第8章计算机控制系统设计与实现

1、第六章第六章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计设计原则：设计原则： 操作性好操作性好 实施性强实施性强 通用性好通用性好 经济效益高经济效益高 可靠性高可靠性高一般设计步骤：一般设计步骤： 系统总体控制方案设计系统总体控制方案设计 微型计算机选择微型计算机选择 控制算法设计控制算法设计 硬件设计硬件设计 软件设计软件设计 系统联调系统联调 6.1 控制系统设计的一般步骤控制系统设计的一般步骤一、确定系统总体控制方案一、确定系统总体控制方案 构思系统的整体方案，应从以下几方面入手构思系统的整体方案，应从以下几方面入手 ： 考虑系统结构考虑系统结构 执行机构采用什么方案执行机构采用什么

2、方案 有否特殊控制要求？特殊要求应采取那些措施。有否特殊控制要求？特殊要求应采取那些措施。 确定计算机在整个控制系统中所起的作用确定计算机在整个控制系统中所起的作用 二、确定控制算法二、确定控制算法三、选择计算机三、选择计算机所选计算机应满足以下要求：所选计算机应满足以下要求： 完善的中断系统完善的中断系统 足够的存储容量足够的存储容量 完备的完备的I/O通道和实时时钟通道和实时时钟四、系统总体设计四、系统总体设计 硬件软件功能分配与协调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，系统速度相应降低统速度相应降低 。

3、 接口设计接口设计 接口设计内容：接口设计内容： 扩充接口扩充接口 安排接口电路的安排接口电路的I/O信号及交换方式。信号及交换方式。常用的扩充方法：常用的扩充方法： 选用专门的功能接口板选用专门的功能接口板 选用通用接口电路选用通用接口电路 用集成电路自行设计接口电路用集成电路自行设计接口电路 接口电路接口电路I/O信号的交换方式：信号的交换方式： 中断控制读取中断控制读取IO方式方式 直接存储器存取方式直接存储器存取方式 通道设计通道设计系统系统I/O通道：通道： 数字量数字量I/O通道通道 开关量开关量I/O通道通道 模拟量模拟量I/O通道通道 脉冲量脉冲量I/O通道通道 在总体设计中，

4、应确定本系统应设置什么样的通道、每个通道在总体设计中，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。由几部分组成，各部分选用什么器件等。 操作员控制台设计操作员控制台设计 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。示灯等。 可靠性设计可靠性设计 五、硬件设计五、硬件设计 任务：任务：根据系统总体框图，设计出系统的电气原理图，再按根据系统总体框图，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。照电气原理图选购元件和进行施工设计。包括：包括： 接口电路和接口电路和I/O通道的扩

5、充通道的扩充 组合逻辑或时序逻辑电路组合逻辑或时序逻辑电路 供电电源供电电源 光电隔离光电隔离 电平转换电平转换 驱动放大电路等驱动放大电路等 六、软件设计六、软件设计 软件软件 系统软件系统软件应用软件应用软件组织应用软件的内容及步骤：组织应用软件的内容及步骤： 确定具体要求确定具体要求 软件规划软件规划 程序编制程序编制 软件调试软件调试 善后工作善后工作 确定具体要求确定具体要求 管理要求管理要求 输入输出要求输入输出要求 语言加工要求语言加工要求 功能处理要求功能处理要求 软件规划软件规划 模式选择模式选择 语言选择语言选择 汇编语言汇编语言 高级语言高级语言 确定数据结构确定数据结构

6、 划分程序块划分程序块 确定程序编制顺序确定程序编制顺序 内存安排内存安排 用符号来代替某部分程序的首址。用符号来代替某部分程序的首址。 粗略估算各部分容量粗略估算各部分容量 根据具体情况对内存作精确安排根据具体情况对内存作精确安排 程序编排和分配程序编排和分配 软件装配和总调软件装配和总调 软件设计的善后工作软件设计的善后工作 6.2 微型计算机控制系统的软件微型计算机控制系统的软件 一、软件的分类一、软件的分类软件软件 系统软件系统软件应用软件应用软件 操作系统操作系统语言加工系统语言加工系统诊断系统诊断系统 控制程序控制程序数据采集及处理程序数据采集及处理程序巡回检测程序巡回检测程序数据

7、管理程序数据管理程序编辑程序编辑程序编译程序编译程序连接、装配程序连接、装配程序调试程序调试程序子程序库子程序库 数据可靠性检查程序数据可靠性检查程序AD转换及采样程序转换及采样程序 数字滤波程序数字滤波程序 线性化处理程序线性化处理程序 数据采集程序数据采集程序 越限报警程序越限报警程序 事故预告程序事故预告程序 画面显示程序画面显示程序 二、应用程序的语言选择及设计步骤二、应用程序的语言选择及设计步骤 1、语言选择、语言选择 机器语言机器语言 汇编语言汇编语言 高级语言高级语言 2、应用程序的设计步骤和方法应用程序的设计步骤和方法 应用程序设计应用程序设计的的五个步骤：五个步骤： 问题定义

8、问题定义 程序设计程序设计 编码编码 调试调试 改进和再设计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：结构化程序设计基本思想的三种基本结构表示： 顺序结构顺序结构 选择结构选择结构 循环结构循环结构三、高级语言和汇编语言的混合编程三、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混合语言编程的基本概念 1）程序接口）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。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）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

9、标文件名长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。度的不同限制的约定。 3）调用约定）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。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）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：参数传递方式： 传值传值 传址传址 传名传名 传结果传结果 2、 C语言程序对汇编语言程序的调用语言程序对汇编语言程

10、序的调用 1）C语言程序中的接口处理语言程序中的接口处理 命名约定命名约定 调用约定调用约定 参数传递约定参数传递约定 2） 汇编语言中的接口处理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，并用线开头，并用PUBLIC说明说明. 如果如果C语言程序以巨型、大型、存储模式编译，被语言程序以巨型、大型、存储模式编译，被C语语言调用的汇编过程应说明成言调用的汇编过程应说明成fa；小型、紧凑型存储模式编译，；小型、紧凑型存储模式编译，被调用的汇编过程应说明成被调用的汇编过程应说明成NEAR。 考虑调用约定考虑调用约定 在

11、被在被C语言调用的汇编过程中用指令语言调用的汇编过程中用指令RET返回，而在返回，而在BASIC等其他语言中要求用指令等其他语言中要求用指令RETn返回。返回。 根据缺省默认，根据缺省默认，C语言的参数传递方式是传值，但数组总语言的参数传递方式是传值，但数组总是采用传址方式。是采用传址方式。3、汇编语言程序对、汇编语言程序对C语言程序的调用语言程序的调用 1）命名约定）命名约定 2）调用约定）调用约定 3）参数传递的方式）参数传递的方式4、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利用联机仿真器可以实现以下开发手段：利用联机仿真器可以实现以下开发手段： 1）系统实时仿真）系统实

12、时仿真 2）资源借调）资源借调 3）控制系统综合设计和调试）控制系统综合设计和调试三、常用应用程序设计三、常用应用程序设计1、 数字滤波器数字滤波器 算术平均值滤波算术平均值滤波NkkXNY11算术平均值滤波程序流程图算术平均值滤波程序流程图 中值滤波中值滤波中值滤波程序流程图中值滤波程序流程图 一阶滞后滤波一阶滞后滤波1)1 (kkkayxay一阶滞后滤波程序流程图一阶滞后滤波程序流程图 程序判断滤波程序判断滤波 限幅滤波限幅滤波限幅滤波程序流程图限幅滤波程序流程图 限速滤波限速滤波限速滤波程序流程图限速滤波程序流程图2、 线性化处理线性化处理 分段线性插值分段线性插值)(11iiiiiix

13、xxxyyyy 3、数码显示、数码显示两位十进制数显示两位十进制数显示程序流程图程序流程图4、越限报警处理程序、越限报警处理程序5、PID控制算法程序控制算法程序 6.3 微型计算机温度控制系统设计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。网带式多温区电阻炉微型计算机温度控制系统的设计。一、系统总体设计一、系统总体设计1、确定系统的控制任务、确定系统的控制任务控制对象：控制对象：六温区网带式连续烧结电阻炉。六温区网带式连续烧结电阻炉。设计要求：设计要求： 每个温区的温度在每个温区的温度在600 1000范围内连续可控；范围内连续可控； 各温区的温度以及网带的运

14、行速度可自行设定；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。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：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。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。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。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：系统组成： 微型计算机微型计算机 输入通道输入通道 输出通道输

15、出通道 2、输入输出通道及其接口设计、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设计 特点：特点：采用了由采用了由VF变换器和定时计数器组成的变换器和定时计数器组成的AD转换器。转换器。 VF转换输入通道的结构通常为：转换输入通道的结构通常为： 传感器传感器信信 号号放大器放大器V/F光光 电电耦合器耦合器CPU小信号小信号VI010Vf设设VF变换器的额定输出频率为变换器的额定输出频率为F，计数器对输出脉冲的，计数器对输出脉冲的计数时间为计数时间为Ts，AD转换结果的分辨率为转换结果的分辨率为i，则有：，则有： 取取Ts1s，则在，则在VF的输出频率范围的输

16、出频率范围010kHz内，可以内，可以得到得到13位的位的AD转换结果。转换结果。sisFT2 2) 晶闸管数字触发输出通道设计晶闸管数字触发输出通道设计 晶闸管简介晶闸管简介晶闸管晶闸管(可控硅整流器可控硅整流器) 功率放大器件。功率放大器件。 IG iA + VAK -R+ US_晶闸管的工作方式有：晶闸管的工作方式有： 调压方式调压方式 调功方式调功方式调压方式：调压方式：是通过利用移相触发脉是通过利用移相触发脉冲调节晶闸管的导通角，使输入到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，来实现控制目用电器的输入功率，来实现控制

17、目的的 。导通角调功方式：调功方式：触发电路采用的是过零触发方式，外加正弦电压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。压是一个正弦波。调功方式输入电炉的平均功率为：调功方式输入电炉的平均功率为： RUNnP2 P输入电炉的功率；输入电炉的功率；R负载有效电阻；负载有效电阻；U电网电压电网电压 ；n允许导通的波头数；允许导通的波头数；N设定的波头数。设定的波头数。 当当 n0时，电炉的输入功率为零；时，电炉的输入功率为零； nN，电炉的输入功率为满功率。，电炉的输入功率为满功

18、率。 晶闸管数字触发输出通道设计晶闸管数字触发输出通道设计过零检测同步脉冲电路过零检测同步脉冲电路 ：电网电压电网电压同步脉冲同步脉冲3) 拨码盘给定输入通道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。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，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。再由拨码盘输入。 4) 数码显示输出通道数码显示输出通道包括：包括： 数字量输出接口电路数字量输出接口电路 锁存译码驱动电路锁存译码驱动电路 七段数码管显示器七段数

19、码管显示器炉温显示：炉温显示：一位显示温区代号，四位显示一位显示温区代号，四位显示4位温度值；位温度值； 网带速度显示：网带速度显示：一位显示网带速度代号，四位显示网带速度。一位显示网带速度代号，四位显示网带速度。 5) 打印机输出通道打印机输出通道 系统配置了通用打印机接口电路。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。打印内容包括表头、制表、采样数据和采样时间。 二、微型计算机选择二、微型计算机选择 控制系统选取采用控制系统选取采用STD总线标准的模块式工业控制计算机。总线标准的模块式工业控制计算机。本系统：本系统： 主机板采用主机板采用8098单片机多功

20、能单片机多功能CPU模板，主频模板，主频6MHz。 配置了显示及操作面板接口模板，配置了显示及操作面板接口模板， 打印机接口模板。打印机接口模板。 非通用数字触发控制模板非通用数字触发控制模板 反馈通道的反馈通道的VF变换及变换及AD转换模板，转换模板， 三、控制算法设计三、控制算法设计 整个系统属于多变量系统，其数学描述传递矩阵为：整个系统属于多变量系统，其数学描述传递矩阵为： )()()()()(6,61 ,66, 11 , 1sgsgsgsgsG 6, 16, 11)()()(,jisTeKsUsysgjisjijijiji 其中：其中：离散后可近似为：离散后可近似为： )()1()(m

21、kBUkAYkY 式中：式中：y(k) 66矩阵；矩阵；U（k） 61矩阵；矩阵； A 66矩阵；矩阵； B 66矩阵。矩阵。 对于系统的每一个温区，其简化动态结构：对于系统的每一个温区，其简化动态结构： 广义传递函数为：广义传递函数为： sTKesesGDsTsi 11)( 广义脉冲传递函数为：广义脉冲传递函数为： 1/11)1(11)()( zeezKsTKesezsGzzGDDTTTTNDsTs 系统的闭环脉冲传递函数为：系统的闭环脉冲传递函数为：1/1/1)1()( zezezCCTTNTT数字控制器的脉冲传递函数为：数字控制器的脉冲传递函数为： )1(1)1()1)(1()(1)()

22、()(1/1/1/ NTTTTTTTTTTzezeeKezezzGzzDCCDCD进一步简化为：进一步简化为： 12111101)( NzbzbzaazDCDCDDCDCTTTTTTTTTTTTTTTTebeKeeaebeKea/2/)/()/(/1/1/01;)1(;)1(1 式中：式中： 差分化后得到控制器差分方程：差分化后得到控制器差分方程： )1()()1()1()(1021 kEakEaNkUbkUbkU四、硬件设计四、硬件设计硬件电路设计有：硬件电路设计有： 前级放大器及多路模拟转换开关。前级放大器及多路模拟转换开关。 AD转换模板。转换模板。 数字触发控制模板。数字触发控制模板。五、软件设计五、软件设计 系统控制程序的任务系统控制