精品课件-计算机控制技术-第8章
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(5) 图纸、 资料齐全， (6) 有丰富的系统软件， 如汇编、 反汇编、 交叉汇编、 DEBUG调试软件、 高级语言、 汉字处理软件等。 特别对系 统机要求具有自开发能力， 最好能配备一定的应用软件。 对 单片机来讲， 要有比较完整的监控程序。
第8章 计算机控制系统的设计
2. 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经 常使用的方法。 这种方法具有针对性强， 投资少， 系统简 单、 灵活等特点， 特别对于批量生产， 更有独特的优势。
(1) 选主机时要适当留有余地， 既要考虑当前应用， 又要照顾长远发展， 因此， 要求系统有较强的扩展能力。
第8章 计算机控制系统的设计
(2) 主机能满足设计要求， 外设尽量配备齐全， 最好 由一个厂系配齐。
(3) 系统要具有良好的结构， 便于使用和维修， 尽可 能选购具有标准总线的产品。
(4) 要选择那些技术力量雄厚， 维修力量强， 并能提
第8章 计算机控制系统的设计
2) 气动调节阀具有结构简单， 操作方便， 使用可靠， 维 护容易， 防火防爆等优点， 目前广泛应用于石油、 冶金、 电力系统中。 气动调节阀门再配以电-气阀门定位器， 如 ZPD—01电气阀门定位器， 将4 mA～20 mA的直流信号转换成 0.02 MPa～0.1 MPa的标准气压信号， 以便驱动薄膜调节阀， 并利用气动薄膜阀的阀杆位移进行反馈， 来改善阀门位置的 线性度， 克服阀杆的各种附加摩擦力和消除被调介质压力的 变化影响， 从而使阀门位置能按调节信号实现正确定位。
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； 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， 可以方便地进行系统设计。
第8章 计算机控制系统的设计
下面提出几条原则供选择时参考。 (1) 选用内部不含ROM或EPROM的芯片比较合适， 如8031， 通过外部扩展ROM和RAM即可构成一个系统。 这样， 不需专 用设备即可固化应用程序。 (2) 若设计的系统批量比较大， 可选用带ROM或EPROM的 单片机， 如8051， 8751和 89C51等， 这样可使系统更加 简单。
第8章 计算机控制系统的设计
4. 选择输入/ 计算机控制系统的过程通道， 通常应根据被控对象参数 的多少来确定， 并根据系统的规模及要求， 配以适当的外围 设备， 如打印机、 CRT、 磁盘驱动器、 绘图仪、 CDROM等， 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。
第8章 计算机控制系统的设计
4) 液压伺服机构(如油缸和油电机)将油液的压力能转换成机 械能， 驱动负载直线或回转运动。 液压传动的主要优点是： ① 能方便地进行无级调速； ② 单位重量的输出功率大， 结构紧凑， 惯性小， 且能传送大扭矩和较大的推力； ③ 控制和调节简单、 方便、 省力， 易于实现自动控制和过载 保护。
图8.2 分时采样、 分时转换型多路模拟量输入通道
第8章 计算机控制系统的设计
在图8.2所示系统中， 被测参数经多路开关一个一个地 被切换到S/H和A/D转换器进行转换。 由于各参数是串行输入 的， 所以转换时间比较长， 但它的最大优点是节省硬件开销。 这是目前微型机系统中应用最多的一种模拟量输入通道结构形 式。
系统(或芯片)是十分重要的， 它直接关系到系统的投资及规 模， 一般根据总体方案进行选择。
第8章 计算机控制系统的设计
1) 如果系统的任务比较大， 需要的外设比较多， 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工 业控制机， 如工业PC、 STD总线工业控制机等。 这些机器 不仅提供了具有多种装置的主机系统板， 而且还配备了各种 接口板， 如多通道模拟量输入/输出板、 开关量输入/输出 板， CRT图形显示板， 扩展用 RS-232C、 RS-422和RS-485 总线接口板， EPROM智能编程板等。 这些系统模块一般采用 PC总线和STD总线， 它们具有很强的硬件功能和灵活的I/O扩 展能力， 不但可以构成独立的工业控制机， 而且具有较强的 开发能力。 这些机器不仅可以使用汇编语言， 而且可以使用 高级语言， 如BASIC语言、 C语言等。 在工业PC中， 还配 有专用的组合软件， 给微型计算机控制系统的软件设计带来 了极大的方便。
第8章 计算机控制系统的设计
3) 由于步进电机可以直接接受数字量， 而且具有速度快、 精度高等优点， 所以， 随着计算机控制技术的发展， 用步 进电机做执行机构的控制系统逐渐增加， 如数控机床、 X— Y记录仪、 高射炮自动跟踪、 电子望远镜和大型电子显微镜、 旋转变压器、 多圈电位器等都采用步进电机。
第8章 计算机控制系统的设计
2. 数字化PID 由于被控对象是复杂的， 因此并非所有的系统均可求出 数学模型， 有些即使可以求出来， 但由于被控对象环境的影 响， 许多参数经常变化， 因此很难进行直接数字控制， 此 时最好选用数字化PID控制。 在PID控制算法中， 以位置型 和增量型两种PID为基础， 根据系统的要求， 可对PID控制 进行必要的改进。 通过各种组合， 可以得到更圆满的控制系 统， 以满足各种不同控制系统的要求， 例如串级PID控制就 是人们经常采用的控制方法之一。 所谓串级控制就是第一级数字PID的输出不直接用来控制 执行机构， 而是作为下一级数字PID的输入值， 与第二级的 测量值进行比较形成偏差， 将偏差作为第二级数字PID控制 器的输入进行运算。 照此办法， 也可以实现多级PID嵌套， 如图8.1所示。
第8章 计算机控制系统的设计
2) 和TP801单片机一样， 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、 存储器及I/O接口、 LED显示器和小键盘， 通常使用汇编语言， 再配以各类I/O 接口板， 就可组成简单的控制系统。 这种机器的特点是价格 便宜， 常用于小系统或顺序控制系统。 由于单片机品种繁多， 选用整机时应特别注意以下几点：
第8章 计算机控制系统的设计
(3) 如果需要用高级语言， 则可选用芯片内部固化高级 语言编译(或解释)程序的单片机。 如Z8671固化有 BASIC/DEBUG解释程序， 8052内固化有BASIC语言， R65F11(R65F12)内固化有FORTH语言； 8044中则固化有实时 任务操作系统iRMX-51以及最近几年出现的C51、 C96等， 给 用户带来了极大的方便。
第8章 计算机控制系统的设计
2. 模拟量输入通道的扩展主要有下面两个问题。 1) 一般来说， 微型计算机控制系统是多通道系统, 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 首先要考虑的问题。 多数系统都采用共享A/D和S/H形式， 如图8.2所示。
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
8.1.4 控制系统硬件设计 1. 对单片机系统， 由于单片机有4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 的微型计算机相比， 扩大了一倍多。 扩展时， 首先要注意 单片机的种类(片内是否有程序存储器); 另一方面， 要把程 序存储器和数据存储器分别安排。
统， 或者是数据处理系统。 如果是闭环控制系统， 还要确 定整个系统是采用直接数字控制(DDC)， 还是采用计算机监 督控制(SCC)， 或者采用分布式控制。
第8章 计算机控制系统的设计
2. 在确定方案的同时， 必须选择好用于检测被控参数的测 量元件， 它是影响控制系统精度的首要因素。 测量各种参数 的传感器， 如温度、 流量、 压力、 液位、 成分、 位移、 重量、 速度等， 种类繁多， 规格各异， 因此， 需要正确 地选择测量元件。 目前许多生产厂商已经开发和研制出专门 用于微型计算机系统的集成化传感器， 给微型计算机系统的 参数检测带来极大的方便。
第8章 计算机控制系统的设计
图8.1 串级控制方块图
第8章 计算机控制系统的设计
3. 在前边两种控制算法中， 对于直接数字控制(DDC)， 由 于某些被控对象的数学模型难以建立， 因而给应用带来一定 的困难。 在PID控制中虽然不用建立模型， 但对任何系统全 部采用比例(P)、 积分(I)、 微分(D)三种控制算法似乎千篇 一律， 有时效果也不甚理想，且计算比较麻烦， 因而实时性 受到一定的影响。 模糊控制既不用像DDC控制那样要求有严格的被控系统数 学模型， 也不像PID控制那么“呆板”， 它是一种非常灵活 的控制方法， 只要根据实验数据找出Fuzzy控制规律， 便能 达到所要求的控制效果。 这是近年来微型计算机控制算法的 一大发展， 受到了广泛的关注。
但是， 当被测参数有多个相关量时， 则需选用多路S/H 共享A/D形式， 如图8.3所示。
第8章 计算机控制系统的设计
图8.3 同时采样、 分时转换型多路模拟量输入通道
第8章 计算机控制系统的设计
2) A/D 设计时一定要根据被控对象的实际要求选择A/D转换器。 在满足系统要求的前提下， 尽量选用位数比较低的A/D转换 器。 近年来， 出现了一些新型的高精度廉价A/D转换器， 如 V/F变换器以及串行A/D转换器。 由于单片机(MCS-51) 内 包含两个16位定时器/计数器及全双工串行口， 因而采用V/F 变换器以及串行A/D转换器更有其独特的优点。 另一方面， 近年发展起来的数据采集芯片， 如AD363、 DAS1128、 MAX1202/1203， MAX1245/1246等， 在一个芯片中具备多路 开关(4、 8或16路)、 放大器、 S/H和12位A/D等多种电路， 给模拟通道的设计带来极大的方便， 但目前这种芯片价格还 比较贵。
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
8.1 微型机控制系统的设计方法及步骤 8.2 炉温计算机控制系统 8.3 多容液位控制系控制系统的设计方法及步骤
8.1.1 控制系统总体方案的确定 1. 根据系统的要求， 首先确定是采用开环系统还是闭环系
第8章 计算机控制系统的设计
3. 1) 电动执行机构具有响应速度快， 与计算机接口连接容易 等优点， 因而成为计算机控制系统的主要执行机构。 如 DKJ或DKZ电动执行器， 专门用来把输入的 4 mA～20 mA直流 信号转换成相应的角位移或直线位移， 以带动风门、 挡板、 阀门等动作， 从而完成自动调节的任务。
(4) 根据用户的特殊要求及性价比等诸多因素， 注意 选用具有特殊功能的单片机如带有4个捕获通道的87C51FX系 列。
第8章 计算机控制系统的设计
8.1.3 1. 当被控对象的数学模型能够确定时， 可采用直接数字控
制， 如第5章讲的最少拍随动系统、 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、 最优控制 及自适应控制等。 所谓数学模型就是系统动态特性的数学表 达式， 它表示系统输入、 输出之间的关系。 一般多用实验 的方法测出系统的飞跃特性曲线， 然后再由此曲线确定出其 数学模型， 因而加快了系统模型的建立。 当系统模型建立以 后， 即可选定上述某一种算法， 设计数字控制器， 并求出 差分方程。 计算机的主要任务就是按求出的差分方程计算出 控制量并输出， 进而实现计算机自动控制。
第8章 计算机控制系统的设计
5. 前面4步完成以后， 结合工业流程图， 最后要画出一个 完整的控制系统原理图， 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。 控制系统原理 图是整个系统的总图， 要求简单、 清晰、 明了。
第8章 计算机控制系统的设计
8.1.2 1. 根据被控对象的任务， 选择适合系统应用的微型计算机
第8章 计算机控制系统的设计
2. 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经 常使用的方法。 这种方法具有针对性强， 投资少， 系统简 单、 灵活等特点， 特别对于批量生产， 更有独特的优势。
(1) 选主机时要适当留有余地， 既要考虑当前应用， 又要照顾长远发展， 因此， 要求系统有较强的扩展能力。
第8章 计算机控制系统的设计
(2) 主机能满足设计要求， 外设尽量配备齐全， 最好 由一个厂系配齐。
(3) 系统要具有良好的结构， 便于使用和维修， 尽可 能选购具有标准总线的产品。
(4) 要选择那些技术力量雄厚， 维修力量强， 并能提
第8章 计算机控制系统的设计
2) 气动调节阀具有结构简单， 操作方便， 使用可靠， 维 护容易， 防火防爆等优点， 目前广泛应用于石油、 冶金、 电力系统中。 气动调节阀门再配以电-气阀门定位器， 如 ZPD—01电气阀门定位器， 将4 mA～20 mA的直流信号转换成 0.02 MPa～0.1 MPa的标准气压信号， 以便驱动薄膜调节阀， 并利用气动薄膜阀的阀杆位移进行反馈， 来改善阀门位置的 线性度， 克服阀杆的各种附加摩擦力和消除被调介质压力的 变化影响， 从而使阀门位置能按调节信号实现正确定位。
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； 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， 可以方便地进行系统设计。
第8章 计算机控制系统的设计
下面提出几条原则供选择时参考。 (1) 选用内部不含ROM或EPROM的芯片比较合适， 如8031， 通过外部扩展ROM和RAM即可构成一个系统。 这样， 不需专 用设备即可固化应用程序。 (2) 若设计的系统批量比较大， 可选用带ROM或EPROM的 单片机， 如8051， 8751和 89C51等， 这样可使系统更加 简单。
第8章 计算机控制系统的设计
4. 选择输入/ 计算机控制系统的过程通道， 通常应根据被控对象参数 的多少来确定， 并根据系统的规模及要求， 配以适当的外围 设备， 如打印机、 CRT、 磁盘驱动器、 绘图仪、 CDROM等， 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。
第8章 计算机控制系统的设计
4) 液压伺服机构(如油缸和油电机)将油液的压力能转换成机 械能， 驱动负载直线或回转运动。 液压传动的主要优点是： ① 能方便地进行无级调速； ② 单位重量的输出功率大， 结构紧凑， 惯性小， 且能传送大扭矩和较大的推力； ③ 控制和调节简单、 方便、 省力， 易于实现自动控制和过载 保护。
图8.2 分时采样、 分时转换型多路模拟量输入通道
第8章 计算机控制系统的设计
在图8.2所示系统中， 被测参数经多路开关一个一个地 被切换到S/H和A/D转换器进行转换。 由于各参数是串行输入 的， 所以转换时间比较长， 但它的最大优点是节省硬件开销。 这是目前微型机系统中应用最多的一种模拟量输入通道结构形 式。
系统(或芯片)是十分重要的， 它直接关系到系统的投资及规 模， 一般根据总体方案进行选择。
第8章 计算机控制系统的设计
1) 如果系统的任务比较大， 需要的外设比较多， 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工 业控制机， 如工业PC、 STD总线工业控制机等。 这些机器 不仅提供了具有多种装置的主机系统板， 而且还配备了各种 接口板， 如多通道模拟量输入/输出板、 开关量输入/输出 板， CRT图形显示板， 扩展用 RS-232C、 RS-422和RS-485 总线接口板， EPROM智能编程板等。 这些系统模块一般采用 PC总线和STD总线， 它们具有很强的硬件功能和灵活的I/O扩 展能力， 不但可以构成独立的工业控制机， 而且具有较强的 开发能力。 这些机器不仅可以使用汇编语言， 而且可以使用 高级语言， 如BASIC语言、 C语言等。 在工业PC中， 还配 有专用的组合软件， 给微型计算机控制系统的软件设计带来 了极大的方便。
第8章 计算机控制系统的设计
3) 由于步进电机可以直接接受数字量， 而且具有速度快、 精度高等优点， 所以， 随着计算机控制技术的发展， 用步 进电机做执行机构的控制系统逐渐增加， 如数控机床、 X— Y记录仪、 高射炮自动跟踪、 电子望远镜和大型电子显微镜、 旋转变压器、 多圈电位器等都采用步进电机。
第8章 计算机控制系统的设计
2. 数字化PID 由于被控对象是复杂的， 因此并非所有的系统均可求出 数学模型， 有些即使可以求出来， 但由于被控对象环境的影 响， 许多参数经常变化， 因此很难进行直接数字控制， 此 时最好选用数字化PID控制。 在PID控制算法中， 以位置型 和增量型两种PID为基础， 根据系统的要求， 可对PID控制 进行必要的改进。 通过各种组合， 可以得到更圆满的控制系 统， 以满足各种不同控制系统的要求， 例如串级PID控制就 是人们经常采用的控制方法之一。 所谓串级控制就是第一级数字PID的输出不直接用来控制 执行机构， 而是作为下一级数字PID的输入值， 与第二级的 测量值进行比较形成偏差， 将偏差作为第二级数字PID控制 器的输入进行运算。 照此办法， 也可以实现多级PID嵌套， 如图8.1所示。
第8章 计算机控制系统的设计
2) 和TP801单片机一样， 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、 存储器及I/O接口、 LED显示器和小键盘， 通常使用汇编语言， 再配以各类I/O 接口板， 就可组成简单的控制系统。 这种机器的特点是价格 便宜， 常用于小系统或顺序控制系统。 由于单片机品种繁多， 选用整机时应特别注意以下几点：
第8章 计算机控制系统的设计
(3) 如果需要用高级语言， 则可选用芯片内部固化高级 语言编译(或解释)程序的单片机。 如Z8671固化有 BASIC/DEBUG解释程序， 8052内固化有BASIC语言， R65F11(R65F12)内固化有FORTH语言； 8044中则固化有实时 任务操作系统iRMX-51以及最近几年出现的C51、 C96等， 给 用户带来了极大的方便。
第8章 计算机控制系统的设计
2. 模拟量输入通道的扩展主要有下面两个问题。 1) 一般来说， 微型计算机控制系统是多通道系统, 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 首先要考虑的问题。 多数系统都采用共享A/D和S/H形式， 如图8.2所示。
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
8.1.4 控制系统硬件设计 1. 对单片机系统， 由于单片机有4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 的微型计算机相比， 扩大了一倍多。 扩展时， 首先要注意 单片机的种类(片内是否有程序存储器); 另一方面， 要把程 序存储器和数据存储器分别安排。
统， 或者是数据处理系统。 如果是闭环控制系统， 还要确 定整个系统是采用直接数字控制(DDC)， 还是采用计算机监 督控制(SCC)， 或者采用分布式控制。
第8章 计算机控制系统的设计
2. 在确定方案的同时， 必须选择好用于检测被控参数的测 量元件， 它是影响控制系统精度的首要因素。 测量各种参数 的传感器， 如温度、 流量、 压力、 液位、 成分、 位移、 重量、 速度等， 种类繁多， 规格各异， 因此， 需要正确 地选择测量元件。 目前许多生产厂商已经开发和研制出专门 用于微型计算机系统的集成化传感器， 给微型计算机系统的 参数检测带来极大的方便。
第8章 计算机控制系统的设计
图8.1 串级控制方块图
第8章 计算机控制系统的设计
3. 在前边两种控制算法中， 对于直接数字控制(DDC)， 由 于某些被控对象的数学模型难以建立， 因而给应用带来一定 的困难。 在PID控制中虽然不用建立模型， 但对任何系统全 部采用比例(P)、 积分(I)、 微分(D)三种控制算法似乎千篇 一律， 有时效果也不甚理想，且计算比较麻烦， 因而实时性 受到一定的影响。 模糊控制既不用像DDC控制那样要求有严格的被控系统数 学模型， 也不像PID控制那么“呆板”， 它是一种非常灵活 的控制方法， 只要根据实验数据找出Fuzzy控制规律， 便能 达到所要求的控制效果。 这是近年来微型计算机控制算法的 一大发展， 受到了广泛的关注。
但是， 当被测参数有多个相关量时， 则需选用多路S/H 共享A/D形式， 如图8.3所示。
第8章 计算机控制系统的设计
图8.3 同时采样、 分时转换型多路模拟量输入通道
第8章 计算机控制系统的设计
2) A/D 设计时一定要根据被控对象的实际要求选择A/D转换器。 在满足系统要求的前提下， 尽量选用位数比较低的A/D转换 器。 近年来， 出现了一些新型的高精度廉价A/D转换器， 如 V/F变换器以及串行A/D转换器。 由于单片机(MCS-51) 内 包含两个16位定时器/计数器及全双工串行口， 因而采用V/F 变换器以及串行A/D转换器更有其独特的优点。 另一方面， 近年发展起来的数据采集芯片， 如AD363、 DAS1128、 MAX1202/1203， MAX1245/1246等， 在一个芯片中具备多路 开关(4、 8或16路)、 放大器、 S/H和12位A/D等多种电路， 给模拟通道的设计带来极大的方便， 但目前这种芯片价格还 比较贵。
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
8.1 微型机控制系统的设计方法及步骤 8.2 炉温计算机控制系统 8.3 多容液位控制系控制系统的设计方法及步骤
8.1.1 控制系统总体方案的确定 1. 根据系统的要求， 首先确定是采用开环系统还是闭环系
第8章 计算机控制系统的设计
3. 1) 电动执行机构具有响应速度快， 与计算机接口连接容易 等优点， 因而成为计算机控制系统的主要执行机构。 如 DKJ或DKZ电动执行器， 专门用来把输入的 4 mA～20 mA直流 信号转换成相应的角位移或直线位移， 以带动风门、 挡板、 阀门等动作， 从而完成自动调节的任务。
(4) 根据用户的特殊要求及性价比等诸多因素， 注意 选用具有特殊功能的单片机如带有4个捕获通道的87C51FX系 列。
第8章 计算机控制系统的设计
8.1.3 1. 当被控对象的数学模型能够确定时， 可采用直接数字控
制， 如第5章讲的最少拍随动系统、 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、 最优控制 及自适应控制等。 所谓数学模型就是系统动态特性的数学表 达式， 它表示系统输入、 输出之间的关系。 一般多用实验 的方法测出系统的飞跃特性曲线， 然后再由此曲线确定出其 数学模型， 因而加快了系统模型的建立。 当系统模型建立以 后， 即可选定上述某一种算法， 设计数字控制器， 并求出 差分方程。 计算机的主要任务就是按求出的差分方程计算出 控制量并输出， 进而实现计算机自动控制。
第8章 计算机控制系统的设计
5. 前面4步完成以后， 结合工业流程图， 最后要画出一个 完整的控制系统原理图， 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。 控制系统原理 图是整个系统的总图， 要求简单、 清晰、 明了。
第8章 计算机控制系统的设计
8.1.2 1. 根据被控对象的任务， 选择适合系统应用的微型计算机