第五章微型计算机控制系统设计

1、第五章 微型计算机控制系统设计第五章第五章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计5.1 5.1 控制系统设计的一般步骤控制系统设计的一般步骤5.2 5.2 微型计算机控制系统的软件微型计算机控制系统的软件5.3 5.3 常用应用程序设计常用应用程序设计5.4 5.4 微机控制系统设计举例微机控制系统设计举例 第五章 微型计算机控制系统设计知识回顾知识回顾执行机构执行机构D/AD/A转换器转换器A/DA/D转换器转换器被控对象被控对象被控参数被控参数控制器控制器计算机计算机给定值给定值计算机控制系统框图计算机控制系统框图第五章 微型计算机控制系统设计5.1 控制系统设计的一般步骤控制系统

2、设计的一般步骤5.1.1 举例举例5.1.2 微机控制系统的设计方法及步骤微机控制系统的设计方法及步骤返回本章第五章 微型计算机控制系统设计5.1.1 举例举例控制对象控制对象：六温区网带式连续烧结电阻炉。：六温区网带式连续烧结电阻炉。要求：要求：l 每个温区的温度在每个温区的温度在600-1000600-1000范围内连续可控；范围内连续可控；l 各温区的温度以及网带的运行速度既可自动设定；各温区的温度以及网带的运行速度既可自动设定；l 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。和定时打印。第一步：计算机控制系统应完

3、成的主要任务有：第一步：计算机控制系统应完成的主要任务有：l 六个温区温度的闭环直接数字控制；六个温区温度的闭环直接数字控制；l 网带拖动直流调速系统的速度给定和速度检测；网带拖动直流调速系统的速度给定和速度检测；l 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。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；一台计算机分时控制；模拟量的输入通道；模拟量的输入通道；接口电路；接口电路；温度控制输出通道。温度控制输出通道。第五章 微型计算机控制系统设计系统组成框图简图如下：系统组成框图简图如下：第二步：控制第二步：控制系统选用系统选用STD总线标准的模总线标准的

4、模块式工业控制块式工业控制计算机。计算机。第三步：确定控制算法。第三步：确定控制算法。第四步：硬件电路设计：第四步：硬件电路设计：l 前级放大器及多路模拟转换开关；前级放大器及多路模拟转换开关；l A/D转换模板；转换模板；l 数字触发控制模板。数字触发控制模板。最后，进行系统的软件设计。最后，进行系统的软件设计。返回本节第五章 微型计算机控制系统设计5.1.2 微机控制系统的设计方法及步骤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确定系统整体控制方案l 要从系统构成上考虑，是采用开环控制还是闭环控制；要从系统构成上考虑，是采用开环控制还是闭环控制；l 考虑执行机构采用什么方案，是

5、采用电机驱动、液压驱动还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；是其他方式驱动，比较各种方案，择优而用；l 考虑是否有特殊控制要求。考虑是否有特殊控制要求。 2） 确定控制算法确定控制算法l 确定算法能否满足控制速度、精度和系统稳定性的要求；确定算法能否满足控制速度、精度和系统稳定性的要求；l 确定某些情况下要进行修改与补充；确定某些情况下要进行修改与补充；l 确定为设计、调试方便，可将控制算法作合理的简化，逐确定为设计、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。步将控制算法完善，直到获得最好的控制效果。

6、第五章 微型计算机控制系统设计3）选择微型计算机和外围设备）选择微型计算机和外围设备l 较完善的中断系统；较完善的中断系统；l 足够的存储容量；足够的存储容量；l 完备的输入输出通道和实时时钟；完备的输入输出通道和实时时钟；l 微处理器有足够的数据处理能力：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。主要包括：字长、指令的执行速度、指令系统。4）硬件设计）硬件设计l 根据系统总体框图，设计出系统电气原理图；根据系统总体框图，设计出系统电气原理图；l 按照电气原理图着手元件的选购和线路设计工作。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）软件设计实时性

7、、针对性、灵活性和通用性、可靠性。实时性、针对性、灵活性和通用性、可靠性。6）系统联调）系统联调l 第一步实验室模拟装置上进行；第一步实验室模拟装置上进行；l 工业现场进行工业试验。工业现场进行工业试验。第五章 微型计算机控制系统设计图图5-1控制系统设计步骤流程图控制系统设计步骤流程图返回本节控制对象的功能和工作过程分析估算及分配I/O口,存储器容量及外围设备画系统工艺流程图I/O口的具体分配画系统程序框图系统部件的详细设计编制源程序部件芯片老化筛选和测试汇编布线及安装形成目标程序系统试运行调试硬件调试和仿真完成否?硬件错否?完成否?写入EPROM结束设计硬件设计软件设计是是是否否否开 始第

8、五章 微型计算机控制系统设计5.2 微型计算机控制系统的软件微型计算机控制系统的软件5.2.1 软件的分类软件的分类5.2.2 应用程序的语言选择及设计步骤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微型计算机控制系统的研制工具返回本章第五章 微型计算机控制系统设计5.2.1 软件的分类软件的分类返回本节第五章 微型计算机控制系统设计5.2.2 应用程序的语言选择及设计步骤应用程序的语言选择及设计步骤1）语言选择）语言选择l 机器语言机器语言l 汇编语言汇编语言l 高级语言高级语言2）应用程序的设计步骤

9、和方法）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、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。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法。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法。l模块程序设计法模块程序设计法l结构程序设计法结构程序设计法（顺序、选择和循环）（顺序、选择和循环）返回本节第五章 微型计算机控制系统设计5.2.3 高级

10、语言和汇编语言的混合编程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。序接口技术。1）混合语言编程的基本概念）混合语言编程的基本概念l 程序接口程序接口l 命名约定命名约定l 调用约定调用约定l 参数传递约定参数传递约定传值、传址、传名和传结果传值、传址、传名和传结果2）C语言程序调用汇编程序语言程序调用汇编程序C C语言程序中的接口处理语言程序中的接口处理命名约定命名约定调用约定调用约定参数传递约定参数传递约定第五章 微型计算机控制系统设计汇编语言中的接口处理汇编语言中的接口处理为了与为了与

11、C 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，并用以下划线开头，并用 PUBLICPUBLIC说明，过程名最好不要超过说明，过程名最好不要超过8 8个字符。个字符。如果如果C C语言程序以巨型，大型、或者中型存储模式翻译，被语言程序以巨型，大型、或者中型存储模式翻译，被C C语言调用的汇语言调用的汇编过程应说明成编过程应说明成 farfar。考虑调用约定，考虑调用约定，C C语言程序向汇编过程传送参数是通过堆栈进行的，而语言程序向汇编过程传送参数是通过堆栈进行的，而C C语语言参数压栈的顺序与参数在调用时

12、参数表中出现的顺序相反。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 C语言的堆栈结构图：语言的堆栈结构图：在被在被C C语言调用的汇编过程中用指令语言调用的汇编过程中用指令RETRET返回，而在返回，而在BASIC BASIC 等其他语言中要等其他语言中要求用指令求用指令 RET n RET n 返回。返回。第五章 微型计算机控制系统设计返回本节汇编语言中的接口处理汇编语言中的接口处理根据缺省默认，根据缺省默认，C C语言的参数传递方式是传值，但数组总是采用传址方式。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，用综上所述，用C C语言调用汇编程序的步骤为：语言调用

13、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、线、PUBLIC PUBLIC 和和BP BP 的使用。的使用。按约定编写按约定编写C C语言程序，编译后得到目标文件，注意语言程序，编译后得到目标文件，注意 extern extern 和参数的类型和参数的类型的使用。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。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。运行该执行文件。3 3）汇编语言程序对）汇编语言程序对C C语言程序的调用语言程序的调用首先是命名约定；其

14、次是调用约定；第三，参数传递的方式是保证正常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。的关键。4 4）C C语言程序调用汇编程序举例（略）语言程序调用汇编程序举例（略）第五章 微型计算机控制系统设计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 微型计算机控制系统的研制工具主要有：微型计算机开发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。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，联机仿真器是微型计

15、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：利用联机仿真器可以很方便地实现以下开发手段：l 系统实时仿真；系统实时仿真；l 资源借调；资源借调；l 控制系统综合设计和调试。控制系统综合设计和调试。第五章 微型计算机控制系统设计5.3 常用应用程序设计常用应用程序设计5.3.1 数字滤波数字滤波5.3.2 线性化处理线性化处理5.3.3 越限报警处理程序越限报警处理程序返回本章第五章 微型计算机控制系统设计5.3.1 数字滤波数字滤波与模拟滤波器相比有以下优点：与模拟滤波器相比有以下优点：l 数字滤波用程序来完成，可以多个输入通道数字滤波用程序来完成，可以多个输

16、入通道“共用共用”一个滤波一个滤波程序。程序。l 数字滤波不需要硬件设备，因而可靠性高、稳定性好，各回路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。之间不存在阻抗匹配等问题。l 数字滤波可以对频率很低的信号滤波。数字滤波可以对频率很低的信号滤波。l 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。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

17、波等。阶滞后滤波、程序判断滤波等。第五章 微型计算机控制系统设计算术平均值滤波算术平均值滤波 算术平均值滤波是寻找这样一个算术平均值滤波是寻找这样一个Y Y，它，它与各采样值与各采样值X Xk k之间误差的平方和和之间误差的平方和和E E为最小，为最小，即，即，其中其中 N N 为采样次数。根据极值原理得为采样次数。根据极值原理得该方法是把该方法是把 n n 次采样值进行相加，然后取次采样值进行相加，然后取其算术平均值为本次采样值。其程序流程其算术平均值为本次采样值。其程序流程图如图所示：图如图所示：第五章 微型计算机控制系统设计例：某压力仪表采样数据如下：例：某压力仪表采样数据如下：1 12

18、 23 34 45 56 67 78 89 910102424252520202727242460602424252526262323序序 号号采样值采样值采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。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：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=Y=(24+25+20+27+24+60+24+25+26+23)/10=2828干扰被平均到采样值中去了干扰被平均到采样值中去了 第五章 微型计算机控制系统设计中值滤波中值滤波 中值滤波是对某一个被测参数连续中值滤波是对

19、某一个被测参数连续采样采样N N次，然后把次，然后把N N次的采样值按照由小次的采样值按照由小到大（或由大到小）进行排队，再取中到大（或由大到小）进行排队，再取中间值为本次采样值。间值为本次采样值。其程序流程图如图所示：其程序流程图如图所示：第五章 微型计算机控制系统设计1 12 23 34 45 56 67 78 89 9242425252020272724246060242425252626例：某压力仪表采样数据如下：例：某压力仪表采样数据如下：序序 号号采样值采样值采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。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：采用

20、去脉冲干扰平均值滤波后，其采样值为：2525对对1 1、2 2、3 3次采样中值滤波后值：次采样中值滤波后值：2424对对4 4、5 5、6 6次采样中值滤波后值：次采样中值滤波后值：2727对对7 7、8 8、9 9次采样中值滤波后值：次采样中值滤波后值：2525第五章 微型计算机控制系统设计程序判断滤波程序判断滤波 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 Y，若，若超过超过Y Y，就表明该输入信号是干扰应该去掉，反之，该信号可，

21、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。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。程序判断滤波可分为限幅滤波和限速滤波两种。返回本节第五章 微型计算机控制系统设计5.3.2 线性化处理线性化处理线性插值原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。设某传感器的输入输出特性曲线如图所示。或或线性插值的计算机实现步骤（略）。线性插值的计算机实现步骤（略）。设设 在在 区间内，则其对应的逼近值为区间内，则其对应的逼近值为返回本节第五章 微型计算机控制系统设计5.3.3 越限报警处理程序越限报警处理程序越限报警是工业控制过程常见越限报警是工业控制过程常见而

22、又实用的一种报警形式，它而又实用的一种报警形式，它分为上限报警、下限报警及上分为上限报警、下限报警及上下限报警。下限报警。返回本节第五章 微型计算机控制系统设计5.4 微机控制系统设计举例微机控制系统设计举例 5.4.1 系统总体设计系统总体设计5.4.2 微型计算机选择微型计算机选择5.4.3 控制算法设计控制算法设计5.4.4 硬件设计硬件设计5.4.5 软件设计软件设计返回本章第五章 微型计算机控制系统设计5.4.1 系统总体设计系统总体设计控制对象控制对象：六温区网带式连续烧结电阻炉。：六温区网带式连续烧结电阻炉。要求：要求：l 每个温区的温度在每个温区的温度在600-1000600-

23、1000范围内连续可控；范围内连续可控；l 各温区的温度以及网带的运行速度既可自动设定；各温区的温度以及网带的运行速度既可自动设定；l 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。和定时打印。第一步：计算机控制系统应完成的主要任务有：第一步：计算机控制系统应完成的主要任务有：l 六个温区温度的闭环直接数字控制；六个温区温度的闭环直接数字控制；l 网带拖动直流调速系统的速度给定和速度检测；网带拖动直流调速系统的速度给定和速度检测；l 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。六个温区温度及网带运动速度的巡回检测

24、、显示和定时打印。一台计算机分时控制；一台计算机分时控制；模拟量的输入通道；模拟量的输入通道；接口电路；接口电路；温度控制输出通道。温度控制输出通道。第五章 微型计算机控制系统设计系统组成框图简图如下：系统组成框图简图如下：第二步：控制第二步：控制系统选用系统选用STD总线标准的模总线标准的模块式工业控制块式工业控制计算机计算机第三步：确定控制算法。第三步：确定控制算法。第四步：硬件电路设计：第四步：硬件电路设计：l 前级放大器及多路模拟转换开关；前级放大器及多路模拟转换开关；l A/D转换模板；转换模板；l 数字触发控制模板。数字触发控制模板。最后，进行系统的软件设计。最后，进行系统的软件设

25、计。返回本节第五章 微型计算机控制系统设计5.4.2 微型计算机选择微型计算机选择控制系统选取采用控制系统选取采用STDSTD总线标准的模块式工业控制计算机。总线标准的模块式工业控制计算机。l主机板采用主机板采用80988098单片机多功能单片机多功能CPUCPU模板，主频模板，主频6MHz6MHz；l配置了显示及操作面板接口模板；配置了显示及操作面板接口模板；l打印机接口模板；打印机接口模板；l非通用数字触发控制模板；非通用数字触发控制模板；l反馈通道的反馈通道的V VF F变换及变换及A AD D转换模板。转换模板。返回本节第五章 微型计算机控制系统设计5.4.3 控制算法设计控制算法设计

26、 在整个炉体中，要求六个温区的温度能够独立控制，而各在整个炉体中，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，整个系统属于多变量系统。其温区之间存在不同程度的耦合，整个系统属于多变量系统。其数学描述传递矩阵为：数学描述传递矩阵为： )() 1()(mkGUkFYkY式中式中离散后可近似为：离散后可近似为：第五章 微型计算机控制系统设计被控对象的数学模型比较复杂。其简化动态结构如图所示：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式中T TD D为电阻炉的惯

27、性时间常数；为电阻炉的惯性时间常数；为纯滞后时间常数；为纯滞后时间常数；T T为系为系统的采样周期，且设统的采样周期，且设=NTNT，N N为正常数。可求出其广义脉冲传为正常数。可求出其广义脉冲传送函数为送函数为第五章 微型计算机控制系统设计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冲传递函数为则数字控制器的脉冲传递函数为则数字控制器的脉冲传递函数为式（式（4 4）中即为系统按大林算法得出的数字控制器的数学模型。）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（为了比较

28、方便地用微型计算机来实现，我们把式（4 4）再进一步）再进一步简化为简化为第五章 微型计算机控制系统设计当由系统的飞升特性曲线确定出当由系统的飞升特性曲线确定出 后，系数后，系数 则可分别求出。则可分别求出。将式（将式（5 5）所示的数字控制器用差分方程表示，则）所示的数字控制器用差分方程表示，则返回本节第五章 微型计算机控制系统设计5.4.4 硬件设计硬件设计系统采用了系统采用了STDSTD工业控制机，并选用了三块通用模板，硬件设计工业控制机，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。计。

29、 l 前级放大器及多路模拟转换开关。前级放大器及多路模拟转换开关。l A/D A/D转换模板。转换模板。l 数字触发控制模板。数字触发控制模板。第五章 微型计算机控制系统设计l温度检测模拟输入通道设计温度检测模拟输入通道设计如图所示温度检测模拟如图所示温度检测模拟输入通道由检测元件热输入通道由检测元件热电偶、前级放大器、多电偶、前级放大器、多路模拟转换开关、路模拟转换开关、A/DA/D转转换和输入接口电路组成。换和输入接口电路组成。V VF F转换输入通道的转换输入通道的结构通常为：结构通常为： sisFT2第五章 微型计算机控制系统设计l晶闸管数字触发输出通道设计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。压方式，另一种是调功方式。调功方式输入