第七章 计算机直接控制.docx
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第七章计算机直接控制
第七章计算机直接控制（DDC）系统
本章主要内容：
●计算机控制系统的结构与特点，系统设计的基本要求，系统设计的特点。
●计算机控制系统设计的几个阶段
●计算机控制系统设计的一般步骤，总体设计的主要内容，硬件设计的主要内容，软件设计的主要内容。
要求：
●计算机控制系统的结构与特点，系统设计的基本要求，了解系统设计的特点。
●了解计算机控制系统设计过程中各个阶段的主要工作。
●掌握计算机控制系统设计的步骤，如何确定控制任务，如何选择控制计算机，采用何种控制方法和控制算法，如何起草系统总体设计方案，软硬件设计时应考虑哪些问题以及设计的一般步骤。
准备阶段主要是根据厂方要求，进行现场考察，写出可行性报告，包括技术难点、经费估算、工期以及项目投入使用以后的经济效益分析等；然后是可行性报告的方案论证，包括技术可行性、经费可行性和计划进度的可行性。
设计阶段主要是根据系统要求，进行详细的系统总体方案设计，总体方案设计以后便是系统硬件设计和软件设计。
实验室仿真和调试包括实验室硬件联调、软件联调和仿真。
仿真包括三种类型：
数字仿真（或称计算机仿真）、半物理仿真（或称硬件闭路动态试验）及全物理仿真（或称在模拟环境下的全实物仿真）。
现场联调投入运行阶段包括仪表及控制设备的安装与检查，设备安全防护措施，手动运行，自动运行，组织验收等过程。
7.1计算机DDC系统的组成和特点
计算机DDC系统的典型结构和工作过程见教材P157图7-1所示。
典型的计算机DDC系统有下列特点
1．时间上的离散型：
香弄采样定理；A/D、D/A转换器的自唱一般选取12或14位就足以满足绝大部分控制系统的精度要求。
2．采用分时控制方式：
每一个回路都要完成采样、A/D、运算和控制输出信号的工作。
3．人机对话功能
4．灵活性和可靠性高：
控制算法由软件实现，可实现复杂控制规律。
7.2计算机DDC系统的总体设计
计算机DDC系统的总体设计一般包括总体方案设计、硬件设计和软件设计3大部分。
总体方案的设计，一般需要经过论证及确定初步方案、在设计和工作过程中不断修正、最后定案这样3个阶段。
它大致包括以下几个主要步骤。
一、确定控制要求
作为计算机DDC系统的设计人员，在进行总体方案设计时，首先应对控制对象的工作过程作深入细致的调查分析，要熟悉其工艺过程，详细了解各生产环节对工艺参数要求，充分考虑用户（操作者）对生产过程（或装置）进行控制时的操作规律。
这样，才能根据实际应用中的问题提出具体合理的控制要求，确定系统所要完成的任务，最后以设计任务说明书的形式制订出整个计算机DDC系统的控制方案，作为各项设计的依据。
计算机DDC系统的控制要求一般由设计人员与用户一起，根据生产过程（或装置）的实际情况提出，它包括：
（1）控制回路数的确定和要求；
（2）检测回路数的确定和要求；
（3）需要显示和打印信号的确定和要求；
（4）保护装置的确定和要求；
（5）报警信号点的确定和要求；
（6）其它需要考虑的特殊要求。
二、总体设计内容
总体方案设计需要考虑的内容主要是计算机DDC系统的控制回路、检测元件、采样周期、计算机选型、控制算法、字长的选择、操作规范以及系统运行的可靠性、通用性和可扩充性。
1．控制回路
控制回路需要解决的问题是确定回路数和对输出控制信号的要求。
控制回路数的确定，要从安全可靠和经济因素综合考虑。
计算机的功能强弱可以决定控制回路数的多少，采用单片机的DDC系统控制回路数一般宜取8个或8个以下。
输出控制信号的形式是根据执行机构的要求确定的。
常用的执行机构有电动的、气动的和液动的几大类。
不同的执行器对输出控制信号会提出不同的要求（如模拟量、数字量、开关量还是脉冲量，电平高低，负载大小，是否隔离等等）。
总体设计时应该根据这些要求来配置DDC系统的输出接口。
2．检测元件
检测元件就是传感器，又称“一次测量元件”。
它是把控制对象的原始状态的非电参数转化成电量的重要设备，其转换精度影响到整个控制系统的精度。
选择传感器时应尽可能采用数字化传感器，这样可以直接向计算机提供数字信号，减少了A/D转换环节，有利于提高响应速度和系统精度。
3．采样周期
采样周期按香农定理来确定，由于实际上按香农采样定理来确定一个控制系统的采样周期十分困难，一般实际设计时都按经验来确定系统的采样周期。
采样周期的确定需要设计人员统筹考虑，周期取大会使系统的稳定性和动态品质变差，而取小了则会受到CPU运算速度、控制程序运行时间和执行机构动作响应速度的限制。
4．计算机的机型选择
机型选择的准则是，字长适宜，速度较快，指令丰富和中断功能强。
计算机的字长应符合两个要求，一是要符合精度要求，二是要与数据总线的线数相适配。
字长长则处理数值的范围宽、精度也高，但要求的存储空间就会增加，因此应该根据设计的控制系统精度要求来确定字长，不宜一味追求字长长的微型机。
计算机的运行速度，主要根据实时控制的要求来选择。
一般来说，计算机的时钟速率（即CPU的时钟频率）越高，CPU执行指令的速度也就越快，所以应该选择时钟频率较高的计算机或微处理器。
指令系统是反映计算机功能强弱的主要依据。
指令的种类越多，寻址方式的种类越多，完成相同功能所需的指令条数就会减少，程序就会简化，执行的速度也会提高，所以说丰富的指令系统可以给软件编制带来很大的好处，也能提高计算机DDC系统的实时性指标。
中断是各种输入设备和计算机外设向计算机输送信息的方式，是计算机实现分时控制的重要保证。
计算机中断功能的强弱主要反映CPU配置的中断源种类的多少，中断优先级判定能力的高低，中断嵌套的层次和中断响应速度的快慢等方面。
5．控制算法
确定控制算法是计算机控制系统总体方案设计的一个重要内容。
用计算机控制一个生产过程时，必须先根据被控制过程的特性选择一种控制规律，这种规律反映控制器输入的系统反馈量和输出控制量的变化关系，用以描述这一关系的数学表达式称为控制算法，将这种算法编写成的计算机程序则成为实现这一控制规律的控制程序，利用计算机实施控制时，实际上是计算机在不断反复执行上述控制程序，通过它输出的控制量作用于执行机构，达到对生产过程控制的目的，所以控制规律或控制算法是计算机进行控制运算和处理的依据。
6．字长的选择
字长的选择包括A/D转换器字长的选择、D/A转换器字长的选择以及算术逻辑部件的选择。
一般情况下，A/D的字长由系统的测量精度决定，A/D的转换误差应小于测量精度的1/2。
如要求测量精度为1‰，考虑到A/D采样的误码（1LSB）及精度为1/2LSB，采用8位以上的A/D较为合适。
D/A转换的字长一般取A/D的字长减去两位。
算术逻辑部件的字长取A/D字长加上4位。
7．操作规范
操作规范是计算机DDC系统实现人机对话的规定形式，是系统软件设计的主要依据。
操作规范的使用者是用户（操作人员），所以制订操作规范时必须充分尊重用户的职业习惯，力求方便易学。
操作规范应该越详尽越好，一旦制定，不要轻易变动，否则将会造成软件设计的重大反工。
操作规范需要明确规定的主要内容是：
（1）计算机DDC系统开机运行时的操作步骤；
（2）用键盘输入信息和修改参数的方法；
（3）显示的内容、格式、时间及其含义；
（4）打印制表的内容、格式和时间；
（5）报警值的确定和报警形式；
（6）发生故障时的应急处理办法。
8．系统运行的可靠性、通用性和可扩充性
系统运行的可靠性是总体设计的重要内容。
一般的计算机DDC系统都是不间断长期运行的，所以在确定各部分的具体设计方案和元器件选用时必须考虑这个因素，留有足够的余量，以适应长期运行的需要。
一旦系统发生故障，必须考虑故障处理的应急措施，避免造成更大的危害。
一个计算机控制系统，一般要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，控制设备会更新、控制对象会有增减，系统总体设计时应考虑能适应各种不同设备和各种不同的控制对象，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强、能灵活地进行扩充。
系统设计时，对电源功率、CPU的工作速度、内存容量、输入输出通道等指标，均应留有一定的余量，以增加整个控制系统的可扩充性。
9．系统的造价
可以说在进行总体设计时，费用问题贯穿始终。
对于一个工程，考虑最多的是可靠性和时间，对于一个产品，考虑最多的则是价格和可靠性。
在设计时如果软件和硬件都能实现的功能应尽量用软件实现；实现同一功能的两个硬件线路，在可靠性基本相同的情况下，应该考虑的也应是其价格；只有这样，才能降低系统的造价，提高产品的竞争力。
三、控制系统的结构框图和系统主要技术指标
计算机DDC系统的总体方案设计完成后，便可确定整个控制系统的结构框图。
建立结构框图是为了以后的硬件和软件的具体设计规定正确方向，同时明确计算机与各外部设备间的关系。
7.3计算机DDC系统的硬件设计
从总体上看，计算机DDC系统的具体设计任务可分为硬件设计和软件设计两部分，这两者是相互关联，不可分离的。
一、输入输出通道设计
输入输出通道有模拟量通道和数字量（含开关量）通道之分。
一般在计算机DDC系统中这两种信号都用，因此必须分别加以考虑。
1、模拟量通道设计
模拟量通道大部分位于计算机DDC系统的输入部分，其作用是传输生产现场（或装置）各种传感器检测到的模拟信号。
有时，某些执行机构也需要用模拟量控制，在这种场合，计算机DDC系统的输入和输出部分都要进行模拟量通道设计。
（1）模拟量输入通道的设计。
主要是根据系统的测量精度和速度确定A/D转换器的位数和类型，根据输入通道的多少确定A/D芯片的多少或多路模拟开关的路数。
一般情况下，A/D转换器的精度与测量传感器的精度应为同一数量级，比要求达到的精度高一个数量级。
对于大多数工业应用场合，逐次比较式A/D转换器都可以满足速度上的要求。
一般的控制系统都有多路模拟量输入，为了降低造价，一般采样一块A/D芯片，用多路开关切换模拟量输入。
多路开关有单端输入和双端输入两种，双端输入抗扰性强，造价高。
（2）模拟量输出通道的设计。
D/A芯片的位数根据控制精度选择，一般D/A的位数比A/D的位数少两位。
对于多路模拟量输出通道，也可以采用一块D/A芯片加多路开关转换及保持电路实现，但由于D/A芯片造价不高，D/A输出保持时间长等原因，目前基本不用此种方法。
一般情况下，有几路D/A输出就用几块D/A芯片。
（3）通道与计算机的接口设计。
经过A/D转换的数字信号要通过接口输入计算机，计算机的输出信号也要由接口输出，接口设计的重要性由此可见。
A/D、D/A通道与计算机之间的接口主要采用并行接口。
2、开关量输入输出通道的设计
开关量通道设计比较简单。
由于开关量的输入输出只是二进制代码，每一位代码表示一个输入输出对象的状态，所以相对而言其技术比较简单，建立通道的成本也较低廉。
开关量的输入通道提供两种状态，高电平“1”和低电平“0”，不存在精度和幅值问题。
开关量的输出通道常设计为具有记忆形式，即在计算机不改变输出状态之前，输出通道一直保持原来的状态不变。
开关量输出的负载一般为继电器、指示灯、可控硅、步进电机线圈等；当有感性负载时，要有保护电路即时释放线圈存储的磁能，以免损坏输出通道设备。
二、电源设计
由于工业现场运行的大功率设备极多，特别是大感性负载的启动和停止会造成电网的严重污染，使得电网电压大幅度涨落（浪涌），工业电网电压的欠压或过压常常达到15％以上。
这就对工业控制计算机的电源的可靠性和抗扰性提出了极高的要求。
目前，控制用直流电源主要设计成如下两种形式：
普通直流电源和高抗扰性开关电源。
普通直流电源是直接用市电先经交流稳压，降压后再进行整流、直流稳压输出而成，结构简单，造价低，适用于电网电压波动小，要求容量小，电源种类少的场合。
容量较大、电源种类较多的情况下，一般采用高抗扰性的开关电源。
这种电源采用20MHz的脉宽调制技术，首先将市网220V交流电压经降压、整流产生一定幅值的直流电压，然后调制成20MHz的交流电压，再经降压、整流、滤波和稳压后输出。
这种电源输入范围广（180V~260V），抗扰性强，效率高，工业上使用很广。
另外，用于生产过程控制的计算机DDC系统，为了防止电源串入干扰，一般都宜与照明、动力供电线路分开，使用单独的变压器供电，在电源设计上。
电源设备的容量一般要留有余量（50％～100％），以保证长期工作的需要。
除了计算机必须具有掉电保护电路和备用电池之外，重要的计算机DDC系统还应配备不间断电源（UPS）。
三、控制面板设计
控制操作台是计算机DDC系统中人机交往的重要设备，控制操作台（控制面板）的设计，应该遵循安全方便的原则，根据实际需要而确定。
控制操作台的设备一般分为操作器件，显示器件，打印装置和报警装置4类。
四、存储空间的设计
存储空间的设计与软件设计关系密切，软件程序的长短直接决定了硬件存储器容量的设计值。
一般8位计算机DDC系统配置的ROM（包括EPROM或PROM）可以考虑为4K～16K容量，而RAM（常为静态RAM）则考虑256K～4M容量。
当容量要求过高时，应该进行存储器扩展。
7.4计算机DDC系统的软件设计
软件设计就是编制程序。
要使一个计算机控制系统发挥最大的效益，各种硬件设备正常运行，关键是必须有充分的、高质量的软件支持。
计算机DDC系统的软件就是控制整个系统所必须配备的一系列程序的集合。
一、对计算机DDC系统软件的要求
1、实时性
2、可靠性
3、人机交往功能
4、编制软件使用的语言
二、软件设计任务的规划
软件设计任务的规划主要是解决软件的分类、各种数据的类型和结构、资源分配等问题。
1、软件分类
计算机DDC系统的软件从功能角度可分为两大类：
一类是执行软件，它能完成各种实质性的功能，如测量、计算、显示、打印、输出控制等等；另一类是监控（管理）软件，它在整个系统软件中起组织调度作用，专门用于协调各执行模块与操作者的关系。
2、数据类型和结构
计算机DDC系统有多个输入输出通道，各种参数的大小、单位和格式各不相同。
为了方便计算机的输入输出，应该按计算机的接口要求，严格规定各接口输入输出参数的数据类型和结构。
3、资源分配
计算机控制系统的资源包括ROM、RAM、定时器/计数器、中断源等。
由于硬件设计时已经确定了计算机接口和其它引脚的连接方式，一些资源实际上已经分配，所以软件设计主要解决ROM和RAM的资源分配问题。
一般来说，ROM用于存放程序和表格已属定论，RAM的资源分配则引起设计人员的充分注意。
三、控制算法的编排实现
对于同一控制规律采用不同的实现方法，不用的编排方法对计算机的要求也不相同。
常用的传递函数算法编排基本上分为直接型、串联型和并联型三种结构形式。
四、实施控制软件的设计
1．实施控制程序设计语言的选用
机器语言、汇编语言或高级语言。
2．程序流程图
程序流程图的设计是程序设计的一个重要组成部分，产生程序流程图的过程就是程序的逻辑设计过程，流程图的任何疏忽和错误均导致程序出错或可靠性下降。
正确的流程图设计过程应该是先粗后细，先简后繁；先绘制系统总体程序框图，然后画出各部分的程序流程图。
3.软件调试
软件调试的基本原则是：
先分调，后总调；先模拟试验，后现场试验。
7.5微机温度控制系统设计
温度控制是工业生产中经常碰到的过程控制问题之一。
本节以普通单相电阻炉为例来介绍微型计算机控制系统的设计过程。
（先让学生自己看图，理清输入输出通道及信号的传递过程，再讲解）
7.5.1系统总体方案设计
1）确定系统的控制任务
控制对象：
功率为2KW的单相电阻炉的温度控制。
主要任务要求：
（1）电阻炉温度的检测。
（2）电阻炉温度的闭环控制。
（温度在400℃～1000℃范围可调）
（3）电阻炉温度曲线显示和打印。
2）确定系统的总体控制方案
本系统采用直接数字控制系统（DDC）。
主控器：
选用价格较低的586个人计算机一台，计算机配置无特殊要求。
系统组成结构框图：
如图7-2所示。
7.2.2硬件设计
1）温度的检测及前置放大
温度检测：
采用分度号为K的镍铬—镍硅热电偶，取其测温范围为0～1100℃，对应输出热电势为0~45.108mV。
为克服冷端温度变化对所测量的温度值的影响，保证系统精度，可以采用电桥法对冷端温度进行自动补偿，如图7-3所示。
多路开关CD4052：
差分输入方式
第一通道通过插头DB9输入热电偶信号。
第二通道用于检测冷端温度，温度传感器使用AD590，这是一种电流输出型集成电路传感器。
输出信号为1μA/K，0℃时为273.15μA。
接入500Ω的电阻将其转换为0.5mV/K的电压信号。
AD590的电源由AD574的参考电源（10V）经运放OP07缓冲后提供。
前置放大：
热电偶的输出信号是一个微弱的毫伏信号，而且输出阻抗较高。
因此，在进入A／D转换之前，先要将其进行调理和放大。
本系统设计时选用集成精密仪表用放大器AD521，它的基本特性是：
输入阻抗高（可达109Ω），偏置电流低，共模抑制比高，平衡的差动输入，良好的温度稳定性，具有可变增益（由用户选择增益电阻来决定），单端输出。
AD521外部接线见图7-4。
输入输出关系为：
式中，UO为放大器输出，U为输入的热电势，RS，RG为增益电阻。
本系统中输入电压为0~45mV，输出要求为10V，增益应为222倍左右，故选RS，RG分别为110KΩ（串接5.1KΩ电位器调增益）和500Ω。
W1（图7-5中的RP2）为调零电位器。
2）A/D转换与I/O接口电路
由于本系统温度信号变化缓慢，所以在模拟量输入通道中省去了采样保持电路。
温度传感器信号经调理放大后（UO），直接送入AD574进行转换。
A／D转换器AD574，本设计中AD574工作于12位转换、12位并行输出的“单独使用”模式。
单极性输入，不进行零点调节，引脚BIPOFF直接接地。
输出锁存电路：
选用两片74LS374触发器作为数据锁存器。
AD574的转换结束状态信号STS（STATUS）作为74LS374的锁存信号。
CPU发出启动A／D转换指令后，经过一定延时，等待AD574的转换结束状态信号STS将转换结果锁存到74LS374，CPU分两次将转换结果从74LS374中读入CPU中，并存入内存中相应单元。
地址译码：
本电路采用数据比较器74LS688作为基地址译码，再用74LS138由地址线A0~A3译出8个I/O地址（本系统只用了其中4个）。
这些地址和IOR、IOW信号结合去控制各个I/O端口。
其中AD574共占用3个I／O端口，一个（START）用于启动A／D转换，两个用于读取转换结果，低8位（LOW8）和高4位（HIGH4）各占用一个端口。
另一个（CH）用于向输出端口（IC6，锁存器74LS373）写入控制数据，其中的低两位Q0和Q1控制模拟开关CD4052选择输入通道，Q4位用于输出PID运算结果（时间比例信号Uk）。
3）晶闸管数字触发输出通道设计
晶闸管作为温度控制的功率元件，工作方式是调功方式。
触发电路：
采用的是过零触发方式，晶闸管总是在正弦波电压过零触发导通。
这样负载上得到的电压为一正弦波电压，每次过零时，晶闸管是否导通是可控的。
输入电阻炉的功率为：
（7.2）
式（7.2）中P为输入电阻炉的平均功率，R为负载有效电阻，U为电网电压，n为允许导通的波头数，N为设定的波头数。
当n=0时，电阻炉的输入功率为零；若n=N，电阻炉输入功率为满功率。
过零检测同步脉冲电路作用：
在电网电压的每一个过零点产生一个同步脉冲。
图中，TB为同步变压器，比较器LM339将50Hz正弦波信号变成方波信号异或门在方波的上升沿或下降沿产生过零同步脉冲，单稳触发器的作用是对过零同步脉冲信号整形，最后输出同步脉冲信号UT。
晶闸管的通断控制：
CPU通过数据输出锁存器74LS373发出晶闸管的通断控制信号UK。
晶闸管驱动电路采用双向可控硅型光电耦合器MOC3021。
计算机经输出接口电路（本系统中为74LS373）输出的控制信号UK与同步脉冲信号UT相与后控制MOC3021，再由MOC3021驱动晶闸管。
晶闸管触发电路如图7-7所示。
7.2.3数字控制器的设计
与电阻炉的时间常数相比，晶闸管调压电路，温度检测环节，信号放大环节都可以考虑其时间常数，而简化成比例环节。
理论分析和实验证明，电阻炉是一个具有自平衡能力的对象，可用一个一阶惯性环节和一个延迟环节来近似描述。
本系统数字控制器采用增量式PID调节器
（7.4）
（7.5）
式中，
上式即为增量式PID算法的递推公式。
其中系数K1、K2、K3可以事先算出。
7.2.4软件设计
选用C语言作为编程语言。
本系统应用程序组成：
系统初始化程序，人机界面程序和实时控制程序。
1）系统初始化程序
系统初始化程序主要任务包括：
系统工艺参数和数字控制器参数初始化；初始化系统定时器8253；系统输入输出通道初始化。
2）人机界面程序调整
人机界面程序以弹出式汉字菜单的方式实现。
主菜单主要完成以下功能：
（1）模拟画面显示。
（2）参数给定修改。
（2）温度曲线显示。
（4）返回系统。
3）中断服务程序
本系统中断服务程序是利用原计算机系统0X08号硬中断实现的。
由于本系统控制参量为温度，其变化速度较慢，因此，本系统温度采样周期取2s，控制周期为20s。
用户实时控制程序是中断服务程序的主体，实时控制程序主要完成以下任务。
（1）温度数据采集。
（2）数据处理，包括数据滤波，标度变换，线性化处理等。
（3）数字调节，计算式（7.2）中的导通波头数n。
（4）越限报警。
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