第9章计算机控制系统设计与实现

第9章计算机控制系统设计与实现9.1计算机控制系统设计原则对于不同的控制对象，系统设计具体要求是不同的，但设计的基本要求是大体相同的。具体表现在：1．系统应具有优良的操作性能操作性能好，包括两个含义，即使用方便和维修容易。硬件和软件设计时都要考虑这个问题。在配置软件时，就应考虑配置什么样的软件才能降低对操作人员专业知识的要求。硬件方面，零部件的配置应便于操作人员维修。2．通用性好、便于扩充一个计算机控制系统，一般可以控制多个设备和不同的过程参数，但各个设备和控制对象的要求是不同的，而且控制设备还有更新，控制对象还有增减。系统设计时应考虑能适应各种不同设备和各种不同控制对象，使系统不必大改动就能很快适应新的情况。这就要求系统的通用性要好，能灵活地进行扩充。3．可靠性高可靠性高是计算机控制系统设计最重要的一个基本要求。一旦系统出现故障将造成整个生产过程的混乱，引起严重后果。因此在计算机控制系统设计时，通常应考虑后援手段，如配备常规控制装置或手动控制装置作后备。通常可直接采用多台计算机组成热备份（备份机与控制机同时工作但不介入控制，一旦主控制机有故障就切换到备份机上）或冷备份（备份机处于待工作状态，一旦主控机有故障就启动备份机投入工作）等工作方式来提高系统的可靠性。4．实时性好工业控制机的实时性，表现在对内部和外部的事件能及时地响应，并做出相应的处理，不丢失信息、不延误操作。5．设计周期要短，价格要便宜计算机应用技术发展迅速，各种新技术和产品不断出现，在满足精度、速度和其它性能要求的前提下，应缩短设计周期和尽可能采用价格低的元器件，以降低整个控制系统的费用。9.2计算机控制系统设计步骤1．研究被控对象、确定控制任务2．确定系统整体方案(1)确定系统的性质和结构(2)确定执行机构方案(3)控制系统总体“黑箱”设计(4)控制系统层次以及硬件、软件功能划分在总体方案设计完成后，形成了系统组成的粗线条框图结构、硬件与软件划分等文件，供详细设计使用。以此作为进一步设计的依据。3．建立数学模型，确定控制算法4．硬件的设计(1)确定过程的输入、输出通道及其处理方式(2)计算机系统选择(3)过程通道及接口设计(4)控制台设计(5)可靠性设计(6)硬件调试5．软件的设计(1)选择编程语言①汇编语言②高级语言③混合语言(2)软件设计步骤①问题定义②细化设计③编制源程序④形成可执行代码⑤调试6．系统仿真与调试(1)实验室硬件联调(2)实验室软件联调(3)实验室系统仿真7．现场安装调试9.3计算机控制系统输入／输出通道设计

9.3.1过程输入输出通道的组成与功能

根据过程信息的性质及传送方向，过程通道包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道和数字量输出通道。要对工业现场实现控制，就必须对它的运行状态进行检测。模拟量输入通道和数字量(开关量)输入通道就是为此而设置的两种检测通道。生产过程的被调参数(一般包括压力、流量、温度、液面高度等等)一般都是随时间变化的模拟量，通过检测元件和传感器，可以把它们转换成模拟电流或电压。由于计算机只能识别数字量，故模拟电信号必须通过模拟量输入通道变换成相应的数字信号，才能送入计算机；而生产现场的两态开关、电平的高低、脉冲量等数字或开关信号，则须通过数字量输入通道输入计算机。计算机控制生产现场的控制通道也有两种，即模拟量输出通道及数字量输出通道。计算机输出的控制信号是以数字形式给出的，有的生产过程的执行元件要求提供模拟电流或电压，故应采用模拟量输出通道实现；有的执行元件只要求提供数字量或开关量，故应采用数字量输出通道。可见，过程通道是计算机和工业生产过程(控制对象)相互交换信息的桥梁。9.3.2过程输入输出通道的控制方式

1．过程输入输出通道与CPU交换就信息类型过程输入输出通道与CPU交换的信息类型有三种：·数据信息：反映生产现场的参数及状态的信息，它包括数字量、开关量和模拟量。·状态信息：又叫做应答信息、握手信息，它反映过程通道的状态，如准备就绪信号等。·控制信息：用来控制过程通道的启动和停止等信息，如三态门的打开和关闭、触发器的启动等。2．过程通道的编址方式由于计算机控制系统一般都有多个过程输入输出通道，因此需对每一个过程输入输出通道安排地址。过程通道编址方式有两种：·过程通道与存储器独立编址方式·过程通道与存储器统一编址方式3．CPU对过程通道的控制方式计算机的外围设备及过程通道种类繁多，它们的传送速率又很不相同。因此输入输出产生复杂的定时问题，也就是CPU采用什么控制方式向过程通道输入和输出数据。常用的控制方式有三种：·程序查询方式·中断控制方式·直接存储器存取(DMA)方式9.3.3输入通道

1．模拟量输入通道模拟量输入通道的任务是将模拟量输入信号进行变换、采样、放大、模/数转换，转换成二进制数字量输入计算机。

模拟量输入通道一般由信号处理、多路转换器、放大器、采样保持器和A/D转换器组成。2．数字量输入通道数字量输入通道主要由两态信息转换电路和接口电路组成。两态信息转换电路的作用是将生产现场的两态信息转换成TTL电平信号，通过I/O接口电路传送到计算机系统。根据现场信号的不同，有的两态信息转换电路应能消除开关机械抖动的影响，有的应能与强电信号隔离，防止各种干扰。(1)开关量输入通道(2)脉冲量输入通道(3)中断输入通道(4)数字编码输入9.3.4输出通道设立输入通道的作用在于将被控对象的各种信息转换成计算机可以接受的信息，以供计算机处理。而计算机处理后产生的相应的控制命令或控制量，也必须转换成相应的物理量才能对被控对象实施控制。这种由可将计算机发出的控制指令(或控制量)进行转换并能传送给执行机构的装置构成的信号路径，称之为输出通道。1．模拟量输出通道模拟量输出通道的任务是把计算机输出的数字量变换成模拟量，这个任务主要由数/模转换器来完成，对于模拟量输出通道，要求可靠性高，满足一定的精度，还必须具有保持的功能。保持器一般有数字保持和模拟保持两种方案，这就决定了模拟量输出通道的两种基本结构形式。(1)独立数/模转换器形式图9.2独立的多通道D/A转换结构图I/O接口电路D/AD/A┇(2)共用数／模转换器的形式图9.3多通道共享D/A的结构框图I/O接口电路D/A保持器┇多路开关保持器2．数字量输出通道数字量输出通道的任务是根据计算机输出的数字信号去控制电接点的通、断或数字式执行器的启、停等，简称DO(DigitalOutput)通道。根据被控对象的不同，其输出的数字控制信号的形态及相应的配置也不相同。其中，最为常用的数字控制信号是开关且和脉冲量信号。数字量输出通道中，由于许多执行机构往往需要开关量的控制信号。这时，CPU可以通过I/O接口电路直接对执行机构进行控制，也可以通过半导体开关或机械式继电器接点的开闭去控制。数字量输出通道的关键往往是要解决执行机构的功率驱动问题。9.4计算机控制系统抗干扰技术

计算机控制系统大多用于工业控制现场，条件复杂恶劣，干扰频繁。干扰严重影响控制系统的可靠性和稳定性。环境的特殊，要求计算机控制系统必须有极高的抗干扰能力。为此，必须分析干扰的来源，研究对于不同的干扰源采用哪些相应的行之有效的抑制或消除干扰的措施，重视接地、布线和供电方面的抗干扰技术，重视CPU可靠运行的抗干扰技术相应用软件中对数字信号的数据处理技术。9.4.1干扰的来源

计算机控制系统运行环境的各种干扰主要表现在以下几个方面：1．恶劣的供电条件2．严重的噪声环境此外，还有来自空间的干扰，如太阳及其它天体辐射的电磁波，广播电台或通讯发射台发出的电磁波，周围电气设备如电机、变压器、中频炉、可控硅逆变电源等发出的电干扰和磁干扰，气象条件、空中雷电、甚至地磁场的变化也会引起干扰。这些空间辐射干扰有时会使计算机不能正常工作。9.4.2干扰的抑制方法1．接地技术(1)接地方式“安全接地”一般均采用一点接地方式。“工作接地”依工作电流频率不同而有一点接地和多点接地两种。低频时，因地线上的分布电感并不严重，故往往采用一点按地；高频情况下，由于电感分量大，为减少引线电感，故采用多点接地。频带很宽时，常采用一点接地和多点接地相结合的混合接地方式。(2)浮地系统和接地系统(3)交流地与直流地分开(4)模拟地与数字地分开(5)印刷电路板的地线安排(6)屏蔽地2．屏蔽技术(1)电场屏蔽(2)电磁屏蔽(3)磁场屏蔽3．隔离技术隔离的实质是切断共地耦合通道，抑制因地环路引入的干扰。隔离是将电气信号转变为电、磁、光及其它物理量作为中间量，使两侧的电流回路相对隔离又能实现信号的传递。如图9.4所示。(a)变压器隔离(b)继电器隔离(c)光电耦合器隔离图9.4隔离电路电路电路电路电路电路电路4．串模干扰的抑制串模干扰(又称常态干扰、正相干扰)是干扰电压和信号电压串联叠加于负载或放大电路的输入端，它常常表现为通道一个输入端对另一个输入端电压变化的干扰。抗串模干扰的技术措施有：(1)合理选用信号线(2)在信号电路中加装滤波器(3)选择合适的A/D转换器(4)采用调制解调技术(5)用光电耦合器隔离干扰(6)配备高质量的稳压电源5．共模干扰的抑制共模干扰(又称共态干扰、同相干扰)表现为通道两信号端相对于零电位参考点所共有的干扰电压，包括交流和直流的两种电压。共模干扰只有转换成串模干扰才会影响系统。可以选择隔离技术，使共模干扰不能构成回路。对于由共模干扰转换过来的，并且已叠加在有用信号上的串模干扰，可用前面个绍的抗串模干扰的方法来滤除。6．电源噪声的抑制实践说明，电源的干扰是计算机控制系统的主要干扰，抑制这种干扰的主要措施有以下几个方面。(1)电源变压器的屏蔽(2)交流稳压器(3)隔离变压器(4)低通滤波器(5)采用分散独立功能块供电7．提高软件可靠性软件可靠性技术，主要有以下两个方面的内容。(1)通过软件提高系统的可靠性(2)提高软件自身的可靠性9.5计算机控制系统应用实例

电阻炉炉温的控制，根据工艺的要求不同而有所变化，但大体上可归纳为以下几个过程：(1)自由升温段，即根据电阻炉自身约条件对升温速度没有控制的自然升温过程。(2)恒速升温段，即要求炉温上升的速度按某一斜率进行。(3)保温段，即要求在这一过程中炉温基本保持不变。(4)慢速降温段，即要求炉温下降的速度按某一斜率进行。(5)自由降温段。1．工艺要求要求电阻炉炉内的温度，应按图9.6所示的规律变化；从室温t0开始到a点为自由升温段，当温度一旦到达a点(即Ta点)，就进入系统调节。从b点到c点为保温段，要始终在系统控制之下，以保证所需的炉内温度的精度。加工结束，即由c到d点为自然降温段。保温段的时间为50～100分钟。炉温变化曲线对各项品质指标的要求如下：abcdTa图9.6炉温控制要求T0℃0t0

t1

t2

t3

t

过渡过程时间：即从升温开始到进入保温段的时间t1≤100分钟超调量：即升温过程的温度最大值(TM)与保温值(T0)之差与保温值之比；静态误差：即当温度进入保温段后的实际温度值(T)与保温值(T0)之差与保温值之比。温度保温值的变化范围：50～100℃。设保温值为100℃。

2．系统的组成和基本工作原理本电阻炉炉温自动控制系统方块图如图9.7所示。计算机D/A变送器1可控硅电阻炉检测元件A/D变送器2图9.7电阻炉炉温自动控制系统控制过程：计算机定时(即采样周期)对炉温进行测量和控制一次，炉内温度是由一铂电阻温度计来进行测量，其信号经放大送到模数转换芯片换算成相应的数字量后，再送入计算机中进行判别和运算，得到应有的电功率数(增量值)，经过数模转换芯片转换成模拟量信号，供给可控硅功率调节器进行调节，使其达到炉温变化曲线的要求。3．对象特性的测量和识别(1)对象模型的归纳根据描述对象特性需用微分方程的阶数不同，对象可分一阶或二阶。至于阶数高于二阶的由于实际计算，分析参数有困难而用纯滞后的一、二阶方程来近似代替，因此实用上对象模型的基本形式常取如下几种：·一阶对象对象的微分方程为则它的传递函数为它的飞升曲线如图9.8所示。一般幅值的阶跃信号输入时，输出稳态值除以输入幅度值即为放大倍数K，输出从起始值到达0.632稳态值的时间即为时间常数T。Typ0.632yp0y(t)t图9.8飞升曲线一·纯滞后的一阶对象这种对象的微分方程为则它的传递函数为

它的飞升曲线如图9.9所示。它与图9.8的唯一区别在于起始有一段纯滞后。τT+τyp0.632yp0y(t)t图9.9飞升曲线二(2)飞升曲线的测量测量的方法：它在稳定控制信号作用下系统有一个稳定的输出，然后突然在输入端加一幅度适宜的阶跃控制信号。输出对应也有一个变化部分，此即为输出的飞升曲线，如图9.10所示。y1y00y(t)t图9.10飞升曲线三若将飞升曲线单独画出，即为图9.8所示。利用上述同样的方法测得的电阻炉炉温的飞升曲线如图9.11所示。τT+τyp0y(t)t图9.11飞升曲线四将上述所测得的飞升曲线与典型传递函数的飞升曲线比较，可知图9.10是一阶对象的飞升曲线，而图9.11是带纯滞后的一阶对象。其传递函数是：式中：K——放大系数

T——对象时间常数

τ——对象滞后时间(3)一阶对象参数的求取对于一阶对象的放大倍数K可由输出稳态值和输入阶跃信号幅值的比值求得。输出从起始值到达0.632倍稳态值的时间即为对象时间常数。而对象滞后时间τ可直接从图中测量。但实测的飞升曲线起始部分有弯曲，不易找到确切的位置来定滞后时间，这时可用一阶加纯滞后的虚线曲线来迫近，使后面大部分重合，而起始部分则可定出一个等效的滞后时间τ，这时可在曲线斜率的转折点(即拐点)处作一切线，如图9.11所示。该切线与时间轴的交点认为是一阶的起点，即纯滞后时间τ，而切线与稳态值的交点时间应为T，加上纯滞后时间则实测为τ+T。这样就求出了一阶对象的三个参数K、T、τ。设所得的飞升曲线求得本电阻炉的参数为T=72（分钟）τ=8（分钟）K=3304．控制规律的选择和参数的计算计算机参与控制的形式是多种多样的，它取决于控制规律的选择以及受控对象的特性，现仅结合本电阻炉的要求，作如下的分析：根据炉温变化曲线的要求，可将其分为三段来进行控制；自由升温段，保温段和自然降温段。而真正需要电气控制的是前面二个阶段，即自由升温段和保温段。为避免过冲，从室温到80%额定温度为自由升温段，在±20％额定温度时为保温段。在自由升温段中，希望升温越快越好，总是将加热功率全开足，因此得自由升温段控制规律为：当T≤0.8T0时，选Pk=1；在T＞0.8T0后，已较接