控制系统设计与工程实现

第11章控制系统设计与工程实现本章要点1．学习计算机控制系统的设计原则。2．初步掌握计算机控制系统的设计步骤。3．学习实例，加深认识与初步掌握单片机、IPC和PLC控制系统的设计思路。本章主要内容

引言

11.1控制系统的设计原则11.2控制工程的实现步骤11.3控制工程的应用实例本章小结思考题引言

前面讨论了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置类型，这就为计算机控制系统的设计与工程实现奠定了基础。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，这使得计算机控制系统的构成方式和规模大小也具有多样性。11.1控制系统的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，但控制系统的设计原则是相同的。这就是满足工艺要求，可靠性高，操作性能好，实时性强，通用性好，经济效益高。主要内容

满足工艺要求

可靠性要高

操作性要好

实时性要强

通用性要好

经济效益要高

（1）满足工艺要求

在设计计算机控制系统时，首先应满足生产过程所提出的各种要求及性能指标。因为计算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。（2）可靠性要高

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。

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。

（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，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。

（4）实时性要强

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。（5）通用性要好工业控制的对对象千差万别别，而计算机机控制系统的的研制开发又又需要有一定定的投资和周周期。一般来来说，不可能能为一台装置置或一个生产产过程研制一一台专用计算算机，常常是是设计或选用用通用性好的的计算机控制制装置灵活地地构成系统。。当设备和控控制对象有所所变更时或者者再设计另外外一个控制系系统时，通用用性好的系统统一般稍作更更改或扩充就就可适应。计算机控制系系统的通用灵灵活性体现在在两方面：一一是硬件设计计方面，首先先应采用标准准总线结构，，配置各种通通用的功能模模板或功能模模块，以便在在需要扩充时时，只要增加加相应板、块块就能实现，，即便当CPU升级时，也只只要更换相应应的升级芯片片及少量相关关电路即可实实现系统升级级的目的。其其次，在系统统设计时，各各设计指标要要留有一定的的余量，如输输入输出通道道指标、内存存容量、电源源功率等。二二是软件方面面，应采用标标准模块结构构，尽量不进进行二次开发发，主要是按按要求选择各各种软件功能能模块，灵活活地进行控制制系统的组态态。（6）经济效益要高高计算机控制应应该带来高的的经济效益，，要有市场竞竞争意识。经经济效益表现现在两方面：：一是系统设设计的性能价价格比要尽可可能的高，在在满足设计要要求的情况下下，尽量采用用物美廉价的的元器件；二二是投入产出出比要尽可能能的低，应该该从提高生产产的产品质量量与产量、降降低能耗、消消除污染、改改善劳动条件件等方面进行行综合评估。。11.2控制工程的实实现步骤主要知识点简单介绍11.2.1准备阶段11.2.2设计阶段11.2.3仿真及调试阶阶段简单介绍作为一个计算算机控制系统统的工程项目目，在设计研研制过程中应应经过哪些步步骤，这是需需要认真考虑虑的。如果步步骤不清，或或者每一步需需要做什么不不明确，就有有可能引起研研制过程中的的混乱甚至返返工。计算机机控制系统的的研制过程一一般可分为4个阶段：准备备阶段、设计计阶段、仿真真及调试阶段段和现场调试试运行阶段。。11.2.1准备阶段在一个工程项项目研制实施施的开始阶段段，首先碰到到的问题是甲甲方和乙方之之间的双方合合同关系。甲甲方是任务的的委托方，乙乙方是任务的的承接方。图14-1给出了系统研研制准备阶段段的流程，该该流程既适合合于甲方，也也适合于乙方方。14-1系统研制准备备阶段流程14-1系统研制准备备阶段流程1．甲方提出任任务委托书2．乙方研究任任务委托书3．双方对委托托书进行确认认性修改4．乙方初步进进行系统总体体方案设计5．乙方进行方方案可行性论论证6．签订合同书书在委托乙方承承接系统项目目前，甲方一一定要提供正正式的书面任任务委托书，，该委托书一一定要有清楚楚准确的系统统技术性能指指标，还要包包含经费、计计划进度及合合作方式等内内容。1．甲方提出任任务委托书乙方在接到任任务委托书后后要认真阅读读，并逐条进进行研究。对对含糊不清、、认识上有分分歧和需补充充或删节的地地方要逐条标标出，并拟订订出要进一步步弄清的问题题及修改意见见。2．乙方研究任任务委托书在乙方对委托托书进行了认认真研究之后后，双方应就就委托书的确确认或修改事事宜进行协商商和讨论。经经过确认或修修改过的委托托书中不应再再有含义不清清的词汇和条条款，而且双双方的任务和和技术界面必必须划分清楚楚。3．双方对委托托书进行确认认性修改由于任务和经经费没有落实实，所以这时时总体方案的的设计只能是是粗线条的。。但应能反映映出三大关键键问题：技术术难点；经费费概算；工期期。乙方应多多做几个不同同的方案以便便比较。4．乙方初步进进行系统总体体方案设计方案可行性论论证的目的是是要估计承接接该项任务的的把握性，并并为签合同后后设计阶段的的总体设计打打下基础。论论证的主要内内容是：技技术可行性；；经费可行行性；进度度计划可行性性。特别要指指出，对控制制项目尤其是是对可测性和和可控性应给给予充分重视视。如果论证的结结果可行，接接着就应做好好签合同前的的准备工作；；如果不可行行，则应与甲甲方进一步协协商任务委托托书的有关内内容或对条款款进行修改。。若不能修改改，则合同不不能签订。5．乙方进行方方案可行性论论证这是准备阶段段的最后一个个步骤。合同同书是双方达达成一致意见见的结果，也也是以后双方方合作的唯一一依据和凭证证。合同书应应包含如下内内容：双方的的任务划分和和各自应承担担的责任；合合作方式；付付款方式；进进度和计划安安排；验收方方式及条件；；成果的归属属；违约的解解决办法等。。合同书的最后后签订，也就就意味着双方方认可的系统统总体方案得得以确定，可可以进入下一一个设计阶段段。6．签订合同书书11.2.2设计阶段控制系统的设设计阶段又分分为总体设计计、硬件设计计、软件设计计等几个步骤骤。1．总体设计硬件设计3．软件设计1．总体设计总体设计就是是要了解控制制对象、熟悉悉控制要求，，确定总的技技术性能指标标，确定系统统的构成方式式及控制装置置与现场设备备的选择，以以及控制规律律算法和其它它特殊功能要要求。（1）确定系统任务务与控制方案案（2）确定系统的构构成方式设计计（3）选择现场设备备（4）确定控制算法法（5）硬、软件功能能的划分（6）其它方面的考考虑在进行系统设设计之前，首首先应对控制制对象的工艺艺流程进行分分析归纳，明明确具体要求求，确定系统统所要完成的的任务，一般般应同用户讨讨论并得到用用户的认可。。然后根据系系统要求，确确定采用开环环还是闭环控控制；闭环控控制还需进一一步确定是单单闭环还是多多闭环；进而而还要确定出出整个系统是是采用DDC，还是采用SCC，或者采用DCS或FCS。（1）确定系统任任务与控制方方案控制方案确定定后，就可以以进一步确定定系统的构成成方式即进行行控制装置机机型的选择。。目前已经生生产出许多用用于工业控制制的计算机装装置可供选择择，如单片机机、可编程调调节器、IPC、PLC和DCS、FCS等。（2）确定系统的的构成方式在以模拟量为为主的中小规规模的过程控控制环境下，，一般应优先先选择总线式式IPC来构成系统的的方式；在以以数字量为主主的中小规模模的运动控制制环境下，一一般应优先选选择PLC来构成系统的的方式。IPC或PLC具有系列化、、模块化、标标准化和开放放式系统结构构，有利于系系统设计者在在系统设计时时根据要求任任意选择，象象搭积木般地地组建系统。。这种方式可可提高系统研研制和开发速速度，提高系系统的技术水水平和性能，，增加可靠性性。当系统规模较较小、控制回回路较少时，，可以考虑采采用可编程调调节器或控制制仪表；如果果是小型控制制装置或智能能仪器仪表的的研制设计，，则可以采用用单片机系列列。当系统规规模较大，自自动化水平要要求高，甚至至集控制与管管理为一体的的系统可选用用DCS、FCS、高档PLC或其它工控网网络构成。主要包含传感感器、变送器器和执行器的的选择。随着着控制技术的的发展，测量量各种参数的的传感器，如如温度、压力力、流量、液液位、成分、、位移、重量量、速度等等等，种类繁多多，规格各异异；而执行器器也有模拟量量执行器、数数字量执行器器以及电动、、气动、液动动等之分。因因此，如何正正确选择这些些现场设备，，确实不是一一件简单的事事情，这其中中的任何一个个环节都会影影响系统的控控制任务和控控制精度。（3）选择现场场设备选用什么控控制算法才才能使系统统达到要求求的控制指指标，也是是系统设计计的关键问问题之一。。控制算法法的选择与与系统的数数学模型有有关，在系系统的数学学模型确定定后，便可可推导出相相应的控制制算法。所谓数数学模模型就就是系系统动动态特特性的的数学学表达达式，，它表表示系系统输输入输输出及及其内内部状状态之之间的的关系系。一一般多多由实实验方方法测测出系系统的的阶跃跃响应应特性性曲线线，然然后由由曲线线确定定出其其数学学模型型。当当系统统模型型确定定之后后，即即可确确定控控制算算法。。计算算机控控制系系统的的主要要任务务就是是按此此控制制算法法进行行控制制。因因此，，控制制算法法的正正确与与否，，直接接影响响控制制系统统的调调节品品质。。（4）确定定控制制算法法由于控控制对对象多多种多多样，，相应应控制制模型型也各各异，，所以以控制制规律律及其其控制制算法法也是是多种种多样样的。。如一一般简简单的的生产产过程程常采采用P、PI或PID控制；；对于于工况况复杂杂工艺艺要求求高的的生产产过程程，一一般的的PID不能达达到性性能指指标时时，应应采取取其它它控制制规律律如串串级、、前馈馈、自自适应应等；；对于于快速速随动动系统统，可可选用用最少少拍控控制；；对具具有纯纯滞后后的控控制对对象，，可选选用纯纯滞后后补偿偿或大大林控控制；；对具具有时时变、、非线线性特特性的的控制制对象象以及及难以以建立立数学学模型型的控控制对对象，，可选选用模模糊控控制；；另外外，还还有随随机控控制、、智能能控制制等其其它控控制算算法。。在计算算机控控制系系统中中，一一些控控制功功能既既能由由硬件件实现现，亦亦能用用软件件实现现。故故系统统设计计时，，硬、、软件件功能能的划划分要要综合合考虑虑。用用硬件件来实实现一一些功功能的的好处处是可可以加加快处处理速速度，，减轻轻主机机的负负担，，但要要增加加部件件成本本；而而软件件实现现正好好相反反，可可以降降低成成本，，增加加灵活活性，，但要要占用用主机机更多多的时时间。。一般般的考考虑原原则是是视控控制系系统的的应用用环境境与今今后的的生产产数量量而定定。对对于今今后能能批量量生产产的系系统，，为了了减低低成本本，提提高产产品竞竞争力力，在在满足足指标标功能能的前前提下下，应应尽量量减少少硬件件器件件，多多用软软件来来完成成相应应的功功能。。如果果软件件实现现很困困难，，而用用硬件件实现现却比比较简简单，，且系系统的的批量量又不不大的的话，，则用用硬件件实现现功能能比较较妥当当。（5）硬、、软件件功能能的划划分还应考考虑人人机界界面、、系统统的机机柜或或机箱箱的结结构设设计、、抗干干扰等等方面面的问问题。。最后后初步步估算算一下下成本本，做做出工工程概概算。。对所提提出的的总体体设计计方案案要进进行合合理性性、经经济性性、可可靠性性以及及可行行性论论证。。论证证通过过后，，便可可形成成作为为系统统设计计依据据的系系统总总体方方案图图和系系统设设计任任务书书，以以指导导具体体的系系统设设计过过程。。（6）其它它方面面的考考虑2.硬件设设计对于通通用控控制系系统，，可以以首选选现成成的总总线式式IPC系统或或者PLC装置，，以加加快设设计研研制进进程，，使系系统硬硬件设设计的的工作作量减减到最最小。。例如如STD总线、、PC总线IPC有数十十种国国内外外的品品牌，，PLC也有十十几种种品牌牌几十十种系系列可可供选选择。。这些些符合合工业业化标标准的的控制制装置置的模模板、、模块块产品品都经经过严严格测测试，，并可可提供供各种种软硬硬件接接口，，包括括相应应的驱驱动程程序等等。这这些模模板模模块产产品只只要总总线标标准一一致，，买回回后插插入相相应空空槽即即可运运行，，构成成系统统极为为方便便。所所以。。除非非无法法买到到满足足自己己要求求的产产品，，否则则绝不不要随随意决决定自自行研研制。。无论是是选用用现成成的IPC，还是是采用用PLC装置，，设计计者都都要根根据系系统要要求选选择合合适的的模板板或模模块。。选择择内容容一般般包括括：（1）根据据控制制任务务的复复杂程程度、、控制制精度度以及及实时时性要要求等等选择择主机机板（（包括括总线线类型型、主主机机机型等等）；；（2）根根据AI、AO点数、、分辨辨率和和精度度，以以及采采集速速度等等选A／D、D／A板（包包括通通道数数量、、信号号类别别、量量程范范围等等）；；（3）根据据DI、DO点数和和其它它要求求，选选择开开关量量输入入输出出板（（包括括通道道数量量、信信号类类别、、交直直流和和功率率大小小等））；（4）根据据人机机联系系方式式选择择相应应的接接口板板或显显示操操作面面板（（包括括参数数设定定、状状态显显示、、手动动自动动切换换和异异常报报警等等）；；（5）根据据需要要选择择各种种外设设接口口、通通信板板块等等；（6）根据据工艺艺流程程选择择测量量装置置（包包括被被测参参数种种类、、量程程大小小、信信号类类别、、型号号规格格等））；（7）根据据工艺艺流程程选择择执行行装置置（包包括能能源类类型、、信号号类别别、型型号规规格等等）。。采用通通用控控制装装置构构成系系统的的优点点是：：系统统配置置灵活活，规规模可可大可可小，，扩充充方便便，维维修简简单，，由于于无须须进行行硬件件线路路设计计，因因而对对设计计人员员的硬硬件技技术水水平要要求不不高。。一般般IPC都配有有系统统软件件，有有的还还配有有各种种控制制软件件包；；而有有的IPC只提供供硬件件设计计上的的方便便，而而应用用软件件需自自行开开发，，或者者系统统设计计者愿愿意自自己开开发研研制全全部应应用软软件。。以获获取这这部分分较高高的商商业利利润。。专用控控制系系统是是指应应用领领域比比较专专一，，或者者是为为某项项应用用而专专门设设计、、开发发的计计算机机控制制系统统，如如数控控机床床控制制设备备、彩彩色印印刷控控制设设备、、电子子称重重仪及及其它它智能能数字字测控控设备备等专专用的的智能能化仪仪器仪仪表及及小型型控制制系统统。另另外，，带有有智能能控制制功能能的家家电产产品也也属这这类系系统。。这些些系统统偏重重于某某几项项特定定的功功能，，系统统的软软硬件件比较较简单单和紧紧凑，，常用用于批批量的的定型型产品品中。。硬件件完全全按系系统的的要求求进行行配置置，软软件多多采用用固化化的专专用芯芯片和和相应应器件件，一一般可可采用用单片片机系系统或或专用用的控控制芯芯片来来实现现，开开发完完成后后一般般不作作较大大的更更动。。这种种方法法的优优点是是系统统针对对性强强、价价格便便宜，，缺点点是设设计制制造周周期长长，设设计人人员应应具备备较深深的计计算机机知识识，系系统的的全部部硬件件、软软件均均需自自行开开发研研制。。3．软件件设计计用IPC或PLC来组建建计算算机控控制系系统不不仅能能减小小系统统硬件件设计计工作作量，，而且且还能能减小小系统统软件件设计计工作作量。。一般般它们们都配配有实实时操操作系系统或或实时时监控控程序序以及及各种种控制制、运运算软软件和和组态态软件件等，，可使使系统统设计计者在在最短短的周周期内内，开开发出出应用用软件件。如果从从选择择单片片机入入手来来研制制控制制系统统，那那系统统的全全部硬硬件、、软件件均需需自行行开发发研制制。自自行开开发控控制软软件时时，应应先画画出程程序总总体流流程图图和各各功能能模块块流程程图，，再选选择程程序设设计语语言，，然后后编制制程序序。程程序编编制应应先模模块后后整体体。软软件设设计应应考虑虑以下下几个个方面面。（1）编程程语言言的选选择根据机机型不不同和和控制制工况况不同同，可可以选选择不不同的的编程程设计计语言言。目目前常常用的的语言言有汇汇编语语言、、高级级语言言、组组态语语言等等。汇编语语言是是使用用助记记符代代替二二进制制指令令码的的面向向机器器的语语言。。用汇汇编语语言编编出的的程序序质量量较高高，且且易读读、易易记、、易检检查和和修改改，但但不同同的机机器有有不同同的汇汇编语语言，，如MCS51单片片机机汇汇编编语语言言、、8086CPU汇编编语语言言等等。。编编程程者者必必须须先先熟熟悉悉这这种种机机器器的的汇汇编编语语言言才才能能编编程程，，这这就就要要求求编编程程者者要要有有较较深深的的计计算算机机软软件件和和硬硬件件知知识识以以及及一一定定程程度度的的程程序序设设计计技技能能与与经经验验。。高级级语语言言更更接接近近英英语语自自然然语语言言和和数数学学表表达达式式，，程程序序设设计计人人员员只只要要掌掌握握该该种种语语言言的的特特点点和和使使用用方方法法，，而而不不必必了了解解机机器器的的指指令令系系统统就就可可以以编编程程设设计计。。因因而而它它具具有有通通用用性性好好、、功功能能强强、、更更易易于于编编写写等等特特点点，，是是近近年年来来发发展展很很快快的的一一种种编编程程方方式式。。目目前前，，AT89、51系列列单单片片机机常常用用的的高高级级语语言言有有C-51、PL／M-51以及及MBASIC-51等。。高级级语语言言在在编编写写控控制制算算法法和和图图形形显显示示方方面面具具有有独独特特的的优优点点，，而而汇汇编编语语言言编编写写的的程程序序比比用用高高级级语语言言编编写写的的程程序序执执行行速速度度快快、、占占用用内内存存少少。。所所以以，，一一种种较较好好的的模模式式是是混混合合使使用用两两种种语语言言，，用用汇汇编编语语言言编编写写中中断断管管理理、、输输入入输输出出等等实实时时性性强强的的程程序序，，而而用用高高级级语语言言编编写写计计算算、、图图形形显显示示、、打打印印等等运运算算管管理理程程序序。。组态态语语言言是是一一种种针针对对控控制制系系统统而而设设计计的的面面向向问问题题的的高高级级语语言言，，它它为为用用户户提提供供了了众众多多的的功功能能模模块块。。比比如如，，控控制制算算法法模模块块（（如如PID），，运运算算模模块块（（四四则则运运算算、、开开方方、、最最大大值值/最小小值值选选择择、、一一阶阶惯惯性性、、超超前前滞滞后后、、工工程程量量变变换换、、上上下下限限报报警警等等数数十十种种）），，计计数数/计时时模模块块，，逻逻辑辑运运算算模模块块，，输输入入模模块块，，输输出出模模块块，，打打印印模模块块，，CRT显示示模模块块等等。。系系统统设设计计者者只只需需根根据据控控制制要要求求，，选选择择所所需需的的模模块块就就能能十十分分方方便便地地生生成成系系统统控控制制软软件件，，因因而而软软件件设设计计工工作作量量大大为为减减小小。。常常用用的的组组态态软软件件有有Intouch、FIX、WinCC、KingView组态态王王、、MCGS、力力控控等等。。在软软件件技技术术飞飞速速发发展展的的今今天天，，各各种种软软件件开开发发工工具具琳琳琅琅满满目目，，每每种种开开发发语语言言都都有有其其各各自自的的长长处处和和短短处处。。在在设设计计控控制制系系统统的的应应用用程程序序时时，，究究竟竟选选择择哪哪种种语语言言编编程程，，还还是是两两种种语语言言混混合合使使用用，，这这要要根根据据被被控控对对象象的的特特点点、、控控制制任任务务的的要要求求以以及及所所具具备备的的条条件件而而定定。。（2）数据类型型和数据结结构规划系统的各个个模块之间间要进行各各种信息传传递，如数数据采集模模块和数据据处理模块块之间、数数据处理模模块和显示示模块、打打印模块之之间的接口口条件，也也即各接口口参数的数数据结构和和数据类型型必须严格格统一规定定。从数据类型型上来分类类，可分为为逻辑型和和数值型。。通常将逻逻辑型数据据归到软件件标志中去去考虑。数数值型数据据可分为定定点数和浮浮点数，定定点数具有有直观、编编程简单、、运算速度度快的优点点，缺点是是表示的数数值动态范范围小，容容易溢出；；而浮点数数则相反，，数值动态态范围大、、相对精度度稳定、不不易溢出，，但编程复复杂，运算算速度低。。如果某参数数是一系列列有序数据据的集合，，如采样信信号序列，，则不只有有数据类型型问题，还还有一个数数据存放格格式问题，，即数据结结构问题。。具体说来来，就是按按顺序结构构、链形结结构还是树树形结构来来存放数据据。（3）资源分配配完成数据类类型和数据据结构的规规划后，便便开始分配配系统的资资源。系统统资源包括括ROM、RAM、定时器/计数器、中中断源、I/O地址等。ROM资源用来存存放程序和和表格，I/O地址、定时时器/计数器、中中断源在任任务分析时时已经分配配好了。因因此，资源源分配的主主要工作是是RAM资源的分配配。RAM资源规划好好后，应列列出一张RAM资源的详细细分配清单单，作为编编程依据。。（4）控制软件件的设计计算机控制制系统的实实时控制应应用程序一一般包括以以下几部分分。①数据采集集及数据处处理程序数据采集程程序主要包包括模拟量量和数字量量多路信号号的采样、、输入变换换、存储等等。数据处处理程序主主要包括数数字滤波程程序、线性性化处理和和非线性补补偿、标度度变换程序序、越限报报警程序等等。②控制算法法程序控制算法程程序是计算算机控制系系统的核心心程序，其其内容由控控制系统的的类型和控控制规律所所决定。一一般有：数数字PID控制算法、、大林算法法、Smith补偿控制算算法、最少少拍控制算算法、串级级控制算法法、前馈控控制算法、、解耦控制制算法、模模糊控制算算法、最优优控制算法法等。实际际实现时，，可选择合合适的一种种或几种控控制算法，，来实现控控制。③控制量输出出程序控制量输出出程序实现现对控制量量的处理（（上下限和和变化率处处理）、控控制量的变变换及输出出，驱动执执行机构或或各种电气气开关。控控制量也包包括模拟量量和开关量量输出两种种。④人-机界面程序序这是面板操操作管理程程序，包括括键盘、开开关、拨码码盘等信息息输入程序序，显示器器、指示灯灯、监视器器和打印机机等输出程程序，事故故报警以及及故障检测测程序等。。⑤程序实时时时钟和中中断处理程程序计算机控制制系统中有有很多任务务是按时间间来安排的的，因此实实时时钟是是计算机控控制系统的的运行基础础。时钟有有绝对时钟钟和相对时时钟两种。。绝对时钟钟与当地的的时间同步步，相对时时钟与当地地时间无关关。许多实时任任务如采样样周期、定定时显示打打印、定时时数据处理理等都必须须利用实时时时钟来实实现，并由由定时中断断服务程序序去执行相相应的动作作或处理动动作状态标标志。另外外，事故报报警、掉电电保护等一一些重要事事件的处理理也常常使使用中断技技术，以使使计算机能能对事件做做出及时处处理。⑥数据管理理程序这部分程序序用于生产产管理，主主要包括画画面显示、、变化趋势势分析、报报警记录、、统计报表表打印输出出等。⑦数据通信信程序数据通信程程序主要完完成计算机机与计算机机之间、计计算机与智智能设备之之间的信息息传递和交交换。（5）程序设计计的方法应用程序的的设计方法法可采用模模块化程序序设计和自自顶向下程程序设计等等方法。模块化程序序设计是把把一个较长长的程序按按功能分成成若干个小小的程序模模块，然后后分别进行行独立设计计、编程、、测试和查查错之后，，最后把各各调试好的的程序模块块连成一个个完整的程程序。模块块化程序设设计的特点点是单个小小程序模块块的编写和和调试比较较容易；一一个模块可可以被多个个程序调用用；检查错错误容易，，且修改时时只需改正正该模块即即可，无须须牵涉其它它模块。但但这种设计计在对各个个模块进行行连接时有有一定困难难。自顶向下程程序设计时时，先从主主程序进行行设计，从从属的程序序或子程序序用程序符符号来代替替。主程序序编好后，，再编写从从属的程序序，最后完完成整个系系统的程序序设计。这这种方法的的特点是设设计、测试试和连接同同时按一个个线索进行行，比较符符合人们的的日常思维维方式，设设计中的矛矛盾和问题题可以较早早发现和解解决。但这这种设计的的最大问题题就是上一一级的程序序错误将会会对整个程程序产生影影响，并且且局部的修修改将牵连连全局。11.2.3仿真及调试试阶段离线仿真及及调试阶段段一般在实实验室进行行，首先进进行硬件调调试与软件件调试，然然后进行硬硬件软件统统调，最后后考机运行行，为现场场投运做好好准备。主要内容1．硬件调试2．软件调试3．系统仿真4．考机1．硬件调试试对于各种标标准功能模模板，应按按照说明书书检查主要要功能。比比如主机板板（CPU板）上RAM区的读写功功能、ROM区的读出功功能、复位位电路、时时钟电路等等的正确性性。在调试A/D和D/A模板之前，，必须准备备好信号源源、数字电电压表、电电流表等标标准仪器。。对这两种种模板首先先检查信号号的零点和和满量程，，然后再分分档检查，，并且上行行和下行来来回调试，，以便检查查线性度是是否合乎要要求。利用开关量量输入和输输出程序来来检查开关关量输入（（DI）和开关量量输出（DO）模板。测测试时可在在输入端加加开关量信信号，检查查读入状态态的正确性性；可在输输出端用万万用表或灯灯泡检查输输出状态的的正确性。。硬件调试还还包括现场场仪表和执执行器，这这些仪表必必须在安装装之前按说说明书要求求校验完毕毕。如是DCS等通信网络络系统，还还要调试通通信功能，，验证数据据传输的正正确性。2．软件调试试软件调试的的顺序是子子程序、功功能模块和和主程序。。控制模块的的调试应分分为开环和和闭环两种种情况进行行。开环调调试是检查查PID控制模块的的开环阶跃跃响应特性性，开环阶阶跃响应实实验是分析析记录在不不同的P、I、D参数下，针针对不同阶阶跃输入幅幅度、不同同控制周期期、正反两两种作用方方向时的纯纯比例控制制、比例积积分控制以以及比例积积分微分控控制等三种种主要响应应曲线，从从而确定较较佳的P、I、D参数。在完成PID控制模块开开环特性调调试的基础础上，还必必须进行闭闭环特性调调试，即检检查PID控制模块的的反馈控制制功能。被被控对象可可以使用实实验室物理理模拟装置置，也可以以使用电子子式模拟实实验室设备备。实验方方法与模拟拟仪表调节节器组成的的控制系统统类似，即即分别做给给定值和外外部扰动的的阶跃响应应实验，改改变P、I、D参数以及阶阶跃输入的的幅度，分分析被控制制量的阶跃跃响应曲线线和PID控制器输出出控制量的的记录曲线线，判断闭闭环工作是是否正确。。在纯PID控制闭环实实验通过的的基础上，，再逐项加加入一些计计算机控制制的特殊功功能，如积积分分离、、微分先行行、非线性性PID等，并逐项项检查是否否正确。一般与过程程输入输出出通道无关关的程序，，如运算模模块都可用用开发装置置或仿真器器的调试程程序进行调调试，有时时为了调试试某些程序序，可能还还要编写临临时性的辅辅助程序。。一旦所有的的子程序和和功能模块块调试完毕毕，就可以以用主程序序将它们连连接在一起起，进行整整体调试。。整体调试试的方法是是自底向上上逐步扩大大，首先按按分支将模模块组合起起来，以形形成模块子子集，调试试完各模块块子集，再再将部分模模块子集连连接起来进进行局部调调试，最后后进行全局局调试。这这样经过子子集、局部部和全局三三步调试，，完成了整整体调试工工作。通过过整体调试试能够把设设计中存在在的问题和和隐含的缺缺陷暴露出出来，从而而基本上消消除了编程程上的错误误，为以后后的系统仿仿真调试和和在线调试试及运行打打下良好的的基础。3．系统仿真真在硬件和软软件分别调调试后，必必须再进行行全系统的的硬件、软软件统调，，即所谓的的系统仿真真，也称为为模拟调试试。所谓系系统仿真，，就是应用用相似原理理和类比关关系来研究究事物，也也就是用模模型来代替替实际被控控对象进行行实验和研研究。系统统仿真有以以下三种类类型：全物物理仿真（（即在模拟拟环境条件件下的全实实物仿真））；半物理理仿真（即即硬件闭路路动态试验验）；数字字仿真（即即计算机仿仿真）。系统仿真尽尽量采用全全物理或半半物理仿真真。试验条条件或工作作状态越接接近真实，，其效果也也就越好。。对于纯数数据采集系系统，一般般可做到全全物理仿真真；而对于于控制系统统，要做到到全物理仿仿真几乎是是不可能的的。这是因因为，我们们不可能将将实际生产产过程搬到到自己的实实验室中。。因此，控控制系统只只能做离线线半物理仿仿真，被控控对象可用用实验模型型代替。自自顶向下程程序设计时时，先从主主程序进行行设计，从从属的程序序或子程序序用程序符符号来代替替。主程序序编好后，，再编写从从属的程序序，最后完完成整个系系统的程序序设计。这这种方法的的特点是设设计、测试试和连接同同时按一个个线索进行行，比较符符合人们的的日常思维维方式，设设计中的矛矛盾和问题题可以较早早发现和解解决。但这这种设计的的最大问题题就是上一一级的程序序错误将会会对整个程程序产生影影响，并且且局部的修修改将牵连连全局。4．考机在系统仿真真的基础上上，还要进进行考机运运行，即进进行长时间间的运行考考验，有时时还要根据据实际的运运行环境，，进行特殊殊运行条件件的考验，，如高温和和低温剧变变运行试验验、振动和和抗电磁干干扰试验、、电源电压压剧变和掉掉电试验等等。11.2.4现场调试运运行阶段系统离线仿仿真和调试试后便可将将控制系统统和生产过过程联接在在一起，进进行在线现现场调试和和运行，最最后经过签签字验收，，才标志着着工程项目目的最终完完成。尽管上述离离线仿真和和调试工作作最终做到到了天衣无无缝，但现现场调试和和运行仍可可能出现问问题。现场场调试与运运行阶段是是一个从小小到大、从从易到难、、从手动到到自动、从从简单回路路到复杂回回路逐步过过渡的过程程。此前应应制定一系系列调试计计划、实施施方案、安安全措施、、分工合作作细则等。。为了做到到有把握，，在线调试试前还要进进行下列检检查：1．检测元件件、变送器器、显示仪仪表、调节节阀等必须须通过校验验，保证精精确度要求求。作为检检查，可进进行一些现现场校验。。2．各种电气气接线和测测量导管必必须经过检检查，保证证连接正确确。例如，，传感器的的极性不能能接反，各各个传感器器对号位置置不能接错错，各个气气动导管必必须畅通，，特别是不不能把强电电接在弱电电上。3．检查系统统的干扰情情况和接地地情况，如如果不符合合要求，应应采取措施施。4．对安全防防护措施也也要检查。。经过检查并并已安装正正确后，即即可进行系系统的投运运和参数的的整定。投投运时应先先切入手动动，等系统统运行接近近于给定值值时再切入入自动。有有关控制参参数的整定定，可按第第9.1.4数字PID参数的整定定介绍的方方法进行。。在现场调试试的过程中中，往往会会出现错综综复杂、时时隐时现的的奇怪现象象，一时难难以找到问问题的根源源。此时此此刻，计算算机控制系系统的设计计者们要认认真地共同同分析，不不要轻易地地怀疑别人人所做的工工作，以便便尽快找到到问题的根根源并解决决。系统运行正正常后，再再试运行一一段时间，，即可组织织签字验收收。验收是是系统项目目最终完成成的标志，，应由甲方方主持、乙乙方参加，，双方协同同办理。验验收完毕应应形成验收收文件存档档。11.3控制工程的的应用实例例要真正成功功地完成一一个工程项项目，除了了要讲究科科学的设计计方法外，，还要借助助于丰富的的实践经验验。因此，，我们应当当总结和学学习一些成成功项目的的实践经验验。下面分分别介绍四四种典型控控制装置的的工程应用用实例。主要内容11.3.1水槽水位单单片机控制制系统11.3.2循环水装置置IPC系统11.3.3中水回用PLC控制系统11.3.4火电厂DCS控制系统11.3.1水槽水位单单片机控制制系统对于小型测测控系统或或者某些专专用的智能能化仪器仪仪表，一般般可采用以以单片机为为核心、配配以接口电电路和外围围设备、再再编制应用用程序的模模式来实现现。下面以以一个简单单的水槽水水位控制系系统为例。。主要内容1．系统概述2．硬件电路3．程序设计1．系统概述述通过水槽水水位的高低低变化来启启停水泵，，从而达到到对水位的的控制目的的，这是一一种常见的的工艺控制制。如图14-2点划线框内内所示，一一般可在水水槽内安装装3个金属电极极A、B、C，它们分别别代表水位位的下下限限、下限与与上限。工工艺要求：：当水位升升到上限C以上时，水水泵应停止止供水；当当水位降到到下限B以下时，应应启动水泵泵供水；当当水位处于于下限B与上限C之间，水泵泵应维持原原有的工作作状态。图14-2水槽水位控控制电路动画链接2．硬件电路路根据工艺要要求，设计计的控制系系统硬件电电路如图14-2所示，这是是一个用单单片机采集集水位信号号并通过继继电器控制制水泵的小小型计算机机控制系统统。主要组组成部分的的功能如下下：(1)系统核心部部分：采用用低档型AT89C2051单片机，用用P1.0和P1.1端作为水位位信号的采采集输入口口，P1.2和P1.3端作为控制制与报警输输出口。(2)水位测量部部分：电极极A接+5V电源，电极极B、C各通过一个个电阻与地地相连。b点电平与c点电平分别别接到P1.0和P1.1输入端，可可以代表水水位的各种种状态与操操作要求，，共有4种组合，如如表14-1所示。表14-1水位信号及及操作状态态表C(P1.1)b(P1.0)水位操作00B点以下水泵启动01B、C之间维持原状10系统故障故障报警11C点以上水泵停止当水位降到到下限B以下时，电电极B与电极C在水面上方方悬空，b点、c点呈低电平平，这时应应启动水泵泵供水，即即是表中第第一种组合合；当水位位处于下限限与上限之之间，由于于水的导电电作用，电电极B连到电极A及+5V，则b点呈高电平平，而电极极C仍悬空则c点为低电平平，这时不不论水位处处于上升或或下降趋势势，水泵都都应继续维维持原有的的工作状态态，见表中中第二种组组合；当水水位上升达达到上限时时，电极B、C通过水导体体连到电电极A及+5V，因此b点、c点呈高电平平，这时水水泵应停止止供水，如如表中第四四种组合；；还有第三三种组合即即水位达到到电极C却未达到电电极B，即c点为高电平平而b点为低电平平，这在正正常情况下下是不可能能发生的，，作为一种种故障状态态，在设计计中还是应应考虑的。。(3)控制报警部部分：由P1.2端输出高电电平，经反反相器使光光耦隔离器器导通，继继电器线圈圈KM得电，常开开触点KA闭合，启动动水泵运转转；当P1.2端输出低电电平，经反反相器使光光耦隔离器器截止，继继电器线圈圈J失电，常开开触点断开开，则使水水泵停转。。由P1.3端输出高电电平，经反反相器变为为低电平，，驱动一支支发光二极极管发光进进行故障报报警。3．程序设计计程序流程如如图14-3所示。开始P1.1、P1.0=00？启动水泵P1.2←1设置堆栈指针P1.1、P1.0=10？P1.1、P1.0=11？停止水泵P1.2←0故障报警P1.3←111.3.2循环水水装置置IPC系统在以模模拟量量为主主的中中小规规模控控制条条件下下，应应优先先选择择IPC控制装装置，，下面面介绍绍用一一台STD总线IPC控制循循环水水动态态模拟拟试验验装置置的实实例。。主要内内容1．系统概概述2．硬件电电路3．软件设设计4．功能画画面1．系统统概述述大型化化工企企业普普遍采采用冷冷却水水循环环使用用技术术，但但循环环冷却却水同同时带带来设设备的的结垢垢与腐腐蚀问问题，，为此此利用用循环环水动动态模模拟试试验装装置，，模拟拟生产产现场场的流流态水水质、、流速速、金金属材材质和和循环环冷却却水进进出口口温度度等主主要参参数，，来评评价稳稳定水水质的的配方方、阻阻垢效效果及及寻求求相应应的操操作工工艺条条件。。（1）工艺艺流程程模拟试试验装装置的的主要要流程程如图14-4所示，，左下下方水水槽中中的冷冷水经经水泵泵、调调节阀阀打入入换热热器，，与蒸蒸汽换换热后后，导导入冷冷却塔塔与冷冷风换换冷，，喷淋淋而下下回落落到水水槽，，再由由水泵泵打循循环。。图14-4循环水动态模拟试验装置控制流程图（2）控制制要求求通常情情形是是用户户配置置两套套这样样的模模拟装装置同同时运运行，，因而而计算算机系系统应应同时时面向向两台台模拟拟装置置，集集检测测、控控制与与管理理于一一体，，主要要完成成如下下功能能：①10点参数检测功功能入口水温、出出口水温、蒸蒸汽温度、冷冷却塔底温度度，共8路温度，量程程为0～100℃，检测精度为为0．2级。两路循环环水流量，量量程为200～1200L／h，检测精度为为1级。还有计算算显示出入口口温差、瞬时时污垢热阻、、水阀与风阀阀门开度、试试验时间与剩剩余时间。②22个参数设定功功能换热器试管直直径与长度、、流量与温度度的给定值、、PID控制的比例系系数、积分时时间、微分时时间以及即时时时间与试验验时间。③10个参数标定功功能对8路温度、2路流量进行现现场标定。④PID控制功能实时控制2路入口水温与与2路循环水流量量，温度控制制精度：设定定值±0．5℃；流量控制精精度：设定值值±2％FS（FS即FullScale，意为满刻度度或满量程））。⑤工艺计算、、列表绘图功功能根据污垢热阻阻计算公式计计算并显示出出瞬时污垢热热阻，而且自自动生成试验验数据列表表。自动绘制制时间-污垢热阻曲线线。⑥其他功能指指标所有参数的采采样、计算、、控制周期均均为0.25S，刷新显示周周期为2S，试验数据记记录时间间隔隔按工艺要求求而定，数据据保存时间为为10年，系统内部部设有软件硬硬件自诊断、、自恢复功能能，具有永不不“死机”的的高度可靠性性。上述所有参数数均以汉字分分屏幕显示，，且附有提示示菜单以便操操作。2．硬件设计根据上述系统统功能及技术术指标的要求求，采用一台台现成的STD总线IPC较为适宜。选选用北京工业业大学电子工工厂的IPC产品，共由10块功能模板及及外设组成，，如图14-5所示。图14-5IPC硬件组成框图图图中（1）CPU板及打印机、、（2）CRT板及CRT、（3）键盘接口及及自诊断板及及键盘、（4）存储器板、、（5）电源，构成成了STD工业控制机基基本系统。在在自诊断板中中使用了WDT看门狗技术，，无论何种原原因引起死机机，自诊断系系统能在1～28内测出并恢复复正常运行，，整个计算机机系统工作十十分可靠。其中的（6）温度检测板板，是一个由由单片机构成成的智能型温温度接口板，，该板本身能能够完成8路温度的检测测，滤波处理理，铂电阻线线性化处理。。在这个板上上利用软件技技术从根本上上克服了温度度漂移问题。。其中的（7）D/A转换板是流量量及温度控制制的驱动接口口板。计算机机系统检测两两路塔底温度度与两路流量量，与设定值值进行比较，，并对其偏差差进行PID运算，其运算算结果通过D/A转换变成模拟拟电压信号输输出至（8）伺服放大板板，从而控制制相应的4个调节阀。其中的（8）伺服放大板板，其功能相相当于电动单单元组合仪表表中的4个伺服放大器器，但其精度度及可靠性优优于常规的伺伺服放大器。。它接收来自自D/A转换板的4路阀位信号，，并检测4个阀的实际位位置，如果实实际位置与D/A转换板输出的的阀位有偏差差，则使阀动动作，达到与与D/A输出一致的位位置后停止，，从而实现计计算机系统对对调节阀的控控制。其中的（10）滤波板，对对STD总线的有关信信号进行滤波波处理，从而而提高整个系系统的可靠性性。其中的（9）流量检测板板，主要由计计数电路组成成，检测两路路来自涡轮流流量变送器的的脉冲信号。。对其实行滤滤波、整形、、放大、光隔隔、计数处理理，并向两个个涡轮流量变变送器提供+12V电压，可参考考第4.2.2脉冲计数电路路部分与参看看书后文献。。3．软件设计计该系统采用了了现成的IPC，计算机厂家家已提供了监监控程序或系系统程序，设设计者的软件件设计任务主主要是进行系系统的应用软软件编制。该应用软件主主要完成两方方面的任务：：（1）8路温度、两路路流量的采集集与处理，入入口温度与流流量的控制，，定时存储实实验数据；（2）允许操作者者查看、打印印各种数据，，设定、标定定各个参数。。由于前者任务务要求适时性性较强，且完完成任务所需需时间较短，，故安排在中中断服务子程程序中完成。。而后者属人人机对话性质质，任务完成成时间较长，，且不需严格格适时性，故故放于主程序序中完成。图14-7中断服务子程程序由于该控控制系统小、、比较简单，，功能画面要要求也不复杂杂，因而软件件部分全部采采用汇编语言言编制。图图14-7中断服务子程程序IPC硬件组成框图图主程序结构框框图如图14-6所示。在初始始化过程中，，主要完成对对CRT、打印机工作作方式设定，，四个调节阀阀门初始定位位及软件标志志设置等。在每一个画面面处理过程中中，能够查看看其他画面，，同时完成本本画面应完成成的一些功能能。中断服务子程程序如图14-7所示。这是一一个时间中断断子程序。系系统设置每隔隔250ms中断一次，中中断服务子程程序中各个任任务，应能在在250ms内完成。每四四次中断即时时间间隔为1S时，刷新时钟钟，处理秒、、分、时、日日、月、年的的递增，实现现准确计时。。每八次中断断，即时间间间隔为2S时，采集8路温度、2路流量，利用用软件实现滤滤波处理，以以消除瞬间干干扰的影响。。控制采用传传统的PID控制方式，实实行输出速率率限定，即在在2S控制周期内，，输出变化幅幅度不大于输输出全范围的的5％。实验数据据的存储，若若系统在强稳稳过程中，则则每隔5min记录一次，若若系统在实验验过程中，则则每隔120min记录一次。实实验记录数