1、秦 川 计算机控制系统的设计既是一个理论问题计算机控制系统的设计既是一个理论问题,也是一个工程问题。也是一个工程问题。本章主要介绍计算机系统设计的原则与步骤、计算机控制系统本章主要介绍计算机系统设计的原则与步骤、计算机控制系统的工程设计与实现、计算机控制系统的设计举例。的工程设计与实现、计算机控制系统的设计举例。一、系统设计的原则一、系统设计的原则1.安全可靠安全可靠 2.操作维护方便操作维护方便 3.实时性强实时性强 4.通用性好通用性好 5.经济效益高经济效益高 提高系统可靠性的措施（从系统结构上考虑）提高系统可靠性的措施（从系统结构上考虑）1)1)采用双机系统采用双机系统双机热备份方式双
2、机热备份方式 两台机器均处于运行状态，一台投入系统，另一台脱离系统两台机器均处于运行状态，一台投入系统，另一台脱离系统主从工作方式主从工作方式 两台机器同时投入系统运行，正常情况下分别执行不同的任两台机器同时投入系统运行，正常情况下分别执行不同的任 务，其中一台执行主控任务（主机），另一台执行部分处理务，其中一台执行主控任务（主机），另一台执行部分处理 任务（从机），一旦某一台机器发生故障，则另一台将承担任务（从机），一旦某一台机器发生故障，则另一台将承担 全部控制任务。全部控制任务。双工工作方式双工工作方式 两台机器同时运行，同时处理一项任务，其结果送专门装置两台机器同时运行，同时处理一项任
3、务，其结果送专门装置 核对，如果一致，则输出，若不一致，则封锁输出并用诊断核对，如果一致，则输出，若不一致，则封锁输出并用诊断 程序确定故障机，并将其从系统解除程序确定故障机，并将其从系统解除2)2)采用集散控制系统采用集散控制系统 即分布式控制系统即分布式控制系统一、计算机控制系统的工程项目研制的四个阶段：一、计算机控制系统的工程项目研制的四个阶段：1 1、工程项目与控制任务的确定阶段、工程项目与控制任务的确定阶段 (1)(1)甲方提出任务委托书甲方提出任务委托书 (2)(2)乙方研究任务委托书乙方研究任务委托书 (3)(3)双方对委托书进行修改双方对委托书进行修改 (4)(4)乙方初步进行
4、系统总体方案设计乙方初步进行系统总体方案设计 (5)(5)乙方进行方案可行性论证乙方进行方案可行性论证 (6)(6)签订合同书签订合同书 2.2.工程项目与控制任务的确定阶段工程项目与控制任务的确定阶段 (1)(1)组建项目研制小组组建项目研制小组 (2)(2)制定系统的总体方案制定系统的总体方案 (3)(3)方案的论证与送审方案的论证与送审 (4)(4)硬件与软件的分别细化设计硬件与软件的分别细化设计 (5)(5)硬件和软件的分别调试硬件和软件的分别调试 (6)(6)系统的组装系统的组装3.3.离线仿真和调试阶段离线仿真和调试阶段 在实验室而不是在工业现场进行仿真和调试。在实验室而不是在工业
5、现场进行仿真和调试。离线仿真和调试后还要进行考机运行，以便在连续离线仿真和调试后还要进行考机运行，以便在连续不停机的运行中暴露问题和解决问题不停机的运行中暴露问题和解决问题 4.4.在线调试和运行阶段在线调试和运行阶段 即将系统和生产过程联接在一起，进行现场调即将系统和生产过程联接在一起，进行现场调试和运行。系统正常运行后，可组织验收。验收是试和运行。系统正常运行后，可组织验收。验收是系统项目最终完成的标志系统项目最终完成的标志 二、二、系统的工程设计与实现系统的工程设计与实现 1 1、系统总体方案设计、系统总体方案设计 （1 1）硬件总体方案设计）硬件总体方案设计 1)1)确定系统的结构和类
6、型确定系统的结构和类型 2)2)确定系统的构成方式确定系统的构成方式 3)3)现场设备选择现场设备选择 4)4)其它方面的考虑其它方面的考虑 （2 2）软件总体方案设计）软件总体方案设计 （3 3）系统总体方案）系统总体方案 1)1)系统主要功能、技术指标、原理图及文字说明系统主要功能、技术指标、原理图及文字说明 2)2)控制策略和控制算法控制策略和控制算法 3)3)系统硬件结构及配置系统硬件结构及配置 4)4)方案比较和选择方案比较和选择 5)5)保证性能指标要求的技术措施保证性能指标要求的技术措施 6)6)抗干扰和可靠性设计抗干扰和可靠性设计 7)7)机柜或机箱的结构设计机柜或机箱的结构设
7、计 8)8)经费和进度计划的安排经费和进度计划的安排2.2.硬件工程的设计与实现硬件工程的设计与实现 （1 1）选择系统的总线和主机类型）选择系统的总线和主机类型 1)1)选择系统的总线，包括内总线和外总线选择选择系统的总线，包括内总线和外总线选择 2)2)选择主机机型选择主机机型 （2 2）选择输入输出通道模板）选择输入输出通道模板 1)1)数字量（开关量）输入输出数字量（开关量）输入输出(DI/DO)(DI/DO)模板模板 2)2)模拟量输入输出模拟量输入输出(AI/AO)(AI/AO)模板模板 （3 3）选择变送器和执行机构）选择变送器和执行机构 1)1)选择变送器选择变送器 2)2)选
8、择执行机构选择执行机构 3.3.系统总体方案设计系统总体方案设计 （1 1）数据类型和数据结构规划数据类型和数据结构规划 （2 2）资源分配资源分配 （3 3）实时控制软件设计实时控制软件设计 包括数据采集及数据处理程序、控制算法程序、包括数据采集及数据处理程序、控制算法程序、控制量输出程序和实时时钟、中断处理程序控制量输出程序和实时时钟、中断处理程序 、数据管、数据管理程序和数据通信程序理程序和数据通信程序 4.4.系统的调试与运行系统的调试与运行 （1 1）离线仿真和调试离线仿真和调试 （2 2）在线调试和运行在线调试和运行 在现场进行调试之前应对各种仪器、设备、抗干扰和在现场进行调试之前
9、应对各种仪器、设备、抗干扰和接地情况以及安全防护措施进行检查。经检查并安装正确接地情况以及安全防护措施进行检查。经检查并安装正确之后，就可以进行系统的投运和参数整定。之后，就可以进行系统的投运和参数整定。例例1 1 基于单片机基于单片机PIDPID和和PWMPWM液体流量控制系统液体流量控制系统一、概述一、概述 液体流量控制通常采用电磁阀实现，而电磁阀一般液体流量控制通常采用电磁阀实现，而电磁阀一般使采用全控的开关功率元件进行脉宽调制（简称使采用全控的开关功率元件进行脉宽调制（简称PWMPWM）的控制方式。的控制方式。本系统采用本系统采用AVRAVR系列的系列的atmega32atmega32
10、单片机为核心，单片机为核心，通过设置通过设置atmega32atmega32的的PWMPWM控制寄存器产生脉宽可调的控制寄存器产生脉宽可调的PWMPWM波，波，对比例电磁阀的输入电压进行调制，从而实现了对液体流对比例电磁阀的输入电压进行调制，从而实现了对液体流量的变量控制。量的变量控制。单片机统过涡轮流量计采集实际流量信号，根据该信号在单片机统过涡轮流量计采集实际流量信号，根据该信号在其内部采用数字其内部采用数字PIDPID算法对算法对PWMPWM控制寄存器的值进行修改，控制寄存器的值进行修改，从而达到精确的变量控制。从而达到精确的变量控制。单片机输出的单片机输出的PWMPWM脉冲信号分别经脉
11、冲信号分别经74067406和和74077407输入到输入到Q1Q1，Q2Q2的的G G极，极，在每个在每个PWMPWM周期的高电平区间，周期的高电平区间，Q1Q1导通，导通，Q2Q2截止，电磁阀导通。在截止，电磁阀导通。在每个每个PWMPWM周期的低电平区间，周期的低电平区间，Q1Q1截止从而切断了电源，电磁阀的感截止从而切断了电源，电磁阀的感应电动势经应电动势经Q2Q2形成回路。形成回路。二、软件部分二、软件部分1.1.设计采用单片机设计采用单片机atmega32atmega32产生产生PWMPWM信号，比较匹配寄存信号，比较匹配寄存器的值决定了占空比的大小。也即只要改变该寄存器值即器的值
12、决定了占空比的大小。也即只要改变该寄存器值即可改变占空比可改变占空比.2.2.如何使用如何使用PIDPID算法。算法。W:W:给定值也即给定流量给定值也即给定流量 Y:Y:传感器检测到的实际流量传感器检测到的实际流量e=w-ye=w-y。控制量控制量u u是什么？如何将计算得到的控制量赋给是什么？如何将计算得到的控制量赋给PWMPWM模块模块,使使得得PWMPWM脉冲的占空比发生变化？脉冲的占空比发生变化？实际上PID并没有对输出作太多描述，也没有指定对象和作用域。它的输出非常灵活，可以按照实际情况把输出域线性映射到控制部件上去。例如本例中，经过PID计算得到控制量U(k),则PWM的占空比M
13、=k*U(k)，且0M1用用C C编程实现程序如下所示：编程实现程序如下所示：void PID()void PID()float u;/float u;/电压差值电压差值 sint z;/sint z;/本次输出增量本次输出增量 sint temp1;/sint temp1;/临时记录值临时记录值 float t;float t;t=itime t=itime*T;T;Speed_change()Speed_change()；/将流速转化为数字量将流速转化为数字量 Ek=Sheding_liusu-Celiang_liusu;Ek=Sheding_liusu-Celiang_liusu;u=A
14、 u=A*(Ek-Ek_1)+(t/B)(Ek-Ek_1)+(t/B)*Ek+(C/t)Ek+(C/t)*(Ek-2(Ek-2*Ek_1+Ek_2);/Ek_1+Ek_2);/增量式增量式PIDPID算法算法 z=u/U1z=u/U1*0 x03FF;0 x03FF;temp1=GetOutputOCR1A();/temp1=GetOutputOCR1A();/读取输出比较寄存器值读取输出比较寄存器值 temp1=temp1+z;temp1=temp1+z;SetOutputOCR1A(temp1);SetOutputOCR1A(temp1);Ek_2=Ek_1;Ek_2=Ek_1;Ek_1=
15、Ek;Ek_1=Ek;变送器键盘与显示T0T1P1.3P1.2P1.1P1.0P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0ALEP0PSENWRRDEAP3.3803174LS37327328155CEOC D7 0ALECEIO/MA7 0A7 01/2WRRDA0A1A2红绿红ABCCLKD7 0OEALESTARTIN0EOC.光耦驱动器MC14528220V加热丝LM31174LS00TIL117.过零信号发生器ACD0809.热电偶图图1 1 电阻炉炉温控制系统原理图电阻炉炉温控制系统原理图1.1.检测元件及变送器检测元件及变送器 检测元件选用镍铬检测元件选用镍铬-镍铝热电偶，分度号为镍
16、铝热电偶，分度号为EUEU，适用于，适用于0100001000的温度测量范围，相应输出电压为的温度测量范围，相应输出电压为0mV41.32mV0mV41.32mV。变送器由毫伏变送器和电流变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成：毫伏变电压变送器组成：毫伏变送器用于把热电偶输出的送器用于把热电偶输出的041.32mV041.32mV变换成变换成010mA010mA范围内的范围内的电流；电流电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的电压变送器用于把毫伏变送器输出的010mA010mA电电流变换成流变换成05V05V范围内的电压。范围内的电压。80318031的接口电路有的接口电路有ADC080
17、9ADC0809、81558155和和27322732等。本系统采用等。本系统采用ADC0809ADC0809型型A/DA/D转换器，该芯片为转换器，该芯片为8 8位逐次逼近型位逐次逼近型A/DA/D转换器。转换器。ADC0809ADC0809为温度测量电路的输入接口；为温度测量电路的输入接口；81558155用于键盘和显示用于键盘和显示接口；接口；27322732作为作为80318031外部程序外部程序(ROM)(ROM)存储器。存储器。2.2.接口电路接口电路3.3.温度控制电路温度控制电路 双向可控硅和加热丝串接在交流回路，因此可控硅导通时间双向可控硅和加热丝串接在交流回路，因此可控硅导
18、通时间决定加热丝的决定加热丝的 加热功率。图加热功率。图2 2给出了可控硅在给定周期给出了可控硅在给定周期T T内内具有不同导通时间的情况。过零信号是正弦交流电压过零时刻具有不同导通时间的情况。过零信号是正弦交流电压过零时刻的同步脉冲，可使可控硅在交流电压正弦波过零后触发导通。的同步脉冲，可使可控硅在交流电压正弦波过零后触发导通。uuuutttt12.5%25%50%100%图图2 2 输出功率与通断时间的关系输出功率与通断时间的关系z)e-(1ze-1)e1(K)e1)(ze1(D(z)1-N-T/-1-T/-T/-P-T/-1-T/114.4.数字控制器的数学模型数字控制器的数学模型闭环调
19、节系统可近似看成一阶惯性环节加一个延迟环节。闭环调节系统可近似看成一阶惯性环节加一个延迟环节。由达林算法：由达林算法：经化简后得到：经化简后得到：1-N-1-1z)C-(1Cz1Bz-AD(z)A=)e1(Ke11T/-P-T/B=A C=1-T/e-T/e式中：因为，D(z)=U(z)/E(z)，得：E(z)BzA(U(z)z)C(1Cz1-11-N-1u(n)=Ae(n)-Be(n-1)+Cu(n-1)+(1-C)u(n-N-1)式中：u(n)n时刻的控制量输出值；e(n)n时刻的偏差值；e(n-1)n-1时刻的偏差值；u(n-N-1)n-N-1时刻的控制量输出值。5.5.控制系统程序设计控制系统程序设计设定堆栈指针清标志和暂存单元清显示缓冲区T0初始化开CPU中断扫描键盘温度显示开 始 主程序主程序 T0中断服务程序是此系统的主体程序，用于启动A/D转换、读入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限处理、大林算法计算和输出可控硅的同步触发脉冲等。在T0中断服务程序中，要用到一系列子程序。如：采样子程序、数字滤波子程序、越限处理程序、大林算法程序、标度变换程序和温度显示程序等。T0T0中断服务程序中断服务程序
