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计算机控制技术8-计算机控制系统设计与实现课件

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  • 上传时间:2019-04-20
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    • 1、出版社,第1章 计算机控制系统概述,第2章 工业控制计算机,第3章 I/O接口与过程通道,第4章 顺序控制与数字控制技术,第5章 数字控制器设计,第6章 控制系统的数据处理技术,计算机控制技术课件,走信息路 读北邮书,本书的封面,第7章 复杂控制技术,第8章 计算机控制系统设计与实现,第9章 智能控制技术基础,第10章 控制网络技术,课程名称课件,出版社,第6章 控制系统的数据处理技术,课程名称课件,走信息路 读北邮书,8.1 系统设计的原则与步骤,8.2 系统的工程设计与实现,8.3 电热油炉温度单片机控制系统设计,8.4 工控机应用实例 仿真转台控制系统设计,第1章 计算机控制系统概述,第2章 工业控制计算机,第3章 I/O接口与过程通道,第4章 顺序控制与数字控制技术,第5章 数字控制器设计,第7章 复杂控制技术,第8章 计算机控制系统设计与实现,第9章 智能控制技术基础,第10章 控制网络技术,系统设计的原则与步骤,8.1,8.1.2 系统设计的步骤,8.1.1 系统设计的原则,系统的工程设计与实现,8.2,8.2.2 硬件的工程设计与实现,8.2.1 系统总体方案设计,8.2

      2、.3 软件的工程设计与实现,8.2.4 系统的调试与运行,电热油炉温度单片机控制系统设计,8.3,8.3.2 硬件系统设计,8.3.1 控制任务与工艺要求,8.3.3 数学模型与控制算法,8.3.4 软件设计,仿真转台控制系统设计,8.4,8.4.2 硬件设计,8.4.1 系统概述,8.4.3 软件设计,系统设计的原则,安全可靠 操作维护方便 实时性强 通用性好 经济效益高,8.1.1,系统设计的步骤,甲方提出任务委托书 乙方研究任务委托书 双方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论证 签订合同书,8.1.2,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,图8.1离线仿真和调试阶段流程如图,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。验收是系统项目最终完成的标志,应由甲方主持乙方参

      3、加,双方协同办理。验收完毕应形成验收文件存档 。,系统总体方案设计,依据合同书(或协议书)的技术要求确定系统的性质。 是数据采集处理系统,还是对象控制系统,如果是对象控制系统,还应根据系统性能指标要求,决定采用开环控制,还是采用闭环控制。根据控制要求、任务的复杂度、控制对象的地域分布等,确定整个系统是采用直接数字控制(DDC)、还是采用计算机监督控制(SCC),或者采用分布式控制,并划分各层次应该实现的功能,同时,综合考虑系统的实时性、整个系统的性能价格比等。,8.2.1,控制方案确定后,就可进一步确定系统的构成方式,即进行控制装置机型的选择。目前用于工业控制的计算机装置有多种可供选择,如单片机、可编程控制器、IPC、DCS、FCS等。 在以模拟量为主的中小规模的过程控制环境下,一般应优先选择IPC 或PLC来构成系统的方式;在以数字量为主的中小规模的运动控制环境下,一般应优先选择PLC来构成系统的方式。IPC或PLC具有系列化、模块化、标准化和开放式系统结构,有利于系统设计者在系统设计时根据要求任意选择,象搭积木般地组建系统。这种方式能够提高系统研制和开发速度,提高系统的技术水平和性

      4、能,增加可靠性。 当系统规模较小、控制回路较少时,可以采用单片机系列;当系统规模较大,自动化水平要求高,集控制与管理于一体的系统可选用DCS、FCS等。,主要包含传感器、变送器和执行机构的选择。这些装置的选择是保正控制精度的重要因素之一。根据被控对象的特点,确定执行机构采用什么方案,比如是采用电机驱动、液压驱动还是其他方式驱动,应对多种方案进行比较,综合考虑工作环境、性能、价格等因素择优而用。,在硬件系统确定后,计算机控制系统的控制效果的优劣,主要取决于采用的控制策略和控制算法是否合适。很多控制算法的选择与系统的数学模型有关,因此建立系统的数学模型是非常必要的。 所谓数学模型就是系统动态持性的数学表达式,它反映了系统输入、内部状态和输出之间的逻辑与数量关系,为系统的分析、综合或设计提供了依据。 每个特定的控制对象均有其特定的控制要求和规律,必须选择与之相适应的控制策略和控制算法,否则就会导致系统的品质不好,甚至会出现系统不稳定、控制失败的现象。,在计算机控制系统中,一些功能既能由硬件实现,也能由软件实现。 系统设计时,硬件和软件功能的划分要综合考虑,以决定哪些功能由硬件实现,哪些功能由

      5、软件来完成。 一般采用硬件实现时速度比较快,可以节省CPU的大量时间,但系统比较复杂、灵活性差,价格也比较高; 采用软件实现比较灵活、价格便宜,但耍占用CPU更多的时间。 一般在CPU时间允许的情况下尽量采用软件实现,如果系统控制回路较多、CPU任务较重,或某些软件设计比较困难时,则可考虑用硬件完成。,总体方案中还应考虑人机联系方式的问题,系统的机柜或机箱的结构设计、抗干扰等方面的问题。,总体设计后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: 系统的主要功能、技术指标、原理性方框图及文字说明; 控制策略和控制算法,例如PID控制等; 系统的硬件结构及配置,主要的软件功能、结构及框图; 方案比较和选择; 保证性能指标要求的技术措施; 抗干扰和可靠性设计; 机柜或机箱的结构设计; 经费和进度计划的安排。,硬件的工程设计与实现,选择系统的总线 内总线选择 常用的工业控制机内总线有两种:PC总线和STD总线。一般 常选用PC总线工业控制机。 外总线选择 根据计算机控制系统的基本类型,如果采用SCC、DCS等, 必然有通信的问题。 外总线就是计算机

      6、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,它包括并行通信总线(IEEE-488) 和串行通信总线(RS232C)。 可用来进行远距离通信、多站点互联的通信总线RS485。,8.2.2,选择主机机型 在总线式工业控制机中,有许多机型,因采用的CPU不 同而不同。 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, 内存、硬盘、主频、显示卡、CRT显示器也有多种规 格。 设计人员可根据要求合理地进行选型,数字量(开关量)输入输出(DIDO)模板 PC总线的并行IO接口模板多种多样,通常可分为 TTL电平的DIDO和带光电隔离的DIDO。 和工业控制机共地装置的接口可以采用TTL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DIDO系统,往往选用大容量的TTL电平 的DIDO板,而将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上,如继电器板(包括固体继电器 板)等。,模拟量输入输出(AIAO)模板 AIAO模板包括AD、DA板及信号调理电路等。 AI模板输入可能是05V、1

      7、10V、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。,选择变送器 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(0 10mA、420mA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送至工业控制机进行处理、实 现数据采集。 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、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。,选择执行机构 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, 使生产过程按预先规定的要求正常运行。 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、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

      8、动和电动两种。,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。 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。,软件的工程设计与实现,汇编语言 汇编语言是面向具体微处理器的,使用它能够具体描述控 制运算和处理的过程、紧凑地使用内存,对内存和地址空间的 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,所以主要用于过程信号的检测、控制计算和控 制输出的处理。,8.2.3,高级语言 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,往往难 于满足实时性的要求。 组态软件 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,数据类

      9、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。 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,但编程复杂,运算速度低。 如果某参数是有序数据的集合,如采样信号序列, 则不只有数据类型问题,还有一个数据存放格式问题,即数 据结构问题。,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。 系统资源包括ROM、RAM、定时器计数器、中断 源、IO地址等。 ROM资源用来存放程序和表格,IO地址、定时器/计 数器、中断源在任务分析时已经分配好了。 资源分配的主要工作是RAM资源的分配,RAM资源规 划好后,应列出一张RAM资源的详细分配清单,作为编程依 据,数据采集及数据处理程序 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。 (2)控制算法程序 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PID控制算法、Smith补偿控制算法、串级控制 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算法。,(3)控制量输出程序 控制量输出程序实现对控制量的处理(上下限和变化率处 理)、控制量的变换及输出,驱动执行机构或各种电气开关。 控制量包括模拟量和开关量输出两种。模拟控制量由D/A 转换模板输出,般为标准的010mA(DC)或420mA(DC) 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。,(4)实时时钟和中断处理程序 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 实时任务有两类:第类是周期性的,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。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

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