9.1 计算机控制系统设计与实现(一).ppt

国家级精品课程计算机控制技术,主讲教师：于海生 教授,青岛大学,第35讲第9章 计算机控制系统设计与实现（一）,第9章 计算机控制系统设计与实现（一）,9.1.1 系统设计的原则,9.1.2 系统设计的步骤,9.2.1 系统总体方案设计,9.2.2 硬件的工程设计与实现,9.2.4 系统的调试与运行,9.2.3 软件的工程设计与实现,第9章 计算机控制系统设计与实现（一）,计算机控制系统的设计，既是一个理论问题，又是一个工程问题。理论设计：建立被控对象的数学模型；确定满足一定技术经济指标的系统目标函数，寻求满足该目标函数的控制规律；选择适宜的计算方法和程序设计语言；进行系统功能的软、硬件界面划分，并对硬件提出具体要求。工程设计：掌握生产过程的工艺要求，以及被控对象的动态和静态特性；要通晓自动检测技术、计算机技术、通信技术、自动控制技术、微电子技术等。,9.1 系统设计的原则与步骤,9.1.1 系统设计的原则9.1.2 系统设计的步骤,1.安全可靠(1)选用高性能的工业控制计算机；(2)设计可靠的控制方案，并具有各种安全保护措施，比如报警、事故预测、事故处理、不间断电源等。(3)为了预防计算机故障，还常设计后备装置，对于一般的控制回路，选用手动操作为后备；对于重要的控制回路，选用常规控制仪表作为后备。(4)对于特殊的控制对象，设计两台计算机，互为备用地执行任务，称为双机系统。双机系统的工作方式一般分为备份工作方 式和双工工作方式两种。,9.1.1 系统设计的原则,2.操作维护方便(1)操作方便表现在操作简单、直观形象、便于掌握 操作工已习惯了PID调节器的面板操作，而就设计成回路操作显示面板，或在CRT画面上设计成回路操作显示画面。(2)维修方便体现在易于查找故障，易于排除故障 采用标准的功能模板式结构，便于更换故障模板。在功能模板上安装工作状态指示灯和监测点，便于维修人员检查。另外，配置诊断程序，用来查找故障。,9.1.1 系统设计的原则,3.实时性强 工业控制机的实时性，表现在对内部和外部事件能及时地响应，并做出相应的处理，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。对于定时事件，系统设置时钟，保证定时处理。另一类是随机事件，如事故、报警等。对于随机事件，系统设置中断，并根据故障的轻重缓急，预先分配中断级别，一旦事故发生，保证优先处理紧急故障。,9.1.1 系统设计的原则,4.通用性好 系统设计时应考虑能适应各种不同设备和各种不同控制对象，并采用积木式结构，按照控制要求灵活构成系统。这就要求系统的通用性要好，并能灵活地进行扩充。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(如PC总线)，配置各种通用的功能模板，以便在扩充功能时，只需增加功能模板就能实现；二是软件模块或控制算法采用标准模块结构，用户使用时不需要二次开发，只需按要求选择各种功能模块，灵活地进行控制系统组态。,9.1.1 系统设计的原则,5.经济效益高 一是系统性能价格比要尽可能的高；二是系统投入产出比要尽可能的低。,9.1.1 系统设计的原则,9.1.2 系统设计的步骤,1.工程顶目与控制任务的确定阶段,9.1.2 系统设计的步骤,2.工程项目的设计阶段,9.1.2 系统设计的步骤,3.离线仿真和调试阶段,9.1.2 系统设计的步骤,4.在线调试和运行阶段,9.2 系统的工程设计与实现,9.2.1 系统总体方案设计9.2.2 硬件的工程设计与实现9.2.3 软件的工程设计与实现9.2.4 系统的调试与运行,9.2.1 系统总体方案设计,1.硬件总体方案设计 采用“黑箱”设计法。画方块图，明确各方块之间的信号输入输出关系和功能要求，不需知道“黑箱”内具体结构。(1)确定系统的结构和类型 开环还是闭环控制；系统的典型形式。(2)确定系统的构成方式 IPC、PLC、SLC、ADAM模块、单片机、DSP、ARM等。(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。(4)其它方面的考虑 总体方案中还应考虑人机联系方式、系统的机柜或机箱的结构设计、抗干扰等方面的问题。,9.2.1 系统总体方案设计,2.软件总体方案设计 采用结构化的“黑箱”设计法。(1)先画出较高一级的方框图，然后再将大的方框分解成小的方框，直到能表达清楚为止。(2)软件总体方案还应考虑确定系统的数学模型、控制策略、控制算法等。,9.2.1 系统总体方案设计,3.系统总体方案(1)系统的主要功能、技术指标、原理性方框图及文字说明。(2)控制策略和控制算法。(3)系统的硬件结构及配置，主要的软件功能、结构及框图。(4)方案比较和选择。(5)保证性能指标要求的技术措施。(6)抗干扰和可靠性设计。(7)机柜或机箱的结构设计。(8)经费和进度计划的安排。,9.2.2 硬件的工程设计与实现,1.选择系统的总线和主机机型(1)选择系统的总线 内总线选择 常用的工业控制机内总线有两种，即ISA总线和PCI总线，根据板卡类型需要选择其中一种。外总线选择 选择串行通信总线。(2)选择主机机型 在总线式工业控制机中，有许多机型，即因采用的CPU不同而不同。,9.2.2 硬件的工程设计与实现,2.选择输入输出通道模板(1)数字量(开关量)输入输出(DI/DO）模板(2)模拟量输入输出(AI/AO)模板,9.2.2 硬件的工程设计与实现,3.选择变送器和执行机构(1)选择变送器 根据被测参数的种类、量程、被测对象的介质类型和环境，选择变送器的具体型号，如温度变送器、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。(2)选择执行机构 执行机构分为气动、电动、液压三种类型。常用的执行机构为气动和电动的。各种有触点和无触点开关，也是执行机构，实现开关动作。,9.2.3 软件的工程设计与实现,1.数据类型和数据结构规划 规划方式：将每一个执行模块要用到的参数、要输出的结果列出来，对于与不同模块都有关的参数，只取一个名称，以保证同一个参数只有一种格式。然后为每一参数规划一个数据类型和数据结构。,2.资源分配 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。,9.2.3 软件的工程设计与实现,3.实时控制软件设计(1)数据采集及数据处理程序 数据采集程序主要包括多路信号的采样、输入变换、存贮等。数据处理程序主要包括数字滤波程序、线性化处理和非线性补偿、标度变换程序、越限报警程序等。(2)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、达林算法、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。,9.2.3 软件的工程设计与实现,3.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。(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。时钟有两种，即绝对时钟和相对时钟。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。,9.2.3 软件的工程设计与实现,3.实时控制软件设计(5)数据管理程序 这部分程序用于生产管理，主要包括画面显示、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。,9.2.4 系统的调试与运行,1.离线仿真和调试(1)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，必须准备好信号源、数字电压表、电流表等。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。硬件调试还包括现场仪表和执行机构。如是分级计算机控制系统和分散型控制系统，还要调试通信功能。,9.2.4 系统的调试与运行,1.离线仿真和调试(2)软件调试 软件调试的顺序是子程序、功能模块和主程序。系统控制模块的调试应分为开环和闭环两种情况进行。开环调试是检查它的阶跃响应特性，闭环调试是检查它的反馈控制功能。,9.2.4 系统的调试与运行,1.离线仿真和调试(2)软件调试,9.2.4 系统的调试与运行,(3)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)进行实验和研究。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(或称硬件闭路动态试验)；数字仿真(或称计算机仿真)。在系统仿真的基础上，进行长时间的运行考验(称为考机)，并根据实际运行环境的要求，进行特殊运行条件的考验。,9.2.4 系统的调试与运行,2.在线调试和运行 现场安装及在线调试前先要进行下列检查：(1)检测元件、变送器、显示仪表、调节阀等必须通过校验，保证精确度要求。(2)各种接线和导管必须经过检查，保证连接正确。(3)对在流量中采用隔离液的系统，要在清洗好引压导管以后，灌入隔离液(封液)。(4)检查调节阀能否正确工作。(5)检查系统的干扰情况和接地情况。(6)对安全防护措施也要检查。经过检查并已安装正确后。即可进行系统的投运和参数的整定。投运时应先切入手动，等系统运行接近于给定值时再切入自动。,本讲课程结束！,