第五章 微型計算機控制系統(tǒng)設(shè)計

第五章微型計算機控制系統(tǒng)設(shè)計5.1控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟5.2微型計算機控制系統(tǒng)的軟件5.3常用應(yīng)用程序設(shè)計5.4微機控制系統(tǒng)設(shè)計舉例知識回顧執(zhí)行機構(gòu)D/A轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器被控對象被控參數(shù)控制器計算機給定值計算機控制系統(tǒng)框圖5.1控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟5.1.1舉例5.1.2微機控制系統(tǒng)的設(shè)計方法及步驟返回本章5.1.1舉例控制對象：六溫區(qū)網(wǎng)帶式連續(xù)燒結(jié)電阻爐。要求：每個溫區(qū)的溫度在600-1000℃范圍內(nèi)連續(xù)可控；各溫區(qū)的溫度以及網(wǎng)帶的運行速度既可自動設(shè)定；系統(tǒng)能夠?qū)α鶄€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。第一步：計算機控制系統(tǒng)應(yīng)完成的主要任務(wù)有：

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(diào)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。一臺計算機分時控制；模擬量的輸入通道；接口電路；溫度控制輸出通道。系統(tǒng)組成框圖簡圖如下：第二步：控制系統(tǒng)選用STD總線標準的模塊式工業(yè)控制計算機。第三步：確定控制算法。第四步：硬件電路設(shè)計：

前級放大器及多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)；

A/D轉(zhuǎn)換模板；數(shù)字觸發(fā)控制模板。最后，進行系統(tǒng)的軟件設(shè)計。返回本節(jié)5.1.2微機控制系統(tǒng)的設(shè)計方法及步驟1）

確定系統(tǒng)整體控制方案要從系統(tǒng)構(gòu)成上考慮，是采用開環(huán)控制還是閉環(huán)控制；考慮執(zhí)行機構(gòu)采用什么方案，是采用電機驅(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；考慮是否有特殊控制要求。2）確定控制算法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；確定某些情況下要進行修改與補充；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。3）選擇微型計算機和外圍設(shè)備較完善的中斷系統(tǒng)；足夠的存儲容量；完備的輸入輸出通道和實時時鐘；微處理器有足夠的數(shù)據(jù)處理能力：主要包括：字長、指令的執(zhí)行速度、指令系統(tǒng)。4）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；按照電氣原理圖著手元件的選購和線路設(shè)計工作。5）軟件設(shè)計實時性、針對性、靈活性和通用性、可靠性。6）系統(tǒng)聯(lián)調(diào)第一步實驗室模擬裝置上進行；工業(yè)現(xiàn)場進行工業(yè)試驗。圖5-1控制系統(tǒng)設(shè)計步驟流程圖返回本節(jié)5.2微型計算機控制系統(tǒng)的軟件5.2.1軟件的分類5.2.2應(yīng)用程序的語言選擇及設(shè)計步驟5.2.3高級語言和匯編語言的混合編程5.2.4微型計算機控制系統(tǒng)的研制工具返回本章5.2.1軟件的分類返回本節(jié)5.2.2應(yīng)用程序的語言選擇及設(shè)計步驟1）語言選擇機器語言匯編語言高級語言2）應(yīng)用程序的設(shè)計步驟和方法應(yīng)用程序的設(shè)計通常分下列五個步驟：問題定義、程序設(shè)計、編碼、調(diào)試、改進和再設(shè)計。問題定義階段是要明確微型計算機完成哪些任務(wù)及執(zhí)行什么程序，決定輸入/輸出的形式，決定與接口硬件電路的連接配合以及出錯處理方法。模塊程序設(shè)計法結(jié)構(gòu)程序設(shè)計法（順序、選擇和循環(huán)）返回本節(jié)5.2.3高級語言和匯編語言的混合編程混合語言不是一種新出現(xiàn)的自成系統(tǒng)的新型語言，只是一種程序接口技術(shù)。1）混合語言編程的基本概念程序接口命名約定調(diào)用約定參數(shù)傳遞約定——傳值、傳址、傳名和傳結(jié)果2）C語言程序調(diào)用匯編程序①C語言程序中的接口處理命名約定調(diào)用約定參數(shù)傳遞約定②匯編語言中的接口處理為了與C語言命名約定相符，在定義和編寫匯編語言程序的被調(diào)用過程時應(yīng)以下劃線開頭，并用PUBLIC說明，過程名最好不要超過8個字符。如果C語言程序以巨型，大型、或者中型存儲模式翻譯，被C語言調(diào)用的匯編過程應(yīng)說明成far?？紤]調(diào)用約定，C語言程序向匯編過程傳送參數(shù)是通過堆棧進行的，而C語言參數(shù)壓棧的順序與參數(shù)在調(diào)用時參數(shù)表中出現(xiàn)的順序相反。C語言的堆棧結(jié)構(gòu)圖：在被C語言調(diào)用的匯編過程中用指令RET返回，而在BASIC等其他語言中要求用指令RETn返回。返回本節(jié)②匯編語言中的接口處理根據(jù)缺省默認，C語言的參數(shù)傳遞方式是傳值，但數(shù)組總是采用傳址方式。綜上所述，用C語言調(diào)用匯編程序的步驟為：按各種約定編寫并匯編語言源程序，得到可重新定位的目標文件，注意下劃線、PUBLIC和BP的使用。按約定編寫C語言程序，編譯后得到目標文件，注意extern和參數(shù)的類型的使用。將兩種語言程序的目標文件連接成一個可執(zhí)行的文件。運行該執(zhí)行文件。3）匯編語言程序?qū)語言程序的調(diào)用首先是命名約定；其次是調(diào)用約定；第三，參數(shù)傳遞的方式是保證正常調(diào)用的關(guān)鍵。4）C語言程序調(diào)用匯編程序舉例（略）5.2.4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)的研制工具主要有：微型計算機開發(fā)系統(tǒng)、聯(lián)機仿真器以及單板機、交叉匯編程序、模擬仿真程序等。返回本節(jié)聯(lián)機仿真器是微型計算機控制系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試的有力工具，利用聯(lián)機仿真器可以很方便地實現(xiàn)以下開發(fā)手段：系統(tǒng)實時仿真；資源借調(diào)；控制系統(tǒng)綜合設(shè)計和調(diào)試。5.3常用應(yīng)用程序設(shè)計5.3.1數(shù)字濾波5.3.2線性化處理5.3.3越限報警處理程序返回本章5.3.1數(shù)字濾波與模擬濾波器相比有以下優(yōu)點：數(shù)字濾波用程序來完成，可以多個輸入通道“共用”一個濾波程序。數(shù)字濾波不需要硬件設(shè)備，因而可靠性高、穩(wěn)定性好，各回路之間不存在阻抗匹配等問題。數(shù)字濾波可以對頻率很低的信號濾波。通過改變數(shù)字濾波程序就可以實現(xiàn)不同的濾波方法或調(diào)整濾波參數(shù)，比修改模擬濾波器的硬件靈活、方便。數(shù)字濾波的算法常用的有：算術(shù)平均值濾波、中值濾波、一階滯后濾波、程序判斷濾波等。算術(shù)平均值濾波算術(shù)平均值濾波是尋找這樣一個Y，它與各采樣值Xk之間誤差的平方和和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次采樣值進行相加，然后取其算術(shù)平均值為本次采樣值。其程序流程圖如圖所示：例：某壓力儀表采樣數(shù)據(jù)如下：1234567891024252027246024252623序號采樣值采樣數(shù)據(jù)明顯存在被干擾現(xiàn)象（彩色數(shù)據(jù)）。采用算術(shù)平均值濾波后，其采樣值為：Y=(24+25+20+27+24+60+24+25+26+23)/10=28干擾被平均到采樣值中去了中值濾波中值濾波是對某一個被測參數(shù)連續(xù)采樣N次，然后把N次的采樣值按照由小到大（或由大到?。┻M行排隊，再取中間值為本次采樣值。其程序流程圖如圖所示：123456789242520272460242526例：某壓力儀表采樣數(shù)據(jù)如下：序號采樣值采樣數(shù)據(jù)明顯存在被干擾現(xiàn)象（彩色數(shù)據(jù)）。采用去脈沖干擾平均值濾波后，其采樣值為：25對1、2、3次采樣中值濾波后值：24對4、5、6次采樣中值濾波后值：27對7、8、9次采樣中值濾波后值：25程序判斷濾波程序判斷濾波方法是根據(jù)對生產(chǎn)工藝機理分析，或者根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗確定兩次采樣輸入信號之間可能出現(xiàn)的最大偏差△Y，若超過△Y，就表明該輸入信號是干擾應(yīng)該去掉，反之，該信號可用作本次采樣值。程序判斷濾波可分為限幅濾波和限速濾波兩種。返回本節(jié)5.3.2線性化處理線性插值原理設(shè)某傳感器的輸入輸出特性曲線如圖所示?；蚓€性插值的計算機實現(xiàn)步驟（略）。設(shè)在區(qū)間內(nèi)，則其對應(yīng)的逼近值為返回本節(jié)5.3.3越限報警處理程序越限報警是工業(yè)控制過程常見而又實用的一種報警形式，它分為上限報警、下限報警及上下限報警。返回本節(jié)5.4微機控制系統(tǒng)設(shè)計舉例5.4.1系統(tǒng)總體設(shè)計5.4.2微型計算機選擇5.4.3控制算法設(shè)計5.4.4硬件設(shè)計5.4.5軟件設(shè)計返回本章5.4.1系統(tǒng)總體設(shè)計控制對象：六溫區(qū)網(wǎng)帶式連續(xù)燒結(jié)電阻爐。要求：每個溫區(qū)的溫度在600-1000℃范圍內(nèi)連續(xù)可控；各溫區(qū)的溫度以及網(wǎng)帶的運行速度既可自動設(shè)定；系統(tǒng)能夠?qū)α鶄€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。第一步：計算機控制系統(tǒng)應(yīng)完成的主要任務(wù)有：

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(diào)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。一臺計算機分時控制；模擬量的輸入通道；接口電路；溫度控制輸出通道。系統(tǒng)組成框圖簡圖如下：第二步：控制系統(tǒng)選用STD總線標準的模塊式工業(yè)控制計算機第三步：確定控制算法。第四步：硬件電路設(shè)計：

前級放大器及多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)；

A/D轉(zhuǎn)換模板；數(shù)字觸發(fā)控制模板。最后，進行系統(tǒng)的軟件設(shè)計。返回本節(jié)5.4.2微型計算機選擇控制系統(tǒng)選取采用STD總線標準的模塊式工業(yè)控制計算機。主機板采用8098單片機多功能CPU模板，主頻6MHz；配置了顯示及操作面板接口模板；打印機接口模板；非通用數(shù)字觸發(fā)控制模板；反饋通道的V／F變換及A／D轉(zhuǎn)換模板。返回本節(jié)5.4.3控制算法設(shè)計在整個爐體中，要求六個溫區(qū)的溫度能夠獨立控制，而各溫區(qū)之間存在不同程度的耦合，整個系統(tǒng)屬于多變量系統(tǒng)。其數(shù)學(xué)描述傳遞矩陣為：

式中離散后可近似為：被控對象的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜。其簡化動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖所示：對于每一個溫區(qū)，被控對象加上零階保持器的廣義傳遞函數(shù)為式中TD為電阻爐的慣性時間常數(shù)；τ為純滯后時間常數(shù)；T為系統(tǒng)的采樣周期，且設(shè)τ=NT，N為正常數(shù)?？汕蟪銎鋸V義脈沖傳送函數(shù)為根據(jù)大林算法直接設(shè)計系統(tǒng)的數(shù)字控制器，令整個系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為則數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)為式（4）中即為系統(tǒng)按大林算法得出的數(shù)字控制器的數(shù)學(xué)模型。為了比較方便地用微型計算機來實現(xiàn)，我們把式（4）再進一步簡化為當(dāng)由系統(tǒng)的飛升特性曲線確定出后，系數(shù)則可分別求出。將式（5）所示的數(shù)字控制器用差分方程表示，則返回本節(jié)5.4.4硬件設(shè)計系統(tǒng)采用了STD工業(yè)控制機，并選用了三塊通用模板，硬件設(shè)計的工作量大大減少，只剩下三個部分需要進行具體的硬件電路設(shè)計。前級放大器及多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)。

A/D轉(zhuǎn)換模板。數(shù)字觸發(fā)控制模板。溫度檢測模擬輸入通道設(shè)計如圖所示溫度檢測模擬輸入通道由檢測元件熱電偶、前級放大器、多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換和輸入接口電路組成。V／F轉(zhuǎn)換輸入通道的結(jié)構(gòu)通常為：

晶閘管數(shù)字觸發(fā)輸出通道設(shè)計

晶閘管作為溫度控制的功率元件有兩種工作方式，一種是調(diào)壓方式，另一種是調(diào)功方式。調(diào)功方式輸入電爐的平均功率為：如圖所示為過零檢測同步脈沖電路，其作用是在電網(wǎng)電壓的每個過零點產(chǎn)生一個同步脈沖。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，計算機可以隨時通過碼盤輸入口讀入碼盤值，這有利于存放在RAM中的給定值保護，同時操作人員也可以很方便地修改碼盤值。數(shù)碼顯示輸出通道數(shù)碼顯示器輸出通道包括：數(shù)字量輸出接口電路、鎖存譯碼驅(qū)動電路，七段數(shù)碼管顯示器。打印機輸出通道打印機的打印內(nèi)容包括表頭、制表、采樣數(shù)據(jù)和采樣時間。根據(jù)