朱玉玺版《计算机控制技术》课件－ch08

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1、第8章 计算机控制系统的设计计算机控制系统的设计8.1 计算机控制系统的设计步骤与方法 8.1.1 总体方案的确定 8.1.2 计算机控制系统输入部分的设计 8.1.3 确定控制算法 8.1.4 计算机控制系统输出部分的设计 8.1.5 计算机控制系统的调试计算机控制系统的设计8.2 计算机控制系统的可靠性设计8.3 计算机控制系统的抗干扰技术 8.3.1 硬件抗干扰技术 8.3.2 软件抗干扰技术8.4 计算机控制系统设计举例8.1计算机控制系统的设计步骤与方法 1系统设计的步骤1）系统的分析与设计 2）系统的实施 3）系统调试与投入 2系统设计方法 从系统构成上看，除被控对象外，其余部分都

2、要由 设计者进行设计。 从功能上分，可分为总体部分、输入部分、控制器 部分和输出部分。 8.1计算机控制系统的设计步骤与方法8.1.1 总体方案的确定 1确定被控对象的被控量和控制量 2建立数学模型 3选用检测元件（传感器） 4选用执行机构 5选定输入/输出通道 6选用计算机和选定外部设备8.1计算机控制系统的设计步骤与方法8.1.1 总体方案的确定 1确定对象的被控量和控制量 被控量的选择原则如下： 选择对控制目标起关键影响作用的量作为被控量； 为提高系统的控制质量，选择与控制目标有密切关系 的量作为辅助被控量。 控制量的选择原则如下。 选对被控量有重大影响的对象输入变量作为控制量； 若对象

3、存在多个输入量，选择对被控量响应较快、变 化范围较大的量作为控制量； 所选控制量之间的相互依赖关系越小越好。 8.1计算机控制系统的设计步骤与方法 【例8-1】 设计燃油辊道窑温度控制系统。辊道 窑温度控制系统示意图和窑道理想烧成温度曲线如 图8-1所示。图8-1 例8-1图 8.1计算机控制系统的设计步骤与方法 2建立数学模型 为了实现计算机控制，使计算机能按设计出的控制 算法对被控对象进行控制，必须事先知道被控对象 的数学模型，也就是指前面所说的控制量与被控量 的关系。 可用如下3种方法建模： 理论分析法。 实验测试法。 经验公式法。 3选用检测元件（传感器）8.1计算机控制系统的设计步骤

4、与方法 4选用执行机构执行机构是控制器与被控对象之间的连接部件，根 据不同的生产对象、不同的物理量，可以选用适当 的执行机构如下。 步进电机。 电动执行机构。 气动调节阀。 液压执行机构。 5选定输入/输出通道 一条完整的模拟量输入通道应包含信号测量、信号 调理电路、模拟多路开关、A/D转换器、计算机控 制接口等模块。 8.1计算机控制系统的设计步骤与方法 6选用计算机和选定外部设备 对计算机有多种选择，可以视设计任务、对象复杂 性、运行条件和发展前景等情况而定。提出如下选 机原则： 实时性。 可靠性。 可扩充性。 可维护性。 根据上述选机原则，可给出如下3种选择方案：1）工业控制机（或工业P

5、C） 2）单片机 3）自行设计系统 8.1计算机控制系统的设计步骤与方法8.1.2 计算机控制系统输入部分的设计 1A/D转换器字长的确定1）确定采集数据的结构形式（共享S/H,A/D或A/D)2）量化误差 量化必定存在误差。设量化器的输入为x(t)，输出 为x* (t)，则量化误差为 式中，为量化误差，是q、x、t 的函数。3）求A/D转换器的字长 求得A/D转换器的字长为 8.1计算机控制系统的设计步骤与方法 分辨率定义为 求得A/D转换器的字长为4）校核 校核原则：计算机的字长应大于A/D转换器的字长。 除上面提及的输入量化误差外，还有如下误差。 D/A转换器引入的输出误差。 存储器存储

6、系数、数据时，因舍入或截尾而产生的存 储误差。 运算器运算时（特别是乘法、递归运算等）带来的运 算误差。因此，为了提高精度，机内CPU的字长必须比 求得的A/D转换器字长要长得多。 8.1计算机控制系统的设计步骤与方法 2多路转换开关的设计 对于单片机多路转换开关每一路输入端口的外 部接口电路，其周围环境的好坏直接影响A/D转换 器的性能。 A/D转换器的基准电源是否稳定对A/D转换器 的绝对精度影响很大。 3开关量输入通道的设计 输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路8.1计算机控制系统的设计步骤与方法8.1.3 确定控制算法 有了数学模型，就可以据此推算（设计）出控制器 算法。 纯滞后

7、是个超越函数，工程上常用有理公式近似法 （Pade展开法）进行近似处理。指数es可以展开 成级数为 也可以用一个分母为n 阶，分子为m 阶（mn） 的有理分式来近似。 表8-1给出了m=n=2的近似式，可使有理分式系 数在n, m一定的情况下，与上面展开式的系数相 同。 8.1计算机控制系统的设计步骤与方法表8-1 e e ss的近似式 8.1计算机控制系统的设计步骤与方法8.1.4 计算机控制系统输出部分的设计 1结构形式的确定 (共享D/A或多D/A) 2D/A转换器字长的确定 设执行器的最大输入值为Umax ，最小输入值为 Umin 。，参照前面关于A/D转换器叙述，可给出 D/A转换器

8、的字长是： 3开关量输出通道的设计 计算机系统的输出设备往往是高电压大电流设备， 大功率设备运作时，常常会产生强电磁干扰，须加 入隔离措施，转换和隔离两种措施都不可少。 8.1计算机控制系统的设计步骤与方法8.1.5 计算机控制系统的调试 调试工作分为硬件、软件调试和联合调试。 1）硬件调试 首先是部件的单独检查，另外要核对数据总线、地 址总线和控制总线的走线序号是否正确。 接下来是联合调试。2）软件调试 类似于硬件调试，软件调试时首先对各模块单独调 试，然后进行软件联调。 3）软、硬件联调 主要解决硬、软件不协调的地方。 8.2 计算机控制系统的可靠性设计 1几个基本概念1）可靠性、可靠度和

9、可靠度函数 系统可靠性是指系统在规定条件下和规定时间内完成规定功 能的能力。可靠性是一个定性概念，很难用一个特征量来表 示，它带有随机性。 系统在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率，称为 系统的可靠度（又称为可靠率）。系统的可靠度是个时间函 数，称为可靠度函数R(t)。 式中P为概率,为产生故障前的工作时间，t 为规定时间。8.2 计算机控制系统的可靠性设计 可靠度函数可用一个数值、分数、百分数来表示。 式中，N0 为当t = 0 时在规定条件下进行工作的系统个数， r(t)为在0t 时刻的工作时间内累计故障系统数（产生故障 后不修复）。 2）故障率函数 工作到某时刻尚未发生故障的产品，

10、在该时刻后的dt 时间内 发生故障的概率，称为产品的故障率（失效率）(t)。 式中，dr(t)为t时刻后dt 时间内发生故障的产品数，d为微 分算符，为增量符，NS(t)为到t时刻尚未发生故障的产品 数，有NS(t) = N0 r(t)R(t)。 8.2 计算机控制系统的可靠性设计 经过计算，求得： 结果说明可靠度具有指数分布规律。3）平均故障前时间（Mean Time to Failure，MTTF） 设N0个不可修复系统在同样条件下进行试验，测得其各故障 前时间为t1, t2, , tN0 ，其平均故障前时间为4）平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure， MT

11、BF） 一个可修复系统在使用过程中发生了N0 次故障，每次故障修 复后又再使用。测得其每次工作持续时间为t1, t2, , tN0， 其平均故障间隔时间为式(8-3)。式中，T为系统总的工作时 间。tMTBF 与维修效果有关。 8.2 计算机控制系统的可靠性设计 2系统可靠性模型 常用的模型有串联系统模型、并联系统模型和混联系统模型 3种，如图8-2所示。 1）串联系统的可靠性模型 串联系统的数学模型为： 式中，n为组成系统的单元数，Ri 为第i 个单元的可靠度，Rs 为系统的可靠度。 图8-2 3种结构的可靠性模型 8.2 计算机控制系统的可靠性设计 当各个单元部件的寿命为指数分布 时，系统

12、的可靠度 为式中 系统中每种部件都有一定的失效率和一定的数量，则该部件 的失效率为 2）并联系统的可靠性模型 这是最简单的冗余系统，如图8-2（b）所示。图8-2 3种结构的可靠性模型8.2 计算机控制系统的可靠性设计 并联系统的数学模型为： 并联单元越多，系统的可靠度越高。当各单元的寿命为指数 分布时，并联系统的可靠度为 若系统所有单元均相同，失效率均为，则系统的可靠度为 对于常用的二单元并联系统，由上式得 8.2 计算机控制系统的可靠性设计 3）混联系统的可靠性模型 一般工程系统往往不单纯是串联或并联的，还有串并、并串 等混合模型，如图8-2（c）所示。 对于不太复杂的系统，可以用串联或并

13、联的基本公式，用等 效模型法便能求出系统的可靠度。对图8-2（c）的系统，得 系统结果，如图8-3（b）所示。 图8-2 3种结构的可靠性模型图8-3 混联系统的等效模型 8.2 计算机控制系统的可靠性设计 3提高计算机系统可靠性的途径1）系统可靠性设计 系统的可靠性设计是指在系统设计的过程中，在各个环节上 采取必要的提高可靠性的设计措施。（1）总体设计（2）电路设计 （3）结构设计（4）热设计 （5）三防设计 (防潮、防霉菌、防盐雾）（6）抗冲击、振动设计 （7）电磁兼容性设计 （8）安全设计 8.2 计算机控制系统的可靠性设计 2）容错设计 容错设计是指在系统结构上，通过增加冗余资源的方法

14、来掩 盖故障造成的影响，使得即使出错发生故障，系统功能仍不 受影响。 （1）硬件冗余（2）软件冗余（3）信息冗余（4）时间冗余3）加固设计 为减弱或消除有害应力的影响，可采用加固设计技术。（1）热设计 （2）机箱设计 （3）抗干扰和防泄漏 8.2 计算机控制系统的可靠性设计 规定在各设备电源接线端口测得的干扰电压不得超过表8-3 所列的极限值。各设备辐射的电波场强（测量距离为10m） 不得超过表8-4所列的极限值。 频率范围/MHz准峰值/(dB/V)平均值/(dB/V)0.150.50665656460.5556465306050表8-3 设备电源接线端口的干扰电压极限值 频率范围 /MHz

15、准峰值 dB/(mV/m) 3023030230100037表8-4 设备辐射的电波场强极限值 8.2 计算机控制系统的可靠性设计 4软件的可靠性设计1）软件可靠性概念 软件可靠性是指软件在规定条件下和规定时间内完成规定功能而不 引起系统故障的能力。 软件可靠性是一个综合性的指标，它与多个因素有关。 通常用下述的6个方面来评价软件质量。 功能性: 实用性、准确性、互操作性、一致性和安全性。 可靠性。包括容错性和可恢复性。 易用性。包括易理解性和易操作性。 效率。包括时间性、资源性。 可维性。包括易分析性、易修改性、稳定性和易测试性。 可移植性。包括适应性、易安装性、规范性和可换性。8.2 计算机控制系统的可靠性设计 2）软件可靠性设计的阶段与方法 （1）软件开发过程的6个阶段 要求/规格说明阶段。 系统分析阶段。 编码调试阶段。 测试验证阶段。 文档整理阶段。