第8章 南邮 计算机控制系统设计与实现

1、第第8章章 计算机控制系统设计与实现计算机控制系统设计与实现南京邮电大学南京邮电大学 电气信息工程系电气信息工程系OUTLINE8.1 系统设计的原则与步骤系统设计的原则与步骤8.2 系统的工程设计与实现系统的工程设计与实现8.3 电热油炉温度单片机控制系统设计电热油炉温度单片机控制系统设计8.4 角位置伺服系统角位置伺服系统IPC控制设计控制设计8.1 系统设计的原则与步骤系统设计的原则与步骤8.1.1 系统设计的原则系统设计的原则安全可靠安全可靠操作维护方便操作维护方便实时性强实时性强通用性好通用性好经济效益高经济效益高 设计过程中的安全措施设计过程中的安全措施选用高性能的工业控制计算机选

2、用高性能的工业控制计算机 设计可靠的控制方案，并具有各种安全保护措施设计可靠的控制方案，并具有各种安全保护措施 为了预防计算机故障，常设计后备装置，如双机系统为了预防计算机故障，常设计后备装置，如双机系统u 双机系统的工作方式双机系统的工作方式备份工作方式备份工作方式和和双工工作方式双工工作方式u 安全可靠安全可靠 操作方便：操作方便： 操作简单、直观形象、便于掌握操作简单、直观形象、便于掌握 不强求操作人员要掌握计算机知识才能操作不强求操作人员要掌握计算机知识才能操作既要体现操作的先进性，又要兼顾原有的操作习惯既要体现操作的先进性，又要兼顾原有的操作习惯 维修方便：维修方便： 易于查找、排除

3、故障易于查找、排除故障 采用标准的功能模块式结构，便于更换故障模块采用标准的功能模块式结构，便于更换故障模块 安装工作状态指示灯和监测点，便于检查安装工作状态指示灯和监测点，便于检查 配置诊断程序配置诊断程序u 操作维护方便操作维护方便 实时性：实时性： 对内部和外部事件能及时地响应，并作出相应的处理，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，不延误操作不丢失信息，不延误操作 计算机处理的事件：计算机处理的事件： 定时事件：如数据的定时采集、运算控制等，采用定时事件：如数据的定时采集、运算控制等，采用时钟时钟 随机事件：如事故、报警等，采用随机事件：如事故、报警等，采用中断中

4、断u 实时性强实时性强工业控制机的通用灵活性：工业控制机的通用灵活性： 硬件模块设计采用标准总线结构，配置各种通用的功能硬件模块设计采用标准总线结构，配置各种通用的功能模块，以便在扩充功能时，只需增加功能模块就可实现模块，以便在扩充功能时，只需增加功能模块就可实现 软件模块或控制算法采用标准模块结构，用户使用时不软件模块或控制算法采用标准模块结构，用户使用时不需要二次开发，只需按要求选择各种功能模块，灵活地需要二次开发，只需按要求选择各种功能模块，灵活地进行控制系统组态进行控制系统组态u 通用性好通用性好系统设计时要考虑性能价格比：系统设计时要考虑性能价格比： 系统的性能价格比要尽可能高系统的

5、性能价格比要尽可能高 投入产出比要尽可能低投入产出比要尽可能低u 经济效益高经济效益高8.1.2 系统设计的步骤系统设计的步骤工程项目与控制任务的确定阶段工程项目与控制任务的确定阶段 甲方提出任务委托书甲方提出任务委托书 乙方研究任务委托书乙方研究任务委托书 双方对委托书进行确认性修改双方对委托书进行确认性修改 乙方初步进行系统总体方案设计乙方初步进行系统总体方案设计 乙方进行方案可行性论证乙方进行方案可行性论证 签订合同书签订合同书 工程项目的设计阶段工程项目的设计阶段组建项目研制小组组建项目研制小组系统总体方案的设计系统总体方案的设计方案论证与评审方案论证与评审硬件和软件的细化设计硬件和软

6、件的细化设计硬件和软件的调试硬件和软件的调试系统的组装系统的组装 离线仿真和调试阶段离线仿真和调试阶段离线硬件联调离线硬件联调离线软件联调离线软件联调离线硬件软件统调离线硬件软件统调考机考机现场安装调试现场安装调试试运行试运行验收验收结束结束图图8.1离线仿真和调试阶段流程如图离线仿真和调试阶段流程如图 在线调试和运行阶段在线调试和运行阶段l在线调试和运行：将系统和生产过程联接在一起，进行现在线调试和运行：将系统和生产过程联接在一起，进行现场调试和运行场调试和运行l尽管离线仿真和调试工作非常认真、仔细，现场调试和运尽管离线仿真和调试工作非常认真、仔细，现场调试和运行仍可能出现问题，因此必须认真

7、分析加以解决行仍可能出现问题，因此必须认真分析加以解决l系统运行正常后，可以再试运行一段时间，即可组织验收。系统运行正常后，可以再试运行一段时间，即可组织验收。验收是系统项目最终完成的标志，应由甲方主持乙方参加，验收是系统项目最终完成的标志，应由甲方主持乙方参加，双方协同办理。验收完毕应形成验收文件存档双方协同办理。验收完毕应形成验收文件存档8.2 系统的工程设计与实现系统的工程设计与实现8.2.1 系统总体方案设计系统总体方案设计确定系统的性质和结构确定系统的性质和结构确定系统的构成方式确定系统的构成方式现场设备选择现场设备选择确定确定控制策略控制策略和和控制算法控制算法硬件、软件功能的划分

8、硬件、软件功能的划分其它方面的考虑其它方面的考虑系统总体方案系统总体方案总体设计后将形成系统的总体方案，建立文档总体设计后将形成系统的总体方案，建立文档系统总体文件的内容包括：系统总体文件的内容包括： 系统的主要功能、技术指标、原理性方框图及文字说明系统的主要功能、技术指标、原理性方框图及文字说明 控制策略和控制算法，例如控制策略和控制算法，例如PID控制、达林算法、控制、达林算法、Smith补偿控制、最级控制、前馈控制、解耦控制、模补偿控制、最级控制、前馈控制、解耦控制、模糊控制、最优控制等糊控制、最优控制等 系统的硬件结构及配置，主要的软件功能、结构及框图系统的硬件结构及配置，主要的软件功

9、能、结构及框图 方案比较和选择方案比较和选择 保证性能指标要求的技术措施保证性能指标要求的技术措施 抗干扰和可靠性设计抗干扰和可靠性设计 机柜或机箱的结构设计机柜或机箱的结构设计 经费和进度计划的安排经费和进度计划的安排系统总体方案系统总体方案8.2.2 硬件的工程设计与实现硬件的工程设计与实现1、选择系统的总线和主机机型、选择系统的总线和主机机型 选择系统的总线选择系统的总线 内总线选择内总线选择l常用的工业控制机内总线有两种：常用的工业控制机内总线有两种：PC总线和总线和STD总线。总线。一般常选用一般常选用PC总线工业控制机。总线工业控制机。 外总线选择外总线选择l根据计算机控制系统的基

10、本类型，如果采用分级控制系根据计算机控制系统的基本类型，如果采用分级控制系统统DCS等，必然有通信的问题等，必然有通信的问题l外总线是计算机与计算机之间、计算机与智能仪器或智外总线是计算机与计算机之间、计算机与智能仪器或智能外设之间进行通信的总线，包括并行通信总线能外设之间进行通信的总线，包括并行通信总线(IEEE-488)和串行通信总线和串行通信总线(RS-232C)。另外还有可用来进行远。另外还有可用来进行远距离通信、多站点互联的通信总线距离通信、多站点互联的通信总线RS-422和和RS-485 选择主机机型选择主机机型 在总线式工业控制机中，有许多机型，都因采用的在总线式工业控制机中，有

11、许多机型，都因采用的CPU不同而不同不同而不同 以以PC总线工业控制机为例，其总线工业控制机为例，其CPU有有8088、80286、80386、80486、Pentium(586)等多种型号等多种型号 内存、硬盘、主频、显示卡、内存、硬盘、主频、显示卡、CRT显示器也有多种规格显示器也有多种规格2、选择输入输出通道模板、选择输入输出通道模板 数字量数字量(开关量开关量)输入输出输入输出(DIDO)模板模板 PC总线的并行总线的并行IO接口模板多种多样，通常可分为接口模板多种多样，通常可分为TTL电电平的平的DIDO和带光电隔离的和带光电隔离的DIDO 通常和工业控制机共地装置的接口可以采用通常

12、和工业控制机共地装置的接口可以采用TTL电平，电平，而其它装置与工业控制机之间则采用光电隔离而其它装置与工业控制机之间则采用光电隔离 对于大容量的对于大容量的DIDO系统，往往选用大容量的系统，往往选用大容量的TTL电电平的平的DIDO板，而将光电隔离及驱动功能安排在工业板，而将光电隔离及驱动功能安排在工业控制机总线之外的非总线模板上，如继电器板（包括固控制机总线之外的非总线模板上，如继电器板（包括固体继电器板）等体继电器板）等 模拟量输入输出模拟量输入输出(AI/AO)模板模板 AI/AO模板包括模板包括A/D、D/A板及信号调理电路等板及信号调理电路等 AI模板输入可能是模板输入可能是05

13、V、110V、010mA、420mA以及热电偶、热电阻和各种变送器的信号以及热电偶、热电阻和各种变送器的信号 AO模板输出可能是模板输出可能是05V、110V、010mA、420mA等信号等信号 选择选择AI/AO模板时必须注意分辨率、转换速度、量程范模板时必须注意分辨率、转换速度、量程范围等技术指标围等技术指标3、选择变送器和执行机构、选择变送器和执行机构 选择变送器选择变送器变送器：一种仪表，能将被测变量（如温度、压力、物变送器：一种仪表，能将被测变量（如温度、压力、物位、流量、电压、电流等）转换为可远传的统一标准信位、流量、电压、电流等）转换为可远传的统一标准信号号(010mA、420m

14、A等等)，且输出信号与被测变量有一，且输出信号与被测变量有一定的连续关系。在控制系统中其输出信号被送至工业控定的连续关系。在控制系统中其输出信号被送至工业控制机进行处理、实现数据采集制机进行处理、实现数据采集DDZ-型变送器：二线制，输出型变送器：二线制，输出420mA信号，供电电信号，供电电源源24V(DC)，DDZ-型比型比型性能好，使用方便型性能好，使用方便DDZ-S系列是在总结系列是在总结DDZ型的基础上，吸取了国外同类型的基础上，吸取了国外同类变送器的先进技术，采用模拟技术与数字技术相结合，变送器的先进技术，采用模拟技术与数字技术相结合，从而开发出的新一代变送器从而开发出的新一代变送

15、器常用的变送器：常用的变送器： 温度变送器温度变送器 压力变送器压力变送器 液位变送器液位变送器 差压变送器差压变送器 流量变送器流量变送器 各种电量变送器等各种电量变送器等系统设计人员可根据被测参数的种类、量程、被测对象系统设计人员可根据被测参数的种类、量程、被测对象的介质类型和环境来选择变送器的具体型号的介质类型和环境来选择变送器的具体型号 选择执行机构选择执行机构执行机构是控制系统中必不可少的组成部分，它的作用执行机构是控制系统中必不可少的组成部分，它的作用是接受计算机发出的控制信号，并把它转换成调整机构是接受计算机发出的控制信号，并把它转换成调整机构的动作，使生产过程按预先规定的要求正

16、常运行的动作，使生产过程按预先规定的要求正常运行执行机构分为气动、电动、液压三种类型执行机构分为气动、电动、液压三种类型气动气动执行机构的持点是结构简单、价格低、防火防爆执行机构的持点是结构简单、价格低、防火防爆电动电动执行机构的持点是体积小、种类多、使用方便执行机构的持点是体积小、种类多、使用方便液压液压执行机构的特点是推力大、精度高执行机构的特点是推力大、精度高 常用的执行机构为气动和电动两种常用的执行机构为气动和电动两种另外，还有各种有触点和无触点开关，也是执行机构，另外，还有各种有触点和无触点开关，也是执行机构，实现开关动作实现开关动作电磁阀作为一种开关阀在工业中也得到了广泛的应用电磁

17、阀作为一种开关阀在工业中也得到了广泛的应用F在系统中，选择气动调节阀、电动调节阀、电磁阀、有触在系统中，选择气动调节阀、电动调节阀、电磁阀、有触点和无触点开关之中的哪种，要跟据系统的要求来确定点和无触点开关之中的哪种，要跟据系统的要求来确定F但要实现连续的精确的控制目的，必须选用气动或电动调但要实现连续的精确的控制目的，必须选用气动或电动调节阀，对要求不高的控制系统可选用电磁阀节阀，对要求不高的控制系统可选用电磁阀8.2.3 软件的工程设计与实现软件的工程设计与实现1、编程语言选择、编程语言选择 汇编语言汇编语言 汇编语言是面向具体微处理器的，使用它能够具体描述控制运算和汇编语言是面向具体微处

18、理器的，使用它能够具体描述控制运算和处理的过程、紧凑地使用内存，对内存和处理的过程、紧凑地使用内存，对内存和八八)空间的分配比较清楚，空间的分配比较清楚，能够充分发挥硬件的性能，所编软件运算速度快、实时性好，所以能够充分发挥硬件的性能，所编软件运算速度快、实时性好，所以主要用于过程信号的检测、控制计算和控制输出的处理主要用于过程信号的检测、控制计算和控制输出的处理 高级语言高级语言 采用高级语言编程的优点是编程效率高，不必了解计算机的指令系采用高级语言编程的优点是编程效率高，不必了解计算机的指令系统和内存分配等问题，其计算公式与数学公式相近等。其缺点是，统和内存分配等问题，其计算公式与数学公式

19、相近等。其缺点是，编制的源程序经过编译后、可执行的目标代码比完成同样功能的汇编制的源程序经过编译后、可执行的目标代码比完成同样功能的汇编语言的目标代码长得多，一方面占用内存量增多，另一方面使得编语言的目标代码长得多，一方面占用内存量增多，另一方面使得执行时间增加很多，往往难于满足实时性的要求执行时间增加很多，往往难于满足实时性的要求 组态软件组态软件 组态软件是一种针对控制系统而设计的面向问题的高级语言，它为组态软件是一种针对控制系统而设计的面向问题的高级语言，它为用户提供了众多的功能模块用户提供了众多的功能模块 2、数据类型和数据结构规划、数据类型和数据结构规划 从数据类型：逻辑型和数值型，

20、但通常将逻辑型数据归从数据类型：逻辑型和数值型，但通常将逻辑型数据归到软件标志中去考虑。到软件标志中去考虑。数值型可分为定点数和浮点数。定点数有直观、编程简数值型可分为定点数和浮点数。定点数有直观、编程简单、运算速度快的优点，其缺点是表示的数值动态范围单、运算速度快的优点，其缺点是表示的数值动态范围小，容易溢出。浮点数则相反，数值动态范围大、相对小，容易溢出。浮点数则相反，数值动态范围大、相对精度稳定、不易溢出，但编程复杂，运算速度低。精度稳定、不易溢出，但编程复杂，运算速度低。如果某参数是如果某参数是系列有序数据的集合，如采样信号序列，系列有序数据的集合，如采样信号序列，则不只有数据类型问题

21、，还有一个数据存放格式问题，则不只有数据类型问题，还有一个数据存放格式问题，即数据结构问题。即数据结构问题。3、资源分配、资源分配系统资源包括系统资源包括ROM、RAM、定时器、定时器/计数器、个断源、计数器、个断源、I/O地址等。地址等。ROM资源用来存放程序和表格，资源用来存放程序和表格，I/O地址、定时器地址、定时器/计数计数器、中断源在任务分析时已分配器、中断源在任务分析时已分配因此，资源分配的主要工作是因此，资源分配的主要工作是RAM资源的分配，资源的分配，RAM资源规划好后，应列出一张资源规划好后，应列出一张RAM资源的详细分配清单，资源的详细分配清单，作为编程依据作为编程依据 4

22、、实时控制软件设计、实时控制软件设计 数据采集及数据处理程序数据采集及数据处理程序数据采集程序主要包括模拟量和数字量多路信号的采样、数据采集程序主要包括模拟量和数字量多路信号的采样、输入变换、存储等输入变换、存储等数据处理程序主要包括数字滤波程序、线性化处理和非数据处理程序主要包括数字滤波程序、线性化处理和非线件补偿、标度变换程序、超限报警程序等线件补偿、标度变换程序、超限报警程序等(2) 控制算法程序控制算法程序主要实现控制规律的计算，产生控制量。包括：主要实现控制规律的计算，产生控制量。包括：数字数字PID控制算法控制算法大林算法大林算法Smith补偿控制算法补偿控制算法最少拍控制算法最少

23、拍控制算法串级控制算法串级控制算法前馈控制算法前馈控制算法解耦控制算法解耦控制算法模糊控制算法模糊控制算法最优控制算法等最优控制算法等实际实现时，可选择合适的一种或几种控制算法实际实现时，可选择合适的一种或几种控制算法(3) 控制量输出程序控制量输出程序实现对控制量的处理实现对控制量的处理(上下限和变化率处理上下限和变化率处理)、控制量的、控制量的变换及输出，驱动执行机构或各种电气开关变换及输出，驱动执行机构或各种电气开关控制量也包括模拟量和开关量输出两种控制量也包括模拟量和开关量输出两种 模拟控制量由模拟控制量由D/A转换模板输出，一般为标准的转换模板输出，一般为标准的010mA(DC)或或

24、420mA(DC)信号，该信号驱动执行信号，该信号驱动执行机构如各种调节阀机构如各种调节阀 开关量控制信号驱动各种电气开关开关量控制信号驱动各种电气开关(4) 实时时钟和中断处理程序实时时钟和中断处理程序实时时钟：一切与时间有关过程的运行基础实时时钟：一切与时间有关过程的运行基础 实时任务有两类：实时任务有两类：第一类是周期性的第一类是周期性的，如每天固定时间，如每天固定时间启动，固定时间撤消的任务，它的重复周期是一天。启动，固定时间撤消的任务，它的重复周期是一天。第第二类是临时性任务二类是临时性任务，操作者预定好启动和撤消时间后由，操作者预定好启动和撤消时间后由系统时钟来执行，但仅一次有效系

25、统时钟来执行，但仅一次有效许多实时任务如采样用期、定时显示打印、定时数据处许多实时任务如采样用期、定时显示打印、定时数据处理等都必须利用实时时钟来实现。并由实时中断服务程理等都必须利用实时时钟来实现。并由实时中断服务程序去执行相应的动作或处理动作状态标志等序去执行相应的动作或处理动作状态标志等另外，事故报警、掉电检测及处理、重要的事件处理等另外，事故报警、掉电检测及处理、重要的事件处理等功能的实现也常常使用中断技术，以便计算机能对事件功能的实现也常常使用中断技术，以便计算机能对事件做出及时处理。事件处理用中断服务程序和相应的硬件做出及时处理。事件处理用中断服务程序和相应的硬件电路来完成电路来完

26、成(5) 数据管理程序数据管理程序用于生产管理，主要包括画面显示、变化趋势分析、报用于生产管理，主要包括画面显示、变化趋势分析、报警记录、统计报表打印输出等警记录、统计报表打印输出等(6) 数据通信程序数据通信程序主要完成计算机与计算机之间、计算机与智能设备之间主要完成计算机与计算机之间、计算机与智能设备之间的信息传递和交换的信息传递和交换这个功能主要在分散型控制系统、分级计算机控制系统、这个功能主要在分散型控制系统、分级计算机控制系统、工业网络等系统中实现工业网络等系统中实现 8.2.4 系统的调试与运行系统的调试与运行l系统的调试与运行分为系统的调试与运行分为离线离线仿真与调试阶段和仿真与

27、调试阶段和在线在线调试与调试与运行阶段运行阶段离线仿真与调试阶段一般在实验室或非工业现场进行，离线仿真与调试阶段一般在实验室或非工业现场进行，在线调试与运行阶段是在生产过程工业现场进行在线调试与运行阶段是在生产过程工业现场进行离线仿真与调试阶段是基础，是检查硬件和软件的整体离线仿真与调试阶段是基础，是检查硬件和软件的整体性能，为现场投运做准备，现场投运是对全系统的实际性能，为现场投运做准备，现场投运是对全系统的实际考验与检查考验与检查F系统调试的内容很丰富，碰到的问题是干变万化的，解决系统调试的内容很丰富，碰到的问题是干变万化的，解决的方法也是多种多样的，并没有统一的模式的方法也是多种多样的，

28、并没有统一的模式离线仿真和调试离线仿真和调试 硬件调试硬件调试 对于各种标准功能模板，按照说明书检查主要功能对于各种标准功能模板，按照说明书检查主要功能 在调试在调试A/D和和D/A模板之前，必须准备好信号源、数字电压模板之前，必须准备好信号源、数字电压表、电流表等表、电流表等 利用开关量输入和输出程序来检查开关量输入利用开关量输入和输出程序来检查开关量输入(DI)和开关量和开关量输出输出(DO)模板模板 硬件调试还包括现场仪表和执行机构硬件调试还包括现场仪表和执行机构 如是分级计算机控制系统和分散型控制系统，还要调试通如是分级计算机控制系统和分散型控制系统，还要调试通信功能，验证数据传输的正

29、确性信功能，验证数据传输的正确性 软件调试软件调试软件调试的顺序：子程序、功能模块和主程序软件调试的顺序：子程序、功能模块和主程序 一般与过程输入输出通道无关的程序，都可用开发机一般与过程输入输出通道无关的程序，都可用开发机(仿仿真器真器)的调试程序进行调试的调试程序进行调试 系统控制模块的调试可分为开环和闭环两种情况进行。系统控制模块的调试可分为开环和闭环两种情况进行。开环调试是检查它的阶跃响应特性，闭环调试是检查它开环调试是检查它的阶跃响应特性，闭环调试是检查它的反馈控制功能的反馈控制功能 F 整体调试的方法是整体调试的方法是自底向上自底向上逐步扩大逐步扩大 系统仿真系统仿真 在硬件和软件

30、分别联调后，必须再进行全系统的硬件、软在硬件和软件分别联调后，必须再进行全系统的硬件、软件统调。这次的统调试验，就是通常所说的件统调。这次的统调试验，就是通常所说的“系统仿系统仿真真”(也称为模拟调试也称为模拟调试) 所谓系统仿真，就是应用相似原理和类比关系来研究事物，所谓系统仿真，就是应用相似原理和类比关系来研究事物，也就是用模型来代替实际生产过程（即被控对象）进行实也就是用模型来代替实际生产过程（即被控对象）进行实验和研究验和研究 系统仿真有以下三种类型：系统仿真有以下三种类型：全物理仿真全物理仿真(或称在模拟环境条件下的全实物仿真或称在模拟环境条件下的全实物仿真)半物理仿真半物理仿真(或

31、称硬件闭路动态试验或称硬件闭路动态试验)数字仿真数字仿真(或称计算机仿真或称计算机仿真)在线调试和运行在线调试和运行现场安装及在线调试前先要进行下列检查：现场安装及在线调试前先要进行下列检查：l 检测元件、变送器、显示仪表、调节阀等必须经过校验，检测元件、变送器、显示仪表、调节阀等必须经过校验，保证精确度要求。作为检查，可进行一些现场校验保证精确度要求。作为检查，可进行一些现场校验l 各种接线和导管必须经过检查，保证连接正确。各种接线和导管必须经过检查，保证连接正确。例如，孔板的上下引压导管要与差压变送器的正负压输例如，孔板的上下引压导管要与差压变送器的正负压输入端极性一致；热电偶的正负端与相

32、应的补偿导线相连入端极性一致；热电偶的正负端与相应的补偿导线相连接，并与温度变送器的正负输入端极性一致等接，并与温度变送器的正负输入端极性一致等除了极性不得接反以外，对号位置都不应接措除了极性不得接反以外，对号位置都不应接措l 对在流量中采用隔离液的系统，要在清洗好引压导管以对在流量中采用隔离液的系统，要在清洗好引压导管以后，灌入隔离液后，灌入隔离液(封液封液)在线调试和运行在线调试和运行l 检查调节阀能否正确工件。旁路阀及上下游截断阀关闭检查调节阀能否正确工件。旁路阀及上下游截断阀关闭或打开，要搞正确或打开，要搞正确l 检查系统的干扰情况和接地情况，如果不符合要求，应检查系统的干扰情况和接地

33、情况，如果不符合要求，应采取措施采取措施l 对安全防护措施也要检查对安全防护措施也要检查B 经过检查并已安装正确后，即可进行系统的投运和参数的经过检查并已安装正确后，即可进行系统的投运和参数的整定整定B 投运时应先切入手动，等系统运行接近于给定位时再切入投运时应先切入手动，等系统运行接近于给定位时再切入自动，并进行参数的整定自动，并进行参数的整定8.3 电热油炉温度单片机控制系统设计电热油炉温度单片机控制系统设计8.3.1 控制任务与工艺要求控制任务与工艺要求1、系统概述、系统概述14567P3反应釜反应釜2T1T2T3T4T5Y14567P3反应釜反应釜2T1T2T3T4T5Y序号序号123

34、4567名称名称注油泵注油泵膨胀槽膨胀槽电控柜电控柜过滤器过滤器油气分离器油气分离器循环泵循环泵加热炉加热炉T1：出口温度：出口温度 T2：入口温度：入口温度图图8.3 电热油炉主电路原理图电热油炉主电路原理图2、系统的技术指标、系统的技术指标 设定出口温度、实际测量的出口温度、入口温度设定出口温度、实际测量的出口温度、入口温度数码管显示数码管显示 控制循环泵的运行控制循环泵的运行 控制二路交流接触器、一路固态继电器控制二路交流接触器、一路固态继电器 九段温度曲线给定设置九段温度曲线给定设置 温度范围：温度范围：0300 供电电压供电电压:三相交流三相交流380V 功率：功率：5.6KW3、工

35、艺要求、工艺要求l电热油炉温度的控制，根据工艺要求不同而有所变化，但电热油炉温度的控制，根据工艺要求不同而有所变化，但大体上可以归纳为以下几个过程：大体上可以归纳为以下几个过程： 自由升温段：根据电阻炉自身的条件，不对升温速度进行自由升温段：根据电阻炉自身的条件，不对升温速度进行控制的升温过程。控制的升温过程。 恒速升温段：要求炉温上升的速度按某一斜率恒速升温段：要求炉温上升的速度按某一斜率1进行。进行。 保温段：要求在某一过程中保温段：要求在某一过程中 炉温基本保持不变炉温基本保持不变 恒速降温段：要求炉温下恒速降温段：要求炉温下 降的速度按某一斜率降的速度按某一斜率2进行进行 自由降温段：

36、根据电阻炉自由降温段：根据电阻炉 自身的条件，不对降温速度自身的条件，不对降温速度 进行控制的降温过程进行控制的降温过程l过渡过程时间过渡过程时间ta：即从升温开始到进入保温段的时间，：即从升温开始到进入保温段的时间，ta100minl超调量超调量P:即升温过程的温度最大值即升温过程的温度最大值TM与保温值与保温值TO之差与之差与保温值之比，保温值之比，l静态误差静态误差ev：即当温度进入保温段后的实际温度值：即当温度进入保温段后的实际温度值T与保与保温值温值TO之差的绝对值之差的绝对值l温度的变化范围：温度的变化范围：20220，保温值为，保温值为200。MOPOTT=10%T2VOeTT炉

37、温变化曲线要求参数如下：炉温变化曲线要求参数如下：8.3.2 硬件系统设计硬件系统设计1、系统的基本工作原理、系统的基本工作原理AT89S52信号处理电路A/D转换EEPROM固态继电器晶闸管三相调功模块报警电路显示、键盘入口温度出口温度油泵加热炉图图8.5 电热油炉温度控制系统框图电热油炉温度控制系统框图l电热油炉温度自动控制系统采用：电热油炉温度自动控制系统采用：51系列单片机作为控制器系列单片机作为控制器铂电阻温度计作为温度检测元件铂电阻温度计作为温度检测元件控制固态继电器的导通和断开时间的长短来控制电热元控制固态继电器的导通和断开时间的长短来控制电热元件的通电时间，实现导热油温度控制件

38、的通电时间，实现导热油温度控制l另外，扩展了数码管显示、键盘、报警电路另外，扩展了数码管显示、键盘、报警电路l通过控制过零触发型固态继电器的通断比，来控制通过控制过零触发型固态继电器的通断比，来控制输入到加热炉的功率，从而达到控制温度的目的输入到加热炉的功率，从而达到控制温度的目的 固态继电器有两个输入控制端，另外两端为输出控制端，固态继电器有两个输入控制端，另外两端为输出控制端，中间利用光电耦合器实现电气隔离，输入端只要很小的输中间利用光电耦合器实现电气隔离，输入端只要很小的输入电流便能控制它的导通，没有输入电流则截止入电流便能控制它的导通，没有输入电流则截止 与有触点的继电器相比与有触点的

39、继电器相比,固态继电器控制电路简单、开关速固态继电器控制电路简单、开关速度快、使用寿命长、没有噪音等一系列优点度快、使用寿命长、没有噪音等一系列优点2、单片机的选择、单片机的选择选择选择AT89S52单片机作为控制系统的核心，单片机作为控制系统的核心，AT89S52内内部有部有8K的程序储存器，的程序储存器，256字节的数据储存器，因而无字节的数据储存器，因而无需再扩展储存器，使系统大大简化需再扩展储存器，使系统大大简化主要完成温度的采集、控制、显示和报警等功能主要完成温度的采集、控制、显示和报警等功能3、数据储存器扩展、数据储存器扩展设定的温度曲线需要长期保存，扩展一片串行设定的温度曲线需要

40、长期保存，扩展一片串行EEPROM AT24C256来保存设定的温度曲线来保存设定的温度曲线 4、传感器的选择、传感器的选择目前在温度测量领域内，除了广泛使用热电偶以外，电目前在温度测量领域内，除了广泛使用热电偶以外，电阻温度计也得到了广泛的应用阻温度计也得到了广泛的应用尤其工业生产中尤其工业生产中-120500范围内的温度测量常常范围内的温度测量常常使用电阻温度计使用电阻温度计F本例中采用铂电阻来测量温度，电阻的初值本例中采用铂电阻来测量温度，电阻的初值100欧，欧，温度每升高一度，铂电阻的阻值约增加温度每升高一度，铂电阻的阻值约增加0.39欧欧 图图8.6 铂电阻及其信号放大电路图铂电阻及

41、其信号放大电路图l测量部分是一个不平衡电桥，铂电阻与固定电阻组测量部分是一个不平衡电桥，铂电阻与固定电阻组成不平衡电桥的四个桥臂成不平衡电桥的四个桥臂l为了保证测温的精度，采用两次稳压为了保证测温的精度，采用两次稳压在温度为在温度为0时，铂电阻的阻值，电桥平衡，对角线时，铂电阻的阻值，电桥平衡，对角线A、B两点没有电压差两点没有电压差当温度变化时，铂电阻的阻值变化，其变化值与温度成当温度变化时，铂电阻的阻值变化，其变化值与温度成正比，电桥不平衡，使对角线正比，电桥不平衡，使对角线A、B两点有电压差，此电两点有电压差，此电压差送到运算放大器的输入端，经过放大后送到压差送到运算放大器的输入端，经过

42、放大后送到A/D转转换芯片换芯片l改变改变R2*，RL的数值，可以得到不同的放大系数的数值，可以得到不同的放大系数 5、A/D转换器的选择与接口设计转换器的选择与接口设计EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U189S52NC1NC2NC3GND4VCC8TEST7SC

43、L6SDA5U2AT24C256NC1CS2CH03CH14CH25CH36DGND7Vcc14DI13CLK12SART11DO10AGND8REF9U3TLC0834VCCVCCOUTVCCR3R4VCCR5R6L1L2VCCR7VCCY1C230pFC130pFVCCCS1CS2CLKZDIOZKEYINT34U4B74F0412U4A74041234U8SSRR2R1VCCVCC+-U7J1220V6、显示器、键盘接口设计、显示器、键盘接口设计l温度的设定与测量结果通过键盘和数码管显示电路完成。温度的设定与测量结果通过键盘和数码管显示电路完成。键盘显示电路由键盘显示电路由ZLG7289

44、A芯片完成芯片完成ZLG7289A：可同时驱动：可同时驱动8位共阴极数码管或位共阴极数码管或64只独立只独立LED的智能显示驱动芯片，还可连接多达的智能显示驱动芯片，还可连接多达64键的键盘矩键的键盘矩阵，单片即可完成阵，单片即可完成LED显示键盘接口的全部功能显示键盘接口的全部功能ZLG7289A 内部含有译码器，可直接接受内部含有译码器，可直接接受BCD码或码或16进进制码，并同时具有制码，并同时具有2 种译码方式种译码方式l系统中扩展了二片系统中扩展了二片ZLG7289A驱动驱动12位数码管，用来显示位数码管，用来显示导热油出口温度的给定值、出口温度和入口温度的测量值。导热油出口温度的给

45、定值、出口温度和入口温度的测量值。键盘由键盘由16个键组成，其中个键组成，其中09数字键用于各种参数的设定；数字键用于各种参数的设定；6个功能键分别是油泵启动键、油泵停止键、加热启动键、个功能键分别是油泵启动键、油泵停止键、加热启动键、加热停止键、设置键、修改键。加热停止键、设置键、修改键。 R TC C1VC C2NC3GND4NC5C S6C LK7DIO8KEY9SG10SF11SE12SD13SC14SB15SA16DP17DIG018DIG119DIG220DIG321DIG422DIG523DIG624DIG725C LK026R C27R ST28U5ZLG7289AR TC C

46、1VC C2NC3GND4NC5C S6C LK7DIO8KEY9SG10SF11SE12SD13SC14SB15SA16DP17DIG018DIG119DIG220DIG321DIG422DIG523DIG624DIG725C LK026R C27R ST28U6ZLG7289AVC CR 8VC CY2C 630pFC 530pFR 10R 11R 12R 13R 14R 15R 16R 17270VC CR 18R 19R 20R 21R 22R 23R 24R 25270R 26100KR 27100KR 28100KR 29100KR 30100KR 31100KR 32100KR

47、33100KS1S2S3S4S5S6S7S8S9S10S11S12S13S14S15S16R 26R 27R ESZLGR ESZLGR CC LK0R CC LK0C S1C S2C LKZDIOZKEYINTC S1C S2C LKZDIOZKEYINTD1D8D9D10D11D12D27、执行器的选择、执行器的选择l选择交流接触器交流接触器控制循环泵，晶闸管三相调功模块控制加选择交流接触器交流接触器控制循环泵，晶闸管三相调功模块控制加热元件热元件 三相调功模块三相调功模块内部含：晶闸管主电路、过零触发及控制电路和强弱电内部含：晶闸管主电路、过零触发及控制电路和强弱电隔离电路隔离电路, 并

48、有并有1 个个5 引脚的控制插口引脚的控制插口 由单片机控制其导通和关断的时间完成对电热元件的加热，达到温度由单片机控制其导通和关断的时间完成对电热元件的加热，达到温度控制的目的控制的目的 8、报警电路与状态显示电路、报警电路与状态显示电路l报警电路由蜂鸣器和发光二极管组成，当系统中温报警电路由蜂鸣器和发光二极管组成，当系统中温度超限时，灯光及声音报警度超限时，灯光及声音报警 8.3.3 数学模型与控制算法数学模型与控制算法1、数学模型建立：系统是带纯滞后的一阶对象、数学模型建立：系统是带纯滞后的一阶对象 1SKeW STS72minT 8min330K 通过测量飞升曲线求得的参数：通过测量飞

49、升曲线求得的参数：2、控制规律的选择和参数计算、控制规律的选择和参数计算l根据温度变化曲线的要求，可将其分为三段来进行控制：根据温度变化曲线的要求，可将其分为三段来进行控制：自由升温段自由升温段、保温段保温段和和自然降温段自然降温段l而真正而真正需要电气控制的是前面两个阶段需要电气控制的是前面两个阶段，即自由升温段和，即自由升温段和保温段。为避免过冲，从室温到保温段。为避免过冲，从室温到80%额定温度为自由升温额定温度为自由升温段，在段，在20%额定温度时为保温段额定温度时为保温段l输入的电功率为输入的电功率为0时最小，为时最小，为1时为全功率时为全功率l自由升温段中，希望升温越快越好，总是将

50、加热功率全开自由升温段中，希望升温越快越好，总是将加热功率全开l当温度已接近需要保温的值，采用保温段控制方程当温度已接近需要保温的值，采用保温段控制方程保温控制方法有多种，如果采用比例控制，由于电热元件保温控制方法有多种，如果采用比例控制，由于电热元件所加功率的变化和油温变化之间存在一段时间延迟，因此所加功率的变化和油温变化之间存在一段时间延迟，因此当以温差来控制输出时，系统只有在温度与给定值相等时当以温差来控制输出时，系统只有在温度与给定值相等时才停止输出才停止输出 l考虑到滞后的影响，调节规律必须加入微分因数，即考虑到滞后的影响，调节规律必须加入微分因数，即PD调调节。有了节。有了PD调节

51、，系统输出不仅取决于温差，还取决于温调节，系统输出不仅取决于温差，还取决于温差的变化速率差的变化速率 当油温从自由升温段进入保温段时，油温还小于给定值，当油温从自由升温段进入保温段时，油温还小于给定值，但温度变化较大，因而系统可以提前减少或停止输出，使但温度变化较大，因而系统可以提前减少或停止输出，使油温不至于出现过大的超调。同样，在降温过程中也是如油温不至于出现过大的超调。同样，在降温过程中也是如此。这样就改善了油温调节的动态品质此。这样就改善了油温调节的动态品质l积分作用可以提高温度控制的静态精度，适当选择积分作积分作用可以提高温度控制的静态精度，适当选择积分作用，则可以在不影响动态性能情

52、况下提高温度控制的精度。用，则可以在不影响动态性能情况下提高温度控制的精度。所以保温段控制最好采用所以保温段控制最好采用PID控制方法控制方法 PID算法和参数选定算法和参数选定 l连续系统连续系统PID校正的控制量校正的控制量P可以表示为可以表示为 l采用离散算法可以表示为（增量式）：采用离散算法可以表示为（增量式）：01tPDIdEPKETEdtdtT11122DkkPkkkkkkITTPPkEEEEEETT)2() 1()() 1()(kCekBekAekPkP 数字控制器的实现数字控制器的实现l根据上述连续系统原理设计出来的模拟调节器，经离散化根据上述连续系统原理设计出来的模拟调节器，

53、经离散化后变成适合于计算机计算的差分方程后变成适合于计算机计算的差分方程l根据差分方程就可以设计程序流程图，进行程序设计根据差分方程就可以设计程序流程图，进行程序设计8.3.4 软件设计软件设计l软件设计采用软件设计采用C51语言，模块化结构设计包括：语言，模块化结构设计包括：初始化程序初始化程序主程序主程序A/D转换和数据采集程序转换和数据采集程序中值滤波程序中值滤波程序PID控制算法程序控制算法程序键盘显示程序键盘显示程序 等等 NN开始上电复位初始化系统自检正常？报警调LED显示子程序调键盘输入子程序NNNN设置参数启动油泵停止加热停止油泵油泵启动？晶闸管三相调功模块导通启动A/D转换数

54、据采样数字滤波标度变换温度显示温度超限？全功率输出温差10？PID控制调键盘输入子程序加热停止键？NNNN有键按下？设定键？油泵启动键？加热启动键？加热停止键？油泵停止键？8.4 角位置伺服系统角位置伺服系统IPC控制设计控制设计8.4.1. 系统概述系统概述l本系统是三自由度的角位置伺服系统，本系统是三自由度的角位置伺服系统，l要求三个方位均具有精确定位、速率控制、正弦摆要求三个方位均具有精确定位、速率控制、正弦摆动等功能，动等功能，l可通过串行通讯口接收上位机的控制命令，并实时可通过串行通讯口接收上位机的控制命令，并实时显示三方位的角度值。显示三方位的角度值。l根据系统要求，由伺服控制、驱

55、动电机、被控对象、根据系统要求，由伺服控制、驱动电机、被控对象、测角电路构成闭环控制系统。系统性能指标的要求：测角电路构成闭环控制系统。系统性能指标的要求：相角裕度大于相角裕度大于50，超调量小于，超调量小于25%，系统带宽大于，系统带宽大于10Hz。控制运算测角电路功放上位机输入处理输出处理电机工控机部分被控对象控制运算测角电路功放上位机输入处理输出处理电机工控机部分被控对象图图8.11 伺服系统组成框图伺服系统组成框图8.4.2 硬件设计硬件设计 l系统的硬件由伺服控制、驱动执行机构和反馈环节等组成系统的硬件由伺服控制、驱动执行机构和反馈环节等组成l驱动执行机构采用无刷直流力矩电机，反馈环

56、节测角部分驱动执行机构采用无刷直流力矩电机，反馈环节测角部分选用感应同步器选用感应同步器l伺服控制部分采用抗干扰性强的伺服控制部分采用抗干扰性强的IPC610工控机，全数字控工控机，全数字控制，控制算法由软件实现制，控制算法由软件实现 l数字量的输入输出部分数字量的输入输出部分(DIDO)：采用：采用PCL-722并行并行DIO卡卡 l模拟量的输出部分模拟量的输出部分(AO)：选用光电隔离型：选用光电隔离型HY-6050板卡板卡l使用工控机本身的硬件资源使用工控机本身的硬件资源COM1或者或者COM2来实现同上来实现同上位机的通讯，命令的传输通过串行通讯进行。上位机控制位机的通讯，命令的传输通

57、过串行通讯进行。上位机控制到工控机的命令使用串行中断的方式，在中断服务程序中到工控机的命令使用串行中断的方式，在中断服务程序中进行数据的处理；工控机到上位机的数据使用查询的方式进行数据的处理；工控机到上位机的数据使用查询的方式工 控 机 主 板 ISA、 PCI 总 线模入信号调理板模拟量输出板HY-6050显示器打印机键盘伺服放大数字量输入输出板PCI-722串口通信上位机工 控 机 主 板 ISA、 PCI 总 线模入信号调理板模拟量输出板HY-6050显示器打印机键盘伺服放大数字量输入输出板PCI-722串口通信上位机图图8.12 IPC硬件组成框图硬件组成框图8.4.3 软件设计软件设

58、计l控制软件分为主程序和中断服务子程序两大部分控制软件分为主程序和中断服务子程序两大部分 l主程序主要包括主程序主要包括:初始化程序初始化程序界面操作程序界面操作程序 开始初始化包括初始化PCL722板卡创建保存采集数据的文件串口数据标志=1显示采集的数据数据保存标志=1有按键按下报文数据处理子程序串口数据标志=0保存数据子程序数据保存标志=0计数器=0按键处理子程序(ESC退出)YYY开中断初始化串口初始化定时器设定工作方式图图8.13 主主程程序序流流程程图图1、初始化程序：主要完成各基本功能模块的设置、初始化程序：主要完成各基本功能模块的设置l设置定时中断：包括设置定时中断的时间常数、修

59、改中断设置定时中断：包括设置定时中断的时间常数、修改中断向量指向向量指向l设置串行中断：串行通讯的数据格式，通讯端口，中断方设置串行中断：串行通讯的数据格式，通讯端口，中断方式时的中断向量式时的中断向量l创建保存数据的文件：在初始化时设定保存实时采集的角创建保存数据的文件：在初始化时设定保存实时采集的角度数据的文件，原来存在的进行覆盖，如果不存在则创建度数据的文件，原来存在的进行覆盖，如果不存在则创建文件文件l初始化初始化PCL-722板卡：设定板卡的基地址，各个通道的工板卡：设定板卡的基地址，各个通道的工作方式，初始化各个通道的端口作方式，初始化各个通道的端口l初始化初始化HY-6050板卡

60、：设定板卡的基地址，初始化各个通道板卡：设定板卡的基地址，初始化各个通道2、界面操作程序、界面操作程序l界面操作程序主要是进行人界面操作程序主要是进行人-机对话的途径，使操作者可对机对话的途径，使操作者可对被控对象进行本控调试被控对象进行本控调试l可以通过选择界面上相应的功能选项，执行相应的功能，可以通过选择界面上相应的功能选项，执行相应的功能，包括指定三个轴相应的运动方式，设定运动的初始参数，包括指定三个轴相应的运动方式，设定运动的初始参数，数据的处理，中断的退出等数据的处理，中断的退出等3、中断服务子程序、中断服务子程序定时中断、键盘中断、串行通讯中断等定时中断、键盘中断、串行通讯中断等