計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)本章主要介紹計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計的原則與步驟、計算機(jī)控制系統(tǒng)的工程設(shè)計與實(shí)現(xiàn)、計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計舉例。第2頁,共68頁，2024年2月25日，星期天9.1系統(tǒng)設(shè)計的原則與步驟9.1.1系統(tǒng)設(shè)計的原則

9.1.2系統(tǒng)設(shè)計的步驟第3頁,共68頁，2024年2月25日，星期天9.1.1系統(tǒng)設(shè)計的原則1.滿足工藝要求2.安全可靠3．使用維護(hù)方便4．實(shí)時性5．通用性和擴(kuò)展性好6．經(jīng)濟(jì)合理7．保密性好第4頁,共68頁，2024年2月25日，星期天9.1.2系統(tǒng)設(shè)計的步驟1.工程頂目與控制任務(wù)的確定階段

2.工程項目的設(shè)計階段

3.離線仿真和調(diào)試階段

4.在線調(diào)試和運(yùn)行階段第5頁,共68頁，2024年2月25日，星期天1.工程頂目與控制任務(wù)的確定階段甲方提出任務(wù)委托書乙方研究任務(wù)委托書雙方共同對委托書進(jìn)行確認(rèn)性修改乙方初步進(jìn)行系統(tǒng)總體方案設(shè)計乙方進(jìn)行方案可行性研究簽訂合同書第6頁,共68頁，2024年2月25日，星期天2.工程頂目的設(shè)計階段組建項目研制小組系統(tǒng)總體方案的設(shè)計方案論證與評審硬件和軟件的細(xì)化設(shè)計硬件和軟件的調(diào)試系統(tǒng)的組裝第7頁,共68頁，2024年2月25日，星期天3.離線仿真和調(diào)試階段

所謂離線仿真和調(diào)試是指在實(shí)驗(yàn)室而不是在工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行的仿真。離線仿真和調(diào)試試驗(yàn)后，好要進(jìn)行考機(jī)運(yùn)行，目的是要在連續(xù)不停機(jī)的運(yùn)行中暴露問題和解決問題。第8頁,共68頁，2024年2月25日，星期天4.在線調(diào)試和運(yùn)行階段

所謂在線調(diào)試和運(yùn)行是指將系統(tǒng)和生產(chǎn)過程連接在一起，進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試和運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行正常后，再試運(yùn)行一段時間，即可組織驗(yàn)收。第9頁,共68頁，2024年2月25日，星期天9.2系統(tǒng)的工程設(shè)計與實(shí)現(xiàn)9.2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計9.2.2硬件的工程設(shè)計與實(shí)現(xiàn)9.2.3軟件的工程設(shè)計與實(shí)現(xiàn)9.2.4系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行第10頁,共68頁，2024年2月25日，星期天9.2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計1.硬件總體方案設(shè)計

2.軟件總體方案設(shè)計

3.系統(tǒng)總體方案第11頁,共68頁，2024年2月25日，星期天1.

硬件總體方案設(shè)計

（1）確定計算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和類型確定操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制(DDC)系統(tǒng)、監(jiān)督計算機(jī)控制(SCC)系統(tǒng)、分級控制系統(tǒng)、分散型控制系統(tǒng)(DCS)還是工業(yè)測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。（2）確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式優(yōu)先選擇工業(yè)控制機(jī)來構(gòu)成系統(tǒng)。第12頁,共68頁，2024年2月25日，星期天（3）分時控制方式選擇

一臺微機(jī)DDC系統(tǒng)有時要控制多個回路。在每個回路均要完成采樣、決策與輸出控制三項工作，而這些工作是分時完成的。因此，微機(jī)控制系統(tǒng)常采用分時控制的方法，即將某一回路的采樣和A/D轉(zhuǎn)換、運(yùn)算、輸出三部分時間與其前后回路錯開。第13頁,共68頁，2024年2月25日，星期天（4）系統(tǒng)現(xiàn)有資源的分配和接口擴(kuò)展

在設(shè)計系統(tǒng)時，首先考慮計算機(jī)自身固有的硬件資源。包括：內(nèi)存單元、定時/計算單元、輸入輸出接口、通信單元等。如果現(xiàn)有硬件資源不夠用，就需要擴(kuò)展接口。第14頁,共68頁，2024年2月25日，星期天（5）人機(jī)接口設(shè)計

要設(shè)計一組操作人員專用的控制臺，便于操作人員操作?？刂婆_一般包括：數(shù)據(jù)輸入鍵，用于輸入或更新給定值、參數(shù)等；功能鍵或轉(zhuǎn)換開關(guān)，用于操作系統(tǒng)；顯示裝置，用于實(shí)時觀察系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；急停按鈕，用于處理意外事故。第15頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

（6）現(xiàn)場設(shè)備選擇正確選擇傳感器、變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。（7）其他方面的考慮如機(jī)柜或機(jī)箱等結(jié)構(gòu)設(shè)計。第16頁,共68頁，2024年2月25日，星期天2.

軟件總體方案設(shè)計

先畫出總體設(shè)計框圖，然后將大的框圖分解為小的框圖，直到能表達(dá)清楚為止。軟件總體方案還要考慮系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制策略、控制算法等。第17頁,共68頁，2024年2月25日，星期天3.

系統(tǒng)總體方案設(shè)計

將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。

此外，還應(yīng)考慮硬件與軟件的協(xié)調(diào)平衡問題。第18頁,共68頁，2024年2月25日，星期天硬件與軟件的協(xié)調(diào)平衡

在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)充分考慮硬件和軟件的特點(diǎn)，合理地進(jìn)行功能分配。隨著計算機(jī)運(yùn)行速度的不斷提高，盡可能用軟件來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。對于實(shí)際的控制系統(tǒng)，要綜合考慮系統(tǒng)速度、可靠性、抗干擾性能、靈活性、成本等因素，合理分配硬件和軟件的功能。第19頁,共68頁，2024年2月25日，星期天系統(tǒng)的主要功能、技術(shù)指標(biāo)、原理性方框圖及文字說明；控制算法和控制策略；系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及配置，軟件的功能框圖；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)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計；經(jīng)費(fèi)和進(jìn)度計劃的安排。

總體方案要形成文件，內(nèi)容包括：第20頁,共68頁，2024年2月25日，星期天9.2.2硬件的工程設(shè)計與實(shí)現(xiàn)1．選擇系統(tǒng)的總線和主機(jī)機(jī)型2．選擇輸入輸出通道模板3．選擇變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)第21頁,共68頁，2024年2月25日，星期天1．選擇系統(tǒng)的總線和主機(jī)機(jī)型（1）選擇系統(tǒng)總線內(nèi)部總線的選擇（PCI或ISA）外部總線的選擇（USB、RS-232、RS-422、RS-485）采用總線的優(yōu)點(diǎn)：簡化硬件設(shè)計；系統(tǒng)可擴(kuò)充性好；系統(tǒng)更新性能好；第22頁,共68頁，2024年2月25日，星期天1）微型計算機(jī)組成方案選擇采用工業(yè)PC機(jī)采用通用可編程序控制器(PLC)

采用智能調(diào)節(jié)器采用單片機(jī)做控制核心器件采用集散控制系統(tǒng)DCS（2）選擇主機(jī)機(jī)型第23頁,共68頁，2024年2月25日，星期天2）微型計算機(jī)性能指標(biāo)選擇完善的終端系統(tǒng)足夠的存儲容量足夠的數(shù)據(jù)處理能力字長、執(zhí)行速度、指令系統(tǒng)等。第24頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

用工控機(jī)組建控制系統(tǒng)用工控機(jī)組建控制系統(tǒng)時，接口電路選擇內(nèi)容包括：根據(jù)AI、AO點(diǎn)數(shù)、分辨率等選則A/D、D/A板；根據(jù)DI、DO點(diǎn)數(shù)和功率大小等選擇開關(guān)量輸入/輸出板；根據(jù)程序和數(shù)據(jù)量的大小等選擇存貯器板；根據(jù)人機(jī)聯(lián)系方式選擇相應(yīng)的接口扳。根據(jù)需要選擇各種外設(shè)接口板、通信板等。第25頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

用單片微型計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理選擇單片機(jī)種類，進(jìn)行必要的硬件功能擴(kuò)展。由單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)，設(shè)計接口電路是采用一些常用的接口芯片，如：8155、8255、8253和一些譯碼驅(qū)動芯片74LS138、74LS244、74LS245等組成接口電路。第26頁,共68頁，2024年2月25日，星期天2．選擇輸入輸出通道模板（1）數(shù)字量輸入輸出模板TTL電平的DI/DO：用于和工控機(jī)共地裝置的接口或大容量的接口。帶光電隔離的DI/DO：非總線模板或與工控機(jī)不共地裝置的接口。（2）模擬量輸入輸出模板包括A/D、D/A、信號調(diào)理電路等。第27頁,共68頁，2024年2月25日，星期天（1）變送器溫度變送器壓力變送器液位變送器差壓變送器流量變送器（2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣動電動液壓3．現(xiàn)場設(shè)備選擇第28頁,共68頁，2024年2月25日，星期天9.2.3軟件的工程設(shè)計與實(shí)現(xiàn)1．?dāng)?shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃2．資源分配3．實(shí)時控制軟件設(shè)計第29頁,共68頁，2024年2月25日，星期天1．?dāng)?shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃數(shù)據(jù)類型：邏輯型、日期型和數(shù)值型（定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：數(shù)組、結(jié)構(gòu)體、公用體、鏈表2．資源分配包括ROM、RAM、定時器/計數(shù)器、中斷源、I/O地址等，主要是RAM資源的分配。第30頁,共68頁，2024年2月25日，星期天3．實(shí)時控制軟件設(shè)計（1）數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理程序確定輸入點(diǎn)數(shù)、數(shù)字濾波、線性化處理、非線性補(bǔ)償、標(biāo)度變換、越顯報警等。（2）控制算法程序

算法必須滿足控制速度、控制精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求；對設(shè)計算法作適當(dāng)?shù)男薷幕蜓a(bǔ)充；考慮影響系統(tǒng)性能的主要因素。第31頁,共68頁，2024年2月25日，星期天（3）控制量輸出程序（4）實(shí)時時鐘和中斷處理程序（5）數(shù)據(jù)管理程序（6）數(shù)據(jù)通信程序第32頁,共68頁，2024年2月25日，星期天9.2.4系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行1.離線仿真和調(diào)試2.在線調(diào)試和運(yùn)行第33頁,共68頁，2024年2月25日，星期天1.離線仿真和調(diào)試(1)硬件調(diào)試對于各種功能模板，按說明書檢查主要功能。準(zhǔn)備好配套的信號源和測量儀表

A/D、D/A模板要分檔檢查檢查現(xiàn)場儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)檢查通信線路第34頁,共68頁，2024年2月25日，星期天(2)軟件調(diào)試調(diào)試順序：子程序、功能模塊和主程序。調(diào)試方法：簡單程序利用開發(fā)裝置；對處理速度和實(shí)時性要求高的部分利用匯編語言編程調(diào)試；對處理速度和實(shí)時性要求不高的部分利用高級語言編程調(diào)試?？刂葡到y(tǒng)模塊調(diào)試：先開環(huán)檢查后閉環(huán)檢查。運(yùn)算模塊的檢查：用調(diào)試程序進(jìn)行檢查。整機(jī)調(diào)試：先局部后全局，要進(jìn)行考機(jī)和做抗擾實(shí)驗(yàn)。第35頁,共68頁，2024年2月25日，星期天(3)系統(tǒng)仿真全物理仿真：在模擬環(huán)境下的全實(shí)物仿真，對與純數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用該方法。半物理仿真：適用于對控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。數(shù)字仿真（計算機(jī)仿真）：借助于計算機(jī)仿真軟件進(jìn)行仿真。第36頁,共68頁，2024年2月25日，星期天2.在線調(diào)試和運(yùn)行1）校驗(yàn)檢測元件、變送器、顯示儀表、調(diào)節(jié)閥，保證精度；2）檢查接線和導(dǎo)管，保證連接正確；3）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(封液)；4）檢查調(diào)節(jié)閥能否正確工作。5）檢查系統(tǒng)的干擾情況和接地情況6）檢查安全防護(hù)措施第37頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

在現(xiàn)場調(diào)試的過程中，往往會出現(xiàn)錯綜復(fù)雜、時隱時現(xiàn)的奇怪現(xiàn)象，一時難以找到問題的根源。此時設(shè)計者們要認(rèn)真地共同分析，每個人不要輕易懷疑別人所做的分析，以免掩蓋問題的根源所在。第38頁,共68頁，2024年2月25日，星期天9.3設(shè)計舉例

——啤酒發(fā)酵過程計算機(jī)控制系統(tǒng)9.3.1啤酒發(fā)酵工藝及控制要求9.3.2系統(tǒng)總體方案的設(shè)計9.3.3系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計9.3.4系統(tǒng)的安裝調(diào)試運(yùn)行及控制效果

第39頁,共68頁，2024年2月25日，星期天9.3.1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。在二十多天的發(fā)酵期間，根據(jù)酵母的活動能力，生長繁殖快慢，確定發(fā)酵給定溫度曲線，如右圖所示。要使酵母的繁殖和衰減、麥汁中糖度的消耗和雙乙酰等雜質(zhì)含量達(dá)到最佳狀態(tài)，必須嚴(yán)格控制發(fā)酵各階段的溫度，使其在給定溫度的±0.5℃范圍內(nèi)。第40頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第41頁,共68頁，2024年2月25日，星期天2.系統(tǒng)的控制要求(1)系統(tǒng)共有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(麥汁)的高度，共有三十個溫度測量點(diǎn)、10個壓力測量點(diǎn)、10個液位測量點(diǎn)。因此共需檢測50個參數(shù)。第42頁,共68頁，2024年2月25日，星期天(2)自動控制各個發(fā)酵罐中的上中下三段溫度使其按圖9-7所示的工藝曲線運(yùn)行，溫度控制誤差不大于±0.5℃。共有30個控制點(diǎn)。(3)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。(4)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。(5)系統(tǒng)具有表格、圖型、曲線等顯示和打印功能。第43頁,共68頁，2024年2月25日，星期天9.3.2系統(tǒng)總體方案的設(shè)計1.發(fā)酵罐測控點(diǎn)的分布及管線結(jié)構(gòu)第44頁,共68頁，2024年2月25日，星期天2.檢測裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3.控制規(guī)律4.控制系統(tǒng)主機(jī)及過程通道模板5.控制系統(tǒng)的軟件第45頁,共68頁，2024年2月25日，星期天9.3.3系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計1.系統(tǒng)硬件的設(shè)計控制系統(tǒng)的組成框圖。(1)模擬量輸入通道設(shè)計(2)模擬量輸出通道設(shè)計第46頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第47頁,共68頁，2024年2月25日，星期天2.系統(tǒng)軟件的設(shè)計(1)數(shù)據(jù)采集程序(2)數(shù)字濾波程序(3)標(biāo)度變換程序①溫度的標(biāo)度變換②壓力的標(biāo)度變換③液位的標(biāo)度變換(4)給定工藝曲線的實(shí)時插補(bǔ)計算(5)控制算法①PID算式加特殊處理②施密斯（Smith)預(yù)估控制算式(6)其它應(yīng)用程序第48頁,共68頁，2024年2月25日，星期天9.3.4系統(tǒng)的安裝調(diào)試運(yùn)行及控制效果

現(xiàn)場進(jìn)行安裝時，首先在現(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)控制計算機(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(diǎn)校準(zhǔn)，A/D板和D/A板滿度和零點(diǎn)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(yùn)行，并滿足系統(tǒng)的控制要求。第49頁,共68頁，2024年2月25日，星期天9.4設(shè)計舉例

—機(jī)器人計算機(jī)控制系統(tǒng)9.4.1PUMA560機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理9.4.2機(jī)器人運(yùn)動學(xué)方程9.4.3機(jī)器人動力學(xué)方程9.5.4機(jī)器人手臂的獨(dú)立關(guān)節(jié)位置伺服控制第50頁,共68頁，2024年2月25日，星期天9.4.1PUMA560機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理第51頁,共68頁，2024年2月25日，星期天9.4.2機(jī)器人運(yùn)動學(xué)方程1.機(jī)器人正運(yùn)動學(xué)2.機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)第52頁,共68頁，2024年2月25日，星期天9.4.3機(jī)器人動力學(xué)方程

機(jī)器人動力學(xué)可通過Euler-Lagrange方程來描述。和分別為系統(tǒng)的6個關(guān)節(jié)的角位移和角速度向量，為作用于6個關(guān)節(jié)的外力矩向量。第53頁,共68頁，2024年2月25日，星期天9.4.4機(jī)器人手臂的獨(dú)立關(guān)節(jié)位置伺服控制1.位置控制的基本結(jié)構(gòu)機(jī)器人的位置控制是機(jī)器人最基本的控制任務(wù)。機(jī)器人的位置控制結(jié)構(gòu)主要有兩種形式，即關(guān)節(jié)空間控制結(jié)構(gòu)和直角坐標(biāo)空間控制結(jié)構(gòu)，分別如圖a)和圖b)所示。第54頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第55頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第56頁,共68頁，2024年2月25日，星期天2.PUMA560機(jī)器人的關(guān)節(jié)位置伺服控制第57頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

本系統(tǒng)控制對象為燃油加熱爐，加熱爐以重油為燃料，熱風(fēng)為助燃空氣。主控制回路為爐膛溫度閉環(huán)控制回路，被控量是爐膛溫度，當(dāng)由于某種原因（如添加新工件）使?fàn)t膛溫度發(fā)生變化時，通過熱電偶檢測出實(shí)際爐溫后，與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，對得出的偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，得到需要的調(diào)節(jié)量，以此控制燃料和風(fēng)量的進(jìn)給，穩(wěn)態(tài)后達(dá)到溫度平衡。

補(bǔ)充：燃油加熱爐溫度控制系統(tǒng)

（一）明確控制任務(wù)第58頁,共68頁，2024年2月25日，星期天1）為克服較大擾動或大幅度調(diào)節(jié)油、風(fēng)給定值時的系統(tǒng)超調(diào)及波動，應(yīng)采取積分分離算法，并限制油、風(fēng)流量的時間變化率，以延長爐齡，并使工件受熱均勻；

2）為消除系統(tǒng)殘差，應(yīng)消除積分不靈敏區(qū)；

3）為保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)在線性范圍內(nèi)工作，應(yīng)對控制量進(jìn)行上、下限限幅；

4）為使系統(tǒng)保持穩(wěn)定，應(yīng)限制調(diào)節(jié)閥的動作頻率(允許爐溫偏差±8℃)。

按照鍋爐運(yùn)行的工藝特點(diǎn)，設(shè)計時應(yīng)考慮到：第59頁,共68頁，2024年2月25日，星期天（二）總體方案設(shè)計

l．控制系統(tǒng)組成重油溫度檢測重油壓力檢測熱風(fēng)壓力檢測熱風(fēng)溫度檢測重油流量檢測熱風(fēng)流量檢測熱風(fēng)流量調(diào)節(jié)重油流量調(diào)節(jié)爐溫檢測爐壓檢測煙含氧量檢測第60頁,共68頁，2024年2月25日，星期天燃燒控制原理溫度偏差調(diào)節(jié)量空燃比第61頁,共68頁，2024年2月25日，星期天2．微機(jī)選擇本控制系統(tǒng)采用了研華工業(yè)PC機(jī)—IPC610，外圍設(shè)備有彩色顯示器、打印機(jī)、鍵盤、交流穩(wěn)壓電源和不間斷電源等。由于PC總線工控機(jī)有豐富的接口板和功能強(qiáng)大的組態(tài)軟件，可以大大縮短設(shè)計周期，且控制系統(tǒng)有較高的性能價格比。

第62頁,共68頁，2024年2月25日，星期天3.現(xiàn)場設(shè)備選擇檢測元件：爐溫?zé)犭娕肌⒂蜏?、風(fēng)溫?zé)犭娮琛⒂土繙u街流量計、風(fēng)量差壓變送器、油和風(fēng)管及爐壓的壓力變送器、煙含氧量檢測氧化鋯傳感器等。執(zhí)行元件：進(jìn)油量電動調(diào)節(jié)閥、風(fēng)量電動調(diào)節(jié)閥。第63頁,共68頁，2024年2月25日，