第七章-DDC系统设计PPT课件

计算机控制技术及应用 葛运旺 第七章DDC系统设计 本章主要内容 计算机控制系统的结构与特点 系统设计的基本要求 系统设计的特点 计算机控制系统设计的几个阶段计算机控制系统设计的一般步骤 总体设计的主要内容 硬件设计的主要内容 软件设计的主要内容 第七章DDC系统设计 要求掌握内容 计算机控制系统的结构与特点 系统设计的基本要求 了解系统设计的特点 了解计算机控制系统设计过程中各个阶段的主要工作 掌握计算机控制系统设计的步骤 如何确定控制任务 如何选择控制计算机 采用何种控制方法和控制算法 如何起草系统总体设计方案 软硬件设计时应考虑哪些问题以及设计的一般步骤 第一节概述 准备阶段主要是根据厂方要求 进行现场考察 写出可行性报告 包括技术难点 经费估算 工期以及项目投入使用以后的经济效益分析等 然后是可行性报告的方案论证 包括技术可行性 经费可行性和计划进度的可行性 设计阶段主要是根据系统要求 进行详细的系统总体方案设计 总体方案设计以后便是系统硬件设计和软件设计 实验室仿真和调试包括实验室硬件联调 软件联调和仿真 仿真包括三种类型 数字仿真 或称计算机仿真 半物理仿真 或称硬件闭路动态试验 及全物理仿真 或称在模拟环境下的全实物仿真 现场联调投入运行阶段包括仪表及控制设备的安装与检查 设备安全防护措施 手动运行 自动运行 组织验收等过程 系统工程项目研制的几个阶段 第二节计算机DDC系统的总体设计 计算机DDC系统的总体设计一般包括总体方案设计 硬件设计和软件设计3大部分 总体方案的设计 一般需要经过论证及确定初步方案 在设计和工作过程中不断修正 最后定案这样3个阶段 第二节计算机DDC系统的总体设计 一 确定控制要求 作为计算机DDC系统的设计人员 在进行总体方案设计时 首先应对控制对象的工作过程作深入细致的调查分析 要熟悉其工艺过程 详细了解各生产环节对工艺参数要求 充分考虑用户 操作者 对生产过程 或装置 进行控制时的操作规律 这样 才能根据实际应用中的问题提出具体合理的控制要求 确定系统所要完成的任务 最后以设计任务说明书的形式制订出整个计算机DDC系统的控制方案 作为各项设计的依据 计算机DDC系统的控制要求一般由设计人员与用户一起 根据生产过程 或装置 的实际情况提出 它包括 1 控制回路数的确定和要求 2 检测回路数的确定和要求 3 需要显示和打印信号的确定和要求 4 保护装置的确定和要求 5 报警信号点的确定和要求 6 其它需要考虑的特殊要求 第二节计算机DDC系统的总体设计 二 总体设计内容 1 控制回路 控制回路需要解决的问题是确定回路数和对输出控制信号的要求 控制回路数的确定 要从安全可靠和经济因素综合考虑 计算机的功能强弱可以决定控制回路数的多少 采用单片机的DDC系统控制回路数一般宜取8个或8个以下 输出控制信号的形式是根据执行机构的要求确定的 常用的执行机构有电动的 气动的和液动的几大类 不同的执行器对输出控制信号会提出不同的要求 如模拟量 数字量 开关量还是脉冲量 电平高低 负载大小 是否隔离等等 总体设计时应该根据这些要求来配置DDC系统的输出接口 第二节计算机DDC系统的总体设计 二 总体设计内容 2 检测元件 检测元件就是传感器 又称 一次测量元件 它是把控制对象的原始状态的非电参数转化成电量的重要设备 其转换精度影响到整个控制系统的精度 选择传感器时应尽可能采用数字化传感器 这样可以直接向计算机提供数字信号 减少了A D转换环节 有利于提高响应速度和系统精度 第二节计算机DDC系统的总体设计 二 总体设计内容 3 采样周期 采样周期按香农定理来确定 由于实际上按香农采样定理来确定一个控制系统的采样周期十分困难 一般实际设计时都按经验来确定系统的采样周期 采样周期的确定需要设计人员统筹考虑 周期取大会使系统的稳定性和动态品质变差 而取小了则会受到CPU运算速度 控制程序运行时间和执行机构动作响应速度的限制 第二节计算机DDC系统的总体设计 二 总体设计内容 3 采样周期 采样周期T的选取必须要满足香农定理 采样周期T必须大于系统采样时间 数据处理时间和控制输出时间的总和 采样周期T必须大于执行器执行时间 对于纯滞后的系统 采样周期T应尽量接近或等于系统滞后时间的整数倍 采样周期T应尽量小于控制对象扰动信号周期 第二节计算机DDC系统的总体设计 二 总体设计内容 4 计算机机型选择 机型选择的准则是 字长适宜 速度较快 指令丰富和中断功能强 计算机的字长应符合两个要求 一是要符合精度要求 二是要与数据总线的线数相适配 字长长则处理数值的范围宽 精度也高 但要求的存储空间就会增加 因此应该根据设计的控制系统精度要求来确定字长 不宜一味追求字长长的微型机 计算机的运行速度 主要根据实时控制的要求来选择 应该选择时钟频率较高的计算机或微处理器 指令系统是反映计算机功能强弱的主要依据 指令的种类越多 寻址方式的种类越多 完成相同功能所需的指令条数就会减少 程序就会简化 执行的速度也会提高 所以说丰富的指令系统可以给软件编制带来很大的好处 也能提高计算机DDC系统的实时性指标 中断是各种输入设备和计算机外设向计算机输送信息的方式 是计算机实现分时控制的重要保证 第二节计算机DDC系统的总体设计 二 总体设计内容 5 控制策略与控制算法 用计算机控制一个生产过程时 必须先根据被控制过程的特性选择一种控制规律 这种规律反映控制器输入的系统反馈量和输出控制量的变化关系 用以描述这一关系的数学表达式称为控制算法 将这种算法编写成的计算机程序则成为实现这一控制规律的控制程序 利用计算机实施控制时 实际上是计算机在不断反复执行上述控制程序 通过它输出的控制量作用于执行机构 达到对生产过程控制的目的 所以控制规律或控制算法是计算机进行控制运算和处理的依据 第二节计算机DDC系统的总体设计 二 总体设计内容 6 字长的选择 字长的选择包括A D转换器字长的选择 D A转换器字长的选择以及算术逻辑部件的选择 一般情况下 A D的字长由系统的测量精度决定 A D的转换误差应小于测量精度的1 2 如要求测量精度为1 考虑到A D采样的误码 1LSB 及精度为 1 2LSB 采用8位以上的A D较为合适 D A转换的字长一般取A D的字长减去两位 算术逻辑部件的字长取A D字长加上4位 第二节计算机DDC系统的总体设计 二 总体设计内容 7 操作规范 操作规范是计算机DDC系统实现人机对话的规定形式 是系统软件设计的主要依据 操作规范的使用者是用户 操作人员 所以制订操作规范时必须充分尊重用户的职业习惯 力求方便易学 操作规范应该越详尽越好 一旦制定 不要轻易变动 否则将会造成软件设计的重大反工 操作规范需要明确规定的主要内容是 1 计算机DDC系统开机运行时的操作步骤 2 用键盘输入信息和修改参数的方法 3 显示的内容 格式 时间及其含义 4 打印制表的内容 格式和时间 5 报警值的确定和报警形式 6 发生故障时的应急处理办法 第二节计算机DDC系统的总体设计 二 总体设计内容 8 系统运行的可靠性 通用性和可扩充性 系统运行的可靠性是总体设计的重要内容 一般的计算机DDC系统都是不间断长期运行的 所以在确定各部分的具体设计方案和元器件选用时必须考虑这个因素 留有足够的余量 以适应长期运行的需要 一旦系统发生故障 必须考虑故障处理的应急措施 避免造成更大的危害 一个计算机控制系统 一般要控制多个设备和不同的过程参数 但各个设备和控制对象的要求是不同的 控制设备会更新 控制对象会有增减 系统总体设计时应考虑能适应各种不同设备和各种不同的控制对象 使系统不必大改动就能很快适应新的情况 这就要求系统的通用性强 能灵活地进行扩充 系统设计时 对电源功率 CPU的工作速度 内存容量 输入输出通道等指标 均应留有一定的余量 以增加整个控制系统的可扩充性 第二节计算机DDC系统的总体设计 二 总体设计内容 9 系统造价 可以说在进行总体设计时 费用问题贯穿始终 对于一个工程 考虑最多的是可靠性和时间 对于一个产品 考虑最多的则是价格和可靠性 在设计时如果软件和硬件都能实现的功能应尽量用软件实现 实现同一功能的两个硬件线路 在可靠性基本相同的情况下 应该考虑的也应是其价格 只有这样 才能降低系统的造价 提高产品的竞争力 第二节计算机DDC系统的总体设计 三 控制系统的结构框图和系统主要技术指标 计算机DDC系统的总体方案设计完成后 便可确定整个控制系统的结构框图 建立结构框图是为了以后的硬件和软件的具体设计规定正确方向 同时明确计算机与各外部设备间的关系 第三节计算机DDC系统的硬件设计 一 输入输出通道的设计 1 模拟量输入输出通道 模拟量通道大部分位于计算机DDC系统的输入部分 其作用是传输生产现场 或装置 各种传感器检测到的模拟信号 有时 某些执行机构也需要用模拟量控制 在这种场合 计算机DDC系统的输入和输出部分都要进行模拟量通道设计 1 模拟量输入通道的设计 主要是根据系统的测量精度和速度确定A D转换器的位数和类型 根据输入通道的多少确定A D芯片的多少或多路模拟开关的路数 一般情况下 A D转换器的精度与测量传感器的精度应为同一数量级 比要求达到的精度高一个数量级 对于大多数工业应用场合 逐次比较式A D转换器都可以满足速度上的要求 一般的控制系统都有多路模拟量输入 为了降低造价 一般采样一块A D芯片 用多路开关切换模拟量输入 多路开关有单端输入和双端输入两种 双端输入抗扰性强 造价高 第三节计算机DDC系统的硬件设计 一 输入输出通道的设计 1 模拟量输入输出通道 2 模拟量输出通道的设计 D A芯片的位数根据控制精度选择 一般D A的位数比A D的位数少两位 对于多路模拟量输出通道 也可以采用一块D A芯片加多路开关转换及保持电路实现 但由于D A芯片造价不高 D A输出保持时间长等原因 目前基本不用此种方法 一般情况下 有几路D A输出就用几块D A芯片 3 通道与计算机的接口设计 经过A D转换的数字信号要通过接口输入计算机 计算机的输出信号也要由接口输出 接口设计的重要性由此可见 A D D A通道与计算机之间的接口主要采用并行接口 第三节计算机DDC系统的硬件设计 一 输入输出通道的设计 2 开关量输入输出通道 开关量通道设计比较简单 由于开关量的输入输出只是二进制代码 每一位代码表示一个输入输出对象的状态 所以相对而言其技术比较简单 建立通道的成本也较低廉 开关量的输入通道提供两种状态 高电平 1 和低电平 0 不存在精度和幅值问题 开关量的输出通道常设计为具有记忆形式 即在计算机不改变输出状态之前 输出通道一直保持原来的状态不变 开关量输出的负载一般为继电器 指示灯 可控硅 步进电机线圈等 当有感性负载时 要有保护电路即时释放线圈存储的磁能 以免损坏输出通道设备 第三节计算机DDC系统的硬件设计 二 电源的设计 由于工业现场运行的大功率设备极多 特别是大感性负载的启动和停止会造成电网的严重污染 使得电网电压大幅度涨落 浪涌 工业电网电压的欠压或过压常常达到15 以上 这就对工业控制计算机的电源的可靠性和抗扰性提出了极高的要求 目前 控制用直流电源主要设计成如下两种形式 普通直流电源和高抗扰性开关电源 普通直流电源是直接用市电先经交流稳压 降压后再进行整流 直流稳压输出而成 结构简单 造价低 适用于电网电压波动小 要求容量小 电源种类少的场合 容量较大 电源种类较多的情况下 一般采用高抗扰性的开关电源 这种电源采用20MHz的脉宽调制技术 首先将市网220V交流电压经降压 整流产生一定幅值的直流电压 然后调制成20MHz的交流电压 再经降压 整流 滤波和稳压后输出 这种电源输入范围广 180V 260V 抗扰性强 效率高 工业上使用很广 另外 用于生产过程控制的计算机DDC系统 为了防止电源串入干扰 一般都宜与照明 动力供电线路分开 使用单独的变压器供电 在电源设计上 电源设备的容量一般要留有余量 50 100 以保证长期工作的需要 除了计算机必须具有掉电保护电路和备用电池之外 重要的计算机DDC系统还应配备不间断电源 UPS 第三节计算机DDC系统的硬件设计 三 控制面板的设计 控制操作台是计算机DDC系统中人机交往的重要设备 控制操作台 控制面板 的设计 应该遵循安全方便的原则 根据实际需要而确定 控制操作台的设备一般分为操作器件 显示器件 打印装置和报警装置4类 四 存储空间的设计 存储空间的设计与软件设计关系密切 软件程序的长短直接决定了硬件存储器容量的设计值 一般8位计算机DDC系统配置的ROM 包括EPROM或PROM 可以考虑为4K 16K容量 而RAM 常为静态RAM 则考虑256K 4M容量 当容量要求过高时 应该进行存储器扩展 第四节计算机DDC系统的软件设计 一 对计算机DDC系统软件的要求 1 实时性2 可靠性3 人机交往功能4 编制软件使用的语言 第四节计算机DDC系统的软件设计 二 软件设计任务规划 软件设计任务的规划主要是解决软件的分类 各种数据的类型和结构 资源分配等问题 1 软件分类计算机DDC系统的软件从功能角度可分为两大类 一类是执行软件 它能完成各种实质性的功能 如测量 计算 显示 打印 输出控制等等 另一类是监控 管理 软件 它在整个系统软件中起组织调度作用 专门用于协调各执行模块与操作者的关系 2 数据类型和结构计算机DDC系统有多个输入输出通道 各种参数的大小 单位和格式各不相同