计算机控制系统设计与实现.ppt

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1、9.1 微机控制系统设计的一般步骤微机控制系统设计的一般步骤9.2 微机温度控制系统设计微机温度控制系统设计9.3 模糊电冰箱系统设计模糊电冰箱系统设计第九章第九章 微机控制系统设计微机控制系统设计1.1.满足工艺要求满足工艺要求2.2.安全可靠安全可靠3 3使用维护方便使用维护方便 4 4实时性实时性5 5通用性和扩展性好通用性和扩展性好6 6经济合理经济合理 7 7保密性好保密性好 一、微机控制系统的设计原则一、微机控制系统的设计原则 9.1 微机控制系统设计的一般步骤微机控制系统设计的一般步骤 计算机控制系统的设计可分为：总体方案计算机控制系统的设计可分为：总体方案设计、工控机选择、现场

2、设备选择、接口电路设计、工控机选择、现场设备选择、接口电路设计、软件设计、系统调试几个阶段。设计、软件设计、系统调试几个阶段。二、二、控制系统设计的一般步骤控制系统设计的一般步骤1.确定控制任务确定控制任务（1）任务确定阶段）任务确定阶段v甲方提出任务委托书甲方提出任务委托书 v乙方研究任务委托书乙方研究任务委托书 v双方共同对委托书进行确认性修改双方共同对委托书进行确认性修改 v乙方进行系统总体方案设计和可行性研究乙方进行系统总体方案设计和可行性研究 v签订合同书签订合同书（一）系统总体方案设计（一）系统总体方案设计（2）系统总体方案设计）系统总体方案设计 系统开环还是闭环、有哪些物理量需要

3、检系统开环还是闭环、有哪些物理量需要检测、传感器的精度如何、有哪些物理量需要控测、传感器的精度如何、有哪些物理量需要控制，采用什么执行机构等等，其次是确定计算制，采用什么执行机构等等，其次是确定计算机控制系统的结构类型：是操作指导控制系统、机控制系统的结构类型：是操作指导控制系统、直接数字控制直接数字控制(DDC)系统、监督计算机控制系统、监督计算机控制(SCC)系统、分级控制系统、分散型控制系统系统、分级控制系统、分散型控制系统(DCS)还是工业测控网络系统等还是工业测控网络系统等 系系统统的的主主要要功功能能、技技术术指指标标、原原理理性性方方框框图图及及文文字说明；字说明；控制算法；控制

4、算法；系统的硬件结构及配置，软件的功能框图；系统的硬件结构及配置，软件的功能框图；保证性能指标要求的技术措施；保证性能指标要求的技术措施；抗干扰和可靠性设计；抗干扰和可靠性设计；机柜的结构设计；机柜的结构设计；经费和进度计划的安排；经费和进度计划的安排；总体方案要形成文件，内容包括：总体方案要形成文件，内容包括：2.分时控制方式选择分时控制方式选择 一台微机一台微机DDC系统有时要控制多个回路。在系统有时要控制多个回路。在每个回路均要完成采样、决策与输出控制三项每个回路均要完成采样、决策与输出控制三项工作，而这些工作是分时完成的。因此，微机工作，而这些工作是分时完成的。因此，微机控制系统常采用

5、分时控制的方法，即将某一回控制系统常采用分时控制的方法，即将某一回路的采样和路的采样和A/D转换、运算、输出三部分时间转换、运算、输出三部分时间与其前后回路错开，至于不同的控制时间里。与其前后回路错开，至于不同的控制时间里。3.硬件与软件的协调平衡硬件与软件的协调平衡 在进行系统设计时，应充分考虑硬件和软在进行系统设计时，应充分考虑硬件和软件的特点，合理地进行功能分配。件的特点，合理地进行功能分配。随着计算机运行速度的不断提高，尽可能随着计算机运行速度的不断提高，尽可能用软件来实现系统的各种功能。对于实际的控用软件来实现系统的各种功能。对于实际的控制系统，要综合考虑系统速度、可靠性、抗干制系统

6、，要综合考虑系统速度、可靠性、抗干扰性能、灵活性、成本等因素，合理分配硬件扰性能、灵活性、成本等因素，合理分配硬件和软件的功能。和软件的功能。4.系统现有资源的分配和接口扩展系统现有资源的分配和接口扩展 在设计系统时，首先考虑计算机自身固有在设计系统时，首先考虑计算机自身固有的硬件资源。包括：内存单元、定时的硬件资源。包括：内存单元、定时/计算单计算单元、输入输出接口、通信单元等。如果现有元、输入输出接口、通信单元等。如果现有硬件资源不够用，就需要扩展接口。硬件资源不够用，就需要扩展接口。5.人机接口设计人机接口设计 要设计一组操作人员专用的控制台，便于要设计一组操作人员专用的控制台，便于操作

7、人员操作。控制台一般包括：操作人员操作。控制台一般包括：（1）数据输入键）数据输入键，用于输入或更新给定值、参，用于输入或更新给定值、参数等；数等；（2）功能键或转换开关，用于操作系统；）功能键或转换开关，用于操作系统；（3）显示装置，用于实时观察系统运行状态；）显示装置，用于实时观察系统运行状态；（4）急停按钮，用于处理意外事故。）急停按钮，用于处理意外事故。（1）微型计算机组成方案选择）微型计算机组成方案选择 采用工业采用工业PC机机 采用通用可编程序控制器采用通用可编程序控制器(PLC)采用智能调节器采用智能调节器 采用单片机做控制核心器件采用单片机做控制核心器件 采用集散控制系统采用集

8、散控制系统 DCS（二）微型计算机的选择（二）微型计算机的选择（2）微型计算机性能指标选择）微型计算机性能指标选择 完善的终端系统完善的终端系统 足够的存储容量足够的存储容量 足够的数据处理能力足够的数据处理能力 字长、执行速度、指令系统等。字长、执行速度、指令系统等。（1）建立系统的数学模型）建立系统的数学模型（2）确定控制算法）确定控制算法 算法必须满足控制速度、控制精度和系统算法必须满足控制速度、控制精度和系统的稳定性要求；的稳定性要求；对设计算法作适当的修改或补充；对设计算法作适当的修改或补充；考虑影响系统性能的主要因素。考虑影响系统性能的主要因素。（三）控制算法设计（三）控制算法设计

9、 （1）采用微型计算机系统结构）采用微型计算机系统结构 合理选择功能模块，购买或自行研制。合理选择功能模块，购买或自行研制。用工控机组建控制系统时，接口电路选择内容包用工控机组建控制系统时，接口电路选择内容包括：括：根据根据AI、AO点数、分辨率等选则点数、分辨率等选则A/D、D/A板；板；根据根据DI、DO点数和功率大小等选择开关量输入点数和功率大小等选择开关量输入/输出板；输出板；根据程序和数据量的大小等选择存贮器板；根据程序和数据量的大小等选择存贮器板；根据人机联系方式选择相应的接口扳。根据人机联系方式选择相应的接口扳。根据需要选择各种外设接口板、通信板等。根据需要选择各种外设接口板、通

10、信板等。（四）硬件设计（四）硬件设计（2）采用单片微型计算机系统结构）采用单片微型计算机系统结构 合理选择单片机种类，进行必要的硬件功合理选择单片机种类，进行必要的硬件功能扩展。能扩展。由单片机组成的控制系统，设计接口电由单片机组成的控制系统，设计接口电路是采用路是采用 一些常用的接口芯片，如：一些常用的接口芯片，如：8155、8255、8253和一些译码驱动芯片和一些译码驱动芯片74LS138、74LS244、74LS245等组成接口电路。等组成接口电路。1）变送器）变送器 温度变送器温度变送器 压力变送器压力变送器 液位变送器液位变送器 差压变送器差压变送器 流量变送器流量变送器2）执行机

11、构）执行机构 气动气动 电动电动 液压液压（3）现场设备选择）现场设备选择 1编程语言编程语言 2.数据类型和数据结构规划数据类型和数据结构规划 3资源分配资源分配 4实时控制程序设计实时控制程序设计 （1）数据采集及处理程序）数据采集及处理程序 （2）控制量输出程序）控制量输出程序 （3）控制程序）控制程序 （4）时钟和中断处理程序）时钟和中断处理程序 （5）数据管理程序）数据管理程序 （6）数据通信程序）数据通信程序（五）软件设计（五）软件设计 1离线仿真调试离线仿真调试 硬件调试硬件调试：各种功能模板的调试；各种功能模板的调试；现场仪表和执行机构；现场仪表和执行机构；如是计算机网络控制系

12、统还要调试通信功能。如是计算机网络控制系统还要调试通信功能。软件调试软件调试：自底向上，顺序是子程序自底向上，顺序是子程序功能模块功能模块主程序主程序。整体调试整体调试：先局部后全局，要进行拷机和做抗扰实验。先局部后全局，要进行拷机和做抗扰实验。（六）系统的调试与运行（六）系统的调试与运行 2在线调试和运行在线调试和运行 应先手动运行，待系统运行无误后，再切入自动应先手动运行，待系统运行无误后，再切入自动运行。在线调试前先要进行下列检查：运行。在线调试前先要进行下列检查：检测元件、变送器、显示仪表、调节阀等，保证检测元件、变送器、显示仪表、调节阀等，保证精度；精度；各种接线和导管必须经过检查，

13、保证连接正确；各种接线和导管必须经过检查，保证连接正确；对在流量中采用隔离液的系统，要在清洗好引压对在流量中采用隔离液的系统，要在清洗好引压导管以后，灌入隔离液导管以后，灌入隔离液(封液封液)；检查调节阀能否正确工作。旁路阀及上下游截断检查调节阀能否正确工作。旁路阀及上下游截断阀关闭或打开，要搞正确；阀关闭或打开，要搞正确；检查系统的干扰情况和接地情况；检查系统的干扰情况和接地情况；对安全防护措施也要检查；对安全防护措施也要检查；在在现现场场调调试试的的过过程程中中，往往往往会会出出现现错错综综复复杂杂、时时隐隐时时现现的的奇奇怪怪现现象象，一一时时难难以以找找到到问问题题的的根根源源。此此时

14、时设设计计者者们们要要认认真真地地共共同同分分析析，每每个个人人不不要要轻轻易易怀怀疑疑别别人人所所做做的的分分析析，以免掩盖问题的根源所在。以免掩盖问题的根源所在。一、方案确定一、方案确定 1确定系统控制任务确定系统控制任务 2确定总体设计方案确定总体设计方案 9.2 微机温度控制系统设计微机温度控制系统设计二、电路设计二、电路设计 1温度的检测及前置放大温度的检测及前置放大 2A/D转换与转换与I/O接口电路接口电路 3.晶闸管数字触发输出通道设计晶闸管数字触发输出通道设计 三、数字控制器的设计三、数字控制器的设计 采用增量式采用增量式PID算法算法四、程序设计四、程序设计 1.系统初始化

15、程序系统初始化程序 2.人机界面程序人机界面程序 3.中断服务程序中断服务程序 本系统控制对象为燃油加热炉，加热炉以重本系统控制对象为燃油加热炉，加热炉以重油为燃料，热风为助燃空气。主控制回路为炉膛油为燃料，热风为助燃空气。主控制回路为炉膛温度闭环控制回路，被控量是炉膛温度，当由于温度闭环控制回路，被控量是炉膛温度，当由于某种原因（如添加新工件）使炉膛温度发生变化某种原因（如添加新工件）使炉膛温度发生变化时，通过热电偶检测出实际炉温后，与设定温度时，通过热电偶检测出实际炉温后，与设定温度进行比较，对得出的偏差进行进行比较，对得出的偏差进行PID运算，得到需要运算，得到需要的调节量，以此控制燃料

16、和风量的进给，稳态后的调节量，以此控制燃料和风量的进给，稳态后达到温度平衡。达到温度平衡。补充：燃油加热炉温度控制系统补充：燃油加热炉温度控制系统（一）明确控制任务（一）明确控制任务 1）为为克克服服较较大大扰扰动动或或大大幅幅度度调调节节油油、风风给给定定值值时时的的系系统统超超调调及及波波动动，应应采采取取积积分分分分离离算算法法，并并限限制制油油、风风流流量量的的时时间间变变化化率率，以以延延长长炉炉龄龄，并并使使工工件受热均匀；件受热均匀；2）为消除系统残差，应）为消除系统残差，应消除积分不灵敏区消除积分不灵敏区；3）为为保保证证执执行行机机构构在在线线性性范范围围内内工工作作，应应对

17、对控控制量进行上、下限限幅；制量进行上、下限限幅；4）为为使使系系统统保保持持稳稳定定，应应限限制制调调节节阀阀的的动动作作频频率率(允许炉温偏差允许炉温偏差8)。按照锅炉运行的工艺特点，设计时应考虑到：按照锅炉运行的工艺特点，设计时应考虑到：（二）总体方案设计（二）总体方案设计 l控制系统组成控制系统组成 重油温重油温度检测度检测重油压重油压力检测力检测热风压热风压力检测力检测热风温热风温度检测度检测重油流重油流量检测量检测热风流热风流量检测量检测热风流热风流量调节量调节重油流重油流量调节量调节炉温炉温检测检测炉压炉压检测检测烟含烟含氧量氧量检测检测燃烧控制原理燃烧控制原理 温度温度偏差偏差

18、调节调节量量空燃空燃比比 2微机选择微机选择 本本控控制制系系统统采采用用了了研研华华工工业业PC机机IPC610，外外围围设设备备有有彩彩色色显显示示器器、打打印印机机、键键盘盘、交交流流稳稳压压电电源源和和不不间间断断电电源源等等。由由于于PC总总线线工工控控机机有有丰丰富富的的接接口口板板和和功功能能强强大大的的组组态态软软件件，可可以以大大大大缩缩短短设设计计周周期，且控制系统有较高的性能价格比。期，且控制系统有较高的性能价格比。3.现场设备选择现场设备选择 检检测测元元件件：炉炉温温热热电电偶偶、油油温温、风风温温热热电电阻阻、油油量量涡涡街街流流量量计计、风风量量差差压压变变送送器

19、器、油油和和风风管管及及炉炉压的压力变送器、烟含氧量检测氧化锆传感器等。压的压力变送器、烟含氧量检测氧化锆传感器等。执行元件：进油量电动调节阀、风量电动调节执行元件：进油量电动调节阀、风量电动调节阀。阀。4.接口电路接口电路5.A/D板板卡卡采采用用研研华华PCL-818两两块块，作作为为所所有有现现场场模模拟拟量量的的输输入入板板。该该板板具具有有可可编编程程增增益益、100kHz 12位位A/D转转换换、精精度度0.01、16路路单单端端或或8路路差差动动通通道道、中中断控制。断控制。6.D/A板板采采用用研研华华PCL-727，该该板板有有25KHz 12位位D/A输输出出、输输出出形形

20、式式：05V、010V、5V，420mA可可选。选。7.隔离型模拟量隔离型模拟量I/O模块采用研华模块采用研华PCIM-5B系列。系列。5软件设计软件设计 主程序：全面负责其它功能模块的调用，对全主程序：全面负责其它功能模块的调用，对全部运行状态进行管理，控制投入和中断以及其它管部运行状态进行管理，控制投入和中断以及其它管理等。理等。初初始始化化程程序序：开开辟辟堆堆栈栈区区、设设置置接接口口和和通通道道工工作作方方式式，定定时时器器、计计数数器器工工作作方方式式和和常常数数设设定定，开开辟打印缓冲区等。辟打印缓冲区等。数数据据采采集集处处理理：对对各各输输入入通通道道的的模模拟拟量量定定时时

21、采采样样，将将采采集集数数据据进进行行数数字字滤滤波波、以以消消除除干干扰扰，并并进进行标度转换和数据加工。行标度转换和数据加工。PID运算模块：用于消除流量和压力误差。运算模块：用于消除流量和压力误差。6.可靠性措施可靠性措施 （1）检检测测仪仪表表安安装装和和布布线线尽尽力力避避开开强强磁磁场场；传传感感器器用用高高精精度度电电源源供供电电；微微机机由由隔隔离离型型稳稳压压电电源源供供电电；信信号号传传输输采采用用隔隔离离型型调调整整模模块块；所所有有信信号号使使用用二二线线制制传传输输；全全部部传传输输电电缆缆屏屏蔽蔽层层连连接接成成一点接地。一点接地。（2）自自动动/手手动动控控制制后

22、后备备冗冗余余，一一旦旦控控制制失失灵灵，可可立立即即切切换换到到手手动动操操作作，对对重重要要参参数数设设有有二二次次仪仪表显示，以备计算机失灵时观测。表显示，以备计算机失灵时观测。（3）选选用用可可靠靠性性较较高高的的工工控控机机、接接口口板板及及输输入入/出采用隔离型调整模块。出采用隔离型调整模块。（4）数数字字滤滤波波，消消除除奇奇异异点点数数据据和和随随机机干干扰扰引引起起的的误误差差。另另外外设设计计了了故故障障自自诊诊断断功功能能和和备备用用通通道切换等。道切换等。7.安装调试安装调试返回本章首页一、模糊电冰箱的控制要求一、模糊电冰箱的控制要求二、模糊电冰箱的系统结构二、模糊电冰箱的系统结构三、模糊控制规则三、模糊控制规则 1.冷冻室温度模糊控制冷冻室温度模糊控制 2.除霜设计除霜设计四、硬件设计四、硬件设计五、软件设计五、软件设计9.3 模糊电冰箱系统设计模糊电冰箱系统设计返回本章首页思考题与习题思考题与习题1简述微机控制系统的设计原则。简述微机控制系统的设计原则。2简述微机控制系统设计的一般步骤。简述微机控制系统设计的一般步骤。返回本章首页