第8章-計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)-計算機(jī)控制技術(shù)-課件-

計算機(jī)控制技術(shù)

ComputerControlledSystem中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院袁艷Monday,December19,2022計算機(jī)控制技術(shù)

ComputerControlledSy計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計，既是一個理論問題，又是一個工程問題。計算機(jī)控制系統(tǒng)的工程設(shè)計，不僅要求掌握生產(chǎn)過程和工藝要求，而且要通曉自動檢測技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、微電子技術(shù)甚至控制室規(guī)劃布置等。通常涉及總體方案設(shè)計，體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)備選型定貨，系統(tǒng)安裝調(diào)試，工程驗收和交付使用等具體工作。本章介紹計算機(jī)控制系統(tǒng)工程設(shè)計的原則、方法及系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)，并提供了一個典型設(shè)計實例。計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計，既是一個理論問題，又是一個工程問第八章計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)8.1系統(tǒng)設(shè)計的原則與步驟8.2系統(tǒng)的工程設(shè)計與實現(xiàn)8.3計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計舉例8.4熱處理加熱爐智能模糊控制系統(tǒng)第八章計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)8.1系統(tǒng)設(shè)計的原則與步驟8.1系統(tǒng)設(shè)計的原則與步驟返回盡管計算機(jī)控制系統(tǒng)的生產(chǎn)過程多種多樣，系統(tǒng)的設(shè)計方案和具體的技術(shù)指標(biāo)也是千變?nèi)f化，但在計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)過程中，有共性的設(shè)計原則與步驟。

8.1.1系統(tǒng)設(shè)計的原則

8.1.2系統(tǒng)設(shè)計的步驟8.1系統(tǒng)設(shè)計的原則與步驟返回盡管計算機(jī)控制系統(tǒng)的生產(chǎn)8.1.1系統(tǒng)設(shè)計的原則1、安全可靠在工業(yè)控制計算機(jī)系統(tǒng)中，可靠性指標(biāo)一般用系統(tǒng)的平均維修時間MTTR(Mean-Time-To-Repair)來表示或平均無故障時間(Mean-Time-Before-Failure)。MTTR表示系統(tǒng)每次出現(xiàn)故障后所需維修時間的平均值。它表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障后立即恢復(fù)工作的能力。8.1.1系統(tǒng)設(shè)計的原則1、安全可靠

措施：選用高性能的工業(yè)控制計算機(jī)（保證在惡劣的工業(yè)環(huán)境下能正常運行）；設(shè)計可靠的控制方案，具備各種安全保護(hù)措施；設(shè)計后備裝置，主要功能分散，可采用DCS或FCS等。對于一般的控制回路，選用手動操作作為后備。對于較重要的控制場合，常采用雙機(jī)系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)的核心控制器，措施：

一般的方式有：⑴備份工作方式即一臺投入運行，另一臺作為系統(tǒng)的備份機(jī)。當(dāng)投入運行的微機(jī)出現(xiàn)故障時，由專用切換裝置將備份機(jī)自動投入，接替出故障的主機(jī)，使系統(tǒng)照常運行；出現(xiàn)故障的微機(jī)修復(fù)后，則作為備份機(jī)使用。

⑵主從工作方式即兩臺微機(jī)同時投入運行。一臺擔(dān)任主要工作，另一臺擔(dān)任從屬工作。當(dāng)擔(dān)任主要工作的主機(jī)發(fā)生故障時，由擔(dān)任從屬工作的從屬機(jī)接替主機(jī)的工作，保證系統(tǒng)的繼續(xù)運行。一般的方式有：⑶雙工工作方式

在這種系統(tǒng)中，兩臺主機(jī)同時投入系統(tǒng)運行，在如何一個時刻，都同步執(zhí)行同一個任務(wù)，并將結(jié)果送到一個專門的裝置進(jìn)行核對。如兩臺機(jī)器輸出結(jié)果相符，說明兩臺主機(jī)都正常，允許將結(jié)果輸出到被控對象或設(shè)備；如結(jié)果不符，封鎖輸出，如經(jīng)幾次核對后結(jié)果仍不符，則說明其中一臺發(fā)生故障。這時調(diào)用診斷程序確定故障所在機(jī)器，并將其換下，讓另一臺主機(jī)繼續(xù)完成執(zhí)行控制任務(wù)。⑶雙工工作方式⑷分布式控制方案其實質(zhì)是智能控制單元分別控制各被控對象，由上一級計算機(jī)進(jìn)行監(jiān)視和管理。當(dāng)某一臺智能控制單元出現(xiàn)故障時，它的控制任務(wù)可由上位機(jī)來承擔(dān)；如上位機(jī)出現(xiàn)故障，則各智能控制單元仍可維持對各被控對象的控制，所以大大提高了整個系統(tǒng)的可靠性。⑷分布式控制方案2、系統(tǒng)操作性能好操作性能好包括使用方便和維修容易兩個含義。操作方便表現(xiàn)在操作簡單、直觀形象、便于掌握，并不強(qiáng)求操作工要掌握計算機(jī)知識才能操作。既要體現(xiàn)操作的先進(jìn)性，又要兼顧原有的操作習(xí)慣。維修方便體現(xiàn)在易于查找故障，易于排除故障。采用標(biāo)準(zhǔn)的功能模板式結(jié)構(gòu)，便于更換故障模板。并在功能模板上安裝工作狀態(tài)指示燈和檢測點，便于維修人員檢查，另外配置診斷程序，用來查找故障。2、系統(tǒng)操作性能好3、實時性強(qiáng)工業(yè)控制機(jī)的實時性，表現(xiàn)在對內(nèi)部和外部事件能及時地響應(yīng)，并作出相應(yīng)的處理，不丟失信息，不延誤操作。對于定時事件如數(shù)據(jù)的定時采集，運算控制等，系統(tǒng)設(shè)置時鐘，保證定時處理。對于隨機(jī)事件如事故、報警等，系統(tǒng)設(shè)置中斷，并根據(jù)故障的輕重緩急，預(yù)先分配中斷級別，一旦事故發(fā)生，保證優(yōu)先處理緊急故障。3、實時性強(qiáng)4、通用性好，便于擴(kuò)充計算機(jī)控制的對象千變?nèi)f化，一個工業(yè)控制系統(tǒng)一般可同時控制多臺設(shè)備或控制對象。系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮能適應(yīng)不同的設(shè)備和不同的控制對象。系統(tǒng)設(shè)計時，各設(shè)計指標(biāo)要留有一定的余量，為日后系統(tǒng)的擴(kuò)充創(chuàng)造有利的條件。如CPU的工作速度、電源功率、內(nèi)存容量、輸入輸出通道數(shù)等指標(biāo)，均應(yīng)留有一定余量。4、通用性好，便于擴(kuò)充工業(yè)控制機(jī)的通用靈活性體現(xiàn)在兩方面：硬件模板設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，配置各種通用的功能模板，以便再擴(kuò)充功能，只需增加功能模板就能實現(xiàn)；軟件模塊或控制算法采用標(biāo)準(zhǔn)模塊結(jié)構(gòu)，用戶使用時不需要二次開發(fā)，只需按要求選擇各種功能模塊，靈活地進(jìn)行控制系統(tǒng)組態(tài)。工業(yè)控制機(jī)的通用靈活性體現(xiàn)在兩方面：5、經(jīng)濟(jì)效益高計算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)該帶來高的經(jīng)濟(jì)效益，系統(tǒng)設(shè)計時要考慮性能價格比，要有市場競爭意識。經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)在：一是系統(tǒng)設(shè)計的性能價格比要盡可能的高；二是投入產(chǎn)出比要盡可能地低。返回5、經(jīng)濟(jì)效益高返回8.1.2系統(tǒng)設(shè)計的步驟1、工程設(shè)計的確定確定工程項目與控制任務(wù)一般由甲、乙共同工作來實現(xiàn)。所謂甲方，就是任務(wù)的委托方；乙方是系統(tǒng)工程項目的承接方。8.1.2系統(tǒng)設(shè)計的步驟1、工程設(shè)計的確定第8章-計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)-計算機(jī)控制技術(shù)-課件-(1)甲方提出任務(wù)委托書在委托乙方承接系統(tǒng)工程項目前，甲方一定要提供正式的書面任務(wù)該委托書要明確的系統(tǒng)技術(shù)性能指標(biāo)要求，還要包含經(jīng)費、計劃進(jìn)度、合作方式等內(nèi)容。(1)甲方提出任務(wù)委托書

(2)乙方研究任務(wù)委托書乙方在接到任務(wù)委托書后要認(rèn)真閱讀，并逐步進(jìn)行研究。對含糊不清、認(rèn)識上有分歧和需補(bǔ)充或刪節(jié)的地方要逐條標(biāo)出，并擬定出要進(jìn)一步弄清的問題及修改意見。(3)雙方對委托書進(jìn)行確認(rèn)性修改在乙方對委托書進(jìn)行了認(rèn)真研究之后，雙方應(yīng)就委托書的確認(rèn)或修改事宜進(jìn)行協(xié)商和討論。(2)乙方研究任務(wù)委托書為避免因行業(yè)和專業(yè)不同所帶來的局限性，在討論時應(yīng)有各方面有經(jīng)驗的人員參加。經(jīng)過確認(rèn)或修改過的委托書中不應(yīng)有含義不清的的詞匯和條款，而且雙方的任務(wù)和技術(shù)界面必須劃分清楚。(4)乙方初步進(jìn)行系統(tǒng)總體方案設(shè)計由于任務(wù)和經(jīng)費沒有落實，所以這時總體方案的設(shè)計只能是粗線條的。在條件允許的情況下，應(yīng)多做幾個方案以便比較。這些方案應(yīng)在“粗線條”的前提下，盡量詳細(xì)，其把握的尺度是能清楚地反映出三大關(guān)鍵問題：技術(shù)難點，經(jīng)費概算，工期。為避免因行業(yè)和專業(yè)不同所帶來的局限性，在討論時應(yīng)有各方(5)乙方進(jìn)行方案可行性論證方案可行性論證的目的是要估計承接該項任務(wù)的把握性，并為簽訂合同后的設(shè)計工作打下基礎(chǔ)。論證的主要內(nèi)容是：技術(shù)可行性；經(jīng)費可行性；進(jìn)度可行性。特別要指出，對控制項目尤其是對可測性和可控性應(yīng)給予充分重視。(6)簽訂合同書合同書是雙方達(dá)成一致意見的結(jié)果，也是雙方合作的依據(jù)和憑證。合同書應(yīng)包含如下內(nèi)容：經(jīng)過雙方修改和認(rèn)可的甲方“任務(wù)委托書”的全部內(nèi)容，雙方的任務(wù)劃分和各自應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任，合作方式，付款方式，進(jìn)度和計劃安排，驗收方式及條件，成果歸屬及違約的解決辦法。(5)乙方進(jìn)行方案可行性論證2、工程項目的設(shè)計(1)組建項目研制小組為了完成系統(tǒng)設(shè)計，應(yīng)首先把項目組成員確定下來。這個項目組成應(yīng)由懂得計算機(jī)硬件、軟件和有控制經(jīng)驗的技術(shù)人員組成，還要明確分工和相互的協(xié)調(diào)合作關(guān)系。

(2)形成總體方案系統(tǒng)總體方案包括硬件總體方案和軟件總體方案。硬件和軟件的設(shè)計是互相有機(jī)聯(lián)系的。因此，在設(shè)計時要經(jīng)過多次的協(xié)調(diào)和反復(fù)，最后才能形成硬件和軟件的方塊圖，并建立說明文檔，包括控制策略和控制算法的確定等。2、工程項目的設(shè)計

(3)方案論證與評審

方案論證與評審是對系統(tǒng)設(shè)計方案的把關(guān)和最終裁定。評審后確定的方案是進(jìn)行具體設(shè)計和工程實施的依據(jù)，因此應(yīng)邀請有關(guān)專家、主管領(lǐng)導(dǎo)及甲方代表參加。評審后應(yīng)重新修改總體方案，評審過的方案設(shè)計應(yīng)該作為正式文件存檔，原則上不應(yīng)再作大的改動。(4)硬件和軟件的分別細(xì)化設(shè)計

此步驟只能在總體方案評審后進(jìn)行。所謂細(xì)化設(shè)計就是將方塊圖中的方塊劃到最低層，然后進(jìn)行底層塊內(nèi)的結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計。對于硬件設(shè)計來說，就是選購模板以及設(shè)計制作專用模板；對軟件設(shè)計來說，就是將一個個模塊編成一條條的程序。(3)方案論證與評審(5)硬件和軟件的分別調(diào)試實際上，硬件、軟件的設(shè)計中都需邊設(shè)計邊調(diào)試邊修改。往往要經(jīng)過幾個反復(fù)過程才能完成。(6)系統(tǒng)的組裝硬件細(xì)化設(shè)計和軟件細(xì)化設(shè)計后，分別進(jìn)行調(diào)試。之后就可進(jìn)行系統(tǒng)的組裝，組裝是離線仿真和調(diào)試階段的前提和必要條件。(5)硬件和軟件的分別調(diào)試3、項目仿真和調(diào)試(1)離線仿真和調(diào)試離線仿真和調(diào)試階段的流程如圖所示。所謂離線仿真和調(diào)試是指在實驗室而不是在工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行的仿真和調(diào)試。離線仿真和調(diào)試試驗后，還要進(jìn)行考機(jī)運行?？紮C(jī)的目的是要在連續(xù)不停機(jī)的運行中暴露問題和解決問題。3、項目仿真和調(diào)試所謂離線仿真和調(diào)試是指在實驗室而不是在工業(yè)（2）在線調(diào)試和運行系統(tǒng)離線仿真和調(diào)試后便可進(jìn)行在線調(diào)試和運行。在線調(diào)試和運行就是將系統(tǒng)和生產(chǎn)過程連接在一起，進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試和運行。盡管離線仿真和調(diào)試工作非常認(rèn)真、仔細(xì)，現(xiàn)場調(diào)試和運行仍可能出現(xiàn)問題，因此必須認(rèn)真分析加以解決。系統(tǒng)運行正常后，再調(diào)試一段時間，即可組織驗收。驗收是系統(tǒng)項目最終完成的標(biāo)志，應(yīng)由甲方主持乙方參加，雙方協(xié)同辦理。驗收完畢應(yīng)形成驗收文件存檔。（2）在線調(diào)試和運行整個過程如圖所示?，F(xiàn)場安裝調(diào)試試運行驗收結(jié)束返回整個過程如圖所示。現(xiàn)場安裝調(diào)試試運行驗收結(jié)束返回8.2系統(tǒng)的工程設(shè)計與實現(xiàn)返回作為一個計算機(jī)控制系統(tǒng)工程項目，在研制過程這應(yīng)該經(jīng)過那些步驟，應(yīng)該怎樣有條不紊地保證工程順利進(jìn)行，這是需要認(rèn)真考慮的。

8.2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計

8.2.2硬件的工程設(shè)計與實現(xiàn)

8.2.3軟件的工程設(shè)計與實現(xiàn)

8.2.4系統(tǒng)的調(diào)試與運行8.2系統(tǒng)的工程設(shè)計與實現(xiàn)返回作為一個計算機(jī)控制系統(tǒng)工8.2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計總體設(shè)計就是要了解控制對象、熟悉控制要求，確定總的技術(shù)性能指標(biāo)，確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式及控制裝置與現(xiàn)場設(shè)備的選擇，以及控制規(guī)律算法和其它特殊功能要求。包括：硬件總體方案設(shè)計：確定系統(tǒng)任務(wù)與控制方案；確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式設(shè)計；選擇現(xiàn)場設(shè)備軟件總體方案設(shè)計：確定控制算法8.2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計總體設(shè)計就是要了解控制對象1、硬件總體方案設(shè)計硬件總體方案設(shè)計的方法通常是“黑箱”設(shè)計。所謂“黑箱”設(shè)計，就是畫方塊圖的方法。用這種方法做出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，只需明確各方塊之間的信號輸入輸出關(guān)系和功能要求，而不需知道“黑箱”內(nèi)具體結(jié)構(gòu)。1、硬件總體方案設(shè)計

硬件總體方案設(shè)計主要包含以下幾個方面的內(nèi)容：（1）確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和類型根據(jù)系統(tǒng)要求，確定采樣開環(huán)還是閉環(huán)控制。閉環(huán)控制還需進(jìn)一步確定是單閉環(huán)還是多閉環(huán)控制。實際可供選擇的控制系統(tǒng)類型有：操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)；直接數(shù)字控制系統(tǒng)；監(jiān)督計算機(jī)控制系統(tǒng)；分級控制系統(tǒng)等。（2）確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式系統(tǒng)的構(gòu)成方式應(yīng)優(yōu)先選擇工業(yè)控制機(jī)來構(gòu)成系統(tǒng)的方式。也可以采用可編程控制器或智能調(diào)節(jié)器來構(gòu)成計算機(jī)控制系統(tǒng)的前端機(jī)。硬件總體方案設(shè)計主要包含以下幾個方面的內(nèi)容：工業(yè)控制機(jī)具有系列化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和開放結(jié)構(gòu)，有利于系統(tǒng)設(shè)計者在系統(tǒng)設(shè)計時根據(jù)要求來任意選擇，像搭積木般地組建系統(tǒng)。這種方式可提高研制和開發(fā)速度，提高系統(tǒng)的技術(shù)水平和性能。（3）現(xiàn)場設(shè)備選擇主要包括傳感器、變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電機(jī)驅(qū)動、液壓、氣動、步進(jìn)電機(jī)等）的選擇，這些裝置的選擇要正確，它是影響系統(tǒng)控制精度的重要因素之一。其他方面的總體設(shè)計方案中還應(yīng)考慮人－機(jī)聯(lián)系方式、系統(tǒng)的機(jī)柜或機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計、抗干擾等方面的問題。工業(yè)控制機(jī)具有系列化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和開放結(jié)構(gòu)，有利于2、軟件總體方案設(shè)計軟件總體方案設(shè)計通常也是采用結(jié)構(gòu)化的“黑箱”設(shè)計法。先畫出較高一級的方框圖，然后再將大的方框分解成小的方框，直到能表達(dá)清楚為止。軟件設(shè)計方案還應(yīng)考慮確定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制策略、控制算法等，選擇合適的控制組態(tài)軟件，也是軟件總體設(shè)計的重要內(nèi)容。軟件總體方案設(shè)計的主要內(nèi)容：程序結(jié)構(gòu)規(guī)劃；資源分配；實時控制軟件設(shè)計：數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理、實時時鐘與中斷處理；控制算法、控制量輸出；生產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)通信等。2、軟件總體方案設(shè)計其中重要的任務(wù)是確定控制策略和控制算法：建立對象與其它部分的數(shù)學(xué)模型，包括系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式，反映系統(tǒng)輸入、內(nèi)部狀態(tài)和輸出之間的邏輯與數(shù)量關(guān)系的表達(dá)式或圖表曲線等，為系統(tǒng)的分析、綜合與設(shè)計提供依據(jù)。針對具體控制對象和控制指標(biāo)要求選擇合適的控制算法與控制策略，滿足控制速度、控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面的要求。要求快速跟隨的系統(tǒng)：最少拍無紋波設(shè)計法；具有純滯后的對象：Smith補(bǔ)償算法或大林算法；模型中參數(shù)難以確定或波動較大時：模糊算法、自適應(yīng)算法或其它智能算法等。其中重要的任務(wù)是確定控制策略和控制算法：各種控制方法提供了一套通用的算法公式，但應(yīng)用于具體控制對象時，應(yīng)有分析地選用，在某些情況下可進(jìn)行必要的修改與補(bǔ)充。如PID數(shù)字算法，若效果不理想，可適當(dāng)修改，加Bang-Bang控制，提高快速性；加FC，響應(yīng)速度加快，超調(diào)量減小等。注意要考慮控制計算的實時性。各種控制方法提供了一套通用的算法公式，但應(yīng)用于具體控制3、系統(tǒng)總體方案將上面的硬件總體方案和軟件總體方案合在一起構(gòu)成系統(tǒng)的總體方案?？傮w方案論證可行后，要形成文件，建立總體方案文檔。系統(tǒng)總體文件的內(nèi)容包括：系統(tǒng)的主要功能、技術(shù)指標(biāo)。原理性方框圖及文字說明?？刂撇呗院涂刂扑惴āＯ到y(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及配置，主要的軟件功能、結(jié)構(gòu)及框圖。3、系統(tǒng)總體方案方案的比較和選擇。保證性能指標(biāo)要求的技術(shù)措施。抗干擾和可靠性設(shè)計。機(jī)柜和機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計。經(jīng)費和進(jìn)度計劃的安排。對所提出的總體設(shè)計方案要進(jìn)行合理性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性及可行性論證。論證結(jié)束后，便可形成作為系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)的系統(tǒng)總體方案圖和設(shè)計任務(wù)書，以指導(dǎo)具體的系統(tǒng)設(shè)計過程。返回方案的比較和選擇。返回8.2.2硬件的工程設(shè)計與實現(xiàn)硬件的工程設(shè)計和實現(xiàn)由于總線式工業(yè)控制機(jī)的高度模塊化和插板結(jié)構(gòu)，因此，可以采用組合方式來大大簡化計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計。采用總線式工業(yè)控制機(jī)，只需要簡單的更換幾塊模板，就可以很方便地變成另外一種功能的控制系統(tǒng)。在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，一些控制功能既能用硬件實現(xiàn)，亦能用軟件實現(xiàn)，故系統(tǒng)設(shè)計時，硬件、軟件的功能要綜合考慮。8.2.2硬件的工程設(shè)計與實現(xiàn)硬件的工程設(shè)計和實現(xiàn)1、選擇系統(tǒng)的總線和主機(jī)類型

（1）選擇系統(tǒng)的總線系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)，具有很多優(yōu)點。簡化硬件結(jié)構(gòu)用戶可根據(jù)需要直接選用符合總線標(biāo)準(zhǔn)的功能模板，而不必考慮模板插件之間的匹配問題，使系統(tǒng)硬件設(shè)計大大簡化。系統(tǒng)可擴(kuò)性好，僅需將按總線標(biāo)準(zhǔn)研制的新的功能模板插在總線槽中即可。系統(tǒng)更新性好，一旦出現(xiàn)新的微處理器、存儲器芯片和接口電路，只要將這些新的芯片及總線標(biāo)準(zhǔn)研制成各類插件，即可取代原來的模板而升級更新系統(tǒng)。1、選擇系統(tǒng)的總線和主機(jī)類型①內(nèi)總線選擇常用的工業(yè)控制機(jī)內(nèi)總線有兩種，即PC總線和STD總線。一般常選用PC總線進(jìn)行系統(tǒng)地設(shè)計。②外總線選擇外總線就是計算機(jī)與計算機(jī)之間、計算機(jī)與智能儀器或智能外設(shè)之間進(jìn)行通信的總線。它包括并行通信總線(IEEE－488)和串行通信總線(RS－232C)。另外還有可用來進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信、多站點互聯(lián)的通信總線RS－422和RS－485。具體選擇哪一種，要根據(jù)通信的速率、距離、系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通信協(xié)議等要求來綜合分析、才能確定。①內(nèi)總線選擇但需要說明的是RS－422和RS－485總線在工業(yè)控制機(jī)的主機(jī)中沒有現(xiàn)成的接口裝置，必須另外選擇相應(yīng)的通信接口板。要注意現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)是當(dāng)前的優(yōu)先選擇。

（2）選擇主機(jī)機(jī)型在總線式工業(yè)控制機(jī)中，有許多機(jī)型，都因采用的CPU不同而不同。以PC總線工業(yè)控制機(jī)為例，其CPU有8088、8086、80486、Pentium(586、P2、P3)等多種型號，內(nèi)存、硬盤、主頻、顯示卡也有多種規(guī)格。設(shè)計人員可根據(jù)要求合理地進(jìn)行選擇。但需要說明的是RS－422和RS－485總線在工業(yè)控制微處理器是整個系統(tǒng)的核心，它的選擇將對整個系統(tǒng)產(chǎn)生決定性的影響，一般應(yīng)從以下幾個方面進(jìn)行考慮。字長微處理器字長會直接影響數(shù)據(jù)的精度、指令的數(shù)目、尋址能力和執(zhí)行操作的時間。字長越長，對提供控制系統(tǒng)的性能越有利，但相應(yīng)地會增加系統(tǒng)成本。因此應(yīng)根據(jù)不同的對象和要求，恰當(dāng)?shù)剡x擇。在過程控制領(lǐng)域中，一般選擇8位或16位字長的微處理器就可以達(dá)到要求。微處理器是整個系統(tǒng)的核心，它的選擇將對整個系統(tǒng)產(chǎn)生決定性的影尋址范圍和尋址方式微處理器的地址碼長度一般決定了它的尋址范圍大小，對于單片微處理器，有的提供了直接外部存儲器尋址能力，而有的則沒有，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)要求的存儲容量要求，選擇相應(yīng)的微處理器。具有豐富的尋址方式的微處理器，在編寫應(yīng)用程序時，會使程序長度大大縮短。指令種類和數(shù)量一般來說，當(dāng)微處理器的指令種類越多，針對特定操作的指令也必然多，其處理速度越快，編程靈活方便，程序長度縮短。尋址范圍和尋址方式微處理器的地址碼長度一般決內(nèi)部寄存器的種類和數(shù)量微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)性能影響也很大。內(nèi)部寄存器的種類和數(shù)量越多，訪問存儲器的次數(shù)就越少，從而加快了執(zhí)行速度。微處理器的速度微處理器的速度越高性能也越好，但是，它應(yīng)該與被控對象的要求相適應(yīng)，過高要求會給系統(tǒng)的安裝和調(diào)試等工作帶來不必要的麻煩。如高速工作時，系統(tǒng)中各引線之間的串?dāng)_是系統(tǒng)調(diào)試和運行中常見的問題。中斷處理能力在微機(jī)控制系統(tǒng)中，中斷處理方式是一種主要的輸入輸出方式。中斷功能的強(qiáng)弱，反映了系統(tǒng)的實時控制的能力和系統(tǒng)硬件與軟件的布局。內(nèi)部寄存器的種類和數(shù)量微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)性

2、選擇輸入輸出通道模板一個典型的計算機(jī)控制系統(tǒng)，除了工業(yè)控制機(jī)的主機(jī)以外，還必須有各種輸入輸出信道模板，其中包括數(shù)字量I/O(即DI/DO)、模擬量I/O(即AI/AO)等模板。（1）數(shù)字量(開關(guān)量)輸入輸出(DI/DO)模板PC總線的并行I/O接口模板多種多樣，通常可分為TTL電平的DI/DO和帶光電隔離的DI/DO。通常和工業(yè)控制機(jī)共地裝置的接口可以采用TTL電平，而其它裝置與工業(yè)控制機(jī)之間則采用光電隔離。對于大容量的DI/DO系統(tǒng)，往往選用大容量的TTL電平DI/DO板，而將光電隔離及驅(qū)動功能安排在工業(yè)控制機(jī)總線之外的非總線模板上，如繼電器板等。2、選擇輸入輸出通道模板（2）模擬量輸入輸出(AI/AO)模板AI/AO模板包括A/D、D/A板及信號調(diào)理電路等。AI模板輸入可能是0~±5V、1~10V、0~10mA、4~20mA以及熱電偶、熱電阻和各種變送器的信號。AO模板輸出可能是0~5V、1~10V、0~10mA、4~20mA等信號。選擇AI/AO模板時必須注意分辨率、轉(zhuǎn)換速度、量程范圍等技術(shù)指標(biāo)。系統(tǒng)中的輸入輸出模板，可按需要進(jìn)行組合，不管哪種類型的系統(tǒng)，其模板的選擇與組合均由生產(chǎn)過程的輸入?yún)?shù)和輸出控制信道的種類和數(shù)量來確定。（2）模擬量輸入輸出(AI/AO)模板3、選擇變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（1）選擇變送器變送器是能將被測變量轉(zhuǎn)換為可遠(yuǎn)傳的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號的一種儀表，且輸出信號與被測變量有一定的連續(xù)關(guān)系。在控制系統(tǒng)中其輸出信號被送至工業(yè)控制機(jī)進(jìn)行處理，實時數(shù)據(jù)采集。DDZ-Ⅱ型變送器輸出的是4~20mA信號，供電電源為24V(DC)且采用二線制，DDZ-Ⅲ型比DDZ-Ⅱ型變送器性能好，使用方便。而DDZ-S型是在總結(jié)DDZ型變送器的基礎(chǔ)上開發(fā)出的新一代變送器。同時，現(xiàn)場總線儀表也將被推廣應(yīng)用。3、選擇變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計人員可根據(jù)被測參數(shù)的種類、量程、被測對象的介質(zhì)類型和環(huán)境來選擇變送器的具體型號。（2）選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(也稱調(diào)節(jié)閥)是控制系統(tǒng)中必不可少的組成部分，它的作用是接受計算機(jī)發(fā)出的控制信號，并把它轉(zhuǎn)換成調(diào)整機(jī)構(gòu)的動作，使生產(chǎn)過程按預(yù)定規(guī)定的要求正常進(jìn)行。系統(tǒng)設(shè)計人員可根據(jù)被測參數(shù)的種類、量程、被測對象的介質(zhì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是控制系統(tǒng)中的重要部分，其作用是根據(jù)調(diào)節(jié)器的控制信號，改變輸出的角或直線位移，并改變被調(diào)節(jié)的流量或能量，使生產(chǎn)過程滿足預(yù)定的要求。根據(jù)執(zhí)行器采用的動力方式可分為液動執(zhí)行器、氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器等三類。

氣動執(zhí)行器的輸入信號為1.96×104~9.8×104Pa；電動執(zhí)行器的輸入有連續(xù)信號和斷續(xù)信號兩種，連續(xù)信號為0~10mA或4~20mA，而斷續(xù)信號為數(shù)字（開關(guān)、脈沖）信號。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是控制系統(tǒng)中的重要部分，其作用是根據(jù)調(diào)節(jié)器的控另外，還有各種有觸點和無觸點開關(guān)，也是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)開關(guān)操作。電磁閥作為一種開關(guān)閥在工業(yè)中也得到了廣泛的應(yīng)用。要實現(xiàn)連續(xù)的精確的控制目的，必須選用氣動或電動調(diào)節(jié)閥。而對要求不高的控制系統(tǒng)可選用電磁閥。另外，還有各種有觸點和無觸點開關(guān)，也是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)開各類執(zhí)行器的比較

構(gòu)造體積推力配管配線動作滯后維護(hù)檢修使用場合頻率響應(yīng)溫度響應(yīng)價格液動執(zhí)行器簡單大大復(fù)雜小簡單注意火花窄大高氣動執(zhí)行器簡單中中較復(fù)雜大簡單適于防火防爆窄小低電動執(zhí)行器復(fù)雜小

簡單小復(fù)雜隔爆型適用于防火防爆寬大高各類執(zhí)行器的比較

構(gòu)造體積推力配管配線動作滯后維護(hù)檢修使用頻傳感器通常由溫度傳感器、壓力傳感器、液面?zhèn)鞲衅?、力傳感器等。選用傳感器應(yīng)遵循如下的原則：要滿足測量精度和測量范圍的要求；傳感器的性能要穩(wěn)定、可靠、重復(fù)性好；盡可能選擇線性度好、線路簡單、靈敏度高的傳感器；電源種類要盡量少，電源電壓盡量要規(guī)范化。返回傳感器通常由溫度傳感器、壓力傳感器、液面?zhèn)鞲衅?、力傳感?.2.3軟件的工程設(shè)計與實現(xiàn)用工業(yè)控制機(jī)來組建計算機(jī)控制系統(tǒng)不僅能減小系統(tǒng)硬件設(shè)計工作量，而且還能減小系統(tǒng)軟件設(shè)計工作量。一般的工業(yè)控制機(jī)都配有實時操作系統(tǒng)或?qū)崟r監(jiān)控程序，各種控制、運算軟件、組態(tài)軟件等，可使系統(tǒng)設(shè)計者在最短的周期里，開發(fā)出目標(biāo)系統(tǒng)軟件。一般工業(yè)控制機(jī)把工業(yè)控制所需的各種功能以模塊形式提供給用戶。其中包括：控制算法模塊，運算模塊，計數(shù)/計時模塊等。系統(tǒng)設(shè)計者根據(jù)控制要求，選擇所需的模塊就能生成系統(tǒng)控制軟件，使得軟件設(shè)計工作量減少。為了便于系統(tǒng)組態(tài)，工業(yè)控制機(jī)提供了組態(tài)語言。8.2.3軟件的工程設(shè)計與實現(xiàn)用工業(yè)控制機(jī)來組建計算自行開發(fā)控制軟件時，應(yīng)先畫出程序總體流程圖和各功能模塊流程圖，再選擇程序設(shè)計語言，然后編制程序。程序編制應(yīng)先模塊后整體，具體程序設(shè)計要處理以下內(nèi)容。

1、數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃在系統(tǒng)總體方案設(shè)計中，系統(tǒng)的各個模塊之間有著各種因果關(guān)系，互相之間要進(jìn)行各種信息傳遞。應(yīng)注意：將每一個執(zhí)行模塊要用到的參數(shù)和要輸出的結(jié)果列出來，對于與不同模塊都有關(guān)的參數(shù)，只取一個名稱，以保證同一個參數(shù)只有一種格式，然后為每一參數(shù)規(guī)劃一個數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。自行開發(fā)控制軟件時，應(yīng)先畫出程序總體流程圖和各功能模塊從數(shù)據(jù)類型上來分類，可分為邏輯型和數(shù)值型，但通常將邏輯型數(shù)據(jù)歸到軟件標(biāo)志中去考慮。數(shù)值型可分為定點數(shù)和浮點數(shù)。定點數(shù)有直觀、編程簡單、運算速度快的優(yōu)點，其缺點是表示的數(shù)值動態(tài)范圍小，容易溢出。浮點數(shù)則相反，數(shù)值動態(tài)范圍大、相對精度穩(wěn)定、不易溢出，但編程復(fù)雜，運算速度低。如果某參數(shù)是一系列數(shù)據(jù)的集合，如采樣信號序列，則不只有數(shù)據(jù)類型問題，還有一個數(shù)據(jù)存放格式問題，需要很好的規(guī)劃。從數(shù)據(jù)類型上來分類，可分為邏輯型和數(shù)值型，但通常將邏輯2、資源分配完成數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的規(guī)劃后，便可開始分配系統(tǒng)的資源了。系統(tǒng)資源包括ROM、RAM、定時器/計數(shù)器、中斷源、I/O地址等。ROM資源用來存放程序和表格。I/O地址、定時器/計數(shù)器、中斷源在任務(wù)分析時已經(jīng)分配好了。因此資源分配的主要工作是RAM資源的分配。RAM資源規(guī)劃好后，應(yīng)列出一張RAM資源的詳細(xì)分配清單，作為編程依據(jù)。2、資源分配3、實時控制軟件設(shè)計（1）數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理程序數(shù)據(jù)采集程序主要包括多路信號的采樣、輸入變換、存儲等。模擬輸入信號為mA(DC)或mV(DC)和電阻等?？梢灾苯幼鳛锳/D轉(zhuǎn)換模板的輸入。輸入信號的點數(shù)可根據(jù)需要選取，每個信號的量程和工業(yè)單位用戶必須規(guī)定清楚。數(shù)據(jù)處理程序主要包括數(shù)字濾波程序、線性化處理和非線性補(bǔ)償、標(biāo)度變換程序、超限報警程序等。3、實時控制軟件設(shè)計（2）控制算法程序

控制算法程序主要實現(xiàn)控制規(guī)律的計算，產(chǎn)生控制量。其中包括：數(shù)字PID控制算法、大林算法等。實際實現(xiàn)時，可選擇合適的一種或幾種控制算法，來實現(xiàn)控制。（3）控制量輸出程序

控制量輸出程序?qū)崿F(xiàn)對控制量的處理、控制量的變換及輸出，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)或各種電氣開關(guān)?？刂屏恳舶M量和開關(guān)量兩種。模擬控制量由轉(zhuǎn)換模板輸出，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)如各種調(diào)節(jié)閥。開關(guān)量控制信號驅(qū)動各種電氣開關(guān)。

（2）控制算法程序（4）實時時鐘和中斷處理程序?qū)崟r時鐘是計算機(jī)控制系統(tǒng)一切與時間有關(guān)過程的運行基礎(chǔ)。時鐘有兩種，即絕對時鐘和相對時鐘。絕對時鐘與當(dāng)?shù)氐臅r間同步，有年、月、日、時、分、秒等功能。相對時鐘與當(dāng)?shù)貢r間無關(guān)，一般只要時、分、秒就可以，在某些場合要精確到0.1秒甚至毫秒。作為一般情況，假設(shè)系統(tǒng)中有幾個任務(wù)，每個任務(wù)都有自己的啟動和撤銷時刻。在系統(tǒng)中建立兩個表格：一個任務(wù)啟動時刻表，一個任務(wù)撤銷時刻表。為使任務(wù)啟動和撤銷及時準(zhǔn)確，這一過程應(yīng)安排時鐘中斷子程序來完成。（4）實時時鐘和中斷處理程序計算機(jī)控制系統(tǒng)中，有很多控制過程雖與時間(相對時鐘)有關(guān)，但與當(dāng)?shù)貢r間(絕對時鐘)無關(guān)。相對時鐘的運行速度與絕對時鐘一致，但數(shù)值完全獨立。這就要求相對時鐘必須另外開辟存放單元。在使用上，相對時鐘要初始化，再開始計時，計時到后便可喚醒指定任務(wù)。許多實時任務(wù)如采樣周期、定時顯示打印等都必須利用實時時鐘來實現(xiàn)。并由定時中斷服務(wù)程序去執(zhí)行相應(yīng)的動作或處理動作狀態(tài)標(biāo)志等。計算機(jī)控制系統(tǒng)中，有很多控制過程雖與時間(相對時鐘)有另外，事故報警、掉電檢測及處理、重要的事件處理等功能也常常使用中斷技術(shù)，以便使計算機(jī)能對事件作出及時處理。事件處理用中斷服務(wù)程序和相應(yīng)的硬件電路來完成。（5）數(shù)據(jù)管理程序這部分程序用于生產(chǎn)管理，主要包括畫面顯示、變化趨勢分析、報警記錄等。（6）數(shù)據(jù)通信程序數(shù)據(jù)通信程序主要完成計算機(jī)與計算機(jī)之間、計算機(jī)與智能設(shè)備之間的信息傳遞和交換。這個功能主要在分散型控制系統(tǒng)、分級計算機(jī)控制系統(tǒng)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)中實現(xiàn)。返回另外，事故報警、掉電檢測及處理、重要的事件處理等功能也8.2.4系統(tǒng)的調(diào)試與運行

系統(tǒng)的調(diào)試和運行分為離線仿真與調(diào)試階段和在線調(diào)試與運行階段。離線仿真與調(diào)試階段一般在實驗室或非工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行，在線調(diào)試與運行階段是在生產(chǎn)過程工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行。其中離線仿真與調(diào)試階段是基礎(chǔ)，是檢查硬件和軟件的整體性能，為現(xiàn)場投運做準(zhǔn)備，現(xiàn)場投運是對全系統(tǒng)的實際考驗與檢查。

1、離線仿真和調(diào)試（1）硬件調(diào)試8.2.4系統(tǒng)的調(diào)試與運行系統(tǒng)的調(diào)試和運行分為離線仿對于各種標(biāo)準(zhǔn)功能模塊，按照說明書檢查主要功能。在調(diào)試A/D和D/A模板之前，必須準(zhǔn)備好信號源、數(shù)字電壓表、電流表等。對這兩種模板首先檢查信號的零點和滿量程，然后再分檔檢查。利用開關(guān)量輸入和輸出程序來檢查開關(guān)量輸入和開關(guān)量輸出模板。調(diào)試時在輸入端加開關(guān)量信號，檢查讀入狀態(tài)的正確性；可在輸出端檢查輸出狀態(tài)的正確性。硬件調(diào)試還包括現(xiàn)場儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這些儀表必須在安裝之前按說明書要求校驗完畢。如是分級計算機(jī)控制系統(tǒng)和分散型控制系統(tǒng)，還要調(diào)試通信功能，驗證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。對于各種標(biāo)準(zhǔn)功能模塊，按照說明書檢查主要功能。在調(diào)試A（2）軟件調(diào)試軟件調(diào)試的順序是子程序、功能模塊和主程序。一般與過程輸入輸出信道無關(guān)的程序，都可用開發(fā)機(jī)的調(diào)試程序進(jìn)行調(diào)試，不過有時為了能調(diào)試某些程序，可能要編寫臨時性的輔助程序。系統(tǒng)控制模塊的調(diào)試分為開環(huán)和閉環(huán)兩種情況進(jìn)行。開環(huán)調(diào)試是檢查它的階躍響應(yīng)特性，閉環(huán)調(diào)試是檢查它的反饋控制功能。（2）軟件調(diào)試（3）系統(tǒng)仿真在硬件和軟件分別聯(lián)調(diào)后，并不意味著系統(tǒng)的設(shè)計和離線調(diào)試已經(jīng)結(jié)束，為此，必須再進(jìn)行全系統(tǒng)的硬件、軟件統(tǒng)調(diào)。這次的統(tǒng)調(diào)試驗，就是通常所說的“系統(tǒng)仿真”。所謂系統(tǒng)仿真，就是應(yīng)用相似原理和類比關(guān)系來研究事物，也就是用模型來代替實際生產(chǎn)過程進(jìn)行實驗和研究。系統(tǒng)仿真有以下三種類型：全物理仿真；半物理仿真；數(shù)字仿真。（3）系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)仿真盡量采用全物理或半物理仿真。試驗條件或工作狀態(tài)越接近真實，其效果也就越好。對于純數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一般可做到全物理仿真。而對于控制系統(tǒng)只能做離線半物理仿真。被控對象可用實驗?zāi)Ｐ痛妗２唤?jīng)過系統(tǒng)仿真和各種試驗，試圖在生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)試中一舉成功的想法是不實際的。在系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)上，進(jìn)行長時間的運行考驗，并根據(jù)實際運行環(huán)境的要求，進(jìn)行特殊運行條件的考驗。系統(tǒng)仿真盡量采用全物理或半物理仿真。試驗條件或工作狀態(tài)2、在線調(diào)試和運行為了做到有把握，現(xiàn)場安裝及在線調(diào)試前首先要進(jìn)行下列檢查：檢測元件、變送器、顯示儀表等必須通過校驗，保證精確度要求。作為檢查，可進(jìn)行一些現(xiàn)場校驗。各種接線和導(dǎo)管必須經(jīng)過檢查，保證連接正確。對在流量中采用隔離液的系統(tǒng)，要在清洗好引壓導(dǎo)管以后，灌入隔離液。2、在線調(diào)試和運行檢查調(diào)節(jié)閥能否正確工作。旁路閥及上下游截斷閥關(guān)閉或打開，要搞清楚。檢查系統(tǒng)的干擾情況，如果不符合要求，應(yīng)采取措施。對安全防護(hù)措施也要檢查。經(jīng)過檢查并已安裝正確后，即可進(jìn)行系統(tǒng)的投運和參數(shù)的整定。投運時應(yīng)先切入手動，等系統(tǒng)接近于給定位時再切入自動，并進(jìn)行參數(shù)的整定。返回檢查調(diào)節(jié)閥能否正確工作。旁路閥及上下游截斷閥關(guān)閉或打開，要8.3計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計舉例返回8.3.1啤酒發(fā)酵工藝及控制要求8.3.2系統(tǒng)總體方案的設(shè)計8.3.3系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計8.3.4系統(tǒng)的安裝調(diào)試運行及控制效果8.3計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計舉例返回8.3.1啤酒發(fā)酵工藝及8.3.1啤酒發(fā)酵工藝及控制要求

1、啤酒發(fā)酵工藝簡介啤酒發(fā)酵是一個復(fù)雜的生物化學(xué)過程，通常在錐型發(fā)酵罐中進(jìn)行。在20多天的發(fā)酵期間，根據(jù)酵母的活動能力和生長繁殖的快慢，確定發(fā)酵給定溫度曲線，如圖8.3所示。要使酵母的繁殖和衰減、麥汁中糖度的消耗和雙乙醇等雜質(zhì)含量等方面達(dá)到最佳狀態(tài)，必須嚴(yán)格控制各階段的溫度，使其在給定溫度的0.5℃范圍內(nèi)。8.3.1啤酒發(fā)酵工藝及控制要求1、啤酒發(fā)酵工藝簡介圖8.3發(fā)酵過程溫度工藝曲線圖8.3發(fā)酵過程溫度工藝曲線某啤酒廠要求控制10個200m2的錐型啤酒發(fā)酵罐，內(nèi)層用不銹鋼板焊接而成，外層用白鐵皮包制而成，內(nèi)層與外層間是保溫材料和上中下三段冷卻帶，罐體由上下兩部分組成，上部分是圓柱體，下部分是圓錐體，故稱為錐形發(fā)酵罐。

控制方法：罐內(nèi)溫度低于給定溫度時，要求關(guān)閉冷卻帶的閥門，使之自然發(fā)酵升溫；罐內(nèi)溫度高于給定溫度時，則要求接通冷卻帶的閥門，自動將冷酒精打入冷卻帶循環(huán)使之降溫，直到滿足工藝要求為止。此外，在發(fā)酵過程中，還需在各段工藝中實行保壓，即要求發(fā)酵罐頂部氣體壓力恒定，以保證發(fā)酵過程的正確進(jìn)行。某啤酒廠要求控制10個200m2的錐型啤酒發(fā)酵罐，內(nèi)層2、系統(tǒng)的控制要求系統(tǒng)共10個發(fā)酵罐，每個罐測量5個參數(shù)，即發(fā)酵罐的上中下三段溫度、罐內(nèi)上部氣體的壓力和罐內(nèi)發(fā)酵液的高度，共30個溫度測量點、10個壓力測量點和10個液位測量點。因此共需檢測50個參數(shù)。自動控制各個發(fā)酵罐中的上中下三段溫度使其按圖8.3所示的工藝曲線運行，溫度控制誤差不大于±0.5℃。共有30個控制點。2、系統(tǒng)的控制要求系統(tǒng)具有自動控制、現(xiàn)場手動控制、控制室遙控三種工作方式。系統(tǒng)具有掉電保護(hù)、報警、參數(shù)設(shè)置和工藝曲線修改設(shè)置功能。系統(tǒng)具有表格、圖形、曲線等顯示和打印功能。

返回系統(tǒng)具有自動控制、現(xiàn)場手動控制、控制室遙控三種工作方式。返回8.3.2系統(tǒng)總體方案的設(shè)計1、發(fā)酵罐測控點的分布及管線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中有10個發(fā)酵罐，每個發(fā)酵罐上有5個檢測點和3個控制點，其中包括上段溫度TTa、中段溫度TTb、下段溫度TTc、罐內(nèi)上部氣體壓力PT、液位LT、上段冷卻帶調(diào)節(jié)閥Tva、中段冷卻帶調(diào)節(jié)閥Tvb、下段冷卻帶調(diào)節(jié)閥Tvc。檢測點與控制點的分布如圖8.4所示。8.3.2系統(tǒng)總體方案的設(shè)計1、發(fā)酵罐測控點的分布及管線圖8.4發(fā)酵罐的測控點分布及管線圖圖8.4發(fā)酵罐的測控點分布及管線圖2、檢測裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)溫度檢測采用WZP-231鉑熱電阻（Pt100）和RTTB-EKT溫度變送器，其輸入量程為－20℃~＋50℃，輸出4~20mA；壓力檢測采用CECY-150G電容式壓力變送器，輸入量程為0~0.25Mpa，輸出4~20mA；液位檢測采用CECU-341G電容式液位變送器，輸入量程（差壓）為0~0.2Mpa，輸出4~20mA。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用ZDLP-6B電動調(diào)節(jié)器，通徑為Dg32，等百分比特性，并配有操作器DFQ-2100。2、檢測裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3、控制規(guī)律啤酒發(fā)酵過程中，輸入量為冷卻液流量，輸出量為發(fā)酵液溫度，被控對象具有大慣性和純滯后特性，而且在不同發(fā)酵階段特性參數(shù)變化很大，這是確定控制規(guī)律的依據(jù)。因為溫度給定值為折線，在恒溫段采用增量型PI控制算法，在升溫、降溫段采用PID控制算法，考慮到被控對象大慣性和純滯后的特點，在控制軟件設(shè)計中提供了Smith預(yù)估控制算法。3、控制規(guī)律4、控制系統(tǒng)主機(jī)及過程通道模板主機(jī)采用康拓IPC-8500工業(yè)控制機(jī)，配有A/D、D/A模板來實現(xiàn)過程通道中的信號變換。選擇康拓IPC-5488

32路12位光電隔離A/D板，并配有CMB5419-1B32路I/V變換板，作為系統(tǒng)模擬量輸入通道。選擇IPC-54888路12位光電隔離D/A轉(zhuǎn)換板，作為模擬量輸出通道。5、控制系統(tǒng)的軟件主要包括：采樣、濾波、標(biāo)度變換、控制計算、控制輸出、中斷、計時、打印、顯示、報警、調(diào)節(jié)參數(shù)修改、溫度給定曲線設(shè)定及修改、報表、圖形、曲線顯示等功能。返回4、控制系統(tǒng)主機(jī)及過程通道模板返回8.3.3系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計1、系統(tǒng)硬件的設(shè)計（P270圖8.9）

(1)模擬量輸入通道設(shè)計對于溫度，將－20℃~＋50℃變換成4~20mA(DC)信號，送至32路I/V變換板，變換成1~5V(DC)信號，最后送至32路12位光電隔離A/D板，實現(xiàn)溫度的數(shù)據(jù)采集。對于壓力，將0~0.25Mpa壓力變換成4~20mA(DC)信號，同樣經(jīng)過I/V板送至A/D板。對于液位，將0~0.2Mpa差壓變換成4~20mA(DC)信號，同樣經(jīng)過I/V板送至A/D板。8.3.3系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計1、系統(tǒng)硬件的設(shè)計（P27…IPC-8500工業(yè)控制機(jī)鍵盤PCBUS32路A/D板IPC5488RTTB-EKTT1T30P1P10H1H10TV1TV8TV9TV16TV17TV24TV25TV30…32路I/V板CMB5419-1B…RTTB-EKT…RptRpt…CECY-150GCECY-150GCECU-341GCECU-341G……32路I/V板CMB5419-1B32路A/D板IPC5488…ZDLP-6BZDLP-6B…DFQ-2100DFQ-21008路D/A板IPC5486ZDLP-6BZDLP-6BDFQ-2100DFQ-21008路D/A板IPC5486……………ZDLP-6BZDLP-6BDFQ-2100DFQ-21008路D/A板IPC5486………ZDLP-6BZDLP-6BDFQ-2100DFQ-21008路D/A板IPC5486……CRT打印機(jī)………IPC-8500工業(yè)控制機(jī)鍵盤PCBUS32路A/D板IP

(2)模擬量輸出通道設(shè)計系統(tǒng)控制30個溫度，使用30個電動調(diào)節(jié)閥，通過調(diào)節(jié)閥自動調(diào)節(jié)閥門開度調(diào)節(jié)冷卻液流量，達(dá)到控制發(fā)酵溫度的目的。在模擬輸出通道中，將計算機(jī)輸出的控制量轉(zhuǎn)換成4~20mA（DC）信號，送至操作器（具有自動手動轉(zhuǎn)換功能），輸出4~20mA（DC）信號，送至電動調(diào)節(jié)閥，實現(xiàn)控制30個調(diào)節(jié)閥達(dá)到控制溫度的目的。另外，系統(tǒng)還配有+24V(DC)電源給變送器、操作器供電。因采用光電隔離技術(shù)，故A/D板和D/A板都采用了DC/DC電源變換模塊，提供光電隔離所需的工作電源。(2)模擬量輸出通道設(shè)計

2、系統(tǒng)軟件的設(shè)計

(1)數(shù)據(jù)采集程序采集30個溫度信號、10個壓力信號、10個液位信號，共采集5次并保存，采樣周期T=2s。

(2)數(shù)字濾波程序

采用中位值加平均值濾波法的數(shù)字濾波算法。對5個采樣值排序后取中間3值平均。

(3)標(biāo)度變換程序

溫度的標(biāo)度變換；壓力的標(biāo)度變換；液位的標(biāo)度變換。2、系統(tǒng)軟件的設(shè)計①溫度的標(biāo)度變換。溫度的量程范圍為―20~+50℃(1~5V），其標(biāo)度變換計算公式為

②壓力的標(biāo)度變換。壓力的量程范圍為0~0.25MPa，其標(biāo)度變換計算公式為①溫度的標(biāo)度變換。②壓力③液位的標(biāo)度變換。液位的量程范圍(壓差)為0~0.2MPa，其標(biāo)度變換公式為式中，D為啤酒的密度，單位為KG／m3；g為重力加速度，單位為m/s2；H的單位為m。③液位的標(biāo)度變換。式中，D為啤酒的密(4)給定工藝曲線的實時插補(bǔ)計算給定工藝曲線由多段折組成，每一段都是直線，采用直線插補(bǔ)算法計算各采樣周期的給定值r(k)。其中，tn-1≤tk＜tn，(tn-1,rn-1)和(tn,rn)分別是第n段折線的兩個端點坐標(biāo)。(4)給定工藝曲線的實時插補(bǔ)計算其中，tn-1≤tk＜tn

(5)控制算法①PID算式及特殊處理采用增量型PID控制算式。特殊處理：保溫段r(k)不變，采用PID控制算式，降溫段采用PID控制算式。為減小被控對象純滯后的影響，在給定溫度曲線轉(zhuǎn)折處作特殊處理，即由保溫段轉(zhuǎn)至降溫段時提前開大調(diào)節(jié)閥，而在降溫段轉(zhuǎn)到保溫段時提前關(guān)小調(diào)節(jié)閥，其目的是使溫度轉(zhuǎn)折時平滑過渡。對控制量?u(k)和閥位輸出進(jìn)行限幅，即：(5)控制算法②Smith預(yù)估控制算式

根據(jù)4.3.1中Smith預(yù)估控制算法，如果被控對象為純滯后一階慣性環(huán)節(jié)，即Δumin=819,Δumax=4095其相應(yīng)的差分方程為②Smith預(yù)估控制算式Δumin=819,Δumax=

(6)其它應(yīng)用程序除測控程序外，還有計時、打印、顯示、報警、調(diào)節(jié)參數(shù)修改、報表、圖形、曲線顯示等功能程序。返回(6)其它應(yīng)用程序返回8.3.4系統(tǒng)的安裝調(diào)試運行及控制效果現(xiàn)場進(jìn)行安裝時，首選在現(xiàn)場安裝溫度、壓力變送器、液位變送器、調(diào)節(jié)閥等，然后從現(xiàn)場敷設(shè)屏蔽信號電纜到控制室，最后將這些線纜接到工業(yè)計算機(jī)外面的接線端子板上。調(diào)試工作主要是對變送器進(jìn)行滿度和零點校準(zhǔn)、A/D板和D/A板滿度和零點校準(zhǔn)，另外就是利用試湊法確定PID控制器的控制參數(shù)。系統(tǒng)經(jīng)過安裝調(diào)試后，投入運行，并滿足系統(tǒng)的控制要求。8.3.4系統(tǒng)的安裝調(diào)試運行及控制效果現(xiàn)場進(jìn)行安裝時

結(jié)論：

該系統(tǒng)操作簡單，使用維護(hù)方便，性能可靠，采用微機(jī)控制，提高了啤酒質(zhì)量，改善了勞動條件，不用人工手動操作，消除了人為因素，易于現(xiàn)代化管理和產(chǎn)品質(zhì)量分析，采用表格、圖形、曲線顯示直觀，并有打印輸出功能。返回結(jié)論：返回8.4熱處理加熱爐智能模糊控制系統(tǒng)1、引言

熱處理是一種改善金屬材料及其制品（如機(jī)器零件，工具等）性能的工藝。根據(jù)不同的目的，將材料及其制件加熱到適宜的溫度，保溫，隨后用不同方法冷卻，改變其內(nèi)部組織（有時僅表面組織改變或表面成分改變），以獲得所要求的性能。熱處理是提高金屬材料及其制品質(zhì)量的重要手段。近年來，隨著工業(yè)的發(fā)展，對金屬材料的性能提出了更多更高的要求，因而熱處理技術(shù)也向著優(yōu)質(zhì)，高效，節(jié)能和無公害的方向迅速發(fā)展。

8.4熱處理加熱爐智能模糊控制系統(tǒng)1、引言熱處理加熱爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，開關(guān)爐門、加熱材料、環(huán)境溫度以及電網(wǎng)電壓等都影響控制過程，基于精確數(shù)學(xué)模型的常規(guī)控制難以保證加熱工藝曲線要求。它不是一般的電阻爐，它要求按照嚴(yán)格的溫度曲線來加熱，要求具有掉電保護(hù)功能。為了改善和提高熱處理性能檢驗的水平，本文采用兩級計算機(jī)控制系統(tǒng)（上位機(jī)為工控機(jī)，下位機(jī)為自行開發(fā)的單片機(jī)智能控制器），以實現(xiàn)以下主要技術(shù)指標(biāo)。熱處理加熱爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，開關(guān)爐門、加技術(shù)指標(biāo)系統(tǒng)控溫采用智能算法，控制精度5‰；熱偶信號(mv)直接進(jìn)入下位機(jī)進(jìn)行處理；下位機(jī)能保存一天的數(shù)據(jù)，每分鐘保存一個數(shù)據(jù)；上位機(jī)在windows98環(huán)境下開發(fā)應(yīng)用程序，可分時監(jiān)控多臺下位機(jī)；技術(shù)指標(biāo)上位機(jī)可實現(xiàn)溫度設(shè)定曲線和溫度實時曲線的不同顏色同時顯示，曲線全部顯示/部分顯示可選；上位機(jī)管理各種數(shù)據(jù)，如溫度、操作者、材料等，數(shù)據(jù)保存時間為1年以上，能對歷史數(shù)據(jù)方便地查詢、打印等；采用過零觸發(fā)和通斷率控制，以防止電流沖擊和高次諧波對電網(wǎng)的影響，并提高功率因數(shù)；I/O信號采用電位隔離，提高工作可靠性。上位機(jī)可實現(xiàn)溫度設(shè)定曲線和溫度實時曲線的不同顏色同時顯示，曲

2、系統(tǒng)整體設(shè)計本系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、爐溫控制、上下位機(jī)通信、數(shù)據(jù)庫的管理、事故檢測及故障處理與報警等功能。系統(tǒng)上位機(jī)為586工控機(jī)，在windows98環(huán)境下開發(fā)DELPHI應(yīng)用程序；下位機(jī)為自行研制的單片機(jī)智能控制器，采用規(guī)則自尋優(yōu)模糊控制算法進(jìn)行過程控制；2、系統(tǒng)整體設(shè)計上下位機(jī)采用485半雙工通訊；熱處理爐主回路采用雙向可控硅控制；雙向可控硅的觸發(fā)通過過零觸發(fā)器控制觸發(fā)，下位機(jī)輸出通斷率控制信號，產(chǎn)生雙向可控硅的過零觸發(fā)脈沖。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖8.5所示。上下位機(jī)采用485半雙工通訊；圖8.5

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖8.5系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)3、智能模糊控制器軟、硬件設(shè)計本系統(tǒng)的下位機(jī)為自行開發(fā)的智能控制器。80C196KC單片機(jī)是控制器的主體，它與一些擴(kuò)展電路(程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器，地址鎖存器，地址譯碼器等)構(gòu)成處理器模塊。被測量的熱偶輸出mV信號經(jīng)過放大電路放大成0~10V的標(biāo)準(zhǔn)信號，再將此信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換之后進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)輸入的各種命令，通過模糊控制算法計算得到控制值，輸出脈沖觸發(fā)信號，通過過零觸發(fā)電路驅(qū)動雙向可控硅，從而加熱熱處理爐。另外，智能控制器還包括與上位機(jī)的通訊接口，硬件看門狗電路，下位機(jī)數(shù)據(jù)保存電路，故障檢測電路，數(shù)碼顯示電路以及各種電源等。智能模糊控制器的硬件框圖如圖8.6所示。3、智能模糊控制器軟、硬件設(shè)計圖8.6智能模糊控制器硬件框圖圖8.6智能模糊控制器硬件框圖

下位機(jī)智能模糊控制器程序的主要流程是：利用定時器中斷，產(chǎn)生控制周期，控制周期一到，程序則轉(zhuǎn)入控制模塊，調(diào)A/D轉(zhuǎn)換模塊及分度表模塊得到爐溫的反饋信號，根據(jù)給定值和控制算法得到控制量，經(jīng)HSO輸出口輸出脈沖信號控制過零觸發(fā)器。下位機(jī)的啟動、停止及復(fù)位等命令和給定值手工設(shè)定利用外部中斷產(chǎn)生，有外部中斷則調(diào)外部中斷服務(wù)程序確定下位機(jī)控制面板命令狀態(tài)；上位機(jī)的命令是通過串行口中斷到通訊模塊的。程序框圖如圖8.7所示。下位機(jī)智能模糊控制器程序的主要流程是：圖8.7

智能模糊控制器程序流程圖(a)主程序流程圖(b)控制算法流程圖圖8.7智能模糊控制器程序流程圖(a)主程序流程圖4、規(guī)則自尋優(yōu)模糊控制算法研究模糊控制是智能控制中的一大分支，它具有以下特點：它是一種非線性控制方法，工作范圍寬，適用范圍廣，特別適合于非線性系統(tǒng)的控制；它不依賴于對象的數(shù)學(xué)模型，對無法建?；蚝茈y建模的復(fù)雜對象，也能利用人的經(jīng)驗知識來設(shè)計模糊控制器，完成控制任務(wù)。而傳統(tǒng)的控制方法都要已知被控對象的數(shù)學(xué)模型，才能設(shè)計控制器；它具有內(nèi)在的并行處理機(jī)制，表現(xiàn)出極強(qiáng)的魯棒性，對被控對象的特性變化不敏感，模糊控制器的設(shè)計參數(shù)容易選擇調(diào)整；算法簡單，執(zhí)行快，容易實現(xiàn)；不需要很多的控制理論知識，容易普及推廣。4、規(guī)則自尋優(yōu)模糊控制算法研究本系統(tǒng)的對象熱處理加熱爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，用基于精確數(shù)學(xué)模型的常規(guī)控制難以保證加熱工藝曲線要求。為此，我們選用模糊控制算法中的規(guī)則自尋優(yōu)算法。

算法的基本原理如下：我們采用解析表達(dá)式描述的控制規(guī)則，它簡單方便，易于處理。二維控制規(guī)則自尋優(yōu)算法可以用解析表達(dá)式概括為：本系統(tǒng)的對象熱處理加熱爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，式中：α為修正因子。控制作用取決于偏差及偏差變化率，當(dāng)α取不同值時，對偏差及偏差變化率的權(quán)重不同，則控制規(guī)則不同。當(dāng)α較大時，表明控制規(guī)則對偏差重視程度高，而對偏差變化率的加權(quán)小，因此超調(diào)大，振蕩幅度大；當(dāng)α較小時，對誤差的重視程度較低，超調(diào)較小，振蕩幅度也較小，穩(wěn)定性好。式中：α為修正因子?？刂谱饔萌Q于偏差及偏差變化率，當(dāng)α取可以通過改變α的大小調(diào)整控制規(guī)則?？刂葡到y(tǒng)在不同的狀態(tài)下，對控制規(guī)則中誤差與誤差變化率的加權(quán)程度應(yīng)有不同的要求。如誤差較大時，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是消除偏差，此時對誤差的加權(quán)應(yīng)該大些；當(dāng)誤差小時，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，減小超調(diào)，此時要求在控制規(guī)則中誤差變化率的加權(quán)大些。只有根據(jù)不同的狀態(tài)來選用不同的修正因子，才能更加真實地體現(xiàn)人的控制經(jīng)驗。同時，為了獲得好的控制性能，就要求α值在控制過程中可在線調(diào)整?？梢酝ㄟ^改變α的大小調(diào)整控制規(guī)則?？刂葡到y(tǒng)在不同的狀態(tài)為了得到好的控制性能，就要求值在控制過程中可調(diào)整，即控制規(guī)則可在控制過程中在線修正。我們采用運籌學(xué)中的“優(yōu)選法”對進(jìn)行在線修正，如下式所示：

本系統(tǒng)控制原理圖如圖8.8所示。為了得到好的控制性能，就要求值在控制過程中可調(diào)整，即控圖8.8熱處理加熱爐智能模糊控制系統(tǒng)原理圖圖8.8熱處理加熱爐智能模糊控制系統(tǒng)原理圖5、上位機(jī)軟、硬件設(shè)計本系統(tǒng)上位機(jī)采用586工控機(jī)，利用DEPLPHI高級編程語言在Windows98下進(jìn)行控制程序開發(fā)。它主要用來向下位機(jī)發(fā)布監(jiān)控命令，接收現(xiàn)場控制器發(fā)回的反饋信息，完成記錄、統(tǒng)計、保存、打印等管理工作。它的組成部分包括各種界面設(shè)計，數(shù)據(jù)庫管理，與下位機(jī)通訊程序的設(shè)計，溫度設(shè)定計算等。5、上位機(jī)軟、硬件設(shè)計

上位機(jī)操作界面包括以下部分：

啟動界面：要求輸入口令，口令正確則進(jìn)入主界面，口令錯誤3次以后退出系統(tǒng)。主界面：有爐號選擇、設(shè)定曲線與實際曲線的顯示、數(shù)據(jù)表格、各爐號的狀態(tài)顯示，以及有實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)查詢、開始運行、停止本爐、查看報表、打印報表、密碼管理、退出系統(tǒng)等控制按鈕。上位機(jī)操作界面包括以下部分：系統(tǒng)上位機(jī)與下位機(jī)智能模糊控制器的通信采用RS-485通信方式，上、下位機(jī)是主從式通訊，主機(jī)是工控機(jī)，從機(jī)是各爐的智能控制器。主機(jī)單獨呼叫選通從機(jī)，但從機(jī)不能單獨呼叫主機(jī)。上位機(jī)可以隨時將命令、數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)，而下位機(jī)要給上位機(jī)發(fā)送命令、數(shù)據(jù)則必須等上位機(jī)給下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)用命令才能進(jìn)行。系統(tǒng)上位機(jī)與下位機(jī)智能模糊控制器的通信采用RS-4856、系統(tǒng)運行結(jié)果

本系統(tǒng)在現(xiàn)場調(diào)試過程中，出現(xiàn)了以下三個方面的問題：

（1）掉電保護(hù)系統(tǒng)在運行過程中，當(dāng)某加熱爐處于工作狀態(tài)時，由于某種原因(人為的或故障引起的)，使本爐未做完就停止了工作。要想使本爐繼續(xù)做完，必須重新啟動系統(tǒng)，重新設(shè)定參數(shù)，而不是按原來的曲線進(jìn)行熱處理。這樣就不能將本爐熱處理加熱曲線完整地保存下來。為解決此問題，本系統(tǒng)增加了掉電保護(hù)功能。即將系統(tǒng)因故障停止工作時刻點的參數(shù)保存下來。系統(tǒng)恢復(fù)后又從此時刻點開始工作。這樣保證了熱處理曲線的完整性。6、系統(tǒng)運行結(jié)果

（2）

電源抗干擾系統(tǒng)開始設(shè)計時對電源的干擾抵抗能力差，系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，上、下位機(jī)通信故障率高，放大電路不穩(wěn)定等問題。解決此問題的方法是，在電路中增加防高頻干擾措施的濾波電路，在系統(tǒng)電源的輸入端增加電器保護(hù)神。（3）死循環(huán)或程序“亂飛”的處理系統(tǒng)在運行過程中，有時由于某種噪聲干擾的影響，程序會出現(xiàn)死循環(huán)現(xiàn)象，或者出現(xiàn)“亂飛”現(xiàn)象，從而影響系統(tǒng)的正常工作。我們通過采用對程序進(jìn)行時間監(jiān)視的辦法及時發(fā)現(xiàn)。對程序進(jìn)行時間監(jiān)視可以采用單片機(jī)內(nèi)部監(jiān)視定時器和外接監(jiān)視定時器。（2）電源抗干擾本系統(tǒng)在現(xiàn)場運行后，各項指標(biāo)都達(dá)到了用戶的要求，圖8.9是其中一臺加熱爐的加熱曲線。圖中曲線1為溫度設(shè)定曲線，曲線2為實際溫度曲線。從圖中可以看出，曲線的跟蹤性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，超調(diào)小。

本系統(tǒng)在現(xiàn)場運行后，各項指標(biāo)都達(dá)到了用戶的要求，圖8.圖8.9某加熱爐加熱曲線圖8.9某加熱爐加熱曲線7、結(jié)論本文所設(shè)計的熱處理加熱爐智能模糊控制系統(tǒng)采用兩級計算機(jī)控制，控制對象是熱處理加熱爐，它是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，基于精確數(shù)學(xué)模型的常規(guī)控制難以保證加熱工藝曲線要求，用智能模糊控制可以達(dá)到較好的控制效果。本系統(tǒng)的控制算法采用控制規(guī)則自修正模糊算法。7、結(jié)論運行結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：系統(tǒng)的控制方案合理，跟蹤性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，超調(diào)量小。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，工作可靠性較高。系統(tǒng)控制功能強(qiáng)，控制效果好?？刂扑惴ㄏ冗M(jìn)，具有自學(xué)習(xí)功能，系統(tǒng)控制參數(shù)可自動趨于最優(yōu)。人機(jī)界面友好，操作人員操作方便。該系統(tǒng)是較完善的智能控制系統(tǒng)。返回運行結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：返回第八章結(jié)束第八章結(jié)束計算機(jī)控制技術(shù)

ComputerControlledSystem中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院袁艷Monday,December19,2022計算機(jī)控制技術(shù)

ComputerControlledSy計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計，既是一個理論問題，又是一個工程問題。計算機(jī)控制系統(tǒng)的工程設(shè)計，不僅要求掌握生產(chǎn)過程和工藝要求，而且要通曉自動檢測技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、微電子技術(shù)甚至控制室規(guī)劃布置等。通常涉及總體方案設(shè)計，體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)備選型定貨，系統(tǒng)安裝調(diào)試，工程驗收和交付使用等具體工作。本章介紹計算機(jī)控制系統(tǒng)工程設(shè)計的原則、方法及系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)，并提供了一個典型設(shè)計實例。計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計，既是一個理論問題，又是一個工程問第八章計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)8.1系統(tǒng)設(shè)計的原則與步驟8.2系統(tǒng)的工程設(shè)計與實現(xiàn)8.3計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計舉例8.4熱處理加熱爐智能模糊控制系統(tǒng)第八章計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)8.1系統(tǒng)設(shè)計的原則與步驟8.1系統(tǒng)設(shè)計的原則與步驟返回盡管計算機(jī)控制系統(tǒng)的生產(chǎn)過程多種多樣，系統(tǒng)的設(shè)計方案和具體的技術(shù)指標(biāo)也是千變?nèi)f化，但在計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)過程中，有共性的設(shè)計原則與步驟。

8.1.1系統(tǒng)設(shè)計的原則

8.1.2系統(tǒng)設(shè)計的步驟8.1系統(tǒng)設(shè)計的原則與步驟返回盡管計算機(jī)控制系統(tǒng)的生產(chǎn)8.1.1系統(tǒng)設(shè)計的原則1、安全可靠在工業(yè)控制計算機(jī)系統(tǒng)中，可靠性指標(biāo)一般用系統(tǒng)的平均維修時間MTTR(Mean-Time-To-Repair)來表示或平均無故障時間(Mean-Time-Before-Failure)。MTTR表示系統(tǒng)每次出現(xiàn)故障后所需維修時間的平均值。它表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障后立即恢復(fù)工作的能力。8.1.1系統(tǒng)設(shè)計的原則1、安全可靠

措施：選用高性能的工業(yè)控制計算機(jī)（保證在惡劣的工業(yè)環(huán)境下能正常運行）；設(shè)計可靠的控制方案，具備各種安全保護(hù)措施；設(shè)計后備裝置，主要功能分散，可采用DCS或FCS等。對于一般的控制回路，選用手動操作作為后備。對于較重要的控制場合，常采用雙機(jī)系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)的核心控制器，措施：

一般的方式有：⑴備份工作方式即一臺投入運行，另一臺作為系統(tǒng)的備份機(jī)。當(dāng)投入運行的微機(jī)出現(xiàn)故障時，由專用切換裝置將備份機(jī)自動投入，接替出故障的主機(jī)，使系統(tǒng)照常運行；出現(xiàn)故障的微機(jī)修復(fù)后，則作為備份機(jī)使用。

⑵主從工作方式即兩臺微機(jī)同時投入運行。一臺擔(dān)任主要工作，另一臺擔(dān)任從屬工作。當(dāng)擔(dān)任主要工作的主機(jī)發(fā)生故障時，由擔(dān)任從屬工作的從屬機(jī)接替主機(jī)的工作，保證系統(tǒng)的繼續(xù)運行。一般的方式有：⑶雙工工作方式

在這種系統(tǒng)中，兩臺主機(jī)同時投入系統(tǒng)運行，在如何一個時刻，都同步執(zhí)行同一個任務(wù)，并將結(jié)果送到一個專門的裝置進(jìn)行核對。如兩臺機(jī)器輸出結(jié)果相符，說明兩臺主機(jī)都正常，允許將結(jié)果輸出到被控對象或設(shè)備；如結(jié)果不符，封鎖輸出，如經(jīng)幾次核對后結(jié)果仍不符，則說明其中一臺發(fā)生故障。這時調(diào)用診斷程序確定故障所在機(jī)器，并將其換下，讓另一臺主機(jī)繼續(xù)完成執(zhí)行控制任務(wù)。⑶雙工工作方式⑷分布式控制方案其實質(zhì)是智能控制單元分別控制各被控對象，由上一級計算機(jī)進(jìn)行監(jiān)視和管理。當(dāng)某一臺智能控制單元出現(xiàn)故障時，它的控制任務(wù)可由上位機(jī)來承擔(dān)；如上位機(jī)出現(xiàn)故障，則各智能控制單元仍可維持對各被控對象的控制，所以大大提高了整個系統(tǒng)的可靠性。⑷分布式控制方案2、系統(tǒng)操作性能好操作性能好包括使用方便和維修容易兩個含義。操作方便表現(xiàn)在操作簡單、直觀形象、便于掌握，并不強(qiáng)求操作工要掌握計算機(jī)知識才能操作。既要體現(xiàn)操作的先進(jìn)性，又要兼顧原有的操作習(xí)慣。維修方便體現(xiàn)在易于查找故障，易于排除故障。采用標(biāo)準(zhǔn)的功能模板式結(jié)構(gòu)，便于更換故障模板。并在功能模板上安裝工作狀態(tài)指示燈和檢測點，便于維修人員檢查，另外配置診斷程序，用來查找故障。2、系統(tǒng)操作性能好3、實時性強(qiáng)工業(yè)控制機(jī)的實時性，表現(xiàn)在對內(nèi)部和外部事件能及時地響應(yīng)，并作出相應(yīng)的處理，不丟失信息，不延誤操作。對于定時事件如數(shù)據(jù)的定時采集，運算控制等，系統(tǒng)設(shè)置時鐘，保證定時處理。對于隨機(jī)事件如事故、報警等，系統(tǒng)設(shè)置中斷，并根據(jù)故障的輕重緩急，預(yù)先分配中斷級別，一旦事故發(fā)生，保證優(yōu)先處理緊急故障。3、實時性強(qiáng)4、通用性好，便于擴(kuò)充計算機(jī)控制的對象千變?nèi)f化，一個工業(yè)控制系統(tǒng)一般可同時控制多臺設(shè)備或控制對象。系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮能適應(yīng)不同的設(shè)備和不同的控制對象。系統(tǒng)設(shè)計時，各設(shè)計指標(biāo)要留有一定的余量，為日后系統(tǒng)的擴(kuò)充創(chuàng)造有利的條件。如CPU的工作速度、電源功率、內(nèi)存容量、輸入輸出通道數(shù)等指標(biāo)，均應(yīng)留有一定余量。4、通用性好，便于擴(kuò)充工業(yè)控制機(jī)的通用靈活性體現(xiàn)在兩方面：硬件模板設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，配置各種通用的功能模板，以便再擴(kuò)充功能，只需增加功能模板就能實現(xiàn)；軟件模塊或控制算法采用標(biāo)準(zhǔn)模塊結(jié)構(gòu)，用戶使用時不需要二次開發(fā)，只需按要求選擇各種功能模塊，靈活地進(jìn)行控制系統(tǒng)組態(tài)。工業(yè)控制機(jī)的通用靈活性體現(xiàn)在兩方面：5、經(jīng)濟(jì)效益高計算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)該帶來高的經(jīng)濟(jì)效益，系統(tǒng)設(shè)計時要考慮性能價格比，要有市場競爭意識。經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)在：一是系統(tǒng)設(shè)計的性能價格比要盡可能的高；二是投入產(chǎn)出比要盡可能地低。返回5、經(jīng)濟(jì)效益高返回8.1.2系統(tǒng)設(shè)計的步驟1、工程設(shè)計的確定確定工程項目與控制任務(wù)一般由甲、乙共同工作來實現(xiàn)。所謂甲方，就是任務(wù)的委托方；乙方是系統(tǒng)工程項目的承接方。8.1.2系統(tǒng)設(shè)計的步驟1、工程設(shè)計的確定第8章-計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)-計算機(jī)控制技術(shù)-課件-(1)甲方提出任務(wù)委托書在委托乙方承接系統(tǒng)工程項目前，甲方一定要提供正式的書面任務(wù)該委托書要明確的系統(tǒng)技術(shù)性能指標(biāo)要求，還要包含經(jīng)費、計劃進(jìn)度、合作方式等內(nèi)容。(1)甲方提出任務(wù)委托書

(2)乙方研究任務(wù)委托書乙方在接到任務(wù)委托書后要認(rèn)真閱讀，并逐步進(jìn)行研究。對含糊不清、認(rèn)識上有分歧和需補(bǔ)充或刪節(jié)的地方要逐條標(biāo)出，并擬定出要進(jìn)一步弄清的問題及修改意見。(3)雙方對委托書進(jìn)行確認(rèn)性修改在乙方對委托書進(jìn)行了認(rèn)真研究之后，雙方應(yīng)就委托書的確認(rèn)或修改事宜進(jìn)行協(xié)商和討論。(2)乙方研究任務(wù)委托書為避免因行業(yè)和專業(yè)不同所帶來的局限性，在討論時應(yīng)有各方面有經(jīng)驗的人員參加。經(jīng)過確認(rèn)或修改過的委托書中不應(yīng)有含義不清的的詞匯和條款，而且雙方的任務(wù)和技術(shù)界面必須劃分清楚。(4)乙方初步進(jìn)行系統(tǒng)總體方案設(shè)計由于任務(wù)和經(jīng)費沒有落實，所以這時總體方案的設(shè)計只能是粗線條的。在條件允許的情況下，應(yīng)多做幾個方案以便比較。這些方案應(yīng)在“粗線條”的前提下，盡量詳細(xì)，其把握的尺度是能清楚地反映出三大關(guān)鍵問題：技術(shù)難點，經(jīng)費概算，工期。為避免因行業(yè)和專業(yè)不同所帶來的局限性，在討論時應(yīng)有各方(5)乙方進(jìn)行方案可行性論證方案可行性論證的目的是要估計承接該項任務(wù)的把握性，并為簽訂合同后的設(shè)計工作打下基礎(chǔ)。論證的主要內(nèi)容是：技術(shù)可行性；經(jīng)費可行性；進(jìn)度可行性。特別要指出，對控制項目尤其是對可測性和可控性應(yīng)給予充分重視。(6)簽訂合同書合同書是雙方達(dá)成一致意見的結(jié)果，也是雙方合作的依據(jù)和憑證。合同書應(yīng)包含如下內(nèi)容：經(jīng)過雙方修改和認(rèn)可的甲方“任務(wù)委托書”的全部內(nèi)容，雙方的任務(wù)劃分和各自應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任，合作方式，付款方式，進(jìn)度和計劃安排，驗收方式及條件，成果歸屬及違約的解決辦法。(5)乙方進(jìn)行方案可行性論證2、工程項目的設(shè)計(1)組建項目研制小組為了完成系統(tǒng)設(shè)計，應(yīng)首先把項目組成員確定下來。這個項目組成應(yīng)由懂得計算機(jī)硬件、軟件和有控制經(jīng)驗的技術(shù)人員組成，還要明確分工和相互的協(xié)調(diào)合作關(guān)系。

(2)形成總體方案系統(tǒng)總體方案包括硬件總體方案和軟件總體方案。硬件和軟件的設(shè)計是互相有機(jī)聯(lián)系的。因此，在設(shè)計時要經(jīng)過多次的協(xié)調(diào)和反復(fù)，最后才能形成硬件和軟件的方塊圖，并建立說明文檔，包括控制策略和控制算法的確定等。2、工程項目的設(shè)計

(3)方案論證與評審

方案論證與評審是對系統(tǒng)設(shè)計方案的把關(guān)和最終裁定。評審后確定的方案是進(jìn)行具體設(shè)計和工程實施的依據(jù)，因此應(yīng)邀請有關(guān)專家、主管領(lǐng)導(dǎo)及甲方代表參加。評審后應(yīng)重新修改總體方案，評審過的方案設(shè)計應(yīng)該作為正式文件存檔，原則上不應(yīng)再作大的改動。(4)硬件和軟件的分別細(xì)化設(shè)計

此步驟只能在總體方案評審后進(jìn)行。所謂細(xì)化設(shè)計就是將方塊圖中的方塊劃到最低層，然后進(jìn)行底層塊內(nèi)的結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計。對于硬件設(shè)計來說，就是選購模板以及設(shè)計制作專用模板；對軟件設(shè)計來說，就是將一個個模塊編成一條條的程序。(3)方案論證與評審(5)硬件和軟件的分別調(diào)試實際上，硬件、軟件的設(shè)計中都需邊設(shè)計邊調(diào)試邊修改。往往要經(jīng)過幾個反復(fù)過程才能完成。(6)系統(tǒng)的組裝硬件細(xì)化設(shè)計和軟件細(xì)化設(shè)計后，分別進(jìn)行調(diào)試。之后就可進(jìn)行系統(tǒng)的組裝，組裝是離線仿真和調(diào)試階段的前提和必要條件。(5)硬件和軟件的分別調(diào)試3、項目仿真和調(diào)試(1)離線仿真和調(diào)試離線仿真和調(diào)試階段的流程如圖所示。所謂離線仿真和調(diào)試是指在實驗室而不是在工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行的仿真和調(diào)試。離線仿真和調(diào)試試驗后，還要進(jìn)行考機(jī)運行?？紮C(jī)的目的是要在連續(xù)不停機(jī)的運行中暴露問題和解決問題。3、項目仿真和調(diào)試所謂離線仿真和調(diào)試是指在實驗室而不是在工業(yè)（2）在線調(diào)試和運行系統(tǒng)離線仿真和調(diào)試后便可進(jìn)行在線調(diào)試和運行。在線調(diào)試和運行就是將系統(tǒng)和生產(chǎn)過程連接在一起，進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試和運行。盡管離線仿真和調(diào)試工作非常認(rèn)真、仔細(xì)，現(xiàn)場調(diào)試和運行仍可能出現(xiàn)問題，因此必須認(rèn)真分析加以解決。系統(tǒng)運行正常后，再調(diào)試一段時間，即可組織驗收。驗收是系統(tǒng)項目最終完成的標(biāo)志，應(yīng)由甲方主持乙方參加，雙方協(xié)同辦理。驗收完畢應(yīng)形成驗收文件存檔。（2）在線調(diào)試和運行整個過程如圖所示?，F(xiàn)場安裝調(diào)試試運行驗收結(jié)束返回整個過程如圖所示。現(xiàn)場安裝調(diào)試試運行驗收結(jié)束返回8.2系統(tǒng)的工程設(shè)計與實現(xiàn)返回作為一個計算機(jī)控制系統(tǒng)工程項目，在研制過程這應(yīng)該經(jīng)過那些步驟，應(yīng)該怎樣有條不紊地保證工程順利進(jìn)行，這是需要認(rèn)真考慮的。

8.2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計

8.2.2硬件的工程設(shè)計與實現(xiàn)

8.2.3軟件的工程設(shè)計與實現(xiàn)

8.2.4系統(tǒng)的調(diào)試與運行8.2系統(tǒng)的工程設(shè)計與實現(xiàn)返回作為一個計算機(jī)控制系統(tǒng)工8.2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計總體設(shè)計就是要了解控制對象、熟悉控制要求，確定總的技術(shù)性能指標(biāo)，確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式及控制裝置與現(xiàn)場設(shè)備的選擇，以及控制規(guī)律算法和其它特殊功能要求。包括：硬件總體方案設(shè)計：確定系統(tǒng)任務(wù)與控制方案；確定系統(tǒng)的構(gòu)成方