第六章微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1

1、第六章第六章 微型機(jī)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微型機(jī)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容： 從設(shè)計(jì)一般的微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)出從設(shè)計(jì)一般的微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)出發(fā)，介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟以及每一發(fā)，介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟以及每一步具體設(shè)計(jì)的任務(wù)。步具體設(shè)計(jì)的任務(wù)。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1 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)2 微型計(jì)算機(jī)選擇微型計(jì)算機(jī)選擇3 控制算法設(shè)計(jì)控制算法設(shè)計(jì)4 硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)5 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)6 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)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)1 確定控制任務(wù)確定控制任務(wù),即干什么？確定目標(biāo)，了解即干什么？確定目標(biāo)，了解其意

2、義。其意義。2 軟硬件功能分配軟硬件功能分配3 接口電路設(shè)計(jì)接口電路設(shè)計(jì)4 通道設(shè)計(jì)通道設(shè)計(jì)5 控制臺(tái)設(shè)計(jì)控制臺(tái)設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)選擇微型計(jì)算機(jī)選擇構(gòu)成方案選擇構(gòu)成方案選擇性能指標(biāo)選擇性能指標(biāo)選擇組裝方案組裝方案單板機(jī)或單片機(jī)方案單板機(jī)或單片機(jī)方案通用微型機(jī)系統(tǒng)方案通用微型機(jī)系統(tǒng)方案通用工控機(jī)系統(tǒng)方案通用工控機(jī)系統(tǒng)方案完善的中斷系統(tǒng)完善的中斷系統(tǒng)足夠的存儲(chǔ)容量足夠的存儲(chǔ)容量完備的完備的I/O通道和實(shí)時(shí)時(shí)鐘通道和實(shí)時(shí)時(shí)鐘足夠的數(shù)據(jù)處理能力足夠的數(shù)據(jù)處理能力控制算法設(shè)計(jì)控制算法設(shè)計(jì)控制算法必須滿足系統(tǒng)對(duì)控制速度、控制精度、控制算法必須滿足系統(tǒng)對(duì)控制速度、控制精度、和穩(wěn)定性的要求。和穩(wěn)定性的要求。對(duì)具體

3、的系統(tǒng)，可能需要對(duì)通用的計(jì)算公式進(jìn)對(duì)具體的系統(tǒng)，可能需要對(duì)通用的計(jì)算公式進(jìn)行修改和補(bǔ)充。行修改和補(bǔ)充。要充分考慮控制算法的物理上的可實(shí)現(xiàn)性。要充分考慮控制算法的物理上的可實(shí)現(xiàn)性。第二節(jié)第二節(jié) 微機(jī)控制系統(tǒng)的軟件微機(jī)控制系統(tǒng)的軟件操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)語(yǔ)言加工系統(tǒng)語(yǔ)言加工系統(tǒng)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)診斷系統(tǒng)診斷系統(tǒng)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件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)管理程序軟軟件件應(yīng)用程序的語(yǔ)言選擇及設(shè)計(jì)步驟一、語(yǔ)言的選擇機(jī)器語(yǔ)言 匯編語(yǔ)言 高級(jí)語(yǔ)言二、應(yīng)用程序設(shè)

4、計(jì)步驟和方法步驟：?jiǎn)栴}定義；程序設(shè)計(jì)；編碼；調(diào)試、改進(jìn)和再設(shè)計(jì)。方法：繪制流程圖；采用模塊程序設(shè)計(jì)法和結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)法；第三節(jié) 常用應(yīng)用程序設(shè)計(jì)一、常用的應(yīng)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(bào)警；鍵盤(pán)掃描；串口通訊等1、數(shù)字濾波優(yōu)點(diǎn)：用程序?qū)崿F(xiàn)，可以多個(gè)通道公用一個(gè)濾波程序；可靠性高，穩(wěn)定性好，各回路不存在阻抗匹配問(wèn)題；可以對(duì)頻率很低的信號(hào)濾波；改變程序就可以實(shí)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(jìn)行相加，取其平均值作為本次采樣值。應(yīng)用：主要對(duì)壓力、流量等周期脈動(dòng)的采樣值進(jìn)行平滑加工，但對(duì)脈沖性干擾的平滑不理想，不適用脈沖干擾比較嚴(yán)

5、重的場(chǎng)合。 NKKNkkNkkXNYXYeE112121)(minmin根據(jù)極值定理有：常用應(yīng)用程序設(shè)計(jì)2）中值濾波 把N次采樣值從小到達(dá)排序，取中間值作為本次采樣值。應(yīng)用：對(duì)去掉脈動(dòng)性的干擾比較有效，但對(duì)快速變化過(guò)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(dòng)態(tài)濾波法） 1)1 (kkkayxay為濾波環(huán)節(jié)的慣性滯后時(shí)間常數(shù)aTa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(rèn)為本次采樣值為干擾信號(hào)，舍去。反之為有用信號(hào)。限幅濾波若 以本次采樣值x2為真實(shí)信號(hào)，否則以上一采樣值作為真實(shí)信號(hào)。常用應(yīng)用程序設(shè)計(jì)xxx|12限速濾波設(shè)相鄰的采樣時(shí)刻

6、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，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。xxx|12xxx|23例：微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)例：微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以典型工業(yè)爐窯以典型工業(yè)爐窯網(wǎng)帶式多溫區(qū)電阻爐為對(duì)象，網(wǎng)帶式多溫區(qū)電阻爐為對(duì)象，介紹微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例。介紹微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例。一、一、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)控制任務(wù)控制任務(wù)設(shè)計(jì)對(duì)象設(shè)計(jì)對(duì)象是六溫區(qū)網(wǎng)帶式連續(xù)燒結(jié)電阻爐，是六溫區(qū)網(wǎng)帶式連續(xù)燒結(jié)電阻爐，溫區(qū)溫區(qū)溫度溫度在在6001000 范圍內(nèi)均連

7、續(xù)可控。各溫區(qū)范圍內(nèi)均連續(xù)可控。各溫區(qū)溫度以及網(wǎng)帶的運(yùn)行速度既可以自動(dòng)設(shè)定，也可溫度以及網(wǎng)帶的運(yùn)行速度既可以自動(dòng)設(shè)定，也可人工設(shè)定。人工設(shè)定。要求要求系統(tǒng)能夠?qū)α鶄€(gè)溫區(qū)的溫度以及網(wǎng)帶運(yùn)行速系統(tǒng)能夠?qū)α鶄€(gè)溫區(qū)的溫度以及網(wǎng)帶運(yùn)行速巡回檢測(cè)、顯示和定時(shí)打印。網(wǎng)帶由直流電機(jī)拖巡回檢測(cè)、顯示和定時(shí)打印。網(wǎng)帶由直流電機(jī)拖動(dòng)，其運(yùn)行速度由調(diào)速系統(tǒng)控制。動(dòng)，其運(yùn)行速度由調(diào)速系統(tǒng)控制。主要任務(wù)：主要任務(wù)：1）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；2）網(wǎng)帶拖動(dòng)直流調(diào)速系統(tǒng)的速度給定和速度檢）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)；測(cè)；3）六個(gè)溫區(qū)溫度及網(wǎng)帶運(yùn)動(dòng)速度的巡回檢測(cè)、）六個(gè)溫

8、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??；顯示和定時(shí)打??；4）系統(tǒng)升溫、保溫狀態(tài)指示、超溫、斷偶報(bào)警）系統(tǒng)升溫、保溫狀態(tài)指示、超溫、斷偶報(bào)警等功能。等功能。1、 確定控制任務(wù)確定控制任務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成框圖系統(tǒng)構(gòu)成框圖I/O通道溫度檢測(cè)模擬輸入通道由熱電偶、前級(jí)放大器、多路模溫度檢測(cè)模擬輸入通道由熱電偶、前級(jí)放大器、多路模擬轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、擬轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換和輸入接口電路組成。轉(zhuǎn)換和輸入接口電路組成。從熱點(diǎn)偶得到的是從熱點(diǎn)偶得到的是毫伏級(jí)毫伏級(jí)電壓信號(hào)，經(jīng)前級(jí)放大器放大電壓信號(hào)，經(jīng)前級(jí)放大器放大至至010V，然后通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)到達(dá)，然后通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)到達(dá)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入轉(zhuǎn)換器的輸入端。多路模

9、擬開(kāi)關(guān)的切換由微型計(jì)算機(jī)控制，通過(guò)光耦端。多路模擬開(kāi)關(guān)的切換由微型計(jì)算機(jī)控制，通過(guò)光耦合器驅(qū)動(dòng)，逐一選通六路溫度檢測(cè)電壓信號(hào)。合器驅(qū)動(dòng)，逐一選通六路溫度檢測(cè)電壓信號(hào)。采用采用V/F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A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器這種這種A/D轉(zhuǎn)換器價(jià)格便宜、容易隔離、抗干擾能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)換器價(jià)格便宜、容易隔離、抗干擾能力強(qiáng)、便于檢測(cè)信號(hào)傳送；但是轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)。本設(shè)計(jì)中，溫度便于檢測(cè)信號(hào)傳送；但是轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)。本設(shè)計(jì)中，溫度變化屬于慢速，所以可以采用。變化屬于慢速，所以可以采用。2.1 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)2 、I/O通道和接口電路設(shè)計(jì)通道

10、和接口電路設(shè)計(jì)2 、I/O通道和接口電路設(shè)計(jì)通道和接口電路設(shè)計(jì)2.1 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)82532.2 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)晶閘管晶閘管晶閘管是一種大功率的半導(dǎo)體器件，它具有體積小、重晶閘管是一種大功率的半導(dǎo)體器件，它具有體積小、重量輕、耐壓高、容量大、功率高、維護(hù)簡(jiǎn)單、控制靈敏量輕、耐壓高、容量大、功率高、維護(hù)簡(jiǎn)單、控制靈敏等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)它的功率放大倍數(shù)很高，可以用微小的信等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)它的功率放大倍數(shù)很高，可以用微小的信號(hào)功率（幾十到一、二百毫安的電流，二、三伏的電壓）號(hào)功率（幾十到一、二百毫安的電流，二、三伏的電壓）對(duì)大功率（電流

11、為幾百安、電壓為數(shù)千伏）的電源進(jìn)行對(duì)大功率（電流為幾百安、電壓為數(shù)千伏）的電源進(jìn)行控制和變換。控制和變換。3、撥碼盤(pán)給定輸入通道、撥碼盤(pán)給定輸入通道使用使用22片片4位位BCD碼輸入的撥碼盤(pán)片，作為六個(gè)溫區(qū)碼輸入的撥碼盤(pán)片，作為六個(gè)溫區(qū)的溫度給定和電動(dòng)機(jī)的速度給定。的溫度給定和電動(dòng)機(jī)的速度給定。4、數(shù)碼顯示輸出通道、數(shù)碼顯示輸出通道包括：數(shù)字量輸出接口電路、所存譯碼驅(qū)動(dòng)電路，七包括：數(shù)字量輸出接口電路、所存譯碼驅(qū)動(dòng)電路，七段數(shù)碼管顯示器。段數(shù)碼管顯示器。5、打印機(jī)輸出通道、打印機(jī)輸出通道二、微型計(jì)算機(jī)選擇二、微型計(jì)算機(jī)選擇1、STD總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)2、8098單片機(jī)單片機(jī)三、控制算法三、控制算法 取一個(gè)溫區(qū)的溫度進(jìn)行分析，分析其簡(jiǎn)化后的動(dòng)態(tài)結(jié)取一個(gè)溫區(qū)的溫度進(jìn)行分析，分析其簡(jiǎn)化后的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。構(gòu)。sTDesKseTssG11)(電阻爐的慣性時(shí)間常數(shù)純滯后時(shí)間常數(shù)=NT)()(sGzzGzeTDTeTDTzNK1/1)/1 (111