微型计算机控制系统的设计WK精品文稿.ppt

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1、微型计算机控制系统的设计微型计算机控制系统的设计WK第1页，本讲稿共25页1.检测元件及变送器检测元件及变送器 检测元件选用镍铬-镍铝热电偶，分度号为EU，适用于01000的温度测量范围，相应输出电压为0mV41.32mV。变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成：毫伏变送器用于把热电偶输出的16.441.32mV变换成010mA范围内的电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的010mA电流变换成05V范围内的电压。第2页，本讲稿共25页表1 温度-数字量对照表第3页，本讲稿共25页2.接口电路接口电路 8031的接口电路有ADC0809、8155和2732等。本系统采用ADC0809型A

2、/D转换器，该芯片为8位逐次逼近型A/D转换器。ADC0809为温度测量电路的输入接口；8155用于键盘和显示接口；2732作为8031外部程序(ROM)存储器。第4页，本讲稿共25页3 晶闸管数字触发输出通道设计晶闸管数字触发输出通道设计 晶闸管简介晶闸管简介晶闸管晶闸管(可控硅整流器可控硅整流器)功率放大器件。功率放大器件。IG iA +VAK -R+US_晶闸管的工作方式有：晶闸管的工作方式有：调压方式调压方式 调功方式调功方式调压方式：是通过利用移相触发脉调压方式：是通过利用移相触发脉冲调节晶闸管的导通角，使输入到冲调节晶闸管的导通角，使输入到电加热元件的电压改变，达到调节电加热元件的

3、电压改变，达到调节用电器的输入功率，来实现控制目用电器的输入功率，来实现控制目的的。导通角第5页，本讲稿共25页调功方式：触发电路采用的是过零触发方式，外加正弦电压调功方式：触发电路采用的是过零触发方式，外加正弦电压过零时控制信号才使晶闸管的触发导通，则负载上得到的电过零时控制信号才使晶闸管的触发导通，则负载上得到的电压是一个正弦波。压是一个正弦波。调功方式输入电炉的平均功率为：调功方式输入电炉的平均功率为：P输输入入电电炉炉的的功功率率；R负负载载有有效效电电阻阻；U电电网网电电压压；n允许导通的波头数；允许导通的波头数；N设定的波头数。设定的波头数。当当 n0时，电炉的输入功率为零；时，电

4、炉的输入功率为零；nN，电炉的输入功率为满功率。，电炉的输入功率为满功率。第6页，本讲稿共25页 温度控制电路温度控制电路如图如图 双向可控硅和加热丝串接在交流回路，因此可控硅导通时间决定加热丝的 加热功率。下图给出了可控硅在给定周期T内具有不同导通时间的情况。过零信号是正弦交流电压过零时刻的同步脉冲，可使可控硅在交流电压正弦波过零后触发导通。过零同步脉冲由过零触发电路产生。第7页，本讲稿共25页 输出功率与通断时间的关系输出功率与通断时间的关系第8页，本讲稿共25页 过零触发电路过零触发电路返回本节第9页，本讲稿共25页4、控制策略的选择、控制策略的选择（1）直接数字控制 直接数字控制是根据

5、采样理论，首先把被控对象的数学模型进行离散，直接数字控制是根据采样理论，首先把被控对象的数学模型进行离散，然后由计算机根据离散化的数字模型进行控制。这种控制方法与然后由计算机根据离散化的数字模型进行控制。这种控制方法与PID控控制相比，其针对性更强，调节品质更好。制相比，其针对性更强，调节品质更好。（2）最优控制 要求系统能够根据被测参数、环境及原材料的成分的变化而自动对系统进要求系统能够根据被测参数、环境及原材料的成分的变化而自动对系统进行调节，使系统随时都处于最佳状态。包括性能估计行调节，使系统随时都处于最佳状态。包括性能估计(辨别辨别)、决策和修改、决策和修改三个环节，它是微机控制系统发

6、展的方向。但由于控制规律难以掌握，所三个环节，它是微机控制系统发展的方向。但由于控制规律难以掌握，所以推广起来尚有一些问题难以解决。以推广起来尚有一些问题难以解决。微机控制技术第10页，本讲稿共25页 3模糊控制 模糊控制也叫模糊控制也叫Fuzzy控制。是按照人的思维方控制。是按照人的思维方法去完成各种控制。采用这种方法，不需要数法去完成各种控制。采用这种方法，不需要数学模型，只要把设计者的控制决策学模型，只要把设计者的控制决策(即专家意即专家意见见)用模糊规则加以描述，即可实现模糊控制。用模糊规则加以描述，即可实现模糊控制。模糊控制的特点是简单，执行速度快，占用内模糊控制的特点是简单，执行速

7、度快，占用内存少，开发方便、迅速，因而近几年得到了广存少，开发方便、迅速，因而近几年得到了广泛的应用。泛的应用。微机控制技术第11页，本讲稿共25页4 4、史密斯史密斯(Smith)(Smith)预估控制预估控制施密斯提出了一种纯滞后补偿模型，但由于模拟仪表不能实现这种补偿，致使这种方法在工程中无法实现。现在人们利用微型计算机可以方便地实现纯滞后补偿。第12页，本讲稿共25页 5、PID控制 是模拟调节系统中技术最成熟、应用最为广是模拟调节系统中技术最成熟、应用最为广泛的一种调节方式。泛的一种调节方式。PID调节的实质就是根据调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关输入的偏差

8、值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用以控制输出系进行运算，运算结果用以控制输出。在实际。在实际应用中，根据被控对象的特性和控制要求，可应用中，根据被控对象的特性和控制要求，可灵活地改变灵活地改变PID的结构，取其中的一部分环节的结构，取其中的一部分环节构成控制规律，如比例（构成控制规律，如比例（P）调节、比例积分）调节、比例积分（PI）调节、比例积分微分（）调节、比例积分微分（PID）调节等。）调节等。特别在计算机控制系统中，更可以灵活应用，特别在计算机控制系统中，更可以灵活应用，以充分发挥微型机的作用。以充分发挥微型机的作用。微机控制技术第13页，本讲稿共25页 式中：tT

9、采样周期，必须使采样周期，必须使T足够小，才能保证足够小，才能保证 系统有一定的精度；系统有一定的精度；E(k)第第k次采样时的偏差值；次采样时的偏差值；E(k-1)第第(k1)次采样时的偏差值；次采样时的偏差值；K 采样序号，采样序号，A0，l，2；P(k)第第k次采样时调节器的输出。次采样时调节器的输出。由于输出值与阀门开度的位置一一对应，因此，通常称为位置型由于输出值与阀门开度的位置一一对应，因此，通常称为位置型PID的位置控制算式。的位置控制算式。微机控制技术第14页，本讲稿共25页 5.1 积分分离的积分分离的PID算式算式 设给定值为设给定值为R(k)，经数字滤波后的测量值为，经数

10、字滤波后的测量值为M(k)，最大允许偏差值为最大允许偏差值为A，则积分分离控制的算式为，则积分分离控制的算式为 当当 图图7中曲线中曲线1为采用积分分离手段后的控制曲线，比较为采用积分分离手段后的控制曲线，比较曲线曲线1和和2可知，使用积分分离方法后，显著降低了被可知，使用积分分离方法后，显著降低了被控变量的超调量和过渡过程时间，使调节性能得到改控变量的超调量和过渡过程时间，使调节性能得到改善。善。微机控制技术第15页，本讲稿共25页 具有积分分离作用的控制过程曲线具有积分分离作用的控制过程曲线微机控制技术第16页，本讲稿共25页5.2 变速积分的变速积分的PID算式算式 变速积分变速积分PI

11、D的基本作法是设法改变积的基本作法是设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对分项的累加速度，使其与偏差大小相对应。应。偏差大时，积分累加速度慢，积分作用偏差大时，积分累加速度慢，积分作用弱；弱；偏差小时，使积分累加速度加快，积分偏差小时，使积分累加速度加快，积分作用增强。作用增强。微机控制技术第17页，本讲稿共25页 为此，设置一系数为此，设置一系数fE(k)，它是，它是E(k)的函数，当的函数，当|E(k)|增大增大时，时，f减小，反之则增大。每次采样后，用减小，反之则增大。每次采样后，用fE(k)乘以乘以E(k)，再进行累加，即，再进行累加，即 式中，式中，表示变速积分项的输出值。表示

12、变速积分项的输出值。f与与E(k)的关系可以是线性或高阶的，如设其为如下关的关系可以是线性或高阶的，如设其为如下关系式系式 微机控制技术第18页，本讲稿共25页分析：分析：（1）f值在值在01区间内变化，区间内变化，（2）当偏差大于所给分离区间）当偏差大于所给分离区间A十十B后，后，f0，不再进行累加；，不再进行累加；（3）|E(k)|(A十十B)后，后，f随偏差的减小而增大，累加速随偏差的减小而增大，累加速度加快；度加快；（4）直至偏差小于）直至偏差小于B后，累加速度达到最大值后，累加速度达到最大值l。将将 代入代入PID算式，可得算式，可得 微机控制技术第19页，本讲稿共25页 变速积分变

13、速积分PID优点：优点：（1）实现了用比例作用消除大偏差，）实现了用比例作用消除大偏差，用积分作用消除小偏差的理想调节特性，用积分作用消除小偏差的理想调节特性，从而完全消除了积分饱和现象；从而完全消除了积分饱和现象；（2）大大减小了超调量，可以很容）大大减小了超调量，可以很容易地使系统稳定，改善了调节品质；易地使系统稳定，改善了调节品质；（3）适应能力强，一些用常规）适应能力强，一些用常规PID控控制不理想的过程可以采用此种算法；制不理想的过程可以采用此种算法；微机控制技术第20页，本讲稿共25页 （4）参数整定容易，各参数间的相互影）参数整定容易，各参数间的相互影响小，而且对响小，而且对A、

14、B两参数的要求不精两参数的要求不精确，可作一次性确定。确，可作一次性确定。变速积分与积分分离控制方法很类似，但变速积分与积分分离控制方法很类似，但调节方式不同。积分分离对积分项采用调节方式不同。积分分离对积分项采用“开关开关”控制，而变速积分则是根据误控制，而变速积分则是根据误差的大小改变积分项速度，属线性控制。差的大小改变积分项速度，属线性控制。因而，后者调节品质大为提高，是一种因而，后者调节品质大为提高，是一种新型的新型的PID控制。控制。微机控制技术第21页，本讲稿共25页6 控制系统程序设计 主程序流程图1.主主程程序序第22页，本讲稿共25页2.T0中断服务程中断服务程 T0中断服务程序是此系统的主体程序，用于启动A/D转换、读入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限处理、PID计算和输出可控硅的同步触发脉冲等。在T0中断服务程序中，要用到一系列子程序。如：采样子程序、数字滤波子程序、越限处理程序、大林算法程序、标度变换程序和温度显示程序等。T0中断服务程序流程图如图所示。第23页，本讲稿共25页 T0中断服务程序流程图返回本节第24页，本讲稿共25页THANK YOU VERY MUCH！本章到此结束，本章到此结束，谢谢您的光临！谢谢您的光临！返回本章首页结束放映第25页，本讲稿共25页