计算机控制系统 第2版 教学课件 作者 李正军 第9章.ppt

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1、第9章计算机控制系统设计9.1计算机控制系统的设计方法计算机控制系统设计一般应从工艺要求、确定控制任务开始，然后选择主机机型，确定控制算法，系统总体方案设计、硬件设计，软件设计，选择传感器、变送器、执行器等工业自动化仪表，系统调试，最后进行生产现场调试，直到控制系统正式投入运行，并达到所要求的性能指标为止。同时应遵循安全可靠、操作维护方便、实时性和通用性强、经济效益好的设计原则。9.1.1测控任务的确定在进行系统设计之前，必须对测控对象的工作过程进行深入的调查、分析，熟悉其工艺过程，才能根据实际应用中的问题提出具体的要求，确定系统所要完成的任务，一般分以下几步。1．熟悉工艺过程和控制要求，构思

2、控制系统的整体方案首先应考虑要构成一个什么样的系统，是开环控制，还是闭环控制，或者只检测不控制。当采用闭环控制时，应选用何种测量元件，测量精度有何要求。2．系统是否有特殊控制要求如高可靠性、高精度或快速性的要求，为满足这些要求，应采取什么措施。3．计算机承担的任务计算机在整个控制系统中所起的作用，是数据处理，还是直接控制等。4．编写设计任务书编写完整设计任务说明书，画出系统组成粗框图，作为整个控制系统设计的基础和依据。9.1.2选择系统的主机机型在测控任务确定后，应对系统所需要的硬件作出初步的估计和选择，这是计算机系统设计的一个特点。因为构成计算机控制系统的主要功能部件是集成电路，设计者必须根

3、据测控任务和要求进行选择。主机是整个控制系统的核心，它的选择将对整个系统产生决定性的影响。在具体选择系统的主机机型时，可以选择工业PC计算机、PLC、智能仪表等现有测控硬件设备，设计者只需根据测控任务选择相应的硬件配置，再配以软件设计等，即可完成测控任务。如果因价格、功能或灵活性等方面的原因不能选择现有主机时，设计者可选择一款微处理器、单片微控制器、DSP或ARM进行自主开发设计。此时应考虑到所选择微处理器的字长，寻址能力，指令系统，中断处理能力，运行速度，是否需要内部A/D转换器和PWM输出功能，是否需要内部Flash存储器和内部SRAM，需要多少个I/O口和UART口，供货是否稳定，开发系

4、统的价格是否可以接受等。9.1.3确定控制算法工业生产过程中计算机控制系统控制效果的优劣，很重要的问题之一是由算法决定的。算法建立在控制对象的数学模型上，即描述各控制量与各输出量之间的数学关系，因此，首先应建立系统的数学模型，并根据数学模型确定系统的控制算法。控制算法直接影响控制系统的调节品质，是决定整个系统性能指标优劣的关键。由于控制系统种类繁多，所以控制算法也各不相同，每个控制系统都有一个特定的控制规律，并且有相应的控制算法。比如：在数控机床中，常用的有逐点比较法和数字积分法的控制算法；在直接数字控制系统中，常用的有PID控制算法及其改进算法；在位置数字随动系统中，常用的有实现最少拍控制的

5、控制算法。另外，还有模糊控制、最优控制、自适应控制等控制算法。在进行系统设计时，究竟选择哪一种控制算法，主要取决于系统的特性和要求达到的控制性能指标。在确定控制算法时，应注意所选定的控制算法要满足控制速度、控制精度和系统稳定性的要求。9.1.4系统总体方案设计当选定主机机型和确定测控任务以及确定控制算法后，就可以确定系统总体方案。1．分配硬件软件功能计算机控制系统由硬件和软件组成，对于那些既可用硬件实现，又可用软件实现的功能，在进行设计时，应根据控制对象的要求和硬件软件的特点，采用合理的分配方案。一般情况下，只要能满足速度的要求，能用软件实现的功能，就不用硬件实现。2．选择系统总线控制系统采用

6、总线结构，具有很多优点。采用总线，可以简化硬件设计，用户根据需要直接选择符合总线标准的功能模板，而不需考虑模板插件之间的兼容问题，可大大简化系统的硬件设计。（1）内部总线选择控制系统中常用的内部总线有ISA总线、PCI总线、STD总线和PC104总线。现在的工业PC计算机和PC计算机及其兼容计算机一般采用P4处理器，已没有ISA总线插槽。一般只有LPC插槽和PCI总线插槽。在特殊情况下，也可以自行设计内部总线，但不具备通用性。（2）外部总线选择控制系统中常用的外部总线有多种，如RS-232C、RS-422、RS-485和CANBUS、LonWorks、PROFIBUS、TCP/IP等现场总线或

7、工业以太网。具体选择哪一种，要根据通信的速率、距离、系统网络拓扑结构、通信协议等要求来综合分析才能决定。3．选择输入输出通道模板一台计算机控制系统，除了主机外，还必须具有各种输入输出通道模板，其中包括模拟量输入（AI）模板、模拟量输出（AO）模板、数字量输入（DI）模板、数字量输出（DO）模板等。以上模板可以选用市场已有的产品，也可以自行设计。（1）模拟量输入（AI）模板AI模板包括A/D转换电路