11控制系统设计与工程实现

第11章控制系统设计与工程实现本章要点•1．学习计算机控制系统的设计原则。•2．初步掌握计算机控制系统的设计步骤。•3．学习实例，加深认识与初步掌握单片机、IPC和PLC控制系统的设计思路。本章主要内容引言11.1控制系统的设计原则11.2控制工程的实现步骤11.3控制工程的应用实例本章小结思考题引言前面讨论了计算机控制系统各部分的结构组成、工作原理、硬件和软件技术、控制规律算法以及典型的控制装置类型，这就为计算机控制系统的设计与工程实现奠定了基础。由于控制对象多种多样，要求控制系统达到的功能也各不相同，这使得计算机控制系统的构成方式和规模大小也具有多样性。11.1控制系统的设计原则对于不同的控制对象，系统的设计方案和具体的技术指标是不同的，但控制系统的设计原则是相同的。这就是满足工艺要求，可靠性高，操作性能好，实时性强，通用性好，经济效益高。主要内容1.满足工艺要求2.可靠性要高3.操作性要好4.实时性要强5.通用性要好6.经济效益要高（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对工业控制的计算机系统最基本的要求是可靠性高。否则，一旦系统出现故障，将造成整个控制过程的混乱，会引起严重的后果，由此造成的损失往往大大超出计算机控制系统本身的价值。在工业生产过程中，特别是在一些连续生产过程的企业中，是不允许故障率高的设备存在的。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。在计算机控制系统中，可靠性指标一般用系统的平均无故障时间MTBF和平均维修时间MTTR来表示。MTBF反映了系统可靠工作的能力，MTTR表示系统出现故障后立即恢复工作的能力，一般希望MTBF要大于某个规定值，而MTTR值越短越好。因此，在系统设计时，首先要选用高性能的工业控制计算机，保证在恶劣的工业环境下仍能正常运行。其次是设计可靠的控制方案，并具备有各种安全保护措施，比如报警、事故预测、事故处理、不间断电源等。为了预防计算机故障，还须设计后备装置。对于一般的控制回路，选用手动操作器作为后备；对于重要的回路，选用常规控制仪表作为后备。这样，一旦计算机出现故障，就把后备装置切换到控制回路中去，以维持生产过程的正常运行。对于特殊的控制对象，可设计两台计算机互为备用地执行控制任务，成为双机系统。对于规模较大的系统，应注意功能分散，即可采用分散控制系统或现场总线控制系统。（3）操作性要好操作性能好包括两个含义，即使用方便和维护容易。首先是使用方便。系统设计时要尽量考虑用户的方便使用，尤其是操作面板的设计，既要体现操作的先进性，又要兼顾原有的操作习惯，控制开关不能太多、太复杂，尽量降低对使用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。其次是维修容易，即一旦发生故障，易于查找和排除。在硬件方面，从零部件的排列位置，标准化的模板结构，以及能否便于带电插拔等等都要通盘考虑；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。（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。（5）通用性要好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。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，以便在需要扩充时，只要增加相应板、块就能实现，即便当CPU升级时，也只要更换相应的升级芯片及少量相关电路即可实现系统升级的目的。其次，在系统设计时，各设计指标要留有一定的余量，如输入输出通道指标、内存容量、电源功率等。二是软件方面，应采用标准模块结构，尽量不进行二次开发，主要是按要求选择各种软件功能模块，灵活地进行控制系统的组态。（6）经济效益要高计算机控制应该带来高的经济效益，要有市场竞争意识。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。11.2控制工程的实现步骤主要知识点简单介绍11.2.1准备阶段11.2.2设计阶段11.2.3仿真及调试阶段简单介绍作为一个计算机控制系统的工程项目，在设计研制过程中应经过哪些步骤，这是需要认真考虑的。如果步骤不清，或者每一步需要做什么不明确，就有可能引起研制过程中的混乱甚至返工。计算机控制系统的研制过程一般可分为4个阶段：准备阶段、设计阶段、仿真及调试阶段和现场调试运行阶段。11.2.1准备阶段在一个工程项目研制实施的开始阶段，首先碰到的问题是甲方和乙方之间的双方合同关系。甲方是任务的委托方，乙方是任务的承接方。图14-1给出了系统研制准备阶段的流程，该流程既适合于甲方，也适合于乙方。14-1系统研制准备阶段流程14-1系统研制准备阶段流程1．甲方提出任务委托书2．乙方研究任务委托书3．双方对委托书进行确认性修改4．乙方初步进行系统总体方案设计5．乙方进行方案可行性论证6．签订合同书在委托乙方承接系统项目前，甲方一定要提供正式的书面任务委托书，该委托书一定要有清楚准确的系统技术性能指标，还要包含经费、计划进度及合作方式等内容。1．甲方提出任务委托书乙方在接到任务委托书后要认真阅读，并逐条进行研究。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，并拟订出要进一步弄清的问题及修改意见。2．乙方研究任务委托书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论。经过确认或修改过的委托书中不应再有含义不清的词汇和条款，而且双方的任务和技术界面必须划分清楚。3．双方对委托书进行确认性修改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。但应能反映出三大关键问题：技术难点；经费概算；工期。乙方应多做几个不同的方案以便比较。4．乙方初步进行系统总体方案设计方案可行性论证的目的是要估计承接该项任务的把握性，并为签合同后设计阶段的总体设计打下基础。论证的主要内容是：技术可行性；经费可行性；进度计划可行性。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。如果论证的结果可行，接着就应做好签合同前的准备工作；如果不可行，则应与甲方进一步协商任务委托书的有关内容或对条款进行修改。若不能修改，则合同不能签订。5．乙方进行方案可行性论证这是准备阶段的最后一个步骤。合同书是双方达成一致意见的结果，也是以后双方合作的唯一依据和凭证。合同书应包含如下内容：双方的任务划分和各自应承担的责任；合作方式；付款方式；进度和计划安排；验收方式及条件；成果的归属；违约的解决办法等。合同书的最后签订，也就意味着双方认可的系统总体方案得以确定，可以进入下一个设计阶段。6．签订合同书11.2.2设计阶段控制系统的设计阶段又分为总体设计、硬件设计、软件设计等几个步骤。1．总体设计2.硬件设计3．软件设计1．总体设计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，确定系统的构成方式及控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。（1）确定系统任务与控制方案（2）确定系统的构成方式设计（3）选择现场设备（4）确定控制算法（5）硬、软件功能的划分（6）其它方面的考虑在进行系统设计之前，首先应对控制对象的工艺流程进行分析归纳，明确具体要求，确定系统所要完成的任务，一般应同用户讨论并得到用户的认可。然后根据系统要求，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；进而还要确定出整个系统是采用DDC，还是采用SCC，或者采用DCS或FCS。（1）确定系统任务与控制方案控制方案确定后，就可以进一步确定系统的构成方式即进行控制装置机型的选择。目前已经生产出许多用于工业控制的计算机装置可供选择，如单片机、可编程调节器、IPC、PLC和DCS、FCS等。（2）确定系统的构成方式在以模拟量为主的中小规模的过程控制环境下，一般应优先选择总线式IPC来构成系统的方式；在以数字量为主的中小规模的运动控制环境下，一般应优先选择PLC来构成系统的方式。IPC或PLC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，象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。当系统规模较小、控制回路较少时，可以考虑采用可编程调节器或控制仪表；如果是小型控制装置或智能仪器仪表的研制设计，则可以采用单片机系列。当系统规模较大，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、FCS、高档PLC或其它工控网络构成。主要包含传感器、变送器和执行器的选择。随着控制技术的发展，测量各种参数的传感器，如温度、压力、流量、液位、成分、位移、重量、速度等等，种类繁多，规格各异；而执行器也有模拟量执行器、数字量执行器以及电动、气动、液动等之分。因此，如何正确选择这些现场设备，确实不是一件简单的事情，这其中的任何一个环节都会影响系统的控制任务和控制精度。（3）选择现场设备选用什么控制算法才能使系统达到要求的控制指标，也是系统设计的关键问题之一。控制算法的选择与系统的数学模型有关，在系统的数学模型确定后，便可推导出相应的控制算法。所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式，它表示系统输入输出及其内部状态之间的关系。一般多由实验方法测出系统的阶跃响应特性曲线，然后由曲线确定出其数学模型。当系统模型确定之后，即可确定控制算法。计算机控制系统的主要任务就是按此控制算法进行控制。因此，控制算法的正确与否，直接影响控制系统的调节品质。（4）确定控制算法由于控制对象多种多样，相应控制模型也各异，所以控制规律及其控制算法也是多种多样的。如一般简单的生产过程常采用P、PI或PID控制；对于工况复杂工艺要求高的生产过程，一般的PID不能达到性能指标时，应采取其它控制规律如串级、前馈、自适应等；对于快速随动系统，可选用最少拍控制；对具有纯滞后的控制对象，可选用纯滞后补偿或大林控制；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；另外，还有随机控制、智能控制等其它控制算法。在计算机控制系统中，一些控制功能既能由硬件实现，亦能用软件实现。故系统设计时，硬、软件功能的划分要综合考虑。用硬件来实现一些功能的好处是可以加快处理速度，减轻主机的负担，但要增加部件成本；而软件实现正好相反，可以降低成本，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，为了减低成本，提高产品竞争力，在满足指标功能的前提下，应尽量减少硬件器件，多用软件来完成相应的功能。如果软件实现很困难，而用硬件实现却比较简单，且系统的批量又不大的话，则用硬件实现功能比较妥当。（5）硬、软件功能的划分还应考虑人机界面、系统的机柜或机箱的结构设计、抗干扰等