计算机控制系统第10章-计算机控制系统设计原则与步骤

2023/5/311第10章计算机控制系统设计原则与步骤学习目标：了解计算机控制系统的设计原则掌握计算机控制系统的设计步骤熟悉计算机控制系统的设计具体过程计算机控制系统第10章-计算机控制系统设计原则与步骤全文共13页，当前为第1页。第一节计算机控制系统设计原则1．安全可靠

对工业控制计算机系统最基本的要求是安全性和可靠性高。在计算机控制系统的整个设计过程中，务必将安全可靠性放在首位。首先要选用高性能的工业控制计算机或其它的主机模式，保证其在恶劣的工业现场环境下，仍能正常运行。其次设计可靠的控制方案，并且具有各种安全保护措施，比如异常报警、事故预测、故障诊断与处理、安全联锁、不间断电源等功能。再次控制系统要设计完善的抗干扰措施，硬件抗干扰措施有屏蔽、隔离、滤波和接地等，软件抗干扰方法有数字滤波、软件陷阱和看门狗技术等，另外还要考虑电源的抗干扰问题。yyyy/M/22023/5/31计算机控制系统第10章-计算机控制系统设计原则与步骤全文共13页，当前为第2页。2．操作、维护与维修方便操作方便表现在系统便于学习掌握、操作简单，而且画面显示直观。维护、维修方便体现在易于查找故障、排除故障。3．实时性强实时性是计算机控制系统的重要指标之一，要求系统对内部和外部事件能及时地响应，并在规定的时间内做出相应的处理。

4．通用性好在设计开发计算机控制系统时，应尽量采用积木式的模块化结构，便于以后系统稍做改动就能适应新的要求。

5．经济性高经济性主要体现在两个方面：一方面是系统的性能价格比要尽可能高，另一方面还要从提高产品质量与产量、节能降耗、减少污染、改善劳动条件等经济、社会效益各方面进行综合评估。yyyy/M/32023/5/31计算机控制系统第10章-计算机控制系统设计原则与步骤全文共13页，当前为第3页。第二节计算机控制系统设计步骤1．工程项目与控制任务的确定阶段（1）甲方提出任务委托书:有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。（2）乙方研究任务委托书（3）双方对委托书进行确认修改（4）乙方初步进行系统总体方案设计:由于任务和经费尚未落实，这时的总体方案设计只能是粗线条的。如果条件允许，应多做几种方案以便比较。（5）乙方进行方案可行性论证:论证的主要内容是技术可行性、经费可行性、进度可行性。（6）签订合同书yyyy/M/42023/5/31计算机控制系统第10章-计算机控制系统设计原则与步骤全文共13页，当前为第4页。2．工程项目的设计阶段工程项目的设计阶段主要包括组建项目研制小组、系统总体方案的设计、方案论证与评审、硬件和软件的细化设计、制作调试、系统组装等。

3．离线仿真和调试阶段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。离线仿真和调试后，还要进行拷机运行。拷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。

4．在线调试和运行阶段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联接在一起，进行现场调试和运行。yyyy/M/52023/5/31计算机控制系统第10章-计算机控制系统设计原则与步骤全文共13页，当前为第5页。第三节计算机控制系统的工程设计与实现一、计算机控制系统的总体方案设计总体设计方案中首先要确定整个控制系统的结构和类型。另外总体设计方案中还要包括硬件设计与软件设计两大部分，具体设计时一般采用“黑箱”设计方法，就是根据控制要求，将完成控制任务所需的各功能单元、模块以及控制对象，采用方块图表示，从而形成系统的总体框图。yyyy/M/62023/5/31计算机控制系统第10章-计算机控制系统设计原则与步骤全文共13页，当前为第6页。1．硬件总体方案设计计算机控制系统的硬件总体设计主要包括以下各方面的内容：系统的构成方式；现场设备及自动化仪表的选择；人­—机接口方式；系统的控制机箱结构设计；抗干扰措施等。2．软件总体方案设计软件总体方案设计的内容主要是确定软件平台、软件结构、任务分解，建立系统的数学模型、控制策略和算法的实现等。3．总体方案文档其内容包括：（1）系统的主要功能、技术指标、原理性方框图及文字说明。（2）控制策略与算法。（3）系统的硬件结构与配置，主要的软件功能、结构、平台及实现框图。（4）方案的比较与选择。（5）抗干扰措施与可靠性设计。（6）机柜或机箱的结构与外形设计。（7）经费和进度计划的安排。（8）对现场条件的要求。yyyy/M/72023/5/31计算机控制系统第10章-计算机控制系统设计原则与步骤全文共13页，当前为第7页。1．选择系统的总线2．选择输入输出通道（1）数字量（开关量）输入输出（DI/DO）模板（2）模拟量输入输出（AI/AO）模板3．选择现场设备（1）选择变送器（2）选择执行机构（3）其他现场设备二、硬件的工程设计与实现yyyy/M/82023/5/31计算机控制系统第10章-计算机控制系统设计原则与步骤全文共13页，当前为第8页。1．程序结构规划在系统总体方案设计中，系统各个模块之间存在着各种因果关系，相互之间要进行各种信息的传递。各模块之间的关系体现在程序的流程上。2．资源分配资源分配主要是RAM资源的分配。RAM资源分配好以后，应列出一张RAM资源的详细分配清单，作为编程的依据。3．实时控制软件设计实时控制软件是软件设计中的主体部分，包括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、生产管理与数据通信等程序。三、软件的工程设计与实现yyyy/M/92023/5/31计算机控制系统第10章-计算机控制系统设计原则与步骤全文共13页，当前为第9页。1．离线仿真和调试（1）硬件调试对于各种标准功能模块，按照说明书检查主要功能。比如主机板（CPU板）上RAM区的读写功能、ROM区的读出功能、复位电路、时钟电路等的正确性。在调试A/D和D/A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，比如满量程的25%、50%、75%、100%，并且上行和下行循环调试，以便检查线性度是否符合要求。如果有多路开关板，应测试各通路是否正确切换。利用开关量输入和输出程序来检查开关量输入（DI）和开关量输出（DO）模板。四、控制系统的调试与运行yyyy/M/102023/5/31计算机控制系统第10章-计算机控制系统设计原则与步骤全文共13页，当前为第10页。（2）软件调试软件调试包括对各个子程序、功能模块、主程序的分别调试以及整体程序的联合调试。软件调试的方法一般采取自下而上逐级调试。系统控制模块的调试分为开环和闭环两种情况进行。开环调试是检查系统的阶跃响应特性，闭环调试是检查系统的反馈控制功能。一旦所有的子程序和功能模块调试完毕，就可以用主程序将它们连接在一起进行整体调试，yyyy/M/112023/5/31计算机控制系统第10章-计算机控制系统设计原则与步骤全文共13页，当前为第11页。2．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，必须再进行全系统的硬件、软件统调。这次的统调实验，就是通常所说的“系统仿真”（也称为模拟调试）。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生产过程，其效果也就越好。在系统仿真的基础上，进行长时间的拷机实验，并根据实际运行环境的要求，需要进行特殊运行条件的考验。