計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)與系統(tǒng)第8章-計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)課件

1、2022/7/201第8章 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)：了解計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則熟悉計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法掌握計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟掌握常用的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法2022/7/2028.1 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概述1.計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則（1）滿(mǎn)足工藝指標(biāo)的要求 在進(jìn)行計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程所提出的各種要求及性能指標(biāo)。 對(duì)于測(cè)量?jī)x器的指標(biāo)包括精度、測(cè)量范圍、實(shí)時(shí)性、工作環(huán)境條件、穩(wěn)定性等。 對(duì)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求穩(wěn)、準(zhǔn)、快。 對(duì)于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)，還要滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，如傳輸速率、吞吐能力、穩(wěn)定性、確定性、可靠性和靈活性等。2022/7/203（2

2、）可靠性要高 系統(tǒng)的可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。 可靠性的指標(biāo)一般采用平均無(wú)故障工作時(shí)間（MTBF）和故障修復(fù)時(shí)間（MTTR）表示。MTBF反映了系統(tǒng)可靠工作的能力，MTTR則反映了系統(tǒng)出現(xiàn)故障后恢復(fù)工作的能力。通常要求MTBF有較高的數(shù)值，如達(dá)到幾萬(wàn)小時(shí)，同時(shí)盡量縮短MTTR，以達(dá)到很高的運(yùn)行效率。 可靠性是控制對(duì)象或生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)運(yùn)行的根本保證。計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)把系統(tǒng)的可靠性放在首位，以保證生產(chǎn)安全、可靠和穩(wěn)定地運(yùn)行。 2022/7/204（3）實(shí)時(shí)性要強(qiáng) 所謂系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是指現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間在最壞情況下完成一次數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)所能保證的最小時(shí)間。 實(shí)時(shí)性

3、是控制對(duì)象按規(guī)定工藝運(yùn)行的必要條件之一。對(duì)于不同的控制對(duì)象、不同的控制參數(shù)，其對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性具有不同的要求。例如，流量和壓力控制對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求高于溫度控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。 （4）操作性能要好 一個(gè)好的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)該人機(jī)界面好，操作、運(yùn)行方便，易于維護(hù)。 操作方便主要體現(xiàn)在操作簡(jiǎn)單、顯示畫(huà)面形象直觀，有較強(qiáng)的人機(jī)對(duì)話(huà)能力，便于掌握。 維護(hù)方便主要體現(xiàn)在易于查找故障、排除故障。2022/7/205（5）系統(tǒng)通用性要好 通用性是指所設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)能根據(jù)各種不同設(shè)備和不同控制對(duì)象的控制要求，靈活擴(kuò)充、便于修改。 當(dāng)設(shè)備和控制對(duì)象有所變化時(shí)，或者再設(shè)計(jì)另一個(gè)控制系統(tǒng)時(shí)，通用性好的系

4、統(tǒng)一般稍作更改或擴(kuò)充就可以適應(yīng)。（6）系統(tǒng)功能要豐富 具有良好的人機(jī)界面和豐富的監(jiān)視畫(huà)面，控制軟件包括功能強(qiáng)，能夠自動(dòng)清零，量程自動(dòng)切換，可根據(jù)測(cè)量值和控制值的大小改變測(cè)量范圍和控制范圍，具有數(shù)字濾波功能，自動(dòng)修正誤差，系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)和自復(fù)位?？蓪?duì)多種不同參數(shù)進(jìn)行快速測(cè)量和控制。能夠?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜的處理和運(yùn)算功能，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)典的PID控制，還具有一些高級(jí)控制算法，實(shí)現(xiàn)模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、優(yōu)化、自適應(yīng)等復(fù)雜控制規(guī)律，具有在線(xiàn)自診斷功能和網(wǎng)絡(luò)通信功能，便于實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化和信息化。2022/7/206（7）性?xún)r(jià)比要高 在滿(mǎn)足計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)技術(shù)要求的前提下，盡可能地降低成本，保證為用戶(hù)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益。

5、 經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性?xún)r(jià)比要盡可能的高，在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的情況下，盡量采用物美價(jià)廉的元器件；二是投入產(chǎn)出比要盡可能的低，應(yīng)該從提高生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量、降低能耗、消除污染、改善勞動(dòng)條件等方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。系統(tǒng)的造價(jià)，取決于研制成本、生產(chǎn)成本和使用成本。設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)盲目追求復(fù)雜、高級(jí)方案，在滿(mǎn)足性能指標(biāo)的前提下，應(yīng)盡可能地采用簡(jiǎn)單成熟的方案。 另外，要有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，盡量縮短開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)周期，以降低整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)經(jīng)費(fèi)，使新產(chǎn)品盡快進(jìn)入市場(chǎng)。2022/7/2072. 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟（1）準(zhǔn)備階段 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，必須對(duì)企業(yè)工藝流程及工作過(guò)程有初步煩人了解，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該和工藝

6、人員密切配合，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和歸納，從而明確具體設(shè)計(jì)要求和性能指標(biāo)。另外，在綜合考慮企業(yè)的經(jīng)濟(jì)能力、管理要求、系統(tǒng)運(yùn)行的成本、產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益等方面的基礎(chǔ)上，確定系統(tǒng)所要完成的任務(wù)。 按一定的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和格式，對(duì)測(cè)控任務(wù)和過(guò)程進(jìn)行描述，形成系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)技術(shù)文件，作為整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)。初步設(shè)計(jì)技術(shù)文件的主要內(nèi)容包括系統(tǒng)的功能規(guī)范，目標(biāo)系統(tǒng)的性能規(guī)范，系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境。準(zhǔn)備階段的設(shè)計(jì)為測(cè)控系統(tǒng)的內(nèi)部（主機(jī)系統(tǒng)）與外部（生產(chǎn)過(guò)程、環(huán)境、人等）確定了接口關(guān)系。2022/7/208（2）設(shè)計(jì)階段總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)是進(jìn)入實(shí)質(zhì)性設(shè)計(jì)階段的第一步，尤為重要和關(guān)鍵?？傮w方案的好壞

7、會(huì)直接影響整個(gè)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的成本、性能、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)周期等。 在準(zhǔn)備階段的基礎(chǔ)上，確定系統(tǒng)的測(cè)控目標(biāo)和任務(wù)，深入了解生產(chǎn)過(guò)程，分析工藝流程及工作環(huán)境，熟悉工藝要求，分析測(cè)控系統(tǒng)工藝參數(shù)的數(shù)目和控制指標(biāo)以及測(cè)控系統(tǒng)的操作要求等，從而確定具體的實(shí)施方法，合理分配資源。 總體方案設(shè)計(jì)包括硬件總體方案設(shè)計(jì)與軟件總體方案設(shè)計(jì)。依據(jù)技術(shù)要求和已做過(guò)的初步方案，分析開(kāi)展系統(tǒng)硬件與軟件的總體設(shè)計(jì)。這里要注意，硬件和軟件設(shè)計(jì)是有機(jī)聯(lián)系在一起的，它們相互影響，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要經(jīng)過(guò)多次的協(xié)調(diào)和反復(fù)，最后才能形成合理的總體設(shè)計(jì)方案。 2022/7/209詳細(xì)設(shè)計(jì)階段 在總體方案確定后，進(jìn)行系統(tǒng)硬件和軟件的具體設(shè)計(jì)。在進(jìn)

8、行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，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。 從快速性方面考慮，多采用硬件可以提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度，簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)工作。 從可靠性和抗干擾能力方面考慮，過(guò)多的采用硬件，會(huì)增加系統(tǒng)元器件數(shù)目降低系統(tǒng)的可靠性。 從系統(tǒng)成本方面考慮，多采用軟件可以降低成本。 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要充分利用自身的硬件資源，如輸入/輸出接口、通信等，當(dāng)固有資源不能滿(mǎn)足要求時(shí)，再進(jìn)行擴(kuò)展。 自行開(kāi)發(fā)控制軟件時(shí)，應(yīng)先畫(huà)出程序總體流程圖和各功能模塊流程圖，再選擇程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)程序。程序編寫(xiě)應(yīng)先模塊后整體，并考慮存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的類(lèi)型、存儲(chǔ)資源的分配。2022/7/2010（3）模擬和調(diào)試階段 測(cè)控系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)

9、計(jì)完成后，要進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。在實(shí)驗(yàn)室里，進(jìn)行硬件聯(lián)調(diào)、軟件聯(lián)調(diào)及樣機(jī)整機(jī)仿真調(diào)試，對(duì)已知的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行測(cè)控模擬比較，檢查各個(gè)部件安裝是否正確，并對(duì)其特性進(jìn)行檢查或測(cè)試，檢驗(yàn)系統(tǒng)的抗干擾能力，驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否正確和合理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行修改。（4）現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試階段 在實(shí)驗(yàn)室模擬與調(diào)試基礎(chǔ)上，根據(jù)工藝要求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)試各項(xiàng)性能指標(biāo)，嚴(yán)格按照章程進(jìn)行操作，進(jìn)一步修改并完善程序，直至系統(tǒng)能正常投入運(yùn)行。一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)很難一次設(shè)計(jì)完成，通常需要經(jīng)過(guò)多次修改。2022/7/2011測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖2022/7/20128.2 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法1. 測(cè)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)（1）確定系

10、統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和類(lèi)型 測(cè)控系統(tǒng)類(lèi)型多、選型范圍廣，可根據(jù)主要功能要求、技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和類(lèi)型的選擇。選型要保證性能指標(biāo)與技術(shù)措施，達(dá)到或超過(guò)技術(shù)指標(biāo)要求，在滿(mǎn)足需求的前提下，選擇性?xún)r(jià)比高的系統(tǒng)。（2）確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式專(zhuān)用測(cè)控系統(tǒng) 對(duì)于需要實(shí)現(xiàn)特殊功能的測(cè)控系統(tǒng)，需要設(shè)計(jì)制作專(zhuān)用設(shè)備裝置。根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，從微處理器芯片選擇開(kāi)始，設(shè)計(jì)完整的系統(tǒng)硬件電路和相應(yīng)的軟件，完成印制電路板圖設(shè)計(jì)，最終進(jìn)行安裝調(diào)試。這種方案完全根據(jù)控制任務(wù)的特點(diǎn)和需要設(shè)計(jì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、性?xún)r(jià)比高，主要適用于一些專(zhuān)用的、小規(guī)模的測(cè)控系統(tǒng)，如智能測(cè)控裝置、智能化儀表和各種家用電器。 2022/7/2013通用測(cè)控系統(tǒng) 對(duì)于通

11、用功能測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用通用計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)方案，選擇硬件、軟件資源豐富的測(cè)控裝置，標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、系列化、模塊化的測(cè)控裝置，如現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、IPC、PLC、智能調(diào)節(jié)器、PAC等。 這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開(kāi)放，人機(jī)聯(lián)系方便，容易實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制功能，硬件一般只需根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行必要的接口擴(kuò)展，軟件開(kāi)發(fā)可在已有的開(kāi)發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行，系統(tǒng)設(shè)計(jì)就像搭積木那樣組建系統(tǒng)，一些控制功能既能硬件實(shí)現(xiàn)，也能用軟件實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)工作量小。 這種方式可提高研制和開(kāi)發(fā)速度，提高系統(tǒng)的技術(shù)水平和性能，增加可靠性，容易實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制功能。 對(duì)于大中型規(guī)模的測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)者具有豐富的專(zhuān)用理論和實(shí)際工程設(shè)計(jì)能力與經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作量

12、大，過(guò)程復(fù)雜，通用測(cè)控系統(tǒng)方式是理想的選擇。2022/7/2014（3）測(cè)控系統(tǒng)主機(jī)的選擇 主機(jī)是整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的核心，它的選擇將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生決定性的影響。目前，可擔(dān)當(dāng)測(cè)控系統(tǒng)主機(jī)的機(jī)型很多，如IPC、PLC、PAC、各類(lèi)嵌入式微控制器等。在具體選型時(shí)，可以選擇IPC、PLC、智能儀表等現(xiàn)有測(cè)控硬件設(shè)備，設(shè)計(jì)者只需要根據(jù)測(cè)控任務(wù)選擇相應(yīng)的硬件配置，再配以軟件設(shè)計(jì)，即可完成測(cè)控任務(wù)。 總之，無(wú)論選擇哪一種，一般要考慮以下幾點(diǎn)： 用途字長(zhǎng)速度內(nèi)存容量指令的功能中斷能力硬、軟件支持成本2022/7/2015（4）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的選擇 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要包括傳感器、變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。傳感器是測(cè)控系統(tǒng)將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)輸入

13、到計(jì)算機(jī)的第一道環(huán)節(jié)，也是影響系統(tǒng)控制精度的主要因素之一。由于傳感器技術(shù)的發(fā)展非常迅速，各種各樣的傳感器應(yīng)運(yùn)而生，所以大多數(shù)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)只需從現(xiàn)有傳感器產(chǎn)品中正確地選擇，而不需要設(shè)計(jì)者自己另行研制。 可以根據(jù)以下幾點(diǎn)選用傳感器。根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類(lèi)型靈敏度的選擇頻率響應(yīng)特性線(xiàn)性范圍穩(wěn)定性精度2022/7/2016（5）硬件其他方面的考慮 總體方案中還應(yīng)考慮人機(jī)聯(lián)系方式、系統(tǒng)的機(jī)柜或機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抗干擾等方面的問(wèn)題。（6）軟件總體方案設(shè)計(jì) 軟件總體方案設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是確定軟件平臺(tái)、軟件結(jié)構(gòu)，任務(wù)分解，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制策略和控制算法等。 在軟件總體方案設(shè)計(jì)中，控制算法的

14、選擇直接影響到控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。由于被控對(duì)象多種多樣，相應(yīng)控制模型也各異，所以控制算法也是多種多樣。選擇哪一種控制算法主要取決于系統(tǒng)的特性和要求達(dá)到的控制性能指標(biāo)，同時(shí)還要考慮控制速度、控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。2022/7/20172.測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)（1）基本要求 對(duì)測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基本要求是： （1）滿(mǎn)足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，采用新技術(shù)，注意通用性，選擇典型電路； （2）注重標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，有利于模塊的商品化生產(chǎn)； （3）系統(tǒng)可擴(kuò)展，并留有適當(dāng)?shù)挠嗟?，以便二次開(kāi)發(fā)； （4）工藝設(shè)計(jì)時(shí)要考慮安裝、調(diào)試、維護(hù)； （5）要考慮研制成本、產(chǎn)品成本以及開(kāi)發(fā)周期。2022/

15、7/2018（3）基于微控制器測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 基于微控制器（如單片機(jī)）測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括元器件的選擇和電路的設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。 主控芯片的選擇。 外圍元器件的選擇。 進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)。 硬件電路的實(shí)現(xiàn)。 （2）總線(xiàn)式測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 選擇系統(tǒng)總線(xiàn)，包括內(nèi)總線(xiàn)和外總線(xiàn)的選擇。 選擇主機(jī)。 選擇輸入/輸出板卡。 選擇傳感器和變送器。 選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 控制操作面板設(shè)計(jì)。2022/7/20193.測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（1）軟件設(shè)計(jì)基本要求 對(duì)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的基本要求是： （1）可靠性高，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，軟件能可靠運(yùn)行并給出準(zhǔn)確結(jié)果，即軟件應(yīng)具有自適應(yīng)性；當(dāng)工業(yè)環(huán)境極其惡劣，干擾

16、嚴(yán)重，軟件必須保證在嚴(yán)重干擾條件下也能可靠運(yùn)行。 （2）實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能及時(shí)響應(yīng)外部事件的發(fā)生，并及時(shí)給出處理結(jié)果。 （3）準(zhǔn)確性高，算法選擇、位數(shù)選擇等要符合要求。 （4）易讀性強(qiáng)，容易理解、易維護(hù)，具有可測(cè)試性。 2022/7/2020（2）應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容 根據(jù)測(cè)控軟件的功能，一個(gè)測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件應(yīng)包含以下幾個(gè)主要模塊：數(shù)據(jù)采集及處理模塊 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集程序，主要是完成多路信號(hào)（包括模擬量、開(kāi)關(guān)量、數(shù)字量和脈沖量）的采樣、輸入變換、存儲(chǔ)等；數(shù)據(jù)處理程序包括：數(shù)字濾波程序，用來(lái)濾除干擾造成的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)或不宜使用的數(shù)據(jù)；線(xiàn)性化處理程序，對(duì)檢測(cè)元件或變送器的非線(xiàn)性用軟件補(bǔ)償；標(biāo)度變換程序，把采集到的數(shù)

17、字量轉(zhuǎn)換成操作人員所熟悉的工程量；數(shù)字信號(hào)采集與處理程序，對(duì)數(shù)字輸入信號(hào)進(jìn)行采集及碼制之間的轉(zhuǎn)換，如BCD碼轉(zhuǎn)換成ASCII碼等；脈沖信號(hào)處理程序，對(duì)輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行電平高低判斷和計(jì)數(shù)；開(kāi)關(guān)信號(hào)處理程序，判斷開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入狀態(tài)的變化情況，如果發(fā)生變化，則執(zhí)行相應(yīng)的處理程序；數(shù)據(jù)可靠性檢查程序，用來(lái)檢查是可靠輸入數(shù)據(jù)還是故障數(shù)據(jù)。2022/7/2021控制算法模塊 控制算法程序是計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中的一個(gè)核心程序模塊，主要實(shí)現(xiàn)所選控制規(guī)律的計(jì)算，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的控制量。它主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制，它根據(jù)各種各樣的控制算法和千差萬(wàn)別的被控對(duì)象的具體情況來(lái)編寫(xiě)，控制程序的主要目標(biāo)是滿(mǎn)足系統(tǒng)的性能指標(biāo)。 由采

18、樣讀入的數(shù)據(jù)或經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或打印，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的監(jiān)視；根據(jù)控制策略，判斷是否超出工藝參數(shù)的范圍，計(jì)算機(jī)要加以判別，如果超越了限定值，就需要由計(jì)算機(jī)或操作人員采取相應(yīng)的措施，實(shí)時(shí)地對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制，或輸出其他有關(guān)信號(hào)，如報(bào)警信號(hào)等，確保生產(chǎn)的安全。監(jiān)控報(bào)警模塊2022/7/2022 首先用來(lái)將各個(gè)功能模塊程序組織成一個(gè)程序系統(tǒng)，并管理和調(diào)用各個(gè)功能模塊程序；其次用來(lái)管理數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)和輸出。系統(tǒng)管理程序一般以文字菜單和圖形菜單的人機(jī)界面技術(shù)來(lái)組織、管理和運(yùn)行系統(tǒng)程序。系統(tǒng)管理模塊 這部分程序用于生產(chǎn)管理部分，主要包括變化趨勢(shì)分析、報(bào)警記錄、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、打印輸

19、出、數(shù)據(jù)操作、生產(chǎn)調(diào)度及庫(kù)存管理等程序。數(shù)據(jù)管理模塊2022/7/2023 分為兩部分：人機(jī)對(duì)話(huà)程序包括顯示、鍵盤(pán)、指示等程序；畫(huà)面顯示程序包括用圖、表及曲線(xiàn)在CRT顯示器上形象地反映生產(chǎn)狀況的遠(yuǎn)程監(jiān)控程序等。人機(jī)交互模塊 數(shù)據(jù)通信程序是用于完成計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與智能設(shè)備之間大信息傳遞和交換。它的主要功能有：設(shè)置數(shù)據(jù)傳送的波特率（速率）；上位機(jī)向數(shù)據(jù)采集站發(fā)送機(jī)號(hào)；上位機(jī)接收和判斷數(shù)據(jù)采集站發(fā)回的機(jī)號(hào)；命令相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集站傳送數(shù)據(jù)；上位機(jī)接收數(shù)據(jù)采集站傳送來(lái)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通信模塊2022/7/2024（3）應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)步驟系統(tǒng)定義 在著手軟件設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)者必須先進(jìn)行系統(tǒng)定義（或說(shuō)明）

20、。所謂系統(tǒng)定義，就是清楚地列出計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)各個(gè)部分與軟件設(shè)計(jì)的有關(guān)特點(diǎn)，并進(jìn)行定義和說(shuō)明，以此作為軟件設(shè)計(jì)的依據(jù)。繪制流程圖 我們可以把測(cè)控系統(tǒng)整個(gè)軟件分解為若干部分，它們各自代表了不同的分立操作，把這些不同的分立操作用方框表示，并按一定順序用連線(xiàn)連接起來(lái)，表示它們的操作順序。這種互相聯(lián)系的表示圖稱(chēng)為功能流程圖。2022/7/2025 編寫(xiě)程序可用機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言或各種高級(jí)語(yǔ)言。究竟采用何種語(yǔ)言則由程序長(zhǎng)度、測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求及所具備的研制工具而定。在復(fù)雜的系統(tǒng)軟件中，一般采用高級(jí)語(yǔ)言。對(duì)于規(guī)模不大的應(yīng)用軟件，大多用匯編語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)。編寫(xiě)程序 測(cè)試是計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中很關(guān)鍵的一步，其

21、目的是為了在軟件引入測(cè)控系統(tǒng)之前，找出并改正邏輯錯(cuò)誤或與硬件有關(guān)的程序錯(cuò)誤。由于測(cè)控系統(tǒng)的軟件通常都存放在只讀存儲(chǔ)器中，因此，程序在寫(xiě)入只讀存儲(chǔ)器之前必須進(jìn)行徹底測(cè)試。軟件測(cè)試2022/7/2026 文檔編制也是軟件設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。它不僅有助于設(shè)計(jì)者進(jìn)行查錯(cuò)和測(cè)試，而且對(duì)程序的使用和擴(kuò)充也是必不可少的。如果文檔編寫(xiě)的不好，不能說(shuō)明問(wèn)題，程序就難以維護(hù)、使用和擴(kuò)充。一個(gè)完整的應(yīng)用軟件文檔，一般應(yīng)包括流程圖、程序的功能說(shuō)明、所有參量的定義清單、存儲(chǔ)器的分配圖、完整的程序清單和注釋、測(cè)試計(jì)劃和測(cè)試結(jié)果說(shuō)明。文檔編制 軟件的維護(hù)是指軟件的修復(fù)、改進(jìn)和擴(kuò)充。當(dāng)軟件投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行后，一方面可能會(huì)發(fā)生各種現(xiàn)場(chǎng)

22、問(wèn)題，因而必須利用特殊的診斷方式和其他的維護(hù)手段，像維護(hù)硬件那樣修復(fù)各種故障；另一方面，用戶(hù)往往會(huì)由于環(huán)境或技術(shù)業(yè)務(wù)的變化，提出比原計(jì)劃更多的要求，因而需要對(duì)原來(lái)的應(yīng)用軟件進(jìn)行改進(jìn)或擴(kuò)充，以適應(yīng)情況變化的需要。軟件維護(hù)2022/7/20274.測(cè)控系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)（1）硬件抗干擾措施 硬件抗干擾的措施很多，主要包括隔離、屏蔽、濾波、電源抗干擾技術(shù)、接地抗干擾技術(shù)。 隔離是把干擾源與接收系統(tǒng)隔離開(kāi)來(lái)，使有用信號(hào)正常傳輸，而干擾耦合通道被切斷，達(dá)到抑制干擾的目的。 屏蔽是將干擾源或干擾對(duì)象包圍起來(lái)，從而割斷或削弱干擾場(chǎng)的空間耦合通道，阻止其電磁能量的傳輸。 濾波是構(gòu)成濾波器對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)頻率濾波，讓所需

23、要的頻率成分通過(guò)，而將干擾頻率成分加以抑制。 2022/7/2028（2）軟件抗干擾措施 軟件抗干擾的措施主要有：數(shù)字濾波、看門(mén)狗、軟件“陷阱”、軟件冗余技術(shù)、重要數(shù)據(jù)備份技術(shù)。 數(shù)字濾波是提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可靠性最有效的方法，一般在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前先要對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)字濾波。數(shù)字濾波是一種程序?yàn)V波，通過(guò)一定的計(jì)算程序減少干擾信息在有用信號(hào)中的比重。數(shù)字濾波的方法很多，各有特點(diǎn)，如程序判斷濾波法、中值濾波法、算術(shù)平均值濾波法、加權(quán)平均值濾波法、滑動(dòng)平均值濾波法、慣性濾波法、復(fù)合濾波法。 看門(mén)狗WD（Watch Dog）使用監(jiān)控定時(shí)器，定時(shí)檢查某段程序或接口，利用定時(shí)中斷來(lái)監(jiān)視程序運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)超過(guò)一

24、定時(shí)間系統(tǒng)沒(méi)有檢查這段程序或接口時(shí)，可以認(rèn)定系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)，通過(guò)軟件進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位或按事先預(yù)定方式運(yùn)行，幫助系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行。2022/7/20298.3 計(jì)算機(jī)溫度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1. 設(shè)計(jì)任務(wù) 以烤箱溫度為控制對(duì)象，對(duì)其溫度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。具體設(shè)計(jì)要求如下： 1功能要求： （1）工作方式：具有手動(dòng)調(diào)節(jié)和閉環(huán)自動(dòng)控制兩種方式； （2）控制量：手動(dòng)時(shí)，控制量通過(guò)面板調(diào)整；閉環(huán)時(shí)，控制量由模擬輸入或上位機(jī)輸入； （3）顯示量：能夠顯示實(shí)際溫度、設(shè)定溫度等； （4）數(shù)字通信：配備串行通訊接口，可實(shí)現(xiàn)接收下位機(jī)上傳數(shù)據(jù)的采集、顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。2022/7/2030 2性能指標(biāo)： （1）溫度測(cè)量（

25、控制）范圍：0200； （2）檢測(cè)精度：0.1； （3）控制精度：0.5； （4）溫度顯示刷新速度：1次/s； （5）過(guò)零觸發(fā)控制周期：2s。2022/7/20312. 總體方案設(shè)計(jì)（1）系統(tǒng)控制方案的確定 在溫度控制系統(tǒng)中，首先將需要控制的被測(cè)溫度參數(shù)由傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再與預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行比較，把比較得到的差值信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到相應(yīng)的控制值，再輸送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)增加或減少供給被控對(duì)象的熱量，使被控溫度調(diào)節(jié)到整定值，重復(fù)上述工作可達(dá)到調(diào)節(jié)的目的。2022/7/2032（2）微控制器的選擇 目前，微控制器（即單片機(jī)）作為嵌入式技術(shù)的核心，測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用己經(jīng)越來(lái)越廣泛越來(lái)越普遍。本系統(tǒng)的功能和

26、性能如前所述，為了實(shí)現(xiàn)這些功能和性能，測(cè)控系統(tǒng)是一個(gè)基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)。單片機(jī)型號(hào)的選擇主要從以下兩點(diǎn)考慮：一是要有較強(qiáng)的抗干擾能力；二是要有較高的性?xún)r(jià)比。因此本系統(tǒng)采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52作為下位機(jī)的控制器。（3）溫度傳感器的選用 溫度傳感器一般是利用材料熱敏特性，實(shí)現(xiàn)由溫度到電參量的轉(zhuǎn)換。 在溫度的采集測(cè)量過(guò)程中，熱電偶具有體積小、使用方便、測(cè)溫范圍寬、測(cè)溫精度高、性能穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、輸出直接是電壓信號(hào)，便于訊號(hào)的遠(yuǎn)傳和記錄，也有利于集中檢測(cè)和控制等優(yōu)點(diǎn)，由此成為了工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器。因此，本系統(tǒng)選擇K型熱電偶作為溫度傳感器。2022/7/2033（4）溫度控制

27、方式 在本系統(tǒng)中采用通斷控制的方式來(lái)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。 設(shè)電網(wǎng)連續(xù)N個(gè)完整的周波為一個(gè)控制周期為 若在設(shè)定的控制周期Tc內(nèi)控制主回路導(dǎo)通n(nN）個(gè)完整的周波，則負(fù)載功率為 因此，控制在設(shè)定周期Tc內(nèi)主回路導(dǎo)通的周波數(shù)n的個(gè)數(shù)，就可調(diào)節(jié)負(fù)載的功率 。2022/7/20343.系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和控制算法（1）被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立 本系統(tǒng)的被控對(duì)象電烤箱為純滯后的一階對(duì)象，其傳遞函數(shù)為：2022/7/2035（2）控制算法的確定 由上述建立的被控對(duì)象傳遞函數(shù)可知，電烤箱溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，可以采用Simth預(yù)估控制算法或大林算法。 當(dāng)純滯后時(shí)間 與被控對(duì)象慣性時(shí)間常數(shù)Tp之比0

28、.5時(shí)，稱(chēng)被控過(guò)程具有一般的純滯后，可以通過(guò)常規(guī)控制方法獲得較好的控制效果。本系統(tǒng)中，所以，采用工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中普遍使用的PID控制算法。 這里我們采用第三章給出的擴(kuò)充響應(yīng)曲線(xiàn)法整定PID參數(shù)，取控制度為1.05，利用Simulink仿真軟件整定出PID控制器初值為2022/7/20364. 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件組成框圖2022/7/2037（1）溫度檢測(cè)電路 根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)選用K型熱電偶檢測(cè)溫度。由于熱電偶應(yīng)用于計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)時(shí)，存在信號(hào)弱、需要冷端補(bǔ)償、輸出具有非線(xiàn)性等問(wèn)題，所以，在將熱電偶用于單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)，必須采取“傳感器濾波器放大器冷端補(bǔ)償線(xiàn)性化處理”模式。此外，采用熱電偶測(cè)溫輸出的是模擬電壓信號(hào)，而單片機(jī)只能接受處理數(shù)字信號(hào)，因此，還需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。 由系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)可知，本系統(tǒng)的溫度范圍為0200，檢測(cè)精度為0.1，故A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)應(yīng)選用12位為宜。K型熱電偶實(shí)物圖MAX6675的引腳圖2022/7/2038（2）MAX6675與單