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計(jì)算機(jī)控制技術(shù)高等院校自動(dòng)化新編系列教材

高等院校自動(dòng)化新編系列教材

北京郵電大學(xué)出版社

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計(jì)算機(jī)控制技術(shù)高等院校自動(dòng)化新編系列教材

主要內(nèi)容

?8.2

?8.3

?8.4

第八章計(jì)算控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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8」系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則與步驟

?8.1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則

?1?安全可靠

?2.操作維護(hù)方便

?3.實(shí)時(shí)性強(qiáng)

?4.通用性好

?5.經(jīng)濟(jì)效益高

第八章計(jì)算控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1?=NN==7

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)高等院校自動(dòng)化新編系列教材

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8.1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟

?1.工程項(xiàng)目與控制任務(wù)的確定源地.

?⑴甲方提出任務(wù)委托書(shū)/醉I

?⑵乙方研究任務(wù)委托書(shū)

?⑶雙方對(duì)委托書(shū)進(jìn)行確認(rèn)性修改

?⑷乙方初步進(jìn)行系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

?⑸乙方進(jìn)行方案可行性論證

?⑹簽訂合同書(shū)

第八章計(jì)算控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)二?一

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?2.工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段

?組建項(xiàng)目研制小組、!

?系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)、

,方案論證與評(píng)審、

-硬件和軟件的細(xì)化設(shè)計(jì)、

-硬件和軟件的調(diào)試、

-系統(tǒng)的組裝

第八章計(jì)算控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

試運(yùn)行

離線硬件軟件統(tǒng)調(diào)驗(yàn)收

考機(jī)結(jié)束

圖8.1離線仿真和調(diào)試階段流程如度

第八章計(jì)算控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

?4.在線調(diào)試和運(yùn)行階段#-

?系統(tǒng)離線仿真和調(diào)試后便可進(jìn)行在線調(diào)試和運(yùn)I.

行。在線調(diào)試和運(yùn)行就是將系統(tǒng)和生產(chǎn)過(guò)程聯(lián)I

接在一起，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和運(yùn)行。盡管離線仿

真和調(diào)試工作非常認(rèn)真、仔細(xì)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和運(yùn)

行仍可能出現(xiàn)問(wèn)題，因此必須認(rèn)真分析加以解

決。系統(tǒng)運(yùn)行正常后，可以再試運(yùn)行一段時(shí)

間，即可組織驗(yàn)收。驗(yàn)收是系統(tǒng)項(xiàng)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(yàn)收完畢應(yīng)形成驗(yàn)收文件存檔。

第八章計(jì)算控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1?==7

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8.2系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

?821系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

>1.確定系統(tǒng)的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)'

>2.確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式

>3.現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備選擇

>4.確定控制策略和控制算法

>5.硬件、軟件功能的劃分

>6.其它方面的考慮

>7.系統(tǒng)總體方案

第八章計(jì)算控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

?7?系統(tǒng)總體方案

?總標(biāo)設(shè)4后將形成系統(tǒng)的總體方案?？傮w方案確認(rèn)后，要形

成文件，建立總體方案文檔。系統(tǒng)總體文件的曲容包括：

?⑴系統(tǒng)的主要功能、技術(shù)指標(biāo)、原理性方框圖及文字說(shuō)明。

?⑵控制策略和控制算法，例如PID控制、達(dá)林算法、Smith補(bǔ)

償控制、最級(jí)控制、前饋控制、解耦控制、模糊控制、最優(yōu)

控制等。

?⑶系統(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。

?⑷方案比較和選擇。

?⑸保證性能指標(biāo)要求的技術(shù)措施。

?⑹抗干擾和可靠性設(shè)計(jì)。

?⑺機(jī)柜或機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

?⑻經(jīng)費(fèi)和進(jìn)度計(jì)劃的安排。

第八章計(jì)算控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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822硬件的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

?1.選擇系統(tǒng)的總線和主機(jī)機(jī)型

?⑴選擇系統(tǒng)的總線

?①內(nèi)總線選擇

?常用的工業(yè)控制機(jī)內(nèi)總線有兩種：PC總線和STD總

線。一般常選用PC總線工業(yè)控制機(jī)。

?②外總線選擇

?根據(jù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本類(lèi)型，如果采用分級(jí)控

制系統(tǒng)DCS等，必然有通信的問(wèn)題。

?外總線就是計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間、計(jì)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(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信、多站點(diǎn)互聯(lián)的通信

總線RS—422和RS—485。__________________

第八章計(jì)算控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

?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)控制既為例，其CPU有

8088、80286、80386、80486、

Pentium(586)^多種型號(hào)，

?內(nèi)存、硬盤(pán)、主頻、顯示卡、CRT顯示

器也有多種規(guī)格。

?設(shè)計(jì)人員可根據(jù)要求合理地進(jìn)行選型

第八章計(jì)算控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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?2.選擇輸入輸出通道模板

⑴數(shù)字量（開(kāi)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T(mén)TL電平的DI/DO和帶光電隔離的DI/

DOo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(duì)于大容量的DI/DO系

統(tǒng)，往往選用大容量的TTL電平的DI/DO板，

而將光電隔離及驅(qū)動(dòng)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（包括固

計(jì)麟助相藪。

第八章1a二NN二

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?2.選擇輸入輸出通道模板.

?⑵模擬量輸入輸出(AI/A0)模板!U

?AI/A0模板包括A/D、D/A板及信號(hào)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(hào)。AO模板輸出可能0?5V、

1?10V、0?10mA、4?20mA等信號(hào)。選擇A：

/AO模板時(shí)必須注意分辨率、轉(zhuǎn)換速度、量

程范圍等技術(shù)指標(biāo)O二

第八章計(jì)算控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)二”…

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822硬件的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

?3.選擇變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)

?⑴選擇要送器才（

-變送器是這樣一種儀表，它能將被測(cè)變量（如溫度、壓力、物位、流量、

電壓、電流等）轉(zhuǎn)換為可遠(yuǎn)彳專(zhuān)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（0?10mA、4~20mA

等），且輸出信號(hào)與被測(cè)變量有一定的連續(xù)關(guān)系。在控制系統(tǒng)中其輸出言

號(hào)被送至工業(yè)控制機(jī)進(jìn)行處理、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

-DDZ-H型變送器輸出的是4?20mA信號(hào)，供電電源為24V（DC）且采用二戔

制，DDZ-IH型比DDZ-H型變送器性能好，使用方便。DDZ-S系列變送力

是在總結(jié)DDZ型變送器的基礎(chǔ)上，吸取了國(guó)外同類(lèi)變送器的先進(jìn)技術(shù)，

采用模擬技術(shù)與數(shù)字技術(shù)相結(jié)合，從而開(kāi)發(fā)出的新一代變送器。現(xiàn)場(chǎng)I、

線儀表也將被推廣應(yīng)用。

-常用的變送器有溫度變送器、壓力變送器、液位變送器、差壓變送器、

流量變送器、各種電量變送器等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可根據(jù)被測(cè)參數(shù)的種斐、

量程、被測(cè)對(duì)象的介質(zhì)類(lèi)型和環(huán)境來(lái)選擇變送器的具體型號(hào)。

第八章計(jì)算控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)P-

?⑵選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)

-執(zhí)行機(jī)構(gòu)是控制系統(tǒng)中必不可少的組成部分，它的作用是接受計(jì)

算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成調(diào)整機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，使生產(chǎn)過(guò)

程按預(yù)先規(guī)定的要求正常運(yùn)行。、

-執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為氣動(dòng)、電動(dòng)、液壓三種類(lèi)型。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的持點(diǎn)I

是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低、防火防爆；電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的持點(diǎn)是體積小、1

種類(lèi)多、使用方便；液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是推力大、精度高。常I

用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為氣動(dòng)和電動(dòng)兩種。I

-另外，還有各種有觸點(diǎn)和無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，也是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)[

動(dòng)作。電磁閥作為一種開(kāi)關(guān)閥在工業(yè)中也得到了廣泛的應(yīng)用。[

-在系統(tǒng)中，選樣氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電磁閥、有觸點(diǎn)和無(wú)

觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)之中的哪種，要跟據(jù)系統(tǒng)的要求來(lái)確定。但要實(shí)現(xiàn)連續(xù)[I

的精確的控制目的，必須選用氣動(dòng)或電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，對(duì)要求不高的[

控制]系統(tǒng)可選用電磁閥。

第八章計(jì)算控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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823軟件的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

?1.編程語(yǔ)言選擇

?⑴匯編語(yǔ)言

-匯編語(yǔ)言是面向具體微處理器的使用它能夠具體描述控制運(yùn)算和處1

理的過(guò)程、緊湊地使用內(nèi)存，對(duì)內(nèi)存和［八）空間的分配比較清楚，臺(tái)能匕夠1

充分發(fā)揮揮硬硬件件的的性性能，所編軟件運(yùn)算速—度快、實(shí)時(shí)性好，所以主要用于

過(guò)程信號(hào)的檢測(cè)、控制訐算和控制輸出的處理;

?⑵高級(jí)語(yǔ)言

-采用高級(jí)語(yǔ)言編程的優(yōu)點(diǎn)是編程效率高，不必了解計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)和

內(nèi)存分配等問(wèn)題，其計(jì)算公式與數(shù)學(xué)公式相近等。其缺點(diǎn)是，編制的源

程序經(jīng)過(guò)編譯后、可執(zhí)行的目標(biāo)代碼比完成同樣功能的匯編語(yǔ)言的目標(biāo)

代碼長(zhǎng)得多，一方面占用內(nèi)存量增多，另一方面使得執(zhí)行時(shí)間增加很

多，往往難于滿足實(shí)時(shí)性的要求。

?⑶組態(tài)軟件

-組態(tài)軟件是一種針對(duì)控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的面向問(wèn)題的高級(jí)語(yǔ)言，它為用戶

提供了眾多的功能稹塊

第八章計(jì)算控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1?==7

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?2數(shù)據(jù)類(lèi)型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃

-從數(shù)據(jù)類(lèi)型：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(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)。定點(diǎn)數(shù)有直觀、

編程簡(jiǎn)單、運(yùn)算速度快的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是表示

的數(shù)值動(dòng)態(tài)范圍小，容易溢出。浮點(diǎn)數(shù)則相

反，數(shù)值動(dòng)態(tài)范圍大、相對(duì)精度穩(wěn)定、不易溢

出，但編程復(fù)雜，運(yùn)算速度低。

-如果某參數(shù)是一系列有序數(shù)據(jù)的集合，如采樣

信號(hào)序列，則不只有數(shù)據(jù)類(lèi)型問(wèn)題，還有一個(gè)

數(shù)據(jù)存放格式問(wèn)題，即數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)問(wèn)題。

第八章計(jì)算控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1?=NN==7

?3資源分配

完成數(shù)據(jù)類(lèi)型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的規(guī)劃后，便可開(kāi)

始分配系統(tǒng)的資源了。/a

-系統(tǒng)資源包括ROM、RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、

個(gè)斷源、I/O地址等。

-ROM資源用來(lái)存放程序和表格，I/O地址、定

時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷源在任務(wù)分折時(shí)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)

第八章計(jì)算控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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?4實(shí)時(shí)控制軟件設(shè)計(jì)

?⑴數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理程序

-數(shù)據(jù)采集程序主要包括模擬量和數(shù)字量多路信號(hào)的采

樣、輸入變換、存儲(chǔ)等。數(shù)據(jù)處理程序主要包括數(shù)字j

濾波程序、線性化處理和非線件補(bǔ)償、標(biāo)度變換程序、

超限報(bào)警程序等。

?(2)控制算法程序

-控制算法程序主要實(shí)現(xiàn)控制規(guī)律的計(jì)算，產(chǎn)生控制量。

其中包括：數(shù)字PID控制黃法、大林算法、Smith補(bǔ)償

控制算法、最少拍控制算法、串級(jí)控制算法、前饋控

制算法、解耦控制算法、模糊控制算法、最優(yōu)控制算

法等。：實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，可選擇合適的一種或幾種控制

算法，來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。

第八章計(jì)算控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1?==7

?4實(shí)時(shí)控制軟件設(shè)計(jì)

?(3)控制量輸出程序

-控制量輸出程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)控制量的處理(上下限

和變化率處理)、控制量的變換及輸出，驅(qū)動(dòng)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)或各種電氣開(kāi)關(guān)?？刂屏恳舶M

量和開(kāi)關(guān)量輸出兩種。模擬控制量由D/A轉(zhuǎn)換

模板輸出，一般為標(biāo)準(zhǔn)的0?10mA(DC)或4?

20mA(DC)信號(hào)，該信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)如各種

調(diào)節(jié)閥。開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)各種電氣開(kāi)關(guān)。

第八章計(jì)算控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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?(4)實(shí)時(shí)時(shí)鐘和中斷處理程序

?實(shí)時(shí)時(shí)鐘是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一切與時(shí)間有關(guān)過(guò)程

的運(yùn)行基礎(chǔ)

-實(shí)時(shí)任務(wù)有兩類(lèi)：第一類(lèi)是周期性的，如每天固定時(shí)

間啟動(dòng)，固定時(shí)間撤消的任務(wù)，它的重復(fù)周期是一天。

第二類(lèi)是臨時(shí)性任務(wù)，操作者預(yù)定好啟動(dòng)和撤消時(shí)間

后由系統(tǒng)時(shí)鐘來(lái)執(zhí)行，但僅一次有效。

-許多實(shí)時(shí)任務(wù)如采樣用期、定時(shí)顯示打印、定時(shí)數(shù)據(jù)

處理等都必須利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)。并由實(shí)時(shí)中斷服

務(wù)程序去執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作或處理動(dòng)作狀態(tài)標(biāo)志等。

-另外，事故報(bào)警、掉電檢測(cè)及處理、重要的事件處理

等功能的實(shí)現(xiàn)也常常使用中斷技術(shù)，以便計(jì)算機(jī)能對(duì)

事件做出及時(shí)處理。事件處理用中斷服務(wù)程序和相應(yīng)

的硬件電路來(lái)完成。

第八章計(jì)算控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

?(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(huà)而顯

示、變化趨勢(shì)分析、報(bào)警記錄、統(tǒng)計(jì)報(bào)表打j

印輸出等。

?(6)數(shù)據(jù)通信程序

-數(shù)據(jù)通信程序主要完成計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間、

計(jì)算機(jī)與智能設(shè)備之間的信息傳遞和交換。

這個(gè)功能主要在分散型控制系統(tǒng)、分級(jí)計(jì)算

機(jī)控制系統(tǒng)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)

第八章計(jì)算控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1?==7

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)高等院校自動(dòng)化新編系列教材

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8.2.4系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行

?系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行分為離線仿真與調(diào)試階段

和在線調(diào)試與運(yùn)行階段。離線仿真與調(diào)試階!

段一般在實(shí)驗(yàn)室或非工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，在線調(diào)j

試與運(yùn)行階段是在生產(chǎn)過(guò)程工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。

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(chǎng)投運(yùn)做準(zhǔn)備，現(xiàn)場(chǎng)

投運(yùn)是對(duì)全系統(tǒng)的實(shí)際考驗(yàn)與檢查。系統(tǒng)調(diào)

試的內(nèi)容很豐富，碰到的問(wèn)題是千變?nèi)f化

的，解決的方法也是多種多樣的，并沒(méi)有統(tǒng)

一的模式。

第八章計(jì)算控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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1.離線仿真和調(diào)試

?⑴硬件調(diào)試.k

@對(duì)于各種標(biāo)準(zhǔn)功能模板，按照說(shuō)咻檢查主要I

功能。