计算机控制系统-软件设计PPT课件

计算机控制系统 软件设计与应用 概述 数据采集系统的软件设计 人机接口及人机界面简介 计算机控制技术 工控软件简介 本章小结 思考题 计算机控制系统软件构成 程序设计语言 汇编 高级语言 VB VC C C Delphi 数据库管理系统 大型数据库 DB2 Oracle Sybase Informix Web数据库桌面数据库 Excel Access SQLServer 实时数据库 InfoPlus PI ONSPCE 工控软件平台 几十种 如组态王KingView KingACT InTouch InControl iFIX Citcet WinCC Step7 过程监视 巡回检测数据处理 有效性检验 数字滤波 标度变换 报警 过程分析人机界面 过程控制 开环 闭环控制 简单 复杂 先进控制 信息管理 Windows Unix Linux OS 2 概述 分类 开发应用软件的一般过程 概述 组态软件的开放性 遵从IEC61131 3标准 OPC规范 数据采集系统的构成及功能 数据采集系统的软件设计 数据采集系统的软件设计流程图 数据采集系统的数据处理 数据采集程序流程 有效性检查 数字滤波 线性化处理 工程量 标度 变换 报警处理 数据处理 滤波 硬件滤波 如RC滤波器 能有效地抑制高频干扰 软件滤波 数字滤波 滤波 数字滤波 数字滤波 递推平均 数字滤波 限幅 限速滤波 对抑制带有随机性的干扰较为有效 算术 梯推平均法 对周期性的干扰有良好的抑制作用 适于快变参数 线性化处理 许多传感器 变送器输出的信号与被测参数之间常存在明显的非线性 如 热电偶的热电势EAB t t0 与温度t 流量F与 P等 采集进计算机的值是EAB t t0 P 欲得实际被测参数的值 如 温度t 流量F 需对采样值进行线性化处理之后才能获得并显示 为何要进行线性化处理 热电偶的线性化处理热电偶输出的热电势EAB t t0 与温度t之间往往是非线性的 计算法 t a4E4 a3E3 a2E2 a1E a0 线性化处理 不同的热电偶其非线性的程度也不一样 但均可用下式来表示 线性化处理 平方根可用牛顿迭代公式 高级语言的平方根函数来计算 非计算法 折线法 分段线性化 因简单实用 在工程上得到广泛应用 线性化处理 Yx Yk 1 Kk X Xk 1 Kk Yk Yk 1 Xk Xk 1 例 某系统用镍铬 镍硅热电偶测温 其测温范为400 1000 则先将测温范围按每60 一段划分成10段 折线上各折点的t E值如表所示 线性化处理 已知 某时刻测得热电势Ex 34 66mv 则温度t 线性化处理 工程量 标度 变换 为何要进行工程量变换 有量纲的过程参数 如 温度t 压力P Pa 流量F m3 h 工程量变换公式 适用于线性传感器或经过线性化处理的参数 工程量 标度 变换 例 某烟厂用计算机数据采集系统采集烟叶发酵室的温度变化情况 该室温度测量范围是20 80 采用线性温度传感元件测温并用8位A D转换器进行转换 对应的输出为00H FFH 某一时刻 计算机采集到的数字量为0B7H 计算所对应的温度t的大小 解 由已知条件得 Ymax 80 Ymin 20 Nmax FFH 255 Nx 0B7H 183 Nmin 0 因Yx Ymin Ymax Ymin Nx Nmin Nmax Nmin 则 Yx 20 80 20 183 255 63 06 工程量 标度 变换 例如 当A D为12bit 或16bit 转换出的满量程采样值为212 1 4095 或216 1 65535 如果某数据采集板卡的双极性输入为 5V 5V 则 5V 0V与0 2048 或0 32767 对应 0V 5V与2048 4095 或32767 65535 对应 如果某数据采集板卡的单极性输入为0 5V 则分别与0 4095 或0 65535 对应 报警处理 报警记录的数据结构 报警时间 区域 单元 位号名称 报警参数名称 工程单位 参数值 报警类别 报警级别 报警限值 报警状态 报警确认状态等 报警处理方法 编程和组态设置 报警处理 人机接口及人机界面简介 人机接口的发展 传统的人机接口 40 60年代 人走向信息 仪表盘台 模拟显示仪表 数字的LED显示仪表 CRT显示器与仪表盘台共存 60年代末 80年代 现代人机接口 CRT操作站 信息走向人 DCS的出现 各级的多个CRT操作站通过网络互连 实现信息的共享 集中监视和管理 在实际过程中 常并列设置多台CRT操作台 一般2 3台 以提高相互备用的冗余性 传统的人机接口 CRT显示器与仪表盘台共存 现代人机接口 CRT显示画面 人机界面 的种类 人机界面 总貌画面 组画面 控制画面 流程图画面 点画面 趋势画面 报警画面 工控软件简介 常用的工控组态软件 工控软件支持多种I O设备 通过DDE OPC ODBC等接口可实现多种软件平台的信息交换 工控软件向标准化 IEC 61131 3 通用化与开放化方向发展 控制组态软件 InControlTM 也称 软PLC 在PC机上实现控制 Step7 用于S7 300 400PLC Leader ControlBuilder 用于UMC800控制器 RSLogix 用于AB的PLC 监控组态软件 国外 iFIX InTouch Citect WinCC RSView32 国内 组态王 KingView 力控 ForceControl 昆通仑态 MCGS 常用的工控组态软件 常用工控组态软件 FIX iFIX InTouch InControl KingACT WinAC PlantScape Citect 组态王KingVIEW 监控组态软件 Leader lineControlBuilder WinCC STEP7V5 3 5 4 力控FoceControl AB的RSView32 控制组态软件 昆仑通态MCGS AB的RSlogix5000 研华AdvantechStudio 研华KWMULTIPROG 研华ADAMView数据采集软件 组态王 组态步骤 选择I O设备 需要硬件设备时 板卡组态 PLC设备组态 亚控仿真PLC 变量的定义 实际I O AI AO I O实数 DI DI I O离散 内存I O AI AO 内存实数 整数 DI DI 内存离散 画面绘制 变量动画连接 命令语言的编写 内存变量或要求在一定范围内变化 全部保存并重启 切换到 View 查看运行结果 选择I O设备 需要硬件设备时 板卡组态 组态步骤 组态步骤 无硬件时 需进行仿真模拟可选择亚控仿真PLC或直接定义I O变量为内存型 实型 整型 离散 组态步骤 板卡I O点定义 最小值原始 最大值原始是根据A D转换位数确定的 组态王6 01版本 数据类型 INT 组态王6 5版本 数据类型 SHORT 组态步骤 仿真PLC的I O定义 组态步骤 内存I O定义 I O定义示例 画面绘制 组态步骤 组态步骤 变量动画连接 命令语言的编写 组态步骤 组态步骤 全部保存并重启 切换到 View 查看运行结果 计算机控制技术 计算机控制技术 SFC 步进电机的控制 在步进电机控制系统中 最主要的问题之一就是产生所要求的时序脉冲信号 1 脉冲信号的形成 1 软件形成 程序延时 2 利用定时器延时 形成脉冲信号 2 时序脉冲信号的形成步进电机的旋转方向与通电顺序及通电方式有关 三相步进电机通常采用三种通电方式 三相单三拍方式 三相双三拍方式 三相六拍方式 步进电机的控制 三相步进电机时序脉冲产生方法 8031的P3 0 P3 1 P3 2分别控制三相电机的A B C三相绕组 根据通电方式 确定控制模型 按控制模型的顺序向步进电机输入控制脉冲 计算机闭环控制技术 PID控制作用的动态响应效果 PID的控制作用是什么 提供线性的放大 缩小控制作用 并通过积分作用消除稳态误差 而通过微分作用预测未来 PID控制的数字算法 工程整定及改进算法 PID的含义 是指按偏差的比例P Proportion 积分I Integration 和微分D Differentiation 的线性组合 数字PID控制算法和单回路控制系统是计算机控制技术中最基本的 也是应用最广的技术 尤其适用于对象特性未知的工业场合 80 90 控制回路采用PID 理想微分模拟PID控制器 一 理想微分PID控制的数字算法 一 理想微分PID控制的数字算法 位置型PID 数字PID控制算法 位置型PID和增量型PID u k u k u k 1 KP e k Kie k Kd e k e k 1 增量型PID u k u k 1 u k 位置型PID单回路控制系统原理框图 位置型PID u k 是全量输出 与阀门的位置一一对应 u k 与过去的状态有关 需进行累加计算 e jT 占内存且计算量大 计算机出故障时 会引起执行机构位置的大幅度变化 增量式PID控制程序流程图 增量式PID单回路控制系统原理框图 增量型PID u k Ae k Be k 1 Ce k 2 计算机输出的是增量 u k 对应执行机构位置的变化量 误动作时影响小 手动 自动切换时冲击小 不需累加 计算量小 系统的动态性能较位置式的好 数字PID需整定四个参数 Kp Ti Td及T整定出合适的PID参数之目的 使被控制系统达到稳 准 快 即使被控参数的动态响应曲线达到4 1衰减 数字PID参数的工程整定方法 二 数字PID参数的工程整定 扩充临界比例度法 数字PID参数的工程整定方法 扩充响应曲线法 数字PID参数的工程整定方法 数字PID参数自寻优控制系统程序流程图 数字PID参数的工程整定方法 理想微分PID控制的数字算法 工程整定 小结 新型PID控制 将自适应 模糊 神经网络 专家 预测等先进控制技术与常规PID控制技术相结合 以获得更好的控制品质 数字PID参数整定是否合适对控制系统的控制品质至关重要 常用的工程整定方法有 试凑法 PID归一化参数整定法 扩充临界比例度法 扩充响应曲线法和PID参数的自整定法 可根据实际情况选择其整定方法 MatlabSimulink 基于MatlabSimulink的PID控制仿真 MatlabSimulink的PID控制模块封装 MatlabPIDControl m Kp的影响 MatlabPIDControl m Ti的影响 MatlabPIDControl m Td的影响 PID控制模块 理想微分PID控制的数字算法 PID控制模块 为何要采用实用微分PID 理想微分PID控制实际控制效果并不理想 当e k 为阶耀信号时 微分D作用仅能维持一个采样周期 又由于执行机构的动作速度有限 既使e k 较大 执行机构还来不及执行D作用 就消失了 使得D作用不能充分发挥 常见实用微分PID控制算法的类型 三 实用微分PID控制算法 采用实用微分PID控制算法的目的是使D作用能缓慢地维持多个采样周期 使得执行机构能较好地跟踪D作用的输出 而得到较好的控制品质 显然 UP s UI S 与理想PID相同 只有UD s 不同 只需将UD s 进行离散化处理 实用微分PID控制算法 整理后得 实用微分PID控制算法 实用微分PID控制算法 可见 理想微分PID中的微分仅能维持一个采样周期 使控制质量欠佳 实用微分PID控制算法 四 数字PID的改进算法 四 PID的改进算法 积分分离PID计算机控制系统原理图 积分分离法 积分分离PID程序流程图 积分分离法 偏差较大时 取消积分作用 以免积分作用使系统超调 稳定性减弱 当偏差较小时 引入积分作用 以便消除静差 提高控制精度 积分分离法 带死区的PID 在计算机中人为地设置一个不灵敏区e0 可调 根据实际对象 由实验确定 以避免控制系统频繁动作 当 e k e0时 其控制输出维持上一次的输出 当 e k e0时 则进行正常的PID控制 带死区的PID 思考题及作业 一 8 自选一个工业生产过程 用组态王或InTouch设计其人机监控画面并能动态运行 以便观察数据的动态刷新或趋势变化 完成之后 提交上机报告 1 IEC61131 3是什么标准 它定义了哪几种编程语言 2 为何要进行数据处理 一般有哪几种方法 3 数字滤波的方法有哪些 各有何特点 4 为何要进行工程量变换 写出表达式 某温度系统的最大范围为 20 60 采用近似线性的铂热电阻进行测温 经相应的变送器转换输出1 5V的模拟电压 并送A D板实现数据采集 其中A D板的输入范围为0 5V 输出为000H FFFH的12位数字量 如果采样值为E8FH时 所对应的温度值是多少 5 常见的CRT画面有哪几种 各自的含义是什么 6 组态软件有几大类 各自的主要功能是什么 7 常见的工控组态软件有哪些 监控画面的组态一般有哪几个步骤 思考题及作业 二 10 已知某计算机控制系统的A D转换器采用ADC0809 D A采用DAC0832 采用单回路控制 并采用PI算法 即 试画出整个系统的计算机控制原理框图及程序流程图并确定PID的参数 9 已知工业锅炉的汽包水位是一个非常重要的参数 为保证锅炉的安全运行 需将水位控制在150 50mm的范围内 并将水位的变化动态地显示出来 试用高级语言编写水位的趋势画面程序并用随机数产生100点150 50mm范围内的数值来模拟水位的变化 选做 思考题及作业 三 11 如图1所示单回路控制系统 G s 为被控对象 T为采样周期 请用高级语言或Matlab 编写基于增量型PID或位置型PID控制算法的单回路控制系统仿真程序 1 试分析PID参数的变化对系统的影响 2 应用某种PID参数整定方法 确定PID参数并进行系统仿真 观察所确定的PID参数是否能满足 3 提交上机实验报告 包括 仿真程序设计说明 仿真程序 仿真结果及分析 提示 先要对G s 进行离散化处理 r k 可视为阶跃输入 图1单回路控制系统原理方框图 软件是计算机控制系统的灵魂 好的应用软件将能充分发挥硬件的功能 应用软件的开发主要基于系统的功能要求及过程的控制策略 应用软件开发的方法主要有编程和组态两种 控制系统的方案及其计算机控制原理方框图是编程或组态的基础 组态软件的主要目的 使用者在生成适合自己需要的应用系统时 不需要修改软件的源代码 大大缩短了软件开发时间 降低开发成本 而且功能强大 运行可靠 组态软件向标准化 模块化 开放化 网络化方向发展 数据采集系统的功能 数据采集 数据处理 报警 显示 打印 存储等 数据处理包括 数字滤波 线性化处理 工