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1、济南大学机械工程学院 机电系统检测与控制机电系统检测与控制 Measurement and Control in Mechatronics SystemMeasurement and Control in Mechatronics System 第八章 机电测控系统设计及应用 本章主要内容： 从设计一般的微型计算机控制系统出发， 介绍系统设计的一般步骤以及每一步具体设 计的任务。 第一节 控制系统设计的一般步骤 1 系统总体控制方案设计 2 微型计算机选择 3 控制算法设计 4 硬件设计 5 软件设计 6 系统联调 系统总体控制方案设计 1 确定控制任务,即干什么？确定目标，了解 其意义。 2
2、 软硬件功能分配 3 接口电路设计 4 通道设计 5 控制台设计 微型计算机选择 构成方案选择 性能指标选择 组装方案 单板机或单片机方案 通用微型机系统方案 通用工控机系统方案 完善的中断系统 足够的存储容量 完备的I/O通道和实时时钟 足够的数据处理能力 控制算法设计 控制算法必须满足系统对控制速度、控制精度、 和稳定性的要求。 对具体的系统，可能需要对通用的计算公式进 行修改和补充。 要充分考虑控制算法的物理上的可实现性。 第二节 微机控制系统的软件 操作系统 语言加工系统 编辑程序 编译程序 连接、装配程序 调试程序 子程序库 诊断系统 系统软件 应用软件 控制程序 数据采集及处理程序
3、 巡回检测程序 数据管理程序 软 件 应用程序的语言选择及设计步骤 一、语言的选择 机器语言 汇编语言 高级语言 二、应用程序设计步骤和方法 步骤：问题定义；程序设计；编码；调试 、改进和再设计。 方法：绘制流程图；采用模块程序设计法 和结构程序设计法； 第三节 常用应用程序设计 一、常用的应用程序 数字滤波；线性化处理；PID数字控制；数字显示；超限报警；键盘扫 描；串口通讯等 1、数字滤波 优点：用程序实现，可以多个通道公用一个滤波程序；可靠性高，稳 定性好，各回路不存在阻抗匹配问题；可以对频率很低的信号滤波 ；改变程序就可以实现不同的滤波方法或调整滤波参数，灵活，方 便。 1）算术平均值
4、滤波 把N次采样值进行相加，取其平均值作为本次采样值。 应用：主要对压力、流量等周期脉动的采样值进行平滑加工，但对脉 冲性干扰的平滑不理想，不适用脉冲干扰比较严重的场合。 常用应用程序设计 2）中值滤波 把N次采样值从小到达排序，取中间值作为本次采样值。 应用：对去掉脉动性的干扰比较有效，但对快速变化过程 的参数则不宜采用。N值不宜太大，一般取N35。 3）一阶滞后滤波（动态滤波法） 为滤波环节的惯性滞后时间常数 为平滑系数 4）程序判断滤波 将两次采样值比较，如果其差大于最大允许偏差，则认为 本次采样值为干扰信号，舍去。反之为有用信号。 限幅滤波 若 以本次采样值x2为真实信号，否则以上一
5、采样值作为真实信号。 常用应用程序设计 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x2作为滤波输出值，否则保留 x2，再取x3，若 则x3作为滤波输出，否则（ x3+x2）/2作为滤波输出。 例：微型计算机温度控制系统设计 以典型工业炉窑网带式多温区电阻炉为对象 ，介绍微型计算机温度控制系统的设计实例。 一、系统总体控制方案设计 控制任务 设计对象是六温区网带式连续烧结电阻炉，温区 温度在6001000 范围内均连续可控。各温区 温度以及网带的运行速度既可以自动设定，也可 人工设定。 要求系统能够对六个温区的温度以及网带运行速 巡回检
6、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。 主要任务： 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； 4）系统升温、保温状态指示、超温、断偶报警 等功能。 1、 确定控制任务 系统构成框图 I/O通道 温度检测模拟输入通道由热电偶、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。 从热点偶得到的是毫伏级电压信号，经前级放大器放大 至010V，然后通过多路模拟开关到达A/D转换器的输入 端。多路模拟开关的切换由微型计算机控制，通过光耦 合器驱动，逐一选通
7、六路温度检测电压信号。 采用V/F变换器和定时计数器组成A/D转换器。 A/D转换器 这种A/D转换器价格便宜、容易隔离、抗干扰能力强、 便于检测信号传送；但是转换时间长。本设计中，温度 变化属于慢速，所以可以采用。 2.1 温度检测模拟输入通道设计 2 、I/O通道和接口电路设计 2 、I/O通道和接口电路设计 2.1 温度检测模拟输入通道设计 8253 2.2 晶闸管数字触发输出通道设计 晶闸管 晶闸管是一种大功率的半导体器件，它具有体积小、重 量轻、耐压高、容量大、功率高、维护简单、控制灵敏 等优点。同时它的功率放大倍数很高，可以用微小的信 号功率（几十到一、二百毫安的电流，二、三伏的电
8、压 ）对大功率（电流为几百安、电压为数千伏）的电源进 行控制和变换。 3、拨码盘给定输入通道 使用22片4位BCD码输入的拨码盘片，作为六个温区 的温度给定和电动机的速度给定。 4、数码显示输出通道 包括：数字量输出接口电路、所存译码驱动电路，七 段数码管显示器。 5、打印机输出通道 二、微型计算机选择 1、STD总线标准 2、8098单片机 三、控制算法 取一个温区的温度进行分析，分析其简化后的动态结 构。 电阻炉的惯性时间常数 纯滞后时间常数=NT Z变换： 大林算法 由下面的式子，可以得到系统的控制算法差分方程式： 系统控制程序结构框图 五、软件设计 系统初始化程序模块流程图 一、简答题 1、计算机控制系统是由哪几部分组成的？各部分的作用是什 么？ 2、简述I/O控制方式有那些？它们各自的优缺点及应用场合何 如？ 3、什么是接口？为什么要设计接口？ 4、典型I/O通道有哪些？它们由那些环节组成？ 5、模拟输出通道中为什么要加输出保持器？试分析输出保持 器和输入保持器的区别。 6、现有一测温系统，要求分别率小于等于0.1度，温度波动范 围为3050度，温度传感器输出电压为05V。试确定A/D转 换器的位数和该测量系统的精度。 7、简述数字控制器的模拟化设计法和直接设计法的设计步骤 。 试 题
