
计算机控制技术:第六章 系统的设计与实践.ppt
56页第六章第六章 计算机控制系统的设计算机控制系统的设计与实践计与实践n6.1计算机控制系统设计的基本要求和特点计算机控制系统设计的基本要求和特点n6.2 计算机控制系统的设计方法及步骤计算机控制系统的设计方法及步骤n6.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例 6.1 计算机机控制系统设计计算机机控制系统设计的基本要求和特点的基本要求和特点1. 设计的基本要求设计的基本要求(1)系统操作性能要好 (2)通用性好、便于扩充(3)可靠性要高 (1)系统操作性能要好两方面含义: 使用方便 维修方便配置软件时,考虑什么软件可降低对操作员专业知识要求;支持的应用程序编写语言;硬件配置方面:减少控制开关,操作顺序简单出现故障时:软件需要诊断程序,硬件零部件配置便于维修(2)通用性好、便于扩充 系统设计时候要考虑适应各种不同的设备和各种不同的控制对象,使系统不需要大的改动就很快适应新的情况这就要求系统的通用性好,能灵活的进行扩充这就对系统提出了如下概念开放:可以将现成的硬件和软件集成到一个标准环境中模块化:允许元件的“即插即用”可缩放性:能够简单的和有效的重新配置以满足特殊的应用经济性:实现低生命周期成本可维护性:正常运行时间长,故障停机时间短(2)通用性好、便于扩充 为达到这些要求:(1)系统设计标准化(2)采用通用的系统总线结构,以便扩充(3)接口部件采用通用集成接口芯片(4)尽量在速度允许的情况下使硬件功能软件实现。
5)系统设计要有余量如CPU的工作速度、电源功率、内存容量、过程通道等((3)可靠性要高)可靠性要高 可靠性是控制系统最重要的基本要求一旦系统可靠性是控制系统最重要的基本要求一旦系统出现故障,将造成出现故障,将造成 整个生产过程混乱整个生产过程混乱 特别对特别对CPU模块的可靠性要求更严格模块的可靠性要求更严格 由于微型计算机控制系统由于微型计算机控制系统或或PLC系统硬件价格低,系统硬件价格低,通常采用多微处理器控制系统来提高系统可靠性通常采用多微处理器控制系统来提高系统可靠性①①采用双机系统用两台计算机或采用双机系统用两台计算机或PLC作为控制系作为控制系统的核心处理器,从而提高可靠性统的核心处理器,从而提高可靠性②②采用集散控制系统采用集散控制系统(3)可靠性要高①采用双机系统用两台计算机或PLC作为控制系统的核心处理器,从而提高可靠性1)备份工作方式:一台机投入系统运行,另一台也处于运行状态,但做为系统的热备份机当投入运行的系统出现故障时,专用程序切换装置自动把备份机无缝切入系统故障排除后的系统则作为备份机2)主从工作方式 :两台控制机器,同时投入系统运行,正常情况下,分别执行不同任务。
一台承担整个系统的主要控制任务为主机,另一台承担数据处理或部分设备控制工作(从机)当主机发生故障,它就自动脱离系统,让从机能够机承担起所有的控制任务,以保证系统正常运行3)双工工作方式 两台主机同时投入系统运行 ,任何时刻同步执行同一任务并把结果送到一个专门的装置进行核对如果输出结果符合,说明都正常,则输出,否则,判断发生故障机器,并切换下来(3)可靠性要高②采用集散控制系统 监督控制计算机监督控制计算机CRT操作站操作站基本调节器基本调节器基本调节器基本调节器 被控对象被控对象被控对象被控对象…………高高 速速 数数 据据 通通 道道利用微型计算机或微处理器为核心的基本调节器,实现地理上利用微型计算机或微处理器为核心的基本调节器,实现地理上和功能上的分散控制,同时通过高速数据通道将各个分散点的和功能上的分散控制,同时通过高速数据通道将各个分散点的信息集中起来进行集中监督、管理和控制操作,以实现生产过信息集中起来进行集中监督、管理和控制操作,以实现生产过程的各种复杂控制规律优点:结构可大可小,容易扩充,系程的各种复杂控制规律优点:结构可大可小,容易扩充,系统可靠性高统可靠性高2. 设计特点设计特点 在进行微机控制系统设计时,系统设计人员必须把系统要执行的任务和应具备的功能合理地分配给硬件和软件来实现,做到合理权衡硬件、软件的配置,并尽量节省机器时间和内存空间。
硬件设计主要采用大规模集成电路 6.2 微机控制系统的设计方法及步骤微机控制系统的设计方法及步骤1. 确定系统整体控制方案确定系统整体控制方案第一:要从系统构成上考虑,是采用开环控制还是闭环控制第二:考虑执行机构采用什么方案,是采用电机驱动、液压驱动还是其他方式驱动,比较各种方案,择优而用第三:考虑是否有特殊控制要求 2. 确定控制算法确定控制算法(1)确定算法能否满足控制速度、精度和系统稳定性的要求2)确定某些情况下要进行修改与补充3)确定为设计、调试方便,可将控制算法作合理的简化,逐步将控制算法完善,直到获得最好的控制效果3. 选择微型计算机和外围设备选择微型计算机和外围设备(1)较完善的中断系统 (2)足够的存储容量(3)完备的输入输出通道和实时时钟(4)字长(5)速度(6)指令种类和数量(7)寻址范围和寻址方式 (8)内部存储器的种类和数量 3. 选择微型计算机和外围设备选择微型计算机和外围设备(1)较完善的中断系统 在计算机控制系统中,中断处理是主要的一种输入输出方式微处理器中断功能的强弱,往往涉及到整个系统的硬件和应用程序布局3)完备的输入输出通道和实时时钟(4)字长字长直接决定了数据精度、指令数目、寻址能力和执行操作的时间。
一般字越长,对数据处理越有利但从减少辅助电路的复杂性和降低成本角度考虑,字短些好一般16或32位字长可满足要求3. 选择微型计算机和外围设备选择微型计算机和外围设备(5)速度微处理器速度应该与被控对象的要求相适应,盲目追求高速度会提高成本,并给安装调试带来麻烦6)指令种类和数量指令条数越多,针对特定操作的指令也必然增多,这可使处理速度加快,程序量减少字较短的微处理器,通常指令条数少一些3. 选择微型计算机和外围设备选择微型计算机和外围设备(7)寻址范围和寻址方式 、内存容量寻址范围表示系统中可存放的程序和数据量,用户根据系统要求选择与寻址范围有关的合理内存容量一般有直接、间址、变址寻址等,选择恰当的寻址方式,会使程序量大大减少8)内部存储器的种类和数量 微处理器内部结构也关系到系统性能重要方面,一般包含有通用寄存器组、程序计数器、堆栈指示器、变址寄存器、累加器等它们的种类和数目越多,访问外存次数越少,加快执行速度4. 系统总体设计系统总体设计(1)估计内存容量、进行内存分配(2)过程通道和中断处理方式的确定(3)系统总线的选择 (4)操作台的控制4. 系统总体设计系统总体设计(1)估计内存容量、进行内存分配内存容量主要根据控制程序量和数据量以及堆栈大小来估计。
并要考虑是否要外存不同功能的程序最好分配在不同的内存区域,便于系统的扩展和工作速度的提高在I/O端口地址按存储器统一编址系统中,要选择某一内存区做为I/O端口地址区,应让所有I/O端口号尽量靠在一起,有利于译码和扩展4. 系统总体设计系统总体设计(2)过程通道和中断处理方式的确定根据控制对象所要求的输入输出参数的个数,来确定系统的输入输出通道着重考虑:1)数据采集和传输所需要的通道数目2)数据传输率和数据流量3)输入输出通道是串行操作还是并行操作4)输入输出通道是随机选择还是按某种预定的顺序工作5)模拟量输入输出通道中字长选择 硬件处理中断快,需配置中断控制部件;程序处理中断编程灵活 4. 系统总体设计系统总体设计(3)系统总线的选择 系统总线选择对通用性很有意义为使系统标准化,采用通用的系统总线5. 硬件和软件的具体设计硬件和软件的具体设计硬件和软件有一定互换性用硬件完成功能,可改善性能,加快工作速度,但增加成本用软件代替硬件功能,可减少元件数,降低成本,但工作速度降低一般原则:所设计控制系统生产量大,多用软件完成功能主要考虑成本5. 硬件和软件的具体设计硬件和软件的具体设计((1)硬件设计:)硬件设计:根据系统总体框图,设计出系统电气原理图,再按照电气原理图着手元件的选购和开始施工设计工作。
((2))软软件件设设计计::①实时性 ②针对性 ③灵活性和通用性 ④可靠性6. 系统联调系统联调 系统联调是要把已调好的各程序功能块按照总体设计要求连成一个完整的程序程序调试完成后,还要进行仿真,然后进行试运行经过一段考机和试运行后,即可投入正式运行图6-1 控制系统设计步骤流程图6.3 微机控制系统设计举微机控制系统设计举例例 n6.3.1 电池化成电源电池化成电源n6.3.2 CNC系统系统锂动力电池是高性能无污染的新型环保能源适用锂动力电池是高性能无污染的新型环保能源适用于作国防、航空航天以及民用电动摩托车、电动小于作国防、航空航天以及民用电动摩托车、电动小轿车、中巴与大巴等的动力电池轿车、中巴与大巴等的动力电池同其它蓄电池一样,锂动力电池在出厂前必须进行同其它蓄电池一样,锂动力电池在出厂前必须进行化成、检测化成、检测其工艺流程包括五个阶段:恒流充电、恒压充电、其工艺流程包括五个阶段:恒流充电、恒压充电、休眠阶段、放电阶段及周期间隔阶段休眠阶段、放电阶段及周期间隔阶段要求电池在充电终压(最高为要求电池在充电终压(最高为4.2V))时,自动停止时,自动停止充电;在设定的电池放电终压充电;在设定的电池放电终压(最低最低2.25V)时,自时,自动停止放电。
充放电电流一般不超过动停止放电充放电电流一般不超过0.3C6.3.1 6.3.1 电池化成电源系统电池化成电源系统对化成电源的要求对化成电源的要求要求化成电源不仅化成高精度、高可靠性,还要具有体积小、安全性高、组网能力强,以及充放电响应速度快,过程无冲击,以延长电池的使用寿命传统的模拟化成电源已经无法满足这些新要求,为此在对100Ah锂动力电池化成电源的开发中,研究了基于数字信号处理器的全数字化成电源及其控制技术 系统性能要求系统性能要求 具有电池化成、测试和分选功能; 采用精确制造恒流-稳压电源,恒流到恒压充电过程平滑无冲击; 每个通道具有独立的充电、放电回路,具有过流、过压(过充)、欠压(过放)、过热保护,安全可靠; 化成机柜设有可视电池化成状态的防爆观察窗; 化成通道模块化制造,通用性强,具有热插拔功能,可靠性高,维修容易; 电源采用了基于数字信号处理器(DSP)的全数字化控制,控制精度高,硬件少,系统可靠性高; 技术指标技术指标恒流充电范围 030A 精度 0.5;恒压充电范围 05V 精度 0.5;充电终止电压 4.2V 精度 0.5;放电终止电压 2.8V 精度 0.5;恒流放电范围 0-30A 精度 0.5;测量分辨率 0.05% FSR;电池温度检测范围 0-70C 误差 1C;化成过程设置为充电、休眠、放电过程,并可实现过程参数时间可编程组合;电网侧的功率因素大于0.95;数据采集 电流、电压、温度;通讯接口 CAN总线;工作环境 0-40°C;电源输入 380VAC10%;相对湿度 20-80%RH 总体设计原则总体设计原则 1、电池化成过程安全是第一位的,要有根本性措施确保安全,如对化成电源的保护需要采用硬件箝位限制、充放电过、欠压、过流超温保护等,另外,通过对各个通道实时联网监控可以解决人为的误操作所引起的安全问题;2、锂电池化成精度要高,筛选、分级、分类要细。
要在各个通道的控制回路中,使用功能强大的信号处理器,提高控制精度同时攫取和处理化成完整信息,支持实现更完善的电池分类方法 总体设计原则(总体设计原则(1)) 3、 化成系统由充放电模块及控制模块和保护系统组成高可靠性、保障各通道调节参数准确性,高可维护性等是十分重要的将采取下列措施: 各通道模块是相互独立的,可实现单独热插拔维修; 选择可靠性高、实时性强、易安装、连线少、可热插拔的现场总线方式,实现对各通道的监控; 以DSP软件代替硬件线路,减少元件数量,主电路采用通用模块电源,降低故障率 以Windows操作系统为软件工作环境,建立功能齐全,用户友好,开放的软件系统数字化成电源结构为实现锂动力电池恒流充电、恒压充电、休眠、恒流放电的过程以及保证化成过程的可靠运转以及工人人身安全,整个数字化成电源包含充电电路、放电电路和基于DSP的数字控制单元三大部分,如图所示 图1 数字化成电源结构图充电电路充电电路充电电路中,DPF1000、DBS200分别是COSEL公司的AC/DC和DC/DC电源模块DPF1000实现对220V交流市电整流,及功率因数校正后,输出360V直流电以母线形式为8路DC/DC模块集中提供直流电;DBS200是一款输出电压可控的直流变换模块,可控制200~400V的直流输入到0~5V的直流电压输出,trim为其控制输入端。
放电电路放电电路放电电路是一个电流可控的电阻放电回路,通过控制三极管的开关而调整放电电流,实现放电电路的电流控制功能R2和Ifd分别放电电路电流采样电阻和采样电流,Rd为放电电阻PWM分别为放电电路的脉宽控制信号 电源采用电源采用TI公司的数字信号处理器公司的数字信号处理器TMS320LF2407A作为化成作为化成控制单元,在系统每个采样周期内,首先利用控制单元,在系统每个采样周期内,首先利用A/D转换器采集转换器采集充电电流、放电电流、电池电压以及工作环境温度,在系统没充电电流、放电电流、电池电压以及工作环境温度,在系统没有出现过压、过流、以及温度报警下通过控制算法产生驱动控有出现过压、过流、以及温度报警下通过控制算法产生驱动控制信号,控制制信号,控制D/A和和PWM输出,实现充电电路恒流、恒压闭环输出,实现充电电路恒流、恒压闭环控制,以及放电电路的恒流闭环控制控制,以及放电电路的恒流闭环控制 控制单元控制单元图1 数字化成电源结构图DSP具有具有CAN接口,简单编写驱动程序,可完成与接口,简单编写驱动程序,可完成与上位机的实时数据传输与操作控制及方便实现基上位机的实时数据传输与操作控制。
及方便实现基于现场总线的网络通信功能于现场总线的网络通信功能 每片每片DSP2407有有16个通道的个通道的10位位A/D转换器,可完转换器,可完成四个通道的数据采样功能;成四个通道的数据采样功能;通过通过DSPDSP的的SPISPI接口接口+DAC8532+DAC8532芯片实现充电电路中芯片实现充电电路中DBS200DBS200所需要的电压驱动控制信号;所需要的电压驱动控制信号;而放电回路中所需脉宽控制信号是对而放电回路中所需脉宽控制信号是对DSPDSP的的PWMPWM接口接口编程产生的编程产生的由于由于DSP2407具有具有40MIPS的指令执行速度,通过的指令执行速度,通过毫秒级定时中断,可在每个采样周期内完成恒流和毫秒级定时中断,可在每个采样周期内完成恒流和恒压充电及恒流放电的数字控制算法恒压充电及恒流放电的数字控制算法电池充放电电池充放电模型模型为为实实现现电电池池充充放放电电控控制制,,采采用用Thevenin模模型型作作为为电电池池充充放放电电电电路路模模型型,,如如图图所所示示该该模模型型是是由由一一个个理理想想的的电电压压源源E0,,电电池池内内阻阻r,,电电容容C0,,和和一一个个过过压压电电阻阻R0组组成成,,图图中中V代代表表电电池池的的端端电电压压,,I代代表表流流过过电电池池的的电电流流。
当当模模型型中中各各参参数数近近似似为为常常数数时时,,由由图图2可可得得到到电流电流I与端电压与端电压V之间的频域传递函数如式所示之间的频域传递函数如式所示由式可以看出,充放电电流为具有低频纹波的直流时,电池呈容性特性 图2 Thevenin电池模型数字化成电源的充电系统主要实现电池的恒流、恒压充电控制,文中采用模拟化设计方法,充电系统的动态方框图如图3所示 充电系统设计 图3 充电系统动态方框图图3为一个典型的双回路闭环控制系统,内环为电流环,外环为电压环图中,UR、IR 分别为充电系统的恒压、恒流设定值,Uf、If代表充电中电池反馈电压和反馈电流; Uo为电池端子电压;D1(s)和D2(s)为外、内环控制器;外环控制量ud经过饱和非线性环节的输出Is作为电流环的实际控制电流,当ud大于IR时,Is= IR DBS200在系统工作频段内可简化成比例环节KDBS;G(s)为电池动态传函,将式1中E0作为常值干扰量,可得到G(s)表达式: 充电系统设计 (1)图3 充电系统动态方框图内回路设计内回路设计对于双回路系统的设计,一般将内回路设计为快速回路,即内回路的工作带宽至少是外回路带宽5倍以上,使得内外回路可以分开设计。
本系统所使用的锂动力电池,内阻r和过压电阻R0为10毫欧,C0为1微法,当内回路的带宽设计为100Hz时,G(s)中的迟后环节的转折频率远大于系统的带宽,所以在带宽范围内G(s)可进一步简化为比例环节,即G(s)=R0+r内环控制器D2(s)采用比例加积分的控制形式,使得内回路被校正为一阶系统,一方面可实现系统对充电电流的无差控制,另一方面使系统对常值干扰E0的稳态输出误差为零实现先恒流再恒压的充电过程实现先恒流再恒压的充电过程 为使系统实现先恒流再恒压的充电过程,在外回路中加入了饱和非线性环节,并采用比例加积分形式的外环控制器D1(s)充电初始阶段,由于充电电压Uo还很小,e很大, D1(s)中的积分作用,使得非线性环节饱和输出,即电流环的实际控制电流Is等于恒流充电恒流设定值IR,此时系统处在恒流充电阶段在恒流充电中,电池的充电电压不断的增加,当其接近于设定电压UR时,误差e变小,经过控制作用后,饱和非线性环节工作性区,Is 此时系统为一阶系统,比例加积分控制器D1(s),使得系统的输出电压Uo无差的接近于设定的充电电压UR在此过程中,控制器还需不断检测充电电流的大小,以判断是否达到恒压充电终止条件图4 简化后外回路方框图放电系统设计放电系统设计 数字化成电源放电系统中,每个采样周期内,通过PWM输出不同宽度的脉冲信号,控制三极管的导通和截止时间,实现对放电电流的控制与调节首先推导放电系统中PWM的脉冲宽度与电池放电电流的关系系统脉宽调制周期等于采样周期T,在每个调制周期内,PWM的导通角为D,导通时间为DT 放电回路中,电池内阻r、过压电阻R0及采样电阻R2同放电电阻Rd相比很小,可忽略不计,则放电电流I(t)可近似为电池端子电压Uo与放电电阻Rd之商,即I(t)=Uo(t)/Rd 放电系统设计(放电系统设计(1))定义为每个调制周期T内的放电平均电流,可由式3得到:系统采样周期设计为1ms,由于采样间隔短,这期间电池端子电压Uo变化可忽略,因此可利用每个采样周期中电压采样值Uf代替式3中的电池输出电压Uo,则式3可以简化为:定义Gdi为导通角与输出平均电流间的传递系数,则Gdi可由式4得到: 由于放电过程中,电池端子电压逐渐降低,所以Gdi是个时变函数,但在每个采样周期内Gdi可近似为恒定系数放电系统设计(放电系统设计(2))为实现放电系统的恒流控制,文中采用了反馈+前馈控制技术,整个放电系统方框图如图5所示。 图中,D3(s)为反馈控制器,Kpwm为脉宽调制器的归一系数,Kfd为电流反馈比例系数,Ird与Io分别为设定的参考放电电流与实际输出电流,Ifd为采样电流,Uf为采样电压,F(Ird,Uf)为前馈控制器,Dr为前馈输出导通角,式5为F(Ird,Uf)的数学表达式 图5 放电系统方框图前馈导通角是随采样电压变化的时变输出控制信号通过在放电系统中采用前馈控制,来抵消时变模型对系统的影响 放电系统设计(放电系统设计(3))反馈控制器D3(s) 采用比例+积分控制形式由于被控对象是时变函数,控制器的控制参数采用了工程整定方法确定其设计原则是保证系统的稳定裕度尽可能的大,时间常数尽可能的小以使系统有较快的响应速度,较强的鲁棒性能另外采用比例+积分还可抑制放电电路中的常值干扰图5 放电系统方框图充放电实验充放电实验为了验证基于全数字控制的化成电源控制效果,文中进行了恒流充电、恒流放电以及不同充电电流切换过程测试实验实验中采用上位机通过CAN总线向数字化成电源传递控制命令,采用电流侦测仪和HP示波器进行电流电压检测实验结果如图所示 (a) (b) (c)(a)28A恒流充电动态曲线 (b)22A恒流放电动态曲线 (c)22A—4A恒流充电过渡过程曲线图6 充放电测试曲线从图的实验曲线可以看出,文中设计的全数字化成电源响应速度快,充电过渡过程时间小于50ms,放电过渡过程时间小于200ms,充放电初始过程,以及不同充电过程间的切换无冲击。 系统软件设计(系统软件设计(1))基于DSP的充放电控制模块,其控制软件主要是围绕CAN通信来设计的具体的设计思想为上位机通过CAN总线发出命令,当下位机接收到后对命令内容进行分析,做出相应的处理,然后通过CAN总线发出应答信号,这样就完成了上位机与下位机间的一个完整的通信过程但是上位机通过CAN对充电模块控制的实时性较差,所以在下位机与充电模块间还设计了实时的闭环控制因此下位机程序不仅包括了CAN通信程式一个闭环,还包括了恒流恒压充放电的闭环控制程序系统软件设计(系统软件设计(1))整个软件的设计采用了标准C语言编程,下图为充电控制模块软件流程图在系统初始化中,主要完成LF2407寄存器的配置,以及系统开中断等操作主循环采用了一个死循环实现而CAN通信子程序和监控子程序则是采用中断实现CAN通信子程序 在CAN通信子程序内采用一问一答的方式,即当上位机发出命令后,DSP通过中断方式接受到这个命令,然后对命令内容进行分析,得到各种指令分别执行,并把执行结果打包通过CAN发送给上位机系统设定CAN波特率为250KHz.,具体工作流程如图所示:图4 CAN通信子程序工作流程闭环监控子程序对于充、放电电压、电流数据采样和闭环控制以及开关机控制间的闭环监控子程式放在了优先级较高的INT2中。 DSP不仅监控电池充电电压、充电电流和环境温度是否满足安全要求,还实现系统设计的控制算法,系统设置最高采样频率为24KHz,能实现充电器的实时控制具体流程如图5所示化成生产线网络结构化成生产线作为整个生产线的一个重要组成部分,采用了三层分布式网络拓扑结构分别为车间级、监控级和设备级三个层次 车间级:中央控制室由化成管理计算机和网络服务器组成; 监控级:由各支线监控站以及各支线上若干个移动监控站组成; 设备级:由装在电池化成柜中的每个化成通道模块组成车间级和支线监控站之间采用100M以太网进行通讯,而监控级和设备级之间采用现场总线进行通讯锂离子长方体动力电池化成设备分布式网络总体系统结构如下所示 车间中每条化成生产线有416个化成通道,分别放置在52个化成机柜中虽然每8个通道放置在一个柜中,但是各通道在支线上的地位是同等的,直接由支线监控站监控管理支线监控站采用工控机实现,该工控机带有一路100M以太网卡和两路光电隔离CAN通讯卡每路CAN总线可以联接13个电池化成柜,而每个电池测试柜具有8路化成通道,因此支线监控站最多可同时监控208路化成通道。 同时支线监控站通过以太网和中央控制室的监控、管理计算机进行通讯,具有网关的作用化成机柜外观图锂离子动力电池化成机柜外观图如下所示图中是两个机柜并排放在传送带前,机柜外行尺寸:800 X450 X1700 mm每个机柜包括:8个电源充放模块,2个控制模块上位机软件界面设计监控软件选择化成设置功能后出现的对26个化成柜的选择界面 界面上不仅可以实时显示充电电流与电压、放电电流,电池容量,以及温度等信息,还可以显示出目前所化成电池的型号,机柜号,以及机柜中8个正在化成的电池的条码编号软件界面(1)一批电池生产结束后,对分选后的数据进行统计分析所显示的各级电池所占的比率情况 管理工作站对24个支线监控站的化成进度的监控显示,红色代表每个监控站已经化成的电池所占的百分比,绿色部分代表还没有完成的部分实际样机。