1、豆丁文档代下载：http:/ （0.1 元/篇）造纸，印染染料请选择 宏浩染料推荐好文档当选：http:/ 年 7 月 19 号豆丁文档代下载：http:/ （0.1 元/篇）造纸，印染染料请选择 宏浩染料推荐好文档当选：http:/ 10 章 计算机控制系统的设计与实施通过前面的介绍，我们已经掌握了计算机控制系统各部分的工作原理、硬件和软件技术以及控制算法，因而具备了设计计算机控制系统的条件。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；选择适宜的计算方
2、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。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，以及被控对象的动态和静态特性，而且要熟悉自动检测技术、计算机技术、通信技术、自动控制技术、微电子技术等。本章主要介绍计算机控制系统设计的原则与步骤、计算机控制系统的工程设计与实现。10.1 计算机控制系统设计原则与步骤10.1.1 计算机控制系统设计原则尽管计算机控制系统的对象各不相同，其设计方案和具体技术指标也千变万化，但在系统的设计与实施过程中，还是有许多共同的设计原则与步骤，这些共同的原则和要求在设计前或设计过程中都必须予以考虑。豆丁文档代下载：http:/
3、 （0.1 元/篇）造纸，印染染料请选择 宏浩染料推荐好文档当选：http:/ 操作性能好，维护与维修方便对一个计算机应用系统来说，所谓操作性能好，就是指系统的人机界面要友好，操作简单、方便、便于维护。为此，我们在设计整个系统的硬件和软件时，都应处处为用户想到这一点。例如，在考虑操作先进性的同时要兼顾操作工以往的操作习惯，使操作工易于掌握；考虑配备何种系统和环境，能降低操作人员对某些专业知识的要求；对硬件方面，系统的控制开关不能太多、太复杂，操作顺序要尽量简单，控制台要便于操作人员工作，尽量采用图示与中文操作提示，显示器的颜色要和谐，对重要参数要设置一些保护性措施，增加操作的鲁棒性等，凡是涉
4、及人机工程的问题都应逐一加以考虑。维修方便要从软件与硬件两个方面考虑，目的是易于查找故障、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。2. 通用性好，便于扩展过程计算机控制系统的研制与开发需要一定的投资和周期。尽管控制的对象千变万化，但若从控制功能上进行分析与归类，仍然可以找到许多共性。如计算机控制系统的输入输出信号统一为 010mA DC 或 420mA DC；控制算法有 PID、前馈、串级、纯滞后补
5、偿、预测控制、模糊控制、最优控制等。因此，在设计开发过程计算机控制系统时就应尽量考虑能适应这些共性，就必须尽可能地采用标准化设计，采用积木式的模块化结构。在此基础上，再根据各种不同设备和不同控制对象的控制要求，灵活地构造系统。一般来说，一个计算机应用系统，在工作时能同时控制几台设备。但是，在大多数情况下，系统不仅要适应各种不同设备的要求，而且也要考虑在设备更新时，整个系统不需要大的改动就能立即适应新的情况。这就要求系统的通用性要好，而且必要时能灵活地进行扩充。例如，尽可能采用通用的系统总线结构，像采用 STD 总线、AT 总线、MULTIBUS 总线等。在需要扩充时，只要增加一些相应的接口插件
6、板就能实现对所扩充的设备进行控制。另外，接口部件尽量采用标准通用的大规模集成电路芯片。在考虑软件时，只要速度允许，就尽可能把接口硬件部分的操作功能用软件来替代。这样在被控设备改变时，无需变动或较少变动硬件，只需要改变软件就行了。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。例如，计算机的工作速度如果在设计时不留有一定余量，那么要想进行系统扩充是完全不可能的。其他如电源功率、内存容量、输入输出通道、中断等也应留有一定的余量。3. 可靠性高对任何计算机应用系统来说，尽管各种各样的要求很多，但可靠性是最重要的一个。因为一个系统能否长时间安全可靠地正常工作，对一个工厂来说会影响到整个装置、整个
7、豆丁文档代下载：http:/ （0.1 元/篇）造纸，印染染料请选择 宏浩染料推荐好文档当选：http:/ 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。系统处理的事件一般有两类：一类是定时事件，如定时采样、运算处理、输出控制量到被控制对象等；另一类是随机事件，如出现事故后的报警、安全联锁、打印请求等。对于定时事件，由系统内部设置的时钟保证定时处理。对于随机事件，系统应设置中断，根据故障的轻重缓急，预先分配中断级别，一旦事件发生，根据中断优先级别进行处理，保证最先处理紧急故障。在开发计算机控制系统时，一定要考虑到其
8、应用环境，保证在可能的环境下可靠地工作。例如，有的地方市电波动很大，有的地方环境温度变化剧烈，有的地方湿度很大，有的地方振动很厉害，而有的工作环境有粉尘、烟雾、腐蚀等等。这些在系统设计中都必须加以考虑，并采用必要的措施保证微机应用系统安全可靠地工作。5. 经济效益好工业过程计算机控制系统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。这主要体现在两个方面：一方面是系统的性能价格比要尽可能的高，而投入产出比要尽可能的低，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，豆丁文档代下载：http:/ （0.1 元/篇）造纸，印染染料请选择 宏浩染料推荐好文档当选：htt
9、p:/ 计算机控制系统设计步骤计算机控制系统的设计虽然随被控对象、控制方式、系统规模的变化而有所差异，但系统设计与实施的基本内容和主要步骤大致相同，一般分为四个阶段：确定任务阶段、工程设计阶段、离线仿真和调试阶段以及在线调试和投运阶段。下面对这四个阶段作必要说明。6. 确定任务阶段随着市场经济的规范化，企业中的计算机控制系统设计与工程实施过程中往往存在着甲方乙方关系。所谓甲方，指的是任务的委托方，有时是用户本身，有的是上级主管部门，还有可能是中介单位；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”。作为处于市场经济的工程技术人员，应该对整个工程项目与控制任务的确定有
10、所了解。确定任务阶段一般按下面的流程进行。在委托乙方承接工程项目前，甲方一般须提出任务委托书，其中一定要提供明确的系统技术性能指标要求，还要包括经费、计划进度、合作方式等内容。 乙方接到任务委托书后逐条进行研究，对含义不清、认识上有分歧的地方、需要补充或删节的地方逐条标出，并拟订需要进一步讨论与修改的问题。在乙方对任务委托书进行了认真的研究之后，双方应就委托书的内容进行协商性的讨论、修改、确认，明确双方的任务和技术工作界面。为避免因行业和专业不同所带来的局限性，讨论时应有各方面有经验的人员参加。确认或修改后的委托书中不应再有含义不清的词汇与条款。如果条件允许，可多做几个方案进行比较。方案中应突
11、出技术难点及解决办法、经费概算、工期。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。另外对控制项目要特别关注可测性和可控性。如果论证结果可行，接着就应该做好签订合同前的准备工作；如果不可行，则应与甲方进一步协商任务委托书的有关内容或对条款进行修改。若不能修改，则合同不能签订。合同书是甲乙双方达成一致意见的结果，也是以后双方合作的唯一依据和凭证。合同书(或协议书) 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承担的责任，合作方式，付款方式，进度和计划安排，验收方
12、式及条件，成果归属，违约的解决办法。随着市场经济的发展，计算机控制工程的设计和实施项目也与其他工程项目类似，越来越多地引入了规范的“工程招标”形式。即先由甲方将所需解决的技术问题和项目要求提豆丁文档代下载：http:/ （0.1 元/篇）造纸，印染染料请选择 宏浩染料推荐好文档当选：http:/ 工程设计阶段该阶段主要包括组建项目研制小组、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。在签订了合同或协议后，系统的研制进入设计阶段。为了完成系统设计，应首先把项目组成员确定下来。项目组应由懂得计算机硬件、软件和有控制经验的技术人员组成，还要明确分工并具有良好
13、的协调合作关系。包括硬件总体方案和软件总体方案，这两部分的设计是相互联系的。因此，在设计时要经过多次的协调和反复，最后才能形成合理的统一在一起的总体设计方案。总体方案要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。方案的论证和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。此步骤只能在总体方案评审后进行，如果进行的太早会造成资源的浪费和返工。所谓细化设计就是将方块图中的方块划到最底层，然后进行底层块内
14、的结构细化设计。对应硬件设计来说，就是选购模板以及设计制作专用模板；对软件设计来说，就是将一个个功能模块编成一条条程序。实际上，硬件、软件的设计中都需要边设计边调试边修改，往往要经过几个反复过程才能完成。硬件细化设计和软件细化设计后，分别进行调试，之后就可以进行系统的组装，组装是离线仿真和调试阶段的前提和必要条件。8. 离线仿真和调试阶段总体设计的方法是“黑箱” 设计法。所谓“ 黑箱”设计就是画方块图的方法。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(DDC)系统、监督计算机控制(SCC)系统、分级控制系统、分散型控制系统(DCS)、工业测控网络系统等。软件总体设计和硬件总体设
15、计一样，也是采用结构化的“黑箱”设计法。常用的工业控制机内部总线有两种，即 PC 总线和 STD 总线。根据需要选择其中一种，一般常选用 PC总线进行系统的设计，即选用 PC 总线工业控制机。外部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(如 IEEE-488)和串行通信总线( 如 RS-232C、RS-422 和 RS-485)。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，必须另外选择相应通信接口板或协议转换模块。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。通常和工控机共地
16、装置的接口可以采用 TTL 电平，而其他装置与工控机之间则采用光电隔离。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(包括固态继电器板) 等。豆丁文档代下载：http:/ （0.1 元/篇）造纸，印染染料请选择 宏浩染料推荐好文档当选：http:/ 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。另外，还有各种有触点和无触点开关，也是执行机构，实现开关动作。在系统中，选择气动调节阀、电动调节阀、电磁阀、有触点和无触点开关之中的哪一种，要根据系统的要求来确定。其中包括：控制算法模块(多为 PID)，运算模块( 四则运算、开方、最大值/最小值选择、一阶
17、惯性、超前滞后、工程量变换、上下限报警等数十种) ，计数/计时模块，逻辑运算模块，输入模块，输出模块，打印模块，CRT 显示模块等。定时器 /计数器、中断源、I/O 地址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。模拟输入信号为 010mA(DC)或420mA(DC)， 05V(DC)和电阻等。前两种可以直接作为 A/D 转换模板的输入(电流经I/V 变换变为 05V(DC)电压输入) ，后两种经放大器放大到 05V(DC)后再作为 A/D 转换模板的输入。开关触点状态通过数字量输入(DI)模板输入。其中包括数字 PID 控制算法、Smith 补偿控制算法、最少拍
18、控制算法、串级控制算法、前馈控制算法、解耦控制算法、模糊控制算法、最优控制算法等。模拟控制量由 D/A 转换模板输出，一般为标准的 010mA(DC)或 420mA(DC)信号，该信号驱动执行机构如各种调节阀。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0.1 秒甚至毫秒。例如啤酒发酵微机控制系统，要求从 10降温 4 小时到 5，保温 30 小时后，再降温2 小时到 3，再保温。比如主机板(CPU 板)上 RAM 区的读写功能、ROM 区的读出功能、复位电路、时钟电路等的正确性。利用开关量输入和输出程序来检查开关量输入(DI)和开关量输出(DO) 模板。如压力变送器、
19、差压变送器、流量变送器、温度变送器以及电动或气动调节阀等。在完成 PID 控制模块开环特性调试的基础上，还必须进行闭环特性调试。所谓闭环调试就是构成单回路 PID 反馈控制系统。必须指出，由于数字 PID 控制器比模拟 PID 调节器增加了一些特殊功能。例如，积分分离、检测值微分(或微分先行) 、死区 PID(或非线性 PID)、给定值和控制量的变化率限制、输入输出补偿、控制量限幅和保持等等。先暂时去掉这些特殊功能，首先试纯 PID 控制闭环响应，这样便于发现问题。在纯 PID 控制闭环实验通过的基础上，再逐项加入上述特殊功能，并逐项检查是否正确。对于简单的运算模块可以用开发机(或仿真器) 提
20、供的调试程序检查其输入与输出关系。而对于具有输入与输出曲线关系复杂的运算模块，例如纯滞后补偿模块，只要用运算模块来替换 PID 控制模块，通过分析记录曲线来检查程序是否存在问题。这是因为，我们不可能将实际生产过程(被控对象) 搬到自己的实验室或研究室中，因此，控制系统只能做离线半物理仿真，被控对象可用实验模型代替。例如，高温和低温剧变运行试验，震动和抗电磁干扰试验，电源电压剧变和掉电试验等。例如，孔板的上下游豆丁文档代下载：http:/ （0.1 元/篇）造纸，印染染料请选择 宏浩染料推荐好文档当选：http:/ 10 章 习题1. 计算机控制系统的设计原则有哪些？2. 简述计算机控制系统的设计步骤；3. 简述计算机控制系统调试和运行的过程；
