1、第四章第四章 计算机控制系统设计和应用计算机控制系统设计和应用 计算机控制系统的设计，既是一个理论问题，又是一个工计算机控制系统的设计，既是一个理论问题，又是一个工程问题。程问题。计算机控制系统的计算机控制系统的理论设计理论设计包括：建立被控对象的数学模包括：建立被控对象的数学模型；确定满足一定技术经济指标的系统目标函数，寻求满足该型；确定满足一定技术经济指标的系统目标函数，寻求满足该目标函数的控制规律；选择适宜的计算方法和程序设计语言；目标函数的控制规律；选择适宜的计算方法和程序设计语言；进行系统功能的软、硬件界面划分，并对硬件提出具体要求。进行系统功能的软、硬件界面划分，并对硬件提出具体要
2、求。计算机控制系统的计算机控制系统的工程设计工程设计，不仅要求掌握生产过程的工，不仅要求掌握生产过程的工艺要求，以及被控对象的动态和静态特性，而且要通晓自动检艺要求，以及被控对象的动态和静态特性，而且要通晓自动检测技术、计算机技术、通信技术、自动控制技术、微电子技术测技术、计算机技术、通信技术、自动控制技术、微电子技术等。等。4.1 4.1 系统的设计原则与步骤系统的设计原则与步骤4.1.1 4.1.1 系统设计的原则系统设计的原则(1)(1)安全可靠安全可靠(2)(2)操作维护方便操作维护方便 (3)(3)实时性强实时性强(4)(4)通用性好通用性好(5)(5)经济效益高经济效益高 对工业控
3、制的计算机系统最基本的要求是可靠性高。否对工业控制的计算机系统最基本的要求是可靠性高。否则，一旦系统出现故障，将造成整个控制过程的混乱，会引则，一旦系统出现故障，将造成整个控制过程的混乱，会引起严重的后果，由此造成的损失往往大大超出计算机控制系起严重的后果，由此造成的损失往往大大超出计算机控制系统本身的价值。在工业生产过程中，特别是在一些连续生产统本身的价值。在工业生产过程中，特别是在一些连续生产过程的企业中，是不允许故障率高的设备存在的。过程的企业中，是不允许故障率高的设备存在的。系统的可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内系统的可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能
4、力。在计算机控制系统中，完成规定功能的能力。在计算机控制系统中，可靠性指标一可靠性指标一般用系统的平均无故障时间般用系统的平均无故障时间MTBF和平均维修时间和平均维修时间MTTR来来表示。表示。MTBF反映了系统可靠工作的能力，反映了系统可靠工作的能力，MTTR表示系统表示系统出现故障后立即恢复工作的能力，一般希望出现故障后立即恢复工作的能力，一般希望MTBF要大于某要大于某个规定值，而个规定值，而MTTR值越短越好。值越短越好。因此，在系统设计时，因此，在系统设计时，首先要选用高性能的工业控首先要选用高性能的工业控制计算机，制计算机，保证在恶劣的工业环境下仍能正常运行。其保证在恶劣的工业环
5、境下仍能正常运行。其次是设计可靠的控制方案，并具备有各种安全保护措施，次是设计可靠的控制方案，并具备有各种安全保护措施，比如报警、事故预测、事故处理、不间断电源等。比如报警、事故预测、事故处理、不间断电源等。为了预防计算机故障，还须设计后备装置。为了预防计算机故障，还须设计后备装置。对于一对于一般的控制回路，选用手动操作器作为后备；对于重要的般的控制回路，选用手动操作器作为后备；对于重要的回路，选用常规控制仪表作为后备。这样，一旦计算机回路，选用常规控制仪表作为后备。这样，一旦计算机出现故障，就把后备装置切换到控制回路中去，以维持出现故障，就把后备装置切换到控制回路中去，以维持生产过程的正常运
6、行。对于特殊的控制对象，可设计两生产过程的正常运行。对于特殊的控制对象，可设计两台计算机互为备用地执行控制任务，成为双机系统。对台计算机互为备用地执行控制任务，成为双机系统。对于规模较大的系统，应注意功能分散，即可采用分散控于规模较大的系统，应注意功能分散，即可采用分散控制系统或现场总线控制系统。制系统或现场总线控制系统。包括两个含义，即使用方便和维护容易。包括两个含义，即使用方便和维护容易。首先是使用方便。系统设计时要尽量考虑用户的方便首先是使用方便。系统设计时要尽量考虑用户的方便 使用，尤其是操作面板的设计，既要体现操作的先进性，又使用，尤其是操作面板的设计，既要体现操作的先进性，又要兼顾
7、原有的操作习惯，控制开关不能太多、太复杂，尽量要兼顾原有的操作习惯，控制开关不能太多、太复杂，尽量降低对使用人员专业知识的要求，使他们能在较短时间内熟降低对使用人员专业知识的要求，使他们能在较短时间内熟悉和掌握操作。悉和掌握操作。其次是维修容易，即一旦发生故障，易于查找和排除。其次是维修容易，即一旦发生故障，易于查找和排除。在硬件方面，从零部件的排列位置，标准化的模板结构，以在硬件方面，从零部件的排列位置，标准化的模板结构，以及能否便于带电插拔等等都要通盘考虑；从软件角度而言，及能否便于带电插拔等等都要通盘考虑；从软件角度而言，要配置查错程序和诊断程序，以便在故障发生时能用程序帮要配置查错程序
8、和诊断程序，以便在故障发生时能用程序帮助查找故障发生的部位，从而缩短排除故障的时间助查找故障发生的部位，从而缩短排除故障的时间。计算机控制系统的实时性，表现在对内部和外部事件能计算机控制系统的实时性，表现在对内部和外部事件能及时地响应，并作出相应的处理，不丢失信息，不延误操及时地响应，并作出相应的处理，不丢失信息，不延误操作。计算机处理的事件一般分为两类。一类是定时事件，作。计算机处理的事件一般分为两类。一类是定时事件，如数据的定时采集，运算控制等，对此系统应设置时钟，如数据的定时采集，运算控制等，对此系统应设置时钟，保证定时处理；另一类是随机事件，如事故报警等，对此保证定时处理；另一类是随机
9、事件，如事故报警等，对此系统应设置中断，并根据故障的轻重缓急预先分配中断级系统应设置中断，并根据故障的轻重缓急预先分配中断级别，一旦事故发生，保证优先处理紧急故障。别，一旦事故发生，保证优先处理紧急故障。工业控制的对象千差万别，而计算机控制系统的研制开工业控制的对象千差万别，而计算机控制系统的研制开发又需要有一定的投资和周期。一般来说，不可能为一台装发又需要有一定的投资和周期。一般来说，不可能为一台装置或一个生产过程研制一台专用计算机，常常是设计或选用置或一个生产过程研制一台专用计算机，常常是设计或选用通用性好的计算机控制装置灵活地构成系统。当设备和控制通用性好的计算机控制装置灵活地构成系统。
10、当设备和控制对象有所变更时或者再设计另外一个控制系统时，通用性好对象有所变更时或者再设计另外一个控制系统时，通用性好的系统一般稍作更改或扩充就可适应。的系统一般稍作更改或扩充就可适应。计算机控制系统的通用灵活性体现在两方面：一是硬件计算机控制系统的通用灵活性体现在两方面：一是硬件设计方面，首先应采用标准总线结构，配置各种通用的功能设计方面，首先应采用标准总线结构，配置各种通用的功能模板或功能模块，以便在需要扩充时，只要增加相应板、块模板或功能模块，以便在需要扩充时，只要增加相应板、块就能实现，即便当就能实现，即便当CPU升级时，也只要更换相应的升级芯片升级时，也只要更换相应的升级芯片及少量相关
11、电路即可实现系统升级的目的。其次，在系统设及少量相关电路即可实现系统升级的目的。其次，在系统设计时，各设计指标要留有一定的余量，如输入输出通道指标、计时，各设计指标要留有一定的余量，如输入输出通道指标、内存容量、电源功率等。二是软件方面，应采用标准模块结内存容量、电源功率等。二是软件方面，应采用标准模块结构，尽量不进行二次开发，主要是按要求选择各种软件功能构，尽量不进行二次开发，主要是按要求选择各种软件功能模块，灵活地进行控制系统的组态。模块，灵活地进行控制系统的组态。计算机控制应该带来高的经济效益，要有市场竞争意计算机控制应该带来高的经济效益，要有市场竞争意识。经济效益表现在两方面：一是系统
12、设计的性能价格比要识。经济效益表现在两方面：一是系统设计的性能价格比要尽可能的高，在满足设计要求的情况下，尽量采用物美廉价尽可能的高，在满足设计要求的情况下，尽量采用物美廉价的元器件；二是投入产出比要尽可能的低，应该从提高生产的元器件；二是投入产出比要尽可能的低，应该从提高生产的产品质量与产量、降低能耗、消除污染、改善劳动条件等的产品质量与产量、降低能耗、消除污染、改善劳动条件等方面进行综合评估。方面进行综合评估。计算机控制系统的工程项目的研制可分为四个阶段：计算机控制系统的工程项目的研制可分为四个阶段：1.1.工程项目与控制任务的确定阶段工程项目与控制任务的确定阶段 (1)(1)甲方提出任务
13、委托书甲方提出任务委托书(系统技术性能指标、经费、系统技术性能指标、经费、计划进度、合作方式等计划进度、合作方式等)(2)(2)乙方研究任务委托书乙方研究任务委托书 (3)(3)双方对委托书进行修改双方对委托书进行修改 (4)(4)乙方初步进行系统总体方案设计乙方初步进行系统总体方案设计 (5)(5)乙方进行方案可行性论证乙方进行方案可行性论证 (6)(6)签订合同书签订合同书 (双方任务划分和各自承担责任、合作双方任务划分和各自承担责任、合作方式、付款方式、进度和计划安排、验收方式及条件、成果方式、付款方式、进度和计划安排、验收方式及条件、成果归属及违约的解决办法等归属及违约的解决办法等)4
14、.1.2 4.1.2 系统设计的步骤系统设计的步骤 (1)(1)组建项目研制小组组建项目研制小组(2)(2)制定系统的总体方案制定系统的总体方案(3)(3)方案的论证与评审方案的论证与评审 (4)(4)硬件与软件的分别细化设计硬件与软件的分别细化设计 (5)(5)硬件和软件的分别调试硬件和软件的分别调试 (6)(6)系统的组装系统的组装2.2.工程项目的设计阶段工程项目的设计阶段3.3.离线仿真和调试阶段离线仿真和调试阶段 在实验室而不是在工业现场进行仿真和调试。离线在实验室而不是在工业现场进行仿真和调试。离线仿真和调试后还要进行考机运行，以便在连续不停机的仿真和调试后还要进行考机运行，以便在
15、连续不停机的运行中暴露问题和解决问题。运行中暴露问题和解决问题。4.4.在线调试和运行阶段在线调试和运行阶段 即将系统和生产过程联接在一起，进行现场调试和即将系统和生产过程联接在一起，进行现场调试和运行。系统正常运行后，可组织验收。验收是系统项目运行。系统正常运行后，可组织验收。验收是系统项目最终完成的标志。最终完成的标志。4.2 4.2 系统的工程设计与实现系统的工程设计与实现 4.2.1 4.2.1 系统总体方案设计系统总体方案设计 总体设计就是要了解控制对象、熟悉控制要求，确定总总体设计就是要了解控制对象、熟悉控制要求，确定总的技术性能指标，确定系统的构成方式及控制装置与现场设的技术性能
16、指标，确定系统的构成方式及控制装置与现场设备的选择，以及控制规律算法和其它特殊功能要求。备的选择，以及控制规律算法和其它特殊功能要求。（1 1）确定系统任务与控制方案）确定系统任务与控制方案（2 2）确定系统的构成方式设计）确定系统的构成方式设计（3 3）选择现场设备）选择现场设备（4 4）确定控制算法）确定控制算法（5 5）硬、软件功能的划分）硬、软件功能的划分（6 6）其它方面的考虑）其它方面的考虑1.1.硬件总体方案设计硬件总体方案设计 (1)(1)确定系统的结构和类型（开环、闭环、确定系统的结构和类型（开环、闭环、DDCDDC、SCCSCC、DCSDCS、FCSFCS等）等）(2)(2
17、)确定系统的构成方式确定系统的构成方式 (工控机、工控机、PLCPLC、智能调节器，采、智能调节器，采用积木式模块化结构用积木式模块化结构)(3)(3)现场设备选择现场设备选择(传感器、变送器、执行机构传感器、变送器、执行机构)(4)(4)其它方面的考虑（人机联系、机柜机箱、抗干扰等）其它方面的考虑（人机联系、机柜机箱、抗干扰等）2.2.软件总体方案设计软件总体方案设计 3.3.系统总体方案系统总体方案 (1)(1)系统主要功能、技术指标、原理图及文字说明系统主要功能、技术指标、原理图及文字说明 (2)(2)控制策略和控制算法控制策略和控制算法 (3)(3)系统硬件结构及配置系统硬件结构及配置
18、 (4)(4)方案比较和选择方案比较和选择 (5)(5)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 (6)(6)抗干扰和可靠性设计抗干扰和可靠性设计 (7)(7)机柜或机箱的结构设计机柜或机箱的结构设计 (8)(8)经费和进度计划的安排经费和进度计划的安排4.2.2 4.2.2 硬件的工程设计与实现硬件的工程设计与实现 1.1.选择系统的总线和主机类型选择系统的总线和主机类型 (1)(1)选择系统的总线选择系统的总线 包括内部总线和外部总线选择包括内部总线和外部总线选择 (2)(2)选择主机机型选择主机机型 2.2.选择输入输出通道模板选择输入输出通道模板 (1)(1)数字量（开关量
19、）输入输出数字量（开关量）输入输出(DI/DO)(DI/DO)模板模板 (2)(2)模拟量输入输出模拟量输入输出(AI/AO)(AI/AO)模板模板 3.3.选择变送器和执行机构选择变送器和执行机构 (1)(1)选择变送器选择变送器 (2)(2)选择执行机构（电动、气动、液动）选择执行机构（电动、气动、液动）4.2.3 4.2.3 软件的工程设计与实现软件的工程设计与实现 1.1.数据类型和数据结构规划数据类型和数据结构规划 2.2.资源分配资源分配 （RAM/ROM,I/ORAM/ROM,I/O地址地址,中断源中断源,定时器等）定时器等）3.3.实时控制软件设计实时控制软件设计 包括数据采集
20、及数据处理程序、控制算法程序、控制量包括数据采集及数据处理程序、控制算法程序、控制量输出程序和实时时钟、中断处理程序、数据管理程序和数据输出程序和实时时钟、中断处理程序、数据管理程序和数据通信程序。通信程序。4.2.4 4.2.4 系统的调试与运行系统的调试与运行 1.1.离线仿真和调试（硬件调试，软件调试，系统仿真）离线仿真和调试（硬件调试，软件调试，系统仿真）2.2.在线调试和运行在线调试和运行 在现场进行调试之前应对各种仪器、设备、抗干扰在现场进行调试之前应对各种仪器、设备、抗干扰和接地情况以及安全防护措施进行检查。经检查并安装和接地情况以及安全防护措施进行检查。经检查并安装正确之后，就
21、可以进行系统的投运和参数整定。正确之后，就可以进行系统的投运和参数整定。4.3 4.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例 例例4.1 4.1 啤酒发酵过程计算机控制系统啤酒发酵过程计算机控制系统1.1.啤酒发酵工艺及控制要求啤酒发酵工艺及控制要求 要求控制发酵罐按下图的温度工艺曲线运行要求控制发酵罐按下图的温度工艺曲线运行2.2.系统总体方案设计系统总体方案设计 (1)(1)发酵罐测控点分布及管线结构发酵罐测控点分布及管线结构 系统共有系统共有1010个发酵罐，每个罐测量个发酵罐，每个罐测量5 5各参数，有各参数，有3 3个控制点，个控制点，他们分别是上段温度他们分别是上段温度TT
22、aTTa、中段温度、中段温度TTbTTb、下段温度、下段温度TTcTTc、罐内上、罐内上部气体压力部气体压力PTPT、液位、液位LTLT、上段冷带调节阀、上段冷带调节阀TVaTVa、中段冷带调节阀、中段冷带调节阀TVbTVb、下段冷带调节阀、下段冷带调节阀TVcTVc。(2)(2)检测装置和执行机构检测装置和执行机构 温度检测采用温度检测采用WZP-231WZP-231铂热电阻和铂热电阻和RTTB-EKTRTTB-EKT温度变送器；温度变送器；压力检测采用压力检测采用CECY-150GCECY-150G电容式压力变送器；液位检测采用电容式压力变送器；液位检测采用CECU-341GCECU-34
23、1G电容式液位变送器电容式液位变送器 执行机构采用执行机构采用ZDLP-6BZDLP-6B电动调节阀电动调节阀 (3)(3)控制规律控制规律 在恒温阶段采用增量型在恒温阶段采用增量型PIPI控制算法，在升温、降温阶段采控制算法，在升温、降温阶段采用用PIDPID控制算法，在控制软件设计中提供了控制算法，在控制软件设计中提供了SmithSmith预估控制算法预估控制算法(4)(4)控制系统主机及过程通道模板控制系统主机及过程通道模板 控制主机选用康拓控制主机选用康拓IPC-8500IPC-8500工业控制机工业控制机 过程通道模板选用康拓过程通道模板选用康拓IPC-5488 12IPC-5488
24、 12位光电隔离板位光电隔离板 (5)(5)控制系统软件控制系统软件 包括采样、滤波、标度变换、控制输出、中断、计时、打包括采样、滤波、标度变换、控制输出、中断、计时、打印显示、报警、参数修改及报表、图形、曲线显示等功能印显示、报警、参数修改及报表、图形、曲线显示等功能3.3.系统硬体和软件设计系统硬体和软件设计 (1)(1)硬件设计硬件设计 (2)(2)软件设计软件设计 (a)(a)数据采集程序，共有数据采集程序，共有5050个参数，采用周期个参数，采用周期T=2S T=2S (b)(b)数字滤波程序数字滤波程序 (c)(c)标度变换程序（温度、液位、压力的标度变换）标度变换程序（温度、液位
25、、压力的标度变换）(d)(d)给定工艺曲线的实时插补计算（多段折线）给定工艺曲线的实时插补计算（多段折线）(e)(e)控制算法控制算法 （PI/PID+PI/PID+限幅，限幅，SmithSmith预估控制算法）预估控制算法）(f)(f)其它应用程序（计时、打印、显示、报警、调节、报表、其它应用程序（计时、打印、显示、报警、调节、报表、图形、曲线显示等）图形、曲线显示等）4.4.系统的安装调试运行及控制效果系统的安装调试运行及控制效果 系统投入运行之后，首先能满足系统的控制指标要求。系统投入运行之后，首先能满足系统的控制指标要求。优点：优点：系统操作简便，维护方便，性能可靠；系统操作简便，维护
26、方便，性能可靠；采用微机控制，有利于提高啤酒质量；采用微机控制，有利于提高啤酒质量；改善了劳动条件，消除了人为因素；改善了劳动条件，消除了人为因素；易于现代化管理和产品质量分析。易于现代化管理和产品质量分析。例例4.2 基于基于51单片机的单片机的直流电机闭环调速系统直流电机闭环调速系统一、一、直流电机调速原理直流电机调速原理 1 1、电机调速模型、电机调速模型2UI RUTRaa aaem anCCCC Ceeee m 2 2、调速方法分析调速方法分析(PWMPWM调压调压)电动机得到的平均电压为：电动机得到的平均电压为：stonUUUsdT二、系统总体设计二、系统总体设计1 1、系统原理框
27、图、系统原理框图 2 2、主要部分分析、主要部分分析1)1)控制算法控制算法2)2)速度检测速度检测3)3)光电隔离光电隔离4)PWM4)PWM驱动驱动系统组成结构示意图系统组成结构示意图3 3、系统硬件电路介绍、系统硬件电路介绍 1)单片机最小系统单片机最小系统 2)人机接口人机接口3）速度检测）速度检测4）光电隔离）光电隔离 5）电机驱动）电机驱动 4、软件设计、软件设计1)1)主程序主程序2 2）PWMPWM波程序波程序PWMPWM波（定时中断波（定时中断0 0）3)3)测速程序测速程序 定时中断1外部中断04）控制器）控制器 void pid()ek=set_n-sn;dif_u_h=
28、0.46*(ek-ek_1)+0.04*ek;u_h=u_h+dif_u_h;ek_1=ek;if(u_h499)u_h=499;例例4.3 温度控制系统温度控制系统8088 CPU单元驱动单元温控单元ADC 0809测温电路给定值给定值 温度温度 温度控制系统原理图系统程序框图系统程序框图(1)(1)主主程程序序初始化采样时间到？(TKMARK=1?)A/D转换结束？(A/DMARK=1?)A/DMARK=0读采样值，查表得对应温度值调用PID子程序，得控制量CK根据控制量CK产生PWM波给PC机发送给定和反馈值，调用显示子程序11NNYYTKMARK=0(2)PID子程序子程序 采用积分分
29、离采用积分分离PID算法：算法：0()()()()(1)ksDpljIsTTu kKe kKe je ke kTT10(1)(1)()(1)(2)ksDpljIsTTu kKe kKe je ke kTT()()(1)()()2(1)(2)sDplIsTTu kKe ke kKe ke ke ke kTT()(1)()u ku ku k001|()|0|()|le keKe ke比例项比例项积分项积分项微分项微分项(2)PID子程序子程序入口e(k)=r(k)-y(k)求e(k)-e(k-1)求e(k)-2e(k-1)+e(k-2)e(k-1)e(k)e(k-2)e(k-1)1|e(k)|e0
30、?Kl=1，求积分项Kl=0，积分项为0求微分项求u(k)=Kp(比例+微分+积分)求u(k)=u(k-1)+u(k)u(k-1)u(k)1返回求比例项YN(3)IRQ6(3)IRQ6中中断子程序断子程序:启动启动A/DA/D转转换，并 调换，并 调用用PWMPWM子程子程序。序。入口启动A/D转换Tc=Tc+1采样周期到？(Tc=Ts？)TKMARK=1Tc=0调用PWM子程序中断返回YN(4)IRQ7(4)IRQ7中中断子程序断子程序:读读A/DA/D转换转换结果。结果。入口读A/D转换结果置A/D转换结束标志ADMARK为1中断返回(5)PWM(5)PWM子程序子程序入口令FPWM=2,并求低电平时间变量VBB输出电平标志FPWM=1?VAAVAA-1向PB0置1，输出高电平YN高电平时间变量VAA=0?1NY令FPWM=1,并求高电平时间变量VAA输出电平标志FPWM=2?VBBVBB-1向PB0置0，输出低电平YN低电平时间变量VBB=0?NY返回1
