1、计算机控制系统设计计算机控制系统设计授课人：李会军授课人：李会军2计算机控制系统的设计方法计算机控制系统的设计方法设计步骤设计步骤监控任务的确定监控任务的确定：在进行系统设计之前，必须对监控对象的工作过程进行深入的调查、分析，熟悉其工艺过程，确定系统所要完成的任务，一般分以下几步：1、熟悉工艺过程和控制要求，构思控制系统的整体方案。2、系统是否有特殊控制要求。如高可靠性、高精度或快速性的要求，为满足这些要求，应采取什么措施。3、计算机承担的任务。计算机在整个控制系统中所起的作用，是数据处理，还是直接控制等。4、编写设计任务书。编写完整设计任务说明书，画出系统组成粗框图，作为整个控制系统设计的基
2、础和依据。3计算机控制系统的设计方法计算机控制系统的设计方法设计步骤设计步骤选择主机机型选择主机机型在具体选择系统的主机机型时，可以选择工业PC计算机、PLC、智能仪表等现有测控硬件设备，设计者只需根据测控任务选择相应的硬件配置，再配以软件设计等，即可完成测控任务。如果因价格、功能或灵活性等方面的原因不能选择现有主机时，设计者可选择一款微处理器、单片微控制器、DSP或ARM进行自主开发设计。此时应考虑到所选择微处理器的字长，寻址能力，指令系统，中断处理能力，运行速度等因素。4计算机控制系统的设计方法计算机控制系统的设计方法设计步骤设计步骤确定控制算法确定控制算法控制系统种类繁多，所用的控制算法
3、也各不相同。比如：在数控机床中，常用的有逐点比较法和数字积分法的控制算法；在直接数字控制系统中，常用的有PID控制算法及其改进算法；在位置数字随动系统中，常用的有实现最少拍控制的控制算法。另外，还有模糊控制、最优控制、自适应控制等控制算法。在进行系统设计时，究竟选择哪一种控制算法，主要取决于系统的特性和要求达到的控制性能指标。在确定控制算法时，应注意所选定的控制算法要满足控制速度控制速度、控制精度控制精度和系统稳定性系统稳定性的要求。5计算机控制系统的设计方法计算机控制系统的设计方法设计步骤设计步骤系统总体方案设计系统总体方案设计1、分配硬件软件功能、分配硬件软件功能：计算机控制系统由硬件和软
4、件组成，对于那些既可用硬件实现，又可用软件实现的功能，应根据控制对象的要求和硬件软件的特点，采用合理的分配方案。一般情况下，只要能满足速度的要求，能用软件实现的功能，就不用硬件实现。2、选择系统总线、选择系统总线：控制系统中常用的外部总线有多种，如RS-232C、RS-422、RS-485和CAN BUS、LonWorks、Modbus、PROFIBUS、TCP/IP等现场总线或工业以太网。具体选择哪一种，要根据通信的速率、距离、系统网络拓扑结构、通信协议等要求来综合分析才能决定。6计算机控制系统的设计方法计算机控制系统的设计方法设计步骤设计步骤系统总体方案设计系统总体方案设计3、选择输入输出
5、模块、选择输入输出模块：一个计算机控制系统，除了主机外，还必须具有各种输入输出通道模块，其中包括模拟量输入（AI）模板、模拟量输出（AO）模板、数字量输入（DI）模板、数字量输出（DO）模板等。这些模块可以选用市场已有的产品，也可以自行设计。4、可靠性设计、可靠性设计：在计算机控制系统中，系统的可靠性至关重要，只有系统的高可靠性，才能确保系统的正常运行。可靠性设计采取的措施主要有硬件措施、软件措施，可靠性要求很高的系统，还应考虑双CPU或双机并行运行。7计算机控制系统的设计方法计算机控制系统的设计方法设计步骤设计步骤硬件设计硬件设计：在系统总体方案定下来以后，要设计电气原理图，一般应设计如下电
6、路图：1、以CPU为核心的电路：包括CPU、总线驱动，存储器扩展等电路。2、AI、AO、DI、DO接线图。3、通信接口电路：可以是RS-232C，RS-422，RS-485或现场总线与工业以太网通信接口。5、显示电路图和电源电路图8计算机控制系统的设计方法计算机控制系统的设计方法设计步骤设计步骤软件设计软件设计：采用汇编语言、C语言、PLC设计语言(梯形图、功能块、语句表)、或高级语言进行软件编程；1、数据采集和处理程序数据采集和处理程序：（1）数据采集程序主要是对多路模拟输入信号进行采样或对数字量的开关状态进行读取并存储。（2）数据处理程序主要包括数字滤波程序、线性化处理和非线性补偿、标度变
7、换、上下限报警程序等。2、控制算法程序控制算法程序：控制算法程序是完成控制规律的计算，得到控制量。主要包括：数字PID控制算法及其改进算法，大林控制算法，Smith补偿控制算法，模糊控制算法，串级控制算法，前馈控制算法，最优控制算法等。在具体实现时，可采用一种或几种控制算法的组合实施控制。9计算机控制系统的设计方法计算机控制系统的设计方法设计步骤设计步骤软件设计软件设计3、控制输出程序控制输出程序：将根据控制算法的结果送往模拟(数字)输出通道，实现数字量到模拟量的变换，并驱动外围的执行机构进行动作。4、数据管理程序数据管理程序：主要包括画面显示、变化趋势分析、报警记录、统计报表、打印输出、数据
8、操作等，主要用于生产管理。5、数据通信程序数据通信程序：主要实现两台计算机之间或一台计算机与多台计算机控制系统之间的数据传输和交换，形成分布式控制系统。10计算机控制系统的设计方法计算机控制系统的设计方法设计步骤设计步骤选择工业自动化仪器仪表选择工业自动化仪器仪表1、传感器和变送器的选取传感器和变送器的选取：传感器可以将非电物理量，如温度、压力、流量、位移、液位、气体成份等被测参数变成电信号，如电压、电流或电阻信号，然后通过变送器变成可以远传的统一标准信号（05V，15V或010mA，420mA等）、送往AI模板进行数据采集。2、执行器的选取执行器的选取：执行器是过程控制系统中不可缺少的组成部
9、分，它的作用是接受计算机发出的控制信号，并把它转换成机械动作，对生产过程实施控制。执行器可以分为气动、电动、液压三种类型。11计算机控制系统的设计方法计算机控制系统的设计方法设计步骤设计步骤系统调试系统调试1、硬件调试硬件调试：硬件调试应按电路实现的功能分别进行调试。2、软件调试软件调试：首先编写与硬件调试对应的调试程序，配合硬件调试工作，待硬件调试完成后，再进行软件的总调试。3、现场调试现场调试：系统在实验室调试好后，就可以到现场进行安装并调试。在现场调试时，应注意接地、环境干扰等方面的问题。同时，通过现场调试，选择合理的调节参数，确保系统稳定运行，并达到设计的性能指标。现场调试需要丰富的经
10、验，只有对生产现场进行深入的了解，不断完善设计方案，才能设计更好的计算机控制系统。12工业锅炉计算机控制系统的设计工业锅炉计算机控制系统的设计工业锅炉的结构工业锅炉的结构省煤器煤斗炉排过热器除尘引风机引风挡板大气鼓风机给水汽鼓炉膛主蒸汽 10t/h锅炉结构和工艺流程示意图13工业锅炉计算机控制系统的设计工业锅炉计算机控制系统的设计工业锅炉的工作过程工业锅炉的工作过程设计参数蒸发量：10t/h，主蒸汽压力：13105Pa主蒸汽温度：350，给水温度：60105热风温度：170，冷风温度：20排烟温度：180，设计效率：78%燃烧的煤层厚度通过闸板控制，炉排转速可由滑差电机控制或交流变频调速控制。
11、尾部受热面有省煤器和空气预热器。给水通过省煤器预热后给锅炉上水，空气经空气预热器后由炉排左右两侧6个风道进入，烟气通过除尘器除尘，由引风机送至烟囱排放，主蒸汽经过过热器（有的无过热器）送至汽柜和用汽部门。14工业锅炉计算机控制系统的设计工业锅炉计算机控制系统的设计工业锅炉的工作过程工业锅炉的工作过程能量的转换和转移过程1、燃料在炉内燃烧，燃料的化学能以热能的形式释放出来，使火焰和烟气具有高温。2、高温火焰和烟气的热量通过“受热面”向被加热介质传递。3、水被加热至沸腾而汽化，成为饱和蒸汽，进而过热而成过热蒸汽。15工业锅炉计算机控制系统的设计工业锅炉计算机控制系统的设计工业锅炉的工作过程工业锅炉
12、的工作过程物质的转换和转移过程1、给水进入锅炉，最后以饱和蒸汽或过热蒸汽（对于热水锅炉则为热水）形式输出。2、煤进入炉内燃烧，其可燃部分燃烧后连同原含水分转化为烟气，原含灰分则残存为灰渣。3、风送入炉内参加燃烧反应，过剩的空气也混入烟气中排出。注意注意：汽水系统、煤灰(燃烧)系统、风烟系统是锅炉的主要系统，这三个系统的工作是同时且连续地进行的。16工业锅炉计算机控制系统的设计工业锅炉计算机控制系统的设计工业锅炉的工作过程工业锅炉的工作过程工业锅炉的自动控制目标1、保产保质按质（压力、温度、净度）按量（蒸发量、供热量）地供出蒸汽或热水，满足生产和采暖需要。2、安全耐用，延长锅炉使用寿命。3、节能
13、高效。4、消烟除尘、绿色环保、降低劳动强度17工业锅炉计算机控制系统的设计工业锅炉计算机控制系统的设计工业锅炉计算机控制的意义工业锅炉计算机控制的意义直观显示画面和运行参数。能同时显示锅炉运行过程中的水位、压力、炉膛负压、烟气含氧量、测点温度、燃煤量等数十个运行参量的瞬时值、累计值及给定值，以便于操作人员观察和比较。同时还可以在锅炉流程画面的相应位置上显示出参数值，给人直观形象，减少观察的疲劳和失误；能对运行状况进行准确的记录，可以按需随时打印或定时打印。如果出现运行事故，能够追忆事故前的操作参数，进行事故分析；能在运行过程中能随时修改各种运行参数，方便高效；18工业锅炉计算机控制系统的设计工
14、业锅炉计算机控制系统的设计工业锅炉计算机控制的意义工业锅炉计算机控制的意义计算机控制系统可以对启动、停炉、运行过程中的工况进行计算和监控，对主要参数变化趋势进行分析，进行操作程序的监视等；减少了显示仪表，还可利用软件来代替许多仪表单元（例如加减器、微分器、滤波器、限幅报警器等），从而减少了投资，也减少了故障率。锅炉是一个多输入多输出、非线性的动态对象，诸多调节量和被调量间存在耦合通道。例如当锅炉的负荷变化时，所有的被调量都会发生变化。采用先进的计算机控制算法，能够提高锅炉的热效率，节能减排；计算机控制系统经扩展后，可构成分级控制系统，方便企业的经营管理；19工业锅炉计算机控制系统的设计工业锅炉
15、计算机控制系统的设计工业锅炉计算机控制回路工业锅炉计算机控制回路给水调节系统给水调节系统：使用用给水调节阀门作为调节机构，以给水流量作为调节量。当锅炉蒸发量改变时与调节系统改变给水流量使之与蒸汽流量相平衡，从而将汽包水位控制在正常水位上；汽压调节系统汽压调节系统：汽压调节系统控制两个副回路，即燃料量调节回路及送风量调节回路。因此有两个调节量，即送风量和炉排转速；两个调节机构，即送风调节挡板和炉排直流电机。当锅炉蒸发量改变时，调节系统改变送风量和燃料量，使之与蒸发量相适应，将锅炉出口汽压控制在额定值；炉膛负压调节系统炉膛负压调节系统：用引风调节挡板作为调节机构，以烟气量作为调节量。当送风量随锅炉
16、负荷量改变而改变时，调节系统改变烟气量使之与送风量相平衡，从而将炉膛负压控制在额定值上；20工业锅炉计算机控制系统的设计工业锅炉计算机控制系统的设计工业锅炉计算机控制回路工业锅炉计算机控制回路烟气含氧量调节系统烟气含氧量调节系统：用送风量与燃料量的比值作为该系统的粗调，而以含氧量调节作为校正调节。当烟气含氧量离开额定值时，调节系统改变炉排转速，使燃料量改变，从而将含氧量控制在额定值。需要注意需要注意，当燃料量改变时，将使锅炉出口汽压发生变化，从而导致汽压调节系统动作而改变送风量与燃料量。当汽压恢复额定值时，也随之改变了燃料量与送风量的比值，因此可以说含氧量调节系统动作的结果不是改变燃料量，而是
17、改变了燃料量与送风量的比值；21工业锅炉计算机控制系统的设计工业锅炉计算机控制系统的设计直接数字控制系统直接数字控制系统(DDC)的设计的设计锅炉给水调节系统1、给水调节的任务给水调节的任务：使给水流量适应锅炉的蒸发量，以维持汽包水位在允许的范围内，同时尽可能保持给水稳定。2、给水调节对象给水调节对象：给水调节系统的被控量是汽包水位，执行机构是给水调节阀，调节量是给水流量；3、给水调节系统的控制方案给水调节系统的控制方案：被控对象没有自平衡能力，又存在较大时间滞后，因此应使用闭环反馈调节系统；以水位为唯一调节信号的单冲量调节系统。以蒸汽流量和水位作为调节信号的双冲量调节系统。以给水流量、蒸汽流
18、量、水位作调节信号的三冲量调节系统。22工业锅炉计算机控制系统的设计工业锅炉计算机控制系统的设计直接数字控制系统直接数字控制系统(DDC)的设计的设计锅炉给水调节系统给水三冲量调节系统方框图给水流量D2蒸汽流量D1+水位给定H+水位HDDC数字控制器开方A/D变送器 限幅D/A执行器变送器A/D开方A/D变送器 2123工业锅炉计算机控制系统的设计工业锅炉计算机控制系统的设计直接数字控制系统直接数字控制系统(DDC)的设计的设计锅炉给水调节系统的调节过程1、蒸汽流量和给水流量用流量孔板取得差压信号，采用差压变送器将差压信号转换成电流信号。蒸汽流量和给水流量的电流信号经过电流电压变换，送往A/D
19、采样，采样结果经数字滤波和开方并乘以各自相应的比例系数，就得到了与各自流量成比例的相应的信号和。水位信号经差压变送器取得，并经数字滤波作为调节主信号H。2、在上述四个信号中，若有一个或一个以上信号发生变化，平衡状态被破坏，输出必将发生变化。当水位升高了，则输出信号就减小，使得给水调节阀关小；当水位降低时，输出值增大，使给水调节阀开大。3、三冲量给水单级自动调节系统，能保持水位稳定，且给水调节阀动作平稳。24工业锅炉计算机控制系统的设计工业锅炉计算机控制系统的设计直接数字控制系统直接数字控制系统(DDC)的设计的设计锅炉燃烧调节系统1、燃烧过程自动调节的任务燃烧过程自动调节的任务：维持蒸汽压力恒
20、定。如果一台锅炉运行，则维持过热器出口汽压恒定；如果几台锅炉并列运行，则维持主蒸汽母管压力恒定。蒸汽压力的变化表示锅炉蒸汽量和负荷的耗汽量不相适应，必须相应地改变燃料量，以改变锅炉的蒸汽量；保证燃烧过程的经济性。当燃料量改变时，必须相应地调节送风量，使它与燃料量相配合，保证燃烧过程有较高的经济性；调节引风量与送风量相配合，以保证炉膛压力不变；25工业锅炉计算机控制系统的设计工业锅炉计算机控制系统的设计直接数字控制系统直接数字控制系统(DDC)的设计的设计锅炉燃烧调节系统2、燃料调节系统的控制对象燃料调节系统的控制对象：一般有三个被控量，即蒸汽压力、烟道含氧量和炉膛负压；三个控制量，即燃料量、送
21、风量和引风量。根据燃料种类的不同，燃烧调节系统的执行机构可能是炉排电机，也可能是燃料阀；对于送风量和引风量一般是挡板执行机构；3、燃烧调节系统方案燃烧调节系统方案：根据燃料的不同，燃烧调节系统有不同要求，采取不同的调节方式。常用燃烧调节系统有以下几种：“燃料-空气”燃烧调节系统。利用热量信号的燃烧调节系统。采用氧量信号的调节系统。26工业锅炉计算机控制系统的设计工业锅炉计算机控制系统的设计直接数字控制系统直接数字控制系统(DDC)的设计的设计锅炉燃烧调节系统蒸汽流量+O2氧量D1+DDC数字控制器限幅D/A滑差电机工业锅炉生产过程变送器A/D开方蒸汽流量D1压力补偿O2 最佳氧量负荷线 1 通气阀开度 O2探头变送器 A/D+氧量信号锅炉燃烧调节系统27工业锅炉计算机控制系统的设计工业锅炉计算机控制系统的设计工业自动化仪器仪表的选取工业自动化仪器仪表的选取温度测量仪表：一般选用热电偶、热电阻来测量温度；压力变送器：锅炉运行中，需要测量的压力有汽包压力、给水压力、送风压力、炉膛压力、蒸汽母管压力等。一般采用压力变送器将各种压力信号转换成标准的电流信号（010mA或420mA）；差压变送器：锅炉系统中需用差压变送器测量的热工参数有汽包水位、蒸汽流量、给水流量等，应用差压变送器将上述信号转换成标准的电信号（010mA或420mA）；氧量变送器：测量烟道含氧量时，采用氧化锆变送器；
