计算机控制技术第六章-控制系统设计PPT课件

第六章微型计算机控制系统设计 问题的提出 什么是微机控制系统 它与以往的非微机控制系统有和不同 它是如何实现控制的 它的基本组成结构 微机控制系统 其控制核心就是微机 其控制是在微机软件的操作下 由微机按设计者给定的各种算法或控制方式实现对被控对象的控制 它比以往的控制系统在组成上更为简单 在功能上更为强大 可实现更复杂的控制要求 其基本组成为CPU与各所需接口电路的连接 可以为单CPU或多CPU系统也可为微机网络控制系统 控制系统的设计原则 对于不同的控制对象 系统的设计方案和具体的技术指标是不同的 但控制系统的设计原则是相同的 这就是满足工艺要求 可靠性高 操作性能好 实时性强 通用性好 经济效益高 1 满足工艺要求 设计计算机控制系统时 首先应满足生产过程所提出的各种要求及性能指标 设计的控制系统所达到的性能指标不应低于生产工艺要求 但片面追求过高的性能指标而忽视设计成本和实现上的可能性也是不可取的 2 可靠性要高 对工业控制的计算机系统最基本的要求是可靠性高 否则 一旦系统出现故障 将造成整个控制过程的混乱 会引起严重的后果 由此造成的损失往往大大超出计算机控制系统本身的价值 3 操作性要好 操作性能好包括两个含义 即使用方便和维护容易 使用方便 操作面板的设计既要体现操作的先进性 又要兼顾原有的操作习惯 控制开关不能太多 太复杂 尽量降低对使用人员专业知识的要求 使他们能在较短时间内熟悉和掌握操作 硬件维修容易 即一旦发生故障 易于查找和排除 从软件角度而言 要配置查错程序和诊断程序 以便在故障发生时能用程序帮助查找故障发生的部位 从而缩短排除故障的时间 4 实时性要强 计算机控制系统的实时性 表现在对内部和外部事件能及时地响应 并作出相应的处理 不丢失信息 不延误操作 计算机处理的事件一般分为两类 一类是定时事件 如数据的定时采集 运算控制等 对此系统应设置时钟 保证定时处理 另一类是随机事件 如事故报警等 对此系统应设置中断 并根据故障的轻重缓急预先分配中断级别 一旦事故发生 保证优先处理紧急故障 5 通用性要好 计算机控制系统的通用性体现在两方面 一是硬件设计方面采用标准总线结构 配置各种通用的功能模板或功能模块 以便在需要扩充时 只要增加相应板 块就能实现 即便当CPU升级时 也只要更换相应的升级芯片及少量相关电路即可实现系统升级的目的 其次 在系统设计时 各设计指标要留有一定的余量 如输入输出通道指标 内存容量 电源功率等 二是软件方面 应采用标准模块结构 尽量不进行二次开发 主要是按要求选择各种软件功能模块 灵活地进行控制系统的组态 6 经济效益要高 计算机控制应该带来高的经济效益 要有市场竞争意识 经济效益表现在两方面 一是系统设计的性能价格比要尽可能的高 在满足设计要求的情况下 尽量采用物美廉价的元器件 二是投入产出比要尽可能的低 应该从提高生产的产品质量与产量 降低能耗 消除污染 改善劳动条件等方面进行综合评估 第一节微机控制系统设计的一般步骤 不管控制对象如何多样化 复杂化 计算机控制系统的设计一般可分为以下几个步骤 1 系统总体方案设计微型计算机的选择2 控制算法设计3 硬件设计4 软件设计5 系统调试等 一 确定系统总体控制方案 构思系统的总体方案 应从以下几方面入手 1 考虑系统结构确定 采用集中控制还是分散控制 是开环控制还是闭环控制 2 执行机构采用什么方案 电动 气动 液动或其它驱动方式3 有否特殊控制要求 特殊要求应采取那些措施 如精度 干扰环境影响等 4 确定计算机在整个控制系统中所起的作用 是直接数字控制还是数据处理 监督控制等 设计一个控制系统之前 熟悉生产工艺流程 了解系统的控制要求 明确系统要完成的任务和要达到的最终目标 二 确定控制算法 系统的数学模型是设计控制算法的基础 数学模型是系统运动规律的数学描述 它反映了系统内部各个环节之间的内在联系 在已知系统数学模型的前提下 根据性能品质的要求 运用古典的控制理论方法或现代控制理论方法设计出所需的控制规律 控制算法就是可程序化设计的系统控制规律 控制算法的设计直接影响控制系统的品质 甚至决定整个系统的成败 经典的PID控制法 它不依赖于系统精确的数学模型 容易用普通微处理器完成 在工业控制领域中应用仍十分广泛 但对于一些复杂的工业过程 如多输入 多输出系统 各变量或状态之间存在相互影响 PID算法就显得无能为力了 现代控制理论和智能控制技术为解决这类复杂系统的控制问题提供了有效的方法 如预测控制 自适应控制 最优控制 专家系统 模糊控制 神经网络控制等等 不过这些复杂的控制算法只能依赖于高性能的微型计算机来实现 三 选择计算机所选计算机应满足以下要求 完善的中断系统 足够的存储容量 完备的I O通道和实时时钟通常选择工业控制计算机 工控机 工控机为模块化设计 可根据控制对象的要求选用扩展接口模块 对小规模的控制对象 可选择单板即或单片机 微机的选择还应考虑运算的复杂程度和其运算速度 系统的价格性能比等因素 由于控制对象多种多样 要求控制系统达到的功能也各不相同 这使得计算机控制系统的构成方式和规模大小也具有多样性 四 系统总体设计 硬件软件功能分配与协调大量使用硬件会增加成本 影响系统可靠性 增加软件 系统速度相应降低 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 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接口电路I O信号的交换方式 中断控制读取I O方式 直接存储器存取方式 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 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 可靠性设计 五 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 六 软件设计 软件 系统软件应用软件 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 程序编排和分配 软件装配和总调 软件设计的善后工作 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 第二节微型计算机控制系统的软件 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 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 它具体对应了一个函数 一个过程或者是一个子程序的调用过程 4 参数传递约定在定义或说明时用形式参数 调用时则替换成实际参数 参数传递方式 传值 传址 传名 传结果2 C语言程序对汇编语言程序的调用1 C语言程序中的接口处理 命名约定 调用约定 参数传递约定 2 汇编语言中的接口处理 在定义和编写汇编语言程序的被调用过程时 应以下划线开头 并用PUBLIC说明 如果C语言程序以巨型 大型 存储模式编译 被C语言调用的汇编过程应说明成fa 小型 紧凑型存储模式编译 被调用的汇编过程应说明成NEAR 考虑调用约定 在被C语言调用的汇编过程中用指令RET返回 而在BASIC等其他语言中要求用指令RETn返回 根据缺省默认 C语言的参数传递方式是传值 但数组总是采用传址方式 3 汇编语言程序对C语言程序的调用1 命名约定2 调用约定3 参数传递的方式4 微型计算机控制系统的研制工具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1 数字滤波器 算术平均值滤波 算术平均值滤波程序流程图 算术平均值滤波的优点与缺点优点 算法简单 运算量小 适合变化慢的参数 缺点 N值不能太大 不适合脉动性较大的参数 中值滤波方法为 将N次采样的数据按大小顺序排列 取中间的一个值中值滤波程序流程图 中值滤波的优点与缺点优点 可取掉脉动干扰缺点 N值不能太大 对快速变化的参数不合适 一阶滞后滤波 一阶滞后滤波程序流程图 优点与缺点优点 为动态滤波 适合变化快的参数缺点 难以确定a参数的选择 程序判断滤波 方法为 对两次采样数据比较 大于最大允许值 则为干扰 不要该次采用值 小于时可以用 限幅滤波程序流程图 有限幅滤波和限速滤波两种方法 1 限幅滤波 注意书中流程错误 优点与缺点优点 简单 能有效的去掉干扰信号 缺点 难以准确的确定 X 限速滤波 限速滤波程序流程图 方法为 对三次采样数据比较 若 X2 X1 X 则X2为滤波值 若 X2 X1 X 则X2不为滤波值 在取第三次采样值X3 若 X3 X2 X 则X3为滤波值 若 X3 X2 X则以 X3 X2 2为滤波值 优点与缺点优点 简单 实时性强 2 线性化处理 分段线性插值 何为线性化处理 实际被测物理对象的输入与输出之间并非为一线性关系 实际被测物理对象的输入与输出之间存在着非线性关系 而在实际控制中总是希望被测物理对象的输入与输出之间存在着非线性关系 分段越多 得到的线性关系越好 3 数码显示 两位十进制数显示程序流程图 显示前应将二进制转换成十进制 然后用十进制数查对应的显示码 4 越限报警处理程序 在实际控制中 如果被控对象的参数超过某个给定值时或低于某个给定值时 一般要设置上下限报警 如对温度或压力的控制中 如过温度高于或低于某个值时 报警 4 越限报警处理程序 5 PID控制算法程序 注意 书中给出的程序为32位机的指令编写的 第四节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 系统组成 微型计算机 输入通道 输出通道 2 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 特点 采用了由V F变换器和定时计数器组成的A D转换器 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F 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 则在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 上图为现代常用的方法 其中 信号变送器与传感器可选用标准的仪器 其输出有5 20mA或0 5V 0 10V 不需要在设计放大电路和线性化设计 光电藕合电路有模拟量和数字量两种形式 可以防止大电压进到计算机里将计算机烧毁 在这里要选用线性度能满足要求的器件 多路开关的选用要根据实际要求设计 如果要求测量精度不高时 可选用AD0809 一个电路有8路输入 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 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 P 输入电炉的功率 R 负载有效电阻 U 电网电压 n 允许导通的波头数 N 设定的波头数 当n 0时 电炉的输入功率为零 n N 电炉的输入功率为满功率 晶闸管数字触发输出通道设计过零检测同步脉冲电路 采用可关断的电力电子器件的输出通道设计现代最先进的方法是PWM方法 这种方法的优点是精度高 驱动电路简单 效率高 PWM的工作原理 用PWM调制的方法 把恒定的直流电源电压调制成频率一定 宽度可变的脉冲电压系列 从而可以改变平均输出电压的大小 0 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 常用的给定输入方法还有 1 电位器给定 但这种方法占用A D通道 精度难以控制2 由键盘直接输入 这种方法精度高 不占用A D通道 但要设计专用的输入键盘 对硬件和软件都要要求 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 数码显示的特点是设计简单 经济 缺点是单一 常见的显示器硬件连接方式 直接与数据总线连接 注意 共阴极电路要求七段码值为共阴极码值 共阳极电路要求七段码值为共阳极码值 1 2 3 4 共阴极 80H 81H 82H 83H G2A G2B G1 C B A M IO A0 A1 A2 A7 A6 A3 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 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