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1、第十章 计算机控制系统的 设计与应用,1. 计算机控制系统设计原则 2. 计算机控制系统的设计与实现 3. 计算机控制系统中的抗干扰措施 4. 计算机控制系统设计举例,1、计算机控制系统设计原则,可靠性原则。 操作与维护方便原则。 实时性原则 通用性原则 经济性原则,一般来说，计算机控制系统的设计原则主要有：,2、计算机控制系统的设计与实现,计算机控制系统的设计与实现，一般应包括系统方案设计、硬件设计与实现、软件设计与实现以及系统调试与投运四个大的阶段。,1、计算机控制系统的方案设计,（1）、建立数学模型，设计控制算法,对于任何一个控制系统的设计，首先应当建立该系统的数学模型。控制算法选择的正
2、确与否直接影响控制系统的品质,因此，确定控制算法也是系统设计中的一项重要工作。,2、计算机控制系统的设计与实现,（2）硬件系统方案设计,计算机控制系统的硬件设计主要包括以下各方面内容：系统的硬件结构确定，现场设备及自动化仪表的选择，人机联系方式，系统的机柜或机箱结构设计等。,在硬件方案设计中，用于工业实时控制的计算机应优先选择工业控制计算机。另外硬件系统设计还包含传感器、变送器和执行机构的选型或研制，它们是影响系统控制精度的重要因素之一，所以要从信号量程范围、精度、对环境及安装的要求等方面进行选择。,2、计算机控制系统的设计与实现,（3）软件系统方案设计,软件方案设计的内容主要是确定软件平台、
3、软件结构和任务分解等。在软件设计中也应采用结构化、模块化、通用化的设计方法，画出软件结构方块图，逐级细化，直到能清楚地表达出控制系统所要解决的问题为止。将商品化的监控组态软件经二次开发后用于计算机控制系统中，是系统软件设计的有效方法之一。,2、计算机控制系统的设计与实现,2、硬件系统的设计与实现,（1）系统总线与主机机型,用系统总线结构带来的许多优点,目前常用的工控机内部总线主要是PCI总线、PC总线和STD总线等。 其次,随着控制要求的提高和控制系统内涵的扩展，许多计算机控制系统（如SCC、DCS、FCS、CIMS等）越来越多地会遇到通信问题,具体选择何种现场总线控制网络进行数据通信,可根据
4、通信的速率、距离、系统拓扑结构、通信协议等要求来综合分析确定。,2、计算机控制系统的设计与实现,（2）I/O接口,应用计算机对生产现场设备进行控制，除了主机之外，还必须配备连接计算机与被控对象并进行信息传递和变换的I/O接口,其中包括数字量I/O（即DI/DO）、模拟量I/O（AI/AO）等模板。,a、数字量（开关量）输入输出（DI/DO）模板。 PC总线的并行I/O接口模板多种多样，通常可分为TTL电平的DI/DO和带光电隔离的DI/DO。,b、AI/AO模板包括A/D、D/A板及信号调理电路等。AI模板的输入可能是0-5V、0-10V、0-10mA、4-20mA以及热电偶、热电阻和各种变送
5、器的信号。AO模板的输出可能是0-5V、0-10V、0-10mA、4-20mA等信号。,2、计算机控制系统的设计与实现,（3）选择传感器和执行机构,a、传感器 传感器是将被测变量转换为可远距离传输的统一标准信号（010mA、420mA等）的一种仪表，其输出信号与被测变量有一定的连续关系。在控制系统中其输出信号被送至工业控制机进行处理，实现数据采集。,2、计算机控制系统的设计与实现,（3）选择传感器和执行机构,b、执行机构 执行机构也是控制系统中必不可少的组成部分，它的作用是接受计算机发出的控制信号，并把它转换成执行机构的动作，使生产过程按预先规定的要求正常运行。 执行机构分为气动、电动、液压三
6、种类型。气动执行机构的特点是结构简单、价格低、防火防爆；电动执行机构的特点是体积小、种类多、使用方便；液压执行机构的特点是推力大、精度高。常用的执行机构为气动和电动两种。,2、计算机控制系统的设计与实现,3、软件系统的设计与实现,在自行开发控制系统软件时，首先应设计出程序总体流程图和各功能模块流程图，然后按先模块化整体的顺序编制和调试程序。需要注意以下几个问题： 硬件资源的合理分配和利用 数据采集及处理 实时任务与中断处理 控制算法与控制量输出,2、计算机控制系统的设计与实现,4、控制系统的调试与投运,系统的调试与运行通常分为：离线仿真与调试阶段和在线调试与运行阶段。,（1）离线仿真和调试，可
7、以分为：,硬件离线调试 软件离线调试 系统模拟联调,2、计算机控制系统的设计与实现,4、控制系统的调试与投运,（2）在线调试和运行 在离线调试过程中，尽管工作很仔细，检查很严格，但仍然没有经受实践的考验。因此，必须在现场实际运行条件下进行在线调试，才能得到满足要求的计算机控制系统，在现场进行在线调试和运行过程中，设计人员要与用户密切配合，在实际运行前制定一系列调试计划、实施方案、安全措施、分工合作细则等。现场调试与运行过程一般也应是从小到大、从易到难、从手动到自动、从简单回路到复杂回路地逐步进行。,3、计算机控制系统中的抗干扰措施,1、控制系统的抗干扰措施,计算机与测量、控制设备之间有各种信号
8、传输关系，计算机与测量、控制现场信号的抗干扰重要措施之一是采用信号隔离措施，采用隔离放大器、光电隔离器件等隔离信号，使计算机与测量、控制现场没有直接的电联系。,另外，信号线最好用带屏蔽的双绞线，当传送距离较远时，还可加金属管屏蔽以抗御空间干扰。,3、计算机控制系统中的抗干扰措施,2、供电电源的抗干扰措施 控制系统的交流电源直接引自照明电源或电源总闸，为减少交流电源波动等因素对系统工作的影响，应对引入系统的交流电源采用交流稳压、变压器隔离、LC滤波和不间断电源（UPS）等措施。,3、电源掉电处理技术,控制系统应设计电源掉电检测电路，当发生掉电时，应能及时检测，利用直流电源电容器储存的能量，将断点
9、状态保护在由后备电池供电的SRAM或NOVRAM里，记下停电时的重要数据，为恢复电后实现补偿运行做好准备。,3、计算机控制系统中的抗干扰措施,4、接地的抗干扰技术,对于电路板的地线，采用将印制板的空位和边缘留作地线，板边延地线应尽量宽些。平行信号线间，添插一些地线。 为防止输入、输出之间通过地线公共阻抗耦合干扰，常把这两种信号的地线分别设置，各自单独引到汇流板。,5、看门狗（Watchdog）技术 “看门狗”实际是监控定时器，一旦因干扰使程序“跑飞” ，则看门狗产生非屏蔽中断（NMI），并进而重新启动系统。,3、计算机控制系统中的抗干扰措施,2、软件设计的可靠性措施,在应用程序的设计中可采取下
10、述措施，提高软件运行的可靠性： 高效地编制应用程序 采用周期刷新的措施 巧妙使用存储器 实时检测与自诊断,4、计算机控制系统设计举例,1、水流量标准装置微机监控系统,图10-1 水流量仪表检定装置的结构示意图,4、计算机控制系统设计举例,2、系统硬件设计,（1）、水流量标准装置 本装置中各部分技术参数如下： 工作量器：共有A（500L）、B（100L）、C（2000L）三种量器，准确度等级为0.1级 液位计：共有三个差压变送器来测量工作量器中直管段的液位，根据每个量器的体积液位表，换算出量器中水体积。差压变送器输出信号为420mA。 计时器：主要用于手动操作时，准确度等级为0.1ms级，由于在
11、检定中已规定中的T30s，因此，计时器引入误差可以忽略。,4、计算机控制系统设计举例,2、系统硬件设计,检定管线：共有两条，50mm和100mm，50mm管线如图10-1所示。 电动调节阀：包括上水分流管线、二根检定管线，装置共有三个电动调节阀，控制信号为4-20mA。 电磁气动阀：每个量器底部各1个，控制信号为交流220V的开关信号。 电磁气动换向器：A、B两量器共用1个，C量器使用1个，控制信号是交流220V的开关信号。,4、计算机控制系统设计举例,2、系统硬件设计,开关量回讯：包括一个溢流、两个换向器光电开光，回讯为直流12V开关信号。 标准流量计采用的是电磁流量计，共有3个，输出信号为
12、4-20mA电流信号。 被校表：被校表类型包括电磁流量计（输出信号有010mA、4-20mA两种）、涡轮流量计（输出信号为脉冲信号）。,4、计算机控制系统设计举例,（2）微机测控系统硬件结构,计算机采用PC总线工控机，通过内置PC总线的A/D、D/A、开关量输入DI、开关量输出DO、脉冲计数板组成一测控系统。IPC除了完成检定过程的自动控制外，还能对检定结构的数据进行处理、打印、管理。其计算机控制系统的硬件结构是典型的DDC系统。,4、计算机控制系统设计举例,3、系统软件设计,（1）数字滤波器,采用数字滤波器对水液位信号滤波，设T为A/D的采样周期，T1为一阶惯性环节滤波器的时间常数，令,取,
13、则数字滤波关系式为：,y(k)为本次采样的输出值；y(k-1)为前一次输出值；x(k)为本次测量值。,4、计算机控制系统设计举例,3、系统软件设计,（2）PID控制算法,以50mm检定管线为例，首先采用飞升曲线测量出流量调节系统对象的传递函数：,采用积分分离的PID算法，PID参数整定采用目前应用较广泛的Ziegler Nichols整定方法。，在本文中根据被校流量值大小分成二类PID参数进行控制，获得了较好的控制效果。,4、计算机控制系统设计举例,（3）程序设计 主要由人机交互界面程序、各种参数设置程序、各种图形图表动态显示程序、系统自检程序、自动检定程序、打印程序等共18个执行文件组成，所
14、有可执行文件均是一屏幕三级下拉式汉化菜单的子进程，各子进程和菜单之间都是通过进程调用进行调度的。所有程序采用C语言和汇编语言混合编程，实时性要求较高的如实时时钟、光标采用汇编语言编程，其余大部分采用C语言编程。,4、计算机控制系统设计举例,2、油库罐区二级微机监控管理系统实现,（1）系统概述,某炼油厂的原油库罐区共有浮顶、拱顶罐14个，共计有30万立方米。油泵5台，气缸阀119个。要求罐区监控管理系统具有以下功能： 检测功能：检测储罐液位和温度，并自动换算成油重量；检测原油流量和蒸气流量，并计算出瞬时流量、累积流量；检测阀门与开关状态、机泵启停状态及泵出口压力。,4、计算机控制系统设计举例,2
15、、油库罐区二级微机监控管理系统实现, 控制功能：利用计算机对阀门进行遥控；对机泵进行停操作；对不同品种油实现手动和自动调和。 监督报警功能：通过键盘可任意设定液位温度和压力的高低限值，当实测值超过时有声光报警并记录。该操作为定量收发、静置、防止冒、窜、漏提供有力保障；操作员通过计算机对现场的任何操作都有记录。, 屏幕显示功能：显示各种数据表格图、控制器参数表、各种棒图、模拟条、系统流程图、实时/历史趋势曲线。,4、计算机控制系统设计举例,2、油库罐区二级微机监控管理系统实现, 操作管理功能：设置二级口令，分工程师级和操作员级，其中工程师口令是上级口令，所有重要操作均要通过口令确认后才进行。 报
16、表报印功能：打印油品分析台帐、实时参数表、油品收付记录、调和分析报表、班报表、日报表、月报表、年报表。,4、计算机控制系统设计举例,2、系统硬件设计,该监控系统采用开放式模块化结构设计，采用国际流行的工业标准总线，装配灵活，组态方便。整个系统是一个集中管理、分散控制的二级计算机系统。另外在上位机中，还留有与厂部调度计算机相连的网络通信接口。,图10-2 油库罐区二级微机监控管理系统示意,4、计算机控制系统设计举例,（1） 上位机任务及配置,该级计算机主要完成与下位机的信息交换，包括向下位机下达各种操作命令，如开阀、关阀、启动调和等；接收下位机传送过来的信息并进行处理。,上位机采用的是工业PC，并外挂大屏幕显示器。为提高系统平均无故障时间，上位机采用了双机冷备份方案。两台上位机各配备相同软件，平时一台工作，一台备份。一旦检测出工作机有故障，便通过手动将备份机切换为工作机。,4、计算机控制系统设计举例,（2）下位机的任务和配置, 下位机的阀门、机泵测控站采用STD工控机实现对阀门、机泵状态的巡检和控制，实现对泵压力油流量及温度的
