微型計算機控制系統設計
微型計算機控制系統設計【1】
摘 要：本文主要詳細的介紹了應用微型計算機來(lái)實(shí)現控制系統，分別對控制系統的原理、組成及其在工業(yè)過(guò)程中的應用進(jìn)行了闡述。
主要針對爐溫計算機控制系統的硬件與軟件進(jìn)行設計分析。
關(guān)鍵詞：微型計算機;生產(chǎn)過(guò)程;爐溫控制
近年來(lái)利用計算機來(lái)實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的系統已經(jīng)逐漸占據了自動(dòng)控制技術(shù)的主導地位，并且為自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展和應用開(kāi)辟了廣闊的新天地。
計算機技術(shù)自20世紀50年代以來(lái)完成了從開(kāi)創(chuàng )時(shí)期到微型計算機時(shí)期的蛻變，而其控制理論也在不斷的完善，從基本的香農采樣定理到模糊智能控制。
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，計算機控制技術(shù)在系統中的應用也越來(lái)越廣泛，而計算機控制系統終會(huì )實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化、扁平化、智能化和綜合化。
一、微型計算機控制系統概述
1、計算機控制系統的定義及組成
計算機控制系統就是利用計算機(通常稱(chēng)為工業(yè)控制計算機，簡(jiǎn)稱(chēng)工控機)來(lái)實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的系統。
其主要由計算機和生產(chǎn)過(guò)程兩大部分組成，其中可編程序控制器、工控機、單片機、DSP、智能調節器等都可作為控制器，而其生產(chǎn)過(guò)程包括被控對象、測量變送、執行機構、電氣開(kāi)關(guān)等裝置。
2、計算機控制系統的工作原理
由圖中可以看出控制器輸出的數字信號經(jīng)過(guò)D/A轉換器輸入到執行機構，執行機構作用在被控對象上來(lái)改變其被控變量，而被控量經(jīng)測量變送及A/D轉換器后可將模擬的被控量信號變換成數字信號反饋給控制器，再由給定的算法來(lái)確定控制器的輸出值。
這樣就會(huì )形成了一個(gè)閉合的回路，可以通過(guò)自身的調節來(lái)實(shí)現工業(yè)過(guò)程的自動(dòng)控制。
計算機控制系統原理圖
三、微型計算機控制系統實(shí)例-爐溫控制
下面以爐溫控制系統為例，來(lái)設計一簡(jiǎn)單的微型計算機控制系統。
1、硬件設計
下圖是爐溫控制硬件系統控制總體結構圖：
這里主要采用無(wú)源的I/V變換電路，通過(guò)無(wú)源器件電阻來(lái)實(shí)現電流到電壓的轉換，并且加上電容來(lái)濾波和二極管來(lái)起到輸出限幅等保護措施。
多路轉換開(kāi)關(guān)是用來(lái)切換模擬電壓信號的關(guān)鍵元件，利用多路開(kāi)關(guān)可將各個(gè)輸入信號依次地或隨機地連接到信號放大電路上。
常用的多路開(kāi)關(guān)有CD4051、A/D7501、LF13508等。
而A/D轉換器可采用ADC0809，它是一種8位的A/D轉換器，可以和單片機直接接口。
它由一個(gè)8路模擬開(kāi)關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè)A/D轉換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。
多路開(kāi)關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉換器進(jìn)行轉換。
其工作原理為：經(jīng)溫度傳感器檢測到被控對象的溫度變量，由多路轉換開(kāi)關(guān)完成信號的采樣、保持、濾波，再經(jīng)信號放大電路放大信號，再由I/V變換單元，將電流信號轉換為電壓信號，送到A/D轉換器中，其輸出信號送到微處理器中，處理器根據反饋的溫度信號與給定的溫度進(jìn)行比較，通過(guò)輸出通道，使輸出接近理想的輸出值。
2、軟件設計
按照模塊化設計思想，軟件程序設計中包含多個(gè)子程序，主要包括：初始化子程序、溫度采集子程序、控制算法子程序、中斷服務(wù)子程序等，其中控制算法子程序可以采用PID控制算法、Smith預估算法、達林算法等。
三、結語(yǔ)
本文詳細的介紹了微型計算機控制系統的組成及其設計，了解了組成計算機控制系統的各個(gè)模塊，并闡述了他們的原理與作用。
最后，為了更好的加深理解，列舉了爐溫控制系統，實(shí)驗結果表明，該系統能很好的控制爐溫，使輸出實(shí)時(shí)的跟隨輸入，溫度偏差小。
參考文獻：
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計算機控制系統設計【2】
【摘要】隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們越來(lái)越多的用計算機來(lái)實(shí)現控制。
近年來(lái)，計算機技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測與傳感器技術(shù)、CRT顯示技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，給計算機控制技術(shù)帶來(lái)了巨大的發(fā)展。
然而，設計一個(gè)性能好的計算機控制系統是非常重要的。
計算機控制系統主要由硬件和軟件兩大部分組成，一個(gè)完整的控制系統還需要考慮系統的抗干擾性能，系統的抗干擾性能力是關(guān)系到整個(gè)系統可靠運行的關(guān)鍵。
【關(guān)鍵詞】計算機;控制系統;設計
計算機控制系統是在自動(dòng)控制技術(shù)和計算機技術(shù)發(fā)展的基礎上產(chǎn)生的。
若將自動(dòng)控制系統中的控制器的功能用計算機來(lái)實(shí)現，就組成了典型的計算機控制系統。
它用計算機參與控制并借助一些輔助部件與被控對象相聯(lián)系，以獲得一定控制目的而構成的系統。
其中輔助部件主要指輸入輸出接口、檢測裝置和執行裝置等。
它與被控對象的聯(lián)系和部件間的聯(lián)系通常有兩種方式：有線(xiàn)方式、無(wú)線(xiàn)方式。
控制目的可以是使被控對象的狀態(tài)或運動(dòng)過(guò)程達到某種要求，也可以是達到某種最優(yōu)化目標。
一、計算機控制技術(shù)的概述
1.計算機控制的概念
(1)開(kāi)環(huán)控制系統
若系統的輸出量對系統的控制作用沒(méi)有影響，則稱(chēng)該系統為開(kāi)環(huán)控制系統。
在開(kāi)環(huán)控制系統中，既不需要對系統的輸出量進(jìn)行測量，也不需要將它反饋到輸入端與輸入量進(jìn)行比較。
(2)閉環(huán)控制系統
凡是系統的輸出信號對控制作用能有直接影響的系統都叫作閉環(huán)控制系統，即閉環(huán)系統是一個(gè)反饋系統。
閉環(huán)控制系統中系統的穩定性是一個(gè)重要問(wèn)題。
2.計算機控制系統
采用計算機進(jìn)行控制的系統稱(chēng)為計算機控制系統，也稱(chēng)它為數字控制系統。
若不考慮量化問(wèn)題，計算機控制系統即為采樣系統。
進(jìn)一步，若將連續的控制對象和保持器一起離散化，那么采樣控制系統即為離散控制系統。
所以采樣和離散系統理論是研究計算機控制系統的理論基礎。
3.計算機控制系統的控制過(guò)程
(1)實(shí)時(shí)數據采集：對來(lái)自測量變送裝置的被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測和輸入。
(2)實(shí)時(shí)控制決策：對采集到的被控量進(jìn)行數據分析和處理，并按已定的控制規律決定進(jìn)一步的的控制過(guò)程。
(3)實(shí)時(shí)控制：根據控制決策，適時(shí)地對執行機構發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。
4.計算機控制系統的特點(diǎn)
(1)結構上。
計算機控制系統中除測量裝置、執行機構等常用的模擬部件之外，其執行控制功能的核心部件是數字計算機，所以計算機控制系統是模擬和數字部件的混合系統。
(2)計算機控制系統中除仍有連續模擬信號之外，還有離散模擬、離散數字等多種信號形式。
(3)由于計算機控制系統中除了包含連續信號外，還包含有數字信號，從而使計算機控制系統與連續控制系統在本質(zhì)上有許多不同，需采用專(zhuān)門(mén)的理論來(lái)分析和設計。
(4)計算機控制系統中，修改一個(gè)控制規律，只需修改軟件，便于實(shí)現復雜的控制規律和對控制方案進(jìn)行在線(xiàn)修改，使系統具有很大靈活性和適應性。
(5)計算機控制系統中，由于計算機具有高速的運算能力，一個(gè)控制器(控制計算機)經(jīng)�？梢圆捎梅謺r(shí)控制的方式而同時(shí)控制多個(gè)回路。
(6)采用計算機控制，如分級計算機控制、離散控制系統、微機網(wǎng)絡(luò )等，便于實(shí)現控制與管理一體化，使工業(yè)企業(yè)的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高。
二、計算機控制系統的工作原理
計算機控制系統包括硬件組成和軟件組成。
在計算機控制系統中，需有專(zhuān)門(mén)的數字-模擬轉換設備和模擬-數字轉換設備。
由于過(guò)程控制一般都是實(shí)時(shí)控制，有時(shí)對計算機速度的要求不高，但要求可靠性高、響應及時(shí)。
計算機控制系統的工作原理可歸納為以下三個(gè)過(guò)程：
(一)實(shí)時(shí)數據采集
對被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測，并輸入給計算機。
(二)實(shí)時(shí)決策
對采集到的表征被控參數的狀態(tài)量進(jìn)行分析，并按已定的控制規律，決定下一步的控制過(guò)程。
(三)實(shí)時(shí)控制
根據決策，適時(shí)地對執行機構發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。
這三個(gè)過(guò)程不斷重復，使整個(gè)系統按照一定的品質(zhì)指標進(jìn)行工作，并對被控量和設備本身的異�，F象及時(shí)作出處理。
在自動(dòng)控制系統的實(shí)際工程中，經(jīng)常需要檢測被測對象的一些物理參數，如溫度、流量、壓力、速度等，這些參數都是模擬信號的形式。
它們要由傳感器轉換成電壓信號，再經(jīng)A/D轉換器變換成計算機能夠處理的信號。
同樣，計算機控制外設，如電動(dòng)調節閥、模擬調速系統時(shí)，就需要將計算機輸出的數字信號經(jīng)過(guò)D/A轉換器變換成外設能接受的模擬信號。
三、計算機控制系統在汽車(chē)檢測方面的應用
計算機控制系統所采用的形式與它所控制的生產(chǎn)過(guò)程的復雜程度密切相關(guān)，不同的被控對象和不同的要求，應有不同的控制方案。
計算機控制系統大致可分為以下幾種典型的形式。
它們是：操作指導控制系統;直接數字控制系統(DDC)，DDC系統屬于計算機閉環(huán)控制系統，是計算機工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最普遍的一種應用方式;監督控制系統(SCC);分散控制系統(DCS)和現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統。
對于計算機控制系統在汽車(chē)檢測方面的應用，我們需要從汽車(chē)管理檢測和汽車(chē)故障檢測兩方面來(lái)進(jìn)行分析。
而這兩方面對于汽車(chē)性能很重要。
1.計算機控制系統在汽車(chē)管理檢測方面的應用
其實(shí)也就是常說(shuō)的“多站點(diǎn)汽車(chē)檢測動(dòng)態(tài)管理網(wǎng)絡(luò )系統”主要是利用計算機信息技術(shù)實(shí)現道路運輸管理部門(mén)對多個(gè)汽車(chē)檢測站的檢測數據進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸與檢測結果的自動(dòng)判斷，實(shí)現車(chē)輛二級維護備案，并實(shí)現對道路運輸車(chē)輛技術(shù)狀況的實(shí)時(shí)監控和道路運輸車(chē)輛相關(guān)信息的自動(dòng)化傳輸，該系統還可以對汽車(chē)維修企業(yè)的二級維護車(chē)輛的一次檢驗合格率進(jìn)行監控。
該系統采用分級分布式星型網(wǎng)絡(luò )結構，網(wǎng)絡(luò )各工作站點(diǎn)通過(guò)集線(xiàn)器相互連接構成檢測系統局域網(wǎng)絡(luò )，完成數據通信和信息傳輸;通過(guò)調制解調器能方便地與電話(huà)網(wǎng)連接，加入Internet國際互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現局域網(wǎng)與局域的遠程通信，從而構成廣域網(wǎng)。
其車(chē)輛檢測、辦理車(chē)輛技術(shù)等級評定和二級維護簽章實(shí)行封閉式自動(dòng)檢測和流水作業(yè)辦公。
2.計算機控制系統在汽車(chē)故障檢測方面的應用
經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，目前國內的汽車(chē)故障檢測維修行業(yè)已具相當規模。
大部分汽車(chē)綜合性能檢測站均采用了計算機控制系統，汽車(chē)維修企業(yè)也應用維修信息管理系統，一定程度上實(shí)現了檢測自動(dòng)化和管理科學(xué)化。
(1)計算機控制系統可以為汽車(chē)故障檢測提供技術(shù)支持
通過(guò)計算機控制系統完善汽車(chē)行業(yè)整體信息化之后，維修企業(yè)就可以通過(guò)一個(gè)公共的專(zhuān)家數據庫查詢(xún)需要的維修技巧并將自身的工作經(jīng)驗與同行共享;一個(gè)維修企業(yè)的配件儲存是有限的，但如果將每個(gè)維修企業(yè)甚至供應商的配件倉儲量、型號和規格等登入信息網(wǎng)，可以較好地解決企業(yè)配件短缺但一時(shí)難以購置的問(wèn)題;為車(chē)主提供周到迅速的服務(wù)，應是每個(gè)維修企業(yè)追求的目標之一，車(chē)輛檢測不合格需要進(jìn)廠(chǎng)維修時(shí)，維修企業(yè)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )查詢(xún)到該車(chē)輛的原始檢測數據和汽車(chē)性能曲線(xiàn)，極大地提高維修效率和準確性。
同時(shí)，也能保證我們對于汽車(chē)安全方面的要求。
(2)計算機遠程故障控制系統對汽車(chē)行業(yè)的現實(shí)意義
目前我國汽車(chē)維修行業(yè)已經(jīng)從完全依靠檢查者的感覺(jué)和實(shí)踐經(jīng)驗進(jìn)行診斷。
四、小結
近年來(lái)，隨著(zhù)計算機技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測與傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )與通信技術(shù)、微電子技術(shù)、CRT顯示技術(shù)、現場(chǎng)總線(xiàn)智能儀表、軟件技術(shù)以及自控理論的高速發(fā)展，計算機控制的技術(shù)水平大大提高，計算機控制系統的應用突飛猛進(jìn)。
利用計算機控制技術(shù)，人們可以對現場(chǎng)的各種設備進(jìn)行遠程監控，完成常規控制技術(shù)無(wú)法完成的任務(wù)，微型計算機控制已經(jīng)被廣泛地應用于軍事、農業(yè)、工業(yè)、航空航天以及日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。
可以說(shuō)，21世紀是計算機和控制技術(shù)獲得重大發(fā)展的時(shí)代，大到載人航天飛船的研制成功，小到日用的家用電器，甚至計算機控制的家庭主婦機器人，到處可見(jiàn)計算機控制系統的應用。
計算機控制技術(shù)的發(fā)展日新月異，作為現代從事工業(yè)控制和智能儀表研究、開(kāi)發(fā)及使用的技術(shù)人員，必須不斷學(xué)習，加快知識更新的速度，才能適應社會(huì )的需要，才能在工業(yè)控制領(lǐng)域里繼續邀游。
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