第九章：计算机控制系统设计PPT课件

第九章计算机控制系统设计 前面讨论了计算机控制系统的过程输入输出和人机接口技术 计算机控制系统的常用控制算法以及计算机系统的可靠性技术 这就为设计过程计算机控制系统准备了硬件和软件条件 由于计算机控制系统的控制对象多种多样 使得控制要求和控制方案也千变万化 如果按计算机控制系统的规模及构成方式分类 一般可以分成两类 一类是本章将要讨论的基本控制系统 另一类是下章将要介绍的分散控制系统 基本控制系统直接面向生产过程 既可以按专用计算机控制系统来设计 也可以按通用计算机控制系统来设计 本章将讨论计算机控制系统的设计过程和原则 并结合例子对计算机控制系统的设计方法 通用软件功能模块进行讨论 9 1机控制系统设计概述计算机控制系统的设计是一个综合运用知识的过程 它不仅需要控制系统理论 模拟和数字电子技术 计算机系统硬件和软件等方面的知识 而且还需要一定的工业生产过程工艺知识 因此 在计算机控制系统的设计过程中 需要各个专业知识的综合应用 9 1 1计算机控制系统设计步骤 计算机控制系统的设计主要包括如下几方面内容 1 控制系统总体方案的确定确定计算机控制系统的总体方案 这是进行控制系统设计的第一步工作 它主要是根据被控对象的工艺要求而确定的 由于被控对象多种多样 要求计算机完成的任务也千差万别 所以确定控制系统的总体方案必须根据工艺的要求 结合具体被控对象而定 尽管如此 在总体方案设计中还是有一定的共性 大体上可以从几个方面进行考虑 确定控制系统方案 根据系统的要求 首先确定出系统的被控参数 采用开环控制还是闭环控制 或者是数据处理系统 如果是闭环控制系统 还要确定出整个系统是采用直接数字控制 DDC 还是采用计算机监督控制 SCC 或者采用分布式控制 选择测量和执行设备 根据被测参数 选择测量设备和元件 并根据被控介质的状态选择合适的执行机构 如一般系统可采用电动执行机构 易燃易爆环境可采用气动调节阀等等 选择计算机系统的输入输出方式和设备 值得说明的是在确定系统的总体方案时 对系统的软件硬件功能要作统一的综合性考虑 因为一个控制功能往往是既可以用硬件完成 也可以用软件实现 到底采用什么方式比较合适 要根据系统的实时性及整个系统的价格比综合平衡后加以确定 一般情况是用硬件完成速度比较快 可节省CPU的大量时间 但系统硬件比较庞大 而且价格较高 用软件实现则有系统硬件少 价格便宜 但要占用更多的机时 所以一般的原则是在运行时间允许的情况下 尽量采用软件 如果系统控制回路较多 或者某些软件设计比较困难时 则可考虑用硬件完成 总之 一个控制系统到底哪一部分用软件完成 哪一部分用件实现这要结合具体问题反复进行分析再确定 在确定系统的总体方案时最好与搞工艺的同志互相配合 并征求现场操作人员的意见后再进行设计 2 计算机系统设计当总体方案确定后 首要的是选择一台能满足要求的计算机系统 特别是目前微型计算机的种类繁多 如何从浩瀚的微型计算机之林里选择合适的机型 确实不是一件容易的事 下面提供几点选择机型和自行设计计算机系统时应注意的问题 供读者参考 可靠性与经济性 计算机控制系统运行在生产现场 要保证生产过程的正常和安全 计算机系统的可靠性是第一位的 这就要求采用的计算机的平均故障率低 可靠性高 在投资条件允许的情况下 应尽可能地选用可靠性较高的计算机系统和采用高质量的器件 较完善的中断系统 一般的计算机控制系统都要有实时性 这一方面是指在系统正常运行时 要求计算机有较强的控制能力 另一方面就是系统发生故障时 要有尽快的处理能力 在计算机控制系统中 这些控制及处理经常都是采用中断方式进行的 所以 一个计算机中断方式的多少是决定该系统是否能灵活进行控制的关键 实时时钟 在生产过程控制系统中 不仅采样需要一定的等间隔时间 而且往往还要求定时打印及记下事故发生的时间或者装料 出料的时间等等 因此 在计算机控制系统中 一般都有一个实时时钟 它可以用硬件实现 也可以用软件实现 或者采用软硬件相结合的办法 人机对话能力 在计算机控制系统中 由于要对计算机系统进行人工干预 所以人机对话是计算机系统很重要的手段 特别是这些作为控制用的计算机工作在现场 而现场操作人员对计算机一般不太熟悉 为此 要自行设计一个操作面板 人机接口 以便使操作人员能够很方便地与计算机进行联系 特别是为了使计算机在现场运行可靠 通常还设计有自诊断程序及自保护系统 3 计算机控制算法的设计当计算机控制系统总体方案及计算机系统确定后 选用什么样的控制算法才能使系统达到控制要求 这是非常关键的问题 这一步工作的主要任务就是确定被控系统数学模型 并根据系统数学模型确定系统的控制算法 所谓系统数学模型就是系统动态特性的数学表达式 它表示系统输入输出及其内部状态之间的关系 一般多由实验的方法测出系统的特性曲线 然后再由此曲线确定出数学模型 随着计算机技术的发展 现在经常采用的方法是计算机仿真及计算机辅助设计 由计算机确定出系统的数学模型 因而大大地加快了系统模型的建立 当系统模型确立之后 即可根据第五章或第六章讲述的方法推导出控制算法 计算机控制系统的主要任务就是按此控制算法进行控制 因此 控制算法的正确与否 直接影响控制系统的控制性能 由于控制对象多种多样 因而系统模型也各异 所以控制算法也是各种各样的 如PID控制及其变形 最小拍无波纹 具有纯滞后的无波纹数字系统 最优控制算法 自适应控制和最小均方差控制算法等等 到底采用哪一种控制算法合适 主要取决于系统的特性 如一般的控制可采用数字PID算法 对于变化比较快的 如压力等 系统可采用最小拍无波纹算法 而对于具有纯滞后的系统则温度 化工等 可采用大林算法等等 值得说明的是 一个系统采用何种控制算法合适 这没有一个绝对的定论 往往还是要根据实验确定 经常的做法是 在计算机控制系统里固化有很多种控制算法程序 可随时任意选用 经实验比较后 再确定出一种比较好的方案 往往一个系统采用不同的控制方案均能收到比较好的效果 如在温度调节系统中 可以采用数字PID算法 也可以采用大林算法 它们都能收到比较满意的效果 特别是当温度系统时间常数比较小时更是如此 4 计算机控制系统的硬件设计在计算机控制系统中 虽然计算机具有算术 逻辑运算以及存储记忆等功能 但是某些必要的硬件电路还是需要的 硬件设计的主要任务有 1 接口电路 在计算机控制系统中 由于CPU不能直接与外设打交道 所以必须通过输入输出接口电路与外设进行通信 在市售的计算机系统中 已经有一部分输入输出接口 但在用作计算机控制时 则往往还要由用户扩展一些接口 在目前微型机系统中广泛采用的接口器件有 可编程通用并行接口 如Intel8080系列的8155 8255等 可编程串行接口 如Intel8080系列的825等 显示键盘接口 如Im l8080系列的8279等 定时器接口 如Intel8080系列的8253等 多功能输入输出接口 如CROMEMCO系统中的MS550 其中有一个8位并行输入接口 一个8位并行输出接口 一个串行接口和五个定时器电路 模拟量输入输出接口板 随着大规模集成电路的发展 芯片的价格越来越便宜 因此出现许多大规模集成电路组成的专用接口板 如MS 1209 32路A D 6路D A 12位 MS 1210 8路D A 12位 MS 0800 8路A D 2路D A 8位 ADA328 32路Al3 8路D A 8位 等 2 逻辑电路除了上述这些可编程接口外 硬件部分还包括一些数据锁存器 如8212 74L273等 译码器 74LS138 ROM 2716 RAM 2114 以及各种逻辑电路 如与非门 或门 反相器以及各种触发器等等 3 操作面板操作面板也叫操作台 它是人机对话的纽带 它的主要功能有 打印 显示中间结果或最终结果 办据工艺要求 修改一些检测点和控制点的参数及给定值 设置报警装置 选择工作方式以及控制回路等 完成系统控制的各种状态切换 为了完成上述功能 操作台上必须设置一些按键或开关 并通过接口与主机相连 此外操作台上还需有报警及显示设备等等 一般情况下 为便于现场操作人员操作 计算机控制系统都要设计一个操作面板 而且要求 使用方便 操作简单 安全可靠 并具有自保功能 即使是误操作也不会给生产带来严重后果 5 计算机控制系统的软件设计众所周知 软件就是用计算机语言编写的程序 软件主要分为两大类 即系统软件和应用软件 1 控制系统对应用软件的要求A 实时性B 针对性C 灵活性和通用性D 可靠性