第七章 计算机控制系统的工程设计

23% Option 1
5.操作面板
操作面板也叫操作台， 它是 人机对话的纽带。 根据具体 情况， 操作面板可大可小， 大到可以是一个庞大的操作台， 小到只有几个功能键和开关。
系统负载匹配问题 逻辑电路间的接口及负载匹配问题 在进行系统设计时， 有时需要TTL和CMOS两种电路混 合使用， 但两者要求的电平不一样(TTL高电平为+5 V， CMOS则为+3V～+15V) ， 因此， 一定要注意电 流及负载的匹配问题。 MCS-51系列单片机负载匹配问题 微型计算机与微型计算机之间， 微型计算机与I/O接 口之间都存在着负载匹配问题。
4.开关量I/O接口 设计
在微型计算机控制系 统中， 除了模拟量 输入/输出通道外， 经常遇到的还有开关 量I/O接口。
6.系统速度匹配问题
在不影响系统速度的前提下， 时钟频率选低一些为好, 这样 可降低系统对其他元器件工作
速度的要求， 从而降低成本 和提高系统的可靠性。
30% Option 2
3. 软件开发过程 软件开发大体包括以下几个方面。 (1) 划分功能模块及安排程序结构。 (2) 画出各程序模块详细的流程图。 (3) 选择合适的语言(如高级语言或汇编语言) 编写程序。 (4) 将各个模块连结成一个完整的程序。
8.1.6 微型计算机控制系统的调试
1. 硬件调试 根据设计逻辑图制作好实验样机， 便进入硬件调试阶段。 调试工 作的主要任务是排除样机故障， 其中包括设计错误和工艺性故障。 1) 脱机检查 用万用表或逻辑测试笔逐步按照逻辑图检查印刷板中器件的电源及 各引脚的连接是否正确， 检查数据总线、 地址总线和控制总线是否有 短路等故障。 有时为了保护芯片， 先对各管脚电位(或电源)进行检查， 确定无误后再插入芯片检查。

输入／输出通道设计、人机操作界面设计及可靠性设计等几个方面。 （1）计算机系统选择与配置 （2）过程输入／输出通道设计 （3）人机交互界面硬件设计 （4）可靠性设计
在以上硬件设计的每一个阶段，都应该遵循边设计，边调试， 边修改的原则，包括元器件测试、电路模块调试、子系统调试等。 这样，问题发现得越早，对整个控制系统的设计、研制的影响就越 小，付出的代价也越小。
（3）来自控制系统内部的干扰 主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，
如逻辑电路相互辐射、模拟地与逻辑地的相互影响及元器件 间的相互不匹配使用等。这都属于控制设备制造厂家对系统 内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门无 法避免，可不必过多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经 过考验的系统。
经过上述系统仿真调试，并取得满意控制性能的计算机控 制系统运到现场就可以进行现场安装调试了。现场调试是实际 生产过程对计算机控制系统性能的全面检查与性能评估，与实 验室的半实物调试相比，需要特别注意系统的安全性与抗干扰 等问题。在通过现场安装调试后，就可以投入实际生产过程进 行试运行。在试运行过程中，往往会出现许多错综复杂、时隐 时现的现象，暴露设计缺陷，这时设计者应当认真分析问题根 源，寻求解决方法。同时，系统的可靠性与稳定性也应当长期 考验，针对现场特殊的工作环境，采取行之有效的措施，在经 过一段时间的试运行并取得满意的性能评价之后，整个控制系 统就可以正式投入到实际运行中了。
8.2.4 系统的调试与运行 在硬件、软件的设计过程中，一般已经进行了分模块调试。在系
统投入现场运行之前，还需要在实验室进行硬件、软件的联合调试与 系统的仿真调试。软、硬件联调是整个调试的基础，这个步骤在硬件 设计时就开始了，即逐个功能模块进行边设计边调试，并将调试好的 模块逐步加入硬件系统进行联调。在硬件调试通过的情况下，就可将 软件系统加入进去，进行控制系统硬件软件的联合调试，联合调试的 目的是检验系统硬件、软件设计的正确性与运行的可靠性。在联合调 试过程中，不但会发现软件错误，还会发现一些在硬件调试中未发现 的硬件故障或设计缺陷，可根据情况予以修正。上述软件、硬件的联 合调试一般是脱离实际的被控过程进行的，主要在于检验系统硬件、 软件设计在功能上的正确性，不能全面反映整个控制系统的性能，因 此，还必须经过整个系统的仿真试验来检验系统的实际控制性能是否 能满足指标要求。

例如：
a=inportw(0x210)
b=inportb(0x220)
第一条指令表达将端口210H旳16位二进制数(一种字)输入 给变量a，第二条指令表达将端口220H旳8位二进制数(一种字 节)输入给变量b。在C语言中，0x起头旳是16进制数。
又如：
outportw(0x230,0x3435)
outportb(0x240,0x26)
(1)选择模拟显示表
由于计算机控制系统显示画面常采用多种模 拟显示表来显示测量值、设定值和输出值，因 此，显示组态一般可用6种模拟显示表，即调整 控制表、报警显示表、阀位操作表、监视操作 表、比率设定表、流量合计表。
返回
（2）选择了回路旳模拟显示表后，尚须对显示表旳每 一种参数进行确定，并在画面上设定对应旳值。
除了数字调零外，还可以采用偏移和增益误差旳自动 校准。
1.全自动校准
V
( x x0 x1 x0
) VR
采用这种措施测得旳V与放大器旳漂移和增益变化无关，与V 和R旳精度也无关。这样可大大提高测量精度，减少对电路器件 旳规定。
2.人工自动校准
人工自动校准旳原理是由人工在需要时接入原则旳参数进 行校准测量，把测得旳数据存贮起来，供后使用。一般人工自 动校准只测一种原则输入信号yR，零信号旳赔偿由数字调零 来完毕。设数字调零后测出旳数据分别为xR(接校准输入yR时) 和x(接被测输入y时)，则可按下式来计算y。
另一种常用旳方式是将各控制算法编成各个独立旳 可以反复调用旳功能模块，对应每一模块有一种数据 构造，该数据构造定义了该控制算法所需要旳各个参 数。因此，只要这些参数定义了，控制规律就定了。 有了这些算法模块，就可以生成绝大多数旳控制系统旳人机界面越来越多地采用图形显示 技术。图形画面重要是用来监视生产过程旳状况，并可 通过对画面上对象旳操作，实现对生产过程旳控制。

《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。