计算机控制技术chapter9

绿 红
P1.1 P1.0
PSEN T0
T1
P1.3
EA
WR
RD P3.3
.
... .
9.3.1 硬件电路
CE
1/2
74LS 373
A0 A1 A2
2732
A7~ 0 OC D7~ 0
. ..
.
.
ALE CE IO/M
8155
WR RD A7~ 0
CLK D7~ 0 OE ALE START C IN0 B ACD A 0809 EOC
.
.. .
键盘与显示
过零信号发生器
MC 14528
LM311
~220V
..
.
.
光 耦
驱 动 器
74LS00TIL117
加热丝
变送器
热电偶
图9-2 电阻炉炉温控制系统原理图
1. 检测元件及变送器
检测元件选用镍铬-镍铝热电偶，分度号为 EU ， 适 用 于 0℃~1000℃ 的 温 度 测 量 范 围 ， 相 应 输出电压为0mV~41.32mV。
变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成： 毫伏变送器用于把热电偶输出的0~41.32mV变换 成0~10mA范围内的电流；电流/电压变送器用于 把毫伏变送器输出的0~10mA电流变换成0~5V范 围内的电压。
表9-1 温度-数字量对照表
2. 接口电路
8031 的 接 口 电 路 有 ADC0809 、 8155 和 2732等。本系统采用ADC0809型A/D转换器， 该 芯 片 为 8 位 逐 次 逼 近 型 A/D 转 换 器 。 ADC0809 为 温 度 测 量 电 路 的 输 入 接 口 ； 8155 用 于 键 盘 和 显 示 接 口 ； 2732 作 为 8031 外部程序(ROM)存储器。
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微机控制系统的设计方法及步骤
1. 确定系统整体控制方案
第一：要从系统构成上考虑，是采用开环控 制还是闭环控制。 第二：考虑执行机构采用什么方案，是采用 电机驱动、液压驱动还是其他方式驱动，比 较各种方案，择优而用。 第三：考虑是否有特殊控制要求。
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2. 确定控制算法
（1）确定算法能否满足控制速度、精度和系 统稳定性的要求。
•
有关微机应用系统可靠性的问题是一个
十分重要而又复杂的课题。可靠性设计应包括
硬件的、软件的、电源的、环境的及电磁兼容
性的设计等，由于本书内容的限制，请读者参
阅有关资料。
设计原则： ☻可靠性高 ☻通用性好
☻操作性好 ☻实施性强 ☻经济效益高
一般设计步骤： ► 系统总体控制方案设计 ► 微型计算机选择 ► 控制算法设计 ► 硬件设计 ► 软件设计 ► 系统联调
★ 确定具体要求 ► 管理要求 ► 输入输出要求 ► 语言加工要求 ► 功能处理要求
★ 软件规划 ► 模式选择 ► 语言选择 ► 汇编语言 ► 高级语言 ► 确定数据结构 ► 划分程序块 ► 确定程序编制顺序 ► 内存安排 ► 用符号来代替某部分程序的首址。 ► 粗略估算各部分容量 ► 根据具体情况对内存作精确安排
偿控制、最少拍控制、串级控制、前馈控制、解耦控制、 模糊控制、最优控制等。 3) 系统的硬件结构及配置，主要的软件功能、结构及框图。 4) 方案比较和选择。 5) 保证性能指标要求的技术措施。 6) 抗干扰和可靠性设计。机柜或机箱的结构设计。 7) 经费和进度计划的安排。
微机控制系统设计的基本要求和特点
调试硬件 是
硬件错否? 否
开始 控制对象的功能和工作过程分析
估算及分配I/O口,存储器 容量及外围设备
画系统工艺流程图 硬件设计
软件设计
I/O口的具体分配
画系统程序框图
系统部件的详细设计
编制源程序
部件芯片老化 筛选和测试
汇编
布线及安装
形成目标程序
系统试运行
调试和仿真
否 完成否?
是 结束设计
否 完成否? 是 写入EPROM
4. 系统总体设计
（1）估计内存容量、进行内存分配 （2）过程通道和中断处理方式的确定 （3）系统总线的选择 （4）操作台的控制
5. 硬件和软件的具体设计
（1）硬件设计：根据系统总体框图，设计 出系统电气原理图，再按照电气原理图着 手元件的选购和开始施工设计工作。 （2）软件设计：①实时性。 ②针对性。 ③灵活性和通用性。 ④可靠性。
图 9 1 控 制 系 统 设 计 步 骤 流 程 图
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-
9.3 微机控制系统设计举例 一
（电阻炉炉温控制系统） • 3.1 硬件电路 • 3.2 数字控制器的数学模型 • 3.3 控制系统程序设计
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..
8031
P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 ALE
P0
红
P1.2
一、确定系统总体控制方案 构思系统的整体方案，应从以下几方面入手 ：
► 考虑系统结构 ► 执行机构采用什么方案 ► 有否特殊控制要求？特殊要求应采取那些措施。 ► 确定计算机在整个控制系统中所起的作用 二、确定控制算法 三、选择计算机 所选计算机应满足以下要求： ► 完善的中断系统 ► 足够的存储容量 ► 完备的I/O通道和实时时钟
输 入接 口 微
处 输 出接 口
理
输 入通 道
信 号变 换 电路
控 制
监
测
信 号变 换
对
输 出通 道
电路
象
机 外 存储 器
监 视及 报 警 设备
操作控制台
计算机应用系统硬件的一般组成
六、软件设计
软件
系统软件 应用软件
组织应用软件的内容及步骤： ► 确定具体要求 ► 软件规划 ► 程序编制 ► 软件调试 ► 善后工作
示灯等。 ★ 可靠性设计
五、硬件设计 任务：根据系统总体框图，设计出系统的电气原理图，再按
照电气原理图选购元件和进行施工设计。 包括： ► 接口电路和I/O通道的扩充
► 组合逻辑或时序逻辑电路 ► 供电电源 ► 光电隔离 ► 电平转换 ► 驱动放大电路等
常 规外 围 设 备
BUS
外 部接 口 及 设备
9.1.2 系统设计的步骤
• 1.工程项目与控制任务的确定阶段
工程项目与控制任务的确定一般按图9.1所示的流程进行
。 • 2.工程项目的设计阶段
工程项目的设计阶段的流程图。
• 3. 离线仿真和调试阶段 • 4。在线调试呵运行阶段
9.2 系统的工程设计与实现
• 9.2.1 系统总体方案设计 • 9.2.2 微机控制系统设计的基本要求和特点 • 9.2.3 微机控制系统的设计方法及步骤 • 9.2.4 系统的调试与运行
如一台微机可以承担系统的主要控制工
作，而另一台可以执行诸如数据处理等
一般性的工作。当其中一台发生故障时
，故障机能自动地脱离系统，另一台微
机就自动地承担起系统的所有任务，以
保证系统的正常工作。
B BUS
第一级
A1
A2
…
An
被测控对象
图8―2 多微机集散控制示意图
•
2) 采用多微机集散控制系统
•
多微机集散控制系统结构是目前
（2）确定某些情况下要进行修改与补充。
（3）确定为设计、调试方便，可将控制算法 作合理的简化，逐步将控制算法完善，直到获 得最好的控制效果。
3. 选择微型计算机和外围设备
（1）较完善的中断系统 （2）足够的存储容量 （3）完备的输入输出通道和实时时钟 （4）字长 （5）速度 （6）指令种类和数量 （7）寻址范围和寻址方式 （8）内部存储器的种类和数量
当投入系统运行的那一台微机出现故障
时，通过专门的程序和切换装置，自动
地把备份机切入系统，以保持系统正常
运行。被替换下来的微机经修复后，就
变成系统的备份机，这样可使系统不因
主机故障而影响系统正常工作。
•
(2) 主 - 从 工 作 方 式 。 这 种 方 式 是
两台微机同时投入系统运行。在正常情
况下，这两台微机分别执行不同任务。
《计算机控制技术》电子教案
第9章 计算机控制系统设计与实现
9.1 系统设计的原则与步骤 9.2 系统的工程设计与实现 9.3 计算机控制系统设计举例
9.1 系统设计的原则与步骤
• 9.1.1 系统设计的原则 • 9.1.2 系统设计的步骤
9.1.1 系统设计的原则
• 1.安全可靠 • 2.操作维护方便 • 3.实时性强 • 4.通用性好 • 5.经济效益高
9.2.1 系统总体方案设计
• 1.硬件总体方案设计
硬件总体方案设计主要包含一下几个方面的内容。
1) 确定系统的结构和类型 2) 确定系统的构成方式 3) 现场设备选择 4) 其它方面的考虑
• 2.软件总体方案设计
3.系统总体方案
将上面的硬件总体方案和软件总体方案合在一起构成系
统的总体方案。总体方案论证可行后，要形成文件，建立总体方 案文档。系统总体文件的内容包括： 1) 系统的主要功能、技术指标、原理性方框图及文字说明。 2) 控制策略和控制算法，例如PID控制、达林算法、Smith补
1. 设计的基本要求 （1）系统操作性能要好 （2）通用性好、便于扩充 （3）可靠性要高
①采用双机系统。 ②采用集散控制系统。
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2. 设计特点
在进行微机控制系统设计时，系统设计人 员必须把系统要执行的任务和应具备的功能合 理地分配给硬件和软件来实现，做到合理权衡 硬件、软件的配置，并尽量节省机器时间和内 存空间。硬件设计主要采用大规模集成电路。
► 中断控制读取I／O方式 ► 直接存储器存取方式
★ 通道设计 系统I/O通道： ► 数字量I/O通道
► 开关量I/O通道 ► 模拟量I/O通道 ► 脉冲量I/O通道 在总体设计中，应确定本系统应设置什么样的通道、每个通道 由几部分组成，各部分选用什么器件等。 ★ 操作员控制台设计 包括：各种转换开关、按钮、键盘、数字显示器、状态故障指
四、系统总体设计 ★ 硬件软件功能分配与协调 大量使用硬件会增加成本，影响系统可靠性；增加软件，系
统速度相应降低 。 ★ 接口设计 接口设计内容： ► 扩充接口
► 安排接口电路的I/O信号及交换方式。 常用的扩充方法： ► 选用专门的功能接口板
► 选用通用接口电路 ► 用集成电路自行设计接口电路 接口电路I/O信号的交换方式：
★ 程序编排和分配 ★ 软件装配和总调 ★ 软件设计的善后工作
系统软件
操作系统

语言加工系统
编 编 连辑 译 接、程 程装序 序配程序

诊断系统

调试程序 子程序库

软件
应用软件 控数巡数制据回据程采检管序集测理及程程处序序理 程数 越 事 画序据 限 故 面采 报 预 显 数A数线集 警 告 示／据字性程程程程D可滤化序序序序转靠波处换性程理及检序程采查序样程程序序
3. 温度控制电路如图
双向可控硅和加热丝串接在交流回路，因 此可控硅导通时间决定加热丝的 加热功率。图 9-3给出了可控硅在给定周期T内具有不同导通 时间的情况。过零信号是正弦交流电压过零时 刻的同步脉冲，可使可控硅在交流电压正弦波 过零后触发导通。过零同步脉冲由过零触发电 路产生，如图9-4所示。
提高系统可靠性的一个重要发展趋势。
如果把系统的所有任务分散地由多台微
机来承担,为了保持整个系统的完整性，
还需用一台适当功能的微机作为上一级
的管理主机，第一级由多台微机分别对
各被控对象进行控制，而上一级的微机
通过总线与下一级的微机相连接，并对
它们实施管理和监督。
•
多级分散应用系统可以使微机的故障
对系统所产生的影响减至最小。如果第一级中 某一台微机发生故障，其影响是很小的一个局 部，而且故障机所承担的任务还可以由上一级 主机来接替，因此，系统工作基本不受影响。 如果上一级管理机发生了故障，则下一级微机 仍可以独立维持对被控对象的控制，直到上一 级管理机排除故障为止。
•
1) 采用双机系统
•
在双机系统中，用两台微机作为
系统的核心控制器。由于两台微机同时
发生故障的概率很小，从而大大提高了
系统的可靠性。双机系统中两台微机的
工作方式，常见的有以下几种。
•
(1)备份机工作方式。在这种方式
中，一台微机投入系统 运行，另一台虽
然也同样处于运行状态，但是它是脱离
系统的，只是作为系统的一台备份机。
6. 系统联调
系统联调是要把已调好的各程序功能 块按照总体设计要求连成一个完整的程序。 程序调试完成后，还要进行在线仿真，然 后进行试运行。经过一段考机和试运行后， 即可投入正式运行。
• 7. 可靠性高
• 对任何计算机应用系统来说，尽管各 种各样的要求很多，但可靠性是最突出 和最重要的一个。因为一个系统能否长 时期安全可靠地正常工作，对一个工厂 来说将要影响到整个装置、整个车间， 乃至整个工厂的正常生产。一旦故障发 生，就会造成整个生产过程的全面混乱 甚至瘫痪，从而引起严重后果，所以对 可靠性有很高的要求。特别是作为控制 核心的微机，其可靠性要求则更高。提 高可靠性常采用双机系统和多微机集散 控制。