第8章-计算机控制系统的设计与实现-计算机控制技术-课件-

计算机控制技术

ComputerControlledSystem中南大学信息科学与工程学院袁艳Monday,December19,2022计算机控制技术

ComputerControlledSy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。计算机控制系统的工程设计，不仅要求掌握生产过程和工艺要求，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、微电子技术甚至控制室规划布置等。通常涉及总体方案设计，体系结构设计，设备选型定货，系统安装调试，工程验收和交付使用等具体工作。本章介绍计算机控制系统工程设计的原则、方法及系统的设计与实现技术，并提供了一个典型设计实例。计算机控制系统的设计，既是一个理论问题，又是一个工程问第八章计算机控制系统设计与实现8.1系统设计的原则与步骤8.2系统的工程设计与实现8.3计算机控制系统设计举例8.4热处理加热炉智能模糊控制系统第八章计算机控制系统设计与实现8.1系统设计的原则与步骤8.1系统设计的原则与步骤返回尽管计算机控制系统的生产过程多种多样，系统的设计方案和具体的技术指标也是千变万化，但在计算机控制系统的设计与实现过程中，有共性的设计原则与步骤。

8.1.1系统设计的原则

8.1.2系统设计的步骤8.1系统设计的原则与步骤返回尽管计算机控制系统的生产8.1.1系统设计的原则1、安全可靠在工业控制计算机系统中，可靠性指标一般用系统的平均维修时间MTTR(Mean-Time-To-Repair)来表示或平均无故障时间(Mean-Time-Before-Failure)。MTTR表示系统每次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。8.1.1系统设计的原则1、安全可靠

措施：选用高性能的工业控制计算机（保证在恶劣的工业环境下能正常运行）；设计可靠的控制方案，具备各种安全保护措施；设计后备装置，主要功能分散，可采用DCS或FCS等。对于一般的控制回路，选用手动操作作为后备。对于较重要的控制场合，常采用双机系统作为控制系统的核心控制器，措施：

一般的方式有：⑴备份工作方式即一台投入运行，另一台作为系统的备份机。当投入运行的微机出现故障时，由专用切换装置将备份机自动投入，接替出故障的主机，使系统照常运行；出现故障的微机修复后，则作为备份机使用。

⑵主从工作方式即两台微机同时投入运行。一台担任主要工作，另一台担任从属工作。当担任主要工作的主机发生故障时，由担任从属工作的从属机接替主机的工作，保证系统的继续运行。一般的方式有：⑶双工工作方式

在这种系统中，两台主机同时投入系统运行，在如何一个时刻，都同步执行同一个任务，并将结果送到一个专门的装置进行核对。如两台机器输出结果相符，说明两台主机都正常，允许将结果输出到被控对象或设备；如结果不符，封锁输出，如经几次核对后结果仍不符，则说明其中一台发生故障。这时调用诊断程序确定故障所在机器，并将其换下，让另一台主机继续完成执行控制任务。⑶双工工作方式⑷分布式控制方案其实质是智能控制单元分别控制各被控对象，由上一级计算机进行监视和管理。当某一台智能控制单元出现故障时，它的控制任务可由上位机来承担；如上位机出现故障，则各智能控制单元仍可维持对各被控对象的控制，所以大大提高了整个系统的可靠性。⑷分布式控制方案2、系统操作性能好操作性能好包括使用方便和维修容易两个含义。操作方便表现在操作简单、直观形象、便于掌握，并不强求操作工要掌握计算机知识才能操作。既要体现操作的先进性，又要兼顾原有的操作习惯。维修方便体现在易于查找故障，易于排除故障。采用标准的功能模板式结构，便于更换故障模板。并在功能模板上安装工作状态指示灯和检测点，便于维修人员检查，另外配置诊断程序，用来查找故障。2、系统操作性能好3、实时性强工业控制机的实时性，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。对于定时事件如数据的定时采集，运算控制等，系统设置时钟，保证定时处理。对于随机事件如事故、报警等，系统设置中断，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。3、实时性强4、通用性好，便于扩充计算机控制的对象千变万化，一个工业控制系统一般可同时控制多台设备或控制对象。系统设计时应考虑能适应不同的设备和不同的控制对象。系统设计时，各设计指标要留有一定的余量，为日后系统的扩充创造有利的条件。如CPU的工作速度、电源功率、内存容量、输入输出通道数等指标，均应留有一定余量。4、通用性好，便于扩充工业控制机的通用灵活性体现在两方面：硬件模板设计采用标准总线结构，配置各种通用的功能模板，以便再扩充功能，只需增加功能模板就能实现；软件模块或控制算法采用标准模块结构，用户使用时不需要二次开发，只需按要求选择各种功能模块，灵活地进行控制系统组态。工业控制机的通用灵活性体现在两方面：5、经济效益高计算机控制系统应该带来高的经济效益，系统设计时要考虑性能价格比，要有市场竞争意识。经济效益表现在：一是系统设计的性能价格比要尽可能的高；二是投入产出比要尽可能地低。返回5、经济效益高返回8.1.2系统设计的步骤1、工程设计的确定确定工程项目与控制任务一般由甲、乙共同工作来实现。所谓甲方，就是任务的委托方；乙方是系统工程项目的承接方。8.1.2系统设计的步骤1、工程设计的确定第8章-计算机控制系统的设计与实现-计算机控制技术-课件-(1)甲方提出任务委托书在委托乙方承接系统工程项目前，甲方一定要提供正式的书面任务该委托书要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。(1)甲方提出任务委托书

(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，并逐步进行研究。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，并拟定出要进一步弄清的问题及修改意见。(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。(2)乙方研究任务委托书为避免因行业和专业不同所带来的局限性，在讨论时应有各方面有经验的人员参加。经过确认或修改过的委托书中不应有含义不清的的词汇和条款，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。在条件允许的情况下，应多做几个方案以便比较。这些方案应在“粗线条”的前提下，尽量详细，其把握的尺度是能清楚地反映出三大关键问题：技术难点，经费概算，工期。为避免因行业和专业不同所带来的局限性，在讨论时应有各方(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，并为签订合同后的设计工作打下基础。论证的主要内容是：技术可行性；经费可行性；进度可行性。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。(6)签订合同书合同书是双方达成一致意见的结果，也是双方合作的依据和凭证。合同书应包含如下内容：经过双方修改和认可的甲方“任务委托书”的全部内容，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，成果归属及违约的解决办法。(5)乙方进行方案可行性论证2、工程项目的设计(1)组建项目研制小组为了完成系统设计，应首先把项目组成员确定下来。这个项目组成应由懂得计算机硬件、软件和有控制经验的技术人员组成，还要明确分工和相互的协调合作关系。

(2)形成总体方案系统总体方案包括硬件总体方案和软件总体方案。硬件和软件的设计是互相有机联系的。因此，在设计时要经过多次的协调和反复，最后才能形成硬件和软件的方块图，并建立说明文档，包括控制策略和控制算法的确定等。2、工程项目的设计

(3)方案论证与评审

方案论证与评审是对系统设计方案的把关和最终裁定。评审后确定的方案是进行具体设计和工程实施的依据，因此应邀请有关专家、主管领导及甲方代表参加。评审后应重新修改总体方案，评审过的方案设计应该作为正式文件存档，原则上不应再作大的改动。(4)硬件和软件的分别细化设计

此步骤只能在总体方案评审后进行。所谓细化设计就是将方块图中的方块划到最低层，然后进行底层块内的结构细化设计。对于硬件设计来说，就是选购模板以及设计制作专用模板；对软件设计来说，就是将一个个模块编成一条条的程序。(3)方案论证与评审(5)硬件和软件的分别调试实际上，硬件、软件的设计中都需边设计边调试边修改。往往要经过几个反复过程才能完成。(6)系统的组装硬件细化设计和软件细化设计后，分别进行调试。之后就可进行系统的组装，组装是离线仿真和调试阶段的前提和必要条件。(5)硬件和软件的分别调试3、项目仿真和调试(1)离线仿真和调试离线仿真和调试阶段的流程如图所示。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。离线仿真和调试试验后，还要进行考机运行。考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。3、项目仿真和调试所谓离线仿真和调试是指在实验室而不是在工业（2）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连接在一起，进行现场调试和运行。尽管离线仿真和调试工作非常认真、仔细，现场调试和运行仍可能出现问题，因此必须认真分析加以解决。系统运行正常后，再调试一段时间，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。验收完毕应形成验收文件存档。（2）在线调试和运行整个过程如图所示。现场安装调试试运行验收结束返回整个过程如图所示。现场安装调试试运行验收结束返回8.2系统的工程设计与实现返回作为一个计算机控制系统工程项目，在研制过程这应该经过那些步骤，应该怎样有条不紊地保证工程顺利进行，这是需要认真考虑的。

8.2.1系统总体方案设计

8.2.2硬件的工程设计与实现

8.2.3软件的工程设计与实现

8.2.4系统的调试与运行8.2系统的工程设计与实现返回作为一个计算机控制系统工8.2.1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。包括：硬件总体方案设计：确定系统任务与控制方案；确定系统的构成方式设计；选择现场设备软件总体方案设计：确定控制算法8.2.1系统总体方案设计总体设计就是要了解控制对象1、硬件总体方案设计硬件总体方案设计的方法通常是“黑箱”设计。所谓“黑箱”设计，就是画方块图的方法。用这种方法做出的系统结构设计，只需明确各方块之间的信号输入输出关系和功能要求，而不需知道“黑箱”内具体结构。1、硬件总体方案设计

硬件总体方案设计主要包含以下几个方面的内容：（1）确定系统的结构和类型根据系统要求，确定采样开环还是闭环控制。闭环控制还需进一步确定是单闭环还是多闭环控制。实际可供选择的控制系统类型有：操作指导控制系统；直接数字控制系统；监督计算机控制系统；分级控制系统等。（2）确定系统的构成方式系统的构成方式应优先选择工业控制机来构成系统的方式。也可以采用可编程控制器或智能调节器来构成计算机控制系统的前端机。硬件总体方案设计主要包含以下几个方面的内容：工业控制机具有系列化、模块化、标准化和开放结构，有利于系统设计者在系统设计时根据要求来任意选择，像搭积木般地组建系统。这种方式可提高研制和开发速度，提高系统的技术水平和性能。（3）现场设备选择主要包括传感器、变送器和执行机构（电机驱动、液压、气动、步进电机等）的选择，这些装置的选择要正确，它是影响系统控制精度的重要因素之一。其他方面的总体设计方案中还应考虑人－机联系方式、系统的机柜或机箱的结构设计、抗干扰等方面的问题。工业控制机具有系列化、模块化、标准化和开放结构，有利于2、软件总体方案设计软件总体方案设计通常也是采用结构化的“黑箱”设计法。先画出较高一级的方框图，然后再将大的方框分解成小的方框，直到能表达清楚为止。软件设计方案还应考虑确定系统的数学模型、控制策略、控制算法等，选择合适的控制组态软件，也是软件总体设计的重要内容。软件总体方案设计的主要内容：程序结构规划；资源分配；实时控制软件设计：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、数据通信等。2、软件总体方案设计其中重要的任务是确定控制策略和控制算法：建立对象与其它部分的数学模型，包括系统动态特性的数学表达式，反映系统输入、内部状态和输出之间的逻辑与数量关系的表达式或图表曲线等，为系统的分析、综合与设计提供依据。针对具体控制对象和控制指标要求选择合适的控制算法与控制策略，满足控制速度、控制精度和系统稳定性等方面的要求。要求快速跟随的系统：最少拍无纹波设计法；具有纯滞后的对象：Smith补偿算法或大林算法；模型中参数难以确定或波动较大时：模糊算法、自适应算法或其它智能算法等。其中重要的任务是确定控制策略和控制算法：各种控制方法提供了一套通用的算法公式，但应用于具体控制对象时，应有分析地选用，在某些情况下可进行必要的修改与补充。如PID数字算法，若效果不理想，可适当修改，加Bang-Bang控制，提高快速性；加FC，响应速度加快，超调量减小等。注意要考虑控制计算的实时性。各种控制方法提供了一套通用的算法公式，但应用于具体控制3、系统总体方案将上面的硬件总体方案和软件总体方案合在一起构成系统的总体方案。总体方案论证可行后，要形成文件，建立总体方案文档。系统总体文件的内容包括：系统的主要功能、技术指标。原理性方框图及文字说明。控制策略和控制算法。系统的硬件结构及配置，主要的软件功能、结构及框图。3、系统总体方案方案的比较和选择。保证性能指标要求的技术措施。抗干扰和可靠性设计。机柜和机箱的结构设计。经费和进度计划的安排。对所提出的总体设计方案要进行合理性、经济性、可靠性及可行性论证。论证结束后，便可形成作为系统设计依据的系统总体方案图和设计任务书，以指导具体的系统设计过程。返回方案的比较和选择。返回8.2.2硬件的工程设计与实现硬件的工程设计和实现由于总线式工业控制机的高度模块化和插板结构，因此，可以采用组合方式来大大简化计算机控制系统的设计。采用总线式工业控制机，只需要简单的更换几块模板，就可以很方便地变成另外一种功能的控制系统。在计算机控制系统中，一些控制功能既能用硬件实现，亦能用软件实现，故系统设计时，硬件、软件的功能要综合考虑。8.2.2硬件的工程设计与实现硬件的工程设计和实现1、选择系统的总线和主机类型

（1）选择系统的总线系统采用总线结构，具有很多优点。简化硬件结构用户可根据需要直接选用符合总线标准的功能模板，而不必考虑模板插件之间的匹配问题，使系统硬件设计大大简化。系统可扩性好，仅需将按总线标准研制的新的功能模板插在总线槽中即可。系统更新性好，一旦出现新的微处理器、存储器芯片和接口电路，只要将这些新的芯片及总线标准研制成各类插件，即可取代原来的模板而升级更新系统。1、选择系统的总线和主机类型①内总线选择常用的工业控制机内总线有两种，即PC总线和STD总线。一般常选用PC总线进行系统地设计。②外总线选择外总线就是计算机与计算机之间、计算机与智能仪器或智能外设之间进行通信的总线。它包括并行通信总线(IEEE－488)和串行通信总线(RS－232C)。另外还有可用来进行远距离通信、多站点互联的通信总线RS－422和RS－485。具体选择哪一种，要根据通信的速率、距离、系统拓扑结构、通信协议等要求来综合分析、才能确定。①内总线选择但需要说明的是RS－422和RS－485总线在工业控制机的主机中没有现成的接口装置，必须另外选择相应的通信接口板。要注意现场总线技术应是当前的优先选择。

（2）选择主机机型在总线式工业控制机中，有许多机型，都因采用的CPU不同而不同。以PC总线工业控制机为例，其CPU有8088、8086、80486、Pentium(586、P2、P3)等多种型号，内存、硬盘、主频、显示卡也有多种规格。设计人员可根据要求合理地进行选择。但需要说明的是RS－422和RS－485总线在工业控制微处理器是整个系统的核心，它的选择将对整个系统产生决定性的影响，一般应从以下几个方面进行考虑。字长微处理器字长会直接影响数据的精度、指令的数目、寻址能力和执行操作的时间。字长越长，对提供控制系统的性能越有利，但相应地会增加系统成本。因此应根据不同的对象和要求，恰当地选择。在过程控制领域中，一般选择8位或16位字长的微处理器就可以达到要求。微处理器是整个系统的核心，它的选择将对整个系统产生决定性的影寻址范围和寻址方式微处理器的地址码长度一般决定了它的寻址范围大小，对于单片微处理器，有的提供了直接外部存储器寻址能力，而有的则没有，应根据系统要求的存储容量要求，选择相应的微处理器。具有丰富的寻址方式的微处理器，在编写应用程序时，会使程序长度大大缩短。指令种类和数量一般来说，当微处理器的指令种类越多，针对特定操作的指令也必然多，其处理速度越快，编程灵活方便，程序长度缩短。寻址范围和寻址方式微处理器的地址码长度一般决内部寄存器的种类和数量微处理器内部结构对系统性能影响也很大。内部寄存器的种类和数量越多，访问存储器的次数就越少，从而加快了执行速度。微处理器的速度微处理器的速度越高性能也越好，但是，它应该与被控对象的要求相适应，过高要求会给系统的安装和调试等工作带来不必要的麻烦。如高速工作时，系统中各引线之间的串扰是系统调试和运行中常见的问题。中断处理能力在微机控制系统中，中断处理方式是一种主要的输入输出方式。中断功能的强弱，反映了系统的实时控制的能力和系统硬件与软件的布局。内部寄存器的种类和数量微处理器内部结构对系统性

2、选择输入输出通道模板一个典型的计算机控制系统，除了工业控制机的主机以外，还必须有各种输入输出信道模板，其中包括数字量I/O(即DI/DO)、模拟量I/O(即AI/AO)等模板。（1）数字量(开关量)输入输出(DI/DO)模板PC总线的并行I/O接口模板多种多样，通常可分为TTL电平的DI/DO和带光电隔离的DI/DO。通常和工业控制机共地装置的接口可以采用TTL电平，而其它装置与工业控制机之间则采用光电隔离。对于大容量的DI/DO系统，往往选用大容量的TTL电平DI/DO板，而将光电隔离及驱动功能安排在工业控制机总线之外的非总线模板上，如继电器板等。2、选择输入输出通道模板（2）模拟量输入输出(AI/AO)模板AI/AO模板包括A/D、D/A板及信号调理电路等。AI模板输入可能是0~±5V、1~10V、0~10mA、4~20mA以及热电偶、热电阻和各种变送器的信号。AO模板输出可能是0~5V、1~10V、0~10mA、4~20mA等信号。选择AI/AO模板时必须注意分辨率、转换速度、量程范围等技术指标。系统中的输入输出模板，可按需要进行组合，不管哪种类型的系统，其模板的选择与组合均由生产过程的输入参数和输出控制信道的种类和数量来确定。（2）模拟量输入输出(AI/AO)模板3、选择变送器和执行机构（1）选择变送器变送器是能将被测变量转换为可远传的统一标准信号的一种仪表，且输出信号与被测变量有一定的连续关系。在控制系统中其输出信号被送至工业控制机进行处理，实时数据采集。DDZ-Ⅱ型变送器输出的是4~20mA信号，供电电源为24V(DC)且采用二线制，DDZ-Ⅲ型比DDZ-Ⅱ型变送器性能好，使用方便。而DDZ-S型是在总结DDZ型变送器的基础上开发出的新一代变送器。同时，现场总线仪表也将被推广应用。3、选择变送器和执行机构系统设计人员可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）选择执行机构执行机构(也称调节阀)是控制系统中必不可少的组成部分，它的作用是接受计算机发出的控制信号，并把它转换成调整机构的动作，使生产过程按预定规定的要求正常进行。系统设计人员可根据被测参数的种类、量程、被测对象的介质执行机构是控制系统中的重要部分，其作用是根据调节器的控制信号，改变输出的角或直线位移，并改变被调节的流量或能量，使生产过程满足预定的要求。根据执行器采用的动力方式可分为液动执行器、气动执行器和电动执行器等三类。

气动执行器的输入信号为1.96×104~9.8×104Pa；电动执行器的输入有连续信号和断续信号两种，连续信号为0~10mA或4~20mA，而断续信号为数字（开关、脉冲）信号。执行机构是控制系统中的重要部分，其作用是根据调节器的控另外，还有各种有触点和无触点开关，也是执行机构，实现开关操作。电磁阀作为一种开关阀在工业中也得到了广泛的应用。要实现连续的精确的控制目的，必须选用气动或电动调节阀。而对要求不高的控制系统可选用电磁阀。另外，还有各种有触点和无触点开关，也是执行机构，实现开各类执行器的比较

构造体积推力配管配线动作滞后维护检修使用场合频率响应温度响应价格液动执行器简单大大复杂小简单注意火花窄大高气动执行器简单中中较复杂大简单适于防火防爆窄小低电动执行器复杂小

简单小复杂隔爆型适用于防火防爆宽大高各类执行器的比较

构造体积推力配管配线动作滞后维护检修使用频传感器通常由温度传感器、压力传感器、液面传感器、力传感器等。选用传感器应遵循如下的原则：要满足测量精度和测量范围的要求；传感器的性能要稳定、可靠、重复性好；尽可能选择线性度好、线路简单、灵敏度高的传感器；电源种类要尽量少，电源电压尽量要规范化。返回传感器通常由温度传感器、压力传感器、液面传感器、力传感器8.2.3软件的工程设计与实现用工业控制机来组建计算机控制系统不仅能减小系统硬件设计工作量，而且还能减小系统软件设计工作量。一般的工业控制机都配有实时操作系统或实时监控程序，各种控制、运算软件、组态软件等，可使系统设计者在最短的周期里，开发出目标系统软件。一般工业控制机把工业控制所需的各种功能以模块形式提供给用户。其中包括：控制算法模块，运算模块，计数/计时模块等。系统设计者根据控制要求，选择所需的模块就能生成系统控制软件，使得软件设计工作量减少。为了便于系统组态，工业控制机提供了组态语言。8.2.3软件的工程设计与实现用工业控制机来组建计算自行开发控制软件时，应先画出程序总体流程图和各功能模块流程图，再选择程序设计语言，然后编制程序。程序编制应先模块后整体，具体程序设计要处理以下内容。

1、数据类型和数据结构规划在系统总体方案设计中，系统的各个模块之间有着各种因果关系，互相之间要进行各种信息传递。应注意：将每一个执行模块要用到的参数和要输出的结果列出来，对于与不同模块都有关的参数，只取一个名称，以保证同一个参数只有一种格式，然后为每一参数规划一个数据类型和数据结构。自行开发控制软件时，应先画出程序总体流程图和各功能模块从数据类型上来分类，可分为逻辑型和数值型，但通常将逻辑型数据归到软件标志中去考虑。数值型可分为定点数和浮点数。定点数有直观、编程简单、运算速度快的优点，其缺点是表示的数值动态范围小，容易溢出。浮点数则相反，数值动态范围大、相对精度稳定、不易溢出，但编程复杂，运算速度低。如果某参数是一系列数据的集合，如采样信号序列，则不只有数据类型问题，还有一个数据存放格式问题，需要很好的规划。从数据类型上来分类，可分为逻辑型和数值型，但通常将逻辑2、资源分配完成数据类型和数据结构的规划后，便可开始分配系统的资源了。系统资源包括ROM、RAM、定时器/计数器、中断源、I/O地址等。ROM资源用来存放程序和表格。I/O地址、定时器/计数器、中断源在任务分析时已经分配好了。因此资源分配的主要工作是RAM资源的分配。RAM资源规划好后，应列出一张RAM资源的详细分配清单，作为编程依据。2、资源分配3、实时控制软件设计（1）数据采集及数据处理程序数据采集程序主要包括多路信号的采样、输入变换、存储等。模拟输入信号为mA(DC)或mV(DC)和电阻等。可以直接作为A/D转换模板的输入。输入信号的点数可根据需要选取，每个信号的量程和工业单位用户必须规定清楚。数据处理程序主要包括数字滤波程序、线性化处理和非线性补偿、标度变换程序、超限报警程序等。3、实时控制软件设计（2）控制算法程序

控制算法程序主要实现控制规律的计算，产生控制量。其中包括：数字PID控制算法、大林算法等。实际实现时，可选择合适的一种或几种控制算法，来实现控制。（3）控制量输出程序

控制量输出程序实现对控制量的处理、控制量的变换及输出，驱动执行机构或各种电气开关。控制量也包括模拟量和开关量两种。模拟控制量由转换模板输出，驱动执行机构如各种调节阀。开关量控制信号驱动各种电气开关。

（2）控制算法程序（4）实时时钟和中断处理程序实时时钟是计算机控制系统一切与时间有关过程的运行基础。时钟有两种，即绝对时钟和相对时钟。绝对时钟与当地的时间同步，有年、月、日、时、分、秒等功能。相对时钟与当地时间无关，一般只要时、分、秒就可以，在某些场合要精确到0.1秒甚至毫秒。作为一般情况，假设系统中有几个任务，每个任务都有自己的启动和撤销时刻。在系统中建立两个表格：一个任务启动时刻表，一个任务撤销时刻表。为使任务启动和撤销及时准确，这一过程应安排时钟中断子程序来完成。（4）实时时钟和中断处理程序计算机控制系统中，有很多控制过程虽与时间(相对时钟)有关，但与当地时间(绝对时钟)无关。相对时钟的运行速度与绝对时钟一致，但数值完全独立。这就要求相对时钟必须另外开辟存放单元。在使用上，相对时钟要初始化，再开始计时，计时到后便可唤醒指定任务。许多实时任务如采样周期、定时显示打印等都必须利用实时时钟来实现。并由定时中断服务程序去执行相应的动作或处理动作状态标志等。计算机控制系统中，有很多控制过程虽与时间(相对时钟)有另外，事故报警、掉电检测及处理、重要的事件处理等功能也常常使用中断技术，以便使计算机能对事件作出及时处理。事件处理用中断服务程序和相应的硬件电路来完成。（5）数据管理程序这部分程序用于生产管理，主要包括画面显示、变化趋势分析、报警记录等。（6）数据通信程序数据通信程序主要完成计算机与计算机之间、计算机与智能设备之间的信息传递和交换。这个功能主要在分散型控制系统、分级计算机控制系统、工业网络等系统中实现。返回另外，事故报警、掉电检测及处理、重要的事件处理等功能也8.2.4系统的调试与运行

系统的调试和运行分为离线仿真与调试阶段和在线调试与运行阶段。离线仿真与调试阶段一般在实验室或非工业现场进行，在线调试与运行阶段是在生产过程工业现场进行。其中离线仿真与调试阶段是基础，是检查硬件和软件的整体性能，为现场投运做准备，现场投运是对全系统的实际考验与检查。

1、离线仿真和调试（1）硬件调试8.2.4系统的调试与运行系统的调试和运行分为离线仿对于各种标准功能模块，按照说明书检查主要功能。在调试A/D和D/A模板之前，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。利用开关量输入和输出程序来检查开关量输入和开关量输出模板。调试时在输入端加开关量信号，检查读入状态的正确性；可在输出端检查输出状态的正确性。硬件调试还包括现场仪表和执行机构。这些仪表必须在安装之前按说明书要求校验完毕。如是分级计算机控制系统和分散型控制系统，还要调试通信功能，验证数据传输的正确性。对于各种标准功能模块，按照说明书检查主要功能。在调试A（2）软件调试软件调试的顺序是子程序、功能模块和主程序。一般与过程输入输出信道无关的程序，都可用开发机的调试程序进行调试，不过有时为了能调试某些程序，可能要编写临时性的辅助程序。系统控制模块的调试分为开环和闭环两种情况进行。开环调试是检查它的阶跃响应特性，闭环调试是检查它的反馈控制功能。（2）软件调试（3）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，为此，必须再进行全系统的硬件、软件统调。这次的统调试验，就是通常所说的“系统仿真”。所谓系统仿真，就是应用相似原理和类比关系来研究事物，也就是用模型来代替实际生产过程进行实验和研究。系统仿真有以下三种类型：全物理仿真；半物理仿真；数字仿真。（3）系统仿真

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，其效果也就越好。对于纯数据采集系统，一般可做到全物理仿真。而对于控制系统只能做离线半物理仿真。被控对象可用实验模型代替。不经过系统仿真和各种试验，试图在生产现场调试中一举成功的想法是不实际的。在系统仿真的基础上，进行长时间的运行考验，并根据实际运行环境的要求，进行特殊运行条件的考验。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2、在线调试和运行为了做到有把握，现场安装及在线调试前首先要进行下列检查：检测元件、变送器、显示仪表等必须通过校验，保证精确度要求。作为检查，可进行一些现场校验。各种接线和导管必须经过检查，保证连接正确。对在流量中采用隔离液的系统，要在清洗好引压导管以后，灌入隔离液。2、在线调试和运行检查调节阀能否正确工作。旁路阀及上下游截断阀关闭或打开，要搞清楚。检查系统的干扰情况，如果不符合要求，应采取措施。对安全防护措施也要检查。经过检查并已安装正确后，即可进行系统的投运和参数的整定。投运时应先切入手动，等系统接近于给定位时再切入自动，并进行参数的整定。返回检查调节阀能否正确工作。旁路阀及上下游截断阀关闭或打开，要8.3计算机控制系统设计举例返回8.3.1啤酒发酵工艺及控制要求8.3.2系统总体方案的设计8.3.3系统硬件和软件的设计8.3.4系统的安装调试运行及控制效果8.3计算机控制系统设计举例返回8.3.1啤酒发酵工艺及8.3.1啤酒发酵工艺及控制要求

1、啤酒发酵工艺简介啤酒发酵是一个复杂的生物化学过程，通常在锥型发酵罐中进行。在20多天的发酵期间，根据酵母的活动能力和生长繁殖的快慢，确定发酵给定温度曲线，如图8.3所示。要使酵母的繁殖和衰减、麦汁中糖度的消耗和双乙醇等杂质含量等方面达到最佳状态，必须严格控制各阶段的温度，使其在给定温度的0.5℃范围内。8.3.1啤酒发酵工艺及控制要求1、啤酒发酵工艺简介图8.3发酵过程温度工艺曲线图8.3发酵过程温度工艺曲线某啤酒厂要求控制10个200m2的锥型啤酒发酵罐，内层用不锈钢板焊接而成，外层用白铁皮包制而成，内层与外层间是保温材料和上中下三段冷却带，罐体由上下两部分组成，上部分是圆柱体，下部分是圆锥体，故称为锥形发酵罐。

控制方法：罐内温度低于给定温度时，要求关闭冷却带的阀门，使之自然发酵升温；罐内温度高于给定温度时，则要求接通冷却带的阀门，自动将冷酒精打入冷却带循环使之降温，直到满足工艺要求为止。此外，在发酵过程中，还需在各段工艺中实行保压，即要求发酵罐顶部气体压力恒定，以保证发酵过程的正确进行。某啤酒厂要求控制10个200m2的锥型啤酒发酵罐，内层2、系统的控制要求系统共10个发酵罐，每个罐测量5个参数，即发酵罐的上中下三段温度、罐内上部气体的压力和罐内发酵液的高度，共30个温度测量点、10个压力测量点和10个液位测量点。因此共需检测50个参数。自动控制各个发酵罐中的上中下三段温度使其按图8.3所示的工艺曲线运行，温度控制误差不大于±0.5℃。共有30个控制点。2、系统的控制要求系统具有自动控制、现场手动控制、控制室遥控三种工作方式。系统具有掉电保护、报警、参数设置和工艺曲线修改设置功能。系统具有表格、图形、曲线等显示和打印功能。

返回系统具有自动控制、现场手动控制、控制室遥控三种工作方式。返回8.3.2系统总体方案的设计1、发酵罐测控点的分布及管线结构系统中有10个发酵罐，每个发酵罐上有5个检测点和3个控制点，其中包括上段温度TTa、中段温度TTb、下段温度TTc、罐内上部气体压力PT、液位LT、上段冷却带调节阀Tva、中段冷却带调节阀Tvb、下段冷却带调节阀Tvc。检测点与控制点的分布如图8.4所示。8.3.2系统总体方案的设计1、发酵罐测控点的分布及管线图8.4发酵罐的测控点分布及管线图图8.4发酵罐的测控点分布及管线图2、检测装置和执行机构温度检测采用WZP-231铂热电阻（Pt100）和RTTB-EKT温度变送器，其输入量程为－20℃~＋50℃，输出4~20mA；压力检测采用CECY-150G电容式压力变送器，输入量程为0~0.25Mpa，输出4~20mA；液位检测采用CECU-341G电容式液位变送器，输入量程（差压）为0~0.2Mpa，输出4~20mA。执行机构采用ZDLP-6B电动调节器，通径为Dg32，等百分比特性，并配有操作器DFQ-2100。2、检测装置和执行机构3、控制规律啤酒发酵过程中，输入量为冷却液流量，输出量为发酵液温度，被控对象具有大惯性和纯滞后特性，而且在不同发酵阶段特性参数变化很大，这是确定控制规律的依据。因为温度给定值为折线，在恒温段采用增量型PI控制算法，在升温、降温段采用PID控制算法，考虑到被控对象大惯性和纯滞后的特点，在控制软件设计中提供了Smith预估控制算法。3、控制规律4、控制系统主机及过程通道模板主机采用康拓IPC-8500工业控制机，配有A/D、D/A模板来实现过程通道中的信号变换。选择康拓IPC-5488

32路12位光电隔离A/D板，并配有CMB5419-1B32路I/V变换板，作为系统模拟量输入通道。选择IPC-54888路12位光电隔离D/A转换板，作为模拟量输出通道。5、控制系统的软件主要包括：采样、滤波、标度变换、控制计算、控制输出、中断、计时、打印、显示、报警、调节参数修改、温度给定曲线设定及修改、报表、图形、曲线显示等功能。返回4、控制系统主机及过程通道模板返回8.3.3系统硬件和软件的设计1、系统硬件的设计（P270图8.9）

(1)模拟量输入通道设计对于温度，将－20℃~＋50℃变换成4~20mA(DC)信号，送至32路I/V变换板，变换成1~5V(DC)信号，最后送至32路12位光电隔离A/D板，实现温度的数据采集。对于压力，将0~0.25Mpa压力变换成4~20mA(DC)信号，同样经过I/V板送至A/D板。对于液位，将0~0.2Mpa差压变换成4~20mA(DC)信号，同样经过I/V板送至A/D板。8.3.3系统硬件和软件的设计1、系统硬件的设计（P27…IPC-8500工业控制机键盘PCBUS32路A/D板IPC5488RTTB-EKTT1T30P1P10H1H10TV1TV8TV9TV16TV17TV24TV25TV30…32路I/V板CMB5419-1B…RTTB-EKT…RptRpt…CECY-150GCECY-150GCECU-341GCECU-341G……32路I/V板CMB5419-1B32路A/D板IPC5488…ZDLP-6BZDLP-6B…DFQ-2100DFQ-21008路D/A板IPC5486ZDLP-6BZDLP-6BDFQ-2100DFQ-21008路D/A板IPC5486……………ZDLP-6BZDLP-6BDFQ-2100DFQ-21008路D/A板IPC5486………ZDLP-6BZDLP-6BDFQ-2100DFQ-21008路D/A板IPC5486……CRT打印机………IPC-8500工业控制机键盘PCBUS32路A/D板IP

(2)模拟量输出通道设计系统控制30个温度，使用30个电动调节阀，通过调节阀自动调节阀门开度调节冷却液流量，达到控制发酵温度的目的。在模拟输出通道中，将计算机输出的控制量转换成4~20mA（DC）信号，送至操作器（具有自动手动转换功能），输出4~20mA（DC）信号，送至电动调节阀，实现控制30个调节阀达到控制温度的目的。另外，系统还配有+24V(DC)电源给变送器、操作器供电。因采用光电隔离技术，故A/D板和D/A板都采用了DC/DC电源变换模块，提供光电隔离所需的工作电源。(2)模拟量输出通道设计

2、系统软件的设计

(1)数据采集程序采集30个温度信号、10个压力信号、10个液位信号，共采集5次并保存，采样周期T=2s。

(2)数字滤波程序

采用中位值加平均值滤波法的数字滤波算法。对5个采样值排序后取中间3值平均。

(3)标度变换程序

温度的标度变换；压力的标度变换；液位的标度变换。2、系统软件的设计①温度的标度变换。温度的量程范围为―20~+50℃(1~5V），其标度变换计算公式为

②压力的标度变换。压力的量程范围为0~0.25MPa，其标度变换计算公式为①温度的标度变换。②压力③液位的标度变换。液位的量程范围(压差)为0~0.2MPa，其标度变换公式为式中，D为啤酒的密度，单位为KG／m3；g为重力加速度，单位为m/s2；H的单位为m。③液位的标度变换。式中，D为啤酒的密(4)给定工艺曲线的实时插补计算给定工艺曲线由多段折组成，每一段都是直线，采用直线插补算法计算各采样周期的给定值r(k)。其中，tn-1≤tk＜tn，(tn-1,rn-1)和(tn,rn)分别是第n段折线的两个端点坐标。(4)给定工艺曲线的实时插补计算其中，tn-1≤tk＜tn

(5)控制算法①PID算式及特殊处理采用增量型PID控制算式。特殊处理：保温段r(k)不变，采用PID控制算式，降温段采用PID控制算式。为减小被控对象纯滞后的影响，在给定温度曲线转折处作特殊处理，即由保温段转至降温段时提前开大调节阀，而在降温段转到保温段时提前关小调节阀，其目的是使温度转折时平滑过渡。对控制量∆u(k)和阀位输出进行限幅，即：(5)控制算法②Smith预估控制算式

根据4.3.1中Smith预估控制算法，如果被控对象为纯滞后一阶惯性环节，即Δumin=819,Δumax=4095其相应的差分方程为②Smith预估控制算式Δumin=819,Δumax=

(6)其它应用程序除测控程序外，还有计时、打印、显示、报警、调节参数修改、报表、图形、曲线显示等功能程序。返回(6)其它应用程序返回8.3.4系统的安装调试运行及控制效果现场进行安装时，首选在现场安装温度、压力变送器、液位变送器、调节阀等，然后从现场敷设屏蔽信号电缆到控制室，最后将这些线缆接到工业计算机外面的接线端子板上。调试工作主要是对变送器进行满度和零点校准、A/D板和D/A板满度和零点校准，另外就是利用试凑法确定PID控制器的控制参数。系统经过安装调试后，投入运行，并满足系统的控制要求。8.3.4系统的安装调试运行及控制效果现场进行安装时

结论：

该系统操作简单，使用维护方便，性能可靠，采用微机控制，提高了啤酒质量，改善了劳动条件，不用人工手动操作，消除了人为因素，易于现代化管理和产品质量分析，采用表格、图形、曲线显示直观，并有打印输出功能。返回结论：返回8.4热处理加热炉智能模糊控制系统1、引言

热处理是一种改善金属材料及其制品（如机器零件，工具等）性能的工艺。根据不同的目的，将材料及其制件加热到适宜的温度，保温，随后用不同方法冷却，改变其内部组织（有时仅表面组织改变或表面成分改变），以获得所要求的性能。热处理是提高金属材料及其制品质量的重要手段。近年来，随着工业的发展，对金属材料的性能提出了更多更高的要求，因而热处理技术也向着优质，高效，节能和无公害的方向迅速发展。

8.4热处理加热炉智能模糊控制系统1、引言热处理加热炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关炉门、加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程，基于精确数学模型的常规控制难以保证加热工艺曲线要求。它不是一般的电阻炉，它要求按照严格的温度曲线来加热，要求具有掉电保护功能。为了改善和提高热处理性能检验的水平，本文采用两级计算机控制系统（上位机为工控机，下位机为自行开发的单片机智能控制器），以实现以下主要技术指标。热处理加热炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关炉门、加技术指标系统控温采用智能算法，控制精度5‰；热偶信号(mv)直接进入下位机进行处理；下位机能保存一天的数据，每分钟保存一个数据；上位机在windows98环境下开发应用程序，可分时监控多台下位机；技术指标上位机可实现温度设定曲线和温度实时曲线的不同颜色同时显示，曲线全部显示/部分显示可选；上位机管理各种数据，如温度、操作者、材料等，数据保存时间为1年以上，能对历史数据方便地查询、打印等；采用过零触发和通断率控制，以防止电流冲击和高次谐波对电网的影响，并提高功率因数；I/O信号采用电位隔离，提高工作可靠性。上位机可实现温度设定曲线和温度实时曲线的不同颜色同时显示，曲

2、系统整体设计本系统主要完成数据采集、数据显示、炉温控制、上下位机通信、数据库的管理、事故检测及故障处理与报警等功能。系统上位机为586工控机，在windows98环境下开发DELPHI应用程序；下位机为自行研制的单片机智能控制器，采用规则自寻优模糊控制算法进行过程控制；2、系统整体设计上下位机采用485半双工通讯；热处理炉主回路采用双向可控硅控制；双向可控硅的触发通过过零触发器控制触发，下位机输出通断率控制信号，产生双向可控硅的过零触发脉冲。系统整体结构如图8.5所示。上下位机采用485半双工通讯；图8.5

系统整体结构图8.5系统整体结构3、智能模糊控制器软、硬件设计本系统的下位机为自行开发的智能控制器。80C196KC单片机是控制器的主体，它与一些扩展电路(程序存储器，数据存储器，地址锁存器，地址译码器等)构成处理器模块。被测量的热偶输出mV信号经过放大电路放大成0~10V的标准信号，再将此信号经A/D转换之后进入单片机，单片机根据输入的各种命令，通过模糊控制算法计算得到控制值，输出脉冲触发信号，通过过零触发电路驱动双向可控硅，从而加热热处理炉。另外，智能控制器还包括与上位机的通讯接口，硬件看门狗电路，下位机数据保存电路，故障检测电路，数码显示电路以及各种电源等。智能模糊控制器的硬件框图如图8.6所示。3、智能模糊控制器软、硬件设计图8.6智能模糊控制器硬件框图图8.6智能模糊控制器硬件框图

下位机智能模糊控制器程序的主要流程是：利用定时器中断，产生控制周期，控制周期一到，程序则转入控制模块，调A/D转换模块及分度表模块得到炉温的反馈信号，根据给定值和控制算法得到控制量，经HSO输出口输出脉冲信号控制过零触发器。下位机的启动、停止及复位等命令和给定值手工设定利用外部中断产生，有外部中断则调外部中断服务程序确定下位机控制面板命令状态；上位机的命令是通过串行口中断到通讯模块的。程序框图如图8.7所示。下位机智能模糊控制器程序的主要流程是：图8.7

智能模糊控制器程序流程图(a)主程序流程图(b)控制算法流程图图8.7智能模糊控制器程序流程图(a)主程序流程图4、规则自寻优模糊控制算法研究模糊控制是智能控制中的一大分支，它具有以下特点：它是一种非线性控制方法，工作范围宽，适用范围广，特别适合于非线性系统的控制；它不依赖于对象的数学模型，对无法建模或很难建模的复杂对象，也能利用人的经验知识来设计模糊控制器，完成控制任务。而传统的控制方法都要已知被控对象的数学模型，才能设计控制器；它具有内在的并行处理机制，表现出极强的鲁棒性，对被控对象的特性变化不敏感，模糊控制器的设计参数容易选择调整；算法简单，执行快，容易实现；不需要很多的控制理论知识，容易普及推广。4、规则自寻优模糊控制算法研究本系统的对象热处理加热炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，用基于精确数学模型的常规控制难以保证加热工艺曲线要求。为此，我们选用模糊控制算法中的规则自寻优算法。

算法的基本原理如下：我们采用解析表达式描述的控制规则，它简单方便，易于处理。二维控制规则自寻优算法可以用解析表达式概括为：本系统的对象热处理加热炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，式中：α为修正因子。控制作用取决于偏差及偏差变化率，当α取不同值时，对偏差及偏差变化率的权重不同，则控制规则不同。当α较大时，表明控制规则对偏差重视程度高，而对偏差变化率的加权小，因此超调大，振荡幅度大；当α较小时，对误差的重视程度较低，超调较小，振荡幅度也较小，稳定性好。式中：α为修正因子。控制作用取决于偏差及偏差变化率，当α取可以通过改变α的大小调整控制规则。控制系统在不同的状态下，对控制规则中误差与误差变化率的加权程度应有不同的要求。如误差较大时，控制系统的主要任务是消除偏差，此时对误差的加权应该大些；当误差小时，控制系统的主要任务是使系统尽快稳定，减小超调，此时要求在控制规则中误差变化率的加权大些。只有根据不同的状态来选用不同的修正因子，才能更加真实地体现人的控制经验。同时，为了获得好的控制性能，就要求α值在控制过程中可在线调整。可以通过改变α的大小调整控制规则。控制系统在不同的状态为了得到好的控制性能，就要求值在控制过程中可调整，即控制规则可在控制过程中在线修正。我们采用运筹学中的“优选法”对进行在线修正，如下式所示：

本系统控制原理图如图8.8所示。为了得到好的控制性能，就要求值在控制过程中可调整，即控图8.8热处理加热炉智能模糊控制系统原理图图8.8热处理加热炉智能模糊控制系统原理图5、上位机软、硬件设计本系统上位机采用586工控机，利用DEPLPHI高级编程语言在Windows98下进行控制程序开发。它主要用来向下位机发布监控命令，接收现场控制器发回的反馈信息，完成记录、统计、保存、打印等管理工作。它的组成部分包括各种界面设计，数据库管理，与下位机通讯程序的设计，温度设定计算等。5、上位机软、硬件设计

上位机操作界面包括以下部分：

启动界面：要求输入口令，口令正确则进入主界面，口令错误3次以后退出系统。主界面：有炉号选择、设定曲线与实际曲线的显示、数据表格、各炉号的状态显示，以及有实时数据、历史数据查询、开始运行、停止本炉、查看报表、打印报表、密码管理、退出系统等控制按钮。上位机操作界面包括以下部分：系统上位机与下位机智能模糊控制器的通信采用RS-485通信方式，上、下位机是主从式通讯，主机是工控机，从机是各炉的智能控制器。主机单独呼叫选通从机，但从机不能单独呼叫主机。上位机可以随时将命令、数据发送给下位机，而下位机要给上位机发送命令、数据则必须等上位机给下位机发送数据调用命令才能进行。系统上位机与下位机智能模糊控制器的通信采用RS-4856、系统运行结果

本系统在现场调试过程中，出现了以下三个方面的问题：

（1）掉电保护系统在运行过程中，当某加热炉处于工作状态时，由于某种原因(人为的或故障引起的)，使本炉未做完就停止了工作。要想使本炉继续做完，必须重新启动系统，重新设定参数，而不是按原来的曲线进行热处理。这样就不能将本炉热处理加热曲线完整地保存下来。为解决此问题，本系统增加了掉电保护功能。即将系统因故障停止工作时刻点的参数保存下来。系统恢复后又从此时刻点开始工作。这样保证了热处理曲线的完整性。6、系统运行结果

（2）

电源抗干扰系统开始设计时对电源的干扰抵抗能力差，系统经常出现死机现象，上、下位机通信故障率高，放大电路不稳定等问题。解决此问题的方法是，在电路中增加防高频干扰措施的滤波电路，在系统电源的输入端增加电器保护神。（3）死循环或程序“乱飞”的处理系统在运行过程中，有时由于某种噪声干扰的影响，程序会出现死循环现象，或者出现“乱飞”现象，从而影响系统的正常工作。我们通过采用对程序进行时间监视的办法及时发现。对程序进行时间监视可以采用单片机内部监视定时器和外接监视定时器。（2）电源抗干扰本系统在现场运行后，各项指标都达到了用户的要求，图8.9是其中一台加热炉的加热曲线。图中曲线1为温度设定曲线，曲线2为实际温度曲线。从图中可以看出，曲线的跟踪性能好，稳态精度高，超调小。

本系统在现场运行后，各项指标都达到了用户的要求，图8.图8.9某加热炉加热曲线图8.9某加热炉加热曲线7、结论本文所设计的热处理加热炉智能模糊控制系统采用两级计算机控制，控制对象是热处理加热炉，它是一种具有纯滞后的大惯性系统，基于精确数学模型的常规控制难以保证加热工艺曲线要求，用智能模糊控制可以达到较好的控制效果。本系统的控制算法采用控制规则自修正模糊算法。7、结论运行结果表明，本系统具有以下优点：系统的控制方案合理，跟踪性能好，稳态精度高，超调量小。系统结构简单，易于实现，工作可靠性较高。系统控制功能强，控制效果好。控制算法先进，具有自学习功能，系统控制参数可自动趋于最优。人机界面友好，操作人员操作方便。该系统是较完善的智能控制系统。返回运行结果表明，本系统具有以下优点：返回第八章结束第八章结束计算机控制技术

ComputerControlledSystem中南大学信息科学与工程学院袁艳Monday,December19,2022计算机控制技术

ComputerControlledSy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。计算机控制系统的工程设计，不仅要求掌握生产过程和工艺要求，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、微电子技术甚至控制室规划布置等。通常涉及总体方案设计，体系结构设计，设备选型定货，系统安装调试，工程验收和交付使用等具体工作。本章介绍计算机控制系统工程设计的原则、方法及系统的设计与实现技术，并提供了一个典型设计实例。计算机控制系统的设计，既是一个理论问题，又是一个工程问第八章计算机控制系统设计与实现8.1系统设计的原则与步骤8.2系统的工程设计与实现8.3计算机控制系统设计举例8.4热处理加热炉智能模糊控制系统第八章计算机控制系统设计与实现8.1系统设计的原则与步骤8.1系统设计的原则与步骤返回尽管计算机控制系统的生产过程多种多样，系统的设计方案和具体的技术指标也是千变万化，但在计算机控制系统的设计与实现过程中，有共性的设计原则与步骤。

8.1.1系统设计的原则

8.1.2系统设计的步骤8.1系统设计的原则与步骤返回尽管计算机控制系统的生产8.1.1系统设计的原则1、安全可靠在工业控制计算机系统中，可靠性指标一般用系统的平均维修时间MTTR(Mean-Time-To-Repair)来表示或平均无故障时间(Mean-Time-Before-Failure)。MTTR表示系统每次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。8.1.1系统设计的原则1、安全可靠

措施：选用高性能的工业控制计算机（保证在恶劣的工业环境下能正常运行）；设计可靠的控制方案，具备各种安全保护措施；设计后备装置，主要功能分散，可采用DCS或FCS等。对于一般的控制回路，选用手动操作作为后备。对于较重要的控制场合，常采用双机系统作为控制系统的核心控制器，措施：

一般的方式有：⑴备份工作方式即一台投入运行，另一台作为系统的备份机。当投入运行的微机出现故障时，由专用切换装置将备份机自动投入，接替出故障的主机，使系统照常运行；出现故障的微机修复后，则作为备份机使用。

⑵主从工作方式即两台微机同时投入运行。一台担任主要工作，另一台担任从属工作。当担任主要工作的主机发生故障时，由担任从属工作的从属机接替主机的工作，保证系统的继续运行。一般的方式有：⑶双工工作方式

在这种系统中，两台主机同时投入系统运行，在如何一个时刻，都同步执行同一个任务，并将结果送到一个专门的装置进行核对。如两台机器输出结果相符，说明两台主机都正常，允许将结果输出到被控对象或设备；如结果不符，封锁输出，如经几次核对后结果仍不符，则说明其中一台发生故障。这时调用诊断程序确定故障所在机器，并将其换下，让另一台主机继续完成执行控制任务。⑶双工工作方式⑷分布式控制方案其实质是智能控制单元分别控制各被控对象，由上一级计算机进行监视和管理。当某一台智能控制单元出现故障时，它的控制任务可由上位机来承担；如上位机出现故障，则各智能控制单元仍可维持对各被控对象的控制，所以大大提高了整个系统的可靠性。⑷分布式控制方案2、系统操作性能好操作性能好包括使用方便和维修容易两个含义。操作方便表现在操作简单、直观形象、便于掌握，并不强求操作工要掌握计算机知识才能操作。既要体现操作的先进性，又要兼顾原有的操作习惯。维修方便体现在易于查找故障，易于排除故障。采用标准的功能模板式结构，便于更换故障模板。并在功能模板上安装工作状态指示灯和检测点，便于维修人员检查，另外配置诊断程序，用来查找故障。2、系统操作性能好3、实时性强工业控制机的实时性，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。对于定时事件如数据的定时采集，运算控制等，系统设置时钟，保证定时处理。对于随机事件如事故、报警等，系统设置中断，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。3、实时性强4、通用性好，便于扩充计算机控制的对象千变万化，一个工业控制系统一般可同时控制多台设备或控制对象。系统设计时应考虑能适应不同的设备和不同的控制对象。系统设计时，各设计指标要留有一定的余量，为日后系统的扩充创造有利的条件。如CPU的工作速度、电源功率、内存容量、输入输出通道数等指标，均应留有一定余量。4、通用性好，便于扩充工业控制机的通用灵活性体现在两方面：硬件模板设计采用标准总线结构，配置各种通用的功能模板，以便再扩充功能，只需增加功能模板就能实现；软件模块或控制算法采用标准模块结构，用户使用时不需要二次开发，只需按要求选择各种功能模块，灵活地进行控制系统组态。工业控制机的通用灵活性体现在两方面：5、经济效益高计算机控制系统应该带来高的经济效益，系统设计时要考虑性能价格比，要有市场竞争意识。经济效益表现在：一是系统设计的性能价格比要尽可能的高；二是投入产出比要尽可能地低。返回5、经济效益高返回8.1.2系统设计的步骤1、工程设计的确定确定工程项目与控制任务一般由甲、乙共同工作来实现。所谓甲方，就是任务的委托方；乙方是系统工程项目的承接方。8.1.2系统设计的步骤1、工程设计的确定第8章-计算机控制系统的设计与实现-计算机控制技术-课件-(1)甲方提出任务委托书在委托乙方承接系统工程项目前，甲方一定要提供正式的书面任务该委托书要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。(1)甲方提出任务委托书

(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，并逐步进行研究。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，并拟定出要进一步弄清的问题及修改意见。(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。(2)乙方研究任务委托书为避免因行业和专业不同所带来的局限性，在讨论时应有各方面有经验的人员参加。经过确认或修改过的委托书中不应有含义不清的的词汇和条款，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。在条件允许的情况下，应多做几个方案以便比较。这些方案应在“粗线条”的前提下，尽量详细，其把握的尺度是能清楚地反映出三大关键问题：技术难点，经费概算，工期。为避免因行业和专业不同所带来的局限性，在讨论时应有各方(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，并为签订合同后的设计工作打下基础。论证的主要内容是：技术可行性；经费可行性；进度可行性。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。(6)签订合同书合同书是双方达成一致意见的结果，也是双方合作的依据和凭证。合同书应包含如下内容：经过双方修改和认可的甲方“任务委托书”的全部内容，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，成果归属及违约的解决办法。(5)乙方进行方案可行性论证2、工程项目的设计(1)组建项目研制小组为了完成系统设计，应首先把项目组成员确定下来。这个项目组成应由懂得计算机硬件、软件和有控制经验的技术人员组成，还要明确分工和相互的协调合作关系。

(2)形成总体方案系统总体方案包括硬件总体方案和软件总体方案。硬件和软件的设计是互相有机联系的。因此，在设计时要经过多次的协调和反复，最后才能形成硬件和软件的方块图，并建立说明文档，包括控制策略和控制算法的确定等。2、工程项目的设计

(3)方案论证与评审

方案论证与评审是对系统设计方案的把关和最终裁定。评审后确定的方案是进行具体设计和工程实施的依据，因此应邀请有关专家、主管领导及甲方代表参加。评审后应重新修改总体方案，评审过的方案设计应该作为正式文件存档，原则上不应再作大的改动。(4)硬件和软件的分别细化设计

此步骤只能在总体方案评审后进行。所谓细化设计就是将方块图中的方块划到最低层，然后进行底层块内的结构细化设计。对于硬件设计来说，就是选购模板以及设计制作专用模板；对软件设计来说，就是将一个个模块编成一条条的程序。(3)方案论证与评审(5)硬件和软件的分别调试实际上，硬件、软件的设计中都需边设计边调试边修改。往往要经过几个反复过程才能完成。(6)系统的组装硬件细化设计和软件细化设计后，分别进行调试。之后就可进行系统的组装，组装是离线仿真和调试阶段的前提和必要条件。(5)硬件和软件的分别调试3、项目仿真和调试(1)离线仿真和调试离线仿真和调试阶段的流程如图所示。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。离线仿真和调试试验后，还要进行考机运行。考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。3、项目仿真和调试所谓离线仿真和调试是指在实验室而不是在工业（2）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连接在一起，进行现场调试和运行。尽管离线仿真和调试工作非常认真、仔细，现场调试和运行仍可能出现问题，因此必须认真分析加以解决。系统运行正常后，再调试一段时间，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。验收完毕应形成验收文件存档。（2）在线调试和运行整个过程如图所示。现场安装调试试运行验收结束返回整个过程如图所示。现场安装调试试运行验收结束返回8.2系统的工程设计与实现返回作为一个计算机控制系统工程项目，在研制过程这应该经过那些步骤，应该怎样有条不紊地保证工程顺利进行，这是需要认真考虑的。

8.2.1系统总体方案设计

8.2.2硬件的工程设计与实现

8.2.3软件的工程设计与实现

8.2.4系统的调试与运行8.2系统的工程设计与实现返回作为一个计算机控制系统工8.2.1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。包括：硬件总体方案设计：确定系统任务与控制方案；确定系统的构成方