周三下午.ppt

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1、 控制系统的设计与C+语言 工程坊测控实习课程 工业测控系统概 述 控制器 测量系统 （传感器信号调理） 输入 信号 输出 信号 数 据 通 道 数据 通道 反馈信号 驱动装置 执行机构 DO D/A DI A/D + - 被控对象 工程坊 主要内容 p引言 p控制系统的基本概念及分类 p控制系统硬件组成介绍 p计算机控制系统与数据通道 pC+语言 p开关量控制系统 p模拟量编程简介 引言 我们周围存在的能实现自动控制的自然系统 和人造系统 人体自然系统：体温控制系统、呼吸系统、心跳控制系 统、眼球聚焦系统、新陈代谢系统等。 日常生活中自动运行的人造系统：电冰箱、空调、全自 动洗衣机、电梯控制

2、系统、水箱水位控制装置等。 控制系统的基本概念 控制:为使某一机器、设备或过程处于希望的状态而对 其进行的操作，称为控制。 自动控制：是指在没有人直接操作的情况下， 利用控制装 置使被控制对象的某一物理量或工作状态自动地按照预定的 规律运行或变化。 自动控制系统：是指能够对被控对象的工作状态进行自动 控制的系统，也就是为实现某一控制目标所需要的所有物理 部件的有效组合体。它由被控对象和控制装置组成。 使系统产生期望的行为，或者使执行器按预定的规律运行，且 跟随过程中偏差要小。 人工控制：在人直接参与下完成的控制，称为人工控制。 工程坊 控制系统的分类 自动控制系统按控制方式分： u开环控制 u

3、闭环控制 工程坊 开环系统应用举例 日常生活 挖掘机 电加热炉 开环控制的电加热炉原理图 开环控制系统结构及特点 控制器被控对象 设定输入r 控制输出u 扰动输入 被控量 n n 结构特点结构特点：信息单方向流动，没有反馈。：信息单方向流动，没有反馈。 控制按照一定顺序、时间、条件进行。控制按照一定顺序、时间、条件进行。 n n 优点优点：一般结构简单、系统稳定性好、：一般结构简单、系统稳定性好、 成本低。成本低。 n n 缺点缺点：受到干扰时，将对结果产生影响，误差：受到干扰时，将对结果产生影响，误差无法自动无法自动 修正修正 工程坊 如何修正偏差？ 人工控制的电加热炉原理图 工程坊 闭环控

4、制系统的应用举例 闭环控制的电加热炉原理图 水箱水位控制 闭环控制系统的应用举例 （续） 工程坊 GPS 小车 闭环控制系统结构及特点 被控对象 控制器 设定输入 r 控制输出 u 实际输出 y 反馈环节 偏差 e 被控量 扰动输入 n结构特点：信息有反馈，非单方向流动； 控制一般基于误差，对运动进行校正。 n控制对象：位置、速度、加速度、温度、压力、流量等 n优点：对扰动具有一定的适应能力，控制精度高。 n缺点：系统结构复杂、成本高；参数配置不当容易产生 振荡，系统不稳定。 工程坊 自动控制系统其他分类方法 按照目标或者输入量变化规律： n恒值控制系统：系统的输入量是恒量并且 要求系统的输出

5、量相应地保持恒定，恒值 控制系统是最常见的一类自动控制系统。 n程序控制系统：输入量按照某种时间函数 变化，被控量随之变化。 n随动控制系统：随动控制系统又称伺服系 统，其特点是输入量是随机变化，并且要 求系统的输出量能跟随输入量的变化而作 出相应的变化。 工程坊 控制系统的硬件组成 驱动器控制器执行器 测量电路 （传感器信号调理） 期望值r 输入 通 道 反馈信号 输入 通 道 被控量y 偏差e=r-y 控制量u 工程坊 控制器 n 单片机是指把CPU、存储器、输入输出设备或接口集成到一片 芯片内，加少量的外围电路就可以构成计算机系统的器件，一 般没有操作系统，主要满足简单的控制需求。 n

6、ARM为代表的32位CPU严格意义上说是一个单板机系统，可以 加载Linux、WinCE等复杂的操作系统，可以满足复杂的需求。 n PLC是可编程控制器，也是嵌入式系统的一种，一般用于电气 控制，已经预制了很多程序，用梯形图等简单的编程语言就能 构成系统。PLC价格昂贵、应用简单、容易上手，一般用来实 现工业现场复杂情况下的控制。 nDSP是独特的微处理器，有自己的完整指令系统，是以数字信 号来处理大量信息的器件。运算能力很强，速度很快，体积很 小。 n计算机控制（工控机）。提供了方便的人机界面，通用性强， 速度快。 工程坊 驱动器 n驱动器有时也称为原动机、动力装置。驱动器的作 用是以适当的

7、形式和足够的功率为执行器提供能量 。 n举例：电动机、蒸汽轮机、燃气轮机、内燃机等 工程坊 执行器 执行器也称为工作机、执行机构。执行器的作用 是完成预期的动作，使系统达到或维持设定的状 态。 举例：电动阀、风机、电动机、继电器、加热器 、机构等 工程坊 工业系统中最常用的驱动执行器类型： n电动机 n液压系统 n气动系统 n机械系统 工程坊 数据通道 一种计算机控制系统： 工 业 系 统 采集控制卡 集采集和控制于 一体，常简称采 集卡。 端子板 实现采集卡与外电 路的电气连接。 工控机采集卡端子板 机-机界面人-机界面 计算机 工程坊 数据通道的分类及一般组成 开关量输入通道(Digita

8、l Input, DI) 开关量输出通道(Digital Output, DO) 模拟量输入通道(Analog Input, AI,也称A/D) 模拟量输出通道(Analog Output, AO,也称D/A) 数据通道 CPU 模拟量输出通道AO 工业系统 模拟传感器信 模拟执行器 开关量传感器 开关执行器 开关量输入通道DI 模拟量输入通道AI DB 开关量输出通道DO 信号调理电路 信号调理电路 信号驱动装置 信号驱动装置 RAM 开关量 仅两个值，分别赋予值 “0”和“1”。 信号形式：低电平0V/高 电平5V 传感器：行程开关、接近 开关、液位开关、报警 模拟量 连续时段、连续实数区

9、间 上取值。四则运算。 例：力、温度、转速、位 移、倾角、压力、流量。 传感器： 信号形式：电压或电流 工程坊 PCI-1710数据采集卡介绍 n PCI-1710/1710HG 是一款PCI 总线接口的多功能DAS 卡 。包括最重要的5 个测量与控制功能，即12-bit A/D 转换 、D/A 转换、数字量输入、数字量输出，以及计数器/ 定时 器功能。 工程坊 PCI-1710采集卡+端子板构成的 数据通道 数据通道 采集卡 16路单端AI 或8路差动 16路DI 2路AO 16路DO AO0 CH 0 CH15 端子板 DB DI 0 DI15 DO15 DO 0 CPU 工业系统 模拟

10、量传 感器 模拟 量执 行器 开关 量传 感器 开关 类执 行器 AO1 信号 调理 电路 信号 调理 电路 信号 驱动 装置 信号 驱动 装置 RAM 控制信号 68针接口专用 端子板 寻址方式说明： ？ 楼栋编号楼栋编号 房屋编号房屋编号 楼栋编号楼栋编号 门牌号门牌号 基地址基地址 寻址的地址寻址的地址 房屋编号房屋编号 偏移地址偏移地址 3 3 523523 35233523 工程坊 基地址及端口偏移地址 n每一板卡一个起始地址，称为基地址(记为Base或 Base Address)。 n每一端口有一个偏移地址，也称偏移量，访问端口 时的完整地址为 本板卡各端口地址基地址偏移量 nIS

11、A总线采集卡基地址，通常事先设定好，如 812PG采集卡设置为16进制0x220，PCI总线采集 卡基地址动态设定，在课程中数值为0xE880。 n本型号采集卡端口情况如下表 工程坊 PCI-1710采集卡端口地址分配 l 一个端口任一时刻只 能读或只能写。 l 每一端口一寄存器， 存放一个字节。 l 每一端口均有规定的 数据格式，定义了每 一个位的意义。见随 后的各表格。 地址读写 Base + 0A/D 低字节软件触发 +1A/D 高字节及通道信 息 +2 增益、极性、单端与差 动控制 +4多路开关起始通道控制 +5多路开关结束通道控制 +6A/D工作模式控制 +7A/D状态信息 +10D

12、/A 通道0 低字节 +11D/A 通道0 高字节 +12D/A 通道1 低字节 +13D/A 通道1 高字节 +14D/A参考控制 +16DI低字节DO低字节 +17DI高字节DO高字节 地址读 Base +16DI 低字节 Base +17DI 高字节 地址写 Base +16DO 低字节 Base +17DO 高字节 工程坊 采集卡的 DI/D0 数据格式 Base+16D7D6D5D4D3D2D1D0 DI低字节DI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1DI0 Base+17D7D6D5D4D3D2D1D0 DI高字节DI15DI14DI13DI12DI11DI10DI9DI8 DI:

13、 16个开关量占用输入通道地址BASE+16和BASE+17 Base+16D7D6D5D4D3D2D1D0 DO低字节DO7DO6DO5DO4DO3DO2DO1DO0 Base+17D7D6D5D4D3D2D1D0 DO高字节DO15DO14DO13DO12DO11DO10DO9DO8 DO: 16个开关量输出通道地址BASE+16和BASE+17 工程坊 DI/O实验电路板简介 光电对管输入：DI 发光二极管输出：DO 电源 DI 接线端 DO 接线端 表示输出状态，每一 个红色发光二极管对 应一个DO通道，输 出0灯熄灭，1亮 表示输入状态，每一个绿 色发光二极管对应一个 DI通道，输入

14、0即灯熄灭 ，输入1即灯亮 工程坊 开关量工作过程示意图 _inp(port) _oup(port, 0x15) 0x35 00110101 11110110 0xF6 0xE880+16 0xE880+16 工程坊 训练内容训练内容 在在关机状态关机状态下，正确连接工控机、端子下，正确连接工控机、端子 板、运行板、运行演示程序演示程序体会采集卡功能，重体会采集卡功能，重 点体会点体会DIDI、DODO功能！功能！ 工程坊 训练内容接线示意图 关机状态下接线！ 仔细检查后再开机！ 工程坊 运行演示程序体会体会采集 卡功能 工程坊 运行演示程序体会采集卡功 能 1. 单击“Setup”按钮即可看

15、到“Device Setting”对话框，如下图。 1) 用户可设置AI 通道的连接方式：单端或者差分 2) 用户可设置AO 通道的参考电压是使用内部或者外部的，如果使 用内部参考电压，可选择0-5V 或者0-10V. 设置完毕后，点击“OK”保存设置。 工程坊 运行演示程序体会体会采集 卡功能 工程坊 运行演示程序体会体会采集 卡功能 在“DeviceTest”对话框内，用户可以选择测试PCI-1710 的模拟量输入功能。 工程坊 运行演示程序体会体会采集 卡功能 在“DeviceTest”对话框内，用户可以选择测试PCI-1710 的模拟量输出功能。 工程坊 运行演示程序体会体会采集 卡功

16、能 在“DeviceTest”对话框内，用户可以选择测试PCI-1710 的开关量输入功能。 工程坊 运行演示程序体会体会采集 卡功能 在“DeviceTest”对话框内，用户可以选择测试PCI-1710 的开关量输出功能。 工程坊 运行演示程序体会体会采集 卡功能 在“DeviceTest”对话框内，用户可以选择测试PCI-1710 定时器计数器的功能。 工程坊 训练内容接线示意图 关机状态下接线！ 仔细检查后再开机！ 工程坊 C(C+)语 言 nC+控制台程序基本结构 nC+语言的数据类型与运算 n流程控制语句 n控制系统中常用的C+语言函数 nVC 6.0编程环境简介 nC+程序的编写规

17、范 C(C+)语言是一种计算机程序设计语言。它既 具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点， 应用范围广泛。 工程坊 C+语言的结构 C+控制台程序的基本组成： int main(void) 变量定义 执行语句组 return 0; 子函数名称1(参数) 变量定义 执行语句组 int 子函数名称2(参数) return x; 工程坊 C+语言的结构 n程序以函数为单元，并且有且仅有一个主 函数 main()； n函数由函数说明和函数体两部分组成； n变量先声明定义再使用； n语句必须以“；”结束； n注释：/*/或者/ 工程坊 C+语言的数据类型 n整型：int、short、long n字符型

18、：char n布尔型：bool n空类型：void n浮点型：float、double n指针：char *、int *、float * n数组：int a10; n结构体：struct n无符号数：unsigned(unsigned int；unsigned char) 工程坊 算术运算 运算符名称例子运算功能 加a+b求a与b的和 减a-b求a与b的差 *乘a*b求a与b的积 /除a/b求a除以b的商 %取余a%b求a除以b的余数 +自增a +a的值加1 - 自减 a - a的值减1 -取负- a求a的负数 工程坊 算术赋值运算 运算符名称例子等效于 加赋值a+b a a+ b 减赋值a-

19、b a a b *乘赋值a*b a a* b /除赋值a/b a a/b %取余赋 值 a%b a a%b 工程坊 关系运算 运算 符 名称例子运算功能 大于aba大于b =大于等于a = ba大于等于b 右移位a 2a右移2位 4 0x05 工程坊 取位操作 方法1：先右移n位，再与“0x01” bit = (byten) 方法2：使用屏蔽字 unsigned char MASK8 = 0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80; bit = byte 0 0 0 0 1 1 1 01 思考：如何从一个字节byte中取出第n位？ 工程坊 流程

20、控制语句 选择语句 if (表达式) 语句1 else 语句2 工程坊 switch(表达式） case 常量表达式1:语句1；break; case 常量表达式2: 语句2；break; case 常量表达式n:语句n；break; default:语句n+1; 工程坊 学生成绩分段：90100为A，8089为B，6079为C，059为D， 输入学生成绩，然后分类输出。 include main() int x; coutx; switch(x/10) case 10: coutxyz； cout“控制电压为”voltendl； n键盘输入(conio.h)： kbhit() while(!

21、kbhit()/* 如果没有按下任意键继续 */ getch() 获取字符不显示 getchar() 获取字符并显示 n延时： delay(millisecond)延时若干毫秒 sleep(second) 延时若干秒 Sleep(millisecond) nI/O 端口读写： inportb(BASEADDR+16); TC系统下 outportb(BASEADDR+17, 0x05); TC系统下 _inp(BASEADDR+16); VC调用Winio _outp(BASE_ADDRESS + 16, 0); VC调用Winio 工程坊 VC6.0控制台程序 工程坊 VC6.0控制台程序

22、工程坊 VC6.0控制台程序 工程坊 VC6.0控制台程序 工程坊 VC6.0控制台程序 工程坊 VC6.0控制台程序 VC6.0控制台程序 工程坊 工程坊 n 模块化 n 书写风格 n 程序注释 程序规范程序规范 工程坊 WinIo 库的使用 WinIo 库通过使用内核模式下设备驱动程序和其它一些底 层编程技巧绕过 Windows 安全保护机制，允许32位 Windows 程序直接对 I/O 口进行操作。 为了在VC中能正常使用WinIo库,必须按以下步骤进行配置： (1)：将WinIo.dll、WinIo.sys、WINIO.VXD三个文件放在程序可执行 文件所在目录下； (2)：将Win

23、Io.lib添加到工程中,WinIo.lib及winio.h文件必须放在 工程目录下； (3)：在StdAfx.h头文件中加入#include “winio.h“语句； (4)：调用InitializeWinIo函数初始化WinIo驱动库； (5)：在win-XP下调用读写IO口的-inp或-outp函数； (6)：调用ShutdownWinIo函数； 调试 设置/取消断点（F9）：在某一行设置和取消断点 单步执行（F10）：单步执行，遇到函数调用时把其当作一条语句执 行 深入函数的单步执行（F11）：单步执行，遇到函数调用是深入到其 内部 执行到光标处（ctrl+F10）：一次执行完光标前的所有语句，并停到 光标处 跳出（shift+F11）：执行完当前函数的所有剩余代码，并从函数跳 出 重新开始调试（ctrl+shift+F5）：重新开始调试过程 结束调试（shift+F5）：执行完程序的剩余部分，结束调试 编程训练举例 工程坊 n练习基本运算和输入输出 n输出0-200范围内能被3整除的数 n获取键盘某一个按键,并在屏幕中显示字符或 者 十进制数字 n求两个数的最大公约数 n对某一维数组数据进行降序排列并输出 n输入一学生成绩,并进行5分制输出 n 预习 预习“开关量的输入、输出”课程内容； 试编写： 开关量的输入程序； 开关量的输出程序；