第八章计算机控制系统设计 本章讲述计算机控制系统设计的原则和一般步 骤，并介绍几个具有代表性的设计实例。在本章的 最后，还将介绍有关数字程序控制的知识。 口 8,1计算机控制系统的设计步骤 口 8.2数字伺服系统 8,3双闭环直流数字凋速系统 8.4电阻炉温度控制系统 口8.5数字程序控制系统
第八章 计算机控制系统设计 ❑ 8.1 计算机控制系统的设计步骤 ❑ 8.2 数字伺服系统 ❑ 8.3 双闭环直流数字调速系统 ❑ 8.4 电阻炉温度控制系统 ❑ 8.5 数字程序控制系统 本章讲述计算机控制系统设计的原则和一般步 骤，并介绍几个具有代表性的设计实例。在本章的 最后，还将介绍有关数字程序控制的知识
8,1计算机控制系统的设计步聚 1.研究被控对象、确定控制任务 2.确定系统总体控制方案 3,确定控制策略和控制算法 4.硬件详细设计 5.钦件详细设计 6.系统仿真与调试 7.现场安装调试
8.1 计算机控制系统的设计步骤 1. 研究被控对象、确定控制任务 2. 确定系统总体控制方案 3. 确定控制策略和控制算法 4. 硬件详细设计 5. 软件详细设计 6. 系统仿真与调试 7. 现场安装调试
确定系统总体控制方案 (1)确定系统的性质和结构 确定系统是数据采集处理系统，还是对象控制系统。如果是对象控 制系统，决定采用开环控制，还是采用闭环控制。 (2) 确定执行机构方案 确定执行机构采用什么方案，比如是采用电机驱动、液压驱动还 是其他方式驱动，应对多种方案进行比较，综合考虑工作环境、性能、 价格等因素择优而用。 (③)控制系统总体“黑箱”设计 所谓“黑箱”设计，就是根据控制要求，将完成控制任务所需的各 功能单元、模块以及控制对象，采用方块图表示，从而形成系统的总体 框图。 (4)控制系统层次以及硬件、软件功能划分 根据控制要求、任务的复杂度、控制对象的地域分布等，确定整个 系统是采用直接数字控制(DDC)、还是采用计算机监督控制(SCC),或者 采用分布式控制，并划分各层次应该实现的功能。 同时，综合考虑系统的实时性、整个系统的性能价格比等，对硬件 和软件功能进行划分，从而决定那些功能由硬件实现，那些功能由软件 来完成
确定系统总体控制方案 ⑴ 确定系统的性质和结构 确定系统是数据采集处理系统，还是对象控制系统。如果是对象控 制系统，决定采用开环控制，还是采用闭环控制。 ⑵ 确定执行机构方案 确定执行机构采用什么方案，比如是采用电机驱动、液压驱动还 是其他方式驱动，应对多种方案进行比较，综合考虑工作环境、性能、 价格等因素择优而用。 ⑶ 控制系统总体“黑箱”设计 所谓“黑箱”设计，就是根据控制要求，将完成控制任务所需的各 功能单元、模块以及控制对象，采用方块图表示，从而形成系统的总体 框图。 ⑷ 控制系统层次以及硬件、软件功能划分 根据控制要求、任务的复杂度、控制对象的地域分布等，确定整个 系统是采用直接数字控制(DDC)、还是采用计算机监督控制(SCC)，或者 采用分布式控制，并划分各层次应该实现的功能。 同时，综合考虑系统的实时性、整个系统的性能价格比等，对硬件 和软件功能进行划分，从而决定哪些功能由硬件实现，哪些功能由软件 来完成
趼究被控对象、确定控制任务 在进行系统设计之前，首先应该调查、分析被控对象 及其工作过程，熟悉其工艺流程，并根据实际应用中存在 的问题提出具体的控制要求，确定所设计的系统应该完成 的任务。最后，采用工艺图、时序图、控制流程等描述控 制过程和控制任务，确定系统应该达到的性能指标，从而 形成设计任务说明书，并经使用方的确认，作为整个控制 系统设计的依据。 设计人员应该解决的另一个重要问题，就是通过综合 分析确认是否有必要采用计算机控制，分析的内容包括： 采用计算机控制之后，系统性能能否改善、改善的程度、 系统成本、可靠性、可维护性及经济效益等
研究被控对象、确定控制任务 在进行系统设计之前，首先应该调查、分析被控对象 及其工作过程，熟悉其工艺流程，并根据实际应用中存在 的问题提出具体的控制要求，确定所设计的系统应该完成 的任务。最后，采用工艺图、时序图、控制流程等描述控 制过程和控制任务，确定系统应该达到的性能指标，从而 形成设计任务说明书，并经使用方的确认，作为整个控制 系统设计的依据。 设计人员应该解决的另一个重要问题，就是通过综合 分析确认是否有必要采用计算机控制，分析的内容包括： 采用计算机控制之后，系统性能能否改善、改善的程度、 系统成本、可靠性、可维护性及经济效益等
确定控制策略和控制算法 ()针对具体的控制对象和控制指标要求，选择合适的控制策略和控 制算法，以满足控制速度、控制精度和系统稳定性等方面的要求。例 如，要求快速跟随的系统可以选用最少拍无差的直接设计算法；对于 具有纯滞后的对象最好选用大林算法或Sth纯滞后补偿算法；对于 随机系统应选用随机控制算法；当模型中参数难以确定或波动较大时， 可以采用自适应方法控制等。 (2)各种控制方法提供了一套通用的算法公式，但应用于具体对象控 制时，应该有分析地选用，在某些情况下可以进行必要的修改和补充。 例如，采用PD调节规律数字化的方法设计数字控制器时，如果效果 不理想，可进行适当的修改，如加上乒乓控制，使得系统具有更好的 快速性；加上模糊控制，使系统具有良好的快速性和较小的超调量等。 控制的实时性是计算机控制系统的一个基本要求，如果所选控制策略 和算法过于复杂，一方面使得系统的设计、实现、调试等比较困难， 另一方面增加了CPU运算量，可能难于满足实时性要求。因此，可以 根据需要将算法和对象模型做某些合理的简化，忽略某些次要因素如 小惯性环节、小延迟环节等，以降低软件复杂度、提高实时性
确定控制策略和控制算法 ⑴ 针对具体的控制对象和控制指标要求，选择合适的控制策略和控 制算法，以满足控制速度、控制精度和系统稳定性等方面的要求。例 如，要求快速跟随的系统可以选用最少拍无差的直接设计算法；对于 具有纯滞后的对象最好选用大林算法或Smith纯滞后补偿算法；对于 随机系统应选用随机控制算法；当模型中参数难以确定或波动较大时， 可以采用自适应方法控制等。 ⑵ 各种控制方法提供了一套通用的算法公式，但应用于具体对象控 制时，应该有分析地选用，在某些情况下可以进行必要的修改和补充。 例如，采用PID调节规律数字化的方法设计数字控制器时，如果效果 不理想，可进行适当的修改，如加上乒乓控制，使得系统具有更好的 快速性；加上模糊控制，使系统具有良好的快速性和较小的超调量等。 控制的实时性是计算机控制系统的一个基本要求，如果所选控制策略 和算法过于复杂，一方面使得系统的设计、实现、调试等比较困难， 另一方面增加了CPU运算量，可能难于满足实时性要求。因此，可以 根据需要将算法和对象模型做某些合理的简化，忽略某些次要因素如 小惯性环节、小延迟环节等，以降低软件复杂度、提高实时性
硬件详细设计 计算机控制系统的硬件性能指标与控制系统的整体性能要求有关，主 要包括：信号采集分辨率、采集精度、采集速度、采集信号的数量、种类 和方式；信号输出形式和大小；对人机界面的要求：对抗干扰能力的要求 等等。 钦件详细设计 软件设计也是一个边设计边调试的过程，它主要有以下步骤： ()问题定义问题定义阶段需要明确软件应该完成那些任务、与硬件 电路如何配合以中断处理方法等，并绘制软件总体流程框图； (2)细化设计细化设计就是对总体流程框图进行自顶向下的划分，逐 步定义软件的各级功能模块，并进行底层模块的详细设计，最终形成详细 的软件流程框图： (3) 编制源程序】 即按照细化的软件流程框图，编制软件的源代码； (4) 形成可执行代码对源程序进行汇编、编译以及必要的连接，生 成计算机可执行的目标代码； ()调试采用设置断点、单步追踪等手段检验软件模块的功能及整 个软件的正确性
硬件详细设计 计算机控制系统的硬件性能指标与控制系统的整体性能要求有关，主 要包括：信号采集分辨率、采集精度、采集速度、采集信号的数量、种类 和方式；信号输出形式和大小；对人机界面的要求；对抗干扰能力的要求 等等。 软件详细设计 软件设计也是一个边设计边调试的过程，它主要有以下步骤： (1)问题定义 问题定义阶段需要明确软件应该完成哪些任务、与硬件 电路如何配合以中断处理方法等，并绘制软件总体流程框图； (2)细化设计 细化设计就是对总体流程框图进行自顶向下的划分，逐 步定义软件的各级功能模块，并进行底层模块的详细设计，最终形成详细 的软件流程框图； (3) 编制源程序 即按照细化的软件流程框图，编制软件的源代码； (4) 形成可执行代码 对源程序进行汇编、编译以及必要的连接，生 成计算机可执行的目标代码； (5) 调试 采用设置断点、单步追踪等手段检验软件模块的功能及整 个软件的正确性
系统仿真与调试 硬件详细设计和软件详细设计完成后，就可以进行系统的总装，然后进 入系统整体调试和仿真阶段。 (1)实验室硬件联调 在系统总装后，首先要进行实验室条件下的硬件系统联调。如果硬件系统 联调没有通过，软件联调就无法进行。事实上，正如硬件详细设计中所讲， 并非是总装过后才进行硬件调试，而是边装边调。系统硬件的联调，可借助 开发系统进行。 (2)实验室软件联调 在硬件联调成功后，'可以进行实验室条件的软件联调。在软件联调过程中， 不但会发现软件错误，也会发现一些在硬件调试阶段未发现的硬件故障或设 计缺欠，并子以修改。 (③)实验室系统仿真 在硬件联调和软件联调完成后，还应在实验室条件下进行全系统的硬件、 软件统调，也即通过模拟被控对象、控制系统工作的实际环境等，研究、分 析系统性能，这就是所谓的系统仿真。 在实验室进行的系统仿真试验，应该尽量是全物理或半物理仿真。控制系 统仿真一搬是半物理仿真，即采用计算机（不是控制系统中的计算机)仿真实 现被控对象的数学模型，再加上一些简单装置，即可模拟被控对象。通过仿 真试验，可以评价控制系统性能，发现硬件和软件缺陷，并子以修改。为现 场安装调试工作做好准备
系统仿真与调试 硬件详细设计和软件详细设计完成后，就可以进行系统的总装，然后进 入系统整体调试和仿真阶段。 ⑴ 实验室硬件联调 在系统总装后，首先要进行实验室条件下的硬件系统联调。如果硬件系统 联调没有通过，软件联调就无法进行。事实上，正如硬件详细设计中所讲， 并非是总装过后才进行硬件调试，而是边装边调。系统硬件的联调，可借助 开发系统进行。 ⑵ 实验室软件联调 在硬件联调成功后，可以进行实验室条件的软件联调。在软件联调过程中， 不但会发现软件错误，也会发现一些在硬件调试阶段未发现的硬件故障或设 计缺欠，并予以修改。 ⑶ 实验室系统仿真 在硬件联调和软件联调完成后，还应在实验室条件下进行全系统的硬件、 软件统调，也即通过模拟被控对象、控制系统工作的实际环境等，研究、分 析系统性能，这就是所谓的系统仿真。 在实验室进行的系统仿真试验，应该尽量是全物理或半物理仿真。控制系 统仿真一般是半物理仿真，即采用计算机(不是控制系统中的计算机)仿真实 现被控对象的数学模型，再加上一些简单装置，即可模拟被控对象。通过仿 真试验，可以评价控制系统性能，发现硬件和软件缺陷，并予以修改。为现 场安装调试工作做好准备