控制系统工程设计第章

第1章工程设计与实践基础知识1.1基础知识1.2设计原则

1.3实施步骤1.1基础知识1.1.1电子器件图例符号常用电子器件有分离元件和集成元件两大类。

分离元件包括电阻器、电容器、电感器、二极管、三极管、晶闸管和场效应管。

集成元件包括集成运算放大器和典型集成器件。（1）分离元件图形及基本文字符号1．分离元件（2）电阻器色码图形表示和额定功率通用符号图1-1电阻器阻值色码表示图例图1-2电阻器额定功率的通用符号（3）二极管、三极管和晶闸管外形图例图1-3常用二极管外形图例图1-4片状封装二极管外形图例图1-5三极管外形图例图1-6片状三极管图1-7复合双三极管图1-8晶闸管外形图例2．集成元件（1）集成运放的符号和外形图1-9集成运放的符号图1-10集成运放外形图例（2）集成运放的基本应用图1-11集成运放反馈回路和输入形式

控制流程图例符号1．工艺设备代号与图例2．控制系统常用图例符号图1-12检测点的标识（1）图形符号图1-13仪表图形符号图1-14控制室内非监视仪表图形符号（2）字母语代号图1-15仪表位木号组成漂示例（3）仪表位奴号3．控制维流程图壮示例图1-17计算机贸控制流着程图示轨例1.1旱.3电气设他备图例收符号1.电气设己备图形聪符号表1-11电机与足变压器浇图形符播号表1-12仪表、衫信号器尖件图形起符号表1-1哗3配电箱、糟屏、控制稀台图形符胁号表1-1烛4电气线召路图形赴符号2.电气设锁备文字乒符号（1）文字符仿号电气图中伞除使用设踏备图形符逃号外，在幕电气设备舒、装备和钞元件旁边梢还需要标焦注一些文叉字符号以绸表示电气冤设备、装跳备和元件愉的名称、冲功能、状凳态和特征踢。文字符号射可以作为稀限定符号鞠与一般图尤形符号组舞合，以派窑生出新的炒图形符号依。表1-1萌5电气设备亡基本文字胜符号表1-1荣6电气设答备辅助悬文字符伍号（2）辅助文乒字符号表1-1务7电源线倾路和三煮相电气励设备标咳记符号（3）电源惰线路标观记符号电气电钻源一般以用三相五坑线制表示，樱即三根场相（火怠）线、寄一根中洲（零）养线和一捕根地线槽，在电假气控制盘图中也樱有规范追的标记昨符号表哈示1.2设计原甩则对于不同摔的控制对月象，系统旅的设计方满案和具体皆的技术指户标是不同贿的，但系殃统设计的技基本原则贴是一致的务，这就是牌：系统的私可靠性今要高，崖操作性厚能要好昆，实时赞性要强嘱，通用剪性要好追，经济猫效益要商高。1．可靠食性要高系统的可司靠性是指示系统在规后定的条件耀下和规定界的时间内雷完成规定漠功能的能衣力。在自动旋化控制寇系统中左，可靠单性指标香一般用绕系统的皮平均无德故障时腿间（MTB友F，Mean术Tim桐eBe臣twee发nFa薯ilur价es）来表示楚。MTB隙F反映了垂系统可款靠工作轮的能力热。但是策，组成窝一个系撒统的元策器件往隐往有成堪千上万班个，组般合的方摔式也各称种各样心，一个侨系统的MTBF再长，质也有失背效的时润候。因动此，通待常用平凤均修复仗时间（MTTR，Mea捉nT妙ime问To牢Re汽pai证r）表示每中次失效（维即出现故茧障）后所鬼需的维修填时间的平御均值，它纲表示系统火在出现故及障后立即腿恢复工作孙的能力。摄一般希望MTB胞F要大于某英个规定值绞，而MTTR值越短伴越好。2．操作性劈燕要好操作性能森好包括两勾方面含义沫，即使用方寨便和维护壁容易。首先是府使用方膝便，系回统设计翁时要尽张量考虑档方便用后户使用孟，并且服要尽量饼降低对毅使用人赶员的专争业知识饥的要求宽，使他法们能在伟较短时慨间内熟蜜悉和掌与握操作驶方法。膊其次是爽维修容银易，即助故障一帝旦发生副时易于邪排除。草从软件醋角度而范言，要行配置查固错程序泪和诊断产程序，陶以便在含故障发锤生时能派用程序土帮助查急找故障澡发生的肚部位，腹从而缩县短排除喊故障的斯时间；绑在硬件阵方面，糊从零部尖件的排址列位置顷，标准鸟化的部使件设计燥，以及短能否便纲于带电掏插拔等诉都要通肉盘考虑豆，甚至盒操作顺陪序等都角要从方拼便用户鉴的角度见进行设烛计，如啦面板上布的控制糠开关不咱能太多济、太复脾杂等。3．实时但性要强工业控团制计算鲁机的实鹊时性，合表现在艘对内部爹和外部惭事件能弦及时地横响应，秤并做出伶相应的旋处理，材不丢失酒信息，惕不延误笨操作。高计算机句处理的忽事件一廉般分为忆两类：一类是连定时事驱件，如数据安的定时维采集，联运算控本制等，捉对此类臂事件，辜系统应术设置时肃钟，保贱证定时挡处理；另一类昼是随机遣事件，如事幕故报警泉等，对诸此类事勇件，系什统应设魂置中断鸡，并根裹据故障悉的轻重沃缓急预柳先分配励中断级年别，一府旦事故庆发生，竿保证优跃先处理紧紧急故密障。4．通用蛛性要好自动化确控制的票设备对蜓象千变芳万化，呈而控制贿计算机惩的研制舰开发又腹需要有宝一定的没投资和曾周期，一般来咏说，不招可能为驾一台设戏备和一怎个过程数对象研移制一台腹专用计谅算机。因此，系萍统设计时术应考虑能勇适应不同傍的设备和杏不同的控荒制对象。棒当设备或卫控制对象给有所变更誉时，通用有性好的系详统一般稍满作更改就陷可适应，雹这就需要赴系统能灵粪活扩充且粱便于修改旅功能。要牛使系统能吗达到这样瞒的要求，拨首先必须茂采用通用扎的系统总舒线结构，述当需要扩妖充时，只晕要增加相搏应的板卡佛就能实现懒。当CPU升级时辱，也只因要更换粱相应的岸升级芯勇片及少承量相关屡电路即迎可实现涉系统升注级的目膨的。其接次，系颂统设计系时，各摩设计指佳标要留豪有一定比的余量辣，如输很入/输出通道毛指标、内矩存容量、坊电源功率集等均事先稍留有一定投的余量，走将为日后鉴系统的扩降充创造有六利的条件呀。5．经济哭效益要哀高自动化控肢制应该带察来高的经勾济效益。溜经济效益倍表现在两技方面：一是系惹统设计算的性能添价格比是，在满足设经计要求的嗓情况下，躺应尽量采寸用可靠、联廉价的元油器件并尽击量缩短设彻计周期；二是投胆入产出欠比，应该从提率高生产过雷程的产品厕质量与产轧量，降低俗能耗，消迹除环境污葵染，改善健劳动条件显等方面进扶行综合评造估。1.3实施步骤自动化状系统工疾程的设俩计与实雁施一般叼可分为4个阶段：项目确定娱与合同签旬订阶段、冷初步设计野与详细设杏计阶段、倦仿真调试芒与安装运荐行阶段和间资料归档缎与项目验派收阶段。1.3.根1项目确定巩与合同签未订阶段1.3.股2初步设计础与详细设狐计阶段1．总体设隙计（1）确定拍系统任吼务与控淡制方案首先应对逐控制对象环的工艺流球程进行透纹彻分析，来明确具体适控制要求网，确定系珍统所要完嚷成的任务夏，然后根危据系统要鼻求，以及牧所选设备瘦的性能价以格比、操吧作的方便唱程度、可飘扩展性等伐，确定一摩种比较合妨理的设计暖方案，例性如，采用斜开环还是疗闭环控制进、简单控舌制还是复嫌杂控制等液。（2）确定抓系统的乖构成方卧式进行控制什装置机型垃的选择。（3）选择现妄场设备现场设誉备主要薄是传感争器、变号送器和心执行器贞的选择掩。随着赞控制技脱术的发晒展，出画现了能虹测量各背种参数膜的传感幼器，如谦温度、扫压力、铲流量、湿液位、躬成分、俘位移、或重量、灯速度等依，种类引繁多，损规格各最异；而嘱执行器调也有模威拟量执路行器、抱数字量背执行器难及电动某、气动搅、液动丧等之分践。因此慕，如何裹正确选给择这些贺现场设毯备，确异实不是晋一件简律单的事技情，其狸中的任荣何一个馅环节都绍会影响镰系统的努控制任是务和控掘制精度队。（4）确定控泻制算法控制算法罩的选择与独系统的数洒学模型有跑关，在系姜统的数学馅模型确定狡后，便可围推导出相壤应的控制巩算法。所谓数搂学模型摔，就是雷系统动挂态特性居的数学我表达式促，它表帖示系统链输入/输出及其阴内部状态棒之间的关谁系。一般由实摘验方法测惨出系统的隆阶跃响应后特性曲线兵，然后由稍曲线确定踪蝶出其数学墙模型。当词系统模型招确定之后晨，即可确们定控制算宝法。控制愉系统的主弊要任务就茄是按此控来制算法进展行控制。蝴控制算法路的正确与延否，直接运影响控制定系统的调磁节品质。（5）硬、软的件功能的豪划分一般的剃考虑原磁则是，视控制系培统的应用雾环境与今造后的生产侦数量而定扩。对于今被后能批槐量生产串的控制给系统，担为了降黎低成本营，提高奸产品竞油争力，鸭在满足总指标功娇能的前宁提下，切应尽量卖减少硬贞件器件勇，多用汽软件来店完成相仙应的功淋能。如桌果软件齐实现很饱困难，暮而用硬浑件实现船却比较伙简单，求且系统对的批量攻又不大挨的话，柏则用硬绍件实现算功能比院较妥当炸。（6）其他腿方面的脂考虑还应考虑瓶人机界面恐、系统的雕机柜或机份箱的结构呆设计、抗过干扰等方肯面的问题裹。最后初壁步估算一喇下成本，命做出工程深概算。2．硬件设坏计（1）核心挠控制装狱置无论选润用现成丈的IPC，还是乎采用PLC装置，设吊计者都要芽根据系统百要求选择烦合适的模存板或模块析。选择的护内容一般代包括：根据控制笨任务的复钥杂程度、查控制精度击以及实时师性要求等守选择主机亿板（包括联总线类型摔、主机机炎型等）。根据AI、AO点数、分源辨率和精劳度，以及叼采集速度吨等选择A/D、D/A板（包括昆通道数量食、信号类肥别、量程径范围等）促。根据DI、DO点数和舞其他要夜求，选孝择数字境量输入/输出板（恐包括通道俯数量、信知号类别、咬交直流和宾功率大小锁等）。根据人机氏联系方式喂选择相应拜的接口板余或显示操艳作面板（咳包括参数吸设定、状效态显示、跑手动自动引切换和异盯常报警等裙）。根据需淘要选择杆各种外乞设接口脊、通信妹板块等什。（2）现场锦仪表及钢设备根据工钢艺要求框选择电舅气动力笼设备，创包括电瓶动机、璃水泵、贩风机等蹲的电压天、电流些等电气酱参数、番型号规候格，这厨部分内珍容如果晋细分应箩归属为艘电气设扭计人员罪。根据工艺巩流程选择骗测量装置品，包括被泛测参数种害类、量程完大小、信窗号类别、植型号规格凤等。根据工艺宏流程选择椅执行装置吴，包括能肚源类型、戏信号类别企、型号规免格等。根据工艺宫流程图设孟计带有测疑控点的工院艺控制流尚程图、复若杂控制系锁统图、现陵场管、线先缆敷设图肌及自控设舅备汇总表续、综合材蜡料表等若垮干工程图徐。（3）控制摧柜（盘咬）控制柜（抗盘）把核心凶控制装栋置及动帮力系统基主回路尘与控制后回路的吃低压电烈器装置潮集成在鱼一起，危既为操逆作人员疾提供一摔个良好巷的监控失界面与但操作平毛台，也计为维护叹人员提魂供一个型方便的绘检测、型维修场狡所。对于大嘱的系统阶，往往郊分成动皱力柜（订强电）环、控制唱柜（弱切电）、浇仪表柜遣（盘）断等几种寨柜（盘语）；而饼对于小问系统，肚可以集戏成在一哈个柜（缓盘）上迁。3．软件勺设计（1）编程语坏言的选择根据机型拜不同和控政制工况不袍同，可以悼选择不同伸的编程设逆计语言。两目前常用百的语言有汇编语柿言、高循级语言绢、组态伸语言等梁。（2）数据以类型和蛙数据结给构规划按数据违类型来讲分类，遗可分为盯逻辑型转和数值材型。通覆常将逻活辑型数搬据归到宽软件标帐志中去拴考虑。轰数值型挤数据可喜分为定惠点数和县浮点数讽，定点乔数具有树直观、总编程简芳单、运缠算速度我快的优彻点，缺拨点是表名示的数命值动态待范围小始，容易份溢出；泡而浮点弃数则相网反，数洞值动态类范围大锤、相对丝式精度稳妥定、不拣易溢出析，但编涛程复杂启，运算钥速度低铜。如果某参誓数是一系堂列有序数掠据的集合单，如采样腔信号序列赖，则不只黑有数据类准型问题，葵还有一个风数据存放花格式问题击，即数据蠢结构问题渠。具体来晶说，就是喷按顺序结召构、链形梯结构还是号树形结构黎来存放数辅据。（3）资源赢分配系统资源蚊包括ROM、RAM、定时器/计数器克、中断治源、I/O地尚址盼等。ROM资源用来织存放程序相和表格，休而I/O地址、淹定时器/计数器、克中断源在奥任务分析闷时已经分显配好了。资源分配意的主要工责作是RAM资源的分偶配。RAM资源规漆划好后渴，应列阴出一张RAM资源的详轰细分配清缩慧单，作为蒸编程依据糕。（4）控制软宏件的设计①数据采集段及数据处缸理程序主要包述括模拟诉量和数旷字量多马路信号林的采样炸、输入融变换、滑存储等坚。数据享处理程面序主要岁包括数括字滤波拆程序、垂线性化啊处理和押非线性世补偿、猛标度变堤换程序剪、越限方报警程印序等。②控遍制算法挎程序是计算机惠控制系酷统的核盖心程序迈，其内历容由控笨制系统涌的类型叉和控制劣规律所哲决定。③控制孩量输出程拉序控制量输望出程序实禽现对控制我量的处理恩（上下限截和变化率睡处理）、吐控制量的尼变换及输汗出，驱动建执行机构险或各种电巨气开关。控制量批也包括课模拟量秋和开关希量输出月两种。④人职机界面朱程序这是面晒板操作限管理程吐序。⑤程序帆实时时钟稳和中断处支理程序计算机挨控制系辱统中有鹊很多任问务是按养时间来弯安排的叨，因此实时时霉钟是计群算机控斗制系统追的运行睬基础。⑥数艺据管理呈程序这部分建程序用舰于生产泽管理，演主要包照括画面配显示、境变化趋船势分析鹊、报警牙记录、纸统计报站表打印纲输出等青。⑦数据葡通信程序数据通挽信程序酒主要完黑成计算丧机与计利算机之咱间、计民算机与亮智能设宗备之间粱的信息扎传递和苗交换。（5）程序橡设计的肠方法可采用模工块化程序练设计和自鼻顶向下程恳序设计等决方法。1.3惠.3仿真调悔试与安鸣装运行杰阶段1．硬件云调试对于各编种标准常功能模堤板，应按照说棕明书检查主蚀要功能。2．软件调铸试的顺序是子程序击→功能有模块→厨主程序。3．系统寺仿真也称为模拟调试。所谓系壮统仿真，软就是应用束相似原理和类否比关系工来研究阴事物，忘也就是祖用模型茅来代替筹实际被袖控对象吴进行实粥验和研究。系统达仿真有以眨下三种类旱型：全物理仿屿真、半物粉理仿真和前数字仿真。4．考机进行一洽定时段清的通电运肚行考验，椅有时还迷要根据膜实际的昼运行环境，廉进行特军殊运行太条件的抛考验，枣如高温茧和低温葛剧变运甘行实验奇