第11章 微型计算机控制系统设计课件

第10章微型机控制系统的设计前言10.1微机控制系统的设计方法及步骤10.2微型计算机控制的自动装箱系统10.3智能型FR1151压力变送器10.4加热炉温度控制系统通过前面各章的学习，已经掌握了微型计算机控制系统I/O接口的扩展方法，模拟量输入/输出通道的设计，常用控制程序的设计方法，数据处理及非线性补偿技术，PID控制器以及模糊控制方法等。它们是设计嵌入式系统硬件及软件的基础。有了这些基础以后，就可以进行微型计算机控制系统的设计。第10章微型机控制系统设计微机控制技术第10章微型机控制系统设计10.1微型机控制系统设计方法及步骤10.2微型计算机控制的自动装箱系统10.3智能型FR1151压力变送器10.4加热炉温度控制系统10.1微型机控制系统设计方法及步骤微型机控制系统设计内容（1）控制系统总体方案设计。包括系统的要求、控制方案的选择，以及工艺参数的测量范围等；（2）选择各参数检测元件及变送器；（3）建立数学模型及确定控制算法；（4）选择微型机，并决定是自行设计还是购买成套设备；微机控制技术10.1微型机控制系统设计方法及步骤（5）系统硬件设计，包括接口电路、逻辑电路及操作面板；（6）系统软件设计，包括管理、监控程序以及应用程序的设计；（7）系统的调试及实验。微机控制技术10.1微型机控制系统设计方法及步骤10.1.1控制系统总体方案的确定10.1.2微型计算机及接口的选择10.1.3控制算法的选择10.1.4控制系统的硬件设计10.1.5控制系统软件设计10.1.6Proteus虚拟软件的应用10.1.1控制系统总体方案的确定确定微型机控制系统总体方案，是进行系统设计最重要、最关键的一步。总体方案好坏，直接影响整个控制系统的投资、调节品质及实施细则。总体方案的设计主要是根据被控对象的工艺要求确定。微机控制技术10.1.1控制系统总体方案的确定1.确定控制系统方案根据系统的要求，首先确定系统采用开环系统还是闭环系统，或者是数据处理系统。如果是闭环控制系统，则还要求确定整个系统采用直接数字控制（DDC），还是采用计算机监督控制（SCC），或者采用分布式控制。微机控制技术10.1.1控制系统总体方案的确定2.选择检测元件在确定方案的同时，必须选择好被测参数的测量元件，它是影响控制系统精度的首要因素。测量各种参数的传感器，如温度、流量、压力、液位、成分、位移、重量、速度等，种类繁多，规格各异，因此，需要正确地选择测量元件。微机控制技术10.1.1控制系统总体方案的确定3.选择执行机构执行机构是微型计算机控制的重要组成部件。执行机构的选择一方面要与控制算法匹配，另一方面要根据被控对象的实际情况决定。常用的执行机构有以下4种。微机控制技术10.1.1控制系统总体方案的确定(1)电动执行机构具有响应速度快，与计算机接口容易等优点，因而成为计算机控制系统的主要执行机构。如DKJ或DKZ电动执行器，专门用来把输入的4～20mA直流信号转换成相应的转角位移或线位移，以带动风门、挡板、阀门等动作，从而完成自动调节的任务。微机控制技术10.1.1控制系统总体方案的确定(2)气动调节阀具有结构简单，操作方便，使用可靠，维护容易，防火防爆等优点，目前广泛应用于石油、冶金、电力系统中。如ZPD-01电气阀门定位器，将4～20mA的直流信号转换成0.02～0.1MPa的标准气压信号，以便驱动薄膜调节阀，从而使阀门位置能按调节信号实现正确定位。微机控制技术10.1.1控制系统总体方案的确定(3)由于步进电机可以直接接受数字量，而且具有速度快，精度高等优点。所以，随着计算机控制技术的发展，用步进电机做执行机构的控制系统逐年增加。如数控机床、X-Y记录仪、高射炮自动跟踪、电子望远镜和大型电子显微镜、旋转变压器、多圈电位器等，都采用步进电机。微机控制技术10.1.1控制系统总体方案的确定(4)液压伺服机构（如油缸和油电机）将油液的压力能转换成机械能，驱动负载直线或回转运动。液压传动的主要优点是：①能方便地进行无级调速；②单位重量的输出功率大，结构紧凑，惯性小，且能传送大扭矩和较大的推力；③控制和调节简单、方便、省力，易于实现自动控制和过载保护。微机控制技术10.1.1控制系统总体方案的确定4.选择输入/输出通道及外围设备计算机控制系统过程通道通常应根据被控对象参数的多少来确定，并根据系统的规模及要求，配以适当的外围设备，如打印机、CRT、磁盘驱动器、绘图仪、CDROM等。微机控制技术10.1.1控制系统总体方案的确定5.画出整个系统原理图前面四部完成以后，结合工业流程图，最后要画出一个完整的控制系统原理图，其中包括各种传感器、变送器、外围设备、输入/输出通道及微型计算机。它是整个系统的总图，要求简单、清晰、明了。微机控制技术10.1.1控制系统总体方案的确定需要说明的是，在确定系统总体方案时，对系统的软件、硬件功能要做统一的综合考虑。因为一种功能往往既能由硬件实现，也可用软件实现。到底采用什么方式比较合适，要根据实时性要求及整个系统的性能/价格比，加以综合平衡后确定。一般而言，使用硬件完成速度比较快，可节省CPU的机时，但系统比较复杂，而且价格比较贵。用软件实现则比较经济，但要占用更多的机时。微机控制技术10.1.1控制系统总体方案的确定一般的原则是，在机时允许的情况下，尽量采用软件。如果系统控制回路比较多，或者某些软件设计比较困难时，则可考虑用硬件完成。总之，一个控制系统中，哪些部分用硬件实现，哪些部件用软件完成，都要根据具体情况反复进行分析、比较后确定。在确定系统的总体方案时，要与搞工艺的部门互相配合，并征求现场操作人员的意见后再行设计。微机控制技术10.1.2微型机及接口的选择在总体方案确定之后，首要的任务是选择一台合适的微型机。正如第一章所讲的，微型机的种类繁多，选择合适的微型机是微型机控制系统设计的关键。微型机系统设计通常有两种作法。1.选用现成的微型机系统微机控制技术10.1.2微型机及接口的选择（1）工业控制机如果系统的任务比较大，需要的外设比较多，如打印机、CRT等，而且设计时间要求比较紧，不妨选用一台现成的工业控制机，如工业PC、STD总线工业控制机等。这些机器不仅提供了具有多种装置的主机系统板，而且还配备了各种接口板，如多通道模拟量输入/输出板，开关量输入/输出板，CRT图形显示板，扩展用RS-232-C，RS-422和RS-485总线接口板，EPROM智能编程板等。微机控制技术10.1.2微型机及接口的选择这些系统模块一般采用PC总线和STD总线。它们具有很强的硬件功能和灵活的I/O扩展能力，不但可以构成独立的工业控制机，而且具有较强的开发能力。这些机器不仅可使用汇编语言，而且可使用高级语言，如BASIC语言、C语言等。在工业PC中，还配有专用的组合软件，给微型计算机控制系统的软件设计带来了极大的方便。微机控制技术10.1.2微型机及接口的选择（2）单片机系统目前，有一些由单片机组成的小系统可供选择。它们大都具有单片机、存储器及I/O接口、LED显示器和小键盘，通常使用汇编语言，再配以各类I/O接口板，即可组成简单的控制系统。这种机器的特点是价格便宜，常用于小系统或顺序控制系统。微机控制技术10.1.2微型机及接口的选择2.利用单片机芯片自行设计选择合适的单片机芯片，针对被控对象的具体任务，自行开发和设计一个单片机系统,是目前微型机系统设计中经常使用的方法。这种方法具有针对性强、投资少、系统简单、灵活等特点。特别是对于批量生产，更有其独特的优点。微机控制技术10.1.3控制算法的选择当控制系统的总体方案及机型选定之后，采用什么样的控制算法才能使系统达到要求，这是非常关键的问题。微机控制技术10.1.3控制算法的选择1.直接数字控制当被控对象的数学模型能够确定时，可采用直接数字控制，如最少拍随动系统，最少拍无波纹系统，以及大林算法等；设计数字控制器，并求出差分方程。计算机的主要任务就是按此差分方程计算出控制量，并输出，进而实现控制。微机控制技术10.1.3控制算法的选择2.数字化PID控制由于被控对象是复杂的，因此并非所有的系统均可求出数学模型；有些即使可以求出来，但由于被控对象环境的影响，许多参数经常变化，因此很难进行直接数字控制。此时最好选用数字化PID控制。在PID控制算法中，以位置型和增量型两种PID为基础，根据系统的要求，可对PID控制进行必要的改进。通过各种组合，可以得到更圆满的控制系统，以满足各种不同控制系统的要求。微机控制技术10.1.4控制系统硬件设计尽管微型计算机集成度高，内部包含I/O控制线、ROM、RAM和定时器，但在组成控制系统时，扩展接口仍是设计者经常遇到的任务。扩展接口有两种方案：一种是购置成品接口板，如A/D转换接口板、D/A转换接口板、开关量I/O接口板（带光电隔离器或不带光电隔离器）、实时时钟板、步进电机控制板、可控硅控制板等。扩展的接口板数量及品种视系统而论。这主要适用于工业PC和STD总线工业控制机系统。另一种方案是根据系统的实际需要，选用合适的芯片进行设计，这主要包括以下几方面的内容。微机控制技术10.1.4控制系统硬件设计1.存储器扩展微型机系统要扩展的存储器主要有用来存放程序的EPROM，存放数据的E2PROM，存放随机采样数据的RAM。用户可根据需要进行选择。微机控制技术10.1.4控制系统硬件设计2.模拟量输入通道的扩展模拟量输入通道的扩展主要有下面两个问题。（1）数据采集通道的结构形式一般微型机控制系统是多通道系统。因此，选用何种结构形式采集数据，是进行模拟量输入通道设计首先要考虑的问题。多数系统都采用共享A/D和S/H形式，如图10-2所示。微机控制技术图10-2分时采样、分时转换型多路模拟量输入通道微机控制技术10.1.4控制系统硬件设计在这一系统中，被测参数经多路开关一个一个地被切换到S/H和A/D转换器进行转换。由于各参数是串行输入的，所以转换时间比较长，但它最大的优点是节省硬件开销，这是目前微型机系统中应用最多的一种模拟量输入通道结构形式。但是，当被测参数为几个相关量时，则需选用多路S/H，共享A/D形式，如图10-3所示，微机控制技术图10-3同时采样、分时转换型多路模拟量输入通道微机控制技术10.1.4控制系统硬件设计该电路与图10-2相比，每个模拟量输入通道增加一个S/H，其目的是可以采样同一时刻的各个参数，以便进行比较。微机控制技术10.1.4控制系统硬件设计(2)A/D转换器的选择设计时一定要根据被控对象的实际要求选择A/D转换器。在满足系统要求的前提下，尽量选用位数比较低的A/D转换器。微机控制技术10.1.4控制系统硬件设计3.输出通道的扩展模拟量输出通道是微型机控制系统与执行机构（或控制设备）连接的纽带和桥梁。设计时，要根据被控对象的通道数及执行机构的类型进行选择。对于那些可直接接受数字量的执行机构，可由微型机直接输出数字量，如步进电机或开关、继电器系统等。微机控制技术10.1.4控制系统硬件设计对于那些需要接收模拟量的执行机构（如电动、气动执行机构、液压伺服机构阀等），则需要用D/A转换器把数字量变成模拟量后，再带动执行机构。和输入通道一样，输出通道的设计也有两个方面的问题需要考虑。微机控制技术10.1.4控制系统硬件设计（1）输出通道的连接方式模拟量输出通道除了可靠性和精度外，还必须使输出具有保持功能，以保证被控对象可靠地工作。保持器的主要作用是在新的信号到来之前，使本次控制信号保持不变。保持器有两种，一种是数字保持器(锁存器），一种是模拟保持器。因此，模拟量输出通道有两种结构形式。微机控制技术10.1.4控制系统硬件设计①每个通道设置一个D/A转换器形式这种结构形式，如图10-4所示。在图10-4中，每一个通道设置一个D/A转换器，这是一种数字保持的方案。其优点是可靠性高、速度快，即使某一路出现故障，也不会影响其他通路的工作。但它使用D/A转换器数量较多。微机控制技术图10-4每通道一个D/A转换器原理框图微机控制技术10.1.4控制