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1、第14章 微型计算机在自动控制系统中的应用14.1 微型计算机应用的意义 14.2 典型微型计算机控制系统的组成 14.3 微型计算机在开环控制系统中的应用 14.4 以微型计算机为基础的闭环控制系统 14.5 微型计算机在多对象检测及控制系统中的应用 14.6 微型计算机在多变量寻优系统中的应用431 14.7 微型计算机在过程控制系统中的应用 14.8 单片机在称重装置中的应用 习题系统中的应用由于大规模集成电路的飞速发展，计算 机的微型化很快，其性能价格比也大为提高，因而 微型计算机的应用越来越广泛。计算机在各个领域 中的应用，已有大量的报道，从中可知计算机的应 用已取得显著的经济效益和
2、社会效益。微型计算机 不但在工农业生产方面的应用，在科研设备中也有 很普遍的应用，而且在办公自动化及家庭生活中也 已逐渐得到推广和应用。 本章将就微型计算机在自动控制系统中的应用方面举 些实例，说明微型计算机在整个系统中处于什么位 置，起到什么作用，能在多大程度上代替人的脑力 和体力劳动，使生产过程自动化的程度和产品质量 得到什么样的改善或提高。14.1 微型计算机应用的意义这里所说的“应用” (application) 将区别于“使用”(use) 这 样的术语。所谓计算机的“使用”指的是在计算机本身 带有的软硬件的支持下，按照说明书进行操作，以计 算某些题目。而“应用”的含义将更为广泛，它除
3、具有 上述的“使用”的意义之外，还可以在用户选配的外围 设备或器件 (硬件)的支持下对机器、仪表、装置以及 整个过程进行检测控制。在用户自编应用程序的支持 下，一方面既可以利用计算机来积累资料，总结经验 以达到“自学”实践中的规律，从而作为改进今后控制 方法的依据。另一方面，更可利用计算机进行实时控 制，随时总结经验，随时“指导”下一步的控制规律。总而言之，“使用”是对计算机本身的硬件毫无增减，在 软件上也是只在对计算机配备好的软件略加增减。“应 用”则既可以是对计算机的硬件作相当大的增加(如检测 通道、执行通道及相应的接口)或者是在原有软件(操作 系统，监控程序)的支持下设计出完全满足用户需
4、要的 应用软件。这就是，“应用”必须是有硬件和/或软件的 增减，以满足用户的需要。 微型计算机的应用一般可分成3种类型： 1. 检测控制型这种类型用于对控制对象作某些判断然后再去控制其 执行机构。它不需要作复杂的数学模型的计算工作 ，但它必须有检测控制对象的某些现象的传感器件 ，并且还得将由此而得到的模拟量(连续的电压或 电流量)转变成数字量(变为量化的脉冲量)。这就是一般称为模 数转换器(A/D convertor)。作为一 个计算机控制系统，如果把计算机比作人的“头脑 ”(电脑)的话，则传感器就相当于“耳目”，执行机构 则为行动的“手脚”。而A/D转换器是起到使“耳目” 和“头脑”之间的匹
5、配作用，或者说，起到将现象翻 译成数字的作用，以适应计算机的工作特点。 执行机构如果是开关式的，则计算机只要输出开关量 (如继电器)即可。如执行机构是连续式的，则计算 机要经过数 模转换器(D/A convertor)才能产生连 续控制量(如电压或电流量)。 这里要指出的是：A/D和D/A转换器是计算机控制系 统的必备的重要器件。其他的“手脚”和“耳目”之类 的器件都是一般控制检测装置上通用的，只要作适 当的选配，即可以使用于计算机控制系统。2. 数据处理型 这是指输入数据量比较多(数十，数百，甚至成千上万的 数据)，而且需要经过一定规律进行分类、排列(列表) 、折算(如线性化)、换算(如求均
6、值、方差等)，然后送 入有关的数学模型进行繁杂运算的计算机系统。这种 类型为了取得人机对话的方便，必须设有电视屏显示 器(或称阴极射线管 CRT)和完整的键盘输入器(要有数 字键及文字键)。为了便于多处使用而常可增设若干个 带有电传打字机的终端机。 这类系统，多为键盘输入数据，而在显示器上显示结果 ，这就是所谓离线处理。如果数据直接由各个数据输 入端随时输入，然后机器连续运算，并随时或定时给 出计算结果，则称为在线处理。当然后者在系统形成 上要比前者复杂得多。3. 混合型即以上二者的复合型式。一方面既有很多数据输入， 并进行相应的处理，另一方面又要根据处理的结果 去控制相应的装置，以达到整个系
7、统的预期目的。 下面几节将介绍几个具体的例子，以使初学者有一个 较完整的计算机应用概貌。但是，我们不打算按上 述三个类型分别举例，因为这种分类法也不是典型 的。况且，一个系统的存在是有其实际需要而存在 的，有时不一定可以列入任何一类中去。14.2 典型微型计算机控制系统的组成以微型计算机为核心组成的控制系统，如图14.1 所示。图中间是微处理器 (CPU)，以及组成内 存的 ROM和RAM，这是微型计算机的主要内 部设备。左边为计算机的外部设备，其中包括 打印机(PR)、显示屏(CRT)、键盘(KB)以及外 存储磁带(CS)或软盘硬盘。它们各自都得通过 相应的接口才能与计算机的内部总线相连。右
8、 边被控制的对象，总称为用户。它们只有4种 形式。图14.1(1) 模拟量： 如电流、电压，它们来自某些量测装置的 传感器，模拟量就是连续的量。 (2) 数字量： 如数字式电压表或某些传感器所产生的数 字量。 (3) 开关量： 如行程开关或限位接点接通时产生的突变 电压。 (4) 脉冲量： 如脉冲发生器产生的脉冲系列(一般为电 压脉冲)。 图14.1右边的8路通道中，上面4路是输入通道，下面4 路是输出通道。输入通道配有4种传感器，就是模拟 量传感器、数字量传感器、开关量传感器和脉冲量 传感器。输出通道则可以产生相应的控制量：模拟 量输出、数字量输出、开关量输出和脉冲量输出。图14.1是把各种
9、输入/输出的可能性都集中在一起，因 而看起来比较复杂。这种情况是会产生的，但不会 是经常遇得到的。常见的倒是这样：右边只有一个 模拟量输入和一个开关量输出，左边则有一个键盘 (作为程序及数据输入)，一个显示器(监视过程)以 及一个打印机(用以收集数据和控制的结果)。以一 个单板计算机为例，左边这几种外部设备都可以装 到和计算机内部设备在一起的一块板上。图14.2就 是这样一个简单系统的示意图。图14.2市场上出售的单板计算机大都将十六进制键盘(KB) 、发光二极管(LED)显示器、针打式微型打印机 (PR)和输入/输出(I/O)接口器件装在一起。这样在 设计应用上就十分方便，设计者只需挑选合适
10、的 A/D变换器即可。 图14.1和图14.2两图中都有接口电路出现，而且在图 14.1中每个外围设备和每个外部设备都要用到接口 电路。对于外部设备来说，每种设备都有专用的接 口电路。对于外围设备来说，因用户对象较多样化 ，所以常用一些通用的接口器件。在单板计算机上 ，键盘、显示器和打印机都比较简单，用法较固定 ，所以它们和内部总线的连接不用外加接口装置， 而在板上的印刷电路上加以解决。因此显得简单紧 凑。单板计算机上一般都带有适于外围通道用的输入/输 出接口，接口技术也是搞计算机应用者的一个重要 课题。一般讲计算机应用的书都会有这方面的章节 。本书限于篇幅，就不多加介绍了，下面具体系统 中遇
11、到具体接口时再略加说明。14.3 微型计算机在开环控制系统中的应用一般程序控制(或顺序控制)是控制装置发出一系列控 制命令，使执行机构服从其控制而作出相应的操 作。但是执行的效果如何，不返回去与控制命令 相核对。这就是只有前馈的信息而无反馈的信息 ，不能形成一个闭环信息系统，故称为开环系统 。 在开环系统中采用微型计算机的优点是可以用软件 方法来改变控制程序。即一旦硬件针对一台机器 设计好了以后，若要改变工作的程序，只要重编 控制程序，一般也只需改编控制程序中的若干条 指令即可。 下面就以交通管理为例简要介绍一下开环控制系统 的微机控制方法。这里说的交通管理是指十字路 口的交通灯控制，这种灯光
12、控制的要求可归结为 ：(1) 纵向(A向)与横向(B向)的交通灯定时60秒交换红 绿色一次。 (2) 灯光有3种颜色：红、黄、绿(图14.3中的R，O， G)。每次交换时要求在黄色灯停留3秒钟。 (3) 一路在60秒内过车完后超过6秒，无车继续过时， 如另一路有车在等待，则自动提前交换灯色。交换 过程也得先在黄灯处停留3秒。 (4) 在紧急车辆(如消防车、救护车等)通过时，四边 街口均显红灯，以便只许紧急车辆通过。其他车辆 暂停行驶。紧急车辆过后自动恢复原来的灯色标志 。 还可以提出更多的要求。不过，上述4点基本要求已 足以说明交通灯控制问题对计算机提出的方式是什 么。这种控制方式具有如下的特
13、点：(1) 这是一个开环控制系统，即无反馈的程序控制。 (2) 开关量输入和开关量输出。图14.3中的车辆检测 传感器(A1，A2及B1，B2)是光电开关式的，所以送 入计算机的信息是开关量。计算机控制交通灯的通 断是通过继电器的，所以也是开关量输出。图14.3(3) 有中断响应功能。即一路的车辆能够申请另一路 中断其绿灯而让其通行。不过这是有条件的，即必 须是被请求的一路已有6秒钟无车通过，才会响应 。 (4) 有非屏蔽中断响应功能。当图14.3中的紧急车辆 检测传感器(J)检测到有紧急车辆要通过时，立即发 出紧急中断信号(也是开关量)。这种中断请求不必 等到被请求的一路已无车通过，而是无条
14、件地停止 其车辆通过。这就叫做非屏蔽中断。这是最高优先 级的中断形式。 图14.4是这种系统的计算机控制硬件结构示意图。其 中各部分的内容及功能分述如下：图14.4微型计算机这是和图14.2相似的单板计算机，它 具有下列最基本的组件： CPU微处理器。是执行程序，接受输入信号并 发出控制信号的指挥中心。 ROM只读存储器。其中存放着协调整个单板机 内各个组件之间的运行的监控程序它是由计算 机厂编制的。 RAM随机存储器。其中的程序是由用户编制的 ，故称为用户程序。这个程序是根据交通灯控制的 需要而由设计者(用户)制定的。 LED发光二极管显示器。在编制程序时，此显示 器可帮助程序员观察到存储器
15、中所存的内容是否符 合所编程序的要求，也可显示控制过程。KB十六进制键盘。用以输入用户程序到RAM中 去，也可用以修改程序。 PIO并行输入/输出接口。这种接口一般有两个口 子，称为PA口及PB口，每个口子有8个并行引出线 作为输入和输出端线。 PA口引出线的编号为PA0，PA1，PA2，PA3，PA4， PA5，PA6，PA7。 PB口引出线的编号为PB0，PB1，PB2，PB3，PB4， PB5，PB6，PB7。 PA和PB可以分别指定为输入或输出，PA和PB的各 条引出线也可以分别指定为输入或输出。 因此，这种PIO称为可编程序的。REL为继电器板。其中有6个继电器以提高PA的 6条输出
16、线的功率，以便去控制A向及B向的交通灯 。 RA，OA，GA为A向两个街口的交通灯，红、黄、绿3 色各有两个灯。 RB，OB，GB为B向两个街口的交通灯，也是3色各有 两个灯。 GB为门电路板。其中装有两个或门，这实际上 是一个门电路组件。其各个与门的输入输出关系为 ： A1+A2A B1+B2BA1及A2为放在A向两个街口的检测器，只要其中一个 为1(有车要通过)，则A1，即通知计算机A向有车 要求通过。 B1与B2是放在B向两个街口的检测器，其作用和上述 是相同的。 由图14.4可见，PA口的PA0，PA1，PA2，PA3，PA4 及PA5是作为输出的，而PA6及PA7是作为输入的。 J是4个紧急车辆检测器的公共入口。即4个控制 器的输出端并联一起，接至此处。NM1为CPU的一 个非屏蔽中断输入端，低电位(即在J0时)有效(表 示有紧急车辆要通过)。通过NM1端而将此信息送 入CPU，从而使RAM中正在进行的程序中断，而跳转至让紧急车辆通过的中断服务子程序。当车辆 过后，J恢
