课件-第八章-计算机控制系统的设计与实现
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计算机控制系统设计举例PPT课件
硬
I/O接口
件
工
程
选择现场设备
设
计
• 变送器
与
• 执行机构
实 现
• 其它现场设备
程序结构规划
软
资源分配
件
工
实时控制软件设计
程
设
• 数据采集及数据处理、实时时钟与
计
中断处理
与 实
• 控制算法、控制量输出
现
• 生产管理、数据通信等
离线仿真和
控 制
调试
系
统
调 试
在线调试和
与 运
投运
行
第三节 过程计算机控制系统的实例
给水通过省煤器预热后给锅炉上水，空气经空 气预热后由炉排左右两侧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 过热器送至汽柜和用汽部门。
工业锅炉的控制要求（1）
• 蒸发量：10t/h
• 主蒸汽压力：13×105Pa
• 主蒸汽温度：350℃
总
• 给水温度：60~105 ℃
体 设
• 炉膛负压调节系统
• 用引风调节挡板作为调节机构，
总
以烟气量作为调节量。
体
• 烟气含氧量调节系统
设 计
• 用送风量与燃料量的比值作为
该系统的粗调，以氧量调节作
为校正调节。
工业锅炉的控制要求（4）
总 体 设 计
工业锅炉的控制要求（5）
总 体 设 计
计算机（包括相应外围设备）
检测仪表与执行机构
硬
、
调
试
系统的运行：先开环观察、然后进行参数调整
与
运
行
最后闭环输出控制
能直观而集中的显示画面和运行 参数；
精品课件-计算机控制技术-第8章 计算机控制系统设计与实现
第8章 计算机控制系统设计与实现
1) 采用双机系统 在双机系统中，用两台微机作为系统的核心 控制器。由于两台微机同时发生故障的概率很小，从而 大大提高了系统的可靠性。双机系统中两台微机的工作 方式，常见的有以下几种。
第8章 计算机控制系统设计与实现
(1)备份机工作方式。在这种方式中，一台微 机投入系统 运行，另一台虽然也同样处于运行状态，但 是它是脱离系统的，只是作为系统的一台备份机。当投 入系统运行的那一台微机出现故障时，通过专门的程序 和切换装置，自动地把备份机切入系统，以保持系统正 常运行。被替换下来的微机经修复后，就变成系统的备 份机，这样可使系统不因主机故障而影响系统正常工作。
第8章 计算机控制系统设计与实现
应用系统中的微处理机可以由前面提到的8088或其他 CPU构成，也可以由单板机、单片机、数字信号处理器 (DSP)等构成。
2) 常规外围设备 常规外围设备是微处理机应用系统中必不可 少的设备，按 其功能可以分成三类，输入设备、输出设 备和外存储器。
第8章 计算机控制系统设计与实现
第8章 计算机控制系统设计与实现
配备何种开发工具，以方便用户进行程序编制。事实 上， 如果配上高级语言，特别是配上像工业控制中常用 的数控语言，那么加工程序的编制就非常容易。这样也 有利于微机应用系统的推广和应用。对硬件方面的要求 也一样，例如，系统的控制开关不能太多、太复杂，操 作顺序要尽量简单等。当然，还有一些其他要求，如控 制台要便于操作人员工作，显示器的颜色要和谐等，凡 是涉及人机工程的一切问题都应逐一加以考虑。
第8章 计算机控制系统设计与实现
2. 应用系统的软件构成 不同的控制对象和不同的控制任务，在系统 软件构成上会有很大区别一般来说，只有系统硬件确定 以后，才能完全确定如何配置系统的软件。但是，这并 不意味着系统的软件构成是不可捉摸的。一般根据其功 能，软件系统大体可以分成以下几个部分。
控制系统的设计与实施课件
设计分析： • 采用开环控制系统，被控对象是国旗，被
控量是上升的速度，控制量是电动机的转 动与停止（或速度）。 • 这一开环控制系统由计时装置和控制升旗 的装置共同完成。 • 计时装置和控制升旗装置的实现可以有多 种方案。例如，采用机械定时器和电动机 实现；采用成品电子定时器和电动机实现， 采用自制电子定时器和带有可调速电路的 电动机实现；采用音频信号、触发电路和 电动机实现。 采用任何一种方案实现控制，都要经过若 干次调试，直到符合设计要求为止。
电吹风的控制工作过程：
电吹风是要将其内部电热丝的热量通过一个 小电风扇扩散出去。
方案构思：
选择开环控制系统实现电吹风的控制要求。 设定风的档位就设定了电机的电压和电热丝的 阻值，接通电源后，电机带动一个小风扇转动， 产生的风通过电吹风的电热丝，输出的就是与设 定的风种相对应的风。 确定了电吹风控制系统的设计方案后，画出必 要的电器线路图，选择适当型号的元件和配件， 进行组装、调试。
世界100大发明之一，生活必备，每天都要使用
闭环控制系统的设计
不同的闭环控制系统用于实现不同的控制目的，要求往往也 不一样。对于简单的闭环控制系统，有以下基本要求：
1、一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。 当干扰因素出现时，输出量发生偏离，系统通过动态调整 使被控量回到平衡状态，系统的这种调整过程有可能使系 统产生振荡，若振荡呈逐渐衰减趋势，能很快稳定下来， 还属于稳定系统，否则就是不稳定系统。 2、控制系统的控制精度必须符合要求，即系统的输出量 与给定值之差应控制在允许的范围之内。 3、闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。
升旗简易控制装置的设计
案例分析：自动升旗简易控制装置的设计
陈剑负责学校每周两次的升旗仪式。在学完《技术 与设计2》模块后，他决定利用所学知识设计一套 能实现自动升旗的简易控制装置的模型。 设计要求：
计算机控制系统的设计与实现PPT课件
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9.5 系统的软件设计
9.5.1 应用软件的基本要求
1、可靠性：应用程序中没有隐藏的错误（如溢出、偏差值 反号、程序错误分枝、内存单元被冲以及死循环等）。
2、实时性：应用软件应能保证在被控对象允许的时间间隔 内，完成对系统的控制运算和相应处理。
3、针对性：每个应用软件都是针对具体的系统要求、具体 的运行过程、具体的工作效果来设计的。
脉冲量I/O （所使用器件的工作频率要能满系统脉冲量的需要）
模件由隔离元件、分频或倍频电路、计数器、定时器等组成。
.
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9.4.5 现场设备的选择
1 变送器：将被测量转换为统一信号
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。
2 执行机构：将控制信号转换为调节机构动作
硬件总体方案设计内容：
1、确定系统的结构和类型； 2、确定系统的构成方式和控制设备； 3、接口和逻辑电路的选择； 4、现场设备选择； 5、操作台的设计； 6、其它方面的考虑
.
7
9.3.2 软件总体设计——“黑箱”设计法
先画较高一级的方框图，然后将大的方框分解成小的 方框，直到清楚表达出所有应用软件的功能和流程
•不同比例带、不同积分时间、不同阶跃幅度输入、不同控制周 期下，正、反两个作用方向的PI控制的阶跃响应；
•不同比例带、不同积分时间、不同微分时间、不同阶跃幅度输
入、不同控制周期下，正、反两个作用方向的PID控制的响应。
.
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（2）闭环特性调试 ——检查控制模块的反馈控制功能
计算机 R + Σθ
y-
3. 离线仿真和调试阶段 4. 在线调试和运行阶段
.
3
第8章计算机控制系统设计与实现
第8章 计算机控制系统设计与实现
通过前面的介绍，我们已经掌握了计算机控制系统各部分的工
作原理，硬件和软件技术以及控制算法，因此具备了设计计算机控制 系统的条件。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。计算机控制系统的理论设计包括：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。计算机控制系统的工 程设计，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，而且要通晓自动检测技术，计算机技术，通信技术，自动 控制技术，微电子技术等。
ZHEJIANG UNIVERSITY
8.1 系统设计的原则与步骤
❖ （5）硬件和软件的分别调试
❖ 实际上，硬件，软件的设计中都需边设计边调试边修改。往往要经过几个反 复过程才能完成。
❖ （6）系统的组装
❖ 硬件细化设计和软件细化设计后，分别进行调试。之后就可进行系统的组装， 组装是离线仿真和调试阶段的前提和必要条件。
❖ 8.1.1 系统设计的原则
❖ 1. 安全可靠
❖ 工业控制计算机不同于一般的用于科学计算或管理的计算机，它的工作环境比较恶 劣，周围的各种干扰随时地威胁着它的正常运行，而且它所担当的控制重任又不允许
它发生异常现象。这是因为，一旦控制系统出现故障，轻者影响生产，重者造成事故， 产生不良后果。因此，在设计过程中，要把安全可靠放在首位。
2006
COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING, ZHEJIANG UNIVERSITY
8.1 系统设计的原则与步骤
❖ （3）双方对委托书进行确认性修改
通过前面的介绍，我们已经掌握了计算机控制系统各部分的工
作原理，硬件和软件技术以及控制算法，因此具备了设计计算机控制 系统的条件。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。计算机控制系统的理论设计包括：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。计算机控制系统的工 程设计，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，而且要通晓自动检测技术，计算机技术，通信技术，自动 控制技术，微电子技术等。
ZHEJIANG UNIVERSITY
8.1 系统设计的原则与步骤
❖ （5）硬件和软件的分别调试
❖ 实际上，硬件，软件的设计中都需边设计边调试边修改。往往要经过几个反 复过程才能完成。
❖ （6）系统的组装
❖ 硬件细化设计和软件细化设计后，分别进行调试。之后就可进行系统的组装， 组装是离线仿真和调试阶段的前提和必要条件。
❖ 8.1.1 系统设计的原则
❖ 1. 安全可靠
❖ 工业控制计算机不同于一般的用于科学计算或管理的计算机，它的工作环境比较恶 劣，周围的各种干扰随时地威胁着它的正常运行，而且它所担当的控制重任又不允许
它发生异常现象。这是因为，一旦控制系统出现故障，轻者影响生产，重者造成事故， 产生不良后果。因此，在设计过程中，要把安全可靠放在首位。
2006
COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING, ZHEJIANG UNIVERSITY
8.1 系统设计的原则与步骤
❖ （3）双方对委托书进行确认性修改
8 计算机控制系统的设计与实现
图1
离线仿真和调试
图2 在线调试和运行
Institute of Advanced Manufacture Engineering of ZheJiang University
7.2 系统的工程设计与实现
7.2.1 系统总体方案设计 7.2.2 硬件的工程设计与实现 7.2.3 软件的工程设计与实现 7.2.4 系统的调试与运行
Institute of Advanced Manufacture Engineering of ZheJiang University
7.3.1 啤酒发酵工艺的控制要求
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20多天的发酵期间，根据酵母的活动能力和生长繁 殖的快慢，确定发酵给定温度曲线，如图1所示。并控制发 酵各阶段的温度，使其在给定温度的士0.5度 范围内。
（1）系统的主要功能、技术指标、原理性方框图及文字说明。 （2）控制策略和控制算法，如PID控制、达林算法等。 （3）系统的硬件结构及配置，主要的软件功能、结构及框图。 （4）方案比较和选择。 （5）保证性能指标要求的技术措施。 （6）抗干扰和可靠性设计。 （7）机柜或机箱的结构设计。 （8）经费和进度计划的安排。 对所提出的总体设计方案要进行合理性、经济性、可靠性 及可行性论证。
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。 该系统操作简单，使用维护方便，性能可靠； 采用微机控制，提高了啤酒质量；改善了劳动条件 ，不用人工手动操作，消除了人为因素；易于现代 化管理和产品质量分析；采用表格、图形、曲线显 示直观，并有打印输出功能。
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计算机控制系统设计与实现
1 系统设计的原则与步骤 2 系统的工程设计与实现
3 设计举例
8.1 系统设计的原则与步骤
系统设计的原则
1 安全可靠
• 选用高性能的工业控制计算机。 • 设计可靠的控制方案，具备各种安全 措施，如报警、不间断电源等。 • 后备装置。手动操作、常规仪表。 • 冗余设计。 备份工作方式、双工工作方式。
8.1 系统设计的原则与步骤
系统设计的原则
2 操作维护方便
• 操作简单、直观形象、便于掌握。
• 易于查找并排除故障。采用标准的功 能模板式结构，便于更换。安装工作状 态指示灯和监测点，配置诊断程序，便 于检查。
8.1 系统设计的原则与步骤
系统设计的原则
3 实时性强
• 定时事件，设置时钟，保证定时处理。
第八章 计算机控制系统设计与实现
计算机控制系统的设计既是理论问题， 又是工程问题。 理论设计包括：建立被控对象的数学模 型；确定系统目标函数，寻求其控制规律； 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。 工程设计包括：掌握生产过程的工艺要 求；掌握被动对象的动态和静态特性；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。
4 在线调试和运行阶段
8.2 系统的工程设计与实现
系统总体方案设计
1 硬件总体方案设计
• 确定系统的结构和类型。开环还是闭 环，哪种系统类型？ • 确定系统的构成方式。工控机、PLC、 智能调节器？ • 现场设备选择。传感器、变送器和执 行机构的选择。 • 其它方面的考虑，如人机联系方式、 系统机柜设计、抗干扰等。
• 签订合同书。
8.1 系统设计的原则与步骤
系统设计的步骤
2 工程项目的设计阶段
• 组建项目研制小组。 • 系统总体方案的设计（硬件、软件）。 • 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。
8.1 系统设计的原则与步骤
系统设计的步骤
3 离线仿真和调试阶段
8.2 系统的工程设计与实现
系统总体方案设计
2 软件总体方案设计
• 画出软件框图，从大到小分解。
• 确定系统的数学模型，控制算法，控 制策略。
8.2 系统的工程设计与实现
系统总体方案设计
3 系统总体方案
• 系统的主要功能、技术指标、原理性框图及文字说明。 • 控制策略与控制算法。 • 硬件结构与配置、软件功能、结构与框图。 • 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。
8.2 系统的工程设计与实现
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
8.2 系统的工程设计与实现
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
• 对于随机事件，及时响应，设置中断， 优先处理紧急故障。
8.1 系统设计的原则与步骤
系统设计的原则
4 通用性好
• 系统设计时考虑能适应各种不同控制 对象和不同设备，按照控制要求灵活的 构成系统，灵活扩充。 • 硬件模板采用标准总线结构，配置各 种通用的功能模板。软件模块或控制算 法采用标准的模块结构，灵活组态。
8.1 系统设计的原则与步骤
系统设计的原则
5 经济效益高
• 考虑性能价格比。
• 市场竞争意识。
8.1 系统设计的原则与步骤
系统设计的步骤1 工程来自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。
1 在线调试和运行
• 检测元件、变送器、仪表等进行校验。
• 接线、导管进行检查，保证连接正确。 • 检查系统的干扰情况和接地情况。
• 检查系统的安全防护措施。
设计举例
啤酒发酵过程计算机控制系统
数据采集和处理程序、控制算法程序、控制量输出程 序、实时时钟和中断处理程序、数据管理程序、数据通信 程序。
8.2 系统的工程设计与实现
系统的调试和运行
1 离线仿真和调试
• 硬件调试。模板调试、现场仪表和执 行机构安装校验、通信。
• 软件调试。 • 系统仿真。
8.2 系统的工程设计与实现
系统的调试和运行