9.1-計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)(一)

國家級精品課程

《計算機(jī)控制技術(shù)》主講教師：于海生教授青島大學(xué)9全文共31頁，當(dāng)前為第1頁。精品課件第35講

第9章計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)（一）9全文共31頁，當(dāng)前為第2頁。精品課件第9章計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)（一）

9.1.1系統(tǒng)設(shè)計的原則

9.1.2系統(tǒng)設(shè)計的步驟

9.2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計

9.2.2硬件的工程設(shè)計與實現(xiàn)

9.2.4系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行

9.2.3軟件的工程設(shè)計與實現(xiàn)9全文共31頁，當(dāng)前為第3頁。精品課件第9章計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)（一）計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計，既是一個理論問題，又是一個工程問題。

理論設(shè)計：建立被控對象的數(shù)學(xué)模型；確定滿足一定技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)，尋求滿足該目標(biāo)函數(shù)的控制規(guī)律；選擇適宜的計算方法和程序設(shè)計語言；進(jìn)行系統(tǒng)功能的軟、硬件界面劃分，并對硬件提出具體要求。工程設(shè)計：掌握生產(chǎn)過程的工藝要求，以及被控對象的動態(tài)和靜態(tài)特性；要通曉自動檢測技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、微電子技術(shù)等。

9全文共31頁，當(dāng)前為第4頁。精品課件9.1系統(tǒng)設(shè)計的原則與步驟9.1.1系統(tǒng)設(shè)計的原則

9.1.2系統(tǒng)設(shè)計的步驟9全文共31頁，當(dāng)前為第5頁。精品課件1.安全可靠(1)選用高性能的工業(yè)控制計算機(jī)；(2)設(shè)計可靠的控制方案，并具有各種安全保護(hù)措施，比如報警、事故預(yù)測、事故處理、不間斷電源等。

(3)為了預(yù)防計算機(jī)故障，還常設(shè)計后備裝置，對于一般的控制回路，選用手動操作為后備；對于重要的控制回路，選用常規(guī)控制儀表作為后備。(4)對于特殊的控制對象，設(shè)計兩臺計算機(jī)，互為備用地執(zhí)行任務(wù)，稱為雙機(jī)系統(tǒng)。雙機(jī)系統(tǒng)的工作方式一般分為備份工作方式和雙工工作方式兩種。9.1.1系統(tǒng)設(shè)計的原則9全文共31頁，當(dāng)前為第6頁。精品課件2.操作維護(hù)方便(1)操作方便表現(xiàn)在操作簡單、直觀形象、便于掌握操作工已習(xí)慣了PID調(diào)節(jié)器的面板操作，而就設(shè)計成回路操作顯示面板，或在CRT畫面上設(shè)計成回路操作顯示畫面。(2)維修方便體現(xiàn)在易于查找故障，易于排除故障

采用標(biāo)準(zhǔn)的功能模板式結(jié)構(gòu)，便于更換故障模板。在功能模板上安裝工作狀態(tài)指示燈和監(jiān)測點，便于維修人員檢查。

另外，配置診斷程序，用來查找故障。9.1.1系統(tǒng)設(shè)計的原則9全文共31頁，當(dāng)前為第7頁。精品課件3.實時性強(qiáng)

工業(yè)控制機(jī)的實時性，表現(xiàn)在對內(nèi)部和外部事件能及時地響應(yīng)，并做出相應(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。對于定時事件，系統(tǒng)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。對于隨機(jī)事件，系統(tǒng)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。9.1.1系統(tǒng)設(shè)計的原則9全文共31頁，當(dāng)前為第8頁。精品課件4.通用性好

系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮能適應(yīng)各種不同設(shè)備和各種不同控制對象，并采用積木式結(jié)構(gòu)，按照控制要求靈活構(gòu)成系統(tǒng)。這就要求系統(tǒng)的通用性要好，并能靈活地進(jìn)行擴(kuò)充。

通用靈活性體現(xiàn)在兩方面：

一是硬件模板設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)(如PC總線)，配置各種通用的功能模板，以便在擴(kuò)充功能時，只需增加功能模板就能實現(xiàn)；

二是軟件模塊或控制算法采用標(biāo)準(zhǔn)模塊結(jié)構(gòu)，用戶使用時不需要二次開發(fā)，只需按要求選擇各種功能模塊，靈活地進(jìn)行控制系統(tǒng)組態(tài)。9.1.1系統(tǒng)設(shè)計的原則9全文共31頁，當(dāng)前為第9頁。精品課件5.經(jīng)濟(jì)效益高

一是系統(tǒng)性能價格比要盡可能的高；

二是系統(tǒng)投入產(chǎn)出比要盡可能的低。9.1.1系統(tǒng)設(shè)計的原則返回9全文共31頁，當(dāng)前為第10頁。精品課件9.1.2系統(tǒng)設(shè)計的步驟1.工程頂目與控制任務(wù)的確定階段開始甲方提供任務(wù)委托書乙方進(jìn)行可行性論證乙方研究委托書雙方對委托書進(jìn)行確認(rèn)方案修改可行？雙方簽訂合同書NY乙方初步進(jìn)行系統(tǒng)總體方案設(shè)計9全文共31頁，當(dāng)前為第11頁。精品課件9.1.2系統(tǒng)設(shè)計的步驟2.工程項目的設(shè)計階段組成設(shè)計隊伍方案論證與評審軟件總體設(shè)計軟件總體設(shè)計軟件總體設(shè)計硬件細(xì)化設(shè)計軟件細(xì)化設(shè)計軟件總體設(shè)計硬件調(diào)試軟件調(diào)試9全文共31頁，當(dāng)前為第12頁。精品課件9.1.2系統(tǒng)設(shè)計的步驟3.離線仿真和調(diào)試階段離線硬件聯(lián)調(diào)離線軟件聯(lián)調(diào)離線硬件軟件統(tǒng)調(diào)考機(jī)9全文共31頁，當(dāng)前為第13頁。精品課件9.1.2系統(tǒng)設(shè)計的步驟4.在線調(diào)試和運(yùn)行階段現(xiàn)場安裝調(diào)試試運(yùn)行驗收結(jié)束返回9全文共31頁，當(dāng)前為第14頁。精品課件9.2系統(tǒng)的工程設(shè)計與實現(xiàn)9.2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計9.2.2硬件的工程設(shè)計與實現(xiàn)9.2.3軟件的工程設(shè)計與實現(xiàn)9.2.4系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行9全文共31頁，當(dāng)前為第15頁。精品課件9.2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計1.硬件總體方案設(shè)計采用“黑箱”設(shè)計法。畫方塊圖，明確各方塊之間的信號輸入輸出關(guān)系和功能要求，不需知道“黑箱”內(nèi)具體結(jié)構(gòu)。

(1)確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和類型開環(huán)還是閉環(huán)控制；系統(tǒng)的典型形式。

(2)確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式IPC、PLC、SLC、ADAM模塊、單片機(jī)、DSP、ARM等。(3)現(xiàn)場設(shè)備選擇

主要包含傳感器、變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇。(4)其它方面的考慮

總體方案中還應(yīng)考慮人機(jī)聯(lián)系方式、系統(tǒng)的機(jī)柜或機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計、抗干擾等方面的問題。9全文共31頁，當(dāng)前為第16頁。精品課件9.2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計2.軟件總體方案設(shè)計

采用結(jié)構(gòu)化的“黑箱”設(shè)計法。(1)先畫出較高一級的方框圖，然后再將大的方框分解成小的方框，直到能表達(dá)清楚為止。(2)軟件總體方案還應(yīng)考慮確定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制策略、控制算法等。9全文共31頁，當(dāng)前為第17頁。精品課件9.2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計3.系統(tǒng)總體方案(1)系統(tǒng)的主要功能、技術(shù)指標(biāo)、原理性方框圖及文字說明。(2)控制策略和控制算法。(3)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及配置，主要的軟件功能、結(jié)構(gòu)及框圖。(4)方案比較和選擇。(5)保證性能指標(biāo)要求的技術(shù)措施。(6)抗干擾和可靠性設(shè)計。(7)機(jī)柜或機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計。(8)經(jīng)費(fèi)和進(jìn)度計劃的安排。返回9全文共31頁，當(dāng)前為第18頁。精品課件9.2.2硬件的工程設(shè)計與實現(xiàn)1.選擇系統(tǒng)的總線和主機(jī)機(jī)型(1)選擇系統(tǒng)的總線

①內(nèi)總線選擇

常用的工業(yè)控制機(jī)內(nèi)總線有兩種，即ISA總線和PCI總線，根據(jù)板卡類型需要選擇其中一種。

②外總線選擇選擇串行通信總線。

(2)選擇主機(jī)機(jī)型

在總線式工業(yè)控制機(jī)中，有許多機(jī)型，即因采用的CPU不同而不同。9全文共31頁，當(dāng)前為第19頁。精品課件9.2.2硬件的工程設(shè)計與實現(xiàn)2.選擇輸入輸出通道模板

(1)數(shù)字量(開關(guān)量)輸入輸出(DI/DO）模板(2)模擬量輸入輸出(AI/AO)模板9全文共31頁，當(dāng)前為第20頁。精品課件9.2.2硬件的工程設(shè)計與實現(xiàn)3.選擇變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)

(1)選擇變送器

根據(jù)被測參數(shù)的種類、量程、被測對象的介質(zhì)類型和環(huán)境，選擇變送器的具體型號，如溫度變送器、壓力變送器、液位變送器、差壓變送器、流量變送器、各種電量變送器等。(2)選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為氣動、電動、液壓三種類型。常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為氣動和電動的。

各種有觸點和無觸點開關(guān)，也是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)開關(guān)動作。返回9全文共31頁，當(dāng)前為第21頁。精品課件9.2.3軟件的工程設(shè)計與實現(xiàn)1.數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃

規(guī)劃方式：

將每一個執(zhí)行模塊要用到的參數(shù)、要輸出的結(jié)果列出來，對于與不同模塊都有關(guān)的參數(shù)，只取一個名稱，以保證同一個參數(shù)只有一種格式。然后為每一參數(shù)規(guī)劃一個數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。2.資源分配

資源分配的主要工作是RAM資源的分配。RAM資源規(guī)劃好后，應(yīng)列出一張RAM資源的詳細(xì)分配清單，作為編程依據(jù)。9全文共31頁，當(dāng)前為第22頁。精品課件9.2.3軟件的工程設(shè)計與實現(xiàn)3.實時控制軟件設(shè)計(1)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理程序

數(shù)據(jù)采集程序主要包括多路信號的采樣、輸入變換、存貯等。

數(shù)據(jù)處理程序主要包括數(shù)字濾波程序、線性化處理和非線性補(bǔ)償、標(biāo)度變換程序、越限報警程序等。(2)控制算法程序

主要實現(xiàn)控制規(guī)律的計算，產(chǎn)生控制量。其中包括：數(shù)字PID控制算法、達(dá)林算法、Smith補(bǔ)償控制算法、最少拍控制算法、串級控制算法、前饋控制算法、解耦控制算法、模糊控制算法、最優(yōu)控制算法等。9全文共31頁，當(dāng)前為第23頁。精品課件9.2.3軟件的工程設(shè)計與實現(xiàn)3.實時控制軟件設(shè)計

(3)控制量輸出程序

控制量輸出程序?qū)崿F(xiàn)對控制量的處理(上下限和變化率處理)、控制量的變換及輸出，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)或各種電氣開關(guān)。(4)實時時鐘和中斷處理程序

實時時鐘是計算機(jī)控制系統(tǒng)一切與時間有關(guān)過程的運(yùn)行基礎(chǔ)。時鐘有兩種，即絕對時鐘和相對時鐘。

事故報警、掉電檢測及處理、重要的事件處理等功能的實現(xiàn)也常常使用中斷技術(shù)。9全文共31頁，當(dāng)前為第24頁。精品課件9.2.3軟件的工程設(shè)計與實現(xiàn)3.實時控制軟件設(shè)計(5)數(shù)據(jù)管理程序

這部分程序用于生產(chǎn)管理，主要包括畫面顯示、變化趨勢分析、報警記錄、統(tǒng)計報表打印輸出等。(6)數(shù)據(jù)通信程序

數(shù)據(jù)通信程序主要完成計算機(jī)與計算機(jī)之間、計算機(jī)與智能設(shè)備之間的信息傳遞和交換。這個功能主要在分散型控制系統(tǒng)、分級計算機(jī)控制系統(tǒng)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)中實現(xiàn)。返回9全文共31頁，當(dāng)前為第25頁。精品課件9.2.4系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行1.離線仿真和調(diào)試(1)硬件調(diào)試

對于各種標(biāo)準(zhǔn)功能模板，按照說明書檢查主要功能。

在調(diào)試A/D和D/A模板之前，必須準(zhǔn)備好信號源、數(shù)字電壓表、電流表等。

利用開關(guān)量輸入和輸出程序來檢查開關(guān)量輸入(DI)和開關(guān)量輸出(DO)模板。

硬件調(diào)試還包括現(xiàn)場儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

如是分級計算機(jī)控制系統(tǒng)和分散型控制系統(tǒng)，還要調(diào)試通信功能。9全文共31頁，當(dāng)前為第26頁。精品課件9.2.4系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行1.離線仿真和調(diào)試(2)軟件調(diào)試

軟件調(diào)試的順序是子程序、功能模塊和主程序。

系統(tǒng)控制模塊的調(diào)試應(yīng)分為開環(huán)和閉環(huán)兩種情況進(jìn)行。開環(huán)調(diào)試是檢查它的階躍響應(yīng)特性，閉環(huán)調(diào)試是檢查它的反饋控制功能。PIDD/AA/D記錄儀∑reu0～5V計算機(jī)0～5V9全文共31頁，當(dāng)前為第27頁。精品課件9.2.4系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行1.離線仿真和調(diào)試(2)軟件調(diào)試PIDD/AA/D記錄儀∑reu0～5V計算機(jī)被控對象∑擾動yy9全文共31頁，當(dāng)前為第28頁。精品課件9.2.4系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行(3)系統(tǒng)仿真

所謂系統(tǒng)仿真，就是應(yīng)用相似原理和類比關(guān)系來研究事物，也就是用模型來代替實際生產(chǎn)過程(即被控對象)進(jìn)行實驗和研究。

系統(tǒng)仿真有以下三種類型：

全物理仿真(或稱在模擬環(huán)境條件下的全實物仿真)；半物理仿真(或稱硬件閉路動態(tài)試驗)；數(shù)字仿真(或稱計算機(jī)仿真)。

在系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)上，進(jìn)行長時間的運(yùn)行考驗(稱為考機(jī))，并根據(jù)實際運(yùn)行環(huán)境的要求，進(jìn)行特殊運(yùn)行條件的考驗。9全文共31頁，當(dāng)前為第29頁。精品課件9.2.4系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行2.在線調(diào)試和運(yùn)行

現(xiàn)場安裝及在線調(diào)試前先要進(jìn)行下列檢查：

(1)檢測元件、變送器