控制系統(tǒng)設(shè)計與工程實現(xiàn)

第11章控制系統(tǒng)設(shè)計與工程實現(xiàn)本章要點1．學(xué)習(xí)計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計原則。2．初步掌握計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟。3．學(xué)習(xí)實例，加深認(rèn)識與初步掌握單片機(jī)、IPC和PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計思路。本章主要內(nèi)容

引言

11.1控制系統(tǒng)的設(shè)計原則11.2控制工程的實現(xiàn)步驟11.3控制工程的應(yīng)用實例本章小結(jié)思考題引言

前面討論了計算機(jī)控制系統(tǒng)各部分的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、硬件和軟件技術(shù)、控制規(guī)律算法以及典型的控制裝置類型，這就為計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計與工程實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。由于控制對象多種多樣，要求控制系統(tǒng)達(dá)到的功能也各不相同，這使得計算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成方式和規(guī)模大小也具有多樣性。11.1控制系統(tǒng)的設(shè)計原則對于不同的控制對象，系統(tǒng)的設(shè)計方案和具體的技術(shù)指標(biāo)是不同的，但控制系統(tǒng)的設(shè)計原則是相同的。這就是滿足工藝要求，可靠性高，操作性能好，實時性強(qiáng)，通用性好，經(jīng)濟(jì)效益高。主要內(nèi)容

滿足工藝要求

可靠性要高

操作性要好

實時性要強(qiáng)

通用性要好

經(jīng)濟(jì)效益要高

（1）滿足工藝要求

在設(shè)計計算機(jī)控制系統(tǒng)時，首先應(yīng)滿足生產(chǎn)過程所提出的各種要求及性能指標(biāo)。因為計算機(jī)控制系統(tǒng)是為生產(chǎn)過程自動化服務(wù)的，因此設(shè)計之前必須對工藝過程有一定的熟悉和了解，系統(tǒng)設(shè)計人員應(yīng)該和工藝人員密切結(jié)合，才能設(shè)計出符合生產(chǎn)工藝要求和性能指標(biāo)的控制系統(tǒng)。設(shè)計的控制系統(tǒng)所達(dá)到的性能指標(biāo)不應(yīng)低于生產(chǎn)工藝要求，但片面追求過高的性能指標(biāo)而忽視設(shè)計成本和實現(xiàn)上的可能性也是不可取的。（2）可靠性要高

對工業(yè)控制的計算機(jī)系統(tǒng)最基本的要求是可靠性高。否則，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將造成整個控制過程的混亂，會引起嚴(yán)重的后果，由此造成的損失往往大大超出計算機(jī)控制系統(tǒng)本身的價值。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，特別是在一些連續(xù)生產(chǎn)過程的企業(yè)中，是不允許故障率高的設(shè)備存在的。系統(tǒng)的可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，可靠性指標(biāo)一般用系統(tǒng)的平均無故障時間MTBF和平均維修時間MTTR來表示。MTBF反映了系統(tǒng)可靠工作的能力，MTTR表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障后立即恢復(fù)工作的能力，一般希望MTBF要大于某個規(guī)定值，而MTTR值越短越好。

因此，在系統(tǒng)設(shè)計時，首先要選用高性能的工業(yè)控制計算機(jī)，保證在惡劣的工業(yè)環(huán)境下仍能正常運(yùn)行。其次是設(shè)計可靠的控制方案，并具備有各種安全保護(hù)措施，比如報警、事故預(yù)測、事故處理、不間斷電源等。為了預(yù)防計算機(jī)故障，還須設(shè)計后備裝置。對于一般的控制回路，選用手動操作器作為后備；對于重要的回路，選用常規(guī)控制儀表作為后備。這樣，一旦計算機(jī)出現(xiàn)故障，就把后備裝置切換到控制回路中去，以維持生產(chǎn)過程的正常運(yùn)行。對于特殊的控制對象，可設(shè)計兩臺計算機(jī)互為備用地執(zhí)行控制任務(wù)，成為雙機(jī)系統(tǒng)。對于規(guī)模較大的系統(tǒng)，應(yīng)注意功能分散，即可采用分散控制系統(tǒng)或現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。

（3）操作性要好

操作性能好包括兩個含義，即使用方便和維護(hù)容易。首先是使用方便。系統(tǒng)設(shè)計時要盡量考慮用戶的方便使用，尤其是操作面板的設(shè)計，既要體現(xiàn)操作的先進(jìn)性，又要兼顧原有的操作習(xí)慣，控制開關(guān)不能太多、太復(fù)雜，盡量降低對使用人員專業(yè)知識的要求，使他們能在較短時間內(nèi)熟悉和掌握操作。其次是維修容易，即一旦發(fā)生故障，易于查找和排除。在硬件方面，從零部件的排列位置，標(biāo)準(zhǔn)化的模板結(jié)構(gòu)，以及能否便于帶電插拔等等都要通盤考慮；從軟件角度而言，要配置查錯程序和診斷程序，以便在故障發(fā)生時能用程序幫助查找故障發(fā)生的部位，從而縮短排除故障的時間。

（4）實時性要強(qiáng)

計算機(jī)控制系統(tǒng)的實時性，表現(xiàn)在對內(nèi)部和外部事件能及時地響應(yīng)，并作出相應(yīng)的處理，不丟失信息，不延誤操作。計算機(jī)處理的事件一般分為兩類。一類是定時事件，如數(shù)據(jù)的定時采集，運(yùn)算控制等，對此系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置時鐘，保證定時處理；另一類是隨機(jī)事件，如事故報警等，對此系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置中斷，并根據(jù)故障的輕重緩急預(yù)先分配中斷級別，一旦事故發(fā)生，保證優(yōu)先處理緊急故障。（5）通用性要好工業(yè)控制的對對象千差萬別別，而計算機(jī)機(jī)控制系統(tǒng)的的研制開發(fā)又又需要有一定定的投資和周周期。一般來來說，不可能能為一臺裝置置或一個生產(chǎn)產(chǎn)過程研制一一臺專用計算算機(jī)，常常是是設(shè)計或選用用通用性好的的計算機(jī)控制制裝置靈活地地構(gòu)成系統(tǒng)。。當(dāng)設(shè)備和控控制對象有所所變更時或者者再設(shè)計另外外一個控制系系統(tǒng)時，通用用性好的系統(tǒng)統(tǒng)一般稍作更更改或擴(kuò)充就就可適應(yīng)。計算機(jī)控制系系統(tǒng)的通用靈靈活性體現(xiàn)在在兩方面：一一是硬件設(shè)計計方面，首先先應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，，配置各種通通用的功能模模板或功能模模塊，以便在在需要擴(kuò)充時時，只要增加加相應(yīng)板、塊塊就能實現(xiàn)，，即便當(dāng)CPU升級時，也只只要更換相應(yīng)應(yīng)的升級芯片片及少量相關(guān)關(guān)電路即可實實現(xiàn)系統(tǒng)升級級的目的。其其次，在系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計時，各各設(shè)計指標(biāo)要要留有一定的的余量，如輸輸入輸出通道道指標(biāo)、內(nèi)存存容量、電源源功率等。二二是軟件方面面，應(yīng)采用標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)模塊結(jié)構(gòu)構(gòu)，盡量不進(jìn)進(jìn)行二次開發(fā)發(fā)，主要是按按要求選擇各各種軟件功能能模塊，靈活活地進(jìn)行控制制系統(tǒng)的組態(tài)態(tài)。（6）經(jīng)濟(jì)效益要高高計算機(jī)控制應(yīng)應(yīng)該帶來高的的經(jīng)濟(jì)效益，，要有市場競競爭意識。經(jīng)經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)現(xiàn)在兩方面：：一是系統(tǒng)設(shè)設(shè)計的性能價價格比要盡可可能的高，在在滿足設(shè)計要要求的情況下下，盡量采用用物美廉價的的元器件；二二是投入產(chǎn)出出比要盡可能能的低，應(yīng)該該從提高生產(chǎn)產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量量與產(chǎn)量、降降低能耗、消消除污染、改改善勞動條件件等方面進(jìn)行行綜合評估。。11.2控制工程的實實現(xiàn)步驟主要知識點簡單介紹11.2.1準(zhǔn)備階段11.2.2設(shè)計階段11.2.3仿真及調(diào)試階階段簡單介紹作為一個計算算機(jī)控制系統(tǒng)統(tǒng)的工程項目目，在設(shè)計研研制過程中應(yīng)應(yīng)經(jīng)過哪些步步驟，這是需需要認(rèn)真考慮慮的。如果步步驟不清，或或者每一步需需要做什么不不明確，就有有可能引起研研制過程中的的混亂甚至返返工。計算機(jī)機(jī)控制系統(tǒng)的的研制過程一一般可分為4個階段：準(zhǔn)備備階段、設(shè)計計階段、仿真真及調(diào)試階段段和現(xiàn)場調(diào)試試運(yùn)行階段。。11.2.1準(zhǔn)備階段在一個工程項項目研制實施施的開始階段段，首先碰到到的問題是甲甲方和乙方之之間的雙方合合同關(guān)系。甲甲方是任務(wù)的的委托方，乙乙方是任務(wù)的的承接方。圖14-1給出了系統(tǒng)研研制準(zhǔn)備階段段的流程，該該流程既適合合于甲方，也也適合于乙方方。14-1系統(tǒng)研制準(zhǔn)備備階段流程14-1系統(tǒng)研制準(zhǔn)備備階段流程1．甲方提出任任務(wù)委托書2．乙方研究任任務(wù)委托書3．雙方對委托托書進(jìn)行確認(rèn)認(rèn)性修改4．乙方初步進(jìn)進(jìn)行系統(tǒng)總體體方案設(shè)計5．乙方進(jìn)行方方案可行性論論證6．簽訂合同書書在委托乙方承承接系統(tǒng)項目目前，甲方一一定要提供正正式的書面任任務(wù)委托書，，該委托書一一定要有清楚楚準(zhǔn)確的系統(tǒng)統(tǒng)技術(shù)性能指指標(biāo)，還要包包含經(jīng)費(fèi)、計計劃進(jìn)度及合合作方式等內(nèi)內(nèi)容。1．甲方提出任任務(wù)委托書乙方在接到任任務(wù)委托書后后要認(rèn)真閱讀讀，并逐條進(jìn)進(jìn)行研究。對對含糊不清、、認(rèn)識上有分分歧和需補(bǔ)充充或刪節(jié)的地地方要逐條標(biāo)標(biāo)出，并擬訂訂出要進(jìn)一步步弄清的問題題及修改意見見。2．乙方研究任任務(wù)委托書在乙方對委托托書進(jìn)行了認(rèn)認(rèn)真研究之后后，雙方應(yīng)就就委托書的確確認(rèn)或修改事事宜進(jìn)行協(xié)商商和討論。經(jīng)經(jīng)過確認(rèn)或修修改過的委托托書中不應(yīng)再再有含義不清清的詞匯和條條款，而且雙雙方的任務(wù)和和技術(shù)界面必必須劃分清楚楚。3．雙方對委托托書進(jìn)行確認(rèn)認(rèn)性修改由于任務(wù)和經(jīng)經(jīng)費(fèi)沒有落實實，所以這時時總體方案的的設(shè)計只能是是粗線條的。。但應(yīng)能反映映出三大關(guān)鍵鍵問題：技術(shù)術(shù)難點；經(jīng)費(fèi)費(fèi)概算；工期期。乙方應(yīng)多多做幾個不同同的方案以便便比較。4．乙方初步進(jìn)進(jìn)行系統(tǒng)總體體方案設(shè)計方案可行性論論證的目的是是要估計承接接該項任務(wù)的的把握性，并并為簽合同后后設(shè)計階段的的總體設(shè)計打打下基礎(chǔ)。論論證的主要內(nèi)內(nèi)容是：技技術(shù)可行性；；經(jīng)費(fèi)可行行性；進(jìn)度度計劃可行性性。特別要指指出，對控制制項目尤其是是對可測性和和可控性應(yīng)給給予充分重視視。如果論證的結(jié)結(jié)果可行，接接著就應(yīng)做好好簽合同前的的準(zhǔn)備工作；；如果不可行行，則應(yīng)與甲甲方進(jìn)一步協(xié)協(xié)商任務(wù)委托托書的有關(guān)內(nèi)內(nèi)容或?qū)l款款進(jìn)行修改。。若不能修改改，則合同不不能簽訂。5．乙方進(jìn)行方方案可行性論論證這是準(zhǔn)備階段段的最后一個個步驟。合同同書是雙方達(dá)達(dá)成一致意見見的結(jié)果，也也是以后雙方方合作的唯一一依據(jù)和憑證證。合同書應(yīng)應(yīng)包含如下內(nèi)內(nèi)容：雙方的的任務(wù)劃分和和各自應(yīng)承擔(dān)擔(dān)的責(zé)任；合合作方式；付付款方式；進(jìn)進(jìn)度和計劃安安排；驗收方方式及條件；；成果的歸屬屬；違約的解解決辦法等。。合同書的最后后簽訂，也就就意味著雙方方認(rèn)可的系統(tǒng)統(tǒng)總體方案得得以確定，可可以進(jìn)入下一一個設(shè)計階段段。6．簽訂合同書書11.2.2設(shè)計階段控制系統(tǒng)的設(shè)設(shè)計階段又分分為總體設(shè)計計、硬件設(shè)計計、軟件設(shè)計計等幾個步驟驟。1．總體設(shè)計硬件設(shè)計3．軟件設(shè)計1．總體設(shè)計總體設(shè)計就是是要了解控制制對象、熟悉悉控制要求，，確定總的技技術(shù)性能指標(biāo)標(biāo)，確定系統(tǒng)統(tǒng)的構(gòu)成方式式及控制裝置置與現(xiàn)場設(shè)備備的選擇，以以及控制規(guī)律律算法和其它它特殊功能要要求。（1）確定系統(tǒng)任務(wù)務(wù)與控制方案案（2）確定系統(tǒng)的構(gòu)構(gòu)成方式設(shè)計計（3）選擇現(xiàn)場設(shè)備備（4）確定控制算法法（5）硬、軟件功能能的劃分（6）其它方面的考考慮在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)設(shè)計之前，首首先應(yīng)對控制制對象的工藝藝流程進(jìn)行分分析歸納，明明確具體要求求，確定系統(tǒng)統(tǒng)所要完成的的任務(wù)，一般般應(yīng)同用戶討討論并得到用用戶的認(rèn)可。。然后根據(jù)系系統(tǒng)要求，確確定采用開環(huán)環(huán)還是閉環(huán)控控制；閉環(huán)控控制還需進(jìn)一一步確定是單單閉環(huán)還是多多閉環(huán)；進(jìn)而而還要確定出出整個系統(tǒng)是是采用DDC，還是采用SCC，或者采用DCS或FCS。（1）確定系統(tǒng)任任務(wù)與控制方方案控制方案確定定后，就可以以進(jìn)一步確定定系統(tǒng)的構(gòu)成成方式即進(jìn)行行控制裝置機(jī)機(jī)型的選擇。。目前已經(jīng)生生產(chǎn)出許多用用于工業(yè)控制制的計算機(jī)裝裝置可供選擇擇，如單片機(jī)機(jī)、可編程調(diào)調(diào)節(jié)器、IPC、PLC和DCS、FCS等。（2）確定系統(tǒng)的的構(gòu)成方式在以模擬量為為主的中小規(guī)規(guī)模的過程控控制環(huán)境下，，一般應(yīng)優(yōu)先先選擇總線式式IPC來構(gòu)成系統(tǒng)的的方式；在以以數(shù)字量為主主的中小規(guī)模模的運(yùn)動控制制環(huán)境下，一一般應(yīng)優(yōu)先選選擇PLC來構(gòu)成系統(tǒng)的的方式。IPC或PLC具有系列化、、模塊化、標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化和開放放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)，有利于系系統(tǒng)設(shè)計者在在系統(tǒng)設(shè)計時時根據(jù)要求任任意選擇，象象搭積木般地地組建系統(tǒng)。。這種方式可可提高系統(tǒng)研研制和開發(fā)速速度，提高系系統(tǒng)的技術(shù)水水平和性能，，增加可靠性性。當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模較較小、控制回回路較少時，，可以考慮采采用可編程調(diào)調(diào)節(jié)器或控制制儀表；如果果是小型控制制裝置或智能能儀器儀表的的研制設(shè)計，，則可以采用用單片機(jī)系列列。當(dāng)系統(tǒng)規(guī)規(guī)模較大，自自動化水平要要求高，甚至至集控制與管管理為一體的的系統(tǒng)可選用用DCS、FCS、高檔PLC或其它工控網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。主要包含傳感感器、變送器器和執(zhí)行器的的選擇。隨著著控制技術(shù)的的發(fā)展，測量量各種參數(shù)的的傳感器，如如溫度、壓力力、流量、液液位、成分、、位移、重量量、速度等等等，種類繁多多，規(guī)格各異異；而執(zhí)行器器也有模擬量量執(zhí)行器、數(shù)數(shù)字量執(zhí)行器器以及電動、、氣動、液動動等之分。因因此，如何正正確選擇這些些現(xiàn)場設(shè)備，，確實不是一一件簡單的事事情，這其中中的任何一個個環(huán)節(jié)都會影影響系統(tǒng)的控控制任務(wù)和控控制精度。（3）選擇現(xiàn)場場設(shè)備選用什么控控制算法才才能使系統(tǒng)統(tǒng)達(dá)到要求求的控制指指標(biāo)，也是是系統(tǒng)設(shè)計計的關(guān)鍵問問題之一。?？刂扑惴ǚǖ倪x擇與與系統(tǒng)的數(shù)數(shù)學(xué)模型有有關(guān)，在系系統(tǒng)的數(shù)學(xué)學(xué)模型確定定后，便可可推導(dǎo)出相相應(yīng)的控制制算法。所謂數(shù)數(shù)學(xué)模模型就就是系系統(tǒng)動動態(tài)特特性的的數(shù)學(xué)學(xué)表達(dá)達(dá)式，，它表表示系系統(tǒng)輸輸入輸輸出及及其內(nèi)內(nèi)部狀狀態(tài)之之間的的關(guān)系系。一一般多多由實實驗方方法測測出系系統(tǒng)的的階躍躍響應(yīng)應(yīng)特性性曲線線，然然后由由曲線線確定定出其其數(shù)學(xué)學(xué)模型型。當(dāng)當(dāng)系統(tǒng)統(tǒng)模型型確定定之后后，即即可確確定控控制算算法。。計算算機(jī)控控制系系統(tǒng)的的主要要任務(wù)務(wù)就是是按此此控制制算法法進(jìn)行行控制制。因因此，，控制制算法法的正正確與與否，，直接接影響響控制制系統(tǒng)統(tǒng)的調(diào)調(diào)節(jié)品品質(zhì)。。（4）確定定控制制算法法由于控控制對對象多多種多多樣，，相應(yīng)應(yīng)控制制模型型也各各異，，所以以控制制規(guī)律律及其其控制制算法法也是是多種種多樣樣的。。如一一般簡簡單的的生產(chǎn)產(chǎn)過程程常采采用P、PI或PID控制；；對于于工況況復(fù)雜雜工藝藝要求求高的的生產(chǎn)產(chǎn)過程程，一一般的的PID不能達(dá)達(dá)到性性能指指標(biāo)時時，應(yīng)應(yīng)采取取其它它控制制規(guī)律律如串串級、、前饋饋、自自適應(yīng)應(yīng)等；；對于于快速速隨動動系統(tǒng)統(tǒng)，可可選用用最少少拍控控制；；對具具有純純滯后后的控控制對對象，，可選選用純純滯后后補(bǔ)償償或大大林控控制；；對具具有時時變、、非線線性特特性的的控制制對象象以及及難以以建立立數(shù)學(xué)學(xué)模型型的控控制對對象，，可選選用模模糊控控制；；另外外，還還有隨隨機(jī)控控制、、智能能控制制等其其它控控制算算法。。在計算算機(jī)控控制系系統(tǒng)中中，一一些控控制功功能既既能由由硬件件實現(xiàn)現(xiàn)，亦亦能用用軟件件實現(xiàn)現(xiàn)。故故系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計計時，，硬、、軟件件功能能的劃劃分要要綜合合考慮慮。用用硬件件來實實現(xiàn)一一些功功能的的好處處是可可以加加快處處理速速度，，減輕輕主機(jī)機(jī)的負(fù)負(fù)擔(dān)，，但要要增加加部件件成本本；而而軟件件實現(xiàn)現(xiàn)正好好相反反，可可以降降低成成本，，增加加靈活活性，，但要要占用用主機(jī)機(jī)更多多的時時間。。一般般的考考慮原原則是是視控控制系系統(tǒng)的的應(yīng)用用環(huán)境境與今今后的的生產(chǎn)產(chǎn)數(shù)量量而定定。對對于今今后能能批量量生產(chǎn)產(chǎn)的系系統(tǒng)，，為了了減低低成本本，提提高產(chǎn)產(chǎn)品競競爭力力，在在滿足足指標(biāo)標(biāo)功能能的前前提下下，應(yīng)應(yīng)盡量量減少少硬件件器件件，多多用軟軟件來來完成成相應(yīng)應(yīng)的功功能。。如果果軟件件實現(xiàn)現(xiàn)很困困難，，而用用硬件件實現(xiàn)現(xiàn)卻比比較簡簡單，，且系系統(tǒng)的的批量量又不不大的的話，，則用用硬件件實現(xiàn)現(xiàn)功能能比較較妥當(dāng)當(dāng)。（5）硬、、軟件件功能能的劃劃分還應(yīng)考考慮人人機(jī)界界面、、系統(tǒng)統(tǒng)的機(jī)機(jī)柜或或機(jī)箱箱的結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計、、抗干干擾等等方面面的問問題。。最后后初步步估算算一下下成本本，做做出工工程概概算。。對所提提出的的總體體設(shè)計計方案案要進(jìn)進(jìn)行合合理性性、經(jīng)經(jīng)濟(jì)性性、可可靠性性以及及可行行性論論證。。論證證通過過后，，便可可形成成作為為系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計計依據(jù)據(jù)的系系統(tǒng)總總體方方案圖圖和系系統(tǒng)設(shè)設(shè)計任任務(wù)書書，以以指導(dǎo)導(dǎo)具體體的系系統(tǒng)設(shè)設(shè)計過過程。。（6）其它它方面面的考考慮2.硬件設(shè)設(shè)計對于通通用控控制系系統(tǒng)，，可以以首選選現(xiàn)成成的總總線式式IPC系統(tǒng)或或者PLC裝置，，以加加快設(shè)設(shè)計研研制進(jìn)進(jìn)程，，使系系統(tǒng)硬硬件設(shè)設(shè)計的的工作作量減減到最最小。。例如如STD總線、、PC總線IPC有數(shù)十十種國國內(nèi)外外的品品牌，，PLC也有十十幾種種品牌牌幾十十種系系列可可供選選擇。。這些些符合合工業(yè)業(yè)化標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的的控制制裝置置的模模板、、模塊塊產(chǎn)品品都經(jīng)經(jīng)過嚴(yán)嚴(yán)格測測試，，并可可提供供各種種軟硬硬件接接口，，包括括相應(yīng)應(yīng)的驅(qū)驅(qū)動程程序等等。這這些模模板模模塊產(chǎn)產(chǎn)品只只要總總線標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)一一致，，買回回后插插入相相應(yīng)空空槽即即可運(yùn)運(yùn)行，，構(gòu)成成系統(tǒng)統(tǒng)極為為方便便。所所以。。除非非無法法買到到滿足足自己己要求求的產(chǎn)產(chǎn)品，，否則則絕不不要隨隨意決決定自自行研研制。。無論是是選用用現(xiàn)成成的IPC，還是是采用用PLC裝置，，設(shè)計計者都都要根根據(jù)系系統(tǒng)要要求選選擇合合適的的模板板或模模塊。。選擇擇內(nèi)容容一般般包括括：（1）根據(jù)據(jù)控制制任務(wù)務(wù)的復(fù)復(fù)雜程程度、、控制制精度度以及及實時時性要要求等等選擇擇主機(jī)機(jī)板（（包括括總線線類型型、主主機(jī)機(jī)機(jī)型等等）；；（2）根根據(jù)AI、AO點數(shù)、、分辨辨率和和精度度，以以及采采集速速度等等選A／D、D／A板（包包括通通道數(shù)數(shù)量、、信號號類別別、量量程范范圍等等）；；（3）根據(jù)據(jù)DI、DO點數(shù)和和其它它要求求，選選擇開開關(guān)量量輸入入輸出出板（（包括括通道道數(shù)量量、信信號類類別、、交直直流和和功率率大小小等））；（4）根據(jù)據(jù)人機(jī)機(jī)聯(lián)系系方式式選擇擇相應(yīng)應(yīng)的接接口板板或顯顯示操操作面面板（（包括括參數(shù)數(shù)設(shè)定定、狀狀態(tài)顯顯示、、手動動自動動切換換和異異常報報警等等）；；（5）根據(jù)據(jù)需要要選擇擇各種種外設(shè)設(shè)接口口、通通信板板塊等等；（6）根據(jù)據(jù)工藝藝流程程選擇擇測量量裝置置（包包括被被測參參數(shù)種種類、、量程程大小小、信信號類類別、、型號號規(guī)格格等））；（7）根據(jù)據(jù)工藝藝流程程選擇擇執(zhí)行行裝置置（包包括能能源類類型、、信號號類別別、型型號規(guī)規(guī)格等等）。。采用通通用控控制裝裝置構(gòu)構(gòu)成系系統(tǒng)的的優(yōu)點點是：：系統(tǒng)統(tǒng)配置置靈活活，規(guī)規(guī)?？煽纱罂煽尚?，，擴(kuò)充充方便便，維維修簡簡單，，由于于無須須進(jìn)行行硬件件線路路設(shè)計計，因因而對對設(shè)計計人員員的硬硬件技技術(shù)水水平要要求不不高。。一般般IPC都配有有系統(tǒng)統(tǒng)軟件件，有有的還還配有有各種種控制制軟件件包；；而有有的IPC只提供供硬件件設(shè)計計上的的方便便，而而應(yīng)用用軟件件需自自行開開發(fā)，，或者者系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計計者愿愿意自自己開開發(fā)研研制全全部應(yīng)應(yīng)用軟軟件。。以獲獲取這這部分分較高高的商商業(yè)利利潤。。專用控控制系系統(tǒng)是是指應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域比比較專專一，，或者者是為為某項項應(yīng)用用而專專門設(shè)設(shè)計、、開發(fā)發(fā)的計計算機(jī)機(jī)控制制系統(tǒng)統(tǒng)，如如數(shù)控控機(jī)床床控制制設(shè)備備、彩彩色印印刷控控制設(shè)設(shè)備、、電子子稱重重儀及及其它它智能能數(shù)字字測控控設(shè)備備等專專用的的智能能化儀儀器儀儀表及及小型型控制制系統(tǒng)統(tǒng)。另另外，，帶有有智能能控制制功能能的家家電產(chǎn)產(chǎn)品也也屬這這類系系統(tǒng)。。這些些系統(tǒng)統(tǒng)偏重重于某某幾項項特定定的功功能，，系統(tǒng)統(tǒng)的軟軟硬件件比較較簡單單和緊緊湊，，常用用于批批量的的定型型產(chǎn)品品中。。硬件件完全全按系系統(tǒng)的的要求求進(jìn)行行配置置，軟軟件多多采用用固化化的專專用芯芯片和和相應(yīng)應(yīng)器件件，一一般可可采用用單片片機(jī)系系統(tǒng)或或?qū)Ｓ糜玫目乜刂菩拘酒瑏韥韺崿F(xiàn)現(xiàn)，開開發(fā)完完成后后一般般不作作較大大的更更動。。這種種方法法的優(yōu)優(yōu)點是是系統(tǒng)統(tǒng)針對對性強(qiáng)強(qiáng)、價價格便便宜，，缺點點是設(shè)設(shè)計制制造周周期長長，設(shè)設(shè)計人人員應(yīng)應(yīng)具備備較深深的計計算機(jī)機(jī)知識識，系系統(tǒng)的的全部部硬件件、軟軟件均均需自自行開開發(fā)研研制。。3．軟件件設(shè)計計用IPC或PLC來組建建計算算機(jī)控控制系系統(tǒng)不不僅能能減小小系統(tǒng)統(tǒng)硬件件設(shè)計計工作作量，，而且且還能能減小小系統(tǒng)統(tǒng)軟件件設(shè)計計工作作量。。一般般它們們都配配有實實時操操作系系統(tǒng)或或?qū)崟r時監(jiān)控控程序序以及及各種種控制制、運(yùn)運(yùn)算軟軟件和和組態(tài)態(tài)軟件件等，，可使使系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計計者在在最短短的周周期內(nèi)內(nèi)，開開發(fā)出出應(yīng)用用軟件件。如果從從選擇擇單片片機(jī)入入手來來研制制控制制系統(tǒng)統(tǒng)，那那系統(tǒng)統(tǒng)的全全部硬硬件、、軟件件均需需自行行開發(fā)發(fā)研制制。自自行開開發(fā)控控制軟軟件時時，應(yīng)應(yīng)先畫畫出程程序總總體流流程圖圖和各各功能能模塊塊流程程圖，，再選選擇程程序設(shè)設(shè)計語語言，，然后后編制制程序序。程程序編編制應(yīng)應(yīng)先模模塊后后整體體。軟軟件設(shè)設(shè)計應(yīng)應(yīng)考慮慮以下下幾個個方面面。（1）編程程語言言的選選擇根據(jù)機(jī)機(jī)型不不同和和控制制工況況不同同，可可以選選擇不不同的的編程程設(shè)計計語言言。目目前常常用的的語言言有匯匯編語語言、、高級級語言言、組組態(tài)語語言等等。匯編語語言是是使用用助記記符代代替二二進(jìn)制制指令令碼的的面向向機(jī)器器的語語言。。用匯匯編語語言編編出的的程序序質(zhì)量量較高高，且且易讀讀、易易記、、易檢檢查和和修改改，但但不同同的機(jī)機(jī)器有有不同同的匯匯編語語言，，如MCS51單片片機(jī)機(jī)匯匯編編語語言言、、8086CPU匯編編語語言言等等。。編編程程者者必必須須先先熟熟悉悉這這種種機(jī)機(jī)器器的的匯匯編編語語言言才才能能編編程程，，這這就就要要求求編編程程者者要要有有較較深深的的計計算算機(jī)機(jī)軟軟件件和和硬硬件件知知識識以以及及一一定定程程度度的的程程序序設(shè)設(shè)計計技技能能與與經(jīng)經(jīng)驗驗。。高級級語語言言更更接接近近英英語語自自然然語語言言和和數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)表表達(dá)達(dá)式式，，程程序序設(shè)設(shè)計計人人員員只只要要掌掌握握該該種種語語言言的的特特點點和和使使用用方方法法，，而而不不必必了了解解機(jī)機(jī)器器的的指指令令系系統(tǒng)統(tǒng)就就可可以以編編程程設(shè)設(shè)計計。。因因而而它它具具有有通通用用性性好好、、功功能能強(qiáng)強(qiáng)、、更更易易于于編編寫寫等等特特點點，，是是近近年年來來發(fā)發(fā)展展很很快快的的一一種種編編程程方方式式。。目目前前，，AT89、51系列列單單片片機(jī)機(jī)常常用用的的高高級級語語言言有有C-51、PL／M-51以及及MBASIC-51等。。高級級語語言言在在編編寫寫控控制制算算法法和和圖圖形形顯顯示示方方面面具具有有獨獨特特的的優(yōu)優(yōu)點點，，而而匯匯編編語語言言編編寫寫的的程程序序比比用用高高級級語語言言編編寫寫的的程程序序執(zhí)執(zhí)行行速速度度快快、、占占用用內(nèi)內(nèi)存存少少。。所所以以，，一一種種較較好好的的模模式式是是混混合合使使用用兩兩種種語語言言，，用用匯匯編編語語言言編編寫寫中中斷斷管管理理、、輸輸入入輸輸出出等等實實時時性性強(qiáng)強(qiáng)的的程程序序，，而而用用高高級級語語言言編編寫寫計計算算、、圖圖形形顯顯示示、、打打印印等等運(yùn)運(yùn)算算管管理理程程序序。。組態(tài)態(tài)語語言言是是一一種種針針對對控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)而而設(shè)設(shè)計計的的面面向向問問題題的的高高級級語語言言，，它它為為用用戶戶提提供供了了眾眾多多的的功功能能模模塊塊。。比比如如，，控控制制算算法法模模塊塊（（如如PID），，運(yùn)運(yùn)算算模模塊塊（（四四則則運(yùn)運(yùn)算算、、開開方方、、最最大大值值/最小小值值選選擇擇、、一一階階慣慣性性、、超超前前滯滯后后、、工工程程量量變變換換、、上上下下限限報報警警等等數(shù)數(shù)十十種種）），，計計數(shù)數(shù)/計時時模模塊塊，，邏邏輯輯運(yùn)運(yùn)算算模模塊塊，，輸輸入入模模塊塊，，輸輸出出模模塊塊，，打打印印模模塊塊，，CRT顯示示模模塊塊等等。。系系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)設(shè)計計者者只只需需根根據(jù)據(jù)控控制制要要求求，，選選擇擇所所需需的的模模塊塊就就能能十十分分方方便便地地生生成成系系統(tǒng)統(tǒng)控控制制軟軟件件，，因因而而軟軟件件設(shè)設(shè)計計工工作作量量大大為為減減小小。。常常用用的的組組態(tài)態(tài)軟軟件件有有Intouch、FIX、WinCC、KingView組態(tài)態(tài)王王、、MCGS、力力控控等等。。在軟軟件件技技術(shù)術(shù)飛飛速速發(fā)發(fā)展展的的今今天天，，各各種種軟軟件件開開發(fā)發(fā)工工具具琳琳瑯瑯滿滿目目，，每每種種開開發(fā)發(fā)語語言言都都有有其其各各自自的的長長處處和和短短處處。。在在設(shè)設(shè)計計控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的應(yīng)應(yīng)用用程程序序時時，，究究竟竟選選擇擇哪哪種種語語言言編編程程，，還還是是兩兩種種語語言言混混合合使使用用，，這這要要根根據(jù)據(jù)被被控控對對象象的的特特點點、、控控制制任任務(wù)務(wù)的的要要求求以以及及所所具具備備的的條條件件而而定定。。（2）數(shù)據(jù)類型型和數(shù)據(jù)結(jié)結(jié)構(gòu)規(guī)劃系統(tǒng)的各個個模塊之間間要進(jìn)行各各種信息傳傳遞，如數(shù)數(shù)據(jù)采集模模塊和數(shù)據(jù)據(jù)處理模塊塊之間、數(shù)數(shù)據(jù)處理模模塊和顯示示模塊、打打印模塊之之間的接口口條件，也也即各接口口參數(shù)的數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和和數(shù)據(jù)類型型必須嚴(yán)格格統(tǒng)一規(guī)定定。從數(shù)據(jù)類型型上來分類類，可分為為邏輯型和和數(shù)值型。。通常將邏邏輯型數(shù)據(jù)據(jù)歸到軟件件標(biāo)志中去去考慮。數(shù)數(shù)值型數(shù)據(jù)據(jù)可分為定定點數(shù)和浮浮點數(shù)，定定點數(shù)具有有直觀、編編程簡單、、運(yùn)算速度度快的優(yōu)點點，缺點是是表示的數(shù)數(shù)值動態(tài)范范圍小，容容易溢出；；而浮點數(shù)數(shù)則相反，，數(shù)值動態(tài)態(tài)范圍大、、相對精度度穩(wěn)定、不不易溢出，，但編程復(fù)復(fù)雜，運(yùn)算算速度低。。如果某參數(shù)數(shù)是一系列列有序數(shù)據(jù)據(jù)的集合，，如采樣信信號序列，，則不只有有數(shù)據(jù)類型型問題，還還有一個數(shù)數(shù)據(jù)存放格格式問題，，即數(shù)據(jù)結(jié)結(jié)構(gòu)問題。。具體說來來，就是按按順序結(jié)構(gòu)構(gòu)、鏈形結(jié)結(jié)構(gòu)還是樹樹形結(jié)構(gòu)來來存放數(shù)據(jù)據(jù)。（3）資源分配配完成數(shù)據(jù)類類型和數(shù)據(jù)據(jù)結(jié)構(gòu)的規(guī)規(guī)劃后，便便開始分配配系統(tǒng)的資資源。系統(tǒng)統(tǒng)資源包括括ROM、RAM、定時器/計數(shù)器、中中斷源、I/O地址等。ROM資源用來存存放程序和和表格，I/O地址、定時時器/計數(shù)器、中中斷源在任任務(wù)分析時時已經(jīng)分配配好了。因因此，資源源分配的主主要工作是是RAM資源的分配配。RAM資源規(guī)劃好好后，應(yīng)列列出一張RAM資源的詳細(xì)細(xì)分配清單單，作為編編程依據(jù)。。（4）控制軟件件的設(shè)計計算機(jī)控制制系統(tǒng)的實實時控制應(yīng)應(yīng)用程序一一般包括以以下幾部分分。①數(shù)據(jù)采集集及數(shù)據(jù)處處理程序數(shù)據(jù)采集程程序主要包包括模擬量量和數(shù)字量量多路信號號的采樣、、輸入變換換、存儲等等。數(shù)據(jù)處處理程序主主要包括數(shù)數(shù)字濾波程程序、線性性化處理和和非線性補(bǔ)補(bǔ)償、標(biāo)度度變換程序序、越限報報警程序等等。②控制算法法程序控制算法程程序是計算算機(jī)控制系系統(tǒng)的核心心程序，其其內(nèi)容由控控制系統(tǒng)的的類型和控控制規(guī)律所所決定。一一般有：數(shù)數(shù)字PID控制算法、、大林算法法、Smith補(bǔ)償控制算算法、最少少拍控制算算法、串級級控制算法法、前饋控控制算法、、解耦控制制算法、模模糊控制算算法、最優(yōu)優(yōu)控制算法法等。實際際實現(xiàn)時，，可選擇合合適的一種種或幾種控控制算法，，來實現(xiàn)控控制。③控制量輸出出程序控制量輸出出程序?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)對控制量量的處理（（上下限和和變化率處處理）、控控制量的變變換及輸出出，驅(qū)動執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或或各種電氣氣開關(guān)?？乜刂屏恳舶M量量和開關(guān)量量輸出兩種種。④人-機(jī)界面程序序這是面板操操作管理程程序，包括括鍵盤、開開關(guān)、撥碼碼盤等信息息輸入程序序，顯示器器、指示燈燈、監(jiān)視器器和打印機(jī)機(jī)等輸出程程序，事故故報警以及及故障檢測測程序等。。⑤程序?qū)崟r時時鐘和中中斷處理程程序計算機(jī)控制制系統(tǒng)中有有很多任務(wù)務(wù)是按時間間來安排的的，因此實實時時鐘是是計算機(jī)控控制系統(tǒng)的的運(yùn)行基礎(chǔ)礎(chǔ)。時鐘有有絕對時鐘鐘和相對時時鐘兩種。。絕對時鐘鐘與當(dāng)?shù)氐牡臅r間同步步，相對時時鐘與當(dāng)?shù)氐貢r間無關(guān)關(guān)。許多實時任任務(wù)如采樣樣周期、定定時顯示打打印、定時時數(shù)據(jù)處理理等都必須須利用實時時時鐘來實實現(xiàn)，并由由定時中斷斷服務(wù)程序序去執(zhí)行相相應(yīng)的動作作或處理動動作狀態(tài)標(biāo)標(biāo)志。另外外，事故報報警、掉電電保護(hù)等一一些重要事事件的處理理也常常使使用中斷技技術(shù)，以使使計算機(jī)能能對事件做做出及時處處理。⑥數(shù)據(jù)管理理程序這部分程序序用于生產(chǎn)產(chǎn)管理，主主要包括畫畫面顯示、、變化趨勢勢分析、報報警記錄、、統(tǒng)計報表表打印輸出出等。⑦數(shù)據(jù)通信信程序數(shù)據(jù)通信程程序主要完完成計算機(jī)機(jī)與計算機(jī)機(jī)之間、計計算機(jī)與智智能設(shè)備之之間的信息息傳遞和交交換。（5）程序設(shè)計計的方法應(yīng)用程序的的設(shè)計方法法可采用模模塊化程序序設(shè)計和自自頂向下程程序設(shè)計等等方法。模塊化程序序設(shè)計是把把一個較長長的程序按按功能分成成若干個小小的程序模模塊，然后后分別進(jìn)行行獨立設(shè)計計、編程、、測試和查查錯之后，，最后把各各調(diào)試好的的程序模塊塊連成一個個完整的程程序。模塊塊化程序設(shè)設(shè)計的特點點是單個小小程序模塊塊的編寫和和調(diào)試比較較容易；一一個模塊可可以被多個個程序調(diào)用用；檢查錯錯誤容易，，且修改時時只需改正正該模塊即即可，無須須牽涉其它它模塊。但但這種設(shè)計計在對各個個模塊進(jìn)行行連接時有有一定困難難。自頂向下程程序設(shè)計時時，先從主主程序進(jìn)行行設(shè)計，從從屬的程序序或子程序序用程序符符號來代替替。主程序序編好后，，再編寫從從屬的程序序，最后完完成整個系系統(tǒng)的程序序設(shè)計。這這種方法的的特點是設(shè)設(shè)計、測試試和連接同同時按一個個線索進(jìn)行行，比較符符合人們的的日常思維維方式，設(shè)設(shè)計中的矛矛盾和問題題可以較早早發(fā)現(xiàn)和解解決。但這這種設(shè)計的的最大問題題就是上一一級的程序序錯誤將會會對整個程程序產(chǎn)生影影響，并且且局部的修修改將牽連連全局。11.2.3仿真及調(diào)試試階段離線仿真及及調(diào)試階段段一般在實實驗室進(jìn)行行，首先進(jìn)進(jìn)行硬件調(diào)調(diào)試與軟件件調(diào)試，然然后進(jìn)行硬硬件軟件統(tǒng)統(tǒng)調(diào)，最后后考機(jī)運(yùn)行行，為現(xiàn)場場投運(yùn)做好好準(zhǔn)備。主要內(nèi)容1．硬件調(diào)試2．軟件調(diào)試3．系統(tǒng)仿真4．考機(jī)1．硬件調(diào)試試對于各種標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)功能模模板，應(yīng)按按照說明書書檢查主要要功能。比比如主機(jī)板板（CPU板）上RAM區(qū)的讀寫功功能、ROM區(qū)的讀出功功能、復(fù)位位電路、時時鐘電路等等的正確性性。在調(diào)試A/D和D/A模板之前，，必須準(zhǔn)備備好信號源源、數(shù)字電電壓表、電電流表等標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)儀器。。對這兩種種模板首先先檢查信號號的零點和和滿量程，，然后再分分檔檢查，，并且上行行和下行來來回調(diào)試，，以便檢查查線性度是是否合乎要要求。利用開關(guān)量量輸入和輸輸出程序來來檢查開關(guān)關(guān)量輸入（（DI）和開關(guān)量量輸出（DO）模板。測測試時可在在輸入端加加開關(guān)量信信號，檢查查讀入狀態(tài)態(tài)的正確性性；可在輸輸出端用萬萬用表或燈燈泡檢查輸輸出狀態(tài)的的正確性。。硬件調(diào)試還還包括現(xiàn)場場儀表和執(zhí)執(zhí)行器，這這些儀表必必須在安裝裝之前按說說明書要求求校驗完畢畢。如是DCS等通信網(wǎng)絡(luò)絡(luò)系統(tǒng)，還還要調(diào)試通通信功能，，驗證數(shù)據(jù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。2．軟件調(diào)試試軟件調(diào)試的的順序是子子程序、功功能模塊和和主程序。。控制模塊的的調(diào)試應(yīng)分分為開環(huán)和和閉環(huán)兩種種情況進(jìn)行行。開環(huán)調(diào)調(diào)試是檢查查PID控制模塊的的開環(huán)階躍躍響應(yīng)特性性，開環(huán)階階躍響應(yīng)實實驗是分析析記錄在不不同的P、I、D參數(shù)下，針針對不同階階躍輸入幅幅度、不同同控制周期期、正反兩兩種作用方方向時的純純比例控制制、比例積積分控制以以及比例積積分微分控控制等三種種主要響應(yīng)應(yīng)曲線，從從而確定較較佳的P、I、D參數(shù)。在完成PID控制模塊開開環(huán)特性調(diào)調(diào)試的基礎(chǔ)礎(chǔ)上，還必必須進(jìn)行閉閉環(huán)特性調(diào)調(diào)試，即檢檢查PID控制模塊的的反饋控制制功能。被被控對象可可以使用實實驗室物理理模擬裝置置，也可以以使用電子子式模擬實實驗室設(shè)備備。實驗方方法與模擬擬儀表調(diào)節(jié)節(jié)器組成的的控制系統(tǒng)統(tǒng)類似，即即分別做給給定值和外外部擾動的的階躍響應(yīng)應(yīng)實驗，改改變P、I、D參數(shù)以及階階躍輸入的的幅度，分分析被控制制量的階躍躍響應(yīng)曲線線和PID控制器輸出出控制量的的記錄曲線線，判斷閉閉環(huán)工作是是否正確。。在純PID控制閉環(huán)實實驗通過的的基礎(chǔ)上，，再逐項加加入一些計計算機(jī)控制制的特殊功功能，如積積分分離、、微分先行行、非線性性PID等，并逐項項檢查是否否正確。一般與過程程輸入輸出出通道無關(guān)關(guān)的程序，，如運(yùn)算模模塊都可用用開發(fā)裝置置或仿真器器的調(diào)試程程序進(jìn)行調(diào)調(diào)試，有時時為了調(diào)試試某些程序序，可能還還要編寫臨臨時性的輔輔助程序。。一旦所有的的子程序和和功能模塊塊調(diào)試完畢畢，就可以以用主程序序?qū)⑺鼈冞B連接在一起起，進(jìn)行整整體調(diào)試。。整體調(diào)試試的方法是是自底向上上逐步擴(kuò)大大，首先按按分支將模模塊組合起起來，以形形成模塊子子集，調(diào)試試完各模塊塊子集，再再將部分模模塊子集連連接起來進(jìn)進(jìn)行局部調(diào)調(diào)試，最后后進(jìn)行全局局調(diào)試。這這樣經(jīng)過子子集、局部部和全局三三步調(diào)試，，完成了整整體調(diào)試工工作。通過過整體調(diào)試試能夠把設(shè)設(shè)計中存在在的問題和和隱含的缺缺陷暴露出出來，從而而基本上消消除了編程程上的錯誤誤，為以后后的系統(tǒng)仿仿真調(diào)試和和在線調(diào)試試及運(yùn)行打打下良好的的基礎(chǔ)。3．系統(tǒng)仿真真在硬件和軟軟件分別調(diào)調(diào)試后，必必須再進(jìn)行行全系統(tǒng)的的硬件、軟軟件統(tǒng)調(diào)，，即所謂的的系統(tǒng)仿真真，也稱為為模擬調(diào)試試。所謂系系統(tǒng)仿真，，就是應(yīng)用用相似原理理和類比關(guān)關(guān)系來研究究事物，也也就是用模模型來代替替實際被控控對象進(jìn)行行實驗和研研究。系統(tǒng)統(tǒng)仿真有以以下三種類類型：全物物理仿真（（即在模擬擬環(huán)境條件件下的全實實物仿真））；半物理理仿真（即即硬件閉路路動態(tài)試驗驗）；數(shù)字字仿真（即即計算機(jī)仿仿真）。系統(tǒng)仿真盡盡量采用全全物理或半半物理仿真真。試驗條條件或工作作狀態(tài)越接接近真實，，其效果也也就越好。。對于純數(shù)數(shù)據(jù)采集系系統(tǒng)，一般般可做到全全物理仿真真；而對于于控制系統(tǒng)統(tǒng)，要做到到全物理仿仿真幾乎是是不可能的的。這是因因為，我們們不可能將將實際生產(chǎn)產(chǎn)過程搬到到自己的實實驗室中。。因此，控控制系統(tǒng)只只能做離線線半物理仿仿真，被控控對象可用用實驗?zāi)Ｐ托痛妗Ｗ宰皂斚蛳鲁坛绦蛟O(shè)計時時，先從主主程序進(jìn)行行設(shè)計，從從屬的程序序或子程序序用程序符符號來代替替。主程序序編好后，，再編寫從從屬的程序序，最后完完成整個系系統(tǒng)的程序序設(shè)計。這這種方法的的特點是設(shè)設(shè)計、測試試和連接同同時按一個個線索進(jìn)行行，比較符符合人們的的日常思維維方式，設(shè)設(shè)計中的矛矛盾和問題題可以較早早發(fā)現(xiàn)和解解決。但這這種設(shè)計的的最大問題題就是上一一級的程序序錯誤將會會對整個程程序產(chǎn)生影影響，并且且局部的修修改將牽連連全局。4．考機(jī)在系統(tǒng)仿真真的基礎(chǔ)上上，還要進(jìn)進(jìn)行考機(jī)運(yùn)運(yùn)行，即進(jìn)進(jìn)行長時間間的運(yùn)行考考驗，有時時還要根據(jù)據(jù)實際的運(yùn)運(yùn)行環(huán)境，，進(jìn)行特殊殊運(yùn)行條件件的考驗，，如高溫和和低溫劇變變運(yùn)行試驗驗、振動和和抗電磁干干擾試驗、、電源電壓壓劇變和掉掉電試驗等等。11.2.4現(xiàn)場調(diào)試運(yùn)運(yùn)行階段系統(tǒng)離線仿仿真和調(diào)試試后便可將將控制系統(tǒng)統(tǒng)和生產(chǎn)過過程聯(lián)接在在一起，進(jìn)進(jìn)行在線現(xiàn)現(xiàn)場調(diào)試和和運(yùn)行，最最后經(jīng)過簽簽字驗收，，才標(biāo)志著著工程項目目的最終完完成。盡管上述離離線仿真和和調(diào)試工作作最終做到到了天衣無無縫，但現(xiàn)現(xiàn)場調(diào)試和和運(yùn)行仍可可能出現(xiàn)問問題?，F(xiàn)場場調(diào)試與運(yùn)運(yùn)行階段是是一個從小小到大、從從易到難、、從手動到到自動、從從簡單回路路到復(fù)雜回回路逐步過過渡的過程程。此前應(yīng)應(yīng)制定一系系列調(diào)試計計劃、實施施方案、安安全措施、、分工合作作細(xì)則等。。為了做到到有把握，，在線調(diào)試試前還要進(jìn)進(jìn)行下列檢檢查：1．檢測元件件、變送器器、顯示儀儀表、調(diào)節(jié)節(jié)閥等必須須通過校驗驗，保證精精確度要求求。作為檢檢查，可進(jìn)進(jìn)行一些現(xiàn)現(xiàn)場校驗。。2．各種電氣氣接線和測測量導(dǎo)管必必須經(jīng)過檢檢查，保證證連接正確確。例如，，傳感器的的極性不能能接反，各各個傳感器器對號位置置不能接錯錯，各個氣氣動導(dǎo)管必必須暢通，，特別是不不能把強(qiáng)電電接在弱電電上。3．檢查系統(tǒng)統(tǒng)的干擾情情況和接地地情況，如如果不符合合要求，應(yīng)應(yīng)采取措施施。4．對安全防防護(hù)措施也也要檢查。。經(jīng)過檢查并并已安裝正正確后，即即可進(jìn)行系系統(tǒng)的投運(yùn)運(yùn)和參數(shù)的的整定。投投運(yùn)時應(yīng)先先切入手動動，等系統(tǒng)統(tǒng)運(yùn)行接近近于給定值值時再切入入自動。有有關(guān)控制參參數(shù)的整定定，可按第第9.1.4數(shù)字PID參數(shù)的整定定介紹的方方法進(jìn)行。。在現(xiàn)場調(diào)試試的過程中中，往往會會出現(xiàn)錯綜綜復(fù)雜、時時隱時現(xiàn)的的奇怪現(xiàn)象象，一時難難以找到問問題的根源源。此時此此刻，計算算機(jī)控制系系統(tǒng)的設(shè)計計者們要認(rèn)認(rèn)真地共同同分析，不不要輕易地地懷疑別人人所做的工工作，以便便盡快找到到問題的根根源并解決決。系統(tǒng)運(yùn)行正正常后，再再試運(yùn)行一一段時間，，即可組織織簽字驗收收。驗收是是系統(tǒng)項目目最終完成成的標(biāo)志，，應(yīng)由甲方方主持、乙乙方參加，，雙方協(xié)同同辦理。驗驗收完畢應(yīng)應(yīng)形成驗收收文件存檔檔。11.3控制工程的的應(yīng)用實例例要真正成功功地完成一一個工程項項目，除了了要講究科科學(xué)的設(shè)計計方法外，，還要借助助于豐富的的實踐經(jīng)驗驗。因此，，我們應(yīng)當(dāng)當(dāng)總結(jié)和學(xué)學(xué)習(xí)一些成成功項目的的實踐經(jīng)驗驗。下面分分別介紹四四種典型控控制裝置的的工程應(yīng)用用實例。主要內(nèi)容11.3.1水槽水位單單片機(jī)控制制系統(tǒng)11.3.2循環(huán)水裝置置IPC系統(tǒng)11.3.3中水回用PLC控制系統(tǒng)11.3.4火電廠DCS控制系統(tǒng)11.3.1水槽水位單單片機(jī)控制制系統(tǒng)對于小型測測控系統(tǒng)或或者某些專專用的智能能化儀器儀儀表，一般般可采用以以單片機(jī)為為核心、配配以接口電電路和外圍圍設(shè)備、再再編制應(yīng)用用程序的模模式來實現(xiàn)現(xiàn)。下面以以一個簡單單的水槽水水位控制系系統(tǒng)為例。。主要內(nèi)容1．系統(tǒng)概述2．硬件電路3．程序設(shè)計1．系統(tǒng)概述述通過水槽水水位的高低低變化來啟啟停水泵，，從而達(dá)到到對水位的的控制目的的，這是一一種常見的的工藝控制制。如圖14-2點劃線框內(nèi)內(nèi)所示，一一般可在水水槽內(nèi)安裝裝3個金屬電極極A、B、C，它們分別別代表水位位的下下限限、下限與與上限。工工藝要求：：當(dāng)水位升升到上限C以上時，水水泵應(yīng)停止止供水；當(dāng)當(dāng)水位降到到下限B以下時，應(yīng)應(yīng)啟動水泵泵供水；當(dāng)當(dāng)水位處于于下限B與上限C之間，水泵泵應(yīng)維持原原有的工作作狀態(tài)。圖14-2水槽水位控控制電路動畫鏈接2．硬件電路路根據(jù)工藝要要求，設(shè)計計的控制系系統(tǒng)硬件電電路如圖14-2所示，這是是一個用單單片機(jī)采集集水位信號號并通過繼繼電器控制制水泵的小小型計算機(jī)機(jī)控制系統(tǒng)統(tǒng)。主要組組成部分的的功能如下下：(1)系統(tǒng)核心部部分：采用用低檔型AT89C2051單片機(jī)，用用P1.0和P1.1端作為水位位信號的采采集輸入口口，P1.2和P1.3端作為控制制與報警輸輸出口。(2)水位測量部部分：電極極A接+5V電源，電極極B、C各通過一個個電阻與地地相連。b點電平與c點電平分別別接到P1.0和P1.1輸入端，可可以代表水水位的各種種狀態(tài)與操操作要求，，共有4種組合，如如表14-1所示。表14-1水位信號及及操作狀態(tài)態(tài)表C(P1.1)b(P1.0)水位操作00B點以下水泵啟動01B、C之間維持原狀10系統(tǒng)故障故障報警11C點以上水泵停止當(dāng)水位降到到下限B以下時，電電極B與電極C在水面上方方懸空，b點、c點呈低電平平，這時應(yīng)應(yīng)啟動水泵泵供水，即即是表中第第一種組合合；當(dāng)水位位處于下限限與上限之之間，由于于水的導(dǎo)電電作用，電電極B連到電極A及+5V，則b點呈高電平平，而電極極C仍懸空則c點為低電平平，這時不不論水位處處于上升或或下降趨勢勢，水泵都都應(yīng)繼續(xù)維維持原有的的工作狀態(tài)態(tài)，見表中中第二種組組合；當(dāng)水水位上升達(dá)達(dá)到上限時時，電極B、C通過水導(dǎo)體體連到電電極A及+5V，因此b點、c點呈高電平平，這時水水泵應(yīng)停止止供水，如如表中第四四種組合；；還有第三三種組合即即水位達(dá)到到電極C卻未達(dá)到電電極B，即c點為高電平平而b點為低電平平，這在正正常情況下下是不可能能發(fā)生的，，作為一種種故障狀態(tài)態(tài)，在設(shè)計計中還是應(yīng)應(yīng)考慮的。。(3)控制報警部部分：由P1.2端輸出高電電平，經(jīng)反反相器使光光耦隔離器器導(dǎo)通，繼繼電器線圈圈KM得電，常開開觸點KA閉合，啟動動水泵運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)；當(dāng)P1.2端輸出低電電平，經(jīng)反反相器使光光耦隔離器器截止，繼繼電器線圈圈J失電，常開開觸點斷開開，則使水水泵停轉(zhuǎn)。。由P1.3端輸出高電電平，經(jīng)反反相器變?yōu)闉榈碗娖?，，?qū)動一支支發(fā)光二極極管發(fā)光進(jìn)進(jìn)行故障報報警。3．程序設(shè)計計程序流程如如圖14-3所示。開始P1.1、P1.0=00？啟動水泵P1.2←1設(shè)置堆棧指針P1.1、P1.0=10？P1.1、P1.0=11？停止水泵P1.2←0故障報警P1.3←111.3.2循環(huán)水水裝置置IPC系統(tǒng)在以模模擬量量為主主的中中小規(guī)規(guī)?？乜刂茥l條件下下，應(yīng)應(yīng)優(yōu)先先選擇擇IPC控制裝裝置，，下面面介紹紹用一一臺STD總線IPC控制循循環(huán)水水動態(tài)態(tài)模擬擬試驗驗裝置置的實實例。。主要內(nèi)內(nèi)容1．系統(tǒng)概概述2．硬件電電路3．軟件設(shè)設(shè)計4．功能畫畫面1．系統(tǒng)統(tǒng)概述述大型化化工企企業(yè)普普遍采采用冷冷卻水水循環(huán)環(huán)使用用技術(shù)術(shù)，但但循環(huán)環(huán)冷卻卻水同同時帶帶來設(shè)設(shè)備的的結(jié)垢垢與腐腐蝕問問題，，為此此利用用循環(huán)環(huán)水動動態(tài)模模擬試試驗裝裝置，，模擬擬生產(chǎn)產(chǎn)現(xiàn)場場的流流態(tài)水水質(zhì)、、流速速、金金屬材材質(zhì)和和循環(huán)環(huán)冷卻卻水進(jìn)進(jìn)出口口溫度度等主主要參參數(shù)，，來評評價穩(wěn)穩(wěn)定水水質(zhì)的的配方方、阻阻垢效效果及及尋求求相應(yīng)應(yīng)的操操作工工藝條條件。。（1）工藝藝流程程模擬試試驗裝裝置的的主要要流程程如圖14-4所示，，左下下方水水槽中中的冷冷水經(jīng)經(jīng)水泵泵、調(diào)調(diào)節(jié)閥閥打入入換熱熱器，，與蒸蒸汽換換熱后后，導(dǎo)導(dǎo)入冷冷卻塔塔與冷冷風(fēng)換換冷，，噴淋淋而下下回落落到水水槽，，再由由水泵泵打循循環(huán)。。圖14-4循環(huán)水動態(tài)模擬試驗裝置控制流程圖（2）控制制要求求通常情情形是是用戶戶配置置兩套套這樣樣的模模擬裝裝置同同時運(yùn)運(yùn)行，，因而而計算算機(jī)系系統(tǒng)應(yīng)應(yīng)同時時面向向兩臺臺模擬擬裝置置，集集檢測測、控控制與與管理理于一一體，，主要要完成成如下下功能能：①10點參數(shù)檢測功功能入口水溫、出出口水溫、蒸蒸汽溫度、冷冷卻塔底溫度度，共8路溫度，量程程為0～100℃，檢測精度為為0．2級。兩路循環(huán)環(huán)水流量，量量程為200～1200L／h，檢測精度為為1級。還有計算算顯示出入口口溫差、瞬時時污垢熱阻、、水閥與風(fēng)閥閥門開度、試試驗時間與剩剩余時間。②22個參數(shù)設(shè)定功功能換熱器試管直直徑與長度、、流量與溫度度的給定值、、PID控制的比例系系數(shù)、積分時時間、微分時時間以及即時時時間與試驗驗時間。③10個參數(shù)標(biāo)定功功能對8路溫度、2路流量進(jìn)行現(xiàn)現(xiàn)場標(biāo)定。④PID控制功能實時控制2路入口水溫與與2路循環(huán)水流量量，溫度控制制精度：設(shè)定定值±0．5℃；流量控制精精度：設(shè)定值值±2％FS（FS即FullScale，意為滿刻度度或滿量程））。⑤工藝計算、、列表繪圖功功能根據(jù)污垢熱阻阻計算公式計計算并顯示出出瞬時污垢熱熱阻，而且自自動生成試驗驗數(shù)據(jù)列表表。自動繪制制時間-污垢熱阻曲線線。⑥其他功能指指標(biāo)所有參數(shù)的采采樣、計算、、控制周期均均為0.25S，刷新顯示周周期為2S，試驗數(shù)據(jù)記記錄時間間隔隔按工藝要求求而定，數(shù)據(jù)據(jù)保存時間為為10年，系統(tǒng)內(nèi)部部設(shè)有軟件硬硬件自診斷、、自恢復(fù)功能能，具有永不不“死機(jī)”的的高度可靠性性。上述所有參數(shù)數(shù)均以漢字分分屏幕顯示，，且附有提示示菜單以便操操作。2．硬件設(shè)計根據(jù)上述系統(tǒng)統(tǒng)功能及技術(shù)術(shù)指標(biāo)的要求求，采用一臺臺現(xiàn)成的STD總線IPC較為適宜。選選用北京工業(yè)業(yè)大學(xué)電子工工廠的IPC產(chǎn)品，共由10塊功能模板及及外設(shè)組成，，如圖14-5所示。圖14-5IPC硬件組成框圖圖圖中（1）CPU板及打印機(jī)、、（2）CRT板及CRT、（3）鍵盤接口及及自診斷板及及鍵盤、（4）存儲器板、、（5）電源，構(gòu)成成了STD工業(yè)控制機(jī)基基本系統(tǒng)。在在自診斷板中中使用了WDT看門狗技術(shù)，，無論何種原原因引起死機(jī)機(jī)，自診斷系系統(tǒng)能在1～28內(nèi)測出并恢復(fù)復(fù)正常運(yùn)行，，整個計算機(jī)機(jī)系統(tǒng)工作十十分可靠。其中的（6）溫度檢測板板，是一個由由單片機(jī)構(gòu)成成的智能型溫溫度接口板，，該板本身能能夠完成8路溫度的檢測測，濾波處理理，鉑電阻線線性化處理。。在這個板上上利用軟件技技術(shù)從根本上上克服了溫度度漂移問題。。其中的（7）D/A轉(zhuǎn)換板是流量量及溫度控制制的驅(qū)動接口口板。計算機(jī)機(jī)系統(tǒng)檢測兩兩路塔底溫度度與兩路流量量，與設(shè)定值值進(jìn)行比較，，并對其偏差差進(jìn)行PID運(yùn)算，其運(yùn)算算結(jié)果通過D/A轉(zhuǎn)換變成模擬擬電壓信號輸輸出至（8）伺服放大板板，從而控制制相應(yīng)的4個調(diào)節(jié)閥。其中的（8）伺服放大板板，其功能相相當(dāng)于電動單單元組合儀表表中的4個伺服放大器器，但其精度度及可靠性優(yōu)優(yōu)于常規(guī)的伺伺服放大器。。它接收來自自D/A轉(zhuǎn)換板的4路閥位信號，，并檢測4個閥的實際位位置，如果實實際位置與D/A轉(zhuǎn)換板輸出的的閥位有偏差差，則使閥動動作，達(dá)到與與D/A輸出一致的位位置后停止，，從而實現(xiàn)計計算機(jī)系統(tǒng)對對調(diào)節(jié)閥的控控制。其中的（10）濾波板，對對STD總線的有關(guān)信信號進(jìn)行濾波波處理，從而而提高整個系系統(tǒng)的可靠性性。其中的（9）流量檢測板板，主要由計計數(shù)電路組成成，檢測兩路路來自渦輪流流量變送器的的脈沖信號。。對其實行濾濾波、整形、、放大、光隔隔、計數(shù)處理理，并向兩個個渦輪流量變變送器提供+12V電壓，可參考考第4.2.2脈沖計數(shù)電路路部分與參看看書后文獻(xiàn)。。3．軟件設(shè)計計該系統(tǒng)采用了了現(xiàn)成的IPC，計算機(jī)廠家家已提供了監(jiān)監(jiān)控程序或系系統(tǒng)程序，設(shè)設(shè)計者的軟件件設(shè)計任務(wù)主主要是進(jìn)行系系統(tǒng)的應(yīng)用軟軟件編制。該應(yīng)用軟件主主要完成兩方方面的任務(wù)：：（1）8路溫度、兩路路流量的采集集與處理，入入口溫度與流流量的控制，，定時存儲實實驗數(shù)據(jù)；（2）允許操作者者查看、打印印各種數(shù)據(jù)，，設(shè)定、標(biāo)定定各個參數(shù)。。由于前者任務(wù)務(wù)要求適時性性較強(qiáng)，且完完成任務(wù)所需需時間較短，，故安排在中中斷服務(wù)子程程序中完成。。而后者屬人人機(jī)對話性質(zhì)質(zhì)，任務(wù)完成成時間較長，，且不需嚴(yán)格格適時性，故故放于主程序序中完成。圖14-7中斷服務(wù)子程程序由于該控控制系統(tǒng)小、、比較簡單，，功能畫面要要求也不復(fù)雜雜，因而軟件件部分全部采采用匯編語言言編制。圖圖14-7中斷服務(wù)子程程序IPC硬件組成框圖圖主程序結(jié)構(gòu)框框圖如圖14-6所示。在初始始化過程中，，主要完成對對CRT、打印機(jī)工作作方式設(shè)定，，四個調(diào)節(jié)閥閥門初始定位位及軟件標(biāo)志志設(shè)置等。在每一個畫面面處理過程中中，能夠查看看其他畫面，，同時完成本本畫面應(yīng)完成成的一些功能能。中斷服務(wù)子程程序如圖14-7所示。這是一一個時間中斷斷子程序。系系統(tǒng)設(shè)置每隔隔250ms中斷一次，中中斷服務(wù)子程程序中各個任任務(wù)，應(yīng)能在在250ms內(nèi)完成。每四四次中斷即時時間間隔為1S時，刷新時鐘鐘，處理秒、、分、時、日日、月、年的的遞增，實現(xiàn)現(xiàn)準(zhǔn)確計時。。每八次中斷斷，即時間間間隔為2S時，采集8路溫度、2路流量，利用用軟件實現(xiàn)濾濾波處理，以以消除瞬間干干擾的影響。?？刂撇捎脗鱾鹘y(tǒng)的PID控制方式，實實行輸出速率率限定，即在在2S控制周期內(nèi)，，輸出變化幅幅度不大于輸輸出全范圍的的5％。實驗數(shù)據(jù)據(jù)的存儲，若若系統(tǒng)在強(qiáng)穩(wěn)穩(wěn)過程中，則則每隔5min記錄一次，若若系統(tǒng)在實驗驗過程中，則則每隔120min記錄一次。實實驗記錄數(shù)