计算机控制系统第5章

(4) 控制系统主机及过程通道模板 控制主机选用康拓IPC-8500工业控制机 过程通道模板选用康拓IPC-5488 12位光电隔离板
(5) 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
印显示、报警、参数修改及报表、图形、曲线显示等功能
3. 系统硬体和软件设计 (1) 硬件设计
（5）经济效益高
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 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 方面进行综合评估。
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。
5.1 计算机控制系统的可靠性设计
系统的可靠性是指“一个系统在一定的环境下，在规定的 时间内完成预定的功能的概率。”可靠性有两个含义：一是采 取措施使系统在规定的时间内不发生故障或错误；二是如果发 生了故障，应能迅速予以维修，使系统尽快重新投入使用。 1 提高可靠性的措施
（4）通用性好
• 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 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 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。
(8) 电柜接地和公共接地的处理 (9) 尖峰脉冲干扰的综合防治
① “远离”干扰源 ② 用硬件设备抑制尖峰干扰的影响 ③ 在大功率用电设备上采取措施抑制尖峰干扰的产生 ④ 采用“看门狗”技术
4 计算机控制系统的软件抗干扰技术 (1)数字滤波技术 (2)开关量的软件抗干扰技术 (3)指令冗余技术 (4)软件陷阱技术
4. 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
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。
5.3 系统的工程设计与实现
5.3.1 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 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 备的选择，以及控制规律算法和其它特殊功能要求。 （1）确定系统任务与控制方案 （2）确定系统的构成方式设计 （3）选择现场设备 （4）确定控制算法 （5）硬、软件功能的划分 （6）其它方面的考虑
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
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。
（2）操作维护方便
•
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
•
因此，在系统设计时，首先要选用高性能的工业控
制计算机，保证在恶劣的工业环境下仍能正常运行。其
次是设计可靠的控制方案，并具备有各种安全保护措施，
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。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
回路，选用常规控制仪表作为后备。这样，一旦计算机
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。
• 系统的可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内 完成规定功能的能力。在计算机控制系统中，可靠性指标一 般用系统的平均无故障时间MTBF和平均维修时间MTTR来 表示。MTBF反映了系统可靠工作的能力，MTTR表示系统 出现故障后立即恢复工作的能力，一般希望MTBF要大于某 个规定值，而MTTR值越短越好。
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 通信程序。
5.3.4 系统的调试与运行 1. 离线仿真和调试（硬件调试，软件调试，系统仿真） 2. 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 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，就可以进行系统的投运和参数整定。
5.2 系统的设计原则与步骤
5.2.1 系统设计的原则
(1) 安全可靠 (2) 操作维护方便 (3) 实时性强 (4) 通用性好 (5) 经济效益高
（1）安全可靠
•
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
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
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
助查找故障发生的部位，从而缩短排除故障的时间。
（3）实时性强
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 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， 保证定时处理；另一类是随机事件，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 别，一旦事故发生，保证优先处理紧急故障。
(2) 检测装置和执行机构
温度检测采用WZP-231铂热电阻和RTTB-EKT温度变送器； 压力检测采用 CECY-150G 电容式压力变送器；液位检测采用 CECU-341G电容式液位变送器
执行机构采用ZDLP-6B电动调节阀
(3) 控制规律
在恒温阶段采用增量型PI控制算法，在升温、降温阶段采 用PID控制算法，在控制软件设计中提供了Smith预估控制算法
• 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 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CPU升级时，也只要更换相应的升级芯片 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、 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 模块，灵活地进行控制系统的组态。
5.2.2 系统设计的步骤
计算机控制系统的工程项目的研制可分为四个阶段： 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(系统技术性能指标、经费、 计划进度、合作方式等)
(2) 乙方研究任务委托书 (3) 双方对委托书进行修改 (4) 乙方初步进行系统总体方案设计 (5) 乙方进行方案可行性论证 (6) 签订合同书 (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 归属及违约的解决办法等)
包括内部总线和外部总线选择
(2)选择主机机型 2. 选择输入输出通道模板
(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. 选择变送器和执行机构 (1)选择变送器 (2)选择执行机构（电动、气动、液动）
5.3.3 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 （RAM/ROM,I/O地址,中断源,定时器等） 3. 实时控制软件设计
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
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。
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，
1. 硬件总体方案设计
(1) 确定系统的结构和类型（开环、闭环、DDC、SCC、DCS、 FCS等）
(2) 确定系统的构成方式 (工控机、PLC、智能调节器，采 用积木式模块化结构)
(3) 现场设备选择(传感器、变送器、执行机构) (4) 其它方面的考虑（人机联系、机柜机箱、抗干扰等）
2. 软件总体方案设计
• 1、电机调速模型
n
Ua Ce

I a Ra Ce
Ua Ce

TemRa CeCm2
• 2、调速方法分析(PWM调压)
电动机得到的平均电压为：
Udwenku.baidu.com

ton T
U
s

U s
二、系统总体设计
1、系统原理框图
人机交互
PWM
单片机系统
光电隔离
驱动单元
转速 力矩电机
测速反馈
2. 工程项目的设计阶段
(1) 组建项目研制小组 (2) 制定系统的总体方案 (3) 方案的论证与评审 (4) 硬件与软件的分别细化设计 (5) 硬件和软件的分别调试 (6) 系统的组装
3. 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
仿真和调试后还要进行考机运行，以便在连续不停机的 运行中暴露问题和解决问题。
5.4 计算机控制系统设计举例
例5.1 啤酒发酵过程计算机控制系统
1. 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
2. 系统总体方案设计 (1) 发酵罐测控点分布及管线结构
系统共有10个发酵罐，每个罐测量5各参数，有3个控制点， 他们分别是上段温度TTa、中段温度TTb、下段温度TTc、罐内上 部气体压力PT、液位LT、上段冷带调节阀TVa、中段冷带调节阀 TVb、下段冷带调节阀TVc。
(2) 软件设计
(a)数据采集程序，共有50个参数，采用周期T=2S (b)数字滤波程序 (c)标度变换程序（温度、液位、压力的标度变换） (d)给定工艺曲线的实时插补计算（多段折线） (e)控制算法 （PI/PID+限幅，Smith预估控制算法） (f)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）
(1) 提高器件和设备的可靠性 (2) 采取抗干扰措施，提高系统对环境的适应能力 (3) 采取可靠性设计技术 (4) 采取故障诊断技术
2 干扰的来源 (1) 从系统电源和电源引线(包括地线)侵入的干扰 (2) 从系统的输入、输出传输通道侵入的干扰 (3) 空间电磁干扰 (4) 静电噪声 (5) 其他环境因素的影响
第五章 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 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。
3 电源与供电系统的抗干扰措施 (1) 远离干扰源 (2) 安装电源低通滤波器 (3) 采取变压器屏蔽和分路供电措施 (4) 采取措施拓宽对电网波动的适应能力
(5) 使用亚敏电阻和均衡器 (6) 直流侧去耦措施 (7) 供电系统应合理配线和布线
①从电源进线到电源的布线原则：电源应放在距电源引进口很 近的地方；从电源引进口、经过开关器件和低通滤波器、直 到电源的配线应尽量使用粗导线。 ②电源输出至系统用电 设备的导线的布线原则：均应采用双绞线，扭绞的螺距要小， 如果导线较粗而无法扭绞时，应把布线距离缩到最短程度； 交流线、直流稳压电源线、逻辑信号线、模拟信号线、灯泡 和继电器等感性负载驱动线以及非稳压的直流线均应分开布 线；尽量采用前述的分路供电措施。
4. 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。
优点： 系统操作简便，维护方便，性能可靠； 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； 易于现代化管理和产品质量分析。
例5.2 基于51单片机的直流电机闭环调速系统 一、 直流电机调速原理
3. 系统总体方案 (1) 系统主要功能、技术指标、原理图及文字说明 (2) 控制策略和控制算法 (3) 系统硬件结构及配置 (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
5.3.2 硬件的工程设计与实现 1. 选择系统的总线和主机类型 (1)选择系统的总线