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1、第8章 计算机控制系统的设计8.1 微型机限制系统的设计方法及步骤8.2 炉温计算机限制系统8.3 多容液位限制系统(自学)第第8 8章章 计算机限制系统的设计计算机限制系统的设计第8章 计算机控制系统的设计 计算机限制系统的设计，既是一个理论问题，又是一个工程问题，涉及自动限制理论、计算机技术、检测技术、通信技术、电工电子技术等。计算机限制系统的设计原则：操作性能好，维护与修理便利；通用性好，便于扩展；牢靠性高；实时性好，适应性强；经济效益好。8.1 8.1 微型机限制系统的设计方法及步骤微型机限制系统的设计方法及步骤第8章 计算机控制系统的设计限制系统总体方案的确定限制系统总体方案的确定微
2、型计算机及接口的选择微型计算机及接口的选择限制算法的选择限制算法的选择限制系统硬件设计限制系统硬件设计限制系统软件设计限制系统软件设计微型计算机限制系统的调试微型计算机限制系统的调试微型机限制系统的设计步骤：微型机限制系统的设计步骤：第8章 计算机控制系统的设计8.1.1 限制系统总体方案的确定限制系统总体方案的确定1.确定限制系统方案确定限制系统方案依据系统的要求，首先确定是接受开环系统还是闭环系依据系统的要求，首先确定是接受开环系统还是闭环系统，或者是数据处理系统。统，或者是数据处理系统。2.选择检测元件选择检测元件在确定方案的同时，必需选择好用于检测被控参数的测在确定方案的同时，必需选择
3、好用于检测被控参数的测量元件，它是影响限制系统精度的首要因素。量元件，它是影响限制系统精度的首要因素。3.选择执行机构选择执行机构 执行机构是计算机限制的重要组成部件，它的选择一方执行机构是计算机限制的重要组成部件，它的选择一方面要与限制算法相匹配，另一方面要依据被控对象的实际状面要与限制算法相匹配，另一方面要依据被控对象的实际状况来确定。（电动执行机构，气动调整阀，步进电机，液压况来确定。（电动执行机构，气动调整阀，步进电机，液压伺服机构）伺服机构）第8章 计算机控制系统的设计4.选择输入/输出通道及外围设备计算机限制系统的过程通道，通常应依据被控对象参数的多少来确定，并依据系统的规模及要求
4、，配以适当的外围设备，选择时应考虑以下问题。(l)被控对象参数的数量；(2)各输入/输出通道是串行操作还是并行操作；(3)各通道数据的传输速率；(4)各通道数据的字长及选择位数；(5)对显示、打印有何要求。5.画出系统原理图前面4步完成以后，结合工业流程图，最终要画出一个完整的限制系统原理图，其中包括各种传感器、变送器、外围设备、输入/输出通道及微型计算机等。第8章 计算机控制系统的设计8.1.2 微型计算机及接口的选择微型计算机及接口的选择1.选用成品微型机系统选用成品微型机系统依据被控对象的任务，选择适合系统应用的微型计算机依据被控对象的任务，选择适合系统应用的微型计算机系统系统(或芯片或
5、芯片)是特别重要的，它干脆关系到系统的投资及规是特别重要的，它干脆关系到系统的投资及规模，一般依据总体方案进行选择。模，一般依据总体方案进行选择。1)工业限制机工业限制机假如系统的任务比较大，须要的外设比较多，如打印机、假如系统的任务比较大，须要的外设比较多，如打印机、CRT等，而且设计时间要求比较紧，不妨选用一台现成的等，而且设计时间要求比较紧，不妨选用一台现成的工业限制机（研华工控机）。这些机器不仅供应了具有多种工业限制机（研华工控机）。这些机器不仅供应了具有多种装置的主机系统板，而且还配备了各种接口板。装置的主机系统板，而且还配备了各种接口板。2)单片机系统单片机系统目前有一些由单片机组
6、成的小系统可供选择，它们大都目前有一些由单片机组成的小系统可供选择，它们大都具有单片机、具有单片机、存储器及存储器及I/O接口、接口、LED显示器和小键盘等。显示器和小键盘等。再配以各类再配以各类I/O接口板，就可组成简洁的限制系统。接口板，就可组成简洁的限制系统。第8章 计算机控制系统的设计 2.利用单片机芯片自行设计选择合适的单片机芯片，针对被控对象的具体任务，自行开发和设计一个单片机系统是目前微型计算机系统设计中常常运用的方法。这种方法具有针对性强，投资少，系统简洁、敏捷等特点，特殊对于批量生产，更有独特的优势。事实上，目前已经具备了单片机系统开发工作的条件：一是有了各种各样的开发工具；
7、二是市场芯片资源丰富，且价格便宜；三是技术已经成熟，现在有很多关于单片机的图书、资料供设计者参考。利用各种硬件电路、各种系统软件和应用软件，可以便利地进行系统设计。第8章 计算机控制系统的设计8.1.3 限制算法的选择限制算法的选择1.干脆数字限制干脆数字限制当被控对象的数学模型能够确定时，可接受干脆数字限当被控对象的数学模型能够确定时，可接受干脆数字限制，如最少拍随动系统、最少拍无纹波系统以及大林算法等。制，如最少拍随动系统、最少拍无纹波系统以及大林算法等。此外，还有最小二乘法系统辨识、最优限制及自适应限制等。此外，还有最小二乘法系统辨识、最优限制及自适应限制等。2.数字化数字化PID限制限
8、制由于被控对象是困难的，因此并非全部的系统均可求出由于被控对象是困难的，因此并非全部的系统均可求出数学模型，数学模型，有些即使可以求出来，但由于被控对象环境的有些即使可以求出来，但由于被控对象环境的影响，很多参数常常变更，因此很难进行干脆数字限制，此影响，很多参数常常变更，因此很难进行干脆数字限制，此时最好选用数字化时最好选用数字化PID限制。限制。3.模糊限制模糊限制模糊限制既不用像模糊限制既不用像DDC限制那样要求有严格的被控系限制那样要求有严格的被控系统数学模型，也不像统数学模型，也不像PID限制那么限制那么“呆板呆板”，它是一种特别，它是一种特别敏捷的限制方法，只要依据试验数据找出敏捷
9、的限制方法，只要依据试验数据找出Fuzzy限制规律，限制规律，便能达到所要求的限制效果。便能达到所要求的限制效果。第8章 计算机控制系统的设计8.1.4 限制系统硬件设计限制系统硬件设计1.存储器扩展存储器扩展对单片机系统，由于单片机有对单片机系统，由于单片机有4种存储器空间，且程序种存储器空间，且程序存储器和数据存储器独立编址，所以其存储容量与同样位数存储器和数据存储器独立编址，所以其存储容量与同样位数的微型计算机相比，扩大了一倍多。实际运用中，已很少进的微型计算机相比，扩大了一倍多。实际运用中，已很少进行存储器扩展。行存储器扩展。2.模拟量输入通道的扩展模拟量输入通道的扩展1)数据采集通道
10、的结构形式数据采集通道的结构形式一般来说，微型计算机限制系统是多通道系统一般来说，微型计算机限制系统是多通道系统,因此选因此选用什么样的结构形式采集数据是进行模拟量输入通道设计时用什么样的结构形式采集数据是进行模拟量输入通道设计时首先要考虑的问题。（共享首先要考虑的问题。（共享S/H和和A/D或多路或多路S/H共享共享A/D的的结构形式）结构形式）2)A/D转换器的选择转换器的选择设计时确定要依据被控对象的实际要求选择设计时确定要依据被控对象的实际要求选择A/D转换器。转换器。在满足系统要求的前提下，尽量选用辨别率低的在满足系统要求的前提下，尽量选用辨别率低的A/D转换器。转换器。另外还可选择
11、另外还可选择 V/F变换器以及串行变换器以及串行A/D转换器、以及数据采转换器、以及数据采集芯片（具备多路开关、放大器、集芯片（具备多路开关、放大器、S/H和和12位位A/D等多种电等多种电路）。路）。第8章 计算机控制系统的设计3.输出通道的扩展模拟量输出通道是微型计算机限制系统与执行机构(或限制设备)连接的桥梁，设计时要依据被控对象的通道数及执行机构的类型进行选择。对于那些能干脆接受数字量的执行机构，可由微型机干脆输出数字量，如步进电机或开关、继电器系统等；对于只能接受模拟量的执行机构(如电动、气动执行机构，液压伺服机构等)，则须要用D/A转换器把数字量转换成模拟量后，再带动执行机构。和输
12、入通道一样，输出通道的设计也有两个方面的问题须要考虑，数据输出通道的连接方式(每个通道设置一个D/A转换器或多通道共享D/A转换器)及D/A转换器的选择。第8章 计算机控制系统的设计4.开关量I/O接口设计在微型计算机限制系统中，除了模拟量输入/输出通道外，常常遇到的还有开关量I/O接口。第8章 计算机控制系统的设计5.操作面板操作面板也叫操作台，它是人机对话的纽带。依据具体状况，操作面板可大可小，大到可以是一个浩大的操作台，小到只有几个功能键和开关。6.系统速度匹配问题在不影响系统速度的前提下，时钟频率选低一些为好,这样可降低系统对其他元器件工作速度的要求，从而降低成本和提高系统牢靠性。7.
13、系统负载匹配问题1)逻辑电路间的接口及负载匹配问题进行系统设计时，有时须要TTL和CMOS两种电路混合运用，但两者要求的电平不一样(TTL高电平为+5 V，CMOS则为+10 V+18 V)，因此，确定要留意电流及负载的匹配问题。2)MCS-51系列单片机负载匹配问题微型计算机与微型计算机之间，微型计算机与I/O接口之间都存在着负载匹配问题。第8章 计算机控制系统的设计8.1.5 限制系统软件设计限制系统软件设计 1.限制系统对应用软件的要求限制系统对应用软件的要求1)实时性实时性由于工业过程限制系统是实时限制系统，所以对应用软由于工业过程限制系统是实时限制系统，所以对应用软件的执行速度都有确
14、定的要求，即能够在被控对象允许的时件的执行速度都有确定的要求，即能够在被控对象允许的时间间隔内对系统进行限制、计算和处理。间间隔内对系统进行限制、计算和处理。2)敏捷性和通用性敏捷性和通用性在应用程序设计中，为了节约内存和具有较强的适应实在应用程序设计中，为了节约内存和具有较强的适应实力，通常要求有确定的敏捷性和通用性。现在多接受模块化力，通常要求有确定的敏捷性和通用性。现在多接受模块化的程序设计结构。的程序设计结构。3)牢靠性牢靠性在微型计算机限制系统中，系统的牢靠性至关重要，它在微型计算机限制系统中，系统的牢靠性至关重要，它是系统正常运行的基本保障。是系统正常运行的基本保障。第8章 计算机
15、控制系统的设计2.软件、硬件折中问题在微型计算机过程限制系统设计中，常遇到的一个问题就是，同样一个功能，例如，计数、逻辑限制等，既可以通过硬件实现，也可以用软件完成，这时须要依据系统的具体状况 确定哪些用硬件完成，哪些用软件实现。这就是所谓的软件、硬件折中问题。一般而言 在系统允许的状况下，尽量接受软件，这样可以节约经费；若系统要求实时性比较强，则可接受硬件。3.软件开发过程软件开发大体包括以下几个方面。(1)划分功能模块及支配程序结构。(2)画出各程序模块具体的流程图。(3)选择合适的语言(如高级语言或汇编语言)编写程序。(4)将各个模块连结成一个完整的程序。第8章 计算机控制系统的设计8.
16、1.6 微型计算机限制系统的调试微型计算机限制系统的调试 1.硬件调试硬件调试依据设计逻辑图制作好试验样机，便进入硬件调试阶段。依据设计逻辑图制作好试验样机，便进入硬件调试阶段。调试工作的主要任务是解除样机故障，其中包括设计错误和调试工作的主要任务是解除样机故障，其中包括设计错误和工艺性故障。工艺性故障。1)脱机检查脱机检查用万用表或逻辑测试笔逐步依据逻辑图检查印刷板中器用万用表或逻辑测试笔逐步依据逻辑图检查印刷板中器件的电源及各引脚的连接是否正确，检查数据总线、地址总件的电源及各引脚的连接是否正确，检查数据总线、地址总线和限制总线是否有短路等故障。有时为了爱护芯片，先对线和限制总线是否有短路
17、等故障。有时为了爱护芯片，先对各管脚电位各管脚电位(或电源或电源)进行检查，确定无误后再插入芯片检查。进行检查，确定无误后再插入芯片检查。2)联机调试联机调试利用仿真器进行调试，视察各部分接口电路是否满足设利用仿真器进行调试，视察各部分接口电路是否满足设计要求。此时可通过运行一些简洁的软件以检查各个接口工计要求。此时可通过运行一些简洁的软件以检查各个接口工作是否正常。作是否正常。假如正常，则说明各接口硬件没问题；否则，假如正常，则说明各接口硬件没问题；否则，应进行针对性的处理。应进行针对性的处理。第8章 计算机控制系统的设计2.软件调试 可以利用仿真软件进行调试(keil C+Proteus)
18、。仿真软件可以不用硬件干脆在PC机上调试程序，待程序基本调试好以后，再移到硬件系统中去调试。这种软件、硬件并行调试方法，可大大加快系统的开发速度。软件调试完成以后，即可通过EPROM程序写入器，将目标代码写入EPROM中，并将其插入机器的相应插座上，系统便可投入运行。3.硬件、软件联合调试经过硬件、软件单独调试后，即可进入硬件、软件联合调试阶段，找出硬件、软件之间不相匹配的地方，反复修改和调试。试验室调试工作完成以后，即可组装成机器，移至现场进行运行和进一步调试，并依据运行及调试中的问题反复进行修改。第8章 计算机控制系统的设计8.2.1 炉温计算机限制系统的原理炉温计算机限制系统的原理本系统
19、接受干脆数字限制系统本系统接受干脆数字限制系统(DDC)，对功率为，对功率为2 kW的的单相电阻炉进行温度限制，要求温度在单相电阻炉进行温度限制，要求温度在400 1000 范围范围内可调，温度稳态误差内可调，温度稳态误差1.5。系统能够完成以下内容：。系统能够完成以下内容：(1)电阻炉温度的检测；电阻炉温度的检测；(2)电阻炉温度的闭环限制；电阻炉温度的闭环限制；(3)电阻炉温度曲线显示和打印。电阻炉温度曲线显示和打印。8.2 炉温计算机限制系统炉温计算机限制系统第8章 计算机控制系统的设计依据系统要完成的任务和要求，考虑到保持本章与前面章节硬件的一样性，选用51系列单片机（AT98C52）
20、,系统组成结构框图如下所示。依据系统要完成的任务和要求，考虑到保持本章与前面章节硬件的一样性，选用51系列单片机（AT98C52）,系统组成结构框图如下所示。第8章 计算机控制系统的设计8.2.2 炉温计算机限制系统硬件设计炉温计算机限制系统硬件设计1.温度检测电路温度检测电路 本系统接受的型（镍铬镍硅）热电偶，其可测量1312以内的温度，线性度较好，而且价格便宜。变送器接受的是高精度的集成芯片MAX6675来完成“热电偶电势温度”的转换，不需外围电路、I/O接线简洁、精度高、成本低。第8章 计算机控制系统的设计 2.时钟电路时钟电路 在系统中须要精确显示升温时间、恒温时间等，因而选用了时钟芯
21、在系统中须要精确显示升温时间、恒温时间等，因而选用了时钟芯片片DS12887构成定时电路来完成对时间的显示及精确计时，也可以不须构成定时电路来完成对时间的显示及精确计时，也可以不须要。要。3.键盘、显示及报警电路键盘、显示及报警电路 系统接受系统接受3*3键盘，由单片机键盘，由单片机P1口限制，可通过按键设定温度和时间。口限制，可通过按键设定温度和时间。显示器选用点阵字符型液晶显示器显示器选用点阵字符型液晶显示器TC1602，TC1602的显示形式是的显示形式是16*2行，可显示炉温、设定时间、实际时间等。报警电路是将单片机的行，可显示炉温、设定时间、实际时间等。报警电路是将单片机的I/O口口
22、与驱动芯片与驱动芯片MC1413相连，通过相连，通过MC1413驱动蜂鸣器。驱动蜂鸣器。4.控温电路控温电路 控温电路包括驱动芯片控温电路包括驱动芯片MC1413、过零型沟通固态继电器（、过零型沟通固态继电器（Z型型SSR）第8章 计算机控制系统的设计第8章 计算机控制系统的设计8.2.3 炉温计算机限制系统软件设计炉温计算机限制系统软件设计1.限制算法设计限制算法设计理论分析和试验证明，电阻炉是一个具有自平衡实力的理论分析和试验证明，电阻炉是一个具有自平衡实力的大惯性大滞后特性的被控对象，可用一个一阶大惯性环节和大惯性大滞后特性的被控对象，可用一个一阶大惯性环节和一个滞后环节来近似描述，考虑
23、到零阶保持器，系统简化后一个滞后环节来近似描述，考虑到零阶保持器，系统简化后其动态结构图如下所示。其动态结构图如下所示。第8章 计算机控制系统的设计被控对象加上零阶保持器的广义对象传递函数为 本系统数字限制器接受增量式PID调整器 或接受前述积分分别、大林算法或模糊PID等，只须要转化为差分方程即可迭代编程。第8章 计算机控制系统的设计2.软件设计 系统的软件由三大模块组成：主程序模块、功能实现模块和运算限制模块。主程序模块：完成系统初始化和电炉丝的导通和关断；功能实现模块：主要由定时中断处理子程序、炉温检测子程序、键盘处理子程序、时间确定子程序、显示子程序、报警子程序等部分组成。运算限制模块
24、：主要由标度转换子程序、滤波子程序、PID限制算法子程序等部分组成。第8章 计算机控制系统的设计8.2.4 炉温计算机限制系统的扩展设计炉温计算机限制系统的扩展设计-远程上位监控远程上位监控 接受工控组态软件完成系统的上位监控。实现人机友好接受工控组态软件完成系统的上位监控。实现人机友好界面，可便利的对温度和参数设置、温度显示、超量报警、界面，可便利的对温度和参数设置、温度显示、超量报警、实时检测、数据打印等操作，数据库管理便利，易于操作。实时检测、数据打印等操作，数据库管理便利，易于操作。工控组态软件主要是指数据采集与过程限制的专用软件，工控组态软件主要是指数据采集与过程限制的专用软件，它们供应自动限制系统监控层一级的软件平台和开发环境，它们供应自动限制系统监控层一级的软件平台和开发环境，运用敏捷的组态方式，运用敏捷的组态方式，能够为用户供应快速构建工业自动能够为用户供应快速构建工业自动限制系统监控功能的、限制系统监控功能的、通用层次的软件工具。通用层次的软件工具。目前工控领目前工控领域常用的工控组态软件有域常用的工控组态软件有Kingview组态王、组态王、西门子的西门子的WinCC组态软件及组态软件及MCGS组态软件。组态软件。第8章 计算机控制系统的设计炉温限制系统的主监控界面