微型计算机控制系统设计

第一章计算机控制系统概述习题及参考答案1.计算机控制系统的控制过程是怎样的计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：(1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进展检测，并输入给计算机。

(2)实时控制决策：对采集到的表征被控参数的状态量进展分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。

(3)实时控制输出：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。

2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？(1)实时：所谓“实时〞，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进展处理，并在一定的时间内作出反响并进展控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。

(2)“在线〞方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接及计算机连接，生产过程直承受计算机的控制，就叫做“联机〞方式或“在线〞方式。

(3)“离线〞方式：假设生产过程设备不直接及计算机相连接，其工作不直承受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进展联系并作相应操作的方式，那么叫做“脱机〞方式或“离线〞方式。

3.微型计算机控制系统的硬件由哪几局部组成？各局部的作用是什么？由四局部组成。

(1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个局部发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进展实时检测及处理。

主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进展各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进展监视，使之处于最优工作状态；对事故进展预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。

(2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进展信息交换的桥梁和纽带。

过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。

过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进展控制的信号。

过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。

(3)外部设备：这是实现微机和外界进展信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。

第3章：机电一体化技术与系统中微型计算机控制系统及接口设计 3.1 控制系统的一般设计思路3.1.1专用与通用、硬件与软件的权衡与抉择1. 专用与通用的抉择 专用控制系统：适合于大批量生产的而且较成熟的机电一体化产品。

通用控制系统：适合还在不断改进，结构还不十分稳定的产品。

2. 硬件与软件的权衡根据经济性和可靠性的标准权衡决定。

例：分立元件组成硬件------软件 利用LSI 芯片组成电路-----软件3.1.2 控制系统的一般设计思路 设计步骤为：确定系统整体控制方案；确定控制算法；选用微型计算机；系统总体设计；软件设计等。

1、确定系统整体控制方案（1）应了解被控对象的控制要求，构思控制系统的整体方案。

（2）考虑执行元件采用何种方式。

（3）要考虑是否有特殊控制要求。

（4）考虑微机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理，微机应承担哪些任务，为完成这些任务，微机应具备哪些功能，需要哪些输入/输出通道、配备哪些外围设备。

（5）应初步估算其成本。

2、确定控制算法建立该系统的数学模型，确定其控制算法。

数学模型：就是系统动态特性的数学表达式。

它反映了系统输入、内部状态和输出之间的数量和逻辑关系。

控制算法：所谓计算机控制，就是按照规定的控制算法进行控制，因此，控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。

例如：机床控制中常使用的逐点比较法的控制算法和数字积分法的控制算法；直线算法：a a xy yx F -= 或K x y T T ee Y X==∆∆ 圆弧算法：222R Y X F i i i -+= 或yxT T Y X =∆∆ 直接数字控制系统中常用的PID 调节的控制算法；位置数字伺服系统中常用的实现最少拍控制的控制算法；另外，还有各种最优控制的控制算法、随机控制和自适应控制的控制算法。

3、选择微型计算机 （1）较完善的中断系统 （2）足够的存储容量（3）完备的输入／输出通道和实时时钟（4）特殊要求：字长、速度、指令4、系统总体设计设计中主要考虑硬件与软件功能的分配与协调、接口设计、通道设计、操作控制台设计、可靠性设计等问题。

微控制器系统的设计与开发第一章：微控制器系统的基础知识1.1 微控制器的概念和分类微控制器是一种集成了微处理器、存储器、输入/输出接口和时钟系统等功能的单芯片微型计算机系统，常用于嵌入式系统中。

根据微控制器的不同特点和应用领域，可将其分类为通用微控制器和专用微控制器。

1.2 微控制器的基本构成微控制器由CPU、存储器、输入/输出接口以及时钟系统等部分组成，其中CPU是微控制器的中央处理单元，负责指令的执行和数据的运算；存储器用于存储程序代码和数据；输入/输出接口用于与外部设备进行通讯；时钟系统用于提供时钟信号和计时。

1.3 微控制器的工作原理微控制器将存储器中的程序代码和数据导入CPU中进行处理，然后将结果通过输入/输出接口传输给外部设备。

时钟系统负责提供CPU工作时的基本时钟信号，并控制各种定时器、计数器等运行。

第二章：微控制器系统的软件开发2.1 程序设计环境微控制器的程序设计环境包括开发系统、编译器、调试器等工具。

常用的开发系统有Keil、IAR等，编译器为CCS、AVR Studio等，调试器为JTAG、ICE等。

2.2 程序设计流程微控制器程序设计流程包括需求分析、程序编写、调试测试和部署上线等过程，其中需求分析是整个程序设计的重要环节，其目的是确定程序的功能、接口、输入输出及其限制等。

2.3 程序设计语言微控制器程序设计语言具有低级别、高效性、硬件控制能力强等特点。

常用的程序设计语言有C、C++、Assembly等，其中C 语言应用最广泛。

第三章：微控制器系统的硬件设计3.1 硬件设计基础微控制器系统硬件设计基础包括电路原理、逻辑设计、数字电路和模拟电路等方面。

电路设计过程中要注意控制信号的处理、电源滤波和抗干扰等问题。

3.2 微控制器系统的板级设计微控制器板级设计是指针对单片机芯片进行硬件电路设计的过程，包括原理图设计、PCB布局和焊接等环节。

关键技术包括模块化设计、可开发性设计、器件选择和布线规划等。

课程设计说明书题目：温度控制系统的设计与实现学生姓名：学院：电力学院系别：自动化专业：自动化班级：指导教师：二〇一年一月十四日内蒙古工业大学课程设计（论文）任务书课程名称：计算机控制系统课程设计学院：电力学院班级：自动化07-3班学生姓名：石鑫学号：指导教师：刘磊李志明摘要温度控制系统是一种典型的过程控制系统，在工业生产中具有极其广泛的应用。

温度控制系统的对象存在滞后，它对阶跃信号的响应会推迟一些时间，对自动控制产生不利的影响，因此对温度准确的测量和有效的控制是此类工业控制系统中的重要指标。

温度是一个重要的物理量，也是工业生产过程中的主要工艺参数之一，物体的许多性质和特性都与温度有关，很多重要的过程只有在一定温度范围内才能有效的进行，因此，对温度的精确测量和可靠控制，在工业生产和科学研究中就具有很重要的意义。

本文阐述了过程控制系统的概念，介绍了一种温度控制系统建模与控制，以电热水壶为被控对象，通过实验的方法建立温度控制系统的数学模型，采用了PID算法进行系统的设计，达到了比较好的控制目的。

关键词：温度控制；建模；自动控制；过程控制；PIDAbstractIn industrial production with extremely extensive application, temperature control system is a typical process control system.Temperature control system has the larger inertia. It is the response signal to step off some of time.And it produces the adverse effect to the temperature measurement. The control system is the important industrial control index. Temperature is an important parameters in the process of industrial production. Also it is one of the main parameters of objects, many properties and characteristics of temperature, many important process only under certain temperature range can efficiently work. Therefore, the precise measurement of temperature control, reliable industrial production and scientific research has very important significance.This paper discusses the concept of process control system and introduces a kind of temperature control system .The electric kettle is the controlled object, PID algorithm is used for system design,through experience method to get the model of temperature control system and we can get the controlied response well.Keywords：Temperature control; Mathematical modeling; Automatic control;Process control; PID目录第一章概述..........................................................................................................................................1.1 题目背景及应用意义...........................................................................................................1.2 本文内容及工作安排 (1)第二章系统组成及被控对象分析（被控对象数学建模） (3)2.1 系统组成 (3)2.1 被控对象分析（被控对象数学建模） (5)第三章控制策略设计及仿真研究 (11)3.1 控制策略设计 (11)3.2 仿真研究 (15)第四章控制策略实现 (18)4.1 组态环境下控制策略编程实现 (18)4.2 力控软件 (18)4.3 运行结果分析 (20)第五章总结 (22)参考文献 (23)第一章概述1．1 题目背景及应用意义在近四十年的时间里，电子计算机的发展经历了从电子管、晶体管、中小规模集成电路到大规模集成电路这样四个阶段，尤其是随着半导体集成技术的飞跃发展，七十年代初诞生了一代新型的电子计算机——微型计算机，使得计算机应用日益广泛；目前，计算机应用已渗透到各行各业，达到了前所未有的普及程度。

《计算机控制技术》课程设计具有纯滞后一阶惯性系统的计算机控制系统设计班级：姓名：学号：指导老师：日期：目录一、设计任务 (1)1.1 题目 (1)1.2内容与要求 (1)二、设计思想与方案 (2)2.1控制策略的选择 (2)2.2 硬件设计思路与方案 (2)2.3 软件设计思路与方案 (3)三、硬件电路设计 (3)3.1温度传感器输出端与ADC的连接 (3)3.2 ADC与单片机8051的连接 (4)3.3 单片机8051与DAC的连接 (4)3.4 整机电路 (5)四、系统框图 (7)五、程序流程图 (8)5.1 主程序流程图 (8)5.2 子程序流程图 (9)六、数字调节器的求解 (11)6.1 基本参数的计算 (11)七、系统的仿真与分析 (13)7.1 θ=0时系统的仿真与分析 (13)7.2 θ=0时系统的可靠性与抗干扰性分析 (14)7.2 θ=0.4461时系统的仿真与分析 (16)7.3 θ=0.4461时系统的可靠性与抗干扰性分析 (17)八、设计总结与心得体会 (20)参考资料 (21)一、 设计任务一、题目设计1. 针对一个具有纯滞后的一阶惯性环节()1sKe G s Ts τ-=+的温度控制系统和给定的系统性能指标：✧ 工程要求相角裕度为30°～60°，幅值裕度>6dB✧ 要求测量范围-50℃～200℃，测量精度0.5％，分辨率0.2℃2. 书面设计一个计算机控制系统的硬件布线连接图，并转化为系统结构图 具体要求：✧ 温度传感器、执行机构的选型✧ 微型计算机的选型（MCS51、A VR 等等）✧ 温度传感器和单片机的接口电路✧ 其它扩展接口电路（主要是输入输出通道）✧ 利用Protel 绘制原理图，制作PCB 电路板（给出PCB 图）3. 软件部分：✧ 选择一种控制算法（最少拍无波纹或Dalin 算法）设计出控制器（被控对象由第4步中的参数确定），给出控制量的迭代算法，并借助软件工程知识编写程序流程图✧ 写出主要的单片机程序4. 用MATLAB 和SIMULINK 进行仿真分析和验证对象确定：K=10*log(C*C-sqrt(C)),rand(‘state ’,C), T=rand(1)考虑θ=0或T/2两种情况，即有延时和延时半个采样周期的情况。

微型计算机控制技术微型计算机控制技术是指利用微型计算机来实现对各种设备、系统或过程进行控制的技术。

随着计算机技术的不断发展和微型计算机体积的减小，微型计算机控制技术得到了广泛的应用，已经成为现代工业自动化控制的重要手段之一微型计算机控制技术主要包括硬件设计与软件开发两个方面。

硬件设计方面，需要根据被控对象的特点和实际需求设计控制回路，采集传感器信号，处理输入输出信号，控制执行机构等。

而软件开发方面，则需要编写相应的程序，实现对被控对象的监控、控制和数据处理等功能。

在微型计算机控制技术中，最关键的是硬件设计。

硬件设计主要包括微型计算机系统设计、输入输出接口设计、传感器与执行机构的控制电路设计等。

微型计算机系统设计是整个控制系统的核心，通常由中央处理器(CPU)、存储器(RAM和ROM)、总线、时钟等组成。

输入输出接口设计是实现与外部设备进行数据交换的关键，常用的接口有并行口、串行口、模拟量输入输出接口、数字量输入输出接口等。

传感器与执行机构的控制电路设计则需要根据具体的被控对象选择合适的传感器和执行机构，并设计相应的控制电路，将物理量转化为电信号，并通过合适的方式与微型计算机进行连接。

在软件开发方面，微型计算机控制技术通常使用高级编程语言进行程序开发，如C语言、C++语言、Python等。

软件开发涉及到系统的功能需求分析、程序结构设计、代码编写和调试等工作。

其中，功能需求分析是根据实际应用需求，确定系统的具体功能和功能流程。

程序结构设计是根据功能需求分析的结果，设计出程序的模块结构和相互之间的关系。

代码编写是将设计好的程序结构根据具体语言的语法规则编写出来，并进行相应的调试和优化，确保程序功能的正确性和高效性。

微型计算机控制技术在工业自动化控制中有着广泛的应用。

它可以实现对生产线的自动化控制，提高生产效率和质量。

例如，在自动化生产线中，通过微型计算机控制技术可以监控并调整生产过程中的温度、湿度、压力等参数，实现对产品质量的控制。

第一章计算机控制系统概述习题及参考答案1.计算机控制系统的控制过程是怎样的计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：(1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。

(2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。

!(3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。

2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么(1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。

(2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。

(3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。

3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成各部分的作用是什么—由四部分组成。

图微机控制系统组成框图(1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。

主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。

(2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。

过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。

过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。

过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。

基于8086架构的微型计算机设计与开发现今，计算机技术已经成为我们生活中难以分离的一部分。

然而早期的计算机尚不具备现代计算机的高效性和便携性，而微型计算机的开发与设计解决了这一问题。

本文将主要探讨基于8086架构的微型计算机的设计与开发。

一、微型计算机基础首先，让我们了解一下微型计算机的基础知识。

微型计算机是指整个计算机系统都能集成在微小的芯片内，而不是以大型电子设备形式存在。

通常来说，微型计算机只有一小块芯片，组成了CPU（中央处理器）、存储器、输入输出端口以及各种内外部设备控制器等。

其中，CPU是微型计算机的核心组件，负责执行计算机指令，支持数据存储和处理。

二、8086架构接下来，我们了解一下8086架构。

它是由英特尔公司在1978年推出的一种16位微处理器架构，后来被广泛用于微型计算机系统设计。

8086架构的CPU内部包含了许多寄存器，如一级内部缓存（cache）、段寄存器、指令寄存器、通用寄存器等，从而提高了微型计算机的性能。

8086架构的优点不仅仅体现在性能上，它同时也是一种易于编程控制的处理器，使得微型计算机的开发变得高效简单。

三、微型计算机的设计流程了解了微型计算机的基础知识和8086架构后，接下来，我们来了解一下微型计算机的设计流程。

1. 系统规格确定首先，我们需要明确自己想要设计的微型计算机的规格，包括系统运行的操作系统、系统容量、必要的输入输出（I/O）设备和其它需要的硬件设备等。

2. 硬件设计硬件设计是微型计算机设计工作的重要组成部分，其包括选择适当的CPU、存储器、兼容IC等外部设备。

在硬件设计过程中，需要根据系统规格确定符合用户需求的嵌入式微型计算机系统。

3. 软件设计当硬件设计完成之后，我们需要进行相应的软件设计，以便程序能够充分利用CPU和其它硬件资源。

软件设计是指系统规格、硬件和软件的开发文档编写和程序代码的编写、编译、下载、调试和总控制等过程。

四、结语到此为止，我们对基于8086架构的微型计算机设计与开发进行了探讨。