第11章计算机控制系统设计及实例(增加)

计算机控制技术大连理工大学出版社计算机控制系统设计及实例第11章计算机控制系统设计及实例本章主要从实际应用的角度，介绍了计算机控制系统设计的原则与步骤，计算机控制系统的工程设计与实现，并给出了计算机控制系统的设计应用实例。学习任务熟悉计算机控制系统的设计原则与步骤。掌握计算机控制系统的设计与实现。主要内容11.1计算机控制系统设计原则与步骤11.2电阻炉温度计算机控制系统设计11.3变频恒压供水计算机控制系统设计本章小结习题与思考计算机控制系统从设计到实施的整个过程如下（1）总体方案的设计;（2）工作计划的制订与实施;（3）计算机及仪表的选型;（4）订货、验收;（5）各方面的人员安排、调配;（6）控制系统的研究、开发、集成、安装、调试;（7）工程的验收和投入使用;（8）其他相关工作。11.1计算机控制系统设计原则与步骤由于被控系统的不同，要求计算机实现的控制功能也不相同，因此其组成规模及构成方式也是灵活多样的，但系统设计的基本方法和主要步骤大体上是相同的，即系统总体方案设计，计算机的选择，控制算法的确定，硬件设计和软件设计等。11.1.1计算机控制系统设计原则11.1.2计算机控制系统设计步骤11.1.1计算机控制系统设计原则1.安全可靠2.操作、维护与维修方便3.实时性强4.通用性好5.经济性高11.1.2计算机控制系统设计步骤计算机控制系统的研制可分为四个阶段:（1）工程项目与控制任务的确定阶段;（2）工程项目设计阶段;（3）离线仿真和调试阶段;（4）在线调试和运行阶段。1.工程项目与控制任务的确定阶段（1）甲方提出任务委托书。（2）乙方研究任务委托书。（3）双方对委托书进行确认修改。（4）乙方初步进行系统总体方案设计。（5）乙方进行方案可行性论证。（6）签订合同书。需要指出的是，现今的计算机控制系统工程设计和实施项目也与其他工程项目类似，越来越多地引入规范的工程招标形式，即先由甲方将所需要解决的技术问题和项目要求（包括各项技术指标、技术服务内容、工期等）提出，并写好标书，由招标公司公开向社会招标;感兴趣的单位都可以拟订好投标书在规定的时间内投标;最后由专家组开标、评标等，确定中标的单位就是乙方。2.工程项目设计阶段(1)工程项目设计阶段主要包括组建项目研制小组、系统总体方案的设计、方案论证与评审、硬件和软件的细化设计、制作调试、系统组装等。在签订了合同或协议后，系统的研制便进入了实质性设计阶段。首先应组建项目组，其成员应由懂得计算机硬件、软件和有控制经验、生产、工艺流程知识的技术人员组成，还要明确分工和相互的协调合作关系。2.工程项目设计阶段(2)系统总体方案包括硬件总体方案和软件总体方案。硬件和软件的设计是相互有机联系的。因此，在设计时要经过多次的协调和反复，最后才能形成合理的统一的总体设计方案。总体设计方案应形成较为详细的文件，包括硬件和软件的框图、控制策略和控制算法的确定，并建立说明文档。总体设计方案形成后应邀请有关专家、主管领导及甲方代表对方案做进一步论证与评审，进行最后把关和最终裁定。评审后重新修改、确定的总体设计方案是进行具体设计和工程实施的依据，作为正式文件存档，原则上不应再做大的改动，这—步骤对于大型项目尤其重要。2.工程项目设计阶段(3)硬件和软件的分别细化设计就是将总体方案具体化，落实到框图的底层，然后进行底层块内的结构细化设计，硬件设计包括主机和通用模板的选购、专用模板（如电平转换模板、光电隔离模板、驱动放大模板等）的设计、电源模块的设计、控制柜的设计以及系统可靠性设计等;对软件设计来说，就是将一个个模块编成一段段的程序。硬件、软件的设计都需要边设计、边调试、边修改，往往经过几个反复过程才能完成。此步骤只能在总体方案评审后进行，如果进行得太早就会造成资源的浪费和返工。2.工程项目设计阶段(4)在完成硬件和软件的设计后，就分别进入制作和调试阶段。硬件制作可以在实验室自行完成或委托加工制作，硬件调试包括器件测试、电路板调试、子功能模块调试、控制柜的安装调试等;软件调试是根据软件流程框图编制各模块程序的源代码，采取设置断点、单步追踪等手段检验软件模块的功能及正确性，然后进行编译以及必要的连接，生成计算机可执行的目标代码。当硬件和软件分别调试通过后就可以进行系统的组装，组装是离线仿真和调试阶段的前提和必要条件。3.离线仿真和调试阶段所谓离线仿真和调试是指在实验室而不是在工业现场进行的仿真和调试。离线仿真和调试后，还要进行考机运行。考机的目的是要在连续运行中暴露问题和解决问题。4.在线调试和运行阶段系统离线仿真和调试后便可进行在线调试和运行。在线调试和运行就是将系统和生产过程连接在一起，进行现场调试和运行，尽管系统已经通过了离线仿真和调试，但工业现场情况十分复杂。现场调试和运行仍可能出现问题，因此必须重视现场调试环节，以便及时发现问题，认真分析加以解决。系统运行正常后，再试运行一段时间，即可组织验收。验收是系统项目最终完成的标志，应由甲方主持，乙方参加，双方协同办理，共同组织材料，验收完毕后应形成验收文件存档。11.1.3计算机控制系统的工程设计与实现在研制一个计算机控制系统工程项目过程中，要预先拟定好科学合理的设计步骤，并严格按照此步骤有条不紊地进行。如果步骤不清楚，或者每一步做什么不明确，就有可能引起研制过程中的混乱甚至返工，造成资源的浪费。实际系统工程项目的设计与实现应该按照本章11.1.2节所述步骤进行。本节就系统的工程设计与实现问题作进一步讨论，这些内容对实际工作有重要的指导意义。1.计算机控制系统的总体方案设计总体设计方案中首先要确定整个控制系统的结构和类型;另外总体设计方案中还要包括硬件设计与软件设计两个部分，具体设计时一般采用“黑箱”设计方法，就是根据控制要求，将完成控制任务所需的各功能单元、模块以及控制对象，采用框图表示，从而形成系统的总体框图;总体设计方案中还应包括控制系统对现场工艺的要求，比如为了安装某个关键的现场仪表，需要改装某根管道;为了控制方案的实施，需要工艺人员的配合，增加现场气源等。总之，总体设计方案是整个控制系统设计的关键，需要对生产工艺的深入了解以及工艺技术人员的支持与配合。（1）硬件总体方案设计计算机控制系统的硬件总体设计方案主要包括以下各方面的内容:①系统的构成方式;②现场设备及自动化仪表的选择;③人机接口方式;④系统的控制机箱结构设计;⑤抗干扰措施等。（2）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、控制策略和算法的实现等。在软件设计中也应采用结构化、模块化、通用化的设计方法，自上而下或是自下而上地画出软件结构框图，逐级细化，直到能清楚地表示出控制系统所要解决的问题为止。将商品化的监控组态软件经二次开发后用于计算机控制系统中，是当今计算机控制系统软件设计有效的方法之一。（3）系统总体方案设计软件设计和硬件设计是密切相关的，它们结合在一起便构成了整个系统的总体方案，总体方案是系统具体设计时的依据，应在工艺技术人员的配合下，从合理性、经济性及可行性等方面反复论证形成。经论证可行后的总体方案，要形成文件，建立完整的总体方案文档，其内容包括:①系统的主要功能、技术指标、原理性框图及文字说明;②控制策略与算法;③系统的硬件结构与配置，主要的软件功能、结构、平台及实现框图;④方案的比较与选择;⑤抗干扰措施与可靠性设计;⑥机柜或机箱的结构与外形设计;⑦经费和进度计划的安排;⑧对现场条件的要求。2.硬件的工程设计与实现（1）选择系统的总线（2）选择输入/输出通道（3）选择现场设备3.软件的工程设计与实现由于许多型号的工业控制机或计算机集散控制系统都配有实时操作系统、实时监控程序、各种控制及运算软件模块、组态软件等，所以采用工业控制机来组建计算机控制系统不仅能大大减少硬件设计的工作量，而且可以使系统设计者根据控制要求，选择所需要的模块进行组态，在较短的时间内开发出目标系统软件。因此，在项目资金较为充裕的情况下，可根据情况首选质量可靠、信誉好的品牌工业控制机，这样在充分保证硬件质量的同时，能够获得较为丰富的软件技术支持。此外，还可选择商品化的工控软件，在减少软件工作量的同时，达到较高的整体水平。当然并不是所有的工业控制计算机都能给系统设计带来上述的方便，有些工业控制机只能提供硬件设计的方便，而应用软件需自行开发。比较常见的是需要自行研制开发有关控制策略与算法、针对解决具体问题的软件模块、在某一软件平台上进行组态等。自行开发控制软件时，应先画出程序总体流程图和各功能模块图，再选择程序设计语言，然后编制程序。程序编制应先编制模块，然后编制整体程序。4.控制系统的调试与运行（1）离线仿真与调试①硬件调试②软件调试（2）系统仿真（3）在线调试和运行①硬件调试。对于各种标准功能模块，按照说明书检查主要功能。比如主机板（CPU板）上RAM区的读写功能、ROM区的读出功能、复位电路、时钟电路等的正确性。在调试A/D和D/A模板之前，必须准备好信号源、数字电压表、电流表等。对这两种模板要先检查信号的零点和满量程，然后再分挡检查。比如满量程的25%、50%、75%、100%，并且上行和下行循环调试，以便检查线性度是否符合要求。如果有多路开关板，应测试各通路是否正确切换。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。测试时可在输入端输入开关量信号，检查读入状态的正确性，在输出端检查输出状态的正确性。硬件调试还包括现场仪表和执行机构的调试，如压力变送器、差压变送器、流量变送器、温度变送器以及电动或气动调节阀等，这些仪表必须在安装之前按照说明书要求校验。若是分级计算机控制系统和集散计算机控制系统，还要调试通信功能，验证数据传输的正确性。②软件调试软件调试包括对各个子程序、功能模块、主程序的分别调试以及整体程序的联合调试。有时为了调试某些程序，可能需要编写临时性的辅助程序。软件调试的方法一般采取自下而上的连级调试。这些程序的调试比较简单，用开发装置（或仿真器）以及计算机提供的调试程序就可以进行调试。程序设计一般采用汇编语言和高级语言混合编程。对处理速度和实时性要求高的部分用汇编语言编程（如数据采集、时钟、中断、控制输出等）;处理速度和实时性要求不高的部分用高级语言编程（如数据处理、变换、图形显示、打印、统计报表等）。（2）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（或称硬件闭路动态实验）、数字仿真（或称计算机仿真）。系统仿真尽量采用全物理或半物理仿真，试验条件或工作状态越接近真实生产过程，其效果也就越好。对于纯数据采集系统，一般可做到全物理仿真;而对于闭环控制系统，要做到全物理仿真几乎是不可能的，因为我们不可能将实际生产过程搬到实验室中，因此，闭环控制系统只能做到半物理仿真，被控对象可用实验模型来代替。在系统仿真的基础上，进行长时间的考机试验，并根据实际运行环境的要求，需要进行特殊运行条件的考验。例如，高温和低温剧变运行试验，振动和抗电磁干扰试验，电源电压突变和掉电保护试验等。（3）在线调试和运行在所有的准备工作做好之后，即可开始在线调试和运行，在此过程中，控制系统的设计人员与技术人员要密切配合，制订出调试计划、实施方案、安全措施、分工合作细则等，以避免或减少因调试给生产带来不良影响。现场的调试与投入运行过程应遵循从小到大、从易到难、从手动到自动、从简单回路到复杂回路、先开环后闭环逐步过渡的原则，稳妥地实现计算机控制。计算机控制系统的投入运行是一个系统工程，是对计算机控制系统的全面检查和考核，要特别注意一些容易忽视的问题，如现场仪表与执行机构的安装位置、现场校验，各种接线与导管的正确连接、系统