第 9 章微型机控制系统的设计

第9章微型机控制系统的设计 • 前言 • 9.1 微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 加热炉温度控制系统

第9章微型机控制系统设计 通过前面各章的学习，已经掌握了微型计算机控制系统I/O接口的扩展方法，模拟量输入/输出通道的设计，常用控制程序的设计方法，数据处理及非线性补偿技术，PID控制器以及模糊控制方法等。它们是设计嵌入式系统硬件及软件的基础。有了这些基础以后，就可以进行微型计算机控制系统及智能化仪器的设计。微机控制技术

第9章微型机控制系统设计 微型计算机控制系统设计包括两个内容：（1）微型计算机控制系统的设计；（2）智能化仪器的设计。微机控制技术

第9章微型机控制系统设计 微型计算机控制系统是以微型计算机（或单片机）为核心部件，扩展一些外部接口和设备，组成工业控制机的系统，主要用于工业过程控制。智能化仪器中一般采用单片机。单片机作为仪器中的一个部件，用以完成特定的功能，一般规模比较小，设计也相对容易，通常称为嵌入式系统。由于单片机的功能越来越强，所以它的应用非常广泛。在中小型控制系统中，单片机基本上取代了微型计算机，在智能化仪器中更是独领风骚。微机控制技术

第9章微型机控制系统设计 在这一章里，首先讲述嵌入式控制系统设计的方法和步骤，然后介绍微型计算机在工业过程控制及智能化仪器中的应用。微机控制技术

第9章微型机控制系统设计 9.1 微型机控制系统设计方法及步骤 9.2 微型计算机控制的自动装箱系统 9.3 智能型FR1151压力变送器 9.3 加热炉温度控制系统

9.1 微型机控制系统设计方法及步骤 微型机控制系统的设计既是一个理论问题，又是一个工程实际问题。它包括自动控制理论、计算技术、计算方法，也包括自动检测技术与数字电路，是一个多学科的应用。 1．微型机控制系统设计要具备以下几方面的知识和能力：微机控制技术

9.1 微型机控制系统设计方法及步骤 （1）硬件基础知识。首先必须具有一定的硬件基础知识。这些硬件不仅包括各种微型计算机、单片机、存储器及I/O接口，而且还包括对仪器或装置进行信息设定的键盘及开关、检测各种输入量的传感器、控制用的执行装置、与微型计算机及各种仪器进行通信的接口，以及打印和显示设备等。微机控制技术

9.1 微型机控制系统设计方法及步骤 （2）软件设计能力。其次，需要具备一定的软件设计能力。即能够根据系统的要求，灵活地设计出所需要的程序，主要有数据采样程序、A/D及D/A转换程序、数码转换程序、数字滤波程序、标度变换程序、键盘处理程序、显示及打印程序、通信程序以及各种控制算法及非线性补偿程序等。微机控制技术

9.1 微型机控制系统设计方法及步骤 （3）具有综合运用知识的能力。第三，具有综合运用知识的能力。必须善于将一台微型计算机化仪器或装置的复杂设计任务划分成许多便于实现的组成部分。特别对软件、硬件折中问题能够恰当地处理。设计微型计算机控制系统的一般原理是先选择和组织硬件，构成最小系统；其次，当硬件、软件之间需要折中协调时，通常解决的办法是尽量减少硬件（以便使系统的价格降到最低）；接着，应满足设计中各方面对软件的要求。微机控制技术

9.1 微型机控制系统设计方法及步骤 因此，就一台智能化仪器而言，衡量其设计水平时，往往看它在“软硬兼施”方面的运用能力。通常情况下，硬件实时性强，但会使系统增加投资，且结构复杂；软件可避免上述缺点，但是实时性比较差。微机控制技术

9.1 微型机控制系统设计方法及步骤 （4）掌握生产过程的工艺性能及被测参数的测量方法最后，还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。微机控制技术

9.1 微型机控制系统设计方法及步骤 2．微型机控制系统设计内容（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）选择微型机，并决定是自行设计还是购买成套设备；微机控制技术

9.1 微型机控制系统设计方法及步骤 （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。微机控制技术

9.1 微型机控制系统设计方法及步骤 微型机控制系统设计包括微型机控制系统和智能化仪器两部分，除控制系统的多通道输出外，其余部分二者的设计基本相同。单片机控制系统的设计与微型计算机控制系统的设计并无本质区别，两者的设计思想、方法和步骤基本上是一致的。不同的是由于单片机集成度高，各种功能齐全，只要合理选择单片机的机型，便可减少系统的接口电路。另外，单片机内有4种存储器，扩展时要根据系统的要求合理选择各部分的容量。微机控制技术

9.1 微型机控制系统设计方法及步骤 9.1.1 控制系统总体方案的确定 9.1.2 微型计算机及接口的选择 9.1.3 控制算法的选择 9.1.4 控制系统的硬件设计 9.1.5 控制系统软件设计 9.1.6 Prodeus虚拟软件的应用

9.1.1 控制系统总体方案的确定 确定微型机控制系统总体方案，是进行系统设计最重要、最关键的一步。总体方案好坏，直接影响整个控制系统的投资、调节品质及实施细则。总体方案的设计主要是根据被控对象的工艺要求确定。微机控制技术

9.1.1 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，首先确定系统采用开环系统还是闭环系统，或者是数据处理系统。如果是闭环控制系统，则还要求确定整个系统采用直接数字控制（DDC），还是采用计算机监督控制（SCC），或者采用分布式控制。微机控制技术

9.1.1 控制系统总体方案的确定 在单片机系统中，由于位总线增强型8044单片机的出现，使得单片机特别适合构成分布式控制系统。目前，Intel公司已经研制出的分布式控制模块（iDCM）就是建立在位总线的基础上的。选用iDCM可以构成各种专用的分布式控制网络，并可以通过iDCM模板将过去已有的多总线（MULTBUS）用户系统，各种86/3XX开发系统和工业PC系统相连接，或以它们为后备机对全网络进行控制。微机控制技术

9.1.1 控制系统总体方案的确定 值得说明的是，近年来出现的现场总线系统应给以特别的关注，它将给控制系统带来革命性的飞跃。微机控制技术

9.1.1 控制系统总体方案的确定 2. 选择检测元件在确定方案的同时，必须选择好被测参数的测量元件，它是影响控制系统精度的首要因素。测量各种参数的传感器，如温度、流量、压力、液位、成分、位移、重量、速度等，种类繁多，规格各异，因此，需要正确地选择测量元件。目前许多生产厂家已经开发和研制出专门用于微型计算机系统的集成化传感器，因而给微型计算机系统参数检测带来极大的方便。微机控制技术

9.1.1 控制系统总体方案的确定 3. 选择执行机构执行机构是微型计算机控制的重要组成部件。执行机构的选择一方面要与控制算法匹配，另一方面要根据被控对象的实际情况决定。常用的执行机构有以下4种。微机控制技术

9.1.1 控制系统总体方案的确定 (1)电动执行机构具有响应速度快，与计算机接口连接容易等优点，因而成为计算机控制系统的主要执行机构。如DKJ或DKZ电动执行器，专门用来把输入的4～20mA直流信号转换成相应的转角位移或线位移，以带动风门、挡板、阀门等动作，从而完成自动调节的任务。微机控制技术

9.1.1 控制系统总体方案的确定 (2)气动调节阀具有结构简单，操作方便，使用可靠，维护容易，防火防爆等优点，目前广泛应用于石油、冶金、电力系统中。此种阀门再配以电－气阀门定位器，如ZPD-01电气阀门定位器，将4～20mA的直流信号转换成0.02～0.1MPa的标准气压信号，以便驱动薄膜调节阀，并利用气动薄膜阀阀杆位移进行反馈，来改善阀门位置的线性度，克服阀杆的各种附加摩擦力和消除被调介质压力的变化影响，从而使阀门位置能按调节信号实现正确定位。微机控制技术

9.1.1 控制系统总体方案的确定 (3)由于步进电机可以直接接受数字量，而且具有速度快，精度高等优点，所以，随着计算机控制技术的发展，用步进电机做执行机构的控制系统逐年增加。如数控机床、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，都采用步进电机。微机控制技术

9.1.1 控制系统总体方案的确定 (4)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。液压传动的主要优点是：①能方便地进行无级调速；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。微机控制技术

9.1.1 控制系统总体方案的确定 4. 选择输入/输出通道及外围设备计算机控制系统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，如打印机、CRT、磁盘驱动器、绘图仪、CDROM等。选择时应考虑以下一些问题。 • 被控对象参数的数量； • 各输入/输出通道是串行操作还是并行操作； • 各通道数据的传递速率； • 各通道数据的字长及选择位数； • 对显示、打印有何要求。微机控制技术

9.1.1 控制系统总体方案的确定 5. 画出整个系统原理图前面四部完成以后，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/输出通道及微型机计算机。它是整个系统的总图，要求简单、清晰、明了。微机控制技术

9.1.1 控制系统总体方案的确定 需要说明的是，在确定系统总体方案时，对系统的软件、硬件功能要做统一的综合考虑。因为一种功能往往既能由硬件实现，也可用软件实现。到底采用什么方式比较合适，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。微机控制技术

9.1.1 控制系统总体方案的确定 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。在确定系统的总体方案时，要与搞工艺的部门互相配合，并征求现场操作人员的意见后再行设计。微机控制技术

9.1.2 微型机及接口的选择 在前边两种控制算法中，直接数字控制（DDC），由于某些被控对象的数学模型难以建立，因而给应用带来一定的困难。在PID控制中虽然不用建立模型，但对任何系统统统采用比例（P）、积分（I）、微分（D）三种控制算法似乎千篇一律，而效果也不禁那么理想，且计算较麻烦，因而实时性受到一定的影响。微机控制技术

9.1.2 微型机及接口的选择 模糊控制既不用像DDC控制那样要求被控系统的数学模型，而且也不象PID控制那么“呆板”。它是一种非常灵活的控制，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。微机控制技术

9.1.2 微型机及接口的选择 在总体方案确定之后，首要的任务是选择一台合适的微型机。正如第一章所讲的，微型机的种类繁多，选择合适的微型机是微型机控制系统设计的关键。微型机系统设计通常有两种作法。 • 选用现成的微型机系统微机控制技术

9.1.2 微型机及接口的选择 （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，如工业PC、STD总线工业控制机等。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，如多通道模拟量输入/输出板，开关量输入/输出板，CRT图形显示板，扩展用RS-232-C，RS-422和RS-485总线接口板，EPROM智能编程板等。微机控制技术

9.1.2 微型机及接口的选择 这些系统模块一般采用PC总线和STD总线。它们具有很强的硬件功能和灵活的I/O扩展能力，不但可以构成独立的工业控制机，而且具有较强的开发能力。这些机器不仅可使用汇编语言，而且可使用高级语言，如BASIC语言、C语言等。在工业PC中，还配有专用的组合软件，给微型计算机控制系统的软件设计带来了极大的方便。微机控制技术

9.1.2 微型机及接口的选择 （2）单片机系统和TP801单片机一样，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，通常使用汇编语言，再配以各类I/O接口板，即可组成简单的控制系统。这种机器的特点是价格便宜，常用于小系统或顺序控制系统。微机控制技术

9.1.2 微型机及接口的选择 由于单片机品种繁多，选用整机时应特别注意以下几点： ①选主机时要适当留有余地，既要考虑当前应用，又要照顾长远发展。因此，要求系统有较强的扩展能力； ② 主机能满足设计要求，外设尽量配备齐全，最好从一个厂家配齐； ③ 系统要具有良好的结构，便于使用和维修，尽可能选购具有标准总线的产品； ④ 要选择那些技术力量雄厚，维修力量强，并能提供良好技术服务的厂家的产品；微机控制技术

⑤图纸、资料齐全，备品备件充足； ⑥ 有丰富的系统软件，如汇编、反汇编、交叉汇编、DEBUG操作软件、高级语言、汉字处理软件等。特别对系统机要求具有自开发能力，最好能配备一定的应用软件。对单片机来讲，要有比较完整的监控程序。

9.1.2 微型机及接口的选择 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。特别是对于批量生产，更有其独特的优点。微机控制技术

9.1.2 微型机及接口的选择 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。微机控制技术

9.1.2 微型机及接口的选择 下面提出几条原则供选择时参考。（1）选用内部不含ROM或EPROM的芯片比较合适，如8031，通过外部扩展ROM和RAM即可构成一个系统。这样，不需专用设备即可固化应用程序。（2）若设计的系统批量比较大，可选用带ROM或EPROM的单片机，如8051，8751和89C51等，这样可使系统更加简单。 AT89C52 微机控制技术

AT89S52 AT89S52具有如下特点： ●40个引脚， ●8k Bytes Flash片内程序存储器， ●256 bytes的随机存取数据存储器（RAM）， ●32个外部双向输入/输出（I/O）口， ●5个中断优先级2层中断嵌套中断， ●2个16位可编程定时计数器, ● 2个全双工串行通信口， ●看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

9.1.2 微型机及接口的选择 （3）如果需要用高级语言，则可选用芯片内部固化高级语言编译（或解释）程序的单片机。如Z8671内固化有BASIC/DEBUG解释程序；8052内固化有BASIC语言；R65F11（R65F12）内固化有FORTH语言；8044中则固化有实时任务操作系统iRMX-51以及最近几年出现的C51，C96等，给用户带来了极大的方便。（4）根据用户的特殊要求及性能价格比等诸因素，注意选用具有特殊功能的单片机如带有4个捕获通道的87C51FX系列。微机控制技术

9.1.3 控制算法的选择 当控制系统的总体方案及机型选定之后，采用什么样的控制算法才能使系统达到要求，这是非常关键的问题。微机控制技术

9.1.3 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，最少拍无波纹系统，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。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。一般多用实验的方法测出系统的飞升特性曲线，然后再由此曲线确定出其数学模型，因而加快了系统模型的建立。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。微机控制技术

9.1.3 控制算法的选择 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。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。例如串级PID控制就是人们经常采用的控制方法之一。微机控制技术

9.1.3 控制算法的选择 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。照此办法，也可以实现多级PID嵌套，如图9.1所示。微机控制技术

图9.1 串级控制方块图 微机控制技术

9.1.3 控制算法的选择 3. 模糊控制在前边两种控制算法中，对于直接数字控制（DDC），由于某些被控对象的数学模型难以建立，因而给应用带来一定的困难。在PID控制中虽然不用建立模型，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。微机控制技术

9.1.3 控制算法的选择 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。微机控制技术

第 9 章 微型机控制系统的设计