9 1 计算机控制系统设计与实现一

1、国家级精品课程 计算机控制技术,主讲教师：于海生 教授,青岛大学,第35讲 第9章 计算机控制系统设计与实现（一）,第9章 计算机控制系统设计与实现（一）,9.1.1 系统设计的原则,9.1.2 系统设计的步骤,9.2.1 系统总体方案设计,9.2.2 硬件的工程设计与实现,9.2.4 系统的调试与运行,9.2.3 软件的工程设计与实现,第9章 计算机控制系统设计与实现（一）,计算机控制系统的设计，既是一个理论问题，又是一个工程问题。 理论设计：建立被控对象的数学模型；确定满足一定技术经济指标的系统目标函数，寻求满足该目标函数的控制规律；选择适宜的计算方法和程序设计语言；进行系统功能的软、硬件

2、界面划分，并对硬件提出具体要求。 工程设计：掌握生产过程的工艺要求，以及被控对象的动态和静态特性；要通晓自动检测技术、计算机技术、通信技术、自动控制技术、微电子技术等。,9.1 系统设计的原则与步骤,9.1.1 系统设计的原则 9.1.2 系统设计的步骤,1.安全可靠 (1)选用高性能的工业控制计算机； (2)设计可靠的控制方案，并具有各种安全保护措施，比如报警、事故预测、事故处理、不间断电源等。 (3)为了预防计算机故障，还常设计后备装置，对于一般的控制回路，选用手动操作为后备；对于重要的控制回路，选用常规控制仪表作为后备。 (4)对于特殊的控制对象，设计两台计算机，互为备用地执行任务，称为

3、双机系统。双机系统的工作方式一般分为备份工作方 式和双工工作方式两种。,9.1.1 系统设计的原则,2.操作维护方便 (1)操作方便表现在操作简单、直观形象、便于掌握 操作工已习惯了PID调节器的面板操作，而就设计成回路操作显示面板，或在CRT画面上设计成回路操作显示画面。 (2)维修方便体现在易于查找故障，易于排除故障 采用标准的功能模板式结构，便于更换故障模板。在功能模板上安装工作状态指示灯和监测点，便于维修人员检查。 另外，配置诊断程序，用来查找故障。,9.1.1 系统设计的原则,3.实时性强 工业控制机的实时性，表现在对内部和外部事件能及时地响应，并做出相应的处理，不丢失信息，不延误操

4、作。 计算机处理的事件一般分为两类： 一类是定时事件，如数据的定时采集，运算控制等。对于定时事件，系统设置时钟，保证定时处理。 另一类是随机事件，如事故、报警等。对于随机事件，系统设置中断，并根据故障的轻重缓急，预先分配中断级别，一旦事故发生，保证优先处理紧急故障。,9.1.1 系统设计的原则,4.通用性好 系统设计时应考虑能适应各种不同设备和各种不同控制对象，并采用积木式结构，按照控制要求灵活构成系统。这就要求系统的通用性要好，并能灵活地进行扩充。 通用灵活性体现在两方面： 一是硬件模板设计采用标准总线结构(如PC总线)，配置各种通用的功能模板，以便在扩充功能时，只需增加功能模板就能实现；

5、二是软件模块或控制算法采用标准模块结构，用户使用时不需要二次开发，只需按要求选择各种功能模块，灵活地进行控制系统组态。,9.1.1 系统设计的原则,5.经济效益高 一是系统性能价格比要尽可能的高； 二是系统投入产出比要尽可能的低。,9.1.1 系统设计的原则,9.1.2 系统设计的步骤,1.工程顶目与控制任务的确定阶段,9.1.2 系统设计的步骤,2.工程项目的设计阶段,9.1.2 系统设计的步骤,3.离线仿真和调试阶段,9.1.2 系统设计的步骤,4.在线调试和运行阶段,9.2 系统的工程设计与实现,9.2.1 系统总体方案设计 9.2.2 硬件的工程设计与实现 9.2.3 软件的工程设计与

6、实现 9.2.4 系统的调试与运行,9.2.1 系统总体方案设计,1.硬件总体方案设计 采用“黑箱”设计法。画方块图，明确各方块之间的信号输入输出关系和功能要求，不需知道“黑箱”内具体结构。 (1)确定系统的结构和类型 开环还是闭环控制；系统的典型形式。 (2)确定系统的构成方式 IPC、PLC、SLC、ADAM模块、单片机、DSP、ARM等。 (3)现场设备选择 主要包含传感器、变送器和执行机构的选择。 (4)其它方面的考虑 总体方案中还应考虑人机联系方式、系统的机柜或机箱的结构设计、抗干扰等方面的问题。,9.2.1 系统总体方案设计,2.软件总体方案设计 采用结构化的“黑箱”设计法。 (1

7、)先画出较高一级的方框图，然后再将大的方框分解成小的方框，直到能表达清楚为止。 (2)软件总体方案还应考虑确定系统的数学模型、控制策略、控制算法等。,9.2.1 系统总体方案设计,3.系统总体方案 (1)系统的主要功能、技术指标、原理性方框图及文字说明。 (2)控制策略和控制算法。 (3)系统的硬件结构及配置，主要的软件功能、结构及框图。 (4)方案比较和选择。 (5)保证性能指标要求的技术措施。 (6)抗干扰和可靠性设计。 (7)机柜或机箱的结构设计。 (8)经费和进度计划的安排。,9.2.2 硬件的工程设计与实现,1.选择系统的总线和主机机型 (1)选择系统的总线 内总线选择 常用的工业控

8、制机内总线有两种，即ISA总线和PCI总线，根据板卡类型需要选择其中一种。 外总线选择 选择串行通信总线。 (2)选择主机机型 在总线式工业控制机中，有许多机型，即因采用的CPU不同而不同。,9.2.2 硬件的工程设计与实现,2.选择输入输出通道模板 (1)数字量(开关量)输入输出(DI/DO）模板 (2)模拟量输入输出(AI/AO)模板,9.2.2 硬件的工程设计与实现,3.选择变送器和执行机构 (1)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，选择变送器的具体型号，如温度变送器、压力变送器、液位变送器、差压变送器、流量变送器、各种电量变送器等。 (2)选择执行机构 执行

9、机构分为气动、电动、液压三种类型。常用的执行机构为气动和电动的。 各种有触点和无触点开关，也是执行机构，实现开关动作。,9.2.3 软件的工程设计与实现,1.数据类型和数据结构规划 规划方式： 将每一个执行模块要用到的参数、要输出的结果列出来，对于与不同模块都有关的参数，只取一个名称，以保证同一个参数只有一种格式。然后为每一参数规划一个数据类型和数据结构。,2.资源分配 资源分配的主要工作是RAM资源的分配。RAM资源规划好后，应列出一张RAM资源的详细分配清单，作为编程依据。,9.2.3 软件的工程设计与实现,3.实时控制软件设计 (1)数据采集及数据处理程序 数据采集程序主要包括多路信号的

10、采样、输入变换、存贮等。 数据处理程序主要包括数字滤波程序、线性化处理和非线性补偿、标度变换程序、越限报警程序等。 (2)控制算法程序 主要实现控制规律的计算，产生控制量。其中包括：数字PID控制算法、达林算法、Smith补偿控制算法、最少拍控制算法、串级控制算法、前馈控制算法、解耦控制算法、模糊控制算法、最优控制算法等。,9.2.3 软件的工程设计与实现,3.实时控制软件设计 (3)控制量输出程序 控制量输出程序实现对控制量的处理(上下限和变化率处理)、控制量的变换及输出，驱动执行机构或各种电气开关。 (4)实时时钟和中断处理程序 实时时钟是计算机控制系统一切与时间有关过程的运行基础。时钟有

11、两种，即绝对时钟和相对时钟。 事故报警、掉电检测及处理、重要的事件处理等功能的实现也常常使用中断技术。,9.2.3 软件的工程设计与实现,3.实时控制软件设计 (5)数据管理程序 这部分程序用于生产管理，主要包括画面显示、变化趋势分析、报警记录、统计报表打印输出等。 (6)数据通信程序 数据通信程序主要完成计算机与计算机之间、计算机与智能设备之间的信息传递和交换。这个功能主要在分散型控制系统、分级计算机控制系统、工业网络等系统中实现。,9.2.4 系统的调试与运行,1.离线仿真和调试 (1)硬件调试 对于各种标准功能模板，按照说明书检查主要功能。 在调试A/D和D/A模板之前，必须准备好信号源

12、、数字电压表、电流表等。 利用开关量输入和输出程序来检查开关量输入(DI)和开关量输出(DO)模板。 硬件调试还包括现场仪表和执行机构。 如是分级计算机控制系统和分散型控制系统，还要调试通信功能。,9.2.4 系统的调试与运行,1.离线仿真和调试 (2)软件调试 软件调试的顺序是子程序、功能模块和主程序。 系统控制模块的调试应分为开环和闭环两种情况进行。开环调试是检查它的阶跃响应特性，闭环调试是检查它的反馈控制功能。,9.2.4 系统的调试与运行,1.离线仿真和调试 (2)软件调试,9.2.4 系统的调试与运行,(3)系统仿真 所谓系统仿真，就是应用相似原理和类比关系来研究事物，也就是用模型来代替实际生产过程(即被控对象)进行实验和研究。 系统仿真有以下三种类型： 全物理仿真(或称在模拟环境条件下的全实物仿真)；半物理仿真(或称硬件闭路动态试验)；数字仿真(或称计算机仿真)。 在系统仿真的基础上，进行长时间的运行考验(称为考机)，并根据实际运行环境的要求，进行特殊运行条件的考验。,9.2.4 系统的调试与运行,2.在线调试和运行 现场安装及在线调试前先要进行下列检查： (1)检测元件、变送器、显示仪表、调