计算机控制技术课件 第8章 计算机控制系统的设计与实现.pdf

中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现计算机控制系统的设计，既是一个理论问题,又是一个工程问题。计算机控制系统的工程设计,不仅要求掌握生产过程和工艺要求，而且要通晓 自动检测技术、计算机技术、通信技术、自动控 制技术、微电子技术甚至控制室规划布置等。通 常涉及总体方案设计，体系结构设计，设备选型 定货，系统安装调试，工程验收和交付使用等具 体工作。本章介绍计算机控制系统工程设计的原 则、方法及系统的设计与实现技术，并提供了一 个典型设计实例。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现第八本，算机校刷东貌极计导实猊8系统设计的原则与步骤8.2 系统的工程设计与实现8.3 计算机梓制系统设计举例8.4 热处理加热炉智能模糊冲制系统中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现8.1 髭审1ft的原则鸟步爨_尽管计算机控制系统的生产过程多种多样，系统的设计方案和具体的技术指标也是千变万化，但在计算机控制 系统的设计与实现过程中，有共性的设计原则与步骤。8.L1系统设计的原则8.L2系统设计的步骤漱 5中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现.极计的原q1、安全可靠在工业控制计算机系统中，可靠性指标一般用系统 的平均维修时间MTTR(Mean-Time-To-Repair)来表示 或平均无故障时间(Mean-Time-Before-Failure)。MTTR表示系统每次出现故障后所需维修时间的平均值。它表示系统出现故障后立即恢复工作的能力。MTBF=R(t)dt=力=：1 m 1MTTR=m z=i pi 中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现措施：4选用高性能的工业控制计算机（保证在恶劣的工 业环境下能正常运行）；4设计可靠的控制方案，具备各种安全保护措施；工设计后备装置，主要功能分散，可采用DCS或 FCS 等。对于一般的控制回路，选用手动操作作为后备。对于较重要的控制场合，常采用双机系统作为控 制系统的核心控制器，中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现一般的方式有：(1)备份工作方式即一台投入运行，另一台作为系统的备份机。当投 入运行的微机出现故障时，由专用切换装置将备份机自 动投入，接替出故障的主机，使系统照常运行；出现故 障的微机修复后，则作为备份机使用。主从工作方式即两台微机同时投入运行。一台担任主要工作，另 一台担任从属工作。当担任主要工作的主机发生故障时,由担任从属工作的从属机接替主机的工作，保证系统的 继续运行。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现(3)双工工作方式在这种系统中，两台主机同时投入系统运行，在 如何一个时刻，都同步执行同一个任务，并将结果送 到一个专门的装置进行核对。如两台机器输出结果相符，说明两台主机都正常,允许将结果输出到被控对象或设备；如结果不符，封 锁输出，如经几次核对后结果仍不符，则说明其中一 台发生故障。这时调用诊断程序确定故障所在机器，并将其换下，让另一台主机继续完成执行控制任务。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现(4)分布式控制方案其实质是智能控制单元分别控制各被控对 象，由上一级计算机进行监视和管理。当某一 台智能控制单元出现故障时，它的控制任务可 由上位机来承担；如上位机出现故障，则各智 能控制单元仍可维持对各被控对象的控制，所 以大大提高了整个系统的可靠性。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现2、系统操作性能好操作性能好包括使用方便和维修容易两个含义。工操作方便表现在操作简单、直观形象、便于掌握,并不强求操作工要掌握计算机知识才能操作。既要 体现操作的先进性，又要兼顾原有的操作习惯。工维修方便体现在易于查找故障，易于排除故障。采 用标准的功能模板式结构，便于更换故障模板。并 在功能模板上安装工作状态指示灯和检测点，便于 维修人员检查，另外配置诊断程序，用来查找故障。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现3、实时性强工业控制机的实时性，表现在对内部和外部事 件能及时地响应，并作出相应的处理，不丢失信息,不延误操作。工对于定时事件如数据的定时采集，运算控制等，系统设置时钟，保证定时处理。工对于随机事件如事故、报警等，系统设置中断，并根据故障的轻重缓急，预先分配中断级别，一 旦事故发生，保证优先处理紧急故障。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现4、通用性好，便于扩充计算机控制的对象千变万化，一个工业控制 系统一般可同时控制多台设备或控制对象。系统 设计时应考虑能适应不同的设备和不同的控制对 象。系统设计时，各设计指标要留有一定的余量,为日后系统的扩充创造有利的条件。如CPU的工作速度、电源功率、内存容量、输入输出通道数 等指标，均应留有一定余量。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现工业控制机的通用灵活性体现在两方面：工硬件模板设计采用标准总线结构，配置各种 通用的功能模板，以便再扩充功能，只需增 加功能模板就能实现；，软件模块或控制算法采用标准模块结构，用 户使用时不需要二次开发，只需按要求选择 各种功能模块，灵活地进行控制系统组态。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现5、经济效益高计算机控制系统应该带来高的经济效益，系统设计时要考虑性能价格比，要有市场竞争 意识。经济效益表现在：一是系统设计的性能价 格比要尽可能的高；二是投入产出比要尽可能 地低。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现8J.2 t 世什的步上_1、工程设计的确定确定工程项目与控制任务一般由甲、乙共 同工作来实现。所谓甲方，就是任务的委托方;乙方是系统工程项目的承接方。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现(1)甲方提出任务委托书在委托乙方承接系统工程项目前，甲方一 定要提供正式的书面任务该委托书要明确的系统 技术性能指标要求，还要包含经费、计划进度、合作方式等内容。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现(2)乙方研究任务委托书乙方在接到任务委托书后要认真阅读，并 逐步进行研究。对含糊不清、认识上有分歧和 需补充或删节的地方要逐条标出，并拟定出要 进一步弄清的问题及修改意见。(3)双方对委托书进行确认性修改在乙方对委托书进行了认真研究之后，双 方应就委托书的确认或修改事宜进行协商和讨 论。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现为避免因行业和专业不同所带来的局限性，在讨 论时应有各方面有经验的人员参加。经过确认或修改 过的委托书中不应有含义不清的的词汇和条款，而且 双方的任务和技术界面必须划分清楚。(4)乙方初步进行系统总体方案设计由于任务和经费没有落实，所以这时总体方案的 设计只能是粗线条的。在条件允许的情况下，应多做 几个方案以便比较。这些方案应在“粗线条”的前提 下，尽量详细，其把握的尺度是能清楚地反映出三大 关键问题：技术难点，经费概算，工期。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现乙方进行方案可行性论证方案可行性论证的目的是要估计承接该项任务的把握 性，并为签订合同后的设计工作打下基础。论证的主要内 容是：技术可行性；经费可行性；进度可行性。特别要指 出，对控制项目尤其是对可测性和可控性应给予充分重视。(6)签订合同书合同书是双方达成一致意见的结果，也是双方合作的 依据和凭证。合同书应包含如下内容：经过双方修改和认 可的甲方“任务委托书”的全部内容，双方的任务划分和 各自应承担的责任，合作方式，付款方式，进度和计划安 排，验收方式及条件，成果归属及违约的解决办法。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现2、工程项目的设计组建项目研制小组为了完成系统设计，应首先把项目组成员确定下来。这个项目组成应由懂得计算机硬件、软件和有控制经 验的技术人员组成，还要明确分工和相互的协调合作 关系。(2)形成总体方案系统总体方案包括硬件总体方案和软件总体方案。硬件和软件的设计是互相有机联系的。因此，在设计 时要经过多次的协调和反复，最后才能形成硬件和软 件的方块图，并建立说明文档，包括控制策略和控制 算法的确定等。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现(3)方案论证与评审方案论证与评审是对系统设计方案的把关和最终裁定。评审后确定的方案是进行具体设计和工程实施的依据，因此应邀请有关专家、主管领导及甲方代表参加。评审后应重新修改总体方案，评审过的方案设计应该作 为正式文件存档，原则上不应再作大的改动。(4)硬件和软件的分别细化设计此步骤只能在总体方案评审后进行。所谓细化设计 就是将方块图中的方块划到最低层，然后进行底层块内 的结构细化设计。对于硬件设计来说，就是选购模板以 及设计制作专用模板；对软件设计来说，就是将一个个 模块编成一条条的程序。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现硬件和软件的分别调试实际上，硬件、软件的设计中都需边设计 边调试边修改。往往要经过几个反复过程才能 完成。(6)系统的组装硬件细化设计和软件细化设计后，分别进 行调试。之后就可进行系统的组装，组装是离 线仿真和调试阶段的前提和必要条件。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现3、项目仿真和调试(1)离线仿真和调试离线仿真和调试阶段的流程如图所示。所谓离线仿真和调试是 指在实验室而不是在工 业现场进行的仿真和调 试。离线仿真和调试试验后 还要进行考机运行。考机的目的是要在连续 不停机的运行中暴露问 题和解决问题。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现(2)在线调试和运行系统离线仿真和调试后便可进行在线调试和运行。在线调试和运行就是将系统和生产过程连接在一起,进行现场调试和运行。尽管离线仿真和调试工作非常认真、仔细，现场调 试和运行仍可能出现问题，因此必须认真分析加以解决。系统运行正常后，再调试一段时间，即可组织验收。验收是系统项目最终完成的标志，应由甲方主持乙 方参加，双方协同办理。验收完毕应形成验收文件存档。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现整个过程如图所示。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现8.2 t髭的工程强针鸟实况作为一个计算机控制系统工程项目，在研制过程这 应该经过那些步骤，应该怎样有条不紊地保证工程顺利 进行，这是需要认真考虑的。8.2系统睛体方案设计8.2.2 硬件的T件设计与实现8.2.3 软件的T程设计与实现8.2.4 系统的调试与运行中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现金髭总体方案梭计总体设计就是要了解控制对象、熟悉控制要 求，确定总的技术性能指标，确定系统的构成 方式及控制装置与现场设备的选择，以及控制 规律算法和其它特殊功能要求。包括：硬件总体方案设计：确定系统任务与控制方案;确定系统的构成方式设计；选择现场设备软件总体方案设计：确定控制算法中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现1、硬件总体方案设计硬件总体方案设计的方法通常是“箱”设计。所谓“黑箱”设计，就是画方块 图的方法。用这种方法做出的系统结构设计,只需明确各方块之间的信号输入输出关系和 功能要求，而不需知道“黑箱”内具体结构。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现硬件总体方案设计主要包含以下几个方面的内容:(1)确定系统的结构和类型根据系统要求，确定采样开环还是闭环控制。闭环控制还需进一步确定是单闭环还是多闭环控制。实际可供选择的控制系统类型有：操作指导控制系统；直接数字控制系统；监督计算机控制系统；分级控制系统等。(2)确定系统的构成方式系统的构成方式应优先选择工业控制机来构成系统 的方式。也可以采用可编程控制器或智能调节器来构成 计算机控制系统的前端机。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现工业控制机具有系列化、模块化、标准化和开放结构，有利于系统设计者在系统设计时根据要求来任意选 择，像搭积木般地组建系统。这种方式可提高研制和开 发速度，提高系统的技术水平和性能。(3)现场设备选择主要包括传感器、变送器和执行机构(电机驱动、液压、气动、步进电机等)的选择，这些装置的选择要正确，它是影响系统控制精度的重要因素之一。其他方面的总体设计方案中还应考虑人-机联系方 式、系统的机柜或机箱的结构设计、抗干扰等方面的问 题。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现2、软件总体方案设计软件总体方案设计通常也是采用结构化的“黑箱”设计法。先画出较高一级的方框图，然后再将大的方框分解成小的方框，直到能表达清楚为止。软件设计方案还应考虑确定系统的数学模型、控制策略、控制算法等，选 择合适的控制组态软件，也是软件总体设计的重要内容。软件总体方案设计的主要内容：程序结构规划；资源分配；实时控制软件设计：数 据采集及数据处理、实时时钟与中断处理；控制算法、控制量输出；生产管理、数据通信等。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现其中重要的任务是确定控制策略和控制算法：人建立对象与其它部分的数学模型，包括系统动态特性 的数学表达式，反映系统输入、内部状态和输出之间 的逻辑与数量关系的表达式或图表曲线等，为系统的 分析、综合与设计提供依据。针对具体控制对象和控制指标要求选择合适的控制算法与控制策略，满足控制速度、控制精度和系统稳定 性等方面的要求。要求快速跟随的系统：最少拍无纹波设计法;具有纯滞后的对象：Smith补偿算法或大林算法;模型中参数难以确定或波动较大时：模糊算法、自 适应算法或其它智能算法等。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现各种控制方法提供了一套通用的算法公式,但应用于具体控制对象时，应有分析地选用，在某些情况下可进行必要的修改与补充。如PID数字算法，若效果不理想，可适当 修改，力口Bang-Bang控制，提高快速性；加|FC,响应速度加快，超调量减小等。工注意要考虑控制计算的实时性。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现3、系统总体方案将上面的硬件总体方案和软件总、体方案合在 一起构成系统的总体方案。总体方案论证可行后,要形成文件，建立总体方案文档。系统总体文件的内容包括：4-系统的主要功能、技术指标。原理性方框图及 文字说明。L控制策略和控制算法。4-系统的硬件结构及配置，主要的软件功能、结 构及框图。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现L方案的比较和选择。工保证性能指标要求的技术措施。L抗干扰和可靠性设计。工机柜和机箱的结构设计。L经费和进度计划的安排。对所提出的总体设计方案要进行合理性、经 济性、可靠性及可行性论证。论证结束后，便可 形成作为系统设计依据的系统总体方案图和设计任务书，以指导具体的系统设计过程。坂叵中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现.2.2粳件的工殁强叶易实现硬件的工程设计和实现由于总线式工业控制机的高度模块化和插板结构，因 此，可以采用组合方式来大大简化计算机控制系统的设 计。采用总线式工业控制机，只需要简单的更换几块模板,就可以很方便地变成另外一种功能的控制系统。在计算机控制系统中，一些控制功能既能用硬件实现,亦能用软件实现，故系统设计时，硬件、软件的功能要 综合考虑O中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现1、选择系统的总线和主机类型(1)选择系统的总线系统采用总线结构,具有很多优点。工简化硬件结构用户可根据需要直接选用符合总线标准的功能模板,而不必考虑模板插件之间的匹配问题，使系统硬件设计大 大简化。工系统可扩性好，仅需将按总线标准研制的新的功能模板插 在总线槽中即可。工系统更新性好，一旦出现新的微处理器、存储器芯片和接 口电路，只要将这些新的芯片及总线标准研制成各类插件,即可取代原来的模板而升级更新系统。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现内总线选择常用的工业控制机内总线有两种，即PC总线和STD 总线。一般常选用PC总线进行系统地设计。外总线选择外总线就是计算机与计算机之间、计算机与智能仪器 或智能外设之间进行通信的总线。它包括并行通信总线(IEEE-488)和串行通信总线(RS-232C)O另外还有可用来进行远距离通信、多站点互联 的通信总线RS-422和RS-485O具体选择哪一种，要根据通信的速率、距离、系统拓 扑结构、通信协议等要求来综合分析、才能确定。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现但需要说明的是RS-422和RS-485总线在工业控制 机的主机中没有现成的接口装置，必须另外选择相应的 通信接口板。要注意现场总线技术应是当前的优先选择。(2)选择主机机型在总线式工业控制机中，有许多机型，都因采用的 CPU不同而不同。以PC总线工业控制机为例，其CPU有8088、8086、80486、Pentium(586.P2、P3)等多种型号，内存、硬盘、主频、显示卡也有多种规格。设计人员可根据要求合理地进行选择。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现微处理器是整个系统的核心，它的选择将对整个系统产 生决定性的影响，一般应从以下几个方面进行考虑。字长微处理器字长会直接影响数据的精度、指令的数目、寻址能力和执行操作的时间。字长越长，对提供控制系 统的性能越有利，但相应地会增加系统成本。因此应根 据不同的对象和要求，恰当地选择。在过程控制领域中，一般选择8位或16位字长的微 处理器就可以达到要求。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现寻址范围和寻址方式微处理器的地址码长度一般决定了它的寻址范围大 对于单片微处理器，有的提供了直接外部存储器寻址能力而有的则没有，应根据系统要求的存储容量要求，选择相 应的微处理器。具有丰富的寻址方式的微处理器，在编写应用程序时 会使程序长度大大缩短。指令种类和数量一般来说，当微处理器的指令种类越多，针对特定操 作的指令也必然多，其处理速度越快，编程灵活方便，程 序长度缩短。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现内部寄存器的种类和数量微处理器内部结构对系统性能影响也很大。内部寄存 器的种类和数量越多，访问存储器的次数就越少，从而加 I快了执行速度。微处理器的速度微处理器的速度越高性能也越好，但是，它应该与被 控对象的要求相适应，过高要求会给系统的安装和调试等 工作带来不必要的麻烦。如高速工作时，系统中各引线之 间的串扰是系统调试和运行中常见的问题。中断处理能力在微机控制系统中，中断处理方式是一种主要的输入 输出方式。中断功能的强弱，反映了系统的实时控制的能 力和系统硬件与软件的布局。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现2、选择输入输出通道模板一个典型的计算机控制系统，除了工业控制机的主机以外，还必须有各种输入输出信道模板，其中包括数 字量1/0 即DI/DO、模拟量I/O很D AI/AO 等模板。1 数字量（开关量）输入输出 DI/DO 模板PC总线的并行I/O接口模板多种多样，通常可分为 TTL电平的DI/DO和带光电隔离的DI/DO。通常和工业控制机共地装置的接口可以采用TTL电 平，而其它装置与工业控制机之间则采用光电隔离。对于大容量的DI/DO系统，往往选用大容量的TTL 电平DI/DO板，而将光电隔离及驱动功能安排在工业控 制机总线之外的非总线模板上，如继电器板等。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现(2)模拟量输入输出(AI/AO)模板AI/AO模板包括A/D、D/A板及信号调理电路等。工AI模板输入可能是0土 5V、110V、010mA、4201nA以及热电偶、热电阻和各种变送器的信号。工AO模板输出可能是0YV、110V、010mA、420mA等信号。选择AI/AO模板时必须注意分辨率、转换速度、量程 范围等技术指标。系统中的输入输出模板，可按需要进行组合，不管哪 种类型的系统，其模板的选择与组合均由生产过程的输入 参数和输出控制信道的种类和数量来确定。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现3、选择变送器和执行机构(1)选择变送器变送器是能将被测变量转换为可远传的统一标准信号 的一种仪表，且输出信号与被测变量有一定的连续关系。在控制系统中其输出信号被送至工业控制机进行处理，实 时数据采集。DDZ-n型变送器输出的是420mA信号，供电电源为 24V(DC)且采用二线制，DDZ-印型比DDZ-H型变送器性 能好，使用方便。而DDZ6型是在总结DDZ型变送器的基 础上开发出的新一代变送器。同时，现场总线仪表也将被 推广应用。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现系统设计人员可根据被测参数的种类、量程、被测对象的介质类型和环境来选择变送器的具体 型号。(2)选择执行机构执行机构(也称调节阀)是控制系统中必不可 少的组成部分，它的作用是接受计算机发出的控 制信号，并把它转换成调整机构的动作，使生产 过程按预定规定的要求正常进行。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现执行机构是控制系统中的重要部分，其作用 是根据调节器的控制信号，改变输出的角或直线 位移，并改变被调节的流量或能量，使生产过程 满足预定的要求。根据执行器采用的动力方式可分为液动执行 器、气动执行器和电动执行器等三类。工气动执行器的输入信号为L96X1049.8 xWPa;工电动执行器的输入有连续信号和断续信号两种，连续 信号为070mA或420mA,而断续信号为数字（开关、脉冲）信号。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现另外，还有各种有触点和无触点开关，也是执行机构，实现开关操作。电磁阀作为一种 开关阀在工业中也得到了广泛的应用。要实现连续的精确的控制目的，必须选用 气动或电动调节阀。而对要求不高的控制系统 可选用电磁阀。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现各类执行器的比较构造体积推力配管配线动作滞后维护检修用合 使场频率响应温度响应价格液动执 行器简单大大复杂小简单意花 注火窄大高气动执 行器简单中中较复杂大简单适于防 火防爆窄小低电动执 行器复杂小简单小复杂隔爆型适 用于防火 防爆宽大高中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现传感器通常由温度传感器、压力传感器、液 面传感器、力传感器等。选用传感器应遵循如下的原则：L要满足测量精度和测量范围的要求；上传感器的性能要稳定、可靠、重复性好；工尽可能选择线性度好、线路简单、灵敏度高的传感器；L电源种类要尽量少，电源电压尽量要规范化。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现费件的工裁梭叶与实现用工业控制机来组建计算机控制系统不仅能减小系统 硬件设计工作量，而且还能减小系统软件设计工作量。一 般的工业控制机都配有实时操作系统或实时监控程序，各 种控制、运算软件、组态软件等，可使系统设计者在最短 的周期里，开发出目标系统软件。一般工业控制机把工业控制所需的各种功能以模块形 式提供给用户。其中包括：控制算法模块，运算模块，计 数/计时模块等。系统设计者根据控制要求，选择所需的 模块就能生成系统控制软件，使得软件设计工作量减少。为了便于系统组态，工业控制机提供了组态语言。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现自行开发控制软件时，应先画出程序总体流程图和各 功能模块流程图，再选择程序设计语言，然后编制程序。程序编制应先模块后整体，具体程序设计要处理以下内 容。1、数据类型和数据结构规划在系统总体方案设计中，系统的各个模块之间有着各 种因果关系，互相之间要进行各种信息传递。应注意：将每一个执行模块要用到的参数和要输出的结果列出来，对于与不同模块都有关的参数，只取一个名称，以保证 同一个参数只有一种格式，然后为每一参数规划一个数 据类型和数据结构。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现从数据类型上来分类，可分为逻辑型和数 值型，但通常将逻辑型数据归到软件标志中去 考虑。数值型可分为定点数和浮点数。定点数 有直观、编程简单、运算速度快的优点，其缺 点是表示的数值动态范围小，容易溢出。浮点 数则相反，数值动态范围大、相对精度稳定、不易溢出，但编程复杂，运算速度低。如果某参数是一系列数据的集合，如采样 信号序列，则不只有数据类型问题，还有一个 数据存放格式问题，需要很好的规划。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现2、资源分配完成数据类型和数据结构的规划后，便可 开始分配系统的资源了。系统资源包括ROM、RAM、定时器/计数 器、中断源、I/O地址等。工ROM资源用来存放程序和表格。I/O地址、定时器/计数器、中断源在任务分析时已经分配好了。因此资 源分配的主要工作是RAM资源的分配。工RAM资源规划好后，应列出一张RAM资源的详细分 配清单，作为编程依据。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现3、实时控制软件设计(1)数据采集及数据处理程序数据采集程序主要包括多路信号的采样、输 入变换、存储等。模拟输入信号为mA(DC)或 mV(DC)和电阻等。可以直接作为A/D转换模板 的输入。输入信号的点数可根据需要选取，每个 信号的量程和工业单位用户必须规定清楚。数据处理程序主要包括数字滤波程序、线性 化处理和非线性补偿、标度变换程序、超限报警 程序等。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现(2)控制算法程序控制算法程序主要实现控制规律的计算，产生控 制量。其中包括：数字PID控制算法、大林算法等。实 际实现时，可选择合适的一种或几种控制算法，来实现 控制。(3)控制量输出程序控制量输出程序实现对控制量的处理、控制量的 变换及输出，驱动执行机构或各种电气开关。控制量也 包括模拟量和开关量两种。模拟控制量由转换模板输出,驱动执行机构如各种调节阀。开关量控制信号驱动各种 电气开关。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现(4)实时时钟和中断处理程序实时时钟是计算机控制系统一切与时间有关过程的 运行基础。时钟有两种，即绝对时钟和相对时钟。绝对 时钟与当地的时间同步，有年、月、日、时、分、秒等 功能。相对时钟与当地时间无关，一般只要时、分、秒 就可以，在某些场合要精确到01秒甚至毫秒。作为一般情况，假设系统中有几个任务，每个任务 都有自己的启动和撤销时刻。在系统中建立两个表格：一个任务启动时刻表，一个任务撤销时刻表。为使任务 启动和撤销及时准确，这一过程应安排时钟中断子程序 来完成。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现计算机控制系统中，有很多控制过程虽与 时间（相对时钟）有关，但与当地时间（绝对时钟）无关。相对时钟的运行速度与绝对时钟一致，但数值完全独立。这就要求相对时钟必须另外 开辟存放单元。在使用上，相对时钟要初始化,再开始计时，计时到后便可唤醒指定任务。许多实时任务如采样周期、定时显示打印等都必须利用实时时钟来实现。并由定时中断服务程序去执行相应的动作或处理动作状态标 志等。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现另外，事故报警、掉电检测及处理、重要的事件处 理等功能也常常使用中断技术，以便使计算机能对事件 作出及时处理。事件处理用中断服务程序和相应的硬件 电路来完成。(5)数据管理程序这部分程序用于生产管理，主要包括画面显示、变 化趋势分析、报警记录等。(6)数据通信程序数据通信程序主要完成计算机与计算机之间、计算 机与智能设备之间的信息传递和交换。这个功能主要在 分散型控制系统、分级计算机控制系统、工业网络等系 统中实现。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现824京髭的稠祺易运行系统的调试和运行分为离线仿真与调试阶段和在线调 试与运行阶段。离线仿真与调试阶段一般在实验室或非工 业现场进行，在线调试与运行阶段是在生产过程工业现场 进行。其中离线仿真与调试阶段是基础，是检查硬件和软 件的整体性能，为现场投运做准备，现场投运是对全系统 的实际考验与检查。1、离线仿真和调试(1)硬件调试中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现对于各种标准功能模块，按照说明书检查主要功能。在调试A/D和D/A模板之前，必须准备好信号源、数字电 压表、电流表等。对这两种模板首先检查信号的零点和 满量程，然后再分档检查。利用开关量输入和输出程序来检查开关量输入和开 关量输出模板。调试时在输入端加开关量信号，检查读 入状态的正确性；可在输出端检查输出状态的正确性。硬件调试还包括现场仪表和执行机构。这些仪表必 须在安装之前按说明书要求校验完毕。如是分级计算机控制系统和分散型控制系统，还要 调试通信功能，验证数据传输的正确性。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现(2)软件调试软件调试的顺序是子程序、功能模块和主 程序。一般与过程输入输出信道无关的程序，都 可用开发机的调试程序进行调试，不过有时为 了能调试某些程序，可能要编写临时性的辅助 程序。系统控制模块的调试分为开环和闭环两种 情况进行。开环调试是检查它的阶跃响应特性,闭环调试是检查它的反馈控制功能。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现(3)系统仿真在硬件和软件分别联调后，并不意味着系 统的设计和离线调试已经结束，为此，必须再 进行全系统的硬件、软件统调。这次的统调试 验，就是通常所说的“系统仿真”。所谓系统仿真，就是应用相似原理和类比 关系来研究事物，也就是用模型来代替实际生 产过程进行实验和研究。系统仿真有以下三种类型：全物理仿真；半物理仿真；数字仿真。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现系统仿真尽量采用全物理或半物理仿真。试 验条件或工作状态越接近真实，其效果也就越 好。工对于纯数据采集系统，一般可做到全物理仿真。工而对于控制系统只能做离线半物理仿真。工被控对象可用实验模型代替。不经过系统仿真和各 种试驹，试图在生产现场调试中一举成功的想法是不 实际的。工在系统仿真的基础上，进行长时间的运行考验，并 根据实际运行环境的要求，进行特殊运行条件的考验。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现2、在线调试和运行为了做到有把握，现场安装及在线调试前 首先要进行下列检查：工检测元件、变送器、显示仪表等必须通过 校验，保证精确度要求。作为检查，可进行 一些现场校验。上各种接线和导管必须经过检查，保证连接 正确。L对在流量中采用隔离液的系统，要在清洗 好引压导管以后，灌入隔离液。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现L检查调节阀能否正确工作。旁路阀及上下游 截断阀关闭或打开，要搞清楚。工检查系统的干扰情况，如果不符合要求，应 采取措施。4-对安全防护措施也要检查。经过检查并已安装正确后，即可进行系统 的投运和参数的整定。投运时应先切入手动，等系统接近于给定位时再切入自动，并进行参 数的整定。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现.3计算机控制亲就强计率例8.3.1啤洒发酵T艺及抨制要求 832系统皓体方案的设计 833系统硬件和软件的设计 834系统的安装调试运行及粹制效果中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现.3.1啤帝发酵工之及控制要器1、啤酒发酵工艺简介啤酒发酵是一个复杂的生物化学过程，通常在锥型发酵罐中进行。在20多天的发酵期间，根 据酵母的活动能力和生长繁殖的快慢，确定发酵 给定温度曲线，如图旦a所示。要使酵母的繁殖 和衰减、麦汁中糖度的消耗和双乙醇等杂质含量 等方面达到最佳状态，必须严格控制各阶段的温 度，使其在给定温度的0.5范围内。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现A r/a0g t/h图83发酵过程温度工艺曲线中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现某啤酒厂要求控制10个200m2的锥型啤酒发酵罐，内 层用不锈钢板焊接而成，外层用白铁皮包制而成，内层 与外层间是保温材料和上中下三段冷却带，罐体由上下 两部分组成，上部分是圆柱体，下部分是圆锥体，故称 为锥形发酵罐。控制方法:罐内温度低于给定温度时，要求关闭冷却带的阀门,使之自然发酵升温；罐内温度高于给定温度时，则要求 接通冷却带的阀门，自动将冷酒精打入冷却带循环使之 降温，直到满足工艺要求为止。此外，在发酵过程中,还需在各段工艺中实行保压，即要求发酵罐顶部气体压 力恒定，以保证发酵过程的正确进行。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现2、系统的控制要求系统共1。个发酵罐，每个罐测量5个参数，即发酵罐的上中下三段温度、罐内上部气体 的压力和罐内发酵液的高度，共30个温度测 量点、10个压力测量点和10个液位测量点。因此共需检测50个参数。工自动控制各个发酵罐中的上中下三段温度使 其按图8.3所示的工艺曲线运行，温度控制 误差不大于0.5。共有30个控制点。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第八章计算机控制系统设计与实现工系统具有自动控制、现场手动控制、控制室 遥控三种工作方式。系统具有掉电保护、报警、参数设置和工艺 曲线修改设置功能。上系统具有表格、图形、曲线等显示和打印功 能。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义 第