教学PPT微型计算机控制系统设计.ppt

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i o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a d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a 2b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 externintpower2 int int main printf 3times2tothepowerof5is d n power2 3 5 汇编语言程序caa asmmodelsmallcodesegmentpublic power2 power2procnearpushbpmovbp spmovax bp 4 movcl bp 6 shlax clpopbpret power2endpcodeends 四 微型计算机控制系统的研制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3 5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 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xn xmax 则上限报警若xn xmin 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 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600 1000 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600 1000 检测元件选用镍铬 镍铝热电偶 适用于0 1000 的温度测量范围 相应输出电压为0mv 41 32mv 经变送器变换成0 10v 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 多路模拟开关cd4051 c a d转换由v f变换器和定时计数器组成v f转换输入通道的结构通常为 设v f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 a d转换结果的分辨率为i 则有 取ts 1s 若v f的输出频率范围0 10khz内 可以得到13位的a d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 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v f变换及a d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 6 6矩阵 u k 6 1矩阵 a 6 6矩阵 b 6 6矩阵 对于系统的每一个温区 其简化动态结构 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 a d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务 读取a d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