微机控制技术(课件).

微机控制技术辅助教学软件开始结束目录微机控制系统概述输入输出接口技术输入输出过程通道顺序控制系统与数字程序控制系统过程控制与数字PID控制器设计微机控制系统设计第一章微机控制系统概述微机控制的概念微机控制系统的组成微机控制系统的类型微机控制的概念自动控制就是利用控制装置自动地使机器设备或生产过程的某一物理量按预期的规律运行，实现该控制目的所需装置构成了一个自动控制系统。一个自动控制系统例子：电热恒温箱自动控制系统。见图1.1。其结构框图如图1.2所示。若将上系统中的控制器与比较器用微机的软硬件代替，则成为一个微机控制系统。见图1.2。电热恒温箱微机控制系统的具体结构见图1.3、图1.4、图1.5。微机控制系统的组成由主机、总线与I/O接口、通用外部设备、输入输出过程通道、操作台、通信网络、软件几部分构成。采用总线结构形式，各部分通过总线连接，构成一个完整的系统。在实际应用中可以根据需要取舍、根据规模与要求配置，如图1.6所示。微机控制系统的类型微机控制系统与所控制的生产过程密切相关，不同的被控对象和不同的控制要求，应具有不同的控制方案，构成不同的控制系统类型。现从应用特点、控制方式特点、控制目的出发，介绍几种典型应用类型：操作指导控制系统（数据采集系统）：计算机只对系统过程参数进行收集（巡回检测）、加工处理与统计、存贮（记录）、实时分析，然后输出数据（显示、打印），但输出的数据不直接用来控制生产对象，操作人员根据这些数据进行必要的操作。作用：1）代替大量的常规显示与记录仪表，对整个生产过程进行集中监视。2）对大量的数据进行集中、加工处理、分析，以有利于指导生产过程控制的方式表示出来，起指导作用。3）能得到大量数据，利于建立理想的数学模型。为开环系统、非实时控制（人工操作）。用于数据采集、电力调度等。如图1.7所示。微机控制系统的类型直接数字控制系统（DDC）：微机对一个或多个被控参数进行巡回检测，检测结果与给定值比较，再按一定的控制规律对偏差进行运算，然后将结果直接输出到执行机构，对被控对象进行控制。在这里微机系统代替了模拟控制器与比较器，称为数字控制器，各种控制规律（控制方法）如PID控制、串级控制等可以用不同的控制算法描述，进而编制出相应的程序，计算机执行不同的程序可以实现不同的控制规律与方法，灵活性大。是闭环控制、实时控制、微机直接承担控制任务。用于化工、机械等过程控制。如图1.8所示。微机控制系统的类型监督计算机控制系统（SCC）：见图1.9分布式控制系统（DCS）（集散控制系统）:是随着计算机技术的发展、工业生产过程规模的扩大、综合控制与管理要求的提高而发展起来的以多台DDC计算机为基础的系统。采用分散控制、集中操作、分级管理和综合协调的设计原则、具有网络化的控制结构（主要是多层结构）。如图1.10所示。微机控制系统的类型现场总线控制系统（FCS）:现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线，它能在工业现场环境下运行，可靠性高、实时性强、互换性好等。以现场总线为基础的全数字控制系统称为现场总线控制系统。是一种高级分布式控制系统。以往在企业生产过程中，基层的许多传统测控自动化系统都处于“信息孤岛”状态，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换。现场总线就是为克服此出现的代表了今后工业控制体系结构发展的一种方向。第二章输入输出接口技术概述接口的编址方式接口的数据传输方式接口的扩展接口应用举例概述接口是CPU与外部设备及过程通道等之间的连接。有通用、非通用、可编程（多功能）、不可编程、串行、并行等。外设、通道经接口与总线相连，CPU、内存则直接与总线相连（称之为将接口与内存、CPU挂在总线上），为总线结构。接口的功能：1）地址译码和设备选择（CPU利用其编址功能对外部设备进行选择）2）提供数据的寄存和缓冲，以实现CPU与外设之间的速度匹配，适应双方的读写时间的需要。3）进行定时和协调，实现不同的数据传输方式。4）实现中断控制逻辑，完成中断传输。5）实现DMA控制逻辑，完成DMA传输。6）进行数据格式转换（如串—并），进行信号类型转换（如电平、D—A）。接口的编址方式CPU通过地址线输出相应的地址信号，经译码后产生选通信号去选通相应的接口以选中该接口，这种接口选择称为接口的编址。CPU与外设或通道交换信息前，首先应先选择接口。有二种编址方式：（采用哪种取决于CPU类型）1）统一编址方式：接口的地址与内存单元的地址统一安排，将每一接口看作是一个内存单元，访问接口（称为I/O操作或输入/输出操作）使用的指令与访问内存（称为读/写操作）使用的指令一样，扩展接口与扩展内存使用的控制信号也相同。见图2.12）独立编址方式：接口地址与内存地址相互独立，访问I/O口使用的指令与访问内存使用的指令不同，扩展内存与扩展I/O口使用的控制信号也不完全相同。见图2.2在接口中一般有多个寄存器或特定的电路，CPU对接口的访问实际上是直接对这些寄存器或特定电路的存取。根据按地址访问的原则，每一接口一般应有多个地址对应于这些寄存器或特定电路，它们称为端口。接口的数据传输方式在CPU与外设或通道之间经接口传递数据要有二个条件：1）在时间上保持同步（二者步调一致，遵循同一个同步信号）。2）允许二者能相互等待（之间要有协调的方法）。按这样二个条件的要求，就有以下几种传输方式：1）直接传输方式:无需协调，CPU利用读写指令直接对I/O口进行操作，I/O口应一直处于就绪状态（外设总是准备好的）。2）程序查询方式：利用握手信号（状态信号）进行协调。在数据传输前，先查询状态，在外设或通道就绪情况下才进行数据传输（外设并不总是准备好的）。必要时，数据传输后，再进行握手联络。见图2.33）中断方式：利用中断实现协调。通过硬件将外设或通道的状态信号作为中断请求信号，一旦就绪则向CPU发中断请求，CPU响应中断进行数据传输。见图2.44）DMA方式：当外设需要与内存进行大量数据传送时，向DMA控制器发DMA请求，DMA控制器向CPU发BUS请求，CPU响应，同时释放总线。外设与内存开始进行数据传送，且CPU不介入。见图2.5接口的扩展（接口电路的设计）在自行设计的控制系统中，根据实际需要，常口需扩展接口及内存，以便增加外设、通道和满足存贮量的需要。扩展接口与内存的第一步是设计地址译码电路。译码电路的作用就是根据CPU由地址线给出的地址编号（地址线状态），产生相应的接口或内存的选通信号，以选中它。译码电路的设计要根据需扩充的接口数量、内存容量进行。常采用译码集成电路芯片构成一些较复杂的译码电路。一种译码电路设计方案如图2.6所示。一种非可编程输入/输出接口扩展设计方案如图2.7所示。接口的扩展（接口电路的设计）可编程接口8255A扩展8255A介绍:引脚图见图2.8内部结构框图见图2.98255A的工作方式：方式0：基本输入/输出方式1：选通输入/输出方式2：双向选通输入/输出“方式选择控制字”及“位设置控制字”的定义见图2.10方式1输入时的信号及时序图见图2.11方式1输出时的信号及时序图见图2.12方式2的信号见图2.138255A接口扩展的一种方案见图2.14接口应用举例①8255A方式0应用：与字符打印机、纸带穿孔机和纸带读入机接口。图2.15所示各口均为方式0，A组为输出，C上为控制端口，B组为输入，C下为状态端口，采用查询数据传输方式。②8255A方式1应用：与A/D、D/A接口。如图2.16所示A口为方式1输入，B口为方式0输出，多组数据的输入输出：如图2.17所示第三章输入输出过程通道概述模拟量输入通道开关量输入通道模拟量输出通道开关量输出通道D/A转换器及接口技术A/D转换器及接口技术过程通道应用举例概述在微机控制系统中，要将被控对象的各种测量参数、运行状态信息按要求的方式送入计算机，计算机处理后的信息也需转换为合适的信号输出到执行器，由它对被控对象实施控制。所以在计算机与被控对象之间需设置信息传递、变换的装置—输入/输出过程通道。过程通道解决二类基本问题：1）将外部传感器信号转换成计算机能接受的数字信号。该任务由输入通道（前向通道）完成。2）将计算机输出的数字信号转换为外部执行器能接受的信号。该任务由输出通道（后向通道）完成。根据处理信号类型的不同，过程通道分为模拟量通道、数字量（开关量）通道两种。在模拟量输入通道中进行信号转换时有三步要做：采样、量化、编码。模拟量输入通道模入通道的结构形式，取决于不同的应用要求。1）一般结构：各路共用所有元器件，多路模拟信号由多路开关切换。如图3.1所示2）其它几种结构：采用多个单通道方案：各路所有元器件独立，无共用元件。如图3.1所示各路只共用部分元器件。多路开关：实现数据的多路选择，分时输入。典型的多路开关有CD4051（双向8选1）、CD4052（双向2个4选1）等。它们是早期产品，性能已不能满足控制系统要求，其改进型为：AD公司的ADG658/659。如图3.2所示。可将多片适当组合，形成多路开关群，以实现对大量模拟信号的切换。如图3.3所示。模拟量输入通道放大器：当多路输入信号电平相差很大时，应采用可编程放大器（其放大倍数可通过程序改变）。当信号需隔离时，应采用隔离放大器。图3.4.a为构成可编程放大器的原理图之一。其放大倍数K=1+2R2/R1（利用多路开关改变R1）图3.4.b为构成可编程放大器的原理图之二。其放大倍数K=1+R2/R1（利用多路开关改变R2）采样保持器原理图见图3.5控制信号为“1”时采样，V0=Vi控制信号为“0”时保持，V0不变图3.6为采样保持器集成电路芯片LM198、SMP04。开关量输入通道把来自生产过程的开关通断信号、高低电平信号等转换为计算机能够接受的逻辑电平信号（TTL电平、CMOS电平）。其主要功能为：电平转换、整形、隔离、保护等。其一般结构为图3.7模拟量输出通道它是执行机构的信号源。执行机构中很多是需要由连续信号驱动（开度连续调节的阀门、速度连续变化的电机等），这需要它将微机输出的数字量转换成相应的模拟信号，并进行放大驱动，对多路输出应有保持的功能，以实现分时输出。有二种结构：如图3.8.1）数字量保持方案：将微机分时输出的数字量保持在各自独立的接口锁存器中，并供其D/A转换。2）模拟量保持方案：将微机分时输出的数字量经D/A转换后保持在各自独立的保持器中。功率驱动：提高D/A输出的功率驱动能力。开关量输出通道执行器所需的控制命令均为二态开关量（如开关、电磁阀等的闭合、打开二值状态），并且它来自该通道。其结构图如图3.9。微机送出控制命令后首先要保持控制状态，直到下次给出新的值为止，这就需锁存（接口即为输出锁存器）。从微机送出的开关或数字信号一般是不能直接驱动输出设备或执行器的，需驱动电路。根据不同的执行器，需不同的驱动能力。1）小功率驱动电路2）中功率驱动电路如图3.10。3）大功率驱动电路如图3.11、图3.12。D/A转换器及接口技术D/A转换器工作原理：D/A转换原理图如图3.13。D/A转换器输入/输出特性及性能指标：输入特性包括有无输入锁存器、输入数据码制、形式、宽度、输入逻辑电平等。输出特性包括电流输出或电压输出、单极性或双极性输出、单路或多路输出等。主要性能指标：1）分辨率：表达了D/A对微小输入量的分辨能力。通常用数字量的位数表示，位数多则分辨率高。2）转换精度：表示了转换后实际值对于理想值的误差。3）建立时间（稳定时间）：衡量了D/A的时延大小。（即输入由0变到满量程，输出并不能立即达到满量程，有时延）。D/A转换器及接口技术DAC0830/0831/0832介绍:内部结构与引脚图如图3.14。输出方式：1）其输出为电流，需电压输出时，可在输出接一运放。2）若需要双极性输出，则再增加一运放。如图3.15若Rf+Rfb=R，则VOUT1=-D.Vref/2n