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单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,高等院校自动化新编系列教材,单击此处编辑母版标题样式,计算机控制技术,第八章 计算控制系统设计与实现,主要内容,8.1,系统设计的原则与步骤,8.2,系统的工程设计与实现,8.3,电热油炉温度单片机控制系统设计,8.4,角位置伺服系统IPC控制设计,8.1系统设计的原则与步骤,8.1.1系统设计的原则,安全可靠,操作维护方便,实时性强,通用性好,经济效益高,8.1.2系统设计的步骤,工程项目与控制任务的确定阶段,甲方提出任务委托书,乙方研究任务委托书,双方对委托书进行确认性修改,乙方初步进行系统总体方案设计,乙方进行方案可行性论证,签订合同书,工程项目的设计阶段,组建项目研制小组、,系统总体方案的设计、,方案论证与评审、,硬件和软件的细化设计、,硬件和软件的调试、,系统的组装,离线仿真和调试阶段,离线硬件联调,离线软件联调,离线硬件软件统调,考机,现场安装调试,试运行,验收,结束,图8.1离线仿真和调试阶段流程如图,在线调试和运行阶段,系统离线仿真和调试后便可进行在线调试和运行。在线调试和运行就是将系统和生产过程联接在一起，进行现场调试和运行。尽管离线仿真和调试工作非常认真、仔细，现场调试和运行仍可能出现问题，因此必须认真分析加以解决。系统运行正常后，可以再试运行一段时间，即可组织验收。验收是系统项目最终完成的标志，应由甲方主持乙方参加，双方协同办理。验收完毕应形成验收文件存档。,8.2系统的工程设计与实现,8.2.1系统总体方案设计,确定系统的性质和结构,确定系统的构成方式,现场设备选择,确定控制策略和控制算法,硬件、软件功能的划分,其它方面的考虑,系统总体方案,系统总体方案,总体设计后将形成系统的总体方案。总体方案确认后，要形成文件，建立总体方案文档。系统总体文件的内容包括：,系统的主要功能、技术指标、原理性方框图及文字说明。,控制策略和控制算法，例如PID控制、达林算法、Smith补偿控制、最级控制、前馈控制、解耦控制、模糊控制、最优控制等。,系统的硬件结构及配置，主要的软件功能、结构及框图。,方案比较和选择。,保证性能指标要求的技术措施。,抗干扰和可靠性设计。,机柜或机箱的结构设计。,经费和进度计划的安排。,8.2.2硬件的工程设计与实现,选择系统的总线和主机机型,选择系统的总线,内总线选择,常用的工业控制机内总线有两种：,PC,总线和,STD,总线。一般常选用,PC,总线工业控制机。,外总线选择,根据计算机控制系统的基本类型，如果采用分级控制系统,DCS,等，必然有通信的问题。,外总线就是计算机与计算机之间、计算机与智能仪器或智能外设之间进行通信的总线，它包括并行通信总线,(IEEE-488),和串行通信总线,(RS232C),。另外还有可用来进行远距离通信、多站点互联的通信总线,RS422,和,RS485,。,选择主机机型,在总线式工业控制机中，有许多机型，都因采用的CPU不同而不同。,以PC总线工业控制既为例，其CPU有8088、80286、80386、80486、Pentium(586)等多种型号，,内存、硬盘、主频、显示卡、CRT显示器也有多种规格。,设计人员可根据要求合理地进行选型,8.2.2硬件的工程设计与实现,选择输入输出通道模板,数字量(开关量)输入输出(DIDO)模板,PC总线的并行IO接口模板多种多样，通常可分为TTL电平的DIDO和带光电隔离的DIDO。通常和工业控制机共地装置的接口可以采用TTL电平，而其它装置与工业控制机之间则采用光电隔离。对于大容量的DIDO系统，往往选用大容量的TTL电平的DIDO板，而将光电隔离及驱动功能安排在工业控制机总线之外的非总线模板上，如继电器板（包括固体继电器板）等。,选择输入输出通道模板,模拟量输入输出(AIAO)模板,AIAO模板包括AD、DA板及信号调理电路等。AI模板输入可能是05V、110V、010mA、420mA以及热电偶、热电阻和各种变送器的信号。AO模板输出可能05V、110V、010mA、420mA等信号。选择AIAO模板时必须注意分辨率、转换速度、量程范围等技术指标。,8.2.2硬件的工程设计与实现,选择变送器和执行机构,选择要送器,变送器是这样一种仪表，它能将被测变量（如温度、压力、物位、流量、电压、电流等）转换为可远传的统一标准信号(010mA、420mA等)，且输出信号与被测变量有一定的连续关系。在控制系统中其输出信号被送至工业控制机进行处理、实现数据采集。,DDZ-型变送器输出的是420mA信号,供电电源为24V(DC)且采用二线制，DDZ-型比DDZ-型变送器性能好,使用方便。DDZ-S系列变送器是在总结DDZ型变送器的基础上，吸取了国外同类变送器的先进技术，采用模拟技术与数字技术相结合，从而开发出的新一代变送器。现场总线仪表也将被推广应用。,常用的变送器有温度变送器、压力变送器、液位变送器、差压变送器、流量变送器、各种电量变送器等。系统设计人员可根据被测参数的种类量程、被测对象的介质类型和环境来选择变送器的具体型号。,选择执行机构,执行机构是控制系统中必不可少的组成部分，它的作用是接受计算机发出的控制信号，并把它转换成调整机构的动作，使生产过程按预先规定的要求正常运行。,执行机构分为气动、电动、液压三种类型。气动执行机构的持点是结构简单、价格低、防火防爆；电动执行机构的持点是体积小、种类多、使用方便；液压执行机构的特点是推力大、精度高。常用的执行机构为气动和电动两种。,另外，还有各种有触点和无触点开关，也是执行机构，实现开关动作。电磁阀作为一种开关阀在工业中也得到了广泛的应用。,在系统中，选样气动调节阀、电动调节阀、电磁阀、有触点和无触点开关之中的哪种，要跟据系统的要求来确定。但要实现连续的精确的控制目的，必须选用气动或电动调节阀，对要求不高的控制系统可选用电磁阀。,8.2.3软件的工程设计与实现,编程语言选择,汇编语言,汇编语言是面向具体微处理器的，使用它能够具体描述控制运算和处理的过程、紧凑地使用内存，对内存和八)空间的分配比较清楚，能够充分发挥硬件的性能，所编软件运算速度快、实时性好，所以主要用于过程信号的检测、控制计算和控制输出的处理。,高级语言,采用高级语言编程的优点是编程效率高，不必了解计算机的指令系统和内存分配等问题，其计算公式与数学公式相近等。其缺点是，编制的源程序经过编译后、可执行的目标代码比完成同样功能的汇编语言的目标代码长得多，一方面占用内存量增多，另一方面使得执行时间增加很多，往往难于满足实时性的要求。,组态软件,组态软件是一种针对控制系统而设计的面向问题的高级语言，它为用户提供了众多的功能模块,2数据类型和数据结构规划,从数据类型：逻辑型和数值型，但通常将逻辑型数据归到软件标志中去考虑。,数值型可分为定点数和浮点数。定点数有直观、编程简单、运算速度快的优点，其缺点是表示的数值动态范围小，容易溢出。浮点数则相反，数值动态范围大、相对精度稳定、不易溢出，但编程复杂，运算速度低。,如果某参数是系列有序数据的集合，如采样信号序列，则不只有数据类型问题，还有一个数据存放格式问题，即数据结构问题。,3资源分配,完成数据类型和数据结构的规划后，便可开始分配系统的资源了。,系统资源包括ROM、RAM、定时器计数器、个断源、IO地址等。,ROM资源用来存放程序和表格，IO地址、定时器/计数器、中断源在任务分折时已经分配好了。,因此，资源分配的主要工作是RAM资源的分配，RAM资源规划好后，应列出一张RAM资源的详细分配清单，作为编程依据,4实时控制软件设计,数据采集及数据处理程序,数据采集程序主要包括模拟量和数字量多路信号的采样、输入变换、存储等。数据处理程序主要包括数字滤波程序、线性化处理和非线件补偿、标度变换程序、超限报警程序等。,(2)控制算法程序,控制算法程序主要实现控制规律的计算，产生控制量。其中包括：数字PID控制算法、大林算法、Smith补偿控制算法、最少拍控制算法、串级控制算法、前馈控制算法、解耦控制算法、模糊控制算法、最优控制算法等。：实际实现时，可选择合适的一种或几种控制算法，来实现控制。,4实时控制软件设计,(3)控制量输出程序,控制量输出程序实现对控制量的处理(上下限和变化率处理)、控制量的变换及输出，驱动执行机构或各种电气开关。控制量也包括模拟量和开关量输出两种。模拟控制量由D/A转换模板输出，般为标准的010mA(DC)或420mA(DC)信号，该信号驱动执行机构如各种调节阀。开关量控制信号驱动各种电气开关。,(4)实时时钟和中断处理程序,实时时钟是计算机控制系统一切与时间有关过程的运行基础,实时任务有两类：第类是周期性的，如每天固定时间启动，固定时间撤消的任务，它的重复周期是一天。第二类是临时性任务，操作者预定好启动和撤消时间后由系统时钟来执行，但仅一次有效。,许多实时任务如采样用期、定时显示打印、定时数据处理等都必须利用实时时钟来实现。并由实时中断服务程序去执行相应的动作或处理动作状态标志等。,另外，事故报警、掉电检测及处理、重要的事件处理等功能的实现也常常使用中断技术，以便计算机能对事件做出及时处理。事件处理用中断服务程序和相应的硬件电路来完成。,(5)数据管理程序,这部分程序用于生产管理，主要包括画而显示、变化趋势分析、报警记录、统计报表打印输出等6)数据通信程序,数据通信程序主要完成计算机与计算机之间、计算机与智能设备之间的信息传递和交换。这个功能主要在分散型控制系统、分级计算机控制系统、工业网络等系统中实现,8.2.4系统的调试与运行,系统的调试与运行分为离线仿真与调试阶段和在线调试与运行阶段。离线仿真与调试阶段般在实验室或非工业现场进行，在线调试与运行阶段是在生产过程工业现场进行。离线仿真与调试阶段是基础，是检查硬件和软件的整体性能，为现场投运做准备，现场投运是对全系统的实际考验与检查。系统调试的内容很丰富，碰到的问题是干变万化的，解决的方法也是多种多样的，并没有统一的模式。,离线仿真和调试,硬件调试,对于各种标准功能模板，按照说明书检查主要功能。,在调试AD和DA模板之前，必须准备好信号源、数字电压表、电流表等,利用开关量输入和输出程序来检查开关量输入(DI)和开关量输出(DO)模板,硬件调试还包括现场仪表和执行机构,如是分级计算机控制系统和分散型控制系统，还要调试通信功能，验证数据传输的正确性。,软件调试,软件调试的顺序是子程序、功能模块和主程序。,般与过程输入输出通道无关的程序，都可用开发机(仿真器)的调试程序进行调试,系统控制模块的调试庇分为开环和闭环两种情况进行。开环调试是检查它的阶跃响应特性，闭环调试是检查它的反馈控制功能,整体调试的方法是自底向上逐步扩大,系统仿真,在硬件和相软件分别联调后，必须再进行全系统的硬件、软件统调。这次的统调试验，就是通常所说的“系统仿真”(也称为模拟调试)。,所谓系统仿真，就是应用相似原理和类比关系来研究事物，也就是用模型来代替实际生产过程(即被控对象)进行实验和研究。,系统仿真有以下三种类型：,全物理仿真(或称在模拟环境条件下的全实物仿真)；,半物理仿真(或称硬件闭路动态试验)；,数字仿真(或称计算机仿真)。,2在线调试和运行,现场安装及在线调试前先要进行下列检查：,检测元件、变送器、显示仪表、调节阀等必须经过校验，保证精确度要求。作为检查，可进行一些现场校验。,各种接线和导管必须经过检查，保证连接正确。例如，孔板的上下引压导管要与差压变送器的正负压输入端极性一致；热电偶的正负端与相应的补偿导线相连接，并与温度变送器的正负输入端极性致等。除了极性不得接反以外，对号位置都不应接措。,对在流量中采用隔离液的系统，要在清洗好引压导管以后。灌入隔离液(封液)。,检查调节阀能否正确工件。旁路阀及上下游截断阀关闭或打开，要搞正确。,检查系统的干扰情况和接地情况，如果不符合要求，应采取措施。,对安全防护措施也要检查。,经过检查并已安装正确后即可进行系统的投运和参数的整定。投运时应先切入手动，等系统运行接近于给定位时再切入自动，并进行参数的整定。,8.3电热油炉温度单片机控制系统设计,8.3.1控制任务与工艺要求,系统概述,1,4,5,6,7,P,3,反应釜,2T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,Y,1,4,5,6,7,P,3,反应釜,2,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,Y,序号,1,2,3,4,5,6,7,名称,注油泵,膨胀槽,电控柜,过滤器,油气分离器,循环泵,加热炉,T1：出口温度 T2：入口温度,图8.3电热油炉主电路原理图,系统的技术指标,设定出口温度、实际测量的出口温度、入口温度数码管显示,控制循环泵的运行,控制二路交流接触器、一路固态继电器,九段温度曲线给定设置,温度范围：0300,供电电压:三相交流380V,功率：5.6KW,工艺要求,电热油炉温度的控制，根据工艺要求不同而有所变化，但大体上可以归纳为以下几个过程：,自由升温段，即根据电阻炉自身的条件，不对升温速度进行控制的升温过程。,恒速升温段，即要求炉温上升的速度按某一斜率1进行。,保温段，即要求在某一过程中炉温基本保持不变。,恒速降温段，即要求炉温下降的速度按某一斜率2进行。,自由降温段，即根据电阻炉自身的条件，不对降温速度进行控制的升温过程。,炉温变化曲线要求参数如下：,过渡过程时间ta：即从升温开始到进入保温段的时间，ta100min.,超调量,P,:即升温过程的温度最大值T,M,与保温值T,O,之差与保温值之比，,静态误差e,v,：即当温度进入保温段后的实际温度值T与保温值T,O,之差的绝对值,温度的变化范围：20220，保温值为200。,8.3.2硬件系统设计,系统的基本工作原理,AT89,S52,信号处,理电路,A/D,转换,EEPROM,固态继电器,晶闸管三相调功模块,报警电路,显示、键盘,入口温度,出口温度,油泵,加热炉,图8.5 电热油炉温度控制系统框图,电热油炉温度自动控制系统采用51系列单片机作为控制器，铂电阻温度计作为温度检测元件，控制固态继电器的导通和断开时间的长短来控制电热元件的通电时间来控制导热油温度。另外，系统还扩展了数码管显示、键盘、报警电路，其系统框图如图8.5所示。,通过控制过零触发型固态继电器的通断比,来控制输入到加热炉的功率,从而达到控制温度的目的。固态继电器有两个输入控制端,另外两端为输出控制端,中间利用光电耦合器实现电气隔离.输入端只要很小的输入电流便能控制它的导通,没有输入电流则截止.与有触点的继电器相比,固态继电器控制电路简单、开关速度快、使用寿命长、没有噪音等一系列优点。,单片机的选择,选择AT89S52单片机作为控制系统的核心，AT89S52内部有8K的程序储存器，256字节的数据储存器，因而无需再扩展储存器，使系统大大简化。主要完成温度的采集、控制、显示和报警等功能。,数据储存器扩展,设定的温度曲线需要长期保存，扩展一片串行EEPROM AT24C256来保存设定的温度曲线,传感器的选择,目前在温度测量领域内，除了广泛使用热电偶以外，电阻温度计也得到了广泛的应用，尤其工业生产中120500范围内的温度测量常常使用电阻温度计。,本例中采用铂电阻来测量温度，其分度号为，电阻的初值为，温度每升高一度，铂电阻的阻值约增加。,图8.6 铂电阻及其信号放大电路图,测量部分是一个不平衡电桥，铂电阻与固定电阻组成不平衡电桥的四个桥臂。,为了保证测温的精度，采用两次稳压。,在温度为0时，铂电阻的阻值，电桥平衡，对角线A、B两点没有电压差；,当温度变化时，铂电阻的阻值变为，其变化值与温度成正比，电桥不平衡，使对角线A、B两点有电压差，此电压差送到运算放大器的输入端，经过放大后送到A/D转换芯片。,改变R,2,*,，R,L,的数值，可以得到不同的放大系数,.A/D转换器的选择与接口设计,显示器、键盘接口设计,温度的设定与测量结果通过键盘和数码管显示电路完成。键盘显示电路由ZLG7289A芯片完成。ZLG7289A是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的具有SPI串行接口功能的可同时驱动8位共阴式数码管或64只独立LED的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示键盘接口的全部功能。不需要的按键可以不接。,ZLG7289A 内部含有译码器，可直接接受BCD码或16进制码，并同时具有2 种译码方式。此外还具有多种控制指令如消隐闪烁左移右移段寻址等。,ZLG7289A 具有片选信号可方便地实现多于8 位的显示或多于64 键的键盘接口。,系统中扩展了二片ZLG7289A驱动12位数码管，用来显示导热油出口温度的给定值、出口温度和入口温度的测量值。键盘由16个键组成，其中09数字键用于各种参数的设定；6个功能键分别是油泵启动键、油泵停止键、加热启动键、加热停止键、设置键、修改键。,执行器的选择,选择交流接触器控制循环泵，晶闸管三相调功模块控制加热元件。三相调功模块内部含有晶闸管主电路、过零触发及控制电路和强弱电隔离电路,并有1 个5 引脚的控制插口,由单片机控制其导通和关断的时间完成对电热元件的加热，达到温度控制的目的,报警电路与状态显示电路,报警电路由风鸣器和发光二极管组成，当系统中温度超限时，灯光报警,8.3.3数学模型与控制算法,数学模型建立:系统是带纯滞后的一阶对象,通过测量飞升曲线求得的参数：,控制规律的选择和参数计算,根据温度变化曲线的要求，可将其分为三段来进行控制：自由升温段、保温段和自然降温段。而真正需要电气控制的是前面两个阶段，即自由升温段和保温段。为避免过冲，从室温到80%额定温度为自由升温段，在20%额定温度时为保温段。输入的电功率为，=0时电功率最小，=1时为全功率。在自由升温段中，希望升温越快越好，总是将加热功率全开，因此得到自由升温段控制方程：当温度时，已较接近需要保温的值，为此采用保温段控制方程。保温控制方法有多种，如果采用比例控制，由于电热元件所加功率的变化和油温变化之间存在一段时间延迟，因此当以温差来控制输出时，系统只有在温度与给定值相等时才停止输出。,这时由于油温变化的延迟性质，油温并不因输入停止而马上停止上升，从而超过给定值。滞后时间越大，超过给定值也越大。油温上升到一定程度后，才开始下降，并下降到小于给定值时系统才重新输出。同样，由于油温变化滞后于输出，它将继续下降，从而造成温度的上下波动，即所谓的振荡。考虑到滞后的影响，调节规律必须加入微分因数，即PD调节。有了PD调节，系统输出不仅取决于温差的大小，还取决于温差的变化速率。当油温从自由升温段进入保温段时，油温还小于给定值，但温度变化较大，因而系统可以提前减少或停止输出，使油温不至于出现过大的超调。同样，在降温过程中也是如此。这样就改善了油温调节的动态品质。积分作用可以提高温度控制的静态精度，适当选择积分作用，则可以在不影响动态性能情况下提高温度控制的精度。所以保温段控制最好采用PID控制方法。,PID算法和参数选定,连续系统PID校正的控制量P可以表示为,采用离散算法可以表示为（增量式）：,式中：,为已知。,数字控制器的实现,根据上述连续系统原理设计出来的模拟调节器，经离散化后变成适合于计算机计算的差分方程。根据差分方程就可以设计程序流程图，进行程序设计。,8.3.4软件设计,软件设计采用C51语言，模块化结构设计。,包括初始化程序、,主程序、,A/D转换和数据采集程序、,中值滤波程序、,PID控制算法程序、键盘显示程序等,N,N,开始,上电复位,初始化,系统自检,正常？,报警,调LED显示子程序,调键盘输入子程序,N,N,N,N,设置参数,启动油泵,停止加热,停止油泵,油泵启动？,晶闸管三相调功模块导通,启动A/D转换,数据采样,数字滤波,标度变换,温度显示,温度超限？,全功率输出,温差10,？,PID控制,调键盘输入子程序,加热停止键？,N,N,N,N,有键按下？,设定键？,油泵启动键？,加热启动键？,加热停止键？,油泵停止键？,8.4角位置伺服系统IPC控制设计,8.4.1.系统概述,本系统是三自由度的角位置伺服系统，,要求三个方位均具有精确定位、速率控制、正弦摆动等功能，,可通过串行通讯口接收上位机的控制命令，并实时显示三方位的角度值。,根据系统要求，由伺服控制、驱动电机、被控对象、测角电路构成闭环控制系统。系统性能指标的要求：相角裕度大于50，超调量小于25%，系统带宽大于10Hz。,图8.11 伺服系统组成框图,8.4.2 硬件设计,系统的硬件由伺服控制、驱动执行机构和反馈环节等组成。,驱动执行机构采用无刷直流力矩电机，反馈环节测角部分选用感应同步器。,伺服控制部分采用抗干扰性强的IPC610工控机，全数字控制，控制算法由软件实现,数字量的输入输出部分(DIDO)：采用PCL-722并行DIO卡,模拟量的输出部分(AO)：选用光电隔离型HY-6050板卡。,使用工控机本身的硬件资源COM1或者COM2来实现同上位机的通讯，命令的传输通过串行通讯进行。上位机控制到工控机的命令使用串行中断的方式，在中断服务程序中进行数据的处理；工控机到上位机的数据使用查询的方式。,图8.12 IPC硬件组成框图,8.4.3软件设计,控制软件分为主程序和中断服务子程序两大部分,主程序主要包括:,初始化程序、,界面操作程序,图8.13 主程序流程图,初始化程序,主要完成各基本功能模块的设置。,设置定时中断：包括设置定时中断的时间常数、修改中断向量指向。,设置串行中断：串行通讯的数据格式，通讯端口，中断方式时的中断向量。,创建保存数据的文件：在初始化时设定保存实时采集的角度数据的文件，原来存在的进行覆盖，如果不存在则创建文件。,初始化PCL-722板卡：设定板卡的基地址，各个通道的工作方式，初始化各个通道的端口。,初始化HY-6050板卡：设定板卡的基地址，初始化各个通道,界面操作程序,界面操作程序主要是进行人-机对话的途径，使操作者可对被控对象进行本控调试。可以通过选择界面上相应的功能选项，执行相应的功能，包括指定三个轴相应的运动方式，设定运动的初始参数，数据的处理，中断的退出等。,中断服务子程序,包括：定时中断、键盘中断、串行通讯中断等子程序。,定时中断处理子程序,定时中断用于实时控制及数据采集模块。通过改写系统板上的定时器通道0来实现定时中断。实现方法是：(1)保存原中断向量；(2)重新对定时器通道0进行编程，并设置新的中断向量为中断服务程序入口地址；(3)在程序退出前恢复原中断向量。,键盘中断处理子程序:接收键盘按键操作产生的中断，使用ROM-BIOS软中断，利用函数BIOSKEY获得按键的键值，然后进行相应的处理。,图8.14 定时中断服务子程序流程图,串行通讯中断处理子程序,串行通讯中断主要是实现计算机和外部的串行通讯。使用计算机内部的硬件资源COM1(COM2)和中断资源0 x0c(0 x0b)。串行通讯中断处理子程序主要用来接收上位机的控制命令，进行命令格式的转换，实现远控的功能，并可以按照协议的要求返回指定的数据。,图8.15 串行通讯中断服务子程序流程图,4.控制算法与实现,为了提高系统的动态特性，可采用PD控制。同时为进一步提高系统的稳态精度，在数字控制器中引入积分环节，消除静差。在位置控制时，使用(PD+III)型系统控制，大偏差时使用PD控制，小偏差时使用III型系统控制。使系统在大偏差时快速无超调的归零。设置III型系统控制的切换条件进行切换控制，并设置滞环开关。这样既保持了积分的作用，又减少了超调量，使得系统性能有较大的改善,具体实现如下：,根据实际情况，人为设定一个阈值,0。,当偏差,e(k),时，即偏差值比较大时，采用PD控制。,当,e(k),时，即偏差比较小时，采用III型系统控制.,图8.16 (PD+III)型系统控制程序流程图 图8.17 控制量计算程序流程图,5.仿真与结论,系统的位置控制仿真曲线。,仿真结果表明系统超调量小，反应速度快，稳定,单位：0.002秒,单位：度,