计算机控制技术与系统 课件 10 计算机控制系统的设计与实施

1第10章

计算机控制系统的设计与实施

Designing&ImplementationofComputerControlSystems2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。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。3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。工程设计需要：要掌握生产过程的工艺要求；被控对象的动态和静态特性；熟悉检测、计算机、通信、自动控制、微电子等技术。4计算机控制系统设计原则与步骤计算机控制系统概要设计计算机控制系统详细设计计算机控制系统调试与运行本章主要内容510.1计算机控制系统设计原则和步骤计算机控制系统设计原则计算机控制系统设计步骤610.1.1计算机控制系统设计原则共同的设计原则：（1）操作性能好，维护与维修方便（2）通用性好，便于扩展（3）可靠性高（4）实时性好，适应性强（5）经济效益好7（1）操作性能好，维护与维修方便（用户）操作性方面：使操作员易于掌握：考虑先进性、兼顾操作习惯；减低对操作员专业知识的要求：配备何种系统和环境；硬件操作尽量简单：系统的控制开关尽量少、操作台便于工作、采用图示和中文、颜色和谐；增加操作的鲁棒性：重要参数的保护。维修方面：硬件上：标准功能模板，安装工作状态指示灯和监测点软件上：应配备检测与诊断程序，设计容错程序。10.1.1计算机控制系统设计原则8（2）通用性好，便于扩展10.1.1计算机控制系统设计原则硬件：标准化设计：采用积木式模块化结构；尽可能采用通用系统总线结构；接口部件尽量采用标准通用的大规模集成电路芯片软件：尽可能把接口硬件部分的操作功能用软件来替代；系统的各项设计指标留有一定余量。如电源功率、内存容量、输入输出通道、中断等也应留有一定的余量9（3）可靠性高-----------最重要的要求10.1.1计算机控制系统设计原则设计原则：考虑选用高性能的工控机担任工程控制任务：保证系统的恶劣的工业环境下仍能长时间正常运行。安全保护措施；例如，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。10（3）可靠性高-----------最重要的要求10.1.1计算机控制系统设计原则设计原则：采用双机系统和多微机集散控制；双机系统：备份工作方式或主从工作方式。多机集散控制系统：重要发展趋势11（4）实时性好，适应性强10.1.1计算机控制系统设计原则实时性：定时事件：如定时采样、运算处理、输出控制量到被控对象等，由系统内部设置的时钟保证定时处理；随机事件：系统应设置中断，根据故障的轻重缓急，预先分配中断级别。适应性：电网波动温度变化剧烈湿度影响机械振动粉尘、烟雾、腐蚀等12（5）经济效益好10.1.1计算机控制系统设计原则性能价格比高，投入产出比尽可能低，回收周期尽可能短；多目标优化：提高产品质量与产量、降低能耗、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。设计要求：工程伦理；市场竞争意识；预见性。13基本设计步骤：（1）确定任务阶段（2）工程设计阶段（3）离线仿真和调试阶段（4）在线调试和投运阶段10.1.2计算机控制系统设计步骤14（1）确定任务阶段10.1.2计算机控制系统设计步骤存在关系：甲方（买方）：任务的委托方，有时是用户本身，有的是上级主管部门，还有可能是中介单位乙方（卖方）：系统工程的承接方15（1）确定任务阶段10.1.2计算机控制系统设计步骤确定任务阶段的一般流程：甲方提出任务委托书：明确指标、经费、计划进度、合作方式等；乙方研究任务委托书：补充、删节、讨论、修改；双方对任务委托书进行确认性修改；乙方初步进行系统总体方案设计：粗略设计、突出技术难点、解决办法、经费概算、工期等；乙方方案可行性论证：技术、经费、进度可行性；可测、可控性；签订合同书。16（2）工程设计阶段10.1.2计算机控制系统设计步骤组建项目研制小组：确定项目成员、明确分工、合作关系；系统总体方案设计：形成硬件和软件的框图，并建立说明文档，包括控制策略和控制算法的确定等；方案论证与评审；邀请有关专家、主管领导及甲方代表参加，对系统设计方案的把关和最终裁定；17（2）工程设计阶段10.1.2计算机控制系统设计步骤硬件和软件的细化设计：硬件上，选购模板以及设计制作专用模板；软件上，将一个个功能模块编成一条条的程序；硬件和软件的调试：硬件、软件的设计中都需要边设计边调试边修改；系统组装。18（3）离线仿真和调试阶段10.1.2计算机控制系统设计步骤在实验室而不在工业现场进行的仿真和调试；烤机运行：烤机的目的是在连续不停机运行中暴露问题和解决问题。（4）在线仿真和调试阶段将系统和生产过程连接在一起，进行现场调试和运行；解决现场调试和运行出现的问题；验收：甲方主持，乙方参加。形成存档文件。1910.2计算机控制系统概要设计硬件概要设计软件概要设计系统总体整合2010.2.1硬件概要设计(“黑箱”设计)硬件总体方案设计（画框图）（1）确定系统的结构和类型：

开环/闭环？DDC/SCC/DCS？（2）确定系统的构成方式：

工控机/PLC/单片机？明确系统的控制目标和应用场景；分析所需的控制精度、实时性、扩展性等功能需求；选择更适合使用的设备来确定采用的系统类型。2110.2.1硬件概要设计(“黑箱”设计)硬件总体方案设计（画框图）（3）现场设备选择：

传感器、变送器、执行器？设备种类和数量。深入分析对象目标，选择相应的传感、执行器；设备性能参数和可靠性；考虑设备的兼容性和可扩展性。良好的通信接口和协议支持；考虑成本因素。2210.2.1硬件概要设计(“黑箱”设计)硬件总体方案设计（画框图）（4）其他方面的考虑人机联系方式；系统机柜或机箱的结构布局与安装设计；散热；防尘；防水；防腐蚀等设计；抗干扰等。2310.2.2软件概要设计(“黑箱”设计)设计目标（画框图）明确项目目标规划系统结构确定技术选择识别风险为团队提供共同的视角，确保项目在后续开发阶段按计划进行2410.2.2软件概要设计(“黑箱”设计)主要内容1）项目背景目的：总体项目需求和目标及受环境、技术的局限；2）系统结构：配以系统结构图、系统流程图、数据流程图等；3）接口设计：各种接口及实现接口功能的各种资源；4）模块设计：需要用到的模块，模块所处的物理、逻辑位置等2510.2.2软件概要设计(“黑箱”设计)主要内容5）数据结构：逻辑结构、物理结构等；6）出错处理策略：出错信息及处理；7）监控设计：用户界面信息功能分析；8）安全设计：2610.2.3系统总体整合总体方案硬件总体方案、软件总体方案合在一起构成系统的总体方案系统总体文件包括：1）系统的主要功能、技术指标、原理性框图及文字说明。2）控制策略和控制算法，例如PID控制、Smith补偿控制、最少拍控制、串级控制、前馈控制、解耦控制、模糊控制、最优控制等。3）系统的硬件结构及配置，主要的软件功能、结构及框图。2710.2.3系统总体整合系统总体文件包括：4）方案比较和选择。5）保证性能指标要求的技术措施。6）抗干扰和可靠性设计。7）机柜或机箱的设计。8）经费和进度计划的安排。2810.3计算机控制系统详细设计硬件详细设计软件详细设计2910.3.1硬件详细设计1.选择系统的总线和主机机型（1）选择系统总线--内部总线常用：PCI/PCIe、PC104/PC104Plus、CompactPCI、VME和PXI总线等需求；PCI/PCIe：通用总线，支持多种设备和模块，高性能，高扩展性；PC104/PC104Plus：专门为嵌入式控制而定义，小尺寸、堆栈式连接；以总线型工业控制计算机设计为例3010.3.1硬件详细设计1.选择系统的总线和主机机型（1）选择系统总线--内部总线；CompactPCI：基于PCI的工业标准，高密度模块设计，节省空间；PXI总线：专门为测量测试领域设计的模块化仪器总线。（1）选择系统总线—外部总线IEEE-488、RS-232-C、RS422、RS-485、FieldBus、工业以太网以总线型工业控制计算机设计为例3110.3.1硬件详细设计1.选择系统的总线和主机机型（2）选择主机机型（因CPU不同而不同）以PC总线工业控制机为例CPU：英特尔Corei3/i5/i7系列、至强Xeon系列、IntelAtomE3800系列、AMDRyzen、EPYC系列等；主机机型：研华科技的AdvantechIPC-610、UNO-3000、研祥智能EVOCIPC-810/EBC-7100、西门子SiemensSIMATICIPC547G/IPC427D等。以总线型工业控制计算机设计为例3210.3.1硬件详细设计2.选择输入/输出通道模版（1）数字量（开关量）输入/输出（DI/DO）模板TTL电平的DI/DO和工控机共地装置的接口大容量的TTL电平DI/DO板带光电隔离的DI/DO：安排在工业控制机总线之外的非总线模板上，如继电器板（包括固态继电器板）等以总线型工业控制计算机设计为例3310.3.1硬件详细设计2.选择输入/输出通道模版（2）模拟量输入/输出（AI/AO）模板AI模板输入0～±5V、1～5V、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0～5V、1～5V、0～10mA、4～20mA等选择AI/AO模板时必须注意分辨率、转换速度、量程范围等指标以总线型工业控制计算机设计为例2025/4/17计算机控制技术34研华PCI-1710数据采集卡研华PCI-1720模拟量输出卡研华PCI-1730采集32通道隔离数字输入输出板卡研华PCI-1203-06AE运动控制卡3510.3.1硬件详细设计3.选择变送器和执行机构（1）变送器将各种被测变量（温度、压力、液位、流量、电压、电流等）精准地转换为可远程传输的统一标准信号，通常为4～20mA电流信号DDZ-III型：4～20mA、24V直流供电电源、二线制DDZ-S型：智能化处理（处理、转换、调节）、RS-485接口、数字化接口、现场总线以总线型工业控制计算机设计为例3610.3.1硬件详细设计3.选择变送器和执行机构（2）执行机构作用：接收控制信息，转换为动作类型：气动：结构简单、价格低、防火防爆电动：体积小、种类多、使用方便液压：推力大、精度高开关动作：有触点/无触点开关、电磁阀以总线型工业控制计算机设计为例2025/4/17计算机控制技术373810.3.2软件详细设计特点：配备：实时操作系统、实时监控程序、控制/运算软件、组态软件；配备的模块（系统组态）控制算法模块（如PID）；运算模块：（四则运算、开方、最大值/最小值选择、一阶惯性、超前滞后、工程量变换、上下限报警等；计数/计时模块；逻辑运算模块；输入/输出模块；打印/显示模块。工业控制计算机3910.3.2软件详细设计有些工业控制机的应用软件需自行开发单片机：系统的全部硬件、软件均需自行开发研制自行开发控制软件的流程：画程序总体流程图、各功能模块流程图选择程序设计语言编制程序工业控制计算机4010.3.2软件详细设计自行开发控制软件时，具体程序设计内容：1.数据类型和数据结构规划确定系统各模块的因果关系数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块、打印模块确定每个模块要用到的参数，为其规划数据类型和数据结构数据类型：逻辑型（软件标志）、数值型（定点数/浮点数）数据结构（线性表、栈、队列、串、数组、树、图等）4110.3.2软件详细设计自行开发控制软件时，具体程序设计内容：2.资源分配（如采用单片机结构的硬件系统）ROM资源：存放程序代码和常量数据定时器/计数器：用于计时、定时和事件计数等功能中断源：响应外部或内部事件，确保及时性和优先级合理性I/O地址：确保每个外设都有唯一的地址RAM：存储系统运行时的数据和变量，列出资源分配清单4210.3.2软件详细设计自行开发控制软件时，具体程序设计内容：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（采样、输入、存储等）：DC0～5V作为A/D模板的输入数据处理（数字滤波、线性化处理和非线性补偿、标度变换、越限报警程序等）（2）控制算法程序控制规律：数字PID控制算法、Smith补偿控制算法、最少拍控制算法、串级控制算法、前馈控制算法、解耦控制算法、模糊控制算法、最优控制算法等4310.3.2软件详细设计自行开发控制软件时，具体程序设计内容：3.实时控制软件设计（3）控制量输出程序控制量的处理：上下限和变化率处理控制量的变换及输出：模拟量（DC0～10mA或DC4～20mA）、数字量（4）实时时钟和中断处理程序时钟：绝对时钟（年/月/日/时/分/秒）、相对时钟（时/分/秒/0.1s/ms）定时中断程序：（周期性任务/临时性任务、启动时刻表/撤销时刻表）4410.3.2软件详细设计自行开发控制软件时，具体程序设计内容：3.实时控制软件设计（5）数据管理程序：用于生产管理（画面显示、变化趋势分析、报警记录、报表打印）（6）数据通信程序：该功能主要在DCS、分级计算机控制系统、工业网络等系统中实现2025/4/17计算机控制技术45规划需求分析系统设计

程序编制

调试

运行维护

软件生存期数据库生存期运行和维护

实现

物理设计逻辑设计概念设计需求分析规划4610.4计算机控制系统调试与运行离线仿真和调试在线调试和运行4710.4.1离线仿真和调试1.硬件调试标准功能模板：RAM、ROM等读写功能、复位、时钟等正确性；A/D和D/A模板：零点、满量程、分档、线性度检查；DI和DO模板：读入、输出状态的正确性；现场仪表和执行机构：安装前的校