1、设计原则设计原则设计步骤设计步骤 微型计算机温度控制系统设计实例微型计算机温度控制系统设计实例第第8章：章：计算机控制系统设计计算机控制系统设计教学重点教学重点:微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计8.1.1 8.1.1 系统设计原则：系统设计原则：安全性和可靠性安全性和可靠性 操作维护方便操作维护方便 实时性强实时性强 通用性好通用性好 经济效益高经济效益高 8.1 8.1 控制系统设计的一般原则和步骤控制系统设计的一般原则和步骤微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计8.1.2 8.1.2 系统设计步骤系统设计步骤 系统总
2、体控制方案设计系统总体控制方案设计 微型计算机选择微型计算机选择 控制算法设计控制算法设计 控制系统硬件设计控制系统硬件设计 软件设计软件设计 系统联调系统联调微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计 一确定系统总体控制、方案一确定系统总体控制、方案 构思系统的整体方案，应从以下几方面入手构思系统的整体方案，应从以下几方面入手 ：考虑系统结构考虑系统结构 执行机构采用什么方案执行机构采用什么方案 有否特殊控制要求？特殊要求应采取那些措施。有否特殊控制要求？特殊要求应采取那些措施。确定计算机在整个控制系统中所起的作用确定计算机在整个控制系统中所起的作用 二、确定控
3、制算法二、确定控制算法三、选择计算机三、选择计算机所选计算机应满足以下要求所选计算机应满足以下要求：完善的中断系统完善的中断系统 足够的存储容量足够的存储容量 完备的完备的I/OI/O通道和实时时钟通道和实时时钟微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计四、系统总体设计四、系统总体设计 硬件软件功能分配与协调硬件软件功能分配与协调 大量使用硬件会增加成本，影响系统可靠性；增加软件，系统速度大量使用硬件会增加成本，影响系统可靠性；增加软件，系统速度相应降低相应降低 。接口设计接口设计 接口设计内容：接口设计内容：扩充接口扩充接口 安排接口电路的安排接口电路的I/OI
4、/O信号及交换方式信号及交换方式。常用的扩充方法：常用的扩充方法：选用专门的功能接口板选用专门的功能接口板 选用通用接口电路选用通用接口电路 用集成电路自行设计接口电路用集成电路自行设计接口电路 接口电路接口电路I/OI/O信号的交换方式：信号的交换方式：中断控制读取中断控制读取I IO O方式方式 直接存储器存取方式直接存储器存取方式 微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计 通道设计通道设计 系统系统I/OI/O通道：通道：数字量数字量I/OI/O通道通道 开关量开关量I/OI/O通道通道 模拟量模拟量I/OI/O通道通道 脉冲量脉冲量I/OI/O通道通道
5、在总体设计中，应确定本系统应设置什么样的通道、每个通道由几部在总体设计中，应确定本系统应设置什么样的通道、每个通道由几部分组成，各部分选用什么器件等。分组成，各部分选用什么器件等。操作员控制台设计操作员控制台设计 包括：各种转换开关、按钮、键盘、数字显示器、状态故障指示灯等。包括：各种转换开关、按钮、键盘、数字显示器、状态故障指示灯等。可靠性设计可靠性设计 微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计五、硬件设计五、硬件设计 任务：根据系统总体框图，设计出系统的电气原理图，再按任务：根据系统总体框图，设计出系统的电气原理图，再按 照电气原理图选购元件和进行施工设计。
6、照电气原理图选购元件和进行施工设计。包括：包括：接口电路和接口电路和I/O通道的扩充通道的扩充 组合逻辑或时序逻辑电路组合逻辑或时序逻辑电路 供电电源供电电源 光电隔离光电隔离 电平转换电平转换 驱动放大电路等驱动放大电路等 微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计六、软件设计六、软件设计 组织应用软件的内容及步骤：组织应用软件的内容及步骤：确定具体要求确定具体要求 软件规划软件规划 程序编制程序编制 软件调试软件调试 善后工作善后工作 确定具体要求确定具体要求 ：管理要求管理要求 输入输出要求输入输出要求 语言加工要求语言加工要求 功能处理要求功能处理要求 微
7、微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计 8.2 8.2 微型计算机温度控制系统设计微型计算机温度控制系统设计 网带式多温区电阻炉微型计算机温度控制系统的设计网带式多温区电阻炉微型计算机温度控制系统的设计一、系统总体设计一、系统总体设计1 1、确定系统的控制任务、确定系统的控制任务控制对象：控制对象：六温区网带式连续烧结电阻炉。六温区网带式连续烧结电阻炉。设计要求：设计要求：每个温区的温度在每个温区的温度在600600 10001000范围内连续可控；范围内连续可控；各温区的温度以及网带的运行速度可自行设定；各温区的温度以及网带的运行速度可自行设定；要求系统能够对
8、六个温区的温度及网带运行速度巡回检测、要求系统能够对六个温区的温度及网带运行速度巡回检测、显显 示和定时打印。示和定时打印。计算机控制系统应完成的主要任务有：计算机控制系统应完成的主要任务有：六个温区温度的闭环直接数字控制。六个温区温度的闭环直接数字控制。网带拖动直流调速系统的速度给定和速度检测。网带拖动直流调速系统的速度给定和速度检测。六个温区温度及网带运动速度的巡回检测、显示和定时打印。六个温区温度及网带运动速度的巡回检测、显示和定时打印。微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计系统组成：系统组成：微型计算机微型计算机 输入通道输入通道 输出通道输出通道 微
9、微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计2、输入输出通道及其接口设计、输入输出通道及其接口设计 温度检测模拟输入通道设计温度检测模拟输入通道设计 微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计特点：特点：采用了由采用了由V VF F变换器和定时计数器组成的变换器和定时计数器组成的A AD D转换器。转换器。V VF F转换输入通道的结构通常为：转换输入通道的结构通常为：传感器传感器信信 号号放大器放大器V/F光光 电电耦合器耦合器CPU小信号小信号VI010Vf微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计 设设
10、V VF F变换器的额定输出频率为变换器的额定输出频率为F F，计数器对输出脉，计数器对输出脉冲的计数时间为冲的计数时间为TsTs，A AD D转换结果的分辨率为转换结果的分辨率为i i，则有：，则有：取取TsTs1s1s，则在，则在V VF F的输出频率范围的输出频率范围0 010kHz10kHz内，可内，可以得到以得到1313位的位的A AD D转换结果。转换结果。sisFT2 微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计二、微型计算机选择二、微型计算机选择 控制系统选取采用控制系统选取采用STDSTD总线标准的模块式工业控制计算机。总线标准的模块式工业控制计算
11、机。本系统：本系统：主机板采用主机板采用80988098单片机多功能单片机多功能CPUCPU模板，主频模板，主频6MHz6MHz。配置了显示及操作面板接口模板，配置了显示及操作面板接口模板，打印机接口模板。打印机接口模板。非通用数字触发控制模板非通用数字触发控制模板 反馈通道的反馈通道的V VF F变换及变换及A AD D转换模板，转换模板，微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计三、控制算法设计三、控制算法设计 整个系统属于多变量系统，其数学描述传递矩阵为：整个系统属于多变量系统，其数学描述传递矩阵为：)()()()()(6,61,66,11,1sgsgsgs
12、gsG 6,16,11)()()(,jisTeKsUsysgjisjijijiji 其中：其中：离散后可近似为：离散后可近似为：)()1()(mkBUkAYkY 式中：式中：Y(kY(k)6 66 6矩阵；矩阵；U U（k k）6 61 1矩阵；矩阵；A A 6 66 6矩阵；矩阵；B B 6 66 6矩阵矩阵。微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计对于系统的每一个温区，其简化动态结构：对于系统的每一个温区，其简化动态结构：广义传递函数为：广义传递函数为：1()1TssiDeKeG ssT s广义脉冲传递函数为：广义脉冲传递函数为：1/11)1(11)()(z
13、eezKsTKesezsGzzGDDTTTTNDsTs 系统的闭环脉冲传递函数为：系统的闭环脉冲传递函数为：1/1/1)1()(zezezCCTTNTT微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计数字控制器的脉冲传递函数为：数字控制器的脉冲传递函数为：)1(1)1()1)(1()(1)()()(1/1/1/NTTTTTTTTTTzezeeKezezzGzzDCCDCD进一步简化为进一步简化为：12111101)(NzbzbzaazDCDCDDCDCTTTTTTTTTTTTTTTTebeKeeaebeKea/2/)/()/(/1/1/01;)1(;)1(1 式中：式中
14、：差分化后得到控制器差分方程：差分化后得到控制器差分方程：)1()()1()1()(1021 kEakEaNkUbkUbkU微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计四、硬件设计四、硬件设计硬件电路设计有：硬件电路设计有：前级放大器及多路模拟转换开关。前级放大器及多路模拟转换开关。AD转换模板。转换模板。数字触发控制模板。数字触发控制模板。微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计五、软件设计五、软件设计 系统控制程序的任务系统控制程序的任务 系统初始化。系统初始化。多路模拟转换开关的切换控制。多路模拟转换开关的切换控制。温度反馈信号
15、采样和数字滤波、线性化处理。温度反馈信号采样和数字滤波、线性化处理。读给定输入值，且将读给定输入值，且将BCDBCD码转换为二进制码。码转换为二进制码。完成系统的控制算法和控制输出。完成系统的控制算法和控制输出。定点或巡回显示温度值和网带速度值。定点或巡回显示温度值和网带速度值。定时打印时间、温度和网带运行速度。定时打印时间、温度和网带运行速度。微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计 系统控制程序的模块化系统控制程序的模块化 按控制功能将程序分成三个程序模块：按控制功能将程序分成三个程序模块：系统初始化程序模块系统初始化程序模块系统初始化包括：系统初始化包括：
16、设置堆栈设置堆栈 清除动态数据缓冲区清除动态数据缓冲区 初始化打印缓冲区初始化打印缓冲区 设置设置82538253计数器的控制字和计数初始值计数器的控制字和计数初始值 设置时钟系统的初始值设置时钟系统的初始值 设置控制算法程序的初始值设置控制算法程序的初始值 系统中断控制初始化等系统中断控制初始化等 微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计 外部中断服务程序模块外部中断服务程序模块中断服务程序的任务：中断服务程序的任务：读取读取A AD D转换结果，以转换结果，以BCDBCD码的形式送到数码码的形式送到数码管中显示。管中显示。读取温度给定值并将读取温度给定值并将
17、BCDBCD码转换为二进制码。码转换为二进制码。外部中断产生外部中断产生lsls钟内，将多路模拟转换开关切钟内，将多路模拟转换开关切换到下一个通道换到下一个通道 。微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计定时打印程序模块定时打印程序模块 程序内容：程序内容：实时时钟程序实时时钟程序 根据设定时间完根据设定时间完成打印控制成打印控制微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计系统控制程序的结构系统控制程序的结构 微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计
18、计算机控制系统设计8.2.1 8.2.1 温度控制系统硬件设计温度控制系统硬件设计 8.2 8.2 微型计算机温度控制系统设计微型计算机温度控制系统设计 微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计1 1总线接口电路总线接口电路 总线接口是计算机内部与外部交换数据的桥梁，数据采集和信号总线接口是计算机内部与外部交换数据的桥梁，数据采集和信号输出电路通过总线接口电路与工业控制计算机的输出电路通过总线接口电路与工业控制计算机的ISAISA总线相联，总线相联，本系统主要由本系统主要由INTELINTEL公司公司8255A8255A可编程并行输入可编程并行输入/输出芯片和输
19、出芯片和ATMELATMEL公司的公司的ATF16V8 ATF16V8 可编程逻辑器件组成。可编程逻辑器件组成。微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计2 2模模/数转换电路数转换电路 温度信号是一种变化相对缓慢的信号，因此系统的样频率不必温度信号是一种变化相对缓慢的信号，因此系统的样频率不必很高，本系统中采用很高，本系统中采用MOTOROLAMOTOROLA公司的公司的MC14433MC14433双积分双积分A/DA/D转换器，转换器，MC14433MC14433是一种转换结果以是一种转换结果以BCDBCD码输出，满量程输出为码输出，满量程输出为1999199
20、9的的A/DA/D转换转换器。器。A/DA/D转换器的输出通过光电耦合器与总线接口电路连接。转换器的输出通过光电耦合器与总线接口电路连接。微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计28 MC14433MC14433是美国是美国MotorolaMotorola公司生产的公司生产的3 3位半双积分位半双积分A/DA/D转换器，是目前市场上广为流行的典型的转换器，是目前市场上广为流行的典型的A/DA/D转换器。转换器。MC14433MC14433具有抗干扰性能好，转换精度高（相当于具有抗干扰性能好，转换精度高（相当于1111位二进位二进制数），自动校零，自动极性输出，自
21、动量程控制信号输出，制数），自动校零，自动极性输出，自动量程控制信号输出，动态字位扫描动态字位扫描BCDBCD码输出，单基准电压，外接元件少，价格码输出，单基准电压，外接元件少，价格低廉等特点。但其低廉等特点。但其转换速度约转换速度约1 11010次次/秒秒。在不要求高速转。在不要求高速转换的场合，如温度控制系统中，被广泛采用。换的场合，如温度控制系统中，被广泛采用。5G144335G14433与与MC14433MC14433完全兼容，可以互换使用。完全兼容，可以互换使用。微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计29MC14433MC14433的内部结构的内部结
22、构微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计30v模拟电路部分有基准电压、模拟电压输入部分。被转换的模拟电路部分有基准电压、模拟电压输入部分。被转换的模拟电压输入量程为模拟电压输入量程为199.9mV199.9mV或或1.999V1.999V，与之对应的基准电，与之对应的基准电压相应为压相应为200mV200mV或或2V2V两种。两种。v数字电路部分由逻辑控制、数字电路部分由逻辑控制、BCDBCD码及输出锁存器、多路开码及输出锁存器、多路开关、时钟以及极性判别、溢出检测等电路组成。关、时钟以及极性判别、溢出检测等电路组成。MC14433MC14433采采用字位动态
23、扫描用字位动态扫描BCDBCD码输出方式，即千、百、十、个位码输出方式，即千、百、十、个位BCDBCD码轮流地在码轮流地在Q0Q0Q3Q3端输出，同时在端输出，同时在DS1DS1DS4DS4端出现同步字端出现同步字位选通信号。位选通信号。v主要的外接器件是时钟振荡器外接电阻主要的外接器件是时钟振荡器外接电阻RCRC、外接失调补偿、外接失调补偿电容电容C0C0和外接积分阻容元件和外接积分阻容元件R1R1、C1C1。微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计3 3信号处理电路信号处理电路 热电偶是一种温差传感器，其输出的热电势由热电偶测温点和热电偶是一种温差传感器，其
24、输出的热电势由热电偶测温点和冷端的温度差决定，热电偶的冷端温度一般与环境温度相同，因此冷端的温度差决定，热电偶的冷端温度一般与环境温度相同，因此热电偶测温点的温度应是环境温度与热电势所代表温度的和。信号热电偶测温点的温度应是环境温度与热电势所代表温度的和。信号处理电路的任务是把环境温度信号和热电偶温差信号综合成测温点处理电路的任务是把环境温度信号和热电偶温差信号综合成测温点的温度信号（即冷端补偿）。的温度信号（即冷端补偿）。微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计4 4热电偶多路开关电路热电偶多路开关电路 本系统是一个多回路的温度控制系统，需要测量多个控温点的温
25、本系统是一个多回路的温度控制系统，需要测量多个控温点的温度，而信号处理电路只有一套，因此必须用多路开关分时接通各个测度，而信号处理电路只有一套，因此必须用多路开关分时接通各个测温热电偶，以实现对多个控温点的温度信号采集。温热电偶，以实现对多个控温点的温度信号采集。微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计5 5信号输出及驱动电路信号输出及驱动电路 控制系统输出的控制信号类型与执行器密切相关，本系统的执控制系统输出的控制信号类型与执行器密切相关，本系统的执行器是固态继电器，驱动固态继电器只要开关量信号。行器是固态继电器，驱动固态继电器只要开关量信号。微微型型计计算算
26、机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计6 6控制执行器电路控制执行器电路 本控制系统中的控制执行器为固态继电器，当信号输出及驱动电路本控制系统中的控制执行器为固态继电器，当信号输出及驱动电路中的输出光耦导通时，固态继电器的控制端有电流，固态继电器导通，中的输出光耦导通时，固态继电器的控制端有电流，固态继电器导通，加热器加热，当信号输出及驱动电路中的输出光耦断开时，固态继电器加热器加热，当信号输出及驱动电路中的输出光耦断开时，固态继电器的控制端没有电流，固态继电器不导通，加热器不加热。因此，控制系的控制端没有电流，固态继电器不导通，加热器不加热。因此，控制系统通过控制输出光耦的通断来控制加热器，从而实现温度控制。统通过控制输出光耦的通断来控制加热器，从而实现温度控制。微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计8.2.2 温度控制系统的软件设计温度控制系统的软件设计微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计微微型型计计算算机机控控制制技技术术计算机控制系统设计计算机控制系统设计
