第九章 计算机控制系统设计

1、2022-5-271第第9章章 计算机控制系统设计计算机控制系统设计第十九讲第十九讲信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学2022-5-272设计计算机控制系统的原则：设计计算机控制系统的原则： 可靠性要高可靠性要高：这是首要要求，是系统各种功能得：这是首要要求，是系统各种功能得以实现的基础以实现的基础 操作性能要好操作性能要好：便于现场人员的操作使用和维护：便于现场人员的操作使用和维护 实时性好实时性好：对内部和外部事件能及时响应：对内部和外部事件能及时响应 通用性强通用性强：具有可扩充性及在不改变设备情况下：具有可扩充性及在不改变设备情况下适应新的要求适应新

2、的要求(1) 设计周期短和成本低设计周期短和成本低信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学2022-5-2739.1 计算机控制系统设计步骤计算机控制系统设计步骤u 了解工艺要求，明确控制任务了解工艺要求，明确控制任务u 确定系统的总体设计方案确定系统的总体设计方案u 建立数学模型，确定控制算法建立数学模型，确定控制算法u 系统硬件设计系统硬件设计u 系统软件设计系统软件设计u 系统调试系统调试信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学2022-5-2749.1.1 了解工艺要求，明确控制任务了解工艺要求，明确控制任务 首先熟悉控制对象

3、的工艺流程，明确控制任务首先熟悉控制对象的工艺流程，明确控制任务，包括系统信息来源和种类，被控对象和被控参数的包括系统信息来源和种类，被控对象和被控参数的特性，控制对象的工作环境，对人机通道的要求，特性，控制对象的工作环境，对人机通道的要求，各项技术经济指标等，并根据实际应用中存在的问各项技术经济指标等，并根据实际应用中存在的问题提出具体的控制要求，确定所设计的系统应该完题提出具体的控制要求，确定所设计的系统应该完成的任务；成的任务； 其次用工艺图、时序图、控制流程等描述控制其次用工艺图、时序图、控制流程等描述控制过程和控制任务，撰写设计任务说明书过程和控制任务，撰写设计任务说明书。信息与电气

4、工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学2022-5-275根据常见的控制问题将控制对象的要求分为两类：根据常见的控制问题将控制对象的要求分为两类： 调节器问题调节器问题：当控制对象的输出偏离平衡状态或：当控制对象的输出偏离平衡状态或有这种趋势时，对它加以控制，使其回到平衡状有这种趋势时，对它加以控制，使其回到平衡状态，相应的控制系统称为恒值系统态，相应的控制系统称为恒值系统(1) 伺服机问题伺服机问题：对控制对象加以控制，使它的输出：对控制对象加以控制，使它的输出按某种规律变化，相应的控制系统称为随机系统。按某种规律变化，相应的控制系统称为随机系统。信息与电气工程学院计算

5、机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学2022-5-276 控制系统方案的确定控制系统方案的确定 测量器件的选择测量器件的选择 执行机构的选择执行机构的选择 选择过程通道及外设选择过程通道及外设 画出整个控制系统原理图画出整个控制系统原理图信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学9.1.2 确定系统统的总总体设计设计方案2022-5-277 控制系统方案的确定控制系统方案的确定 首先确定系统是采用开环控制、闭环控制，分布式控制，首先确定系统是采用开环控制、闭环控制，分布式控制，或者采用数据处理系统；或者采用数据处理系统；若是闭环控制，要确定系统的类型：若

6、是闭环控制，要确定系统的类型：DDC方式，方式，SCC方式，或方式，或DCS方方式式(2) 其次确定系统的构成方式其次确定系统的构成方式(控制装置机型控制装置机型)：单片机、：单片机、PLC、IPC、DCS、FCS等。等。模拟量为主的中小规模的过程控制环境：总线式模拟量为主的中小规模的过程控制环境：总线式IPC数字量为主的中小规模的运动控制环境：数字量为主的中小规模的运动控制环境：PLC系统规模较小、控制回路较少：系统规模较小、控制回路较少： 单片机单片机系统规模较大、自动化水平要求较高、控制与管理一体：系统规模较大、自动化水平要求较高、控制与管理一体：DCS、FCS等等信息与电气工程学院计算

7、机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学2022-5-2782. 测量器件的选择测量器件的选择 根据测量范围和要求的精度选择被控量的测量器件，根据测量范围和要求的精度选择被控量的测量器件，即传感器与变送器即传感器与变送器(温度、流量、压力、液位、成分、位温度、流量、压力、液位、成分、位移、重量、速度等移、重量、速度等)。3. 执行机构的选择执行机构的选择 不仅根据被控对象的实际情况，而且也要考虑与控制不仅根据被控对象的实际情况，而且也要考虑与控制算法相匹配的问题算法相匹配的问题。 常用的执行机构：电动执行机构、气动薄膜调节阀、伺服常用的执行机构：电动执行机构、气动薄膜调节阀、伺服电动机

8、、步进电动机、晶闸管等电动机、步进电动机、晶闸管等信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学2022-5-2794. 选择过程通道及外设选择过程通道及外设 根据被控对象所要求的输入根据被控对象所要求的输入/输出参数的多少来确定，输出参数的多少来确定，并按系统的规模和要求配以适当的外设并按系统的规模和要求配以适当的外设。 数据采集和传输所需的过程通道数数据采集和传输所需的过程通道数 所有过程通道的数据传输率，各通道处理的数据流量是否相等所有过程通道的数据传输率，各通道处理的数据流量是否相等 过程通道是串行操作还是并行操作过程通道是串行操作还是并行操作 模拟量过程通道中

9、数据位数的选择：由控制精度确定模拟量过程通道中数据位数的选择：由控制精度确定A/D和和D/A转转换的位数换的位数 过程通道连接方式的选择：每个通道单独设置过程通道连接方式的选择：每个通道单独设置A/D或或D/A还是多通还是多通道共享一个道共享一个A/D或或D/A(1) 对显示、打印有无要求对显示、打印有无要求信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学2022-5-27105. 画出整个控制系统原理图画出整个控制系统原理图 结合工业流程图画出完整的控制系统原理图，结合工业流程图画出完整的控制系统原理图，包括传感器、变送器。外设、过程通道及微型计算包括传感器、变送器。外

10、设、过程通道及微型计算机，要简单、清晰、明了。机，要简单、清晰、明了。信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学2022-5-27119.1.3 建立数学模型，确定控制算法建立数学模型，确定控制算法 计算机控制系统控制效果的优劣，主要取决于采用的计算机控制系统控制效果的优劣，主要取决于采用的控制策略和控制算法是否合适，而控制算法的选择取决于控制策略和控制算法是否合适，而控制算法的选择取决于具体的被控对象，因此有必要建立系统的数学模型，且被具体的被控对象，因此有必要建立系统的数学模型，且被控对象的数学模型的准确程度对系统的控制效果有直接关控对象的数学模型的准确程度对系

11、统的控制效果有直接关系。系。 建模方法：理论建模建模方法：理论建模(系统机理系统机理)和试验建模和试验建模(系统辨系统辨识识)。 数学模型建立以后，根据离散化设计、模拟化设计或数学模型建立以后，根据离散化设计、模拟化设计或复杂规律设计等方法确定控制算法。复杂规律设计等方法确定控制算法。信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学2022-5-2712 一般简单的生产过程：一般简单的生产过程：PI、PID控制控制 工况复杂、工艺要求较高的生产过程：比值控制、前馈工况复杂、工艺要求较高的生产过程：比值控制、前馈控制、串级控制、自适应控制等控制、串级控制、自适应控制等 快速

12、随动系统：最少拍无差的直接设计法快速随动系统：最少拍无差的直接设计法 具有纯滞后的被控对象：达林算法或具有纯滞后的被控对象：达林算法或Smith预估纯滞后预估纯滞后补偿算法补偿算法 随机系统：随机控制算法随机系统：随机控制算法 具有时变、非线性特性及难以建模的控制对象：模糊控具有时变、非线性特性及难以建模的控制对象：模糊控制、专家系统、神经网络控制等制、专家系统、神经网络控制等 在在DDC系统中，常用系统中，常用PID控制算法及其改进形式。控制算法及其改进形式。信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学2022-5-2713硬件实现硬件实现：速度快、节省：速度快、节

13、省CPU时间；但系统较复杂、灵时间；但系统较复杂、灵活性差，价格较高活性差，价格较高软件实现软件实现：灵活、价格便宜，但占用：灵活、价格便宜，但占用CPU时间时间 1. 现场设备选择现场设备选择 2. 选择系统的总线和主机机型选择系统的总线和主机机型 3. 选择过程通道模板选择过程通道模板 4. 选择变送器和执行机构选择变送器和执行机构 5. 检测单元检测单元信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学9.1.4 系统统硬件设计设计2022-5-2714 现场设备选择现场设备选择 现场设备包括传感器、变送器和执行机构。综合考现场设备包括传感器、变送器和执行机构。综合考

14、虑工作环境、性能、价格等因素择优而用。虑工作环境、性能、价格等因素择优而用。 采用总线式工业控制机进行系统硬件设计，可以解采用总线式工业控制机进行系统硬件设计，可以解决工业控制中众多问题。决工业控制中众多问题。信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学2022-5-27152. 选择系统的总线选择系统的总线 选择系统的总线选择系统的总线 内总线：内总线：PC总线和总线和STD总线，一般常选总线，一般常选PC总线总线 外总线：并行总线外总线：并行总线IEEE-488，串行总线，串行总线RS-232-C，进行远距离通信、多站点互联的进行远距离通信、多站点互联的RS-42

15、2和和RS-485。 具体选择哪一种要根据通信的速率、距离、系统拓扑具体选择哪一种要根据通信的速率、距离、系统拓扑结构、通信协议等要求综合分析。结构、通信协议等要求综合分析。(2) 选择主机机型选择主机机型 根据要求合理选型，通常根据要求合理选型，通常80486的的CPU足够。足够。信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学2022-5-27163. 选择过程通道模板选择过程通道模板 包括数字量包括数字量I/O、模拟量、模拟量I/O等模板。等模板。 DI/DO模板模板 与工控机工地装置的接口：与工控机工地装置的接口：TTL电平电平 其他装置与工控机之间：光电隔离其他

16、装置与工控机之间：光电隔离(2) AI/AO模板模板 包括包括A/D、D/A板及信号调理电路。板及信号调理电路。 输入输出信号：输入输出信号：05V，110V，010mA，420mA及热及热电偶、热电阻和各种变送器的信号电偶、热电阻和各种变送器的信号 需注意分辨率、转换速度、量程范围等技术指标。需注意分辨率、转换速度、量程范围等技术指标。信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学2022-5-27174. 选择变送器和执行机构选择变送器和执行机构 选择变送器选择变送器 根据被测参数的种类、量程、被测对象的介质类型和环境根据被测参数的种类、量程、被测对象的介质类型和环

17、境选择。选择。(2) 选择执行机构选择执行机构 执行机构分为气动、电动和液压三种类型。执行机构分为气动、电动和液压三种类型。 电动执行机构：体积小、种类多、便于信号传输及处理，控制一电动执行机构：体积小、种类多、便于信号传输及处理，控制一般的液体和气体，但不宜于爆炸危险的环境般的液体和气体，但不宜于爆炸危险的环境 气动执行机构：结构简单、价格低、适于易燃易爆的环境气动执行机构：结构简单、价格低、适于易燃易爆的环境 液压执行机构：推力大、精度高液压执行机构：推力大、精度高 步进电动机：数控机床、步进电动机：数控机床、X-Y记录仪、旋转变压器、多圈电位器等记录仪、旋转变压器、多圈电位器等(1) 有

18、触电、无触点开关；电磁阀等有触电、无触点开关；电磁阀等信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学2022-5-27185. 检测单元检测单元 检测元器件的选择，是影响控制系统精度的检测元器件的选择，是影响控制系统精度的重要因素。检测元器件称为重要因素。检测元器件称为“一次仪表一次仪表”。信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学2022-5-27199.1.5 系统软件设计系统软件设计1. 编程语言选择编程语言选择 2. 数据类型和数据结构规划数据类型和数据结构规划3. 资源分配资源分配4. 实时控制软件设计实时控制软件设计信息与电气工程

19、学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学2022-5-27201. 编程语言选择编程语言选择 (1) 汇编语言汇编语言(2) 高级语言高级语言(3) 组态软件组态软件 组态软件是专为工业过程控制开发的软件，包括控制算组态软件是专为工业过程控制开发的软件，包括控制算法模块、计数法模块、计数/计时模块、逻辑运算模块、输入模块、输出模计时模块、逻辑运算模块、输入模块、输出模块、打印模块、块、打印模块、CRT显示模块等。显示模块等。信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学2022-5-27212. 数据类型和数据结构规划数据类型和数据结构规划 控制系统各个

20、功能模块之间的关系体现在接口控制系统各个功能模块之间的关系体现在接口条件上，即各接口参数的数据结构和数据类型。条件上，即各接口参数的数据结构和数据类型。 数据类型可以分为逻辑型和数值型。通常将逻数据类型可以分为逻辑型和数值型。通常将逻辑型数据归到软件标志中；数值型分为定点数和浮辑型数据归到软件标志中；数值型分为定点数和浮点数。点数。 若某参数是一系列有序数据的集合，如采样信若某参数是一系列有序数据的集合，如采样信号序列，则还存在数据结构的问题。号序列，则还存在数据结构的问题。信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学2022-5-27223. 资源分配资源分配 系统

21、资源包括系统资源包括ROM、RAM、定时器、定时器/计数器、中计数器、中断源、断源、I/O地址等，主要工作是地址等，主要工作是RAM资源的分配。资源的分配。4. 实时控制软件设计实时控制软件设计 数据采集及数据处理程序数据采集及数据处理程序 控制算法程序控制算法程序 控制量输出程序控制量输出程序 实时时钟和中断处理程序实时时钟和中断处理程序 数据管理程序数据管理程序(1) 数据通信程序数据通信程序信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学2022-5-27239.1.6 系统调试系统调试1离线仿真和调试离线仿真和调试(1) 硬件调试硬件调试各种标准的功能模板、各种标

22、准的功能模板、DI/DO输出模板输出模板 现场仪表和执行机构现场仪表和执行机构 通信功能，验证数据传输的正确性通信功能，验证数据传输的正确性(2) 软件调试软件调试 子程序子程序-次功能模块次功能模块-主程序的顺序主程序的顺序 开环调试检查阶跃响应特性；闭环调试检查反馈控制功能开环调试检查阶跃响应特性；闭环调试检查反馈控制功能(3) 系统仿真系统仿真 用模型来代替实际生产过程用模型来代替实际生产过程(被控对象被控对象)进行试验和研究进行试验和研究信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学2022-5-27242在线调试和运行在线调试和运行检测元器件、变送器、显示仪表

23、、调节阀等必须经过校验，检测元器件、变送器、显示仪表、调节阀等必须经过校验，保证精确度要求；保证精确度要求； 各种接线和导管必须经过检查，保证连接正确；各种接线和导管必须经过检查，保证连接正确； 对在流量中采用隔离液的系统，要清洗好引压导管后灌入对在流量中采用隔离液的系统，要清洗好引压导管后灌入隔离液；隔离液； 检查调节阀能否正常工作；检查调节阀能否正常工作； 检查系统的干扰情况和接地情况，如不符合要求，应采取检查系统的干扰情况和接地情况，如不符合要求，应采取措施；措施；(1) 对安全防护措施也要检查。对安全防护措施也要检查。信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学2022-5-27259.