路控制方案，因此为了使学生对数字控制系 统有一个全面的认识，增加新的实验方案，特地设计了基于单片机的数字检测与 控制与一体的综合实验系统，利用单片机作为系统的控制核心，增加包含各种 p i d 控制算法、模糊控制算法等最新控制技术的前瞻性实验项目。根据设计需要， 需要制作一台基于单片机的多功能检测控制仪来完成对温度、压力、标准电压 电流信号、以及速度信号的检测与控制。 其中基于单片机的多功能数字控制实验台包含： 1 ) 能接收旋转编码器、测速电机、热电偶、热电阻、压力传感、0 5 v 、 5 v - + 5 v 、4 - 2 0 m a 等信号的高兼容电路，以及后续放大，a d 转换电路。 2 ) 高兼容的适合工业标准输入的输出电路，包括信号变换、开关输出电路、 d a 转换电路等。 3 ) 设计了与上位机通信的r s 2 3 2 异步串口接口电路和兼容u s b l 1 规范的 接口电路。 8 天津大学硕士学位论文嵌入式多功能数字控制综合实验台的研究 4 ) 设计键盘输入检测与l c d 液晶显示的人机接口电路。 5 ) 设计i i c 接口电路，便于系统扩展。 6 ) 在单片机中实现了数字增量式p i d 控制算法。 为了提高学生的实验效率和效果，在教学实验仪器引入功能强大的计算机， 利用计算机与单片机控制系统相结合，并且通过r s 2 3 2 异步串口将模拟控制参 数传递给下位机系统，经过实际运行后将结果传递给上位机，与仿真结果进行对 比。 基于p c 的控制软件包含： 1 ) 用v c 抖编程工具设计虚拟仪器的界面及主程序。 2 ) 编制p i d 控制算法并构建虚拟仪器，完成控制器性能实验。 3 ) 在主程序中能够调用m a t l a b 函数及算法。 第二章嵌入式多功能数字控制综合实验台的理论分析 第二章嵌入式多功能数字控制综合实验台的理论分析 2 1 数字控制系统的组成和实现原理 数字控制系统( d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m ) 是以数字计算机作为数字控制器，实现对连 续对象( 或过程) 的闭环控制，因此也可以称为计算机控制系统。采样是数字控制器 的基本特征，也是与连续控制系统的主要区别。 数字控制系统主要由硬件结构和软件控制算法两部分组成。下面分别从这两部分 对数字控制系统进行描述7 1 。 2 1 1 数字控制系统的硬件组成部分 图2 一l 数字控制系统的硬件组成部分 从图2 1 可以看出，数字控制系统的硬件由控制对象、数字控制器、模拟输入通 道、模拟输出通道和实时时钟5 部分组成。其中： 1 控制对象：工作于连续状态，输入输出都是连续量； 2 数字控制器：工作于离散状态，输入输出是数字量，由微控制器或微处理器 实现； 3 模拟输入通道：由模拟信号调理模块、采样开关、a d 转换器等环节组成，完 成由连续量到数字量的转换； 4 模拟输出通道：由d a 转换器、保持器、后续放大滤波等环节组成，完成由 数字量到模拟量的转换； 5 实时时钟：产生脉冲序列，定时控制系统a d 转换器的工作，完成信号的采 样、并且控制d a 转换器的输出。由微控制器或微处理器内部的定时器实现。 1 0 天津大学硕士学位论文嵌入式多功能数字控制综合实验台的研究 2 1 2 数字控制系统的软件控制部分 图2 - 2 数字控制系统软件控制部分 数字控制系统的软件流程图见图2 2 ，数字控制器通过软件实现所设计的控制规 律( 控制算法) ，控制软件主要主程序和控制子程序组成。 ( 1 ) 主程序的功能是实现系统的初始化设置； ( 2 ) 控制子程序主要是数据采集、控制算法、控制量的输出和存储三部分。 2 1 3 数字控制系统的实现原理 数字控制系统的实现原理是：每经过一定的时间间隔丁( 采样周期) ，对连续偏差 信号进行采样，由模拟输入通道转换成数字量送入微控制器，微控制器根据这些数字 信息按预定的控制规律( 数学模型) 进行运算后求得控制量输出，由模拟输出通道转 换成连续量去控制对象( 或过程) ，从而事系统的动态和稳态特性达到预期的指标7 1 。 第二章嵌入式多功能数字控制综合实验台的理论分析 2 2 基于a t m e g a l2 8 的数字控制数字控制实验仪的组成及实现原理 基于a t m e g a l 2 8 的数字控制多功能实验仪以a t m e l 公司的a v r 系列单片机为 系统主控制器m c u ，整个系统由模拟和数字混合信号组成，前向通道主要完成对温 度、压力、速度传感器的信号调理和采集，通过在m c u 内部设计的数字增量式p i d 控制算法来构成数字控制器，代替了传统模拟控制系统的p i d 校正装置，不仅能够实 现传统p i d 校正装置的功能，而且可以在此基础上进行各种改进，将各种新的控制方 法( 积分分离p i d ，带模糊控制的p i d 和自适应控制) 用于控制系统。系统后向通道 部分主要根据各种不同的控制对象，将经过数字控制器输出的控制量进行信号转换和 调理，从而完成对控制对象的控制。 最后系统通过r s 2 3 2 串行接口完成与上位机的通信，在上位机中通过v c + + 编写 了控制软件，并且在其中调用m a t l a b 来实现控制算法的仿真。 2 2 1 系统的结构框图 。个纂于 脚2 的j ：i 步 串1 1 椽准数宇i oi 标准数字l o2 杯准数字i o3 杯准数学1 0 4 舔予i l c 总线标 准的t w l 接i1 澄艘佟li 压力传llo 5 v 1 4 - 2 0 m a 嬉器翁l 黪器依il 标准绱l| 标准倍 驾聚集li 号聚集lli i i ；采集ll 号采集 主控制器 a t m e g a l2 8 警p w mi 吲l 警p w ml 心徽警 图2 2 系统结构框图 外龆3 2 kr a m 存储器扩展 按键控制接o l c d 显示接口 基予s p ! 总线串 行d a c 接n 基r h i i l i p s d 1 2 芯片的 幅8 1 1 接1 1 基于a t m e g a l 2 8 的多功能控制实验仪，以a v r 的m e g a 系列单片机为核心，在 此基础上设计了热电阻( 热电偶) 温度传感器信号调理电路，压力传感器信号调理电 路，0 - 5 v 标准信号采集电路，4 2 0 m a 标准信号采集电路，4 路普通数字i o 口扩 1 2 天津大学硕士学位论文 嵌入式多功能数字控制综合实验台的研究 展电路，3 路p w m 信号输出电路，一路d a c 单双极性可转换的信号输出电路，一 路光电编码器信号采集与辩向电路，外部扩展3 2 kr a m 存储器，一路基于r s 2 3 2 异 步串行口接口电路，一路基于p h i l i p s 公司p d i u s b d l 2 芯片的u s b i 1 规范的接口 电路，一路兼容i i c 标准的t w l 接口电路，按键与l c d 显示人机接口电路。系统总 的结构框图如图2 2 所示。 2 2 2 系统前向通道的数学模型 压力传感器、流量传感器及热电偶和热电阻等温度传感器，是我们专业传感器 课程中所讲几种标准传感器之一。它们都是将物理信号转换成电信号，然后通过放大 和滤波等信号调理模块将电信号信号转换成“可用信号”，从而进行处理。其组成框 图如图2 - 3 所示”： 图2 3 系统前向通道信号调理模块组成框图 图2 4 信号采样与重构部分 由于数字控制系统采用数字处理器作为系统的控制核心，因而为了与后续的数字 控制器进行接口需要将上述模拟信号进行数字化处理，即我们常说的采样。由此可 见，采样是数字系统的基本特征。本系统采用的是单速率采样系统，即采样的周期t 是常数的情况。 从图2 4 可以看出，信号的采样过程就是连续信号f ( ) 经过采样开关后，转变为 第二章嵌入式多功能数字控制综合实验台的理论分析 脉冲序列厂( ) 的过程。其具体实现原理如图2 - 5 所示m ： 曩l j i 曩l j l 图2 - 5 采样过程 几) = ； q = 了2 n = 2 矾 设理想单位脉冲函数为： 万( ) = o o = 0 甜) ：0 0 采样角频率国g ) 、采样频率( s ) ，则 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) p ( p = 1 则根据图2 - 5 知道，信号( ) 经过采样开关后，转变为脉冲序列+ ( ) 为： 厂( ) = f ( k t + a ) 0 a f ( 2 4 ) 当f 丁时，且丁远小于系统连续部分惯性时f n - 常数时，可视采样开关是理想的， f j 0 。则理想采样过程的时域描述为： 厂( ) = i ( k r ) s ( 一k t )( 2 5 ) = ( ) 万( - k t ) = f ( b ( ) 1 4 天津大学硕士学位论文嵌入式多功能数字控制综合实验台的研究 式中磊( ) = 万( 一灯) 为理想采样开关产生的脉冲序列。 上； 根据式( 2 5 ) 可以看出，模拟信号( ) 的采样过程相当于其被脉冲序列西( f ) 调制， 具体的实现过程如图2 - 6 所示。 ， 图2 - 6 理想采样过程的时域描述 系统采用a t m e g a l 2 8 作为信号采集与控制核心，由于前向通道的输出是模拟量， 要想通过m c u 对其进行处理，必须将前接口的输出信号通过采样保持器，a d 转换 器等模数转换模块进行数字化转换。同时还要进行增益最佳化、规格化、零偏校正、 热电偶冷端补偿、线性化处理和数字滤波等处理。 1 数据采样速率：一般原则是按照系统的不同需要，采取不同的采样速率。流 量、压力、温度的采样频率f 的经验数据分别是1 5 - 1 h z 、1 1 0 1 3 f i z 、1 2 0 1 1 5 h z 。 电机拖动快速系统的采样频率是几百赫兹或几千赫兹。而a t m e g a l 2 8 内部a d 转换 的模块的采样速率高达1 5 k s p s ，系统每隔1 0 m s 对电机速度进行一次采样，因此在数 据采样速率上，系统设计满足要求。 2 增益最佳化：模拟量信号在a d 转换之前要进行放大，以使被转换量落在a d 转换的线性范围之内( 通常在5 0 1 0 0 的满度范围内) ，以提高通道的相对测量精 度。因此要选择合适的量程，使增益最佳化，即能自动挑选最佳增益。本系统 a t m e g a l 2 8 内部a d 转换模块的量程范围为0 5 v ，因此为了满足测量要求，将系统 各个传感器的输出经过放大、滤波等环节的处理后，其值域控制在0 - - - - 5 v 的范围内。 3 模拟信号的规格化：模拟信号的规格是指0 - - 5 v 的模拟信号经过a d 转换电 路的变成规格化的数字量。而a t m e g a l 2 8 内部的a d 模块其精度为1 0 位非线性度为 0 5 l s b ，将模拟量进行转换后，其数字输出量对照表如表2 1 所示，其中o x 0 0 0 代表 o v ，0 x 3 f f 代变5 v ( 实际管脚上的电压为4 9 8 9 v ) 显然满足规格化的要求。 昝i 第二章嵌入式多功能数字控制综合实验台的理论分析 a d c 模拟输入电压增益读出码 0 v 1 0 x 0 0 0 5 m v1o x 0 0 l 1 0 m vlo x 0 0 2 1 5 m vl0 x 0 0 3 2 0 m v 1 0 x 0 0 4 l vl0 x 0 c b 2 vl0 x 1 9 8 2 5 vl0 x 1 f f 5 v】0 x 3 f f 4 零偏校正：由温度和电源等环境因素变化引起的放大器零点漂移，除了方大器 本身的调零电阻校正外，还可通过软件校正。通常是把输入短路时的零漂码取平均值 存入内存，然后在当前测量结果中扣除此零漂值。本系统通过实验获得测量用放大器 的零漂为2 0 m v ，因此在每次的，d 转换结果都扣除上述值进行校正。 5 热电偶冷断补偿：由于热电偶测温基本原理是将两种不同材料的导体或半导体 a 和b 焊接起来，构成一个闭