內工大 第六章 微型計算機控制系統(tǒng)設計教材

1、第六章第六章 微型計算機控制系統(tǒng)設計微型計算機控制系統(tǒng)設計設計原則：設計原則： 操作性好操作性好 實施性強實施性強 通用性好通用性好 經濟效益高經濟效益高 可靠性高可靠性高一般設計步驟：一般設計步驟： 系統(tǒng)總體控制方案設計系統(tǒng)總體控制方案設計 微型計算機選擇微型計算機選擇 控制算法設計控制算法設計 硬件設計硬件設計 軟件設計軟件設計 系統(tǒng)聯(lián)調系統(tǒng)聯(lián)調 6.1 控制系統(tǒng)設計的一般步驟控制系統(tǒng)設計的一般步驟一、確定系統(tǒng)總體控制方案一、確定系統(tǒng)總體控制方案 構思系統(tǒng)的整體方案，應從以下幾方面入手構思系統(tǒng)的整體方案，應從以下幾方面入手 ： 考慮系統(tǒng)結構考慮系統(tǒng)結構 執(zhí)行機構采用什么方案執(zhí)行機構采用什么

2、方案 有否特殊控制要求？特殊要求應采取那些措施。有否特殊控制要求？特殊要求應采取那些措施。 確定計算機在整個控制系統(tǒng)中所起的作用確定計算機在整個控制系統(tǒng)中所起的作用 二、確定控制算法二、確定控制算法三、選擇計算機三、選擇計算機所選計算機應滿足以下要求：所選計算機應滿足以下要求： 完善的中斷系統(tǒng)完善的中斷系統(tǒng) 足夠的存儲容量足夠的存儲容量 完備的完備的I/O通道和實時時鐘通道和實時時鐘四、系統(tǒng)總體設計四、系統(tǒng)總體設計 硬件軟件功能分配與協(xié)調硬件軟件功能分配與協(xié)調大量使用硬件會增加成本，影響系統(tǒng)可靠性；增加軟件，系大量使用硬件會增加成本，影響系統(tǒng)可靠性；增加軟件，系統(tǒng)速度相應降低統(tǒng)速度相應降低 。

3、 接口設計接口設計 接口設計內容：接口設計內容： 擴充接口擴充接口 安排接口電路的安排接口電路的I/O信號及交換方式。信號及交換方式。常用的擴充方法：常用的擴充方法： 選用專門的功能接口板選用專門的功能接口板 選用通用接口電路選用通用接口電路 用集成電路自行設計接口電路用集成電路自行設計接口電路 接口電路接口電路I/O信號的交換方式：信號的交換方式： 中斷控制讀取中斷控制讀取IO方式方式 直接存儲器存取方式直接存儲器存取方式 通道設計通道設計系統(tǒng)系統(tǒng)I/O通道：通道： 數(shù)字量數(shù)字量I/O通道通道 開關量開關量I/O通道通道 模擬量模擬量I/O通道通道 脈沖量脈沖量I/O通道通道 在總體設計中，

4、應確定本系統(tǒng)應設置什么樣的通道、每個通道在總體設計中，應確定本系統(tǒng)應設置什么樣的通道、每個通道由幾部分組成，各部分選用什么器件等。由幾部分組成，各部分選用什么器件等。 操作員控制臺設計操作員控制臺設計 包括：各種轉換開關、按鈕、鍵盤、數(shù)字顯示器、狀態(tài)故障指包括：各種轉換開關、按鈕、鍵盤、數(shù)字顯示器、狀態(tài)故障指示燈等。示燈等。 可靠性設計可靠性設計 五、硬件設計五、硬件設計 任務：任務：根據(jù)系統(tǒng)總體框圖，設計出系統(tǒng)的電氣原理圖，再按根據(jù)系統(tǒng)總體框圖，設計出系統(tǒng)的電氣原理圖，再按照電氣原理圖選購元件和進行施工設計。照電氣原理圖選購元件和進行施工設計。包括：包括： 接口電路和接口電路和I/O通道的擴

5、充通道的擴充 組合邏輯或時序邏輯電路組合邏輯或時序邏輯電路 供電電源供電電源 光電隔離光電隔離 電平轉換電平轉換 驅動放大電路等驅動放大電路等 六、軟件設計六、軟件設計 軟件軟件 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應用軟件應用軟件組織應用軟件的內容及步驟：組織應用軟件的內容及步驟： 確定具體要求確定具體要求 軟件規(guī)劃軟件規(guī)劃 程序編制程序編制 軟件調試軟件調試 善后工作善后工作 確定具體要求確定具體要求 管理要求管理要求 輸入輸出要求輸入輸出要求 語言加工要求語言加工要求 功能處理要求功能處理要求 軟件規(guī)劃軟件規(guī)劃 模式選擇模式選擇 語言選擇語言選擇 匯編語言匯編語言 高級語言高級語言 確定數(shù)據(jù)結構確定數(shù)據(jù)結構

6、 劃分程序塊劃分程序塊 確定程序編制順序確定程序編制順序 內存安排內存安排 用符號來代替某部分程序的首址。用符號來代替某部分程序的首址。 粗略估算各部分容量粗略估算各部分容量 根據(jù)具體情況對內存作精確安排根據(jù)具體情況對內存作精確安排 程序編排和分配程序編排和分配 軟件裝配和總調軟件裝配和總調 軟件設計的善后工作軟件設計的善后工作 6.2 微型計算機控制系統(tǒng)的軟件微型計算機控制系統(tǒng)的軟件 一、軟件的分類一、軟件的分類軟件軟件 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應用軟件應用軟件 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)語言加工系統(tǒng)語言加工系統(tǒng)診斷系統(tǒng)診斷系統(tǒng) 控制程序控制程序數(shù)據(jù)采集及處理程序數(shù)據(jù)采集及處理程序巡回檢測程序巡回檢測程序數(shù)據(jù)

7、管理程序數(shù)據(jù)管理程序編輯程序編輯程序編譯程序編譯程序連接、裝配程序連接、裝配程序調試程序調試程序子程序庫子程序庫 數(shù)據(jù)可靠性檢查程序數(shù)據(jù)可靠性檢查程序AD轉換及采樣程序轉換及采樣程序 數(shù)字濾波程序數(shù)字濾波程序 線性化處理程序線性化處理程序 數(shù)據(jù)采集程序數(shù)據(jù)采集程序 越限報警程序越限報警程序 事故預告程序事故預告程序 畫面顯示程序畫面顯示程序 二、應用程序的語言選擇及設計步驟二、應用程序的語言選擇及設計步驟 1、語言選擇、語言選擇 機器語言機器語言 匯編語言匯編語言 高級語言高級語言 2、應用程序的設計步驟和方法應用程序的設計步驟和方法 應用程序設計應用程序設計的的五個步驟：五個步驟： 問題定義

8、問題定義 程序設計程序設計 編碼編碼 調試調試 改進和再設計改進和再設計程序設計通常采用模塊程序設計法和結構程序設計法程序設計通常采用模塊程序設計法和結構程序設計法結構化程序設計基本思想的三種基本結構表示：結構化程序設計基本思想的三種基本結構表示： 順序結構順序結構 選擇結構選擇結構 循環(huán)結構循環(huán)結構三、高級語言和匯編語言的混合編程三、高級語言和匯編語言的混合編程1、 混合語言編程的基本概念混合語言編程的基本概念 1）程序接口）程序接口在一種語言程序中調用由其他語言編寫的程序模塊。在一種語言程序中調用由其他語言編寫的程序模塊。 2）命名約定）命名約定為了解決不同語言對名稱標識符的不同處理，對目

9、標文件名長為了解決不同語言對名稱標識符的不同處理，對目標文件名長度的不同限制的約定。度的不同限制的約定。 3）調用約定）調用約定在兩種程序語言中為實現(xiàn)彼此調用而建立的一種協(xié)定，它具體在兩種程序語言中為實現(xiàn)彼此調用而建立的一種協(xié)定，它具體對應了一個函數(shù)、一個過程或者是一個子程序的調用過程。對應了一個函數(shù)、一個過程或者是一個子程序的調用過程。 4）參數(shù)傳遞約定）參數(shù)傳遞約定在定義或說明時用形式參數(shù)，調用時則替換成實際參數(shù)在定義或說明時用形式參數(shù)，調用時則替換成實際參數(shù).參數(shù)傳遞方式：參數(shù)傳遞方式： 傳值傳值 傳址傳址 傳名傳名 傳結果傳結果 2、 C語言程序對匯編語言程序的調用語言程序對匯編語言程

10、序的調用 1）C語言程序中的接口處理語言程序中的接口處理 命名約定命名約定 調用約定調用約定 參數(shù)傳遞約定參數(shù)傳遞約定 2） 匯編語言中的接口處理匯編語言中的接口處理 在定義和編寫匯編語言程序的被調用過程時，應以下劃在定義和編寫匯編語言程序的被調用過程時，應以下劃線開頭，并用線開頭，并用PUBLIC說明說明. 如果如果C語言程序以巨型、大型、存儲模式編譯，被語言程序以巨型、大型、存儲模式編譯，被C語語言調用的匯編過程應說明成言調用的匯編過程應說明成far；小型、緊湊型存儲模式編譯，；小型、緊湊型存儲模式編譯，被調用的匯編過程應說明成被調用的匯編過程應說明成NEAR。 考慮調用約定考慮調用約定

11、在被在被C語言調用的匯編過程中用指令語言調用的匯編過程中用指令RET返回，而在返回，而在BASIC等其他語言中要求用指令等其他語言中要求用指令RETn返回。返回。 根據(jù)缺省默認，根據(jù)缺省默認，C語言的參數(shù)傳遞方式是傳值，但數(shù)組總語言的參數(shù)傳遞方式是傳值，但數(shù)組總是采用傳址方式。是采用傳址方式。3、匯編語言程序對、匯編語言程序對C語言程序的調用語言程序的調用 1）命名約定）命名約定 2）調用約定）調用約定 3）參數(shù)傳遞的方式）參數(shù)傳遞的方式4、微型計算機控制系統(tǒng)的研制工具、微型計算機控制系統(tǒng)的研制工具利用聯(lián)機仿真器可以實現(xiàn)以下開發(fā)手段：利用聯(lián)機仿真器可以實現(xiàn)以下開發(fā)手段： 1）系統(tǒng)實時仿真）系統(tǒng)

12、實時仿真 2）資源借調）資源借調 3）控制系統(tǒng)綜合設計和調試）控制系統(tǒng)綜合設計和調試三、常用應用程序設計三、常用應用程序設計1、 數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器 算術平均值濾波算術平均值濾波NkkXNY11算術平均值濾波程序流程圖算術平均值濾波程序流程圖 中值濾波中值濾波中值濾波程序流程圖中值濾波程序流程圖 一階滯后濾波一階滯后濾波1)1 (kkkayxay一階滯后濾波程序流程圖一階滯后濾波程序流程圖 程序判斷濾波程序判斷濾波 限幅濾波限幅濾波限幅濾波程序流程圖限幅濾波程序流程圖 限速濾波限速濾波限速濾波程序流程圖限速濾波程序流程圖2、 線性化處理線性化處理 分段線性插值分段線性插值)(11iiiiii

13、xxxxyyyy 3、數(shù)碼顯示、數(shù)碼顯示兩位十進制數(shù)顯示兩位十進制數(shù)顯示程序流程圖程序流程圖4、越限報警處理程序、越限報警處理程序5、PID控制算法程序控制算法程序 6.3 微型計算機溫度控制系統(tǒng)設計微型計算機溫度控制系統(tǒng)設計 網(wǎng)帶式多溫區(qū)電阻爐微型計算機溫度控制系統(tǒng)的設計。網(wǎng)帶式多溫區(qū)電阻爐微型計算機溫度控制系統(tǒng)的設計。一、系統(tǒng)總體設計一、系統(tǒng)總體設計1、確定系統(tǒng)的控制任務、確定系統(tǒng)的控制任務控制對象：控制對象：六溫區(qū)網(wǎng)帶式連續(xù)燒結電阻爐。六溫區(qū)網(wǎng)帶式連續(xù)燒結電阻爐。設計要求：設計要求： 每個溫區(qū)的溫度在每個溫區(qū)的溫度在600 1000范圍內連續(xù)可控；范圍內連續(xù)可控； 各溫區(qū)的溫度以及網(wǎng)帶的

14、運行速度可自行設定；各溫區(qū)的溫度以及網(wǎng)帶的運行速度可自行設定； 要求系統(tǒng)能夠對六個溫區(qū)的溫度及網(wǎng)帶運行速度要求系統(tǒng)能夠對六個溫區(qū)的溫度及網(wǎng)帶運行速度巡回檢測、顯示和定時打印。巡回檢測、顯示和定時打印。計算機控制系統(tǒng)應完成的主要任務有：計算機控制系統(tǒng)應完成的主要任務有： 六個溫區(qū)溫度的閉環(huán)直接數(shù)字控制。六個溫區(qū)溫度的閉環(huán)直接數(shù)字控制。 網(wǎng)帶拖動直流調速系統(tǒng)的速度給定和速度檢測。網(wǎng)帶拖動直流調速系統(tǒng)的速度給定和速度檢測。 六個溫區(qū)溫度及網(wǎng)帶運動速度的巡回檢測、顯示和定時打印。六個溫區(qū)溫度及網(wǎng)帶運動速度的巡回檢測、顯示和定時打印。系統(tǒng)組成：系統(tǒng)組成： 微型計算機微型計算機 輸入通道輸入通道 輸出通道

15、輸出通道 2、輸入輸出通道及其接口設計、輸入輸出通道及其接口設計 1）溫度檢測模擬輸入通道設計）溫度檢測模擬輸入通道設計 特點：特點：采用了由采用了由VF變換器和定時計數(shù)器組成的變換器和定時計數(shù)器組成的AD轉換器。轉換器。 VF轉換輸入通道的結構通常為：轉換輸入通道的結構通常為： 傳感器傳感器信信 號號放大器放大器V/F光光 電電耦合器耦合器CPU小信號小信號VI010Vf設設VF變換器的額定輸出頻率為變換器的額定輸出頻率為F，計數(shù)器對輸出脈沖的，計數(shù)器對輸出脈沖的計數(shù)時間為計數(shù)時間為Ts，AD轉換結果的分辨率為轉換結果的分辨率為i，則有：，則有： 取取Ts1s，則在，則在VF的輸出頻率范圍的

16、輸出頻率范圍010kHz內，可以內，可以得到得到13位的位的AD轉換結果。轉換結果。sisFT2 2) 晶閘管數(shù)字觸發(fā)輸出通道設計晶閘管數(shù)字觸發(fā)輸出通道設計 晶閘管簡介晶閘管簡介晶閘管晶閘管(可控硅整流器可控硅整流器) 功率放大器件。功率放大器件。 IG iA + VAK -R+ US_晶閘管的工作方式有：晶閘管的工作方式有： 調壓方式調壓方式 調功方式調功方式調壓方式：調壓方式：是通過利用移相觸發(fā)脈是通過利用移相觸發(fā)脈沖調節(jié)晶閘管的導通角，使輸入到沖調節(jié)晶閘管的導通角，使輸入到電加熱元件的電壓改變，達到調節(jié)電加熱元件的電壓改變，達到調節(jié)用電器的輸入功率，來實現(xiàn)控制目用電器的輸入功率，來實現(xiàn)控

17、制目的的 。導通角調功方式：調功方式：觸發(fā)電路采用的是過零觸發(fā)方式，外加正弦電壓觸發(fā)電路采用的是過零觸發(fā)方式，外加正弦電壓過零時控制信號才使晶閘管的觸發(fā)導通，則負載上得到的電過零時控制信號才使晶閘管的觸發(fā)導通，則負載上得到的電壓是一個正弦波。壓是一個正弦波。調功方式輸入電爐的平均功率為：調功方式輸入電爐的平均功率為： RUNnP2 P輸入電爐的功率；輸入電爐的功率；R負載有效電阻；負載有效電阻；U電網(wǎng)電壓電網(wǎng)電壓 ；n允許導通的波頭數(shù)；允許導通的波頭數(shù)；N設定的波頭數(shù)。設定的波頭數(shù)。 當當 n0時，電爐的輸入功率為零；時，電爐的輸入功率為零； nN，電爐的輸入功率為滿功率。，電爐的輸入功率為滿

18、功率。 晶閘管數(shù)字觸發(fā)輸出通道設計晶閘管數(shù)字觸發(fā)輸出通道設計過零檢測同步脈沖電路過零檢測同步脈沖電路 ：電網(wǎng)電壓電網(wǎng)電壓同步脈沖同步脈沖3) 撥碼盤給定輸入通道撥碼盤給定輸入通道撥碼盤作為數(shù)字量的輸入設備，設定和修改碼盤值可作為控撥碼盤作為數(shù)字量的輸入設備，設定和修改碼盤值可作為控制系統(tǒng)的給定值。制系統(tǒng)的給定值。輸入非數(shù)字信息時，需要事先將非數(shù)字信息轉換為數(shù)字代碼，輸入非數(shù)字信息時，需要事先將非數(shù)字信息轉換為數(shù)字代碼，再由撥碼盤輸入。再由撥碼盤輸入。 4) 數(shù)碼顯示輸出通道數(shù)碼顯示輸出通道包括：包括： 數(shù)字量輸出接口電路數(shù)字量輸出接口電路 鎖存譯碼驅動電路鎖存譯碼驅動電路 七段數(shù)碼管顯示器七段

19、數(shù)碼管顯示器爐溫顯示：爐溫顯示：一位顯示溫區(qū)代號，四位顯示一位顯示溫區(qū)代號，四位顯示4位溫度值；位溫度值； 網(wǎng)帶速度顯示：網(wǎng)帶速度顯示：一位顯示網(wǎng)帶速度代號，四位顯示網(wǎng)帶速度。一位顯示網(wǎng)帶速度代號，四位顯示網(wǎng)帶速度。 5) 打印機輸出通道打印機輸出通道 系統(tǒng)配置了通用打印機接口電路。系統(tǒng)配置了通用打印機接口電路。 打印內容包括表頭、制表、采樣數(shù)據(jù)和采樣時間。打印內容包括表頭、制表、采樣數(shù)據(jù)和采樣時間。 二、微型計算機選擇二、微型計算機選擇 控制系統(tǒng)選取采用控制系統(tǒng)選取采用STD總線標準的模塊式工業(yè)控制計算機?？偩€標準的模塊式工業(yè)控制計算機。本系統(tǒng)：本系統(tǒng)： 主機板采用主機板采用8098單片機多

20、功能單片機多功能CPU模板，主頻模板，主頻6MHz。 配置了顯示及操作面板接口模板，配置了顯示及操作面板接口模板， 打印機接口模板。打印機接口模板。 非通用數(shù)字觸發(fā)控制模板非通用數(shù)字觸發(fā)控制模板 反饋通道的反饋通道的VF變換及變換及AD轉換模板，轉換模板， 三、控制算法設計三、控制算法設計 整個系統(tǒng)屬于多變量系統(tǒng)，其數(shù)學描述傳遞矩陣為：整個系統(tǒng)屬于多變量系統(tǒng)，其數(shù)學描述傳遞矩陣為： )()()()()(6,61 ,66, 11 , 1sgsgsgsgsG 6, 16, 11)()()(,jisTeKsUsysgjisjijijiji 其中：其中：離散后可近似為：離散后可近似為： )()1()(

21、mkBUkAYkY 式中：式中：y(k) 66矩陣；矩陣；U（k） 61矩陣；矩陣； A 66矩陣；矩陣； B 66矩陣。矩陣。 對于系統(tǒng)的每一個溫區(qū)，其簡化動態(tài)結構：對于系統(tǒng)的每一個溫區(qū)，其簡化動態(tài)結構： 廣義傳遞函數(shù)為：廣義傳遞函數(shù)為： sTKesesGDsTsi 11)( 廣義脈沖傳遞函數(shù)為：廣義脈沖傳遞函數(shù)為： 1/11)1(11)()( zeezKsTKesezsGzzGDDTTTTNDsTs 系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：1/1/1)1()( zezezCCTTNTT數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)為：數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)為： )1(1)1()1)(1()(1)(

22、)()(1/1/1/ NTTTTTTTTTTzezeeKezezzGzzDCCDCD進一步簡化為：進一步簡化為： 12111101)( NzbzbzaazDCDCDDCDCTTTTTTTTTTTTTTTTebeKeeaebeKea/2/)/()/(/1/1/01;)1(;)1(1 式中：式中： 差分化后得到控制器差分方程：差分化后得到控制器差分方程： )1()()1()1()(1021 kEakEaNkUbkUbkU四、硬件設計四、硬件設計硬件電路設計有：硬件電路設計有： 前級放大器及多路模擬轉換開關。前級放大器及多路模擬轉換開關。 AD轉換模板。轉換模板。 數(shù)字觸發(fā)控制模板。數(shù)字觸發(fā)控制模板。五、軟件設計五、軟件設計 系統(tǒng)控制程序的任務系統(tǒng)控制