8-计算机控制系统设计与实现.ppt
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1、高等院校自动化新编系列教材高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术主要内容主要内容n n8.1系统设计的原则与步骤n n8.2 系统的工程设计与实现n n8.3 电热油炉温度单片机控制系统设计n n8.4角位置伺服系统IPC控制设计8.1系统设计的原则与步骤系统设计的原则与步骤n n8.1.1系统设计的原则n n安全可靠n n操作维护方便n n实时性强n n通用性好n n经济效益高8.1.2系统设计的步骤系统设计的步骤n n工程项目与控制任务的确定阶段n n甲方提出任务委托书n n乙方研究任务委托书n n双方对委托书进行确认性修改n n乙方初步进行系统总体方案设计n n乙方进行方
2、案可行性论证n n签订合同书 n n工程项目的设计阶段n n组建项目研制小组、n n系统总体方案的设计、n n方案论证与评审、n n硬件和软件的细化设计、n n硬件和软件的调试、n n系统的组装 离线仿真和调试阶段离线仿真和调试阶段离线硬件联调离线软件联调离线硬件软件统调考机现场安装调试试运行验收结束图8.1离线仿真和调试阶段流程如图 n n在线调试和运行阶段在线调试和运行阶段n n系统离线仿真和调试后便可进行在线调试和运行。系统离线仿真和调试后便可进行在线调试和运行。在线调试和运行就是将系统和生产过程联接在一在线调试和运行就是将系统和生产过程联接在一起,进行现场调试和运行。尽管离线仿真和调试
3、起,进行现场调试和运行。尽管离线仿真和调试工作非常认真、仔细,现场调试和运行仍可能出工作非常认真、仔细,现场调试和运行仍可能出现问题,因此必须认真分析加以解决。系统运行现问题,因此必须认真分析加以解决。系统运行正常后,可以再试运行一段时间,即可组织验收。正常后,可以再试运行一段时间,即可组织验收。验收是系统项目最终完成的标志,应由甲方主持验收是系统项目最终完成的标志,应由甲方主持乙方参加,双方协同办理。验收完毕应形成验收乙方参加,双方协同办理。验收完毕应形成验收文件存档文件存档 。8.2系统的工程设计与实现系统的工程设计与实现n n8.2.1系统总体方案设计确定系统的性质和结构确定系统的构成方
4、式现场设备选择确定控制策略和控制算法硬件、软件功能的划分其它方面的考虑系统总体方案n n系统总体方案系统总体方案n n总体设计后将形成系统的总体方案。总体方案确认后,要形总体设计后将形成系统的总体方案。总体方案确认后,要形成文件,建立总体方案文档。系统总体文件的内容包括:成文件,建立总体方案文档。系统总体文件的内容包括:n n系统的主要功能、技术指标、原理性方框图及文字说明。系统的主要功能、技术指标、原理性方框图及文字说明。n n控制策略和控制算法,例如控制策略和控制算法,例如PIDPID控制、达林算法、控制、达林算法、SmithSmith补补偿控制、最级控制、前馈控制、解耦控制、模糊控制、最
5、优偿控制、最级控制、前馈控制、解耦控制、模糊控制、最优控制等。控制等。n n系统的硬件结构及配置,主要的软件功能、结构及框图。系统的硬件结构及配置,主要的软件功能、结构及框图。n n方案比较和选择。方案比较和选择。n n保证性能指标要求的技术措施。保证性能指标要求的技术措施。n n抗干扰和可靠性设计。抗干扰和可靠性设计。n n机柜或机箱的结构设计。机柜或机箱的结构设计。n n经费和进度计划的安排。经费和进度计划的安排。8.2.2硬件的工程设计与实现硬件的工程设计与实现n n选择系统的总线和主机机型选择系统的总线和主机机型l l选择系统的总线选择系统的总线l l内总线选择内总线选择l l常用的工
6、业控制机内总线有两种:常用的工业控制机内总线有两种:PCPC总线和总线和STDSTD总线。总线。一般常选用一般常选用PCPC总线工业控制机。总线工业控制机。l l 外总线选择外总线选择l l根据计算机控制系统的基本类型,如果采用分级控制根据计算机控制系统的基本类型,如果采用分级控制系统系统DCSDCS等,必然有通信的问题。等,必然有通信的问题。l l外总线就是计算机与计算机之间、计算机与智能仪器外总线就是计算机与计算机之间、计算机与智能仪器或智能外设之间进行通信的总线,它包括并行通信总或智能外设之间进行通信的总线,它包括并行通信总线线(IEEE-488)(IEEE-488)和串行通信总线和串行
7、通信总线(RS(RS232C)232C)。另外还有可。另外还有可用来进行远距离通信、多站点互联的通信总线用来进行远距离通信、多站点互联的通信总线RSRS422422和和RSRS485485。n n选择主机机型l l在总线式工业控制机中,有许多机型,都因采用的CPU不同而不同。l l以PC总线工业控制既为例,其CPU有8088、80286、80386、80486、Pentium(586)等多种型号,l l内存、硬盘、主频、显示卡、CRT显示器也有多种规格。l l设计人员可根据要求合理地进行选型 8.2.2硬件的工程设计与实现硬件的工程设计与实现n n选择输入输出通道模板选择输入输出通道模板 n
8、n数字量数字量(开关量开关量)输入输出输入输出(DI(DIDO)DO)模板模板n nPCPC总线的并行总线的并行I IOO接口模板多种多样,通常可分接口模板多种多样,通常可分为为TTLTTL电平的电平的DIDIDODO和带光电隔离的和带光电隔离的DIDIDODO。通常和工业控制机共地装置的接口可以采用通常和工业控制机共地装置的接口可以采用TTLTTL电平,而其它装置与工业控制机之间则采用光电电平,而其它装置与工业控制机之间则采用光电隔离。对于大容量的隔离。对于大容量的DIDIDODO系统,往往选用大系统,往往选用大容量的容量的TTLTTL电平的电平的DIDIDODO板,而将光电隔离及驱板,而将
9、光电隔离及驱动功能安排在工业控制机总线之外的非总线模板动功能安排在工业控制机总线之外的非总线模板上,如继电器板(包括固体继电器板)等。上,如继电器板(包括固体继电器板)等。n n选择输入输出通道模板n n模拟量输入输出(AIAO)模板n nAIAO模板包括AD、DA板及信号调理电路等。AI模板输入可能是05V、110V、010mA、420mA以及热电偶、热电阻和各种变送器的信号。AO模板输出可能05V、110V、010mA、420mA等信号。选择AIAO模板时必须注意分辨率、转换速度、量程范围等技术指标。8.2.2硬件的工程设计与实现硬件的工程设计与实现n n选择变送器和执行机构选择变送器和执
10、行机构n n选择要送器选择要送器n n变送器是这样一种仪表,它能将被测变量(如温度、压力、物位、流量、变送器是这样一种仪表,它能将被测变量(如温度、压力、物位、流量、电压、电流等)转换为可远传的统一标准信号电压、电流等)转换为可远传的统一标准信号(0(010mA10mA、4 420mA20mA等等),且输出信号与被测变量有一定的连续关系。在控制系统中其输出信号被且输出信号与被测变量有一定的连续关系。在控制系统中其输出信号被送至工业控制机进行处理、实现数据采集。送至工业控制机进行处理、实现数据采集。n nDDZ-DDZ-型变送器输出的是型变送器输出的是4 420mA20mA信号信号,供电电源为供
11、电电源为24V(DC)24V(DC)且采用二线且采用二线制,制,DDZ-DDZ-型比型比DDZ-DDZ-型变送器性能好型变送器性能好,使用方便。使用方便。DDZ-SDDZ-S系列变送器系列变送器是在总结是在总结DDZDDZ型变送器的基础上,吸取了国外同类变送器的先进技术,型变送器的基础上,吸取了国外同类变送器的先进技术,采用模拟技术与数字技术相结合,从而开发出的新一代变送器。现场总采用模拟技术与数字技术相结合,从而开发出的新一代变送器。现场总线仪表也将被推广应用。线仪表也将被推广应用。n n常用的变送器有温度变送器、压力变送器、液位变送器、差压变送器、常用的变送器有温度变送器、压力变送器、液位
12、变送器、差压变送器、流量变送器、各种电量变送器等。系统设计人员可根据被测参数的种类、流量变送器、各种电量变送器等。系统设计人员可根据被测参数的种类、量程、被测对象的介质类型和环境来选择变送器的具体型号。量程、被测对象的介质类型和环境来选择变送器的具体型号。n n选择执行机构选择执行机构n n执行机构是控制系统中必不可少的组成部分,它的作用是接受计执行机构是控制系统中必不可少的组成部分,它的作用是接受计算机发出的控制信号,并把它转换成调整机构的动作,使生产过算机发出的控制信号,并把它转换成调整机构的动作,使生产过程按预先规定的要求正常运行。程按预先规定的要求正常运行。n n执行机构分为气动、电动
13、、液压三种类型。气动执行机构的持点执行机构分为气动、电动、液压三种类型。气动执行机构的持点是结构简单、价格低、防火防爆;电动执行机构的持点是体积小、是结构简单、价格低、防火防爆;电动执行机构的持点是体积小、种类多、使用方便;液压执行机构的特点是推力大、精度高。常种类多、使用方便;液压执行机构的特点是推力大、精度高。常用的执行机构为气动和电动两种。用的执行机构为气动和电动两种。n n另外,还有各种有触点和无触点开关,也是执行机构,实现开关另外,还有各种有触点和无触点开关,也是执行机构,实现开关动作。电磁阀作为一种开关阀在工业中也得到了广泛的应用。动作。电磁阀作为一种开关阀在工业中也得到了广泛的应
14、用。n n在系统中,选样气动调节阀、电动调节阀、电磁阀、有触点和无在系统中,选样气动调节阀、电动调节阀、电磁阀、有触点和无触点开关之中的哪种,要跟据系统的要求来确定。但要实现连续触点开关之中的哪种,要跟据系统的要求来确定。但要实现连续的精确的控制目的,必须选用气动或电动调节阀,对要求不高的的精确的控制目的,必须选用气动或电动调节阀,对要求不高的控制系统可选用电磁阀。控制系统可选用电磁阀。8.2.3软件的工程设计与实现软件的工程设计与实现n n编程语言选择编程语言选择n n汇编语言汇编语言n n 汇编语言是面向具体微处理器的,使用它能够具体描述控制运算和处汇编语言是面向具体微处理器的,使用它能够
15、具体描述控制运算和处理的过程、紧凑地使用内存,对内存和理的过程、紧凑地使用内存,对内存和 八八)空间的分配比较清楚,能够空间的分配比较清楚,能够充分发挥硬件的性能,所编软件运算速度快、实时性好,所以主要用于充分发挥硬件的性能,所编软件运算速度快、实时性好,所以主要用于过程信号的检测、控制计算和控制输出的处理。过程信号的检测、控制计算和控制输出的处理。n n高级语言高级语言n n采用高级语言编程的优点是编程效率高,不必了解计算机的指令系统和采用高级语言编程的优点是编程效率高,不必了解计算机的指令系统和内存分配等问题,其计算公式与数学公式相近等。其缺点是,编制的源内存分配等问题,其计算公式与数学公
16、式相近等。其缺点是,编制的源程序经过编译后、可执行的目标代码比完成同样功能的汇编语言的目标程序经过编译后、可执行的目标代码比完成同样功能的汇编语言的目标代码长得多,一方面占用内存量增多,另一方面使得执行时间增加很多,代码长得多,一方面占用内存量增多,另一方面使得执行时间增加很多,往往难于满足实时性的要求。往往难于满足实时性的要求。n n组态软件组态软件n n组态软件是一种针对控制系统而设计的面向问题的高级语言,它为用户组态软件是一种针对控制系统而设计的面向问题的高级语言,它为用户提供了众多的功能模块提供了众多的功能模块 n n2数据类型和数据结构规划 n n从数据类型:逻辑型和数值型,但通常将
17、逻辑从数据类型:逻辑型和数值型,但通常将逻辑型数据归到软件标志中去考虑。型数据归到软件标志中去考虑。n n数值型可分为定点数和浮点数。定点数有直观、数值型可分为定点数和浮点数。定点数有直观、编程简单、运算速度快的优点,其缺点是表示编程简单、运算速度快的优点,其缺点是表示的数值动态范围小,容易溢出。浮点数则相反,的数值动态范围小,容易溢出。浮点数则相反,数值动态范围大、相对精度稳定、不易溢出,数值动态范围大、相对精度稳定、不易溢出,但编程复杂,运算速度低。但编程复杂,运算速度低。n n如果某参数是如果某参数是系列有序数据的集合,如采样系列有序数据的集合,如采样信号序列,则不只有数据类型问题,还有
18、一个信号序列,则不只有数据类型问题,还有一个数据存放格式问题,即数据结构问题。数据存放格式问题,即数据结构问题。n n3资源分配完成数据类型和数据结构的规划后,便可开始分配系统的资源了。n n系统资源包括系统资源包括ROMROM、RAMRAM、定时器计数器、定时器计数器、个断源、个断源、I IOO地址等。地址等。n nROMROM资源用来存放程序和表格,资源用来存放程序和表格,I IOO地址、定地址、定时器时器/计数器、中断源在任务分折时已经分配计数器、中断源在任务分折时已经分配好了。好了。n n因此,资源分配的主要工作是因此,资源分配的主要工作是RAMRAM资源的分配,资源的分配,RAMRA
19、M资源规划好后,应列出一张资源规划好后,应列出一张RAMRAM资源的详资源的详细分配清单,作为编程依据细分配清单,作为编程依据 n n4 4实时控制软件设计实时控制软件设计 n n数据采集及数据处理程序数据采集及数据处理程序n n数据采集程序主要包括模拟量和数字量多路信号的采数据采集程序主要包括模拟量和数字量多路信号的采样、输入变换、存储等。数据处理程序主要包括数字样、输入变换、存储等。数据处理程序主要包括数字滤波程序、线性化处理和非线件补偿、标度变换程序、滤波程序、线性化处理和非线件补偿、标度变换程序、超限报警程序等。超限报警程序等。n n(2)(2)控制算法程序控制算法程序n n控制算法程
20、序主要实现控制规律的计算,产生控制量。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:数字其中包括:数字PIDPID控制算法、大林算法、控制算法、大林算法、SmithSmith补偿补偿控制算法、最少拍控制算法、串级控制算法、前馈控控制算法、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、最优控制算制算法、解耦控制算法、模糊控制算法、最优控制算法等。:实际实现时,可选择合适的一种或几种控制法等。:实际实现时,可选择合适的一种或几种控制算法,来实现控制。算法,来实现控制。n n4实时控制软件设计n n(3)控制量输出程序n n控制量输出程序实现对控制量的处理控制量
21、输出程序实现对控制量的处理(上下限上下限和变化率处理和变化率处理)、控制量的变换及输出,驱动、控制量的变换及输出,驱动执行机构或各种电气开关。控制量也包括模拟执行机构或各种电气开关。控制量也包括模拟量和开关量输出两种。模拟控制量由量和开关量输出两种。模拟控制量由D/AD/A转换转换模板输出,模板输出,般为标准的般为标准的0 010mA(DC)10mA(DC)或或4 420mA(DC)20mA(DC)信号,该信号驱动执行机构如各种信号,该信号驱动执行机构如各种调节阀。开关量控制信号驱动各种电气开关。调节阀。开关量控制信号驱动各种电气开关。n n(4)(4)实时时钟和中断处理程序实时时钟和中断处理
22、程序n n实时时钟是计算机控制系统一切与时间有关过程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的运行基础 n n实时任务有两类:第实时任务有两类:第类是周期性的,如每天固定时类是周期性的,如每天固定时间启动,固定时间撤消的任务,它的重复周期是一天。间启动,固定时间撤消的任务,它的重复周期是一天。第二类是临时性任务,操作者预定好启动和撤消时间第二类是临时性任务,操作者预定好启动和撤消时间后由系统时钟来执行,但仅一次有效。后由系统时钟来执行,但仅一次有效。n n许多实时任务如采样用期、定时显示打印、定时数据许多实时任务如采样用期、定时显示打印、定时数据处理等都必须利用实时时钟来实现。并由
23、实时中断服处理等都必须利用实时时钟来实现。并由实时中断服务程序去执行相应的动作或处理动作状态标志等。务程序去执行相应的动作或处理动作状态标志等。n n另外,事故报警、掉电检测及处理、重要的事件处理另外,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,以便计算机能对等功能的实现也常常使用中断技术,以便计算机能对事件做出及时处理。事件处理用中断服务程序和相应事件做出及时处理。事件处理用中断服务程序和相应的硬件电路来完成。的硬件电路来完成。n n(5)数据管理程序n n这部分程序用于生产管理,主要包括画而显这部分程序用于生产管理,主要包括画而显示、变化趋势分析、报警记录、统计
24、报表打示、变化趋势分析、报警记录、统计报表打印输出等。印输出等。n n(6)数据通信程序n n数据通信程序主要完成计算机与计算机之间、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。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机控制系统、工业网络等系统中实现 8.2.4系统的调试与运行系统的调试与运行n n系统的调试与运行分为离线仿真与调试阶段和在线调试与运行阶段。离线仿真与调试阶段般在实验室或非工业现场进行,在线调试与运行阶段是在生产过程工业现场进行。离线仿真与
25、调试阶段是基础,是检查硬件和软件的整体性能,为现场投运做准备,现场投运是对全系统的实际考验与检查。系统调试的内容很丰富,碰到的问题是干变万化的,解决的方法也是多种多样的,并没有统一的模式。离线仿真和调试离线仿真和调试n n硬件调试硬件调试对于各种标准功能模板,按照说明书检查主要功对于各种标准功能模板,按照说明书检查主要功能。能。在调试在调试A ADD和和DDA A模板之前,必须准备好信号模板之前,必须准备好信号源、数字电压表、电流表等源、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利用开关量输入和输出程序来检查开关量输入(DI)(DI)和开关量输出和开关量输出(DO)(DO)
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- 关 键 词:
- 计算机控制 系统 设计 实现
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