第十章 计算机控制系统设计原则与步骤
控制系统设计：探讨控制系统设计的原则、方法和流程
控制系统设计：探讨控制系统设计的原则、方法和流程引言控制系统设计是现代工程领域中的重要组成部分，用于实现对复杂系统的监控和调节。
无论是电子设备、机械系统、工业生产线还是交通系统，控制系统的设计都扮演着关键角色。
本文将探讨控制系统设计的原则、方法和流程，帮助读者了解如何设计高效可靠的控制系统。
原则在进行控制系统设计之前，有一些重要的原则需要遵循。
1. 目标明确设计控制系统的首要原则是明确目标。
这包括确定系统需要控制的参数、设定期望的输出以及制定达到这些目标的策略。
明确的目标有助于设计师理解系统的需求，为设计提供明确的指导。
2. 抽象和模型化控制系统设计需要将复杂的实际系统抽象为数学模型。
这样可以简化设计过程，并更好地理解系统的行为和响应。
通过建立准确的数学模型，设计师可以设计出能够稳定、有效地控制系统的控制器。
3. 系统分析在设计控制系统之前，需要对所需控制的系统进行全面的分析。
这包括对系统的性能要求、约束条件以及可能的故障情况进行评估。
通过系统分析，设计师可以更好地了解系统的特性，为设计选择合适的控制策略和参数。
4. 可行性和可靠性分析控制系统设计的可行性和可靠性是非常重要的。
设计师需要评估设计方案的可行性，并确保系统能够在各种情况下正常工作。
可靠性分析可以帮助发现设计中可能存在的问题，并采取相应的措施来提高系统的可靠性和稳定性。
5. 可调节性和适应性设计的控制系统应具有可调节性和适应性，以应对系统参数和环境条件的变化。
一个良好的控制系统能够自动调整参数和策略，以保持系统的稳定性和性能。
可调节性和适应性是一个控制系统设计的关键要素。
方法设计一个有效的控制系统需要使用适当的方法。
以下是一些常用的方法来实现控制系统设计。
1. 反馈控制反馈控制是一种常见的控制系统设计方法。
它基于对系统输出的实时测量和比较，从而调整输入并实现期望的输出。
反馈控制在许多实际应用中被广泛使用，例如电子设备、机器人和工业生产线。
5.2计算机控制系统设计
I/O扩展机主要用来扩展输入、输出点数。当用户所需的输
入、输出点数超过主机的输入、输出点数时，可用它来扩展。 电源则向PLC提供各部分工作所需要的电压。
（1）PLC的硬件又可分为主机、I/O扩展机、编程器和电源四 部分。
其中PLC的主机由微处理机((CPU)、存贮器、I/O模块构成。 CPU包括运算器和控制器，它是整个PLC运算和控制的核心。 CPU主要完成接收指令、扫描、诊断、执行程序、刷新状态等 任务。
存贮器用来存贮系统程序和用户程序，其要根据实际情况选 取足够大的存储器，并且要求有一部分空余作为缓存。PLC存 储器按照类型可分随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可 擦除只读存储器(EPROM)等。
（1）较完善的中断系统 微型计算机控制系 统必须具有实时控制性能。
（ 2）足够的存贮容量 ； （3）完备的输入输出通道和实时时钟； （4）字长、速度、指令。 可选择：单片机、单板机、可编程序控制器 PLC、制 方案的具体实施步骤。前面的工作（系统 组成粗框图、算法、设计要求以及所选用 的微型机）是总体设计的主要依据。通过 这一步的设计要画出系统构成的总体框图。
PLC与继电器控制的区别： PLC工作方式为“串行”方式；继电器为“并行”方式；
3、PLC的主要性能指标
（1）I/O点数 指PLC的外部输入和输出端子数。通常小型机有几十个，中型机有 几百个，大型机超过千点。 （2）用户程序存储容量 此为衡量PLC所能存储用户程序的多少。在PLC中，程序指令按“步” 进行存储，一步占用一个地址单元，一条指令往往不止一步。 （3）扫描速度 指扫描1000步用户程序所需的时间，以ms/千步为单位。 （4）指令系统条数 指令种类和数量越多，其软件功能越强。 （5）内存分配及编程元件的种类和数量 其数量关系到编程是否方便灵活，是衡量PLC硬件功能强弱的指标。
《计算机控制及网络技术》-第10章 计算机控制系统的设计与应用
光电开关 真 管 段
工作 工作 量器A 量器B
水 泵 放水阀 水池
图10-1 水流量仪表检定装置的结构示意图
4、计算机控制系统设计举例
2、系统硬件设计
（1）、水流量标准装置 本装置中各部分技术参数如下： 工作量器：共有A（500L）、B（100L）、C（2000L） 三种量器，准确度等级为0.1级 液位计：共有三个差压变送器来测量工作量器中直管 段的液位，根据每个量器的体积液位表，换算出量器 中水体积。差压变送器输出信号为4～20mA。 计时器：主要用于手动操作时，准确度等级为0.1ms级， 由于在检定中已规定中的T>30s，因此，计时器引入 误差可以忽略。
2、计算机控制系统的设计与实现
（3）软件系统方案设计
软件方案设计的内容主要是确定软件平台、软件结构 和任务分解等。在软件设计中也应采用结构化、模块化、 通用化的设计方法，画出软件结构方块图，逐级细化，直 到能清楚地表达出控制系统所要解决的问题为止。将商品 化的监控组态软件经二次开发后用于计算机控制系统中， 是系统软件设计的有效方法之一。
电磁气动换向器：A、B两量器共用1个，C量器使用1个， 控制信号是交流220V的开关信号。
4、计算机控制系统设计举例
2、系统硬件设计 开关量回讯：包括一个溢流、两个换向器光电开光， 回讯为直流12V开关信号。 标准流量计采用的是电磁流量计，共有3个，输出信号 为4-20mA电流信号。 被校表：被校表类型包括电磁流量计（输出信号有0～ 10mA、4-20mA两种）、涡轮流量计（输出信号为脉 冲信号）。
4、计算机控制系统设计举例
2、系统硬件设计
该监控系统采用开放式模块化结构设计，采用国际 流行的工业标准总线，装配灵活，组态方便。整个系统 是一个集中管理、分散控制的二级计算机系统。另外在 上位机中，还留有与厂部调度计算机相连的网络通信接 口。
计算机组成原理10 第十章 CU的设计(2)
⑨ JMP X
T0
T1 T2 Ad ( IR ) PC
⑩ BAN X
T0
T1 T2 A0 • Ad ( IR ) + A0• PC PC
5. 中断周期 微操作的 节拍安排
T0
T1 T2
10.1
硬件关中断
0
PC MDR
MAR
MDR M ( MAR )
1
W
向量地址
PC
中断隐指令完成
三、组合逻辑设计步骤
T0
EX 执行
1
1 T1
M(MAR) AC
W
(AC)+(MDR) AC T2
MDR
MDR 0
M(MAR)
AC AC 1
1
2. 写出微操作命令的最简表达式
M ( MAR ) MDR
10.1
= FE · 1 + IND · 1 ( ADD + STA + LDA + JMP + BAN ) T T + EX · 1 ( ADD +LDA ) T = T1{ FE + IND ( ADD + STA + LDA + JMP + BAN ) + EX ( ADD +LDA ) }
10.1
微操作命令信号 CLA COM ADD SAT LDA JMP PC 1 M(MAR) ( PC ) +1 MDR OP( IR ) MAR R MDR PC IR ID IND EX 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
FE 取指
T0 T1 T2 PC 1 R MDR PC IR ID
计算机控制系统第十章 计算机控制系统设计原则与步骤
3.实时性强
• 实时性是计算机控制系统的重要指标之一，要求 系统对内部和外部事件能及时地响应，并在规定 的时间内做出相应的处理。处理的事件一般有两 类：一类是定时事件，如定时采样、运算处理、 输出控制量到被控对象等；另一类是随机事件， 如出现事故后的报警、安全联锁、打印要求等。 对于定时事件，由系统内部时钟来实现。对于随 机事件，系统应设置中断，根据故障的轻重缓急， 预先分配中断级别，根据中断优先级进行处理， 以保证优先处理紧急故障。
5.经济性高
• 经济性主要体现在两个方面：一方面是系 统的性能价格比要尽可能高，而投入产出 比要尽可能低，投资回报周期要尽可能短； 另一方面还要从提高产品质量与产量、节 能降耗、减少污染、改善劳动条件等经济、 社会效益各方面进行综合评估。由于计算 机技术发展迅速，在设计与实施计算机控 制系统时，还要有市场意识，要有一定的 预见性。
4.在线调试和运行阶段
• 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连接在一 起，进行现场调试和运行。尽管系统已经通过了 离线仿真和调试，但工业现场情况更加复杂，现 场调试和运行仍可能出现问题，因此必须重视现 场调试环节，以便及时发现问题，认真分析加以 解决。系统运行正常后，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，乙方参加，双方协同办理，共同 组织材料，验收完毕后应形成验收文件存档。
1.安全可靠
• 对工业控制计算机系统最基本的要求是安全性和可靠性高。因为一旦计算机 出现故障，将会造成整个生产过程的混乱，轻者影响生产，使产品质量不合 格，重者则会造成人员和设备的事故；同时由于现今过程控制对象往往是连 续工艺流程的一部分，一个系统的事故往往会引起前后工序的连锁反应，最 后导致整个过程的运行异常。因此，在过程计算机控制系统的整个设计过程 中，务必将安全可靠性放在首位。
计算机控制系统软件设计原则
计算机控制系统软件设计原则下面将介绍几个常见的计算机控制系统软件设计原则：1.单一职责原则（SRP）单一职责原则要求一个类只负责一个功能或任务，即一个类应该只有一个引起它变化的原因。
这样可以提高类的内聚性，降低类之间的耦合度，使得类更易于理解、修改和扩展。
2.开放封闭原则（OCP）开放封闭原则要求一个软件实体应当对扩展开放，而对修改封闭。
这意味着系统中的模块应该通过扩展来增加新的功能，而不是通过修改已有的代码来实现。
这样可以保持系统的稳定性和复用性，并降低对大规模修改的需求。
3.里式替换原则（LSP）里式替换原则指出任何基类可以被它的子类替换，而不影响系统的正确性。
也就是说，子类应当能够替换所有对基类的使用，而不需要修改使用基类的客户端代码。
这可以提高系统的扩展性和可维护性。
4.依赖倒置原则（DIP）依赖倒置原则要求高层模块不应该依赖于低层模块，而是依赖于抽象。
具体而言，就是高层模块应该依赖于接口或抽象类，而不是具体实现类。
这样可以降低模块之间的耦合度，提高系统的灵活性和可维护性。
5.接口隔离原则（ISP）接口隔离原则要求一个类或模块不应该依赖于它不需要的接口。
具体而言，就是一个类只应该依赖于它需要的最小接口，而不应该依赖于所有可能使用的接口。
这可以减少模块之间的依赖关系，提高系统的灵活性和可维护性。
6.迪米特法则（LoD）迪米特法则（也称为最少知识原则）要求一个对象应当尽量少与其他对象发生相互作用，即一个对象应当尽量不要引用其他对象的内部实现细节。
这样可以降低模块之间的耦合度，提高系统的复用性和可维护性。
7.高内聚低耦合原则高内聚低耦合原则要求一个软件模块应该尽可能地聚集相关的功能，以提高模块的内聚性。
同时，模块之间应该尽可能地减少相互依赖和相互影响，以降低模块之间的耦合度。
这可以提高模块的独立性、可测试性和可复用性。
综上所述，计算机控制系统软件设计原则主要包括单一职责原则、开放封闭原则、里式替换原则、依赖倒置原则、接口隔离原则、迪米特法则和高内聚低耦合原则。
PLC控制系统设计的基本内容和步骤
例如要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等，可
视控制规模及复杂的程度，选用中档或高档机。其中
高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控
制系统以及整个工厂自动化等。
对于工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量 较小）的场合，选用整体式结构PLC。其它情况则选 用模块式结构PLC。
3、输入、输出功能及负载能力的选择
选择哪一种功能的输入、输出形式或模块，取 决于控制系统中输入和输出信号的种类、参数要求 和技术要求，选用具有相应功能的模块。为了提高 抗干扰能力，输入、输出均应选用具有光电隔离的 模块。对于输出形式，有无触点和有触点之分。无 触点输出大多使用大功率三级管（直流输出）或双 向可控硅（交流输出）电路，其优点是可靠性高、 响应速度快、寿命长，缺点是价格高、过载能力差 些。有触点输出是使用继电器触点输出，其优点是 适用电压范围宽、导通压降损失小、价格便宜，缺 点是寿命短、响应速度慢。
第一节 PLC控制系统设计的基本内容和步骤
一、PLC控制系统设计的基本原则
设计任何一个PLC控制系统，如同设计任何一 种电气控制系统一样，其目的都是通过控制被控对 象（生产设备或生产过程）来实现工艺要求，提高 生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统 时，应遵循以下基本原则：
1、PLC控制系统控制被控对象应最大限度地 满足工艺要求。设计前，应深入现场进行调查研究 ，搜索资料，并与机械部分的设计人员和实际操作 人员密切配合，共同拟定控制方案，协同解决设计 中出现的各种问题。
设计梯形图
设计控制台（柜）
修改
编制程序清单 输入程序并检查
调试
现场连线
NO
满足要求？
YES
计算机控制系统设计
•长线传输一般选用同轴电缆或双绞线，在电场
干扰较强时可采用屏蔽双绞线。
•采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除
长线传输中的波反射或者把它抑制到最低限度。
传输线波阻抗的测量
R Rp时，门A输出的
波形不畸变，反射波完
全消失，这时的R值就 是该传输线的波阻抗。
A
双绞线
RP
R
示波器
无损耗导线的波阻抗R p
采用低通滤波器
L
L
0.15μF C1
0.47μF C2
0.47μF C3
图11－2 双π型滤波器
采用低通滤波 器抑制电网侵 入的外部高频 干扰是常用的 一种方案。低 通滤波器可让 50HZ的工频 几乎无衰减地 通过，而滤去 高于50Hz的 高次谐波。
2019/10/10
锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，
开发设计应遵循标准化、模板化、模块化和系 列化的原则。
2019/10/10
锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，
3
金石可镂 友友情分享O(∩_∩)O~
应用设计
应用设计的任务是选择和开发满足控制对象
所需的硬件和软件，设计控制方案，并根据系统
性能指标要求设计系统硬件和软件，以实现系统
功能。 应用设计或工程设计按 顺序可分为5个阶段。 •可行性研究
7
金石可镂 友友情分享O(∩_∩)O~
采用隔离变压器
A相 B相 C相
计算机控制系统
强电设备1 . . . 强电设备n 三相隔离变压器
图11－3 三相隔离变压器抑制电源干扰
2019/10/10
锲而舍之，朽木不折。锲而不舍， 金石可镂 友友情分享O(∩_∩)O~
变压器的一次 侧按三角形接 法联结。二次 侧按星型接法 联结。有利于 抑制工频3次 以上谐波对控 制系统的干扰。
计算机控制习题解答-独家
计算机控制系统习题集目录一各章习题 (1)二填空题练习 (6)三简答题练习 (8)四综合题练习 (11)一各章习题1.1 第1章绪论1. 计算机控制系统的硬件主要包括哪几个部分？2. 什么是过程控制通道，过程控制通道主要有哪几种？3. 根据计算机控制系统的发展历史和在实际应用中的状态，计算机控制系统可分为哪6类，各有何特点？4. 计算机控制系统从深度和广度两方面各有何发展趋势。
1.2 第2章计算机控制系统中的检测设备和执行机构1. 什么叫传感器及变送器？2. 简述压力检测的主要方法和分类。
3. 简述温度检测的主要方法和分类。
4. 简述热电偶测温的原理。
2. 物位仪表分为哪几类？6. 简述电容式差压变送器的工作原理。
7. 简述常用执行机构和执行器的工作原理。
8. 简述TT302温度变送器的结构和工作原理。
9. 简述交流、直流伺服电机的工作原理。
10.简述步进电机的工作原理。
1.3 第3章计算机总线技术1.什么叫总线？为什么要制定计算机总线标准？2.计算机总线可以分为哪些类型？3.评价总线的性能指标有哪些？4.STD总线有哪些特点？5.常用的PC总线有哪些？各有什么特点？6.简述PCI总线的性能特点。
7. 简述IEEE-488总线的工作过程。
8. 详述RS-232C 、RS-485和RS-422总线的特点和性能。
9. RS-232C 总线常用的有哪些信号？如何通过该接口实现远程数据传送？10. 什么是平衡方式和不平衡传输方式？试比较两种方式的性能。
11. USB 数据传输方式有哪几种？USB 协议中是如何区分高速设备和低速设备的？12. 简述USB 总线的枚举过程1.4 第4章 过程通道与人机接口1．什么是过程通道？过程通道由哪几部分组成？2．画出数字量输入输出通道的结构。
3．在数字量输入调理电路中，采用积分电容或RS 触发器是如何消除按键抖动的？4．数字量输出驱动电路有哪三种形式？各有什么特点？5．画出D/A 转换器原理框图，并说明D/A 转换的原理。
计算机控制系统的设计与实现PPT课件
.
18
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。
.
16
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。
.
25
（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
计算机控制系统设计方法
(1)前向差分法
利 用 级 数 展 开 可 将 Z=esT 写 成 以 下 形 式
Z=esT=1+sT+…≈1+sT
可得
z 1 s T
即给定模拟控制器传递函数D(s)，其等效离散 传递函数D(z)为：
D( z ) D( s)
s
z 1 T
法 2( 数值微分 ): 设微分控制规律为
de(t ) u (t ) dt 两边求拉氏变换后可推导出控制器为
香农采样定理给出了从采样信号恢复连续信号的最低采样频 率。在计算机控制系统中，完成信号恢复功能一般由零阶保持器 H(S)来实现。零阶保持器的传递函数为：
1 e sT H ( s) s j T j T j T jT 2 2 2 1 e 2e (e e ) H ( j ) 其频率特性为 j 2 j T T sin sin T T j 2 2 2 T e T T T 2 2 2 从上式可以看出，零阶保持器将对控制信号产生附加相移 (滞后)。对于小的采样周期，可把零阶保持器H(S)近似为： ( sT ) 2 1 1 sT T sT s 1 e T 2 H ( s) T (1 s ) Te 2 s s 2
U ( s) D( s ) s E ( s)
采用前向差分近似可得
e(k 1) e(k ) u (k ) T
上式两边求Z变换后可推导出数字控制器为
U ( z) z 1 D( z ) D( s) z 1 s E( z) T T
s平面和z平面之间的映射关系
因为s平面上的虚轴是稳定与不稳定区域的分界线， 所以应着重研究虚轴在z平面内的映象。
3.1 数字控制器的连续化设计技术
计算机控制系统的设计步骤1.doc
计算机控制系统的设计步骤1 计算机控制系统的设计步骤1. 研究被控对象、确定控制任务在进行系统设计之前，首先应该调查、分析被控对象及其工作过程，熟悉其工艺流程，并根据实际应用中存在的问题提出具体的控制要求，确定所设计的系统应该完成的任务。
最后，采用工艺图、时序图、控制流程等描述控制过程和控制任务，确定系统应该达到的性能指标，从而形成设计任务说明书，并经使用方的确认，作为整个控制系统设计的依据。
2. 确定系统总体控制方案一般设计人员在调查、分析被控对象后，已经形成系统控制的基本思路或初步方案。
一旦确定了控制任务，就应依据设计任务书的技术要求和已作过的初步方案，开展系统的总体设计。
总体设计包括以下内容：⑴确定系统的性质和结构根据系统的任务，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。
⑵确定执行机构方案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。
⑶控制系统总体“黑箱”设计所谓“黑箱”设计，就是根据控制要求，将完成控制任务所需的各功能单元、模块以及控制对象，采用方块图表示，从而形成系统的总体框图。
在这种总体框图上，只能体现各单元与模块的输入信号、输出信号、功能要求以及它们之间的逻辑关系，而不知道“黑箱”的具体结构实现；各功能单元既可以是一个软件模块，也可以采用硬件电路实现。
⑷控制系统层次以及硬件、软件功能划分根据控制要求、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，对硬件和软件功能进行划分，从而决定哪些功能由硬件实现，哪些功能由软件来完成。
计算机控制系统第10章 计算机控制系统设计原则与步骤
性方框图及文字说明。（2）控制策略与算法。（3）系统的 硬件结构与配置，主要的软件功能、结构、平台及实现框图。 （4）方案的比较与选择。（5）抗干扰措施与可靠性设计。 （6）机柜或机箱的结构与外形设计。（7）经费和进度计划 的安排。（8）对现场条件的要求。
在所有的准备工作做好之后，即可开始在线调试和运 行。
2020/3/4
12
本章内容结束
2020/3/4
13
一旦所有的子程序和功能模块调试完毕，就可以用主 程序将它们连接在一起进行整体调试，
2020/3/4
11
2．系统仿真 在硬件和软件分别联调后，并不意味着系统的设计和
离线调试已经结束，必须再进行全系统的硬件、软件统调。 这次的统调实验，就是通常所说的“系统仿真”（也称为 模拟调试）。 系统仿真尽量采用全物理或半物理仿真。试验条件或工作 状态越接近真实生产过程，其效果也就越好。 在系统仿真的基础上，进行长时间的拷机实验，并根据实 际运行环境的要求，需要进行特殊运行条件的考验。 3．在线调试和运行
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。
2020/3/4
5
第三节 计算机控制系统的工程设计与实现
一、计算机控制系统的总体方案设计
总体设计方案中首先要确定整个控制系统的结构和 类型。
另外总体设计方案中还要包括硬件设计与软件设计 两大部分，具体设计时一般采用“黑箱”设计方法， 就是根据控制要求，将完成控制任务所需的各功能单 元、模块以及控制对象，采用方块图表示，从而形成 系统的总体框图。
第10章 计算机控制系统设计原则与步骤
第11章 计算机控制系统的设计与实现
第11章 计算机控制系统的设计与实现
2. 计算机控制系统设计步骤
• • • • • 控制系统调研与控制任务确定 控制系统总体方案设计 建立数学模型，确定控制策略与控制算法 系统硬件设计 软件设计
• 系统联调与系统仿真
• 现场调试与投入运行
School of Electronic Engineering
选择原则
School of Electronic Engineering
第11章 计算机控制系统的设计与实现
D/A转换器的选择原则
设执行机构的最大有效输入为umax ，执行机构的死 区电压为uD，最大允许误差为emax，则其字长为n 应 满足
umax min{uD , emax } n 2
School of Electronic Engineering
第11章 计算机控制系统的设计与实现
（4）A/D转换器的选择原则
A/D转换的分辨率的选择主要依据输入模拟信号的动 态变化范围和控制系统的精度要求来共同确定。 如果实际模拟信号的最大值为umax，最小值为umin，最 大允许误差为emax，如果选择A/D转换为 n 位，则必须 满足
第11章 计算机控制系统的设计与实现
•
D/A转换器的选择原则
常见的集成D/A转换器：
–
不带缓冲寄存器（如8位的DAC0808）
–
带 缓 冲 寄 存 器 （ 如 8 位 的 DAC0832 、 12 位 的 DAC1208等）。
选择D/A转换器时，主要考虑芯片的性能、结构及 应用特性，即在性能上必须满足模拟量输出通道对 D/A转换的技术要求。 D/A转换器一般由与其对应的执行机构的动态输入 范围和执行机构的精度要求来共同确定。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• 第一节 计算机控制系统设计原则 • 第二节 计算机控制系统设计步骤 • 第三节 计算机控制系统的工程设计与实现
第一节 计算机控制系统设计原则
1．安全可靠 对工业控制计算机系统最基本的要求是安全性和可靠性高。 在计算机控制系统的整个设计过程中，务必将安全可靠性放 在首位。 首先要选用高性能的工业控制计算机或其它的主机模式， 保证其在恶劣的工业现场环境下，仍能正常运行。 其次设计可靠的控制方案，并且具有各种安全保护措施， 比如异常报警、事故预测、故障诊断与处理、安全联锁、不 间断电源等功能。 再次控制系统要设计完善的抗干扰措施，硬件抗干扰措施 有屏蔽、隔离、滤波和接地等，软件抗干扰方法有数字滤波、 软件陷阱和看门狗技术等，另外还要考虑电源的抗干扰问题。
第三节 计算机控制系统的工程设计与实现
一、计算机控制系统的总体方案设计 总体设计方案中首先要确定整个控制系统的结构和类型。 另外总体设计方案中还要包括硬件设计与软件设计两大部分， 具体设计时一般采用“黑箱”设计方法，就是根据控制要求， 将完成控制任务所需的各功能单元、模块以及控制对象，采用 方块图表示，从而形成系统的总体框图。总体设计中还应包括 控制系统对现场工艺的要求，比如为了安装某个关键的现场仪 表，需要改装某根管道；为了控制方案的实施，需要工艺人员 的配合，增加现场气源等。总之，总体方案是整个控制系统设 计的关键，要实现一个好的设计必然离不开对生产工艺的深入 了解以及工艺技术人员的支持与配合。
1．硬件总体方案设计 计算机控制系统的硬件总体设计主要包括以下各方面 的内容：系统的构成方式；现场设备及自动化仪表的选择； 人—机接口方式；系统的控制机箱结构设计；抗干扰措施等。 2．软件总体方案设计 软件总体方案设计的内容主要是确定软件平台、软件结 构、任务分解，建立系统的数学模型、控制策略和算法的实 现等。 3．总体方案文档 其内容包括：（1）系统的主要功能、技术指标、原理 性方框图及文字说明。（2）控制策略与算法。（3）系统的 硬件结构与配置，主要的软件功能、结构、平台及实现框图。 （4）方案的比较与选择。（5）抗干扰措施与可靠性设计。 （6）机柜或机箱的结构与外形设计。（7）经费和进度计划 的安排。（8）对现场条件的要求。
四、控制系统的调试与运行 1．离线仿真和调试 （1）硬件调试 对于各种标准功能模块，按照说明书检查主要功能。比 如主机板（CPU板）上RAM区的读写功能、ROM区的读出功 能、复位电路、时钟电路等的正确性。 在调试A/D和D/A板之前，必须准备好信号源、数字电压 表、电流表等。对这两种模板首先检查信号的零点和满量程， 然后再分档检查，比如满量程的25%、50%、75%、100%， 并且上行和下行循环调试，以便检查线性度是否符合要求。 如果有多路开关板，应测试各通路是否正确切换。 利用开关量输入和输出程序来检查开关量输入（DI）和 开关量输出（DO）模板。
第二节 计算机控制系统设计步骤
1．工程项目与控制任务的确定阶段 （1）甲方提出任务委托书:有明确的系统技术性能指标要求， 还要包含经费、计划进度、合作方式等内容。 （2）乙方研究任务委托书 （3）双方对委托书进行确认修改 （4）乙方初步进行系统总体方案设计:由于任务和经费尚未 落实，这时的总体方案设计只能是粗线条的。如果条件允许， 应多做几种方案以便比较。 （5）乙方进行方案可行性论证:论证的主要内容是技术可行 性、经费可行性、进度可行性。 （6）签订合同书
程序将它们连接在一起进行整体调试，
2．系统仿真 在硬件和软件分别联调后，并不意味着系统的设计和 离线调试已经结束，必须再进行全系统的硬件、软件统调。 这次的统调实验，就是通常所说的“系统仿真”（也称为 模拟调试）。 系统仿真尽量采用全物理或半物理仿真。试验条件或工作 状态越接近真实生产过程，其效果也就越好。 在系统仿真的基础上，进行长时间的拷机实验，并根据实 际运行环境的要求，需要进行特殊运行条件的考验。 3．在线调试和运行 在所有的准备工作做好之后，即可开始在线调试和运 行。
2．操作、维护与维修方便 操作方便表现在系统便于学习掌握、操作简单，而且 画面显示直观。维护、维修方便体现在易于查找故障、排除 故障。 3．实时性强 实时性是计算机控制系统的重要指标之一，要求系统 对内部和外部事件能及时地响应，并在规定的时间内做出相 应的处理。 4．通用性好 在设计开发计算机控制系统时，应尽量采用积木式的模 块化结构，便于以后系统稍做改动就能适应新的要求。 5．经济性高 经济性主要体现在两个方面：一方面是系统的性能价格 比要尽可能高，另一方面还要从提高产品质量与产量、节能 降耗、减少污染、改善劳动条件等经济、社会效益各方面个子程序、功能模块、主程序的分
别调试以及整体程序的联合调试。
软件调试的方法一般采取自下而上逐级调试。 系统控制模块的调试分为开环和闭环两种情况进行。 开环调试是检查系统的阶跃响应特性，闭环调试是检查系 统的反馈控制功能。
一旦所有的子程序和功能模块调试完毕，就可以用主
2．工程项目的设计阶段 工程项目的设计阶段主要包括组建项目研制小组、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、 制作调试、系统组装等。 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 进行的仿真和调试。离线仿真和调试后，还要进行拷机运行。 拷机的目的是要在连续不停机的运行中暴露问题和解决问题。 4．在线调试和运行阶段 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。
二、硬件的工程设计与实现
1．选择系统的总线 2．选择输入输出通道 （1）数字量（开关量）输入输出（DI/DO）模板 （2）模拟量输入输出（AI/AO）模板
3．选择现场设备
（1）选择变送器 （2）选择执行机构 （3）其他现场设备
三、软件的工程设计与实现 1．程序结构规划 在系统总体方案设计中，系统各个模块之间存在着各种因 果关系，相互之间要进行各种信息的传递。各模块之间的关系 体现在程序的流程上。 2．资源分配 资源分配主要是RAM资源的分配。RAM资源分配好以后， 应列出一张RAM资源的详细分配清单，作为编程的依据。 3．实时控制软件设计 实时控制软件是软件设计中的主体部分，包括数据采集及 数据处理、实时时钟与中断处理、控制算法、控制量输出、生 产管理与数据通信等程序。