第6章 微型计算机控制系统设计与应用

1．实时性 所编写的软件应满足系统的实时性，即能够在被控 对象允许的时间间隔内对系统进行控制、计算和处理。 2．灵活性和通用性 为使程序具有较强的适应能力和可组合性，通常要 求所编程序具有一定的灵活性和通用性。即编程时应采 用模块结构，尽量将共用的程序编写成子程序，以便设 计时将这些具有一定功能的子程序(或中断服务程序)进 行排列组合，使其能根据具体需求完成某一特定的任 务。
第6章 微型计算机控制系统设计 与应用
6.1 系统的设计原则 6.2 系统设计的方法及步骤 6.3 微型计算机控制系统设计实例
6.1 系统的设计原则
对于不同的控制对象，系统设计方案和具体的技术指标 有所不同，但系统设计的原则是一致的，这就是：系统的可 靠性高、操作性能好、实时性强、通用性好、经济效益高。
3．实时性强 实时性是微型计算机控制系统中一个非常重要的指 标，主要表现在时间驱动和事件驱动能力上，即要求系统 能及时响应并处理各种事件，且不丢失任何信息，不延误 任何操作。但微型计算机控制系统的实时性并不是指系统 的速度越快越好，而是根据实际要求，能对生产过程进行 实时的监测与控制。为此，应配有实时操作系统，过程中 断系统等。
3．现场设备选择 主要包含传感器、变送器和执行机构的选择以及人 机联系方式确定等。 传感器的选择要正确，它是影响系统控制精度的重 要因素之一。常用的传感器有流量传感器、液位传感 器、压力传感器、温度传感器、测速发电机等，传感器 的作用是将被测模拟参数转化成电信号，其输出可以是 电压，也可以电流。 执行机构是微型计算机控制的重要组成部件。执行 机构的选择一方面要与控制算法匹配，另一方面要根据 被控对象的实际情况决定。
常用的执行机构有电动、气动、液压以及步进电机 等。微型计算机控制系统的主要执行机构是电动执行机 构，它具有响应速度快、体积小、种类多、与计算机接 口容易、使用方便等特点。当被控对象有特殊要求时， 也可选择气动执行机构、液压执行机构及步进电机等。 人机联系方式是人机对话的纽带，它主要是将按键、开 关、显示、打印设备等通过接口与主机相连，以实现源 程序的输入、给定或检测参数的设置与修改、中间结果 或最终结果的显示、打印以及报警等功能。 对所提出的总体设计方案要进行合理性、经济性、 可靠性以及可行性论证。论证通过后，便可形成作为系 统设计依据的系统总体方案图和系统设计任务书，以指 导具体的系统设计过程。
6.2.5
软件设计
微型计算机控制系统的软件分为系统软件和应用软 件两大类。如果选用工控机来组建系统，能减小系统软 件设计工作量，一般工控机都配有实时操作系统或实时 监控程序，各种控制、运算软件，组态软件等，可使系 统设计者在最短的周期内开发出目标系统软件。 一般工控机把工业控制所需的各种功能以模块形式 提供给用户。其中包含：控制算法模块(多为PID)，运 算模块(四则运算、开方、最大/小值选择、一阶惯性、 超前滞后、工程量变换、上/下限报警等数十种)，计数 /计时模块，逻辑运算模块，输入模块，输出模块，打 印模块，显示模块等等。
5．经济效益好 采用微机控制应带来高的经济效益，设计时系统硬件 部分的选择要充分考虑性能价格比，在满足性能指标的前 提下尽可能降低成本。这就要求设计人员在设计系统方案 时，应该全面论证，详细考察，考虑用软件实现部分硬件 功能，以降低硬件成本。 系统设计时除需考虑性能价格比外，还应考虑提高投 入产出比，在产品质量、数量、降低能耗、改善劳动条 件、降低环境污染等方面应有所提高，带来技术进步。
工控机的生产都是按工业标准进行的，考虑到了工 控环境的恶劣性，元器件都进行了严格筛选；并按功能 模块化生产模板，使电路干扰、电流发热等问题大为减 少，同时通过合理的结构设计和采用电磁兼容技术、备 份技术和可靠性保证技术等，使工控机产品各项指标都 能达到很高的要求。 系统规模较大，自动化水平要求高，甚至集控制与 管理 为一体的系统可选用DCS、高档PLC或其它工控网 络构成；系统规模较小，自动化水平要求低的，可选单 回路控制器、低档PLC等构成。
6.2.6
系统的调试与运行
系统设计完成后，还需进行系统的调试。系统调试 包括系统硬、软件分调与联调，系统模拟调试和现场投 运。 1．硬件调试 按硬件设计电路的结构，分功能模块分别进行调 试，以确定其是否能满足硬件信号的关系。 2．软件调试 针对硬件中各功能模块编制对应的测试软件，对其 进行调试，待各模块功能调试完毕后，再进行软件的联 机总调试。
2．系统操作性能好 操作性能好，包括两层含义，即使用方便和维护容 易。 使用方便体现在操作简单、直观形象、便于掌握。 即：不需要操作人员掌握专门的计算机知识，同时考虑到 降低对操作人员的专业知识的要求，并兼顾操作人员原有 的操作习惯。 维护容易则体现在系统发生故障时，便于查找和维 修。即系统应具有故障诊断功能，硬件设计上考虑功能模 板化，以便于故障发生时能方便地更换故障模板。
6.2.1
系统总体方案设计
设计一个性能优良的微型计算机控制系统，要注重 对实际问题的调查。通过对控制对象的深入了解、分析 以及工作过程、环境的熟悉，才能确定系统的控制任务 和要求，提出切实可行的系统总体设计方案。系统总体 方案的好坏，直接影响整个控制系统的投资、调节品质 及实施细则，因此，确定微型计算机控制系统设计总体 方案，是进行系统设计时至关重要的一步。 系统总体设计方案主要包含以下几个方面的内容。
6.2.2
分析与建模
对于可以建立控制对象数学模型的工业生产过程， 必须详细了解对象的工艺过程、参量允许波动的范围和 控制要求，以及工艺设备的种类，使用操作条件、技术 规范等有关情况，在此基础上建立对象的数学模型。 建模是一个十分复杂的问题，常用方法有工艺理论 分析法和实验测试法两种。
工艺理论分析法在分析的基础上，利用诸如热平衡 方程、化学反应式以及物料和能量的转换关系式等确定 各变量之间的定性和定量关系。 实验测试法通过在对象输入端加入一定的输入量， 同时记录输出量的变化，根据实验数据描绘曲线，近似 地求出有关参数，用以确定等效的数学模型，也是广泛 应用的一种方法。
1．可靠性高 可靠性高，是系统设计最重要的一个原则。 系统设计时，首先应选高性能的工控机，以保证在恶 劣环境下系统仍能正常工作；其次控制方案、软件设计要 可靠；第三应设计各种安全保护措施，如各种报警、事故 预测与处理等。 为防止微机控制系统故障，应设计后备装置。 一般控制回路可用手动操作器作后备； 重要回路可用常规仪表作后备，或者用双机方式。 对于较大的系统，还应注意功能分散。
6.2.4
硬件设计
一般需要选择的内容包含： 1）根据控制任务的复杂程度、控制精度以及实时 性要求等选择主机板。 2）根据程序和数据量的大小等选择存贮器板。 3）根据模拟量输入通道（AI）、模拟量输出通道 （AO）点数、分辨率和精度，以及采集速度等选A/D、 D/A板。 4）根据开关量输入通道（DI）、开关量输出通道 （DO）点数和其它要求(如交流还是直流、功率大小等) 选择开关量输入输出板。 5）根据人机联系方式选择相应的接口板。
1．确定控制方案 根据系统要求，确定采用开环控制、闭环控制还是 混合控制。如果是闭环控制还需进一步确定是单回路还 是多回路；根据整个控制系统的目标和要求，确定微机 在其中所起作用，并进而确定系统是采用直接数字控制 (DDC)，还是采用计算机监督控制(SCC)，或分布式控制 (DCS)等。
2．确定系统的构成方式 控制方案确定之后，需要选择微处理器，确定系统 的构成方式。微处理器是整个控制系统的核心，其性能 的好坏直接影响系统的性能。微处理器种类繁多，可根 据任务要求、投资规模以及现场条件进行选择。 对于设计的任务比较大，且需对现场的控制过程进 行监控时，可以工控机为核心构成系统。工控机具有系 列化、模块化、标准化和开放式系统结构，有利于系统 设计者在设计时根据要求像搭积木般地组建系统。这种 方式可提高系统研制和开发速度，提高系统的技术水平 和性能，增加可靠性。
3．可靠性 可靠性是微型计算机控制系统正常运行的基本保 障。微型计算机控制系统的可靠性除与系统硬件有关 外，其软件结构也是影响系统可靠性的重要原因之一。 因此为保证系统软件的可靠性，通常要设计诊断程序及 软件陷阱等，以便定期对系统进行诊断及防止程序失控 等。 自行开发控制软件时，应先画出程序总体流程图和 各功能模块流程图，再行编制程序。程序编制应先模块 后总体。
4．通用性好 一个微机控制系统，一般包含对多台设备和多个过程 参数的控制，各台设备和各个过程参数的控制要求是不同 的，而且设备、过程参数还有增减。系统设计时应该考虑 能适应不同设备和各种不同的过程参数，采用模块化结 构，按照控制要求灵活构建系统，以便能使系统不作大改 动就能很快适应新情况。这就要求系统的通用性要好，能 灵活地进行更改和扩充。 另外，系统设计时各设计指标应留有一定余量，如工 控机的处理速度、存储器容量、输入输出通道数以及电源 功率等，以备系统扩充时使用。
6）根据需要选择各种外设接口板、通信板、滤波 板等。 7）选择各种计算机外设。 如果根据系统的实际需要，选用合适的芯片来组建 系统，则还需考虑设计以下几方面的内容： 1）存储器扩展 2）模拟量输入通道的扩展 3）模拟量输出通道的扩展 4）开关量I/O接口设计 5）系统速度匹配问题 6）系统负载匹配问题
一般的控制可采用数字PID算法，通过参数的在线 整定，达到较为满意的控制效果；对于快速随动系统， 可选用最少拍控制算法；对具有纯滞后的控制对象，可 选用纯滞后补偿或大林控制算法；对具有时变、非线性 特性的控制对象以及难以建立数学模型的控制对象，可 选用模糊控制算法等。 对一个控制对象，往往可以采用不同的控制算法达 到预期的控制效果。控制算法的选定应满足系统控制速 度、控制精度和系统稳定性的要求。可以在控制系统中 设计多种控制算法，通过数字仿真或试验进行分析对 比，选择最佳的控制算法。
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3．模拟调试 所谓模拟调试，就是在实验室模拟被控对象和运行 现场，进行长时间的运行试验和特殊条件(高/低温、振 动、干扰等)试验。其目的在于全面检查系统的硬、软 件功能，系统的环境适应能力和可靠性。控制对象可以 用物理装置或电子装置来模拟。 4．现场投运 模拟调试通过后，便可进行现场投运。尽管上述调 试过程进行得非常认真、仔细，现场投运时仍可能出现 问题，应认真分析加以解决。