第9章 计算机控制系统设计

《第9章 计算机控制系统设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第9章 计算机控制系统设计（54页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第9章 计算机控制系统设计9.1 控制系统设计的原则与步骤 9.2 系统的工程设计和实现 9.3 某新型建材厂全自动预加水控制系统设计 9.4 基于单片机的智能车模型设计 9.5 基于DSP2812的离网型智能光伏逆变器9.1 控制系统设计的原则与步骤设计原则: 1.安全可靠 2.操作维护方便3.实时性强 4.通用性好5.经济效益高系统设计的步骤 系统工程项目的研制分四个阶段：n工程项目和控制任务的确定阶段；n工程项目的设计阶段；n离线仿真和调试阶段；n在线调试和运行阶段。阶段1.工程项目和控制任务的确定阶段1）甲方一定要提供正式的书面委托书，要有明确的系统技术性能 指标要求、经费、计划进度、

2、合作方式等。 2）乙方研究任务委托书 3）双方对委托书进行确认性修改 4）乙方初步进行系统总体方案设计 5）乙方进行可行性研究目的:估计承接该项任务的把握性，并为签订合同 后的设计打下 基础主要内容：技术可行性；经费可行性；进度可行性 6）签订合同书阶段2.工程项目的设计阶段如下图所示1）组建设计队伍 2）各成员要明确分工和相互 的 协调合作关系。 3）系统总体方案 4）方案论证与评审 5）硬件和软件的分别细化设 计 6）硬件和软件的分别调试 7）系统组装(是离线仿真和调 试阶段的前提和必要条件。)阶段3.离线仿真和调试阶段如图9-2所示图9-2离线仿真和调试流程图 离线仿真和调试是指在实验室

3、 而不是在工业现场进行的仿真 和调试。在离线仿真和调试试 验后，还要进行拷机运行，其 目的是要在连续不断的运行中 暴露问题和解决问题。阶段4.在线调试和运行阶段如图9-3所示图9-3在线调试和运行流程 在线调试和运行就是将系统和生产 过程联接在一起，进行现场调试和运行 。系统运行正常后，再试运行一段时 间，即可组织验收。验收是系统项目最终完成的标志， 应由甲方主持乙方参加，双方协同办理 。 验收完毕应形成文件存档。9.2 系统的工程设计和实现一： 系统总体方案设计1.硬件总体方案设计方法：“黑箱”设计法，即画方块图的方法。用此方法做出的 系统结构设计，只需明确各方块之间的信号输入输出关系和 功

4、能要求，而不需知道“黑箱”内的具体结构。2.软件总体方案设计画出方框图，确定系统的数学模型、控制策略、控制算 法。 3.系统总体方案设计将上面的硬件、软件总体方案合在一起构成系统总体方 案。总体方案论证可行后，要形成文件，建立总体方案文 档。二： 硬件的工程设计和实现 1.选择系统总线和主机机型 内总线：常用有PC总线和STD总线两种，一般选PC总线。 外总线：指计算机与计算机、计算机与智能仪表、智能外设之间的通 信的总线。 主机机型的选择应根据微型计算机在控制系统中所承担的任务来确定 。2.选择输入输出通道模板1）数字量（开关量）输入输出（DI/DO）模板；并行接口模板分： TTL电平DI/

5、DO模板；带光电隔离的DI/DO模板 2）模拟量输入输出（AI/AO）模板。包括A/D、D/A板和信号调理电 路等。选择AI/AO模板时必须注意分辨率、转换速度、量程范围等技术 指标。 3、选择变送器和执行机构 变送器：将被测变量转换为可远传的统一标准的电信号。 执行机构：电动调节阀、气动调节阀、液动调节阀三种类型，另 有有触点开关、无触点开关、电磁阀等。三： 软件的工程设计和实现1.划分模块程序设计应先模块后整体。划分模块时要注意四点：一是一个模块不宜划分得太长或 太短；二是力求各模块之间界线分明，逻辑上彼此独立；三 是力图使模块具有通用性；四是简单任务不必模块化。 2.资源的分配 资源分配

6、的主要工作是RAM的分配。3、实时控制软件设计 （1）数据的采集及数据处理程序数据的采集：包括信号的采集、输入变换、存储。数据处理：包括数字滤波、标度变换、线性化、越限报警等处理。 （2）控制算法程序控制算法设计要根据具体的对象、控制性能指标要求以及所选择的微型计算机对数据的处理能力来进行。 （3）控制量输出程序 （4）实时时钟和中断处理程序 （5）数据管理程序 （6）数据通信程序9.2.4 系统的调试与运行1.离线仿真和调试（1）硬件调试（2）软件调试顺序：子程序、功能模块、主程序。系统控制程序应分为开环和闭环，开环调试是检查它的阶跃响应特性，闭环调试是检查它的反馈控制功能。 整体调试：对模

7、块之间连接关系的检查。（3）系统仿真 2.在线仿真和调试现场调试运行过程是从小到大、从易到难、从手动到 自动、从简单到复杂逐步过渡。9.3 某新型建材厂全自动预加水控制系统设计一： 工程概述图9-4当前采用的人工经验加水二 系统总体方案设计 1.确定系统的控制任务控制对象：来料以及原料的含水率的测量。主要任务要求 ：（1）来料参数的测量（2）来料以及原料含水率的智能控制（3）实时数据的人机界面显示（4）通过触摸屏完成人机对话，实现过程的可视化及操作人员的过程控制等2.确定系统的总体控制方案(系统的整体框如下图)图9-5系统总体框图三 硬件设计1.智能控制单元PLC本系统采用西门子S7-200P

8、LC作为智能控制单元。 2.水分测量仪CCD本项目的测量要求和使用条件确定选择数字CCD摄像头。3.传输总线选取485总线作为传感器和PLC控制单元以及触摸屏之 间的传输总线。 4.触摸屏、电磁阀触摸屏选用步科MT4522T10.1寸TFT触摸屏。电磁阀采 用DN40电动蝶阀，4-20mA控制。系统的硬件框图 如图9-6所示：四 软件设计本系统的软件设计分为 两部分：PLC的软件编 程和触摸屏的界面设计 。1.PLC的软件编程系统的软件流程图如 图9-7所示 图9-7软件流程图(1) PID控制算法的PLC实现自动加水控制系统数学模型传递函数参数的确定采用目 前工程上常用的方法，即对过程对象施

9、加阶跃输入信号， 测取过程对象的阶跃响应，然后由阶跃响应曲线根据科恩- 库恩(Colin-Coon)公式确定近似传递函数。Cohn-Coon公 式如公式9.1所示:公式9.1为系统阶跃输入；为系统的输出响应； t0.28是对 象飞升曲线为0.28时的时间； t0.632是对象飞升曲线为 0.632时的时间。（2）模糊控制算法的PLC 实现图为模糊控制策略程序设计的流程图 2.触摸屏软件设计通过触摸屏的软件编 程界面，实现对人机 交互界面的设计。本 系统中采用 INTOUCH组态软件 ，设计和开发了触摸 屏的用户界面。触摸 屏操作台如图9-9所 示。图9-9触摸屏操作界面五 运行调试n本系统已在

10、兖州煤业股份有限公司宏力新型建材厂 空心砖烧结生产线上运行，运行结果表明，该自动 加水系统能够实现根据测量装置测得的来料量以及 原料含水率，通过内置的模糊-PID控制算法进行运 算，从而给出指令驱动执行机构完成含水率调节的 功能。降低了工人劳动强度，改善了操作人员作业 环境，缩短了砖坯烘干时间，保证了烘干后砖坯的 干燥程度和行火速度，从而提高了成品砖质量、产 量，降低了设备故障率，减少了因设备故障而导致 的停工停产造成的巨大损失。9.4 基于单片机的智能车模型设计一 系统的总体设计方案 1）系统的基本工作原理智能车的基本工作原理为：CCD图像传感器拍摄赛道图像并以 PAL制式信号输出到信号处理

11、模块进行二值化处理并进行视频同步信 号分离，二值化后的数据和视频同步信号同时输入到MC9S12X128 控 制核心，进行进一步处理以获得图像信息；通过光电编码器来检测车 速，通过外接两个计数器计数进而计算速度以实现差速；舵机转向采 用PD 控制算法；电机转速控制采用 PID 控制算法，并通过 PWM脉冲 控制驱动电路；通过综合控制，使智能车能够自主寻迹。 2）系统设计框架 智能车系统主要包括以下模块：MC9S12XS128 单片机模块、CCD 图像采集模块、转向舵机模块、驱动电机模块和速度检测模块。系统总体结构如图9-10所示：图9-10系统整体架构二 硬件设计硬件电路主要包括：电源模块、路径

12、识别模块、电机驱 动模块、舵机转向模块、速度检测模块。以下我们将分别 介绍各个模块。 （1）单片机最小系统板单片机最小系统部分使用MC9S12XS128 单片机，112 引脚封装，为减少电路板空间，板上仅将本系统所用到引 脚引出，包括PWM 接口，定时器接口，外部中断接口， 若干预留普通IO 接口。其他部分还包括电源滤波电路、时 钟振荡电路、复位电路、BDM 接口。 （2）电源管理模块全部硬件电路的电源用7.2V 2000mAh Ni-cd蓄电池提供 。由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容 量各不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充 电电池电压转换成各个模块所需要的电压。a

13、）降压稳压电路的设计我们采用的降压稳压芯片是LM2940、LM2596-5.0、 lM2596-ADJ。其电路如下图所示。 降压稳压电路 b）升压稳压电路本设计中采用B0512LS-1W作为升压稳压芯片，该芯片外 围电路简单且性能稳定，完全能够满足本设计中5到12V升压 的要求。（3）路径识别模块a）传感器的选择摄像头的选取：主要有CMOS 和CCD 两种：CMOS 摄 像头体积小，耗电量小，图像稳定性较高，但成像质量差， 分辨率较低，噪声较多。CCD 摄像头具有对比度高、动态 特性好的优点，但需要工作在12V电压下，因此，经过实验 论证之后本系统中采用CCD摄像头。 b）视频同步分离电路 我

14、们使用LM1881N 芯片对黑白全电视信号进行视频同步 分离，得到行同步、场同步信号。视频同步分离电路原理图 9-12所示：图9-12视频同步分离电路原理图c)车速检测模块要使车能够快速稳定的运行，并且能很好的实现加速和 减速，速度控制就是很重要的，本方案采用光电编码器作 为系统的速度传感器。图9-13 TLC5510的外围电路设计d）高速AD模块该设计中采用位高速A/D转换器TLC5510进行高速AD 模块的搭建。TLC5510外围电路设计如图9-13所示。e）电机驱动模块本设计中采用H桥驱动芯片33883和IRF540N来搭建H桥 驱动电路。 MC33886接线图如图9-14所示。图9-1

15、4 MC33886接线图控制系统的框图 如图 ：三 软件设计1. 系统初始化程序对于MC9S12XS128单片机来说，初始化的部分主要有以下几 部分：PLL初始化，PWM模块初始化，ECT模块初始化，I/O口 初始化，A/D初始化。下面我就分别介绍一下各个模块的初始 化程序。 1）PLL初始化S12的总线时钟是整个MCU系统的定时基准和工作同步脉冲 ，其频率固定为晶体频率的1/2。对于S12，可以利用时钟合成 寄存器SYNR、时钟分频寄存器REFDV来改变晶振频率 fOSCCLK，可以选用8MHz或16MHz外部晶体振荡器作外时钟 。设计中将SYNR设为4，REFDV设为1，因此，总线时钟为 40MHz，CPU工作频率80MHz。初始化程序如下：void PLL_init(void) /设定总线时钟40MHz DisableInterrupts; CLKSEL=0X00; PLLCTL_PLLON=1; SYNR=4; REFDV=1; while(!(CRGFLG_LOCK=1); CLKSEL_PLLSEL=1;