計(jì)算機(jī)控制技術(shù)-楊鵬-計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與綜合舉例3

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與綜合舉例

6.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

6.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)

6.3烘箱溫度計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6.4基于混合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的二階液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6.5三軸數(shù)控鐵床計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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6.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

6.1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則

?1安全可靠

?2系統(tǒng)操作性能好

?3實(shí)時(shí)性強(qiáng)

?4通用性好

?5經(jīng)濟(jì)效益高

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6.1.2確定工程項(xiàng)目與控制任務(wù)

f---------------------------------------

1?

?甲方提出任務(wù)委托書

?乙方研究任務(wù)委托書

?雙方對(duì)委托書進(jìn)行確認(rèn)性修改

?乙方初步進(jìn)行系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

?乙方進(jìn)行方案可行性論證

?簽訂合同書

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工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段主要包括組建項(xiàng)目研制小組、系統(tǒng)總體方

案的設(shè)計(jì)、方案論證與評(píng)審、硬件和軟件的細(xì)化設(shè)計(jì)、硬件和軟

件的調(diào)試、系統(tǒng)的組裝等。

1.組建項(xiàng)目研制小組

2.形成總體方案

3.方案論證與評(píng)審

4.硬件和軟件的分別細(xì)化設(shè)計(jì)

5.硬件和軟件的分別調(diào)試

6.系統(tǒng)的組裝

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6.1.4項(xiàng)目仿真與調(diào)試

1離線仿真和調(diào)試

離線仿真和調(diào)試階段的流程如圖6-1(a)所示。

a)h)

圖6-i離線仿真和兩試階段流程

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所謂離線仿真和調(diào)試是指在實(shí)驗(yàn)室而不是在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的

?仿真和調(diào)試。離線仿真和調(diào)試試驗(yàn)后，還要進(jìn)行考機(jī)運(yùn)行。

1考機(jī)的目的要在連續(xù)不停機(jī)的運(yùn)行中暴露問題和解決問題。

2在線調(diào)試和運(yùn)行

系統(tǒng)離線仿真和調(diào)試后便可進(jìn)行在線調(diào)試和運(yùn)行。在線

調(diào)試和運(yùn)行就是將系統(tǒng)和生產(chǎn)過程聯(lián)接在一起，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)

試和運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行正常后，可以再試運(yùn)行一段時(shí)間，即可

1組織驗(yàn)收。驗(yàn)收是系統(tǒng)項(xiàng)目最終完成的標(biāo)志，應(yīng)由甲方主持

乙方參加，雙方協(xié)同辦理。驗(yàn)收完畢應(yīng)形成驗(yàn)收文件存檔。

整個(gè)過程可用圖6-1(b)來形象地說明。

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6.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)

-H---------~------------------------

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括計(jì)算機(jī)選型、接口電路

■的選型與設(shè)計(jì)、信號(hào)的調(diào)理等技術(shù)。正確的選擇計(jì)算機(jī)以及：

接口電路是設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，特別是計(jì)算機(jī)的選

型是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)是中斷技術(shù)。通.

一過中斷實(shí)現(xiàn)定時(shí)操作。在定時(shí)操作中主要完成的任務(wù)有采樣、

,數(shù)字濾波、控制量計(jì)算、輸出控制量等。

為用戶顯示必要的控制信息使用戶了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

對(duì)于一個(gè)完善的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是非常必要的。

本節(jié)就上述軟硬件設(shè)計(jì)的問題——給予詳細(xì)的說明。

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6.2.1控制計(jì)算機(jī)的選型

―瞬■,?■’■......................

表6?1各種計(jì)算機(jī)的性能對(duì)比

性能用戶舟級(jí)訪開發(fā)

造價(jià)適用對(duì)象耕腳也擾性

機(jī)型二、界面;;編程1嬲

單板機(jī)低快速系統(tǒng)<lm?1不可長(zhǎng)

單片機(jī)低快速系箔<Ima差Jt不可IC

工業(yè)控制機(jī)中快速系統(tǒng)=1ms高好可短

懶系統(tǒng)篇非快速就>500nw為好可短

從表6-1中可以看出單板機(jī)或單片機(jī)其選價(jià)低廉、采樣速度快，

可用于控制快速系統(tǒng)，如調(diào)速系統(tǒng)等；也可用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的控制單

元，如單回路調(diào)節(jié)器、智能化儀表、智能化接口電路、采集模塊等。

它具有優(yōu)良的界面，可采用高級(jí)語(yǔ)言編程等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于

過程控制中，這些被控的物理量不需要非常快的采樣控制頻率。隨

著CPU速度與外圍設(shè)備速度的提高其適用的范圍也會(huì)越來越廣泛。

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接口電路與信號(hào)調(diào)理

計(jì)算機(jī)的選型工作完成后，下一步的工作就是計(jì)算機(jī)接口電路

的設(shè)計(jì)與采樣信號(hào)的調(diào)理。計(jì)算機(jī)的接口電路分為兩大類，即數(shù)字

接口電路8255、8155等，和模擬接口電路A/D、D/A等。它們主要用

于計(jì)算機(jī)與采樣信號(hào)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和輔助信號(hào)的連接如圖6-2。

收

擬

數(shù)字

執(zhí)

檢

行

測(cè)

單

單

元

元

根

m數(shù)字

檢

批

行

測(cè)

他

項(xiàng)

元

正

圖6?2i|算機(jī)接口小意圖

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采樣信號(hào)的調(diào)理電路主要是指模擬信號(hào)的調(diào)理電路。

它所起到的作用是使計(jì)算機(jī)接口模擬電路A/D和D/A與檢測(cè)

單元和執(zhí)行單元的電信號(hào)相匹配，如圖6-3。

如果我們選用的是標(biāo)準(zhǔn)的IPC總標(biāo)準(zhǔn)的

線或STD總線的工業(yè)控制機(jī)，則接口采祥

模擬

電路和信號(hào)調(diào)理電路都是成套的，信號(hào)

否則這些電路只能自行設(shè)計(jì)。表6-2

圖6-3信號(hào)調(diào)理電路

給出了IPC總線的接口電路板和信號(hào)

調(diào)理板。

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表6-2IPC總線系列產(chǎn)品

名稱性能名稱性能

PCL-812PG16相12位A/DPCID782B24通道數(shù)字輸入板

PCL8BB32路12位A/DPQD88516通道繼電器輸出板

PCL-8I8H8U6）路12位A/DPCID785B24通道繼電器除出板

KIL-72032人丸出I/OPQ,fL789D16過道熱電偶闔理板

PCL-7266路12位D/A—■

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6.2.3定時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

定時(shí)操作主要完成的任務(wù)是采樣及控制任務(wù)，控制系統(tǒng)的采

■:樣控制頻率必須滿足香農(nóng)采樣定理即：

入《T〃"或①s》2%

3〃?為閉環(huán)系統(tǒng)截止頻率，3s為采樣頻率。

控制系統(tǒng)的采樣頻率確定后，就必須嚴(yán)格遵守該頻率進(jìn)行采

樣控制。定時(shí)操作一般用中斷來實(shí)現(xiàn)，即將采樣控制程序作為

；中斷服務(wù)程序，每次中斷后執(zhí)行中斷服務(wù)程序，即采樣控制程

序。

我們以IBM386以下檔次的微型計(jì)算機(jī)為例說明其內(nèi)部中斷

的管理方法。

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一、中斷管理

由于8086CPU芯片上只有一個(gè)中斷請(qǐng)求線INTR輸入

端，計(jì)算機(jī)有多個(gè)中斷源，因而設(shè)計(jì)了一個(gè)中斷控制

器電路8259A。其主要作用是對(duì)中斷源進(jìn)行管理，如中

斷優(yōu)先級(jí)、中斷號(hào)等。8259A上有8根中斷請(qǐng)求線，可

「以采用級(jí)聯(lián)方式擴(kuò)充到64個(gè)中斷源。當(dāng)發(fā)生中斷時(shí)，

8259A自動(dòng)將中斷號(hào)送入CPU,CPU將中斷號(hào)乘以4得到

中斷矢量。計(jì)算機(jī)用中斷矢量作為地址，從內(nèi)存單元

中取出連續(xù)的4個(gè)單元的數(shù)據(jù)作為中斷服務(wù)程序的入口

地址。

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內(nèi)存

DS=O

、

IR>=20H1A（）［A（）O1DS:20

1A||A|0DS:21

A21A20DS:22

A31A3oDS:23

CS=A1A30A21A20H

中斷服務(wù)程序的入口地址為3

IP=Aj?AIQA（）|A（X）H

圖6-4中斷過程示意圖

圖6-4給出INT0AH中斷過程的示意圖。

由上可見，想要實(shí)現(xiàn)定時(shí)操作首先應(yīng)將采樣控制程序的地址放入規(guī)

定的內(nèi)存單元中，即我們所說的修改中斷矢量。修改的方法有兩種:

直接填寫和系統(tǒng)調(diào)用。

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二、外部硬件中斷

8259

外部硬件中斷的中斷R

Q

R---時(shí)鐘斗?斷8253

源通常用8253可編程定時(shí)I

R——鍵盤中斷CS—300H

/計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。8253有6種2

ROUT0

工作方式，在用作中斷源3COM2中斷

RGATE0一5V

時(shí)通常用方式3,接線方R4COMI申斷

5硬磁盤中斷

RCLK—IkHz

法如圖6-5。0

R6軟磁盤中斷

如圖想產(chǎn)生一個(gè)1秒7打印中斷

鐘中斷，只要初始化8253

使其工作在方式3,計(jì)數(shù)圖6-5中斷信號(hào)接線圖

初值為1000即可。

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三、內(nèi)部硬件中斷

〃?0的內(nèi)部接線如圖6-6,該中斷8253

IOUTI-IRQ。

的主要功能是修改計(jì)算機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘。()

在中斷8服務(wù)程序的結(jié)尾有一個(gè)GATE0—5V

的軟中斷，其中斷服務(wù)程序只有一條

1.19M―CLK0

返回語(yǔ)句(IRET)無任何內(nèi)容。用戶

圖6-6計(jì)算機(jī)內(nèi)部8253接線圖

可以通過修改的中斷矢量來

實(shí)現(xiàn)定時(shí)操作。

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6.2.4顯示技術(shù)及控制任務(wù)的協(xié)調(diào)

主程序中斷服務(wù)程序

通常在控制程序中，經(jīng)常需

要顯示被控物理量具體的數(shù)值，

有時(shí)還要求顯示控制曲線。這些

輸出語(yǔ)句不建議寫在中斷控制程

序中,特別是INT21H將引起死

機(jī)現(xiàn)象。我們建議修所有顯示語(yǔ)

句寫在主程序中，通過對(duì)標(biāo)志變

量的判斷來決定是否重新刷新顯

圖6-7顯示及控制任務(wù)的協(xié)調(diào)程序:框圖

示。程序框圖見6-7。

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■^6.2?5計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的抗干擾設(shè)計(jì)

一、微機(jī)系統(tǒng)中的主要干擾渠道及抗干擾措施

工業(yè)生產(chǎn)中的干擾一般都是以脈沖的形式進(jìn)入微機(jī)，

干擾竄入系統(tǒng)的渠道主要有三條：空間干擾(場(chǎng)干擾)，過

/程通道干擾，供電系統(tǒng)干擾。

1供電系統(tǒng)干擾措施

微機(jī)系統(tǒng)中最重要、并且危害最嚴(yán)重的干擾來源于電

-源的污染。

(1)電源噪聲種類

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如果把電源電壓變化持續(xù)時(shí)間定為at,那么，根據(jù)at

的大小可以把電源干擾分為：①過壓、欠壓、停電：

②浪涌、下陷：1s>△t>10ms;③尖峰電壓：為微秒量

級(jí)；④射頻干擾：At為毫微秒量級(jí)；⑤其它：半周內(nèi)的通電

或過欠壓。

(2)微機(jī)供電系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

為了防止從電源系統(tǒng)引入干擾，微機(jī)系統(tǒng)可采取圖6-8所

示的供電配置。為了保證供電的穩(wěn)定性，防止電源系統(tǒng)的過

壓與欠壓，可以利用交流穩(wěn)壓器，有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的可

靠性。

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220V

交流

圖6-8微機(jī)系統(tǒng)的抗干擾供電配置

考慮到高頻噪聲通過變壓器主要不是靠初次級(jí)線圈的互感

耦合，而是靠初、次級(jí)間寄生電容耦合的，利用隔離變壓器，

減少其分布電容，以提高抗共模干擾的能力；由諧波頻譜分析

可知，電源系統(tǒng)的干擾大部分是高次諧波，因此采用低通濾波

濾去高次諧波，以改善電源波形；

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采用分散獨(dú)立功能塊供電，即在每塊系統(tǒng)功能模塊

上用三端穩(wěn)壓集成塊組成穩(wěn)壓電源，每個(gè)功能塊單獨(dú)對(duì)

電壓過載進(jìn)行保護(hù)，不會(huì)因某塊穩(wěn)壓電源故障而使整個(gè)

系統(tǒng)破壞，而且也減少了公共阻抗的相互耦合以及和公

共電源的相互耦合，大大提高了供電的可靠性，也有利

于電源散熱；采用高抗干擾穩(wěn)壓電源及干擾抑制器。在

電源配置中還可以利用反激變換器的開關(guān)穩(wěn)壓電源、頻

譜均衡法原理制成的干擾抑制器、超隔離變壓器穩(wěn)壓電

源等抑制干擾。

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2’過程通道干擾及抗干擾措施

一過程通道是前向接口，后向接口與主機(jī)或主機(jī)相互之

一間進(jìn)行信息傳輸?shù)穆窂?，在過程通道中長(zhǎng)線傳輸?shù)母蓴_是

,主要因素。隨著系統(tǒng)主振頻率愈來愈高，微機(jī)系統(tǒng)過程通

一道的長(zhǎng)線傳輸愈來愈不可避免。例如，按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,

當(dāng)計(jì)算機(jī)主振頻率為1MHz時(shí)，傳輸大于0.5m或主振為4MHz

一時(shí),傳輸線大于0.3m,即作為長(zhǎng)線傳輸處理。

-微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，傳輸線上的信息多為脈沖波，它在

傳輸線上傳輸時(shí)會(huì)出現(xiàn)延時(shí)、畸變、衰減與通道干擾。為

了保證長(zhǎng)線傳輸?shù)目煽啃?，主要措施以下幾種。

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?(1)光電耦合隔離措施

?(2)雙絞線傳輸

?(3)長(zhǎng)線傳輸?shù)淖杩蛊ヅ?/p>

?(4)長(zhǎng)線的電流傳輸

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二、印刷電路板及電路的抗干擾設(shè)計(jì)

-印刷電路板是微機(jī)系統(tǒng)中器件、信號(hào)線、電源線的高

密度集合體，印刷電路板設(shè)計(jì)得好壞對(duì)抗干擾能力影響很

大，故印刷電路板設(shè)計(jì)決不單是器件、線路的簡(jiǎn)單布局安

「排，還必須符合抗干擾的設(shè)計(jì)原則。通常應(yīng)有下述抗干擾

措施。

1地線設(shè)計(jì)

⑴在接地線長(zhǎng)度允許的情況下，應(yīng)盡量采取一點(diǎn)接地的工藝措

施，以避免不同電路的電流流經(jīng)公共地線，如圖6-n所示。

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a）不好b）好

圖6-11一點(diǎn)接地

⑵屏敝層的接地。

單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地選擇。在低頻電路中，信號(hào)的工作頻

率小于1MHz時(shí)，它的布線和元器件間的電感影響較小，而接地

電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大，因而屏蔽線采用一點(diǎn)接地；

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當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10MHz時(shí)，地線阻抗變得很大，此

時(shí)應(yīng)降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地法；當(dāng)工作頻率

在1?10MHz之間時(shí)，如果用一點(diǎn)接地，其地線長(zhǎng)度不應(yīng)超

過波長(zhǎng)1/20,否則宜采用多點(diǎn)接地法，如圖6-12所示。

b）二點(diǎn)接地

圖6-12屏蔽線接地

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⑶數(shù)字、模擬電路分開。電路板上既有高速邏輯電路,

又有線性電路，應(yīng)使它們晝分開，現(xiàn)時(shí)兩者的地線不

要相混，分別與電源端地線相連。要盡量加大線性電

路的接地面積。

(4)接地線應(yīng)盡量加粗。若接地用線條很細(xì)，接地電位

則隨電流的變化而變化，致使微機(jī)的定時(shí)信號(hào)電平不

穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。因此應(yīng)將接地線條加粗，使它

能通過三倍于印刷電路板上的允許電流，接地用線應(yīng)

在2~3mm以上。

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⑸接地線構(gòu)成閉環(huán)路。只用數(shù)字電路組成的印刷電路板接地

.時(shí)，根據(jù)某些人的經(jīng)驗(yàn)，修接地電路做成閉環(huán)路大多都明

顯地提高抗噪聲能力。其原因是：一塊印刷電路板上有很

/多集成電路，尤其遇有耗電多的元件時(shí)，因受到線條粗細(xì)

限制，地線產(chǎn)生電位差，引起抗噪聲能力下降。

2電源線布置

一電源線的布線方法除了要根據(jù)電流的大小，盡量加粗導(dǎo)

體寬度外，采取使電源線、地線的走向與數(shù)據(jù)傳遞的方向

一致，圈有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。

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3去耦電容配置

在印刷電路板的各個(gè)關(guān)鍵部位配置去耦電容應(yīng)視為印刷電

路板設(shè)計(jì)的一項(xiàng)常規(guī)做法。

⑴電源輸入端跨接10?100〃廠的電解電容器。如有可能，接100〃/

以上更好。

⑵原則上每個(gè)集成電路芯片都應(yīng)安置一個(gè)0.01〃廠的陶瓷電容器一

⑶對(duì)于抗噪聲能力弱、關(guān)斷時(shí)電流變化大的器件和RW、RAM^

儲(chǔ)器件，應(yīng)在芯片的電源線（匕0）和地線（GND）間直接接入

去耦電容。

（4）電容引線不能太長(zhǎng)，特別是高頻旁路電容不能帶引線。

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4印刷電路板的尺寸與器件布置

印刷電路板大小要適中，過大時(shí)，印刷線條長(zhǎng)，阻抗

;增加，不僅抗噪聲能力下降，成本也高；過小則散熱不好,

同時(shí)易受鄰近線條干擾。

在器件布置方面，與其它邏輯電路一樣，應(yīng)把相互有

關(guān)的器件盡量放得靠近些，能獲得較好的抗噪聲效果，易

產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應(yīng)盡量遠(yuǎn)離

計(jì)算機(jī)邏輯電路如有可能，應(yīng)另做電路板，這一點(diǎn)十分重

要。另外，一塊電路板要考慮在機(jī)箱中放置的方向，將發(fā)

熱量大的器件放置在上方。

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三、軟件的抗干擾設(shè)計(jì)

?軟件抗干擾是屬于微機(jī)系統(tǒng)的自身防御行為。采用軟件

抗干擾的最根本的前提條件是：

「系統(tǒng)中抗干擾軟件不會(huì)因干擾而損壞。

軟件抗干擾的設(shè)置前提條件概括為：

?在干擾作用下，微機(jī)系統(tǒng)硬件部分不會(huì)受任何損壞，或易

損壞部分設(shè)置有監(jiān)測(cè)狀態(tài)可供查詢；

?程序區(qū)不會(huì)受干擾侵害；

?RAM區(qū)中的重要數(shù)據(jù)不被破壞，或雖被破壞可以重新建立。

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1數(shù)據(jù)采集誤差加大的軟件對(duì)策

干擾侵入微機(jī)系統(tǒng)的前向通道，疊加在信號(hào)上，致使

,數(shù)據(jù)采集誤差加大。特別是前向通道的傳感器接口是小電

.一壓信號(hào)輸入時(shí)，此現(xiàn)象更加嚴(yán)重。根據(jù)數(shù)據(jù)采集時(shí)干擾性

質(zhì)，干擾后果的不同，采取的軟件對(duì)策不一，沒有固定的

一對(duì)策模式。對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為了消除傳感器通道

中的干擾信號(hào)，常在硬件措施基礎(chǔ)上采取數(shù)字濾波。

阿讓工業(yè)人名@劭化系

—

2控制狀態(tài)失常的軟件對(duì)策

一般控制狀態(tài)的輸出多半是通過微機(jī)系統(tǒng)的后向

一通道，由于控制信號(hào)輸出較大，不易直接受到外界

干擾。但是，在微機(jī)控制系統(tǒng)中，控制狀態(tài)輸出常

常是依據(jù)某些條件狀態(tài)的輸入和條件狀態(tài)的邏輯處

:理結(jié)果。在這些環(huán)節(jié)中，由于干擾的侵入，都會(huì)造

成條件狀態(tài)偏差、失誤、致使輸出控制誤差加大，

一甚至控制失常。為了確保系統(tǒng)安全可以采取下述軟

件抗干擾措施：

阿讓工業(yè)人名@劭化系

I

⑴軟件冗余。

⑵設(shè)置當(dāng)前輸出狀態(tài)寄存單元，當(dāng)干擾侵入輸出狀態(tài)破壞時(shí),

系統(tǒng)能及時(shí)查詢寄存單元的輸出狀態(tài)信息，及時(shí)糾正輸出

狀態(tài)。

⑶設(shè)自檢程序。

3數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化的軟件對(duì)策

4程序運(yùn)行失常的軟件對(duì)策

5發(fā)現(xiàn)失常狀態(tài)后及時(shí)引導(dǎo)系統(tǒng)復(fù)原始狀態(tài)。

阿讓工業(yè)人名@劭化系

⑴設(shè)置監(jiān)視跟蹤定時(shí)器

使用定時(shí)中斷來監(jiān)視程序運(yùn)行狀態(tài)。

⑵設(shè)置軟件陷阱

當(dāng)PC失控，造成程序“亂飛”而不斷進(jìn)入非程序

區(qū)，只要在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施，使程序時(shí)入陷

-阱，然后強(qiáng)使程序進(jìn)入初始狀態(tài)。具體做法是將所

..有非程序區(qū)都有用無條件轉(zhuǎn)移指令填滿，以便一旦

.干擾使程序進(jìn)入非程序區(qū)后，即可無條件轉(zhuǎn)移到整

個(gè)程序的開頭，以便從新開始執(zhí)行程序。

阿讓工業(yè)人名@劭化系

6.3烘箱溫度計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6.3.1控制系統(tǒng)的組成

烘箱

圖6-13烘箱溫度控制系統(tǒng)原理框圖

阿讓工業(yè)人名@劭化系

該系統(tǒng)是用微型機(jī)控制的電烘箱的例子，其控制系統(tǒng)原理

圖如圖6T3所示。

本系統(tǒng)由烘箱、溫度測(cè)量放大器、ADC0809.8253及8255組

成。在圖6-13中，烘箱用電爐絲心加熱。溫度的檢測(cè)用半導(dǎo)體

溫度傳感器AD590測(cè)量，測(cè)溫范圍是-55。C?+100。C,線性度

好，恒流輸出IRA/K。

AD590放大電路由兩級(jí)運(yùn)算放大器組成。其中第一級(jí)放大10

倍，第二級(jí)放大5倍，W1為零點(diǎn)遷移電位器，設(shè)置為+2.73V,

使得在0。C時(shí)放大器輸出為0V。交流固態(tài)繼電器（SSR）用來

控制電阻絲通/斷電加熱。

阿讓工業(yè)人名@劭化系

1.定時(shí)中斷的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用外部硬件定時(shí)中斷，中斷周期為20ms。外接8253

定時(shí)器使其產(chǎn)生一個(gè)周期為20ms方波，然后接在8259的IRQ2上。

這樣計(jì)算機(jī)每隔20nls便產(chǎn)生一個(gè)中斷號(hào)為0AH的中斷。

2.控制周期及控制方法

根據(jù)具體情況可將控制周期設(shè)為5秒，由于中斷周期為20ms,

所以，在一個(gè)控制周期內(nèi)共有250個(gè)時(shí)間段。在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)電

爐絲可以有“通電”和“斷開”兩種狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)“通電”的

時(shí)間段的數(shù)目，即控制加熱的占空比，可以達(dá)到調(diào)節(jié)加熱功率的

目的，因此這種調(diào)節(jié)方案也可稱為調(diào)功法控制溫度。

阿讓工業(yè)丈名@劭化系

■■6.3.2控制軟件設(shè)計(jì)

控制軟件主要實(shí)現(xiàn)烘箱溫度的PID控制、顯示溫度值和控制

量。整個(gè)程序包括四部分：主程序、PID運(yùn)算子程序、限幅子程

序、A/D采樣和中斷子程序。

1.主程序的主要功能是初始化8255和8253,并設(shè)置IRQ2中斷向量,

控制采用周期，啟動(dòng)0809采樣，調(diào)用PID運(yùn)算子程序和限幅子程

序以得到輸出量。

2.PID算法采用增量型控制公式為：

△尸(K)=KP[E(K)-E(K-1)]+

K/￡(K)+Ko[￡(K)-2￡(K-1)+￡(K-2)]

P(K)=P(K—1)+△尸(K)

阿讓工業(yè)人名@劭化系

3限幅子程序的功能是把PID程序運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行限幅運(yùn)

算，以得到一個(gè)。?250之間的數(shù)，以滿足調(diào)功控制

-溫度的需要。

4中斷子程序每20nls執(zhí)行一次，中斷時(shí)對(duì)中斷計(jì)數(shù)器

CNT加1,修之與PID的運(yùn)算結(jié)果POUT的值相比較，當(dāng)

CNT大于POUT時(shí)，停止加熱，否則繼續(xù)加熱。每執(zhí)行

250次調(diào)用一次采樣控制程序，已實(shí)現(xiàn)控制周期為5

秒。

阿讓工業(yè)人名@劭化系

c結(jié)束，

圖6-16限幅子程序框圖

圖6-15PID子程序框圖阿讓工業(yè)人名@劭化系

中斷服務(wù)程

十:

保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)

CNT=CNT+1

PAo=O

8259復(fù)位

恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)

i~~

（返回）

圖6-17中斷服務(wù)程序框圖

阿讓工業(yè)人老@劭化系

■6.3.3程序清單

I------------------

DOSSEG

.MODELSMALL

.STACK100H

.DATA

UREQU80H；設(shè)定溫度50℃

KPEQU0300H;Kp=3.0

KIEQU001OH;KI=1/16=0.0625

KDEQUOH;KD=0

EKDW0;定義E(k)=O

EKIDW0;定義E(k-l)=O

EK2DW0;定義E(k-2)=0

阿讓工業(yè)人名@劭化系

PKDW2DUP(?)淀義U(k)

ADZDB*；溫度采樣存放單元

POUTDB9；控制量限幅輸出單元

CNTDB0；中斷計(jì)數(shù)單元

MES1DB'TEMPREATURE=$，

MES2DBCONTROL=$，

.CODE

START:MOVAX,@DATA

MOVDS,AX

PUSHDS

MOVAX,SEGINTOA

MOVDS,AX

MOVDX,OFFSETINTOA

阿讓工業(yè)人名@劭化系

MOVAX,250AH

INT21H

POPDS

MOVDX,203H；設(shè)定定時(shí)器0為工作方式2

MOVAL,36H

OUTDX,AL

MOVAX,20000；設(shè)定定時(shí)時(shí)間為20Ms

MOVDX,200H

OUTDX,AL

MOVAL,AH

OUTDX,AL

MOVDX,20BH；定義端口A,B,C為輸出

MOVAL,80H

阿讓工業(yè)人名@劭化系

OUTDX,AL

MOVAL,0;端口A輸出0

MOVDX,208H;停止加熱

OUTDX,AL

PPPO:INAL,21H

ANDAL,11111011B

OUT21H,AL;允許IRQ2中斷

STI

PPP:CMPCNT,250

JERP1

JMPPPP

阿讓工業(yè)人名@劭化系

RP1:MOVCNT,0

CALLPICKAD；調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序

LEADX,MES1;顯示“TEMPERATURE*

MOVAH,9

INT21H

MOVAL,ADZ;將人/口值轉(zhuǎn)換為溫度

MOVBL,100

MULBL

MOVBL,255

DIVBL

CALLHEXBCD;將溫度轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制

CALLDSP_AL；顯示溫度

CALLPID;調(diào)用PID子程序

阿讓工業(yè)人名@劭化系

CALLLIMIT;調(diào)用限幅子程序

MOVDX,208H

MOVAL,0

CMPPOUT,0;如果POUT，。,力口熱

JEM2;否則，不加熱

MOVAL,1

M2:OUTDX,AL

LEADX,MES2;顯示“CONTROL4

MOVAH,9

INT21H

MOVAL,POUT

CALLDSP_AL;顯示控制量

阿讓工業(yè)人名@劭化系

CALLCRLF；回車換行

MOVAH,0BH

INT21H

INCAL

JZPPP2；按任意鍵退出

JMPPPP；無按鍵繼續(xù)

PPP2:MOVDX,208H;停止加熱

MOVAL,0

OUTDX,AL

MOVDX,203H；關(guān)定時(shí)器0；

MOVAL,30H

OUTDX,AL

MOVAX,4C00H;返回DOS

INT21H

阿讓工業(yè)大名@劭化系

PIDPROCNEAR

MOVAX,UR

MOVBL,ADZ

MOVBH,0

SUBAX,BX

MOVEK,AX

SUBAX,EKI

MOVBX,KP

IMULBX

ADDPK1,AX

ADCPK1+2,DX

MOVAX,EK

MOVBX,KI

阿讓工業(yè)人名@劭化系

IMULBX

ADDPK1,AX

ADCPK1+2,DX

MOVAX,EK

SUBAX,EKI

SUBAX,EK1

ADDAX,EK2

MOVBX,KD

IMULBX

ADDPK1,AX

ADCPK1+2,DX

MOVAX,EKI

MOVEK2,AX

MOVAX,EK阿讓工業(yè)人名@劭化系

MOVEKI,AX

RET

PIDENDP

LIMITPROCNEAR;限幅子程序

MOVAX,WORDPTR[PK+2]

CMPAX,0;U(k)高16位和0比較

JLMINUS;小于0轉(zhuǎn)MINUS

JGBIG;大于0轉(zhuǎn)BIG

MOVAL,BYTEPTR[PK+1]；等于0

CMPAL,0FAH；再比較低16位整數(shù)部分

JBEMM5；大于250

MOVAL,0FA

阿讓工業(yè)人名@劭化系

MM5:MOVPOUT,AL；限幅值等于250,否則限幅

值等于計(jì)算結(jié)果

RET

MINUS:MOVPOUT,0；小于0,限幅值為0

RET

BIG:MOVPOUT,OFAH；小于0,限幅值為0

RET；返回

LIMITENDP

INTOAPROCNEAR;中斷服務(wù)程序

PUSHAX；保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)

PUSHDX

INCCNT；中斷計(jì)數(shù)單元加1

MOVAL,POUT

CMPCNT,AL;和控制量比較

JBEPPP1；小于等于轉(zhuǎn)PPP1

阿讓工業(yè)人名@劭化系

MOVAL,0；等于停止加熱

MOVDX,208H

OUTDX,AL

PPP1:MOVAL,20H;送中斷結(jié)束命令

OUT20H,AL

POPDX；恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)

POPAX

IRET；中斷返回

INTOAENDP

DSP_ALPROC;AL內(nèi)容顯示子程序

-MOVBL,AL

MOVDH,2

ML20:MOVAH,4

ML21:SHLBL,1

RCLDL,1

阿讓工業(yè)人名@劭化系

DECAH

JNEML21

ANDDL,0FH

CMPDL,9

JBEML22

ADDDL,7

ML22:ADDDL,30H

MOVAH,2

INT21H

DECDH

JNZML20

RET

阿讓工業(yè)人名@劭化系

DSP_ALENDP

CRLFPROC；回車換行子程序

PUSHDX

PUSHAX

MOVDL,10

MOVAH,2

INT21H

MOVDL,13

MOVAH,2

INT21H

POPDX

POPAX

RET

阿讓工業(yè)人名@劭化系

CRLFENDP

PICKADPROC;A/D采樣子程序

MOVDX,220H

MOVAL,0

OUTDX,AL

MOVCX,1000

PI1:NOP

LOOPPI1

INAL,DX

MOVADZ,AL

RET

PICKADENDP

HEXBCDPROCNEAR;AL中二進(jìn)制轉(zhuǎn)為十進(jìn)制子程序

阿讓工業(yè)人名@劭化系

MOVDL,AL

SUBAL,AL

MOVCX,8

LP:ADDDL,DL

ADCAL,AL

DAA

LOOPLP

RET

HEXBCDENDP

ENDSTART

阿讓工業(yè)人名@劭化系

6.4基于混合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的二階液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6.4.1實(shí)驗(yàn)裝置與系統(tǒng)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)裝置采用的是浙江天煌科技實(shí)業(yè)有限公司的THJ-3型高

級(jí)過程控制對(duì)象裝置，此裝置結(jié)合了當(dāng)今工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)過程控制的

實(shí)際，是一套集自動(dòng)化儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自

動(dòng)控制技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)裝

置由控制對(duì)象和控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)兩部分組成。對(duì)象配有水槽、鍋

爐、三相磁力泵等各種模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的裝置，并安裝了各類檢

測(cè)變送裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制臺(tái)與控制對(duì)象的分開設(shè)計(jì)，使其

更加接近工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，可以看成是微縮了的常用過程裝置。其中

系統(tǒng)的檢測(cè)裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括：

阿讓工業(yè)人名@劭化系

?壓力傳感器、變送器：其精度為0.5級(jí)，驅(qū)動(dòng)電壓為24V,

輸出為電流為4-20sA。

?溫度傳感器：采用了六個(gè)PtlOO粕熱電阻溫度傳感器，

「PtlOO傳感器精度高，熱補(bǔ)償較好。經(jīng)過調(diào)解器的溫度變

送器，可將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成4-2OmADC電流信號(hào)。

?流量傳感器、變送器：三個(gè)渦輪流量計(jì)分別用來對(duì)電動(dòng)調(diào)

；節(jié)閥控制的動(dòng)力支路、由變頻器控制的動(dòng)力支路及盤管出

口處的流量進(jìn)行檢測(cè)。渦輪流量計(jì)流量范圍為0T.2m3/h,

精度為1%,輸出為4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)

阿讓工業(yè)人皆@劭化系

2執(zhí)行器

?電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：采用智能直行程電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來對(duì)控制回路的

流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸入控制信號(hào)為1-5V直流電壓，輸出量程為0-

100%。

?變頻器：本裝置采用日本三菱(FR-S520S-0.4K-CH(R))變頻器,

控制信號(hào)輸入為4-20mA直流電流或0-5V直流電壓，交流220V的

變頻輸入用來驅(qū)動(dòng)三相磁力驅(qū)動(dòng)泵。

?水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動(dòng)泵，型號(hào)為16CQ-8P,流量為32升/

分，揚(yáng)程為8米，功率為180W,泵體采用不銹鋼材料。有兩只

磁力驅(qū)動(dòng)泵，一只為三相380V恒壓驅(qū)動(dòng)，另一只為三相變頻

220V輸出驅(qū)動(dòng)。河讓工業(yè)人名@劭化系

6.4.2過程控制混合仿真平臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成

本過程控制混合仿真系統(tǒng)的

PC機(jī)

組成示意圖如圖6-19所示。系統(tǒng)

由虛擬控制器環(huán)境和實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)環(huán)

境兩部分組成。PC機(jī)和PCI-PCI-6024E

共同完成虛擬控制器的工?

6024E買

模拉信號(hào)

際

現(xiàn)

作，PC機(jī)所用的操作系統(tǒng)是場(chǎng)

環(huán)THJ-3型

境

WidonwsXP,虛擬控制器的所有高級(jí)過程控制

工作都是在這個(gè)操作系統(tǒng)環(huán)境完試驗(yàn)裝置

成的。1*16-19混合仿真系統(tǒng)的組成

阿讓工業(yè)人名@劭化系

6.4.3混合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理

混合仿真平臺(tái)主要應(yīng)用的軟件

包括Matlab及其工具箱Simulink,

RTW和MicrosoftVisualstudio

6.0o利用這些軟件的組合，可構(gòu)

造出一個(gè)良好的虛擬控制器開發(fā)

和執(zhí)行的環(huán)境，解決windows操作

系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制的問題。圖

6-20所示給出了這個(gè)軟件組合的困6-20混合仿真系統(tǒng)的原理不意圖

環(huán)境，以及利用它們實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控

制混合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理示意

圖。

阿讓工業(yè)人名@劭化系

上述軟件在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的主要功能如下：

?Matlab提供了數(shù)值計(jì)算、算法開發(fā)、圖形化數(shù)據(jù)等

功能。

?Simulink提供了一個(gè)圖形化的虛擬控制器設(shè)計(jì)環(huán)境,

,它不但支持常用的仿真模塊，還支持I/O模塊。

?RTW提供了把在Simulink環(huán)境下建立的模型，生成可

以在不同目標(biāo)環(huán)境下運(yùn)行的可執(zhí)行程序的功能。

阿讓工業(yè)人名@劭化系

?RTWT提供了一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核，解決了優(yōu)先級(jí)、進(jìn)程調(diào)度、

中斷處理等問題，在Windows操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)可執(zhí)行程

序的運(yùn)行。<

?MicrosoftVisualstudio6.0提供了一個(gè)C代碼編譯

」的環(huán)境，配合RTW工具箱完成實(shí)時(shí)代碼的生成，并進(jìn)行

編譯生成不同目標(biāo)環(huán)境下的可執(zhí)行程序。

阿讓工業(yè)人名@劭化系

.6.4.4二階液位控制系統(tǒng)的Matlab仿真

選平臺(tái)中的二階液位系統(tǒng)為控制對(duì)象，選取串級(jí)控

制方案，控制器為PID控制器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖入圖

6-21所示。系統(tǒng)的Simulink模型如圖6-22所示。實(shí)驗(yàn)中

采樣時(shí)間設(shè)為1秒，液位設(shè)定值設(shè)為8cm。主控制器采用

PI控制器其控制參數(shù)為：P=6,I=0.03,副控制器采

用比例控制器其中尸=2。圖6-23即為Scopl與Scop2顯示

的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

阿讓工業(yè)人名@劭化系

a）結(jié)構(gòu)圖

阿讓工業(yè)人名@劭化系

b）方框圖

圖6-21水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)

1*16-22控制系統(tǒng)模型

阿讓工業(yè)上當(dāng)@劭化系

-

時(shí)間⑸

a）水槽液位響應(yīng)曲線b）控制器的輸出

圖6-23系統(tǒng)響應(yīng)曲線

阿吐工業(yè)上當(dāng)@劭化系

.6.5三軸數(shù)控銃床計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

.

數(shù)字控制(NumericalControl),簡(jiǎn)稱數(shù)控(NC),是一

種控制技術(shù)，使用數(shù)字信號(hào)對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)及加工過程進(jìn)行

控制的一種方法。數(shù)控機(jī)床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)

床，該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有使用號(hào)碼或其他符號(hào)編碼

指令規(guī)定的程序。數(shù)控系統(tǒng)(NumericalControlSystem)

是一種自動(dòng)閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字量，并將其譯

碼，從而使機(jī)床動(dòng)作并加工零件的控制系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)一

般包括數(shù)控裝置、可編程邏輯控制器(ProgrammableLogic

Controller,PLC)、主軸驅(qū)動(dòng)及進(jìn)給裝置等部分。

阿讓工業(yè)人名@劭化系

與五軸數(shù)控機(jī)床相比，三軸數(shù)控機(jī)床的主要優(yōu)點(diǎn)包括：

?(1)適用于小批量生產(chǎn)，并且它的維修費(fèi)用不高；-

?(2)可以在惡劣的環(huán)境下工作，并且噪聲很低；

?(3)加工精度足夠，足以滿足精加工要求；

?(4)刀具路徑程序容易控制。

因此，三軸數(shù)控機(jī)床仍然是制造業(yè)中的主要生產(chǎn)

力。絕大多數(shù)的自由曲面都是在三軸數(shù)控機(jī)床上完成

的。

阿讓工業(yè)人名@劭化系

6.5.1控制系統(tǒng)的組成

數(shù)控系統(tǒng)電氣控制原理框圖如圖6-24所示。

步

I控制軟件步X

驅(qū)

PCL83977進(jìn)

f進(jìn)

Y動(dòng)Y

t電

電

Y機(jī)

H運(yùn)湍

機(jī)

V機(jī)

械

動(dòng)Z執(zhí)

I工控機(jī)IC行

控

機(jī)

制C構(gòu)

卡

圖6-24數(shù)控系統(tǒng)電氣控制覽理框圖

1.運(yùn)動(dòng)控制卡

運(yùn)動(dòng)控制是近十年來國(guó)際上流行的一種新技術(shù)，是由電力拖

動(dòng)發(fā)展而來的，通常是指在復(fù)雜條件下，將預(yù)定的控制方案、規(guī)

劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

阿讓工業(yè)人名@劭化系

2.步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器

數(shù)控系統(tǒng)所用四通公司的兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，及兩

相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器SH-20806。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

-的功能是進(jìn)行功率變換，把計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)提供的弱電信號(hào)

放大為步進(jìn)電機(jī)能夠接受的強(qiáng)電流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照上位

機(jī)控制指令轉(zhuǎn)動(dòng)。具有以下特點(diǎn)：

?全新的雙極恒相流加細(xì)分控制模式

?創(chuàng)新的自動(dòng)尋優(yōu)電路使性能最優(yōu)化

?最大64細(xì)分的八種運(yùn)行模式

?直流電源DC10V?70V供電

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?最大輸出驅(qū)動(dòng)電流6A/相（峰值）

?輸入信號(hào)TTL兼容或24V接口可選

?輸入信號(hào)光電隔離

?輸出電流可方便設(shè)定

?過流、過壓、錯(cuò)相保護(hù)

?脫機(jī)（FREE）保持功能

?最大輸出驅(qū)動(dòng)電流6A/相（峰值）

?輸入信號(hào)TTL兼容或24V接口可選

?輸入信號(hào)光電隔離

阿讓工業(yè)人名@劭化系

?輸出電流可方便設(shè)定

?過流、過壓、錯(cuò)相保護(hù)

?脫機(jī)(FREE)保持功能

/本驅(qū)動(dòng)器采用單脈沖控制方式。輸入控制信號(hào)通過內(nèi)置

光耦隔離，采用共陽(yáng)極接法。為確保內(nèi)置光耦能可靠導(dǎo)通，

要求控制信號(hào)提供至少6mA的電流。當(dāng)輸入信號(hào)接口模式選

擇5V時(shí)，內(nèi)置光耦的限流電阻為330Q,適合TTL電平的信號(hào)

接口。當(dāng)輸入信號(hào)接口模式選擇24V時(shí)，內(nèi)置光耦的限流電

阻為2KQ,可以與PLC接口配合。PCL839和步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)

動(dòng)器接線示意圖如圖6-25。

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MSI

MS2

MS3

FREE

PCL-8391/O

GNDDIR

步

+I2VPULSE進(jìn)

COM電

機(jī)