第15章 控制系统设计及实例

15.2 系统设计步骤
作为一个微机控制系统的实际项目，在设 计研制过程中应该经过哪些步骤，这是需要认 真考虑的。如果步骤不清，或者每一步需要做 什么不明确，就有可能引起研制过程中的混乱 甚至返工。微机控制系统的研制过程一般可分 为4个阶段：准备阶段、设计阶段、仿真及调 试阶段和现场调试运行阶段。
到的问题是甲方和乙方之间的双方合同关系。甲方 就是任务的委托方。甲方有时是直接用户，有时是 本单位的上级主管部门，有时也可能是中介单位。 国际上习惯称甲方为“买方”。乙方是系统工程的 承接方，国际上习惯称为“卖方”。随着计算机控 制技术的迅速发展和普及，很多技术人员有时是甲 方，有时又变成了乙方。因此，有必要了解这个准 备阶段签定合同书过程中双方的工作内容。图15-1 给出了系统研制准备阶段的流程，该流程既适合于 甲方，也适合于乙方。
15.2.1 准备阶段 在一个工程任务研制实施的开始阶段，首先碰
图15-1 系统研制准备阶段流程
1．甲方提出任务委托书
在委托乙方承接系统项目前，甲方一定要提供 正式的书面任务委托书，该委托书一定要有清楚准 确的系统技术性能指标，还要包含经费、计划进度 及合作方式等内容。
2．乙方研究任务委托书 乙方在接到任务委托书后要认真阅读，并逐条 进行研究。对含糊不清、认识上有分歧和需补充或 删节的地方要逐条标出，并拟订出要进一步弄清的 问题及修改意见。
微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，配臵 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、电源功率等均事先留有一定的余量， 为日后系统的扩充创造有利的条件。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。
15.1 系统设计原则
对于不同的控制对象，系统的设计方案和具 体的技术指标是不同的，但系统设计的基本原则是 一致的，这就是：要满足工艺要求，可靠性要高， 操作性能要好，实时性要强，通用性要好，经济效 益要高。
1.满足工艺要求
在设计微机控制系统时，首先应满足生 产过程所提出的各种要求及性能指标。因为微 机控制系统是为生产过程自动化服务的，因此 设计之前必须对工艺过程有一定的熟悉和了解， 系统设计人员应该和工艺人员密切结合，才能 设计出符合生产工艺要求和性能指标的控制系 统。设计的控制系统所达到的性能指标不应低 于生产工艺要求，但片面追求过高的性能指标 而忽视设计成本和实现上的可能性也是不可取 的。
（4）确定控制算法 选用什么控制算法才能使系统达到要求的控制 指标，也是系统设计的关键问题之一。控制算法的 选择与系统的数学模型有关，在系统的数学模型确 定后，便可推导出相应的控制算法。 所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式， 它表示系统输入输出及其内部状态之间的关系。一 般多由实验方法测出系统的阶跃响应特性曲线，然 后再由此曲线确定出其数学模型。当系统模型确定 之后，即可确定控制算法。微机控制系统的主要任 务就是按此控制算法进行控制。因此，控制算法的 正确与否，直接影响控制系统的调节品质。
（5）硬、软件功能的划分 在微机控制系统中，一些控制功能既能由硬件 实现，亦能用软件实现。故系统设计时，硬、软件 功能的划分要综合考虑。用硬件来实现一些功能的 好处是可以加快处理速度，减轻主机的负担，但要 增加部件成本；而软件实现正好相反，软件可降低 成本，增加灵活性，但要占用主机更多的时间。一 般的考虑原则是视控制系统的应用环境与今后的生 产数量而定。对于今后能批量生产的系统，为了减 低成本，提高产品竞争力，在满足指定功能的前提 下，应尽量减少硬件器件，多用软件来完成相应的 功能。如果软件实现很困难，而用硬件实现却比较 简单，且系统的批量又不大的话，则用硬件实现功 能比较妥当。
3．双方对委托书进行确认性修改 在乙方对委托书进行了认真研究之后，双方应 就委托书的确认或修改事宜进行协商和讨论。经过 确认或修改过的委托书中不应再有含义不清的词汇 和条款，而且双方的任务和技术界面必须划分清楚。 4．乙方初步进行系统总体方案设计 由于任务和经费没有落实，所以这时总体方案 的设计只能是粗线条的。但应能反映出三大关键问 题：技术难点；经费概算：工期。在条件允许的情 况下，应多做几个方案以便比较。
第15章 控制系统设计及实 例
学习目标：
1．学习微型计算机控制系统的设计原则。 2．初步掌握微型计算机控制系统的设计步 骤。
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本章主要内容

引言 15.1 系统设计原则 15.2 系统设计步骤

本章小结 思考题
引言
前面讨论了微型计算机控制系统各部分的结 构组成、工作原理、硬件和软件技术、控制规律 算法以及典型的控制装臵类型，这就为微机控制 系统的设计奠定了基础。由于控制对象多种多样， 要求控制系统达到的功能也各不相同，这使得微 机控制系统的构成方式和规模大小也具有多样性。 本章讨论系统设计的一般原则和步骤.
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，还须设计后备装臵。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， 一旦计算机出现故障，就把后备装臵切换到控制回 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。
4．实时性要强
微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Βιβλιοθήκη Baidu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，系统应设臵时钟，保证定时处理；另一类是 随机事件，如事故报警等，对此系统应设臵中断， 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。
5．乙方进行方案可行性论证 方案可行性论证的目的是要估计承接该项任务 的把握性，并为签合同后设计阶段的总体设计打下 基础。论证的主要内容是：技术可行性；经费可行 性；进度计划可行性。特别要指出，对控制项目尤 其是对可测性和可控性应给予充分重视。 如果论证的结果可行，接着就应做好签合同前 的准备工作；如果不可行，则应与甲方进一步协商 任务委托书的有关内容或对条款进行修改。若不能 修改，则合同不能签订。
15.2.2
设计阶段
控制系统的设计阶段又分为总体设计、硬 件设计、软件设计等几个步骤。
1．总体设计
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 成方式及控制装臵与现场设备的选择，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 在进行系统设计之前，首先应对控制对象的工 作过程或工艺流程进行分析归纳，明确具体要求， 确定系统所要完成的任务，一般应同用户讨论并得 到用户的认可。然后根据系统要求，确定采用开环 还是闭环控制；闭环控制还需进一步确定是单闭环 还是多闭环；进而还要确定出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），或者采用分散式控制（DCS）或现场总线 控制（FCS）。
（3）选择现场设备
主要包含传感器、变送器和执行器的选择。 随着控制技术的发展，测量各种参数的传感器， 如温度、压力、流量、液位、成分、位移、重 量、速度等等，种类繁多，规格各异；而执行 器也有模拟量执行器、数字量执行器以及电动、 气动、液动等之分。因此，如何正确选择这些 现场设备，确实不是一件简单的事情，必须给 予高度的重视。这其中的任何一个环节都是影 响系统的控制任务和控制精度的重要因素。
5．通用性要好
工业控制的对象千差万别，而微机控制系 统的研制开发又需要有一定的投资和周期。一 般来说，不可能为一台装臵或一个生产过程研 制一台专用计算机，常常是设计或选用通用性 好的微机控制装臵灵活地构成系统。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。
3．操作性要好
操作性能好包括两个含义，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，从零部件的排列位臵，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， 要配臵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。
2．可靠性要高
对工业控制的微机系统最基本的要求是可靠性高。一旦 系统出现故障，将造成整个控制过程的混乱，引起严重的后 果，由此造成的损失往往大大超出微机控制系统本身的价值。 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。在微机控制系统中，可靠性指标一般 用系统的平均无故障时间MTBF来表示。MTBF反映了系统可靠 工作的能力。但是，组成一个系统的元器件往往成千上万， 组合的方式有各种各样，因此一个系统的MTBF再长，也有失 效的时候。因此，通常还用平均维修时间MTTR表示每次失效 （即出现故障）后所需维修时间的平均值，它表示系统出现 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。
6．签订合同书 这是准备阶段的最后一个步骤。合同书是双方 达成一致意见的结果，也是以后双方合作的唯一依 据和凭证。合同书应包含如下内容：双方的任务划 分和各自应承担的责任；合作方式；付款方式；进 度和计划安排；验收方式及条件；成果的归属；违 约的解决办法等。 合同书的最后签订，也就意味着双方认可的系 统总体方案得以确定，可以进入下一个设计阶段。
（2）确定系统的构成方式
控制方案确定后，就可以进一步确定系统 的构成方式即进行控制装臵机型的选择。目前 已经生产出许多用于工业控制的微机装臵可供 选择，如可编程控制器、可编程调节器、总线 式工控机、单片微型计算机和分散控制系统、 现场总线控制系统等。
在以模拟量为主的中小规模的过程控制环境下，一般应 优先选择总线式工控机来构成系统的方式；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。工控机或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。这种方式可提高系统研 制和开发速度，提高系统的技术水平和性能，增加可靠性。 当系统规模较小、控制回路较少时，可以考虑采用可编 程调节器；如果是小型控制装臵或智能仪器仪表的研制设计， 则可以采用单片机系列。当系统规模较大，自动化水平要求 高，甚至集控制与管理为一体的系统可选用DCS、FCS、高档 PLC或其它工控网络构成。
微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。
6．经济效益要高
由于控制对象多种多样，相应控制模型也各异， 所以控制规律及其控制算法也是多种多样的。如一 般简单的生产过程常采用P、PI或PID控制；对于工 况复杂工艺要求高的生产过程，一般的PID不能达 到性能指标时，应采取其它控制规律如串级、前馈、 自适应等；对于快速随动系统，可选用最少拍控制； 对具有纯滞后的控制对象，可选用纯滞后补偿或大 林控制；对具有时变、非线性特性的控制对象以及 难以建立数学模型的控制对象，可选用模糊控制； 另外，还有随机控制、智能控制等其它控制算法。