《機電一體化第七章機電一體化典型系統(tǒng)設計.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《機電一體化第七章機電一體化典型系統(tǒng)設計.ppt（70頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、第七章 機電一體化典型系統(tǒng)設計,第一節(jié) 檢測系統(tǒng)的設計方法 第二節(jié) 檢測控制系統(tǒng)設計 第三節(jié) 計算機控制系統(tǒng)設計 第四節(jié) 計算機數(shù)據采集與控制組合系統(tǒng)設計 第五節(jié) 計算機多機控制系統(tǒng)設計 ,第一節(jié) 檢測系統(tǒng)的設計方法,一、 檢測系統(tǒng)的分類 在設計檢測系統(tǒng)中，根據系統(tǒng)的設計要求和所完成的功能，確定傳感器、放大器、記錄儀型號規(guī)格、精度、量程等。目前常用的檢測系統(tǒng)按照完成的功能分類： (1) 信號檢測記錄系統(tǒng) （計算機，磁帶機，光線示波器等）； (2) 信號檢測顯示記錄系統(tǒng)（數(shù)字表記錄檢測結果）； (3) 信號檢測顯示和記錄系統(tǒng)（數(shù)字表和其他記錄儀）； (4) 信號檢測顯示與控制組合系統(tǒng)。,下一頁,

2、二、 檢測系統(tǒng)的設計要求 1. 檢測系統(tǒng)的設計方式 (1) 單元選擇組合式； (2) 單元分別設計組合式； (3) 單元選擇與單元設計組合式。 2. 檢測系統(tǒng)的設計要求 (1) 檢測系統(tǒng)的記錄方式包括信號檢測顯示與信號檢測記錄兩種; (2) 檢測系統(tǒng)的應用單元部件的性能精度指標應高于檢測系統(tǒng)總精度指標12倍; (3) 檢測系統(tǒng)的單元部件耐用性、可靠性、穩(wěn)定性要好; (4) 檢測系統(tǒng)的單元使用維護方便、抗干擾性能好、適應性好; (5) 檢測系統(tǒng)設計結構簡單、投資少、使用方便、經濟性好; (6) 檢測系統(tǒng)使用的環(huán)境條件應滿足總體的使用要求; (7) 檢測系統(tǒng)結構尺寸，安裝方式，操作方式應符合總體設

3、計的使用要求。,上一頁,下一頁,三、 檢測系統(tǒng)設計方法 1. 檢測系統(tǒng)設計分析 檢測系統(tǒng)設計分析是確定檢測系統(tǒng)總體方案的重要階段，主要是對要設計的系統(tǒng)運用系統(tǒng)論的觀點和方法進行全面的分析和研究。對于檢測系統(tǒng)設計問題是一個涉及知識面較廣泛的綜合技術。它不但要求設計者對檢測對象要有充分的了解，明確檢測的目的和具體的要求，熟悉檢測系統(tǒng)單元設備的性能特點和應用方法，而且要具備系統(tǒng)分析的能力，解決系統(tǒng)有關問題的能力。 (1) 檢測系統(tǒng)分析主要解決下列問題： 確定設計檢測系統(tǒng)的目標和檢測系統(tǒng)的功能。 提出檢測系統(tǒng)的初步設計方案，分析設計方案是否合理？是否可行？ 提出設計檢測系統(tǒng)的具體實施計劃，包括資金、人

4、力、物力和設備的分配、研究的條件。 給出檢測系統(tǒng)的關鍵技術問題，并進行分析研究，制定解決方案。 ,上一頁,下一頁,(2) 檢測系統(tǒng)分析工作過程設計： 確定任務。 提出初步設計方案. 可行性分析。 2. 檢測系統(tǒng)設計方案的選擇 對于設計檢測系統(tǒng)時，在滿足系統(tǒng)總體技術指標的前提下，選擇最佳的檢測系統(tǒng)設計方案。在選擇設計檢測系統(tǒng)中應考慮以下幾個問題。 (1) 檢測參數(shù)及檢測內容： 測試物理信號(壓力、力、溫度、厚度、流量、位移等)； 檢測信號的范圍； 檢測參數(shù)的特性； 檢測參數(shù)的條件。 (2) 檢測信號的特點： 靜態(tài)信號檢測； 動態(tài)信號檢測； 瞬態(tài)信號檢測； 檢測系統(tǒng)的工作條件（低溫、常溫、高溫、超

5、高溫）。 (3) 檢測記錄方法的選擇： 數(shù)字顯示式記錄方式； 模擬式記錄方式； 計算機記錄方式。,上一頁,下一頁,,3. 檢測儀表的選擇方法 (1) 量程的選擇 傳感器量程的選擇 放大器量程的選擇。 記錄儀器的選擇。 (2) 精度的選擇。 (3) 頻率特性的選擇 檢測儀表工作頻率 傳感器的固有頻率 (4) 檢測系統(tǒng)穩(wěn)定性 檢測系統(tǒng)長期穩(wěn)定性誤差 檢測系統(tǒng)抗干擾性能要好，無干擾誤差影響。 (5) 檢測方式的選擇。檢測分為接觸式檢測和非接觸式檢測兩種方法，應根據檢測系統(tǒng)設計要求選擇相應的檢測方法。,上一頁,下一頁,,4. 檢測系統(tǒng)的設計原則 (1) 重復性原則。 (2) 隨機性原則。 (3) 動態(tài)

6、響應特性。 (4) 穩(wěn)定性和可靠性。(5) 配套性原則。(6) 記錄方式選擇原則 5. 檢測系統(tǒng)設計 檢測系統(tǒng)設計階段是對要進行設計的新系統(tǒng)具體實現(xiàn)設計的階段，主要進行的工作是： (1) 檢測系統(tǒng)功能結構設計。 (2) 檢測系統(tǒng)組織結構的設計。 (3) 檢測系統(tǒng)的信息結構和動作結構設計。 (4) 各單元的設計制造與選擇。 (5) 總裝調試和實驗分析。,上一頁,下一頁,四、 檢測系統(tǒng)設計實例 1. 設計已知條件 塑料、橡膠石化高溫黏調熔體生產線，檢測壓力小于6 MPa，溫度小于300 ，檢測精度小于0.5%，采用數(shù)字表實時顯示測量結果。 2. 檢測儀表的選擇 (1) 傳感器的選擇： 壓力傳感器

7、的型號 PT123，量程8 MPa，精度0.1% 溫度傳感器的型號TR100，量程400 ，精度0.2% (2) 放大器的選擇： 型號BZ2002，精度0.1%，頻率5 kHz，兩通道，增益可調。 (3) 記錄儀表選擇： 壓力檢測顯示DT9508B31/2數(shù)字表精度0.1% 溫度檢測顯示DT9408B41/2數(shù)字表精度0.05% 3. 檢測系統(tǒng)組成如圖7-1所示。 4. 檢測系統(tǒng)準確度估算方法,上一頁,返 回,返 回,圖7-1 壓力與溫度檢測系統(tǒng)圖,第二節(jié) 檢測控制系統(tǒng)設計,一、 檢測控制系統(tǒng)分類 1. 按照被控制對象分類 (1) 開關量控制式；(2) 電機類工作控制式。 2. 按照控制工作方

8、式分類 (1) 直接控制工作方式； （2） 間接控制工作方式； (3) 實時跟蹤控制工作方式。 3. 按照控制參數(shù)分類 (1) 單路信號控制； （2） 多參數(shù)信號控制； （3） 綜合控制方式。,下一頁,,二、 檢測控制系統(tǒng)設計方法 1. 檢測控制系統(tǒng)設計分析 檢測控制系統(tǒng)設計分析是確定檢測控制系統(tǒng)總體設計方案的重要部分。根據所要設計的檢測控制系統(tǒng)的作用、功能、應用要求，進行全面的分析和研究。制定具體的設計方案，應考慮及解決的問題。 (1) 設計技術指標的確定 檢測控制的參數(shù) 檢測控制精度參數(shù)。 檢測控制類型的確定。 檢測控制系統(tǒng)應用條件的設計。 檢測控制系統(tǒng)保護方法。 結構尺寸，

9、安裝尺寸的設計等 2. 檢測控制系統(tǒng)的設計方法 (1) 檢測控制傳感器的選擇 檢測常用的傳感器有電阻式、電阻應變式、光電式、電感式、壓阻式、組合式等。 檢測傳感器量程 檢測傳感器精度應小于總體設計要求的1/3倍。 動態(tài)響應頻率。 傳感器長期穩(wěn)定性，可靠性要好。 傳感器結構尺寸符合總體設計要求。 傳感器應適合控制應用工作環(huán)境條件。,上一頁,下一頁,,(2) 應用放大電路設計與選擇 選擇配套的放大器，各項性能指標滿足設計要求。 設計應用電路，選擇高精度、高穩(wěn)定性元器件進行最佳設計。 設計應用電路，必須進行性能測試，可靠性、穩(wěn)定性測試，按照有關規(guī)定進行全面測試合格后再用到產品中。 (3) 控制器設計

10、與選擇 開關件繼電器的選擇：工作電壓、控制電壓、控制電流、控制時間、結構尺寸滿足系統(tǒng)設計要求。 控制電路設計應與被控制對象相匹配。 電機與驅動器,負載匹配選擇，滿足系統(tǒng)設計要求。,上一頁,下一頁,,三、 檢測控制系統(tǒng)設計實例 1. 高溫暖氣鍋爐壓力檢測控制系統(tǒng)設計條件 暖氣鍋爐內工作壓力為00.8 MPa，當壓力大于1 MPa時要實現(xiàn)報警，并且自動關閉鍋爐供油系統(tǒng)，實時顯示檢測結果。設計檢測控制系統(tǒng)，控制精度小于0.5%。 2. 檢測控制系統(tǒng)設計 (1) 壓力傳感器選擇 型號PT123(UYY-1、ZQ-Y)，精度0.1%，量程1.5 MPa (2) 放大器選擇： 型號YE3817(BZ204

11、)，精度0.1%，輸出電壓12 V，電流100 mA (3) 數(shù)字電壓表 DT405B，41/2數(shù)字壓力表， 精度小于0.1% (4) 報警器選擇KZY-1型 (5) 液體電磁閥選擇YK2K2型 (6) 控制電路設計：高溫暖氣鍋爐內工作壓力正常值00.8 MPa，當大于1 MPa以上時，出現(xiàn)超載，為了防止鍋爐爆炸，安裝檢測控制系統(tǒng)。為了實現(xiàn)控制顯示的直觀性，控制電路設計選擇0.8 MPa顯示電壓8 V，1 MPa壓力顯示電壓10 V，相當于0.1 MPa壓力顯示1 V電壓?？刂齐娐吩O計如圖72所示。 3. 壓力檢測控制系統(tǒng)圖（如圖73所示）,上一頁,返 回,,返 回,圖7-3 壓力檢測控制系統(tǒng)

12、方框圖,圖72控制電路圖,第三節(jié) 計算機控制系統(tǒng)設計,一、 計算機控制系統(tǒng)的組成 計算機控制系統(tǒng)由計算機和控制系統(tǒng)兩大部分組成，其中計算機部分包括硬件和軟件，控制部分包括驅動電路和執(zhí)行單元等。 1. 硬件組成 硬件由計算機主機、控制電路及外部設備等組成。 (1) 計算機。它是整個控制系統(tǒng)的指揮部。它可接收從操作臺來的命令，對系統(tǒng)的各參數(shù)進行巡回檢測，執(zhí)行數(shù)據處理、計算和邏輯判斷、報警處理等，并根據計算的結果通過接口發(fā)出輸出命令。它是組成計算機控制系統(tǒng)的主要部分。 (2) 接口與輸入/輸出通道。它是計算機與被控對象進行信息交換的紐帶。計算機輸入數(shù)據或向外發(fā)送信號都是通過接口及輸入輸出通道進行的。

13、 (3) 外部設備。計算機控制系統(tǒng)中最基本的外部設備為操作臺。它是人機對話的聯(lián)系紐帶。 (4)傳感器和執(zhí)行機構。,下一頁,,2. 計算機控制軟件 對于計算機控制系統(tǒng)來講，軟件可分為兩大類：實時軟件和開發(fā)軟件。 (1) 實時軟件分為兩大類：系統(tǒng)軟件和應用軟件。 (2) 開發(fā)軟件包括各種語言處理程序（如匯編程序、C語言程序），服務程序（如裝配程序、編輯程序），調試和仿真程序等。 (3)控制軟件包括三種語言：匯編語言、BASIC語言、C語言控制軟件。 (4) 計算機控制系統(tǒng)性能評價軟件。,上一頁,下一頁,,二、 計算機控制系統(tǒng)分類 1. 按照計算機控制系統(tǒng)組成分類 (1) 單片機控制系統(tǒng)，傳感器、放

14、大器、驅動控制器和執(zhí)行設備組成。 (2) 計算機、 AK控制器、輸出接口控制器、驅動控制器和執(zhí)行設備組成自動控制系統(tǒng)。 (3) 計算機、A/D轉換器、輸出接口控制器、驅動控制器和執(zhí)行設備組成控制系統(tǒng)。 (4) 計算機、A/D轉換器、D/A轉換器、輸出接口電路、驅動器、執(zhí)行設備、傳感器和信號放大器組成檢測控制系統(tǒng)。 (5) 計算機綜合控制系統(tǒng)由A/D轉換器、D/A轉換器、AK控制器、輸出接口多路控制器、驅動控制器、執(zhí)行設備、傳感器和放大器等組成?？蓪崿F(xiàn)自動控制的同時，又可實現(xiàn)自動采集分析處理輸出控制，多路信號輸出控制，開關量控制和電機類控制等。,上一頁,下一頁,,2. 按照計算機輸出控制原理分類

15、 (1) 自動控制方式。 (2) 檢測控制方式。 3. 按照計算機控制系統(tǒng)工作方式分類 (1) 定頻定位控制工作方式。 (2) 變頻控制工作方式。 (3) 循環(huán)輸出控制工作方式。 (4) 升頻輸出控制工作方式。 (5) 多參數(shù)分時輸出狀態(tài)控制工作方式。 (6) 順序控制工作方式。 (7) 過程檢測控制工作方式。 (8) 綜合控制工作方式。 (9) 計算機開環(huán)控制工作方式。 (10) 計算機閉環(huán)控制工作方式。,上一頁,下一頁,,4. 按照計算機控制系統(tǒng)功能分類 (1)操作指導控制系統(tǒng)。 （2） 直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）。其系統(tǒng)組成如圖7-4所示。 （3）計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）。SCC系統(tǒng)

16、就其結構來講，可分為SCC+模擬調節(jié)器和SCC+DDC控制系統(tǒng)兩類。 SCC+模擬調節(jié)器控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的原理圖,如圖7-5所示。 SCC+DDC控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的原理圖如圖76所示。 控制系統(tǒng)的優(yōu)點： A能根據工況變化，改變給定值，在程序的作用下，以實現(xiàn)最優(yōu)控制。 B SCC+模擬調節(jié)器法適合于老企業(yè)改造，即用上了原來的模擬調節(jié)器，又用計算機實現(xiàn)了最佳給定值控制，或者自動控制。 C可靠性好。SCC有故障時可用DDC或模擬調節(jié)器工作，或DDC有故障時用SCC來代替工作。 D 具有DDC的那些優(yōu)點，可實現(xiàn)補充。,上一頁,下一頁,,返 回,圖7-4 直接數(shù)字控制系統(tǒng)原理圖,,,返 回,圖7-5

17、SCC+模擬調節(jié)器控制系統(tǒng)原理圖,返 回,,圖7-6 SCC+DDC控制系統(tǒng)原理圖,,(4)分級計算機控制系統(tǒng)。 這種系統(tǒng)將控制功能分散，用多臺單片微機分別執(zhí)行不同的控制功能，用PC機等微型計算機完成分級控制和管理功能。它具有使用靈活方便、可靠性高、功能強等特點。圖77所示的分級計算機控制系統(tǒng)是一種四級的分布式控制系統(tǒng)，各級計算機的功能如下： 裝置控制級（DDC級）。 車間監(jiān)督級（SCC級）。 工廠集中控制級。 企業(yè)管理級。 (5) 計算機網絡控制系統(tǒng)是把許多分散在各地的獨立的計算機連接起來，實現(xiàn)數(shù)據通訊、信息變換和資源共享。它是通訊技術和計算機技術相結合的綜合系統(tǒng)。,上一頁,下一頁,,,返

18、回,圖7-7 分級計算機控制系統(tǒng)圖,,5. 計算機控制系統(tǒng)按照控制規(guī)律的分類 (1) 程序順序控制。程序控制是被控制量按照一定的、預先規(guī)定的時間函數(shù)變化，被控制量是時間的函數(shù)。 (2) 比例積分微分控制（簡稱PID控制）。PID控制結構簡單、參數(shù)容易調整，因此，無論模擬調節(jié)器或者數(shù)字調節(jié)器，多數(shù)使用PID控制規(guī)律。 (3) 最小拍控制。最小拍控制的性能指標是要求設計的系統(tǒng)在盡可能短的時間里完成調節(jié)過程。最小拍控制通常用在數(shù)字隨動系統(tǒng)的設計中。 (4) 復雜規(guī)律的控制。對于存在隨機擾動的系統(tǒng)，僅用PID控制是難以達到滿意的性能指標的，因此，針對生產過程的實際情況，可以引進各種復雜規(guī)律的控制。例如

19、串極控制、前饋控制、純滯后補償控制、多變量解耦控制、最優(yōu)控制、自適應控制、自學習控制等。 (5) 智能控制。智能控制理論可以看做是三個主要理論領域的交叉或匯合，這三個理論領域是人工智能、運籌學和控制理論。智能控制實質上是一個大型計算機控制系統(tǒng)，是綜合的自動化控制系統(tǒng)。,上一頁,下一頁,,三、 計算機控制系統(tǒng)的設計要求 1. 可靠性要高 2. 操作性能要好 3. 通用性要強 4. 設計周期要短，成本要低 5. 計算機控制系統(tǒng)設計參數(shù),上一頁,下一頁,,四、 計算機控制系統(tǒng)設計方法 1. 設計技術指標的制定 根據機電一體化系統(tǒng)（產品）的性質、特點、應用等先確定設計技術指標。 (1) 控制的參數(shù)。單

20、路控制式、多參數(shù)控制、狀態(tài)控制、電機控制、檢測控制等。 (2) 計算機控制系統(tǒng)精度。 (3) 控制負載的工作特性的確定。 (4) 控制系統(tǒng)總體結構參數(shù)。 (5) 控制系統(tǒng)應用條件，環(huán)境條件，使用條件。 (6) 控制程序設計要求。程序固定式、可調式，語言類型，工作的環(huán)境條件。 (7) 硬件系統(tǒng)設計，根據以上要求，制定具體技術指標。,上一頁,下一頁,,2. 計算機控制系統(tǒng)設計方案分析 根據系統(tǒng)的設計目的和要求。應做如下調研和分析： (1) 計算機控制方案的選擇分析。 (2) 計算機與控制板的選擇及設計分析。 (3) 計算機輸出接口轉換電路設計與選擇。 (4) 驅動器、電機、執(zhí)行開關元器件的選擇。

21、(5) 控制程序設計語言的選擇。 (6) 總體設計方案的制定分析。 (7) 計算機控制系統(tǒng)原理分析。 (8) 計算機控制的算法、流程控制、時間控制、狀態(tài)控制等。,上一頁,下一頁,,3. 計算機控制系統(tǒng)設計的可行性、可靠性評價 (1) 設計的控制系統(tǒng)可實現(xiàn)性評價，技術上可實現(xiàn)性。 (2) 控制系統(tǒng)總精度的評價。 (3) 新穎性、創(chuàng)新性、應用性的評價。 (4) 經濟性的評價。 (5) 設計、制作的總體計劃的評價。,上一頁,下一頁,,4. 計算機控制系統(tǒng)總體設計 (1) 確定系統(tǒng)的使用規(guī)模、應用的場合、功能特點，制定控制系統(tǒng)的設計方案。 (2) 確定系統(tǒng)的結構形式。 (3) 軟硬件功能的分配。 (4

22、) 畫出控制系統(tǒng)總框圖。 (5) 確定控制工作方式。 (6) 確定控制通道種類及數(shù)目。 (7) 確定控制系統(tǒng)的容量、速度及總線形式。 (8) 確定計算機控制程序的設計技術指標。 (9) 確定研制所用工具。 (10) 確定控制系統(tǒng)總體結構設計形式、操作方式、外形設計應美觀大方、直觀、操作使用方便。,上一頁,下一頁,,5. 計算機控制程序語言的選擇 計算機控制程序設計，可以有多種語言可供選擇。如匯編語言、BASIC語言、C語言、VB、VC等。 (1) 匯編語言的特點 匯編語言是單片機控制系統(tǒng)配套常用的程序設計語言。 匯編語言好學易用。 匯編語言編程簡單，使用方便。 匯編語言功能擴展性較差，復雜控制

23、程序設計不方便。 匯編語言編寫操作界面不方便，可移植性差。,上一頁,下一頁,,(2) BASIC語言的特點 BASIC語言易學好用。 BASIC語言設計程序結構簡單，修改調試方便。 BASIC語言采用解釋執(zhí)行方式，是會話式的語言，便于人機對話操作使用。 BASIC語言是一種高級語言，功能較強，不僅可以用于數(shù)據采集，分析處理，數(shù)字計算，又能用于計算機控制程序的設計?？梢浦残院?。 BASIC語言接近于結構化語言。便于進行結構化程序設計。 BASIC語言編寫操作界面，利用先進的操作系統(tǒng)軟件不方便。 BASIC語言具有學習方便，程序設計簡單等優(yōu)點，但是它的版本太多，不夠規(guī)范，界面設計簡單，不能滿足現(xiàn)代

24、計算機技術的發(fā)展需要。,上一頁,下一頁,,(3) C語言的特點 語言簡潔、緊湊、使用方便、靈活。 運算符豐富。C語言的運算符包含的范圍很廣泛，共有34種。 數(shù)據結構豐富，具有現(xiàn)代化語言的各種數(shù)據結構。 具有結構化的控制語句（如ifelse語句，while語句，switch語句，for語句）。利用函數(shù)作為程序的模塊單位，便于實現(xiàn)程序的模塊化設計。 C語言編程語法限制不太嚴格，程序設計自由度大。對于C語言不很熟悉的人，設計C語言程序比其他語言較難。 C語言程序設計允許直接訪問物理地址，能進行位操作，能夠實現(xiàn)匯編語言的大部分功能，可以直接對硬件進行操作。C語言具有高級語言的功能，又具有低級語言的許

25、多功能，可用來設計系統(tǒng)軟件， 控制應用軟件等。 生成目標代碼質量高，程序執(zhí)行效率高。 用C語言編寫的程序可移植性好?；旧喜蛔鲂薷木湍苡糜诟鞣N型號的計算機和各種操作系統(tǒng)。 C語言設計，對設計人員要求較高。,上一頁,下一頁,,(4) VC環(huán)境下的編程特點 VC環(huán)境下不僅是C++語言的集成開發(fā)環(huán)境，而且與Win32緊密相連，所以，利用Visual C++開發(fā)系統(tǒng)可以完成各種各樣應用程序的開發(fā)。面向用戶的應用軟件都可以由Visual C++來完成設計。 界面設計友好，易于實現(xiàn)人機友好交互，VC的圖形編程功能強大，它能將工程應用中得到的數(shù)據進行繪圖，實時顯示數(shù)據波形，而且在同一個界面下，參看到原始波

26、形的狀態(tài)又能看到經分析處理后的數(shù)據特征值。 Visual C++強大的調試功能，為大型復雜軟件開發(fā)提供有效的排錯手段。調試工具簡單，便于操作使用。 存盤功能也優(yōu)于C語言，它可以調用Windows文件存入打開的通用對話框，實現(xiàn)數(shù)據存入（打開）在任意路徑下的文件，文件名也可改。 VC開發(fā)環(huán)境，可擴展性好，程序設計調試修改方便。,上一頁,下一頁,,(5) VB語言的特點 VB語言簡單、易學和易懂，沒有復雜的語法規(guī)則。 圖形界面的編制易于VB，它提供許多有效的控件，不需要通過寫代碼編程來實現(xiàn)。 用戶操作界面容易實現(xiàn)交互。 調試工具便于操作使用。 界面窗體是VB的核心，所有的操作都在窗體上完成，直觀方便

27、，窗體中所有控件的屬性，在控件屬性表中可以修改，不需要再編寫代碼。,上一頁,下一頁,,6. 計算機的選擇方法 (1) 計算機的選擇 選用現(xiàn)成的微型機系統(tǒng)。 利用單片機或個人計算機進行開發(fā)。 采用標準功能模塊構成系統(tǒng)。 從芯片級設計微機系統(tǒng)。 (2)I/O通道的選擇。 選擇I/O時要注意以下幾個問題。 被控對象參數(shù)的數(shù)量和種類及參數(shù)的范圍，如模入、模出、電壓或電流等； I/O操作是串行還是并行口； 各通道數(shù)據傳送的速率； 各通道數(shù)據的字長； 對顯示、打印有何要求。,上一頁,下一頁,,(3) A/D、D/A轉換器的選擇。 根據設計技術要求，合理選擇A/D、D/A轉換器要注意以下主要指標： A/D輸

28、入信號通道。2路、4路、8路、12路、16路、32路、64路等； A/D采集頻率范圍。200 kHz、330 kHz、500 kHz、1 MHz、10 MHz、20 MHz、40 MHz、60 MHz、100 MHz等； A/D輸入結構。并行口、串行口、單端輸入式、差分輸入； A/D分辨率位數(shù)。12位、14位、16位、18位、24位； A/D準確度。0.05%、0.02%、0.003%、0.001%、0.000 2%； A/D工作方式。DMA、中斷式、查詢式； A/D是否含內存緩沖區(qū)； D/A輸出通道數(shù)。2路、4路、8路、12路、16路等； D/A位數(shù)。12位、16位、18位、24位等； D/

29、A輸出電壓。05 V、5 V、10 V。,上一頁,下一頁,,五、 計算機控制軟件設計 1. 計算機控制算法的確定 控制算法是多種多樣的，選用哪一種，主要取決于系統(tǒng)的特性。大部分機電系統(tǒng)可以采用最少拍調節(jié)或數(shù)字控制方法。 2. 軟件設計的任務和目標 一般來說任務和目標的確定包括以下幾方面的內容： (1) 確定外界信息獲取方式。首先要列出計算機可能接收的所有輸入信號。 輸入的形式是什么，即計算機實際接收什么樣的信號； 輸入信號何時準備好，計算機如何知道它準備好了，該輸入是否備有自己的時鐘信號； 輸入可供使用多長時間； 輸入多長時間變化更新一次，計算機怎樣知道它已經變化； 輸入是否由一數(shù)據序列或數(shù)據

30、塊組成，次序是否重要； 如果數(shù)據中有錯怎么辦（它們可以是傳輸錯誤、數(shù)據不正確、順序錯誤、超范圍數(shù)據等）？應用什么樣的診斷方法； 輸入是否與其他輸入或輸出有關系？相互之間的控制關系。,上一頁,下一頁,,(3) 確定信息處理方式。在數(shù)據處理階段，必須精確地決定，計算機采用什么方法處理輸入數(shù)據以獲得要求的結果。涉及的方面有： 把輸入數(shù)據變換成輸出結果的基本算法什么？ 時間約束條件有哪些（這些約束條件包括數(shù)據速率、延遲時間、輸入及輸出裝置的動作時間等）？ 存在哪些存儲的約束條件？對程序存儲器和數(shù)據存儲器的容量和速度有什么要求？ 必須使用什么樣的標準程序或表格？它們的要求是什么？ 計算機輸出控制精度要求

31、是多少？ 程序應如何處理所發(fā)生的錯誤？應用的判別方法？,上一頁,下一頁,,(4) 確定錯誤處理方式。錯誤處理是許多計算機應用系統(tǒng)的一個重要內容，設計者必須為排錯及診斷故障做好準備。為此要確定的相關問題有： 可能發(fā)生哪些錯誤？分析產生的原因？ 最可能發(fā)生的是哪種錯誤？如果由人來操作，最常見的是人為差錯。其次是通信或傳輸錯誤，它們比機械、電氣、數(shù)字運算錯誤更為常見。 哪些錯誤是最不易發(fā)現(xiàn)的？如何排除？例如干擾信號的影響等。 系統(tǒng)如何才能以最少的時間及數(shù)據損失來排除錯誤，并且記錄曾經發(fā)生過的錯誤？ 哪些錯誤或故障會引起系統(tǒng)產生相同的不正常運作？怎樣才能把引起相同后果的不同故障分開來？ 哪些錯誤涉及系

32、統(tǒng)的一些特殊過程？例如，發(fā)生控制錯誤是否要求重新傳送數(shù)據？ 為了幫助非專家的現(xiàn)場技術人員查找并排除故障，必須考慮設計內裝測試程序、專用診斷程序甚至設計專用的測試設備。,上一頁,下一頁,,(5) 確定操作要求。任何檢測系統(tǒng)終歸要由操作人員來掌握和使用它，這必然涉及人與機器的相互作用問題。為此在設計及研制系統(tǒng)過程中必須考慮人的因素，即確定如下問題： 什么樣的輸入方式對操作者最合適？ 操作是否容易、簡便？ 操作員怎樣得知過程差錯和設備故障？ 操作員怎樣知道數(shù)據已正確輸入？正確輸出控制信號？ 顯示方式能否為操作者正確地理解？ 系統(tǒng)響應速度對操作員是否合適？ 操作員最可能造成什么錯誤？這種錯誤引起的后果

33、如何？ 故障發(fā)生時，系統(tǒng)能否給操作員以提示，使操作員能迅速排除故障？,上一頁,下一頁,,3. 軟件設計方法 (1) 軟件的總體結構。 采用模塊化的程序設計方法，具有下述優(yōu)點： 單個模塊結構的程序功能單一，易于編寫、調試、修改、調用、 移植； 便于分工，可由多個程序人員同時進行編寫、調試，加快軟件研制進度； 程序可讀性好，便于功能擴充和版本升級； 程序的修改可局部進行，其他部分可相對保持不變； 使用頻繁的子程序可匯編成子程序庫，便于多個模塊調用。 (2) 軟件模塊設計劃分的原則 每個模塊應具有獨立的功能，能產生明確的結果，例如存儲、顯示、打印、控制時間等； 模塊間的控制耦合應盡量簡單，模塊之間的

34、數(shù)據耦合盡量少，控制耦合是指模塊進入和退出的條件和方式，數(shù)據耦合是指模塊間的信息交換方式、交換量的多少及交換的頻繁程度。 模塊長度適中。若模塊太長，分析和調試比較困難；若過短則模塊的連接太復雜，信息交換太頻繁，附加開銷太大。,上一頁,下一頁,,(3) “軟件”的設計方法。 “自頂向下”的軟件設計方法是： 對于每一個程序模塊，應明確規(guī)定其輸入、輸出和模塊的功能。 一旦認定一部分問題能夠歸入一個模塊之內，就要再進一步設想如何來實現(xiàn)它，即要分析實現(xiàn)的方法； 對于傳遞模塊間信息數(shù)據的設計，與過程或算法的設計同樣重要。這些數(shù)據實際上是模塊之間的接口，必須予以仔細規(guī)定。 當系統(tǒng)需要進行多種判斷時，最好在一

35、個模塊中集中這些判斷，這樣有利于修改。 對常用的延時程序、顯示程序、鍵盤處理程序和標準函數(shù)程序等，可以采用別人已提供的標準子程序，不要花大量的時間自己去編。,上一頁,下一頁,,(4) 結構化程序設計。這種方法對程序設計規(guī)定了有限的幾種控制結構和操作順序。編寫出的程序操作順序分明，便于查錯和修改。常用的結構有：順序結構、循環(huán)結構、選擇結構。利用這幾種結構，可以組成任意復雜的程序。這種結構的特點是： 每個程序只有一個出口和一個入口，因此容易跟蹤、查錯和測試。 由于基本結構是限定的和標準的，易于裝配成模塊。 程序本身易于用程序框圖來描述。,上一頁,下一頁,,(5) 軟件功能的測試。 為提高軟件測試的

36、有效性，在考慮怎樣來組織測試和設計測試用例時應遵循下面的基本原則： 由編程者與測試人員共同進行測試會獲得較好的結果； 測試應由輸入信息與預期處理結果兩部分組成，即在程序執(zhí)行前，應清楚地知道輸入信號的大小，輸出顯示的結果是否一致； 不僅要選用合理的正常的測試信號，更應選用那些不合理的輸入情況作為輸入，以觀察系統(tǒng)的輸出響應； 測試時除了檢查系統(tǒng)的軟件是否達到設計功能，還應檢查它是否穩(wěn)定可靠； 長期保留測試數(shù)據，以便下次需要時再用，直到系統(tǒng)的軟件調試可用。 (6) 軟件的運用、維護和改進。,上一頁,下一頁,,4. 監(jiān)控程序設計 計算機控制的軟件通常由監(jiān)控程序、中斷服務程序和檢測控制算法程序、通信與控

37、制程序等組成。 (1) 監(jiān)控程序的基本組成。通常由監(jiān)控主程序、初始化管理、鍵盤管理、顯示管理、中斷管理、時鐘管理、自診斷管理、手動/自動控制、通信控制等模塊組成 (2) 監(jiān)控主程序設計。常見的幾種結構形式有如下幾種： 作業(yè)順序調度型。 作業(yè)優(yōu)先調度型。 鍵碼分析控制調度型。 (3) 初始化管理。 (4) 鍵盤管理。 (5)顯示管理。 (6)時鐘管理。 (7)中斷管理。 (8)自診斷處理。 開機自診斷。 周期性自診斷。 鍵控自診斷。,上一頁,下一頁,,5. 計算機控制系統(tǒng)的調試方法 (1) 硬件調試。 (2) 軟件調試方法： 采集程序調試方法。 控制程序調試方法。 系統(tǒng)聯(lián)調試。 六、 提高計算機

38、控制系統(tǒng)可靠性的措施 1. 計算機控制系統(tǒng)可靠性分析 其中最主要的兩個內容就是RAS技術和容錯技術。 (1) RAS技術。RAS是指可靠性、利用率和維修性。 (2)容錯技術。 ,上一頁,下一頁,,2. 提高硬件可靠性的方法 (1)選用可靠的元件、芯片、模板或整機。 (2) 采用先進的組裝工藝，比如國外流行的表面裝配工藝（SMT）。 (3) 進行周密的結構設計應注意以下幾點： 在用模板組成系統(tǒng)時，每塊模板應有適合自己容量要求的獨立穩(wěn)壓電源模塊，以減小各模板間內電源波動所造成的相互影響。 各模板要有自己的驅動電路，以防止母線上負載增加時，相互驅動能力不夠，造成信號失真和混亂而使系統(tǒng)工作不可靠。集成

39、芯片電源端并電容，提高抗干擾能力。 精心設計印制板，要避免長距離的平行走線，以減少寄生電容的影響；信號線寬度要適當，不要過細，以免斷路；地線要盡可能寬；引出腳定位要對準確。 機械結構設計要注意系統(tǒng)拆裝、調試方便，注意對印制板的機械加固。 注意機器的散熱通風設計。 注意“四防”的設計，即防潮濕、防煙霧、防霉菌、防干擾。,上一頁,下一頁,,(4) 防止誤操作功能。 (5) 斷電保護。 (6) 冗余技術。 (7) 多級備用。在可靠性要求很高的系統(tǒng)中，通常要考慮多級備用措施。下面以TDC2000為例說明，其多級備用方式如圖78所示。 執(zhí)行全部功能。 維持自動控制。 就地手動。 保持。 備用手動。 只有

40、連備用手動單元也壞了，系統(tǒng)才完全喪失對生產過程的控制能力。 (8) 自診斷技術。,上一頁,下一頁,返 回,圖7-8 多級備用示意圖,,3. 提高軟件可靠性的方法 (1) 軟件固化。 (2) 選擇性控制。 (3) 采用自診斷技術。 數(shù)值檢查。 設定軟件模塊的入、出口標志。 程序的寫保護。 RAM檢查。 數(shù)據的合理性檢查。 診斷測試。 設置不正常情況輔集器（陷阱）。 時間極限的檢查。 監(jiān)視定時器（WDT）。 A/D和D/A的檢查。,上一頁,下一頁,第四節(jié) 計算機數(shù)據采集與控制組合系統(tǒng)設計,一、 計算機數(shù)據采集與控制系統(tǒng)設計分析 1. 數(shù)據采集與控制系統(tǒng)的分類 (1) 按照系統(tǒng)組成原理分類： 單片

41、機類數(shù)據采集與控制系統(tǒng)。 常用數(shù)據采集與控制系統(tǒng)。 高速數(shù)據采集與控制系統(tǒng)。 智能式數(shù)據采集系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。 (2) 按結構形式分類： 專用接口型。 通用接口型。 2. 高速數(shù)據采集與控制系統(tǒng)的功能 (1) 自動測量。 (2) 多項選擇。 (3) 分析判斷。 (4) 自動校正。 (5) 數(shù)據處理與分析。 (6) 自動控制。 (7) 故障報警。 (8) 聯(lián)網通信。 (9) 功能擴展。,上一頁,下一頁,,3. 計算機數(shù)據采集系統(tǒng)的特點 (1) 使測量自動化。 (2) 提高測量精度。 (3) 功能豐富。 選擇功能。 波形顯示。 自動診斷。 自動校準。 增強數(shù)據處理能力。 電子儀器功能。 (4) 多路

42、測量。 (5) 速度快。 (6) 測量系統(tǒng)成本低。 (7) 提高了系統(tǒng)的可靠性。 (8) 技術更新快。 (9) 軟件配套齊全。,上一頁,下一頁,,4. 計算機數(shù)據采集與控制系統(tǒng)的基本組成及原理 (1)系統(tǒng)組成。數(shù)據采集系統(tǒng)組成有很多形式，但基本組成是相似的。圖79所示為一個典型的數(shù)據采集系統(tǒng)。由圖可見，設計數(shù)據采集與控制系統(tǒng)就是外部輸入輸出器件，如打印機、顯示器、鍵盤、模擬或數(shù)字輸入通道、模擬或數(shù)字控制通道、同計算機連接起來。 (2) 理論采樣定理 采樣率定義。 測試信號的定義。 理論采樣定理 (3) 工程應用采樣原則 周期性測量信號 非周期性測量信號 瞬態(tài)測量信號,上一頁,下一頁

43、,返 回,圖7-9 典型的數(shù)據采集與控制系統(tǒng),,二、 計算機數(shù)據采集與控制系統(tǒng)設計 1. 確定測試信號的特征 2. 傳感器的選擇 (1) 根據測量目的和被測物理量的特點，確定選用相應的傳感器。 (2)可靠性及穩(wěn)定性。 (3) 頻率響應特性。 (4) 線性范圍。 (5)精確度。 (6) 靈敏度。 (7) 傳感器的量程。 (8) 結構尺寸的選擇。,上一頁,下一頁,,3. 信號調節(jié)與處理器的選擇 4. A/D轉換器的選擇 (1) 型號的選擇。 (2) A/D轉換器采樣率的選擇，按工程應用原則選擇 (3) 采集精度的選擇。 (4) A/D輸入方式的選擇。 (5) A/D輸入控制方式的選擇。 5. 控制

44、器的選擇 (1)控制板輸出通道的選擇。 (2) 控制板接口總線的選擇。 (3) 控制板應用軟件的選擇。 6. 計算機的選擇 ,上一頁,下一頁,,三、 計算機數(shù)據采集應用軟件設計 1. 計算機數(shù)據采集程序設計分析 (1) 采集程序設計流程如圖710所示。在這個程序中，主要分成如程序流程圖所描述的十個部分，本程序分析會按照程序流程圖對采集程序進行詳細的分析和說明。 (2) 函數(shù)初始化 (3) 變量初始化 (4) 程序界面設計 (5) 輸入系統(tǒng)參數(shù) (6) 采集板各端口的初始化 (7) 信號采集 (8) 數(shù)據處理 (9) 數(shù)據存入方法 (10) 處理數(shù)據繪制圖形 2. 計算機數(shù)據采集程序實例清單,上

45、一頁,下一頁,,四、 計算機多路輸出控制程序設計 1. 計算機控制系統(tǒng) 計算機控制系統(tǒng)按組成結構分為兩大類。其中一類是數(shù)據采集分析處理判斷輸出型，又叫檢測輸出控制類。另一類是計算機自動控制系統(tǒng)。由硬件單元控制板和控制軟件結合完成多種控制功能。 2. 計算機控制程序設計分析 (1) 函數(shù)定義。 (2)計算機控制輸入參數(shù)的設定。 (3) 控制板端口初始化。 (4) 控制器輸出頻率信號控制。 (5) 控制輸出時間的設定。 (6) 控制輸出電壓的設定。 (7) 控制輸出頻率信號結束設定。 3. 計算機控制多路信號輸出程序實例清單,上一頁,下一頁,,五、 計算機數(shù)據采集與控制程序設計 1. 計算機數(shù)據采

46、集與控制系統(tǒng) 計算機數(shù)據采集與控制系統(tǒng)組成有兩種：其中一種是檢測控制系統(tǒng)，實現(xiàn)實時控制，跟蹤控制。另一種是自動控制系統(tǒng)與數(shù)據采集系統(tǒng)組合成測控系統(tǒng)。分別由傳感器、信號調節(jié)器、A/D轉換器、計算機組成數(shù)據采集系統(tǒng)部分；由計算機、AK2控制板、輸出接口電路、電機驅動器、步進電動機等組成計算機控制系統(tǒng)；二則組合成計算機數(shù)據采集與控制系統(tǒng)。 計算機數(shù)據采集與控制系統(tǒng)如圖711所示。 ,上一頁,下一頁,返 回,圖7-11 計算機數(shù)據采集與控制系統(tǒng)圖,,2. 計算機數(shù)據采集與控制程序設計分析 (1) 計算機程序應用界面設計。 (2) 變量初始化。 (3) 計算機數(shù)據采集與控制輸入參數(shù)的設定。 (4) 硬

47、件單元口地址初始化設計。 (5) 計算機控制程序和數(shù)據采集程序設計。 (6) 采集數(shù)據計算與顯示。 (7) 控制結束與循環(huán)控制程序設計。 (8) 采集數(shù)據存入與圖形顯示程序。 ,上一頁,返 回,第五節(jié) 計算機多機控制系統(tǒng)設計,一、 計算機多機控制系統(tǒng)設計分析 1. 計算機多機系統(tǒng) 計算機多機系統(tǒng)可以分為兩類：多微處理機系統(tǒng)和多微型計算機系統(tǒng)。 (1) 多微處理機系統(tǒng)組成的特點 系統(tǒng)應包括兩臺以上計算機，互相可以提高通信交換數(shù)； 各臺微處理機可共享資源（內存I/O設備、U/O通道和控制部件）； 整個系統(tǒng)由統(tǒng)一的操作系統(tǒng)集中控制，用于作業(yè)、任務、信息間實現(xiàn)交互作用，統(tǒng)一調度和分配資源

48、。 (2) 多微處理機系統(tǒng)的種類， 根據它的通信和互聯(lián)的方式劃分為以下幾類： 線性陣列式的陣列處理機系統(tǒng)是緊密結合多微處理機的一種特殊情況，又可分為線性一維陣列式、線性二維陣列式和線性三維陣列式。,下一頁,,(3) 多微處理機系統(tǒng)的優(yōu)點： 性能價格比高。 高速計算能力。 結構模塊化。 存儲量大。 可靠性高。 通用性強。 (4) 多微處理機系統(tǒng)的通信。 2. 多機控制系統(tǒng) (1) 計算機集散控制系統(tǒng)。 (2) 發(fā)展趨勢。 現(xiàn)場級智能化。 網絡化。 模塊化。,上一頁,下一頁,,二、 計算機多機控制系統(tǒng)的應用范圍和特點 1. 應用范圍 緊密耦合多微計算機和松散耦合多微計算機組成的DCS系統(tǒng)在我國已廣

49、泛應用在輕工、化工、石油、電站、冶金、物流、銀行等多種工商業(yè)部門 2. 特點 分布式多機控制集散系統(tǒng)在過程控制系統(tǒng)中的特點是： 自律性極強的單元結構； 完善的控制功能； 統(tǒng)領全局的窗口功能； 局域網絡通信功能； 管理能力強； 高可靠性系統(tǒng)； 系統(tǒng)構成靈活，擴展方便； 軟件配備齊全； 系統(tǒng)操作使用方便。,上一頁,下一頁,,三、 計算機多機控制系統(tǒng)組成和作用 1. 第一代DCS組成與作用 第一代DCS的結構由五大部分組成。 (1) 過程控制單元（PCU）。 (2) 數(shù)據采集裝置（DAU）。 (3) CRT操作站。 (4) 監(jiān)控計算機是集散系統(tǒng)的主計算機。 (5) 數(shù)據傳輸通道。

50、2. 第二代集散系統(tǒng)組成與作用 第二代集散系統(tǒng)，結構由六部分組成。 (1) 局部區(qū)域網絡（LAN）。 (2) 節(jié)點工作站。 (3) 中央操作站。 (4) 系統(tǒng)管理站 (5) 主計算機(6) 網間連接器（GW） 3. 第三代集散系統(tǒng)組成與作用 隨著網絡技術的發(fā)展，特別是局域網絡標準化技術飛速發(fā)展，其結構的主要變化是局域網絡采用了MAP協(xié)議，或者是MAP兼容，或者局域網絡本身就是實時MAPLAN。它的結構組成除了局域網絡的根本提高外，其他單元無論是硬件或軟件都有較大變化，但系統(tǒng)基本組成變化不大。,上一頁,下一頁,,4. 分布式多機控制集散系統(tǒng) 最新發(fā)展起來的分布式多機控制集散系統(tǒng)，分布式多機控制集

51、散系統(tǒng)從結構總體上看，有三 大基本組成部分：分散控制裝置部分、集中操作和管理系統(tǒng)部分以及通信部分。 四、 計算機多機控制系統(tǒng)設計 1. 計算機多機控制系統(tǒng)選型原則 (1) 按控制系統(tǒng)性能的選型原則： 生產過程和用戶對系統(tǒng)的要求是選型的基礎。 系統(tǒng)評價指標是正確選型的依據。 投資規(guī)模和投資回收率是選型重要條件。 維護、維修成本是選型的一項經濟原則。 系統(tǒng)工作周期與技術先進性的權衡。 選型必須考慮系統(tǒng)擴展。,上一頁,下一頁,,(2) 按計算機系統(tǒng)性能的選型原則： 單機系統(tǒng)設計。 多機系統(tǒng)設計。 2. 分布式多機控制系統(tǒng)設計 計算機多機分布式控制系統(tǒng)設計，按分級（即分層）控制原則設計。采用分級結構形

52、式，自下而上，一般分為過程控制級、控制管理級、生產經營管理級。 3. 計算機多機控制系統(tǒng)調試 (1) 硬件調試。 (2) 軟件調試。 (3) 模擬調試。 (4) 現(xiàn)場試運行。,上一頁,下一頁,習題與思考題,1. 檢測系統(tǒng)有幾種組合方式？分別應用于哪些場合？ 2. 舉例說明檢測系統(tǒng)的設計原則？ 3. 檢測控制有幾種類型？ 4. 自擬題目設計一套溫度檢測控制系統(tǒng)？ 5. 根據暖氣鍋爐控制要求：壓力小于0.8 MPa，工作正常；當大于1 MPa時，必須報警控 制供油系統(tǒng)，打開減壓閥，設計一套測控顯示系統(tǒng)。 6. 自擬題目設計三種信號自動顯示與控制系統(tǒng) (1) 給出設計條件； (2) 具體系統(tǒng)設計；

53、(3) 畫出系統(tǒng)圖。 7. 計算機控制方法有幾種？ 8. 計算機控制組合方式有幾種？分別應用于何場合？ 9. 計算機控制程序語言有幾種？何種語言最好？ 10. 計算機控制程序設計依據是什么？,上一頁,下一頁,,11. 電路控制與計算機控制各有何特點？ 12. 舉例說明多路控制系統(tǒng)設計原理方法？ 13. 分析計算機控制方法的優(yōu)點？有何特點？ 14. 舉例說明AK系列控制板設計方法。 15. 分析C語言編程的特點。 16. 如何提高計算機控制的可靠性？ 17. 以雙路輸出控制信號為例，說明程序設計思路。 18. 數(shù)據采集與自動控制系統(tǒng)設計應用于哪些場合？設計中注意的問題是什么？ 19. 計算機多機組合控制有何特點？在設計中注意什么問題？ 20. 舉例說明多機控制系統(tǒng)設計方法。,返 回,