范立南 李雪飞 编著 机械工业出版社,计算机控制技术 第8章 计算机控制系统的设计与实现,第8章 计算机控制系统的设计与实现,8.1 系统设计的基本要求和特点 8.2 计算机控制系统的设计方法及步骤 8.3 仪器用温箱温度控制系统 8.4 产品自动装箱控制系统 8.5 自动剪切机控制系统,8.1 系统设计的基本要求和特点,8.1.1 系统设计的基本要求,计算机控制系统设计的基本要求主要包括五个部分。,1安全可靠,为了保证安全可靠，通常采用如下做法：,第一，选用高性能的工业控制计算机，保证在恶劣的工业环境下，系统仍能正常运行。 第二，设计可靠的控制方案，并具有各种安全保护措施，比如设计报警、事故预测、事故处理、不间断电源等。 第三，附加后备装置。对于一般的控制回路，选用手动操作作为后备；对于重要的控制回路，选用常规控制仪表作为后备。这样，一旦计算机出现故障，就把后备装置切换到控制回路中，以维持生产过程的正常运行。,8.1 系统设计的基本要求和特点,第四，对于承担网络控制、信息处理、管理的计算机，应采用双机备用系统，其工作方式有四种，即：备份工作方式、主从工作方式、双工工作方式和分级分布式控制方式。,8.1 系统设计的基本要求和特点,2操作维护方便,操作方便体现在控制设备投入运行后，应当使系统便于掌握、操作简便，显示画面直观形象。既要体现操作的先进性，又要兼顾原有的操作习惯。在硬件配置方面系统的控制开关不能太多，操作顺序要简单；软件方面，应尽可能采用汇编语言，并配有高级语言，以便于用户掌握。,维护方便体现在易于查找故障，易于排除故障。硬件方面，应尽可能采用标准的功能模块化产品，便于更换故障模板。软件方面，应配置诊断程序，一旦故障发生，通过程序来查找故障发生的部位，从而缩短排除故障的时间。,8.1 系统设计的基本要求和特点,3实时性强,所谓实时性，就是计算机系统对内部和外部时间能够及时地响应，并作出相应的处理，不丢失信息，不延误操作。 计算机处理的事件一般分为两类，即：定时事件和随机事件。对于数据的定时采集、运算控制等定时事件，可以设置系统时钟，保证定时处理。对于各种故障等随机事件，可以设置中断，并根据故障的轻重缓急，预先分配中断级别，一旦出现故障，保证优先处理紧急故障。,8.1 系统设计的基本要求和特点,4通用性好、便于扩充,在系统设计时，要考虑以下三点：,第一，硬件设计应标准化，采用标准总线结构并配置各种通用的功能模板，以便于进行功能扩充时，只需要增加功能模板即可。 第二，软件设计时采用标准模块结构，用户使用时不需要二次开发，只需按照要求选择各种功能模块即可。 第三，在系统设计时，各个设计指标留有一定的余量，便于扩充。,8.1 系统设计的基本要求和特点,5经济效益高,计算机控制系统在满足系统基本要求的前提下，还应该带来高的经济效益，要有市场竞争意识。所以在系统设计中要考虑以下三个方面： 一是提高系统的性能价格比； 二是尽可能缩短设计周期； 三是降低投入产出比。,8.1 系统设计的基本要求和特点,8.1.2 系统设计的特点,1过程参量多、控制任务重 2处理的信息量大 3网络化 4控制算法复杂,8.2 计算机控制系统的设计方法及步骤,计算机控制系统的设计一般包括下列几个步骤： 控制系统总体方案的确定； 计算机及接口的选择； 控制算法的选择； 控制系统的硬件设计； 控制系统的软件设计； 计算机控制系统的调试。,8.2 计算机控制系统的设计方法及步骤,8.2.1 控制系统总体方案的确定,1选择控制系统的结构和类型 2选择检测元件 3选择执行机构 4选择输入/输出通道及外围设备 5可靠性设计 6分配硬件和软件的功能,8.2 计算机控制系统的设计方法及步骤,8.2.2 计算机及接口的选择,选择合适的计算机是计算机控制系统设计的关键。在具体选择计算机时，可以选择成品的计算机系统，也可以自主开发设计。,成品计算机系统具有多种装置的主机系统板，配备各种接口板，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。具有很强的硬件功能和灵活的IO扩展能力，和较强的开发能力。不仅可使用汇编语言，而且可使用高级语言，在工业PC中，还配有专用的组合软件。,8.2 计算机控制系统的设计方法及步骤,自主开发设计时应考虑到所选择的微处理器的字长、运行速度、存储容量、中断处理能力，以及是否需要内部A/D转换器、内部存储器，需要多少个I/O口和UART口等。,8.2 计算机控制系统的设计方法及步骤,8.2.3 控制算法的选择,在系统设计时，首先要建立被控对象的数学模型，并根据被控对象的数学模型确定系统的控制算法。,1直接数字控制 当被控对象的数学模型能够确定时，可采用直接数字控制，如最少拍随动系统，最少拍无波纹系统，以及大林算法等；,2数字PID控制 很难求出其数学模型的系统最好选用数字PID控制。除了位置型和增量型两种普通PID算法外，还可以采用改进型PID控制算法，以满足各种不同控制系统的要求。,8.2 计算机控制系统的设计方法及步骤,3模糊控制,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。,由于计算机控制系统种类很多，所以控制算法也各不相同，每个计算机控制系统都有一个特定的控制规律，并且有相应的控制算法。,8.2 计算机控制系统的设计方法及步骤,8.2.4 控制系统的硬件设计,1存储器的扩展,在扩展时，要注意单片机的种类（片内是否含有程序存储器），另外，要把程序存储器和数据存储器分别安排。,扩展接口有两种方案：一种是购置成品的接口板，如A/D转换接口板、D/A转换接口板、开关量I/O接口板等；另一种是根据系统设计的需要，选择合适的芯片自行设计，这主要包括以下几个方面的内容。,8.2 计算机控制系统的设计方法及步骤,在目前计算机系统中广泛采用的接口器件有： 可编程通用并行接口：如8255A、8155等。 可编程串行接口：如8251等。 显示键盘接口：如8279等。 定时器接口：如8253等。 多功能输入输出接口：如TMS5501，其中有一个8位并行输入接口，一个8位并行输出接口，一个串行接口和五个定时器电路。 通信接口电路：可以是RS-232C，RS-422和RS-485或者现场总线通信接口。,2接口电路的设计,8.2 计算机控制系统的设计方法及步骤,3输入/输出通道的选择,一个计算机控制系统，除了主机外，还必须具有各种输入、输出通道模板，其中包括模拟量输入（AI）模板、模拟量输出（AO）模板、数字量输入（DI）模板和数字量输出（DO）模板。以上模板可以选择市场已有的产品，比如MS-1209（32路A/D，6路D/A，12位），MS-1210（8路D/A，12位）等。也可以自行设计。,8.2 计算机控制系统的设计方法及步骤,4操作面板的设计,它的主要功能有： 输送源程序到存储器，或者通过面板操作来监视程序执行情况； 打印、显示中间结果或最终结果； 根据工艺要求，修改一些检测点和控制点的参数及给定值； 设置报警状态，选择工作方式以及控制回路等； 完成系统控制的各种状态切换； 完成手动自动无扰动切换； 完成各种画面显示。,8.2 计算机控制系统的设计方法及步骤,8.2.5 控制系统的软件设计,软件主要分为两大类，即系统软件和应用软件。而根据其功能，应用软件又分为两类，即执行软件和监控软件。执行软件能完成各种实质性的功能，如测量、计算、显示、打印、输出控制等；监控软件是专门用来协调各执行模块和操作者的关系，在系统软件中充当组织调度角色。,8.2 计算机控制系统的设计方法及步骤,优秀的软件都应具有以下特征：,1实时性 2针对性 3灵活性和通用性 4可靠性,8.2 计算机控制系统的设计方法及步骤,8.2.6 计算机控制系统的调试,计算机控制系统的调试通常分为离线仿真调试和在线调试运行两个阶段。,离线仿真调试一般在实验室进行，并尽可能地模仿实际操作时可能出现的各种情况，因为有些特殊情况是在线无法调试的。,离线仿真调试分为硬件调试和软件调试。,8.2 计算机控制系统的设计方法及步骤,在线调试运行要制定调试计划、实施方案、安全保障措施、分工协作细则等；遵循从小到大、从易到难、从手动到自动、从简单回路到复杂回路、先开环后闭环、循序渐进的原则；合理安排设备装置的安装位置及各种连接线路的走向；尽最大可能地采取各种抗干扰和安全防护措施；冷静分析现场运行过程可能出现的各种奇异现象，从现象入手寻找出现问题的根源，稳妥地实现控制系统的投入运行。,8.3 仪器用温箱温度控制系统,该系统的被控对象为仪器用温箱，被测参数为温箱的温度，测温范围为0300，误差不超过0.1。仪器用温箱中的被测气体通过温箱的管状加热交换器加热后，送入仪器中进行测量。为了保证测量条件，温箱或按照预定的升温速率升温，或保持恒定的温度不变。温箱是用电热丝来加热的。,8.3 仪器用温箱温度控制系统,8.3.1 温度控制系统的组成,仪器用温箱温度控制系统原理图如图8-1所示。,图8-1 仪器用温箱温度控制系统原理图,8.3 仪器用温箱温度控制系统,被测参数温度值由测温元件测量后得到0.51V信号，经放大后转换成510V的电压信号，经电压频率变换器LM331变换成频率信号，再经可编程定时器/计数器8253转换成数字信号送入单片机。在CPU中进行数据处理后，一方面送去显示，一方面与键盘输入的设定值进行比较，若低于设定值，则进行PID调节后，输出控制信号，驱动电加热丝加热。达到温度控制的目的。,8.3 仪器用温箱温度控制系统,8.3.2 温度控制系统的硬件设计,1温度检测和模拟量输入通道,（1）温度检测和放大电路,由于本系统的控制精度要求在0300范围内，误差不超过0.1的高精度，选用了精度高、性能稳定可靠的测温元件铂电阻。其测量及放大电路如图8-2所示。,8.3 仪器用温箱温度控制系统,图8-2 铂电阻测温、放大及V/F转换电路图,8.3 仪器用温箱温度控制系统,在图8-2中，Rt为测温铂电阻，跨接在运算放大器OP07的反馈回路上，使得铂电阻的阻值变化转换成运算放大器的输出电压变化。VREF为一个精密稳压源。输入端的电阻为温度系数很小的精密电阻。在所测的温度范围内，此级运算放大器的电压变化范围为0.5V1V。此电压送到下一级运放LM358放大后得到5V10V的电压信号。经检测和放大的模拟信号送A/D转换器。,8.3 仪器用温箱温度控制系统,（2）用V/F转换器LM331实现A/D转换器,LM331是一种廉价、精密的电压频率转换专用集成电路。它的主要特点是：V/F变化特性为10Hz/mV，其非线性误差小（0.01），电源适应能力强，可使用单5V电源。V/F的转换范围宽（1Hz100kHz），温度稳定性好，输出负载能力强，能同时兼容CMOS和TTL逻辑电平。,用V/F转换器实现A/D转换器，需要与频率计数器配合使用，由LM331实现A/D转换器的框图如图8-3所示。,8.3 仪器用温箱温度控制系统,图8-3 由LM331实现A/D转换器的框图,8.3 仪器用温箱温度控制系统,图中，模拟信号经压/频转换器LM331，把电压信号转化为脉冲信号，脉冲信号送到计算机的计数器/定时器的端口。同时启动频率计数器和定时器，频率计数器用V/F转换器输出的频率信号作为计数脉冲，定时器采用基准频率作为定时脉冲，当定时结束时，定时器产生输出信号使频率计数器停止计数，这样计数器的计数值与频率之间的关系是,（8-1）,而,（8-2）,因此，,（8-3）,式中，D计数值；T计数时间；Ds定时计数器计数初值；fs基准频率；fLM331的输出频率。,8.3 仪器用温箱温度控制系统,在本系统中用LM331实现A/D转换器