計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：第四章-計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用-課件1

第四章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，既是一個(gè)理論問題，又是一個(gè)工程問題。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)包括：建立被控對(duì)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(jì)算方法和程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言；進(jìn)行系統(tǒng)功能的軟、硬件界面劃分，并對(duì)硬件提出具體要求。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)，不僅要求掌握生產(chǎn)過程的工藝要求，以及被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，而且要通曉自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、微電子技術(shù)等。第四章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制系4.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則與步驟4.1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則(1)安全可靠(2)操作維護(hù)方便(3)實(shí)時(shí)性強(qiáng)(4)通用性好(5)經(jīng)濟(jì)效益高

4.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則與步驟4.1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則(1

對(duì)工業(yè)控制的計(jì)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(gè)控制過程的混亂，會(huì)引起嚴(yán)重的后果，由此造成的損失往往大大超出計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)本身的價(jià)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(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。在計(jì)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(wú)故障時(shí)間MTBF和平均維修時(shí)間MTTR來(lái)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(gè)規(guī)定值，而MTTR值越短越好。（1）安全可靠對(duì)工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最基本的要求是可靠性高。

因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要選用高性能的工業(yè)控制計(jì)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(jì)可靠的控制方案，并具備有各種安全保護(hù)措施，比如報(bào)警、事故預(yù)測(cè)、事故處理、不間斷電源等。

為了預(yù)防計(jì)算機(jī)故障，還須設(shè)計(jì)后備裝置。對(duì)于一般的控制回路，選用手動(dòng)操作器作為后備；對(duì)于重要的回路，選用常規(guī)控制儀表作為后備。這樣，一旦計(jì)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(duì)于特殊的控制對(duì)象，可設(shè)計(jì)兩臺(tái)計(jì)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(duì)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(chǎng)總線控制系統(tǒng)。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要選用高性能的工業(yè)控制

包括兩個(gè)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(jì)時(shí)要盡量考慮用戶的方便使用，尤其是操作面板的設(shè)計(jì)，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(duì)使用人員專業(yè)知識(shí)的要求，使他們能在較短時(shí)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(cuò)程序和診斷程序，以便在故障發(fā)生時(shí)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(shí)間。（2）操作維護(hù)方便包括兩個(gè)含義，即使用方便和維護(hù)容易。（2）操作（3）實(shí)時(shí)性強(qiáng)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，表現(xiàn)在對(duì)內(nèi)部和外部事件能及時(shí)地響應(yīng)，并作出相應(yīng)的處理，不丟失信息，不延誤操作。計(jì)算機(jī)處理的事件一般分為兩類。一類是定時(shí)事件，如數(shù)據(jù)的定時(shí)采集，運(yùn)算控制等，對(duì)此系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置時(shí)鐘，保證定時(shí)處理；另一類是隨機(jī)事件，如事故報(bào)警等，對(duì)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(jí)別，一旦事故發(fā)生，保證優(yōu)先處理緊急故障。（3）實(shí)時(shí)性強(qiáng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（4）通用性好

工業(yè)控制的對(duì)象千差萬(wàn)別，而計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研制開發(fā)又需要有一定的投資和周期。一般來(lái)說(shuō)，不可能為一臺(tái)裝置或一個(gè)生產(chǎn)過程研制一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)，常常是設(shè)計(jì)或選用通用性好的計(jì)算機(jī)控制裝置靈活地構(gòu)成系統(tǒng)。當(dāng)設(shè)備和控制對(duì)象有所變更時(shí)或者再設(shè)計(jì)另外一個(gè)控制系統(tǒng)時(shí)，通用性好的系統(tǒng)一般稍作更改或擴(kuò)充就可適應(yīng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的通用靈活性體現(xiàn)在兩方面：一是硬件設(shè)計(jì)方面，首先應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，配置各種通用的功能模板或功能模塊，以便在需要擴(kuò)充時(shí)，只要增加相應(yīng)板、塊就能實(shí)現(xiàn)，即便當(dāng)CPU升級(jí)時(shí)，也只要更換相應(yīng)的升級(jí)芯片及少量相關(guān)電路即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級(jí)的目的。其次，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，各設(shè)計(jì)指標(biāo)要留有一定的余量，如輸入輸出通道指標(biāo)、內(nèi)存容量、電源功率等。二是軟件方面，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)模塊結(jié)構(gòu)，盡量不進(jìn)行二次開發(fā)，主要是按要求選擇各種軟件功能模塊，靈活地進(jìn)行控制系統(tǒng)的組態(tài)。（4）通用性好工業(yè)控制的對(duì)象千差萬(wàn)別，而計(jì)算機(jī)控（5）經(jīng)濟(jì)效益高

計(jì)算機(jī)控制應(yīng)該帶來(lái)高的經(jīng)濟(jì)效益，要有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)。經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)在兩方面：一是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能價(jià)格比要盡可能的高，在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，盡量采用物美廉價(jià)的元器件；二是投入產(chǎn)出比要盡可能的低，應(yīng)該從提高生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量、降低能耗、消除污染、改善勞動(dòng)條件等方面進(jìn)行綜合評(píng)估。（5）經(jīng)濟(jì)效益高計(jì)算機(jī)控制應(yīng)該帶來(lái)高的經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工程項(xiàng)目的研制可分為四個(gè)階段：工程項(xiàng)目與控制任務(wù)的確定階段

(1)甲方提出任務(wù)委托書(系統(tǒng)技術(shù)性能指標(biāo)、經(jīng)費(fèi)、計(jì)劃進(jìn)度、合作方式等)(2)乙方研究任務(wù)委托書

(3)雙方對(duì)委托書進(jìn)行修改

(4)乙方初步進(jìn)行系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

(5)乙方進(jìn)行方案可行性論證

(6)簽訂合同書(雙方任務(wù)劃分和各自承擔(dān)責(zé)任、合作方式、付款方式、進(jìn)度和計(jì)劃安排、驗(yàn)收方式及條件、成果歸屬及違約的解決辦法等)4.1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工程項(xiàng)目的研制可分為四個(gè)階段：4.1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：第四章-計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用-課件1

(1)組建項(xiàng)目研制小組(2)制定系統(tǒng)的總體方案(3)方案的論證與評(píng)審

(4)硬件與軟件的分別細(xì)化設(shè)計(jì)

(5)硬件和軟件的分別調(diào)試

(6)系統(tǒng)的組裝2.工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段(1)組建項(xiàng)目研制小組2.工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段3.離線仿真和調(diào)試階段在實(shí)驗(yàn)室而不是在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行仿真和調(diào)試。離線仿真和調(diào)試后還要進(jìn)行考機(jī)運(yùn)行，以便在連續(xù)不停機(jī)的運(yùn)行中暴露問題和解決問題。4.在線調(diào)試和運(yùn)行階段即將系統(tǒng)和生產(chǎn)過程聯(lián)接在一起，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和運(yùn)行。系統(tǒng)正常運(yùn)行后，可組織驗(yàn)收。驗(yàn)收是系統(tǒng)項(xiàng)目最終完成的標(biāo)志。3.離線仿真和調(diào)試階段4.2系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)就是要了解控制對(duì)象、熟悉控制要求，確定總的技術(shù)性能指標(biāo)，確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式及控制裝置與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的選擇，以及控制規(guī)律算法和其它特殊功能要求。（1）確定系統(tǒng)任務(wù)與控制方案（2）確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式設(shè)計(jì)（3）選擇現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（4）確定控制算法（5）硬、軟件功能的劃分（6）其它方面的考慮4.2系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1.硬件總體方案設(shè)計(jì)

(1)確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和類型（開環(huán)、閉環(huán)、DDC、SCC、DCS、FCS等）

(2)確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式(工控機(jī)、PLC、智能調(diào)節(jié)器，采用積木式模塊化結(jié)構(gòu))(3)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備選擇(傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu))(4)其它方面的考慮（人機(jī)聯(lián)系、機(jī)柜機(jī)箱、抗干擾等）2.軟件總體方案設(shè)計(jì)1.硬件總體方案設(shè)計(jì)2.軟件總體方案設(shè)計(jì)3.系統(tǒng)總體方案

(1)系統(tǒng)主要功能、技術(shù)指標(biāo)、原理圖及文字說(shuō)明

(2)控制策略和控制算法

(3)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及配置

(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(jì)

(7)機(jī)柜或機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(8)經(jīng)費(fèi)和進(jìn)度計(jì)劃的安排3.系統(tǒng)總體方案4.2.2硬件的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.選擇系統(tǒng)的總線和主機(jī)類型

(1)選擇系統(tǒng)的總線包括內(nèi)部總線和外部總線選擇

(2)選擇主機(jī)機(jī)型

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4.2.2硬件的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.選擇變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)

(1)選擇變送器

(2)選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電動(dòng)、氣動(dòng)、液動(dòng)）4.2.3軟件的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃

2.資源分配（RAM/ROM,I/O地址,中斷源,定時(shí)器等）

3.實(shí)時(shí)控制軟件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理程序、控制算法程序、控制量輸出程序和實(shí)時(shí)時(shí)鐘、中斷處理程序、數(shù)據(jù)管理程序和數(shù)據(jù)通信程序。3.選擇變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)4.2.4系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行

1.離線仿真和調(diào)試（硬件調(diào)試，軟件調(diào)試，系統(tǒng)仿真）

2.在線調(diào)試和運(yùn)行在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)試之前應(yīng)對(duì)各種儀器、設(shè)備、抗干擾和接地情況以及安全防護(hù)措施進(jìn)行檢查。經(jīng)檢查并安裝正確之后，就可以進(jìn)行系統(tǒng)的投運(yùn)和參數(shù)整定。4.2.4系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行4.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例例4.1啤酒發(fā)酵過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)1.啤酒發(fā)酵工藝及控制要求要求控制發(fā)酵罐按下圖的溫度工藝曲線運(yùn)行4.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例1.啤酒發(fā)酵工藝及控制要2.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

(1)發(fā)酵罐測(cè)控點(diǎn)分布及管線結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)共有10個(gè)發(fā)酵罐，每個(gè)罐測(cè)量5各參數(shù)，有3個(gè)控制點(diǎn)，他們分別是上段溫度TTa、中段溫度TTb、下段溫度TTc、罐內(nèi)上部氣體壓力PT、液位LT、上段冷帶調(diào)節(jié)閥TVa、中段冷帶調(diào)節(jié)閥TVb、下段冷帶調(diào)節(jié)閥TVc。2.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)共有10個(gè)發(fā)酵罐，

(2)檢測(cè)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)溫度檢測(cè)采用WZP-231鉑熱電阻和RTTB-EKT溫度變送器；壓力檢測(cè)采用CECY-150G電容式壓力變送器；液位檢測(cè)采用CECU-341G電容式液位變送器執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用ZDLP-6B電動(dòng)調(diào)節(jié)閥(3)控制規(guī)律在恒溫階段采用增量型PI控制算法，在升溫、降溫階段采用PID控制算法，在控制軟件設(shè)計(jì)中提供了Smith預(yù)估控制算法(2)檢測(cè)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)

(4)控制系統(tǒng)主機(jī)及過程通道模板控制主機(jī)選用康拓IPC-8500工業(yè)控制機(jī)過程通道模板選用康拓IPC-548812位光電隔離板(5)控制系統(tǒng)軟件包括采樣、濾波、標(biāo)度變換、控制輸出、中斷、計(jì)時(shí)、打印顯示、報(bào)警、參數(shù)修改及報(bào)表、圖形、曲線顯示等功能(4)控制系統(tǒng)主機(jī)及過程通道模板3.系統(tǒng)硬體和軟件設(shè)計(jì)

(1)硬件設(shè)計(jì)3.系統(tǒng)硬體和軟件設(shè)計(jì)(2)軟件設(shè)計(jì)

(a)數(shù)據(jù)采集程序，共有50個(gè)參數(shù)，采用周期T=2S(b)數(shù)字濾波程序

(c)標(biāo)度變換程序（溫度、液位、壓力的標(biāo)度變換）

(d)給定工藝曲線的實(shí)時(shí)插補(bǔ)計(jì)算（多段折線）

(e)控制算法（PI/PID+限幅，Smith預(yù)估控制算法）

(f)其它應(yīng)用程序（計(jì)時(shí)、打印、顯示、報(bào)警、調(diào)節(jié)、報(bào)表、圖形、曲線顯示等）

(2)軟件設(shè)計(jì)4.系統(tǒng)的安裝調(diào)試運(yùn)行及控制效果系統(tǒng)投入運(yùn)行之后，首先能滿足系統(tǒng)的控制指標(biāo)要求。優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，維護(hù)方便，性能可靠；采用微機(jī)控制，有利于提高啤酒質(zhì)量；改善了勞動(dòng)條件，消除了人為因素；易于現(xiàn)代化管理和產(chǎn)品質(zhì)量分析。4.系統(tǒng)的安裝調(diào)試運(yùn)行及控制效果例4.2基于51單片機(jī)的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一、直流電機(jī)調(diào)速原理例4.2基于51單片機(jī)的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一、直流電1、電機(jī)調(diào)速模型2、調(diào)速方法分析(PWM調(diào)壓)電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為：1、電機(jī)調(diào)速模型2、調(diào)速方法分析(PWM調(diào)壓)電動(dòng)機(jī)得到的平二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1、系統(tǒng)原理框圖

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2、主要部分分析控制算法2)速度檢測(cè)3)光電隔離4)PWM驅(qū)動(dòng)2、主要部分分析控制算法系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖3、系統(tǒng)硬件電路介紹系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖3、系統(tǒng)硬件電路介紹1)單片機(jī)最小系統(tǒng)

1)單片機(jī)最小系統(tǒng)2)人機(jī)接口2)人機(jī)接口計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：第四章-計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用-課件1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：第四章-計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用-課件13）速度檢測(cè)3）速度檢測(cè)4）光電隔離4）光電隔離5）電機(jī)驅(qū)動(dòng)

5）電機(jī)驅(qū)動(dòng)4、軟件設(shè)計(jì)1)主程序4、軟件設(shè)計(jì)1)主程序2）PWM波程序PWM波（定時(shí)中斷0）2）PWM波程序PWM波（定時(shí)中斷0）3)測(cè)速程序

定時(shí)中斷1外部中斷03)測(cè)速程序定時(shí)中斷1外部中斷04）控制器

voidpid(){ek=set_n-sn;dif_u_h=0.46*(ek-ek_1)+0.04*ek;u_h=u_h+dif_u_h;ek_1=ek;if(u_h>499)u_h=499;}4）控制器voidpid()例4.3溫度控制系統(tǒng)8088CPU單元驅(qū)動(dòng)單元溫控單元ADC0809測(cè)溫電路給定值溫度

溫度控制系統(tǒng)原理圖例4.3溫度控制系統(tǒng)8088CPU驅(qū)動(dòng)單元溫控單元AD系統(tǒng)程序框圖(1)主程序初始化采樣時(shí)間到？(TKMARK=1?)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束？(A/DMARK=1?)A/DMARK=0讀采樣值，查表得對(duì)應(yīng)溫度值調(diào)用PID子程序，得控制量CK根據(jù)控制量CK產(chǎn)生PWM波給PC機(jī)發(fā)送給定和反饋值，調(diào)用顯示子程序11NNYYTKMARK=0系統(tǒng)程序框圖(1)初始化采樣時(shí)間到？A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束？A/DM(2)PID子程序

采用積分分離PID算法：比例項(xiàng)積分項(xiàng)微分項(xiàng)(2)PID子程序比例項(xiàng)積分項(xiàng)微分項(xiàng)(2)PID子程序入口e(k)=r(