第八章計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

第八章計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)第一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四對于不同的控制對象，系統(tǒng)設(shè)計具體要求是不同的，但設(shè)計的基本要求是大體相同的。具體表現(xiàn)在：1．系統(tǒng)應(yīng)具有優(yōu)良的操作性能操作性能好，包括兩個含義，即使用方便和維修容易。硬件和軟件設(shè)計時都要考慮這個問題。在配置軟件時，就應(yīng)考慮配置什么樣的軟件才能降低對操作人員專業(yè)知識的要求。硬件方面，零部件的配置應(yīng)便于操作人員維修。8.1計算機控制系統(tǒng)設(shè)計原則第二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四2．通用性好、便于擴充一個計算機控制系統(tǒng)，一般可以控制多個設(shè)備和不同的過程參數(shù)，但各個設(shè)備和控制對象的要求是不同的，而且控制設(shè)備還有更新，控制對象還有增減。系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮能適應(yīng)各種不同設(shè)備和各種不同控制對象，使系統(tǒng)不必大改動就能很快適應(yīng)新的情況。這就要求系統(tǒng)的通用性要好，能靈活地進行擴充。第三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四3．可靠性高可靠性高是計算機控制系統(tǒng)設(shè)計最重要的一個基本要求。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障將造成整個生產(chǎn)過程的混亂，引起嚴(yán)重后果。因此在計算機控制系統(tǒng)設(shè)計時，通常應(yīng)考慮后援手段，如配備常規(guī)控制裝置或手動控制裝置作后備。通?？芍苯硬捎枚嗯_計算機組成熱備份（備份機與控制機同時工作但不介入控制，一旦主控制機有故障就切換到備份機上）或冷備份（備份機處于待工作狀態(tài)，一旦主控機有故障就啟動備份機投入工作）等工作方式來提高系統(tǒng)的可靠性。第四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四4．實時性好工業(yè)控制機的實時性，表現(xiàn)在對內(nèi)部和外部的事件能及時地響應(yīng)，并做出相應(yīng)的處理，不丟失信息、不延誤操作。5．設(shè)計周期要短，價格要便宜計算機應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速，各種新技術(shù)和產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，在滿足精度、速度和其它性能要求的前提下，應(yīng)縮短設(shè)計周期和盡可能采用價格低的元器件，以降低整個控制系統(tǒng)的費用。第五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四8.2計算機控制系統(tǒng)設(shè)計步驟1．研究被控對象、確定控制任務(wù)2．確定系統(tǒng)整體方案(1)確定系統(tǒng)的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)(2)確定執(zhí)行機構(gòu)方案(3)控制系統(tǒng)總體“黑箱”設(shè)計(4)控制系統(tǒng)層次以及硬件、軟件功能劃分在總體方案設(shè)計完成后，形成了系統(tǒng)組成的粗線條框圖結(jié)構(gòu)、硬件與軟件劃分等文件，供詳細設(shè)計使用。以此作為進一步設(shè)計的依據(jù)。第六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四3．建立數(shù)學(xué)模型，確定控制算法4．硬件的設(shè)計(1)確定過程的輸入、輸出通道及其處理方式(2)計算機系統(tǒng)選擇(3)過程通道及接口設(shè)計(4)控制臺設(shè)計(5)可靠性設(shè)計(6)硬件調(diào)試第七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四5．軟件的設(shè)計(1)選擇編程語言①匯編語言②高級語言③混合語言(2)軟件設(shè)計步驟①問題定義②細化設(shè)計③編制源程序④形成可執(zhí)行代碼⑤調(diào)試第八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四6．系統(tǒng)仿真與調(diào)試(1)實驗室硬件聯(lián)調(diào)(2)實驗室軟件聯(lián)調(diào)(3)實驗室系統(tǒng)仿真7．現(xiàn)場安裝調(diào)試第九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四8.3計算機控制系統(tǒng)輸入／輸出通道設(shè)計

8.3.1過程輸入輸出通道的組成與功能

根據(jù)過程信息的性質(zhì)及傳送方向，過程通道包括模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道。要對工業(yè)現(xiàn)場實現(xiàn)控制，就必須對它的運行狀態(tài)進行檢測。模擬量輸入通道和數(shù)字量(開關(guān)量)輸入通道就是為此而設(shè)置的兩種檢測通道。生產(chǎn)過程的被調(diào)參數(shù)(一般包括壓力、流量、溫度、液面高度等等)一般都是隨時間變化的模擬量，通過檢測元件和傳感器，可以把它們轉(zhuǎn)換成模擬電流或電壓。由于計算機只能識別數(shù)字量，故模擬電信號必須通過模擬量輸入通道變換成相應(yīng)的數(shù)字信號，才能送入計算機；而生產(chǎn)現(xiàn)場的兩態(tài)開關(guān)、電平的高低、脈沖量等數(shù)字或開關(guān)信號，則須通過數(shù)字量輸入通道輸入計算機。第十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四計算機控制生產(chǎn)現(xiàn)場的控制通道也有兩種，即模擬量輸出通道及數(shù)字量輸出通道。計算機輸出的控制信號是以數(shù)字形式給出的，有的生產(chǎn)過程的執(zhí)行元件要求提供模擬電流或電壓，故應(yīng)采用模擬量輸出通道實現(xiàn)；有的執(zhí)行元件只要求提供數(shù)字量或開關(guān)量，故應(yīng)采用數(shù)字量輸出通道?？梢?，過程通道是計算機和工業(yè)生產(chǎn)過程(控制對象)相互交換信息的橋梁。第十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四8.3.2過程輸入輸出通道的控制方式1．過程輸入輸出通道與CPU交換就信息類型過程輸入輸出通道與CPU交換的信息類型有三種：·數(shù)據(jù)信息：反映生產(chǎn)現(xiàn)場的參數(shù)及狀態(tài)的信息，它包括數(shù)字量、開關(guān)量和模擬量?！顟B(tài)信息：又叫做應(yīng)答信息、握手信息，它反映過程通道的狀態(tài)，如準(zhǔn)備就緒信號等。·控制信息：用來控制過程通道的啟動和停止等信息，如三態(tài)門的打開和關(guān)閉、觸發(fā)器的啟動等。第十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四2．過程通道的編址方式由于計算機控制系統(tǒng)一般都有多個過程輸入輸出通道，因此需對每一個過程輸入輸出通道安排地址。過程通道編址方式有兩種：·過程通道與存儲器獨立編址方式·過程通道與存儲器統(tǒng)一編址方式第十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四3．CPU對過程通道的控制方式計算機的外圍設(shè)備及過程通道種類繁多，它們的傳送速率又很不相同。因此輸入輸出產(chǎn)生復(fù)雜的定時問題，也就是CPU采用什么控制方式向過程通道輸入和輸出數(shù)據(jù)。常用的控制方式有三種：·程序查詢方式·中斷控制方式·直接存儲器存取(DMA)方式第十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四8.3.3輸入通道1．模擬量輸入通道模擬量輸入通道的任務(wù)是將模擬量輸入信號進行變換、采樣、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)字量輸入計算機。模擬量輸入通道一般由信號處理、多路轉(zhuǎn)換器、放大器、采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器組成。2．?dāng)?shù)字量輸入通道數(shù)字量輸入通道主要由兩態(tài)信息轉(zhuǎn)換電路和接口電路組成。兩態(tài)信息轉(zhuǎn)換電路的作用是將生產(chǎn)現(xiàn)場的兩態(tài)信息轉(zhuǎn)換成TTL電平信號，通過I/O接口電路傳送到計算機系統(tǒng)。第十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四根據(jù)現(xiàn)場信號的不同，有的兩態(tài)信息轉(zhuǎn)換電路應(yīng)能消除開關(guān)機械抖動的影響，有的應(yīng)能與強電信號隔離，防止各種干擾。(1)開關(guān)量輸入通道(2)脈沖量輸入通道(3)中斷輸入通道(4)數(shù)字編碼輸入第十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四8.3.4輸出通道設(shè)立輸入通道的作用在于將被控對象的各種信息轉(zhuǎn)換成計算機可以接受的信息，以供計算機處理。而計算機處理后產(chǎn)生的相應(yīng)的控制命令或控制量，也必須轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的物理量才能對被控對象實施控制。這種由可將計算機發(fā)出的控制指令(或控制量)進行轉(zhuǎn)換并能傳送給執(zhí)行機構(gòu)的裝置構(gòu)成的信號路徑，稱之為輸出通道。第十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四1．模擬量輸出通道模擬量輸出通道的任務(wù)是把計算機輸出的數(shù)字量變換成模擬量，這個任務(wù)主要由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器來完成，對于模擬量輸出通道，要求可靠性高，滿足一定的精度，還必須具有保持的功能。保持器一般有數(shù)字保持和模擬保持兩種方案，這就決定了模擬量輸出通道的兩種基本結(jié)構(gòu)形式。(1)獨立數(shù)/模轉(zhuǎn)換器形式圖8.2獨立的多通道D/A轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)圖I/O接口電路D/AD/A┇第十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四(2)共用數(shù)／模轉(zhuǎn)換器的形式圖8.3多通道共享D/A的結(jié)構(gòu)框圖I/O接口電路D/A保持器┇多路開關(guān)保持器第十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四2．?dāng)?shù)字量輸出通道數(shù)字量輸出通道的任務(wù)是根據(jù)計算機輸出的數(shù)字信號去控制電接點的通、斷或數(shù)字式執(zhí)行器的啟、停等，簡稱DO(DigitalOutput)通道。根據(jù)被控對象的不同，其輸出的數(shù)字控制信號的形態(tài)及相應(yīng)的配置也不相同。其中，最為常用的數(shù)字控制信號是開關(guān)且和脈沖量信號。數(shù)字量輸出通道中，由于許多執(zhí)行機構(gòu)往往需要開關(guān)量的控制信號。這時，CPU可以通過I/O接口電路直接對執(zhí)行機構(gòu)進行控制，也可以通過半導(dǎo)體開關(guān)或機械式繼電器接點的開閉去控制。數(shù)字量輸出通道的關(guān)鍵往往是要解決執(zhí)行機構(gòu)的功率驅(qū)動問題。第二十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四8.4計算機控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù)計算機控制系統(tǒng)大多用于工業(yè)控制現(xiàn)場，條件復(fù)雜惡劣，干擾頻繁。干擾嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。環(huán)境的特殊，要求計算機控制系統(tǒng)必須有極高的抗干擾能力。為此，必須分析干擾的來源，研究對于不同的干擾源采用哪些相應(yīng)的行之有效的抑制或消除干擾的措施，重視接地、布線和供電方面的抗干擾技術(shù)，重視CPU可靠運行的抗干擾技術(shù)相應(yīng)用軟件中對數(shù)字信號的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。第二十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四8.4.1干擾的來源計算機控制系統(tǒng)運行環(huán)境的各種干擾主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1．惡劣的供電條件2．嚴(yán)重的噪聲環(huán)境此外，還有來自空間的干擾，如太陽及其它天體輻射的電磁波，廣播電臺或通訊發(fā)射臺發(fā)出的電磁波，周圍電氣設(shè)備如電機、變壓器、中頻爐、可控硅逆變電源等發(fā)出的電干擾和磁干擾，氣象條件、空中雷電、甚至地磁場的變化也會引起干擾。這些空間輻射干擾有時會使計算機不能正常工作。第二十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四8.4.2干擾的抑制方法1．接地技術(shù)(1)接地方式“安全接地”一般均采用一點接地方式?！肮ぷ鹘拥亍币拦ぷ麟娏黝l率不同而有一點接地和多點接地兩種。低頻時，因地線上的分布電感并不嚴(yán)重，故往往采用一點按地；高頻情況下，由于電感分量大，為減少引線電感，故采用多點接地。頻帶很寬時，常采用一點接地和多點接地相結(jié)合的混合接地方式。第二十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四(2)浮地系統(tǒng)和接地系統(tǒng)(3)交流地與直流地分開(4)模擬地與數(shù)字地分開(5)印刷電路板的地線安排(6)屏蔽地2．屏蔽技術(shù)(1)電場屏蔽(2)電磁屏蔽(3)磁場屏蔽第二十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四3．隔離技術(shù)隔離的實質(zhì)是切斷共地耦合通道，抑制因地環(huán)路引入的干擾。隔離是將電氣信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡姟⒋?、光及其它物理量作為中間量，使兩側(cè)的電流回路相對隔離又能實現(xiàn)信號的傳遞。如圖8.4所示。(a)變壓器隔離(b)繼電器隔離(c)光電耦合器隔離圖8.4隔離電路電路電路電路電路電路電路第二十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四4．串模干擾的抑制串模干擾(又稱常態(tài)干擾、正相干擾)是干擾電壓和信號電壓串聯(lián)疊加于負(fù)載或放大電路的輸入端，它常常表現(xiàn)為通道一個輸入端對另一個輸入端電壓變化的干擾?？勾８蓴_的技術(shù)措施有：(1)合理選用信號線(2)在信號電路中加裝濾波器(3)選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器(4)采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)(5)用光電耦合器隔離干擾(6)配備高質(zhì)量的穩(wěn)壓電源第二十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四5．共模干擾的抑制共模干擾(又稱共態(tài)干擾、同相干擾)表現(xiàn)為通道兩信號端相對于零電位參考點所共有的干擾電壓，包括交流和直流的兩種電壓。共模干擾只有轉(zhuǎn)換成串模干擾才會影響系統(tǒng)?？梢赃x擇隔離技術(shù)，使共模干擾不能構(gòu)成回路。對于由共模干擾轉(zhuǎn)換過來的，并且已疊加在有用信號上的串模干擾，可用前面?zhèn)€紹的抗串模干擾的方法來濾除。6．電源噪聲的抑制實踐說明，電源的干擾是計算機控制系統(tǒng)的主要干擾，抑制這種干擾的主要措施有以下幾個方面。(1)電源變壓器的屏蔽第二十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四(2)交流穩(wěn)壓器(3)隔離變壓器(4)低通濾波器(5)采用分散獨立功能塊供電7．提高軟件可靠性軟件可靠性技術(shù)，主要有以下兩個方面的內(nèi)容。(1)通過軟件提高系統(tǒng)的可靠性(2)提高軟件自身的可靠性第二十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四8.5計算機控制系統(tǒng)應(yīng)用實例電阻爐爐溫的控制，根據(jù)工藝的要求不同而有所變化，但大體上可歸納為以下幾個過程：(1)自由升溫段，即根據(jù)電阻爐自身約條件對升溫速度沒有控制的自然升溫過程。(2)恒速升溫段，即要求爐溫上升的速度按某一斜率進行。(3)保溫段，即要求在這一過程中爐溫基本保持不變。(4)慢速降溫段，即要求爐溫下降的速度按某一斜率進行。(5)自由降溫段。第二十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四1．工藝要求要求電阻爐爐內(nèi)的溫度，應(yīng)按圖8.6所示的規(guī)律變化；從室溫t0開始到a點為自由升溫段，當(dāng)溫度一旦到達a點(即Ta點)，就進入系統(tǒng)調(diào)節(jié)。從b點到c點為保溫段，要始終在系統(tǒng)控制之下，以保證所需的爐內(nèi)溫度的精度。加工結(jié)束，即由c到d點為自然降溫段。保溫段的時間為50～100分鐘。爐溫變化曲線對各項品質(zhì)指標(biāo)的要求如下：abcdTa圖8.6爐溫控制要求T0℃0t0

t1

t2

t3

t

第三十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四過渡過程時間：即從升溫開始到進入保溫段的時間t1≤100分鐘超調(diào)量：即升溫過程的溫度最大值(TM)與保溫值(T0)之差與保溫值之比；靜態(tài)誤差：即當(dāng)溫度進入保溫段后的實際溫度值(T)與保溫值(T0)之差與保溫值之比。溫度保溫值的變化范圍：50～100℃。設(shè)保溫值為100℃。第三十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四2．系統(tǒng)的組成和基本工作原理本電阻爐爐溫自動控制系統(tǒng)方塊圖如圖8.7所示。計算機D/A變送器1可控硅電阻爐檢測元件A/D變送器2圖8.7電阻爐爐溫自動控制系統(tǒng)第三十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四控制過程：計算機定時(即采樣周期)對爐溫進行測量和控制一次，爐內(nèi)溫度是由一鉑電阻溫度計來進行測量，其信號經(jīng)放大送到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片換算成相應(yīng)的數(shù)字量后，再送入計算機中進行判別和運算，得到應(yīng)有的電功率數(shù)(增量值)，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成模擬量信號，供給可控硅功率調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，使其達到爐溫變化曲線的要求。第三十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四3．對象特性的測量和識別(1)對象模型的歸納根據(jù)描述對象特性需用微分方程的階數(shù)不同，對象可分一階或二階。至于階數(shù)高于二階的由于實際計算，分析參數(shù)有困難而用純滯后的一、二階方程來近似代替，因此實用上對象模型的基本形式常取如下幾種：·一階對象對象的微分方程為則它的傳遞函數(shù)為第三十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四它的飛升曲線如圖8.8所示。一般幅值的階躍信號輸入時，輸出穩(wěn)態(tài)值除以輸入幅度值即為放大倍數(shù)K，輸出從起始值到達0.632穩(wěn)態(tài)值的時間即為時間常數(shù)T。Typ0.632yp0y(t)t圖8.8飛升曲線一第三十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四·純滯后的一階對象這種對象的微分方程為則它的傳遞函數(shù)為它的飛升曲線如圖8.9所示。它與圖8.8的唯一區(qū)別在于起始有一段純滯后。τT+τyp0.632yp0y(t)t圖8.9飛升曲線二第三十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四(2)飛升曲線的測量測量的方法：它在穩(wěn)定控制信號作用下系統(tǒng)有一個穩(wěn)定的輸出，然后突然在輸入端加一幅度適宜的階躍控制信號。輸出對應(yīng)也有一個變化部分，此即為輸出的飛升曲線，如圖8.10所示。y1y00y(t)t圖8.10飛升曲線三第三十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四若將飛升曲線單獨畫出，即為圖8.8所示。利用上述同樣的方法測得的電阻爐爐溫的飛升曲線如圖8.11所示。τT+τyp0y(t)t圖8.11飛升曲線四第三十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四將上述所測得的飛升曲線與典型傳遞函數(shù)的飛升曲線比較，可知圖8.10是一階對象的飛升曲線，而圖8.11是帶純滯后的一階對象。其傳遞函數(shù)是：式中：K——放大系數(shù)

T——對象時間常數(shù)τ——對象滯后時間(3)一階對象參數(shù)的求取對于一階對象的放大倍數(shù)K可由輸出穩(wěn)態(tài)值和輸入階躍信號幅值的比值求得。輸出從起始值到達0.632倍穩(wěn)態(tài)值的時間即為對象時間常數(shù)。而對象滯后時間τ可直接從圖中測量。第三十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四但實測的飛升曲線起始部分有彎曲，不易找到確切的位置來定滯后時間，這時可用一階加純滯后的虛線曲線來迫近，使后面大部分重合，而起始部分則可定出一個等效的滯后時間τ，這時可在曲線斜率的轉(zhuǎn)折點(即拐點)處作一切線，如圖8.11所示。該切線與時間軸的交點認(rèn)為是一階的起點，即純滯后時間τ，而切線與穩(wěn)態(tài)值的交點時間應(yīng)為T，加上純滯后時間則實測為τ+T。這樣就求出了一階對象的三個參數(shù)K、T、τ。設(shè)所得的飛升曲線求得本電阻爐的參數(shù)為T=72（分鐘）τ=8（分鐘）K=330第四十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四4．控制規(guī)律的選擇和參數(shù)的計算計算機參與控制的形式是多種多樣的，它取決于控制規(guī)律的選擇以及受控對象的特性，現(xiàn)僅結(jié)合本電阻爐的要求，作如下的分析：根據(jù)爐溫變化曲線的要求，可將其分為三段來進行控制；自由升溫段，保溫段和自然降溫段。而真正需要電氣控制的是前面二個階段，即自由升溫段和保溫段。為避免過沖，從室溫到80%額定溫度為自由升溫段，在±20％額定溫度時為保溫段。在自由升溫段中，希望升溫越快越好，總是將加熱功率全開足，因此得自由升溫段控制規(guī)律為：當(dāng)T≤0.8T0時，選Pk=1；第四十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四在T＞0.8T0后，已較接近需要保溫的值T0，為此采用保