计算机控制技术西电版第8章计算机控制系统的设计讲解.ppt

8.1 微型机控制系统的设计方法及步骤8.2 炉温计算机控制系统8.3 多容液位控制系统(自学) 计算机控制系统的设计，既是一个理论问题，又是一个工程问题，涉及自动控制理论、计算机技术、检测技术、通信技术、电工电子技术等。 控制系统总体方案的确定 微型计算机及接口的选择 控制算法的选择 控制系统硬件设计 控制系统软件设计 微型计算机控制系统的调试 8.1.1 控制系统总体方案的确定　　1. 确定控制系统方案　　根据系统的要求，首先确定是采用开环系统还是闭环系统，或者是数据处理系统。 2. 选择检测元件　　在确定方案的同时，必须选择好用于检测被控参数的测量元件，它是影响控制系统精度的首要因素。 3. 选择执行机构 执行机构是计算机控制的重要组成部件，它的选择一方面要与控制算法相匹配，另一方面要根据被控对象的实际情况来决定。（电动执行机构，气动调节阀，步进电机，液压伺服机构） 　　4. 选择输入/输出通道及外围设备　　计算机控制系统的过程通道，通常应根据被控对象参数的多少来确定，并根据系统的规模及要求，配以适当的外围设备，选择时应考虑以下问题。 　　(l) 被控对象参数的数量； 　　(2) 各输入/输出通道是串行操作还是并行操作； 　　(3) 各通道数据的传输速率； 　　(4) 各通道数据的字长及选择位数； 　　(5) 对显示、 打印有何要求。 5. 画出系统原理图　　前面4步完成以后，结合工业流程图，最后要画出一个完整的控制系统原理图，其中包括各种传感器、变送器、外围设备、输入/输出通道及微型计算机等。 8.1.2 微型计算机及接口的选择　　1. 选用成品微型机系统　　根据被控对象的任务，选择适合系统应用的微型计算机系统(或芯片)是十分重要的，它直接关系到系统的投资及规模，一般根据总体方案进行选择。 1) 工业控制机　　如果系统的任务比较大，需要的外设比较多，如打印机、CRT等，而且设计时间要求比较紧，不妨选用一台现成的工业控制机（研华工控机）。这些机器不仅提供了具有多种装置的主机系统板，而且还配备了各种接口板。 2) 单片机系统　　目前有一些由单片机组成的小系统可供选择，它们大都具有单片机、 存储器及I/O接口、LED显示器和小键盘等。再配以各类I/O接口板，就可组成简单的控制系统。 　 2. 利用单片机芯片自行设计　　选择合适的单片机芯片，针对被控对象的具体任务，自行开发和设计一个单片机系统是目前微型计算机系统设计中经常使用的方法。这种方法具有针对性强，投资少，系统简单、灵活等特点，特别对于批量生产，更有独特的优势。 　　事实上，目前已经具备了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。利用各种硬件电路、各种系统软件和应用软件，可以方便地进行系统设计。 8.1.3 控制算法的选择　　1. 直接数字控制　　当被控对象的数学模型能够确定时，可采用直接数字控制，如最少拍随动系统、最少拍无纹波系统以及大林算法等。此外，还有最小二乘法系统辨识、最优控制及自适应控制等。 2. 数字化PID控制　　由于被控对象是复杂的，因此并非所有的系统均可求出数学模型， 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，此时最好选用数字化PID控制。 3. 模糊控制　　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。 8.1.4 控制系统硬件设计　　1. 存储器扩展　　对单片机系统，由于单片机有4种存储器空间，且程序存储器和数据存储器独立编址，所以其存储容量与同样位数的微型计算机相比，扩大了一倍多。实际使用中，已很少进行存储器扩展。 2. 模拟量输入通道的扩展　　1) 数据采集通道的结构形式　　一般来说，微型计算机控制系统是多通道系统, 因此选用什么样的结构形式采集数据是进行模拟量输入通道设计时首先要考虑的问题。（共享S/H和A/D或多路S/H共享A/D的结构形式） 2) A/D转换器的选择　　设计时一定要根据被控对象的实际要求选择A/D转换器。在满足系统要求的前提下，尽量选用分辨率低的A/D转换器。另外还可选择 V/F变换器以及串行A/D转换器、以及数据采集芯片（具备多路开关、放大器、S/H和12位A