第七章 控制系统总体设计

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1、第七章控制系统总体设计第一节设计步骤和方法第二节加热炉温度控制系统第三节铁路信号微机监测系统微型计算机控制系统的设计是理论与工程实际的结合，需要掌握生产过程的工艺性能、被测参数的测量方法以及被控对象的动态、静态特性，此外还需有自动控制理论，计算机技术，自动检测和数字电路的知识，是一个多学科的应用问题。微型计算机控制系统的硬件包括微型计算机，存储器，I/O接口，输入/输出通道，检测与执行装置及通信、显示、打印等设备。根据系统的要求设计各类应用软件，如数据采样程序，A/D、D/A转换程序，数码转换程序，数字滤等程序，各类

2、控制算法及非线性补偿程序等等。如何将一个微型计算机控制系统划分成便于实现的多个组成部分，能够使软、硬件分配运用恰当，并且结构简单、实时性强、价格低廉、功能齐全，这要求设计者有较强的综合运用知识的能力和一定的实践经验。本章重点讨论微型计算机控制系统的设计方法和步骤，并通过实例来说明。第一节微型机控制系统的设计步骤和方法微型机控制系统的设计应当包括以下几个内容：1、系统总体方案设计；2、控制系统的硬件设计；3、控制系统的软件设计；4、系统的仿真和调试。一、控制系统总体方案的确定确定微型机控制系统的总体方案是进行系统设计的

3、最重要的一步。总体方案的好坏，直接影响整个控制系统的投资、调节品质和功能。总体方案的设计可以从以下几个方面进行考虑：1、系统的功能要求在确定控制系统的设计方案前，必须对现场进行充分的调查和了解，明确该控制系统的祥细功能和要求，如下所示：(1)被控对象中哪些物理信号需要进行输入、输出或处理，各类信号的类型和数值范围，信号处理的精度和实时性要求等。(2)控制功能的要求开环控制还是闭环控制，要求达到的控制品质，如时间特性，稳定性等。(3)人机界面的要求包括显示、报警、打印、输入/输出操作的要求等。(4)系统运行环境温度、湿

4、动、震动、各类干扰等。(5)系统的可靠性和可维护性。2、根据功能要求，粗选实现的硬件和软件(1)硬件：包括传感器，微型计算机、输入/输出通道、执行机构、各类外设等。(2)软件：包括操作平台、管理监控程序等系统软件和控制算法、数据采集及处理等应用软件。3、画出整个控制系统的原理图，编写详细的设计技术文件结合工业流程，画出控制系统的总的原理图，编写祥细的技术文件，征求委托者和现场操作人员的意见，经过反复修改，直到双方满意后确定总体方案。二、控制系统的硬件设计在系统的总体方案完成之后，可进行系统的硬件设计，将总体设计中粗选

5、的硬件进行细化和实施。1、确定控制系统的方案根据功能要求，决定采用数据采集、直接数字控制，计算机监控还是分布式控制。2、选择微型计算机根据不同的控制方式，可选择不同的微型计算机，在选择计算机时主要考虑以下几个方面：（1）机型：采用单片机，PLC、STD工控机还是PC工控机。（2）计算机的档次。l位数：4位、8位、16位、32位l存储器：内、外存类别和容量l可兼容性和可扩展性要求3、检测元件和执行机构的选择检测元件影响控制系统精度，测量各种参数的传感器和变送器种类繁多，可查阅手册和厂家的说明书进行正确和细微的选择。执行

6、机构要与控制算法匹配，同时由被控对象的实际情况决定。电动执行器响应速度快，与计算机接口容易，成为计算机控制系统的首选。气动执行器结构简单，操作方便，使用可靠。液压执行器输出功率大、结构紧凑、控制调节方便。可根据不同的系统进行选择。4、输入/输出通道及外围设备的选择输入/输出通道应根据被控对象参数来确定，并根据系统的功能要求配备适当的外围设备，应考虑以下几个问题：（1）被控对象参数的数量；（2）数据的类型、字长和位数；（3）串行操作还是并行操作，数据的传送速率；（4）对显示打印有何要求。输入/输出通道可以购买现成的接口

7、板，如A/D、D/A转换接口板，开关量I/O板，实时时钟板，电机控制板等，这主要适用于工业PC和STD总线工业控制机系统。另一种方案是根据系统的实际需要，选用合适的芯片自行设计，一般用于单片机控制系统；设计内容包括存储器，显示器，模拟量输入/输出通道，开关量输入/输出通道等。5、操作面板操作面板又称操作台，是人机对话的纽带。操作面板应当使用方便，操作简单，安全可靠，并且有自动保护能力，以避免误操作带来的不良后果。操作面板的主要功能有：（1）输入源程序到微机的存储器中；（2）监视控制系统的执行情况；（3）根据工艺要求，

8、修改控制参数和给定值，选择工作方式和控制回路；（4）打印、显示结果，设置报警状态；（5）完成多种画面的显示；（6）完成手动—自动的无扰动切换。为了完成上述功能，操作台设量了许多的按钮和开关，并通过接口与主机连接。为了安全，操作面板上应当设置电子锁。6、其它包括电源、时钟、负载匹配，抗干扰等问题。硬件设计的最后成果是画出祥细的硬件电路图，提供给生