第8章-计算机控制系统的设计与实现-计算机控制技术-课件-.ppt

1、计算机控制技术计算机控制技术Computer Controlled System中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院袁袁 艳艳2023年年1月月17日日中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现计算机控制系统的设计，既是一个理论问题，计算机控制系统的设计，既是一个理论问题，又是一个工程问题。计算机控制系统的工程设计，又是一个工程问题。计算机控制系统的工程设计，不仅要求掌握生产过程和工艺要求，而且要通晓不仅要求掌握生产过程和工艺要求，而且要通晓自动检测技术、计算机技术、通信技术、自动控自动检测技术、计算机技术、通信技术、自动控制技术、微电

2、子技术甚至控制室规划布置等。通制技术、微电子技术甚至控制室规划布置等。通常涉及总体方案设计，体系结构设计，设备选型常涉及总体方案设计，体系结构设计，设备选型定货，系统安装调试，工程验收和交付使用等具定货，系统安装调试，工程验收和交付使用等具体工作。本章介绍计算机控制系统工程设计的原体工作。本章介绍计算机控制系统工程设计的原则、方法及系统的设计与实现技术，并提供了一则、方法及系统的设计与实现技术，并提供了一个典型设计实例。个典型设计实例。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现第八章计算机控制系统设计与实现第八章计算机控制系统设计与实现8.1系统设计的

3、原则与步骤系统设计的原则与步骤8.2系统的工程设计与实现系统的工程设计与实现8.3计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例8.4热处理加热炉智能模糊控制系统热处理加热炉智能模糊控制系统中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现8.1系统设计的原则与步骤系统设计的原则与步骤返回返回尽管计算机控制系统的生产过程多种多样，系统的设尽管计算机控制系统的生产过程多种多样，系统的设计方案和具体的技术指标也是千变万化，但在计算机控制计方案和具体的技术指标也是千变万化，但在计算机控制系统的设计与实现过程中，有共性的设计原则与步骤。系统的设计与实现过程中，有共性的设

4、计原则与步骤。8.1.1系统设计的原则系统设计的原则8.1.2系统设计的步骤系统设计的步骤中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现8.1.1系统设计的原则系统设计的原则1、安全可靠、安全可靠在工业控制计算机系统中，可靠性指标一般用系统在工业控制计算机系统中，可靠性指标一般用系统的平均维修时间的平均维修时间MTTR(Mean-Time-To-Repair)来表示来表示或平均无故障时间或平均无故障时间(Mean-Time-Before-Failure)。MTTR表示系统每次出现故障后所需维修时间的平均值。它表表示系统每次出现故障后所需维修时间的平均值。它

5、表示系统出现故障后立即恢复工作的能力。示系统出现故障后立即恢复工作的能力。1)(0dtedttRMTBFtmiitmMTTR111中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现措施：措施：选用高性能的工业控制计算机（保证在恶劣的工选用高性能的工业控制计算机（保证在恶劣的工业环境下能正常运行）；业环境下能正常运行）；设计可靠的控制方案，具备各种安全保护措施；设计可靠的控制方案，具备各种安全保护措施；设计后备装置，主要功能分散，可采用设计后备装置，主要功能分散，可采用DCS或或FCS等。等。对于一般的控制回路，选用手动操作作为后备。对于一般的控制回路，选用手动

6、操作作为后备。对于较重要的控制场合，常采用双机系统作为控对于较重要的控制场合，常采用双机系统作为控制系统的核心控制器，制系统的核心控制器，中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现一般的方式有：一般的方式有：备份工作方式备份工作方式即一台投入运行，另一台作为系统的备份机。当投即一台投入运行，另一台作为系统的备份机。当投入运行的微机出现故障时，由专用切换装置将备份机自入运行的微机出现故障时，由专用切换装置将备份机自动投入，接替出故障的主机，使系统照常运行；出现故动投入，接替出故障的主机，使系统照常运行；出现故障的微机修复后，则作为备份机使用。障的微机修复

7、后，则作为备份机使用。主从工作方式主从工作方式即两台微机同时投入运行。一台担任主要工作，另即两台微机同时投入运行。一台担任主要工作，另一台担任从属工作。当担任主要工作的主机发生故障时，一台担任从属工作。当担任主要工作的主机发生故障时，由担任从属工作的从属机接替主机的工作，保证系统的由担任从属工作的从属机接替主机的工作，保证系统的继续运行。继续运行。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现 双工工作方式双工工作方式在这种系统中，两台主机同时投入系统运行，在在这种系统中，两台主机同时投入系统运行，在如何一个时刻，都同步执行同一个任务，并将结果送如何一个时

8、刻，都同步执行同一个任务，并将结果送到一个专门的装置进行核对。到一个专门的装置进行核对。如两台机器输出结果相符，说明两台主机都正常，如两台机器输出结果相符，说明两台主机都正常，允许将结果输出到被控对象或设备；如结果不符，封允许将结果输出到被控对象或设备；如结果不符，封锁输出，如经几次核对后结果仍不符，则说明其中一锁输出，如经几次核对后结果仍不符，则说明其中一台发生故障。这时调用诊断程序确定故障所在机器，台发生故障。这时调用诊断程序确定故障所在机器，并将其换下，让另一台主机继续完成执行控制任务。并将其换下，让另一台主机继续完成执行控制任务。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第

9、八章计算机控制系统设计与实现 分布式控制方案分布式控制方案其实质是智能控制单元分别控制各被控对其实质是智能控制单元分别控制各被控对象，由上一级计算机进行监视和管理。当某一象，由上一级计算机进行监视和管理。当某一台智能控制单元出现故障时，它的控制任务可台智能控制单元出现故障时，它的控制任务可由上位机来承担；如上位机出现故障，则各智由上位机来承担；如上位机出现故障，则各智能控制单元仍可维持对各被控对象的控制，所能控制单元仍可维持对各被控对象的控制，所以大大提高了整个系统的可靠性。以大大提高了整个系统的可靠性。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现2、系

10、统操作性能好、系统操作性能好操作性能好包括使用方便和维修容易两个含义。操作性能好包括使用方便和维修容易两个含义。操作方便表现在操作简单、直观形象、便于掌握，操作方便表现在操作简单、直观形象、便于掌握，并不强求操作工要掌握计算机知识才能操作。既要并不强求操作工要掌握计算机知识才能操作。既要体现操作的先进性，又要兼顾原有的操作习惯。体现操作的先进性，又要兼顾原有的操作习惯。维修方便体现在易于查找故障，易于排除故障。采维修方便体现在易于查找故障，易于排除故障。采用标准的功能模板式结构，便于更换故障模板。并用标准的功能模板式结构，便于更换故障模板。并在功能模板上安装工作状态指示灯和检测点，便于在功能模

11、板上安装工作状态指示灯和检测点，便于维修人员检查，另外配置诊断程序，用来查找故障。维修人员检查，另外配置诊断程序，用来查找故障。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现3、实时性强、实时性强工业控制机的实时性，表现在对内部和外部事工业控制机的实时性，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，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。不延误操作。对于定时事件如数据的定时采集，运算控制等，对于定时事件如数据的定时采集，运算控制等，系统设置时钟，保证定时处理。系统设置时钟，保证定时处理。对于随机事件如事故、报警等，系

12、统设置中断，对于随机事件如事故、报警等，系统设置中断，并根据故障的轻重缓急，预先分配中断级别，一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。旦事故发生，保证优先处理紧急故障。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现4、通用性好，便于扩充、通用性好，便于扩充计算机控制的对象千变万化，一个工业控制计算机控制的对象千变万化，一个工业控制系统一般可同时控制多台设备或控制对象。系统系统一般可同时控制多台设备或控制对象。系统设计时应考虑能适应不同的设备和不同的控制对设计时应考虑能适应不同的设备和不同的控制对象。象。系统设计时，各设

13、计指标要留有一定的余量，系统设计时，各设计指标要留有一定的余量，为日后系统的扩充创造有利的条件。如为日后系统的扩充创造有利的条件。如CPU的工的工作速度、电源功率、内存容量、输入输出通道数作速度、电源功率、内存容量、输入输出通道数等指标，均应留有一定余量。等指标，均应留有一定余量。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现工业控制机的通用灵活性体现在两方面：工业控制机的通用灵活性体现在两方面：硬件模板设计采用标准总线结构，配置各种硬件模板设计采用标准总线结构，配置各种通用的功能模板，以便再扩充功能，只需增通用的功能模板，以便再扩充功能，只需增加功能模板

14、就能实现；加功能模板就能实现；软件模块或控制算法采用标准模块结构，用软件模块或控制算法采用标准模块结构，用户使用时不需要二次开发，只需按要求选择户使用时不需要二次开发，只需按要求选择各种功能模块，灵活地进行控制系统组态。各种功能模块，灵活地进行控制系统组态。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现 5、经济效益高、经济效益高计算机控制系统应该带来高的经济效益，计算机控制系统应该带来高的经济效益，系统设计时要考虑性能价格比，要有市场竞争系统设计时要考虑性能价格比，要有市场竞争意识。意识。经济效益表现在：一是系统设计的性能价经济效益表现在：一是系统设计的

15、性能价格比要尽可能的高；二是投入产出比要尽可能格比要尽可能的高；二是投入产出比要尽可能地低。地低。返回返回中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现8.1.2系统设计的步骤系统设计的步骤1、工程设计的确定、工程设计的确定确定工程项目与控制任务一般由甲、乙共确定工程项目与控制任务一般由甲、乙共同工作来实现。所谓甲方，就是任务的委托方；同工作来实现。所谓甲方，就是任务的委托方；乙方是系统工程项目的承接方。乙方是系统工程项目的承接方。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机

16、控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现(1)甲方提出任务委托书甲方提出任务委托书在委托乙方承接系统工程项目前，甲方一在委托乙方承接系统工程项目前，甲方一定要提供正式的书面任务该委托书要明确的系统定要提供正式的书面任务该委托书要明确的系统技术性能指标要求，还要包含经费、计划进度、技术性能指标要求，还要包含经费、计划进度、合作方式等内容。合作方式等内容。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现(2)乙方研究任务委托书乙方研究任务委托书乙方在接到任务委托书后要认真阅读，并乙方在接到任务委托书后要认真阅读，并逐步进行研究。对含糊不清、认识上有分歧和逐步进

17、行研究。对含糊不清、认识上有分歧和需补充或删节的地方要逐条标出，并拟定出要需补充或删节的地方要逐条标出，并拟定出要进一步弄清的问题及修改意见。进一步弄清的问题及修改意见。(3)双方对委托书进行确认性修改双方对委托书进行确认性修改在乙方对委托书进行了认真研究之后，双在乙方对委托书进行了认真研究之后，双方应就委托书的确认或修改事宜进行协商和讨方应就委托书的确认或修改事宜进行协商和讨论。论。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现为避免因行业和专业不同所带来的局限性，在讨为避免因行业和专业不同所带来的局限性，在讨论时应有各方面有经验的人员参加。经过确认或修

18、改论时应有各方面有经验的人员参加。经过确认或修改过的委托书中不应有含义不清的的词汇和条款，而且过的委托书中不应有含义不清的的词汇和条款，而且双方的任务和技术界面必须划分清楚。双方的任务和技术界面必须划分清楚。(4)乙方初步进行系统总体方案设计乙方初步进行系统总体方案设计由于任务和经费没有落实，所以这时总体方案的由于任务和经费没有落实，所以这时总体方案的设计只能是粗线条的。在条件允许的情况下，应多做设计只能是粗线条的。在条件允许的情况下，应多做几个方案以便比较。这些方案应在几个方案以便比较。这些方案应在“粗线条粗线条”的前提的前提下，尽量详细，其把握的尺度是能清楚地反映出三大下，尽量详细，其把握

19、的尺度是能清楚地反映出三大关键问题：关键问题：技术难点，经费概算，工期。技术难点，经费概算，工期。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现(5)乙方进行方案可行性论证乙方进行方案可行性论证方案可行性论证的目的是要估计承接该项任务的把握方案可行性论证的目的是要估计承接该项任务的把握性，并为签订合同后的设计工作打下基础。论证的主要内性，并为签订合同后的设计工作打下基础。论证的主要内容是：技术可行性；经费可行性；进度可行性。特别要指容是：技术可行性；经费可行性；进度可行性。特别要指出，对控制项目尤其是对可测性和可控性应给予充分重视。出，对控制项目尤其是对可

20、测性和可控性应给予充分重视。(6)签订合同书签订合同书合同书是双方达成一致意见的结果，也是双方合作的合同书是双方达成一致意见的结果，也是双方合作的依据和凭证。合同书应包含如下内容：经过双方修改和认依据和凭证。合同书应包含如下内容：经过双方修改和认可的甲方可的甲方“任务委托书任务委托书”的全部内容，双方的任务划分和的全部内容，双方的任务划分和各自应承担的责任，合作方式，付款方式，进度和计划安各自应承担的责任，合作方式，付款方式，进度和计划安排，验收方式及条件，成果归属及违约的解决办法。排，验收方式及条件，成果归属及违约的解决办法。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机

21、控制系统设计与实现2、工程项目的设计、工程项目的设计(1)组建项目研制小组组建项目研制小组为了完成系统设计，应首先把项目组成员确定下来。为了完成系统设计，应首先把项目组成员确定下来。这个项目组成应由懂得计算机硬件、软件和有控制经这个项目组成应由懂得计算机硬件、软件和有控制经验的技术人员组成，还要明确分工和相互的协调合作验的技术人员组成，还要明确分工和相互的协调合作关系。关系。(2)形成总体方案形成总体方案系统总体方案包括系统总体方案包括硬件总体方案和软件总体方案硬件总体方案和软件总体方案。硬件和软件的设计是互相有机联系的。因此，在设计硬件和软件的设计是互相有机联系的。因此，在设计时要经过多次的

22、协调和反复，最后才能形成硬件和软时要经过多次的协调和反复，最后才能形成硬件和软件的方块图，并建立说明文档，包括控制策略和控制件的方块图，并建立说明文档，包括控制策略和控制算法的确定等。算法的确定等。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现(3)方案论证与评审方案论证与评审方案论证与评审是对系统设计方案的把关和最终裁方案论证与评审是对系统设计方案的把关和最终裁定。评审后确定的方案是进行具体设计和工程实施的依定。评审后确定的方案是进行具体设计和工程实施的依据，因此应邀请有关专家、主管领导及甲方代表参加。据，因此应邀请有关专家、主管领导及甲方代表参加。评审

23、后应重新修改总体方案，评审过的方案设计应该作评审后应重新修改总体方案，评审过的方案设计应该作为正式文件存档，原则上不应再作大的改动。为正式文件存档，原则上不应再作大的改动。(4)硬件和软件的分别细化设计硬件和软件的分别细化设计此步骤只能在总体方案评审后进行。所谓细化设计此步骤只能在总体方案评审后进行。所谓细化设计就是将方块图中的方块划到最低层，然后进行底层块内就是将方块图中的方块划到最低层，然后进行底层块内的结构细化设计。对于硬件设计来说，就是选购模板以的结构细化设计。对于硬件设计来说，就是选购模板以及设计制作专用模板；对软件设计来说，就是将一个个及设计制作专用模板；对软件设计来说，就是将一个

24、个模块编成一条条的程序。模块编成一条条的程序。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现(5)硬件和软件的分别调试硬件和软件的分别调试实际上，硬件、软件的设计中都需边设计实际上，硬件、软件的设计中都需边设计边调试边修改。往往要经过几个反复过程才能边调试边修改。往往要经过几个反复过程才能完成。完成。(6)系统的组装系统的组装硬件细化设计和软件细化设计后，分别进硬件细化设计和软件细化设计后，分别进行调试。之后就可进行系统的组装，组装是离行调试。之后就可进行系统的组装，组装是离线仿真和调试阶段的前提和必要条件。线仿真和调试阶段的前提和必要条件。中南大学信息科

25、学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现3、项目仿真和调试、项目仿真和调试(1)离线仿真和调试离线仿真和调试离线仿真和调试阶段的流程如图所示。离线仿真和调试阶段的流程如图所示。所谓离线仿真和调试是所谓离线仿真和调试是指在实验室而不是在工指在实验室而不是在工业现场进行的仿真和调业现场进行的仿真和调试。试。离线仿真和调试试验后，离线仿真和调试试验后，还要进行考机运行。还要进行考机运行。考机的目的是要在连续考机的目的是要在连续不停机的运行中暴露问不停机的运行中暴露问题和解决问题。题和解决问题。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计

26、与实现（2）在线调试和运行）在线调试和运行系统离线仿真和调试后便可进行在线调试和运行。系统离线仿真和调试后便可进行在线调试和运行。在线调试和运行就是将系统和生产过程连接在一起，在线调试和运行就是将系统和生产过程连接在一起，进行现场调试和运行。进行现场调试和运行。尽管离线仿真和调试工作非常认真、仔细，现场调尽管离线仿真和调试工作非常认真、仔细，现场调试和运行仍可能出现问题，因此必须认真分析加以解决。试和运行仍可能出现问题，因此必须认真分析加以解决。系统运行正常后，再调试一段时间，即可组织验收。系统运行正常后，再调试一段时间，即可组织验收。验收是系统项目最终完成的标志，应由甲方主持乙验收是系统项目

27、最终完成的标志，应由甲方主持乙方参加，双方协同办理。方参加，双方协同办理。验收完毕应形成验收文件存档。验收完毕应形成验收文件存档。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现整个过程如图所示。整个过程如图所示。现场安装调试现场安装调试 试运行试运行验收验收结束结束返回返回中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现8.2系统的工程设计与实现系统的工程设计与实现返回返回作为一个计算机控制系统工程项目，在研制过程这作为一个计算机控制系统工程项目，在研制过程这应该经过那些步骤，应该怎样有条不紊地保证工程顺利应该经过那些步

28、骤，应该怎样有条不紊地保证工程顺利进行，这是需要认真考虑的。进行，这是需要认真考虑的。8.2.1系统总体方案设计系统总体方案设计8.2.2硬件的工程设计与实现硬件的工程设计与实现8.2.3软件的工程设计与实现软件的工程设计与实现8.2.4系统的调试与运行系统的调试与运行中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现8.2.1系统总体方案设计系统总体方案设计总体设计就是要了解控制对象、熟悉控制要总体设计就是要了解控制对象、熟悉控制要求，确定总的技术性能指标，确定系统的构成求，确定总的技术性能指标，确定系统的构成方式及控制装置与现场设备的选择，以及控制方式及控

29、制装置与现场设备的选择，以及控制规律算法和其它特殊功能要求。包括：规律算法和其它特殊功能要求。包括：硬件总体方案设计：确定系统任务与控制方案；硬件总体方案设计：确定系统任务与控制方案；确定系统的构成方式设计；选择现场设备确定系统的构成方式设计；选择现场设备软件总体方案设计：确定控制算法软件总体方案设计：确定控制算法中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现1、硬件总体方案设计、硬件总体方案设计硬件总体方案设计的方法通常是硬件总体方案设计的方法通常是“黑黑箱箱”设计。所谓设计。所谓“黑箱黑箱”设计，就是画方块设计，就是画方块图的方法。用这种方法做出的系统

30、结构设计，图的方法。用这种方法做出的系统结构设计，只需明确各方块之间的信号输入输出关系和只需明确各方块之间的信号输入输出关系和功能要求，而不需知道功能要求，而不需知道“黑箱黑箱”内具体结构。内具体结构。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现硬件总体方案设计主要包含以下几个方面的内容：硬件总体方案设计主要包含以下几个方面的内容：（1）确定系统的结构和类型）确定系统的结构和类型根据系统要求，确定采样开环还是闭环控制。根据系统要求，确定采样开环还是闭环控制。闭环控制还需进一步确定是单闭环还是多闭环控制。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

31、供选择的控制系统类型有：操作指导控制系实际可供选择的控制系统类型有：操作指导控制系统；直接数字控制系统；监督计算机控制系统；分级控统；直接数字控制系统；监督计算机控制系统；分级控制系统等。制系统等。（2）确定系统的构成方式）确定系统的构成方式系统的构成方式应优先选择工业控制机来构成系统系统的构成方式应优先选择工业控制机来构成系统的方式。也可以采用可编程控制器或智能调节器来构成的方式。也可以采用可编程控制器或智能调节器来构成计算机控制系统的前端机。计算机控制系统的前端机。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现工业控制机具有系列化、模块化、标准化和开放

32、结工业控制机具有系列化、模块化、标准化和开放结构，有利于系统设计者在系统设计时根据要求来任意选构，有利于系统设计者在系统设计时根据要求来任意选择，像搭积木般地组建系统。这种方式可提高研制和开择，像搭积木般地组建系统。这种方式可提高研制和开发速度，提高系统的技术水平和性能。发速度，提高系统的技术水平和性能。（3）现场设备选择）现场设备选择主要包括传感器、变送器和执行机构（电机驱动、主要包括传感器、变送器和执行机构（电机驱动、液压、气动、步进电机等）的选择，这些装置的选择要液压、气动、步进电机等）的选择，这些装置的选择要正确，它是影响系统控制精度的重要因素之一。正确，它是影响系统控制精度的重要因素

33、之一。其他方面的总体设计方案中还应考虑人机联系方其他方面的总体设计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、抗干扰等方面的问式、系统的机柜或机箱的结构设计、抗干扰等方面的问题。题。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现2、软件总体方案设计、软件总体方案设计软件总体方案设计通常也是采用结构化的软件总体方案设计通常也是采用结构化的“黑箱黑箱”设计法。设计法。先画出较高一级的方框图，然后再将大的方框分解先画出较高一级的方框图，然后再将大的方框分解成小的方框，直到能表达清楚为止。软件设计方案还应成小的方框，直到能表达清楚为止。软件设计方案还应

34、考虑确定系统的数学模型、控制策略、控制算法等，选考虑确定系统的数学模型、控制策略、控制算法等，选择合适的控制组态软件，也是软件总体设计的重要内容。择合适的控制组态软件，也是软件总体设计的重要内容。软件总体方案设计的主要内容：软件总体方案设计的主要内容：程序结构规划；资源分配；实时控制软件设计：数程序结构规划；资源分配；实时控制软件设计：数据采集及数据处理、实时时钟与中断处理；控制算法、据采集及数据处理、实时时钟与中断处理；控制算法、控制量输出；生产管理、数据通信等。控制量输出；生产管理、数据通信等。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现其中重要的任

35、务是确定控制策略和控制算法：其中重要的任务是确定控制策略和控制算法：建立对象与其它部分的数学模型，包括系统动态特性建立对象与其它部分的数学模型，包括系统动态特性的数学表达式，反映系统输入、内部状态和输出之间的数学表达式，反映系统输入、内部状态和输出之间的逻辑与数量关系的表达式或图表曲线等，为系统的的逻辑与数量关系的表达式或图表曲线等，为系统的分析、综合与设计提供依据。分析、综合与设计提供依据。针对具体控制对象和控制指标要求选择合适的控制算针对具体控制对象和控制指标要求选择合适的控制算法与控制策略，满足控制速度、控制精度和系统稳定法与控制策略，满足控制速度、控制精度和系统稳定性等方面的要求。性等

36、方面的要求。要求快速跟随的系统：最少拍无纹波设计法；要求快速跟随的系统：最少拍无纹波设计法；具有纯滞后的对象：具有纯滞后的对象：Smith补偿算法或大林算法；补偿算法或大林算法；模型中参数难以确定或波动较大时：模糊算法、自模型中参数难以确定或波动较大时：模糊算法、自适应算法或其它智能算法等。适应算法或其它智能算法等。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现各种控制方法提供了一套通用的算法公式，各种控制方法提供了一套通用的算法公式，但应用于具体控制对象时，应有分析地选用，但应用于具体控制对象时，应有分析地选用，在某些情况下可进行必要的修改与补充。在某些

37、情况下可进行必要的修改与补充。如如PID数字算法，若效果不理想，可适当数字算法，若效果不理想，可适当修改，加修改，加Bang-Bang控制，提高快速性；加控制，提高快速性；加FC，响应速度加快，超调量减小等。响应速度加快，超调量减小等。注意要考虑控制计算的实时性。注意要考虑控制计算的实时性。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现 3、系统总体方案、系统总体方案将上面的硬件总体方案和软件总体方案合在将上面的硬件总体方案和软件总体方案合在一起构成系统的总体方案。总体方案论证可行后，一起构成系统的总体方案。总体方案论证可行后，要形成文件，建立总体方案文档

38、。要形成文件，建立总体方案文档。系统总体文件的内容包括：系统总体文件的内容包括：系统的主要功能、技术指标。原理性方框图及系统的主要功能、技术指标。原理性方框图及文字说明。文字说明。控制策略和控制算法。控制策略和控制算法。系统的硬件结构及配置，主要的软件功能、结系统的硬件结构及配置，主要的软件功能、结构及框图。构及框图。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现 方案的比较和选择。方案的比较和选择。保证性能指标要求的技术措施。保证性能指标要求的技术措施。抗干扰和可靠性设计。抗干扰和可靠性设计。机柜和机箱的结构设计。机柜和机箱的结构设计。经费和进度计划的安

39、排。经费和进度计划的安排。对所提出的总体设计方案要进行合理性、经对所提出的总体设计方案要进行合理性、经济性、可靠性及可行性论证。论证结束后，便可济性、可靠性及可行性论证。论证结束后，便可形成作为系统设计依据的系统总体方案图和设计形成作为系统设计依据的系统总体方案图和设计任务书，以指导具体的系统设计过程。任务书，以指导具体的系统设计过程。返回返回中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现8.2.2硬件的工程设计与实现硬件的工程设计与实现硬件的工程设计和实现硬件的工程设计和实现由于总线式工业控制机的高度模块化和插板结构，因由于总线式工业控制机的高度模块化和

40、插板结构，因此，可以采用组合方式来大大简化计算机控制系统的设此，可以采用组合方式来大大简化计算机控制系统的设计。计。采用总线式工业控制机，只需要简单的更换几块模板，采用总线式工业控制机，只需要简单的更换几块模板，就可以很方便地变成另外一种功能的控制系统。就可以很方便地变成另外一种功能的控制系统。在计算机控制系统中，一些控制功能既能用硬件实现，在计算机控制系统中，一些控制功能既能用硬件实现，亦能用软件实现，故系统设计时，硬件、软件的功能要亦能用软件实现，故系统设计时，硬件、软件的功能要综合考虑。综合考虑。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现1、选择

41、系统的总线和主机类型、选择系统的总线和主机类型（1）选择系统的总线）选择系统的总线系统采用总线结构，具有很多优点。系统采用总线结构，具有很多优点。简化硬件结构简化硬件结构用户可根据需要直接选用符合总线标准的功能模板，用户可根据需要直接选用符合总线标准的功能模板，而不必考虑模板插件之间的匹配问题，使系统硬件设计大而不必考虑模板插件之间的匹配问题，使系统硬件设计大大简化。大简化。系统可扩性好，仅需将按总线标准研制的新的功能模板插系统可扩性好，仅需将按总线标准研制的新的功能模板插在总线槽中即可。在总线槽中即可。系统更新性好，一旦出现新的微处理器、存储器芯片和接系统更新性好，一旦出现新的微处理器、存储

42、器芯片和接口电路，只要将这些新的芯片及总线标准研制成各类插件，口电路，只要将这些新的芯片及总线标准研制成各类插件，即可取代原来的模板而升级更新系统。即可取代原来的模板而升级更新系统。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现 内总线选择内总线选择常用的工业控制机内总线有两种，即常用的工业控制机内总线有两种，即PC总线和总线和STD总总线。一般常选用线。一般常选用PC总线进行系统地设计。总线进行系统地设计。外总线选择外总线选择外总线就是计算机与计算机之间、计算机与智能仪器外总线就是计算机与计算机之间、计算机与智能仪器或智能外设之间进行通信的总线。或智能外

43、设之间进行通信的总线。它包括并行通信总线它包括并行通信总线(IEEE488)和串行通信总线和串行通信总线(RS232C)。另外还有可用来进行远距离通信、多站点互联。另外还有可用来进行远距离通信、多站点互联的通信总线的通信总线RS422和和RS485。具体选择哪一种，要根据通信的速率、距离、系统拓具体选择哪一种，要根据通信的速率、距离、系统拓扑结构、通信协议等要求来综合分析、才能确定。扑结构、通信协议等要求来综合分析、才能确定。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现但需要说明的是但需要说明的是RS422和和RS485总线在工业控制总线在工业控制机的主

44、机中没有现成的接口装置，必须另外选择相应的机的主机中没有现成的接口装置，必须另外选择相应的通信接口板。通信接口板。要注意现场总线技术应是当前的优先选择。要注意现场总线技术应是当前的优先选择。（2）选择主机机型）选择主机机型在总线式工业控制机中，有许多机型，都因采用的在总线式工业控制机中，有许多机型，都因采用的CPU不同而不同。不同而不同。以以PC总线工业控制机为例，其总线工业控制机为例，其CPU有有8088、8086、80486、Pentium(586、P2、P3)等多种型号，内存、硬盘、等多种型号，内存、硬盘、主频、显示卡也有多种规格。主频、显示卡也有多种规格。设计人员可根据要求合理地进行选

45、择。设计人员可根据要求合理地进行选择。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现微处理器是整个系统的核心，它的选择将对整个系统产微处理器是整个系统的核心，它的选择将对整个系统产生决定性的影响，一般应从以下几个方面进行考虑。生决定性的影响，一般应从以下几个方面进行考虑。字长字长 微处理器字长会直接影响数据的精度、指令的数目、微处理器字长会直接影响数据的精度、指令的数目、寻址能力和执行操作的时间。字长越长，对提供控制系寻址能力和执行操作的时间。字长越长，对提供控制系统的性能越有利，但相应地会增加系统成本。因此应根统的性能越有利，但相应地会增加系统成本。因此

46、应根据不同的对象和要求，恰当地选择。据不同的对象和要求，恰当地选择。在过程控制领域中，一般选择在过程控制领域中，一般选择8位或位或16位字长的微位字长的微处理器就可以达到要求。处理器就可以达到要求。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现寻址范围和寻址方式寻址范围和寻址方式 微处理器的地址码长度一般决定了它的寻址范围大小，微处理器的地址码长度一般决定了它的寻址范围大小，对于单片微处理器，有的提供了直接外部存储器寻址能力，对于单片微处理器，有的提供了直接外部存储器寻址能力，而有的则没有，应根据系统要求的存储容量要求，选择相而有的则没有，应根据系统要求的

47、存储容量要求，选择相应的微处理器。应的微处理器。具有丰富的寻址方式的微处理器，在编写应用程序时，具有丰富的寻址方式的微处理器，在编写应用程序时，会使程序长度大大缩短。会使程序长度大大缩短。指令种类和数量指令种类和数量 一般来说，当微处理器的指令种类越多，针对特定操一般来说，当微处理器的指令种类越多，针对特定操作的指令也必然多，其处理速度越快，编程灵活方便，程作的指令也必然多，其处理速度越快，编程灵活方便，程序长度缩短。序长度缩短。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现内部寄存器的种类和数量内部寄存器的种类和数量 微处理器内部结构对系统性能影响也很大

48、。内部寄存微处理器内部结构对系统性能影响也很大。内部寄存器的种类和数量越多，访问存储器的次数就越少，从而加器的种类和数量越多，访问存储器的次数就越少，从而加快了执行速度。快了执行速度。微处理器的速度微处理器的速度 微处理器的速度越高性能也越好，但是，它应该与被微处理器的速度越高性能也越好，但是，它应该与被控对象的要求相适应，过高要求会给系统的安装和调试等控对象的要求相适应，过高要求会给系统的安装和调试等工作带来不必要的麻烦。如高速工作时，系统中各引线之工作带来不必要的麻烦。如高速工作时，系统中各引线之间的串扰是系统调试和运行中常见的问题。间的串扰是系统调试和运行中常见的问题。中断处理能力中断处

49、理能力 在微机控制系统中，中断处理方式是一种主要的输入在微机控制系统中，中断处理方式是一种主要的输入输出方式。中断功能的强弱，反映了系统的实时控制的能输出方式。中断功能的强弱，反映了系统的实时控制的能力和系统硬件与软件的布局。力和系统硬件与软件的布局。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第八章计算机控制系统设计与实现2、选择输入输出通道模板、选择输入输出通道模板一个典型的计算机控制系统，除了工业控制机的主一个典型的计算机控制系统，除了工业控制机的主机以外，还必须有各种输入输出信道模板，其中包括数机以外，还必须有各种输入输出信道模板，其中包括数字量字量I/O(即即DI/DO)、

50、模拟量、模拟量I/O(即即AI/AO)等模板。等模板。（1）数字量）数字量(开关量开关量)输入输出输入输出(DI/DO)模板模板PC总线的并行总线的并行I/O 接口模板多种多样，通常可分为接口模板多种多样，通常可分为TTL电平的电平的DI/DO和带光电隔离的和带光电隔离的DI/DO。通常和工业控制机共地装置的接口可以采用通常和工业控制机共地装置的接口可以采用TTL电电平，而其它装置与工业控制机之间则采用光电隔离。平，而其它装置与工业控制机之间则采用光电隔离。对于大容量的对于大容量的DI/DO系统，往往选用大容量的系统，往往选用大容量的TTL电平电平DI/DO板，而将光电隔离及驱动功能安排在工业