計算機控制系統設計與綜合舉例

6.1計算機控制系統的設計方法

6.2計算機控制系統的軟、硬件設計

6.3烘箱溫度計算機控制系統設計

6.4基于混合仿真實驗系統的二階液位控制系統設計

6.5三軸數控鐵床計算機控制系統設計

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6.1計算機控制系統的設計方法

6.1.1系統設計的原則

?1安全可靠

?2系統操作性能好

?3實時性強

?4通用性好

?5經濟效益高

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6.1.2確定工程項目與控制任務

f---------------------------------------

1?

?甲方提出任務委托書

?乙方研究任務委托書

?雙方對委托書進行確認性修改

?乙方初步進行系統總體方案設計

?乙方進行方案可行性論證

?簽訂合同書

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工程項目設計階段主要包括組建項目研制小組、系統總體方

案的設計、方案論證與評審、硬件和軟件的細化設計、硬件和軟

件的調試、系統的組裝等。

1.組建項目研制小組

2.形成總體方案

3.方案論證與評審

4.硬件和軟件的分別細化設計

5.硬件和軟件的分別調試

6.系統的組裝

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6.1.4項目仿真與調試

1離線仿真和調試

離線仿真和調試階段的流程如圖6-1(a)所示。

a)h)

圖6-i離線仿真和兩試階段流程

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所謂離線仿真和調試是指在實驗室而不是在工業現場進行的

?仿真和調試。離線仿真和調試試驗后，還要進行考機運行。

1考機的目的要在連續不停機的運行中暴露問題和解決問題。

2在線調試和運行

系統離線仿真和調試后便可進行在線調試和運行。在線

調試和運行就是將系統和生產過程聯接在一起，進行現場調

試和運行。系統運行正常后，可以再試運行一段時間，即可

1組織驗收。驗收是系統項目最終完成的標志，應由甲方主持

乙方參加，雙方協同辦理。驗收完畢應形成驗收文件存檔。

整個過程可用圖6-1(b)來形象地說明。

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6.2計算機控制系統的軟、硬件設計

-H---------~------------------------

計算機控制系統的硬件設計包括計算機選型、接口電路

■的選型與設計、信號的調理等技術。正確的選擇計算機以及：

接口電路是設計計算機控制系統的關鍵，特別是計算機的選

型是關鍵中的關鍵。

計算機控制系統中軟件設計的關鍵技術是中斷技術。通.

一過中斷實現定時操作。在定時操作中主要完成的任務有采樣、

,數字濾波、控制量計算、輸出控制量等。

為用戶顯示必要的控制信息使用戶了解系統的動態特性。

對于一個完善的計算機控制系統是非常必要的。

本節就上述軟硬件設計的問題——給予詳細的說明。

阿讓工業人皆@劭化系

6.2.1控制計算機的選型

―瞬■,?■’■......................

表6?1各種計算機的性能對比

性能用戶舟級訪開發

造價適用對象耕腳也擾性

機型二、界面;;編程1嬲

單板機低快速系統<lm?1不可長

單片機低快速系箔<Ima差Jt不可IC

工業控制機中快速系統=1ms高好可短

懶系統篇非快速就>500nw為好可短

從表6-1中可以看出單板機或單片機其選價低廉、采樣速度快，

可用于控制快速系統，如調速系統等；也可用于結構簡單的控制單

元，如單回路調節器、智能化儀表、智能化接口電路、采集模塊等。

它具有優良的界面，可采用高級語言編程等特點，被廣泛的應用于

過程控制中，這些被控的物理量不需要非常快的采樣控制頻率。隨

著CPU速度與外圍設備速度的提高其適用的范圍也會越來越廣泛。

阿讓工業人皆@劭化系

接口電路與信號調理

計算機的選型工作完成后，下一步的工作就是計算機接口電路

的設計與采樣信號的調理。計算機的接口電路分為兩大類，即數字

接口電路8255、8155等，和模擬接口電路A/D、D/A等。它們主要用

于計算機與采樣信號、執行機構和輔助信號的連接如圖6-2。

收

擬

數字

執

檢

行

測

單

單

元

元

根

m數字

檢

批

行

測

他

項

元

正

圖6?2i|算機接口小意圖

阿讓工業人名@劭化系

采樣信號的調理電路主要是指模擬信號的調理電路。

它所起到的作用是使計算機接口模擬電路A/D和D/A與檢測

單元和執行單元的電信號相匹配，如圖6-3。

如果我們選用的是標準的IPC總標準的

線或STD總線的工業控制機，則接口采祥

模擬

電路和信號調理電路都是成套的，信號

否則這些電路只能自行設計。表6-2

圖6-3信號調理電路

給出了IPC總線的接口電路板和信號

調理板。

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表6-2IPC總線系列產品

名稱性能名稱性能

PCL-812PG16相12位A/DPCID782B24通道數字輸入板

PCL8BB32路12位A/DPQD88516通道繼電器輸出板

PCL-8I8H8U6）路12位A/DPCID785B24通道繼電器除出板

KIL-72032人丸出I/OPQ,fL789D16過道熱電偶闔理板

PCL-7266路12位D/A—■

阿讓工業人名@劭化系I-

6.2.3定時操作系統的實現

定時操作主要完成的任務是采樣及控制任務，控制系統的采

■:樣控制頻率必須滿足香農采樣定理即：

入《T〃"或①s》2%

3〃?為閉環系統截止頻率，3s為采樣頻率。

控制系統的采樣頻率確定后，就必須嚴格遵守該頻率進行采

樣控制。定時操作一般用中斷來實現，即將采樣控制程序作為

；中斷服務程序，每次中斷后執行中斷服務程序，即采樣控制程

序。

我們以IBM386以下檔次的微型計算機為例說明其內部中斷

的管理方法。

阿讓工業丈名@劭化系

一、中斷管理

由于8086CPU芯片上只有一個中斷請求線INTR輸入

端，計算機有多個中斷源，因而設計了一個中斷控制

器電路8259A。其主要作用是對中斷源進行管理，如中

斷優先級、中斷號等。8259A上有8根中斷請求線，可

「以采用級聯方式擴充到64個中斷源。當發生中斷時，

8259A自動將中斷號送入CPU,CPU將中斷號乘以4得到

中斷矢量。計算機用中斷矢量作為地址，從內存單元

中取出連續的4個單元的數據作為中斷服務程序的入口

地址。

阿讓工業人名@劭化系

內存

DS=O

、

IR>=20H1A（）［A（）O1DS:20

1A||A|0DS:21

A21A20DS:22

A31A3oDS:23

CS=A1A30A21A20H

中斷服務程序的入口地址為3

IP=Aj?AIQA（）|A（X）H

圖6-4中斷過程示意圖

圖6-4給出INT0AH中斷過程的示意圖。

由上可見，想要實現定時操作首先應將采樣控制程序的地址放入規

定的內存單元中，即我們所說的修改中斷矢量。修改的方法有兩種:

直接填寫和系統調用。

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二、外部硬件中斷

8259

外部硬件中斷的中斷R

Q

R---時鐘斗?斷8253

源通常用8253可編程定時I

R——鍵盤中斷CS—300H

/計數器實現。8253有6種2

ROUT0

工作方式，在用作中斷源3COM2中斷

RGATE0一5V

時通常用方式3,接線方R4COMI申斷

5硬磁盤中斷

RCLK—IkHz

法如圖6-5。0

R6軟磁盤中斷

如圖想產生一個1秒7打印中斷

鐘中斷，只要初始化8253

使其工作在方式3,計數圖6-5中斷信號接線圖

初值為1000即可。

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三、內部硬件中斷

〃?0的內部接線如圖6-6,該中斷8253

IOUTI-IRQ。

的主要功能是修改計算機內部時鐘。()

在中斷8服務程序的結尾有一個GATE0—5V

的軟中斷，其中斷服務程序只有一條

1.19M―CLK0

返回語句(IRET)無任何內容。用戶

圖6-6計算機內部8253接線圖

可以通過修改的中斷矢量來

實現定時操作。

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6.2.4顯示技術及控制任務的協調

主程序中斷服務程序

通常在控制程序中，經常需

要顯示被控物理量具體的數值，

有時還要求顯示控制曲線。這些

輸出語句不建議寫在中斷控制程

序中,特別是INT21H將引起死

機現象。我們建議修所有顯示語

句寫在主程序中，通過對標志變

量的判斷來決定是否重新刷新顯

圖6-7顯示及控制任務的協調程序:框圖

示。程序框圖見6-7。

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■^6.2?5計算機應用系統中的抗干擾設計

一、微機系統中的主要干擾渠道及抗干擾措施

工業生產中的干擾一般都是以脈沖的形式進入微機，

干擾竄入系統的渠道主要有三條：空間干擾(場干擾)，過

/程通道干擾，供電系統干擾。

1供電系統干擾措施

微機系統中最重要、并且危害最嚴重的干擾來源于電

-源的污染。

(1)電源噪聲種類

阿讓工業人名@劭化系

如果把電源電壓變化持續時間定為at,那么，根據at

的大小可以把電源干擾分為：①過壓、欠壓、停電：

②浪涌、下陷：1s>△t>10ms;③尖峰電壓：為微秒量

級；④射頻干擾：At為毫微秒量級；⑤其它：半周內的通電

或過欠壓。

(2)微機供電系統的抗干擾設計

為了防止從電源系統引入干擾，微機系統可采取圖6-8所

示的供電配置。為了保證供電的穩定性，防止電源系統的過

壓與欠壓，可以利用交流穩壓器，有利于提高整個系統的可

靠性。

阿讓工業人名@劭化系

220V

交流

圖6-8微機系統的抗干擾供電配置

考慮到高頻噪聲通過變壓器主要不是靠初次級線圈的互感

耦合，而是靠初、次級間寄生電容耦合的，利用隔離變壓器，

減少其分布電容，以提高抗共模干擾的能力；由諧波頻譜分析

可知，電源系統的干擾大部分是高次諧波，因此采用低通濾波

濾去高次諧波，以改善電源波形；

阿讓工業人名@劭化系

采用分散獨立功能塊供電，即在每塊系統功能模塊

上用三端穩壓集成塊組成穩壓電源，每個功能塊單獨對

電壓過載進行保護，不會因某塊穩壓電源故障而使整個

系統破壞，而且也減少了公共阻抗的相互耦合以及和公

共電源的相互耦合，大大提高了供電的可靠性，也有利

于電源散熱；采用高抗干擾穩壓電源及干擾抑制器。在

電源配置中還可以利用反激變換器的開關穩壓電源、頻

譜均衡法原理制成的干擾抑制器、超隔離變壓器穩壓電

源等抑制干擾。

阿讓工業大名@劭化系

2’過程通道干擾及抗干擾措施

一過程通道是前向接口，后向接口與主機或主機相互之

一間進行信息傳輸的路徑，在過程通道中長線傳輸的干擾是

,主要因素。隨著系統主振頻率愈來愈高，微機系統過程通

一道的長線傳輸愈來愈不可避免。例如，按照經驗公式計算,

當計算機主振頻率為1MHz時，傳輸大于0.5m或主振為4MHz

一時,傳輸線大于0.3m,即作為長線傳輸處理。

-微機應用系統中，傳輸線上的信息多為脈沖波，它在

傳輸線上傳輸時會出現延時、畸變、衰減與通道干擾。為

了保證長線傳輸的可靠性，主要措施以下幾種。

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?(1)光電耦合隔離措施

?(2)雙絞線傳輸

?(3)長線傳輸的阻抗匹配

?(4)長線的電流傳輸

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二、印刷電路板及電路的抗干擾設計

-印刷電路板是微機系統中器件、信號線、電源線的高

密度集合體，印刷電路板設計得好壞對抗干擾能力影響很

大，故印刷電路板設計決不單是器件、線路的簡單布局安

「排，還必須符合抗干擾的設計原則。通常應有下述抗干擾

措施。

1地線設計

⑴在接地線長度允許的情況下，應盡量采取一點接地的工藝措

施，以避免不同電路的電流流經公共地線，如圖6-n所示。

阿讓工業人名@劭化系

a）不好b）好

圖6-11一點接地

⑵屏敝層的接地。

單點接地與多點接地選擇。在低頻電路中，信號的工作頻

率小于1MHz時，它的布線和元器件間的電感影響較小，而接地

電路形成的環流對干擾影響較大，因而屏蔽線采用一點接地；

阿讓工業人名@劭化系

當信號工作頻率大于10MHz時，地線阻抗變得很大，此

時應降低地線阻抗，應采用就近多點接地法；當工作頻率

在1?10MHz之間時，如果用一點接地，其地線長度不應超

過波長1/20,否則宜采用多點接地法，如圖6-12所示。

b）二點接地

圖6-12屏蔽線接地

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⑶數字、模擬電路分開。電路板上既有高速邏輯電路,

又有線性電路，應使它們晝分開，現時兩者的地線不

要相混，分別與電源端地線相連。要盡量加大線性電

路的接地面積。

(4)接地線應盡量加粗。若接地用線條很細，接地電位

則隨電流的變化而變化，致使微機的定時信號電平不

穩，抗噪聲性能變壞。因此應將接地線條加粗，使它

能通過三倍于印刷電路板上的允許電流，接地用線應

在2~3mm以上。

阿讓工業人皆@劭化系.

⑸接地線構成閉環路。只用數字電路組成的印刷電路板接地

.時，根據某些人的經驗，修接地電路做成閉環路大多都明

顯地提高抗噪聲能力。其原因是：一塊印刷電路板上有很

/多集成電路，尤其遇有耗電多的元件時，因受到線條粗細

限制，地線產生電位差，引起抗噪聲能力下降。

2電源線布置

一電源線的布線方法除了要根據電流的大小，盡量加粗導

體寬度外，采取使電源線、地線的走向與數據傳遞的方向

一致，圈有助于增強抗噪聲能力。

阿讓工業人名@劭化系

3去耦電容配置

在印刷電路板的各個關鍵部位配置去耦電容應視為印刷電

路板設計的一項常規做法。

⑴電源輸入端跨接10?100〃廠的電解電容器。如有可能，接100〃/

以上更好。

⑵原則上每個集成電路芯片都應安置一個0.01〃廠的陶瓷電容器一

⑶對于抗噪聲能力弱、關斷時電流變化大的器件和RW、RAM^

儲器件，應在芯片的電源線（匕0）和地線（GND）間直接接入

去耦電容。

（4）電容引線不能太長，特別是高頻旁路電容不能帶引線。

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4印刷電路板的尺寸與器件布置

印刷電路板大小要適中，過大時，印刷線條長，阻抗

;增加，不僅抗噪聲能力下降，成本也高；過小則散熱不好,

同時易受鄰近線條干擾。

在器件布置方面，與其它邏輯電路一樣，應把相互有

關的器件盡量放得靠近些，能獲得較好的抗噪聲效果，易

產生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應盡量遠離

計算機邏輯電路如有可能，應另做電路板，這一點十分重

要。另外，一塊電路板要考慮在機箱中放置的方向，將發

熱量大的器件放置在上方。

阿讓工業人名@劭化系

三、軟件的抗干擾設計

?軟件抗干擾是屬于微機系統的自身防御行為。采用軟件

抗干擾的最根本的前提條件是：

「系統中抗干擾軟件不會因干擾而損壞。

軟件抗干擾的設置前提條件概括為：

?在干擾作用下，微機系統硬件部分不會受任何損壞，或易

損壞部分設置有監測狀態可供查詢；

?程序區不會受干擾侵害；

?RAM區中的重要數據不被破壞，或雖被破壞可以重新建立。

阿讓工業人名@劭化系

1數據采集誤差加大的軟件對策

干擾侵入微機系統的前向通道，疊加在信號上，致使

,數據采集誤差加大。特別是前向通道的傳感器接口是小電

.一壓信號輸入時，此現象更加嚴重。根據數據采集時干擾性

質，干擾后果的不同，采取的軟件對策不一，沒有固定的

一對策模式。對于實時數據采集系統，為了消除傳感器通道

中的干擾信號，常在硬件措施基礎上采取數字濾波。

阿讓工業人名@劭化系

—

2控制狀態失常的軟件對策

一般控制狀態的輸出多半是通過微機系統的后向

一通道，由于控制信號輸出較大，不易直接受到外界

干擾。但是，在微機控制系統中，控制狀態輸出常

常是依據某些條件狀態的輸入和條件狀態的邏輯處

:理結果。在這些環節中，由于干擾的侵入，都會造

成條件狀態偏差、失誤、致使輸出控制誤差加大，

一甚至控制失常。為了確保系統安全可以采取下述軟

件抗干擾措施：

阿讓工業人名@劭化系

I

⑴軟件冗余。

⑵設置當前輸出狀態寄存單元，當干擾侵入輸出狀態破壞時,

系統能及時查詢寄存單元的輸出狀態信息，及時糾正輸出

狀態。

⑶設自檢程序。

3數據受干擾發生變化的軟件對策

4程序運行失常的軟件對策

5發現失常狀態后及時引導系統復原始狀態。

阿讓工業人名@劭化系

⑴設置監視跟蹤定時器

使用定時中斷來監視程序運行狀態。

⑵設置軟件陷阱

當PC失控，造成程序“亂飛”而不斷進入非程序

區，只要在非程序區設置攔截措施，使程序時入陷

-阱，然后強使程序進入初始狀態。具體做法是將所

..有非程序區都有用無條件轉移指令填滿，以便一旦

.干擾使程序進入非程序區后，即可無條件轉移到整

個程序的開頭，以便從新開始執行程序。

阿讓工業人名@劭化系

6.3烘箱溫度計算機控制系統設計

6.3.1控制系統的組成

烘箱

圖6-13烘箱溫度控制系統原理框圖

阿讓工業人名@劭化系

該系統是用微型機控制的電烘箱的例子，其控制系統原理

圖如圖6T3所示。

本系統由烘箱、溫度測量放大器、ADC0809.8253及8255組

成。在圖6-13中，烘箱用電爐絲心加熱。溫度的檢測用半導體

溫度傳感器AD590測量，測溫范圍是-55。C?+100。C,線性度

好，恒流輸出IRA/K。

AD590放大電路由兩級運算放大器組成。其中第一級放大10

倍，第二級放大5倍，W1為零點遷移電位器，設置為+2.73V,

使得在0。C時放大器輸出為0V。交流固態繼電器（SSR）用來

控制電阻絲通/斷電加熱。

阿讓工業人名@劭化系

1.定時中斷的實現

本系統采用外部硬件定時中斷，中斷周期為20ms。外接8253

定時器使其產生一個周期為20ms方波，然后接在8259的IRQ2上。

這樣計算機每隔20nls便產生一個中斷號為0AH的中斷。

2.控制周期及控制方法

根據具體情況可將控制周期設為5秒，由于中斷周期為20ms,

所以，在一個控制周期內共有250個時間段。在每個時間段內電

爐絲可以有“通電”和“斷開”兩種狀態。通過調節“通電”的

時間段的數目，即控制加熱的占空比，可以達到調節加熱功率的

目的，因此這種調節方案也可稱為調功法控制溫度。

阿讓工業丈名@劭化系

■■6.3.2控制軟件設計

控制軟件主要實現烘箱溫度的PID控制、顯示溫度值和控制

量。整個程序包括四部分：主程序、PID運算子程序、限幅子程

序、A/D采樣和中斷子程序。

1.主程序的主要功能是初始化8255和8253,并設置IRQ2中斷向量,

控制采用周期，啟動0809采樣，調用PID運算子程序和限幅子程

序以得到輸出量。

2.PID算法采用增量型控制公式為：

△尸(K)=KP[E(K)-E(K-1)]+

K/￡(K)+Ko[￡(K)-2￡(K-1)+￡(K-2)]

P(K)=P(K—1)+△尸(K)

阿讓工業人名@劭化系

3限幅子程序的功能是把PID程序運算結果進行限幅運

算，以得到一個。?250之間的數，以滿足調功控制

-溫度的需要。

4中斷子程序每20nls執行一次，中斷時對中斷計數器

CNT加1,修之與PID的運算結果POUT的值相比較，當

CNT大于POUT時，停止加熱，否則繼續加熱。每執行

250次調用一次采樣控制程序，已實現控制周期為5

秒。

阿讓工業人名@劭化系

c結束，

圖6-16限幅子程序框圖

圖6-15PID子程序框圖阿讓工業人名@劭化系

中斷服務程

十:

保護現場

CNT=CNT+1

PAo=O

8259復位

恢復現場

i~~

（返回）

圖6-17中斷服務程序框圖

阿讓工業人老@劭化系

■6.3.3程序清單

I------------------

DOSSEG

.MODELSMALL

.STACK100H

.DATA

UREQU80H；設定溫度50℃

KPEQU0300H;Kp=3.0

KIEQU001OH;KI=1/16=0.0625

KDEQUOH;KD=0

EKDW0;定義E(k)=O

EKIDW0;定義E(k-l)=O

EK2DW0;定義E(k-2)=0

阿讓工業人名@劭化系

PKDW2DUP(?)淀義U(k)

ADZDB*；溫度采樣存放單元

POUTDB9；控制量限幅輸出單元

CNTDB0；中斷計數單元

MES1DB'TEMPREATURE=$，

MES2DBCONTROL=$，

.CODE

START:MOVAX,@DATA

MOVDS,AX

PUSHDS

MOVAX,SEGINTOA

MOVDS,AX

MOVDX,OFFSETINTOA

阿讓工業人名@劭化系

MOVAX,250AH

INT21H

POPDS

MOVDX,203H；設定定時器0為工作方式2

MOVAL,36H

OUTDX,AL

MOVAX,20000；設定定時時間為20Ms

MOVDX,200H

OUTDX,AL

MOVAL,AH

OUTDX,AL

MOVDX,20BH；定義端口A,B,C為輸出

MOVAL,80H

阿讓工業人名@劭化系

OUTDX,AL

MOVAL,0;端口A輸出0

MOVDX,208H;停止加熱

OUTDX,AL

PPPO:INAL,21H

ANDAL,11111011B

OUT21H,AL;允許IRQ2中斷

STI

PPP:CMPCNT,250

JERP1

JMPPPP

阿讓工業人名@劭化系

RP1:MOVCNT,0

CALLPICKAD；調用A/D轉換子程序

LEADX,MES1;顯示“TEMPERATURE*

MOVAH,9

INT21H

MOVAL,ADZ;將人/口值轉換為溫度

MOVBL,100

MULBL

MOVBL,255

DIVBL

CALLHEXBCD;將溫度轉換為十進制

CALLDSP_AL；顯示溫度

CALLPID;調用PID子程序

阿讓工業人名@劭化系

CALLLIMIT;調用限幅子程序

MOVDX,208H

MOVAL,0

CMPPOUT,0;如果POUT，。,力口熱

JEM2;否則，不加熱

MOVAL,1

M2:OUTDX,AL

LEADX,MES2;顯示“CONTROL4

MOVAH,9

INT21H

MOVAL,POUT

CALLDSP_AL;顯示控制量

阿讓工業人名@劭化系

CALLCRLF；回車換行

MOVAH,0BH

INT21H

INCAL

JZPPP2；按任意鍵退出

JMPPPP；無按鍵繼續

PPP2:MOVDX,208H;停止加熱

MOVAL,0

OUTDX,AL

MOVDX,203H；關定時器0；

MOVAL,30H

OUTDX,AL

MOVAX,4C00H;返回DOS

INT21H

阿讓工業大名@劭化系

PIDPROCNEAR

MOVAX,UR

MOVBL,ADZ

MOVBH,0

SUBAX,BX

MOVEK,AX

SUBAX,EKI

MOVBX,KP

IMULBX

ADDPK1,AX

ADCPK1+2,DX

MOVAX,EK

MOVBX,KI

阿讓工業人名@劭化系

IMULBX

ADDPK1,AX

ADCPK1+2,DX

MOVAX,EK

SUBAX,EKI

SUBAX,EK1

ADDAX,EK2

MOVBX,KD

IMULBX

ADDPK1,AX

ADCPK1+2,DX

MOVAX,EKI

MOVEK2,AX

MOVAX,EK阿讓工業人名@劭化系

MOVEKI,AX

RET

PIDENDP

LIMITPROCNEAR;限幅子程序

MOVAX,WORDPTR[PK+2]

CMPAX,0;U(k)高16位和0比較

JLMINUS;小于0轉MINUS

JGBIG;大于0轉BIG

MOVAL,BYTEPTR[PK+1]；等于0

CMPAL,0FAH；再比較低16位整數部分

JBEMM5；大于250

MOVAL,0FA

阿讓工業人名@劭化系

MM5:MOVPOUT,AL；限幅值等于250,否則限幅

值等于計算結果

RET

MINUS:MOVPOUT,0；小于0,限幅值為0

RET

BIG:MOVPOUT,OFAH；小于0,限幅值為0

RET；返回

LIMITENDP

INTOAPROCNEAR;中斷服務程序

PUSHAX；保護現場

PUSHDX

INCCNT；中斷計數單元加1

MOVAL,POUT

CMPCNT,AL;和控制量比較

JBEPPP1；小于等于轉PPP1

阿讓工業人名@劭化系

MOVAL,0；等于停止加熱

MOVDX,208H

OUTDX,AL

PPP1:MOVAL,20H;送中斷結束命令

OUT20H,AL

POPDX；恢復現場

POPAX

IRET；中斷返回

INTOAENDP

DSP_ALPROC;AL內容顯示子程序

-MOVBL,AL

MOVDH,2

ML20:MOVAH,4

ML21:SHLBL,1

RCLDL,1

阿讓工業人名@劭化系

DECAH

JNEML21

ANDDL,0FH

CMPDL,9

JBEML22

ADDDL,7

ML22:ADDDL,30H

MOVAH,2

INT21H

DECDH

JNZML20

RET

阿讓工業人名@劭化系

DSP_ALENDP

CRLFPROC；回車換行子程序

PUSHDX

PUSHAX

MOVDL,10

MOVAH,2

INT21H

MOVDL,13

MOVAH,2

INT21H

POPDX

POPAX

RET

阿讓工業人名@劭化系

CRLFENDP

PICKADPROC;A/D采樣子程序

MOVDX,220H

MOVAL,0

OUTDX,AL

MOVCX,1000

PI1:NOP

LOOPPI1

INAL,DX

MOVADZ,AL

RET

PICKADENDP

HEXBCDPROCNEAR;AL中二進制轉為十進制子程序

阿讓工業人名@劭化系

MOVDL,AL

SUBAL,AL

MOVCX,8

LP:ADDDL,DL

ADCAL,AL

DAA

LOOPLP

RET

HEXBCDENDP

ENDSTART

阿讓工業人名@劭化系

6.4基于混合仿真實驗系統的二階液位控制系統設計

6.4.1實驗裝置與系統環境

實驗裝置采用的是浙江天煌科技實業有限公司的THJ-3型高

級過程控制對象裝置，此裝置結合了當今工業現場過程控制的

實際，是一套集自動化儀表技術、計算機技術、通訊技術、自

動控制技術及現場總線技術為一體的多功能實驗設備。實驗裝

置由控制對象和控制實驗平臺兩部分組成。對象配有水槽、鍋

爐、三相磁力泵等各種模擬工業現場的裝置，并安裝了各類檢

測變送裝置和執行機構，控制臺與控制對象的分開設計，使其

更加接近工業現場，可以看成是微縮了的常用過程裝置。其中

系統的檢測裝置及執行機構包括：

阿讓工業人名@劭化系

?壓力傳感器、變送器：其精度為0.5級，驅動電壓為24V,

輸出為電流為4-20sA。

?溫度傳感器：采用了六個PtlOO粕熱電阻溫度傳感器，

「PtlOO傳感器精度高，熱補償較好。經過調解器的溫度變

送器，可將溫度信號轉換成4-2OmADC電流信號。

?流量傳感器、變送器：三個渦輪流量計分別用來對電動調

；節閥控制的動力支路、由變頻器控制的動力支路及盤管出

口處的流量進行檢測。渦輪流量計流量范圍為0T.2m3/h,

精度為1%,輸出為4-20mA標準信號

阿讓工業人皆@劭化系

2執行器

?電動調節閥：采用智能直行程電動調節閥，用來對控制回路的

流量進行調節，輸入控制信號為1-5V直流電壓，輸出量程為0-

100%。

?變頻器：本裝置采用日本三菱(FR-S520S-0.4K-CH(R))變頻器,

控制信號輸入為4-20mA直流電流或0-5V直流電壓，交流220V的

變頻輸入用來驅動三相磁力驅動泵。

?水泵：本裝置采用磁力驅動泵，型號為16CQ-8P,流量為32升/

分，揚程為8米，功率為180W,泵體采用不銹鋼材料。有兩只

磁力驅動泵，一只為三相380V恒壓驅動，另一只為三相變頻

220V輸出驅動。河讓工業人名@劭化系

6.4.2過程控制混合仿真平臺的結構組成

本過程控制混合仿真系統的

PC機

組成示意圖如圖6-19所示。系統

由虛擬控制器環境和實際現場環

境兩部分組成。PC機和PCI-PCI-6024E

共同完成虛擬控制器的工?

6024E買

模拉信號

際

現

作，PC機所用的操作系統是場

環THJ-3型

境

WidonwsXP,虛擬控制器的所有高級過程控制

工作都是在這個操作系統環境完試驗裝置

成的。1*16-19混合仿真系統的組成

阿讓工業人名@劭化系

6.4.3混合仿真實驗系統的實現原理

混合仿真平臺主要應用的軟件

包括Matlab及其工具箱Simulink,

RTW和MicrosoftVisualstudio

6.0o利用這些軟件的組合，可構

造出一個良好的虛擬控制器開發

和執行的環境，解決windows操作

系統下實現實時控制的問題。圖

6-20所示給出了這個軟件組合的困6-20混合仿真系統的原理不意圖

環境，以及利用它們實現自動控

制混合仿真實驗系統的原理示意

圖。

阿讓工業人名@劭化系

上述軟件在系統實現中的主要功能如下：

?Matlab提供了數值計算、算法開發、圖形化數據等

功能。

?Simulink提供了一個圖形化的虛擬控制器設計環境,

,它不但支持常用的仿真模塊，還支持I/O模塊。

?RTW提供了把在Simulink環境下建立的模型，生成可

以在不同目標環境下運行的可執行程序的功能。

阿讓工業人名@劭化系

?RTWT提供了一個實時內核，解決了優先級、進程調度、

中斷處理等問題，在Windows操作系統下實現可執行程

序的運行。<

?MicrosoftVisualstudio6.0提供了一個C代碼編譯

」的環境，配合RTW工具箱完成實時代碼的生成，并進行

編譯生成不同目標環境下的可執行程序。

阿讓工業人名@劭化系

.6.4.4二階液位控制系統的Matlab仿真

選平臺中的二階液位系統為控制對象，選取串級控

制方案，控制器為PID控制器，系統結構圖和方框圖入圖

6-21所示。系統的Simulink模型如圖6-22所示。實驗中

采樣時間設為1秒，液位設定值設為8cm。主控制器采用

PI控制器其控制參數為：P=6,I=0.03,副控制器采

用比例控制器其中尸=2。圖6-23即為Scopl與Scop2顯示

的實驗結果。

阿讓工業人名@劭化系

a）結構圖

阿讓工業人名@劭化系

b）方框圖

圖6-21水箱液位串級控制系統

1*16-22控制系統模型

阿讓工業上當@劭化系

-

時間⑸

a）水槽液位響應曲線b）控制器的輸出

圖6-23系統響應曲線

阿吐工業上當@劭化系

.6.5三軸數控銃床計算機控制系統設計

.

數字控制(NumericalControl),簡稱數控(NC),是一

種控制技術，使用數字信號對機床的運動及加工過程進行

控制的一種方法。數控機床是一種裝有程序控制系統的機

床，該系統能夠邏輯地處理具有使用號碼或其他符號編碼

指令規定的程序。數控系統(NumericalControlSystem)

是一種自動閱讀輸入載體上事先給定的數字量，并將其譯

碼，從而使機床動作并加工零件的控制系統。數控系統一

般包括數控裝置、可編程邏輯控制器(ProgrammableLogic

Controller,PLC)、主軸驅動及進給裝置等部分。

阿讓工業人名@劭化系

與五軸數控機床相比，三軸數控機床的主要優點包括：

?(1)適用于小批量生產，并且它的維修費用不高；-

?(2)可以在惡劣的環境下工作，并且噪聲很低；

?(3)加工精度足夠，足以滿足精加工要求；

?(4)刀具路徑程序容易控制。

因此，三軸數控機床仍然是制造業中的主要生產

力。絕大多數的自由曲面都是在三軸數控機床上完成

的。

阿讓工業人名@劭化系

6.5.1控制系統的組成

數控系統電氣控制原理框圖如圖6-24所示。

步

I控制軟件步X

驅

PCL83977進

f進

Y動Y

t電

電

Y機

H運湍

機

V機

械

動Z執

I工控機IC行

控

機

制C構

卡

圖6-24數控系統電氣控制覽理框圖

1.運動控制卡

運動控制是近十年來國際上流行的一種新技術，是由電力拖

動發展而來的，通常是指在復雜條件下，將預定的控制方案、規

劃指令轉變成期望的機械運動。

阿讓工業人名@劭化系

2.步進電機及其驅動器

數控系統所用四通公司的兩相混合式步進電動機，及兩

相混合式步進電動機細分驅動器SH-20806。步進電機驅動器

-的功能是進行功率變換，把計算機控制系統提供的弱電信號

放大為步進電機能夠接受的強電流信號，驅動電機按照上位

機控制指令轉動。具有以下特點：

?全新的雙極恒相流加細分控制模式

?創新的自動尋優電路使性能最優化

?最大64細分的八種運行模式

?直流電源DC10V?70V供電

阿讓工業人名@劭化系

?最大輸出驅動電流6A/相（峰值）

?輸入信號TTL兼容或24V接口可選

?輸入信號光電隔離

?輸出電流可方便設定

?過流、過壓、錯相保護

?脫機（FREE）保持功能

?最大輸出驅動電流6A/相（峰值）

?輸入信號TTL兼容或24V接口可選

?輸入信號光電隔離

阿讓工業人名@劭化系

?輸出電流可方便設定

?過流、過壓、錯相保護

?脫機(FREE)保持功能

/本驅動器采用單脈沖控制方式。輸入控制信號通過內置

光耦隔離，采用共陽極接法。為確保內置光耦能可靠導通，

要求控制信號提供至少6mA的電流。當輸入信號接口模式選

擇5V時，內置光耦的限流電阻為330Q,適合TTL電平的信號

接口。當輸入信號接口模式選擇24V時，內置光耦的限流電

阻為2KQ,可以與PLC接口配合。PCL839和步進電機及其驅

動器接線示意圖如圖6-25。

阿讓工業人名@劭化系

MSI

MS2

MS3

FREE

PCL-8391/O

GNDDIR

步

+I2VPULSE進

COM電

機