第9章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計匯編

第9章計算機控制系統(tǒng)設(shè)計9.1控制系統(tǒng)設(shè)計的原則與步驟9.2系統(tǒng)的工程設(shè)計和實現(xiàn)9.3某新型建材廠全自動預(yù)加水控制系統(tǒng)設(shè)計9.4基于單片機的智能車模型設(shè)計9.5基于DSP2812的離網(wǎng)型智能光伏逆變器9.1控制系統(tǒng)設(shè)計的原則與步驟設(shè)計原則:1.安全可靠2.操作維護方便3.實時性強4.通用性好5.經(jīng)濟效益高系統(tǒng)設(shè)計的步驟

系統(tǒng)工程項目的研制分四個階段：工程項目和控制任務(wù)的確定階段；工程項目的設(shè)計階段；離線仿真和調(diào)試階段；在線調(diào)試和運行階段。階段1.工程項目和控制任務(wù)的確定階段1）甲方一定要提供正式的書面委托書，要有明確的系統(tǒng)技術(shù)性能指標(biāo)要求、經(jīng)費、計劃進度、合作方式等。2）乙方研究任務(wù)委托書3）雙方對委托書進行確認性修改4）乙方初步進行系統(tǒng)總體方案設(shè)計5）乙方進行可行性研究目的:估計承接該項任務(wù)的把握性，并為簽訂合同后的設(shè)計打下基礎(chǔ)主要內(nèi)容：技術(shù)可行性；經(jīng)費可行性；進度可行性6）簽訂合同書階段2.工程項目的設(shè)計階段——如下圖所示1）組建設(shè)計隊伍2）各成員要明確分工和相互的協(xié)調(diào)合作關(guān)系。3）系統(tǒng)總體方案4）方案論證與評審5）硬件和軟件的分別細化設(shè)計6）硬件和軟件的分別調(diào)試7）系統(tǒng)組裝(是離線仿真和調(diào)試階段的前提和必要條件。)階段3.離線仿真和調(diào)試階段——如圖9-2所示圖9-2離線仿真和調(diào)試流程圖

離線仿真和調(diào)試是指在實驗室而不是在工業(yè)現(xiàn)場進行的仿真和調(diào)試。在離線仿真和調(diào)試試驗后，還要進行拷機運行，其目的是要在連續(xù)不斷的運行中暴露問題和解決問題。階段4.在線調(diào)試和運行階段——如圖9-3所示圖9-3在線調(diào)試和運行流程

在線調(diào)試和運行就是將系統(tǒng)和生產(chǎn)過程聯(lián)接在一起，進行現(xiàn)場調(diào)試和運行。系統(tǒng)運行正常后，再試運行一段時間，即可組織驗收。驗收是系統(tǒng)項目最終完成的標(biāo)志，應(yīng)由甲方主持乙方參加，雙方協(xié)同辦理。驗收完畢應(yīng)形成文件存檔。9.2系統(tǒng)的工程設(shè)計和實現(xiàn)一：系統(tǒng)總體方案設(shè)計1.硬件總體方案設(shè)計方法：“黑箱”設(shè)計法，即畫方塊圖的方法。用此方法做出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，只需明確各方塊之間的信號輸入輸出關(guān)系和功能要求，而不需知道“黑箱”內(nèi)的具體結(jié)構(gòu)。2.軟件總體方案設(shè)計畫出方框圖，確定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制策略、控制算法。3.系統(tǒng)總體方案設(shè)計將上面的硬件、軟件總體方案合在一起構(gòu)成系統(tǒng)總體方案?？傮w方案論證可行后，要形成文件，建立總體方案文檔。二：硬件的工程設(shè)計和實現(xiàn)1.選擇系統(tǒng)總線和主機機型內(nèi)總線：常用有PC總線和STD總線兩種，一般選PC總線。外總線：指計算機與計算機、計算機與智能儀表、智能外設(shè)之間的通信的總線。主機機型的選擇應(yīng)根據(jù)微型計算機在控制系統(tǒng)中所承擔(dān)的任務(wù)來確定。2.選擇輸入輸出通道模板1）數(shù)字量（開關(guān)量）輸入輸出（DI/DO）模板；并行接口模板分：TTL電平DI/DO模板；帶光電隔離的DI/DO模板2）模擬量輸入輸出（AI/AO）模板。包括A/D、D/A板和信號調(diào)理電路等。選擇AI/AO模板時必須注意分辨率、轉(zhuǎn)換速度、量程范圍等技術(shù)指標(biāo)。3、選擇變送器和執(zhí)行機構(gòu)變送器：將被測變量轉(zhuǎn)換為可遠傳的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的電信號。執(zhí)行機構(gòu)：電動調(diào)節(jié)閥、氣動調(diào)節(jié)閥、液動調(diào)節(jié)閥三種類型，另有有觸點開關(guān)、無觸點開關(guān)、電磁閥等。三：軟件的工程設(shè)計和實現(xiàn)1.劃分模塊

程序設(shè)計應(yīng)先模塊后整體。劃分模塊時要注意四點：一是一個模塊不宜劃分得太長或太短；二是力求各模塊之間界線分明，邏輯上彼此獨立；三是力圖使模塊具有通用性；四是簡單任務(wù)不必模塊化。2.資源的分配資源分配的主要工作是RAM的分配。3、實時控制軟件設(shè)計（1）數(shù)據(jù)的采集及數(shù)據(jù)處理程序數(shù)據(jù)的采集：包括信號的采集、輸入變換、存儲。數(shù)據(jù)處理：包括數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、線性化、越限報警等處理。（2）控制算法程序控制算法設(shè)計要根據(jù)具體的對象、控制性能指標(biāo)要求以及所選擇的微型計算機對數(shù)據(jù)的處理能力來進行。（3）控制量輸出程序（4）實時時鐘和中斷處理程序（5）數(shù)據(jù)管理程序（6）數(shù)據(jù)通信程序9.2.4系統(tǒng)的調(diào)試與運行1.離線仿真和調(diào)試

（1）硬件調(diào)試

（2）軟件調(diào)試順序：子程序、功能模塊、主程序。系統(tǒng)控制程序應(yīng)分為開環(huán)和閉環(huán)，開環(huán)調(diào)試是檢查它的階躍響應(yīng)特性，閉環(huán)調(diào)試是檢查它的反饋控制功能。整體調(diào)試：對模塊之間連接關(guān)系的檢查。

（3）系統(tǒng)仿真2.在線仿真和調(diào)試現(xiàn)場調(diào)試運行過程是從小到大、從易到難、從手動到自動、從簡單到復(fù)雜逐步過渡。9.3某新型建材廠全自動預(yù)加水控制系統(tǒng)設(shè)計一：工程概述圖9-4當(dāng)前采用的人工經(jīng)驗加水二系統(tǒng)總體方案設(shè)計1.確定系統(tǒng)的控制任務(wù)

控制對象：來料以及原料的含水率的測量。主要任務(wù)要求：（1）來料參數(shù)的測量（2）來料以及原料含水率的智能控制（3）實時數(shù)據(jù)的人機界面顯示（4）通過觸摸屏完成人機對話，實現(xiàn)過程的可視化及操作人員的過程控制等2.確定系統(tǒng)的總體控制方案(系統(tǒng)的整體框如下圖)圖9-5系統(tǒng)總體框圖三硬件設(shè)計1.智能控制單元PLC本系統(tǒng)采用西門子S7-200PLC作為智能控制單元。

2.水分測量儀CCD本項目的測量要求和使用條件確定選擇數(shù)字CCD攝像頭。3.傳輸總線選取485總線作為傳感器和PLC控制單元以及觸摸屏之間的傳輸總線。4.觸摸屏、電磁閥觸摸屏選用步科MT4522T10.1寸TFT觸摸屏。電磁閥采用DN40電動蝶閥，4-20mA控制。系統(tǒng)的硬件框圖如圖9-6所示：四軟件設(shè)計本系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為兩部分：PLC的軟件編程和觸摸屏的界面設(shè)計。1.PLC的軟件編程系統(tǒng)的軟件流程圖如圖9-7所示

圖9-7軟件流程圖(1)PID控制算法的PLC實現(xiàn)自動加水控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型傳遞函數(shù)參數(shù)的確定采用目前工程上常用的方法，即對過程對象施加階躍輸入信號，測取過程對象的階躍響應(yīng)，然后由階躍響應(yīng)曲線根據(jù)科恩-庫恩(Colin-Coon)公式確定近似傳遞函數(shù)。Cohn-Coon公式如公式9.1所示:公式9.1為系統(tǒng)階躍輸入；為系統(tǒng)的輸出響應(yīng)；t0.28是對象飛升曲線為0.28時的時間；t0.632是對象飛升曲線為0.632時的時間。（2）模糊控制算法的PLC實現(xiàn)

圖為模糊控制策略程序設(shè)計的流程圖

2.觸摸屏軟件設(shè)計通過觸摸屏的軟件編程界面，實現(xiàn)對人機交互界面的設(shè)計。本系統(tǒng)中采用INTOUCH組態(tài)軟件，設(shè)計和開發(fā)了觸摸屏的用戶界面。觸摸屏操作臺如圖9-9所示。圖9-9觸摸屏操作界面五運行調(diào)試本系統(tǒng)已在兗州煤業(yè)股份有限公司宏力新型建材廠空心磚燒結(jié)生產(chǎn)線上運行，運行結(jié)果表明，該自動加水系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)測量裝置測得的來料量以及原料含水率，通過內(nèi)置的模糊-PID控制算法進行運算，從而給出指令驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)完成含水率調(diào)節(jié)的功能。降低了工人勞動強度，改善了操作人員作業(yè)環(huán)境，縮短了磚坯烘干時間，保證了烘干后磚坯的干燥程度和行火速度，從而提高了成品磚質(zhì)量、產(chǎn)量，降低了設(shè)備故障率，減少了因設(shè)備故障而導(dǎo)致的停工停產(chǎn)造成的巨大損失。9.4基于單片機的智能車模型設(shè)計一系統(tǒng)的總體設(shè)計方案1）系統(tǒng)的基本工作原理智能車的基本工作原理為：CCD圖像傳感器拍攝賽道圖像并以PAL制式信號輸出到信號處理模塊進行二值化處理并進行視頻同步信號分離，二值化后的數(shù)據(jù)和視頻同步信號同時輸入到MC9S12X128控制核心，進行進一步處理以獲得圖像信息；通過光電編碼器來檢測車速，通過外接兩個計數(shù)器計數(shù)進而計算速度以實現(xiàn)差速；舵機轉(zhuǎn)向采用PD控制算法；電機轉(zhuǎn)速控制采用PID控制算法，并通過PWM脈沖控制驅(qū)動電路；通過綜合控制，使智能車能夠自主尋跡。2）系統(tǒng)設(shè)計框架智能車系統(tǒng)主要包括以下模塊：MC9S12XS128單片機模塊、CCD圖像采集模塊、轉(zhuǎn)向舵機模塊、驅(qū)動電機模塊和速度檢測模塊。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖9-10所示：圖9-10系統(tǒng)整體架構(gòu)二硬件設(shè)計硬件電路主要包括：電源模塊、路徑識別模塊、電機驅(qū)動模塊、舵機轉(zhuǎn)向模塊、速度檢測模塊。以下我們將分別介紹各個模塊。（1）單片機最小系統(tǒng)板單片機最小系統(tǒng)部分使用MC9S12XS128單片機，112引腳封裝，為減少電路板空間，板上僅將本系統(tǒng)所用到引腳引出，包括PWM接口，定時器接口，外部中斷接口，若干預(yù)留普通IO接口。其他部分還包括電源濾波電路、時鐘振蕩電路、復(fù)位電路、BDM接口。（2）電源管理模塊全部硬件電路的電源用7.2V2000mAhNi-cd蓄電池提供。由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電壓和電流容量各不相同，因此電源模塊應(yīng)該包含多個穩(wěn)壓電路，將充電電池電壓轉(zhuǎn)換成各個模塊所需要的電壓。a）降壓穩(wěn)壓電路的設(shè)計我們采用的降壓穩(wěn)壓芯片是LM2940、LM2596-5.0、lM2596-ADJ。其電路如下圖所示。降壓穩(wěn)壓電路b）升壓穩(wěn)壓電路本設(shè)計中采用B0512LS-1W作為升壓穩(wěn)壓芯片，該芯片外圍電路簡單且性能穩(wěn)定，完全能夠滿足本設(shè)計中5到12V升壓的要求。（3）路徑識別模塊a）傳感器的選擇攝像頭的選取：主要有CMOS和CCD兩種：CMOS攝像頭體積小，耗電量小，圖像穩(wěn)定性較高，但成像質(zhì)量差，分辨率較低，噪聲較多。CCD攝像頭具有對比度高、動態(tài)特性好的優(yōu)點，但需要工作在12V電壓下，因此，經(jīng)過實驗論證之后本系統(tǒng)中采用CCD攝像頭。b）視頻同步分離電路我們使用LM1881N芯片對黑白全電視信號進行視頻同步分離，得到行同步、場同步信號。視頻同步分離電路原理圖9-12所示：圖9-12視頻同步分離電路原理圖c)車速檢測模塊要使車能夠快速穩(wěn)定的運行，并且能很好的實現(xiàn)加速和減速，速度控制就是很重要的，本方案采用光電編碼器作為系統(tǒng)的速度傳感器。圖9-13TLC5510的外圍電路設(shè)計d）高速AD模塊該設(shè)計中采用８位高速A/D轉(zhuǎn)換器TLC5510進行高速AD模塊的搭建。TLC5510外圍電路設(shè)計如圖9-13所示。e）電機驅(qū)動模塊本設(shè)計中采用H橋驅(qū)動芯片33883和IRF540N來搭建H橋驅(qū)動電路。MC33886接線圖如圖9-14所示。圖9-14MC33886接線圖控制系統(tǒng)的框圖如圖：三軟件設(shè)計1.系統(tǒng)初始化程序?qū)τ贛C9S12XS128單片機來說，初始化的部分主要有以下幾部分：PLL初始化，PWM模塊初始化，ECT模塊初始化，I/O口初始化，A/D初始化。下面我就分別介紹一下各個模塊的初始化程序。1）PLL初始化S12的總線時鐘是整個MCU系統(tǒng)的定時基準(zhǔn)和工作同步脈沖，其頻率固定為晶體頻率的1/2。對于S12，可以利用時鐘合成寄存器SYNR、時鐘分頻寄存器REFDV來改變晶振頻率fOSCCLK，可以選用8MHz或16MHz外部晶體振蕩器作外時鐘。設(shè)計中將SYNR設(shè)為4，REFDV設(shè)為1，因此，總線時鐘為40MHz，CPU工作頻率80MHz。初始化程序如下：voidPLL_init(void)//設(shè)定總線時鐘40MHz{DisableInterrupts;CLKSEL=0X00;PLLCTL_PLLON=1;SYNR=4;REFDV=1;while(!(CRGFLG_LOCK==1));CLKSEL_PLLSEL=1;}2）PWM初始化通過寄存器PWME來控制PWM0~PWM7的啟動或關(guān)閉。為了提高精度，我們將PWM0和PWM1，構(gòu)成16位的PWM通道。

級聯(lián)時，2個通道的常數(shù)寄存器和計數(shù)器均連接成16位的寄存器，3個16位通道的輸出分別使用通道7、3、1的輸出引腳，時鐘源分別由通道7、3、1的時鐘選擇控制位決定。級聯(lián)時，通道7、3、1的引腳變成PWM輸出引腳，通道6、2、0的時鐘選擇沒有意義。通過寄存器PWMPRCLK、PWMSCLA、PWMSCLB、PWMCLK對各通道的時鐘源進行設(shè)置。PWM模塊的初始化設(shè)置過程如下所示：voidPWM_Init(void){PWME=0x00;PWMCTL=0x50;PWMCLK=0x00;//時鐘選擇寄存器PWMCLK_PCLK1=1;//1選SA時鐘PWMCLK_PCLK2=1;//2選sB時鐘PWMCLK_PCLK3=1;//3選sBPWMCLK_PCLK5=0;//5選A時鐘PWMCLK_PCLK6=1;//6選sB時鐘PWMCLK_PCLK7=1;//7選sB時鐘PWMPRCLK=0x10;//預(yù)分頻寄存器B2分頻PWMSCLA=12;PWMSCLB=15;PWMPOL_PPOL1=1;//極性選擇寄存器PWMPOL_PPOL3=1;PWMPOL_PPOL5=1;PWMPOL_PPOL7=1;PWMCAE=0x00;PWMPER01=20000;//舵機需要50hz周期20ms的基波PWMPER2=200;//右電機2khPWMPER3=200;PWMPER45=2;//作為ad轉(zhuǎn)化的時鐘12MPWMPER6=200;//左電機2khzPWMPER7=200;PWMDTY01=1200;//舵機初始化方向為正方向1.5ms的高電平PWMDTY2=0;PWMDTY3=100;PWMDTY45=1;//A/D轉(zhuǎn)換輸出方波PWMDTY6=100;//與23共同控制左右電機占空比都50%PWMDTY7=100;PWME=0xff;//打開PWM各通道輸出}3）ECT模塊初始化S12的ECT具有8個輸入（IC）/輸出(OC)比較通道，可以通過設(shè)置TIOS寄存器選擇輸入或輸出比較功能。ECT既可以作為一個時基定時產(chǎn)生中斷，也可以用來產(chǎn)生控制信號。定時器初始化程序如下：voidECT_Init(void){PACTL=0X50;//PT7PIN,16BIT,NOTINTERRUPTTCTL3=0x52;//通道6、7僅捕捉上升沿用于測速TCTL4=0x10;TIE=0x54;TIOS=0x00;//每一位對應(yīng)通道的:0輸入捕捉,1輸出比較TSCR1=0x80;//}4）PIT模塊初始化voidPIT_init(void)//周期中斷初始化函數(shù)周期20ms中斷設(shè)置{PITCFLMT_PITE=0;//定時中斷通道1關(guān)PITCE_PCE0=1;//定時器通道使能選擇：通道0、1、2、3PITMUX_PMUX0=0;PITMTLD0=20-1;PITLD0=40000-1;PITINTE_PINTE0=1;PITCFLMT_PITE=1;}5）A/D初始化高速A/D模塊工作時，CPU向該模塊發(fā)出啟動命令，然后進行采樣，A/D轉(zhuǎn)換，最后將結(jié)果保存到相應(yīng)的寄存器。A/D初始化不是在主程序中完成的，而是在每次采集視頻信息之前完成的。所以，A/D的初始化不同前面的初始化部分，它需要在每個控制周期都初始化一次A/D初始化程序如下：。voidAD15_Init(void){ATD0CTL0=0x00;ATD0CTL1=0x00;//8位轉(zhuǎn)換ATD0CTL2=0x40;ATD0CTL3=0x88;//1000_1000轉(zhuǎn)換長度為一ATD0CTL4=0x19;ATD0CTL5=0x0f;//第15通道轉(zhuǎn)換ATD0DIEN=0x00;}

2.驅(qū)動電機的PID控制算法圖9-16PID控制算法原理圖電機控制主要要求提高電機的響應(yīng)速度和調(diào)速準(zhǔn)確性，故選用PID參數(shù)時選取較大的P參數(shù)，而積分參數(shù)I對車速控制有慣性，影響反應(yīng)速度，而積分參數(shù)I過大會使速度波動增加，影響車輛的穩(wěn)定運行，所以選擇了非常小的積分參數(shù)。

3.舵機的PID控制算法設(shè)計中舵機的控制采用了增量式PID算法，根據(jù)測試，將圖象經(jīng)過算法處理后得到的黑線位置和對應(yīng)的舵機PID參照角度處理成一次線性關(guān)系。選擇的PID調(diào)節(jié)策略是：將積分項系數(shù)置零，此時相比穩(wěn)定性和精確性，舵機在這種動態(tài)隨動系統(tǒng)中對動態(tài)響應(yīng)性能要求更高。更重要的是，在Ki置零的情況下，通過合理調(diào)節(jié)Kp參數(shù)，發(fā)現(xiàn)車能在直線高速行駛時仍能保持車身非常穩(wěn)定，沒有震蕩，基本沒有必要使用Ki參數(shù)；微分項系數(shù)Kd則使用定值，原因是舵機在一般賽道中都需要好的動態(tài)響應(yīng)能力；通過選擇測試一些PID參數(shù)，從而得到較為理想的轉(zhuǎn)向控制效果。四系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試分為軟件調(diào)試和硬件調(diào)試兩部分。1,硬件調(diào)試：首先是對硬件電路的電源部分、傳感器部分以及驅(qū)動部分進行調(diào)試，再接著就是檢驗電機的驅(qū)動，以及編碼器的工作是否正常，最后對整體進行調(diào)試。2，軟件調(diào)試：在軟件設(shè)計中，根據(jù)之前的各模塊的規(guī)劃進行初始化設(shè)置，在編寫程序前，要先對各個模塊分別進行調(diào)試，并編寫各部分的子程序。在每一部分程序調(diào)試通過后，對所有子程序進行整合，編寫出完整的主程序，在CodeWarrior界面完成程序編譯后，通過BDM工具，將程序下載到MC9S12XS128微處理器中，然后進行小車的調(diào)試。3，調(diào)試結(jié)果9.5基于DSP2812的離網(wǎng)型智能光伏逆變器一：工程概述

本設(shè)計研制的基于DSP2812的離網(wǎng)型智能光伏逆變器廣泛用于離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)。它采用Boost升壓電路，將直流輸入電壓48V升壓，再通過IPM模塊實現(xiàn)全橋逆變，輸出220V/50Hz的交流電。采用TI公司的高速DSPTMS320F2812作為主控芯片，實現(xiàn)數(shù)字控制。通過CAN現(xiàn)場總線或RS485與上位機進行網(wǎng)絡(luò)通信，實現(xiàn)真正的智能化二：系統(tǒng)總體方案設(shè)計下圖為逆變器原理框圖

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1）采用DSP2812作為主控芯片，輸出電壓精度高、輸出既可以是交流正弦波或也可以是方波，且具有三種工作模式：①正常工作模式，②管理員模式，③睡眠模式。這些功能可以滿足各種用電設(shè)備的要求。2）采用Boost電路升壓+全橋逆變的方式。由于沒有變壓器的存在，大大降低了逆變器的體積和重量，外形美觀、體積小。3）通過CAN現(xiàn)場總線和/或RS485與上位機網(wǎng)絡(luò)通信，實現(xiàn)智能監(jiān)控。本逆變器主要由一次回路（又稱主回路）和二次回路（控制回路）組成。一次回路包括Boost升壓電路和全橋逆變電路，以及輸入濾波電路、輸出濾波電路。二次回路包括3塊功能板：主控板、信號采樣與處理板和人機交互板。1.主回路電路

主電路起著傳輸電能的作用，它采用續(xù)流電感、IGBT、快恢復(fù)二極管等構(gòu)成Boost電路，將較低的直流電壓升至幅值較高的穩(wěn)定電壓；采用功率模塊IPM實現(xiàn)全橋逆變。本產(chǎn)品采用Boost電路升壓的方式，無需變壓