计算机数控技术 教学课件 作者 彭美武 主编 教案第八章 微型计算机控制系统设计.doc

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1、第八章微型计算机控制系统设计第一节系统设计的步骤一、了解工艺要求，明确控制任务在进行系统设计之前，必须充分了解控制对象的工作过程，熟悉其工艺流程，明确控制任务，包括系统信息来源和种类，被控对象和被控参数的特性，控制对象的工作环境，对人机通道的要求，各项技术经济指标等。任务明确后，用时间和控制流程图来描述控制过程和控制任务，撰写设计任务说明书，以作为整个控制系统设计的依据。二、确定系统总体设计方案总体方案的确定是进行微机控制系统设计时最重要、最关键的一步，因为总体方案直接关系到整个控制系统的投资、调节性能和实施细则。通常从以下几个方面着手设

2、计。1.控制系统方案的确定根据系统的要求，应确定出系统是采用开环控制还是闭环控制，或者是采用数据处理系统。如果采用闭环控制系统，则还要确定整个系统的类型，即是采用直接数字控制(DDC)方式，还是采用计算机监督控制(SCC)方式，或者是采用分布式控制系统结构形式。若采用分布式控制，近年来出现的位总线控制系统和现场总线控制系统是新一代的分布式控制结构，将为我们的控制系统带来质的飞跃。2.测量元件的选择根据测量范围和要求的精度选择被控量的测量元件，即传感器与变送器，它是影响系统控制精度的一个重要因素。实际中被测量有温度、流量、压力、液位、成分

3、、位移、重量、速度等，所以相应的传感器种类也很多，而且规格各异，因此，必须正确合理地选择测量元件。现在许多传感器生产厂家已经开发和研制出了专门用于微机控制系统的集成化传感器，为微机控制系统测量元件的选择带来了极大的方便。3.执行机构的选择执行机构是构成微机控制系统不可缺少的重要组成部件，选择系统的执行机构不仅要根据被控对象的实际情况来定，而且也要考虑与控制算法相匹配的问题。常用的执行机构有电动执行机构、气动薄膜调节阀、伺服电机、步进电机、晶闸管等。通常电动执行机构用来控制一般的液体和气体，但不宜用于有爆炸危险的场合。气动薄膜调节阀一般由气

4、动执行机构和调节阀两部分组成，其执行机构是薄膜式的，常用于易燃易爆的环境中。在数控机床、X-Y记录仪、旋转变压器、多圈电位器等控制场合，都用步进电机。4.选择输入输出通道及外设确定过程输入输出通道是总体方案设计中的重要内容之一，通常应根据被控对象所要求的输入输出参数的多少来确定，并按系统的规模和要求配以适当的外围设备，如打印机、CRT显示器、磁盘驱动器、绘图仪、CD-ROM等。在估算和选择通道及外设时，应着重考虑以下几点：(1)数据采集和传输所需的输入输出通道数；(2)所有输入输出通道的数据传输率，各通道处理的数据流量是否相等；(3)输入

5、输出通道是串行操作还是并行操作；(4)模拟量输入输出通道中数据位数的选择；由控制精度确定A/D和D/A转换的位数。(5)输入输出通道连接方式的选择；是采用一个输入输出通道设置一片A/D或D/A的形式；还是采用多通道共用一片A/D或D/A的形式；(6)对显示、打印有无要求；是否需要配备LED或CRT，是否配置打印机等。5.画出整个控制系统原理图结合工业流程图画出一个完整的控制系统原理图，包括传感器、变送器、外围设备、输入输出通道及微型计算机。因为它是整个控制系统的总图，所以要简单、清晰、明了。三、微机接口的选择1.主机方案的选择确定了总体方

6、案后，首要的任务就是要选择一台合适的微型机。微型机种类繁多，但在微机控制系统设计中通常采取下面两种方案：(1)  选用现成的微型机系统这是一种比较方便的方案。采用该方案时，需要考虑的问题有：选用什么样的微型机系统?系统应有多大的内存容量?怎样配置过程输入输出通道?应配置多少外部设备?应该购买哪些现成的系统软件?怎样配置应用软件?(2)利用单片机芯片自行设计选用一种单片机芯片，针对具体控制任务，自行设计一个单片机系统，其优点是针对性强，灵活方便，所用元器件最少、投资少等，缺点是硬件和软件都由用户从头设计，工作量大，且周期长。通常在智能仪器、

7、仪表及小型控制系统中采用这种方案。2.微机功能的选择微机确定后，应根据控制任务和要求，对系统的硬件做出估计和选择，以明确微型机的主要功能。四、建立数学模型，确定控制算法数学模型是系统动态特性的数学表达式，表示了系统输入—输出及其内部状态之间的关系，因此在使用某些控制算法需要事先知道被控对象的数学模型时，就要用飞升曲线法、相关分析法、最小二乘法辨识等方法得到相应的控制对象模型。一般情况下，采用模拟化设计的数字PID控制算法，可不需知道被控对象的数学模型，调节器参数采用现场整定。快速系统可采用最少拍控制。对于大滞后的被控过程，可采用Smith

8、补偿器或大林算法。自适应控制算法适用于大滞后—慢时变、随机干扰严重的被控对象和环境。对于复杂问题的控制可采用智能控制系统。所以，选用系统的控制算法时，要根据控制对象的不同特性和要求恰当地选择。