电子系统设计实例教学教材

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电子系统设计
2. 系统功能划分
➢ 一个智能电子系统的设计，既有硬件设计任务，也有软件设 计任务。系统功能的划分既包括应用系统的软、硬件划分， 也包括软、硬件系统内各模块之间的功能划分；
➢ 智能型电子系统的硬件与软件之间有密切的相互制约的联系， 硬件和软件具有一定的互换性；
➢ 由硬件来完成一些功能可以提高工作速度，减少软件工作量； 由软件来完成某些功能，可降低硬件成本、简化电路，提高 系统可靠性；
➢对于大惯性系统的过渡过程控制，一般可采用以下几种控制方案：
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❖开关量控制
➢这种方法通过比较给定值与被控参数的偏
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差来控制输出的状态：开通或关断，因此控
制过程十分简单，也容易实现；
➢但由于输出控制量只有两种状态，使被控
参数在两个方向上变化的速率均为最大，因
此容易引起反馈回路振荡，控制精度不高；
4. 扩展功能
➢ 具有通信能力，可接收其他数据设备发来的命令，或将 结果传送到其他数据设备；
➢ 采用适当的控制方法，当设定温度或环境温度突变时， 减小系统的调节时间和超调量；
➢ 温度控制的静态误差≤0.2℃；
➢ 能自动显示水温随时间变化的曲线。
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二．总体论证
1. 控制方法选择
➢水温控制系统的控制对象具有热储存能力大，惯性也较大的特点， 水在容器内的流动或热量传递都存在一定的阻力，因而可以归于具 有纯滞后的一阶大惯性环节；
➢ 对于较粗的方框还可以作进一步分解，直到每一个子方框至 少可用一个能满足其功能的方案去实现为止；
➢ 将每个方案的可行性和优缺点逐一进行分析，再加以比较、 优化筛选，就可得到较理想的系统方案。
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5.3 智能电子系统设计示例
一．设计任务与要求
1. 设计任务
➢ 设计一个水温控制系统。
➢ 可根据系统的运行速度、成本、可靠性和研制周期等要求来 确定软、硬件功能的划分。
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❖根据运行速度要求
➢ 在绝大多数智能电子系统中，划分软、硬件功能往往是由系 统的运行速度决定；
➢ 例如，单片机的时钟频率一般在6～12MHz左右，执行一条指 令至少需要1μs，而完成任何一项工作需要若干条指令，因 此比数字逻辑电路(无论是组合电路还是时序电路)都慢得多；
一方面，由于可以采用单片机实现控制过程，无论哪一种控制方法都不会 增加系统硬件成本，而只需对软件作相应改变即可实现不同的控制方案；
2. 基本要求
➢ 一升水由1kW的电炉加热，要求水温可以在一定范围内 由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以 保持设定的温度基本不变。
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3. 主要性能指标
➢ 温度设定范围：40～90℃，最小区分度为1℃； ➢ 控制精度：温度控制的静态误差≤1℃； ➢ 用十进制数码显示实际水温； ➢ 能打印实测水温值。
➢ 如果某一任务的执行时间要求少于10μs，就必须采用硬件电 路实现。否则，如采用确能完成此项任务的高速微处理器系 统，则会造成浪费。
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❖根据成本要求
➢ 智能电子系统研制费用包括硬件和软件费用，软件的费用不 仅是设计师所花费的脑力劳动，还有各种调试工具、消耗品 的费用；
➢ 软件费用的特点是研制费用昂贵，复制费用低廉；
➢PID控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、
控制品质要求又很高的控制系统。
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❖方案选择
➢ 结合本例题设计任务与要求，由于水温系统的传递函数事 先难以精确获得，因而很难判断哪一种控制方法能够满足 系统对控制品质的要求；
➢ 但从以上对控制方法的分析来看，PID控制方法最适合本例 采用：
➢ 在一些特殊场合，如军用及各种恶劣环境中，往往采用硬件 冗余线路来提高系统可靠性。
❖根据研制周期要求
➢ 为了加快智能型电子系统的研制速度，应尽量考虑采用各种 标准软硬件或利用已有成熟的软硬件来完成系统的功能，而 不必拘泥于前面所述细节。
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3. 指标分配与框图构成
➢ 针对总体方案所提出的任务、要求和条件，就可以用具有一 定功能的若干单元方框图构成一个总方框图，并将系统的性 能指标分配到各单元方框中去；
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➢这种控制方案一般在大惯性系统对控制精 度和动态特性要求不高的情况下采用。
❖比例控制(P控制)
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➢比例控制的输出与偏差成比例关系；
➢当负荷变化时，抗干扰能力强，过渡过程时 间短，但过程终了存在余差；
➢适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、
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允许被控量在一定范围内变化的系统。
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❖比例积分控制(PI控制)
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二．设计方法
➢ 智能电子系统的设计包含对系统硬件和软件的综合设计；
➢ 一个科学的设计方法，一般都具有以下的内容和步骤：总体论 证、系统功能划分、指标分配与框图构成。
1. 总体论证
➢ 总体论证包括系统性能指标的论证和系统组成的论证两个方面；
➢ 总体论证的方法是通过大量的调查研究，对系统具有的功能、性 能指标以及可能的组成方案进行综合考虑；
➢ 在批量生产的产品研制中，应尽可能利用软件代替硬件，降 低成本；
➢ 小批量或单件产品不宜采用软件代替硬件办法，这会增加软 件研制费用；
➢ 直接利用已成熟原理或软件来替代硬件不受此限。
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❖根据可靠性要求
➢ 硬件线路越复杂，系统可靠性就越差；
➢ 采用软件替代硬件功能，是提高可靠性的一个好办法；
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➢控制器的输出与偏差的积分成比例，积分
y
的作用使过渡过程结束时无余差，但降低了
系统的稳定性；
➢PI控制适用于滞后较小，负荷变化不大， 被控量不允许有余差的控制系统。
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❖比例积分加微分控制(PID控制)
➢微分的作用使控制器的输出与偏差变化的
速度成比例，它对克服对象的容量滞后有显
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著的效果；
➢在比例基础上加入微分作用，使稳定性提 高，再加上积分作用，可以消除余差；
➢ 经过总体论证之后得到的系统总体方案应能解决以下问题：
了解国内外相似产品的开发水平、器材设备技术水平和供应状态。对所接受委托 项目，还应充分了解对方技术要求、环境状况、技术水平，明确设计内容；
了解可移植的软、硬件技术。能移植的尽量移植，以防大量的低水平重复劳动； 摸清软、硬件技术难度，明确技术主攻方向。