8 计算机控制系统设计与实现

高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第八章计算控制系统设计与实现主要内容•8.1系统设计的原则与步骤•8.2系统的工程设计与实现•8.3电热油炉温度单片机控制系统设计•8.4角位置伺服系统IPC控制设计高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第八章计算控制系统设计与实现8.1系统设计的原则与步骤•8.1.1系统设计的原则•⒈安全可靠•⒉操作维护方便•⒊实时性强•⒋通用性好•⒌经济效益高高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第八章计算控制系统设计与实现8.1.2系统设计的步骤•⒈工程项目与控制任务的确定阶段•⑴甲方提出任务委托书•⑵乙方研究任务委托书•⑶双方对委托书进行确认性修改•⑷乙方初步进行系统总体方案设计•⑸乙方进行方案可行性论证•⑹签订合同书高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第八章计算控制系统设计与实现•⒉工程项目的设计阶段•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、•硬件和软件的调试、•系统的组装高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第八章计算控制系统设计与实现⒊离线仿真和调试阶段离线硬件联调离线软件联调离线硬件软件统调考机现场安装调试试运行验收结束图8.1离线仿真和调试阶段流程如图高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第八章计算控制系统设计与实现•⒋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联接在一起，进行现场调试和运行。尽管离线仿真和调试工作非常认真、仔细，现场调试和运行仍可能出现问题，因此必须认真分析加以解决。系统运行正常后，可以再试运行一段时间，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。验收完毕应形成验收文件存档。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第八章计算控制系统设计与实现8.2系统的工程设计与实现•8.2.1系统总体方案设计⒈确定系统的性质和结构⒉确定系统的构成方式⒊现场设备选择⒋确定控制策略和控制算法⒌硬件、软件功能的划分⒍其它方面的考虑⒎系统总体方案高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第八章计算控制系统设计与实现•⒎系统总体方案•总体设计后将形成系统的总体方案。总体方案确认后，要形成文件，建立总体方案文档。系统总体文件的内容包括：•⑴系统的主要功能、技术指标、原理性方框图及文字说明。•⑵控制策略和控制算法，例如PID控制、达林算法、Smith补偿控制、最级控制、前馈控制、解耦控制、模糊控制、最优控制等。•⑶系统的硬件结构及配置，主要的软件功能、结构及框图。•⑷方案比较和选择。•⑸保证性能指标要求的技术措施。•⑹抗干扰和可靠性设计。•⑺机柜或机箱的结构设计。•⑻经费和进度计划的安排。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第八章计算控制系统设计与实现8.2.2硬件的工程设计与实现•⒈选择系统的总线和主机机型⑴选择系统的总线①内总线选择常用的工业控制机内总线有两种：PC总线和STD总线。一般常选用PC总线工业控制机。②外总线选择根据计算机控制系统的基本类型，如果采用分级控制系统DCS等，必然有通信的问题。外总线就是计算机与计算机之间、计算机与智能仪器或智能外设之间进行通信的总线，它包括并行通信总线(IEEE-488)和串行通信总线(RS—232C)。另外还有可用来进行远距离通信、多站点互联的通信总线RS—422和RS—485。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第八章计算控制系统设计与实现•选择主机机型在总线式工业控制机中，有许多机型，都因采用的CPU不同而不同。以PC总线工业控制既为例，其CPU有8088、80286、80386、80486、Pentium(586)等多种型号，内存、硬盘、主频、显示卡、CRT显示器也有多种规格。设计人员可根据要求合理地进行选型高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第八章计算控制系统设计与实现8.2.2硬件的工程设计与实现•⒉选择输入输出通道模板•⑴数字量(开关量)输入输出(DI／DO)模板•PC总线的并行I／O接口模板多种多样，通常可分为TTL电平的DI／DO和带光电隔离的DI／DO。通常和工业控制机共地装置的接口可以采用TTL电平，而其它装置与工业控制机之间则采用光电隔离。对于大容量的DI／DO系统，往往选用大容量的TTL电平的DI／DO板，而将光电隔离及驱动功能安排在工业控制机总线之外的非总线模板上，如继电器板（包括固体继电器板）等。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第八章计算控制系统设计与实现•⒉选择输入输出通道模板•⑵模拟量输入输出(AI／AO)模板•AI／AO模板包括A／D、D／A板及信号调理电路等。AI模板输入可能是0～±5V、1～10V、0～10mA、4～20mA以及热电偶、热电阻和各种变送器的信号。AO模板输出可能0～5V、1～10V、0～10mA、4～20mA等信号。选择AI／AO模板时必须注意分辨率、转换速度、量程范围等技术指标。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第八章计算控制系统设计与实现8.2.2硬件的工程设计与实现•⒊选择变送器和执行机构•⑴选择要送器–变送器是这样一种仪表，它能将被测变量（如温度、压力、物位、流量、电压、电流等）转换为可远传的统一标准信号(0～10mA、4～20mA等)，且输出信号与被测变量有一定的连续关系。在控制系统中其输出信号被送至工业控制机进行处理、实现数据采集。–DDZ-Ⅱ型变送器输出的是4～20mA信号,供电电源为24V(DC)且采用二线制，DDZ-Ⅲ型比DDZ-Ⅱ型变送器性能好,使用方便。DDZ-S系列变送器是在总结DDZ型变送器的基础上，吸取了国外同类变送器的先进技术，采用模拟技术与数字技术相结合，从而开发出的新一代变送器。现场总线仪表也将被推广应用。–常用的变送器有温度变送器、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。系统设计人员可根据被测参数的种类、量程、被测对象的介质类型和环境来选择变送器的具体型号。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第八章计算控制系统设计与实现•⑵选择执行机构–执行机构是控制系统中必不可少的组成部分，它的作用是接受计算机发出的控制信号，并把它转换成调整机构的动作，使生产过程按预先规定的要求正常运行。–执行机构分为气动、电动、液压三种类型。气动执行机构的持点是结构简单、价格低、防火防爆；电动执行机构的持点是体积小、种类多、使用方便；液压执行机构的特点是推力大、精度高。常用的执行机构为气动和电动两种。–另外，还有各种有触点和无触点开关，也是执行机构，实现开关动作。电磁阀作为一种开关阀在工业中也得到了广泛的应用。–在系统中，选样气动调节阀、电动调节阀、电磁阀、有触点和无触点开关之中的哪种，要跟据系统的要求来确定。但要实现连续的精确的控制目的，必须选用气动或电动调节阀，对要求不高的控制系统可选用电磁阀。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第八章计算控制系统设计与实现8.2.3软件的工程设计与实现•⒈编程语言选择•⑴汇编语言–汇编语言是面向具体微处理器的，使用它能够具体描述控制运算和处理的过程、紧凑地使用内存，对内存和[八)空间的分配比较清楚，能够充分发挥硬件的性能，所编软件运算速度快、实时性好，所以主要用于过程信号的检测、控制计算和控制输出的处理。•⑵高级语言–采用高级语言编程的优点是编程效率高，不必了解计算机的指令系统和内存分配等问题，其计算公式与数学公式相近等。其缺点是，编制的源程序经过编译后、可执行的目标代码比完成同样功能的汇编语言的目标代码长得多，一方面占用内存量增多，另一方面使得执行时间增加很多，往往难于满足实时性的要求。•⑶组态软件–组态软件是一种针对控制系统而设计的面向问题的高级语言，它为用户提供了众多的功能模块高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第八章计算控制系统设计与实现•2数据类型和数据结构规划–从数据类型：逻辑型和数值型，但通常将逻辑型数据归到软件标志中去考虑。–数值型可分为定点数和浮点数。定点数有直观、编程简单、运算速度快的优点，其缺点是表示的数值动态范围小，容易溢出。浮点数则相反，数值动态范围大、相对精度稳定、不易溢出，但编程复杂，运算速度低。–如果某参数是—系列有序数据的集合，如采样信号序列，则不只有数据类型问题，还有一个数据存放格式问题，即数据结构问题。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第八章计算控制系统设计与实现•3资源分配完成数据类型和数据结构的规划后，便可开始分配系统的资源了。–系统资源包括ROM、RAM、定时器／计数器、个断源、I／O地址等。–ROM资源用来存放程序和表格，I／O地址、定时器/计数器、中断源在任务分折时已经分配好了。–因此，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，作为编程依据高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第八章计算控制系统设计与实现•4实时控制软件设计•⑴数据采集及数据处理程序–数据采集程序主要包括模拟量和数字量多路信号的采样、输入变换、存储等。数据处理程序主要包括数字滤波程序、线性化处理和非线件补偿、标度变换程序、超限报警程序等。•(2)控制算法程序–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、大林算法、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。：实际实现时，可选择合适的一种或几种控制算法，来实现控制。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第八章计算控制系统设计与实现•4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。控制量也包括模拟量和开关量输出两种。模拟控制量由D/A转换模板输出，—般为标准的0～10mA(DC)或4～20mA(DC)信号，该信号驱动执行机构如各种调节阀。开关量控制信号驱动各种电气开关。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第八章计算控制系统设计与实现•(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–实时任务有两类：第—类是周期性的，如每天固定时间启动，固定时间撤消的任务，它的重复周期是一天。第二类是临时性任务，操作者预定好启动和撤消时间后由系统时钟来执行，但仅一次有效。–许多实时任务如采样用期、定时显示打印、定时数据处理等都必须利用实时时钟来实现。并由实时中断服务程序去执行相应的动作或处理动作状态标志等。–另外，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，以便计算机能对事件做出及时处理。事件处理用中断服务程序和相应的硬件电路来完成。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第八章计算控制系统设计与实现•(5)数据管理程序–这部分程序用于生产管理，主要包括画而显示、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高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第八章计算控制系统设计与实现8.2.4系统的调试与运行•系统的调试与运行分为离线仿真与调试阶段和在线调试与运行阶段。离线仿真与调试阶段—般在实验室或非工业现场进行，在线调试与运行阶段是在生产过程工业现场进行。离线仿真与调试阶段是基础，是检查硬件和软件的整体性能，为现场投运做准备，现场投运是对全系统的实际考验与检查。系统调试的内容很丰富，碰到的问题是干变万化的，解决的方法也是多种多样的，并没有统一的模式。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第八章计算控制系统设计与实现⒈离线仿真和调试•⑴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