课件 第八章 微型计算机控制系统设计

第八章计算机控制系统设计与实现8.1系统设计的原则与步骤8.2计算机控制系统设计举例――啤酒发酵过程计算机控制系统8.1系统设计的原则与步骤8.1.1系统设计的原则8.1.2系统设计的步骤8.1.1系统设计的原则安全可靠操作，维护方便实时性强通用性好经济效益好8.1系统设计的原则与步骤安全可靠首先要选择高性能的工控机；其次设计可靠的控制方案；最后具有各种安全保护措施：报警，事故预测，事故处理，不间断电源等。为了预防计算机故障，常设计后备装置。8.1系统设计的原则与步骤操作，维护方便操作方便体现在操作简单，直观形象，便于掌握。强调一点的是既要体现操作的先进性，又要兼顾原有的操作习惯。维护方便体现在便于维护人员检查，容易查找故障，排除故障。8.1系统设计的原则与步骤实时性强表现在对内部，外部事件能及时的响应，并作出相应处理。不丢失信息，不延误操作。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，系统要设置时钟，保证定时处理；一类是随机事件，如事故，报警等，系统要设置中断，保证优先处理紧急故障。8.1系统设计的原则与步骤通用性好工控机的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，配置各种通用的功能模板；二是软件模块或控制算法采用标准模块结构，用户使用时不需二次开发。8.1系统设计的原则与步骤经济效益好系统设计要考虑性能价格比，要有市场竞争意识，要带来高的经济效益。8.1系统设计的原则与步骤8.1.2系统设计的步骤了解工艺要求，明确控制任务确定系统总体设计方案微机接口的选择建立数学模型，确定控制算法系统硬件和软件的具体设计微机控制系统的调试8.1系统设计的原则与步骤了解工艺要求，明确控制任务在进行系统设计之前，必须充分了解控制对象的工作过程，熟悉其工艺流程，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。任务明确后，用时间和控制流程图来描述控制过程和控制任务，撰写设计任务说明书，以作为整个控制系统设计的依据。8.1系统设计的原则与步骤确定系统总体设计方案（1）控制系统方案的确定；（2）测量元件的选择；（3）执行机构的选择；（4）选择输入输出通道及外设；（5）画出整个控制系统原理图。8.1系统设计的原则与步骤（1）控制系统方案的确定根据系统的要求，应确定出系统是采用开环控制还是闭环控制。如果采用闭环控制系统，则还要确定整个系统的类型，即是采用直接数字控制(DDC)方式，还是采用计算机监督控制(SCC)方式，或者是采用分布式控制系统结构形式。8.1系统设计的原则与步骤（2）测量元件的选择根据测量范围和要求的精度选择被控量的测量元件，即传感器与变送器，它是影响系统控制精度的一个重要因素。实际中被测量有温度、流量、压力、液位、成分、位移、重量、速度等，所以相应的传感器种类也很多，而且规格各异，因此，必须正确合理地选择测量元件。8.1系统设计的原则与步骤（3）执行机构的选择选择系统的执行机构不仅要根据被控对象的实际情况来定，而且也要考虑与控制算法相匹配的问题。常用的执行机构有电动执行机构、气动薄膜调节阀、伺服电机、步进电机、晶闸管等。8.1系统设计的原则与步骤（4）选择输入输出通道及外设确定过程输入输出通道是总体方案设计中的重要内容之一，通常应根据被控对象所要求的输入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围设备应着重考虑以下几点：a数据采集和传输所需的输入输出通道数；b所有输入输出通道的数据传输率，各通道处理的数据流量是否相等；8.1系统设计的原则与步骤（4）选择输入输出通道及外设c输入输出通道是串行操作还是并行操作；d模拟量输入输出通道中数据位数的选择；由控制精度确定A/D和D/A转换的位数。e输入输出通道连接方式的选择；是采用一个输入输出通道设置一片A/D或D/A的形式；还是采用多通道共用一片A/D或D/A的形式；f对显示、打印有无要求；是否需要配备LED或CRT，是否配置打印机等。8.1系统设计的原则与步骤（5）画出整个控制系统原理图结合工业流程图画出一个完整的控制系统原理图，包括传感器、变送器、外围设备、输入输出通道及微型计算机。因为它是整个控制系统的总图，所以要简单、清晰、明了。8.1系统设计的原则与步骤微机接口的选择（1）主机方案的选择a选用现成的微型机系统；b利用单片机芯片自行设计。（2）微机功能的选择微机确定后，应根据控制任务和要求，对系统的硬件做出估计和选择，以明确微型机的主要功能。8.1系统设计的原则与步骤建立数学模型，确定控制算法在使用某些控制算法需要事先知道被控对象的数学模型时，就要用相关分析法、最小二乘法辨识等方法得到相应的控制对象模型。一般情况下，采用模拟化设计的数字PID控制算法，可不需知道被控对象的数学模型，调节器参数采用现场整定。快速系统可采用最少拍控制。对于大滞后的被控过程，可采用Smith补偿器或达林算法。对于复杂问题的控制可采用智能控制系统。8.1系统设计的原则与步骤系统硬件和软件的具体设计(1)硬件设计包括接口电路设计、逻辑电路的选择、功放及报警电路设计、I/V与V/I转换电路、操作面板、电源电路设计等。8.1系统设计的原则与步骤系统硬件和软件的具体设计(2)软件设计a系统对应用软件的要求①实时性；②针对性；③灵活性和通用性；④可靠性。b确定运算数据类型与长度8.1系统设计的原则与步骤微机控制系统的调试(1)硬件调试(2)软件调试(3)硬件、软件联调8.1系统设计的原则与步骤8.2计算机控制系统设计举例啤酒发酵过程计算机控制系统P298