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1、1第第9章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计n9.1 微机控制系统设计的基本要求与步骤n9.1.1系统设计的基本要求系统设计的基本要求 n1可靠性要求高n系统的可靠性主要是指系统应该具备高质量、高抗干扰能力，有较长的平均无故障时间。 n目前，计算机控制系统或PLC控制系统常用的有如下一些方法来保障可靠性。 n1) 采用双机系统n备份工作方式 ; 主从工作方式 ; 双工工作方式 .n2) 采用分布式控制系统n2系统操作性能要好n3实时性强n4通用性好、可扩充性强n5经济效益高2n9.1.2 微机控制系统设计的一般步骤n1 系统总体方案设计系统总体方案设计 n1） 确定控制任务 n在
2、设计总体方案前要进行综合论证，考察内容：n(1)必要性：可行性估计。n(2)微机控制系统对控制过程性能指标的改善程度，可靠性，可维护性。n(3)成本、经济效益。n2) 确定控制要求确定控制要求：n（1）对象数目确定及要求；n（2）检测数目确定及要求；n（3）显示与打印内容的确定及要求；n（4）保护装置的确定及要求；n（5）报警点的确定及要求；n（6）其他需要考虑的特殊要求。33) 系统总体结构n确定采用集中控制还是分散控制，是开环控制还是闭环控制；n确定系统需要检测的过程参量的个数，所需采用的检测元件及其检测精度:根据检测内容选择相应的检测元件，如位置检测可采用光电传感器、微动开关（行程开关）
3、等，温度检测可采用热敏电阻、半导体、热电偶等 ；n确定系统输出机构的方案，一般情况下，输出机构有电动、气动、液动或其它驱动方式;n确定计算机在整个控制系统中所起的作用，是直接数字控制还是数据处理、监督控制等；n确定计算机应承担哪些任务，为完成这些任务计算机应具备哪些功能，需要设计哪些输入输出通道和配置什么样的外围设备。 44)分时控制方式选择 A/D 决策 输出运算A/D 决策 输出运算A/D 决策 输出运算0通道1通道n通道1.串行分时控制方案:适用大纯滞后惯性环节2.并行分时方案 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6n-1S/HA/D 运算 决策输出 -S/HnS/HS/HA/D运算
4、决策输出 S/Hn+1S/HS/HS/HA/D运算 决策输出S/H时段通道5n5) 控控制制系系统统的的结结构构框框图图和和系系统统主主要要技技术术指指标标提提出出的的一般要求一般要求n建立结构框图：为硬件、软件的具体设计规定正确方向同时明确微机各种外部设备间的关系。n系统的主要技术指标：硬、软件具体设计的数据依据。n技术指标要提得既切实可行，又够水平。n技术指标太高：增加成本、技术难度，有时造成浪费。n技术指标太低：难以达到控制目标，无扩充潜力，水平低，无推广价值。66)硬件与软件的协调平衡 n计算机控制系统是由硬件和软件两部分共同组成。n在一个具体的控制系统中，某些功能既可由硬件实现，又可
5、由软件实现(如定时、延时等)。在进行系统设计时，应充分考虑硬件和软件的特点，合理地进行功能分配。n从快速性方面来考虑，多采用硬件可以提高系统的反应速度， 简化软件设计工作；n从可靠性和抗干扰能力方面考虑，过多地采用硬件，会增加系统元器件数目降低系统的可靠性，n同时，硬件的增加也使系统的抗干扰性能下降；n从系统成本方面来考虑，多采用软件可以降低成本。n随着计算机运行处理速度的不断提高，尽可能地用软件来实现系统的各种功能已成为可能。n对于实际的控制系统，要综合考虑系统速度、可靠性、抗干扰性能、灵活性、成本来合理地分配系统硬件和软件的功能。 7n7) 系统现有资源的分配和接口扩展 n8)人机接口设计
6、 n控制台一般应有如下功能：n(1)有一组或几组数据输入键（数字键盘或拨码开关），用于输入或更新给定值，修改控制器参数或其他必要的数字。n(2)有一组或几组功能键或转换开关，用于转换工作方式，启动、停止系统运行或完 n成某些特定的系统操作功能。n(3)有一个显示装置或显示屏，用于显示状态、参数及故障信号等。n(4)有一个“紧急停车”按钮，用于在紧急事故时停止系统运行，转入故障处理。 8n9 ) 操作规范制定：是系统软件设计的主要依据，内容如下：n1.开机步骤；n2.用键盘输入信息和修改参数的方法；n3.显示内容、格式、时间及其意义；n4.打印的内容、格式时间；n5.报警值的确定及报警方式；n6
7、.发生故障的应急处理办法。n10)采样周期的选择n实际工程中，将被控对象的工作频率分为三档：1000HZ以上；100050HZ；50HZ以下。采用频率按这三档分别取值，即要考虑稳定性和动态品质，又要考虑CPU的处理时间，执行机构的响应速度。92 微型计算机的选择微型计算机的选择 n1) 微型计算机系统构成方案选择 n(1) 组装方案 n(2)单片机方案 n(3) 通用微型计算机系统方案n(4) 专用工业控制计算机系统方案 n2) 微型计算机性能指标选择 n 作为工业控制用计算机，应满足下述基本要求。n(1) 完善的中断系统n(2) 足够的存储容量 n(3) 微处理器具有足够的数据处理能力 10
8、n3 控制算法设计控制算法设计 n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。在设计中注意以下几个问题：n (1)由于控制算法对系统性能指标有直接的影响，因此，选定的控制算法必须满足控制速度、控制精度和系统稳定性的要求。n (2)控制算法一旦确定以后，对于具体的被控对象需要做出必要的修改和补充，不要生搬硬套。事实上，我们依据系统的数学模型所确定的控制算法，由于系统的数学模型往往具有一定的近似性，因此，对设计的控制算法进行必要的修正是必然的。n如PID控制算法，可以根据对象特性和要求的性能指标，合理地选用P、PI、PD等控制算法。n(3)对于一些复
9、杂的控制系统，应抓住影响系统性能的主要因素，适当地对系统进行简化，进而简化系统数学模型和控制算法程序，给系统设计和软件调试带来很多方便。 11n4 硬件设计硬件设计n在自行开发设计功能模块时，应注意如下问题：在自行开发设计功能模块时，应注意如下问题：n(1)设设计计输输入入输输出出IO模模块块时时，输输入入输输出出通通道道要要留留有有一一定定量量的的裕裕量量，以备系统扩展之用。以备系统扩展之用。n(2)注意注意IO通道信号的隔离。通道信号的隔离。n(3)考虑系统总线的带负载能力，适当增加总线信号驱动电路。考虑系统总线的带负载能力，适当增加总线信号驱动电路。n(4)设计硬件抗干扰电路，提高系统的
10、抗干扰性能。设计硬件抗干扰电路，提高系统的抗干扰性能。n(5)尽可能采用常用的尽可能采用常用的IO接口芯片和逻辑元件。接口芯片和逻辑元件。n(6)合理地分配合理地分配IO口地址，避免与其它设备发生冲突。口地址，避免与其它设备发生冲突。n(7)在在设设计计印印刷刷电电路路板板时时，模模拟拟部部分分和和数数字字部部分分最最好好分分开开走走线线，最最后一点接地。后一点接地。n(8)输入输出接插件要安装方便，接触可靠。输入输出接插件要安装方便，接触可靠。n(9)避免虚焊、漏焊。避免虚焊、漏焊。129.1.5 软件设计软件设计 n1) 编程语言 选择n2) 应用程序的设计步骤和方法 n 应用程序的设计通
11、常分下列五个步骤：问题定义、程序设计、编码、调试、改进和再设计。 n3) 控制系统应用程序设计 n(1) 人机界面程序 n人机界面程序主要用于完成各种工艺参数和控制参数的给定和修改，控制台控制命令的输入，系统模拟显示，生产过程工艺参数或曲线的显示、打印等功能。n(2) 实时控制程序 n 实时控制程序必须满足系统实时性的要求，这部分软件一般需要中断的支持，且作为后台进程，由特定的事件来激发，大多数控制系统中是通过定时中断来实现。实时控制程序主要完成以下任务。n数据的采集数据处理数字控制器程序实现越限报警和事故处理n系统自诊断，以固定的周期巡回对系统中一些重要硬件进行检查诊断。一旦发现系统存在故障
12、或工作不正常，需及时报告事故类别、地点，并进行相应的处理。 139.2 微型计算机温度控制系统设计 n9.2.1系统总体系统总体方案确定方案确定n1) 确定系统的控制任务确定系统的控制任务n 本本系系统统采采用用直直接接数数字字控控制制系系统统（DDC），就就功功率率为为2KW的的单单相相电电阻阻炉炉进进行行温温度度控控制制，要要求求温温度度在在4001000范范围围内内可可调调。主主要要任任务务要要求求有有：(1)电电阻阻炉炉温温度度的的检检测测。(2)电电阻阻炉炉温温度度的的闭闭环环控制。控制。(3)电阻炉温度曲线显示和打印。电阻炉温度曲线显示和打印。n2 2）确定系统的总体控制方案）确定
13、系统的总体控制方案 14单片机159.2.2 硬件设计硬件设计n1检测元件及变送器n检测元件选用镍铬-镍铝热电偶，分度号为EU，适用于01000的温度测量范围，相应输出电压为0mV41.32mV。 n变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成：毫伏变送器用于把热电偶输出的041.32mV变换成010mA范围内的电流；n电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的010mA电流变换成05V范围内的电压。n 2A/D转换与I/O接口电路n由于本系统温度信号变化缓慢，所以在模拟量输入通道中省去了采样保持电路。温度传感器信号经调理放大后（UO），直接送入AD0809进行转换。n系统核心控制器即单片机为89S5
14、1，其它模块有ADC0809、8155等。ADC0809为温度测量电路的输入接口，相应的温度与数据量对照见表9-2；8155用于键盘和显示接口。 16n采用 MAX232与上位机通信，接口电路如下图9-3所示。n连接时要注意其发送/接收的引脚对应。如使Tin1接单片机的TXD，则PC机的RS232的接收端RXD一定要对应Tout1引脚。n同时，Rout1接单片机RXD引脚，PC机的RS-232发送端TXD对应Rin1。图9-3 通信接口板原理图173输出通道设计n 双向可控硅和加热丝串接在交流回路，因此可控硅导通时间决定加热丝的加热功率。图9-4给出了可控硅在给定周期T内具有不同导通时间的情况
15、。 过零信号是正弦交流电压过零时刻的同步脉冲，可使可控硅在交流电压正弦波过零后触发导通。过零同步脉冲由过零触发电路产生，如图9-5所示，其作用是在电网电压的每一个过零点产生一个同步脉冲。18图中，包含同步变压器，比较器LM311将50Hz正弦波信号变成方波信号异或门在方波的上升沿或下降沿产生过零同步脉冲，单稳触发器的作用是对过零同步脉冲信号整形，最后输出同步脉冲信号 。=11199.2.3 数字控制器的设计数字控制器的设计n系统的简化动态结构图如图9-6所示。 被控对象加上零阶保持器的广义对象传递函数为20本系统数字控制器采用大林算法，使闭环系统为一阶惯性环节与纯滞后环节串联，滞后时间与被控对
16、象滞后时间相同，即：控制器：21由系统的飞升特性曲线确定出T和TI后，系数A、B、C则可分别求出。 n因为D(z)=U(z)/E(z)，得该式为设计的数字控制器数学模型。 9.2.4 软件设计软件设计1）T0中断服务程序T0中断服务程序是此系统的主体程序，用于启动A/D转换、读入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限处理、大林算法计算和输出可控硅的同步触发脉冲等。在T0中断服务程序中，要用到一系列子程序。如：采样子程序、数字滤波子程序、越限处理程序、大林算法程序、标度变换程序和温度显示程序等。T0中断服务程序流程图如图9-8所示。 22n2）人机界面程序调整n人机界面程序以弹出式汉字菜单的方式实现。主菜单主要完成以下功能：n(1) 模拟画面显示。n(2) 参数给定修改。n(3) 温度曲线显示。n(4) 返回系统。23
