机电一体化第七章机电一体化典型系统设计.ppt

第七章 机电一体化典型系统设计,第一节 检测系统的设计方法 第二节 检测控制系统设计 第三节 计算机控制系统设计 第四节 计算机数据采集与控制组合系统设计 第五节 计算机多机控制系统设计 ,第一节 检测系统的设计方法,一、 检测系统的分类 在设计检测系统中，根据系统的设计要求和所完成的功能，确定传感器、放大器、记录仪型号规格、精度、量程等。目前常用的检测系统按照完成的功能分类： (1) 信号检测记录系统 （计算机，磁带机，光线示波器等）； (2) 信号检测显示记录系统（数字表记录检测结果）； (3) 信号检测显示和记录系统（数字表和其他记录仪）； (4) 信号检测显示与控制组合系统。,下一页,二、 检测系统的设计要求 1. 检测系统的设计方式 (1) 单元选择组合式； (2) 单元分别设计组合式； (3) 单元选择与单元设计组合式。 2. 检测系统的设计要求 (1) 检测系统的记录方式包括信号检测显示与信号检测记录两种; (2) 检测系统的应用单元部件的性能精度指标应高于检测系统总精度指标12倍; (3) 检测系统的单元部件耐用性、可靠性、稳定性要好; (4) 检测系统的单元使用维护方便、抗干扰性能好、适应性好; (5) 检测系统设计结构简单、投资少、使用方便、经济性好; (6) 检测系统使用的环境条件应满足总体的使用要求; (7) 检测系统结构尺寸，安装方式，操作方式应符合总体设计的使用要求。,上一页,下一页,三、 检测系统设计方法 1. 检测系统设计分析 检测系统设计分析是确定检测系统总体方案的重要阶段，主要是对要设计的系统运用系统论的观点和方法进行全面的分析和研究。对于检测系统设计问题是一个涉及知识面较广泛的综合技术。它不但要求设计者对检测对象要有充分的了解，明确检测的目的和具体的要求，熟悉检测系统单元设备的性能特点和应用方法，而且要具备系统分析的能力，解决系统有关问题的能力。 (1) 检测系统分析主要解决下列问题： 确定设计检测系统的目标和检测系统的功能。 提出检测系统的初步设计方案，分析设计方案是否合理？是否可行？ 提出设计检测系统的具体实施计划，包括资金、人力、物力和设备的分配、研究的条件。 给出检测系统的关键技术问题，并进行分析研究，制定解决方案。 ,上一页,下一页,(2) 检测系统分析工作过程设计： 确定任务。 提出初步设计方案. 可行性分析。 2. 检测系统设计方案的选择 对于设计检测系统时，在满足系统总体技术指标的前提下，选择最佳的检测系统设计方案。在选择设计检测系统中应考虑以下几个问题。 (1) 检测参数及检测内容： 测试物理信号(压力、力、温度、厚度、流量、位移等)； 检测信号的范围； 检测参数的特性； 检测参数的条件。 (2) 检测信号的特点： 静态信号检测； 动态信号检测； 瞬态信号检测； 检测系统的工作条件（低温、常温、高温、超高温）。 (3) 检测记录方法的选择： 数字显示式记录方式； 模拟式记录方式； 计算机记录方式。,上一页,下一页,3. 检测仪表的选择方法 (1) 量程的选择 传感器量程的选择 放大器量程的选择。 记录仪器的选择。 (2) 精度的选择。 (3) 频率特性的选择 检测仪表工作频率 传感器的固有频率 (4) 检测系统稳定性 检测系统长期稳定性误差 检测系统抗干扰性能要好，无干扰误差影响。 (5) 检测方式的选择。检测分为接触式检测和非接触式检测两种方法，应根据检测系统设计要求选择相应的检测方法。,上一页,下一页,4. 检测系统的设计原则 (1) 重复性原则。 (2) 随机性原则。 (3) 动态响应特性。 (4) 稳定性和可靠性。(5) 配套性原则。(6) 记录方式选择原则 5. 检测系统设计 检测系统设计阶段是对要进行设计的新系统具体实现设计的阶段，主要进行的工作是： (1) 检测系统功能结构设计。 (2) 检测系统组织结构的设计。 (3) 检测系统的信息结构和动作结构设计。 (4) 各单元的设计制造与选择。 (5) 总装调试和实验分析。,上一页,下一页,四、 检测系统设计实例 1. 设计已知条件 塑料、橡胶石化高温黏调熔体生产线，检测压力小于6 MPa，温度小于300 ，检测精度小于0.5%，采用数字表实时显示测量结果。 2. 检测仪表的选择 (1) 传感器的选择： 压力传感器的型号 PT123，量程8 MPa，精度0.1% 温度传感器的型号TR100，量程400 ，精度0.2% (2) 放大器的选择： 型号BZ2002，精度0.1%，频率5 kHz，两通道，增益可调。 (3) 记录仪表选择： 压力检测显示DT9508B31/2数字表精度0.1% 温度检测显示DT9408B41/2数字表精度0.05% 3. 检测系统组成如图7-1所示。 4. 检测系统准确度估算方法,上一页,返 回,返 回,图7-1 压力与温度检测系统图,第二节 检测控制系统设计,一、 检测控制系统分类 1. 按照被控制对象分类 (1) 开关量控制式；(2) 电机类工作控制式。 2. 按照控制工作方式分类 (1) 直接控制工作方式； （2） 间接控制工作方式； (3) 实时跟踪控制工作方式。 3. 按照控制参数分类 (1) 单路信号控制； （2） 多参数信号控制； （3） 综合控制方式。,下一页,二、 检测控制系统设计方法 1. 检测控制系统设计分析 检测控制系统设计分析是确定检测控制系统总体设计方案的重要部分。根据所要设计的检测控制系统的作用、功能、应用要求，进行全面的分析和研究。制定具体的设计方案，应考虑及解决的问题。 (1) 设计技术指标的确定 检测控制的参数 检测控制精度参数。 检测控制类型的确定。 检测控制系统应用条件的设计。 检测控制系统保护方法。 结构尺寸，安装尺寸的设计等 2. 检测控制系统的设计方法 (1) 检测控制传感器的选择 检测常用的传感器有电阻式、电阻应变式、光电式、电感式、压阻式、组合式等。 检测传感器量程 检测传感器精度应小于总体设计要求的1/3倍。 动态响应频率。 传感器长期稳定性，可靠性要好。 传感器结构尺寸符合总体设计要求。 传感器应适合控制应用工作环境条件。,上一页,下一页,(2) 应用放大电路设计与选择 选择配套的放大器，各项性能指标满足设计要求。 设计应用电路，选择高精度、高稳定性元器件进行最佳设计。 设计应用电路，必须进行性能测试，可靠性、稳定性测试，按照有关规定进行全面测试合格后再用到产品中。 (3) 控制器设计与选择 开关件继电器的选择：工作电压、控制电压、控制电流、控制时间、结构尺寸满足系统设计要求。 控制电路设计应与被控制对象相匹配。 电机与驱动器,负载匹配选择，满足系统设计要求。,上一页,下一页,三、 检测控制系统设计实例 1. 高温暖气锅炉压力检测控制系统设计条件 暖气锅炉内工作压力为00.8 MPa，当压力大于1 MPa时要实现报警，并且自动关闭锅炉供油系统，实时显示检测结果。设计检测控制系统，控制精度小于0.5%。 2. 检测控制系统设计 (1) 压力传感器选择 型号PT123(UYY-1、ZQ-Y)，精度0.1%，量程1.5 MPa (2) 放大器选择： 型号YE3817(BZ204)，精度0.1%，输出电压12 V，电流100 mA (3) 数字电压表 DT405B，41/2数字压力表， 精度小于0.1% (4) 报警器选择KZY-1型 (5) 液体电磁阀选择YK2K2型 (6) 控制电路设计：高温暖气锅炉内工作压力正常值00.8 MPa，当大于1 MPa以上时，出现超载，为了防止锅炉爆炸，安装检测控制系统。为了实现控制显示的直观性，控制电路设计选择0.8 MPa显示电压8 V，1 MPa压力显示电压10 V，相当于0.1 MPa压力显示1 V电压。控制电路设计如图72所示。 3. 压力检测控制系统图（如图73所示）,上一页,返 回,返 回,图7-3 压力检测控制系统方框图,图72控制电路图,第三节 计算机控制系统设计,一、 计算机控制系统的组成 计算机控制系统由计算机和控制系统两大部分组成，其中计算机部分包括硬件和软件，控制部分包括驱动电路和执行单元等。 1. 硬件组成 硬件由计算机主机、控制电路及外部设备等组成。 (1) 计算机。它是整个控制系统的指挥部。它可接收从操作台来的命令，对系统的各参数进行巡回检测，执行数据处理、计算和逻辑判断、报警处理等，并根据计算的结果通过接口发出输出命令。它是组成计算机控制系统的主要部分。 (2) 接口与输入/输出通道。它是计算机与被控对象进行信息交换的纽带。计算机输入数据或向外发送信号都是通过接口及输入输出通道进行的。 (3) 外部设备。计算机控制系统中最基本的外部设备为操作台。它是人机对话的联系纽带。 (4)传感器和执行机构。,下一页,2. 计算机控制软件 对于计算机控制系统来讲，软件可分为两大类：实时软件和开发软件。 (1) 实时软件分为两大类：系统软件和应用软件。 (2) 开发软件包括各种语言处理程序（如汇编程序、C语言程序），服务程序（如装配程序、编辑程序），调试和仿真程序等。 (3)控制软件包括三种语言：汇编语言、BASIC语言、C语言控制软件。 (4) 计算机控制系统性能评价软件。,上一页,下一页,二、 计算机控制系统分类 1. 按照计算机控制系统组成分类 (1) 单片机控制系统，传感器、放大器、驱动控制器和执行设备组成。 (2) 计算机、 AK控制器、输出接口控制器、驱动控制器和执行设备组成自动控制系统。 (3) 计算机、A/D转换器、输出接口控制器、驱动控制器和执行设备组成控制系统。 (4) 计算机、A/D转换器、D/A转换器、输出接口电路、驱动器、执行设备、传感器和信号放大器组成检测控制系统。 (5) 计算机综合控制系统由A/D转换器、D/A转换器、AK控制器、输出接口多路控制器、驱动控制器、执行设备、传感器和放大器等组成。可实现自动控制的同时，又可实现自动采集分析处理输出控制，多路信号输出控制，开关量控制和电机类控制等。,上一页,下一页,2. 按照计算机输出控制原理分类 (1) 自动控制方式。 (2) 检测控制方式。 3. 按照计算机控制系统工作方式分类 (1) 定频定位控制工作方式。 (2) 变频控制工作方式。 (3) 循环输出控制工作方式。 (4) 升频输出控制工作方式。 (5) 多参数分时输出状态控制工作方式。 (6) 顺序控制工作方式。 (7) 过程检测控制工作方式。 (8) 综合控制工作方式。 (9) 计算机开环控制工作方式。 (10) 计算机闭环控制工作方式。,上一页,下一页,4. 按照计算机控制系统功能分类 (1)操作指导控制系统。 （2） 直接数字控制系统（DDC）。其系统组成如图7-4所示。 （3）计算机监督控制系统（SCC）。SCC系统就其结构来讲，可分为SCC+模拟调节器和SCC+DDC控制系统两类。 SCC+模拟调节器控制系统。该系统的原理图,如图7-5所示。 SCC+DDC控制系统。该系统的原理图如图76所示。 控制系统的优点： A能根据工况变化，改变给定值，在程序的作用下，以实现最优控制。 B SCC+模拟调节器法适合于老企业改造，即用上了原来的模拟调节器，又用计算机实现了最佳给定值控制，或者自动控制。 C可靠性好。SCC有故障时可用DDC或模拟调节器工作，或DDC有故障时用SCC来代替工作。 D 具有DDC的那些优点，可实现补充。,上一页,下一页,返 回,图7-4 直接数字控制系统原理图,返 回,图7-5 SCC+模拟调节器控制系统原理图,返 回,图7-6 SCC+DDC控制系统原理图,(4)分级计算机控制系统。 这种系统将控制功能分散，用多台单片微机分别执行不同的控制功能，用PC机等微型计算机完成分级控制和管理功能。它具有使用灵活方便、可靠性高、功能强等特点。图77所示的分级计算机控制系统是一种四级的分布式控制系统，各级计算机的功能如下： 装置控制级（DDC级）。 车间监督级（SCC级）。 工厂集中控制级。 企业管理级。 (5) 计算机网络控制系统是把许多分散在各地的独立的计算机连接起来，实现数据通讯、信息变换和资源共享。它是通讯技术和计算机技术相结合的综合系统。,上一页,下一页,返 回,图7-7 分级计算机控制系统图,5. 计算机控制系统按照控制规律的分类 (1) 程序顺序控制。程序控制是被控制量按照一定的、预先规定的时间函数变化，被控制量是时间的函数。 (2) 比例积分微分控制（简称PID控制）。PID控制结构简单、参数容易调整，因此，无论模拟调节器或者数字调节器，多数使用PID控制规律。 (3) 最小拍控制。最小拍控制的性能指标是要求设计的系统在尽可能短的时间里完成调节过程。最小拍控制通常用在数字随动系统的设计中。 (4) 复杂规律的控制。对于存在随机扰动的系统，仅用PID控制是难以达到满意的性能指标的，因此，针对生产过程的实际情况，可以引进各种复杂规律的控制。例如串极控制、前馈控制、纯滞后补偿控制、多变量解耦控制、最优控制、自适应控制、自学习控制等。 (5) 智能控制。智能控制理论可以看做是三个主要理论领域的交叉或汇合，这三个理论领域是人工智能、运筹学和控制理论。智能控制实质上是一个大型计算机控制系统，是综合的自动化控制系统。,上一页,下一页,三、 计算机控制系统的设计要求 1. 可靠性要高 2. 操作性能要好 3. 通用性要强 4. 设计周期要短，成本要低 5. 计算机控制系统设计参数,上一页,下一页,四、 计算机控制系统设计方法 1. 设计技术指标的制定 根据机电一体化系统（产品）的性质、特点、应用等先确定设计技术指标。 (1) 控制的参数。单路控制式、多参数控制、状态控制、电机控制、检测控制等。 (2) 计算机控制系统精度。 (3) 控制负载的工作特性的确定。 (4) 控制系统总体结构参数。 (5) 控制系统应用条件，环境条件，使用条件。 (6) 控制程序设计要求。程序固定式、可调式，语言类型，工作的环境条件。 (7) 硬件系统设计，根据以上要求，制定具体技术指标。,上一页,下一页,2. 计算机控制系统设计方案分析 根据系统的设计目的和要求。应做如下调研和分析： (1) 计算机控制方案的选择分析。 (2) 计算机与控制板的选择及设计分析。 (3) 计算机输出接口转换电路设计与选择。 (4) 驱动器、电机、执行开关元器件的选择。 (5) 控制程序设计语言的选择。 (6) 总体设计方案的制定分析。 (7) 计算机控制系统原理分析。 (8) 计算机控制的算法、流程控制、时间控制、状态控制等。,上一页,下一页,3. 计算机控制系统设计的可行性、可靠性评价 (1) 设计的控制系统可实现性评价，技术上可实现性。 (2) 控制系统总精度的评价。 (3) 新颖性、创新性、应用性的评价。 (4) 经济性的评价。 (5) 设计、制作的总体计划的评价。,上一页,下一页,4. 计算机控制系统总体设计 (1) 确定系统的使用规模、应用的场合、功能特点，制定控制系统的设计方案。 (2) 确定系统的结构形式。 (3) 软硬件功能的分配。 (4) 画出控制系统总框图。 (5) 确定控制工作方式。 (6) 确定控制通道种类及数目。 (7) 确定控制系统的容量、速度及总线形式。 (8) 确定计算机控制程序的设计技术指标。 (9) 确定研制所用工具。 (10) 确定控制系统总体结构设计形式、操作方式、外形设计应美观大方、直观、操作使用方便。,上一页,下一页,5. 计算机控制程序语言的选择 计算机控制程序设计，可以有多种语言可供选择。如汇编语言、BASIC语言、C语言、VB、VC等。 (1) 汇编语言的特点 汇编语言是单片机控制系统配套常用的程序设计语言。 汇编语言好学易用。 汇编语言编程简单，使用方便。 汇编语言功能扩展性较差，复杂控制程序设计不方便。 汇编语言编写操作界面不方便，可移植性差。,上一页,下一页,(2) BASIC语言的特点 BASIC语言易学好用。 BASIC语言设计程序结构简单，修改调试方便。 BASIC语言采用解释执行方式，是会话式的语言，便于人机对话操作使用。 BASIC语言是一种高级语言，功能较强，不仅可以用于数据采集，分析处理，数字计算，又能用于计算机控制程序的设计。可移植性好。 BASIC语言接近于结构化语言。便于进行结构化程序设计。 BASIC语言编写操作界面，利用先进的操作系统软件不方便。 BASIC语言具有学习方便，程序设计简单等优点，但是它的版本太多，不够规范，界面设计简单，不能满足现代计算机技术的发展需要。,上一页,下一页,(3) C语言的特点 语言简洁、紧凑、使用方便、灵活。 运算符丰富。C语言的运算符包含的范围很广泛，共有34种。 数据结构丰富，具有现代化语言的各种数据结构。 具有结构化的控制语句（如ifelse语句，while语句，switch语句，for语句）。利用函数作为程序的模块单位，便于实现程序的模块化设计。 C语言编程语法限制不太严格，程序设计自由度大。对于C语言不很熟悉的人，设计C语言程序比其他语言较难。 C语言程序设计允许直接访问物理地址，能进行位操作，能够实现汇编语言的大部分功能，可以直接对硬件进行操作。C语言具有高级语言的功能，又具有低级语言的许多功能，可用来设计系统软件， 控制应用软件等。 生成目标代码质量高，程序执行效率高。 用C语言编写的程序可移植性好。基本上不做修改就能用于各种型号的计算机和各种操作系统。 C语言设计，对设计人员要求较高。,上一页,下一页,(4) VC环境下的编程特点 VC环境下不仅是C+语言的集成开发环境，而且与Win32紧密相连，所以，利用Visual C+开发系统可以完成各种各样应用程序的开发。面向用户的应用软件都可以由Visual C+来完成设计。 界面设计友好，易于实现人机友好交互，VC的图形编程功能强大，它能将工程应用中得到的数据进行绘图，实时显示数据波形，而且在同一个界面下，参看到原始波形的状态又能看到经分析处理后的数据特征值。 Visual C+强大的调试功能，为大型复杂软件开发提供有效的排错手段。调试工具简单，便于操作使用。 存盘功能也优于C语言，它可以调用Windows文件存入打开的通用对话框，实现数据存入（打开）在任意路径下的文件，文件名也可改。 VC开发环境，可扩展性好，程序设计调试修改方便。,上一页,下一页,(5) VB语言的特点 VB语言简单、易学和易懂，没有复杂的语法规则。 图形界面的编制易于VB，它提供许多有效的控件，不需要通过写代码编程来实现。 用户操作界面容易实现交互。 调试工具便于操作使用。 界面窗体是VB的核心，所有的操作都在窗体上完成，直观方便，窗体中所有控件的属性，在控件属性表中可以修改，不需要再编写代码。,上一页,下一页,6. 计算机的选择方法 (1) 计算机的选择 选用现成的微型机系统。 利用单片机或个人计算机进行开发。 采用标准功能模块构成系统。 从芯片级设计微机系统。 (2)I/O通道的选择。 选择I/O时要注意以下几个问题。 被控对象参数的数量和种类及参数的范围，如模入、模出、电压或电流等； I/O操作是串行还是并行口； 各通道数据传送的速率； 各通道数据的字长； 对显示、打印有何要求。,上一页,下一页,(3) A/D、D/A转换器的选择。 根据设计技术要求，合理选择A/D、D/A转换器要注意以下主要指标： A/D输入信号通道。2路、4路、8路、12路、16路、32路、64路等； A/D采集频率范围。200 kHz、330 kHz、500 kHz、1 MHz、10 MHz、20 MHz、40 MHz、60 MHz、100 MHz等； A/D输入结构。并行口、串行口、单端输入式、差分输入； A/D分辨率位数。12位、14位、16位、18位、24位； A/D准确度。0.05%、0.02%、0.003%、0.001%、0.000 2%； A/D工作方式。DMA、中断式、查询式； A/D是否含内存缓冲区； D/A输出通道数。2路、4路、8路、12路、16路等； D/A位数。12位、16位、18位、24位等； D/A输出电压。05 V、5 V、10 V。,上一页,下一页,五、 计算机控制软件设计 1. 计算机控制算法的确定 控制算法是多种多样的，选用哪一种，主要取决于系统的特性。大部分机电系统可以采用最少拍调节或数字控制方法。 2. 软件设计的任务和目标 一般来说任务和目标的确定包括以下几方面的内容： (1) 确定外界信息获取方式。首先要列出计算机可能接收的所有输入信号。 输入的形式是什么，即计算机实际接收什么样的信号； 输入信号何时准备好，计算机如何知道它准备好了，该输入是否备有自己的时钟信号； 输入可供使用多长时间； 输入多长时间变化更新一次，计算机怎样知道它已经变化； 输入是否由一数据序列或数据块组成，次序是否重要； 如果数据中有错怎么办（它们可以是传输错误、数据不正确、顺序错误、超范围数据等）？应用什么样的诊断方法； 输入是否与其他输入或输出有关系？相互之间的控制关系。,上一页,下一页,(3) 确定信息处理方式。在数据处理阶段，必须精确地决定，计算机采用什么方法处理输入数据以获得要求的结果。涉及的方面有： 把输入数据变换成输出结果的基本算法什么？ 时间约束条件有哪些（这些约束条件包括数据速率、延迟时间、输入及输出装置的动作时间等）？ 存在哪些存储的约束条件？对程序存储器和数据存储器的容量和速度有什么要求？ 必须使用什么样的标准程序或表格？它们的要求是什么？ 计算机输出控制精度要求是多少？ 程序应如何处理所发生的错误？应用的判别方法？,上一页,下一页,(4) 确定错误处理方式。错误处理是许多计算机应用系统的一个重要内容，设计者必须为排错及诊断故障做好准备。为此要确定的相关问题有： 可能发生哪些错误？分析产生的原因？ 最可能发生的是哪种错误？如果由人来操作，最常见的是人为差错。其次是通信或传输错误，它们比机械、电气、数字运算错误更为常见。 哪些错误是最不易发现的？如何排除？例如干扰信号的影响等。 系统如何才能以最少的时间及数据损失来排除错误，并且记录曾经发生过的错误？ 哪些错误或故障会引起系统产生相同的不正常运作？怎样才能把引起相同后果的不同故障分开来？ 哪些错误涉及系统的一些特殊过程？例如，发生控制错误是否要求重新传送数据？ 为了帮助非专家的现场技术人员查找并排除故障，必须考虑设计内装测试程序、专用诊断程序甚至设计专用的测试设备。,上一页,下一页,(5) 确定操作要求。任何检测系统终归要由操作人员来掌握和使用它，这必然涉及人与机器的相互作用问题。为此在设计及研制系统过程中必须考虑人的因素，即确定如下问题： 什么样的输入方式对操作者最合适？ 操作是否容易、简便？ 操作员怎样得知过程差错和设备故障？ 操作员怎样知道数据已正确输入？正确输出控制信号？ 显示方式能否为操作者正确地理解？ 系统响应速度对操作员是否合适？ 操作员最可能造成什么错误？这种错误引起的后果如何？ 故障发生时，系统能否给操作员以提示，使操作员能迅速排除故障？,上一页,下一页,3. 软件设计方法 (1) 软件的总体结构。 采用模块化的程序设计方法，具有下述优点： 单个模块结构的程序功能单一，易于编写、调试、修改、调用、 移植； 便于分工，可由多个程序人员同时进行编写、调试，加快软件研制进度； 程序可读性好，便于功能扩充和版本升级； 程序的修改可局部进行，其他部分可相对保持不变； 使用频繁的子程序可汇编成子程序库，便于多个模块调用。 (2) 软件模块设计划分的原则 每个模块应具有独立的功能，能产生明确的结果，例如存储、显示、打印、控制时间等； 模块间的控制耦合应尽量简单，模块之间的数据耦合尽量少，控制耦合是指模块进入和退出的条件和方式，数据耦合是指模块间的信息交换方式、交换量的多少及交换的频繁程度。 模块长度适中。若模块太长，分析和调试比较困难；若过短则模块的连接太复杂，信息交换太频繁，附加开销太大。,上一页,下一页,(3) “软件”的设计方法。 “自顶向下”的软件设计方法是： 对于每一个程序模块，应明确规定其输入、输出和模块的功能。 一旦认定一部分问题能够归入一个模块之内，就要再进一步设想如何来实现它，即要分析实现的方法； 对于传递模块间信息数据的设计，与过程或算法的设计同样重要。这些数据实际上是模块之间的接口，必须予以仔细规定。 当系统需要进行多种判断时，最好在一个模块中集中这些判断，这样有利于修改。 对常用的延时程序、显示程序、键盘处理程序和标准函数程序等，可以采用别人已提供的标准子程序，不要花大量的时间自己去编。,上一页,下一页,(4) 结构化程序设计。这种方法对程序设计规定了有限的几种控制结构和操作顺序。编写出的程序操作顺序分明，便于查错和修改。常用的结构有：顺序结构、循环结构、选择结构。利用这几种结构，可以组成任意复杂的程序。这种结构的特点是： 每个程序只有一个出口和一个入口，因此容易跟踪、查错和测试。 由于基本结构是限定的和标准的，易于装配成模块。 程序本身易于用程序框图来描述。,上一页,下一页,(5) 软件功能的测试。 为提高软件测试的有效性，在考虑怎样来组织测试和设计测试用例时应遵循下面的基本原则： 由编程者与测试人员共同进行测试会获得较好的结果； 测试应由输入信息与预期处理结果两部分组成，即在程序执行前，应清楚地知道输入信号的大小，输出显示的结果是否一致； 不仅要选用合理的正常的测试信号，更应选用那些不合理的输入情况作为输入，以观察系统的输出响应； 测试时除了检查系统的软件是否达到设计功能，还应检查它是否稳定可靠； 长期保留测试数据，以便下次需要时再用，直到系统的软件调试可用。 (6) 软件的运用、维护和改进。,上一页,下一页,4. 监控程序设计 计算机控制的软件通常由监控程序、中断服务程序和检测控制算法程序、通信与控制程序等组成。 (1) 监控程序的基本组成。通常由监控主程序、初始化管理、键盘管理、显示管理、中断管理、时钟管理、自诊断管理、手动/自动控制、通信控制等模块组成 (2) 监控主程序设计。常见的几种结构形式有如下几种： 作业顺序调度型。 作业优先调度型。 键码分析控制调度型。 (3) 初始化管理。 (4) 键盘管理。 (5)显示管理。 (6)时钟管理。 (7)中断管理。 (8)自诊断处理。 开机自诊断。 周期性自诊断。 键控自诊断。,上一页,下一页,5. 计算机控制系统的调试方法 (1) 硬件调试。 (2) 软件调试方法： 采集程序调试方法。 控制程序调试方法。 系统联调试。 六、 提高计算机控制系统可靠性的措施 1. 计算机控制系统可靠性分析 其中最主要的两个内容就是RAS技术和容错技术。 (1) RAS技术。RAS是指可靠性、利用率和维修性。 (2)容错技术。 ,上一页,下一页,2. 提高硬件可靠性的方法 (1)选用可靠的元件、芯片、模板或整机。 (2) 采用先进的组装工艺，比如国外流行的表面装配工艺（SMT）。 (3) 进行周密的结构设计应注意以下几点： 在用模板组成系统时，每块模板应有适合自己容量要求的独立稳压电源模块，以减小各模板间内电源波动所造成的相互影响。 各模板要有自己的驱动电路，以防止母线上负载增加时，相互驱动能力不够，造成信号失真和混乱而使系统工作不可靠。集成芯片电源端并电容，提高抗干扰能力。 精心设计印制板，要避免长距离的平行走线，以减少寄生电容的影响；信号线宽度要适当，不要过细，以免断路；地线要尽可能宽；引出脚定位要对准确。 机械结构设计要注意系统拆装、调试方便，注意对印制板的机械加固。 注意机器的散热通风设计。 注意“四防”的设计，即防潮湿、防烟雾、防霉菌、防干扰。,上一页,下一页,(4) 防止误操作功能。 (5) 断电保护。 (6) 冗余技术。 (7) 多级备用。在可靠性要求很高的系统中，通常要考虑多级备用措施。下面以TDC2000为例说明，其多级备用方式如图78所示。 执行全部功能。 维持自动控制。 就地手动。 保持。 备用手动。 只有连备用手动单元也坏了，系统才完全丧失对生产过程的控制能力。 (8) 自诊断技术。,上一页,下一页,返 回,图7-8 多级备用示意图,3. 提高软件可靠性的方法 (1) 软件固化。 (2) 选择性控制。 (3) 采用自诊断技术。 数值检查。 设定软件模块的入、出口标志。 程序的写保护。 RAM检查。 数据的合理性检查。 诊断测试。 设置不正常情况辅集器（陷阱）。 时间极限的检查。 监视定时器（WDT）。 A/D和D/A的检查。,上一页,下一页,第四节 计算机数据采集与控制组合系统设计,一、 计算机数据采集与控制系统设计分析 1. 数据采集与控制系统的分类 (1) 按照系统组成原理分类： 单片机类数据采集与控制系统。 常用数据采集与控制系统。 高速数据采集与控制系统。 智能式数据采集系统与控制系统。 (2) 按结构形式分类： 专用接口型。 通用接口型。 2. 高速数据采集与控制系统的功能 (1) 自动测量。 (2) 多项选择。 (3) 分析判断。 (4) 自动校正。 (5) 数据处理与分析。 (6) 自动控制。 (7) 故障报警。 (8) 联网通信。 (9) 功能扩展。,上一页,下一页,3. 计算机数据采集系统的特点 (1) 使测量自动化。 (2) 提高测量精度。 (3) 功能丰富。 选择功能。 波形显示。 自动诊断。 自动校准。 增强数据处理能力。 电子仪器功能。 (4) 多路测量。 (5) 速度快。 (6) 测量系统成本低。 (7) 提高了系统的可靠性。 (8) 技术更新快。 (9) 软件配套齐全。,上一页,下一页,4. 计算机数据采集与控制系统的基本组成及原理 (1)系统组成。数据采集系统组成有很多形式，但基本组成是相似的。图79所示为一个典型的数据采集系统。由图可见，设计数据采集与控制系统就是外部输入输出器件，如打印机、显示器、键盘、模拟或数字输入通道、模拟或数字控制通道、同计算机连接起来。 (2) 理论采样定理 采样率定义。 测试信号的定义。 理论采样定理 (3) 工程应用采样原则 周期性测量信号 非周期性测量信号 瞬态测量信号,上一页,下一页,返 回,图7-9 典型的数据采集与控制系统,二、 计算机数据采集与控制系统设计 1. 确定测试信号的特征 2. 传感器的选择 (1) 根据测量目的和被测物理量的特点，确定选用相应的传感器。 (2)可靠性及稳定性。 (3) 频率响应特性。 (4) 线性范围。 (5)精确度。 (6) 灵敏度。 (7) 传感器的量程。 (8) 结构尺寸的选择。,上一页,下一页,3. 信号调节与处理器的选择 4. A/D转换器的选择 (1) 型号的选择。 (2) A/D转换器采样率的选择，按工程应用原则选择 (3) 采集精度的选择。 (4) A/D输入方式的选择。 (5) A/D输入控制方式的选择。 5. 控制器的选择 (1)控制板输出通道的选择。 (2) 控制板接口总线的选择。 (3) 控制板应用软件的选择。 6. 计算机的选择 ,上一页,下一页,三、 计算机数据采集应用软件设计 1. 计算机数据采集程序设计分析 (1) 采集程序设计流程如图710所示。在这个程序中，主要分成如程序流程图所描述的十个部分，本程序分析会按照程序流程图对采集程序进行详细的分析和说明。 (2) 函数初始化 (3) 变量初始化 (4) 程序界面设计 (5) 输入系统参数 (6) 采集板各端口的初始化 (7) 信号采集 (8) 数据处理 (9) 数据存入方法 (10) 处理数据绘制图形 2. 计算机数据采集程序实例清单,上一页,下一页,四、 计算机多路输出控制程序设计 1. 计算机控制系统 计算机控制系统按组成结构分为两大类。其中一类是数据采集分析处理判断输出型，又叫检测输出控制类。另一类是计算机自动控制系统。由硬件单元控制板和控制软件结合完成多种控制功能。 2. 计算机控制程序设计分析 (1) 函数定义。 (2)计算机控制输入参数的设定。 (3) 控制板端口初始化。 (4) 控制器输出频率信号控制。 (5) 控制输出时间的设定。 (6) 控制输出电压的设定。 (7) 控制输出频率信号结束设定。 3. 计算机控制多路信号输出程序实例清单,上一页,下一页,五、 计算机数据采集与控制程序设计 1. 计算机数据采集与控制系统 计算机数据采集与控制系统组成有两种：其中一种是检测控制系统，实现实时控制，跟踪控制。另一种是自动控制系统与数据采集系统组合成测控系统。分别由传感器、信号调节器、A/D转换器、计算机组成数据采集系统部分；由计算机、AK2控制板、输出接口电路、电机驱动器、步进电动机等组成计算机控制系统；二则组合成计算机数据采集与控制系统。 计算机数据采集与控制系统如图711所示。 ,上一页,下一页,返 回,图7-11 计算机数据采集与控制系统图,2. 计算机数据采集与控制程序设计分析 (1) 计算机程序应用界面设计。 (2) 变量初始化。 (3) 计算机数据采集与控制输入参数的设定。 (4) 硬件单元口地址初始化设计。 (5) 计算机控制程序和数据采集程序设计。 (6) 采集数据计算与显示。 (7) 控制结束与循环控制程序设计。 (8) 采集数据存入与图形显示程序。 ,上一页,返 回,第五节 计算机多机控制系统设计,一、 计算机多机控制系统设计分析 1. 计算机多机系统 计算机多机系统可以分为两类：多微处理机系统和多微型计算机系统。 (1) 多微处理机系统组成的特点 系统应包括两台以上计算机，互相可以提高通信交换数； 各台微处理机可共享资源（内存I/O设备、U/O通道和控制部件）； 整个系统由统一的操作系统集中控制，用于作业、任务、信息间实现交互作用，统一调度和分配资源。 (2) 多微处理机系统的种类， 根据它的通信和互联的方式划分为以下几类： 线性阵列式的阵列处理机系统是紧密结合多微处理机的一种特殊情况，又可分为线性一维阵列式、线性二维阵列式和线性三维阵列式。,下一页,(3) 多微处理机系统的优点： 性能价格比高。 高速计算能力。 结构模块化。 存储量大。 可靠性高。 通用性强。 (4) 多微处理机系统的通信。 2. 多机控制系统 (1) 计算机集散控制系统。 (2) 发展趋势。 现场级智能化。 网络化。 模块化。,上一页,下一页,二、 计算机多机控制系统的应用范围和特点 1. 应用范围 紧密耦合多微计算机和松散耦合多微计算机组成的DCS系统在我国已广泛应用在轻工、化工、石油、电站、冶金、物流、银行等多种工商业部门 2. 特点 分布式多机控制集散系统在过程控制系统中的特点是： 自律性极强的单元结构； 完善的控制功能； 统领全局的窗口功能； 局域网络通信功能； 管理能力强； 高可靠性系统； 系统构成灵活，扩展方便； 软件配备齐全； 系统操作使用方便。,上一页,下一页,三、 计算机多机控制系统组成和作用 1. 第一代DCS组成与作用 第一代DCS的结构由五大部分组成。 (1) 过程控制单元（PCU）。 (2) 数据采集装置（DAU）。 (3) CRT操作站。 (4) 监控计算机是集散系统的主计算机。 (5) 数据传输通道。 2. 第二代集散系统组成与作用 第二代集散系统，结构由六部分组成。 (1) 局部区域网络（LAN）。 (2) 节点工作站。 (3) 中央操作站。 (4) 系统管理站 (5) 主计算机(6) 网间连接器（GW） 3. 第三代集散系统组成与作用 随着网络技术的发展，特别是局域网络标准化技术飞速发展，其结构的主要变化是局域网络采用了MAP协议，或者是MAP兼容，或者局域网络本身就是实时MAPLAN。它的结构组成除了局域网络的根本提高外，其他单元无论是硬件或软件都有较大变化，但系统基本组成变化不大。,上一页,下一页,4. 分布式多机控制集散系统 最新发展起来的分布式多机控制集散系统，分布式多机控制集散系统从结构总体上看，有三 大基本组成部分：分散控制装置部分、集中操作和管理系统部分以及通信部分。 四、 计算机多机控制系统设计 1. 计算机多机控制系统选型原则 (1) 按控制系统性能的选型原则： 生产过程和用户对系统的要求是选型的基础。 系统评价指标是正确选型的依据。 投资规模和投资回收率是选型重要条件。 维护、维修成本是选型的一项经济原则。 系统工作周期与技术先进性的权衡。 选型必须考虑系统扩展。,上一页,下一页,(2) 按计算机系统性能的选型原则： 单机系统设计。 多机系统设计。 2. 分布式多机控制系统设计 计算机多机分布式控制系统设计，按分级（即分层）控制原则设计。采用分级结构形式，自下而上，一般分为过程控制级、控制管理级、生产经营管理级。 3. 计算机多机控制系统调试 (1) 硬件调试。 (2) 软件调试。 (3) 模拟调试。 (4) 现场试运行。,上一页,下一页,习题与思考题,1. 检测系统有几种组合方式？分别应用于哪些场合？ 2. 举例说明检测系统的设计原则？ 3. 检测控制有几种类型？ 4. 自拟题目设计一套温度检测控制系统？ 5. 根据暖气锅炉控制要求：压力小于0.8 MPa，工作正常；当大于1 MPa时，必须报警控 制供油系统，打开减压阀，设计一套测控显示系统。 6. 自拟题目设计三种信号自动显示与控制系统 (1) 给出设计条件； (2) 具体系统设计； (3) 画出系统图。 7. 计算机控制方法有几种？ 8. 计算机控制组合方式有几种？分别应用于何场合？ 9. 计算机控制程序语言有几种？何种语言最好？ 10. 计算机控制程序设计依据是什么？,上一页,下一页,11. 电路控制与计算机控制各有何特点？ 12. 举例说明多路控制系统设计原理方法？ 13. 分析计算机控制方法的优点？有何特点？ 14. 举例说明AK系列控制板设计方法。 15. 分析C语言编程的特点。 16. 如何提高计算机控制的可靠性？ 17. 以双路输出控制信号为例，说明程序设计思路。 18. 数据采集与自动控制系统设计应用于哪些场合？设计中注意的问题是什么？ 19. 计算机多机组合控制有何特点？在设计中注意什么问题？ 20. 举例说明多机控制系统设计方法。,返 回,