9.2 计算机控制系统设计与实现(二)
合集下载
计算机控制技术chapter9
绿 红
P1.1 P1.0
PSEN T0
T1
P1.3
EA
WR
RD P3.3
.
... .
9.3.1 硬件电路
CE
1/2
74LS 373
A0 A1 A2
2732
A7~ 0 OC D7~ 0
. ..
.
.
ALE CE IO/M
8155
WR RD A7~ 0
CLK D7~ 0 OE ALE START C IN0 B ACD A 0809 EOC
.
.. .
键盘与显示
过零信号发生器
MC 14528
LM311
~220V
..
.
.
光 耦
驱 动 器
74LS00TIL117
加热丝
变送器
热电偶
图9-2 电阻炉炉温控制系统原理图
1. 检测元件及变送器
检测元件选用镍铬-镍铝热电偶，分度号为 EU ， 适 用 于 0℃~1000℃ 的 温 度 测 量 范 围 ， 相 应 输出电压为0mV~41.32mV。
变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成： 毫伏变送器用于把热电偶输出的0~41.32mV变换 成0~10mA范围内的电流；电流/电压变送器用于 把毫伏变送器输出的0~10mA电流变换成0~5V范 围内的电压。
表9-1 温度-数字量对照表
2. 接口电路
8031 的 接 口 电 路 有 ADC0809 、 8155 和 2732等。本系统采用ADC0809型A/D转换器， 该 芯 片 为 8 位 逐 次 逼 近 型 A/D 转 换 器 。 ADC0809 为 温 度 测 量 电 路 的 输 入 接 口 ； 8155 用 于 键 盘 和 显 示 接 口 ； 2732 作 为 8031 外部程序(ROM)存储器。
《计算机控制技术》计算机控制系统的设计与实现
输入／输出通道设计、人机操作界面设计及可靠性设计等几个方面。 （1）计算机系统选择与配置 （2）过程输入／输出通道设计 （3）人机交互界面硬件设计 （4）可靠性设计
在以上硬件设计的每一个阶段，都应该遵循边设计，边调试， 边修改的原则，包括元器件测试、电路模块调试、子系统调试等。 这样，问题发现得越早，对整个控制系统的设计、研制的影响就越 小，付出的代价也越小。
（3）来自控制系统内部的干扰 主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，
如逻辑电路相互辐射、模拟地与逻辑地的相互影响及元器件 间的相互不匹配使用等。这都属于控制设备制造厂家对系统 内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门无 法避免，可不必过多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经 过考验的系统。
经过上述系统仿真调试，并取得满意控制性能的计算机控 制系统运到现场就可以进行现场安装调试了。现场调试是实际 生产过程对计算机控制系统性能的全面检查与性能评估，与实 验室的半实物调试相比，需要特别注意系统的安全性与抗干扰 等问题。在通过现场安装调试后，就可以投入实际生产过程进 行试运行。在试运行过程中，往往会出现许多错综复杂、时隐 时现的现象，暴露设计缺陷，这时设计者应当认真分析问题根 源，寻求解决方法。同时，系统的可靠性与稳定性也应当长期 考验，针对现场特殊的工作环境，采取行之有效的措施，在经 过一段时间的试运行并取得满意的性能评价之后，整个控制系 统就可以正式投入到实际运行中了。
8.2.4 系统的调试与运行 在硬件、软件的设计过程中，一般已经进行了分模块调试。在系
统投入现场运行之前，还需要在实验室进行硬件、软件的联合调试与 系统的仿真调试。软、硬件联调是整个调试的基础，这个步骤在硬件 设计时就开始了，即逐个功能模块进行边设计边调试，并将调试好的 模块逐步加入硬件系统进行联调。在硬件调试通过的情况下，就可将 软件系统加入进去，进行控制系统硬件软件的联合调试，联合调试的 目的是检验系统硬件、软件设计的正确性与运行的可靠性。在联合调 试过程中，不但会发现软件错误，还会发现一些在硬件调试中未发现 的硬件故障或设计缺陷，可根据情况予以修正。上述软件、硬件的联 合调试一般是脱离实际的被控过程进行的，主要在于检验系统硬件、 软件设计在功能上的正确性，不能全面反映整个控制系统的性能，因 此，还必须经过整个系统的仿真试验来检验系统的实际控制性能是否 能满足指标要求。
在以上硬件设计的每一个阶段，都应该遵循边设计，边调试， 边修改的原则，包括元器件测试、电路模块调试、子系统调试等。 这样，问题发现得越早，对整个控制系统的设计、研制的影响就越 小，付出的代价也越小。
（3）来自控制系统内部的干扰 主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，
如逻辑电路相互辐射、模拟地与逻辑地的相互影响及元器件 间的相互不匹配使用等。这都属于控制设备制造厂家对系统 内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门无 法避免，可不必过多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经 过考验的系统。
经过上述系统仿真调试，并取得满意控制性能的计算机控 制系统运到现场就可以进行现场安装调试了。现场调试是实际 生产过程对计算机控制系统性能的全面检查与性能评估，与实 验室的半实物调试相比，需要特别注意系统的安全性与抗干扰 等问题。在通过现场安装调试后，就可以投入实际生产过程进 行试运行。在试运行过程中，往往会出现许多错综复杂、时隐 时现的现象，暴露设计缺陷，这时设计者应当认真分析问题根 源，寻求解决方法。同时，系统的可靠性与稳定性也应当长期 考验，针对现场特殊的工作环境，采取行之有效的措施，在经 过一段时间的试运行并取得满意的性能评价之后，整个控制系 统就可以正式投入到实际运行中了。
8.2.4 系统的调试与运行 在硬件、软件的设计过程中，一般已经进行了分模块调试。在系
统投入现场运行之前，还需要在实验室进行硬件、软件的联合调试与 系统的仿真调试。软、硬件联调是整个调试的基础，这个步骤在硬件 设计时就开始了，即逐个功能模块进行边设计边调试，并将调试好的 模块逐步加入硬件系统进行联调。在硬件调试通过的情况下，就可将 软件系统加入进去，进行控制系统硬件软件的联合调试，联合调试的 目的是检验系统硬件、软件设计的正确性与运行的可靠性。在联合调 试过程中，不但会发现软件错误，还会发现一些在硬件调试中未发现 的硬件故障或设计缺陷，可根据情况予以修正。上述软件、硬件的联 合调试一般是脱离实际的被控过程进行的，主要在于检验系统硬件、 软件设计在功能上的正确性，不能全面反映整个控制系统的性能，因 此，还必须经过整个系统的仿真试验来检验系统的实际控制性能是否 能满足指标要求。
外围设备
第9章
外围设备
外围设备是计算机系统不可缺少的组成部 分，用户在使用计算机系统时，接触最多的是 外围设备。外围设备是计算机和外部世界联系 的桥梁。随着计算机技术的飞速发展和应用的 扩大，计算机系统要求外围设备的种类越来越 多，并要求外围设备向低成本、小体积、大容 量、低功耗和高速等方面发展。本章介绍常用 外围设备的工作原理和使用。
⒉外围设备的功能
⑴提供人机对话 ⑵完成数据媒体的变换 ⑶存储系统软件和大型应用软件 ⑷为各类计算机应用领域提供应用手段
9.1.3
外围设备与主机系统的联系
除要了解外围设备与计算机的连接接口外，由 于外围设备与计算机在工作速度和数据表示形 式上的不同外，还应了解它们传送信息的种类、 传送控制方式和传送方法。在此基础上，才能 确定它们的连接方式。 外围设备与中央处理器之间传送的信息种类 有：设备地址信息、数据信息、设备状态信息 和控制信息。这里是指某一设备上的数据交换， 设备当前的操作状态，以及中央处理器对外围 设备的控制操作命令等。
⒉键盘的工作原理
⑴ 键开关阵列 键开关阵列是由单片机的输入 / 输出线及按键排 列成行、列结构，按键设置在行、列线的交点上。 这种结构的键盘也称矩阵式键盘。在按键数量较 多时，矩阵式键盘可以节省单片机的 I/O 接口线。 16×8的行列结构可以构成128个键的键盘。而实 际上，大多数微机键盘的键数，在早期少于 100 个，目前100稍多。因此128个键位没有用完，在 某些键位上并没有安装键开关。
9.2.1
键盘
② 无触点式键开关： 无触点式键开关在工作过程中，开关内部没有 机械接触，而是利用按键动作改变某些参数或利 用某种效应来实现电路的通或断。无触点式键开 关主要有电容式键开关和霍尔效应式键开关两类， 现在一般采用电容式键开关。 这类键开关无触点，故无机械磨损，不存在触点 跳动现象，其可靠性高，寿命长，显著的优点是 手感好。
外围设备
外围设备是计算机系统不可缺少的组成部 分，用户在使用计算机系统时，接触最多的是 外围设备。外围设备是计算机和外部世界联系 的桥梁。随着计算机技术的飞速发展和应用的 扩大，计算机系统要求外围设备的种类越来越 多，并要求外围设备向低成本、小体积、大容 量、低功耗和高速等方面发展。本章介绍常用 外围设备的工作原理和使用。
⒉外围设备的功能
⑴提供人机对话 ⑵完成数据媒体的变换 ⑶存储系统软件和大型应用软件 ⑷为各类计算机应用领域提供应用手段
9.1.3
外围设备与主机系统的联系
除要了解外围设备与计算机的连接接口外，由 于外围设备与计算机在工作速度和数据表示形 式上的不同外，还应了解它们传送信息的种类、 传送控制方式和传送方法。在此基础上，才能 确定它们的连接方式。 外围设备与中央处理器之间传送的信息种类 有：设备地址信息、数据信息、设备状态信息 和控制信息。这里是指某一设备上的数据交换， 设备当前的操作状态，以及中央处理器对外围 设备的控制操作命令等。
⒉键盘的工作原理
⑴ 键开关阵列 键开关阵列是由单片机的输入 / 输出线及按键排 列成行、列结构，按键设置在行、列线的交点上。 这种结构的键盘也称矩阵式键盘。在按键数量较 多时，矩阵式键盘可以节省单片机的 I/O 接口线。 16×8的行列结构可以构成128个键的键盘。而实 际上，大多数微机键盘的键数，在早期少于 100 个，目前100稍多。因此128个键位没有用完，在 某些键位上并没有安装键开关。
9.2.1
键盘
② 无触点式键开关： 无触点式键开关在工作过程中，开关内部没有 机械接触，而是利用按键动作改变某些参数或利 用某种效应来实现电路的通或断。无触点式键开 关主要有电容式键开关和霍尔效应式键开关两类， 现在一般采用电容式键开关。 这类键开关无触点，故无机械磨损，不存在触点 跳动现象，其可靠性高，寿命长，显著的优点是 手感好。
计算机控制系统设计与实现ppt课件
21
▪ ⑵模拟量输入输出(AI／AO)模板 ▪ AI／AO模板包括A／D、D／A板及信号调
理电路等。AI模板输入可能是0～±5V、1～ 10V、0～10mA、4～20mA以及热电偶、热 电阻和各种变送器的信号。AO模板输出可能 0～5V、1～10V、0～10mA、4～20mA等信 号。选择AI／AO模板时必须注意分辨率、转 换速度、量程范围等技术指标。
2 数据类型和数据结构规划
▪ 从数据类型：逻辑型和数值型，但通常将逻 ▪ 辑型数据归到软件标志中去考虑。 ▪ 数值型可分为定点数和浮点数。定点数有直观、编 ▪ 程简单、运算速度快的优点，其缺点是表示的数值 ▪ 动态范围小，容易溢出。浮点数则相反，数值动态 ▪ 范围大、相对精度稳定、不易溢出，但编程复杂， ▪ 运算速度低。 ▪ 如果某参数是—系列有序数据的集合，如采样信号 ▪ 序列，则不只有数据类型问题，还有一个数据存放 ▪ 格式问题，即数据结构问题。
其中
▪ 包括：数字PID控制算法、大林算法、Smith补偿控制算
法、
▪ 最少拍控制算法、串级控制算法、前馈控制算法、解耦 28
▪ (3)控制量输出程序 ▪ 控制量输出程序实现对控制量的处理(上下限和变
化
▪ 率处理)、控制量的变换及输出，驱动执行机构或
各
▪ 种电气开关。
▪ 控制量也包括模拟量和开关量输出两种。模拟控
22
3 选择变送器和执行机构
▪ ⑴选择变送器 ▪ 变送器是这样一种仪表，它能将被测变量（如温度、压力、
物
▪ 位、流量、电压、电流等）转换为可远传的统一标准信号
(0～
▪ 10mA、4～20mA等)，且输出信号与被测变量有一定的连续
关
▪ 系。在控制系统中其输出信号被送至工业控制机进行处理、
▪ ⑵模拟量输入输出(AI／AO)模板 ▪ AI／AO模板包括A／D、D／A板及信号调
理电路等。AI模板输入可能是0～±5V、1～ 10V、0～10mA、4～20mA以及热电偶、热 电阻和各种变送器的信号。AO模板输出可能 0～5V、1～10V、0～10mA、4～20mA等信 号。选择AI／AO模板时必须注意分辨率、转 换速度、量程范围等技术指标。
2 数据类型和数据结构规划
▪ 从数据类型：逻辑型和数值型，但通常将逻 ▪ 辑型数据归到软件标志中去考虑。 ▪ 数值型可分为定点数和浮点数。定点数有直观、编 ▪ 程简单、运算速度快的优点，其缺点是表示的数值 ▪ 动态范围小，容易溢出。浮点数则相反，数值动态 ▪ 范围大、相对精度稳定、不易溢出，但编程复杂， ▪ 运算速度低。 ▪ 如果某参数是—系列有序数据的集合，如采样信号 ▪ 序列，则不只有数据类型问题，还有一个数据存放 ▪ 格式问题，即数据结构问题。
其中
▪ 包括：数字PID控制算法、大林算法、Smith补偿控制算
法、
▪ 最少拍控制算法、串级控制算法、前馈控制算法、解耦 28
▪ (3)控制量输出程序 ▪ 控制量输出程序实现对控制量的处理(上下限和变
化
▪ 率处理)、控制量的变换及输出，驱动执行机构或
各
▪ 种电气开关。
▪ 控制量也包括模拟量和开关量输出两种。模拟控
22
3 选择变送器和执行机构
▪ ⑴选择变送器 ▪ 变送器是这样一种仪表，它能将被测变量（如温度、压力、
物
▪ 位、流量、电压、电流等）转换为可远传的统一标准信号
(0～
▪ 10mA、4～20mA等)，且输出信号与被测变量有一定的连续
关
▪ 系。在控制系统中其输出信号被送至工业控制机进行处理、
微机原理及接口技术参考PPT
IN AL，DX
；读数据
MOV [SI]，AL
MOV DX，8002H
MOV AL，00H
OUT DX，AL
INC SI ；存放数据的内存地址加1
INC BL ；通道地址加1
MOV AL，BL OUT DX，AL ；送通道地址 MOV DX，8002H
DEC BH JNZ GOON POP AX
MOV AL，01H
•14
9.3 A/D转换器ADC0809及应用
➢ 采样：对连续变化的模拟量要按一定的规律和周期取出其 中的某一瞬时值。
➢ 采样频率：一般要高于或至少等于输入信号最高频率的2 倍，实际应用中采样频率一般是信号频率的4~8倍。
➢ 采样周期：相邻两次采样的间隔时间。一次A/D转换所需 要的时间必须小于采样周期。
•10
➢ 应用举例：利用D/A 转换器来构造波形发生器，如图所 示。假设地址译码输出端口为360H。
图９.8 采用DAC0832 构造的波形发生器
•11
(1) 矩形波。给DAC0832 持续256 次送数据0，然后256 次送 数据FFH，依次重复处理。输出矩形波的程序段如下：
MOV DX，360H ；设定地址译码输出端口 DD0： MOV CX，0FFH
2
多2
N位
路
电
二进制数
… …
模
阻
拟
网
开
络
N
关N
运算 放大器
图9.2 D/A转换器框图
模拟电压输出
•3
1. 加权电阻网络D/A转换器的工作原理
VREF
K1
R1
K2
R2
K3
R3
Kn
Rn
计算机控制系统概要
嵌入式系统和微控制器 集成了更多的外设接口 和功能模块，提高了系 统的集成度和功能多样 性。
实时性与可靠性
嵌入式系统和微控制器 在实时性和可靠性方面 不断提高，满足各种工 业控制和安全关键系统 的要求。
THANKS
感谢观看
远程控制
通过网络对远端的控制系统进行操作和控制，实 现远程维护和调试。
无线控制
利用无线网络技术，实现对控制系统的无线连接 和控制，提高系统的灵活性和便利性。
嵌入式系统与微控制器的应用
小型化与低功耗
嵌入式系统和微控制器 在不断向小型化和低功 耗方向发展，满足各种 便携式和物联网设备的 需求。
高集成度与多功能
自适应控制
通过人工智能技术，使控制系统能够根据环境变 化和系统状态自适应地调整控制策略，提高系统 的稳定性和效率。
故障诊断与预防
利用人工智能技术对系统运行过程中的异常数据 进行检测和分析，提前发现潜在的故障并进行预 防。
网络化与远程控制技术的发展
远程监控
通过网络实现对控制系统的远程监控，方便对系 统的实时状态和运行情况进行了解。
早期阶段
20世纪50年代，计算机开始被应 用于工业控制领域，出现了基于
模拟电路的计算机控制系统。
发展阶段
20世纪70年代，随着微处理器和 集成电路技术的发展，计算机控制 系统逐渐向数字化、智能化方向发 展。
成熟阶段
21世纪初，计算机控制系统已经广 泛应用于各个领域，成为现代工业 生产中不可或缺的重要部分。
控制算法
根据控制系统的要求，采用一定的数 学模型和算法，对数据进行运算和处 理，得到控制信号。
执行机构与传感器
执行机构
根据控制信号调节被控对象的参数，如阀门、电动机等。
实时性与可靠性
嵌入式系统和微控制器 在实时性和可靠性方面 不断提高，满足各种工 业控制和安全关键系统 的要求。
THANKS
感谢观看
远程控制
通过网络对远端的控制系统进行操作和控制，实 现远程维护和调试。
无线控制
利用无线网络技术，实现对控制系统的无线连接 和控制，提高系统的灵活性和便利性。
嵌入式系统与微控制器的应用
小型化与低功耗
嵌入式系统和微控制器 在不断向小型化和低功 耗方向发展，满足各种 便携式和物联网设备的 需求。
高集成度与多功能
自适应控制
通过人工智能技术，使控制系统能够根据环境变 化和系统状态自适应地调整控制策略，提高系统 的稳定性和效率。
故障诊断与预防
利用人工智能技术对系统运行过程中的异常数据 进行检测和分析，提前发现潜在的故障并进行预 防。
网络化与远程控制技术的发展
远程监控
通过网络实现对控制系统的远程监控，方便对系 统的实时状态和运行情况进行了解。
早期阶段
20世纪50年代，计算机开始被应 用于工业控制领域，出现了基于
模拟电路的计算机控制系统。
发展阶段
20世纪70年代，随着微处理器和 集成电路技术的发展，计算机控制 系统逐渐向数字化、智能化方向发 展。
成熟阶段
21世纪初，计算机控制系统已经广 泛应用于各个领域，成为现代工业 生产中不可或缺的重要部分。
控制算法
根据控制系统的要求，采用一定的数 学模型和算法，对数据进行运算和处 理，得到控制信号。
执行机构与传感器
执行机构
根据控制信号调节被控对象的参数，如阀门、电动机等。
大学 计算机控制技术 计算机控制系统设计与实现(二)
调试工作主要是对变送器进行满度和零点校准，A/D板 和D/A板满度和零点校准；另外就是利用试凑法确定PID控制 器的控制参数。系统经过安装调试后，投入运行，并满足系 统的控制要求。
该系统操作简单，使用维护方便，性能可靠；采用微机 控制，提高了啤酒质量；改善了劳动条件，不用人工手动操 作，消除了人为因素；易于现代化管理和产品质量分析；采 用表格、图形、曲线显示直观，并有打印输出功能。
本讲课程结束！
9.3.1 啤酒发酵工艺及控制要求
2.系统的控制要求
(1)系统共有10个发酵罐，每个罐测量5个参数，即发酵 罐的上中下三段温度、罐内上部气体的压力和罐内发酵液(麦 汁)的高度，共有三十个温度测量点、10个压力测量点、10个 液位测量点。因此共需检测50个参数。
(2)自动控制各个发酵罐中的上中下三段温度使其按图97所示的工艺曲线运行，温度控制误差不大于±0.5℃。共有 30个控制点。
4.控制系统主机及过程通道模板 (1)IPC-8500工业控制机 (2)过程通道模板
5.控制系统的软件 采样、滤波、标度变换、控制计算、控制输出、中断、 计时、打印、显示、报警、调节参数修改、温度给定 曲线设定及修改、报表、图形、曲线显示等功能。
9.3.3 系统硬件和软件的设计
1.系统硬件的设计
(1)模拟量输入通道设计 (2)模拟量输出通道设计
精品课程
《计算机控制技术》 主讲教师：XXXXXX
XXXX大学
第36讲 第9章 计算机控制系统设计与实现（二）
9.3 设计举例—啤酒发酵过程计算机控制系统
9.3.1 啤酒发酵工艺及控制要求 9.3.2 系统总体方案的设计 9.3.3 系统硬件和软件的设计
9.3.4 系统的安装调试运行及控制效果
该系统操作简单，使用维护方便，性能可靠；采用微机 控制，提高了啤酒质量；改善了劳动条件，不用人工手动操 作，消除了人为因素；易于现代化管理和产品质量分析；采 用表格、图形、曲线显示直观，并有打印输出功能。
本讲课程结束！
9.3.1 啤酒发酵工艺及控制要求
2.系统的控制要求
(1)系统共有10个发酵罐，每个罐测量5个参数，即发酵 罐的上中下三段温度、罐内上部气体的压力和罐内发酵液(麦 汁)的高度，共有三十个温度测量点、10个压力测量点、10个 液位测量点。因此共需检测50个参数。
(2)自动控制各个发酵罐中的上中下三段温度使其按图97所示的工艺曲线运行，温度控制误差不大于±0.5℃。共有 30个控制点。
4.控制系统主机及过程通道模板 (1)IPC-8500工业控制机 (2)过程通道模板
5.控制系统的软件 采样、滤波、标度变换、控制计算、控制输出、中断、 计时、打印、显示、报警、调节参数修改、温度给定 曲线设定及修改、报表、图形、曲线显示等功能。
9.3.3 系统硬件和软件的设计
1.系统硬件的设计
(1)模拟量输入通道设计 (2)模拟量输出通道设计
精品课程
《计算机控制技术》 主讲教师：XXXXXX
XXXX大学
第36讲 第9章 计算机控制系统设计与实现（二）
9.3 设计举例—啤酒发酵过程计算机控制系统
9.3.1 啤酒发酵工艺及控制要求 9.3.2 系统总体方案的设计 9.3.3 系统硬件和软件的设计
9.3.4 系统的安装调试运行及控制效果
计算机控制系统及技术课程设计方案
计算机控制系统及技术课程设计方案12020年4月19日课程设计报告( -- 年度第 2 学期>名称：计算机控制系统题目：嵌入式处理器技术及其应用发展院系：班级：学号：学生姓名：指导教师：设计周数：成绩：日期：年月日2 2020年4月19日《计算机控制系统》课程设计任务书一、目的与要求1．经过本课程设计教案环节，使学生加深对所学课程内容的理解和掌握；2．结合工程问题，培养提高学生查阅文献、相关资料以及组织素材的能力；3．培养锻炼学生结合工程问题独立分析思考和解决问题的能力；4．要求学生能够运用所学课程的基本理论和设计方法，根据工程问题和实际应用方案的要求，进行方案的总体设计和分析评估；5.报告原则上要求依据相应工程技术规范进行设计、制图、分析和撰写等。
二、主要内容1、数字控制算法分析设计；2、现代控制理论算法分析设计3、模糊控制理论算法分析设计4、过程数字控制系统方案分析设计；5、微机硬件应用接口电路设计；32020年4月19日6、微机应用装置硬件电路、软件方案设计；7、数字控制系统I/O通道方案设计与实现；8、PLC应用控制方案分析与设计；9、数据通信接口电路硬软件方案设计与性能分析；10、现场总线控制技术应用方案设计；11、数控系统中模拟量过程参数的检测与数字处理方法；12、基于嵌入式处理器技术的应用方案设计13、计算机控制系统抗干扰技术与安全可靠性措施分析设计14、计算机控制系统差错控制技术分析设计15、计算机控制系统容错技术分析设计16、工程过程建模方法分析三、进度计划序号设计内容完成时间备注1 选择课程设计题目，查阅相关文献资料2 文献资料的学习根据所选题目进行方案设计3 与指导老师讨论设计内容修改设计方案4 撰写课程设计报告5 课程设计答辩四、设计成果要求1．针对所选题目的国内外应用发展概述；2．课程设计正文内容，包括设计方案、硬件电路和软件流程，以及综述、分析等；3．课程设计总结或结论以及参考文献；42020年4月19日4．要求设计报告规范完整。
计算机控制技术第九章
计算机控制生产现场的控制通道也有两种，即 模拟量输出通道及数字量输出通道。
计算机输出的控制信号是以数字形式给出的， 有的生产过程的执行元件要求提供模拟电流或电压， 故应采用模拟量输出通道实现；有的执行元件只要 求提供数字量或开关量，故应采用数字量输出通道。
可见，过程通道是计算机和工业生产过程 ( 控 制对象)相互交换信息的桥梁。
生产过程的被调参数(一般包括压力、流量、温度、 液面高度等等)一般都是随时间变化的模拟量，通过检 测元件和传感器，可以把它们转换成模拟电流或电压。 由于计算机只能识别数字量，故模拟电信号必须 通过模拟量输入通道变换成相应的数字信号，才能送 入计算机；而生产现场的两态开关、电平的高低、脉 冲量等数字或开关信号，则须通过数字量输入通道输 入计算机。
三 输入通道
1 模拟量输入通道 模拟量输入通道的任务是将模拟量输入信号进行 变换、采样、放大、模/数转换，转换成二进制数字量 输入计算机。 模拟量输入通道一般由信号处理、多路转换器、 放大器、采样保持器和A/D转换器组成 。 2 数字量输入通道 数字量输入通道主要由两态信息转换电路和接口 电路组成。 两态信息转换电路的作用是将生产现场的两态信 息转换成 TTL电平信号，通过I/O接口电路传送到计算 机系统。
3
可靠性高
可靠性高是计算机控制系统设计最重要的一个基 本要求。 一旦系统出现故障将造成整个生产过程的混乱， 引起严重后果。 因此在计算机控制系统设计时，通常应考虑后援 手段，如配备常规控制装置或手动控制装置作后备。 通常可直接采用多台计算机组成热备份（备份机 与控制机同时工作但不介入控制，一旦主控制机有故 障就切换到备份机上）或冷备份（备份机处于待工作 状态，一旦主控机有故障就启动备份机投入工作）等 工作方式来提高系统的可靠性。
计算机控制系统的设计与实现PPT课件
.
18
9.5 系统的软件设计
9.5.1 应用软件的基本要求
1、可靠性：应用程序中没有隐藏的错误（如溢出、偏差值 反号、程序错误分枝、内存单元被冲以及死循环等）。
2、实时性：应用软件应能保证在被控对象允许的时间间隔 内，完成对系统的控制运算和相应处理。
3、针对性：每个应用软件都是针对具体的系统要求、具体 的运行过程、具体的工作效果来设计的。
脉冲量I/O （所使用器件的工作频率要能满系统脉冲量的需要）
模件由隔离元件、分频或倍频电路、计数器、定时器等组成。
.
16
9.4.5 现场设备的选择
1 变送器：将被测量转换为统一信号
根据被测参数的种类、量程、被测对象的介质类型和环境 来选择变送器的具体型号。
2 执行机构：将控制信号转换为调节机构动作
硬件总体方案设计内容：
1、确定系统的结构和类型； 2、确定系统的构成方式和控制设备； 3、接口和逻辑电路的选择； 4、现场设备选择； 5、操作台的设计； 6、其它方面的考虑
.
7
9.3.2 软件总体设计——“黑箱”设计法
先画较高一级的方框图，然后将大的方框分解成小的 方框，直到清楚表达出所有应用软件的功能和流程
•不同比例带、不同积分时间、不同阶跃幅度输入、不同控制周 期下，正、反两个作用方向的PI控制的阶跃响应；
•不同比例带、不同积分时间、不同微分时间、不同阶跃幅度输
入、不同控制周期下，正、反两个作用方向的PID控制的响应。
.
25
（2）闭环特性调试 ——检查控制模块的反馈控制功能
计算机 R + Σθ
y-
3. 离线仿真和调试阶段 4. 在线调试和运行阶段
.
3
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
4.控制系统主机及过程通道模板 (1)IPC-8500工业控制机 (2)过程通道模板
5.控制系统的软件 采样、滤波、标度变换、控制计算、控制输出、中断、 计时、打印、显示、报警、调节参数修改、温度给定 曲线设定及修改、报表、图形、曲线显示等功能。
9.3.3 系统硬件和软件的设计
1.系统硬件的设计
(1)模拟量输入通道设计 (2)模拟量输出通道设计
(3)系统具有自动控制、现场手动控制、控制室遥控三种 工作方式。
(4)系统具有掉电保护、报警、参数设置和工艺曲线修改 设置功能。
(5)系统具有表格、图型、曲线等显示和打印功能。
9.3.2 系统总体方案的设计
1.发酵罐测控点的分布及管线结构 本系统有10个发酵罐，每个发酵罐上有5个检测点和3
个控制点，其中包括上段温度TTa、中段温度TTb、下段温 度TTc、罐内上部气体压力PT、液位LT、上段冷带调节阀 TVa、中段冷带调节阀TVb、下段冷带调节阀TVc。
执行机构采用ZDLP-6B电动调节阀，通径为Dg50，流 通能力为Cg32，等百分比特性，并配有操作器DFQ－2100。
9.3.2 系统总体方案的设计
3.控制规律 被控对象具有大惯性和纯滞后。 在恒温段采用增量型PI控制算法，在升温、降温段采 用PID控制算法，在控制软件设计中提供了施密斯（ Smith）预估控制算法。
国家级精品课程
《计算机控制技术》
第36讲 第9章 计算机控制系统设计与实现（二）
9.3 设计举例—啤酒发酵过程计算机控制系统
9.3.1 啤酒发酵工艺及控制要求 9.3.2 系统总体方案的设计 9.3.3 系统硬件和软件的设计
9.3.4 系统的安装调试运行及控制效果
9.3.1 啤酒发酵工艺及控制要求
式；对控制量和阀位输出进行限幅。 ②施密斯（Smith)预估控制算式
(6)其它应用程序 设计计时、打印、显示、报警、调节参数修改、报表、
图形、曲线显示等功能程序。
9.3.4 系统的安装调试运行及控制效果
现场进行安装时，首先在现场安装温度、压力变送器、 液位变送器、调节阀等，然后从现场敷设屏蔽信号电缆到控 制室，最后将这些线缆接到工业控制计算机外面的接线端子 板上。
9.3.3 系统硬件和软件的设计
2.系统软件的设计
(1)数据采集程序 采集30个温度信号，然后再采集10个压力信号，最后采 集10个液位信号，这些信号共采集五遍并存贮起来， 采样周期T=2秒。
(2)数字滤波程序 将每个信号的5次测量值排序，去掉一个最大值和一个 最小值，剩余3个求平均值即为该信号的测量结果，即 采用中位值滤波法与平均值滤波法相结合来实现数字 滤波。
9.3.1 啤酒发酵工艺及控制要求
2.系统的控制要求
(1)系统共有10个发酵罐，每个罐测量5个参数，即发酵 罐的上中下三段温度、罐内上部气体的压力和罐内发酵液(麦 汁)的高度，共有三十个温度测量点、10个压力测量点、10个 液位测量点。因此共需检测50个参数。
(2)自动控制各个发酵罐中的上中下三段温度使其按图97所示的工艺曲线运行，温度控制误差不大于±0.5℃。共有 30个控制点。
9.3.3 系统硬件和软件的设计
2.系统软件的设计
(3)标度变换程序 ①温度的标度变换
y 50 (20) (x 819) (20) (0.021368 x 37.5) C 4095 819
②压力的标度变换
P 0.25 0 ( x 819 ) 0 ( 7.63126105 x 0.0625 )MPa 4095 819
9.3.2 系统总体方案的设计
2.检测装置和执行机构 温度检测采用WZP-231铂热电阻(Pt100)和RTTB—EKT
温度变送器，其输入量程为-20°C～＋50°C，输出4～ 20mA；
压力检测采用CECY-150G电容式压力变送器，输入量 程为0～0．25MPa，输出4～20mA；
液位检测采用CECU－341G电容式液位变送器，输入量 程（差压）为0～0．2MPa，输出为4～20mA。
③液位819 ) 0 61.05x 50000
D g ( 4095 819 )
Dg
(4)给定工艺曲线的实时插补计算
r(k)
rn1
rn tn
rn1 tn1
(t K
tn1 )
9.3.3 系统硬件和软件的设计
2.系统软件的设计
(5)控制算法 ①PID算式加特殊处理 在保温段，采用PI控制算式；降温段采用PID控制算
本讲课程结束！
1.啤酒发酵工艺简介 啤酒发酵是一个复杂的生物 化学过程，通常在锥型发酵罐 中进行。 在二十多天的发酵期间，根 据酵母的活动能力，生长繁殖 快慢，确定发酵给定温度曲线， 如右图所示。 要使酵母的繁殖和衰减、麦 汁中糖度的消耗和双乙酰等杂 质含量达到最佳状态，必须严 格控制发酵各阶段的温度，使 其在给定温度的±0.5℃范围 内。
调试工作主要是对变送器进行满度和零点校准，A/D板 和D/A板满度和零点校准；另外就是利用试凑法确定PID控制 器的控制参数。系统经过安装调试后，投入运行，并满足系 统的控制要求。
该系统操作简单，使用维护方便，性能可靠；采用微机 控制，提高了啤酒质量；改善了劳动条件，不用人工手动操 作，消除了人为因素；易于现代化管理和产品质量分析；采 用表格、图形、曲线显示直观，并有打印输出功能。
5.控制系统的软件 采样、滤波、标度变换、控制计算、控制输出、中断、 计时、打印、显示、报警、调节参数修改、温度给定 曲线设定及修改、报表、图形、曲线显示等功能。
9.3.3 系统硬件和软件的设计
1.系统硬件的设计
(1)模拟量输入通道设计 (2)模拟量输出通道设计
(3)系统具有自动控制、现场手动控制、控制室遥控三种 工作方式。
(4)系统具有掉电保护、报警、参数设置和工艺曲线修改 设置功能。
(5)系统具有表格、图型、曲线等显示和打印功能。
9.3.2 系统总体方案的设计
1.发酵罐测控点的分布及管线结构 本系统有10个发酵罐，每个发酵罐上有5个检测点和3
个控制点，其中包括上段温度TTa、中段温度TTb、下段温 度TTc、罐内上部气体压力PT、液位LT、上段冷带调节阀 TVa、中段冷带调节阀TVb、下段冷带调节阀TVc。
执行机构采用ZDLP-6B电动调节阀，通径为Dg50，流 通能力为Cg32，等百分比特性，并配有操作器DFQ－2100。
9.3.2 系统总体方案的设计
3.控制规律 被控对象具有大惯性和纯滞后。 在恒温段采用增量型PI控制算法，在升温、降温段采 用PID控制算法，在控制软件设计中提供了施密斯（ Smith）预估控制算法。
国家级精品课程
《计算机控制技术》
第36讲 第9章 计算机控制系统设计与实现（二）
9.3 设计举例—啤酒发酵过程计算机控制系统
9.3.1 啤酒发酵工艺及控制要求 9.3.2 系统总体方案的设计 9.3.3 系统硬件和软件的设计
9.3.4 系统的安装调试运行及控制效果
9.3.1 啤酒发酵工艺及控制要求
式；对控制量和阀位输出进行限幅。 ②施密斯（Smith)预估控制算式
(6)其它应用程序 设计计时、打印、显示、报警、调节参数修改、报表、
图形、曲线显示等功能程序。
9.3.4 系统的安装调试运行及控制效果
现场进行安装时，首先在现场安装温度、压力变送器、 液位变送器、调节阀等，然后从现场敷设屏蔽信号电缆到控 制室，最后将这些线缆接到工业控制计算机外面的接线端子 板上。
9.3.3 系统硬件和软件的设计
2.系统软件的设计
(1)数据采集程序 采集30个温度信号，然后再采集10个压力信号，最后采 集10个液位信号，这些信号共采集五遍并存贮起来， 采样周期T=2秒。
(2)数字滤波程序 将每个信号的5次测量值排序，去掉一个最大值和一个 最小值，剩余3个求平均值即为该信号的测量结果，即 采用中位值滤波法与平均值滤波法相结合来实现数字 滤波。
9.3.1 啤酒发酵工艺及控制要求
2.系统的控制要求
(1)系统共有10个发酵罐，每个罐测量5个参数，即发酵 罐的上中下三段温度、罐内上部气体的压力和罐内发酵液(麦 汁)的高度，共有三十个温度测量点、10个压力测量点、10个 液位测量点。因此共需检测50个参数。
(2)自动控制各个发酵罐中的上中下三段温度使其按图97所示的工艺曲线运行，温度控制误差不大于±0.5℃。共有 30个控制点。
9.3.3 系统硬件和软件的设计
2.系统软件的设计
(3)标度变换程序 ①温度的标度变换
y 50 (20) (x 819) (20) (0.021368 x 37.5) C 4095 819
②压力的标度变换
P 0.25 0 ( x 819 ) 0 ( 7.63126105 x 0.0625 )MPa 4095 819
9.3.2 系统总体方案的设计
2.检测装置和执行机构 温度检测采用WZP-231铂热电阻(Pt100)和RTTB—EKT
温度变送器，其输入量程为-20°C～＋50°C，输出4～ 20mA；
压力检测采用CECY-150G电容式压力变送器，输入量 程为0～0．25MPa，输出4～20mA；
液位检测采用CECU－341G电容式液位变送器，输入量 程（差压）为0～0．2MPa，输出为4～20mA。
③液位819 ) 0 61.05x 50000
D g ( 4095 819 )
Dg
(4)给定工艺曲线的实时插补计算
r(k)
rn1
rn tn
rn1 tn1
(t K
tn1 )
9.3.3 系统硬件和软件的设计
2.系统软件的设计
(5)控制算法 ①PID算式加特殊处理 在保温段，采用PI控制算式；降温段采用PID控制算
本讲课程结束！
1.啤酒发酵工艺简介 啤酒发酵是一个复杂的生物 化学过程，通常在锥型发酵罐 中进行。 在二十多天的发酵期间，根 据酵母的活动能力，生长繁殖 快慢，确定发酵给定温度曲线， 如右图所示。 要使酵母的繁殖和衰减、麦 汁中糖度的消耗和双乙酰等杂 质含量达到最佳状态，必须严 格控制发酵各阶段的温度，使 其在给定温度的±0.5℃范围 内。
调试工作主要是对变送器进行满度和零点校准，A/D板 和D/A板满度和零点校准；另外就是利用试凑法确定PID控制 器的控制参数。系统经过安装调试后，投入运行，并满足系 统的控制要求。
该系统操作简单，使用维护方便，性能可靠；采用微机 控制，提高了啤酒质量；改善了劳动条件，不用人工手动操 作，消除了人为因素；易于现代化管理和产品质量分析；采 用表格、图形、曲线显示直观，并有打印输出功能。