计算机控制第七章-控制系统的设计

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1、第七章 计算机控制系统的设计与实践,7.1计算机控制系统设计的基本要求和特点 7.2 计算机控制系统的设计方法及步骤 7.3 计算机控制系统设计举例,7.1 计算机机控制系统设计的基本要求和特点,1. 设计的基本要求,（1）系统操作性能要好 （2）通用性好、便于扩充 （3）可靠性要高,（1）系统操作性能要好,两方面含义： 使用方便 维修方便 配置软件时，考虑什么软件可降低对操作员专业知识要求；支持的应用程序编写语言； 硬件配置方面：减少控制开关，操作顺序简单。 出现故障时：软件需要诊断程序，硬件零部件配置便于维修。,（2）通用性好、便于扩充,系统设计时候要考虑适应各种不同的设备和各种不同的控制

2、对象，使系统不需要大的改动就很快适应新的情况。这就要求系统的通用性好，能灵活的进行扩充。 这就对系统提出了如下概念 开放：可以将现成的硬件和软件集成到一个标准环境中。 模块化：允许元件的“即插即用” 可缩放性：能够简单的和有效的重新配置以满足特殊的应用 经济性：实现低生命周期成本 可维护性：正常运行时间长，故障停机时间短,（2）通用性好、便于扩充,为达到这些要求： （1）系统设计标准化 （2）采用通用的系统总线结构，以便扩充 （3）接口部件采用通用集成接口芯片 （4）尽量在速度允许的情况下使硬件功能软件实现。 （5）系统设计要有余量。如CPU的工作速度、电源功率、内存容量、过程通道等,（3）可

3、靠性要高,可靠性是控制系统最重要的基本要求。一旦系统出现故障，将造成 整个生产过程混乱。 特别对CPU模块的可靠性要求更严格。 由于微型计算机控制系统或PLC系统硬件价格低，通常采用多微处理器控制系统来提高系统可靠性。 采用双机系统。用两台计算机或PLC作为控制系统的核心处理器，从而提高可靠性。 采用集散控制系统。,（3）可靠性要高,采用双机系统。用两台计算机或PLC作为控制系统的核心处理器，从而提高可靠性。 1）备份工作方式：一台机投入系统运行，另一台也处于运行状态，但做为系统的热备份机。当投入运行的系统出现故障时，专用程序切换装置自动把备份机无缝切入系统。故障排除后的系统则作为备份机。 2

4、）主从工作方式 ：两台控制机器，同时投入系统运行，正常情况下，分别执行不同任务。一台承担整个系统的主要控制任务为主机，另一台承担数据处理或部分设备控制工作（从机）。当主机发生故障，它就自动脱离系统，让从机能够机承担起所有的控制任务，以保证系统正常运行。 3）双工工作方式 两台主机同时投入系统运行 ,任何时刻同步执行同一任务。并把结果送到一个专门的装置进行核对。如果输出结果符合，说明都正常，则输出，否则，判断发生故障机器，并切换下来,（3）可靠性要高,采用集散控制系统。,利用微型计算机或微处理器为核心的基本调节器，实现地理上和功能上的分散控制，同时通过高速数据通道将各个分散点的信息集中起来进行集

5、中监督、管理和控制操作，以实现生产过程的各种复杂控制规律。优点：结构可大可小，容易扩充，系统可靠性高,2. 设计特点,在进行微机控制系统设计时，系统设计人员必须把系统要执行的任务和应具备的功能合理地分配给硬件和软件来实现，做到合理权衡硬件、软件的配置，并尽量节省机器时间和内存空间。硬件设计主要采用大规模集成电路。,7.2 微机控制系统的设计方法及步骤,1. 确定系统整体控制方案,第一：要从系统构成上考虑，是采用开环控制还是闭环控制。 第二：考虑执行机构采用什么方案，是采用电机驱动、液压驱动还是其他方式驱动，比较各种方案，择优而用。 第三：考虑是否有特殊控制要求。,2. 确定控制算法,（1）确定

6、算法能否满足控制速度、精度和系统稳定性的要求。 （2）确定某些情况下要进行修改与补充。 （3）确定为设计、调试方便，可将控制算法作合理的简化，逐步将控制算法完善，直到获得最好的控制效果。,3. 选择微型计算机和外围设备,（1）较完善的中断系统 （2）足够的存储容量 （3）完备的输入输出通道和实时时钟 （4）字长 （5）速度 （6）指令种类和数量 （7）寻址范围和寻址方式 （8）内部存储器的种类和数量,3. 选择微型计算机和外围设备,（1）较完善的中断系统 在计算机控制系统中，中断处理是主要的一种输入输出方式。微处理器中断功能的强弱，往往涉及到整个系统的硬件和应用程序布局。 （3）完备的输入输出

7、通道和实时时钟 （4）字长 字长直接决定了数据精度、指令数目、寻址能力和执行操作的时间。一般字越长，对数据处理越有利。但从减少辅助电路的复杂性和降低成本角度考虑，字短些好。一般16或32位字长可满足要求。,3. 选择微型计算机和外围设备,（5）速度 微处理器速度应该与被控对象的要求相适应，盲目追求高速度会提高成本，并给安装调试带来麻烦。 （6）指令种类和数量 指令条数越多，针对特定操作的指令也必然增多，这可使处理速度加快，程序量减少。字较短的微处理器，通常指令条数少一些。,3. 选择微型计算机和外围设备,（7）寻址范围和寻址方式 、内存容量 寻址范围表示系统中可存放的程序和数据量，用户根据系统

8、要求选择与寻址范围有关的合理内存容量。 一般有直接、间址、变址寻址等，选择恰当的寻址方式，会使程序量大大减少。 （8）内部存储器的种类和数量 微处理器内部结构也关系到系统性能重要方面，一般包含有通用寄存器组、程序计数器、堆栈指示器、变址寄存器、累加器等。它们的种类和数目越多，访问外存次数越少，加快执行速度。,4. 系统总体设计,（1）估计内存容量、进行内存分配 （2）过程通道和中断处理方式的确定 （3）系统总线的选择 （4）操作台的控制,4. 系统总体设计,（1）估计内存容量、进行内存分配 内存容量主要根据控制程序量和数据量以及堆栈大小来估计。并要考虑是否要外存。 不同功能的程序最好分配在不同

9、的内存区域，便于系统的扩展和工作速度的提高。 在I/O端口地址按存储器统一编址系统中，要选择某一内存区做为I/O端口地址区，应让所有I/O端口号尽量靠在一起，有利于译码和扩展。,4. 系统总体设计,（2）过程通道和中断处理方式的确定 根据控制对象所要求的输入输出参数的个数，来确定系统的输入输出通道。着重考虑： 1）数据采集和传输所需要的通道数目 2）数据传输率和数据流量 3）输入输出通道是串行操作还是并行操作 4）输入输出通道是随机选择还是按某种预定的顺序工作。 5）模拟量输入输出通道中字长选择。 硬件处理中断快，需配置中断控制部件；程序处理中断编程灵活。,4. 系统总体设计,（3）系统总线的

10、选择 系统总线选择对通用性很有意义。为使系统标准化，采用通用的系统总线。,5. 硬件和软件的具体设计,硬件和软件有一定互换性。用硬件完成功能，可改善性能，加快工作速度，但增加成本。用软件代替硬件功能，可减少元件数，降低成本，但工作速度降低。 一般原则：所设计控制系统生产量大，多用软件完成功能。主要考虑成本。,5. 硬件和软件的具体设计,（1）硬件设计：根据系统总体框图，设计出系统电气原理图，再按照电气原理图着手元件的选购和开始施工设计工作。 （2）软件设计：实时性。 针对性。 灵活性和通用性。 可靠性。,6. 系统联调,系统联调是要把已调好的各程序功能块按照总体设计要求连成一个完整的程序。程序

11、调试完成后，还要进行在线仿真，然后进行试运行。经过一段考机和试运行后，即可投入正式运行。,图6-1 控制系统设计步骤流程图,7.3 微机控制系统设计举例,7.3.1 电池化成电源 7.3.2 CNC系统,锂动力电池是高性能无污染的新型环保能源。适用于作国防、航空航天以及民用电动摩托车、电动小轿车、中巴与大巴等的动力电池。 同其它蓄电池一样，锂动力电池在出厂前必须进行化成、检测。 其工艺流程包括五个阶段：恒流充电、恒压充电、休眠阶段、放电阶段及周期间隔阶段。 要求电池在充电终压（最高为4.2V）时，自动停止充电；在设定的电池放电终压(最低2.25V)时，自动停止放电。充放电电流一般不超过0.3C

12、。,7.3.1 电池化成电源系统,对化成电源的要求,要求化成电源不仅化成高精度、高可靠性，还要具有体积小、安全性高、组网能力强，以及充放电响应速度快，过程无冲击，以延长电池的使用寿命。 传统的模拟化成电源已经无法满足这些新要求，为此在对100Ah锂动力电池化成电源的开发中，研究了基于数字信号处理器的全数字化成电源及其控制技术。,系统性能要求,具有电池化成、测试和分选功能； 采用精确制造恒流-稳压电源，恒流到恒压充电过程平滑无冲击； 每个通道具有独立的充电、放电回路，具有过流、过压（过充）、欠压（过放）、过热保护，安全可靠； 化成机柜设有可视电池化成状态的防爆观察窗； 化成通道模块化制造，通用性

13、强，具有热插拔功能，可靠性高，维修容易； 电源采用了基于数字信号处理器(DSP)的全数字化控制，控制精度高，硬件少，系统可靠性高；,技术指标,恒流充电范围 030A 精度 0.5； 恒压充电范围 05V 精度 0.5； 充电终止电压 4.2V 精度 0.5； 放电终止电压 2.8V 精度 0.5； 恒流放电范围 0-30A 精度 0.5； 测量分辨率 0.05% FSR； 电池温度检测范围 0-70C 误差 1C； 化成过程设置为充电、休眠、放电过程，并可实现过程参数时间可编程组合； 电网侧的功率因素大于0.95； 数据采集 电流、电压、温度； 通讯接口 CAN总线； 工作环境 0-40C；电

14、源输入 380VAC10%；相对湿度 20-80%RH,总体设计原则,1、电池化成过程安全是第一位的，要有根本性措施确保安全，如对化成电源的保护需要采用硬件箝位限制、充放电过、欠压、过流超温保护等，另外，通过对各个通道实时联网监控可以解决人为的误操作所引起的安全问题； 2、锂电池化成精度要高，筛选、分级、分类要细。要在各个通道的控制回路中，使用功能强大的信号处理器，提高控制精度。同时攫取和处理化成完整信息，支持实现更完善的电池分类方法,总体设计原则（1）,3、 化成系统由充放电模块及控制模块和保护系统组成。高可靠性、保障各通道调节参数准确性，高可维护性等是十分重要的。将采取下列措施： 各通道模

15、块是相互独立的，可实现单独热插拔维修； 选择可靠性高、实时性强、易安装、连线少、可热插拔的现场总线方式，实现对各通道的监控； 以DSP软件代替硬件线路，减少元件数量，主电路采用通用模块电源，降低故障率 以Windows操作系统为软件工作环境，建立功能齐全，用户友好，开放的软件系统。,数字化成电源结构,为实现锂动力电池恒流充电、恒压充电、休眠、恒流放电的过程以及保证化成过程的可靠运转以及工人人身安全，整个数字化成电源包含充电电路、放电电路和基于DSP的数字控制单元三大部分，如图所示。,图1 数字化成电源结构图,充电电路,充电电路中，DPF1000、DBS200分别是COSEL公司的AC/DC和D

16、C/DC电源模块。DPF1000实现对220V交流市电整流，及功率因数校正后，输出360V直流电以母线形式为8路DC/DC模块集中提供直流电；DBS200是一款输出电压可控的直流变换模块，可控制200400V的直流输入到05V的直流电压输出，trim为其控制输入端。,放电电路,放电电路是一个电流可控的电阻放电回路，通过控制三极管的开关而调整放电电流，实现放电电路的电流控制功能。R2和Ifd分别放电电路电流采样电阻和采样电流，Rd为放电电阻。PWM分别为放电电路的脉宽控制信号。,电源采用TI公司的数字信号处理器TMS320LF2407A作为化成控制单元，在系统每个采样周期内，首先利用A/D转换器采集充电电流、放电电流、电池电压以及工作环境温度，在系统没有出现过压、过流、以及温度报警下通过控制算法产生驱动控制信号，控制D/A和PWM输出，实现充电电路恒流、恒压闭环控制，以及放电电路的恒流闭环控制。,控制单元,图1 数字化成电源结构图,DSP具有CAN接口，简单编写驱动程序，可完成与上位机的实时数据传输与操作控制。及方便实现基于现场总线的网络通信功能。 每片DS