第六章微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第六章第六章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)6.1 6.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟6.2 6.2 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件6.3 6.3 常用應(yīng)用程序設(shè)計(jì)常用應(yīng)用程序設(shè)計(jì)6.4 6.4 微機(jī)控制直流伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)微機(jī)控制直流伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.5 6.5 微機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第一節(jié)第一節(jié) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟 系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計(jì) 微型計(jì)算機(jī)選擇微型計(jì)

2、算機(jī)選擇 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì) 控制算法設(shè)計(jì)控制算法設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則：控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則：可靠性高、操作性好、實(shí)施性強(qiáng)、通用性好、經(jīng)濟(jì)效益高可靠性高、操作性好、實(shí)施性強(qiáng)、通用性好、經(jīng)濟(jì)效益高第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 一系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計(jì)一系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計(jì) 確定控制任務(wù)確定控制任務(wù) 1. 深入了解控制對(duì)象，熟悉生產(chǎn)工藝過程，提出系統(tǒng)的深入了解控制對(duì)象，熟悉生產(chǎn)工藝過程，提出系統(tǒng)的控制要求，確定系統(tǒng)要完成的任務(wù)?？刂埔?，確定系統(tǒng)要完成的任務(wù)。 考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用什么方案執(zhí)行機(jī)

3、構(gòu)采用什么方案 有否特殊控制要求？特殊要求應(yīng)采取那些措施。有否特殊控制要求？特殊要求應(yīng)采取那些措施。 確定計(jì)算機(jī)在整個(gè)控制系統(tǒng)中所起的作用確定計(jì)算機(jī)在整個(gè)控制系統(tǒng)中所起的作用 2. 完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)書，畫出系統(tǒng)構(gòu)成的粗框圖。完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)書，畫出系統(tǒng)構(gòu)成的粗框圖。第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 二微型計(jì)算機(jī)選擇二微型計(jì)算機(jī)選擇 （一）（一） 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成方案選擇微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成方案選擇 1組裝方案組裝方案 2單片機(jī)方案：體積小、可靠性高、價(jià)格便宜、性能指標(biāo)高。單片機(jī)方案：體積小、可靠性高、價(jià)格便宜、性能指標(biāo)高。 3通用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方案通用微型計(jì)算機(jī)

4、系統(tǒng)方案 4通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方案通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方案（二）（二） 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能指標(biāo)選擇微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能指標(biāo)選擇 1完善的中斷系統(tǒng)完善的中斷系統(tǒng) 2足夠的存儲(chǔ)容量足夠的存儲(chǔ)容量 3完備的輸入輸出通道和實(shí)時(shí)時(shí)鐘完備的輸入輸出通道和實(shí)時(shí)時(shí)鐘 4微處理器有足夠的數(shù)據(jù)處理能力微處理器有足夠的數(shù)據(jù)處理能力 字長(zhǎng)、指令的執(zhí)行速度、指令系統(tǒng)第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 三三. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 硬件軟件功能分配與協(xié)調(diào)硬件軟件功能分配與協(xié)調(diào) 盡可能地用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。盡可能地用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。 通道設(shè)計(jì)通道設(shè)計(jì)系統(tǒng)系統(tǒng)I/O通道：通

5、道： 數(shù)字量數(shù)字量I/O通道通道 開關(guān)量開關(guān)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(shè)計(jì)中，應(yīng)確定本系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置什么樣的通道、每個(gè)通在總體設(shè)計(jì)中，應(yīng)確定本系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置什么樣的通道、每個(gè)通道由幾部分組成，各部分選用什么器件等。道由幾部分組成，各部分選用什么器件等。第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 接口設(shè)計(jì)接口設(shè)計(jì) 接口設(shè)計(jì)內(nèi)容：接口設(shè)計(jì)內(nèi)容： 擴(kuò)充接口擴(kuò)充接口 安排接口電路的安排接口電路的I/O信號(hào)及交換方式。信號(hào)及交換方式。接口電路接口電路I/O信號(hào)的交換方式：信號(hào)的交換方式： 程序控制方式（無(wú)條件、查詢）程序控制方式（無(wú)條件、查

6、詢） 中斷控制讀取中斷控制讀取IO方式方式 直接存儲(chǔ)器存取方式直接存儲(chǔ)器存取方式 常用的擴(kuò)充方法：常用的擴(kuò)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(shè)計(jì)接口電路用集成電路自行設(shè)計(jì)接口電路 操作員控制臺(tái)設(shè)計(jì)操作員控制臺(tái)設(shè)計(jì) 包括：各種轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕、鍵盤、數(shù)字顯示器、狀態(tài)故障指示燈等。包括：各種轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕、鍵盤、數(shù)字顯示器、狀態(tài)故障指示燈等。第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 四、硬件設(shè)計(jì)四、硬件設(shè)計(jì) 任務(wù)：任務(wù)：根據(jù)系統(tǒng)總體框圖，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的電氣原理圖，根據(jù)系統(tǒng)總體框圖，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的電氣原理圖，再按照電氣原

7、理圖選購(gòu)元件和進(jìn)行施工設(shè)計(jì)。再按照電氣原理圖選購(gòu)元件和進(jìn)行施工設(shè)計(jì)。包括：包括： 接口電路和接口電路和I/O通道的擴(kuò)充通道的擴(kuò)充 組合邏輯或時(shí)序邏輯電路組合邏輯或時(shí)序邏輯電路 供電電源供電電源 光電隔離光電隔離 電平轉(zhuǎn)換電平轉(zhuǎn)換 驅(qū)動(dòng)放大電路等驅(qū)動(dòng)放大電路等 第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 五五. 控制算法設(shè)計(jì)控制算法設(shè)計(jì) 在對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型分析、綜合設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上求得相應(yīng)的控制規(guī)律，之后程序化。（1）控制算法對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)有直接的影響，確定算法能否滿足控制速度、精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。（2）各種控制算法提供了一套通用的計(jì)算公式，是對(duì)一般性的問題而言的，應(yīng)針對(duì)具體情

8、況，進(jìn)行修改與補(bǔ)充。（3）可實(shí)現(xiàn)性。確定為設(shè)計(jì)、調(diào)試方便，可將控制算法作合理的簡(jiǎn)化，逐步將控制算法完善，直到獲得最好的控制效果。第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 六、軟件設(shè)計(jì)六、軟件設(shè)計(jì)七七. 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)：軟硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)：軟硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào) 第一步第一步在實(shí)驗(yàn)室模擬裝置上進(jìn)行，要盡量創(chuàng)造條件使模擬裝置接近于實(shí)際控制系統(tǒng)，在調(diào)試時(shí)應(yīng)采取一些必要的測(cè)量監(jiān)視和保護(hù)措施。 第二步第二步是在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。經(jīng)過一段考機(jī)和試運(yùn)行后，即可投入正式運(yùn)行。第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6.2 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件

9、 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(yīng)用軟件應(yīng)用軟件 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)語(yǔ)言加工系統(tǒng)語(yǔ)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(cè)程序巡回檢測(cè)程序數(shù)據(jù)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(diào)試程序調(diào)試程序子程序庫(kù)子程序庫(kù) 數(shù)據(jù)可靠性檢查程序數(shù)據(jù)可靠性檢查程序AD轉(zhuǎn)換及采樣程序轉(zhuǎn)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(bào)警程序越限報(bào)警程序 事故預(yù)告程序事故預(yù)告程序 畫面顯示程序畫面顯示程序 第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)

10、算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 二、應(yīng)用程序的語(yǔ)言選擇及設(shè)計(jì)步驟二、應(yīng)用程序的語(yǔ)言選擇及設(shè)計(jì)步驟 1、語(yǔ)言選擇、語(yǔ)言選擇 機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言、機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言、 高級(jí)語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言和匯編高級(jí)語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程語(yǔ)言混合編程 用高級(jí)語(yǔ)言編寫計(jì)算，圖形繪制，顯示，打印程序，用匯編語(yǔ)言編寫時(shí)鐘管理，中斷管理和輸入輸出程序等。 2、應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)步驟和方法應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)步驟和方法 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的的五個(gè)步驟：五個(gè)步驟： 問題定義問題定義 程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì) 編碼編碼 調(diào)試調(diào)試 改進(jìn)和再設(shè)計(jì)改進(jìn)和再設(shè)計(jì)第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 程序設(shè)計(jì)通常采用模塊程序設(shè)計(jì)法和

11、結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)法程序設(shè)計(jì)通常采用模塊程序設(shè)計(jì)法和結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)法結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)基本思想的三種基本結(jié)構(gòu)表示：結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)基本思想的三種基本結(jié)構(gòu)表示： 順序結(jié)構(gòu)順序結(jié)構(gòu) 選擇結(jié)構(gòu)選擇結(jié)構(gòu) 循環(huán)結(jié)構(gòu)循環(huán)結(jié)構(gòu)順序結(jié)構(gòu)選擇結(jié)構(gòu)循環(huán)結(jié)構(gòu)圖6-1 流程圖的三種基本結(jié)構(gòu)第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì) 組織應(yīng)用軟件的內(nèi)容及步驟：組織應(yīng)用軟件的內(nèi)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(diào)試軟件調(diào)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(yǔ)言加工要求語(yǔ)言加工要求 功能處理要求

12、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(yǔ)言選擇語(yǔ)言選擇 匯編語(yǔ)言匯編語(yǔ)言 高級(jí)語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言 確定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)確定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 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(nèi)存安排內(nèi)存安排 用符號(hào)來(lái)代替某部分程序的首址。用符號(hào)來(lái)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(duì)內(nèi)存作精確安排根據(jù)具體情況對(duì)內(nèi)存作精確安排 應(yīng)用軟件編制的要求： 實(shí)時(shí)性 針對(duì)性 靈活性和通用性 可靠性第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 三、高級(jí)語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的混合編程三、高級(jí)語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的混合編程1、 混合語(yǔ)言編程的基本概念混合語(yǔ)言編程的基本概念

13、1）程序接口）程序接口在一種語(yǔ)言程序中調(diào)用調(diào)用由其他語(yǔ)言編寫的程序模塊。 2）命名約定）命名約定為了解決不同語(yǔ)言對(duì)名稱標(biāo)識(shí)符的不同處理，對(duì)名稱標(biāo)識(shí)符名稱標(biāo)識(shí)符、目標(biāo)文件名長(zhǎng)度目標(biāo)文件名長(zhǎng)度的不同限制的約定。 3）調(diào)用約定）調(diào)用約定在兩種程序語(yǔ)言中為實(shí)現(xiàn)彼此調(diào)用而建立的一種協(xié)定，如調(diào)用過程中參數(shù)的個(gè)數(shù)及順序 4）參數(shù)傳遞約定）參數(shù)傳遞約定 傳值、傳址、傳名、傳結(jié)果第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) C語(yǔ)言程序調(diào)用匯編程序舉例語(yǔ)言程序調(diào)用匯編程序舉例 例：用匯編過程完成A2B計(jì)算，并由C語(yǔ)言程序?qū)⒂?jì)算結(jié)果顯示輸出。/*C語(yǔ)言程序：CAC.C，向匯編程序傳送兩個(gè)參數(shù)A和B，

14、并將匯編程序返回的計(jì)算結(jié)果（由AX累加器傳遞）顯示*/Extern int power2 (int，int)main（）Printf (“3times 2to the power of 5 is %dn”，power2(3,5)返回地址SP 低 參數(shù)1（3）參數(shù)2（5）*參數(shù)傳遞時(shí)的壓棧操作第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ；匯編語(yǔ)言程序CAA.ASMMODEL SMALLCODESEGMENTPUBLIC _Power2_power2 PROC NEARPUSHBPMOVBP，SPMOVAX，BP+4MOVCL，BP+6SHLAX，CLPOPBPRET_power

15、2 ENDPCODEENDSBP保護(hù)SP/BPBP+2BP+4BP+6返回地址參數(shù)1（3）參數(shù)2（5）參數(shù)傳遞時(shí)的壓棧操作第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 四微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研制工具四微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研制工具 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研制工具主要有微型計(jì)算機(jī)開發(fā)系統(tǒng)（MDS）、聯(lián)機(jī)仿真器（ICE）以及模擬仿真程序等。 MDS由常規(guī)微型計(jì)算機(jī)的一些主要部件（如微處理器、存儲(chǔ)器和輸入輸出設(shè)備）和系統(tǒng)軟件、工具軟件（如編輯程序、調(diào)試程序、跟蹤程序和模擬程序等）和硬件（如聯(lián)機(jī)仿真器、EPROM編程器等）組合而成。它與常規(guī)的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)大致相似。利用聯(lián)機(jī)仿真器可以實(shí)現(xiàn)以

16、下開發(fā)手段：利用聯(lián)機(jī)仿真器可以實(shí)現(xiàn)以下開發(fā)手段： 1）系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真）系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真 2）資源借調(diào)）資源借調(diào) 3）控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)和調(diào)試）控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)和調(diào)試第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第三節(jié)第三節(jié) 常用應(yīng)用程序設(shè)計(jì)常用應(yīng)用程序設(shè)計(jì) 一數(shù)字濾波一數(shù)字濾波 數(shù)字濾波數(shù)字濾波是通過一定的計(jì)算程序?qū)π盘?hào)作數(shù)字化的處理，以減少干擾在信號(hào)中的比重。數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足，與模擬濾波器相比有以下優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： （1）用程序完成，可多個(gè)輸入通道共用一個(gè)濾波程序。）用程序完成，可多個(gè)輸入通道共用一個(gè)濾波程序。（2）不需硬件設(shè)備，可靠性高、穩(wěn)定性好，各回路之間）不需硬件設(shè)備

17、，可靠性高、穩(wěn)定性好，各回路之間不存在阻抗匹配等問題。不存在阻抗匹配等問題。（3）可對(duì)頻率很低的信號(hào)濾波。）可對(duì)頻率很低的信號(hào)濾波。 （4）改變程序就可實(shí)現(xiàn)不同的濾波方法或調(diào)整濾波參數(shù)，）改變程序就可實(shí)現(xiàn)不同的濾波方法或調(diào)整濾波參數(shù)，靈活、方便。靈活、方便。 第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 算術(shù)平均值濾波算術(shù)平均值濾波NkkXNY11算術(shù)平均值濾波主要對(duì)壓力、算術(shù)平均值濾波主要對(duì)壓力、流量、液面等周期脈動(dòng)的采流量、液面等周期脈動(dòng)的采樣值進(jìn)行平滑加工。樣值進(jìn)行平滑加工。第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 中值濾波中值濾波中值濾波去掉脈動(dòng)性中

18、值濾波去掉脈動(dòng)性干擾比較有效。干擾比較有效。一般取N為35即可第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 動(dòng)態(tài)濾波方法動(dòng)態(tài)濾波方法一階滯后濾波一階滯后濾波1)1 (kkkayxay適用于快速隨機(jī)變化參數(shù)適用于快速隨機(jī)變化參數(shù)第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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xxx12xxx12若 ，則本次采樣值為x2若 ，則本次采樣值為x1舍去否則判斷為干擾信號(hào)，采樣數(shù)據(jù)有效；,12xxx第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2限速濾波限速濾波 設(shè)相鄰的采樣時(shí)刻t

19、1，t2，t3的采樣值為x1，x2，x3，則限速濾波的規(guī)則為：若 ，則以x2作為濾波輸出值。若 ，則x2不采用，但仍保留，再取第三次采樣值x3。若 ，則x3作為濾波輸出值。若 ，則以（x2+ x3）/2作為濾波輸出值。 限速濾波是一個(gè)折衷方案，既照顧了濾波輸出值的實(shí)時(shí)性，又照顧了其變化的連續(xù)性。 xxx12xxx12xxx23xxx23第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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,12xxx,12xxx,23xxx,23xxx則本次采樣值為x2則x2不用則本次采樣值為x3,23xxx則本次采樣值為x3則本次采樣值為(x2+x

20、3)/2第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2、 線性化處理線性化處理 分段線性插值分段線性插值)(11iiiiiixxxxyyyy 2 線性插值的線性插值的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)步驟計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)步驟 （1）用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量輸入輸出的非線性關(guān)系曲線。反復(fù)測(cè)量，選一條較精確的曲線。 （2）將測(cè)量得到的曲線進(jìn)行分段，選取各插值點(diǎn)。可以等間隔分，也可不等間隔分，曲線變化大的部分間距小些，曲線平緩的部分間距可大些。 （3）確定并計(jì)算出各插值點(diǎn)的xi，yi值及兩相鄰插值點(diǎn)間的擬合直線的斜率ki，并以表格的方式放在存儲(chǔ)器中。 （4）經(jīng)查表找出x所在區(qū)間（xi，xi+1），并取出該段的斜率ki，基

21、點(diǎn)值xi、 yi。 （5）計(jì)算結(jié)果y= yi+ ki（x- xi）。第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2、 線性化處理線性化處理 分段線性插值分段線性插值第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3、數(shù)碼顯示、數(shù)碼顯示兩位十進(jìn)制數(shù)顯示兩位十進(jìn)制數(shù)顯示程序流程圖程序流程圖第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4、越限報(bào)警處理程序、越限報(bào)警處理程序若xnxmax,則上限報(bào)警若xnxmin,則上限報(bào)警第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5、PID控制算法程序控制算法程序第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

22、設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6.3 微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 網(wǎng)帶式多溫區(qū)電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。網(wǎng)帶式多溫區(qū)電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 明確控制要求，對(duì)硬件和軟件有個(gè)大概考慮明確控制要求，對(duì)硬件和軟件有個(gè)大概考慮1、確定系統(tǒng)的控制任務(wù)、確定系統(tǒng)的控制任務(wù)控制對(duì)象：六溫區(qū)網(wǎng)帶式連續(xù)燒結(jié)電阻爐?？刂茖?duì)象：六溫區(qū)網(wǎng)帶式連續(xù)燒結(jié)電阻爐。設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)要求： 每個(gè)溫區(qū)的溫度在每個(gè)溫區(qū)的溫度在600 1000范圍內(nèi)連續(xù)可控；范圍內(nèi)連續(xù)可控； 各溫區(qū)的溫度以及網(wǎng)帶的運(yùn)行速度可自行設(shè)定；各溫區(qū)的溫度以及網(wǎng)帶的運(yùn)行速度可自行設(shè)定

23、； 要求系統(tǒng)能夠?qū)α鶄€(gè)溫區(qū)的溫度及網(wǎng)帶運(yùn)行速度巡回要求系統(tǒng)能夠?qū)α鶄€(gè)溫區(qū)的溫度及網(wǎng)帶運(yùn)行速度巡回檢測(cè)、顯示和定時(shí)打印。檢測(cè)、顯示和定時(shí)打印。第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)完成的主要任務(wù)有：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)完成的主要任務(wù)有： 六個(gè)溫區(qū)溫度的閉環(huán)直接數(shù)字控制。六個(gè)溫區(qū)溫度的閉環(huán)直接數(shù)字控制。 網(wǎng)帶拖動(dòng)直流調(diào)速系統(tǒng)的速度給定和速度檢測(cè)。網(wǎng)帶拖動(dòng)直流調(diào)速系統(tǒng)的速度給定和速度檢測(cè)。 六個(gè)溫區(qū)溫度及網(wǎng)帶運(yùn)動(dòng)速度的巡回檢測(cè)、顯示和定時(shí)打印。六個(gè)溫區(qū)溫度及網(wǎng)帶運(yùn)動(dòng)速度的巡回檢測(cè)、顯示和定時(shí)打印。 此外，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升溫、保溫狀態(tài)指示，超溫、斷偶報(bào)警等功能。此外，實(shí)現(xiàn)

24、系統(tǒng)升溫、保溫狀態(tài)指示，超溫、斷偶報(bào)警等功能。 第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) a. 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè) 600 1000 檢測(cè)元件選用鎳鉻-鎳鋁熱電偶，適用于01000的溫度測(cè)量范圍，相應(yīng)輸出電壓為0mV41.32mV。經(jīng)變送器變換成010V 。 二二 輸入輸出通道及其接口設(shè)計(jì)輸入輸出通道及其接口設(shè)計(jì) 1）溫度檢測(cè)模擬輸入通道設(shè)計(jì)）溫度檢測(cè)模擬輸入通道設(shè)計(jì) 溫度檢測(cè)模擬輸入通道由溫度檢測(cè)元件、變送器和ADC等組成。第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 熱電偶圖片熱電偶圖片第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 非線性補(bǔ)

25、償非線性補(bǔ)償線性化處理線性化處理 根據(jù)熱電偶的技術(shù)數(shù)據(jù)可以繪制出輸出電壓信號(hào)V和溫度T之間的特性曲線，假設(shè)熱電偶的輸出特性曲線如下圖所示。t( C)。t4t3t2t1V1V2V3V4Vi43211234第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 由圖可以看出，該熱電偶的輸出特性曲線斜率的變化不大，可以采用線性插值法進(jìn)行非線性補(bǔ)償。選擇4個(gè)插值基點(diǎn)（V1，T1）、（V2，T2）、（V3，T3）、（V4，T4），然后寫出每段曲線的插值函數(shù)表達(dá)式，表達(dá)式如下式所示。第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 參數(shù)存儲(chǔ)單元分配表第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

26、微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) b. 多路模擬開關(guān)多路模擬開關(guān)CD40511 162 153 144 135 126 117 108 9IN/OUTOUT/ININ/OUTINHVEEVSSVDDIN/OUTABC圖 CD4051引腳圖第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) c. A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 由由VF變換器和定時(shí)計(jì)數(shù)器組成變換器和定時(shí)計(jì)數(shù)器組成VF轉(zhuǎn)換輸入通道的結(jié)構(gòu)通常為：轉(zhuǎn)換輸入通道的結(jié)構(gòu)通常為： 傳感器傳感器信信 號(hào)號(hào)放大器放大器V/F光光 電電耦合器耦合器CPU小信號(hào)小信號(hào)VI010Vf設(shè)設(shè)VF變換器的額定輸出頻率為變換器的額定輸出頻率為Fs，計(jì)數(shù)器對(duì)輸出脈沖的，計(jì)數(shù)器

27、對(duì)輸出脈沖的計(jì)數(shù)時(shí)間為計(jì)數(shù)時(shí)間為Ts，AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的分辨率為轉(zhuǎn)換結(jié)果的分辨率為i，則有：，則有： ssTF2i取取Ts1s，若，若VF的輸出頻率范圍的輸出頻率范圍010kHz內(nèi)，可以得內(nèi)，可以得到到13位的位的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。轉(zhuǎn)換結(jié)果。F=D/TS第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) F=D/TS第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 溫度檢測(cè)模擬輸入通道設(shè)計(jì)溫度檢測(cè)模擬輸入通道設(shè)計(jì) 第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2) 晶閘管數(shù)字觸發(fā)輸出通道設(shè)計(jì)晶閘管數(shù)字觸發(fā)輸出通道設(shè)計(jì) 晶閘管簡(jiǎn)介晶閘管簡(jiǎn)介晶閘管晶閘管(可控硅整流器

28、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(diào)壓方式調(diào)壓方式 調(diào)功方式調(diào)功方式調(diào)壓方式：是通過利用移相觸發(fā)脈調(diào)壓方式：是通過利用移相觸發(fā)脈沖調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角，使輸入到?jīng)_調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角，使輸入到電加熱元件的電壓改變，達(dá)到調(diào)節(jié)電加熱元件的電壓改變，達(dá)到調(diào)節(jié)用電器的輸入功率，來(lái)實(shí)現(xiàn)控制目用電器的輸入功率，來(lái)實(shí)現(xiàn)控制目的的 。導(dǎo)通角第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) uuuutttt12.5%25%50%100%RUNnP2n=1n=2n=4n=N=8調(diào)功方式：觸發(fā)電路采用的是過零觸發(fā)方式

29、，外加正弦電壓調(diào)功方式：觸發(fā)電路采用的是過零觸發(fā)方式，外加正弦電壓過零時(shí)控制信號(hào)才使晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通，則負(fù)載上得到的電過零時(shí)控制信號(hào)才使晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通，則負(fù)載上得到的電壓是一個(gè)正弦波。壓是一個(gè)正弦波。調(diào)功方式輸入電爐的平均功率為：調(diào)功方式輸入電爐的平均功率為： 第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 晶閘管數(shù)字觸發(fā)輸出通道設(shè)計(jì)晶閘管數(shù)字觸發(fā)輸出通道設(shè)計(jì)過零檢測(cè)同步脈沖電路過零檢測(cè)同步脈沖電路 ：ABCDEF第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖圖6-32 導(dǎo)通波頭數(shù)控制電路。導(dǎo)通波頭數(shù)控制電路。第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控

30、制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(shè)備，設(shè)定和修改碼盤值可作為控制撥碼盤作為數(shù)字量的輸入設(shè)備，設(shè)定和修改碼盤值可作為控制系統(tǒng)的給定值。系統(tǒng)的給定值。輸入非數(shù)字信息時(shí)，需要事先將非數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼，輸入非數(shù)字信息時(shí)，需要事先將非數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼，再由撥碼盤輸入。再由撥碼盤輸入。 第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(qū)動(dòng)電路鎖存譯碼驅(qū)動(dòng)電路 七段數(shù)碼管顯示器七段數(shù)碼管顯示器爐溫顯示：一位顯示溫區(qū)代號(hào)，四位顯示爐溫顯示：一位

31、顯示溫區(qū)代號(hào)，四位顯示4位溫度值；位溫度值； 網(wǎng)帶速度顯示：一位顯示網(wǎng)帶速度代號(hào)，四位顯示網(wǎng)帶速度。網(wǎng)帶速度顯示：一位顯示網(wǎng)帶速度代號(hào)，四位顯示網(wǎng)帶速度。5) 打印機(jī)輸出通道打印機(jī)輸出通道 系統(tǒng)配置了通用打印機(jī)接口電路。系統(tǒng)配置了通用打印機(jī)接口電路。 打印內(nèi)容包括表頭、制表、采樣數(shù)據(jù)和采樣時(shí)間。打印內(nèi)容包括表頭、制表、采樣數(shù)據(jù)和采樣時(shí)間。 第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 二、微型計(jì)算機(jī)選擇二、微型計(jì)算機(jī)選擇 控制系統(tǒng)選取采用控制系統(tǒng)選取采用STD總線標(biāo)準(zhǔn)的模塊式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。總線標(biāo)準(zhǔn)的模塊式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。本系統(tǒng)：本系統(tǒng)： 主機(jī)板采用主機(jī)板采用8098單片機(jī)多功

32、能單片機(jī)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(jī)接口模板。打印機(jī)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(zhuǎn)換模板轉(zhuǎn)換模板 第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 三、控制算法設(shè)計(jì)三、控制算法設(shè)計(jì) 整個(gè)系統(tǒng)屬于多變量系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)描述傳遞矩陣為：整個(gè)系統(tǒng)屬于多變量系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)描述傳遞矩陣為： )()()()()(6,61 ,66, 11 , 1sgsgsgsgsG 6, 16, 11)()()(,jisTeKsUsysgjisjijijiji 其中：其

33、中：離散后可近似為：離散后可近似為： )()1()(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。 第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 對(duì)于系統(tǒng)的每一個(gè)溫區(qū)，其簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)：對(duì)于系統(tǒng)的每一個(gè)溫區(qū)，其簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)： 被控對(duì)象傳遞函數(shù)為：被控對(duì)象傳遞函數(shù)為： sTKesGDs1)( c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()( zeze

34、zCCTTNTT第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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)()()(1/1/1/ NTTTTTTTTTTzezeeKezezzGzzDCCDCD進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：進(jìn)一步簡(jiǎn)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第第6

35、6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 四、硬件設(shè)計(jì)四、硬件設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)有：硬件電路設(shè)計(jì)有： 前級(jí)放大器及多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)。前級(jí)放大器及多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)。 AD轉(zhuǎn)換模板。轉(zhuǎn)換模板。 數(shù)字觸發(fā)控制模板。數(shù)字觸發(fā)控制模板。第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 五、軟件設(shè)計(jì)五、軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)控制程序的任務(wù)系統(tǒng)控制程序的任務(wù) 系統(tǒng)控制程序的模塊化系統(tǒng)控制程序的模塊化按控制功能將程序分成三個(gè)程序模塊：按控制功能將程序分成三個(gè)程序模塊： 第第6 6章章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)初始化程序模塊系統(tǒng)初始化程序模塊系統(tǒng)初始化包括：系統(tǒng)初始化包括： 設(shè)置堆棧設(shè)置堆棧 清除動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)清除動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)緩沖區(qū) 初始化打印緩沖區(qū)初始化打印緩沖區(qū) 設(shè)置設(shè)置8253計(jì)數(shù)器的控制字和計(jì)數(shù)初始值計(jì)數(shù)器的控制字和計(jì)數(shù)初始值 設(shè)置時(shí)