微型计算机控制系统设计PPT课件

1 第六章微型计算机控制系统设计 第一节控制系统设计的一般步骤 第二节微型计算机控制系统的软件 第三节常用应用程序设计 第四节设计举例一 微型计算机控制直流伺服系统设计 第五节设计举例二 微型计算机温度控制系统设计 2 第一节控制系统设计的一般步骤 微型计算机控制系统设计一般可分为以下几个步骤 系统总体控制方案设计 微型计算机选择 控制算法设计 硬件设计 软件设计 系统联调 这一步决定了系统整体控制方案 即设计方案应满足性能指标先进 方案合理 可行 可靠性高 性能 价格比好的要求 并且尽可能做到具有一定的通用性 可移植性和便于扩充等 一 系统总体控制方案设计 一 确定控制任务 二 硬件软件功能分配与协调 微型计算机控制系统是由硬件和软件共同组成的 对于某些既可用硬件 3 扩充接口的方案很多 要根据控制要求 能够得到何种元件和扩充接口的方便程度来确定 通常有下述三种方法可供选用 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 接口设计包括两个方面的内容 一是扩充接口 二是安排通过各接口电路输入输出端的输入输出信号 选定各信号输入输出时采用何种控制方式 软件与硬件功能分配要根据各自的特点和实际应用的具体情况来决定 1 实现 又可用软件实现的功能 在进行设计时 应充分考虑硬件和软件的特点 合理地进行功能分配与协调 4 四 通道设计 输入输出通道是计算机与被控对象相互交换信息的部件 输入输出通道有数字量的输入输出通道 开关量的输入输出通道 模拟量的输入输出通道以及脉冲量的输入输出通道 五 操作员控制台设计 控制台一般有下列功能 1 有一组或几组数据输入键 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 2 有一组或几组功能键或转换开关 用于转换工作方式 起动 停止系统运行或完成某种特定的系统操作功能 3 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 5 4 有一个 紧急停止 接钮 用于在紧急事故时停止系统运行 转入故障处理 二 微型计算机选择 微型计算机选择包括微型计算机系统构成方案选择和微型计算机系统功能以及性能指标选择 一 微型计算机系统构成方案选择 1 组装方案 缺点是要求设计者知识的深度和广度都比较高 设计工作复杂 工作量大 要编写全部软件 研制周期长 所以 这种方式决不是优先考虑的方案 特别在需要量不大的情况下 就更应当避免采用这种方案 6 选用单板机方案的优点是工作量大大减少 成本低 对设计工作者的知识要求也比较低 因此在微型计算机应用的初期用得较多 3 通用微型计算机系统方案采用这种方案的优点是控制功能强 设计工作量小 研制周期短 但其缺点也比较明显 4 通用工业控制计算机系统方案 它是当前乃至今后微型计算机控制系统的优选方案之一 二 微型计算机控制系统性能指标选择 从应用于生产机械或生产过程实时控制的角度出发 微型计算机应能满足下述基本要求 1 完善的中断系统 2 单板机或单片机方案 7 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 首先是字长 其次是指令的执行速度 第三是指令系统 2 足够的存储容量 三 控制算法设计 控制算法设计必须以系统的数学模型为基础 数学模型是系统运动规律的数学表达 它反映了系统输入 输出以及内部状态变量之间的逻辑和数量关系 控制算法就是可程序化设计的系统控制规律 控制算法设计要根据具体控制对象 控制性能指标要求以及所选用的微 8 型计算机对数据的处理能力来进行 在设计中要注意以下几个问题 第一 控制算法对系统的性能指标有直接的影响 因此 选定的控制算法必须满足控制速度 控制精度和系统稳定性的要求 第二 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 但具体到一个特定的控制对象上 必须有分析地选用 在某些情况下可能还要进行必要的修改和补充 第三 当控制系统比较复杂时 满足控制性能指标的控制规律也比较复杂 相应的控制算法的实现就比较困难 控制算法设计要充分考虑其可实现性 四 硬件设计 硬件是系统可靠性的基础 忽视硬件设计不可能得到高质量的控制系统 9 从电路工作原理的设计 硬件元件的选定 筛选 刀印刷电路板的设计制作和焊接调试 每一环节都必须认真做好 才能保证硬件的质量 五 软件设计 六 系统联调 联调通常分两步进行 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 在工业试验中 还要考虑安全 抗干扰等问题 微型计算机控制系统设计的过程是一个不断完善的过程 10 第二节微型计算机控制系统的软件 一 软件的分类 微型计算机控制系统中的软件分为系统软件和应用软件两大部分 一 系统软件 1 操作系统 2 语言加工系统 3 诊断系统 11 二 应用软件应用程序的功能 1 控制程序 控制程序主要实现对系统的调节和控制 它根据各种各样的控制算法和千差万别的被控对象的具体情况来编写 控制程序的主要目标是满足系统的性能指标 2 数据采集及处理程序 它主要包括数据可靠性检查程序 用来检查是可靠输入数据还是故障数据 A D转换及采样程序 数字滤波程序 用来滤除干扰造成的错误数据或不宜使用的数据 线性化处理程序 对检测元件或变送器的非线性特性用软件进行补偿 3 巡回检测程序 12 除包括数据采集程序之外 还包括越限报警程序 用于在生产中某些量超过限定值时报警 事故预告程序 生产中某些量不允许超过限定值 从这些量的变化趋势来看若有可能超过限定值 则发出事故预告信号 画面显示程序 用图 表在CRT上形象地反映生产状况 4 数据管理程序 这部分程序用于生产管理部分 主要包括统计报表程序 按生产管理部门要求的格式打印各种报表 产品销售 生产调度及库存管理程序 产值利润预测程序等 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 13 2 汇编语言 3 高级语言 二 应用程序的设计步骤和方法 应用程序的设计通常分下列五个步骤 问题定义 程序设计 编码 调试 改进和再设计 问题定义阶段是要明确微型计算机完成哪些任务及执行什么程序 决定输入 输出的形式 决定与接口硬件电路的连接配合以及出错处理方法 程序设计是利用程序对任务作出描述 即编写源程序 编程是指把源程序转换成微型计算机能执行的指令代码 调试是利用诸如断点 单步跟踪以及模拟运行等手段检查程序的正确性 改进和再设计是根据现场运行情况对原设计作修改 或者为了扩充功能 14 对程序进行改进和补充 程序设计通常采用模块程序设计法和结构程序设计法 模块程序设计法就是把整个程序分成若干子任务或模块 各个模块分别设计 调试成功之后再安装配在一起 成为一个完整的程序 结构化程序设计的基本思想是 任何程序都可用三种基本结构表示 即顺序结构 选择结构和循环结构 如图所示 15 三 高级语言和汇编语言的混合编程 一 混合语言编程的基本概念 1 程序接口 2 命名约定 3 调用约定 二 C语言程序对汇编语言程序的调用 2 汇编语言中的接口处理 1 为了与C语言命名约定相符 在定义和编写汇编语言程序的被调用 16 过程时应以下划线开头 并用PUBLIC说明 过程名最好不要超过8个字符 2 如果C语言程序以巨型 大型 或者中型存储模式翻译 被C语言调用的汇编过程应说明成far 3 考虑调用约定 C语言程序向汇编过程传送参数是通过堆栈进行的 而C语言参数压栈的顺序与参数在调用时参数表中出现的顺序相反 C语言的堆栈结构图 17 4 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 5 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 综上所述 用C语言调用汇编程序的步骤为 1 按各种约定编写并汇编语言源程序 得到可重新定位的目标文件 注意下划线 PUBLIC和BP的使用 2 按约定编写C语言程序 编译后得到目标文件 注意extern和参数的类型的使用 3 将两种语言程序的目标文件连接成一个可执行的文件 4 运行该执行文件 18 三 汇编语言程序对C语言程序的调用 首先是命名约定 其次是调用约定 第三 参数传递的方式是保证正常调用的关键 四 C语言程序调用汇编程序举例 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 联机仿真器以及单板机 交叉汇编程序 模拟仿真程序等 联机仿真器是微型计算机控制系统设计和调试的有力工具 利用联机仿真器可以很方便地实现以下开发手段 19 第三节常用应用程序设计 定义通用寄存器如右 一 数字滤波 与模拟滤波器相比有以下优点 1 数字滤波用程序来完成 可以多个输入通道 共用 一个滤波程序 2 数字滤波不需要硬件设备 因而可靠性高 稳定性好 各回路之间不存在阻抗匹配等问题 3 数字滤波可以对频率很低的信号滤波 4 通过改变数字滤波程序就可以实现不同的滤波方法或调整滤波参数 比修改模拟滤波器的硬件灵活 方便 20 一 算术平均值滤波 算术平均值滤波是寻找这样一个Y 它与各采样值Xk之间误差的平方和和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 其程序流程图如图所示 21 二 中值滤波中值滤波程序的流程图如图所示 22 三 一阶滞后滤波 一阶滞后滤波方法 其表达式为 流程图如下图所示 四 程序判断滤波 程序判断滤波分为限幅滤波和限速滤波两种 1 限幅滤波如下图所示 23 2 限速滤波 二 线性化处理 1 线性插值原理 24 设在区间内 则其对应的逼近值为 或 2 线性插值的计算机实现步骤 三 数码显示 数码显示用得最多的是LED数码管 LED数码管显示器件的特点是 体积小 功耗低 响应速度快 易于匹配 寿命长 可靠性高 用数码管显示数字和字符的基本形式有软件查表显示和硬件译码显示两种 25 如图所示为显示两位十进制数码的程序流程图 26 四 越限报警处理程序 越限报警是工业控制过程常见而又实用的一种报警形式 它分为上限报警 下限报警及上下限报警 27 五 PID控制算法程序 数字PID控制算法 在微型计算机控制系统中已被广泛应用 是微型计算机控制系统的常用程序之一 一 位置式PID控制算法程序 位置式PID控制算法的表达式为 控制算法的流程图如图所示 28 二 增量型PID控制算法程序 增量型PID控制算法的表达式为 流程图如右图所示 29 第四节设计举例一 微型计算机控制直流伺服系统设计 直流传动系统的主要优点是控制特性优良 能在很宽的范围内平滑调速 调速比大 起制动性能好 定位精度高 一 总体控制方案设计 一 确定系统的控制任务 已知系统中直流电动机的主要数据如下 电流调节器的控制输出值作为计数值直接送到计数器生成PWM信号 30 则PWM信号发生器和PWM功率放大器形成的数字控制量到模拟电压输出量之间的增益为 经上述考虑 本系统组成的粗框图如图所示 31 二 输入输出通道及其接口设计 1 电流反馈通道 电流反馈通道由霍尔元件 两级运算放大器和A D转换器组成 2 转速反馈通道 转速反馈通道由光速电脉冲发生器 光电隔离器PC900 可编程门阵列GAL16V8和计数器 定时器等组成 3 位置反馈通道 位置反馈通道由光电脉冲发生器 光电隔离器PC900 可编程门阵列GAL16V8以及计数器T1和计数器T2组成 电动机在一个位置环采用周期内位置偏移量为 32 4 控制输出通道 控制输出通道由8254计数器的两个计数通道 0计数器和 1计数器构成 5 伺服系统给定输入通道 伺服系统给定输入方式比较简单的有拨码开关 模拟旋钮和脉冲发生器等 给定输入通道由上位微型计算机 电平转换电路MC1488 MC1489和串行通信接口电路组成 33 二 微型计算机选择 Intel8086微处理器构成全数字式三环直流伺服系统的控制方案 其原理框图如图所示 34 我们选用8097单片机 它是MCS 96系列的一种型号 根据8097单片机德特点 可设计原理框图如下图随时的全数字式三环直流伺服系统控制方案 35 一 变T法速度检测 高速脉冲输入单元 HIS 是MCS 96系列单片机中很有特点的内部硬件资源 HIS单元的结构如图所示 36 二 硬件与软件的功能分配 系统软件的主要任务有 1 系统初始化 系统初始化包括设定堆栈指针 给主程序标志寄存器送初始状态值 对电流调节器 速度调节器 位置调节器设定初始状态值和参数 给A D转换器 HSI SIO 8254等硬件送控制字 确定它们的工作方式和初始工作参数 2 对电流反馈 速度反馈 位置反馈采样 包括读A D的转换结果 读HSI事件的时间值和状态值 并按堆栈方式存储 读计数器T2 8254的 2 37 计数通道的计数值 为下一采样周期的循环工作重新预置 3 对电流反馈 速度反馈 位置反馈的原始数据进行数据处理 获得相应的数字式反馈标定量 4 完成电流 速度 位置的控制规律运算 并对输出分别作限幅处理 5 读串行口的数据 且按先进先出 FIFO 方式存储 6 接收上位微型计算机发送来的指令 并解释 分解和执行指令 7 按指令要求 采集系统运行的有关信息和系统参数 并通过串行通信反馈到上位微型计算机中进行显示和信息存储 三 系统的软件结构以及分时控制的时序安排 为了便于程序的编写 阅读 调试和修改 将系统控制程序的任务按功能分类 归结为十一个更能程序模块 并对各功能模块的工作方式作了一个安排 38 三 控制算法设计 数字控制器可以用直接数字的设计方法 也可以用模拟调节规律数字化的设计方法 由于直流传动系统的模拟调节规律设计方法比较成熟 应用方便 在这里我们有后一种方法来设计电流环 速度环和位置环的数字控制器 一 电流环控制器设计 将电流环按典型I型系统校正 电流调节器应为PI调节器 电流调节器的传递函数为 39 二 速度环控制器设计 将转速环校正成典型 型系统 转速调节器也是PI调节器 设其传递函数为 则速度环的简化动态结构图如图所示 当速度环截止频率时 电流环的等效传递函数近似为 40 速度环的开环截止角频率 选取速度角频率 得速度环采样周期 位置环的开环截止频率 选取位置环的采样角频率 得位置环的采样周期 三 位置环控制器设计 结构图如图所示 系统电流环的开环截止角频率 选取电流环的采样角频率 得电流环采样期 41 五 控制算式和运算流程图 在用汇编语言编制控制算法程序时 需要特别注意如下几个问题 四 硬件设计 构成本系统的硬件电路可以在单片机开发装置应用板的基础上扩充 也可以自行设计一块印刷电路板 硬件系统能够运行的基础 硬件设计不合理 可靠性差 系统将无法运行 42 如图所示是位置采样及数据处理程序模块的流程图 六 系统联调 43 第五节设计举例二 微型计算机温度控制系统设计 一 系统总体设计 一 确定系统的控制任务 综上所述 微型计算机控制系统完成的主要任务有 1 六个温区温度的闭环直接数字控制 2 网带拖动直流调速系统的速度给定和速度检测 3 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 系统构成粗框图如图所示 44 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 如图所示温度检测模拟输入通道由检测元件热电偶 前级放大器 多路模拟转换开关 A D转换和输入接口电路组成 45 2 晶闸管数字触发输出通道设计 晶闸管作为温度控制的功率元件有两种工作方式 一种是调压方式 另一种是调功方式 调功方式输入电炉的平均功率为 如图所示为过零检测同步脉冲电路 其作用是在电网电压的每个过零点产生一个同步脉冲 46 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 这有利于存放在RAM中的给定值保护 同时操作人员也可以很方便地修改码盘值 4 数码显示输出通道 数码显示器输出通道包括 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 5 打印机输出通道 打印机的打印内容包括表头 制表 采样数据和采样时间 根据系统数据记录的特点编写控打程序及特殊字符库 确定一个易于查询和阅读的打印格式 47 二 微型计算机选择 选择微型计算机首先要考虑能满足系统的控制要求 达到预期的性能指标 其次要综合考虑系统的可靠性 可利用率和可维护性 还要考虑成本和实施是否快速 方便等因素 三 控制算法设计 在整个炉体中 要求六个温区的温度能够独立控制 而各温区之间存在不同程度的耦合 整个系统属于多变量系统 其数学描述传递矩阵为 式中 48 离散后可近似为 被控对象的数学模型比较复杂 其简化动态结构如图所示 对于每一个温区 被控对象加上零阶保持器的广义传递函数为 49 式中TD为电阻炉的惯性时间常数 为纯滞后时间常数 T为系统的