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计算机控制技术李江全编著石河子大学机电学院电气工程教研室2007年4月第9章计算机控制系统的设计9.1计算机控制系统的设计概述9.2计算机控制系统的硬件设计9.3计算机控制系统的软件设计9.4计算机控制系统的调试与运行9.5计算机控制系统的抗干扰设计9.6计算机控制系统的可靠性设计9.1计算机控制系统的设计概述9.1.1计算机控制系统的设计原则1．满足工艺要求2．可靠性要高3．操作性能要好4．实时性要强5．通用性要好6．经济效益要高7．开发周期要短9.1.2计算机控制系统的设计与实施步骤1．可行性研究阶段2．初步设计阶段3．详细设计阶段4．系统实施阶段5．系统的调试（测试）阶段6．系统运行阶段9.1.3计算机控制系统的设计方法1．规范化设计首先，规范化设计要实现设计文件的规范化。其次，规范化设计要体现标准化。规范化、标准化的设计开发过程是保证产品质量、提高产品开发效率的重要手段。2．结构化设计1）硬件结构化设计硬件结构化是电气部件和集成电路规范化、标准化的结果。它是开放式系统设计的产物。工业化协作生产的发展加速了硬件结构化的形成，各种功能卡或模块的面市，为使用者提供了丰富的可选资源。因此，硬件结构化模式已被普遍采用。2）软件的结构化设计为了保证软件开发的质量，应该采取工程化设计方法。它借鉴于硬件结构化设计的思想，将软件设计改为分阶段的工程化设计，并将软件体系同时划分为一个个独立的功能模块。每个模块间相互独立而又互有联系。所谓模块独立化是指每个功能模块具有相应独立的功能，若干个功能模块组合成功能更全的模块。各模块间通过一定的接口参数的传递实现互连，组合成一个应用系统。9.1.4计算机控制系统的总体方案设计确定计算机控制系统总体方案是进行系统设计的关键而重要的一步。总体方案的好坏，直接影响到整个控制系统的成本、性能、实施细则和开发周期等。总体方案的设计主要是根据被控对象的工艺要求确定。为了设计出一个切实可行的总体方案与实施方案，设计者必须深入了解生产过程，分析工艺流程及工作环境，熟悉工艺要求，确定系统的控制目标与任务。尽管被控对象多种多样，工艺要求各不相同，在总体方案设计中还是有一定共性。1．工艺调研1）调研的任务2）形成调研报告和初步方案3）形成总体设计技术报告2．硬件总体方案设计1）确定系统的结构和类型2）确定系统的构成方式3）现场设备选择4）其他方面的考虑3．软件总体方案设计软件总体方案设计的内容主要是确定软件平台、软件结构，任务分解，建立系统的数学模型、控制策略和控制算法等。在软件设计也应采用结构化、模块化、通用化的设计方法，自上而下或自下而上地画出软件结构方框图，逐级细化，直到能清楚地表达出控制系统所要解决的问题为止。在确定系统总体方案时，对系统的软件、硬件功能的划分要做统一的综合考虑，因为一些控制功能既能由硬件实现，也可用软件实现，如计数、逻辑控制等。采用何种方式比较合适，应根据实时性要求及整个系统的性能价格比综合比较后确定。4．系统总体方案系统总体方案是硬件总体方案和软件总体方案的组合体。系统的总体方案反映了整个系统的综合情况，要从正确性、可行性、先进性、可用性和经济性等角度来评价系统的总体方案。作为总体方案的一部分，设计者还应提供对各子系统功能检测的一些测试依据或标准。对于较大的系统，还要编制专门的测试规范。9.2计算机控制系统的硬件设计9.2.1选择系统总线1．内总线选择内总线是计算机系统各组成部分之间进行通信的总线，按功能分为数据总线、地址总线、控制总线和电源总线四部分，每种型号的计算机都有自身的内部总线。2．外总线选择外总线是计算机与计算机之间或计算机与其他智能设备之间或智能外设之间进行通信的连线集合，它包括IEEE-488并行通信总线和RS-232C串行通信总线；对于远距离通信、多站点互联通信，还有RS-422和RS-485通信总线。9.2.2选择主机如果控制现场环境比较好，对可靠性的要求又不是特别高，可以选择普通的个人计算机，否则还是选择工控机为宜。在主机的配置上，以留有余地、满足需要为原则，不一定要选择最高档的配置。在微机控制系统中，可供选择的微机有许多系列和种类。选择微机应从以下几个方面考虑。1．字长2．速度3．中断系统4．输入输出通道9.2.3选择输入输出板卡1．选择模拟量输入输出板卡对与模拟量输入板卡，一般都有单端输入与双端输入两种选择，以采用双端输入为好，以提高抗干扰能力。对模拟输入通道的设计应满足两个要求：1）能满足生产工艺需要的转换精度，这主要体现在A／D转换器的位数和精度上；2）要有较强的抗干扰能力。2．选择数字量（开关量）输入输出板卡PCI总线I/O接口板卡多种多样，通常可以分为TTL电平的开入开出和带光电隔离的开入开出。通常和工业控制机共地装置的接口可以采用TTL电平，而其他装置与工业控制机之间则采用光电隔离。在采用工业控制计算机的控制系统中，输入输出板卡可根据需要组合，不管哪种类型的系统，其板卡的选择与组合均由生产过程的输入参数和输出控制通道的种类和数量来确定。9.2.4选择传感器和变送器计算机控制系统要实现自动控制，首先要实现过程数据的自动检测，这个任务是由检测仪表来完成的，因此系统设计者必须根据现场的具体要求、工艺过程信号的检测原理、安装环境等诸多因素选择合适的检测仪表。传感器和变送器均属于检测仪表。设计人员可根据被测参数的种类、量程、精度、被测对象的介质类型和环境来选择传感器和变送器的具体型号。9.2.5选择执行机构执行机构根据工作原理可分为气动、电动和液压三种类型。气动执行机构具有结构简单、操作方便、使用可靠、维护容易、防火防爆等优点；电动执行机构具有体积小、种类多、使用方便、响应速度快，与计算机接口容易等优点；液压执行机构的特点是输出功率大、能传送大扭矩和较大推力，控制和调节简单，方便省力等。在系统设计中，需根据系统的要求来选择执行机构，如对于要实现连续的精确的控制，必须选用气动或电动调节阀，而对于要求不高的控制系统可选用电磁阀。执行机构是自动控制的最后一道环节，必须考虑环境要求、行程范围、驱动方式、调节介质、防爆等级等方面的因素。9.2.6控制操作面板设计控制操作面板也称为控制操作台，是人机对话的纽带，也是微机控制系统中的重要设备。根据具体情况，操作面板可大可小，大到可以是一个庞大的操作台，小到只是几个功能键和开关，如智能仪器中，操作面板都比较小。不同系统，操作面板可能差异很大，所以一般需要根据实际需要自行设计。在设计中应遵循安全可靠、使用方便、操作简单、板面布局适宜美观、符合人性工程学要求的原则。9.3计算机控制系统的软件设计软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，如操作、管理、监视、控制、计算和自诊断等。软件是计算机的中枢神经，整个系统的动作都是在软件指挥下进行协调工作的，决定了整个控制系统的功能强弱。软件可分为系统软件和应用软件两部分。9.3.1控制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．可靠性和容错性5．有效性6．可维护性9.3.2工业控制软件的功能1．数据输入／输出及报警检测功能2．回路控制功能3．画面显示功能4．报表功能5．系统生成功能6．通讯功能9.3.3工业控制软件的种类和模块结构1．工业控制软件的种类工控软件有单任务和多任务两大类。单任务工控软件完成的任务比较简单或程序所执行的任务是预先安排好的，这种单任务工控软件也可以引入中断处理程序。多任务工控软件比较复杂，系统并行地运行多个任务，分别处理不同的事件，并以某种方式分时占用计算机资源。多任务工控软件往往需要多任务操作系统的支持，由操作系统来完成多任务的调度工作。工控软件又分为专用和通用两大类。专用控制软件针对某个特定的控制系统而研制，检测点数、控制回路数、控制策略、显示画面以及报表功能都是相对固定，无法做大的改动。通用控制软件也称之为组态软件，它不针对具体的控制对象，而是提供一种开发平台，使设计者能快速地根据不同的控制对象构成具体的控制系统。2．工业控制软件的模块结构1）数据采集及处理模块2）控制模块3）监控报警模块4）系统管理模块5）数据管理模块6）数据通信模块9.3.4应用软件的设计方法与工具选择1．应用软件的设计过程1）需求分析2）程序说明3）软件设计4）软件编码5）软件测试与调试6）软件维护2．应用软件的设计方法1）模块化程序设计模块化程序设计是把一个复杂的应用软件，分解为若干个功能模块，形成模块化层次结构。顶层模块调用它的下层模块以实现完整功能，每个下层模块再调用更下层的模块，底层模块完成最具体的功能。2）结构化程序设计结构化程序设计采用自顶向下逐步求精的设计方法和单入口单出口的控制结构。自顶向下逐步求精的设计方法符合抽象和分解的原则，是解决复杂问题时常用的方法。在设计一个模块的实现算法时先考虑整体后考虑局部，先抽象后具体，通过逐步细化，最后得到详细的实现算法。3．应用软件开发工具的选择用汇编语言编写的程序代码针对性强，代码长度短，程序执行速度快，实时性强，且要求的硬件也少，但编程繁琐，工作量大，调试困难，开发周期长，通用性差，不便于交流推广。高级语言通用性好，编程容易，功能多，数据运算和处理能力强，但实时性相对差些。汇编语言和高级语言各有其优点和局限性。在程序设计中，应发挥汇编语言实时功能强、高级语言运算能力强的优点，所以在应用软件设计中，一般采用高级语言与汇编语言混合编程的方法，即用高级语言编写数据处理、数据管理、图形绘制、显示、打印、网络管理程序等；用汇编语言编写时钟管理、中断管理、输入输出、数据通信程序等。组态软件是一种针对控制系统而设计的面向问题的开发软件，它为用户提供了众多的功能模块，比如控制算法模块（如PID）、运算模块（四则运算、开方、最大值/最小值选择、一阶惯性、超前滞后、工程量变换、上下限报警等数十种）、计数/计时模块、逻辑运算模块、输入模块、输出模块、打印模块、CRT显示模块等。系统设计者只需根据控制要求，选择所需的模块就能十分方便地生成系统控制软件，因而软件设计工作量大为减少。工业控制软件包是由控制专业公司开发的现成控制软件产品，它具有标准化、模块组合化、组态生成化等特点，通用性强，实时性和可靠性高。利用工业控制软件包和用户组态软件，设计者可根据控制系统的需求来组态生成各种实际的应用软件。这种开发方式极大地方便了设计者，他们不必过多地了解和掌握如何编制程序的技术细节，只需要掌握工业控制软件包和组态软件的操作规程和步骤，就能开发、设计出符合需要的控制系统应用软件，从而大大缩短研制时间，也提高了软件的可靠性。