計算機控制技術(shù)課件

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計算機控制技術(shù)高等院校自動化新編系列教材

高等院校自動化新編系列教材

北京郵電大學(xué)出版社

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主要內(nèi)容

?8.2

?8.3

?8.4

第八章計算控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

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8」系統(tǒng)設(shè)計的原則與步驟

?8.1.1系統(tǒng)設(shè)計的原則

?1?安全可靠

?2.操作維護(hù)方便

?3.實時性強

?4.通用性好

?5.經(jīng)濟效益高

第八章計算控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)1?=NN==7

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8.1.2系統(tǒng)設(shè)計的步驟

?1.工程項目與控制任務(wù)的確定源地.

?⑴甲方提出任務(wù)委托書/醉I

?⑵乙方研究任務(wù)委托書

?⑶雙方對委托書進(jìn)行確認(rèn)性修改

?⑷乙方初步進(jìn)行系統(tǒng)總體方案設(shè)計

?⑸乙方進(jìn)行方案可行性論證

?⑹簽訂合同書

第八章計算控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)二?一

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?2.工程項目的設(shè)計階段

?組建項目研制小組、!

?系統(tǒng)總體方案的設(shè)計、

,方案論證與評審、

-硬件和軟件的細(xì)化設(shè)計、

-硬件和軟件的調(diào)試、

-系統(tǒng)的組裝

第八章計算控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

試運行

離線硬件軟件統(tǒng)調(diào)驗收

考機結(jié)束

圖8.1離線仿真和調(diào)試階段流程如度

第八章計算控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

?4.在線調(diào)試和運行階段#-

?系統(tǒng)離線仿真和調(diào)試后便可進(jìn)行在線調(diào)試和運I.

行。在線調(diào)試和運行就是將系統(tǒng)和生產(chǎn)過程聯(lián)I

接在一起，進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試和運行。盡管離線仿

真和調(diào)試工作非常認(rèn)真、仔細(xì)，現(xiàn)場調(diào)試和運

行仍可能出現(xiàn)問題，因此必須認(rèn)真分析加以解

決。系統(tǒng)運行正常后，可以再試運行一段時

間，即可組織驗收。驗收是系統(tǒng)項目最終完成

的標(biāo)志，應(yīng)由甲方主持乙方參加，雙方協(xié)同辦

理。驗收完畢應(yīng)形成驗收文件存檔。

第八章計算控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)1?==7

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8.2系統(tǒng)的工程設(shè)計與實現(xiàn)

?821系統(tǒng)總體方案設(shè)計

>1.確定系統(tǒng)的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)'

>2.確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式

>3.現(xiàn)場設(shè)備選擇

>4.確定控制策略和控制算法

>5.硬件、軟件功能的劃分

>6.其它方面的考慮

>7.系統(tǒng)總體方案

第八章計算控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

?7?系統(tǒng)總體方案

?總標(biāo)設(shè)4后將形成系統(tǒng)的總體方案。總體方案確認(rèn)后，要形

成文件，建立總體方案文檔。系統(tǒng)總體文件的曲容包括：

?⑴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。

?⑵控制策略和控制算法，例如PID控制、達(dá)林算法、Smith補

償控制、最級控制、前饋控制、解耦控制、模糊控制、最優(yōu)

控制等。

?⑶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。

?⑷方案比較和選擇。

?⑸保證性能指標(biāo)要求的技術(shù)措施。

?⑹抗干擾和可靠性設(shè)計。

?⑺機柜或機箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

?⑻經(jīng)費和進(jìn)度計劃的安排。

第八章計算控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

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822硬件的工程設(shè)計與實現(xiàn)

?1.選擇系統(tǒng)的總線和主機機型

?⑴選擇系統(tǒng)的總線

?①內(nèi)總線選擇

?常用的工業(yè)控制機內(nèi)總線有兩種：PC總線和STD總

線。一般常選用PC總線工業(yè)控制機。

?②外總線選擇

?根據(jù)計算機控制系統(tǒng)的基本類型，如果采用分級控

制系統(tǒng)DCS等，必然有通信的問題。

?外總線就是計算機與計算機之間、計算機與智能儀

器或智能外設(shè)之間進(jìn)行通信的總線，它包括并行通

信總線(IEEE-488)和串行通信總線(RS—232C)。另

外還有可用來進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信、多站點互聯(lián)的通信

總線RS—422和RS—485。__________________

第八章計算控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

?選擇主機機型』

?在總線式工業(yè)控制機中，有許多機型，

都因采用的CPU不同而不同。

?以PC總線工業(yè)控制既為例，其CPU有

8088、80286、80386、80486、

Pentium(586)^多種型號，

?內(nèi)存、硬盤、主頻、顯示卡、CRT顯示

器也有多種規(guī)格。

?設(shè)計人員可根據(jù)要求合理地進(jìn)行選型

第八章計算控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

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822硬件的工程設(shè)計與實現(xiàn)

?2.選擇輸入輸出通道模板

⑴數(shù)字量（開關(guān)量）輸入輸出（DI/DO）模板

■PC總線的并行I/O接口模板多種多樣，通?？?/p>

分為TTL電平的DI/DO和帶光電隔離的DI/

DOo通常和工業(yè)控制機共地裝置的接口可以

采用TTL電平，而其它裝置與工業(yè)控制機之間

則采用光電隔離。對于大容量的DI/DO系

統(tǒng)，往往選用大容量的TTL電平的DI/DO板，

而將光電隔離及驅(qū)動功能安排在工業(yè)控制機總

線之外的非總線模板上，如繼電器板（包括固

計麟助相藪。

第八章1a二NN二

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?2.選擇輸入輸出通道模板.

?⑵模擬量輸入輸出(AI/A0)模板!U

?AI/A0模板包括A/D、D/A板及信號調(diào)理

電路等。AI模板輸入可能是0?±5V、1?10V、

0?10mA、4?20mA以及熱電偶、熱電阻和各

種變送器的信號。AO模板輸出可能0?5V、

1?10V、0?10mA、4?20mA等信號。選擇A：

/AO模板時必須注意分辨率、轉(zhuǎn)換速度、量

程范圍等技術(shù)指標(biāo)O二

第八章計算控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)二”…

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822硬件的工程設(shè)計與實現(xiàn)

?3.選擇變送器和執(zhí)行機構(gòu)

?⑴選擇要送器才（

-變送器是這樣一種儀表，它能將被測變量（如溫度、壓力、物位、流量、

電壓、電流等）轉(zhuǎn)換為可遠(yuǎn)彳專的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號（0?10mA、4~20mA

等），且輸出信號與被測變量有一定的連續(xù)關(guān)系。在控制系統(tǒng)中其輸出言

號被送至工業(yè)控制機進(jìn)行處理、實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

-DDZ-H型變送器輸出的是4?20mA信號，供電電源為24V（DC）且采用二戔

制，DDZ-IH型比DDZ-H型變送器性能好，使用方便。DDZ-S系列變送力

是在總結(jié)DDZ型變送器的基礎(chǔ)上，吸取了國外同類變送器的先進(jìn)技術(shù)，

采用模擬技術(shù)與數(shù)字技術(shù)相結(jié)合，從而開發(fā)出的新一代變送器。現(xiàn)場I、

線儀表也將被推廣應(yīng)用。

-常用的變送器有溫度變送器、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。系統(tǒng)設(shè)計人員可根據(jù)被測參數(shù)的種斐、

量程、被測對象的介質(zhì)類型和環(huán)境來選擇變送器的具體型號。

第八章計算控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)P-

?⑵選擇執(zhí)行機構(gòu)

-執(zhí)行機構(gòu)是控制系統(tǒng)中必不可少的組成部分，它的作用是接受計

算機發(fā)出的控制信號，并把它轉(zhuǎn)換成調(diào)整機構(gòu)的動作，使生產(chǎn)過

程按預(yù)先規(guī)定的要求正常運行。、

-執(zhí)行機構(gòu)分為氣動、電動、液壓三種類型。氣動執(zhí)行機構(gòu)的持點I

是結(jié)構(gòu)簡單、價格低、防火防爆；電動執(zhí)行機構(gòu)的持點是體積小、1

種類多、使用方便；液壓執(zhí)行機構(gòu)的特點是推力大、精度高。常I

用的執(zhí)行機構(gòu)為氣動和電動兩種。I

-另外，還有各種有觸點和無觸點開關(guān)，也是執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)開關(guān)[

動作。電磁閥作為一種開關(guān)閥在工業(yè)中也得到了廣泛的應(yīng)用。[

-在系統(tǒng)中，選樣氣動調(diào)節(jié)閥、電動調(diào)節(jié)閥、電磁閥、有觸點和無

觸點開關(guān)之中的哪種，要跟據(jù)系統(tǒng)的要求來確定。但要實現(xiàn)連續(xù)[I

的精確的控制目的，必須選用氣動或電動調(diào)節(jié)閥，對要求不高的[

控制]系統(tǒng)可選用電磁閥。

第八章計算控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

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823軟件的工程設(shè)計與實現(xiàn)

?1.編程語言選擇

?⑴匯編語言

-匯編語言是面向具體微處理器的使用它能夠具體描述控制運算和處1

理的過程、緊湊地使用內(nèi)存，對內(nèi)存和［八）空間的分配比較清楚，臺能匕夠1

充分發(fā)揮揮硬硬件件的的性性能，所編軟件運算速—度快、實時性好，所以主要用于

過程信號的檢測、控制訐算和控制輸出的處理;

?⑵高級語言

-采用高級語言編程的優(yōu)點是編程效率高，不必了解計算機的指令系統(tǒng)和

內(nèi)存分配等問題，其計算公式與數(shù)學(xué)公式相近等。其缺點是，編制的源

程序經(jīng)過編譯后、可執(zhí)行的目標(biāo)代碼比完成同樣功能的匯編語言的目標(biāo)

代碼長得多，一方面占用內(nèi)存量增多，另一方面使得執(zhí)行時間增加很

多，往往難于滿足實時性的要求。

?⑶組態(tài)軟件

-組態(tài)軟件是一種針對控制系統(tǒng)而設(shè)計的面向問題的高級語言，它為用戶

提供了眾多的功能稹塊

第八章計算控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)1?==7

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?2數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃

-從數(shù)據(jù)類型：邏輯型和數(shù)值型，但通常將邏輯

型數(shù)據(jù)歸到軟件標(biāo)志中去考慮?！?

-數(shù)值型可分為定點數(shù)和浮點數(shù)。定點數(shù)有直觀、

編程簡單、運算速度快的優(yōu)點，其缺點是表示

的數(shù)值動態(tài)范圍小，容易溢出。浮點數(shù)則相

反，數(shù)值動態(tài)范圍大、相對精度穩(wěn)定、不易溢

出，但編程復(fù)雜，運算速度低。

-如果某參數(shù)是一系列有序數(shù)據(jù)的集合，如采樣

信號序列，則不只有數(shù)據(jù)類型問題，還有一個

數(shù)據(jù)存放格式問題，即數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)問題。

第八章計算控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)1?=NN==7

?3資源分配

完成數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的規(guī)劃后，便可開

始分配系統(tǒng)的資源了。/a

-系統(tǒng)資源包括ROM、RAM、定時器/計數(shù)器、

個斷源、I/O地址等。

-ROM資源用來存放程序和表格，I/O地址、定

時器/計數(shù)器、中斷源在任務(wù)分折時已經(jīng)分配好

了。

-因此，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)

第八章計算控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

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?4實時控制軟件設(shè)計

?⑴數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理程序

-數(shù)據(jù)采集程序主要包括模擬量和數(shù)字量多路信號的采

樣、輸入變換、存儲等。數(shù)據(jù)處理程序主要包括數(shù)字j

濾波程序、線性化處理和非線件補償、標(biāo)度變換程序、

超限報警程序等。

?(2)控制算法程序

-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控制黃法、大林算法、Smith補償

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。：實際實現(xiàn)時，可選擇合適的一種或幾種控制

算法，來實現(xiàn)控制。

第八章計算控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)1?==7

?4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)行機構(gòu)或各種電氣開關(guān)?？刂屏恳舶M

量和開關(guān)量輸出兩種。模擬控制量由D/A轉(zhuǎn)換

模板輸出，一般為標(biāo)準(zhǔn)的0?10mA(DC)或4?

20mA(DC)信號，該信號驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)如各種

調(diào)節(jié)閥。開關(guān)量控制信號驅(qū)動各種電氣開關(guān)。

第八章計算控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

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?(4)實時時鐘和中斷處理程序

?實時時鐘是計算機控制系統(tǒng)一切與時間有關(guān)過程

的運行基礎(chǔ)

-實時任務(wù)有兩類：第一類是周期性的，如每天固定時

間啟動，固定時間撤消的任務(wù)，它的重復(fù)周期是一天。

第二類是臨時性任務(wù)，操作者預(yù)定好啟動和撤消時間

后由系統(tǒng)時鐘來執(zhí)行，但僅一次有效。

-許多實時任務(wù)如采樣用期、定時顯示打印、定時數(shù)據(jù)

處理等都必須利用實時時鐘來實現(xiàn)。并由實時中斷服

務(wù)程序去執(zhí)行相應(yīng)的動作或處理動作狀態(tài)標(biāo)志等。

-另外，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)，以便計算機能對

事件做出及時處理。事件處理用中斷服務(wù)程序和相應(yīng)

的硬件電路來完成。

第八章計算控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

?(5)數(shù)據(jù)管理程序

-這部分程序用于生產(chǎn)管理，主要包括畫而顯

示、變化趨勢分析、報警記錄、統(tǒng)計報表打j

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與計算機之間、

計算機與智能設(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

機控制系統(tǒng)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)中實現(xiàn)

第八章計算控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)1?==7

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8.2.4系統(tǒng)的調(diào)試與運行

?系統(tǒng)的調(diào)試與運行分為離線仿真與調(diào)試階段

和在線調(diào)試與運行階段。離線仿真與調(diào)試階!

段一般在實驗室或非工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行，在線調(diào)j

試與運行階段是在生產(chǎn)過程工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行。

離線仿真與調(diào)試階段是基礎(chǔ)，是檢查硬件和

軟件的整體性能，為現(xiàn)場投運做準(zhǔn)備，現(xiàn)場

投運是對全系統(tǒng)的實際考驗與檢查。系統(tǒng)調(diào)

試的內(nèi)容很豐富，碰到的問題是千變?nèi)f化

的，解決的方法也是多種多樣的，并沒有統(tǒng)

一的模式。

第八章計算控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

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1.離線仿真和調(diào)試

?⑴硬件調(diào)試.k

@對于各種標(biāo)準(zhǔn)功能模板，按照說咻檢查主要I

功能。