計(jì)算機(jī)工業(yè)控制主講:馬有良聯(lián)系郵箱：mayouliang@聯(lián)系電話南科技大學(xué)機(jī)電專業(yè)系列課程第9章微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)原則：?操作性好?實(shí)施性強(qiáng)?通用性好?經(jīng)濟(jì)效益高?可靠性高一般設(shè)計(jì)步驟：

?控制系統(tǒng)總體方案的確定

?微型計(jì)算機(jī)及接口的選擇

?控制算法的選擇

?控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

?控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)?微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)試§10.1微型機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及步驟設(shè)計(jì)的基本要求（1）系統(tǒng)操作性能要好（2）通用性好、便于擴(kuò)充（3）可靠性要高①采用雙機(jī)系統(tǒng)。②采用集散控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)特點(diǎn)

在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須把系統(tǒng)要執(zhí)行的任務(wù)和應(yīng)具備的功能合理地分配給硬件和軟件來實(shí)現(xiàn)，做到合理權(quán)衡硬件、軟件的配置，并盡量節(jié)省機(jī)器時(shí)間和內(nèi)存空間。硬件設(shè)計(jì)主要采用大規(guī)模集成電路。一、確定系統(tǒng)總體控制方案

構(gòu)思系統(tǒng)的整體方案，應(yīng)從以下幾方面入手：?考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用什么方案?

有否特殊控制要求？特殊要求應(yīng)采取那些措施？

?確定計(jì)算機(jī)在整個(gè)控制系統(tǒng)中所起的作用二、確定控制算法（1）確定算法能否滿足控制速度、精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。（2）確定某些情況下要進(jìn)行修改與補(bǔ)充。（3）確定為設(shè)計(jì)、調(diào)試方便，可將控制算法作合理的簡化，逐步將控制算法完善，直到獲得最好的控制效果。三、選擇計(jì)算機(jī)所選計(jì)算機(jī)應(yīng)滿足以下要求：

?完善的中斷系統(tǒng)

?足夠的存儲(chǔ)容量?

完備的I/O通道和實(shí)時(shí)時(shí)鐘?字長、速度、指令種類和數(shù)量?尋址范圍和尋址方式

?內(nèi)部存儲(chǔ)器的種類和數(shù)量

四、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

★硬件軟件功能分配與協(xié)調(diào)

大量使用硬件會(huì)增加成本，影響系統(tǒng)可靠性；增加軟件，系統(tǒng)速度相應(yīng)降低?！锝涌谠O(shè)計(jì)接口設(shè)計(jì)內(nèi)容：

?擴(kuò)充接口?安排接口電路的I/O信號(hào)及交換方式常用的擴(kuò)充方法：

?選用專門的功能接口板

?選用通用接口電路?

用集成電路自行設(shè)計(jì)接口電路接口電路I/O信號(hào)的交換方式：

?中斷控制讀取I／O方式?

直接存儲(chǔ)器存取方式★通道設(shè)計(jì)系統(tǒng)I/O通道：

?數(shù)字量I/O通道?

開關(guān)量I/O通道?

模擬量I/O通道?

脈沖量I/O通道

總體設(shè)計(jì)中，應(yīng)確定本系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置什么樣的通道、每個(gè)通道由幾部分組成，各部分選用什么器件等。★操作員控制臺(tái)設(shè)計(jì)

包括：各種轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕、鍵盤、數(shù)字顯示器、狀態(tài)故障指示燈等。★可靠性設(shè)計(jì)五、硬件設(shè)計(jì)

任務(wù)：根據(jù)系統(tǒng)總體框圖，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的電氣原理圖，再按照電氣原理圖選購元件和進(jìn)行施工設(shè)計(jì)。包括：

?接口電路和I/O通道的擴(kuò)充

?

組合邏輯或時(shí)序邏輯電路

?供電電源

?

光電隔離?

電平轉(zhuǎn)換?

驅(qū)動(dòng)放大電路等硬件設(shè)計(jì)：根據(jù)系統(tǒng)總體框圖，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)電氣原理圖，再按照電氣原理圖著手元件的選購和開始施工設(shè)計(jì)工作。★組織應(yīng)用軟件的內(nèi)容及步驟：

?確定具體要求?

軟件規(guī)劃?

程序編制

?

軟件調(diào)試

?善后工作★確定具體要求

?管理要求

?

輸入輸出要求

?

語言加工要求

?功能處理要求

六、軟件設(shè)計(jì)軟件

系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件★軟件規(guī)劃?模式選擇

?語言選擇匯編語言或高級語言

?確定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?劃分程序塊?確定程序編制順序?內(nèi)存安排?用符號(hào)來代替某部分程序的首址?粗略估算各部分容量?根據(jù)具體情況對內(nèi)存作精確安排★程序編排和分配

★軟件裝配和總調(diào)

★軟件設(shè)計(jì)的善后工作

軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)語言加工系統(tǒng)診斷系統(tǒng)控制程序數(shù)據(jù)采集及處理程序巡回檢測程序數(shù)據(jù)管理程序編輯程序編譯程序連接、裝配程序調(diào)試程序子程序庫數(shù)據(jù)可靠性檢查程序A／D轉(zhuǎn)換及采樣程序數(shù)字濾波程序線性化處理程序

數(shù)據(jù)采集程序越限報(bào)警程序事故預(yù)告程序畫面顯示程序軟件設(shè)計(jì)：①實(shí)時(shí)性。②針對性。③靈活性和通用性。應(yīng)用程序的語言選擇及設(shè)計(jì)步驟

1、語言選擇

?機(jī)器語言?

匯編語言

?

高級語言

2、應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)步驟和方法

應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的五個(gè)步驟：

?問題定義?

程序設(shè)計(jì)

?編碼

?調(diào)試?

改進(jìn)和再設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)通常采用模塊程序設(shè)計(jì)法和結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)法結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)基本思想的三種基本結(jié)構(gòu)表示：順序結(jié)構(gòu)選擇結(jié)構(gòu)循環(huán)結(jié)構(gòu)

高級語言和匯編語言的混合編程1、混合語言編程的基本概念

1）程序接口在一種語言程序中調(diào)用由其他語言編寫的程序模塊。

2）命名約定為了解決不同語言對名稱標(biāo)識(shí)符的不同處理，對目標(biāo)文件名長度的不同限制的約定。

3）調(diào)用約定在兩種程序語言中為實(shí)現(xiàn)彼此調(diào)用而建立的一種協(xié)定，它具體對應(yīng)了一個(gè)函數(shù)、一個(gè)過程或者是一個(gè)子程序的調(diào)用過程。

4）參數(shù)傳遞約定在定義或說明時(shí)用形式參數(shù)，調(diào)用時(shí)則替換成實(shí)際參數(shù)。參數(shù)傳遞方式：

?傳值

?

傳址

?

傳名

?

傳結(jié)果

2、C語言程序?qū)R編語言程序的調(diào)用

1）C語言程序中的接口處理

?命名約定

?調(diào)用約定?

參數(shù)傳遞約定

2）匯編語言中的接口處理

?在定義和編寫匯編語言程序的被調(diào)用過程時(shí)，應(yīng)以下劃線開頭，并用PUBLIC說明。

?如果C語言程序以巨型、大型、存儲(chǔ)模式編譯，被C語言調(diào)用的匯編過程應(yīng)說明成fa；小型、緊湊型存儲(chǔ)模式編譯，被調(diào)用的匯編過程應(yīng)說明成NEAR。?

考慮調(diào)用約定?

在被C語言調(diào)用的匯編過程中用指令RET返回，而在BASIC等其他語言中要求用指令RETn返回。?

根據(jù)缺省默認(rèn)，C語言的參數(shù)傳遞方式是傳值，但數(shù)組總是采用傳址方式。3、匯編語言程序?qū)語言程序的調(diào)用

1）命名約定2）調(diào)用約定3）參數(shù)傳遞的方式4、微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研制工具利用聯(lián)機(jī)仿真器可以實(shí)現(xiàn)以下開發(fā)手段：1）系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真2）資源借調(diào)3）控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)和調(diào)試系統(tǒng)聯(lián)調(diào)是要把已調(diào)好的各程序功能塊按照總體設(shè)計(jì)要求連成一個(gè)完整的程序。程序調(diào)試完成后，還要進(jìn)行在線仿真，然后進(jìn)行試運(yùn)行。經(jīng)過一段考機(jī)和試運(yùn)行后，即可投入正式運(yùn)行。七、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)第9章微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟流程圖控制對象的功能和工作過程分析估算及分配I/O口,存儲(chǔ)器容量及外圍設(shè)備畫系統(tǒng)工藝流程圖I/O口的具體分配畫系統(tǒng)程序框圖系統(tǒng)部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)編制源程序部件芯片老化篩選和測試匯編布線及安裝形成目標(biāo)程序系統(tǒng)試運(yùn)行調(diào)試硬件調(diào)試和仿真完成否?硬件錯(cuò)否?完成否?寫入EPROM結(jié)束設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)是是是否否否開始

10.2.1硬件電路

10.2.2數(shù)字控制器的數(shù)學(xué)模型

10.2.3控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)10.2微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例一電阻爐爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖10-2電阻爐爐溫控制系統(tǒng)原理圖變送器鍵盤與顯示T0T1P1.3P1.2P1.1P1.0P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0ALEP0PSENWRRDEAP3.3803174LS37327328155CE~OCD70~ALECEIO/M~A70A701/2WRRDA0A1A2紅綠紅ABCCLK~D70OEALESTARTIN0EOC...........光耦驅(qū)動(dòng)器MC14528220V~加熱絲LM31174LS00TIL117........過零信號(hào)發(fā)生器ADC0809.熱電偶10.2.1硬件電路1.檢測元件及變送器檢測元件選用鎳鉻-鎳鋁熱電偶，分度號(hào)為EU，適用于0℃~1000℃的溫度測量范圍，相應(yīng)輸出電壓為0mV~41.32mV。變送器由毫伏變送器和電流/電壓變送器組成：毫伏變送器用于把熱電偶輸出的0~41.32mV變換成0~10mA范圍內(nèi)的電流；電流/電壓變送器用于把毫伏變送器輸出的0~10mA電流變換成0~5V范圍內(nèi)的電壓。10.2.1硬件電路表10-1溫度-數(shù)字量對照表10.2.1硬件電路2.接口電路8031的接口電路有ADC0809、8155和2732等。本系統(tǒng)采用ADC0809型A/D轉(zhuǎn)換器，該芯片為8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。ADC0809為溫度測量電路的輸入接口；8155用于鍵盤和顯示接口；2732作為8031外部程序(ROM)存儲(chǔ)器。10.2.1硬件電路3.溫度控制電路如圖雙向可控硅和加熱絲串接在交流回路，因此可控硅導(dǎo)通時(shí)間決定加熱絲的加熱功率。圖10-3給出了可控硅在給定周期T內(nèi)具有不同導(dǎo)通時(shí)間的情況。過零信號(hào)是正弦交流電壓過零時(shí)刻的同步脈沖，可使可控硅在交流電壓正弦波過零后觸發(fā)導(dǎo)通。過零同步脈沖由過零觸發(fā)電路產(chǎn)生，如圖10-4所示。10.2.1硬件電路圖10-3輸出功率與通斷時(shí)間的關(guān)系10.2.1硬件電路圖10-4過零觸發(fā)電路10.2.1硬件電路閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可近似看成一階慣性環(huán)節(jié)加一個(gè)延遲環(huán)節(jié)。因此，根據(jù)第4章第5節(jié)的推導(dǎo)，可以得出：經(jīng)化簡后得到：10.2.2數(shù)字控制器的數(shù)學(xué)模型式中：A=C=B=A因?yàn)?，D(z)=R(z)/E(z)，得：10.2.2數(shù)字控制器的數(shù)學(xué)模型y(n)=A×e(n)-B×e(n-1)+C×y(n-1)+(1-C)×y(n-N-1)式中：y(n)——n時(shí)刻的輸出值；e(n)——n時(shí)刻的偏差值；e(n-1)——n-1時(shí)刻的偏差值；y(n-N-1)——n-N-1時(shí)刻的輸出值。由系統(tǒng)的飛升特性曲線確定出τ和τ1后，系數(shù)A、B、C則可分別求出。10.2.2數(shù)字控制器的數(shù)學(xué)模型主程序流程圖10.2.3控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)1、主程序2.T0中斷服務(wù)程序T0中斷服務(wù)程序是此系統(tǒng)的主體程序，用于啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換、讀入采樣數(shù)據(jù)、數(shù)字濾波、越限溫度報(bào)警和越限處理、大林算法計(jì)算和輸出可控硅的同步觸發(fā)脈沖等。在T0中斷服務(wù)程序中，要用到一系列子程序。如：采樣子程序、數(shù)字濾波子程序、越限處理程序、大林算法程序、標(biāo)度變換程序和溫度顯示程序等。T0中斷服務(wù)程序流程圖如圖9-6所示。10.2.3控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)T0中斷服務(wù)程序流程圖網(wǎng)帶式多溫區(qū)電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1、確定系統(tǒng)的控制任務(wù)控制對象：六溫區(qū)網(wǎng)帶式連續(xù)燒結(jié)電阻爐。設(shè)計(jì)要求：?每個(gè)溫區(qū)的溫度在9001000℃范圍內(nèi)連續(xù)可控；

?各溫區(qū)的溫度以及網(wǎng)帶的運(yùn)行速度可自行設(shè)定；

?要求系統(tǒng)能夠?qū)α鶄€(gè)溫區(qū)的溫度及網(wǎng)帶運(yùn)行速度巡回檢測、顯示和定時(shí)打印。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)完成的主要任務(wù)有：?六個(gè)溫區(qū)溫度的閉環(huán)直接數(shù)字控制。?網(wǎng)帶拖動(dòng)直流調(diào)速系統(tǒng)的速度給定和速度檢測。?六個(gè)溫區(qū)溫度及網(wǎng)帶運(yùn)動(dòng)速度的巡回檢測、顯示和定時(shí)打印。10.3微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例二系統(tǒng)組成：

?微型計(jì)算機(jī)

?輸入通道

?輸出通道2、輸入輸出通道及其接口設(shè)計(jì)1）溫度檢測模擬輸入通道設(shè)計(jì)傳感器信號(hào)放大器V/F光電耦合器CPU小信號(hào)V．I0～10Vf特點(diǎn)：采用了由V／F變換器和定時(shí)計(jì)數(shù)器組成的A／D轉(zhuǎn)換器。V／F轉(zhuǎn)換輸入通道的結(jié)構(gòu)通常為：

設(shè)V／F變換器的額定輸出頻率為F，計(jì)數(shù)器對輸出脈沖的計(jì)數(shù)時(shí)間為Ts，A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果的分辨率為i，則有：取Ts＝1s，則在V／F的輸出頻率范圍0～10kHz內(nèi)，可以得到13位的A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果。

2)晶閘管數(shù)字觸發(fā)輸出通道設(shè)計(jì)★晶閘管簡介晶閘管(可控硅整流器)——功率放大器件。晶閘管的工作方式有：

?調(diào)壓方式?調(diào)功方式調(diào)壓方式：是通過利用移相觸發(fā)脈沖調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角，使輸入到電加熱元件的電壓改變，達(dá)到調(diào)節(jié)用電器的輸入功率，來實(shí)現(xiàn)控制目的。IG

→↓iA+VAK-R+～US_導(dǎo)通角調(diào)功方式：觸發(fā)電路采用的是過零觸發(fā)方式，外加正弦電壓過零時(shí)控制信號(hào)才使晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通，則負(fù)載上得到的電壓是一個(gè)正弦波。調(diào)功方式輸入電爐的平均功率為：P——輸入電爐的功率；R——負(fù)載有效電阻；U——電網(wǎng)電壓；n——允許導(dǎo)通的波頭數(shù)；N——設(shè)定的波頭數(shù)。當(dāng)n＝0時(shí)，電爐的輸入功率為零；n＝N，電爐的輸入功率為滿功率?！锞чl管數(shù)字觸發(fā)輸出通道設(shè)計(jì)過零檢測同步脈沖電路：電網(wǎng)電壓同步脈沖3)撥碼盤給定輸入通道

撥碼盤作為數(shù)字量的輸入設(shè)備，設(shè)定和修改碼盤值可作為控制系統(tǒng)的給定值。輸入非數(shù)字信息時(shí)，需要事先將非數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼，再由撥碼盤輸入。

4)數(shù)碼顯示輸出通道

包括：

?數(shù)字量輸出接口電路

?鎖存譯碼驅(qū)動(dòng)電路

?七段數(shù)碼管顯示器爐溫顯示：一位顯示溫區(qū)代號(hào)，四位顯示4位溫度值；網(wǎng)帶速度顯示：一位顯示網(wǎng)帶速度代號(hào)，四位顯示網(wǎng)帶速度。

5)打印機(jī)輸出通道?系統(tǒng)配置了通用打印機(jī)接口電路。?打印內(nèi)容包括表頭、制表、采樣數(shù)據(jù)和采樣時(shí)間。二、微型計(jì)算機(jī)選擇

控制系統(tǒng)選取采用STD總線標(biāo)準(zhǔn)的模塊式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。本系統(tǒng)：?主機(jī)板采用8098單片機(jī)多功能CPU模板，主頻9MHz。

?配置了顯示及操作面板接口模板。

?打印機(jī)接口模板。

?非通用數(shù)字觸發(fā)控制模板。

?反饋通道的V／F變換及A／D轉(zhuǎn)換模板。

三、控制算法設(shè)計(jì)

整系統(tǒng)屬于多變量系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)描述傳遞矩陣為：

其中：離散后可近似為：式中：y(k)——9×9矩陣；U（k）——9×1矩陣；A—9×9矩陣；B—9×9矩陣。對于系統(tǒng)的每一個(gè)溫區(qū)，其簡化動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)：廣義傳遞函數(shù)為：廣義脈沖傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)為：進(jìn)一步簡化為：

式中：

差分化后得到控制器差分方程：四、硬件設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)有：

?

前級放大器及多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)。

?

A／D轉(zhuǎn)換模板。

?

數(shù)字觸發(fā)控制模板。五、軟件設(shè)計(jì)★系統(tǒng)控制程序的任務(wù)?

系統(tǒng)初始化。?

多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)的切換控制。?

溫度反饋信號(hào)采樣和數(shù)字濾波、線性化處理。?

讀給定輸入值，且將BCD碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼。