第五章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第五章微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟5.2微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件5.3常用應(yīng)用程序設(shè)計(jì)5.4微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例知識(shí)回顧執(zhí)行機(jī)構(gòu)D/A轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器被控對(duì)象被控參數(shù)控制器計(jì)算機(jī)給定值計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖5.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟5.1.1舉例5.1.2微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及步驟返回本章5.1.1舉例控制對(duì)象：六溫區(qū)網(wǎng)帶式連續(xù)燒結(jié)電阻爐。要求：每個(gè)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(yùn)行速度既可自動(dòng)設(shè)定；系統(tǒng)能夠?qū)α鶄€(gè)溫區(qū)的溫度及網(wǎng)帶運(yùn)行速度巡回檢測(cè)、顯示和定時(shí)打印。第一步：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)完成的主要任務(wù)有：

六個(gè)溫區(qū)溫度的閉環(huán)直接數(shù)字控制；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)；六個(gè)溫區(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)打印。一臺(tái)計(jì)算機(jī)分時(shí)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(jiǎn)圖如下：第二步：控制系統(tǒng)選用STD總線標(biāo)準(zhǔn)的模塊式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。第三步：確定控制算法。第四步：硬件電路設(shè)計(jì)：

前級(jí)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(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。返回本節(jié)5.1.2微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)采用什么方案，是采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)還是其他方式驅(qū)動(dòng)，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(jìn)行修改與補(bǔ)充；確定為設(shè)計(jì)、調(diào)試方便，可將控制算法作合理的簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備較完善的中斷系統(tǒng)；足夠的存儲(chǔ)容量；完備的輸入輸出通道和實(shí)時(shí)時(shí)鐘；微處理器有足夠的數(shù)據(jù)處理能力：主要包括：字長(zhǎng)、指令的執(zhí)行速度、指令系統(tǒng)。4）硬件設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)總體框圖，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)電氣原理圖；按照電氣原理圖著手元件的選購(gòu)和線路設(shè)計(jì)工作。5）軟件設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)性、針對(duì)性、靈活性和通用性、可靠性。6）系統(tǒng)聯(lián)調(diào)第一步實(shí)驗(yàn)室模擬裝置上進(jìn)行；工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。圖5-1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟流程圖返回本節(jié)5.2微型計(jì)算機(jī)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(jì)步驟5.2.3高級(jí)語言和匯編語言的混合編程5.2.4微型計(jì)算機(jī)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(jì)步驟1）語言選擇機(jī)器語言匯編語言高級(jí)語言2）應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)步驟和方法應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)通常分下列五個(gè)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)。問題定義階段是要明確微型計(jì)算機(jī)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(cuò)處理方法。模塊程序設(shè)計(jì)法結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)法（順序、選擇和循環(huán)）返回本節(jié)5.2.3高級(jí)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(shí)應(yīng)以下劃線開頭，并用PUBLIC說明，過程名最好不要超過8個(gè)字符。如果C語言程序以巨型，大型、或者中型存儲(chǔ)模式翻譯，被C語言調(diào)用的匯編過程應(yīng)說明成far。考慮調(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(jìn)行的，而C語言參數(shù)壓棧的順序與參數(shù)在調(diào)用時(shí)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(rèn)，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(biāo)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(biāo)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(biāo)文件連接成一個(gè)可執(zhí)行的文件。運(yùn)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研制工具微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研制工具主要有：微型計(jì)算機(jī)開發(fā)系統(tǒng)、聯(lián)機(jī)仿真器以及單板機(jī)、交叉匯編程序、模擬仿真程序等。返回本節(jié)聯(lián)機(jī)仿真器是微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試的有力工具，利用聯(lián)機(jī)仿真器可以很方便地實(shí)現(xiàn)以下開發(fā)手段：系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真；資源借調(diào)；控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)和調(diào)試。5.3常用應(yīng)用程序設(shè)計(jì)5.3.1數(shù)字濾波5.3.2線性化處理5.3.3越限報(bào)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(diǎn)：數(shù)字濾波用程序來完成，可以多個(gè)輸入通道“共用”一個(gè)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(duì)頻率很低的信號(hào)濾波。通過改變數(shù)字濾波程序就可以實(shí)現(xiàn)不同的濾波方法或調(diào)整濾波參數(shù)，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(gè)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(jìn)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(hào)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(duì)某一個(gè)被測(cè)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（或由大到小）進(jìn)行排隊(duì)，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(hào)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(duì)1、2、3次采樣中值濾波后值：24對(duì)4、5、6次采樣中值濾波后值：27對(duì)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(duì)生產(chǎn)工藝機(jī)理分析，或者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)確定兩次采樣輸入信號(hào)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(hào)是干擾應(yīng)該去掉，反之，該信號(hào)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(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)步驟（略）。設(shè)在區(qū)間內(nèi)，則其對(duì)應(yīng)的逼近值為返回本節(jié)5.3.3越限報(bào)警處理程序越限報(bào)警是工業(yè)控制過程常見而又實(shí)用的一種報(bào)警形式，它分為上限報(bào)警、下限報(bào)警及上下限報(bào)警。返回本節(jié)5.4微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例5.4.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)5.4.2微型計(jì)算機(jī)選擇5.4.3控制算法設(shè)計(jì)5.4.4硬件設(shè)計(jì)5.4.5軟件設(shè)計(jì)返回本章5.4.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)控制對(duì)象：六溫區(qū)網(wǎng)帶式連續(xù)燒結(jié)電阻爐。要求：每個(gè)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(yùn)行速度既可自動(dòng)設(shè)定；系統(tǒng)能夠?qū)α鶄€(gè)溫區(qū)的溫度及網(wǎng)帶運(yùn)行速度巡回檢測(cè)、顯示和定時(shí)打印。第一步：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)完成的主要任務(wù)有：

六個(gè)溫區(qū)溫度的閉環(huán)直接數(shù)字控制；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)；六個(gè)溫區(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)打印。一臺(tái)計(jì)算機(jī)分時(shí)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(jiǎn)圖如下：第二步：控制系統(tǒng)選用STD總線標(biāo)準(zhǔn)的模塊式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)第三步：確定控制算法。第四步：硬件電路設(shè)計(jì)：

前級(jí)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(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。返回本節(jié)5.4.2微型計(jì)算機(jī)選擇控制系統(tǒng)選取采用STD總線標(biāo)準(zhǔn)的模塊式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。主機(jī)板采用8098單片機(jī)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(jī)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(jì)在整個(gè)爐體中，要求六個(gè)溫區(qū)的溫度能夠獨(dú)立控制，而各溫區(qū)之間存在不同程度的耦合，整個(gè)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(duì)象的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜。其簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖所示：對(duì)于每一個(gè)溫區(qū)，被控對(duì)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(shí)間常數(shù)；τ為純滯后時(shí)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(jì)系統(tǒng)的數(shù)字控制器，令整個(gè)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(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，我們把式（4）再進(jìn)一步簡(jiǎn)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(jì)系統(tǒng)采用了STD工業(yè)控制機(jī)，并選用了三塊通用模板，硬件設(shè)計(jì)的工作量大大減少，只剩下三個(gè)部分需要進(jìn)行具體的硬件電路設(shè)計(jì)。前級(jí)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(cè)模擬輸入通道設(shè)計(jì)如圖所示溫度檢測(cè)模擬輸入通道由檢測(cè)元件熱電偶、前級(jí)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(jì)

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(cè)同步脈沖電路，其作用是在電網(wǎng)電壓的每個(gè)過零點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)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(jiǎn)單，直觀明了，碼盤值以硬件方式保存，計(jì)算機(jī)可以隨時(shí)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(hù)，同時(shí)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(dòng)電路，七段數(shù)碼管顯示器。打印機(jī)輸出通道打印機(jī)的打印內(nèi)容包括表頭、制表、采樣數(shù)據(jù)和采樣時(shí)間。根據(jù)