《控制系统总体设计》PPT课件.ppt

1、第七章控制系统整体的设定修订、第一节设定修订步骤和方法第二节加热炉温度控制系统第三节铁路信号微机监视系统、微机控制系统的设定修订是理论和工程的实际结合，生产过程的工艺性能、被测残奥仪表的测量方法以及被控对象的动态， 需要掌握静态特性的微型计算机控制系统的硬件检测微型计算机、存储器、I/O接口、输入输出通道、致动器和通信、显示、打印等设备。 根据系统的要求，设定修正数据采样程序、A/D、D/A转换程序、数字转换程序、数字滤波器等程序、各种控制算法和非线性补偿程序等各种应用程序。 如何将微机控制系统分为易于实现的多个组成部分，可以使软、硬分配运用合适，且结构简单，实时性强，价格便宜，功能完善，设计

2、订正者要求有较强的综合运用知识和一定的实践经验。 本章着重研究微机控制系统的设定修正方法和步骤，举例进行说明。 第一节微机控制系统的设定订正程序和方法微机控制系统的设定订正应包括： 1、系统整体方案设定订正2、控制系统硬件设定订正3、控制系统软件设定订正4、系统模拟和调试。 一、确定控制系统总体方案确定微机控制系统总体方案是进行系统设置修订的最重要一步。 总体方案的好坏直接影响整个控制系统的投资、质量和功能的调整。 总体方案的设定修订可从以下方面考虑： 1、系统的功能要求在确定控制系统的设定修订方案之前，应对现场进行充分的调查和了解，明确该控制系统的详细功能和要求；2 )控制功能的要求是闭环控

3、制还是闭环控制，要求的控制(3)人机界面的要求包括显示、警报、打印、输入输出操作的要求等。 (4)系统的运行环境温度、湿动、振动、各种噪声等。 (5)系统的可靠性和可维护性。 2、根据功能要求粗选要实现的硬件和软件(1)硬件：包括传感器、微计算机、输入输出通道、致动器、各种外围设备等。 (2)软件：包括操作平台、管理监控程序等系统软件和控制算法、数据采集和处理等应用软件。 3 .制作控制系统整体原理图，制作详细的设定修订技术文件结合工业过程，制作控制系统整体原理图，制作祥细的技术文件，征求委托人和现场作业人员的意见，反复修改，确定整体方案直至双方满意。 二、控制系统的硬件设定修正可以在系统的整

4、体方案完成后，进行系统的硬件设定修正，在整体设定修正中将粗选的硬件细分来实施。 1 .建立控制系统的方案根据功能要求决定采用数据采集、直接数字控制、校正机监视、分散控制中的哪一个。 2 .根据微型计算机的选择控制方式，可以选择不同的微型计算机。 在选择计算机时，主要考虑以下几点： (1)机型：单片机、PLC、STD机床、PC机床。 (2)计算机等级。 l位： 4位、8位、16位、32位、l存储器：内外存储种类和容量l的兼容性和扩展性要求3、检测元件和致动器的选择检测元件影响控制系统的精度，测量各种残奥仪的传感器和发射器的种类很多，参照手册和制造商的说明书正确且详细致动器与控制算法相匹配，并由受

5、控对象的实施形态来决定。电动作动器响应速度快，与修正机的接口容易，成为修正机控制系统的优先。 气动执行机构结构简单，操作方便，使用可靠。 液压传动输出功率大，结构紧凑，便于控制调整。 可以按系统进行选择。 4、输入输出通道及外围设备的选择输入输出通道由被控制对象残奥仪表确定，根据系统的功能要求配备适当的外围设备。 (1)被控制对象残奥仪表的数目(2)数据的类型、字长和位数(3)串行工作还是残奥等级工作、数据的传送速度(4)对于显示印刷有什么样的要求？ 输入输出通道可购买A/D、D/A转换接口板、开关量I/O板、实时时钟板、电动机控制板等现成接口板，主要适用于工业PC和STD总线工业控制系统。

6、另一个方案是根据系统的实际需要，选择适当的芯片自行设定修正，一般用于单片机控制系统的设定修正内容有内存、显示器、模拟输入输出通道、开关量输入输出通道等。 5、操作面板操作面板也称为操作台，是人们会话的纽带。 操作面板应易于使用，操作简单，安全可靠，具有自动保护能力，避免误操作造成的不良影响。 操作面板的主要功能有： (1)将源程序输入微机的存储器；(2)监视控制系统的执行状况；(3)根据过程要求，修正控制残奥仪表和规定值，选择动作方式和控制电路；(4)打印显示结果，设定报警状态；(5)多个为了实现上述功能，操作台设置了很多按钮和开关，通过接口与主机连接。 为了安全起见，请在操作面板上设置电子锁

7、。 6 .其他包括电源、时钟、负载匹配、抗干扰等问题。 硬件设置修订的最后成果是画出祥细的硬件电路图，提供给制造商。 三、控制系统软件配置控制系统的系统软件主要由操作系统、诊断系统、开发系统和信息处理等软件组成，完成资源管理、系统故障诊断、各种语言的编译等任务。 现在购买的微型计算机备有系统软件，只需根据需要进行选择，无需自己修改。 控制系统的应用主要是过程监控、过程控制和控制算法。 由各种公共服务计划等软件构成。 应用程序软件通常是根据用户的需要和系统控制功能而独立修订的。 1、对控制系统的应用的要求。 (1)实时工业控制系统是实时控制系统，要求以预定的时间间隔完成系统的校正、处理和控制，因

8、此对应用程序的执行速度有所要求。 为了提高软件的运行速度，控制系统的应用软件采用了汇编语言或汇编语言与高级语言的混合创建方法。 常用的高级语言有c语言、PC/M语言、FORTH语言等。 (2)采用灵活性和通用性结构化程序方式，作为子程序制作共享程序。 这种模块结构的设置修改方法使应用软件具有通用性和灵活性，大大简化了编程过程。 (3)在可靠性微机控制系统中，系统的可靠性至关重要，是控制系统正常运行的基本保障。 为了保证软件的可靠性，可以设置诊断程序，使系统能够按时诊断，近年来，广泛采用watchdog方法，提高软件的可靠性。 2 .当设定修正控制系统应用时，控制系统应用的分类大多被分类为主程序

9、、子例程和中断服务程序三种。 (1)主程序主程序调用各种控制残奥仪表的初始化、I/O接口、堆栈、访问数据区域的地址设定、子程序的入口地址，应该包括中断向量和中断控制方式的设定等。 (2)子程序完成控制系统的各种功能。 完整的控制系统可能包含以下功能子例程：标准时间子例程各种算术和逻辑运算子例程A/D、D/A转换子例程数字滤波器子例程、控制算法子例程比例转换子例程显示和报警子例程等(3)中断服务程序中断服务程序(2)在决定哪个任务和功能能够在子程序中完成，哪个任务在中断源，能够在中断服务程序中解决的基础上，设定修改主程序。 (3)制作各程序的流程图(4)选择适当的修正计算机语言制作各程序(5)上

10、机调试。 四、系统的调试和运行可以在硬件设置修订和软件设置修订完成后，对系统进行调试试运行，检测设置修订效果和问题点。 1 .硬件调试硬件调试可以排除设置纠错、安装过程性故障和原型故障。 (1)离线检查拔出所有集成芯片，给系统供电，用测试仪和逻辑仪检查芯片各引脚的电位和连接，排除接线错误、开路和短路，确认没有错误后插入芯片。 (2)如果存在已经进行在线调试的原型，则去除调试系统的CPU和EPROM，连接原型并运行，观察各部分的接口电路的动作状态是否满足设定修正请求。 通过执行简单的程序，也可以观察各部件是否正常运行。 2 .软件调试软件的调试目的是验证应用程序软件的功能并纠正软件错误。 (1)

11、手动组件对设定修正软件源程序的各指令进行手动解码，输入到原型中的静态RAM中进行调试，如果发现错误则进行修正，但该方法不需要增加设备，虽然简单，但速度慢。 (2)模拟可以使用模拟软件在PC上调试汇编语言程序，完成后转移到硬件系统进行调试。 调试完成后，可以通过使用EPROM写入器将目标代码写入EPROM来启动系统。 3、经过硬件、软件协作调试硬件、软件单独调试的系统，在运行中也可能发生硬件、软件的不一致，因此协作调试也是必要的。 在共同调试中可能发现设定修正上的不足和错误，必要时必须反复修正，直到满足设定修正案。 实验室的调整作业完成后，可以组装到整个机器上，移动到现场，直到能够稳定地进行现场

12、运行和进一步的调整作业为止。 第二节加热炉温度控制系统温度是工业对象中最主要的受控残奥仪表之一。 特别是在冶金、化学工业、机械的各种工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。 根据炉的种类不同，使用的加热方法和燃料也不同。 例如煤气、天然气、油、电等。 因为控制系统本身的动态特性基本上是一阶纯滞回性的一部分，所以根本上与控制算法相同。 实践证明，用微机控制炉窑，在提高产品质量和数量、节省能源、改善工作条件等方面显示出无与伦比的优势。 本节主要介绍由8031单片机构成的温度控制系统的构成原理和程序设定纠正方法。 一、构成温度控制系统的该系统以天然气加热的退火炉8台为对象，主要用于钢材的热处

13、理改变钢材的物理性能。 被测量残奥表主要是温度，测量范围是0-1000。 因此，我们采用8031单片机作为主机。 其原理框图如图9-1所示。 (P252) (1)被测量残奥仪表的温度通过热电偶测量后，变换为mV信号(2)，通过发射器变换为0-5V电压信号(3)，经由多开关，将8台退火炉的温度测量信号以时分方式传送给采样/保持器和A/D转换器在进行的CPU中进行了数据处理(数字滤波、比例转换、数字控制修正运算)之后，发送显示，判断是否有警报，另一方面，(5)与预定值进行比较，并根据偏差值进行控制修正运算。(6)控制器输出是通过D/A转换器转换为4-20mA的电流信号，带电动执行机构动作。 (7)

14、取样值大于规定值时，减小天然气阀门，相反打开大阀门。 这样通过改变进入退火炉的天然气的流量，以控制温度为目的。 本系统不仅可以进行恒温控制，还可以通过软件设定修正，以一定的升温曲线进行控制。 如果系统内的某个退火炉发生低限或超限警报，就会发出声音警报信号，提醒作业人员注意，采取对策。 二、由于温度控制系统的硬件设置订购控制系统的硬件是实现温度控制的基础，因此温度控制系统的硬件设置订购是非常重要的。 主要设定修订内容有温度测量、A/D转换、单片机系统、键盘操作系统、温度显示电路、警报电路、D/A转换等。 下面介绍一些硬件电路的设置修正方法。 (1)检测元件及温度变送器退火炉的温度测温范围为0-1

15、000，检测元件选择镍铬-镍铝热电偶(分度编号为k )，其对应的输出信号为0-41.2643mV。 温度变送器采用现有的集成一体型变送器，0-1010对应输出为0-5V。 因为本系统使用12比特A/D转换器，所以系统采样分辨率为1010/40960.25/LSB。 其温度数字量对照表如表9-1所示。 表9-1温度/数字对照表温度() 01002003004005006007008009001010热电偶输出(mv ) 04.1014.12.2116.4020.6524.9029.1333.2937.3341.56寄存器输出(v )0. 1.972.482.993.004.485.00a/d输出

16、(h ) 000191322 b 364 e7f 0991 b 33cc de 56fff，(2)a/d转换器及数据取样本系统采用AD574，而12位a/即CD4051:的多开关LF398 :采样保持器74LS175 :锁存器AD574: A/D转换器、双极、左对齐板(1)的被测量残奥仪表用多开关CD4051栅极，并被传送到采样保持器的输入端。 多路径开关的选择控制端子a、b、c以及允许锁存器端子INH控制其中一个路径导通。 (2)通过A/D转换器的转换结束标记STS的状态来控制采样/保持的操作状态。 A/D转换正在进行中(或未进行中)，STS输出为高电平，反转后变为低电平，发送到S/H的逻辑

17、控制端(Logic )，使S/H保持状态，此时开始A/D转换。 转换后的数字量从8031的数据总线分2次读取到CPU寄存器。 (3)当开关结束时，STS从高电平改变到低电平，并且反转到高电平，因此S/H反转为采样状态。 由于该方法不需要单独发送S/H控制信号，所以加快系统的运转速度。 (3)键盘/显示接口电路对4位LED显示器进行了修改，使操作人员能够随时掌握每个人炉的温度变化。 第1位是频道号码，第24位是显示温度，最大为999。 显示方法的设定修改如下： (1)自动循环显示：在这种方式下，计算机自动对取样的1#-8#退火炉的温度进行循环显示，同时显示通道编号；(2)定点显示：操作员随时可以任意观察任意一个退火炉的温度，两种显示方式可以任意切换系统修订了44矩阵键盘。 其中