第6章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 一 系统总体控制方案设计 一 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 第一 要从系统构成上考虑 确定是采用开环控制还是闭环控制 哪些物理量需要检测 采用何种检测元件 检测精度要求如何 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 第二 确定计算机在整个控制系统中所起的作用 是给定计算 直接控制还是数据处理 监督控制等 确定计算机应承担哪些任务 为完成这些任务需具备哪些功能 需要设计哪些输入输出通道和配备什么样的外围设备 2 完成系统设计的任务书 画出系统构成的粗框图 二 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 三 接口设计 1 选用专门的功能接口板 2 选用通用接口电路 3 用集成电路自行设计接口电路 四 通道设计确定本系统应设置一些什么样的通道 每个通道有几部分组成 各部分选用什么器件等 1 开关量 输入要解决电平转换 去抖动及抗干扰等问题 输出要注意驱动功率和输出隔离等问题 2 数字量 确定数据的传送方式 并行 串行 设计相应的接口电路 3 模拟量 输入通道一般包括信号处理电路 标度变换 滤波 隔离 电平转换 线性处理 采样单元 采样保持器和放大器 A D转换器等 输出通道主要由D A转换 放大器等组成 4 脉冲量 隔离元件 分频或倍频电路 计数器 定时器等组成 五 操作员控制台设计有一组或几组数据输入键 数字键盘或拨码开关 用于输入或更新给定值 修改控制器参数或其他必要的数据 有一组或几组功能键或转换开关 用于转换工作方式 启动 停止系统运行或完成某种特定的系统操作功能 有一个显示装置或显示屏 用于显示状态 参数及故障指示等 有一个 紧急停止 按钮 用于在紧急事故时停止系统运行 转入故障处理 控制台设计时必须明确这些转换开关 按钮 键盘 数字显示器或状态 故障指示灯等的作用和意义 仔细设计控制台的硬件及其相应的控制台管理程序 使系统的操作即方便灵活 又安全可靠 即使操作失误也不至于引起严重的后果 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 从选择微处理器芯片开始 配置适当的存储器和接口电路 选择合适的总线 继而进行插件板和印刷电路板的设计 最后进行组装 并和设计好的软件一起进行调试 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 系统结构完备 外围设备齐全 有丰富的系统软件资源 部件标准化 模块化 常用于大型控制系统 优点 控制功能强 设计工作量小 研制周期短 缺点 成本高 体积庞大 可靠性差等 4 通用工业控制计算机系统方案 对通用微型计算机系统进行了改进 是当前乃至今后微型计算机控制系统的优选方案之一 二 微型计算机系统性能指标选择1 完善的中断系统实时控制性能 一是在系统正常运行时的实时控制能力 二是在发生故障时紧急处理的能力 2 足够的存储容量当内容容量不足以存放程序和数据时 应扩充内存 有时还应当配备适当的外部存储器 硬盘 软盘 3 完备的输入输出通道和实时时钟完备的输入输出通道是微型计算机和外部过程交换信息的通道 实时时钟在系统实时控制中给出时间参数 记下事件发生的时刻 同时使系统能按规定的时间顺序完成各种操作 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 控制算法设计 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 四 硬件设计 根据系统总体框图 设计出系统电气原理图 再按照电气原理图着手元件的选购和线路设计工作 五 软件设计 是系统设计的重要组成部分 实时性 针对性 灵活性和通用性 可靠性 6 系统联调 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 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 第二节微型计算机控制系统的软件 一 软件的分类 一 系统软件系统软件是为了提高微型计算机使用效率 扩大功能 为用户使用维护和管理微型计算机提供方便而专门设计的一类程序 它具有通用性 1 操作系统 对计算机进行管理和控制2 语言加工系统 1 编辑程序 2 编译程序 3 连接 装配程序 4 调试程序 5 子程序库3 诊断系统 维护计算机 二 应用软件所谓应用软件就是面向控制系统本身的程序 它是根据系统的具体要求 由用户自己设计的 在进行计算机控制系统设计时 大量的工作就是如何根据各个生产过程的实际需要设计应用程序 1 控制程序 实现对系统的调节和控制 满足系统的性能指标 2 数据采集及处理程序可靠性检查 A D转换及采样 数字滤波 线性化处理3 巡回检测程序数据采集 越限报警 事故预告 画面显示 4 数据管理程序统计报表 产品销售 生产调度及库存管理程序 产值利润预测等 二 应用程序的语言选择及设计步骤 一 语言选择1 机器语言2 汇编语言 程序执行速度快 要求的硬件少 3 高级语言 运算能力强 编写方便 4 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 二 应用程序的设计步骤和方法1 问题定义 明确要完成哪些任务及执行什么程序 决定输入 输出的形式 决定于接口硬件电路的连接配合以及出错处理方法 2 程序设计 利用程序对任务做出描述 即编写源程序 3 编码 指把源程序转换成微型计算机能执行的指令代码4 调试 利用诸如断点 单步跟踪以及模拟运行等手段检查程序的正确性 5 改进和再设计 根据现场运行情况对原设计作修改 或者为了扩充功能对程序进行改进和补充 编写程序之前 一般应绘制流程图 通过流程图可以直接观察整个系统各部分程序之间的关系 从中找出逻辑错误和程序之间的不相容性 图6 1流程图的三种基本结构 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语言程序调用汇编程序举例例 用汇编过程完成计算 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 微型计算机开发系统是针对微处理器的应用而专门设计的一种通用型开发工具 它为用户系统的硬件 软件综合研制提供了强有力的支援 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 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 一 算术平均值滤波 找一个Y 它与各采样值Xk之间误差的平方和E为最小 即其中N为采样次数 根据极值原理得该方法是把n次采样值进行相加 然后取其算术平均值为本次采样值 算术平均滤波主要对压力 流量等周期脉动的采样值进行平滑加工 它不适用于脉冲干扰比较严重的场合 平均次数N 取决于平滑度和灵敏度 随着N值的增大 平滑度提高 灵敏度降低 二 中值滤波 中值滤波就是对某一个被测参数连续采样N次 一般N取奇数 然后把N次的采样值从小到大 或从大到小 排队 再取中间值为本次采样值 中值滤波去掉脉动性的干扰比较有效 但对快速变化过程的参数不宜采用 N值不宜太大 否则滤波效果反而不好 且总的采样时间以及数字滤波处理时间将增长 一般取N为3 5即可 三 一阶滞后滤波对于快速随机变化的参数 通常采用动态滤波方法 如一阶滞后滤波方法 表达式为yk 1 xk yk 1式中xk为第k次采样值 yk为第k次采样或滤波结果输出值 yk 1为上一采样周期滤波结果输出值 为滤波平滑系数 为滤波环节的惯性滞后时间常数 T为采样周期 若选定了 和T 则 和1 为常数 四 程序判断滤波程序判断滤波是将两次采样数据进行比较 求出差值 如差值大于最大允许偏差 则表明本次采样数据是干扰所致 要舍去 如偏差小于最大允许偏差 本次采样数据有效 无干扰或干扰不严重 1 限幅滤波限幅滤波规定两次采样值偏差的绝对值不超过某一数值 若超过该规定值 表明随机干扰的影响不容忽视 舍去当前采样值 算式为 若 则本次采样值x2为真实信号 是有效采样值 若 则以上一次采样周期的有效值为真实信号 舍去当前采样值 x为两次采样值差的可能最大变化范围 x的选择取决于两次采样间隔时间和X的动态响应速度 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 二 线性化处理 1 线性插值原理输入x和输出y之间有非线性函数关系y f x 输入输出特性曲线如图6 8所示 可按一定规律分成若干段 把相邻段用直线连接 即可很方便求出任一输入值x所对应的输出值y 设x在 xi xi 1 区间内 其对应的逼近值为或ki为第i段直线的斜率 只要n取得足够大 即分段足够多 就可获得良好的非线性转换精度 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 三 数码显示多用LED数码管 其特点是体积小 功耗低 响应速度快 易于匹配 寿命长 可靠性高 有软件查表显示和硬件译码显示两种 四 越限报警处理程序由采样读入的数据或经计算机处理后的数据是否超出工艺参数的范围 计算机要加以判断 如超越了规定的数值 就要通知操作人员采取相应措施 确保安全 越限报警分 上限报警 下限报警和上下限报警 如需报警的变量是xn 上下限约束值分别是xmaxn xminn 则上下限报警的物理意义如下 1 上限报警若xn xmaxn 则上限报警 否则继续执行原操作 2 下限报警若xn xminn 则下限报警 否则继续执行原操作 3 上下限报警若xn xmaxn 则上限报警 否则对下式做判断 若xn xminn 则下限报警 否则继续原操作 五 PID控制算法程序在计算机内 数可以用浮点数和定点数两种形式表示 定点数又有整数和纯小数之分 浮点数一般用三个字节表示 占用内存较多 浮点运算程序比较复杂 由于表示一个数的有效位比定点数多 因此运算精度比较高 在控制精度要求很高 而调节速度要求缓慢的控制系统中 才宜采用浮点数运算 否则应采用定点数运算 一 位置式PID控制算法程序位置式PID控制算法的表达式为 1 式中 为第k次采样时刻的PID控制输出 将式 1 改写为式中实现式 2 的流程图如图6 13所示 R k 为给定输入 F k 为反馈值 设所有参数均用补码表示 且高字节为整数部分 低字节为小数部分 二 增量式PID控制算法程序增量型PID控制算法的表达式为 3 式中实现式 3 的程序流程图如图6 14所示 第五节设计举例2 微型计算机温度控制系统设计 一 系统总体方案设计本设计控制对象是六温区网带式连续烧结电阻炉 每个温区的温度在600 1000度范围内连续可控 各温区的温度既可自动设定 也可以人工设定 要求系统能够对六个温区的温度巡回检测 显示和定时打印 网带由直流电机拖动 其运行速度由调速系统控制 一 确定系统的控制任务1 6个温区的温度给定 2 6个温区温度的闭环直接数字控制 3 6个温区温度巡回检测 显示和定时打印 此外 还要实现系统升温 保温状态指示 超温 断偶报警等功能 炉温控制为慢速过程控制 六个温区可用一台微型计算机分时控制和检测 考虑每个温区作为一个控温点 温度检测方案可采用常规的热电偶配用温度变送器的方案 所以系统需要模拟量的输入通道 本系统拟采用晶闸管作为功率放大器件 对电阻丝提供可控的功率输入 系统相应的要有晶闸管控制电路和微型计算机的接口电路 六个温区应设立相对独立的温度控制输出通道 此外 系统还应有各温区温度设定的输入电路和接口 以及数码显示和打印机的输出接口电路 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检测元件 热电偶 变送器和ADC0808等组成 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 变送器由毫伏变送器和电流 电压变送器组成 毫伏变送器用于把热电偶输出的0 41 32mV变换成0 10mA范围内的电流 电流 电压变送器用于把毫伏变送器输出的0 10mA电流变换成0 5V范围内的电压 调节温度变送器的零点偏移 把零点移至600度 即温度在600度以下时 变送器输出电流为0 而当温度为1000度时 变送器输出电流为10mA 再调节变送器输出端的可变电阻R 使此时经A D转换后输出的数字量为0FFH 则分辨率为1 56度 步 本系统采用ADC0808进行数 模转换 六个温区的温度通过传感器和变送器后分别接至ADC0808的IN0 IN1 IN2 IN3 IN4和IN5 由程序控制每一个温区被控参数的读入 CPU对A D转换数据的读取采用中断方式 具体用法参考第二章第六节内容 P80 图2 74 2 晶闸管数字触发输出通道设计双向晶闸管和加热丝串接在交流回路 因此晶闸管导通时间决定加热丝的加热功率 本系统晶闸管采用调功方式 触发电路采用过零触发方式 晶闸管总是在正弦电压过零点触发导通 这样负载上得到的电压为一正弦波 电压每次过零时 晶闸管是否导通是可控的 式中 P为输入电路的功率 R为负载有效电阻 U为电网电压 n为允许导通的波头数 N为设定的波头数 下图给出了晶闸管在给定周期T内具有不同导通时间的情况 n 1 n 2 n 4 n N 8 过零信号是正弦交流电压过零时刻的同步脉冲 可使可控硅在交流电压正弦波过零后触发导通 过零同步脉冲由过零触发电路产生 如下图所示 图6 32是导通波头数控制电路 其作用是对N和n计数 并在设定的N个波头数内 当n个波头导通完毕后 停止对晶闸管的触发 以达到调节六温区加热元件功率的目的 n由数字是调功器的输出值确定 并被送到8253计数器 N一般是选定一个固定的值 3 拨码盘给定输入通道拨码盘作为数字输入 操作简单 直观明了 码盘值以硬件方式保存 计算机可以随时通过码盘输入口读入码盘值 本系统中 共使用22片4位BCD码输入的拨码盘片 分别作为六个温区的温度给定和电动机的速度给定 输入接口电路可用锁存器和译码器进行扩展 4 数码显示输出通道本系统中共用了五位LED七段显示器 其中四位用于显示一个4位数 对于炉温 这四位包括三位整数和一位小数 对于网带速度 这四位包括两位整数两位小数 另一位则显示各温区代号和网带速度代号 5 打印机输出通道实时记录温度是工业过程温度控制的一项有效监控手段 本系统用九针打印机实时记录温度数据 二 微型计算机选择本系统选用STD总线标准的模块式工业控制计算机机型 主机板采用8098单片机多功能CPU模板 主频6MHz 另外配备了显示及操作面板接口模板 打印机接口模板和A D转换模板 三 控制算法设计为了实现对电炉的温度自动控制 首先要求已知电炉的数学模型 对晶闸管加入一个阶跃电压 令其全部导通 测量电炉的温度变化 可得到电炉的响应曲线 从响应