10第10章 微型计算机控制系统的设计.ppt

第9章 微型机控制系统的设计 9.1 微型机控制系统的设计方法及步骤 9.2 微型计算机控制的自动装箱系统 9.3 单片机多功能转速表 9.1 微型机控制系统的设计方法及步骤 设计的基本要求 设计特点 微型计算机控制系统设计 ---所需知识和能力 必须具有一定的硬件基础知识。 需要具备一定的软件设计能力。 具有综合运用知识的能力。 必须掌握生产过程的工艺性能及被测参数的测量方法，以及被控对象动态、静态特性，有时甚至要求出被控对象的数学模型。 微型计算机控制系统设计主要内容 （1）控制系统总体方案设计，包括系统的要求、控制方案的选择、以及工艺参数的测量范围等； （2）选择各参数检测元件及变送器； （3）建立数学模型及确定控制算法； （4）选择微型计算机，并决定是自行设计还是购买成套设备； （5）系统硬件设计，包括接口电路、逻辑电路及操作面板； （6）系统软件设计，包括管理、监控程序以及应用程序的设计； （7）系统的调试及实验。 9.1.1 控制系统总体方案的确定 1. 确定控制系统方案 2. 确定控制算法 3. 选择检测元件 4. 选择执行机构 4 种常用的执行机构 （1）电动执行机构 响应速度快，接口容易，计算机控制系统的主要执行机构。 （2）气动薄膜调节阀 结构简单，操作方便，使用可靠，维护容易，防火防爆 广泛应用于石油、冶金、电力系统中。 （3）步进电机 接受数字量，速度快，精度高，用步进电机做执行机构的控制系统逐年增加。 数控机床、X-Y记录仪、高射炮自动跟踪、电子望远镜和大型电子显微镜、旋转变压器、多圈电位器等。 （4）液压伺服机构 ①能方便地无级调速；②单位重量的输出功率大，结构紧凑，惯性小，且能传送大扭矩和较大的推力；③控制和调节简单、方便、省力，易于实现自动控制和过载保护。 液压伺服机构（如油缸和油电机）将油液的压力能转换成机械能，驱动负载直线或回转运动。 5. 选择微型计算机和外围设备 6. 系统总体设计 7. 硬件和软件的具体设计 统一考虑系统的软件、硬件功能 一种功能往往既能由硬件实现，也可用软件实现。 采用什么方式，要根据实时性要求及整个系统的性能/价格比，加以综合平衡后确定。 一般而言，使用硬件完成速度比较快，可节省CPU的机时，但系统比较复杂，而且价格比较贵。 用软件实现则比较经济，但要占用更多的机时。 所以，一般的原则是，在机时允许的情况下，尽量采用软件。如果系统控制回路比较多，或者某些软件设计比较困难时，则可考虑用硬件完成。 总之，一个控制系统中，哪些部分用硬件实现，哪些部件用软件完成，都要根据具体情况反复进行分析、比较后确定。 8. 系统联调 9.1.2 微型计算机及接口的选择 1. 选用成品微型机系统 （1）工业控制机 （2）单片机系统 2. 利用单片机芯片自行设计 单片机系统开发工作的条件：一是有了各种各样的开发工具；二是市场芯片资源丰富，且价格便宜；三是技术已经成熟，现在有很多关于单片机的图书、资料供设计者参考。 9.1.3 控制算法选择 1. 直接数字控制 能够确定被控对象的数学模型时，采用直接数字控制，如第8章讲的最少拍随动系统，最少拍无波纹系统，以及大林算法等。 所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式。它表示系统输入、输出之间的关系。 当系统模型建立以后，即可选定上述某一种算法，设计数字控制器，并求出差分方程。计算机的主要任务就是按此差分方程计算出控制量，并输出，进而实现控制。 2. 数字化PID控制 复杂的被控对象，不能求出数学模型；有些即使可以求出来，但由于被控对象环境的影响，许多参数经常变化，因此很难进行直接数字控制。 最好选用数字化PID控制。在PID控制算法中，以位置型和增量型两种PID为基础。根据系统的要求，可对PID控制进行必要的改进。通过各种组合，可以得到更圆满的控制系统，以满足各种不同控制系统的要求。 所谓串级控制就是第一级数字PID的输出不直接用来控制执行机构，而是作为下一级数字PID的输入值，并与第二级的给定值进行比较，其偏差作为第二级数字PID的控制量计算的参数。 3. 模糊控制 直接数字控制（DDC），某些被控对象数学模型难以建立，给应用带来一定的困难。 在PID控制虽然不用建立模型，但对任何系统全部采用比例（P）、积分（I）、微分（D）三种控制算法似乎千篇一律，有时效果也不甚理想，且计算较麻烦，因而实时性受到一定的影响。 模糊控制既不用像DDC控制那样要求有严格的被控系统数学模型，也不像PID控制那么“呆板”。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。这是近年来微型计算机控制算法的一大发展，受到了广泛的关注。 9.1.4 控制系统的硬件设计 扩展接口有两种方