计算机控制系统设计与实现

计算机控制系统设计与实现本章主要介绍计算机控制系统设计的原则与步骤、计算机控制系统的工程设计与实现、计算机控制系统的设计举例。第2页,共68页，2024年2月25日，星期天9.1系统设计的原则与步骤9.1.1系统设计的原则

9.1.2系统设计的步骤第3页,共68页，2024年2月25日，星期天9.1.1系统设计的原则1.满足工艺要求2.安全可靠3．使用维护方便4．实时性5．通用性和扩展性好6．经济合理7．保密性好第4页,共68页，2024年2月25日，星期天9.1.2系统设计的步骤1.工程顶目与控制任务的确定阶段

2.工程项目的设计阶段

3.离线仿真和调试阶段

4.在线调试和运行阶段第5页,共68页，2024年2月25日，星期天1.工程顶目与控制任务的确定阶段甲方提出任务委托书乙方研究任务委托书双方共同对委托书进行确认性修改乙方初步进行系统总体方案设计乙方进行方案可行性研究签订合同书第6页,共68页，2024年2月25日，星期天2.工程顶目的设计阶段组建项目研制小组系统总体方案的设计方案论证与评审硬件和软件的细化设计硬件和软件的调试系统的组装第7页,共68页，2024年2月25日，星期天3.离线仿真和调试阶段

所谓离线仿真和调试是指在实验室而不是在工业现场进行的仿真。离线仿真和调试试验后，好要进行考机运行，目的是要在连续不停机的运行中暴露问题和解决问题。第8页,共68页，2024年2月25日，星期天4.在线调试和运行阶段

所谓在线调试和运行是指将系统和生产过程连接在一起，进行现场调试和运行。系统运行正常后，再试运行一段时间，即可组织验收。第9页,共68页，2024年2月25日，星期天9.2系统的工程设计与实现9.2.1系统总体方案设计9.2.2硬件的工程设计与实现9.2.3软件的工程设计与实现9.2.4系统的调试与运行第10页,共68页，2024年2月25日，星期天9.2.1系统总体方案设计1.硬件总体方案设计

2.软件总体方案设计

3.系统总体方案第11页,共68页，2024年2月25日，星期天1.

硬件总体方案设计

（1）确定计算机控制系统的结构和类型确定操作指导控制系统、直接数字控制(DDC)系统、监督计算机控制(SCC)系统、分级控制系统、分散型控制系统(DCS)还是工业测控网络系统等。（2）确定系统的构成方式优先选择工业控制机来构成系统。第12页,共68页，2024年2月25日，星期天（3）分时控制方式选择

一台微机DDC系统有时要控制多个回路。在每个回路均要完成采样、决策与输出控制三项工作，而这些工作是分时完成的。因此，微机控制系统常采用分时控制的方法，即将某一回路的采样和A/D转换、运算、输出三部分时间与其前后回路错开。第13页,共68页，2024年2月25日，星期天（4）系统现有资源的分配和接口扩展

在设计系统时，首先考虑计算机自身固有的硬件资源。包括：内存单元、定时/计算单元、输入输出接口、通信单元等。如果现有硬件资源不够用，就需要扩展接口。第14页,共68页，2024年2月25日，星期天（5）人机接口设计

要设计一组操作人员专用的控制台，便于操作人员操作。控制台一般包括：数据输入键，用于输入或更新给定值、参数等；功能键或转换开关，用于操作系统；显示装置，用于实时观察系统运行状态；急停按钮，用于处理意外事故。第15页,共68页，2024年2月25日，星期天

（6）现场设备选择正确选择传感器、变送器和执行机构。（7）其他方面的考虑如机柜或机箱等结构设计。第16页,共68页，2024年2月25日，星期天2.

软件总体方案设计

先画出总体设计框图，然后将大的框图分解为小的框图，直到能表达清楚为止。软件总体方案还要考虑系统的数学模型、控制策略、控制算法等。第17页,共68页，2024年2月25日，星期天3.

系统总体方案设计

将硬件总体方案和软件总体方案合在一起构成系统的总体方案。

此外，还应考虑硬件与软件的协调平衡问题。第18页,共68页，2024年2月25日，星期天硬件与软件的协调平衡

在进行系统设计时，应充分考虑硬件和软件的特点，合理地进行功能分配。随着计算机运行速度的不断提高，尽可能用软件来实现系统的各种功能。对于实际的控制系统，要综合考虑系统速度、可靠性、抗干扰性能、灵活性、成本等因素，合理分配硬件和软件的功能。第19页,共68页，2024年2月25日，星期天系统的主要功能、技术指标、原理性方框图及文字说明；控制算法和控制策略；系统的硬件结构及配置，软件的功能框图；保证性能指标要求的技术措施；抗干扰和可靠性设计；机柜的结构设计；经费和进度计划的安排。

总体方案要形成文件，内容包括：第20页,共68页，2024年2月25日，星期天9.2.2硬件的工程设计与实现1．选择系统的总线和主机机型2．选择输入输出通道模板3．选择变送器和执行机构第21页,共68页，2024年2月25日，星期天1．选择系统的总线和主机机型（1）选择系统总线内部总线的选择（PCI或ISA）外部总线的选择（USB、RS-232、RS-422、RS-485）采用总线的优点：简化硬件设计；系统可扩充性好；系统更新性能好；第22页,共68页，2024年2月25日，星期天1）微型计算机组成方案选择采用工业PC机采用通用可编程序控制器(PLC)

采用智能调节器采用单片机做控制核心器件采用集散控制系统DCS（2）选择主机机型第23页,共68页，2024年2月25日，星期天2）微型计算机性能指标选择完善的终端系统足够的存储容量足够的数据处理能力字长、执行速度、指令系统等。第24页,共68页，2024年2月25日，星期天

用工控机组建控制系统用工控机组建控制系统时，接口电路选择内容包括：根据AI、AO点数、分辨率等选则A/D、D/A板；根据DI、DO点数和功率大小等选择开关量输入/输出板；根据程序和数据量的大小等选择存贮器板；根据人机联系方式选择相应的接口扳。根据需要选择各种外设接口板、通信板等。第25页,共68页，2024年2月25日，星期天

用单片微型计算机系统结构合理选择单片机种类，进行必要的硬件功能扩展。由单片机组成的控制系统，设计接口电路是采用一些常用的接口芯片，如：8155、8255、8253和一些译码驱动芯片74LS138、74LS244、74LS245等组成接口电路。第26页,共68页，2024年2月25日，星期天2．选择输入输出通道模板（1）数字量输入输出模板TTL电平的DI/DO：用于和工控机共地装置的接口或大容量的接口。带光电隔离的DI/DO：非总线模板或与工控机不共地装置的接口。（2）模拟量输入输出模板包括A/D、D/A、信号调理电路等。第27页,共68页，2024年2月25日，星期天（1）变送器温度变送器压力变送器液位变送器差压变送器流量变送器（2）执行机构气动电动液压3．现场设备选择第28页,共68页，2024年2月25日，星期天9.2.3软件的工程设计与实现1．数据类型和数据结构规划2．资源分配3．实时控制软件设计第29页,共68页，2024年2月25日，星期天1．数据类型和数据结构规划数据类型：逻辑型、日期型和数值型（定点数和浮点数）数据结构：数组、结构体、公用体、链表2．资源分配包括ROM、RAM、定时器/计数器、中断源、I/O地址等，主要是RAM资源的分配。第30页,共68页，2024年2月25日，星期天3．实时控制软件设计（1）数据采集和数据处理程序确定输入点数、数字滤波、线性化处理、非线性补偿、标度变换、越显报警等。（2）控制算法程序

算法必须满足控制速度、控制精度和系统的稳定性要求；对设计算法作适当的修改或补充；考虑影响系统性能的主要因素。第31页,共68页，2024年2月25日，星期天（3）控制量输出程序（4）实时时钟和中断处理程序（5）数据管理程序（6）数据通信程序第32页,共68页，2024年2月25日，星期天9.2.4系统的调试与运行1.离线仿真和调试2.在线调试和运行第33页,共68页，2024年2月25日，星期天1.离线仿真和调试(1)硬件调试对于各种功能模板，按说明书检查主要功能。准备好配套的信号源和测量仪表

A/D、D/A模板要分档检查检查现场仪表和执行机构检查通信线路第34页,共68页，2024年2月25日，星期天(2)软件调试调试顺序：子程序、功能模块和主程序。调试方法：简单程序利用开发装置；对处理速度和实时性要求高的部分利用汇编语言编程调试；对处理速度和实时性要求不高的部分利用高级语言编程调试。控制系统模块调试：先开环检查后闭环检查。运算模块的检查：用调试程序进行检查。整机调试：先局部后全局，要进行考机和做抗扰实验。第35页,共68页，2024年2月25日，星期天(3)系统仿真全物理仿真：在模拟环境下的全实物仿真，对与纯数据采集系统采用该方法。半物理仿真：适用于对控制系统进行仿真。数字仿真（计算机仿真）：借助于计算机仿真软件进行仿真。第36页,共68页，2024年2月25日，星期天2.在线调试和运行1）校验检测元件、变送器、显示仪表、调节阀，保证精度；2）检查接线和导管，保证连接正确；3）对在流量中采用隔离液的系统，要在清洗好引压导管以后，灌入隔离液(封液)；4）检查调节阀能否正确工作。5）检查系统的干扰情况和接地情况6）检查安全防护措施第37页,共68页，2024年2月25日，星期天

在现场调试的过程中，往往会出现错综复杂、时隐时现的奇怪现象，一时难以找到问题的根源。此时设计者们要认真地共同分析，每个人不要轻易怀疑别人所做的分析，以免掩盖问题的根源所在。第38页,共68页，2024年2月25日，星期天9.3设计举例

——啤酒发酵过程计算机控制系统9.3.1啤酒发酵工艺及控制要求9.3.2系统总体方案的设计9.3.3系统硬件和软件的设计9.3.4系统的安装调试运行及控制效果

第39页,共68页，2024年2月25日，星期天9.3.1啤酒发酵工艺及控制要求1.啤酒发酵工艺简介啤酒发酵是一个复杂的生物化学过程，通常在锥型发酵罐中进行。在二十多天的发酵期间，根据酵母的活动能力，生长繁殖快慢，确定发酵给定温度曲线，如右图所示。要使酵母的繁殖和衰减、麦汁中糖度的消耗和双乙酰等杂质含量达到最佳状态，必须严格控制发酵各阶段的温度，使其在给定温度的±0.5℃范围内。第40页,共68页，2024年2月25日，星期天第41页,共68页，2024年2月25日，星期天2.系统的控制要求(1)系统共有10个发酵罐，每个罐测量5个参数，即发酵罐的上中下三段温度、罐内上部气体的压力和罐内发酵液(麦汁)的高度，共有三十个温度测量点、10个压力测量点、10个液位测量点。因此共需检测50个参数。第42页,共68页，2024年2月25日，星期天(2)自动控制各个发酵罐中的上中下三段温度使其按图9-7所示的工艺曲线运行，温度控制误差不大于±0.5℃。共有30个控制点。(3)系统具有自动控制、现场手动控制、控制室遥控三种工作方式。(4)系统具有掉电保护、报警、参数设置和工艺曲线修改设置功能。(5)系统具有表格、图型、曲线等显示和打印功能。第43页,共68页，2024年2月25日，星期天9.3.2系统总体方案的设计1.发酵罐测控点的分布及管线结构第44页,共68页，2024年2月25日，星期天2.检测装置和执行机构3.控制规律4.控制系统主机及过程通道模板5.控制系统的软件第45页,共68页，2024年2月25日，星期天9.3.3系统硬件和软件的设计1.系统硬件的设计控制系统的组成框图。(1)模拟量输入通道设计(2)模拟量输出通道设计第46页,共68页，2024年2月25日，星期天第47页,共68页，2024年2月25日，星期天2.系统软件的设计(1)数据采集程序(2)数字滤波程序(3)标度变换程序①温度的标度变换②压力的标度变换③液位的标度变换(4)给定工艺曲线的实时插补计算(5)控制算法①PID算式加特殊处理②施密斯（Smith)预估控制算式(6)其它应用程序第48页,共68页，2024年2月25日，星期天9.3.4系统的安装调试运行及控制效果

现场进行安装时，首先在现场安装温度、压力变送器、液位变送器、调节阀等，然后从现场敷设屏蔽信号电缆到控制室，最后将这些线缆接到工业控制计算机外面的接线端子板上。调试工作主要是对变送器进行满度和零点校准，A/D板和D/A板满度和零点校准；另外就是利用试凑法确定PID控制器的控制参数。系统经过安装调试后，投入运行，并满足系统的控制要求。第49页,共68页，2024年2月25日，星期天9.4设计举例

—机器人计算机控制系统9.4.1PUMA560机器人的结构原理9.4.2机器人运动学方程9.4.3机器人动力学方程9.5.4机器人手臂的独立关节位置伺服控制第50页,共68页，2024年2月25日，星期天9.4.1PUMA560机器人的结构原理第51页,共68页，2024年2月25日，星期天9.4.2机器人运动学方程1.机器人正运动学2.机器人逆运动学第52页,共68页，2024年2月25日，星期天9.4.3机器人动力学方程

机器人动力学可通过Euler-Lagrange方程来描述。和分别为系统的6个关节的角位移和角速度向量，为作用于6个关节的外力矩向量。第53页,共68页，2024年2月25日，星期天9.4.4机器人手臂的独立关节位置伺服控制1.位置控制的基本结构机器人的位置控制是机器人最基本的控制任务。机器人的位置控制结构主要有两种形式，即关节空间控制结构和直角坐标空间控制结构，分别如图a)和图b)所示。第54页,共68页，2024年2月25日，星期天第55页,共68页，2024年2月25日，星期天第56页,共68页，2024年2月25日，星期天2.PUMA560机器人的关节位置伺服控制第57页,共68页，2024年2月25日，星期天

本系统控制对象为燃油加热炉，加热炉以重油为燃料，热风为助燃空气。主控制回路为炉膛温度闭环控制回路，被控量是炉膛温度，当由于某种原因（如添加新工件）使炉膛温度发生变化时，通过热电偶检测出实际炉温后，与设定温度进行比较，对得出的偏差进行PID运算，得到需要的调节量，以此控制燃料和风量的进给，稳态后达到温度平衡。

补充：燃油加热炉温度控制系统

（一）明确控制任务第58页,共68页，2024年2月25日，星期天1）为克服较大扰动或大幅度调节油、风给定值时的系统超调及波动，应采取积分分离算法，并限制油、风流量的时间变化率，以延长炉龄，并使工件受热均匀；

2）为消除系统残差，应消除积分不灵敏区；

3）为保证执行机构在线性范围内工作，应对控制量进行上、下限限幅；

4）为使系统保持稳定，应限制调节阀的动作频率(允许炉温偏差±8℃)。

按照锅炉运行的工艺特点，设计时应考虑到：第59页,共68页，2024年2月25日，星期天（二）总体方案设计

l．控制系统组成重油温度检测重油压力检测热风压力检测热风温度检测重油流量检测热风流量检测热风流量调节重油流量调节炉温检测炉压检测烟含氧量检测第60页,共68页，2024年2月25日，星期天燃烧控制原理温度偏差调节量空燃比第61页,共68页，2024年2月25日，星期天2．微机选择本控制系统采用了研华工业PC机—IPC610，外围设备有彩色显示器、打印机、键盘、交流稳压电源和不间断电源等。由于PC总线工控机有丰富的接口板和功能强大的组态软件，可以大大缩短设计周期，且控制系统有较高的性能价格比。

第62页,共68页，2024年2月25日，星期天3.现场设备选择检测元件：炉温热电偶、油温、风温热电阻、油量涡街流量计、风量差压变送器、油和风管及炉压的压力变送器、烟含氧量检测氧化锆传感器等。执行元件：进油量电动调节阀、风量电动调节阀。第63页,共68页，2024年2月25日，