计算机控制技术-杨鹏-计算机控制系统设计与综合举例3

计算机控制系统设计与综合举例

6.1计算机控制系统的设计方法

6.2计算机控制系统的软、硬件设计

6.3烘箱温度计算机控制系统设计

6.4基于混合仿真实验系统的二阶液位控制系统设计

6.5三轴数控铁床计算机控制系统设计

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6.1计算机控制系统的设计方法

6.1.1系统设计的原则

・1安全可靠

•2系统操作性能好

・3实时性强

•4通用性好

•5经济效益高

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6.1.2确定工程项目与控制任务

f---------------------------------------

1・

•甲方提出任务委托书

•乙方研究任务委托书

•双方对委托书进行确认性修改

•乙方初步进行系统总体方案设计

•乙方进行方案可行性论证

•签订合同书

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工程项目设计阶段主要包括组建项目研制小组、系统总体方

案的设计、方案论证与评审、硬件和软件的细化设计、硬件和软

件的调试、系统的组装等。

1.组建项目研制小组

2.形成总体方案

3.方案论证与评审

4.硬件和软件的分别细化设计

5.硬件和软件的分别调试

6.系统的组装

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6.1.4项目仿真与调试

1离线仿真和调试

离线仿真和调试阶段的流程如图6-1(a)所示。

a)h)

图6-i离线仿真和两试阶段流程

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所谓离线仿真和调试是指在实验室而不是在工业现场进行的

•仿真和调试。离线仿真和调试试验后，还要进行考机运行。

1考机的目的要在连续不停机的运行中暴露问题和解决问题。

2在线调试和运行

系统离线仿真和调试后便可进行在线调试和运行。在线

调试和运行就是将系统和生产过程联接在一起，进行现场调

试和运行。系统运行正常后，可以再试运行一段时间，即可

1组织验收。验收是系统项目最终完成的标志，应由甲方主持

乙方参加，双方协同办理。验收完毕应形成验收文件存档。

整个过程可用图6-1(b)来形象地说明。

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6.2计算机控制系统的软、硬件设计

-H---------~------------------------

计算机控制系统的硬件设计包括计算机选型、接口电路

■的选型与设计、信号的调理等技术。正确的选择计算机以及：

接口电路是设计计算机控制系统的关键，特别是计算机的选

型是关键中的关键。

计算机控制系统中软件设计的关键技术是中断技术。通.

一过中断实现定时操作。在定时操作中主要完成的任务有采样、

,数字滤波、控制量计算、输出控制量等。

为用户显示必要的控制信息使用户了解系统的动态特性。

对于一个完善的计算机控制系统是非常必要的。

本节就上述软硬件设计的问题——给予详细的说明。

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6.2.1控制计算机的选型

―瞬■,・■’■......................

表6・1各种计算机的性能对比

性能用户舟级访开发

造价适用对象耕脚也扰性

机型二、界面;;编程1嬲

单板机低快速系统<lm»1不可长

单片机低快速系箔<Ima差Jt不可IC

工业控制机中快速系统=1ms高好可短

懒系统篇非快速就>500nw为好可短

从表6-1中可以看出单板机或单片机其选价低廉、采样速度快，

可用于控制快速系统，如调速系统等；也可用于结构简单的控制单

元，如单回路调节器、智能化仪表、智能化接口电路、采集模块等。

它具有优良的界面，可采用高级语言编程等特点，被广泛的应用于

过程控制中，这些被控的物理量不需要非常快的采样控制频率。随

着CPU速度与外围设备速度的提高其适用的范围也会越来越广泛。

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接口电路与信号调理

计算机的选型工作完成后，下一步的工作就是计算机接口电路

的设计与采样信号的调理。计算机的接口电路分为两大类，即数字

接口电路8255、8155等，和模拟接口电路A/D、D/A等。它们主要用

于计算机与采样信号、执行机构和辅助信号的连接如图6-2。

收

拟

数字

执

检

行

测

单

单

元

元

根

m数字

检

批

行

测

他

项

元

正

图6・2i|算机接口小意图

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采样信号的调理电路主要是指模拟信号的调理电路。

它所起到的作用是使计算机接口模拟电路A/D和D/A与检测

单元和执行单元的电信号相匹配，如图6-3。

如果我们选用的是标准的IPC总标准的

线或STD总线的工业控制机，则接口采祥

模拟

电路和信号调理电路都是成套的，信号

否则这些电路只能自行设计。表6-2

图6-3信号调理电路

给出了IPC总线的接口电路板和信号

调理板。

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表6-2IPC总线系列产品

名称性能名称性能

PCL-812PG16相12位A/DPCID782B24通道数字输入板

PCL8BB32路12位A/DPQD88516通道继电器输出板

PCL-8I8H8U6）路12位A/DPCID785B24通道继电器除出板

KIL-72032人丸出I/OPQ,fL789D16过道热电偶阖理板

PCL-7266路12位D/A—■

阿让工业人名@劭化系I-

6.2.3定时操作系统的实现

定时操作主要完成的任务是采样及控制任务，控制系统的采

■:样控制频率必须满足香农采样定理即：

入《T〃"或①s》2%

3〃?为闭环系统截止频率，3s为采样频率。

控制系统的采样频率确定后，就必须严格遵守该频率进行采

样控制。定时操作一般用中断来实现，即将采样控制程序作为

；中断服务程序，每次中断后执行中断服务程序，即采样控制程

序。

我们以IBM386以下档次的微型计算机为例说明其内部中断

的管理方法。

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一、中断管理

由于8086CPU芯片上只有一个中断请求线INTR输入

端，计算机有多个中断源，因而设计了一个中断控制

器电路8259A。其主要作用是对中断源进行管理，如中

断优先级、中断号等。8259A上有8根中断请求线，可

「以采用级联方式扩充到64个中断源。当发生中断时，

8259A自动将中断号送入CPU,CPU将中断号乘以4得到

中断矢量。计算机用中断矢量作为地址，从内存单元

中取出连续的4个单元的数据作为中断服务程序的入口

地址。

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内存

DS=O

、

IR>=20H1A（）［A（）O1DS:20

1A||A|0DS:21

A21A20DS:22

A31A3oDS:23

CS=A1A30A21A20H

中断服务程序的入口地址为3

IP=Aj।AIQA（）|A（X）H

图6-4中断过程示意图

图6-4给出INT0AH中断过程的示意图。

由上可见，想要实现定时操作首先应将采样控制程序的地址放入规

定的内存单元中，即我们所说的修改中断矢量。修改的方法有两种:

直接填写和系统调用。

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二、外部硬件中断

8259

外部硬件中断的中断R

Q

R---时钟斗।断8253

源通常用8253可编程定时I

R——键盘中断CS—300H

/计数器实现。8253有6种2

ROUT0

工作方式，在用作中断源3COM2中断

RGATE0一5V

时通常用方式3,接线方R4COMI申断

5硬磁盘中断

RCLK—IkHz

法如图6-5。0

R6软磁盘中断

如图想产生一个1秒7打印中断

钟中断，只要初始化8253

使其工作在方式3,计数图6-5中断信号接线图

初值为1000即可。

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三、内部硬件中断

〃?0的内部接线如图6-6,该中断8253

IOUTI-IRQ。

的主要功能是修改计算机内部时钟。()

在中断8服务程序的结尾有一个GATE0—5V

的软中断，其中断服务程序只有一条

1.19M―CLK0

返回语句(IRET)无任何内容。用户

图6-6计算机内部8253接线图

可以通过修改的中断矢量来

实现定时操作。

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6.2.4显示技术及控制任务的协调

主程序中断服务程序

通常在控制程序中，经常需

要显示被控物理量具体的数值，

有时还要求显示控制曲线。这些

输出语句不建议写在中断控制程

序中,特别是INT21H将引起死

机现象。我们建议修所有显示语

句写在主程序中，通过对标志变

量的判断来决定是否重新刷新显

图6-7显示及控制任务的协调程序:框图

示。程序框图见6-7。

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■^6.2・5计算机应用系统中的抗干扰设计

一、微机系统中的主要干扰渠道及抗干扰措施

工业生产中的干扰一般都是以脉冲的形式进入微机，

干扰窜入系统的渠道主要有三条：空间干扰(场干扰)，过

/程通道干扰，供电系统干扰。

1供电系统干扰措施

微机系统中最重要、并且危害最严重的干扰来源于电

-源的污染。

(1)电源噪声种类

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如果把电源电压变化持续时间定为at,那么，根据at

的大小可以把电源干扰分为：①过压、欠压、停电：

②浪涌、下陷：1s>△t>10ms;③尖峰电压：为微秒量

级；④射频干扰：At为毫微秒量级；⑤其它：半周内的通电

或过欠压。

(2)微机供电系统的抗干扰设计

为了防止从电源系统引入干扰，微机系统可采取图6-8所

示的供电配置。为了保证供电的稳定性，防止电源系统的过

压与欠压，可以利用交流稳压器，有利于提高整个系统的可

靠性。

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220V

交流

图6-8微机系统的抗干扰供电配置

考虑到高频噪声通过变压器主要不是靠初次级线圈的互感

耦合，而是靠初、次级间寄生电容耦合的，利用隔离变压器，

减少其分布电容，以提高抗共模干扰的能力；由谐波频谱分析

可知，电源系统的干扰大部分是高次谐波，因此采用低通滤波

滤去高次谐波，以改善电源波形；

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采用分散独立功能块供电，即在每块系统功能模块

上用三端稳压集成块组成稳压电源，每个功能块单独对

电压过载进行保护，不会因某块稳压电源故障而使整个

系统破坏，而且也减少了公共阻抗的相互耦合以及和公

共电源的相互耦合，大大提高了供电的可靠性，也有利

于电源散热；采用高抗干扰稳压电源及干扰抑制器。在

电源配置中还可以利用反激变换器的开关稳压电源、频

谱均衡法原理制成的干扰抑制器、超隔离变压器稳压电

源等抑制干扰。

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2’过程通道干扰及抗干扰措施

一过程通道是前向接口，后向接口与主机或主机相互之

一间进行信息传输的路径，在过程通道中长线传输的干扰是

,主要因素。随着系统主振频率愈来愈高，微机系统过程通

一道的长线传输愈来愈不可避免。例如，按照经验公式计算,

当计算机主振频率为1MHz时，传输大于0.5m或主振为4MHz

一时,传输线大于0.3m,即作为长线传输处理。

-微机应用系统中，传输线上的信息多为脉冲波，它在

传输线上传输时会出现延时、畸变、衰减与通道干扰。为

了保证长线传输的可靠性，主要措施以下几种。

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•(1)光电耦合隔离措施

•(2)双绞线传输

•(3)长线传输的阻抗匹配

•(4)长线的电流传输

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二、印刷电路板及电路的抗干扰设计

-印刷电路板是微机系统中器件、信号线、电源线的高

密度集合体，印刷电路板设计得好坏对抗干扰能力影响很

大，故印刷电路板设计决不单是器件、线路的简单布局安

「排，还必须符合抗干扰的设计原则。通常应有下述抗干扰

措施。

1地线设计

⑴在接地线长度允许的情况下，应尽量采取一点接地的工艺措

施，以避免不同电路的电流流经公共地线，如图6-n所示。

阿让工业人名@劭化系

a）不好b）好

图6-11一点接地

⑵屏敝层的接地。

单点接地与多点接地选择。在低频电路中，信号的工作频

率小于1MHz时，它的布线和元器件间的电感影响较小，而接地

电路形成的环流对干扰影响较大，因而屏蔽线采用一点接地；

阿让工业人名@劭化系

当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此

时应降低地线阻抗，应采用就近多点接地法；当工作频率

在1〜10MHz之间时，如果用一点接地，其地线长度不应超

过波长1/20,否则宜采用多点接地法，如图6-12所示。

b）二点接地

图6-12屏蔽线接地

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⑶数字、模拟电路分开。电路板上既有高速逻辑电路,

又有线性电路，应使它们昼分开，现时两者的地线不

要相混，分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电

路的接地面积。

(4)接地线应尽量加粗。若接地用线条很细，接地电位

则随电流的变化而变化，致使微机的定时信号电平不

稳，抗噪声性能变坏。因此应将接地线条加粗，使它

能通过三倍于印刷电路板上的允许电流，接地用线应

在2~3mm以上。

阿让工业人皆@劭化系.

⑸接地线构成闭环路。只用数字电路组成的印刷电路板接地

.时，根据某些人的经验，修接地电路做成闭环路大多都明

显地提高抗噪声能力。其原因是：一块印刷电路板上有很

/多集成电路，尤其遇有耗电多的元件时，因受到线条粗细

限制，地线产生电位差，引起抗噪声能力下降。

2电源线布置

一电源线的布线方法除了要根据电流的大小，尽量加粗导

体宽度外，采取使电源线、地线的走向与数据传递的方向

一致，圈有助于增强抗噪声能力。

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3去耦电容配置

在印刷电路板的各个关键部位配置去耦电容应视为印刷电

路板设计的一项常规做法。

⑴电源输入端跨接10〜100〃厂的电解电容器。如有可能，接100〃/

以上更好。

⑵原则上每个集成电路芯片都应安置一个0.01〃厂的陶瓷电容器一

⑶对于抗噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和RW、RAM^

储器件，应在芯片的电源线（匕0）和地线（GND）间直接接入

去耦电容。

（4）电容引线不能太长，特别是高频旁路电容不能带引线。

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4印刷电路板的尺寸与器件布置

印刷电路板大小要适中，过大时，印刷线条长，阻抗

;增加，不仅抗噪声能力下降，成本也高；过小则散热不好,

同时易受邻近线条干扰。

在器件布置方面，与其它逻辑电路一样，应把相互有

关的器件尽量放得靠近些，能获得较好的抗噪声效果，易

产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离

计算机逻辑电路如有可能，应另做电路板，这一点十分重

要。另外，一块电路板要考虑在机箱中放置的方向，将发

热量大的器件放置在上方。

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三、软件的抗干扰设计

?软件抗干扰是属于微机系统的自身防御行为。采用软件

抗干扰的最根本的前提条件是：

「系统中抗干扰软件不会因干扰而损坏。

软件抗干扰的设置前提条件概括为：

•在干扰作用下，微机系统硬件部分不会受任何损坏，或易

损坏部分设置有监测状态可供查询；

・程序区不会受干扰侵害；

•RAM区中的重要数据不被破坏，或虽被破坏可以重新建立。

阿让工业人名@劭化系

1数据采集误差加大的软件对策

干扰侵入微机系统的前向通道，叠加在信号上，致使

,数据采集误差加大。特别是前向通道的传感器接口是小电

.一压信号输入时，此现象更加严重。根据数据采集时干扰性

质，干扰后果的不同，采取的软件对策不一，没有固定的

一对策模式。对于实时数据采集系统，为了消除传感器通道

中的干扰信号，常在硬件措施基础上采取数字滤波。

阿让工业人名@劭化系

—

2控制状态失常的软件对策

一般控制状态的输出多半是通过微机系统的后向

一通道，由于控制信号输出较大，不易直接受到外界

干扰。但是，在微机控制系统中，控制状态输出常

常是依据某些条件状态的输入和条件状态的逻辑处

:理结果。在这些环节中，由于干扰的侵入，都会造

成条件状态偏差、失误、致使输出控制误差加大，

一甚至控制失常。为了确保系统安全可以采取下述软

件抗干扰措施：

阿让工业人名@劭化系

I

⑴软件冗余。

⑵设置当前输出状态寄存单元，当干扰侵入输出状态破坏时,

系统能及时查询寄存单元的输出状态信息，及时纠正输出

状态。

⑶设自检程序。

3数据受干扰发生变化的软件对策

4程序运行失常的软件对策

5发现失常状态后及时引导系统复原始状态。

阿让工业人名@劭化系

⑴设置监视跟踪定时器

使用定时中断来监视程序运行状态。

⑵设置软件陷阱

当PC失控，造成程序“乱飞”而不断进入非程序

区，只要在非程序区设置拦截措施，使程序时入陷

-阱，然后强使程序进入初始状态。具体做法是将所

..有非程序区都有用无条件转移指令填满，以便一旦

.干扰使程序进入非程序区后，即可无条件转移到整

个程序的开头，以便从新开始执行程序。

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6.3烘箱温度计算机控制系统设计

6.3.1控制系统的组成

烘箱

图6-13烘箱温度控制系统原理框图

阿让工业人名@劭化系

该系统是用微型机控制的电烘箱的例子，其控制系统原理

图如图6T3所示。

本系统由烘箱、温度测量放大器、ADC0809.8253及8255组

成。在图6-13中，烘箱用电炉丝心加热。温度的检测用半导体

温度传感器AD590测量，测温范围是-55。C〜+100。C,线性度

好，恒流输出IRA/K。

AD590放大电路由两级运算放大器组成。其中第一级放大10

倍，第二级放大5倍，W1为零点迁移电位器，设置为+2.73V,

使得在0。C时放大器输出为0V。交流固态继电器（SSR）用来

控制电阻丝通/断电加热。

阿让工业人名@劭化系

1.定时中断的实现

本系统采用外部硬件定时中断，中断周期为20ms。外接8253

定时器使其产生一个周期为20ms方波，然后接在8259的IRQ2上。

这样计算机每隔20nls便产生一个中断号为0AH的中断。

2.控制周期及控制方法

根据具体情况可将控制周期设为5秒，由于中断周期为20ms,

所以，在一个控制周期内共有250个时间段。在每个时间段内电

炉丝可以有“通电”和“断开”两种状态。通过调节“通电”的

时间段的数目，即控制加热的占空比，可以达到调节加热功率的

目的，因此这种调节方案也可称为调功法控制温度。

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■■6.3.2控制软件设计

控制软件主要实现烘箱温度的PID控制、显示温度值和控制

量。整个程序包括四部分：主程序、PID运算子程序、限幅子程

序、A/D采样和中断子程序。

1.主程序的主要功能是初始化8255和8253,并设置IRQ2中断向量,

控制采用周期，启动0809采样，调用PID运算子程序和限幅子程

序以得到输出量。

2.PID算法采用增量型控制公式为：

△尸(K)=KP[E(K)-E(K-1)]+

K/£(K)+Ko[£(K)-2£(K-1)+£(K-2)]

P(K)=P(K—1)+△尸(K)

阿让工业人名@劭化系

3限幅子程序的功能是把PID程序运算结果进行限幅运

算，以得到一个。〜250之间的数，以满足调功控制

-温度的需要。

4中断子程序每20nls执行一次，中断时对中断计数器

CNT加1,修之与PID的运算结果POUT的值相比较，当

CNT大于POUT时，停止加热，否则继续加热。每执行

250次调用一次采样控制程序，已实现控制周期为5

秒。

阿让工业人名@劭化系

c结束，

图6-16限幅子程序框图

图6-15PID子程序框图阿让工业人名@劭化系

中断服务程

十:

保护现场

CNT=CNT+1

PAo=O

8259复位

恢复现场

i~~

（返回）

图6-17中断服务程序框图

阿让工业人老@劭化系

■6.3.3程序清单

I------------------

DOSSEG

.MODELSMALL

.STACK100H

.DATA

UREQU80H；设定温度50℃

KPEQU0300H;Kp=3.0

KIEQU001OH;KI=1/16=0.0625

KDEQUOH;KD=0

EKDW0;定义E(k)=O

EKIDW0;定义E(k-l)=O

EK2DW0;定义E(k-2)=0

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PKDW2DUP(?)淀义U(k)

ADZDB*；温度采样存放单元

POUTDB9；控制量限幅输出单元

CNTDB0；中断计数单元

MES1DB'TEMPREATURE=$，

MES2DBCONTROL=$，

.CODE

START:MOVAX,@DATA

MOVDS,AX

PUSHDS

MOVAX,SEGINTOA

MOVDS,AX

MOVDX,OFFSETINTOA

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MOVAX,250AH

INT21H

POPDS

MOVDX,203H；设定定时器0为工作方式2

MOVAL,36H

OUTDX,AL

MOVAX,20000；设定定时时间为20Ms

MOVDX,200H

OUTDX,AL

MOVAL,AH

OUTDX,AL

MOVDX,20BH；定义端口A,B,C为输出

MOVAL,80H

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OUTDX,AL

MOVAL,0;端口A输出0

MOVDX,208H;停止加热

OUTDX,AL

PPPO:INAL,21H

ANDAL,11111011B

OUT21H,AL;允许IRQ2中断

STI

PPP:CMPCNT,250

JERP1

JMPPPP

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RP1:MOVCNT,0

CALLPICKAD；调用A/D转换子程序

LEADX,MES1;显示“TEMPERATURE*

MOVAH,9

INT21H

MOVAL,ADZ;将人/口值转换为温度

MOVBL,100

MULBL

MOVBL,255

DIVBL

CALLHEXBCD;将温度转换为十进制

CALLDSP_AL；显示温度

CALLPID;调用PID子程序

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CALLLIMIT;调用限幅子程序

MOVDX,208H

MOVAL,0

CMPPOUT,0;如果POUT，。,力口热

JEM2;否则，不加热

MOVAL,1

M2:OUTDX,AL

LEADX,MES2;显示“CONTROL4

MOVAH,9

INT21H

MOVAL,POUT

CALLDSP_AL;显示控制量

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CALLCRLF；回车换行

MOVAH,0BH

INT21H

INCAL

JZPPP2；按任意键退出

JMPPPP；无按键继续

PPP2:MOVDX,208H;停止加热

MOVAL,0

OUTDX,AL

MOVDX,203H；关定时器0；

MOVAL,30H

OUTDX,AL

MOVAX,4C00H;返回DOS

INT21H

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PIDPROCNEAR

MOVAX,UR

MOVBL,ADZ

MOVBH,0

SUBAX,BX

MOVEK,AX

SUBAX,EKI

MOVBX,KP

IMULBX

ADDPK1,AX

ADCPK1+2,DX

MOVAX,EK

MOVBX,KI

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IMULBX

ADDPK1,AX

ADCPK1+2,DX

MOVAX,EK

SUBAX,EKI

SUBAX,EK1

ADDAX,EK2

MOVBX,KD

IMULBX

ADDPK1,AX

ADCPK1+2,DX

MOVAX,EKI

MOVEK2,AX

MOVAX,EK阿让工业人名@劭化系

MOVEKI,AX

RET

PIDENDP

LIMITPROCNEAR;限幅子程序

MOVAX,WORDPTR[PK+2]

CMPAX,0;U(k)高16位和0比较

JLMINUS;小于0转MINUS

JGBIG;大于0转BIG

MOVAL,BYTEPTR[PK+1]；等于0

CMPAL,0FAH；再比较低16位整数部分

JBEMM5；大于250

MOVAL,0FA

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MM5:MOVPOUT,AL；限幅值等于250,否则限幅

值等于计算结果

RET

MINUS:MOVPOUT,0；小于0,限幅值为0

RET

BIG:MOVPOUT,OFAH；小于0,限幅值为0

RET；返回

LIMITENDP

INTOAPROCNEAR;中断服务程序

PUSHAX；保护现场

PUSHDX

INCCNT；中断计数单元加1

MOVAL,POUT

CMPCNT,AL;和控制量比较

JBEPPP1；小于等于转PPP1

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MOVAL,0；等于停止加热

MOVDX,208H

OUTDX,AL

PPP1:MOVAL,20H;送中断结束命令

OUT20H,AL

POPDX；恢复现场

POPAX

IRET；中断返回

INTOAENDP

DSP_ALPROC;AL内容显示子程序

-MOVBL,AL

MOVDH,2

ML20:MOVAH,4

ML21:SHLBL,1

RCLDL,1

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DECAH

JNEML21

ANDDL,0FH

CMPDL,9

JBEML22

ADDDL,7

ML22:ADDDL,30H

MOVAH,2

INT21H

DECDH

JNZML20

RET

阿让工业人名@劭化系

DSP_ALENDP

CRLFPROC；回车换行子程序

PUSHDX

PUSHAX

MOVDL,10

MOVAH,2

INT21H

MOVDL,13

MOVAH,2

INT21H

POPDX

POPAX

RET

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CRLFENDP

PICKADPROC;A/D采样子程序

MOVDX,220H

MOVAL,0

OUTDX,AL

MOVCX,1000

PI1:NOP

LOOPPI1

INAL,DX

MOVADZ,AL

RET

PICKADENDP

HEXBCDPROCNEAR;AL中二进制转为十进制子程序

阿让工业人名@劭化系

MOVDL,AL

SUBAL,AL

MOVCX,8

LP:ADDDL,DL

ADCAL,AL

DAA

LOOPLP

RET

HEXBCDENDP

ENDSTART

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6.4基于混合仿真实验系统的二阶液位控制系统设计

6.4.1实验装置与系统环境

实验装置采用的是浙江天煌科技实业有限公司的THJ-3型高

级过程控制对象装置，此装置结合了当今工业现场过程控制的

实际，是一套集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自

动控制技术及现场总线技术为一体的多功能实验设备。实验装

置由控制对象和控制实验平台两部分组成。对象配有水槽、锅

炉、三相磁力泵等各种模拟工业现场的装置，并安装了各类检

测变送装置和执行机构，控制台与控制对象的分开设计，使其

更加接近工业现场，可以看成是微缩了的常用过程装置。其中

系统的检测装置及执行机构包括：

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•压力传感器、变送器：其精度为0.5级，驱动电压为24V,

输出为电流为4-20sA。

•温度传感器：采用了六个PtlOO粕热电阻温度传感器，

「PtlOO传感器精度高，热补偿较好。经过调解器的温度变

送器，可将温度信号转换成4-2OmADC电流信号。

•流量传感器、变送器：三个涡轮流量计分别用来对电动调

；节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出

口处的流量进行检测。涡轮流量计流量范围为0T.2m3/h,

精度为1%,输出为4-20mA标准信号

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2执行器

・电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的

流量进行调节，输入控制信号为1-5V直流电压，输出量程为0-

100%。

•变频器：本装置采用日本三菱(FR-S520S-0.4K-CH(R))变频器,

控制信号输入为4-20mA直流电流或0-5V直流电压，交流220V的

变频输入用来驱动三相磁力驱动泵。

•水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P,流量为32升/

分，扬程为8米，功率为180W,泵体采用不锈钢材料。有两只

磁力驱动泵，一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频

220V输出驱动。河让工业人名@劭化系

6.4.2过程控制混合仿真平台的结构组成

本过程控制混合仿真系统的

PC机

组成示意图如图6-19所示。系统

由虚拟控制器环境和实际现场环

境两部分组成。PC机和PCI-PCI-6024E

共同完成虚拟控制器的工・

6024E买

模拉信号

际

现

作，PC机所用的操作系统是场

环THJ-3型

境

WidonwsXP,虚拟控制器的所有高级过程控制

工作都是在这个操作系统环境完试验装置

成的。1*16-19混合仿真系统的组成

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6.4.3混合仿真实验系统的实现原理

混合仿真平台主要应用的软件

包括Matlab及其工具箱Simulink,

RTW和MicrosoftVisualstudio

6.0o利用这些软件的组合，可构

造出一个良好的虚拟控制器开发

和执行的环境，解决windows操作

系统下实现实时控制的问题。图

6-20所示给出了这个软件组合的困6-20混合仿真系统的原理不意图

环境，以及利用它们实现自动控

制混合仿真实验系统的原理示意

图。

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上述软件在系统实现中的主要功能如下：

•Matlab提供了数值计算、算法开发、图形化数据等

功能。

•Simulink提供了一个图形化的虚拟控制器设计环境,

,它不但支持常用的仿真模块，还支持I/O模块。

•RTW提供了把在Simulink环境下建立的模型，生成可

以在不同目标环境下运行的可执行程序的功能。

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•RTWT提供了一个实时内核，解决了优先级、进程调度、

中断处理等问题，在Windows操作系统下实现可执行程

序的运行。<

•MicrosoftVisualstudio6.0提供了一个C代码编译

」的环境，配合RTW工具箱完成实时代码的生成，并进行

编译生成不同目标环境下的可执行程序。

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.6.4.4二阶液位控制系统的Matlab仿真

选平台中的二阶液位系统为控制对象，选取串级控

制方案，控制器为PID控制器，系统结构图和方框图入图

6-21所示。系统的Simulink模型如图6-22所示。实验中

采样时间设为1秒，液位设定值设为8cm。主控制器采用

PI控制器其控制参数为：P=6,I=0.03,副控制器采

用比例控制器其中尸=2。图6-23即为Scopl与Scop2显示

的实验结果。

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a）结构图

阿让工业人名@劭化系

b）方框图

图6-21水箱液位串级控制系统

1*16-22控制系统模型

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-

时间⑸

a）水槽液位响应曲线b）控制器的输出

图6-23系统响应曲线

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.6.5三轴数控铳床计算机控制系统设计

.

数字控制(NumericalControl),简称数控(NC),是一

种控制技术，使用数字信号对机床的运动及加工过程进行

控制的一种方法。数控机床是一种装有程序控制系统的机

床，该系统能够逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码

指令规定的程序。数控系统(NumericalControlSystem)

是一种自动阅读输入载体上事先给定的数字量，并将其译

码，从而使机床动作并加工零件的控制系统。数控系统一

般包括数控装置、可编程逻辑控制器(ProgrammableLogic

Controller,PLC)、主轴驱动及进给装置等部分。

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与五轴数控机床相比，三轴数控机床的主要优点包括：

•(1)适用于小批量生产，并且它的维修费用不高；-

•(2)可以在恶劣的环境下工作，并且噪声很低；

•(3)加工精度足够，足以满足精加工要求；

•(4)刀具路径程序容易控制。

因此，三轴数控机床仍然是制造业中的主要生产

力。绝大多数的自由曲面都是在三轴数控机床上完成

的。

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6.5.1控制系统的组成

数控系统电气控制原理框图如图6-24所示。

步

I控制软件步X

驱

PCL83977进

f进

Y动Y

t电

电

Y机

H运湍

机

V机

械

动Z执

I工控机IC行

控

机

制C构

卡

图6-24数控系统电气控制览理框图

1.运动控制卡

运动控制是近十年来国际上流行的一种新技术，是由电力拖

动发展而来的，通常是指在复杂条件下，将预定的控制方案、规

划指令转变成期望的机械运动。

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2.步进电机及其驱动器

数控系统所用四通公司的两相混合式步进电动机，及两

相混合式步进电动机细分驱动器SH-20806。步进电机驱动器

-的功能是进行功率变换，把计算机控制系统提供的弱电信号

放大为步进电机能够接受的强电流信号，驱动电机按照上位

机控制指令转动。具有以下特点：

♦全新的双极恒相流加细分控制模式

♦创新的自动寻优电路使性能最优化

♦最大64细分的八种运行模式

♦直流电源DC10V〜70V供电

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♦最大输出驱动电流6A/相（峰值）

♦输入信号TTL兼容或24V接口可选

♦输入信号光电隔离

♦输出电流可方便设定

♦过流、过压、错相保护

♦脱机（FREE）保持功能

♦最大输出驱动电流6A/相（峰值）

♦输入信号TTL兼容或24V接口可选

♦输入信号光电隔离

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♦输出电流可方便设定

♦过流、过压、错相保护

♦脱机(FREE)保持功能

/本驱动器采用单脉冲控制方式。输入控制信号通过内置

光耦隔离，采用共阳极接法。为确保内置光耦能可靠导通，

要求控制信号提供至少6mA的电流。当输入信号接口模式选

择5V时，内置光耦的限流电阻为330Q,适合TTL电平的信号

接口。当输入信号接口模式选择24V时，内置光耦的限流电

阻为2KQ,可以与PLC接口配合。PCL839和步进电机及其驱

动器接线示意图如图6-25。

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MSI

MS2

MS3

FREE

PCL-8391/O

GNDDIR

步

+I2VPULSE进

COM电

机