第六章微型计算机控制系统的设计1

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1、第六章第六章 微型机算机控制系统设计微型机算机控制系统设计本章主要内容：本章主要内容： 从设计一般的微型计算机控制系统出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发，介绍系统设计的一般步骤以及每一步具体设计的任务。步具体设计的任务。第一节第一节 控制系统设计的一般步骤控制系统设计的一般步骤1 系统总体控制方案设计系统总体控制方案设计2 微型计算机选择微型计算机选择3 控制算法设计控制算法设计4 硬件设计硬件设计5 软件设计软件设计6 系统联调系统联调系统总体控制方案设计系统总体控制方案设计1 确定控制任务确定控制任务,即干什么？确定目标，了解即干什么？确定目标，了解其意

2、义。其意义。2 软硬件功能分配软硬件功能分配3 接口电路设计接口电路设计4 通道设计通道设计5 控制台设计控制台设计微型计算机选择微型计算机选择构成方案选择构成方案选择性能指标选择性能指标选择组装方案组装方案单板机或单片机方案单板机或单片机方案通用微型机系统方案通用微型机系统方案通用工控机系统方案通用工控机系统方案完善的中断系统完善的中断系统足够的存储容量足够的存储容量完备的完备的I/O通道和实时时钟通道和实时时钟足够的数据处理能力足够的数据处理能力控制算法设计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、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。和稳定性的要求。对具体

3、的系统，可能需要对通用的计算公式进对具体的系统，可能需要对通用的计算公式进行修改和补充。行修改和补充。要充分考虑控制算法的物理上的可实现性。要充分考虑控制算法的物理上的可实现性。第二节第二节 微机控制系统的软件微机控制系统的软件操作系统操作系统语言加工系统语言加工系统编辑程序编辑程序编译程序编译程序连接、装配程序连接、装配程序调试程序调试程序子程序库子程序库诊断系统诊断系统系统软件系统软件应用软件应用软件控制程序控制程序数据采集及处理程序数据采集及处理程序巡回检测程序巡回检测程序数据管理程序数据管理程序软软件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

4、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

5、重的场合。 NKKNkkNkkXNYXYeE112121)(minmin根据极值定理有：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） 1)1 (kkkayxay为滤波环节的惯性滞后时间常数aTa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，否则以上一采样值作为真实信号。常用应用程序设计xxx|12限速滤波设相邻的采样时刻

6、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。xxx|12xxx|23例：微型计算机温度控制系统设计例：微型计算机温度控制系统设计以典型工业炉窑以典型工业炉窑网带式多温区电阻炉为对象，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。介绍微型计算机温度控制系统的设计实例。一、一、系统总体控制方案设计系统总体控制方案设计控制任务控制任务设计对象设计对象是六温区网带式连续烧结电阻炉，是六温区网带式连续烧结电阻炉，温区温区温度温度在在6001000 范围内均连

7、续可控。各温区范围内均连续可控。各温区温度以及网带的运行速度既可以自动设定，也可温度以及网带的运行速度既可以自动设定，也可人工设定。人工设定。要求要求系统能够对六个温区的温度以及网带运行速系统能够对六个温区的温度以及网带运行速巡回检测、显示和定时打印。网带由直流电机拖巡回检测、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。动，其运行速度由调速系统控制。主要任务：主要任务：1）六个温区温度的闭环直接数字控制；）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）网带拖动直流调速系统的速度给定和速度检测；测；3）六个温区温度及网带运动速度的巡回检测、）六个温

8、区温度及网带运动速度的巡回检测、显示和定时打印；显示和定时打印；4）系统升温、保温状态指示、超温、断偶报警）系统升温、保温状态指示、超温、断偶报警等功能。等功能。1、 确定控制任务确定控制任务系统构成框图系统构成框图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、拟转换开关、A/D转换和输入接口电路组成。转换和输入接口电路组成。从热点偶得到的是从热点偶得到的是毫伏级毫伏级电压信号，经前级放大器放大电压信号，经前级放大器放大至至010V，然后通过多路模拟开关到达，然后通过多路模拟开关到达A/D转换器的输入转换器的输入端。多路模

9、拟开关的切换由微型计算机控制，通过光耦端。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，逐一选通六路温度检测电压信号。合器驱动，逐一选通六路温度检测电压信号。采用采用V/F变换器和定时计数器组成变换器和定时计数器组成A/D转换器。转换器。A/D转换器转换器这种这种A/D转换器价格便宜、容易隔离、抗干扰能力强、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。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温度检测模拟输入通道设计2 、I/O通道和接口电路设计通道

10、和接口电路设计2 、I/O通道和接口电路设计通道和接口电路设计2.1 温度检测模拟输入通道设计温度检测模拟输入通道设计82532.2 晶闸管数字触发输出通道设计晶闸管数字触发输出通道设计晶闸管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、三伏的电压）号功率（几十到一、二百毫安的电流，二、三伏的电压）对大功率（电流

11、为几百安、电压为数千伏）的电源进行对大功率（电流为几百安、电压为数千伏）的电源进行控制和变换。控制和变换。3、拨码盘给定输入通道、拨码盘给定输入通道使用使用22片片4位位BCD码输入的拨码盘片，作为六个温区码输入的拨码盘片，作为六个温区的温度给定和电动机的速度给定。的温度给定和电动机的速度给定。4、数码显示输出通道、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。段数码管显示器。5、打印机输出通道、打印机输出通道二、微型计算机选择二、微型计算机选择1、STD总线标准总线标准2、8098单片机单片机三、控制算法三、控制算

12、法 取一个温区的温度进行分析，分析其简化后的动态结取一个温区的温度进行分析，分析其简化后的动态结构。构。sTDesKseTssG11)(电阻炉的惯性时间常数纯滞后时间常数=NT)()(sGzzGzeTDTeTDTzNK1/1)/1 (111sTDesKseTszZ变换：变换：zeTCTzneTCTz1/11)/1 ()(大林算法zNbzbzaazD12111110)() 1(1)(0) 1(2) 1(1)(kEakEaNkUbkUbkU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系统控制程序结构框图五、软件设计五、软件设计系统初始化程序模块流程图系统初始化程序模块流程图