第七章 控制系统总体设计

第七章控制系统总体设计第一节设计步骤和方法第二节加热炉温度控制系统第三节铁路信号微机监测系统微型计算机控制系统的设计是理论与工程实际的结合，需要掌握生产过程的工艺性能、被测参数的测量方法以及被控对象的动态、静态特性，此外还需有自动控制理论，计算机技术，自动检测和数字电路的知识，是一个多学科的应用问题。微型计算机控制系统的硬件包括微型计算机，存储器，I/O接口，输入/输出通道，检测与执行装置及通信、显示、打印等设备。根据系统的要求设计各类应用软件，如数据采样程序，A/D、D/A转换程序，数码转换程序，数字滤等程序，各类控制算法及非线性补偿程序等等。如何将一个微型计算机控制系统划分成便于实现的多个组成部分，能够使软、硬件分配运用恰当，并且结构简单、实时性强、价格低廉、功能齐全，这要求设计者有较强的综合运用知识的能力和一定的实践经验。本章重点讨论微型计算机控制系统的设计方法和步骤，并通过实例来说明。第一节微型机控制系统的设计步骤和方法微型机控制系统的设计应当包括以下几个内容：1、系统总体方案设计；2、控制系统的硬件设计；3、控制系统的软件设计；4、系统的仿真和调试。一、控制系统总体方案的确定确定微型机控制系统的总体方案是进行系统设计的最重要的一步。总体方案的好坏，直接影响整个控制系统的投资、调节品质和功能。总体方案的设计可以从以下几个方面进行考虑：1、系统的功能要求在确定控制系统的设计方案前，必须对现场进行充分的调查和了解，明确该控制系统的祥细功能和要求，如下所示：(1)被控对象中哪些物理信号需要进行输入、输出或处理，各类信号的类型和数值范围，信号处理的精度和实时性要求等。(2)控制功能的要求开环控制还是闭环控制，要求达到的控制品质，如时间特性，稳定性等。(3)人机界面的要求包括显示、报警、打印、输入/输出操作的要求等。(4)系统运行环境温度、湿动、震动、各类干扰等。(5)系统的可靠性和可维护性。2、根据功能要求，粗选实现的硬件和软件(1)硬件：包括传感器，微型计算机、输入/输出通道、执行机构、各类外设等。(2)软件：包括操作平台、管理监控程序等系统软件和控制算法、数据采集及处理等应用软件。3、画出整个控制系统的原理图，编写详细的设计技术文件结合工业流程，画出控制系统的总的原理图，编写祥细的技术文件，征求委托者和现场操作人员的意见，经过反复修改，直到双方满意后确定总体方案。二、控制系统的硬件设计在系统的总体方案完成之后，可进行系统的硬件设计，将总体设计中粗选的硬件进行细化和实施。1、确定控制系统的方案根据功能要求，决定采用数据采集、直接数字控制，计算机监控还是分布式控制。2、选择微型计算机根据不同的控制方式，可选择不同的微型计算机，在选择计算机时主要考虑以下几个方面：（1）机型：采用单片机，PLC、STD工控机还是PC工控机。（2）计算机的档次。位数：4位、8位、16位、32位存储器：内、外存类别和容量可兼容性和可扩展性要求3、检测元件和执行机构的选择检测元件影响控制系统精度，测量各种参数的传感器和变送器种类繁多，可查阅手册和厂家的说明书进行正确和细微的选择。执行机构要与控制算法匹配，同时由被控对象的实际情况决定。电动执行器响应速度快，与计算机接口容易，成为计算机控制系统的首选。气动执行器结构简单，操作方便，使用可靠。液压执行器输出功率大、结构紧凑、控制调节方便。可根据不同的系统进行选择。4、输入/输出通道及外围设备的选择输入/输出通道应根据被控对象参数来确定，并根据系统的功能要求配备适当的外围设备，应考虑以下几个问题：（1）被控对象参数的数量；（2）数据的类型、字长和位数；（3）串行操作还是并行操作，数据的传送速率；（4）对显示打印有何要求。输入/输出通道可以购买现成的接口板，如A/D、D/A转换接口板，开关量I/O板，实时时钟板，电机控制板等，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，选用合适的芯片自行设计，一般用于单片机控制系统；设计内容包括存储器，显示器，模拟量输入/输出通道，开关量输入/输出通道等。5、操作面板操作面板又称操作台，是人机对话的纽带。操作面板应当使用方便，操作简单，安全可靠，并且有自动保护能力，以避免误操作带来的不良后果。操作面板的主要功能有：（1）输入源程序到微机的存储器中；（2）监视控制系统的执行情况；（3）根据工艺要求，修改控制参数和给定值，选择工作方式和控制回路；（4）打印、显示结果，设置报警状态；（5）完成多种画面的显示；（6）完成手动—自动的无扰动切换。为了完成上述功能，操作台设量了许多的按钮和开关，并通过接口与主机连接。为了安全，操作面板上应当设置电子锁。6、其它包括电源、时钟、负载匹配，抗干扰等问题。硬件设计的最后成果是画出祥细的硬件电路图，提供给生产厂家生产。三、控制系统的软件设计控制系统的系统软件主要由操作系统，诊断系统，开发系统和信息处理等软件组成，完成资源管理，系统故障诊断，各类语言的编译等任务。目前购买的微型计算机中系统软件一般配置齐全，只需按要求选用，不用自行设计。控制系统的应用软件主要由过程监视，过程控制，控制算法。各类公共服务程序等软件组成。应用软件通常是根据用户需要和系统控制功能，自行设计。1、控制系统对应用软件的要求。（1）实时性工业控制系统是实时控制系统，要求在规定的时间间隔内完成系统的计算、处理和控制，因此对应用软件的执行速度有要求。为了提高软件的执行速度，控制系统的应用软件一般采用汇编语言或汇编语言与高级语言的混合编写方法。常用的高级语言有C语言、PC/M语言和FORTH语言等。（2）灵活性和通用性采用结构化程序方式，将共用程序编写成子程序。这种模块结构设计方法可使应用软件具有通用性和灵活性，使程序设计过程大大简化。（3）可靠性在微型机控制系统中，系统的可靠性至关重要，它是控制系统正常工作的基本保障。为保证软件的可靠性，可设计一个诊断程序，定时对系统进行诊断，近年来广泛采用watchdog方法，增加软件的可靠性。2、控制系统应用软件的分类在设计控制系统应用软件时，常将其分成主程序、子程序和中断服务程序三大类。（1）主程序主程序应当包含各种控制参数的初始化，I/O接口、堆栈、存取数据区的地址设置，子程序的入口地址和调用，中断矢量和中断控制方式的设定等。（2）子程序子程序完成控制系统的各种功能。一个完整的控制系统可能包含以下功能子程序。①标准时间子程序②各类算术和逻辑运算子程序③A/D，D/A转换子程序④数字滤波子程序⑤控制算法子程序⑥标度变换子程序⑦显示与报警子程序等（3）中断服务程序中断服务程序用于外设与CPU间的信息传递和发生故障时进行紧急处理。3、应用软件的开发过程（1）将控制统按功能要求划分成功能模块。（2）确定哪能些任务和功能用子程序完成，哪些任务为中断源，用中断服务程序解决，在此基础上设计主程序。（3）画出各类程序的流程框图（4）选择适合的计算机语言编写各类程序（5）上机调试。四、系统的调试和运行在硬件设计和软件设计完成后，可对系统进行调试并试运行，以便检测设计效果和存在的问题。1、硬件调试硬件调试可排除设计错误、安装工艺性故障和样机故障。（1）脱机检测拔出全部集成芯片，给系统供电，用万用表和逻辑仪检查芯片各管脚电位和连接，排除接线错误、开路和短路，确定无误后，再插上芯片。（2）联机调试若已经有调试好的样机，可将要调试系统的CPU和EPROM拔掉，将样机接入并运行，观察各部分接口电路的工作状态是否满足设计要求。还可通过运行一些简单的程序观察各部件的工作是否正常。2、软件调试软件调试的目的是检验应用软件的功能并修正软件的错误。（1）人工汇编将设计软件源程序的每一条指令进行人工译码，然后输入到样机中的静态RAM中进行调试，若发现错误则进行更正，此方法无需增加设备，又较简捷，但速度慢。（2）仿真采用仿真软件可在PC机上调试汇编语言程序，完成后再移转到硬件系统中去调试。完成调试后，用EPROM写入器将目标代码写入EPROM中，系统就可以投入运行。3、硬、软件联合调试经过硬件、软件单独调试后的系统，在运行中仍可能发生硬、软件不相匹配的地方，因此还需要进行联合调试。在联合调试中可能会找到设计中的不足和错误，需要时要对设计方案进行反复修改，直到满意为止。实验室调试工作完成后，即可组装成整机，移至现场进行实地运行和进一步调试，直至能稳定工作为止。第二节加热炉温度控制系统温度是工业对象中最主要的被控参数之一。特别是在冶金、化工、机械各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。由于炉子的种类不同，因此所采用的加热方法及燃料也不同，如煤气、天然气、油、电等等。其控制系统本身的动态特性来说，基本上都属一阶纯滞后环节，因而在控制算法上基本上相同。实践证明，用微型计算机对炉窑进行控制，无论在提高产品质量和数量、节约能源，还是在改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。本节主要介绍由8031单片机组成的温度控制系统组成原理及程序设计方法。一、温度控制系统的组成该系统被控对象为8座用天然气加热的退火炉，主要用于钢材的热处理，以改变钢材的物理性能。被测参数主要是温度，测量范围为0-1000℃。为此，我们采用8031单片机作为主机。其原理框图如图9-1所示。（P252）(1)被测参数温度经热电偶测量后转换成mV信号(2)经变送器转换成0-5V电压信号(3)经多路开关，把8座退火炉的温度测量信号分时地送到采样/保持器和A/D转换器进行模拟/数字转换(4)转换后的数字量经I/O接口读入到CPU，在CPU中经数据处理（数字滤波、标度变换和数字控制计算）后，一方面送显示，并判断是否有报警(5)另一方面与给定值进行比较，然后根据偏差值进行控制计算。(6)控制器输出经D/A转换器转换成4-20mA电流信号，以带动电动执行机构动作。(7)当采样值大于给定值时，把天然气阀门关小，反之将开大阀门。这样通过改变进入退火炉的天然气的流量，达到控制温度的目的。本系统不但可以进行恒温控制，而且可以通过软件设计使其能按着一定的升温曲线控制。当系统中某座退火炉发生低限或超限报警时，将发出声光报警信号，提醒操作人员注意，并采取相应措施。二、温度控制系统硬件设计控制系统的硬件是实现温度控制的基础，因此，温度控制系统硬件设计是非常重要的。主要设计内容包括温度测量、A/D转换、单片机系统、键盘操作系统、温度显示电路、报警电路、D/A转换等。下边介绍部分硬件电路设计方法。（一）检测元件及温度变送器退火炉的温度测温范围为0-1000℃，检测元件选用镍铬-镍铝热电偶（分度号为K），其对应输出信号为0-41.2643mV。温度变送器选用现成的集成一体化变送器，在0-1010℃时对应输出为0-5V。由于本系统使用12位A/D转换，故系统采样分辨度为1010/4096≈0.25℃/LSB。其温度数字量对照表如表9-1所示。表9-1温度/数字对照表温度（℃）01002003004005006007008009001010热电偶输出（mV）04.108.1412.2116.4020.6524.9029.1333.2937.3341.56变送器输出（V）00.490.981.471.972.482.993.504.004.485.00A/D输出（H）0001913224B364E7F0991B33CCDE56FFF（二）A/D转换器及数据采样本系统采用AD574，为12位A/D转换器，其与8031的接口电路如图9-2所示。CD4051:多路开关LF398：采样保持器74LS175：锁存器AD574：A/D转换器，双极性、左对齐（1）被测参数经多路开关CD4051选通后，送到采样/保持器的输入端。由多路开关的选择控制端A、B、C以及允许锁存端INH控制其中一路开通。（2）采样/保持器的工作状态由A/D转换器的转换结束标志STS的状态控制。当A/D转换正在进行（或未进行时），STS输出为高电平，经反相后，变为低电平，送到S/H的逻辑控制端（Logic）,使S/H处于保持状态，此时