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微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)【1】
摘 要：本文主要詳細(xì)的介紹了應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)，分別對控制系統(tǒng)的原理、組成及其在工業(yè)過程中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述。
主要針對爐溫計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件與軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。
關(guān)鍵詞：微型計(jì)算機(jī);生產(chǎn)過程;爐溫控制
近年來利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的系統(tǒng)已經(jīng)逐漸占據(jù)了自動控制技術(shù)的主導(dǎo)地位，并且為自動控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用開辟了廣闊的新天地。
計(jì)算機(jī)技術(shù)自20世紀(jì)50年代以來完成了從開創(chuàng)時期到微型計(jì)算機(jī)時期的蛻變，而其控制理論也在不斷的完善，從基本的香農(nóng)采樣定理到模糊智能控制。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣泛，而計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)終會實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、扁平化、智能化和綜合化。
一、微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述
1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的定義及組成
計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)(通常稱為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡稱工控機(jī))來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的系統(tǒng)。
其主要由計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程兩大部分組成，其中可編程序控制器、工控機(jī)、單片機(jī)、DSP、智能調(diào)節(jié)器等都可作為控制器，而其生產(chǎn)過程包括被控對象、測量變送、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣開關(guān)等裝置。
2、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理
由圖中可以看出控制器輸出的數(shù)字信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器輸入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用在被控對象上來改變其被控變量，而被控量經(jīng)測量變送及A/D轉(zhuǎn)換器后可將模擬的被控量信號變換成數(shù)字信號反饋給控制器，再由給定的算法來確定控制器的輸出值。
這樣就會形成了一個閉合的回路，可以通過自身的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程的自動控制。
計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖
三、微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)例-爐溫控制
下面以爐溫控制系統(tǒng)為例，來設(shè)計(jì)一簡單的微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
1、硬件設(shè)計(jì)
下圖是爐溫控制硬件系統(tǒng)控制總體結(jié)構(gòu)圖：
這里主要采用無源的I/V變換電路，通過無源器件電阻來實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換，并且加上電容來濾波和二極管來起到輸出限幅等保護(hù)措施。
多路轉(zhuǎn)換開關(guān)是用來切換模擬電壓信號的關(guān)鍵元件，利用多路開關(guān)可將各個輸入信號依次地或隨機(jī)地連接到信號放大電路上。
常用的多路開關(guān)有CD4051、A/D7501、LF13508等。
而A/D轉(zhuǎn)換器可采用ADC0809，它是一種8位的A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。
它由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。
多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換開關(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(zhuǎn)換為電壓信號，送到A/D轉(zhuǎn)換器中，其輸出信號送到微處理器中，處理器根據(jù)反饋的溫度信號與給定的溫度進(jìn)行比較，通過輸出通道，使輸出接近理想的輸出值。
2、軟件設(shè)計(jì)
按照模塊化設(shè)計(jì)思想，軟件程序設(shè)計(jì)中包含多個子程序，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(yù)估算法、達(dá)林算法等。
三、結(jié)語
本文詳細(xì)的介紹了微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及其設(shè)計(jì)，了解了組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的各個模塊，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(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能很好的控制爐溫，使輸出實(shí)時的跟隨輸入，溫度偏差小。
參考文獻(xiàn)：
[1]于海生，丁軍航，等.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社，2009.
計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)【2】
【摘要】隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們越來越多的用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)控制。
近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(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(jì)算機(jī)控制技術(shù)帶來了巨大的發(fā)展。
然而，設(shè)計(jì)一個性能好的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是非常重要的。
計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩大部分組成，一個完整的控制系統(tǒng)還需要考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，系統(tǒng)的抗干擾性能力是關(guān)系到整個系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。
【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī);控制系統(tǒng);設(shè)計(jì)
計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是在自動控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。
若將自動控制系統(tǒng)中的控制器的功能用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，就組成了典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
它用計(jì)算機(jī)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(gòu)成的系統(tǒng)。
其中輔助部件主要指輸入輸出接口、檢測裝置和執(zhí)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：有線方式、無線方式。
控制目的可以是使被控對象的狀態(tài)或運(yùn)動過程達(dá)到某種要求，也可以是達(dá)到某種最優(yōu)化目標(biāo)。
一、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的概述
1.計(jì)算機(jī)控制的概念
(1)開環(huán)控制系統(tǒng)
若系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響，則稱該系統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng)。
在開環(huán)控制系統(tǒng)中，既不需要對系統(tǒng)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(tǒng)
凡是系統(tǒng)的輸出信號對控制作用能有直接影響的系統(tǒng)都叫作閉環(huán)控制系統(tǒng)，即閉環(huán)系統(tǒng)是一個反饋系統(tǒng)。
閉環(huán)控制系統(tǒng)中系統(tǒng)的穩(wěn)定性是一個重要問題。
2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)
采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的系統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，也稱它為數(shù)字控制系統(tǒng)。
若不考慮量化問題，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)即為采樣系統(tǒng)。
進(jìn)一步，若將連續(xù)的控制對象和保持器一起離散化，那么采樣控制系統(tǒng)即為離散控制系統(tǒng)。
所以采樣和離散系統(tǒng)理論是研究計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。
3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程
(1)實(shí)時數(shù)據(jù)采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進(jìn)行檢測和輸入。
(2)實(shí)時控制決策：對采集到的被控量進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，并按已定的控制規(guī)律決定進(jìn)一步的的控制過程。
(3)實(shí)時控制：根據(jù)控制決策，適時地對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。
4.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)
(1)結(jié)構(gòu)上。
計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中除測量裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等常用的模擬部件之外，其執(zhí)行控制功能的核心部件是數(shù)字計(jì)算機(jī)，所以計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是模擬和數(shù)字部件的混合系統(tǒng)。
(2)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中除仍有連續(xù)模擬信號之外，還有離散模擬、離散數(shù)字等多種信號形式。
(3)由于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中除了包含連續(xù)信號外，還包含有數(shù)字信號，從而使計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與連續(xù)控制系統(tǒng)在本質(zhì)上有許多不同，需采用專門的理論來分析和設(shè)計(jì)。
(4)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，修改一個控制規(guī)律，只需修改軟件，便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律和對控制方案進(jìn)行在線修改，使系統(tǒng)具有很大靈活性和適應(yīng)性。
(5)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于計(jì)算機(jī)具有高速的運(yùn)算能力，一個控制器(控制計(jì)算機(jī))經(jīng)�？梢圆捎梅謺r控制的方式而同時控制多個回路。
(6)采用計(jì)算機(jī)控制，如分級計(jì)算機(jī)控制、離散控制系統(tǒng)、微機(jī)網(wǎng)絡(luò)等，便于實(shí)現(xiàn)控制與管理一體化，使工業(yè)企業(yè)的自動化程度進(jìn)一步提高。
二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理
計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)包括硬件組成和軟件組成。
在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，需有專門的數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換設(shè)備和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換設(shè)備。
由于過程控制一般都是實(shí)時控制，有時對計(jì)算機(jī)速度的要求不高，但要求可靠性高、響應(yīng)及時。
計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理可歸納為以下三個過程：
(一)實(shí)時數(shù)據(jù)采集
對被控量的瞬時值進(jìn)行檢測，并輸入給計(jì)算機(jī)。
(二)實(shí)時決策
對采集到的表征被控參數(shù)的狀態(tài)量進(jìn)行分析，并按已定的控制規(guī)律，決定下一步的控制過程。
(三)實(shí)時控制
根據(jù)決策，適時地對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。
這三個過程不斷重復(fù)，使整個系統(tǒng)按照一定的品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行工作，并對被控量和設(shè)備本身的異常現(xiàn)象及時作出處理。
在自動控制系統(tǒng)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(shù)，如溫度、流量、壓力、速度等，這些參數(shù)都是模擬信號的形式。
它們要由傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變換成計(jì)算機(jī)能夠處理的信號。
同樣，計(jì)算機(jī)控制外設(shè)，如電動調(diào)節(jié)閥、模擬調(diào)速系統(tǒng)時，就需要將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器變換成外設(shè)能接受的模擬信號。
三、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在汽車檢測方面的應(yīng)用
計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)所采用的形式與它所控制的生產(chǎn)過程的復(fù)雜程度密切相關(guān)，不同的被控對象和不同的要求，應(yīng)有不同的控制方案。
計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大致可分為以下幾種典型的形式。
它們是：操作指導(dǎo)控制系統(tǒng);直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)，DDC系統(tǒng)屬于計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍的一種應(yīng)用方式;監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC);分散控制系統(tǒng)(DCS)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。
對于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在汽車檢測方面的應(yīng)用，我們需要從汽車管理檢測和汽車故障檢測兩方面來進(jìn)行分析。
而這兩方面對于汽車性能很重要。
1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在汽車管理檢測方面的應(yīng)用
其實(shí)也就是常說的“多站點(diǎn)汽車檢測動態(tài)管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”主要是利用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)道路運(yùn)輸管理部門對多個汽車檢測站的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時傳輸與檢測結(jié)果的自動判斷，實(shí)現(xiàn)車輛二級維護(hù)備案，并實(shí)現(xiàn)對道路運(yùn)輸車輛技術(shù)狀況的實(shí)時監(jiān)控和道路運(yùn)輸車輛相關(guān)信息的自動化傳輸，該系統(tǒng)還可以對汽車維修企業(yè)的二級維護(hù)車輛的一次檢驗(yàn)合格率進(jìn)行監(jiān)控。
該系統(tǒng)采用分級分布式星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)各工作站點(diǎn)通過集線器相互連接構(gòu)成檢測系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)，完成數(shù)據(jù)通信和信息傳輸;通過調(diào)制解調(diào)器能方便地與電話網(wǎng)連接，加入Internet國際互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)與局域的遠(yuǎn)程通信，從而構(gòu)成廣域網(wǎng)。
其車輛檢測、辦理車輛技術(shù)等級評定和二級維護(hù)簽章實(shí)行封閉式自動檢測和流水作業(yè)辦公。
2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在汽車故障檢測方面的應(yīng)用
經(jīng)過多年的發(fā)展，目前國內(nèi)的汽車故障檢測維修行業(yè)已具相當(dāng)規(guī)模。
大部分汽車綜合性能檢測站均采用了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，汽車維修企業(yè)也應(yīng)用維修信息管理系統(tǒng)，一定程度上實(shí)現(xiàn)了檢測自動化和管理科學(xué)化。
(1)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可以為汽車故障檢測提供技術(shù)支持
通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)完善汽車行業(yè)整體信息化之后，維修企業(yè)就可以通過一個公共的專家數(shù)據(jù)庫查詢需要的維修技巧并將自身的工作經(jīng)驗(yàn)與同行共享;一個維修企業(yè)的配件儲存是有限的，但如果將每個維修企業(yè)甚至供應(yīng)商的配件倉儲量、型號和規(guī)格等登入信息網(wǎng)，可以較好地解決企業(yè)配件短缺但一時難以購置的問題;為車主提供周到迅速的服務(wù)，應(yīng)是每個維修企業(yè)追求的目標(biāo)之一，車輛檢測不合格需要進(jìn)廠維修時，維修企業(yè)可以通過網(wǎng)絡(luò)查詢到該車輛的原始檢測數(shù)據(jù)和汽車性能曲線，極大地提高維修效率和準(zhǔn)確性。
同時，也能保證我們對于汽車安全方面的要求。
(2)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程故障控制系統(tǒng)對汽車行業(yè)的現(xiàn)實(shí)意義
目前我國汽車維修行業(yè)已經(jīng)從完全依靠檢查者的感覺和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行診斷。
四、小結(jié)
近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(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(xiàn)場總線智能儀表、軟件技術(shù)以及自控理論的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制的技術(shù)水平大大提高，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用突飛猛進(jìn)。
利用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，人們可以對現(xiàn)場的各種設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，完成常規(guī)控制技術(shù)無法完成的任務(wù)，微型計(jì)算機(jī)控制已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于軍事、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、航空航天以及日常生活的各個領(lǐng)域。
可以說，21世紀(jì)是計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)獲得重大發(fā)展的時代，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(jì)算機(jī)控制的家庭主婦機(jī)器人，到處可見計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用。
計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展日新月異，作為現(xiàn)代從事工業(yè)控制和智能儀表研究、開發(fā)及使用的技術(shù)人員，必須不斷學(xué)習(xí)，加快知識更新的速度，才能適應(yīng)社會的需要，才能在工業(yè)控制領(lǐng)域里繼續(xù)邀游。
參考文獻(xiàn)
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