控制系统设计与工程实现培训课件.ppt

第十一章控制系统的设计和工程的实现，本章要点1 .学习计算机控制系统的设计原则。 2 .初步掌握计算机控制系统的设计步骤。 3 .学习实例，认识和初步掌握单片机、IPC和PLC控制系统的设计思路。 本章的主要内容为，引言11.1控制系统的设计原则11.2控制工程的实现步骤11.3控制工程的应用例本章的总结思考问题，引言，计算机控制系统各部分的结构构成、工作原理，硬件和软件技术，控制规则算法和典型的控制装置类型，讨论了它由于控制对象多种多样，因此对控制系统要求的功能也各不相同，计算机控制系统的构成方式和规模也多种多样。 11.1控制系统的设计原则对不同的控制对象，系统的设计方案和具体技术指标不同，但控制系统的设计原则相同。 它满足了工艺要求，可靠性高，操作性好，实时性高，通用性强，经济效益高。 主要内容是：要满足工艺要求的可靠性，操作性高，实时性高，通用性高，经济效益高；(1)要满足工艺要求，在设计计算机控制系统时，首先要满足生产过程中提出的各种要求和性能指标。 计算机控制系统是生产过程的自动化服务，所以在设计之前必须熟悉和理解流程。 系统设计师必须与技术人员密切合作，设计出满足生产流程要求和性能指标的控制系统。 设计的控制系统达到的性能指标不应该低于生产技术要求，但单方面追求高性能指标，忽视设计成本和实现的可能性也不可取。 (2)可靠性高，对产业控制的计算机系统最基本的要求是可靠性高。 否则，系统故障可能导致整个控制过程的混乱，导致严重的结果，由此产生的损失往往大大超过计算机控制系统本身的价值。 工业生产过程，特别是连续生产过程的企业，不允许存在故障率高的设备。 系统可靠性是指系统在规定条件和规定时间内完成规定功能的能力。 在计算机控制系统中，一般用系统的平均故障时间MTBF和平均修理时间MTTR来表示可靠性指标。 MTBF反映了系统可靠的工作能力，MTTR表示系统故障后立即重新开始工作的能力，MTBF通常大于某个规定值，MTTR的值越短越好。 因此，在系统设计时，首先要选择高性能的产业控制计算机，保证在恶劣的产业环境下也能正常工作。 其次，设计了可靠的控制方案，具备报警、事故预测、事故处理、不间断电源等各种安全保护措施。 为了防止计算机故障，还需要设计备用装置。 在一般的控制电路中，手动操作器作为备份使用在重要电路中，通常的控制仪表作为备份使用。 这样，如果计算机发生故障，就把备用装置切换到控制电路，维持生产过程的正常运行。 对于特殊的控制对象，可以设计成两台计算机相互交替执行控制任务，形成双系统。 在大规模的系统中，注意功能的分散，可以采用分散控制系统和现场总线控制系统。 (3)操作性好，操作性好，有使用方便和维护容易两个意思。 首先容易使用。 在系统设计时，要尽量考虑用户的易用性，特别是操作面板的设计，体现操作的先进性，考虑传统的操作习惯。 控制开关并不太复杂，要尽量降低使用者对专业知识的要求，使他们在短时间内熟悉和掌握操作。 其次，修理容易，一旦发生故障，就容易进行检索和故障排除。在硬件方面，从必须考虑部件的排列位置、标准化的模板结构、带电插拔是否容易等的软件的观点来看，构成错误检查和诊断程序，帮助程序在故障发生时发现故障发生的地方，故障排除(4)实时性强，计算机控制系统的实时性能及时应对内部和外部事件，进行相应的处理，不丢失信息，不延迟操作。 计算机处理的事件通常分为两类。 一种是在定时事件(例如数据的定时收集、运算控制等)下，必须对该系统设置时钟以保证定时处理。 另一个是随机事件，如事故警报等，要对该系统设置中断，根据故障的轻重缓急分配中断等级，保证事故发生时优先处理紧急故障。 (5)通用性好，工业控制的对象千差万别，计算机控制系统的开发需要一定的投资和周期。 一般地，为一台装置或生产过程开发专用计算机是不可能的，通常要设计或选择通用性高的计算机控制器来灵活地构成系统。 在设备或控制对象变更的情况下、或设计了其他的控制系统的情况下，通用性高的系统一般只需稍加变更或扩展就可以适应。 计算机控制系统的共同灵活性体现在两个方面：一是在硬件设计方面，首先采用标准总线结构，配置各种共同的功能模板和功能模块，在需要扩展的情况下，只需要增加相应的板和块就可以实现CPU的升级其次，系统设计时，各设计指标必须有一定的馀地。 例如输入输出信道指标、存储器容量、电源功率等。 二是软件，采用标准模块结构，尽可能不进行二次开发，主要根据要求选择各种软件功能模块，灵活地进行控制系统的构成。 (6)经济效益高，计算机控制应带来高经济效益，需要市场竞争意识。 经济效果表现在两个方面：一是系统设计的性能价格尽可能高，满足设计要求，尽可能采用质量好、廉价的零件；二是投入产量尽可能低，提高生产产品的质量和产量，减少能源消耗量，消除污染11.2控制工程的实现步骤，主要知识点简要介绍了11.2.1准备阶段11.2.2设计阶段11.2.3仿真和调试阶段，并作了简单介绍，作为计算机控制系统的工程项目，需要认真考虑在设计开发过程中应该经过哪个阶段步骤不明确的情况，或者一步一步地不清楚该做什么的情况，有可能引起研究开发过程的混乱和重做。 计算机控制系统的开发过程一般分为准备阶段、设计阶段、仿真和调试阶段和现场调试运行阶段4个阶段。 在11.2.1准备阶段，一个工程项目研发实施的开始阶段，首先面临的问题是甲和乙之间的双方的合同关系。 甲是任务的委托人，乙是任务的接受人。 图14-1显示了系统开发准备阶段的流程，该流程适用于甲方和乙方两者。 14-1系统开发准备阶段的流程，14-1系统开发准备阶段的流程，1 .甲提交任务委托书2 .乙讨论任务委托书3 .双方确认修改委托书4 .乙开始系统整体的计划设计5 .乙进行计划可行性论证6 .签订合同，对乙进行系统本委托书一定要准确的系统技术性能指标，还包括经费、计划进度和合作方式等。 1、甲方提交任务委托书时，乙方在收到任务委托书后，要认真阅读，逐一研究。 必须把认识上的分歧、补充和修改必要的地方一条一条地写下来，再制作明确的问题和修改意见。2 .乙方在讨论任务委托书后，乙方必须认真讨论委托书的确认和修改问题。 确认或修改的委托书不应该有意义不明的词汇和条款，必须明确双方的任务和技术接口。 3、双方确认修改委托书，任务和经费尚未执行，因此此时整体方案的设计只有粗线。 但是，必须反映技术难点这三个重要问题的经费概算工期。 乙方必须制定几个不同的方案来进行比较。 4、乙方初步进行系统整体方案设计，方案可行性论证的目的是估计接受这项任务的自信，为合同后设计阶段的整体设计奠定基础。 论证的主要内容是：技术的可行性经费的可行性进展计划的可行性。 特别指出应该充分重视控制项目，特别是可测量性和可控制性。 论证的结果可能的话，必须在合同签字前做好准备，必须进一步协商甲方和任务委托书的有关内容，修改条款。 如果不能修改，合同就不能签订。 5、乙方进行方案可行性论证，这是准备阶段的最后一步。 合同是双方同意的结果，也是今后双方合作的唯一根据和证明书。 合同中必须包括双方的任务划分和各自应承担的责任，合作方式支付方法进度和计划的安排检查方式和条件成果的归属违反合同的解决方法等。 合同的最后签订，意味着双方认可的整个系统方案已经确定，进入下一个设计阶段。 6 .合同的签订、11.2.2设计阶段、控制系统的设计阶段可分为整体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段。 1 .整体设计硬件设计3 .软件设计，1 .整体设计，整体设计理解控制对象，熟悉控制要求，确定整体技术性能指标，确定系统构成方式和控制装置和现场设备的选择，控制规则算法和其他特殊功能要求。 (1)确定系统任务和控制方案(2)确定系统的构成方式设计(3)选择现场设备(4)确定控制算法(5)确定硬件、软件功能的区分(6)其他方面的想法，在进行系统设计前，首先要考虑控制对象的然后，根据系统的要求，决定是采用开环控制还是闭环控制的闭环控制，还需要进一步决定是单环还是多环，此外，还需要对整个系统采用DDC、SCC、DCS或(1)确定了系统任务和控制方案，控制方案确定后，可以进一步确定系统的构成方式，进行控制装置机种的选定。 目前生产了很多工业控制用的计算机装置，例如可以选择单片机、可编程调节器、IPC、PLC和DCS、FCS等。 (2)决定系统的构成方式，在以模拟为中心的中小规模的过程控制环境中，优先选择总线式IPC来构成系统的方式是一般的以数字量为中心的中小规模的运动控制环境中，一般是优先PLC来构成系统的方式。 IPC和PLC具有系列化、模块化、标准化、开放系统结构，有助于系统设计者在系统设计时根据要求任意选择，像积木一样构建系统。 这种方式可以提高系统的开发和开发速度，提高系统的技术水平和性能，提高可靠性。 在系统规模小、控制电路少的情况下，如果是可采用可编程调节器或控制仪表的小型控制装置或智能设备仪表的开发设计，则可以采用单片机系列。 系统规模大，自动化水平要求高，集成控制和管理的系统可以由DCS、FCS、高级PLC和其他工程网络组成。 主要包括传感器、变送器、执行器的选择。随着控制技术的发展，测量温度、压力、流量、液位、成分、位移、重量、速度等各种参数的传感器种类很多，规格不同的驱动器有模拟驱动器、数字驱动器、电动、气压、液体运动等。 因此，如何正确地选择这些现场设备并不简单，其任何阶段都影响系统的控制任务和控制精度。 (3)选择现场设备，选择哪种控制算法能达到系统要求的控制指标，也是系统设计的重要问题之一。 控制算法的选择与系统的数学模型相关，在系统的数学模型确定后，可以导出适当的控制算法。 数学模型是系统的动态特性的数学公式，表示系统的输入输出及其内部状态的关系。 通常通过实验测量系统的阶跃响应特性曲线，根据曲线确定其数学模型。 系统模型确定后，就可以确定控制算法了。 计算机控制系统的主要任务是根据这种控制算法进行控制。 因此，控制算法是否正确直接影响控制系统的调整质量。 (4)决定控制算法的控制对象多种多样，对应的控制模型也不同，因此控制规则及其控制算法也多种多样。 在一般的简单生产过程中，多采用p、PI或PID控制的情况对复杂的过程要求高生产过程，在一般的PID达不到性能指标的情况下，在其他的控制规则中，必须采用串联级、前馈、自适应等的高速跟踪系统中， 可以选择最低发射控制具有纯滞后的控制对象，可以选择纯滞后补偿或大林控制。对于具有非线性特性的控制对象和难以构建数学模型的控制对象，可以选择模糊控制，也可以选择随机控制、智能控制在计算机控制系统中，一些控制功能可以用硬件和软件来实现。 因此，在系统设计时，必须综合考虑硬、软件功能的区分。 通过硬件实现某些功能的优点可以加快处理速度，减轻主机的负担，而增加部件成本的软件实现则相反，可以降低成本，提高灵活性，但必须占用更多的主机时间。 一般想法的原则取决于控制系统的应用环境和今后的生产数量。 对于今后可以批量生产的系统，为了降低成本，提高产品竞争力，在满足指标功能的前提下，必须尽量减少硬件设备，多使用软件来完成对应的功能。 软件的实现困难，用硬件实现比较简单，在系统的批次不大的情况下，用硬件实现功能是妥当的。 (5)对硬件、软件功能的区分还必须考虑人机界面、系统机柜和机壳的结构设计、抗噪声等问题。 最后初步估计成本，编制工程概况。 必须对所提出的整体设计方案进行合理性、经济性、可靠性、可行性的论证。 论证通过后，可以形成系统设计依据的系统整体规划图和系统设计任务书，指导具体的系统设计过程。 (6)其他方面的考虑，2 .对于硬件设计、通用控制系统，可以使现有总线式IPC系统或PLC装置优先，加快设计开发过程，使系统硬件设计的工作量最小化。 例如，STD总线、PC总线IPC有数十种国内外品牌，PLC也有十种品牌数十种系列。 这些满足工业化标准的控制器模板、模块产品经过严格的测试，可以提供各种硬件和软件接口，包括对应的驱动程序等。 只要总线标准一致，这些模板模块产品就可以在回购后插入相应的空闲时隙进行运行，非常方便地构成系统。 所以。 只要不能买到满足自己要求的产品，就不能随意决定自己开发。 另外，无论选择现有的IPC还是采用PLC装置，设计者都必须根据系统的请求选择适当的模板或模块。选择内容一般如下： (1)基于控制任务的复杂性、控制精度、实时性的要求等来选择主板(包括总线类型、主机模型等)。 (2)从ai、AO点数、分辨率和精度、收集速度等中选择A/D、D/A板(包括通道数、信号种类、范围等) (3)根据di、DO点数和其他要求，包括开关量输入输出板(通道数、信号种类、交流直流和电力尺寸等根据机器的联系人选择相应的接口板或显示操作面板(包括参数设定、状态显示、手动自动切换和异常警报等) (5)根据需要选择各种外围接口、通信板等(6)基于