第九章 计算机控制系统设计

1、计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院1计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院2本章知识结构本章知识结构计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院设计计算机控制系统的原则：设计计算机控制系统的原则： 可靠性要高可靠性要高：这是首要要求，是系统各种功能得：这是首要要求，是系统各种功能得以实现的基础以实现的基础 操作性能要好操作性能要好：便于现场人员的操作使用和维护：便于现场人员的操作使用和维护 实时性好实时性好：对内部和外部事件能及时响应：对内部和外部事件能及时响应 通用性强通用性强：具有可扩充性及在不改变设备

2、情况下：具有可扩充性及在不改变设备情况下适应新的要求适应新的要求 设计周期短和成本低设计周期短和成本低3计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院u 了解工艺要求，明确控制任务了解工艺要求，明确控制任务u 确定系统的总体设计方案确定系统的总体设计方案u 建立数学模型，确定控制算法建立数学模型，确定控制算法u 系统硬件设计系统硬件设计u 系统软件设计系统软件设计u 系统调试系统调试4计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院9.1.1 了解工艺要求，明确控制任务了解工艺要求，明确控制任务 首先熟悉控制对象的工艺流程，明确控制任首先熟悉控制对象的

3、工艺流程，明确控制任务务，包括系统信息来源和种类，被控对象和被控，包括系统信息来源和种类，被控对象和被控参数的特性，控制对象的工作环境，对人机通道参数的特性，控制对象的工作环境，对人机通道的要求，各项技术经济指标等，并根据实际应用的要求，各项技术经济指标等，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；的系统应该完成的任务； 其次用工艺图、时序图、控制流程等描述控其次用工艺图、时序图、控制流程等描述控制过程和控制任务，撰写设计任务说明书制过程和控制任务，撰写设计任务说明书。5计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学

4、院电气与自动化工程学院根据常见的控制问题将控制对象的要求分为两类：根据常见的控制问题将控制对象的要求分为两类：(1) 调节器问题调节器问题：当控制对象的输出偏离平衡状：当控制对象的输出偏离平衡状态或有这种趋势时，对它加以控制，使其回到态或有这种趋势时，对它加以控制，使其回到平衡状态，相应的控制系统称为恒值系统平衡状态，相应的控制系统称为恒值系统(2) 伺服机问题伺服机问题：对控制对象加以控制，使它的：对控制对象加以控制，使它的输出按某种规律变化，相应的控制系统称为随输出按某种规律变化，相应的控制系统称为随机系统。机系统。6计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院1.

5、 控制系统方案的确定控制系统方案的确定2. 测量器件的选择测量器件的选择3. 执行机构的选择执行机构的选择4. 选择过程通道及外设选择过程通道及外设5. 画出整个控制系统原理图画出整个控制系统原理图9.1.2 确定系统的总体设计方案确定系统的总体设计方案7计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院1. 控制系统方案的确定控制系统方案的确定1) 首先确定系统是采用开环控制、闭环控制，首先确定系统是采用开环控制、闭环控制，分布式控制，或者采用数据处理系统；分布式控制，或者采用数据处理系统；2) 其次确定系统的构成方式其次确定系统的构成方式(控制装置机型控制装置机型)：单片

6、机、单片机、PLC、IPC、DCS、FCS等。等。8计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院2. 测量器件的选择测量器件的选择 根据测量范围和要求的精度选择被控量的测根据测量范围和要求的精度选择被控量的测量器件，即传感器与变送器量器件，即传感器与变送器(温度、流量、压力、温度、流量、压力、液位、成分、位移、重量、速度等液位、成分、位移、重量、速度等)。3. 执行机构的选择执行机构的选择 不仅根据被控对象的实际情况，而且也要考不仅根据被控对象的实际情况，而且也要考虑与控制算法相匹配的问题。虑与控制算法相匹配的问题。 常用的执行机构：电动执行机构、气动薄膜常用的执行机构

7、：电动执行机构、气动薄膜调节阀、伺服电动机、步进电动机、晶闸管等调节阀、伺服电动机、步进电动机、晶闸管等9计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院4. 选择过程通道及外设选择过程通道及外设数据采集和传输所需的过程通道数数据采集和传输所需的过程通道数1) 所有过程通道的数据传输率，各通道处理的数所有过程通道的数据传输率，各通道处理的数据流量是否相等据流量是否相等2) 过程通道是串行操作还是并行操作过程通道是串行操作还是并行操作3) 模拟量过程通道中数据位数的选择：由控制精模拟量过程通道中数据位数的选择：由控制精度确定度确定A/D和和D/A转换的位数转换的位数4) 过程

8、通道连接方式的选择：每个通道单独设置过程通道连接方式的选择：每个通道单独设置A/D或或D/A还是多通道共享一个还是多通道共享一个A/D或或D/A5) 对显示、打印有无要求对显示、打印有无要求10计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院5. 画出整个控制系统原理图画出整个控制系统原理图 结合工业流程图画出完整的控制系统原理结合工业流程图画出完整的控制系统原理图，包括传感器、变送器。外设、过程通道及图，包括传感器、变送器。外设、过程通道及微型计算机，要简单、清晰、明了。微型计算机，要简单、清晰、明了。11计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学

9、院 计算机控制系统控制效果的优劣，主要取决于采计算机控制系统控制效果的优劣，主要取决于采用的控制策略和控制算法是否合适，而控制算法的选用的控制策略和控制算法是否合适，而控制算法的选择取决于具体的被控对象，因此有必要建立系统的数择取决于具体的被控对象，因此有必要建立系统的数学模型，且被控对象的数学模型的准确程度对系统的学模型，且被控对象的数学模型的准确程度对系统的控制效果有直接关系。控制效果有直接关系。 建模方法：理论建模建模方法：理论建模(系统机理系统机理)和试验建模和试验建模(系统系统辨识辨识)。 数学模型建立以后，根据离散化设计、模拟化设数学模型建立以后，根据离散化设计、模拟化设计或复杂规

10、律设计等方法确定控制算法。计或复杂规律设计等方法确定控制算法。12计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院 一般简单的生产过程：一般简单的生产过程：PI、PID控制控制 工况复杂、工艺要求较高的生产过程：比值控制、工况复杂、工艺要求较高的生产过程：比值控制、前馈控制、串级控制、自适应控制等前馈控制、串级控制、自适应控制等 快速随动系统：最少拍无差的直接设计法快速随动系统：最少拍无差的直接设计法 具有纯滞后的被控对象：达林算法或具有纯滞后的被控对象：达林算法或Smith预估预估纯滞后补偿算法纯滞后补偿算法 随机系统：随机控制算法随机系统：随机控制算法 具有时变、非线性

11、特性及难以建模的控制对象：具有时变、非线性特性及难以建模的控制对象：模糊控制、专家系统、神经网络控制等模糊控制、专家系统、神经网络控制等 在在DDC系统中，常用系统中，常用PID控制算法及其改进形式。控制算法及其改进形式。13计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院硬件实现硬件实现：速度快、节省：速度快、节省CPU时间；但系统较复杂、时间；但系统较复杂、灵活性差，价格较高灵活性差，价格较高软件实现软件实现：灵活、价格便宜，但占用：灵活、价格便宜，但占用CPU时间时间 1. 现场设备选择现场设备选择 2. 选择系统的总线和主机机型选择系统的总线和主机机型 3. 选择过

12、程通道模板选择过程通道模板 4. 选择变送器和执行机构选择变送器和执行机构 5. 检测单元检测单元9.1.4 系统硬件设计系统硬件设计14计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院1. 现场设备选择现场设备选择 现场设备包括传感器、变送器和执行机构。综现场设备包括传感器、变送器和执行机构。综合考虑工作环境、性能、价格等因素择优而用。合考虑工作环境、性能、价格等因素择优而用。 采用总线式工业控制机进行系统硬件设计，可采用总线式工业控制机进行系统硬件设计，可以解决工业控制中众多问题。以解决工业控制中众多问题。15计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化

13、工程学院2. 选择系统的总线选择系统的总线1) 选择系统的总线选择系统的总线 内总线：内总线：PC总线和总线和STD总线，一般常选总线，一般常选PC总线总线 外总线：并行总线外总线：并行总线IEEE-488，串行总线，串行总线RS-232-C，进行远距离通信、多站点互联的，进行远距离通信、多站点互联的RS-422和和RS-485。 具体选择哪一种要根据通信的速率、距离、系具体选择哪一种要根据通信的速率、距离、系统拓扑结构、通信协议等要求综合分析。统拓扑结构、通信协议等要求综合分析。2) 选择主机机型选择主机机型 根据要求合理选型，通常根据要求合理选型，通常80486的的CPU足够。足够。16计

14、算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院3. 选择过程通道模板选择过程通道模板 包括数字量包括数字量I/O、模拟量、模拟量I/O等模板。等模板。1) DI/DO模板模板 与工控机工地装置的接口：与工控机工地装置的接口：TTL电平电平 其他装置与工控机之间：光电隔离其他装置与工控机之间：光电隔离2) AI/AO模板模板 包括包括A/D、D/A板及信号调理电路。板及信号调理电路。 输入输出信号：输入输出信号：05V，110V，010mA，420mA及热电偶、热电阻和各种变送器的信号及热电偶、热电阻和各种变送器的信号 需注意分辨率、转换速度、量程范围等技术指标。需注意分辨率

15、、转换速度、量程范围等技术指标。17计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院4. 选择变送器和执行机构选择变送器和执行机构1) 选择变送器选择变送器 根据被测参数的种类、量程、被测对象的介质类型根据被测参数的种类、量程、被测对象的介质类型和环境选择。和环境选择。2) 选择执行机构选择执行机构 执行机构分为气动、电动和液压三种类型。执行机构分为气动、电动和液压三种类型。 电动执行机构：体积小、种类多、便于信号传输及处理，电动执行机构：体积小、种类多、便于信号传输及处理，控制一般的液体和气体，但不宜于爆炸危险的环境控制一般的液体和气体，但不宜于爆炸危险的环境 气动执行机

16、构：结构简单、价格低、适于易燃易爆的环境气动执行机构：结构简单、价格低、适于易燃易爆的环境 液压执行机构：推力大、精度高液压执行机构：推力大、精度高 步进电动机：数控机床、步进电动机：数控机床、X-Y记录仪、旋转变压器、多圈记录仪、旋转变压器、多圈电位器等电位器等 有触电、无触点开关；电磁阀等有触电、无触点开关；电磁阀等18计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院5. 检测单元检测单元 检测元器件的选择，是影响控制系统精度的重检测元器件的选择，是影响控制系统精度的重要因素。检测元器件称为要因素。检测元器件称为“一次仪表一次仪表”。19计算机控制系统计算机控制系统电气

17、与自动化工程学院电气与自动化工程学院1. 编程语言选择编程语言选择 2. 数据类型和数据结构规划数据类型和数据结构规划3. 资源分配资源分配4. 实时控制软件设计实时控制软件设计20计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院1. 编程语言选择编程语言选择 (1) 汇编语言汇编语言(2) 高级语言高级语言(3) 组态软件组态软件 组态软件是专为工业过程控制开发的软件，组态软件是专为工业过程控制开发的软件，包括控制算法模块、计数包括控制算法模块、计数/计时模块、逻辑运算模计时模块、逻辑运算模块、输入模块、输出模块、打印模块、块、输入模块、输出模块、打印模块、CRT显示显示

18、模块等。模块等。21计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院2. 数据类型和数据结构规划数据类型和数据结构规划 控制系统各个功能模块之间的关系体现在接口控制系统各个功能模块之间的关系体现在接口条件上，即各接口参数的数据结构和数据类型。条件上，即各接口参数的数据结构和数据类型。 数据类型可以分为逻辑型和数值型。通常将逻数据类型可以分为逻辑型和数值型。通常将逻辑型数据归到软件标志中；数值型分为定点数和浮辑型数据归到软件标志中；数值型分为定点数和浮点数。点数。 若某参数是一系列有序数据的集合，如采样信若某参数是一系列有序数据的集合，如采样信号序列，则还存在数据结构的问题。

19、号序列，则还存在数据结构的问题。22计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院3. 资源分配资源分配 系统资源包括系统资源包括ROM、RAM、定时器、定时器/计数器、中计数器、中断源、断源、I/O地址等，主要工作是地址等，主要工作是RAM资源的分配。资源的分配。4. 实时控制软件设计实时控制软件设计1) 数据采集及数据处理程序数据采集及数据处理程序2) 控制算法程序控制算法程序3) 控制量输出程序控制量输出程序4) 实时时钟和中断处理程序实时时钟和中断处理程序5) 数据管理程序数据管理程序6) 数据通信程序数据通信程序23计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学

20、院电气与自动化工程学院1离线仿真和调试离线仿真和调试1) 硬件调试硬件调试各种标准的功能模板、各种标准的功能模板、DI/DO输出模板输出模板 现场仪表和执行机构现场仪表和执行机构 通信功能，验证数据传输的正确性通信功能，验证数据传输的正确性2) 软件调试软件调试 子程序子程序-次功能模块次功能模块-主程序的顺序主程序的顺序开环调试检查阶跃响应特性；闭环调试检查反馈控制功能开环调试检查阶跃响应特性；闭环调试检查反馈控制功能3) 系统仿真系统仿真 用模型来代替实际生产过程用模型来代替实际生产过程(被控对象被控对象)进行试验和研进行试验和研究究24计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气

21、与自动化工程学院2在线调试和运行在线调试和运行1) 检测元器件、变送器、显示仪表、调节阀等必须检测元器件、变送器、显示仪表、调节阀等必须经过校验，保证精确度要求；经过校验，保证精确度要求；2) 各种接线和导管必须经过检查，保证连接正确；各种接线和导管必须经过检查，保证连接正确；3) 对在流量中采用隔离液的系统，要清洗好引压导对在流量中采用隔离液的系统，要清洗好引压导管后灌入隔离液；管后灌入隔离液；4) 检查调节阀能否正常工作；检查调节阀能否正常工作；5) 检查系统的干扰情况和接地情况，如不符合要求，检查系统的干扰情况和接地情况，如不符合要求，应采取措施；应采取措施；6) 对安全防护措施也要检查

22、。对安全防护措施也要检查。25计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院9.2.1 过程控制系统举例过程控制系统举例-分布式控制系统分布式控制系统 1. 明确控制任务明确控制任务 2. 硬件设备的选择硬件设备的选择 (1) 转换模块转换模块 (2) 执行器执行器 3. 仿真实验仿真实验26计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院图图9.6 带带Smith预估器的温控系统预估器的温控系统 图图9.5 一般温控系统原理框图一般温控系统原理框图27计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院1.560s+1wp11.560

23、s+1wpPIDwc Zero-OrderStepScopeSaturationDelay1Delay图图9.8 带有带有Smith补偿器的仿真结构补偿器的仿真结构28计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院9.2.2 传动控制系统举例传动控制系统举例(直流电机控制系统的直流电机控制系统的PID算法应用算法应用)1. 直流电电机的速度控制方案29计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院2. 硬件结构结构 (1) 单片机单片机 (2) DA转换器转换器DAC0832和和AD转换器转换器ADS7818 (3) 无刷电机控制芯片无刷电机控制芯片

24、MC33035 (4) 测速装置测速装置 (5)功率驱动电路功率驱动电路3系统软统软件设计设计4仿真实验真实验 30计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院31计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院329.2.6 矿井提升机矿井提升机直流双闭环控制系统设计举例直流双闭环控制系统设计举例图图9.33提升机电气传动系统速度给定提升机电气传动系统速度给定(折线折线)提升系统的速度图包括五个阶段提升系统的速度图包括五个阶段(也有六个阶段，即也有六个阶段，即增设初加速阶段增设初加速阶段)，一般称为五阶段速度图，即：，一般称为五阶段速度图，即：加加

25、速阶段、匀速阶段、减速阶段、爬行阶段、制动阶段速阶段、匀速阶段、减速阶段、爬行阶段、制动阶段。提升机电气传动系统速度给定提升机电气传动系统速度给定 v = f(s)如图如图9.33所示。所示。计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院33图图9.34提升机电气传动提升机电气传动S形速度给定曲线形速度给定曲线五阶段速度图五阶段速度图(折线折线)的的不足不足：一是对电网造成冲击，：一是对电网造成冲击，形成尖峰负荷，影响整个电网系统的正常运行；二是形成尖峰负荷，影响整个电网系统的正常运行；二是对提升系统机械部分产生动态冲击，加剧钢丝绳的摆对提升系统机械部分产生动态冲击，加剧

26、钢丝绳的摆动，对提升机的稳定运行造成不良影响。动，对提升机的稳定运行造成不良影响。原因原因：折线形速度图的速度过渡不平滑，在速度的变：折线形速度图的速度过渡不平滑，在速度的变化拐点处加速度变化率过大而造成突变。化拐点处加速度变化率过大而造成突变。解决办法解决办法：S形速度给定曲线形速度给定曲线(见图见图9.34)。计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院341. 设计设计思想2. 系统统方案的选择选择3. 双闭环双闭环直流调调速系统统1) 双闭环直流调速系统的组成与工作原理双闭环直流调速系统的组成与工作原理2) 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分 析析(1) 双闭环直流调速系统的数学模型建立双闭环直流调速系统的数学模型建立(2) 双闭环直流调速系统的动态性能分析双闭环直流调速系统的动态性能分析1) 提升系统技术参数提升系统技术参数2) 设计思路设计思路计算机控制系统计算机控制系统电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院359.38直流电动机双闭环调速系统原理图直流电动机双闭环调速系统原理图计算机控