1、2018/12/6,计算机控制技术,1,第10章 计算机控制系统的设计与实施,Designing & Implementation of Computer Control Systems,2018/12/6,计算机控制技术,2,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 进行计算机控制系统的工程设计，不仅要掌握生产过程的工艺要求、被控对象的动态和静态特性，还要熟悉检测、计算机、通信、自动控制、微电子等技术,2018/12/6,计算机控制技术,3,计算机控制系统的理论设计包括： 建立被控对象的数学模型； 确定满足一定技术经济指标的系统目标函数，寻求满足该目标函数的控制规律； 选择适
2、宜的计算方法和程序设计语言； 进行系统功能的软、硬件界面划分，并对硬件提出具体要求。,2018/12/6,计算机控制技术,4,计算机控制系统设计原则和步骤 系统工程设计与实施,本章主要内容,2018/12/6,计算机控制技术,5,10.1计算机控制系统设计原则和步骤,计算机控制系统设计原则 计算机控制系统设计步骤,Designing Principles & Steps of Computer Control System,2018/12/6,计算机控制技术,6,10.1.1 计算机控制系统设计原则,操作性能好，维护与维修方便 通用性好，便于扩展 可靠性高 实时性好，适应性强 经济效益好,20
3、18/12/6,计算机控制技术,7,1、操作性能好，维护与维修方便,系统人机界面要友好，操作要简单、方便且便于维护, 对重要操作加保护，增加操作鲁棒性等 易于查找故障、排除故障;硬件上宜采用标准的功能模板式结构，便于及时查找并更换故障模板。模板上还应安装工作状态指示灯和监测点，便于检修人员检查与维修。在软件上应配备检测与诊断程序，用于查找故障源。必要时还应考虑设计容错程序，在出现故障时能保证系统的安全,10.1.1 计算机控制系统设计原则,2018/12/6,计算机控制技术,8,10.1.1 计算机控制系统设计原则,2、通用性好，便于扩展,尽可能地采用标准化设计，采用积木式模块化结构 考虑在设
4、备更新时，整个系统不需要大的改动就能立即适应新的情况。尽可能采用通用系统总线结构；接口部件尽量采用标准通用的大规模集成电路芯片；尽可能把接口硬件部分的操作功能用软件来替代；系统的各项设计指标留有一定余量，也是可扩充的首要条件 。,2018/12/6,计算机控制技术,9,10.1.1 计算机控制系统设计原则,3、可靠性高-最重要的要求,首先，考虑选用高性能的工控机担任工程控制任务，以保证系统的恶劣的工业环境下仍能长时间正常运行； 其次，在设计控制方案时考虑各种安全保护措施，使系统具有异常报警、事故预测、故障诊断与处理、安全联锁、不间断电源等功能。 第三，采用双机系统和多微机集散控制。备份工作方式
5、 主从工作方式,2018/12/6,计算机控制技术,10,2018/12/6,计算机控制技术,11,2018/12/6,计算机控制技术,12,10.1.1 计算机控制系统设计原则,4、实时性好，适应性强,实时性是工业控制系统最主要的特点之一，它要对内部和外部事件都能及时地响应，并在规定的时限内做出相应的处理。 定时事件和随机事件的处理 在开发计算机控制系统时，一定要考虑到其应用环境，保证在可能的环境下可靠地工作。,2018/12/6,计算机控制技术,13,10.1.1 计算机控制系统设计原则,5、经济效益好,除了满足生产工艺所必需的技术质量要求以外，也应该带来良好的经济效益 。 一方面是系统性
6、能价格比要尽可能高，而投入产出比要尽可能低，回收周期要尽可能地短。 另一方面还要从提高产品质量与产量，降低能耗，减少污染、改善劳动条件等经济、社会效益各方面进行综合评估，有可能是一个多目标优化问题。,2018/12/6,计算机控制技术,14,10.1.2 计算机控制系统设计步骤,确定任务阶段 工程设计阶段 离线仿真和调试阶段 在线调试和投运阶段,2018/12/6,计算机控制技术,15,10.1.2 计算机控制系统设计步骤,1、确定任务阶段,甲方提出任务委托书（招标） 乙方研究任务委托书 双方对任务委托书进行确认性修改 乙方初步进行系统总体方案设计 乙方进行方案可行性论证 签订合同书甲方指的是
7、任务的委托方乙方则是系统工程的承接方。国际上习惯称甲方为“买方”，称乙方为“卖方”,2018/12/6,计算机控制技术,16,10.1.2 计算机控制系统设计步骤,2、工程设计阶段,组建项目研制小组 系统总体方案设计 方案论证与评审 硬件和软件的细化设计 硬件和软件的调试 系统组装,2018/12/6,计算机控制技术,17,10.1.2 计算机控制系统设计步骤,3、离线仿真和调试阶段,组装后在实验室而不是工业现场进行的仿真和调试。 离线仿真和调试后，还要进行考机运行,2018/12/6,计算机控制技术,18,10.1.2 计算机控制系统设计步骤,4、在线调试和投运阶段,所谓在线调试和运行就是将
8、系统和生产过程联接在一起，进行现场调试和运行。 不管上述离线仿真和调试工作多么认真、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 系统正常运行后，再仔细试运行一段时间，如果不出现其他问题，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。验收完毕应形成文件存档。,2018/12/6,计算机控制技术,19,10.2 系统工程设计与实施,Designing Principles & Steps of Computer Control System,计算机控制系统总体方案设计 硬件工程设计与实现 软件工程设计与实现 系统调试与运行,2018/12/6,
9、计算机控制技术,20,10.2.1 计算机控制系统总体方案设计,硬件总体方案设计 软件总体方案设计 系统总体方案,2018/12/6,计算机控制技术,21,10.2.1 计算机控制系统总体方案设计,1、硬件总体方案设计,确定系统的结构和类型DDC、SCC、DCS 确定系统的构成方式工控机、PLC、单片机 现场设备选择-传感器、变送器、执行器 其他方面考虑，如人机接口、机柜机箱、抗干扰、通讯方式、总线、供电、显示方式,2018/12/6,计算机控制技术,22,10.2.1 计算机控制系统总体方案设计,2、软件总体方案设计,依据用户任务的技术要求和已作过的初步方案，进行软件的总体设计。 采用结构化
10、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，直到能表达清楚功能为止。 软件总体方案还应考虑确定系统的数学模型、控制策略、控制算法等。,2018/12/6,计算机控制技术,23,10.2.1 计算机控制系统总体方案设计,3、系统总体方案,将上面的硬件和软件总体方案合在一起构成系统总体方案。总体方案论证后形成文件，建立总体方案文档 系统总体文件的内容包括： 系统主要功能、技术指标、原理性方框图及文字说明 控制策略和控制算法，如PID控制、串级控制 系统的硬件结构及配置，主要软件功能、结构及框图 方案比较和选择。 保证性能指标要求的技术措施。 抗干扰和可靠性设计。 机柜
11、或机箱的机构设计。 经费和进度计划的安排。,2018/12/6,计算机控制技术,24,10.2.2 硬件工程设计与实现,选择系统总线和主机机型 选择输入输出通道模板 选择变送器和执行机构,2018/12/6,计算机控制技术,25,10.2.2 硬件工程设计与实现,1、选择系统总线和主机机型,选择系统的总线 采用总线可简化硬件设计，系统可扩性好，系统更新性好 内部总线：PC总线和STD总线 外部总线：并行通信总线（如IEEE-488）和串行通信总线（如RS-232C、RS-422和RS-485） 选择主机机型 在总线式工业控制机中，有许多机型。 CPU、内存、硬盘、主频、显示卡、CRT显示器也有
12、多种规格。设计人员可根据要求合理地进行选型。,2018/12/6,计算机控制技术,26,10.2.2 硬件工程设计与实现,2、选择输入输出通道模板,数字量（开关量）输入输出（DI/DO）模板 模拟量输入输出（AI/AO）模板,研华PCI-1710数据采集卡,研华PCI-1720模拟量输出卡,2018/12/6,计算机控制技术,27,10.2.2 硬件工程设计与实现,3、选择变送器和执行机构,选择变送器 变送器能将被测变量转换为可远传的统一标准信号且输出信号与被测变量有一定连续关系。 DDZ-II、DDZ-III、DDZ-S 选择执行机构 执行机构作用是接受计算机发出的控制信号，把它转换成调整机
13、构的动作，使生产过程按预先规定要求正常运行 分为气动、电动、液压三种类型,2018/12/6,计算机控制技术,28,2018/12/6,计算机控制技术,29,10.2.3 软件工程设计与实现,数据类型和数据结构规划 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 数据管理、数据通信等,2018/12/6,计算机控制技术,30,软件生存期,数据库生存期,2018/12/6,计算机控制技术,31,10.2.4 系统调试与运行,离线仿真与调试 一般在实验室或非工业现场进行 硬件调试与软件调试 系统仿真 在线调试与运行 检查现场安装及准备条件 系统投运与参数整定,2018/12/6,计算机控制技术,32,本章小结,计算机控制系统设计原则和步骤 系统工程设计与实施,2018/12/6,计算机控制技术,33,Thank you,
