【文档说明】计算机控制技术项目09-计算机控制系统设计课件1.ppt，共(39)页，200.500 KB，由小橙橙上传

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计算机控制技术—计算机控制系统总体设计计算机控制系统的设计原则1．满足工艺要求在设计计算机控制系统时，首先应满足生产过程所提出的各种要求及性能指标。因为计算机控制系统是为生产过程自动化服务的，因此设计之前必须对工艺过程有一定的熟悉和了解，系统设计人员应该和工艺人员密切结合，才能设

计出符合生产工艺要求和性能指标的控制系统。设计的控制系统所达到的性能指标不应低于生产工艺要求，但片面追求过高的性能指标而忽视设计成本和实现上的可能性也是不可取的。2．可靠性要高系统的可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。在现代生产和管理中，计算机控制系统起着非常重要的作用

，其安全可靠性，直接影响到生产过程连续、优质、经济运行。计算机控制系统通常都是工作在比较恶劣的环境之中，各种干扰会对系统的正常工作产生影响，各种环境因素（如粉尘、潮湿、震动等）也是对系统的考验。而计算机控制系统所控制的对象往往都是比较

重要的，一旦发生故障，轻则影响生产，造成产品质量不合格，带来经济损失；重则会造成重大的人身伤亡事故，产生重大的社会影响。所以，计算机控制系统的设计总是应当将系统的可靠性放在第一位，以保证生产安全、可靠和稳定地运行。3．操作性能要好一个好的计算机控制系统应该人机界面好、方便操作

、运行，易于维护。操作方便主要体现在操作简单、显示画面形象直观，有较强的人机对话能力，便于掌握。在考虑操作先进性的同时，设计时要真正做到以人为本，尽可能地为使用者考虑，兼顾操作人员的习惯，降低对操作人员专业知识的要求，使他们能在较短时间内熟悉和掌握操作方法，不要强求操

作人员掌握计算机知识后才能操作。对于人机界面可以采用CRT、LCD或者是触摸屏，使得操作人员可以对现场的各种情况一目了然。维护方便主要体现在易于查找故障、排除故障。为此，需要在硬件和软件设计中综合考虑。在硬件方面，宜采用标准的功能模板式结构，并能够带电插拔，便于及

时查找并更换故障模板；模板上应配置工作状态指示灯和监测点，便于检修人员检查与维护。在软件方面，设置检测、诊断与恢复程序，用于故障查找和处理。从软件角度而言，要配置查错程序和诊断程序，以便在故障发生时能用程序帮助查找故障发生的部位，从而缩短排除故障的时间；在硬

件方面，从零部件的排列位置，部件设计的标准化以及能否带电插拔等诸多因素都要通盘考虑，系统设计要尽量方便用户，简化操作规程，如面板上的控制开关不能太多、太复杂等。4．实时性要强计算机控制系统的实时性，表现在对内部和外部事件能及时

地响应，并作出相应的处理，不丢失信息，不延误操作。计算机处理的事件一般分为两类：一类是定时事件，如数据的定时采集，运算控制等，对此系统应设置时钟，保证定时处理；另一类是随机事件，如事故报警等，对此系统应设置中断，并根据故

障的轻重缓急预先分配中断级别，一旦事故发生，保证优先处理紧急故障。通用性是指所设计出的计算机控制系统能根据各种不同设备和不同控制对象的控制要求，灵活扩充、便于修改。工业控制的对象千差万别，而计算机控制系统的研制开发又需要有一定的投资和周期。一般来说，不可能为一台装置

或一个生产过程研制一台专用计算机，常常是设计或选用通用性好的计算机控制装置灵活地构成系统。当设备和控制对象有所变更时，或者再设计另外一个控制系统时，通用性好的系统一般稍作更改或扩充就可适应。5．通用性要好计算

机控制系统的通用灵活性体现在两方面：一是硬件设计方面，首先应采用标准总线结构，配置各种通用的功能模板或功能模块，并留有一定的冗余，当需要扩充时，只需增加相应功能的通道或模板就能实现。二是软件方面，应采用标准模块结构，用户使用时尽量不进行二次开发，只需按要求

选择各种功能模块，灵活地进行控制系统组态。6．经济效益要高在满足计算机控制系统的技术性能指标的前提下，尽可能地降低成本，保证为用户带来更大的经济效益。经济效益表现在两方面：一是系统设计的性能价格比要尽可能的高，在满足设计要求的情况下，尽量采用物美廉价的元器件；二是投入产出比要尽可能的低，应该从提高

生产的产品质量与产量、降低能耗、消除污染、改善劳动条件等方面进行综合评估。另外，要有市场竞争意识，尽量缩短开发设计周期，以降低整个系统的开发费用，使新产品尽快进入市场。7．开发周期要短如果计算机控制系统的开发时间太长，会使用户无法尽快地收回投资，影响了经济效益的提高；

而且，由于计算机技术发展非常快，只要几年的时间原有的技术就会变得过时。设计与开发时间过长，等于缩短了系统的使用寿命。因此，在设计时，如何尽可能地使用成熟的技术，对于关键的元部件或软件，不是万不得已就不要自行开发。计算机控制系统

的设计与实施步骤1．可行性研究阶段开发者要根据被控对象的具体情况，按照企业的经济能力、未来系统运行后可能产生的经济效益、企业的管理要求、人员的素质、系统运行的成本等多种要素进行分析。可行性分析的结果最终是要确定：使用计算机控制

技术能否给企业带来一定经济效益和社会效益。这里要指出的是，不顾企业的经济能力和技术水平而盲目地采用最先进的设备是不可取的。2．初步设计阶段也可以称为总体设计。系统的总体设计是进入实质性设计阶段的第一步，也是最重要和最为关键的一步。总

体方案的好坏会直接影响整个计算机控制系统的成本、性能、设计和开发周期等。在这个阶段，首先要进行比较深入的工艺调研，对被控对象的工艺流程有一个基本的了解，包括要控制的工艺参数的大致数目和控制要求、控制的地理范围的大小、操作的基本要求等。然后初步确定未来控制系统要完成的任务，写出设

计任务说明书，提出系统的控制方案，画出系统组成的原理框图，作为进一步设计的基本依据。3．详细设计阶段详细设计是将总体设计具体化。首先要进行详尽的工艺调研，然后选择相应的传感器、变送器、执行器、I/O通道装置以及进行计算机系统的硬件和软件的设计

。对于不同类型的设计任务，则要完成不同类型的工作。如果是小型的计算机控制系统，硬件和软件都是自己设计和开发；此时，硬件的设计包括电气原理图的绘制、元器件的选择、印刷线路板的绘制与制作；软件的设计则包括工艺流程图的绘制、程序

流程图的绘制、将一个个模块编写成对应的程序等。4．系统实施阶段要完成各个元器件的制作、购买、安装；进行软件的安装和组态以及各个子系统之间的连接等工作。5．系统的调试（测试）阶段通过整机的调试，发现问题，及时修改，例如检查各个元部件安装是否正确，并对其特性进行检查或测试；检验系统的抗干扰能力等

。调试成功后，还要进行考机运行，其目的是通过连续不停机的运行来暴露问题和解决问题。6．系统运行阶段该阶段占据了系统生命周期的大部分时间，系统的价值也是在这一阶段中得到体现。在这一阶段应该有高素质的使用人员，

并且严格按照章程进行操作，尽可能地减少故障的发生。计算机控制系统的总体方案设计确定计算机控制系统总体方案是进行系统设计的关键而重要的一步。总体方案的好坏，直接影响到整个控制系统的成本、性能、实施细则和开发周期等。总体方

案的设计主要是根据被控对象的工艺要求确定。为了设计出一个切实可行的总体方案与实施方案，设计者必须深入了解生产过程，分析工艺流程及工作环境，熟悉工艺要求，确定系统的控制目标与任务。尽管被控对象多种多样，工艺要求各不相同，在总体方案设计中还是有一定共性。1．工艺调研1）调研的任务经过调研要完成

以下几个任务：①掌握系统的规模。要明确控制的范围是一台设备、一个工段、一个车间，还是整个企业。②熟悉工艺流程，并用图形和文字的方式对其进行描述。③初步明确控制的任务。要了解生产工艺对控制的基本要求。要掌握控制的任务是要保持工艺过程稳定，还是要实现工艺过程的优化。要掌握被控制

的参量之间是否关联比较紧密，是否需要建立被控制对象的数学模型，是否存在诸如大滞后、严重非线性或比较大的随机干扰等复杂现象。④初步确定I/O的数目和类型。通过调研掌握哪些参量需要检测、哪些参量需要控制以及这些参量的类型。⑤掌握现场的电源情况（是否经常波动，是否经常停电，是否含有较多谐波）和其它情

况（如振动、温度、湿度、粉尘、电磁干扰等）。2）形成调研报告和初步方案在完成了调研后，可以着手撰写调研报告，并在调研报告的基础上草拟出初步方案。如果系统不是特别复杂，也可以将调研报告和初步方案合二为一。在对初步方案进行讨论时，往往会

发现一些新问题或是不清楚之处，此时，需要再次调研，然后对原有方案进行修改。一般来说，在工艺调研、方案修改、方案讨论之间往往需要多个循环方能确定最后的总体设计方案。在这个过程中，如果系统开发者对计算机监

控技术与自动控制技术的发展现状以及市场情况还不是很清楚的话，同样需要对其进行详细的调研。3）形成总体设计技术报告在经过多次的调研和讨论后可以形成总体设计技术报告。它包含以下内容：①工艺流程的描述。②功能描述。③结构描述。④控制算法的确定。⑤I/O变量总体描述。2．硬件总体

方案设计1）确定系统的结构和类型根据系统要求，确定采用开环还是闭环控制。闭环控制还需进一步确定是单闭环还是多闭环控制。实际可供选择的控制系统类型有：数据采集系统（DAS）、直接数字控制（DDC）系统、监督计算机控制（SCC

）系统、分散型控制系统（DCS）、工业控制网络系统等。2）确定系统的构成方式确定系统的构成方式主要是选择机型。目前可供选择的工业控制计算机产品有可编程控制器PLC、可编程调节器、总线式工业控制机、单片机和计算机控制系统等。一

般应优先考虑选择总线式工业控制机来构成系统的方式。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系统设计时根据要求任意选择，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。当系统规模较大，自动化水平要求高时，可选用集散控

制、现场总线控制、高档PLC等工控网络构成。如果被控量中数字量较多，模拟量较少或没有则可以考虑选用普通PLC。如果是小型控制系统或智能仪器仪表，可采用单片机系列。3）现场设备选择现场设备主要包括传感器、变送器和执行机构。传感器是影

响系统控制精度的重要因素之一，所以要从信号量程范围、精度、对环境及安装要求等方面综合考虑，正确选择。执行机构是计算机控制系统重要组成部分之一。常用的执行机构有电动执行机构、气动调节阀、液压伺服机构、步进电动机等，比较各种方案，择优选

用。4）其他方面的考虑总体方案中还应考虑人机联系方式、系统的机柜或机箱的结构设计、抗干扰等方面的问题。对于选用标准微机系统的设计人员来说，主要的开发工作集中在输入输出接口设计上，而这类设计又往往与控制程序设计交织在一起。为了加快研制过程，可尽量选购市场上已有批量供应的工业化制成的模板产品。这些符合

工业化标准的模板产品一般都经过严格测试，并可提供各种软件和硬件接口，包括相应的驱动程序等。模板产品只要同主机系统总线标准一致，购回后插入主机的相应空槽即可运行，且构成系统极为方便。所以，除非无法买到满足自己要求的产品，否则绝不要随意决定自行研制。总之，通道产品一般尽量考虑选用厂家可

提供的现成通道产品，以同标准的微机系统配套使用。3．软件总体方案设计软件总体方案设计的内容主要是确定软件平台、软件结构，任务分解，建立系统的数学模型、控制策略和控制算法等。在软件设计也应采用结构化、模块化、通用化的设计方法，自上而下或自下而上地画出软件结构方框图，逐级细化，直到能清楚地表达

出控制系统所要解决的问题为止。在软件总体方案设计中，控制算法的选择直接影响到控制系统的调节品质，是系统设计的关键问题之一。由于被控制对象多种多样，相应控制模型也各异，所以控制算法也是多种多样。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，同时还要考虑控制速度、控制精度和系统稳定性的要求。在确定系统总体方案时，对系统的软件、硬件功能的划分要做统一的综合考虑，因为一些控制功能既能由硬件实现，也可用软件实现，如计数、逻辑控制等。采用何种方式比较合适，应根据实时性要求及整个系统的性能价格比综合比较后确定。一般的原则是在实时

性满足的情况下或要求成本较低时，尽量采用软件实现。如果系统要求实时性比较强，控制回路比较多，某些软件设计比较困难时，而用硬件实现比较简单，且系统的批量又不大的话则可考虑用硬件完成。用硬件实现一些功能的好处是可以改善性能，加快工作速度，但系统硬件电

路比较复杂，要增加部件成本，而用软件实现可降低成本，增加灵活性，但要占用主机更多的时间。一般的考虑原则是视控制系统的应用环境与今后的生产数量而定。对于今后能批量生产的系统，为了降低成本，提高产品竞争力，在满足指定功能的前提下，应尽量减少硬件，多用软件来完

成相应的功能。虽然在研制时可能要花费较多的时间或经费，但大批量生产后就可降低成本。由于整个系统的部件数减少，相应系统的可靠性也能得以提高。硬件软件密切配合，相互间是不可分割的。在选购或研制硬件时要有软件设计的总体构思，在具体设计软件时要了

解清楚硬件的性能和特点。4．系统总体方案系统总体方案是硬件总体方案和软件总体方案的组合体。在确定总体方案时，应在工艺技术人员的配合下，从合理性、经济性及可行性等方面反复论证，仔细斟酌。经论证可行的总体方案，要形成文档，

并建立完整的总体方案文档资料，它是系统具体设计的依据。总体方案文档应包括以下内容：1）系统的主要功能、技术指标、原理性框图及文字说明；2）控制策略与算法；3）系统的硬件结构与配置；4）主要软件平台，软件结构及功能、软件结构框图；5）方案的比较与选择；6）抗干扰措施与可靠性设计；7）机柜或机箱的结

构与外形设计；8）经费和进度计划的安排；9）对现场条件的要求等。系统的总体方案反映了整个系统的综合情况，要从正确性、可行性、先进性、可用性和经济性等角度来评价系统的总体方案。只有当拟定的总体方案能满足

上述基本要求后，设计好的目标系统才有可能符合这样的基本要求。总体方案通过之后，才能为各子系统的设计与开发提供一个指导性的文件。作为总体方案的一部分，设计者还应提供对各子系统功能检测的一些测试依据或标准。对于较大的系统，还要编制专门的测试规范。我们知道，当各子系统完成设计后还要进行系统综合测试，所以

需要编制一些专门的测试程序和测试数据生成程序。这些程序的编制依据，很大一部分是取自于总体设计书中提供的测试标准。测试标准也为系统的测试和验收提供了依据。在进行系统测试之前，设计单位和使用单位要根据合同和功能规范要求制定系统测试验收方案，便于在验收时双方能

据此逐项测试考核，决定系统是否最终予以接受和交付使用。在完成系统总体设计的同时，也应制定好完备的功能检测规范，既有利于系统的集成、测试和联调，也有利于系统交付使用前的验收测试。