第八章計算機控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

第八章計算機控制系統(tǒng)設計與實現(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)設計具體要求是不同的，但設計的基本要求是大體相同的。具體表現(xiàn)在：1．系統(tǒng)應具有優(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。硬件和軟件設計時都要考慮這個問題。在配置軟件時，就應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，零部件的配置應便于操作人員維修。8.1計算機控制系統(tǒng)設計原則第二頁，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備和不同的過程參數(shù)，但各個設備和控制對象的要求是不同的，而且控制設備還有更新，控制對象還有增減。系統(tǒng)設計時應考慮能適應各種不同設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，引起嚴重后果。因此在計算機控制系統(tǒng)設計時，通常應考慮后援手段，如配備常規(guī)控制裝置或手動控制裝置作后備。通常可直接采用多臺計算機組成熱備份（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，并做出相應的處理，不丟失信息、不延誤操作。5．設計周期要短，價格要便宜計算機應用技術發(fā)展迅速，各種新技術和產(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，應縮短設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)設計步驟1．研究被控對象、確定控制任務2．確定系統(tǒng)整體方案(1)確定系統(tǒng)的性質(zhì)和結構(2)確定執(zhí)行機構方案(3)控制系統(tǒng)總體“黑箱”設計(4)控制系統(tǒng)層次以及硬件、軟件功能劃分在總體方案設計完成后，形成了系統(tǒng)組成的粗線條框圖結構、硬件與軟件劃分等文件，供詳細設計使用。以此作為進一步設計的依據(jù)。第六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四3．建立數(shù)學模型，確定控制算法4．硬件的設計(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)過程通道及接口設計(4)控制臺設計(5)可靠性設計(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)軟件設計步驟①問題定義②細化設計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(開關量)輸入通道就是為此而設置的兩種檢測通道。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、電平的高低、脈沖量等數(shù)字或開關信號，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)字量或開關量，故應采用數(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、開關量和模擬量。·狀態(tài)信息：又叫做應答信息、握手信息，它反映過程通道的狀態(tài)，如準備就緒信號等。·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是將模擬量輸入信號進行變換、采樣、放大、模/數(shù)轉換，轉換成二進制數(shù)字量輸入計算機。模擬量輸入通道一般由信號處理、多路轉換器、放大器、采樣保持器和A/D轉換器組成。2．數(shù)字量輸入通道數(shù)字量輸入通道主要由兩態(tài)信息轉換電路和接口電路組成。兩態(tài)信息轉換電路的作用是將生產(chǎn)現(xiàn)場的兩態(tài)信息轉換成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)信息轉換電路應能消除開關機械抖動的影響，有的應能與強電信號隔離，防止各種干擾。(1)開關量輸入通道(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輸出通道設立輸入通道的作用在于將被控對象的各種信息轉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)生的相應的控制命令或控制量，也必須轉換成相應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)進行轉換并能傳送給執(zhí)行機構的裝置構成的信號路徑，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是把計算機輸出的數(shù)字量變換成模擬量，這個任務主要由數(shù)/模轉換器來完成，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構形式。(1)獨立數(shù)/模轉換器形式圖8.2獨立的多通道D/A轉換結構圖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)／模轉換器的形式圖8.3多通道共享D/A的結構框圖I/O接口電路D/A保持器┇多路開關保持器第十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期四2．數(shù)字量輸出通道數(shù)字量輸出通道的任務是根據(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)及相應的配置也不相同。其中，最為常用的數(shù)字控制信號是開關且和脈沖量信號。數(shù)字量輸出通道中，由于許多執(zhí)行機構往往需要開關量的控制信號。這時，CPU可以通過I/O接口電路直接對執(zhí)行機構進行控制，也可以通過半導體開關或機械式繼電器接點的開閉去控制。數(shù)字量輸出通道的關鍵往往是要解決執(zhí)行機構的功率驅(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)抗干擾技術計算機控制系統(tǒng)大多用于工業(yè)控制現(xiàn)場，條件復雜惡劣，干擾頻繁。干擾嚴重影響控制系統(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，重視CPU可靠運行的抗干擾技術相應用軟件中對數(shù)字信號的數(shù)據(jù)處理技術。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(1)接地方式“安全接地”一般均采用一點接地方式。“工作接地”依工作電流頻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(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變?yōu)殡?、磁、光及其它物理量作為中間量，使兩側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轉換器(4)采用調(diào)制解調(diào)技術(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。共模干擾只有轉換成串模干擾才會影響系統(tǒng)。可以選擇隔離技術，使共模干擾不能構成回路。對于由共模干擾轉換過來的，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，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)轉換芯片換算成相應的數(shù)字量后，再送入計算機中進行判別和運算，得到應有的電功率數(shù)(增量值)，經(jīng)過數(shù)模轉換芯片轉換成模擬量信號，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