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第第66章章微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计与应用与应用6.16.1系统的设计原则系统的设计原则6.26.2系统设计的方法及步骤系统设计的方法及步骤6.36.3微型计算机控制系统设计实例微型计算机控制系统设计实例6.16.1系统的设计原则系统的设计原则对于不同的控制对象，系统设计方案和具体的技术指标对于不同的控制对象，系统设计方案和具体的技术指标有所不同，但系统设计的原则是一致的，这就是：系统的可有所不同，但系统设计的原则是一致的，这就是：系统的可靠性高、操作性能好、实时性强、通用性好、经济效益高。靠性高、操作性能好、实时性强、通用性好、经济效益高。11．可靠性高．可靠性高可靠性高，是系统设计最重要的一个原则。可靠性高，是系统设计最重要的一个原则。系统设计时，首先应选高性能的工控机，以保证在恶系统设计时，首先应选高性能的工控机，以保证在恶劣环境下系统仍能正常工作；其次控制方案、软件设计要劣环境下系统仍能正常工作；其次控制方案、软件设计要可靠；第三应设计各种安全保护措施，如各种报警、事故可靠；第三应设计各种安全保护措施，如各种报警、事故预测与处理等。预测与处理等。为防止微机控制系统故障，应设计后备装置。为防止微机控制系统故障，应设计后备装置。一般控制回路可用手动操作器作后备；一般控制回路可用手动操作器作后备；重要回路可用常规仪表作后备，或者用双机方式。重要回路可用常规仪表作后备，或者用双机方式。对于较大的系统，还应注意功能分散。对于较大的系统，还应注意功能分散。22．系统操作性能好．系统操作性能好操作性能好，包括两层含义，即使用方便和维护容操作性能好，包括两层含义，即使用方便和维护容易。易。使用方便体现在操作简单、直观形象、便于掌握。使用方便体现在操作简单、直观形象、便于掌握。即：不需要操作人员掌握专门的计算机知识，同时考虑到即：不需要操作人员掌握专门的计算机知识，同时考虑到降低对操作人员的专业知识的要求，并兼顾操作人员原有降低对操作人员的专业知识的要求，并兼顾操作人员原有的操作习惯。的操作习惯。维护容易则体现在系统发生故障时，便于查找和维维护容易则体现在系统发生故障时，便于查找和维修。即系统应具有故障诊断功能，硬件设计上考虑功能模修。即系统应具有故障诊断功能，硬件设计上考虑功能模板化，以便于故障发生时能方便地更换故障模板。板化，以便于故障发生时能方便地更换故障模板。33．实时性强．实时性强实时性是微型计算机控制系统中一个非常重要的指实时性是微型计算机控制系统中一个非常重要的指标，主要表现在时间驱动和事件驱动能力上，即要求系统标，主要表现在时间驱动和事件驱动能力上，即要求系统能及时响应并处理各种事件，且不丢失任何信息，不延误能及时响应并处理各种事件，且不丢失任何信息，不延误任何操作。但微型计算机控制系统的实时性并不是指系统任何操作。但微型计算机控制系统的实时性并不是指系统的速度越快越好，而是根据实际要求，能对生产过程进行的速度越快越好，而是根据实际要求，能对生产过程进行实时的监测与控制。为此，应配有实时操作系统，过程中实时的监测与控制。为此，应配有实时操作系统，过程中断系统等。断系统等。44．通用性好．通用性好一个微机控制系统，一般包含对多台设备和多个过程一个微机控制系统，一般包含对多台设备和多个过程参数的控制，各台设备和各个过程参数的控制要求是不同参数的控制，各台设备和各个过程参数的控制要求是不同的，而且设备、过程参数还有增减。系统设计时应该考虑的，而且设备、过程参数还有增减。系统设计时应该考虑能适应不同设备和各种不同的过程参数，采用模块化结能适应不同设备和各种不同的过程参数，采用模块化结构，按照控制要求灵活构建系统，以便能使系统不作大改构，按照控制要求灵活构建系统，以便能使系统不作大改动就能很快适应新情况。这就要求系统的通用性要好，能动就能很快适应新情况。这就要求系统的通用性要好，能灵活地进行更改和扩充。灵活地进行更改和扩充。另外，系统设计时各设计指标应留有一定余量，如工另外，系统设计时各设计指标应留有一定余量，如工控机的处理速度、存储器容量、输入输出通道数以及电源控机的处理速度、存储器容量、输入输出通道数以及电源功率等，以备系统扩充时使用。功率等，以备系统扩充时使用。55．经济效益好．经济效益好采用微机控制应带来高的经济效益，设计时系统硬件采用微机控制应带来高的经济效益，设计时系统硬件部分的选择要充分考虑性能价格比，在满足性能指标的前部分的选择要充分考虑性能价格比，在满足性能指标的前提下尽可能降低成本。这就要求设计人员在设计系统方案提下尽可能降低成本。这就要求设计人员在设计系统方案时，应该全面论证，详细考察，考虑用软件实现部分硬件时，应该全面论证，详细考察，考虑用软件实现部分硬件功能，以降低硬件成本。功能，以降低硬件成本。系统设计时除需考虑性能价格比外，还应考虑提高投系统设计时除需考虑性能价格比外，还应考虑提高投入产出比，在产品质量、数量、降低能耗、改善劳动条入产出比，在产品质量、数量、降低能耗、改善劳动条件、降低环境污染等方面应有所提高，带来技术进步。件、降低环境污染等方面应有所提高，带来技术进步。6.26.2系统设计的方法及步骤系统设计的方法及步骤微型计算机控制系统的设计虽然随系统的控制对微型计算机控制系统的设计虽然随系统的控制对象、控制方式、规模大小等而有所差异，但系统设计的象、控制方式、规模大小等而有所差异，但系统设计的基本内容和主要步骤大体相同。主要包括：确定系统的基本内容和主要步骤大体相同。主要包括：确定系统的控制任务和总体设计方案，建立系统的数学模型和确定控制任务和总体设计方案，建立系统的数学模型和确定控制算法，系统硬、软件设计，系统硬、软件的分调与控制算法，系统硬、软件设计，系统硬、软件的分调与联调，系统模拟调试，系统现场投运等。此外，在运行联调，系统模拟调试，系统现场投运等。此外，在运行阶段仍需要进行必要的维护工作，解决新发现的问题，阶段仍需要进行必要的维护工作，解决新发现的问题，进一步扩展功能和完善性能。进一步扩展功能和完善性能。6.2.1系统总体方案设计设计一个性能优良的微型计算机控制系统，要注重对实际问题的调查。通过对控制对象的深入了解、分析以及工作过程、环境的熟悉，才能确定系统的控制任务和要求，提出切实可行的系统总体设计方案。系统总体方案的好坏，直接影响整个控制系统的投资、调节品质及实施细则，因此，确定微型计算机控制系统设计总体方案，是进行系统设计时至关重要的一步。系统总体设计方案主要包含以下几个方面的内容。1．确定控制方案根据系统要求，确定采用开环控制、闭环控制还是混合控制。如果是闭环控制还需进一步确定是单回路还是多回路；根据整个控制系统的目标和要求，确定微机在其中所起作用，并进而确定系统是采用直接数字控制(DDC)，还是采用计算机监督控制(SCC)，或分布式控制(DCS)等。2．确定系统的构成方式控制方案确定之后，需要选择微处理器，确定系统的构成方式。微处理器是整个控制系统的核心，其性能的好坏直接影响系统的性能。微处理器种类繁多，可根据任务要求、投资规模以及现场条件进行选择。对于设计的任务比较大，且需对现场的控制过程进行监控时，可以工控机为核心构成系统。工控机具有系列化、模块化、标准化和开放式系统结构，有利于系统设计者在设计时根据要求像搭积木般地组建系统。这种方式可提高系统研制和开发速度，提高系统的技术水平和性能，增加可靠性。工控机的生产都是按工业标准进行的，考虑到了工控环境的恶劣性，元器件都进行了严格筛选；并按功能模块化生产模板，使电路干扰、电流发热等问题大为减少，同时通过合理的结构设计和采用电磁兼容技术、备份技术和可靠性保证技术等，使工控机产品各项指标都能达到很高的要求。系统规模较大，自动化水平要求高，甚至集控制与管理为一体的系统可选用DCS、高档PLC或其它工控网络构成；系统规模较小，自动化水平要求低的，可选单回路控制器、低档PLC等构成。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以及人机联系方式确定等。传感器的选择要正确，它是影响系统控制精度的重要因素之一。常用的传感器有流量传感器、液位传感器、压力传感器、温度传感器、测速发电机等，传感器的作用是将被测模拟参数转化成电信号，其输出可以是电压，也可以电流。执行机构是微型计算机控制的重要组成部件。执行机构的选择一方面要与控制算法匹配，另一方面要根据被控对象的实际情况决定。常用的执行机构有电动、气动、液压以及步进电机等。微型计算机控制系统的主要执行机构是电动执行机构，它具有响应速度快、体积小、种类多、与计算机接口容易、使用方便等特点。当被控对象有特殊要求时，也可选择气动执行机构、液压执行机构及步进电机等。人机联系方式是人机对话的纽带，它主要是将按键、开关、显示、打印设备等通过接口与主机相连，以实现源程序的输入、给定或检测参数的设置与修改、中间结果或最终结果的显示、打印以及报警等功能。对所提出的总体设计方案要进行合理性、经济性、可靠性以及可行性论证。论证通过后，便可形成作为系统设计依据的系统总体方案图和系统设计任务书，以指导具体的系统设计过程。4．确定软硬件分工对系统的软硬件功能作出划分。在控制功能既可以用硬件完成，也可以用软件实现的情况下，要根据系统的实时性要求和整个系统的价格综合平衡加以确定。一般情况下，硬件速度快，有利于满足实时性要求，但价格较高；用软件实现则价格便宜，但要占用更多的机时。所以在实时性允许的情况下，应尽量采用软件。如果系统控制回路较多，或者软件设计比较困难时，可考虑用硬件完成。通过整体方案考虑，最后画出系统组成粗框图，用流程图来描述控制过程和任务，并写出设计任务说明书，以此作为设计依据。6.2.2分析与建模对于可以建立控制对象数学模型的工业生产过程，必须详细了解对象的工艺过程、参量允许波动的范围和控制要求，以及工艺设备的种类，使用操作条件、技术规范等有关情况，在此基础上建立对象的数学模型。建模是一个十分复杂的问题，常用方法有工艺理论分析法和实验测试法两种。工艺理论分析法在分析的基础上，利用诸如热平衡方程、化学反应式以及物料和能量的转换关系式等确定各变量之间的定性和定量关系。实验测试法通过在对象输入端加入一定的输入量，同时记录输出量的变化，根据实验数据描绘曲线，近似地求出有关参数，用以确定等效的数学模型，也是广泛应用的一种方法。6.2.3控制算法的选择选用什么控制算法才能使系统达到要求的控制指标，是系统设计的关键问题之一。控制算法的选择与系统的数学模型有关，在建立了系统的数学模型之后，可以推导出相应的控制算法。由于控制对象多种多样，相应数学模型也各不相同，所以控制算法也是多种多样的。同样的硬件，同一个被控对象，不同的控制算法其结果是完全不同的。最常用的控制算法有数字PID算法及其改进，最少拍控制算法，最优控制算法及自适应控制算法等。一般的控制可采用数字PID算法，通过参数的在线整定，达到较为满意的控制效果；对于快速随动系统，可选用最少拍控制算法；对具有纯滞后的控制对象，可选用纯滞后补偿或大林控制算法；对具有时变、非线性特性的控制对象以及难以建立数学模型的控制对象，可选用模糊控制算法等。对一个控制对象，往往可以采用不同的控制算法达到预期的控制效果。控制算法的选定应满足系统控制速度、控制精度和系统稳定性的要求。可以在控制系统中设计多种控制算法，通过数字仿真或试验进行分析对比，选择最佳的控制算法。6.2.4硬件设计一般需要选择的内容包含：1）根据控制任务的复杂程度、控制精度以及实时性要求等选择主机板。2）根据程序和数据量的大小等选择存贮器板。3）根据模拟量输入通道（AI）、模拟量输出通道（AO）点数、分辨率和精度，以及采集速度等选A/D、D/A板。4）根据开关量输入通道（DI）、开关量输出通道（DO）点数和其它要求(如交流还是直流、功率大小等)选择开关量输入输出板。5）根据人机联系方式选择相应的接口板。6）根据需要选择各种外设接口板、通信板、滤波板等。7）选择各种计算机外设。如果根据系统的