機電測控系統(tǒng)設計及應用-PowerPoint演示文稿.ppt

1、機電系統(tǒng)檢測與控制,Measurement and Control in Mechatronics System,第八章 機電測控系統(tǒng)設計及應用,本章主要內(nèi)容： 從設計一般的微型計算機控制系統(tǒng)出發(fā)，介紹系統(tǒng)設計的一般步驟以及每一步具體設計的任務。,第一節(jié) 控制系統(tǒng)設計的一般步驟,1 系統(tǒng)總體控制方案設計,2 微型計算機選擇,3 控制算法設計,4 硬件設計,5 軟件設計,6 系統(tǒng)聯(lián)調(diào),系統(tǒng)總體控制方案設計,1 確定控制任務,即干什么？確定目標，了解其意義。,2 軟硬件功能分配,3 接口電路設計,4 通道設計,5 控制臺設計,微型計算機選擇,構(gòu)成方案選擇,性能指標選擇,組裝方案,單板機或單片機方案

2、,通用微型機系統(tǒng)方案,通用工控機系統(tǒng)方案,完善的中斷系統(tǒng),足夠的存儲容量,完備的I/O通道和實時時鐘,足夠的數(shù)據(jù)處理能力,控制算法設計,控制算法必須滿足系統(tǒng)對控制速度、控制精度、和穩(wěn)定性的要求。,對具體的系統(tǒng)，可能需要對通用的計算公式進行修改和補充。,要充分考慮控制算法的物理上的可實現(xiàn)性。,第二節(jié) 微機控制系統(tǒng)的軟件,操作系統(tǒng),語言加工系統(tǒng),編輯程序,編譯程序,連接、裝配程序,調(diào)試程序,子程序庫,診斷系統(tǒng),系統(tǒng)軟件,應用軟件,控制程序,數(shù)據(jù)采集及處理程序,巡回檢測程序,數(shù)據(jù)管理程序,軟 件,應用程序的語言選擇及設計步驟,一、語言的選擇 機器語言 匯編語言 高級語言 二、應用程序設計步驟和方法

3、步驟：問題定義；程序設計；編碼；調(diào)試、改進和再設計。 方法：繪制流程圖；采用模塊程序設計法和結(jié)構(gòu)程序設計法；,第三節(jié) 常用應用程序設計,一、常用的應用程序 數(shù)字濾波；線性化處理；PID數(shù)字控制；數(shù)字顯示；超限報警；鍵盤掃描；串口通訊等 1、數(shù)字濾波 優(yōu)點：用程序?qū)崿F(xiàn)，可以多個通道公用一個濾波程序；可靠性高，穩(wěn)定性好，各回路不存在阻抗匹配問題；可以對頻率很低的信號濾波；改變程序就可以實現(xiàn)不同的濾波方法或調(diào)整濾波參數(shù)，靈活，方便。 1）算術(shù)平均值濾波 把N次采樣值進行相加，取其平均值作為本次采樣值。 應用：主要對壓力、流量等周期脈動的采樣值進行平滑加工，但對脈沖性干擾的平滑不理想，不適用脈沖干擾比

4、較嚴重的場合。,常用應用程序設計,2）中值濾波 把N次采樣值從小到達排序，取中間值作為本次采樣值。 應用：對去掉脈動性的干擾比較有效，但對快速變化過程的參數(shù)則不宜采用。N值不宜太大，一般取N35。 3）一階滯后濾波（動態(tài)濾波法）,為濾波環(huán)節(jié)的慣性滯后時間常數(shù),為平滑系數(shù),4）程序判斷濾波 將兩次采樣值比較，如果其差大于最大允許偏差，則認為 本次采樣值為干擾信號，舍去。反之為有用信號。 限幅濾波 若 以本次采樣值x2為真實信號，否則以上一 采樣值作為真實信號。,常用應用程序設計,限速濾波 設相鄰的采樣時刻 t1、t2、t3的采樣值為x1、x2、x3，則限速濾波的規(guī)則為： 若 則x2作為濾波輸出值

5、，否則保留x2，再取x3，若 則x3作為濾波輸出，否則（x3+x2）/2作為濾波輸出。,例：微型計算機溫度控制系統(tǒng)設計,以典型工業(yè)爐窯網(wǎng)帶式多溫區(qū)電阻爐為對象，介紹微型計算機溫度控制系統(tǒng)的設計實例。,一、系統(tǒng)總體控制方案設計,控制任務,設計對象是六溫區(qū)網(wǎng)帶式連續(xù)燒結(jié)電阻爐，溫區(qū)溫度在6001000 范圍內(nèi)均連續(xù)可控。各溫區(qū)溫度以及網(wǎng)帶的運行速度既可以自動設定，也可人工設定。 要求系統(tǒng)能夠?qū)α鶄€溫區(qū)的溫度以及網(wǎng)帶運行速巡回檢測、顯示和定時打印。網(wǎng)帶由直流電機拖動，其運行速度由調(diào)速系統(tǒng)控制。,主要任務： 1）六個溫區(qū)溫度的閉環(huán)直接數(shù)字控制； 2）網(wǎng)帶拖動直流調(diào)速系統(tǒng)的速度給定和速度檢 測； 3）六

6、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?。?4）系統(tǒng)升溫、保溫狀態(tài)指示、超溫、斷偶報警等功能。,1、 確定控制任務,系統(tǒng)構(gòu)成框圖,I/O通道,溫度檢測模擬輸入通道由熱電偶、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。,從熱點偶得到的是毫伏級電壓信號，經(jīng)前級放大器放大 至010V，然后通過多路模擬開關(guān)到達A/D轉(zhuǎn)換器的輸入 端。多路模擬開關(guān)的切換由微型計算機控制，通過光耦 合器驅(qū)動，逐一選通六路溫度檢測電壓信號。,采用V/F變換器和定時計數(shù)器組成A/D轉(zhuǎn)換器。,A/D轉(zhuǎn)換器,這種A/D轉(zhuǎn)換器價格便宜、容易隔離、抗干擾能力強、 便于檢測信號傳送；但是轉(zhuǎn)換時間長。本設計

7、中，溫度 變化屬于慢速，所以可以采用。,2.1 溫度檢測模擬輸入通道設計,2 、I/O通道和接口電路設計,2 、I/O通道和接口電路設計,2.1 溫度檢測模擬輸入通道設計,8253,2.2 晶閘管數(shù)字觸發(fā)輸出通道設計,晶閘管 晶閘管是一種大功率的半導體器件，它具有體積小、重量輕、耐壓高、容量大、功率高、維護簡單、控制靈敏等優(yōu)點。同時它的功率放大倍數(shù)很高，可以用微小的信號功率（幾十到一、二百毫安的電流，二、三伏的電壓）對大功率（電流為幾百安、電壓為數(shù)千伏）的電源進行控制和變換。,3、撥碼盤給定輸入通道,使用22片4位BCD碼輸入的撥碼盤片，作為六個溫區(qū)的溫度給定和電動機的速度給定。,4、數(shù)碼顯示

8、輸出通道,包括：數(shù)字量輸出接口電路、所存譯碼驅(qū)動電路，七段數(shù)碼管顯示器。,5、打印機輸出通道,二、微型計算機選擇,1、STD總線標準 2、8098單片機,三、控制算法,取一個溫區(qū)的溫度進行分析，分析其簡化后的動態(tài)結(jié)構(gòu)。,電阻爐的慣性時間常數(shù),純滯后時間常數(shù)=NT,Z變換：,大林算法,由下面的式子，可以得到系統(tǒng)的控制算法差分方程式：,系統(tǒng)控制程序結(jié)構(gòu)框圖,五、軟件設計,系統(tǒng)初始化程序模塊流程圖,一、簡答題 1、計算機控制系統(tǒng)是由哪幾部分組成的？各部分的作用是什么？ 2、簡述I/O控制方式有那些？它們各自的優(yōu)缺點及應用場合何如？ 3、什么是接口？為什么要設計接口？ 4、典型I/O通道有哪些？它們由那些環(huán)節(jié)組成？ 5、模擬輸出通道中為什么要加輸出保持器