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1、8.1 微 型 機 控 制 系 統(tǒng)的 設(shè) 計 方 法 及 步 驟8.2 爐 溫 計 算 機 控 制系 統(tǒng)8.3 多 容 液 位 控 制 系統(tǒng) (自 學(xué) )第 8章 計 算 機 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計 計 算 機 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計 ， 既 是 一 個 理 論 問 題 ， 又是 一 個 工 程 問 題 ， 涉 及 自 動 控 制 理 論 、 計 算 機 技 術(shù) 、 檢測 技 術(shù) 、 通 信 技 術(shù) 、 電 工 電 子 技 術(shù) 等 。 計 算 機 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計 原 則 ：操作性能好，維護與維修方便；通用性好，便于擴展；可靠性高；實時性好，適應(yīng)性強；經(jīng)濟效益好。8.1 微

2、型 機 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計 方 法 及 步 驟 控 制 系 統(tǒng) 總 體 方 案 的 確 定 微 型 計 算 機 及 接 口 的 選 擇 控 制 算 法 的 選 擇 控 制 系 統(tǒng) 硬 件 設(shè) 計 控 制 系 統(tǒng) 軟 件 設(shè) 計 微 型 計 算 機 控 制 系 統(tǒng) 的 調(diào) 試微 型 機 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計 步 驟 ： 8 .1 .1 控制系統(tǒng)總體方案的確定1 . 確定控制系統(tǒng)方案根據(jù)系統(tǒng)的要求，首先確定是采用開環(huán)系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng)，或者是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。 2 . 選擇檢測元件在確定方案的同時，必須選擇好用于檢測被控參數(shù)的測量元件，它是影響控制系統(tǒng)精度的首要因素。 3 . 選擇執(zhí)行機構(gòu)

3、 執(zhí)行機構(gòu)是計算機控制的重要組成部件，它的選擇一方面要與控制算法相匹配，另一方面要根據(jù)被控對象的實際情況來決定。（電動執(zhí)行機構(gòu)，氣動調(diào)節(jié)閥，步進電機，液壓伺服機構(gòu)） 4 . 選擇輸入/輸出通道及外圍設(shè)備計算機控制系統(tǒng)的過程通道，通常應(yīng)根據(jù)被控對象參數(shù)的多少來確定，并根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模及要求，配以適當(dāng)?shù)耐鈬O(shè)備，選擇時應(yīng)考慮以下問題。 (l) 被控對象參數(shù)的數(shù)量； (2 ) 各輸入/輸出通道是串行操作還是并行操作； (3 ) 各通道數(shù)據(jù)的傳輸速率； (4 ) 各通道數(shù)據(jù)的字長及選擇位數(shù)； (5 ) 對顯示、 打印有何要求。 5 . 畫出系統(tǒng)原理圖前面4步完成以后，結(jié)合工業(yè)流程圖，最后要畫出一個完整的

4、控制系統(tǒng)原理圖，其中包括各種傳感器、變送器、外圍設(shè)備、輸入/輸出通道及微型計算機等。 8 .1 .2 微型計算機及接口的選擇1 . 選用成品微型機系統(tǒng)根據(jù)被控對象的任務(wù)，選擇適合系統(tǒng)應(yīng)用的微型計算機系統(tǒng)(或芯片)是十分重要的，它直接關(guān)系到系統(tǒng)的投資及規(guī)模，一般根據(jù)總體方案進行選擇。 1 ) 工業(yè)控制機如果系統(tǒng)的任務(wù)比較大，需要的外設(shè)比較多，如打印機、CRT等，而且設(shè)計時間要求比較緊，不妨選用一臺現(xiàn)成的工業(yè)控制機（研華工控機）。這些機器不僅提供了具有多種裝置的主機系統(tǒng)板，而且還配備了各種接口板。 2 ) 單片機系統(tǒng)目前有一些由單片機組成的小系統(tǒng)可供選擇，它們大都具有單片機、 存儲器及I/O接口、

5、LED顯示器和小鍵盤等。再配以各類I/O接口板，就可組 成簡單的控制系統(tǒng)。 2 . 利用單片機芯片自行設(shè)計選擇合適的單片機芯片，針對被控對象的具體任務(wù)，自行開發(fā)和設(shè)計一個單片機系統(tǒng)是目前微型計算機系統(tǒng)設(shè)計中經(jīng)常使用的方法。這種方法具有針對性強，投資少，系統(tǒng)簡單、靈活等特點，特別對于批量生產(chǎn)，更有獨特的優(yōu)勢。 事實上，目前已經(jīng)具備了單片機系統(tǒng)開發(fā)工作的條件： 一是有了各種各樣的開發(fā)工具；二是市場芯片資源豐富，且價格便宜；三是技術(shù)已經(jīng)成熟，現(xiàn)在有很多關(guān)于單片機的圖書、資料供設(shè)計者參考。利用各種 硬件電路、各種系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，可以方便地進行系統(tǒng)設(shè)計。 8 .1 .3 控制算法的選擇1 . 直接數(shù)

6、字控制當(dāng)被控對象的數(shù)學(xué)模型能夠確定時，可采用直接數(shù)字控制，如最少拍隨動系統(tǒng)、最少拍無紋波系統(tǒng)以及大林算法等。此外，還有最小二乘法系統(tǒng)辨識、最優(yōu)控制及自適應(yīng)控制等。 2 . 數(shù)字化PID控制由于被控對象是復(fù)雜的，因此并非所有的系統(tǒng)均可求出數(shù)學(xué)模型， 有些即使可以求出來，但由于被控對象環(huán)境的影響，許多參數(shù)經(jīng)常變化，因此很難進行直接數(shù)字控制，此時最好選用數(shù)字化PID控制。 3 . 模糊控制模糊控制既不用像DDC控制那樣要求有嚴(yán)格的被控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，也不像PID控制那么“呆板”，它是一種非常靈活的控制方法，只要根據(jù)實驗數(shù)據(jù)找出Fuzzy控制規(guī)律，便能達(dá)到所要求的控制效果。 8 .1 .4 控制系統(tǒng)硬件

7、設(shè)計1 . 存儲器擴展對單片機系統(tǒng)，由于單片機有4種存儲器空間，且程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨立編址，所以其存儲容量與同樣位數(shù)的微型計算機相比，擴大了一倍多。實際使用中，已很少進行存儲器擴展。 2 . 模擬量輸入通道的擴展1 ) 數(shù)據(jù)采集通道的結(jié)構(gòu)形式一般來說，微型計算機控制系統(tǒng)是多通道系統(tǒng), 因此選用什么樣的結(jié)構(gòu)形式采集數(shù)據(jù)是進行模擬量輸入通道設(shè)計時首先要考慮的問題。（共享S/H和A/D或多路S/H共享A/D的結(jié)構(gòu)形式） 2 ) A/D轉(zhuǎn)換器的選擇設(shè)計時一定要根據(jù)被控對象的實際要求選擇A/D轉(zhuǎn)換器。在滿足系統(tǒng)要求的前提下，盡量選用分辨率低的A/D轉(zhuǎn)換器。另外還可選擇 V/F變換器以及串行A/D轉(zhuǎn)

8、換器、以及數(shù)據(jù)采集芯片（具備多路開關(guān)、放大器、 S/H和1 2位A/D等多種電路）。 3 . 輸出通道的擴展模擬量輸出通道是微型計算機控制系統(tǒng)與執(zhí)行機構(gòu)(或控制設(shè)備)連接的橋梁，設(shè)計時要根據(jù)被控對象的通道數(shù)及執(zhí)行機構(gòu)的類型進行選擇。 對于那些能直接接受數(shù)字量的執(zhí)行機構(gòu)，可由微型機直接輸出數(shù)字量，如步進電機或開關(guān)、繼電器系統(tǒng)等；對于只能接受模擬量的執(zhí)行機構(gòu)(如電動、氣動執(zhí)行機構(gòu)，液壓伺服機構(gòu)等)，則需要用D/A轉(zhuǎn)換器把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量后，再帶動執(zhí)行機構(gòu)。 和輸入通道一樣，輸出通道的設(shè)計也有兩個方面的問題需要考慮，數(shù)據(jù)輸出通道的連接方式(每個通道設(shè)置一個D/A轉(zhuǎn)換器或多通道共享D/A轉(zhuǎn)換器)及D

9、/A轉(zhuǎn)換器的選擇。 4 . 開關(guān)量I/O接口設(shè)計在微型計算機控制系統(tǒng)中，除了模擬量輸入/輸出通道外，經(jīng)常遇到的還有開關(guān)量I/O接口。 5 . 操作面板操作面板也叫操作臺，它是人機對話的紐帶。根據(jù)具體情況，操作面板可大可小，大到可以是一個龐大的操作臺，小到只有幾個功能鍵和開關(guān)。 6. 系 統(tǒng) 速 度 匹 配 問 題 在 不 影 響 系 統(tǒng) 速 度 的 前 提 下 ， 時 鐘 頻 率 選 低 一 些 為 好 , 這 樣 可 降 低系 統(tǒng) 對 其 他 元 器 件 工 作 速 度 的 要 求 ， 從 而 降 低 成 本 和 提 高 系 統(tǒng) 可 靠 性 。 7. 系 統(tǒng) 負(fù) 載 匹 配 問 題 1) 邏

10、 輯 電 路 間 的 接 口 及 負(fù) 載 匹 配 問 題 進 行 系 統(tǒng) 設(shè) 計 時 ， 有 時 需 要 TTL和 CMOS兩 種 電 路 混 合 使 用 ， 但 兩者 要 求 的 電 平 不 一 樣 (TTL高 電 平 為 +5 V， CMOS則 為 +10 V +18 V) ，因 此 ， 一 定 要 注 意 電 流 及 負(fù) 載 的 匹 配 問 題 。 2) MCS-51系 列 單 片 機 負(fù) 載 匹 配 問 題 微 型 計 算 機 與 微 型 計 算 機 之 間 ， 微 型 計 算 機 與 I/O接 口 之 間 都 存 在著 負(fù) 載 匹 配 問 題 。 8 .1 .5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 1

11、 . 控制系統(tǒng)對應(yīng)用軟件的要求1 ) 實時性由于工業(yè)過程控制系統(tǒng)是實時控制系統(tǒng)，所以對應(yīng)用軟件的執(zhí)行速度都有一定的要求，即能夠在被控對象允許的時間間隔內(nèi)對系統(tǒng)進行控制、計算和處理。 2 ) 靈活性和通用性在應(yīng)用程序設(shè)計中，為了節(jié)省內(nèi)存和具有較強的適應(yīng)能力，通常要求有一定的靈活性和通用性?，F(xiàn)在多采用模塊化的程序設(shè)計結(jié)構(gòu)。 3 ) 可靠性在微型計算機控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要，它是系統(tǒng)正常運行的基本保障。 2 . 軟件、 硬件折中問題在微型計算機過程控制系統(tǒng)設(shè)計中，常遇到的一個問題就是，同樣一個功能，例如，計數(shù)、邏輯控制等，既可以通過硬件實現(xiàn)，也可以用軟件完成，這時需要根據(jù)系統(tǒng)的具體情況 確

12、定哪些用硬件完成，哪些用軟件實現(xiàn)。這就是所謂的軟件、硬件折中問題。一般而言 在系統(tǒng)允許的情況下，盡量采用軟件，這樣可以節(jié)省經(jīng)費；若系統(tǒng)要求實時性比較強，則可采用硬件。 3 . 軟件開發(fā)過程軟件開發(fā)大體包括以下幾個方面。 (1 ) 劃分功能模塊及安排程序結(jié)構(gòu)。 (2 ) 畫出各程序模塊詳細(xì)的流程圖。 (3 ) 選擇合適的語言(如高級語言或匯編語言) 編寫程序。 (4 ) 將各個模塊連結(jié)成一個完整的程序。 8 .1 .6 微型計算機控制系統(tǒng)的調(diào)試 1 . 硬件調(diào)試根據(jù)設(shè)計邏輯圖制作好實驗樣機，便進入硬件調(diào)試階段。調(diào)試工作的主要任務(wù)是排除樣機故障，其中包括設(shè)計錯誤和工藝性故障。 1 ) 脫機檢查用萬

13、用表或邏輯測試筆逐步按照邏輯圖檢查印刷板中器件的電源及各引腳的連接是否正確，檢查數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線是否有短路等故障。有時為了保護芯片，先對各管腳電位(或電源)進行檢查，確定無誤后再插入芯片檢查。 2 ) 聯(lián)機調(diào)試?yán)梅抡嫫鬟M行調(diào)試，觀察各部分接口電路是否滿足設(shè)計要求。此時 可通過運行一些簡單的軟件以檢查各個接口工作是否正常。 如果正常，則說明各接口硬件沒問題；否則，應(yīng)進行針對性的處理。 2 . 軟件調(diào)試 可以利用仿真軟件進行調(diào)試(keil C+Proteus)。仿真軟件可以不用硬件直接在PC機上調(diào)試程序，待程序基本調(diào)試好以后，再移到硬件系統(tǒng)中去調(diào)試。這種軟件、硬件并行調(diào)試方法，可大大

14、加快系統(tǒng)的開發(fā)速度。 軟件調(diào)試完成以后，即可通過EPROM程序?qū)懭肫?，將目?biāo)代碼寫入EPROM中，并將其插入機器的相應(yīng)插座上，系統(tǒng)便可投入運行。 3 . 硬件、 軟件聯(lián)合調(diào)試經(jīng)過硬件、軟件單獨調(diào)試后，即可進入硬件、軟件聯(lián)合調(diào)試階段， 找出硬件、軟件之間不相匹配的地方，反復(fù)修改和調(diào)試。實驗室調(diào)試工作完成以后，即可組裝成機器，移至現(xiàn)場進行運行和進一步調(diào)試，并根據(jù)運行及調(diào)試中的問題反復(fù)進行修改。 8 .2 .1 爐溫計算機控制系統(tǒng)的原理本系統(tǒng)采用直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)，對功率為2 kW的單相電阻爐進行溫度控制，要求溫度在4 0 0 1 0 0 0 范圍內(nèi)可調(diào)，溫度穩(wěn)態(tài)誤差1 .5 。系統(tǒng)能夠完成

15、以下內(nèi)容： (1 ) 電阻爐溫度的檢測； (2 ) 電阻爐溫度的閉環(huán)控制；(3 ) 電阻爐溫度曲線顯示和打印。 8.2 爐 溫 計 算 機 控 制 系 統(tǒng) 根據(jù)系統(tǒng)要完成的任務(wù)和要求， 考慮到保持本章與前面章節(jié)硬件的一致性， 選用5 1系列單片機（AT9 8 C5 2）, 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖如下所示。 根 據(jù) 系 統(tǒng) 要 完 成 的 任 務(wù) 和 要 求 ， 考 慮 到 保 持 本 章 與 前 面 章 節(jié) 硬 件的 一 致 性 ， 選 用 51系 列 單 片 機 （ AT98C52） , 系 統(tǒng) 組 成 結(jié) 構(gòu) 框 圖 如 下 所示 。 8 .2 .2 爐溫計算機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計1 .溫度檢測電路

16、 本 系 統(tǒng) 采 用 的 型 （ 鎳 鉻 鎳 硅 ） 熱 電 偶 ， 其 可 測 量 1312 以 內(nèi) 的溫 度 ， 線 性 度 較 好 ， 而 且 價 格 便 宜 。 變 送 器 采 用 的 是 高 精 度 的 集 成 芯 片MAX6675來 完 成 “ 熱 電 偶 電 勢 溫 度 ” 的 轉(zhuǎn) 換 ， 不 需 外 圍 電 路 、 I/O接線 簡 單 、 精 度 高 、 成 本 低 。 2. 時 鐘 電 路 在 系 統(tǒng) 中 需 要 準(zhǔn) 確 顯 示 升 溫 時 間 、 恒 溫 時 間 等 ， 因 而 選 用 了 時 鐘 芯片 DS12887構(gòu) 成 定 時 電 路 來 完 成 對 時 間 的 顯

17、示 及 準(zhǔn) 確 計 時 ， 也 可 以 不 需 要。 3.鍵 盤 、 顯 示 及 報 警 電 路 系 統(tǒng) 采 用 3*3鍵 盤 ， 由 單 片 機 P1口 控 制 ， 可 通 過 按 鍵 設(shè) 定 溫 度 和 時 間。 顯 示 器 選 用 點 陣 字 符 型 液 晶 顯 示 器 TC1602， TC1602的 顯 示 形 式 是 16*2行 ， 可 顯 示 爐 溫 、 設(shè) 定 時 間 、 實 際 時 間 等 。 報 警 電 路 是 將 單 片 機 的 I/O口與 驅(qū) 動 芯 片 MC1413相 連 ， 通 過 MC1413驅(qū) 動 蜂 鳴 器 。 4.控 溫 電 路 控 溫 電 路 包 括 驅(qū) 動

18、 芯 片 MC1413、 過 零 型 交 流 固 態(tài) 繼 電 器 （ Z型 SSR） 8 .2 .3 爐溫計算機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計1 . 控制算法設(shè)計理論分析和實驗證明，電阻爐是一個具有自平衡能力的大慣性大滯后特性的被控對象，可用一個一階大慣性環(huán)節(jié)和一個滯后環(huán)節(jié)來近似描述，考慮到零階保持器，系統(tǒng)簡化后其動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下所示。 被控對象加上零階保持器的廣義對象傳遞函數(shù)為 本系統(tǒng)數(shù)字控制器采用增量式PID調(diào)節(jié)器 或采用前述積分分離、大林算法或模糊PID等，只需要轉(zhuǎn)化為差分方程即可迭代編程。 1ee1 TsKs)s(G sTs )k(e)k(e)k(eTT)k(eTT)k(e)k(eK)k(u)k(u

19、21211 DIP )k(eK)k(eK)k(eK)k(u 21 321 2 . 軟件設(shè)計 系統(tǒng)的軟件由三大模塊組成：主程序模塊、功能實現(xiàn)模塊和運算控制模塊。 主程序模塊：完成系統(tǒng)初始化和電爐絲的導(dǎo)通和關(guān)斷； 功能實現(xiàn)模塊：主要由定時中斷處理子程序、爐溫檢測子程序、鍵盤處理子程序、時間確定子程序、顯示子程序、報警子程序等部分組成。 運算控制模塊：主要由標(biāo)度轉(zhuǎn)換子程序、濾波子程序 、PID控制算法子程序等部分組成。 8 .2 .4 爐溫計算機控制系統(tǒng)的擴展設(shè)計-遠(yuǎn)程上位監(jiān)控 采用工控組態(tài)軟件完成系統(tǒng)的上位監(jiān)控。實現(xiàn)人機友好界面，可方便的對溫度和參數(shù)設(shè)置、溫度顯示、超量報警、實時檢測、數(shù)據(jù)打印等操作，數(shù)據(jù)庫管理方便，易于操作。工控組態(tài)軟件主要是指數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件， 它們提供自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境， 使用靈活的組態(tài)方式， 能夠為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、 通用層次的 軟件工具。 目前工控領(lǐng)域常用的工控組態(tài)軟件有Kingview組態(tài)王、 西門子的WinCC組態(tài)軟件及MCGS組態(tài)軟件。 爐 溫 控 制 系 統(tǒng) 的 主 監(jiān) 控 界 面