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1、第五章 微型计算机控制系统设计,5.1 控制系统设计的一般步骤5.2 微型计算机控制系统的软件5.3 常用应用程序设计5.4 微机控制系统设计举例,知识回顾,计算机控制系统框图,5.1 控制系统设计的一般步骤,5.1.1 举例5.1.2 微机控制系统的设计方法及步骤,返回本章,5.1.1 举例,控制对象：六温区网带式连续烧结电阻炉。要求： 每个温区的温度在600-1000范围内连续可控； 各温区的温度以及网带的运行速度既可自动设定； 系统能够对六个温区的温度及网带运行速度巡回检测、显示 和定时打印。,第一步：计算机控制系统应完成的主要任务有： 六个温区温度的闭环直接数字控制； 网带拖动直流调速
2、系统的速度给定和速度检测； 六个温区温度及网带运动速度的巡回检测、显示和定时打印。,一台计算机分时控制；模拟量的输入通道；接口电路；温度控制输出通道。,系统组成框图简图如下：,第二步：控制系统选用STD总线标准的模块式工业控制计算机。,第三步：确定控制算法。,第四步：硬件电路设计： 前级放大器及多路模拟转换开关； A/D转换模板； 数字触发控制模板。,最后，进行系统的软件设计。,返回本节,5.1.2 微机控制系统的设计方法及步骤,1） 确定系统整体控制方案,要从系统构成上考虑，是采用开环控制还是闭环控制；考虑执行机构采用什么方案，是采用电机驱动、液压驱动还是其他方式驱动，比较各种方案，择优而用
3、；考虑是否有特殊控制要求。,2） 确定控制算法,确定算法能否满足控制速度、精度和系统稳定性的要求；确定某些情况下要进行修改与补充；确定为设计、调试方便，可将控制算法作合理的简化，逐步将控制算法完善，直到获得最好的控制效果。,3）选择微型计算机和外围设备,较完善的中断系统；足够的存储容量；完备的输入输出通道和实时时钟；微处理器有足够的数据处理能力： 主要包括：字长、指令的执行速度、指令系统。,4）硬件设计,根据系统总体框图，设计出系统电气原理图；按照电气原理图着手元件的选购和线路设计工作。,5）软件设计,实时性、针对性、灵活性和通用性、可靠性。,6）系统联调,第一步实验室模拟装置上进行；工业现场
4、进行工业试验。,图5-1控制系统设计步骤流程图,返回本节,5.2 微型计算机控制系统的软件,5.2.1 软件的分类5.2.2 应用程序的语言选择及设计步骤5.2.3 高级语言和汇编语言的混合编程5.2.4 微型计算机控制系统的研制工具,返回本章,5.2.1 软件的分类,返回本节,5.2.2 应用程序的语言选择及设计步骤,1）语言选择,机器语言 汇编语言 高级语言,2）应用程序的设计步骤和方法,应用程序的设计通常分下列五个步骤：问题定义、程序设计、编码、调试、改进和再设计。,问题定义阶段是要明确微型计算机完成哪些任务及执行什么程序，决定输入/输出的形式，决定与接口硬件电路的连接配合以及出错处理方
5、法。,模块程序设计法结构程序设计法（顺序、选择和循环）,返回本节,5.2.3 高级语言和汇编语言的混合编程,混合语言不是一种新出现的自成系统的新型语言，只是一种程序接口技术。,1）混合语言编程的基本概念,程序接口 命名约定 调用约定 参数传递约定传值、传址、传名和传结果,2）C语言程序调用汇编程序,汇编语言中的接口处理,为了与C语言命名约定相符，在定义和编写汇编语言程序的被调用过程时应以下划线开头，并用 PUBLIC说明，过程名最好不要超过8个字符。,如果C语言程序以巨型，大型、或者中型存储模式翻译，被C语言调用的汇编过程应说明成 far。,考虑调用约定，C语言程序向汇编过程传送参数是通过堆栈
6、进行的，而C语言参数压栈的顺序与参数在调用时参数表中出现的顺序相反。,C语言的堆栈结构图：,在被C语言调用的汇编过程中用指令RET返回，而在BASIC 等其他语言中要求用指令 RET n 返回。,返回本节,汇编语言中的接口处理,根据缺省默认，C语言的参数传递方式是传值，但数组总是采用传址方式。,综上所述，用C语言调用汇编程序的步骤为：,按各种约定编写并汇编语言源程序，得到可重新定位的目标文件，注意下划线、PUBLIC 和BP 的使用。,按约定编写C语言程序，编译后得到目标文件，注意 extern 和参数的类型的使用。,将两种语言程序的目标文件连接成一个可执行的文件。,运行该执行文件。,3）汇编
7、语言程序对C语言程序的调用,首先是命名约定；其次是调用约定；第三，参数传递的方式是保证正常调用的关键。,4）C语言程序调用汇编程序举例（略）,5.2.4 微型计算机控制系统的研制工具,微型计算机控制系统的研制工具主要有：微型计算机开发系统、联机仿真器以及单板机、交叉汇编程序、模拟仿真程序等。,返回本节,联机仿真器是微型计算机控制系统设计和调试的有力工具，利用联机仿真器可以很方便地实现以下开发手段：,系统实时仿真； 资源借调； 控制系统综合设计和调试。,5.3 常用应用程序设计,5.3.1 数字滤波5.3.2 线性化处理5.3.3 越限报警处理程序,返回本章,5.3.1 数字滤波,与模拟滤波器相
8、比有以下优点：,数字滤波用程序来完成，可以多个输入通道“共用”一个滤波程序。,数字滤波不需要硬件设备，因而可靠性高、稳定性好，各回路之间不存在阻抗匹配等问题。,数字滤波可以对频率很低的信号滤波。,通过改变数字滤波程序就可以实现不同的滤波方法或调整滤波参数，比修改模拟滤波器的硬件灵活、方便。,数字滤波的算法常用的有：算术平均值滤波、中值滤波、一阶滞后滤波、程序判断滤波等。,算术平均值滤波,算术平均值滤波是寻找这样一个Y，它与各采样值Xk之间误差的平方和和E为最小，即，,其中 N 为采样次数。根据极值原理得,该方法是把 n 次采样值进行相加，然后取其算术平均值为本次采样值。其程序流程图如图所示：,
9、例：某压力仪表采样数据如下：,序 号采样值,采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。,采用算术平均值滤波后，其采样值为：,Y=(24+25+20+27+24+60+24+25+26+23)/10=28,干扰被平均到采样值中去了,中值滤波,中值滤波是对某一个被测参数连续采样N次，然后把N次的采样值按照由小到大（或由大到小）进行排队，再取中间值为本次采样值。,其程序流程图如图所示：,例：某压力仪表采样数据如下：,序 号采样值,采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。,采用去脉冲干扰平均值滤波后，其采样值为：25,对1、2、3次采样中值滤波后值：24对4、5、6次采样中值滤波后值：27对7、8、9次
10、采样中值滤波后值：25,程序判断滤波,程序判断滤波方法是根据对生产工艺机理分析，或者根据现场经验确定两次采样输入信号之间可能出现的最大偏差Y，若超过Y，就表明该输入信号是干扰应该去掉，反之，该信号可用作本次采样值。,程序判断滤波可分为限幅滤波和限速滤波两种。,返回本节,5.3.2 线性化处理,线性插值原理,设某传感器的输入输出特性曲线如图所示。,或,线性插值的计算机实现步骤（略）。,设 在 区间内，则其对应的逼近值为,返回本节,5.3.3 越限报警处理程序,越限报警是工业控制过程常见而又实用的一种报警形式，它分为上限报警、下限报警及上下限报警。,返回本节,5.4 微机控制系统设计举例,5.4.
11、1 系统总体设计5.4.2 微型计算机选择5.4.3 控制算法设计5.4.4 硬件设计5.4.5 软件设计,返回本章,5.4.1 系统总体设计,控制对象：六温区网带式连续烧结电阻炉。要求： 每个温区的温度在600-1000范围内连续可控； 各温区的温度以及网带的运行速度既可自动设定； 系统能够对六个温区的温度及网带运行速度巡回检测、显示 和定时打印。,第一步：计算机控制系统应完成的主要任务有： 六个温区温度的闭环直接数字控制； 网带拖动直流调速系统的速度给定和速度检测； 六个温区温度及网带运动速度的巡回检测、显示和定时打印。,一台计算机分时控制；模拟量的输入通道；接口电路；温度控制输出通道。,
12、系统组成框图简图如下：,第二步：控制系统选用STD总线标准的模块式工业控制计算机,第三步：确定控制算法。,第四步：硬件电路设计： 前级放大器及多路模拟转换开关； A/D转换模板； 数字触发控制模板。,最后，进行系统的软件设计。,返回本节,5.4.2 微型计算机选择,控制系统选取采用STD总线标准的模块式工业控制计算机。,主机板采用8098单片机多功能CPU模板，主频6MHz；配置了显示及操作面板接口模板；打印机接口模板；非通用数字触发控制模板；反馈通道的VF变换及AD转换模板。,返回本节,5.4.3 控制算法设计,在整个炉体中，要求六个温区的温度能够独立控制，而各温区之间存在不同程度的耦合，整
13、个系统属于多变量系统。其数学描述传递矩阵为：,式中,离散后可近似为：,被控对象的数学模型比较复杂。其简化动态结构如图所示：,对于每一个温区，被控对象加上零阶保持器的广义传递函数为,式中TD为电阻炉的惯性时间常数；为纯滞后时间常数；T为系统的采样周期，且设=NT，N为正常数。可求出其广义脉冲传送函数为,根据大林算法直接设计系统的数字控制器，令整个系统的闭环脉冲传递函数为,则数字控制器的脉冲传递函数为,式（4）中即为系统按大林算法得出的数字控制器的数学模型。为了比较方便地用微型计算机来实现，我们把式（4）再进一步简化为,当由系统的飞升特性曲线确定出 后，系数 则可分别求出。,将式（5）所示的数字控
14、制器用差分方程表示，则,返回本节,5.4.4 硬件设计,系统采用了STD工业控制机，并选用了三块通用模板，硬件设计的工作量大大减少，只剩下三个部分需要进行具体的硬件电路设计。,前级放大器及多路模拟转换开关。,A/D转换模板。,数字触发控制模板。,温度检测模拟输入通道设计,如图所示温度检测模拟输入通道由检测元件热电偶、前级放大器、多路模拟转换开关、A/D转换和输入接口电路组成。,VF转换输入通道的结构通常为：,晶闸管数字触发输出通道设计,晶闸管作为温度控制的功率元件有两种工作方式，一种是调压方式，另一种是调功方式。,调功方式输入电炉的平均功率为：,如图所示为过零检测同步脉冲电路，其作用是在电网电
15、压的每个过零点产生一个同步脉冲。,拨码盘给定输入通道,拨码盘作为数字输入，操作简单，直观明了，码盘值以硬件方式保存，计算机可以随时通过码盘输入口读入码盘值，这有利于存放在RAM中的给定值保护，同时操作人员也可以很方便地修改码盘值。,数码显示输出通道,数码显示器输出通道包括：数字量输出接口电路、锁存译码驱动电路，七段数码管显示器。,打印机输出通道,打印机的打印内容包括表头、制表、采样数据和采样时间。根据系统数据记录的特点编写控打程序及特殊字符库，确定一个易于查询和阅读的打印格式。,返回本节,5.4.5 软件设计,系统控制程序的任务,系统初始化。多路模拟转换开关的切换控制。 温度反馈信号采样和数字滤波、线性化处理。读给定输入值，且将BCD码转换为二进制码。完成系统的控制算法和控制输出。定点或巡回显示温度值和网带速度值。定时打印时间、温度和网带运行速度。,系统控制程序的模块化,系统初始化程序模块 外部中断服务程序模块 定时打印程序模块,返回本节,网带式连续烧结电阻炉,返回原文,
