计算机控制系统设计与实现

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1、第12章计算机控制系统设计与实现12.1计算机控制系统设计原则对于不同的控制对象，系统设计具体要求是不同的，但设计的基本要求是大体相同的。具体表现在：1．系统应具有优良的操作性能操作性能好，包括两个含义，即使用方便和维修容易。硬件和软件设计时都要考虑这个问题。在配置软件时，就应考虑配置什么样的软件才能降低对操作人员专业知识的要求。硬件方面，零部件的配置应便于操作人员维修。2．通用性好、便于扩充一个计算机控制系统，一般可以控制多个设备和不同的过程参数，但各个设备和控制对象的要求是不同的，而且控制设备还有更新，控制对象还有增减。系统设计时应考虑能适应各种不同

2、设备和各种不同控制对象，使系统不必大改动就能很快适应新的情况。这就要求系统的通用性要好，能灵活地进行扩充。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。4．实时性好工业控制机的实时性，表现在对

3、内部和外部的事件能及时地响应，并做出相应的处理，不丢失信息、不延误操作。5．设计周期要短，价格要便宜计算机应用技术发展迅速，各种新技术和产品不断出现，在满足精度、速度和其它性能要求的前提下，应缩短设计周期和尽可能采用价格低的元器件，以降低整个控制系统的费用。12.2计算机控制系统设计步骤1．研究被控对象、确定控制任务2．确定系统整体方案(1)确定系统的性质和结构(2)确定执行机构方案(3)控制系统总体“黑箱”设计(4)控制系统层次以及硬件、软件功能划分在总体方案设计完成后，形成了系统组成的粗线条框图结构、硬件与软件划分等文件，供详细设计使用。以此作为进一

4、步设计的依据。3．建立数学模型，确定控制算法4．硬件的设计(1)确定过程的输入、输出通道及其处理方式(2)计算机系统选择(3)过程通道及接口设计(4)控制台设计(5)可靠性设计(6)硬件调试5．软件的设计(1)选择编程语言①汇编语言②高级语言③混合语言(2)软件设计步骤①问题定义②细化设计③编制源程序④形成可执行代码⑤调试6．系统仿真与调试(1)实验室硬件联调(2)实验室软件联调(3)实验室系统仿真7．现场安装调试12.3计算机控制系统输入／输出通道设计12.3.1过程输入输出通道的组成与功能根据过程信息的性质及传送方向，过程通道包括模拟量输入通道、模拟

5、量输出通道、数字量输入通道和数字量输出通道。要对工业现场实现控制，就必须对它的运行状态进行检测。模拟量输入通道和数字量(开关量)输入通道就是为此而设置的两种检测通道。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。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

6、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。12.3.2过程输入输出通道的控制方式1．过程输入输出通道与CPU交换就信息类型过程输入输出通道与CPU交换的信息类型有三种：·数据信息：反映生产现场的参数及状态的信息，它包括数字量、开关量和模拟量。·状态信息：又叫做应答信息、握手信息，它反映过程通道的状态，如准备就绪信号等。·控制信息：用来控制过程通道

7、的启动和停止等信息，如三态门的打开和关闭、触发器的启动等。2．过程通道的编址方式由于计算机控制系统一般都有多个过程输入输出通道，因此需对每一个过程输入输出通道安排地址。过程通道编址方式有两种：·过程通道与存储器独立编址方式·过程通道与存储器统一编址方式3．CPU对过程通道的控制方式计算机的外围设备及过程通道种类繁多，它们的传送速率又很不相同。因此输入输出产生复杂的定时问题，也就是CPU采用什么控制方式向过程通道输入和输出数据。常用的控制方式有三种：·程序查询方式·中断控制方式·直接存储器存取(DMA)方式12.3.3输入通道1．模拟量输入通道模拟量输入通

8、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