第14章 微型计算机在自动控制系统中的应用,14.1 微型计算机应用的意义 14.2 典型微型计算机控制系统的组成 14.3 微型计算机在开环控制系统中的应用 14.4 以微型计算机为基础的闭环控制系统 14.5 微型计算机在多对象检测及控制系统中的应用 14.6 微型计算机在多变量寻优系统中的应用431 14.7 微型计算机在过程控制系统中的应用 14.8 单片机在称重装置中的应用 习题,系统中的应用由于大规模集成电路的飞速发展，计算机的微型化很快，其性能价格比也大为提高，因而微型计算机的应用越来越广泛。计算机在各个领域中的应用，已有大量的报道，从中可知计算机的应用已取得显著的经济效益和社会效益。微型计算机不但在工农业生产方面的应用，在科研设备中也有很普遍的应用，而且在办公自动化及家庭生活中也已逐渐得到推广和应用。 本章将就微型计算机在自动控制系统中的应用方面举些实例，说明微型计算机在整个系统中处于什么位置，起到什么作用，能在多大程度上代替人的脑力和体力劳动，使生产过程自动化的程度和产品质量得到什么样的改善或提高。,14.1 微型计算机应用的意义,这里所说的“应用” (application) 将区别于“使用”(use) 这样的术语。所谓计算机的“使用”指的是在计算机本身带有的软硬件的支持下，按照说明书进行操作，以计算某些题目。而“应用”的含义将更为广泛，它除具有上述的“使用”的意义之外，还可以在用户选配的外围设备或器件 (硬件)的支持下对机器、仪表、装置以及整个过程进行检测控制。在用户自编应用程序的支持下，一方面既可以利用计算机来积累资料，总结经验以达到“自学”实践中的规律，从而作为改进今后控制方法的依据。另一方面，更可利用计算机进行实时控制，随时总结经验，随时“指导”下一步的控制规律。,总而言之，“使用”是对计算机本身的硬件毫无增减，在软件上也是只在对计算机配备好的软件略加增减。“应用”则既可以是对计算机的硬件作相当大的增加(如检测通道、执行通道及相应的接口)或者是在原有软件(操作系统，监控程序)的支持下设计出完全满足用户需要的应用软件。这就是，“应用”必须是有硬件和/或软件的增减，以满足用户的需要。 微型计算机的应用一般可分成3种类型： 1. 检测控制型 这种类型用于对控制对象作某些判断然后再去控制其执行机构。它不需要作复杂的数学模型的计算工作，但它必须有检测控制对象的某些现象的传感器件，并且还得将由此而得到的模拟量(连续的电压或电流量)转变成数字量(变为量化的脉冲量)。这就,是一般称为模数转换器(A/D convertor)。作为一个计算机控制系统，如果把计算机比作人的“头脑”(电脑)的话，则传感器就相当于“耳目”，执行机构则为行动的“手脚”。而A/D转换器是起到使“耳目”和“头脑”之间的匹配作用，或者说，起到将现象翻译成数字的作用，以适应计算机的工作特点。 执行机构如果是开关式的，则计算机只要输出开关量(如继电器)即可。如执行机构是连续式的，则计算机要经过数模转换器(D/A convertor)才能产生连续控制量(如电压或电流量)。 这里要指出的是：A/D和D/A转换器是计算机控制系统的必备的重要器件。其他的“手脚”和“耳目”之类的器件都是一般控制检测装置上通用的，只要作适当的选配，即可以使用于计算机控制系统。,2. 数据处理型 这是指输入数据量比较多(数十，数百，甚至成千上万的数据)，而且需要经过一定规律进行分类、排列(列表)、折算(如线性化)、换算(如求均值、方差等)，然后送入有关的数学模型进行繁杂运算的计算机系统。这种类型为了取得人机对话的方便，必须设有电视屏显示器(或称阴极射线管 CRT)和完整的键盘输入器(要有数字键及文字键)。为了便于多处使用而常可增设若干个带有电传打字机的终端机。 这类系统，多为键盘输入数据，而在显示器上显示结果，这就是所谓离线处理。如果数据直接由各个数据输入端随时输入，然后机器连续运算，并随时或定时给出计算结果，则称为在线处理。当然后者在系统形成上要比前者复杂得多。,3. 混合型 即以上二者的复合型式。一方面既有很多数据输入，并进行相应的处理，另一方面又要根据处理的结果去控制相应的装置，以达到整个系统的预期目的。 下面几节将介绍几个具体的例子，以使初学者有一个较完整的计算机应用概貌。但是，我们不打算按上述三个类型分别举例，因为这种分类法也不是典型的。况且，一个系统的存在是有其实际需要而存在的，有时不一定可以列入任何一类中去。,14.2 典型微型计算机控制系统的组成,以微型计算机为核心组成的控制系统，如图14.1所示。图中间是微处理器 (CPU)，以及组成内存的 ROM和RAM，这是微型计算机的主要内部设备。左边为计算机的外部设备，其中包括打印机(PR)、显示屏(CRT)、键盘(KB)以及外存储磁带(CS)或软盘硬盘。它们各自都得通过相应的接口才能与计算机的内部总线相连。右边被控制的对象，总称为用户。它们只有4种形式。,图14.1,(1) 模拟量： 如电流、电压，它们来自某些量测装置的传感器，模拟量就是连续的量。 (2) 数字量： 如数字式电压表或某些传感器所产生的数字量。 (3) 开关量： 如行程开关或限位接点接通时产生的突变电压。 (4) 脉冲量： 如脉冲发生器产生的脉冲系列(一般为电压脉冲)。 图14.1右边的8路通道中，上面4路是输入通道，下面4路是输出通道。输入通道配有4种传感器，就是模拟量传感器、数字量传感器、开关量传感器和脉冲量传感器。输出通道则可以产生相应的控制量：模拟量输出、数字量输出、开关量输出和脉冲量输出。,图14.1是把各种输入/输出的可能性都集中在一起，因而看起来比较复杂。这种情况是会产生的，但不会是经常遇得到的。常见的倒是这样：右边只有一个模拟量输入和一个开关量输出，左边则有一个键盘(作为程序及数据输入)，一个显示器(监视过程)以及一个打印机(用以收集数据和控制的结果)。以一个单板计算机为例，左边这几种外部设备都可以装到和计算机内部设备在一起的一块板上。图14.2就是这样一个简单系统的示意图。,图14.2,市场上出售的单板计算机大都将十六进制键盘(KB)、发光二极管(LED)显示器、针打式微型打印机(PR)和输入/输出(I/O)接口器件装在一起。这样在设计应用上就十分方便，设计者只需挑选合适的A/D变换器即可。 图14.1和图14.2两图中都有接口电路出现，而且在图14.1中每个外围设备和每个外部设备都要用到接口电路。对于外部设备来说，每种设备都有专用的接口电路。对于外围设备来说，因用户对象较多样化，所以常用一些通用的接口器件。在单板计算机上，键盘、显示器和打印机都比较简单，用法较固定，所以它们和内部总线的连接不用外加接口装置，而在板上的印刷电路上加以解决。因此显得简单紧凑。,单板计算机上一般都带有适于外围通道用的输入/输出接口，接口技术也是搞计算机应用者的一个重要课题。一般讲计算机应用的书都会有这方面的章节。本书限于篇幅，就不多加介绍了，下面具体系统中遇到具体接口时再略加说明。,14.3 微型计算机在开环控制系统中的应用,一般程序控制(或顺序控制)是控制装置发出一系列控制命令，使执行机构服从其控制而作出相应的操作。但是执行的效果如何，不返回去与控制命令相核对。这就是只有前馈的信息而无反馈的信息，不能形成一个闭环信息系统，故称为开环系统。 在开环系统中采用微型计算机的优点是可以用软件方法来改变控制程序。即一旦硬件针对一台机器设计好了以后，若要改变工作的程序，只要重编控制程序，一般也只需改编控制程序中的若干条指令即可。 下面就以交通管理为例简要介绍一下开环控制系统的微机控制方法。这里说的交通管理是指十字路口的交通灯控制，这种灯光控制的要求可归结为：,(1) 纵向(A向)与横向(B向)的交通灯定时60秒交换红绿色一次。 (2) 灯光有3种颜色：红、黄、绿(图14.3中的R，O，G)。每次交换时要求在黄色灯停留3秒钟。 (3) 一路在60秒内过车完后超过6秒，无车继续过时，如另一路有车在等待，则自动提前交换灯色。交换过程也得先在黄灯处停留3秒。 (4) 在紧急车辆(如消防车、救护车等)通过时，四边街口均显红灯，以便只许紧急车辆通过。其他车辆暂停行驶。紧急车辆过后自动恢复原来的灯色标志。 还可以提出更多的要求。不过，上述4点基本要求已足以说明交通灯控制问题对计算机提出的方式是什么。这种控制方式具有如下的特点：,(1) 这是一个开环控制系统，即无反馈的程序控制。 (2) 开关量输入和开关量输出。图14.3中的车辆检测传感器(A1，A2及B1，B2)是光电开关式的，所以送入计算机的信息是开关量。计算机控制交通灯的通断是通过继电器的，所以也是开关量输出。,图14.3,(3) 有中断响应功能。即一路的车辆能够申请另一路中断其绿灯而让其通行。不过这是有条件的，即必须是被请求的一路已有6秒钟无车通过，才会响应。 (4) 有非屏蔽中断响应功能。当图14.3中的紧急车辆检测传感器(J)检测到有紧急车辆要通过时，立即发出紧急中断信号(也是开关量)。这种中断请求不必等到被请求的一路已无车通过，而是无条件地停止其车辆通过。这就叫做非屏蔽中断。这是最高优先级的中断形式。 图14.4是这种系统的计算机控制硬件结构示意图。其中各部分的内容及功能分述如下：,图14.4,微型计算机这是和图14.2相似的单板计算机，它具有下列最基本的组件： CPU微处理器。是执行程序，接受输入信号并发出控制信号的指挥中心。 ROM只读存储器。其中存放着协调整个单板机内各个组件之间的运行的监控程序它是由计算机厂编制的。 RAM随机存储器。其中的程序是由用户编制的，故称为用户程序。这个程序是根据交通灯控制的需要而由设计者(用户)制定的。 LED发光二极管显示器。在编制程序时，此显示器可帮助程序员观察到存储器中所存的内容是否符合所编程序的要求，也可显示控制过程。,KB十六进制键盘。用以输入用户程序到RAM中去，也可用以修改程序。 PIO并行输入/输出接口。这种接口一般有两个口子，称为PA口及PB口，每个口子有8个并行引出线作为输入和输出端线。 PA口引出线的编号为PA0，PA1，PA2，PA3，PA4，PA5，PA6，PA7。 PB口引出线的编号为PB0，PB1，PB2，PB3，PB4，PB5，PB6，PB7。 PA和PB可以分别指定为输入或输出，PA和PB的各条引出线也可以分别指定为输入或输出。 因此，这种PIO称为可编程序的。,REL为继电器板。其中有6个继电器以提高PA的6条输出线的功率，以便去控制A向及B向的交通灯。 RA，OA，GA为A向两个街口的交通灯，红、黄、绿3色各有两个灯。 RB，OB，GB为B向两个街口的交通灯，也是3色各有两个灯。 GB为门电路板。其中装有两个或门，这实际上是一个门电路组件。其各个与门的输入输出关系为： A1+A2A B1+B2B,A1及A2为放在A向两个街口的检测器，只要其中一个为1(有车要通过)，则A1，即通知计算机A向有车要求通过。 B1与B2是放在B向两个街口的检测器，其作用和上述是相同的。 由图14.4可见，PA口的PA0，PA1，PA2，PA3，PA4及PA5是作为输出的，而PA6及PA7是作为输入的。 J是4个紧急车辆检测器的公共入口。即4个控制器的输出端并联一起，接至此处。NM1为CPU的一个非屏蔽中断输入端，低电位(即在J0时)有效(表示有紧急车辆要通过)。通过NM1端而将此信息送入CPU，从而使RAM中正在进行的程序中断，,而跳转至让紧急车辆通过的中断服务子程序。当车辆过后，J恢复为1，则经由PB7的输入线而使程序恢复到原来的主程序上去。 这个系统的工作过程是： 开始时设A向通行(GA即A向的绿灯亮)，B向不通(RB即B向的红灯亮)。这样通行60秒后自动转为B向通行(GB绿灯亮)A向不通(RA红灯亮)。这是两个方向都很频繁通车的情况。 如在GA(绿灯)及RB(红灯)亮时，