第6章微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

1、第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 第六章第六章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計6.1 6.1 控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟6.2 6.2 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件6.3 6.3 常用應(yīng)用程序設(shè)計常用應(yīng)用程序設(shè)計6.4 6.4 微機(jī)控制直流伺服系統(tǒng)設(shè)計微機(jī)控制直流伺服系統(tǒng)設(shè)計6.5 6.5 微機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計微機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 第一節(jié)第一節(jié) 控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟一系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計一系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計 （一）（一） 確定

2、控制任務(wù)確定控制任務(wù) 1. 深入了解控制對象，熟悉生產(chǎn)工藝過程，提出系統(tǒng)的控制要求，深入了解控制對象，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)。確定系統(tǒng)要完成的任務(wù)。 第一：要從系統(tǒng)構(gòu)成上考慮，確定是采用開環(huán)控制還是閉環(huán)控制；哪些物理量需要檢測，采用何種檢測元件，檢測精度要求如何；執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用什么方案，是采用電機(jī)驅(qū)動、液壓驅(qū)動還是其他方式驅(qū)動，比較各種方案，擇優(yōu)而用。 第二：確定計算機(jī)在整個控制系統(tǒng)中所起的作用，是給定計算、直接控制還是數(shù)據(jù)處理、監(jiān)督控制等，確定計算機(jī)應(yīng)承擔(dān)哪些任務(wù)，為完成這些任務(wù)需具備哪些功能，需要設(shè)計哪些輸入輸出通道和配備什么樣的外圍設(shè)備。 2. 完成系統(tǒng)

3、設(shè)計的任務(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 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 （二）（二） 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) 盡可能地用軟件來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。盡可能地用軟件來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。（三）（三） 接口設(shè)計接口設(shè)計 （1） 選用專門的功能接口板 （2） 選用通用接口電路 （3） 用集成電路自行設(shè)計接口電路第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 （四）（四） 通道設(shè)計通道設(shè)計 確定本系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置一些什么樣的通道、每個通道有幾部分組成，各部分選用什么器件等。 1. 開關(guān)量:輸入要解決電平轉(zhuǎn)

4、換、去抖動及抗干擾等問題；輸出要注意驅(qū)動功率和輸出隔離等問題。 2. 數(shù)字量：確定數(shù)據(jù)的傳送方式（并行串行），設(shè)計相應(yīng)的接口電路。 3. 模擬量：輸入通道一般包括信號處理電路（標(biāo)度變換、濾波、隔離、電平轉(zhuǎn)換、線性處理）、采樣單元、采樣保持器和放大器、A/D轉(zhuǎn)換器等；輸出通道主要由D/A轉(zhuǎn)換、放大器等組成。 4. 脈沖量：隔離元件、分頻或倍頻電路、計數(shù)器、定時器等組成。第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 （五）（五） 操作員控制臺設(shè)計操作員控制臺設(shè)計1. 有一組或幾組數(shù)據(jù)輸入鍵（數(shù)字鍵盤或撥碼開關(guān)），用于輸入或更新給定值，修改控制器參數(shù)或其他必要的數(shù)據(jù)。2. 有一組或幾

5、組功能鍵或轉(zhuǎn)換開關(guān)，用于轉(zhuǎn)換工作方式、啟動、停止系統(tǒng)運(yùn)行或完成某種特定的系統(tǒng)操作功能。3. 有一個顯示裝置或顯示屏，用于顯示狀態(tài)、參數(shù)及故障指示等。4. 有一個“緊急停止”按鈕，用于在緊急事故時停止系統(tǒng)運(yùn)行，轉(zhuǎn)入故障處理。5. 控制臺設(shè)計時必須明確這些轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕、鍵盤、數(shù)字顯示器或狀態(tài)、故障指示燈等的作用和意義，仔細(xì)設(shè)計控制臺的硬件及其相應(yīng)的控制臺管理程序，使系統(tǒng)的操作即方便靈活，又安全可靠，即使操作失誤也不至于引起嚴(yán)重的后果。第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 二微型計算機(jī)選擇二微型計算機(jī)選擇 （一）（一） 微型計算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成方案選擇微型計算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成方案選擇

6、1組裝方案：從選擇微處理器芯片開始，配置適當(dāng)?shù)拇鎯ζ骱徒涌诮M裝方案：從選擇微處理器芯片開始，配置適當(dāng)?shù)拇鎯ζ骱徒涌陔娐?，選擇合適的總線，繼而進(jìn)行插件板和印刷電路板的設(shè)計，最后進(jìn)行電路，選擇合適的總線，繼而進(jìn)行插件板和印刷電路板的設(shè)計，最后進(jìn)行組裝，并和設(shè)計好的軟件一起進(jìn)行調(diào)試。組裝，并和設(shè)計好的軟件一起進(jìn)行調(diào)試。 2單片機(jī)方案：體積小、可靠性高、價格便宜、性能指標(biāo)高。單片機(jī)方案：體積小、可靠性高、價格便宜、性能指標(biāo)高。 3通用微型計算機(jī)系統(tǒng)方案：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完備、外圍設(shè)備齊全、有豐通用微型計算機(jī)系統(tǒng)方案：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完備、外圍設(shè)備齊全、有豐富的系統(tǒng)軟件資源，部件標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。常用于大型控制系統(tǒng)，富的

7、系統(tǒng)軟件資源，部件標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。常用于大型控制系統(tǒng)， 優(yōu)點：控制功能強(qiáng)、設(shè)計工作量小、研制周期短。優(yōu)點：控制功能強(qiáng)、設(shè)計工作量小、研制周期短。 缺點：成本高、體積龐大、可靠性差等。缺點：成本高、體積龐大、可靠性差等。 4通用工業(yè)控制計算機(jī)系統(tǒng)方案：對通用微型計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了改通用工業(yè)控制計算機(jī)系統(tǒng)方案：對通用微型計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，是當(dāng)前乃至今后微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)選方案之一。進(jìn)，是當(dāng)前乃至今后微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)選方案之一。 第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 （二）（二） 微型計算機(jī)系統(tǒng)性能指標(biāo)選擇微型計算機(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)

8、 實時控制性能：一是在系統(tǒng)正常運(yùn)行時的實時控制能力；二是在發(fā)生故障時緊急處理的能力。 2足夠的存儲容量足夠的存儲容量 當(dāng)內(nèi)容容量不足以存放程序和數(shù)據(jù)時，應(yīng)擴(kuò)充內(nèi)存，有時還應(yīng)當(dāng)配當(dāng)內(nèi)容容量不足以存放程序和數(shù)據(jù)時，應(yīng)擴(kuò)充內(nèi)存，有時還應(yīng)當(dāng)配備適當(dāng)?shù)耐獠看鎯ζ鳎ㄓ脖P、軟盤）。備適當(dāng)?shù)耐獠看鎯ζ鳎ㄓ脖P、軟盤）。 3完備的輸入輸出通道和實時時鐘完備的輸入輸出通道和實時時鐘 完備的輸入輸出通道是微型計算機(jī)和外部過程交換信息的通道；實完備的輸入輸出通道是微型計算機(jī)和外部過程交換信息的通道；實時時鐘在系統(tǒng)實時控制中給出時間參數(shù)，記下事件發(fā)生的時刻，同時使時時鐘在系統(tǒng)實時控制中給出時間參數(shù)，記下事件發(fā)生的時刻，同

9、時使系統(tǒng)能按規(guī)定的時間順序完成各種操作。系統(tǒng)能按規(guī)定的時間順序完成各種操作。 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、指令的執(zhí)行速度、指令系統(tǒng)第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 三、 控制算法設(shè)計（1）控制算法對系統(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算公式，是對一般性的問題而言的，應(yīng)針對具體情況，進(jìn)行修改與補(bǔ)充。（3）可實現(xiàn)性。確定為設(shè)計、調(diào)試方便，可將控制算法作合理的簡化，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 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控

10、制系統(tǒng)設(shè)計 四、硬件設(shè)計：四、硬件設(shè)計：根據(jù)系統(tǒng)總體框圖，設(shè)計出系統(tǒng)電氣原理圖，再按照電氣原理圖著手元件的選購和線路設(shè)計工作。 五、軟件設(shè)計：五、軟件設(shè)計：是系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分。 實時性。 針對性。 靈活性和通用性。 可靠性。6. 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)：系統(tǒng)聯(lián)調(diào)：系統(tǒng)聯(lián)調(diào)是要把已調(diào)好的各程序功能塊按照總體設(shè)計要求連成一個完整的程序。 第一步第一步在實驗室模擬裝置上進(jìn)行，要盡量創(chuàng)造條件使模擬裝置接近于實際控制系統(tǒng)，在調(diào)試時應(yīng)采取一些必要的測量監(jiān)視和保護(hù)措施。 第二步第二步是在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行工業(yè)試驗。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 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

11、第二節(jié)第二節(jié) 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件 一軟件的分類一軟件的分類（一）系統(tǒng)軟件（一）系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件是為了提高微型計算機(jī)使用效率、擴(kuò)大功能、為用系統(tǒng)軟件是為了提高微型計算機(jī)使用效率、擴(kuò)大功能、為用戶使用維護(hù)和管理微型計算機(jī)提供方便而專門設(shè)計的一類程序，戶使用維護(hù)和管理微型計算機(jī)提供方便而專門設(shè)計的一類程序，它具有通用性。它具有通用性。 1操作系統(tǒng)：對計算機(jī)進(jìn)行管理和控制操作系統(tǒng)：對計算機(jī)進(jìn)行管理和控制 2語言加工系統(tǒng)語言加工系統(tǒng)（1） 編輯程序編輯程序（2） 編譯程序編譯程序（3） 連接、裝配程序連接、裝配程序（4） 調(diào)試程序調(diào)試程序（5） 子程序庫子程序庫 3診斷系

12、統(tǒng)：維護(hù)計算機(jī)診斷系統(tǒng)：維護(hù)計算機(jī)第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 （二）應(yīng)用軟件（二）應(yīng)用軟件 所謂應(yīng)用軟件就是面向控制系統(tǒng)本身的程序，它是根據(jù)系統(tǒng)的具體要所謂應(yīng)用軟件就是面向控制系統(tǒng)本身的程序，它是根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，由用戶自己設(shè)計的。在進(jìn)行計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計時，大量的工作就是求，由用戶自己設(shè)計的。在進(jìn)行計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計時，大量的工作就是如何根據(jù)各個生產(chǎn)過程的實際需要設(shè)計應(yīng)用程序。如何根據(jù)各個生產(chǎn)過程的實際需要設(shè)計應(yīng)用程序。1控制程序：控制程序：實現(xiàn)對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制，滿足系統(tǒng)的性能指標(biāo)。2數(shù)據(jù)采集及處理程序數(shù)據(jù)采集及處理程序 可靠性檢查、可靠性檢查、A/D轉(zhuǎn)

13、換及采樣、數(shù)字濾波、線性化處理轉(zhuǎn)換及采樣、數(shù)字濾波、線性化處理3巡回檢測程序巡回檢測程序 數(shù)據(jù)采集、越限報警、事故預(yù)告、畫面顯示。數(shù)據(jù)采集、越限報警、事故預(yù)告、畫面顯示。4數(shù)據(jù)管理程序數(shù)據(jù)管理程序 統(tǒng)計報表；產(chǎn)品銷售、生產(chǎn)調(diào)度及庫存管理程序；產(chǎn)值利潤預(yù)測等統(tǒng)計報表；產(chǎn)品銷售、生產(chǎn)調(diào)度及庫存管理程序；產(chǎn)值利潤預(yù)測等第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 二應(yīng)用程序的語言選擇及設(shè)計步驟二應(yīng)用程序的語言選擇及設(shè)計步驟（一）語言選擇（一）語言選擇 1機(jī)器語言機(jī)器語言 2匯編語言：匯編語言：程序執(zhí)行速度快，要求的硬件少。 3高級語言：高級語言：運(yùn)算能力強(qiáng)，編寫方便。 4. 高級語言

14、和匯編語言混合編程高級語言和匯編語言混合編程 用高級語言編寫計算，圖形繪制，顯示，打印程序，用匯編語言編寫時鐘管理，中斷管理和輸入輸出程序等。第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 （二）應(yīng)用程序的設(shè)計步驟和方法（二）應(yīng)用程序的設(shè)計步驟和方法 1. 問題定義：問題定義：明確要完成哪些任務(wù)及執(zhí)行什么程序，決定輸入/輸出的形式，決定于接口硬件電路的連接配合以及出錯處理方法。 2. 程序設(shè)計：程序設(shè)計：利用程序?qū)θ蝿?wù)做出描述，即編寫源程序。 3. 編碼：編碼：指把源程序轉(zhuǎn)換成微型計算機(jī)能執(zhí)行的指令代碼 4. 調(diào)試：調(diào)試：利用諸如斷點、單步跟蹤以及模擬運(yùn)行等手段檢查程序的正確性。

15、 5. 改進(jìn)和再設(shè)計：改進(jìn)和再設(shè)計：根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行情況對原設(shè)計作修改，或者為了擴(kuò)充功能對程序進(jìn)行改進(jìn)和補(bǔ)充。第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 編寫程序之前，一般應(yīng)繪制流程圖。通過流程圖可以直接觀察整個系統(tǒng)各部分程序之間的關(guān)系，從中找出邏輯錯誤和程序之間的不相容性。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 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 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 1）程序接口在一種語言程序中調(diào)用由其他語言編寫的程序模塊。 2）命名約定為了解決不同語言對名稱標(biāo)識符的不

16、同處理，對目標(biāo)文件名長度的不同限制的約定。 3）調(diào)用約定在兩種程序語言中為實現(xiàn)彼此調(diào)用而建立的一種協(xié)定，它具體對應(yīng)了一個函數(shù)、一個過程或者是一個子程序的調(diào)用過程。 4）參數(shù)傳遞約定在定義或說明時用形式參數(shù)，調(diào)用時則替換成實際參數(shù).參數(shù)傳遞方式： 傳值 傳址 傳名 傳結(jié)果第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 2、C語言程序調(diào)用匯編程序舉例語言程序調(diào)用匯編程序舉例例：用匯編過程完成 計算，并由C語言程序?qū)⒂嬎憬Y(jié)果顯示輸出。/*C語言程序：CAC.C，向匯編程序傳送兩個參數(shù)A和B，并將匯編程序返回的計算結(jié)果（由AX累加器傳遞）顯示*/Extern int power2 (in

17、t，int)main（）Printf (“3times 2to the power of 5 is %dn”，power2(3,5)返回地址SP參數(shù)1（3）參數(shù)2（5）*參數(shù)傳遞時的壓棧操作2BA第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 ；匯編語言程序CAA.ASMMODEL SMALLCODESEGMENTPUBLIC _Power2_power2 PROC NEARPUSHBPMOVBP，SPMOVAX，BP+4MOVCL，BP+6SHLAX，CLPOPBPRET_power2 ENDPCODEENDSBP保護(hù)SP/BPBP+2BP+4BP+6返回地址參數(shù)1（3）參數(shù)2

18、（5）參數(shù)傳遞時的壓棧操作第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 四微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的研制工具四微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的研制工具 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的研制工具主要有微型計算機(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。 微型計算機(jī)開發(fā)系統(tǒng)是針對微處理器的應(yīng)用而專門設(shè)計的一種通用型開發(fā)工具，它為用戶系統(tǒng)的硬件、軟件綜合研制提供了強(qiáng)有力的支援。MDS由常規(guī)微型計算機(jī)的一些主要部件（如微處理器、存儲器和輸入輸出設(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)的微型計算機(jī)系統(tǒng)大致相似

19、。第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 第三節(jié)第三節(jié) 常用應(yīng)用程序設(shè)計常用應(yīng)用程序設(shè)計 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算程序?qū)π盘栕鲾?shù)字化的處理，以減少干擾在信號中的比重。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：優(yōu)點： （1）用程序完成，可多個輸入通道共用一個濾波程序。）用程序完成，可多個輸入通道共用一個濾波程序。（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，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）可對頻率很低的信號濾波。）可對頻率很低的信號濾波。 （4）改變程序就可實

20、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 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 （一）算術(shù)平均值濾波（一）算術(shù)平均值濾波 找一個Y，它與各采樣值Xk之間誤差的平方和E為最小，即其中 N為采樣次數(shù)。根據(jù)極值原理得該方法是把n次采樣值進(jìn)行相加，然后取其算術(shù)平均值為本次采樣值。 算術(shù)平均濾波主要對壓力、壓力、流量流量等周期脈動的采樣值進(jìn)行平滑加工，它不適用于脈沖干擾比較嚴(yán)重的場合。平均次數(shù)N，取決于平滑度和靈敏度，隨著N值的增大，平滑度提高，靈敏度降低。 NkkNkkXYeE1212minminNkkXNY11第第

21、6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 （二）中值濾波（二）中值濾波 中值濾波中值濾波就是對某一個被測參數(shù)連續(xù)采樣N次（一般N取奇數(shù)），然后把N次的采樣值從小到大（或從大到?。┡抨?，再取中間值為本次采樣值。 中值濾波去掉脈動性的干擾脈動性的干擾比較有效，但對快速變化過程的參數(shù)不宜采用。N值不宜太大，否則濾波效果反而不好，且總的采樣時間以及數(shù)字濾波處理時間將增長。一般取N為35即可。 第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 （三）一階滯后濾波（三）一階滯后濾波 對于快速隨機(jī)變化的參數(shù)，通常采用動態(tài)濾波方法動態(tài)濾波方法，如一一階滯后濾波方法階滯后濾波方法，表

22、達(dá)式為 yk=（1-）xk+yk-1式中xk為第k次采樣值， yk為第k次采樣或濾波結(jié)果輸出值； yk-1為上一采樣周期濾波結(jié)果輸出值；為濾波平滑系數(shù) ，為濾波環(huán)節(jié)的慣性滯后時間常數(shù)；T為采樣周期。若選定了和T，則和1-為常數(shù)。 T第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 （四）程序判斷濾波（四）程序判斷濾波 程序判斷濾波程序判斷濾波是將兩次采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，求出差值，如差值大于最大允許偏差，則表明本次采樣數(shù)據(jù)是干擾所致，要舍去；如偏差小于最大允許偏差，本次采樣數(shù)據(jù)有效，無干擾或干擾不嚴(yán)重。1限幅濾波限幅濾波 限幅濾波規(guī)定兩次采樣值偏差的絕對值不超過某一數(shù)值，若超過該規(guī)定值

23、，表明隨機(jī)干擾的影響不容忽視，舍去當(dāng)前采樣值。算式為：若 ，則本次采樣值x2為真實信號，是有效采樣值。若 ，則以上一次采樣周期的有效值為真實信號，舍去當(dāng)前采樣值。 x為兩次采樣值差的可能最大變化范圍，x的選擇取決于兩次采樣間隔時間和X的動態(tài)響應(yīng)速度。 xxx12xxx12第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 2限速濾波限速濾波 設(shè)相鄰的采樣時刻t1，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

24、是一個折衷方案，既照顧了濾波輸出值的實時性，又照顧了其變化的連續(xù)性。 xxx12xxx12xxx23xxx23第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 二線性化處理二線性化處理 1 線性插值原理線性插值原理 輸入x和輸出y之間有非線性函數(shù)關(guān)系y=f（x）（輸入輸出特性曲線如圖68所示），可按一定規(guī)律分成若干段，把相鄰段用直線連接，即可很方便求出任一輸入值x所對應(yīng)的輸出值y。設(shè)x在xi，xi+1區(qū)間內(nèi)，其對應(yīng)的逼近值為或 ki為第i段直線的斜率。只要n取得足夠大，即分段足夠多，就可獲得良好的非線性轉(zhuǎn)換精度。 )(11iiiiiixxxxyyyy)(iiixxkyy第第6 6章

25、章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 2 線性插值的線性插值的計算機(jī)實現(xiàn)步驟計算機(jī)實現(xiàn)步驟 （1）用實驗方法測量輸入輸出的非線性關(guān)系曲線。反復(fù)測量，選一條較精確的曲線。 （2）將測量得到的曲線進(jìn)行分段，選取各插值點?？梢缘乳g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）確定并計算出各插值點的xi，yi值及兩相鄰插值點間的擬合直線的斜率ki，并以表格的方式放在存儲器中。 （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，基點值xi、 yi。 （5）計算結(jié)果y= yi+

26、ki（x- xi）。 第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 三數(shù)碼顯示三數(shù)碼顯示 多用LED數(shù)碼管，其特點是體積小，功耗低，響應(yīng)速度快，易于匹配，壽命長，可靠性高。有軟件查表顯示軟件查表顯示和和硬件譯碼硬件譯碼顯示顯示兩種。四越限報警處理程序四越限報警處理程序 由采樣讀入的數(shù)據(jù)或經(jīng)計算機(jī)處理后的數(shù)據(jù)是否超出工藝參數(shù)的范圍，計算機(jī)要加以判斷，如超越了規(guī)定的數(shù)值，就要通知操作人員采取相應(yīng)措施，確保安全。 越限報警分：上限報警上限報警、下限報警下限報警和上下限報警上下限報警。如需報警的變量是xn，上下限約束值分別是xmaxn，xminn，則上下限報警的物理意義如下：第第6 6

27、章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 1上限報警上限報警 若xnxmaxn，則上限報警，否則繼續(xù)執(zhí)行原操作。 2下限報警下限報警 若xnxminn，則下限報警，否則繼續(xù)執(zhí)行原操作。 3 上下限報警上下限報警 若xnxmaxn，則上限報警，否則對下式做判斷。 若xnxminn，則下限報警，否則繼續(xù)原操作。 第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 五五PID控制算法程序控制算法程序 在計算機(jī)內(nèi)，數(shù)可以用浮點數(shù)浮點數(shù)和和定點數(shù)定點數(shù)兩種形式表示，定點數(shù)又有整數(shù)整數(shù)和和純小數(shù)純小數(shù)之分。 浮點數(shù)一般用三個字節(jié)表示，占用內(nèi)存較多，浮點運(yùn)算程序比較復(fù)雜。由于表示一個數(shù)的

28、有效位比定點數(shù)多，因此運(yùn)算精度比較高。在控制精度要求很高，而調(diào)節(jié)速度要求緩慢的控制系統(tǒng)中，才宜采用浮點數(shù)運(yùn)算，否則應(yīng)采用定點數(shù)運(yùn)算。 第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 （一）位置式（一）位置式PID控制算法程序控制算法程序位置式位置式PID控制算法的表達(dá)式控制算法的表達(dá)式為 （1）式中, 為第k次采樣時刻的PID控制輸出。將式（1）改寫為 式中 實現(xiàn)式（2）的流程圖如圖613所示。 kiDIPkEkEKiEKkKkP0) 1()()()()()()()()(kPkPkPkPDIP)()(kEKkPPP) 1()()(kPkEKkPIII10)() 1(kiIIiEK

29、kP) 1()()(kEkEKkPDD第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 R(k)為給定輸入，F(xiàn)(k)為反饋值，設(shè)所有參數(shù)均用補(bǔ)碼表示，且高字節(jié)為整數(shù)部分，低字節(jié)為小數(shù)部分。第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 （二）增量式（二）增量式PID控制算法程序控制算法程序增量型增量型PID控制算法的表達(dá)式控制算法的表達(dá)式為 （3）式中 實現(xiàn)式（3）的程序流程圖如圖614所示。 )2() 1(2)()()()1()()(kEkEkEKkKkEKkEkEKkPDDIP)()()(kPkPkPDIP) 1()()(kEkEKkPPP)()(kEKkPII)

30、2() 1(2)()(kEkEkEKkPDD第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 第五節(jié)第五節(jié) 設(shè)計設(shè)計舉例舉例2微型計算機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 一系統(tǒng)總體方案設(shè)計一系統(tǒng)總體方案設(shè)計 本設(shè)計控制對象是六溫區(qū)網(wǎng)帶式連續(xù)燒結(jié)電阻爐，每個溫區(qū)的溫度在6001000度范圍內(nèi)連續(xù)可控，各溫區(qū)的溫度既可自動設(shè)定，也可以人工設(shè)定，要求系統(tǒng)能夠?qū)α鶄€溫區(qū)的溫度巡回檢測、顯示和定時打印。網(wǎng)帶由直流電機(jī)拖動，其運(yùn)行速度由調(diào)速系統(tǒng)控制。（一）確定系統(tǒng)的控制任務(wù)（一）確定系統(tǒng)的控制任務(wù) 1 6個溫區(qū)的溫度給定。

31、 26個溫區(qū)溫度的閉環(huán)直接數(shù)字控制。 36個溫區(qū)溫度巡回檢測、顯示和定時打印。 此外，還要實現(xiàn)系統(tǒng)升溫、系統(tǒng)升溫、保溫狀態(tài)指示，保溫狀態(tài)指示，超溫、超溫、斷偶報斷偶報警警等功能。 第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 爐溫控制為慢速過程控制，六個溫區(qū)可用一臺微型計算機(jī)分時控制和檢測。考慮每個溫區(qū)作為一個控溫點，溫度檢測方案可采用常規(guī)的熱電偶配用溫度變送器的方案。所以系統(tǒng)需要模擬量的輸入通道。 本系統(tǒng)擬采用晶閘管作為功率放大器件，對電阻絲提供可控的功率輸入。系統(tǒng)相應(yīng)的要有晶閘管控制電路和微型計算機(jī)的接口電路，六個溫區(qū)應(yīng)設(shè)立相對獨立的溫度控制輸出通道。 此外，系統(tǒng)還應(yīng)有各溫

32、區(qū)溫度設(shè)定的輸入電路和接口，以及數(shù)碼顯示和打印機(jī)的輸出接口電路。第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 （二）輸入輸出通道及其接口設(shè)計（二）輸入輸出通道及其接口設(shè)計 1 溫度檢測模擬輸入通道設(shè)計溫度檢測模擬輸入通道設(shè)計 溫度檢測模擬輸入通道由檢測元件（熱電偶）、變送器和ADC0808等組成。 檢測元件選用鎳鉻-鎳鋁熱電偶，適用于01000的溫度測量范圍，相應(yīng)輸出電壓為0mV41.32mV。 第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 表6-1 溫度-數(shù)字量對照表溫度A/D60000H80080

33、H10000FFH 變送器由毫伏變送器和電流/電壓變送器組成：毫伏變送器用于把熱電偶輸出的041.32mV變換成010mA范圍內(nèi)的電流；電流/電壓變送器用于把毫伏變送器輸出的010mA電流變換成05V范圍內(nèi)的電壓。調(diào)節(jié)溫度變送器的零點偏移，把零點移至600度，即溫度在600度以下時，變送器輸出電流為0，而當(dāng)溫度為1000度時，變送器輸出電流為10mA，再調(diào)節(jié)變送器輸出端的可變電阻R，使此時經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸出的數(shù)字量為0FFH，則分辨率為1.56度/步。第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 本系統(tǒng)采用ADC0808進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，六個溫區(qū)的溫度通過傳感器和變送器后分別接至

34、ADC0808的IN0、IN1、IN2、IN3、IN4和IN5。由程序控制每一個溫區(qū)被控參數(shù)的讀入。 CPU對A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取采用中斷方式。具體用法參考第二章第六節(jié)內(nèi)容。（P80，圖2-74）第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 2 晶閘管數(shù)字觸發(fā)輸出通道設(shè)計晶閘管數(shù)字觸發(fā)輸出通道設(shè)計 雙向晶閘管和加熱絲串接在交流回路，因此晶閘管導(dǎo)通時間決定加熱絲的 加熱功率。本系統(tǒng)晶閘管采用調(diào)功方式，觸發(fā)電路采用過零觸發(fā)方式，晶閘管總是在正弦電壓過零點觸發(fā)導(dǎo)通，這樣負(fù)載上得到的電壓為一正弦波，電壓每次過零時，晶閘管是否導(dǎo)通是可控的。第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)

35、控制系統(tǒng)設(shè)計 式中，P為輸入電路的功率，R為負(fù)載有效電阻，U為電網(wǎng)電壓，n為允許導(dǎo)通的波頭數(shù)，N為設(shè)定的波頭數(shù)。下圖給出了晶閘管在給定周期T內(nèi)具有不同導(dǎo)通時間的情況。uuuutttt12.5%25%50%100%RUNnP2功率為：調(diào)功方式輸入電爐平均n=1n=2n=4n=N=8第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 過零信號是正弦交流電壓過零時刻的同步脈沖，可使可控硅在交流電壓正弦波過零后觸發(fā)導(dǎo)通。過零同步脈沖由過零觸發(fā)電路產(chǎn)生，如下圖所示。第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 圖6-32是導(dǎo)通波頭數(shù)控制電路。其作用是對N和n計數(shù)，并在設(shè)定的N個

36、波頭數(shù)內(nèi)，當(dāng)n個波頭導(dǎo)通完畢后，停止對晶閘管的觸發(fā)，以達(dá)到調(diào)節(jié)六溫區(qū)加熱元件功率的目的。n由數(shù)字是調(diào)功器的輸出值確定，并被送到8253計數(shù)器，N一般是選定一個固定的值。第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 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)字輸入，操作簡單，直觀明了，碼盤值以硬件方式保存，計算機(jī)可以隨時通過碼盤輸入口讀入碼盤值。 本系統(tǒng)中，共使用22片4位BCD碼輸入的撥碼盤片，分別作為六個溫區(qū)的溫度給定和電動機(jī)的速度給定。輸入接口電路可用鎖存器和譯碼器進(jìn)行擴(kuò)展。4數(shù)碼顯示輸出通道數(shù)碼顯示輸出通道 本系統(tǒng)中共用了五位LED七段顯示器，其中四位用于顯示一

37、個4位數(shù)，對于爐溫，這四位包括三位整數(shù)和一位小數(shù)；對于網(wǎng)帶速度，這四位包括兩位整數(shù)兩位小數(shù)；另一位則顯示各溫區(qū)代號和網(wǎng)帶速度代號。第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 5打印機(jī)輸出通道打印機(jī)輸出通道 實時記錄溫度是工業(yè)過程溫度控制的一項有效監(jiān)控手段。本系統(tǒng)用九針打印機(jī)實時記錄溫度數(shù)據(jù)。二微型計算機(jī)選擇二微型計算機(jī)選擇 本系統(tǒng)選用STD總線標(biāo)準(zhǔn)的模塊式工業(yè)控制計算機(jī)機(jī)型。主機(jī)板采用8098單片機(jī)多功能CPU模板，主頻6MHz。另外配備了顯示及操作面板接口模板、打印機(jī)接口模板和A/D轉(zhuǎn)換模板。第第6 6章章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 三控制算法設(shè)計三控制算法設(shè)計 為了實現(xiàn)對電爐的溫度自動控制，首先要求已知電爐的數(shù)學(xué)模型。對晶閘管加入一個階躍電壓，令其全部導(dǎo)通，測量電爐的溫度變化，可得到電爐的響應(yīng)曲線。從響應(yīng)曲線看，電爐是可近似看成是一個純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。因此，采用大林算法。1)(1)(sTessTK