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CAN BUS、LonWorks、PROFIBUS、TCP/IP等现场总线或工业以太网。 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转换电路及信号调理电路等。AI模板的输入可以是05V，15V，010mA、420mA以及热电偶（TC）、热电阻（RTD）和各种传感器、变送器的信号。,（2）模拟量输出（AO）模板 AO模板包括D/A转换电路及V/I转换电路等。AO模板的输出可以是05V、15V、010mA、420mA等信号。也可以是双极性输出，如5V5V等。 （3）数字量输入（DI）模板 DI模板包括三态缓冲器及电平转换电路等。DI模板的输入可以是有源或无源接点。当为有源接点时，电平信号可以为TTL或CMOS电平，也可以是+24V，+48V等电压信号。 （4）数字量输出（DO）模板 DO模板包括锁存器及输出电路等。DO模板的输出可以是TTL或CMOS电平，也可以是+24V，+48V等电压信号，也可以是继电器或MOSPHOTO光继电器输出。 4可靠性设计 在计算机控制系统中，系统的可靠性至关重要，只有系统的高可靠性，才能确保系统的正常运行。 可靠性设计采取的措施主要有硬件措施、软件措施，可靠性要求很高的系统，还应考虑双CPU或双机并行运行。,9.1.5 硬件设计,在系统总体方案定下来以后，要根据任务设计系统电气原理图，在设计电路图时，一般应按功能分别设计如下电路图。 （1）以CPU为核心的电路 包括CPU、译码、三总线及总线驱动，存储器扩展、WDT等电路。 （2）AI电路图 （3）AO电路图 （4）DI电路图 （5）DO电路图 （6）通信接口电路 可以是RS-232C，RS-422，RS-485或现场总线与工业以太网通信接口。,（7）打印机接口电路 可以是RS-232C或USB串行打印接口，也可以是Centronics并行打印机接口。 （8）显示电路图 （9）电源电路图 如果是购买的产品时，画出有多少路电源，并进行滤波处理；如果是自行设计的电源，应画出电源的详细电路。 绘制以上电路时，一般采用PROTEL99（SE）绘图工具。 每一片集成电路应标明芯片型号、引脚名、引脚号。二极管、三极管应标明型号及编号，电阻应标明阻值和功率，电容应标明容量和耐压。其它元器件也应遵循上述原则。,9.1.6 软件设计,软件设计的主要任务是进行应用程序设计。 采用的语言有汇编语言，针对某一单片微处理器或微控制器的C语言（如C51、C96等），VC、VB等高级语言。 在进行应用程序的设计时，应采用模块化结构，注重可维护性及可移植性。另外还要合理选择数据库的结构。 应用程序主要包括以下程序。 1数据采集和数据处理程序 （1）数据采集程序主要是对多路模拟输入信号进行采样或通过数字量输入模板读取开关状态并进行存储等。 （2）数据处理程序主要包括数字滤波程序、线性化处理和非线性补偿、标度变换、上下限报警程序等。 2控制算法程序 控制算法程序是完成控制规律的计算，得到控制量。主要包括：数字PID控制算法及其改进算法，大林控制算法，,Smith补偿控制算法，模糊控制算法，串级控制算法，前馈控制算法，最优控制算法等。在具体实现时，可采用一种或几种控制算法的组合实施控制。 3控制输出程序 控制输出程序根据控制算法的结果送往模拟输出模板，实现数字量到模拟量的变换或根据被控参数的上下限通过数字量输出模板去驱动执行机构或各种电气开关。 4实时时钟程序 实时时钟是计算机控制系统运行的基础，它包括绝对时钟和相对时钟。绝对时钟与当地时间同步，有年、月、日、时、分、秒、星期等功能；相对时钟与当地时间无关，只与时间起点有关。 数据的采集、控制是由实时时钟决定的。实时时钟可通过软件定时中断或硬件电路（如DS12887和X1205等）实现。 5数据管理程序 数据管理程序主要包括画面显示、变化趋势分析、报警记录、统计报表、打印输出、数据操作等，主要用于生产管理。,6数据通信程序 数据通信程序主要实现两台计算机之间或一台计算机与多台计算机控制系统之间的数据传输和交换，形成分布式控制系统。 7公共服务程序 公共服务程序主要包括基准运算程序、函数运算程序、数码转换程序等。 9.1.7 选择工业自动化仪表 1传感器和变送器的选取 传感器可以将非电物理量，如温度、压力、流量、位移、液位、气体成份等被测参数变成电信号，如电压、电流或电阻信号，然后通过变送器变成可以远传的统一标准信号（05V，15V或010mA，420mA等）。送往AI模板进行数据采集。,2执行器的选取 执行器是过程控制系统中不可缺少的组成部分，它的作用是接受计算机发出的控制信号，并把它转换成机械动作，对生产过程实施控制。执行器可以分为气动、电动、液压三种类型。 气动执行机构的特点是结构简单、价格低、防火防爆；电动执行机构的特点是体积小、种类多、使用方便；液压执行机构的特点是推力大、精度高。常用的执行机构为气动和电动的。 在计算机控制系统当中，将010mA或420mA电信号经电气转换器转换成标准的0.020.1MPa气压信号之后，即可与气动执行机构（气动调节阀）配套使用。电动执行机构（电动调节阀）直接接受来自计算机的输出信号420mA或010mA，实现控制作用。 另外，还有各种有触点和无触点开关，也是执行机构，实现开关动作。电磁阀作为一种开关阀在工业中也得到了广泛的应用。 在系统中，选择气动调节阀、电动调节阀、电磁阀、有触点和无触点开关之中的哪一种，要根据系统的要求来确定。,9.1.8 系统调试,在计算机控制系统设计完成后，还要进行系统调试。 1硬件调试 硬件调试应按电路实现的功能分别进行调试。 2软件调试 首先编写与硬件调试对应的调试程序，配合硬件调试工作，待硬件调试完成后，再进行软件的总调试。 3现场调试 一台计算机控制系统在实验室调试好以后，就可以到现场进行安装并进行调试。 在现场调试时，应注意接地、环境干扰等方面的问题。同时，通过现场调试，选择合理的调节参数，确保系统稳定运行，并达到设计的性能指标。 现场调试需要丰富的经验，只有对生产现场进行深入的了解，不断完善设计方案，才能设计更好的计算机控制系统。,9.2 工业锅炉计算机控制系统的设计,9.2.1 工业锅炉的工作过程 工业锅炉已被广泛地应用于国民经济各个部门。通常蒸发量较小的用来供热或提供循环热水，蒸发量大的用来驱动汽轮机和蒸汽机，使热能转换为机械能，或进而转换为电能。其炉型有链条炉、煤粉炉、抛煤炉、油炉及煤气炉等。 10t/h锅炉结构和工艺流程示意图如图9-1所示。,空气 预 热 器,图9-1 10t/h锅炉结构和工艺流程示意图,1锅炉的主要设计参数 蒸发量：10t/h， 主蒸汽压力：13105Pa 主蒸汽温度：350， 给水温度：60105 热风温度：170， 冷风温度：20 排烟温度：180， 设计效率：78% 燃烧的煤层厚度通过闸板控制，炉排转速可由滑差电机控制或交流变频调速控制。尾部受热面有省煤器和空气预热器。 给水通过省煤器预热后给锅炉上水，空气经空气预热器后由炉排左右两侧6个风道进入，烟气通过除尘器除尘，由引风机送至烟囱排放，主蒸汽经过过热器（有的无过热器）送至汽柜和用汽部门。