计算机控制技术

课程总复习第一章计算机控制系统概论1.1自动控制系统概述**1.2计算机控制系统的组成和基本原理**1.3计算机控制系统的特点1.4计算机控制系统的性能及指标1.5典型计算机控制系统**1.6计算机控制系统分类1.7计算机控制系统的发展趋势

连续系统中控制器的功能用计算机来实现，构成计算机控制系统，如图1.3所示。计算机控制系统主要由工业控制计算机和被控对象两大部分组成。图1.3计算机控制系统结构图控制器执行机构被控对象测量元件变送器+-给定值r被控量yeA/DD/A计算机

控制规律用软件实现，计算机执行预定的控制规律，实现对被控参数的控制。1.2计算机控制系统的组成和基本原理**控制过程：①实时数据采集：②实时控制决策：③实时控制输出：图1.3计算机控制系统结构图控制器执行机构被控对象测量元件变送器+-给定值r被控量yeA/DD/A计算机工作方式：①在线方式：②离线方式：③实时性：与模拟控制系统相比，有如下特点：(1)数字模拟混合的系统(2)灵活方便、适应性强(3)可实现复杂控制规律(4)离散控制(5)可以采用分时控制(6)易于实现管控一体化

1.3计算机控制系统的特点**1.4计算机控制系统的性能及指标(1)稳定性(2)能控性与能观性(3)动态指标(4)稳态指标(5)综合性指标1.5典型的计算机控制系统数字控制器保持器执行机构测量多路采样保持+-温度给定eA/DD/A保持器执行机构D/A啤酒罐测量图1.5啤酒罐计算机温度控制系统温度、氧电势传感器高速数据采集卡数据接收与存储数据处理与记录采集数据历史数据数据与曲线显示数据与曲线打印计算机系统图1.6计算机检测系统1.6

计算机控制系统分类1.6.1按功能及结构特点分类1.操作指导控制系统

图1.7操作制导控制系统组成框图计算机工业对象CRT调节器模拟输入(AI)通道打印机数字输入(DI)通道人2.

直接数字控制系统(directdigitalcontrol,DDC)计算机工业对象给定值显示打印记录接口接口检测执行器输入通道输出通道……图1.8直接数字控制系统组成框图3.

计算机监督控制系统(supervisorycomputercontrol,SCC)图1.9SCC+模拟调节器控制系统测量工业对象计算机工艺数据模拟调节器记录、显示、打印调节设定值图1.10SCC+DDC控制系统测量工业对象计算机工艺数据DDC计算机记录、显示、打印调节设定值4.

集散控制系统(distributedcontrolsystem,DCS)**图1.11集散控制系统组成框图综合信息管理级集中操作监控级网间连接器管理计算机工程师站操作员站监控计算机其它局域网局域网络(LAN)网间连接器通信网络现场控制器PLC智能调节器其它测控装置分散过程控制级**可用于DCS的串行总线：RS232，RS485，现场总线，Profibus总线，CAN总线，以太网等。5.

现场总线控制系统(Fieldbuscontrolsystem,FCS)**图1.12现场总线控制系统组成框图操作站现场总线现场总线现场总线现场总线现场设备工业过程现场设备现场设备………（1）DCS采用“操作站-控制站-现场仪表”的结构模式，系统成本高，而且各个厂家生产的DCS各有标准，不能互联。FCS采用“操作站-现场总线智能仪表”的结构，而且在统一的国际标准下可以实现真正的开放式互联系统结构（2）DCS的仪表很多还是老式的，采用4-20mA（0-10mA）的模拟信号，由传感器传来的信号经过A/D转换传给控制站，控制站的信号又经过D/A转换再传给执行器。FCS所有的仪表都是挂接在网络上的智能仪表，控制站与传感器或者执行器融和在一起了，而且输入输出的信号也都是数字信号，通过网络传输。(3)FCS将输入/出单元，控制站的功能分散到智能型现场仪表，每个现场仪表作为一个智能节电，都带有CPU单元，可独立完成测量、校正、调节、诊断等功能，由网络协议把它们连接在一起工作，若某一节电出现故障，只会影响其本身不会危及全局，所以系统更可靠。

DCS与FCS在体系结构上的区别**6.

计算机集成制造系统(Computer-IntegratedManufacturingSystem,CIMS)图1.13计算机集成制造系统组成框图历史数据库经营决策系统实时数据库企业管理系统生产调度系统过程监控系统基础过程控制系统决策信息管理信息调度信息模型信息监视操作生产过程……管理自动化生产自动化产品策略生产计划

调度指令优化参数控制策略1.7

计算机控制系统的发展趋势1可编程控制器(PLC)2人工智能3神经网络控制系统4模糊控制5最优控制6自适应控制7鲁棒控制

第2章计算机输入输出技术2.1常用计算机控制系统主机模式2.2总线技术2.3信号采样过程与重构2.4

数字量输入通道*2.5数字量输出通道*2.6模拟量输入通道**2.7模拟量输出通道**计算机生产过程模拟量输入通道(AI)测量变送数字量输出通道(DO)开关设备数字量输入通道(DI)开关触点模拟量输出通道(AO)执行机构图2.1计算机过程输入输出通道输入输出通道2.4数字量输入通道(DI)CPU三态缓冲器信号调整电路地址译码器来自现场图2.2DI通道组成2.5数字量输出通道(DO)CPU输出锁存输出驱动电路地址译码器执行机构图2.6DO通道组成2.6模拟量输入通道(AI)**图2-10模拟量输入通道工业生产过程传感器放大滤波多路转换采样保持A/D转换输入接口计算机**模拟量输入通道组成：传感器、放大滤波(调理电路)、多路开关、采样保持器、A/D等。**主要部分功能

：1)传感器：对来自现场的各种信号进行测量；2)调理电路:将传感器输出信号滤波放大整形等变换为适应ADC采样的标准信号;3）采样保持：为ADC采样维持稳定的信号；4)A/D：将模拟信号转换成数字量信号。2.6.1传感器及其测量电路2.6.2信号调理电路

1放大电路

对放大器的要求：线性好，增益高，转换速率高，抗干扰能力强，输入阻抗高，输出阻抗小。(1)非电信号的检测——不平衡电桥(2)测量放大器D(3)程控增益放大器若开关S1，S2，S3之一闭合，其余两个断开，则放大器增益为：程控增益放大器UO-+AUIRR4R3R2R1S1S2S32滤波器作用：抑制不需要的噪声，提高系统的信噪比，选出有用的频率信号，抑制杂散无用的频率信号，使一定频率范围内的信号通过，且衰减很小，而在此频率范围以外的信号衰减很大，从而提高系统的信噪比。滤波器包括模拟滤波器和数字滤波器，这里主要介绍模拟滤波器。

通带：可以通过的频率范围

阻带：不能通过的频率范围截止频率：通带与阻带的界限频率。滤波器的频率特性用品质因素Q值衡量，Q值越高即灵敏度越高，其选择特性越好。2A/D转换器的性能参数(1)分辨率(量化间隔)**(2)转换时间(3)转换精度(4)转换量程3ADC0809(1)内部结构及引脚功能(2)工作时序(3)工作过程(4)读取A/D转换数据的方法(5)应用——与CPU的连接2.6.6A/D转换器**+5V译码器≥1≥18259A640KHZIN7IN1IN0…A0A1A2ADDAADDBADDCOESTARTALEIORIOWD0~D7D0~D7INTRCLKEOCVREF(-)GNDVREF(+)VccA9~A38088CPUADC0809直接连接——中断法例

ADC0809与CPU的接口（查询法）直接连接——查询法例

ADC0809采用8255A与CPU相连IN0~IN78088CPUPAPB7PB2PB1PB0D0~D7STARTALEADDCADDBADDAOE+5VADC08098255A采用8255与CPU相连来自I/O译码ADC080974LS244缓冲器D0~D7DIDODB1G2G+5VOE采用缓冲器与CPU相连2.7模拟量输出通道(AO)**

工业对象计算机执行机构放大驱动D/A转换输出接口模拟量输出通道组成**模拟量输出通道组成：隔离电路、D/A、放大驱动电路、执行机构等。**主要部分功能

：1)隔离电路：把系统强电和弱电分开；2)驱动电路:将控制信号变成功率信号驱动执行机构;3）D/A：将数字信号转换成模拟信号。2.7.3DAC08321特点2.7.2D/A转换器的技术指标分辨率**、转换精度、转换时间

内部结构图4-7输入D0~2.7.1D/A转换器的工作原理4模拟输出电压的极性**

(1)单极性输出DAC0832RfbIout1Iout2Vout-+A5DAC0832的三种工作方式单缓冲工作方式、双缓冲工作方式、直通工作方式

(2)双极性输出DAC0832RfbIout1Iout2Vout2-+A1-+A2I1I2R1=2RR3=2RR2=RVout1VrefABI3BI2

6DAC0832与CPU的接口

8位D/A转换器与CPU的连接方式有三种：用锁存器连接、用可编程并行接口8255A连接和直接连接。

例直接与8088CPU相连

D/A转换器的应用：(1)信号发生器；(2)用于闭环控制系统D0~D7A1IOWD0~D7WR1WR2XFERDAC08328088CPU译码器A2~A9≥1A0≥1CSILE+5VRfbIout1Iout2Vout-+A第3章计算机控制技术

计算机控制系统的被控对象一般为模拟装置，具有连续特性，控制器(计算机部分)是一种数字装置，具有离散特性。因此计算机控制系统是一个既有连续部分，又有离散部分的混合系统，系统中既存在连续量，又存在离散量。

数字控制器是计算机控制系统的核心组成部分，是在被控对象数学模型或操作人员的经验基础上进行设计，并用计算机软件实现的某种控制算法。数字控制器的设计方法:（1）连续化设计方法先设计校正装置的传递函数D(s)，然后采用某种离散化方法，将它变成计算机算法。（2）离散化设计方法已知被控对象的传递函数或特性G(Z)，根据所要求的性能指标，设计数字控制器。3.3数字控制器的连续化设计**

先将系统的离散部分当成连续的来处理，整个系统表现为连续系统，按照连续系统的校正方法（频率法、根轨迹法）设计校正环节，然后对其离散化，并用计算机程序来实现，得到数字控制器。**连续化方法设计思想：由于计算机、ADC以及DAC等离散的部件工作频率足够的高，可以忽略采样保持器和零级保持器，将系统看成是连续的，这样就可以把整个计算机系统近似看成连续系统，采用连续系统的设计方法设计系统的控制器，然后把连续的控制器离散后在计算机上实现。3.3.1设计原理和步骤D*(s)设计原理D(s)执行机构被控对象测量装置计算机执行机构被控对象测量装置D/AD/AD(z)设计步骤**第1步：根据设计要求，在连续域设计连续控制器D(s)；第2步：根据系统性能，选择采样周期；第3步：选择合适的离散化方法，将D(s)离散化为D(z)，使两者性能尽量等效。第4步：将D(z)变为数字算法，在计算机上编程实现。第5步：通过数字仿真验证闭环性能，若满足指标要求，设计结束，否则应修改设计；更改设计的途径有：①选择更合适的离散化方法；②提高采样频率③修正连续域设计，如增加稳定域度指标等。3.3.2各种离散化方法最常用的表征控制器性能的主要指标

零极点个数；系统的频带；稳态增益；相位及幅值域度；阶跃响应或脉冲响应形状；频率响应特性。D(s)D(z)等效离散离散化方法数值积分法零极点匹配法保持器等效法z变换法前向差分法后向差分法**双线性变化法1.后向差分法**离散化公式实质：将连续域中的微分用后向差分替换。总面积=前n步面积+当前面积以积分环节为例：做z变换，得比较e(t)oTte(k-1)e(k)2.前向差分法离散化公式实质：将连续域中的微分用前向差分替换。以积分环节为例：做z变换，得比较e(t)oTte(k-1)e(k)3.双线性变换法离散化公式实质：用梯形面积近似代替积分。以积分环节为例：做z变换，得比较e(t)oTte(k-1)e(k)4.零极点匹配法离散化公式5.z变换法(脉冲响应不变法)离散化公式6.零阶保持器等效法离散化公式3.4数字PID控制算法**

根据偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行控制，简称PID控制，它是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。

实际运行的经验和理论的分析都表明，运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到满意的效果。

用计算机实现PID控制，不是简单把模拟PID控制规律数字化，而是进一步与计算机的逻辑判断功能结合，使PID控制更加灵活，更能满足需求。2

数字PID控制器

在计算机控制系统中，PID控制规律的实现必须用数字逼近的方法。

当采样周期相当短时，用求和代替积分，用后向差分代替微分，使模拟PID离散化变为差分方程。（1）位置式PID算法（2）增量式PID算法为了便于计算机实现，必须将上式变换成差分方程。PID控制规律：因此，作如下近似：其中，T是采样周期，k为采样序号。代入上式，得数字PID的位置型控制算式：（1）位置式PID算法**在k-1时刻：根据位置式PID算法，在k时刻：——①——②

①－②得：（2）增量式PID算法**整理得：其中：——比例增益；——积分系数；——微分系数。为了编程方便，进一步整理上式：3.5数字PID算法的改进

单纯地用数字PID去模仿模拟调节器，不会获得更好的效果，必须发挥计算机运算速度快，逻辑判断功能强、编程灵活等优势，使得控制性能上超过模拟调节器。1、积分项的改进2、微分项的改进3、带死区的PID控制算法4、IPD控制算法1、积分项的改进1)积分分离**

在一般的PID控制中，当有较大扰动或大幅度改变给定值时，由于此时有较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，在积分项的作用下，往往会产生较大的超调和长时间的波动。为避免这种情况，采用积分分离的措施：2）过限消弱积分法**积分饱和现象是指若系统存在一个方向的偏差，PID控制器的输出由于积分作用的不断累加而加大，从而导致u(k)达到执行机构的极限位置。此后即使控制器输出继续增大，执行机构输出u(k)也不会再增大，即系统输出超出正常运行范围而进入了饱和区。一旦出现反向偏差，u(k)逐渐从饱和区退出。进入饱和区愈深则退饱和时间愈长。此段时间内，执行机构仍停留在极限位置而不能随着偏差反向立即做出相应的改变，这时系统就像失去控制一样，造成控制性能恶化。这种现象称为积分饱和现象或积分失控现象。积分分离PID算法：1当|e(k)|≤β时，采用PID控制0当|e(k)|＞β时，采用PD控制KL=位置式：增量式：3）抗积分饱和因长时间出现偏差或偏差较大时，计算出的控制量有可能溢出，或小于0。

所谓溢出就是计算机运算得出的控制量u(k)超出D/A转换器所能表示的数值范围。8位D/A的数据范围是：00H－FFH；设u(k)为FFH时，调节阀全开；设u(k)为00H时，调节阀全关。

当执行机构已到极限位置，仍然不能消除偏差时，由于积分作用，尽管PID差分方程所得的运算结果继续增大或减小，但执行机构已无相应的动作，这就称为积分饱和。

作为防止积分饱和的办法之一，可对计算出的控制量u(k)限幅，同时，把积分作用切除掉：当u(k)<00H，取u(k)＝0；当u(k)>FFH，取u(k)＝FFH。1、积分项的改进4）梯形积分

在PID控制器中，积分项的作用是消除残差。因此，为了消除残差，应提高积分项的运算精度。

为此，可将矩形积分改为梯形积分：1、积分项的改进e(t)oTte(k-1)e(k)5）消除积分不灵敏区由PID增量型控制算式：其积分项：

由于计算机字长的限制，当运算结果小于字长所能表示的数的精度，计算机就作为“零”将此数舍掉。

当计算机的运行字长较短，采样周期T也短，而积分时间TI又较长时，上式容易出现小于字长的精度而丢数，此积分作用消失，称为积分不灵敏区。1、积分项的改进例，某温度控制系统，温度量程为0—1275℃，A/D转换为8位，采用8位字长定点运算。

设

KP＝1，T＝1s，TI＝10s，e(k)=50℃，得：e(k)<50℃，则上式<1，计算机就作为“零”将此数丢掉，控制器就没有积分作用。

只有当e(k)达到50℃，才会有积分作用，这样势必造成控制系统的残差。为了消除积分不灵敏区，通常采用以下措施：①增加A/D转换位数，加长运算字长，这样可提高运算精度；②当积分项连续n次出现小于输出精度ε的情况时，不要把它们作为“零”丢掉，而是把它们一次次累加起来，直到累加值SI大于输出精度ε时，才输出SI

，同时把累加单元清零。2、微分项的改进1）不完全微分PID控制算法**

标准的PID控制算式，对具有高频扰动的生产过程，微分作用响应过于灵敏，容易引起控制过程振荡，降低调节品质。

尤其是计算机对每个控制回路输出时间是短暂的，而驱动执行器动作又需要一定时间，如果输出较大，在短暂时间内执行器达不到应有的相应开度，会使输出失真。

为了克服这一缺点，同时又使微分作用有效，可以在PID控制输出后串联一个一阶惯性环节，组成了不完全微分PID控制器。对于位置式普通数字PID控制算法：其中的微分控制作用为：设偏差为阶跃信号，在k=0时刻，微分的控制量为：在k=1(2,3,4,……)时刻，微分的控制量为：图4.7(a)标准PID控制不完全微分PID控制如下图4所示PID调节器

为此，在数字PID调节器中串接低通滤波器(一阶惯性环节)来抑制高频干扰，低通滤波器的传递函数由不完全微分图可得微分方程：所以PID部分一阶惯性环节做以下替换：u(t)≈u(kT)e(t)≈e(kT)离散化，可得差分方程式中将控制量中的微分部分分离出来，得：其中:设偏差为阶跃信号，在k=0时刻，微分的控制量为：在k=1时刻，微分的控制量为：在k=2时刻，微分的控制量为：在k时刻，微分的控制量为：不完全微分数字PID不但能抑制高频干扰，而且克服了普通数字PID控制中微分作用时间短，强度大的缺点，数字调节器输出的微分作用能在各个周期里按照偏差变化的趋势，均匀地输出，真正起到了微分作用，改善了系统的性能。调节α即可调节微分作用的延续时间不完全微分数字PID调节器在单位阶跃输入时，输出的控制作用如图4.7(b)所示。尽管不完全微分PID较之普通PID的算法复杂，但是，由于其良好的控制特性，因此使用越来越广泛，越来越受到广泛的重视。图4.7(b)不完全微分PID控制2）微分先行PID控制算法设计思想：把微分运算放在比较器附近，有两种结构，一种是对输出量进行微分，另一种是对偏差进行微分。2、微分项的改进3、带死区的PID

4、IPD控制算法3、带死区的PID

4、IPD控制算法3.6参数整定1.采样周期的选择**1）满足采样定理，采样角度频率大于输入信号最大频率的2倍以上；2）被控对象的特性；3）执行机构的类型和特性。4）控制器的设计方法：（1）对连续化设计方法，要考虑零阶保持器的影响。(2)最小拍设计要考虑到控制幅度的限制。5)程序的执行时间等。3.6参数整定2PID参数的工程整定(1)高桥参数整定公式

hmax=y(k0)-y(k0-1)hmaxt(s)y(k)0123L0Tk0=3(2)扩充临界比例度整定法对于增量式控制度控制算法TSKPTITD1.05PIPID0.03TU0.014TU0.53KU0.63KU0.88TU0.49TU—0.14TU1.2PIPID0.05TU0.043TU0.49KU0.47KU0.91TU0.47TU—0.16TU1.5PIPID0.14TU0.09TU0.42KU0.34KU0.99TU0.43TU—0.20TU2.0PIPID0.22TU0.16TU0.36KU0.27KU1.05TU0.40TU—0.22TU0

t

y(t)

τ

Tτ

y(∞)

对象的阶跃响应特性曲线

(3)扩充响应曲线法控制度控制算法TSKPTITD1.05PIPID0.1τ0.05τ0.84Tτ/τ1.15Tτ/τ0.34τ2.0τ—0.45τ1.2PIPID0.02τ0.16τ0.78Tτ/τ1.0Tτ/τ3.6τ1.9τ—0.55τ1.5PIPID0.5τ0.34τ0.68Tτ/τ0.85Tτ/τ3.9τ1.62τ—0.65τ2.0PIPID0.8τ0.6τ0.57Tτ/τ0.6Tτ/τ4.2τ1.5τ—0.82τ(4)归一参数整定法3.PID参数的试凑法扩充响应曲线法3.7、数字控制器的直接设计方法

由于控制任务的需要，当所选择的采样周期比较大或对控制质量要求比较高时，必须从被控对象的特性出发，直接根据计算机控制理论（采样控制理论）来设计数字控制器，这类方法称为离散化设计方法，或数字控制器的直接设计方法。3.7.1数字控制器的离散化设计步骤****离散化设计方法设计思想：从被控对象的特性出发，直接根据计算机控制理论来设计数字控制器。若已知Gc(s)，且可根据控制系统的性能指标要求构造Ф(z)，则根据和**数字控制器的离散化设计步骤：1）根据控制系统的性能指标和其他约束条件，确定所需的闭环Z传递函数Ф(z)和误差传递函数Фe(z)；2）求广义对象的Z传递函数G(z)；3）求数字控制器的Z传递函数D(z)；4）根据D(z)求取控制算法的递推公式，设D(z)的一般形式：得D(z)的计算机控制算法：3.7.1数字控制器的离散化设计步骤**3.7.2、最少拍控制器的设计

在数字随动控制系统中，要求系统的输出值尽快地跟踪给定值地变化，最少拍控制就是为满足这一要求的一种离散化设计方法。

所谓最少拍控制，就是要求闭环系统对于某种特定的输入在最少个采样周期内达到无静差的稳态，且闭环Z传递函数为：3.7.4、最少拍无纹波控制器的设计

按最少拍有纹波系统设计的控制器，其系统的输出值跟踪输入值后，在非采样点有纹波存在；原因就在于数字控制器的输出序列u(k)经过若干拍后，不为常值或零，而是振荡收敛的；非采样时刻的纹波现象不仅造成非采样时刻的偏差，而且浪费执行机构的功率，增加设备磨损，因此必须消除。

在工业生产中，大多数过程对象具有较长的纯滞后时间。物料或能量传输需要时间，当这个传输时间不能忽略时，就以纯滞后时间表现在系统中。纯滞后的含义是指系统的输出仅在时间轴上推迟（或延迟）了一定的时间，其余特性不变。纯滞后将引起较大的超调，降低系统的稳定性。对于纯滞后系统，人们更关心的使如何使超调量达到期望值，而对快速性未作太严格的要求。1）史密斯预估算法2）达林算法3.8纯滞后对象的控制算法3.9串级控制技术3.9.1串级控制的结构和原理3.9.2数字串级控制算法3.9.3

副回路微分先行串级控制算法3.10前馈－反馈控制技术3.10.1前馈控制的结构和原理3.10.2前馈－反馈控制结构3.10.3数字前馈－反馈控制算法3.11解耦控制技术相关控制问题引例3.11.1解耦控制原理3.11.2数字解耦控制算法第四章计算机控制系统设计和应用

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。计算机控制系统的理论设计包括：建立被控对象的数学模型；确定满足一定技术经济指标的系统目标函数，寻求满足该目标函数的控制规律；选择适宜的计算方法和程序设计语言；进行系统功能的软、硬件界面划分，并对硬件提出具体要求。计算机控制系统的工程设计，不仅要求掌握生产过程的工艺要求，以及被控对象的动态和静态特性，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、微电子技术等。4.1系统的设计原则与步骤4.1.1系统设计的原则(1)安全可靠(2)操作维护方便(3)实时性强(4)通用性好(5)经济效益高

计算机控制系统的工程项目的研制可分为四个阶段：工程项目与控制任务的确定阶段

(1)甲方提出任务委托书(系统技术性能指标、经费、计划进度、合作方式等)(2)乙方研究任务委托书

(3)双方对委托书进行修改

(4)乙方初步进行系统总体方案设计

(5)乙方进行方案可行性论证

(6)签订合同书(双方任务划分和各自承担责任、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等)4.1.2系统设计的步骤

(1)组建项目研制小组(2)制定系统的总体方案(3)方案的论证与评审

(4)硬件与软件的分别细化设计

(5)硬件和软件的分别调试

(6)系统的组装2.工程项目的设计阶段3.离线仿真和调试阶段在实验室而不是在工业现场进行仿真和调试。离线仿真和调试后还要进行考机运行，以便在连续不停机的运行中暴露问题和解决问题。4.在线调试和运行阶段即将系统和生产过程联接在一起，进行现场调试和运行。系统正常运行后，可组织验收。验收是系统项目最终完成的标志。4.2系统的工程设计与实现4.2.1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。（1）确定系统任务与控制方案（2）确定系统的构成方式设计（3）选择现场设备（4）确定控制算法（5）硬、软件功能的划分（6）其它方面的考虑4.2.4系统的调试与运行

1.离线仿真和调试（硬件调试，软件调试，系统仿真）

2.在线调试和运行在现场进行调试之前应对各种仪器、设备、抗干扰和接地情况以及安全防护措施进行检查。经检查并安装正确之后，就可以进行系统的投运和参数整定。4.3计算机控制系统设计举例例4.1啤酒发酵过程计算机控制系统1.啤酒发酵工艺及控制要求要求控制发酵罐按下图的温度工艺曲线运行2.系统总体方案设计

(1)发酵罐测控点分布及管线结构

系统共有10个发酵罐，每个罐测量5各参数，有3个控制点，他们分别是上段温度TTa、中段温度TTb、下段温度TTc、罐内上部气体压力PT、液位LT、上段冷带调节阀TVa、中段冷带调节阀TVb、下段冷带调节阀TVc。

(2)检测装置和执行机构温度检测采用WZP-231铂热电阻和RTTB-EKT温度变送器；压力检测采用CECY-150G电容式压力变送器；液位检测采用CECU-341G电容式液位变送器执行机构采用ZDLP-6B电动调节阀(3)控制规律在恒温阶段采用增量型PI控制算法，在升温、降温阶段采用PID控制算法，在控制软件设计中提供了Smith预估控制算法

(4)控制系统主机及过程通道模板控制主机选用康拓IPC-8500工业控制机过程通道模板选用康拓IPC-548812位光电隔离板(5)控制系统软件包括采样、滤波、标度变换、控制输出、中断、计时、打印显示、报警、参数修改及报表、图形、曲线显示等功能3.系统硬体和软件设计

(1)硬件设计(2)软件设计

(a)数据采集程序，共有50个参数，采用周期T=2S(b)数字滤波程序

(c)标度变换程序（温度、液位、压力的标度变换）

(d)给定工艺曲线的实时插补计算（多段折线）

(e)控制算法（PI/PID+限幅，Smith预估控制算法）

(f)其它应用程序（计时、打印、显示、报警、调节、报表、图形、曲线显示等）

4.系统的安装调试运行及控制效果系统投入运行之后，首先能满足系统的控制指标要求。优点：系统操作简便，维护方便，性能可靠；采用微机控制，有利于提高啤酒质量；改善了劳动条件，消除了人为因素；易于现代化管理和产品质量分析。例4.2基于51单片机的直流电机闭环调速系统一、直流电机调速原理1、电机调速模型2、调速方法分析(PWM调压)电动机得到的平均电压为：二、系统总体设计1、系统原理框图

2、主要部分分析控制算法2)速度检测3)光电隔离4)PWM驱动系统组成结构示意图3、系统硬件电路介绍4、软件设计1)主程序2）PWM波程序PWM波（定时中断0）3)测速程序

定时中断1外部中断0例4.3温度控制系统8088CPU单元驱动单元温控单元ADC0809测温电路给定值温度

温度控制系统原理图实验一基于DSP的直流电机调速系统**一、直流电机调速原理直流电机模型2、PWM（调压）电动机得到的平均电压为：二、系统总体设计1、系统方框图电机调速系统原理框图考虑电感效果的电机控制框图2、系统实现原理框图

本实验系统的实现框图标准的计算机控制系统结构框图设计思想及主要部分功能分析：1)主要部分功能

控制器：DSP2812，计算反馈速度，根据控制算法计算控制输出。

人机交互:包括键盘和显示部分，键盘用来设定转速和方向，显示部分用来显示脉冲数、给定转速及反馈转速信息。控制器为2812，也可以是其他单片机，完成采样和控制算法和控制输出。

PWM：PWM波由控制芯片(DSP2812)的片上外设部分产生，PWM波相当于D/A的功能。

执行器和被控对象：直流力矩电机

光电隔离：实现系统强电和弱电分开。

驱动单元：将控制器输出的信号变成能驱动电机工作的大电流强电信号。

传感器：测速码盘，和控制器内部的计数单元完成整个系统的速度反馈，相当于传感器和ADC的功能。2)调速：负载不变，调整电机电压就可以调速——PWM调速。

PWM：28