計算機控制技術(shù)第九章

1、第第9章章 計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)設(shè)計與實現(xiàn) 9.1 9.1 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計原則計算機控制系統(tǒng)設(shè)計原則 對于不同的控制對象，系統(tǒng)設(shè)計具體要求是不同的，但設(shè)計的基本要求是大體相同的。具體表現(xiàn)在：1 1 系統(tǒng)應(yīng)具有優(yōu)良的操作性能系統(tǒng)應(yīng)具有優(yōu)良的操作性能 操作性能好，包括兩個含義，即使用方便和維修容易。 硬件和軟件設(shè)計時都要考慮這個問題。在配置軟件時，就應(yīng)考慮配置什么樣的軟件才能降低對操作人員專業(yè)知識的要求。硬件方面，零部件的配置應(yīng)便于操作人員維修。2 2 通用性好、便于擴充通用性好、便于擴充 一個計算機控制系統(tǒng)，一般可以控制多個設(shè)備和不同的過程參數(shù)，但各個設(shè)備和控制對象的要求是

2、不同的，而且控制設(shè)備還有更新，控制對象還有增減。 系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮能適應(yīng)各種不同設(shè)備和各種不同控制對象，使系統(tǒng)不必大改動就能很快適應(yīng)新的情況。 這就要求系統(tǒng)的通用性要好，能靈活地進(jìn)行擴充。3 3 可靠性高可靠性高 可靠性高是計算機控制系統(tǒng)設(shè)計最重要的一個基本要求。 一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障將造成整個生產(chǎn)過程的混亂，引起嚴(yán)重后果。 因此在計算機控制系統(tǒng)設(shè)計時，通常應(yīng)考慮后援手段，如配備常規(guī)控制裝置或手動控制裝置作后備。 通?？芍苯硬捎枚嗯_計算機組成熱備份（備份機與控制機同時工作但不介入控制，一旦主控制機有故障就切換到備份機上）或冷備份（備份機處于待工作狀態(tài)，一旦主控機有故障就啟動備份機投入工作）等工作方

3、式來提高系統(tǒng)的可靠性。4 4 實時性好實時性好 工業(yè)控制機的實時性，表現(xiàn)在對內(nèi)部和外部的事件能及時地響應(yīng)，并做出相應(yīng)的處理，不丟失信息、不延誤操作。5 5 設(shè)計周期要短，價格要便宜設(shè)計周期要短，價格要便宜 計算機應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速，各種新技術(shù)和產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，在滿足精度、速度和其它性能要求的前提下，應(yīng)縮短設(shè)計周期和盡可能采用價格低的元器件，以降低整個控制系統(tǒng)的費用。9.2 9.2 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計步驟計算機控制系統(tǒng)設(shè)計步驟 1 研究被控對象、確定控制任務(wù)2 確定系統(tǒng)整體方案 (1) 確定系統(tǒng)的性質(zhì)和結(jié)構(gòu) (2) 確定執(zhí)行機構(gòu)方案 (3) 控制系統(tǒng)總體“黑箱”設(shè)計 (4) 控制系統(tǒng)層次以及硬件、軟

4、件功能劃分 在總體方案設(shè)計完成后，形成了系統(tǒng)組成的粗線條框圖結(jié)構(gòu)、硬件與軟件劃分等文件，供詳細(xì)設(shè)計使用。以此作為進(jìn)一步設(shè)計的依據(jù)。3 建立數(shù)學(xué)模型，確定控制算法4 硬件的設(shè)計 (1)確定過程的輸入、輸出通道及其處理方式 (2)計算機系統(tǒng)選擇 (3)過程通道及接口設(shè)計 (4)控制臺設(shè)計 (5)可靠性設(shè)計 (6)硬件調(diào)試5 軟件的設(shè)計(1) 選擇編程語言 匯編語言 高級語言 混合語言(2) 軟件設(shè)計步驟 問題定義 細(xì)化設(shè)計 編制源程序 形成可執(zhí)行代碼 調(diào)試 6 系統(tǒng)仿真與調(diào)試 (1) 實驗室硬件聯(lián)調(diào) (2) 實驗室軟件聯(lián)調(diào) (3) 實驗室系統(tǒng)仿真7 現(xiàn)場安裝調(diào)試9.3 9.3 計算機控制系統(tǒng)輸入輸

5、出通道設(shè)計計算機控制系統(tǒng)輸入輸出通道設(shè)計一一 過程輸入輸出通道的組成與功能過程輸入輸出通道的組成與功能 根據(jù)過程信息的性質(zhì)及傳送方向，過程通道包括模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道。 要對工業(yè)現(xiàn)場實現(xiàn)控制，就必須對它的運行狀態(tài)進(jìn)行檢測。模擬量輸入通道和數(shù)字量(開關(guān)量)輸入通道就是為此而設(shè)置的兩種檢測通道。 生產(chǎn)過程的被調(diào)參數(shù)(一般包括壓力、流量、溫度、液面高度等等)一般都是隨時間變化的模擬量，通過檢測元件和傳感器，可以把它們轉(zhuǎn)換成模擬電流或電壓。 由于計算機只能識別數(shù)字量，故模擬電信號必須通過模擬量輸入通道變換成相應(yīng)的數(shù)字信號，才能送入計算機；而生產(chǎn)現(xiàn)場的兩態(tài)開關(guān)、

6、電平的高低、脈沖量等數(shù)字或開關(guān)信號，則須通過數(shù)字量輸入通道輸入計算機。 計算機控制生產(chǎn)現(xiàn)場的控制通道也有兩種，即模擬量輸出通道及數(shù)字量輸出通道。 計算機輸出的控制信號是以數(shù)字形式給出的，有的生產(chǎn)過程的執(zhí)行元件要求提供模擬電流或電壓，故應(yīng)采用模擬量輸出通道實現(xiàn)；有的執(zhí)行元件只要求提供數(shù)字量或開關(guān)量，故應(yīng)采用數(shù)字量輸出通道。 可見，過程通道是計算機和工業(yè)生產(chǎn)過程(控制對象)相互交換信息的橋梁。二二 過程輸入輸出通道的控制方式過程輸入輸出通道的控制方式 1 1 過程輸入輸出通道與過程輸入輸出通道與CPUCPU交換就信息類型交換就信息類型 過程輸入輸出通道與CPU交換的信息類型有三種：數(shù)據(jù)信息：反映生

7、產(chǎn)現(xiàn)場的參數(shù)及狀態(tài)的信息，它包括數(shù)字量、開關(guān)量和模擬量。狀態(tài)信息：又叫做應(yīng)答信息、握手信息，它反映過程通道的狀態(tài)，如準(zhǔn)備就緒信號等?？刂菩畔ⅲ河脕砜刂七^程通道的啟動和停止等信息，如三態(tài)門的打開和關(guān)閉、觸發(fā)器的啟動等。2 2 過程通道的編址方式過程通道的編址方式 由于計算機控制系統(tǒng)一般都有多個過程輸入輸出通道，因此需對每一個過程輸入輸出通道安排地址。 過程通道編址方式有兩種： 過程通道與存儲器獨立編址方式 過程通道與存儲器統(tǒng)一編址方式3 3 CPUCPU對過程通道的控制方式對過程通道的控制方式 計算機的外圍設(shè)備及過程通道種類繁多，它們的傳送速率又很不相同。因此輸入輸出產(chǎn)生復(fù)雜的定時問題，也就是C

8、PU采用什么控制方式向過程通道輸入和輸出數(shù)據(jù)。 常用的控制方式有三種： 程序查詢方式 中斷控制方式 直接存儲器存取(DMA)方式三三 輸入通道輸入通道 1 模擬量輸入通道 模擬量輸入通道的任務(wù)是將模擬量輸入信號進(jìn)行變換、采樣、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字量輸入計算機。 模擬量輸入通道一般由信號處理、多路轉(zhuǎn)換器、放大器、采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器組成 。2 數(shù)字量輸入通道 數(shù)字量輸入通道主要由兩態(tài)信息轉(zhuǎn)換電路和接口電路組成。 兩態(tài)信息轉(zhuǎn)換電路的作用是將生產(chǎn)現(xiàn)場的兩態(tài)信息轉(zhuǎn)換成TTL電平信號，通過I/O接口電路傳送到計算機系統(tǒng)。 根據(jù)現(xiàn)場信號的不同，有的兩態(tài)信息轉(zhuǎn)換電路應(yīng)能消除開關(guān)機械抖動的影

9、響，有的應(yīng)能與強電信號隔離，防止各種干擾。 (1)開關(guān)量輸入通道 (2)脈沖量輸入通道 (3)中斷輸入通道 (4)數(shù)字編碼輸入四四 輸出通道輸出通道 設(shè)立輸入通道的作用在于將被控對象的各種信息轉(zhuǎn)換成計算機可以接受的信息，以供計算機處理。 而計算機處理后產(chǎn)生的相應(yīng)的控制命令或控制量，也必須轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的物理量才能對被控對象實施控制。 這種由可將計算機發(fā)出的控制指令(或控制量)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并能傳送給執(zhí)行機構(gòu)的裝置構(gòu)成的信號路徑，稱之為輸出通道。1 模擬量輸出通道 模擬量輸出通道的任務(wù)是把計算機輸出的數(shù)字量變換成模擬量，這個任務(wù)主要由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器來完成，對于模擬量輸出通道，要求可靠性高，滿足一定的精度，還

10、必須具有保持的功能。 保持器一般有數(shù)字保持和模擬保持兩種方案，這就決定了模擬量輸出通道的兩種基本結(jié)構(gòu)形式。 (1)獨立數(shù)/模轉(zhuǎn)換器形式圖9.2 獨立的多通道D/A轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)圖I/O接口電路D/AD/A(2)共用數(shù)模轉(zhuǎn)換器的形式圖9.3 多通道共享D/A的結(jié)構(gòu)框圖I/O接口電路D/A保持器多路開關(guān)保持器2 數(shù)字量輸出通道 數(shù)字量輸出通道的任務(wù)是根據(jù)計算機輸出的數(shù)字信號去控制電接點的通、斷或數(shù)字式執(zhí)行器的啟、停等，簡稱DO(Digital Output)通道。 根據(jù)被控對象的不同，其輸出的數(shù)字控制信號的形態(tài)及相應(yīng)的配置也不相同。其中，最為常用的數(shù)字控制信號是開關(guān)且和脈沖量信號。 數(shù)字量輸出通道中，由

11、于許多執(zhí)行機構(gòu)往往需要開關(guān)量的控制信號。這時，CPU可以通過I/O接口電路直接對執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行控制，也可以通過半導(dǎo)體開關(guān)或機械式繼電器接點的開閉去控制。 數(shù)字量輸出通道的關(guān)鍵往往是要解決執(zhí)行機構(gòu)的功率驅(qū)動問題。9.4 9.4 計算機控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù)計算機控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù) 計算機控制系統(tǒng)大多用于工業(yè)控制現(xiàn)場，條件復(fù)雜惡劣，干擾頻繁。 干擾嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。環(huán)境的特殊，要求計算機控制系統(tǒng)必須有極高的抗干擾能力。 為此，必須分析干擾的來源，研究對于不同的干擾源采用哪些相應(yīng)的行之有效的抑制或消除干擾的措施，重視接地、布線和供電方面的抗干擾技術(shù)，重視CPU可靠運行的抗干擾技術(shù)相應(yīng)用軟件

12、中對數(shù)字信號的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。一一 干擾的來源干擾的來源 計算機控制系統(tǒng)運行環(huán)境的各種干擾主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 1 惡劣的供電條件 2 嚴(yán)重的噪聲環(huán)境 此外，還有來自空間的干擾，如太陽及其它天體輻射的電磁波，廣播電臺或通訊發(fā)射臺發(fā)出的電磁波，周圍電氣設(shè)備如電機、變壓器、中頻爐、可控硅逆變電源等發(fā)出的電干擾和磁干擾，氣象條件、空中雷電、甚至地磁場的變化也會引起干擾。這些空間輻射干擾有時會使計算機不能正常工作。二二 干擾的抑制方法干擾的抑制方法1 1 接地技術(shù)接地技術(shù)(1)接地方式 “安全接地”一般均采用一點接地方式。 “工作接地”依工作電流頻率不同而有一點接地和多點接地兩種。 低頻時，因地線上

13、的分布電感并不嚴(yán)重，故往往采用一點按地； 高頻情況下，由于電感分量大，為減少引線電感，故采用多點接地。 頻帶很寬時，常采用一點接地和多點接地相結(jié)合的混合接地方式。 (2)浮地系統(tǒng)和接地系統(tǒng) (3)交流地與直流地分開 (4)模擬地與數(shù)字地分開 (5)印刷電路板的地線安排 (6)屏蔽地2 2 屏蔽技術(shù)屏蔽技術(shù) (1)電場屏蔽 (2)電磁屏蔽 (3)磁場屏蔽3 3 隔離技術(shù)隔離技術(shù) 隔離的實質(zhì)是切斷共地耦合通道，抑制因地環(huán)路引入的干擾。 隔離是將電氣信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡?、磁、光及其它物理量作為中間量，使兩側(cè)的電流回路相對隔離又能實現(xiàn)信號的傳遞，如圖9.4所示。(a) 變壓器隔離 (b) 繼電器隔離 (c)

14、光電耦合器隔離圖9.4 隔離電路電路電路電路電路電路電路4 4 串模干擾的抑制串模干擾的抑制 串模干擾(又稱常態(tài)干擾、正相干擾)是干擾電壓和信號電壓串聯(lián)疊加于負(fù)載或放大電路的輸入端，它常常表現(xiàn)為通道一個輸入端對另一個輸入端電壓變化的干擾?？勾８蓴_的技術(shù)措施有： (1)合理選用信號線 (2)在信號電路中加裝濾波器 (3)選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器 (4)采用調(diào)制解調(diào)技術(shù) (5)用光電耦合器隔離干擾 (6)配備高質(zhì)量的穩(wěn)壓電源5 5 共模干擾的抑制共模干擾的抑制 共模干擾(又稱共態(tài)干擾、同相干擾)表現(xiàn)為通道兩信號端相對于零電位參考點所共有的干擾電壓，包括交流和直流的兩種電壓。 共模干擾只有轉(zhuǎn)換成串模

15、干擾才會影響系統(tǒng)?？梢赃x擇隔離技術(shù)，使共模干擾不能構(gòu)成回路。 對于由共模干擾轉(zhuǎn)換過來的，并且已疊加在有用信號上的串模干擾，可用前面?zhèn)€紹的抗串模干擾的方法來濾除。6 6 電源噪聲的抑制電源噪聲的抑制 實踐說明，電源的干擾是計算機控制系統(tǒng)的主要干擾，抑制這種干擾的主要措施有以下幾個方面： (1)電源變壓器的屏蔽 (2)交流穩(wěn)壓器 (3)隔離變壓器 (4)低通濾波器 (5)采用分散獨立功能塊供電7 7 提高軟件可靠性提高軟件可靠性 軟件可靠性技術(shù)，主要有以下兩個方面的內(nèi)容： (1)通過軟件提高系統(tǒng)的可靠性 (2)提高軟件自身的可靠性9.5 9.5 計算機控制系統(tǒng)應(yīng)用實例計算機控制系統(tǒng)應(yīng)用實例 電阻爐

16、爐溫的控制，根據(jù)工藝的要求不同而有所變化，但大體上可歸納為以下幾個過程： (1)自由升溫段，即根據(jù)電阻爐自身約條件對升溫速度沒有控制的自然升溫過程。 (2)恒速升溫段，即要求爐溫上升的速度按某一斜率進(jìn)行。 (3)保溫段，即要求在這一過程中爐溫基本保持不變。 (4)慢速降溫段，即要求爐溫下降的速度按某一斜率進(jìn)行。 (5)自由降溫段。1 1 工藝要求工藝要求 要求電阻爐爐內(nèi)的溫度，應(yīng)按圖9.6所示的規(guī)律變化； 從室溫t0開始到a點為自由升溫段，當(dāng)溫度一旦到達(dá)a點(即Ta點)，就進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)節(jié)。從b點到c點為保溫段，要始終在系統(tǒng)控制之下，以保證所需的爐內(nèi)溫度的精度。加工結(jié)束，即由c到d點為自然降溫段。

17、保溫段的時間為50100分鐘。爐溫變化曲線對各項品質(zhì)指標(biāo)的要求如下：abcdTa圖9.6 爐溫控制要求T00 t0 t1 t2 t3 t 過渡過程時間：即從升溫開始到進(jìn)入保溫段的時間t1100分鐘 超調(diào)量：即升溫過程的溫度最大值(TM)與保溫值(T0)之差與保溫值之比； 靜態(tài)誤差：即當(dāng)溫度進(jìn)入保溫段后的實際溫度值(T)與保溫值(T0)之差與保溫值之比。 溫度保溫值的變化范圍：50100。設(shè)保溫值為100。 0010%MTTT002%VTTeT 2 2 系統(tǒng)的組成和基本工作原理系統(tǒng)的組成和基本工作原理 本電阻爐爐溫自動控制系統(tǒng)方塊圖如圖9.7所示。計算機D/A變送器1可控硅電阻爐檢測元件A/D變

18、送器2圖9.7 電阻爐爐溫自動控制系統(tǒng) 控制過程：計算機定時(即采樣周期)對爐溫進(jìn)行測量和控制一次，爐內(nèi)溫度是由一鉑電阻溫度計來進(jìn)行測量，其信號經(jīng)放大送到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片換算成相應(yīng)的數(shù)字量后，再送入計算機中進(jìn)行判別和運算，得到應(yīng)有的電功率數(shù)(增量值)，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成模擬量信號，供給可控硅功率調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其達(dá)到爐溫變化曲線的要求。3 3 對象特性的測量和識別對象特性的測量和識別(1)對象模型的歸納 根據(jù)描述對象特性需用微分方程的階數(shù)不同，對象可分一階或二階。至于階數(shù)高于二階的由于實際計算，分析參數(shù)有困難而用純滯后的一、二階方程來近似代替，因此實用上對象模型的基本形式常取如下幾種： 一階

19、對象一階對象 對象的微分方程為 則它的傳遞函數(shù)為( )( )( )Ty ty tKu t( )1KW sTs 它的飛升曲線如圖9.8所示。一般幅值的階躍信號輸入時，輸出穩(wěn)態(tài)值除以輸入幅度值即為放大倍數(shù)K，輸出從起始值到達(dá)0.632穩(wěn)態(tài)值的時間即為時間常數(shù)T。Typ0.632yp0y(t)t圖9.8 飛升曲線一純滯后的一階對象純滯后的一階對象 這種對象的微分方程為則它的傳遞函數(shù)為 它的飛升曲線如圖9.9所示。它與圖9.8的唯一區(qū)別在于起始有一段純滯后。( )( )()Ty ty tKu t( )1sKeW sTsT+yp0.632yp0y(t)t圖9.9 飛升曲線二(2)飛升曲線的測量 測量的方

20、法：它在穩(wěn)定控制信號作用下系統(tǒng)有一個穩(wěn)定的輸出，然后突然在輸入端加一幅度適宜的階躍控制信號。 輸出對應(yīng)也有一個變化部分，此即為輸出的飛升曲線，如圖9.10所示。y1y00y(t)t圖9.10 飛升曲線三 若將飛升曲線單獨畫出，即為圖9.8所示。利用上述同樣的方法測得的電阻爐爐溫的飛升曲線如圖9.11所示。T+yp0y(t)t圖9.11 飛升曲線四 將上述所測得的飛升曲線與典型傳遞函數(shù)的飛升曲線比較，可知圖9.10是一階對象的飛升曲線，而圖9.11是帶純滯后的一階對象。 其傳遞函數(shù)是： 式中：K放大系數(shù) T對象時間常數(shù) 對象滯后時間( )1sKeW sTs(3)一階對象參數(shù)的求取 對于一階對象的

21、放大倍數(shù)K可由輸出穩(wěn)態(tài)值和輸入階躍信號幅值的比值求得。 輸出從起始值到達(dá)0.632倍穩(wěn)態(tài)值的時間即為對象時間常數(shù)。而對象滯后時間可直接從圖中測量。 但實測的飛升曲線起始部分有彎曲，不易找到確切的位置來定滯后時間，這時可用一階加純滯后的虛線曲線來迫近，使后面大部分重合，而起始部分則可定出一個等效的滯后時間，這時可在曲線斜率的轉(zhuǎn)折點(即拐點)處作一切線，如圖9.11所示。 該切線與時間軸的交點認(rèn)為是一階的起點，即純滯后時間，而切線與穩(wěn)態(tài)值的交點時間應(yīng)為T，加上純滯后時間則實測為+T。這樣就求出了一階對象的三個參數(shù)K、T、。 設(shè)所得的飛升曲線求得本電阻爐的參數(shù)為 T=72（分鐘） =8 （分鐘） K

22、=3304 4 控制規(guī)律的選擇和參數(shù)的計算控制規(guī)律的選擇和參數(shù)的計算 計算機參與控制的形式是多種多樣的，它取決于控制規(guī)律的選擇以及受控對象的特性，現(xiàn)僅結(jié)合本電阻爐的要求，作如下的分析： 根據(jù)爐溫變化曲線的要求，可將其分為三段來進(jìn)行控制；自由升溫段，保溫段和自然降溫段。 而真正需要電氣控制的是前面二個階段，即自由升溫段和保溫段。為避免過沖，從室溫到80%額定溫度為自由升溫段，在20額定溫度時為保溫段。在自由升溫段中，希望升溫越快越好，總是將加熱功率全開足，因此得自由升溫段控制規(guī)律為：當(dāng)T0.8T0時，選Pk=1； 在T0.8T0后，已較接近需要保溫的值T0，為此采用保溫段控制方程。 保溫控制方法有多種，如用比例控制，因爐絲所加功率P的變化和爐溫變化之間存在一段時間延遲，因此當(dāng)以溫差來控制輸出時，即比例控制，系統(tǒng)只有在爐溫與給定值(保溫溫度)相等時才停止輸出，這時由于爐溫變化的延遲性質(zhì)，爐溫并不因輸入停止而馬上停止上升，從而超過給定位。 滯后時