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1、第七章 機(jī)電一體化典型系統(tǒng)設(shè)計(jì),第一節(jié) 檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 第二節(jié) 檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第三節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第四節(jié) 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制組合系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五節(jié) 計(jì)算機(jī)多機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ,第一節(jié) 檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,一、 檢測(cè)系統(tǒng)的分類 在設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)中，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和所完成的功能，確定傳感器、放大器、記錄儀型號(hào)規(guī)格、精度、量程等。目前常用的檢測(cè)系統(tǒng)按照完成的功能分類： (1) 信號(hào)檢測(cè)記錄系統(tǒng) （計(jì)算機(jī)，磁帶機(jī)，光線示波器等）； (2) 信號(hào)檢測(cè)顯示記錄系統(tǒng)（數(shù)字表記錄檢測(cè)結(jié)果）； (3) 信號(hào)檢測(cè)顯示和記錄系統(tǒng)（數(shù)字表和其他記錄儀）； (4) 信號(hào)檢測(cè)顯示與控制組合系統(tǒng)。,下一頁(yè),

2、二、 檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 1. 檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式 (1) 單元選擇組合式； (2) 單元分別設(shè)計(jì)組合式； (3) 單元選擇與單元設(shè)計(jì)組合式。 2. 檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 (1) 檢測(cè)系統(tǒng)的記錄方式包括信號(hào)檢測(cè)顯示與信號(hào)檢測(cè)記錄兩種; (2) 檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用單元部件的性能精度指標(biāo)應(yīng)高于檢測(cè)系統(tǒng)總精度指標(biāo)12倍; (3) 檢測(cè)系統(tǒng)的單元部件耐用性、可靠性、穩(wěn)定性要好; (4) 檢測(cè)系統(tǒng)的單元使用維護(hù)方便、抗干擾性能好、適應(yīng)性好; (5) 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、使用方便、經(jīng)濟(jì)性好; (6) 檢測(cè)系統(tǒng)使用的環(huán)境條件應(yīng)滿足總體的使用要求; (7) 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸，安裝方式，操作方式應(yīng)符合總體設(shè)

3、計(jì)的使用要求。,上一頁(yè),下一頁(yè),三、 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 1. 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析是確定檢測(cè)系統(tǒng)總體方案的重要階段，主要是對(duì)要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)用系統(tǒng)論的觀點(diǎn)和方法進(jìn)行全面的分析和研究。對(duì)于檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題是一個(gè)涉及知識(shí)面較廣泛的綜合技術(shù)。它不但要求設(shè)計(jì)者對(duì)檢測(cè)對(duì)象要有充分的了解，明確檢測(cè)的目的和具體的要求，熟悉檢測(cè)系統(tǒng)單元設(shè)備的性能特點(diǎn)和應(yīng)用方法，而且要具備系統(tǒng)分析的能力，解決系統(tǒng)有關(guān)問題的能力。 (1) 檢測(cè)系統(tǒng)分析主要解決下列問題： 確定設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)的目標(biāo)和檢測(cè)系統(tǒng)的功能。 提出檢測(cè)系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)方案，分析設(shè)計(jì)方案是否合理？是否可行？ 提出設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)的具體實(shí)施計(jì)劃，包括資金、人

4、力、物力和設(shè)備的分配、研究的條件。 給出檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題，并進(jìn)行分析研究，制定解決方案。 ,上一頁(yè),下一頁(yè),(2) 檢測(cè)系統(tǒng)分析工作過程設(shè)計(jì)： 確定任務(wù)。 提出初步設(shè)計(jì)方案. 可行性分析。 2. 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的選擇 對(duì)于設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，在滿足系統(tǒng)總體技術(shù)指標(biāo)的前提下，選擇最佳的檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。在選擇設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)考慮以下幾個(gè)問題。 (1) 檢測(cè)參數(shù)及檢測(cè)內(nèi)容： 測(cè)試物理信號(hào)(壓力、力、溫度、厚度、流量、位移等)； 檢測(cè)信號(hào)的范圍； 檢測(cè)參數(shù)的特性； 檢測(cè)參數(shù)的條件。 (2) 檢測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)： 靜態(tài)信號(hào)檢測(cè)； 動(dòng)態(tài)信號(hào)檢測(cè)； 瞬態(tài)信號(hào)檢測(cè)； 檢測(cè)系統(tǒng)的工作條件（低溫、常溫、高溫、超

5、高溫）。 (3) 檢測(cè)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(jì)算機(jī)記錄方式。,上一頁(yè),下一頁(yè),,3. 檢測(cè)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(cè)儀表工作頻率 傳感器的固有頻率 (4) 檢測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性 檢測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性誤差 檢測(cè)系統(tǒng)抗干擾性能要好，無干擾誤差影響。 (5) 檢測(cè)方式的選擇。檢測(cè)分為接觸式檢測(cè)和非接觸式檢測(cè)兩種方法，應(yīng)根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求選擇相應(yīng)的檢測(cè)方法。,上一頁(yè),下一頁(yè),,4. 檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則 (1) 重復(fù)性原則。 (2) 隨機(jī)性原則。 (3) 動(dòng)態(tài)

6、響應(yīng)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段是對(duì)要進(jìn)行設(shè)計(jì)的新系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的階段，主要進(jìn)行的工作是： (1) 檢測(cè)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 (2) 檢測(cè)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 (3) 檢測(cè)系統(tǒng)的信息結(jié)構(gòu)和動(dòng)作結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 (4) 各單元的設(shè)計(jì)制造與選擇。 (5) 總裝調(diào)試和實(shí)驗(yàn)分析。,上一頁(yè),下一頁(yè),四、 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例 1. 設(shè)計(jì)已知條件 塑料、橡膠石化高溫黏調(diào)熔體生產(chǎn)線，檢測(cè)壓力小于6 MPa，溫度小于300 ，檢測(cè)精度小于0.5%，采用數(shù)字表實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果。 2. 檢測(cè)儀表的選擇 (1) 傳感器的選擇： 壓力傳感器

7、的型號(hào) PT123，量程8 MPa，精度0.1% 溫度傳感器的型號(hào)TR100，量程400 ，精度0.2% (2) 放大器的選擇： 型號(hào)BZ2002，精度0.1%，頻率5 kHz，兩通道，增益可調(diào)。 (3) 記錄儀表選擇： 壓力檢測(cè)顯示DT9508B31/2數(shù)字表精度0.1% 溫度檢測(cè)顯示DT9408B41/2數(shù)字表精度0.05% 3. 檢測(cè)系統(tǒng)組成如圖7-1所示。 4. 檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確度估算方法,上一頁(yè),返 回,返 回,圖7-1 壓力與溫度檢測(cè)系統(tǒng)圖,第二節(jié) 檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),一、 檢測(cè)控制系統(tǒng)分類 1. 按照被控制對(duì)象分類 (1) 開關(guān)量控制式；(2) 電機(jī)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(shí)時(shí)跟蹤控制工作方式。 3. 按照控制參數(shù)分類 (1) 單路信號(hào)控制； （2） 多參數(shù)信號(hào)控制； （3） 綜合控制方式。,下一頁(yè),,二、 檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 1. 檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析 檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析是確定檢測(cè)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的重要部分。根據(jù)所要設(shè)計(jì)的檢測(cè)控制系統(tǒng)的作用、功能、應(yīng)用要求，進(jìn)行全面的分析和研究。制定具體的設(shè)計(jì)方案，應(yīng)考慮及解決的問題。 (1) 設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的確定 檢測(cè)控制的參數(shù) 檢測(cè)控制精度參數(shù)。 檢測(cè)控制類型的確定。 檢測(cè)控制系統(tǒng)應(yīng)用條件的設(shè)計(jì)。 檢測(cè)控制系統(tǒng)保護(hù)方法。 結(jié)構(gòu)尺寸，

9、安裝尺寸的設(shè)計(jì)等 2. 檢測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 (1) 檢測(cè)控制傳感器的選擇 檢測(cè)常用的傳感器有電阻式、電阻應(yīng)變式、光電式、電感式、壓阻式、組合式等。 檢測(cè)傳感器量程 檢測(cè)傳感器精度應(yīng)小于總體設(shè)計(jì)要求的1/3倍。 動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率。 傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性，可靠性要好。 傳感器結(jié)構(gòu)尺寸符合總體設(shè)計(jì)要求。 傳感器應(yīng)適合控制應(yīng)用工作環(huán)境條件。,上一頁(yè),下一頁(yè),,(2) 應(yīng)用放大電路設(shè)計(jì)與選擇 選擇配套的放大器，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。 設(shè)計(jì)應(yīng)用電路，選擇高精度、高穩(wěn)定性元器件進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)應(yīng)用電路，必須進(jìn)行性能測(cè)試，可靠性、穩(wěn)定性測(cè)試，按照有關(guān)規(guī)定進(jìn)行全面測(cè)試合格后再用到產(chǎn)品中。 (3) 控制器設(shè)計(jì)

10、與選擇 開關(guān)件繼電器的選擇：工作電壓、控制電壓、控制電流、控制時(shí)間、結(jié)構(gòu)尺寸滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。 控制電路設(shè)計(jì)應(yīng)與被控制對(duì)象相匹配。 電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器,負(fù)載匹配選擇，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。,上一頁(yè),下一頁(yè),,三、 檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例 1. 高溫暖氣鍋爐壓力檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件 暖氣鍋爐內(nèi)工作壓力為00.8 MPa，當(dāng)壓力大于1 MPa時(shí)要實(shí)現(xiàn)報(bào)警，并且自動(dòng)關(guān)閉鍋爐供油系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)結(jié)果。設(shè)計(jì)檢測(cè)控制系統(tǒng)，控制精度小于0.5%。 2. 檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) (1) 壓力傳感器選擇 型號(hào)PT123(UYY-1、ZQ-Y)，精度0.1%，量程1.5 MPa (2) 放大器選擇： 型號(hào)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(bào)警器選擇KZY-1型 (5) 液體電磁閥選擇YK2K2型 (6) 控制電路設(shè)計(jì)：高溫暖氣鍋爐內(nèi)工作壓力正常值00.8 MPa，當(dāng)大于1 MPa以上時(shí)，出現(xiàn)超載，為了防止鍋爐爆炸，安裝檢測(cè)控制系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)控制顯示的直觀性，控制電路設(shè)計(jì)選擇0.8 MPa顯示電壓8 V，1 MPa壓力顯示電壓10 V，相當(dāng)于0.1 MPa壓力顯示1 V電壓?？刂齐娐吩O(shè)計(jì)如圖72所示。 3. 壓力檢測(cè)控制系統(tǒng)圖（如圖73所示）,上一頁(yè),返 回,,返 回,圖7-3 壓力檢測(cè)控制系統(tǒng)

12、方框圖,圖72控制電路圖,第三節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),一、 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)兩大部分組成，其中計(jì)算機(jī)部分包括硬件和軟件，控制部分包括驅(qū)動(dòng)電路和執(zhí)行單元等。 1. 硬件組成 硬件由計(jì)算機(jī)主機(jī)、控制電路及外部設(shè)備等組成。 (1) 計(jì)算機(jī)。它是整個(gè)控制系統(tǒng)的指揮部。它可接收從操作臺(tái)來的命令，對(duì)系統(tǒng)的各參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)，執(zhí)行數(shù)據(jù)處理、計(jì)算和邏輯判斷、報(bào)警處理等，并根據(jù)計(jì)算的結(jié)果通過接口發(fā)出輸出命令。它是組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要部分。 (2) 接口與輸入/輸出通道。它是計(jì)算機(jī)與被控對(duì)象進(jìn)行信息交換的紐帶。計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)或向外發(fā)送信號(hào)都是通過接口及輸入輸出通道進(jìn)行的。

13、 (3) 外部設(shè)備。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中最基本的外部設(shè)備為操作臺(tái)。它是人機(jī)對(duì)話的聯(lián)系紐帶。 (4)傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。,下一頁(yè),,2. 計(jì)算機(jī)控制軟件 對(duì)于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來講，軟件可分為兩大類：實(shí)時(shí)軟件和開發(fā)軟件。 (1) 實(shí)時(shí)軟件分為兩大類：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。 (2) 開發(fā)軟件包括各種語(yǔ)言處理程序（如匯編程序、C語(yǔ)言程序），服務(wù)程序（如裝配程序、編輯程序），調(diào)試和仿真程序等。 (3)控制軟件包括三種語(yǔ)言：匯編語(yǔ)言、BASIC語(yǔ)言、C語(yǔ)言控制軟件。 (4) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)軟件。,上一頁(yè),下一頁(yè),,二、 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類 1. 按照計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成分類 (1) 單片機(jī)控制系統(tǒng)，傳感器、放

14、大器、驅(qū)動(dòng)控制器和執(zhí)行設(shè)備組成。 (2) 計(jì)算機(jī)、 AK控制器、輸出接口控制器、驅(qū)動(dòng)控制器和執(zhí)行設(shè)備組成自動(dòng)控制系統(tǒng)。 (3) 計(jì)算機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、輸出接口控制器、驅(qū)動(dòng)控制器和執(zhí)行設(shè)備組成控制系統(tǒng)。 (4) 計(jì)算機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、輸出接口電路、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行設(shè)備、傳感器和信號(hào)放大器組成檢測(cè)控制系統(tǒng)。 (5) 計(jì)算機(jī)綜合控制系統(tǒng)由A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、AK控制器、輸出接口多路控制器、驅(qū)動(dòng)控制器、執(zhí)行設(shè)備、傳感器和放大器等組成?？蓪?shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的同時(shí)，又可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集分析處理輸出控制，多路信號(hào)輸出控制，開關(guān)量控制和電機(jī)類控制等。,上一頁(yè),下一頁(yè),,2. 按照計(jì)算機(jī)輸出控制原理分類

15、 (1) 自動(dòng)控制方式。 (2) 檢測(cè)控制方式。 3. 按照計(jì)算機(jī)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(shí)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(cè)控制工作方式。 (8) 綜合控制工作方式。 (9) 計(jì)算機(jī)開環(huán)控制工作方式。 (10) 計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制工作方式。,上一頁(yè),下一頁(yè),,4. 按照計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)功能分類 (1)操作指導(dǎo)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(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）。SCC系統(tǒng)

16、就其結(jié)構(gòu)來講，可分為SCC+模擬調(diào)節(jié)器和SCC+DDC控制系統(tǒng)兩類。 SCC+模擬調(diào)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(diǎn)： A能根據(jù)工況變化，改變給定值，在程序的作用下，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。 B SCC+模擬調(diào)節(jié)器法適合于老企業(yè)改造，即用上了原來的模擬調(diào)節(jié)器，又用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了最佳給定值控制，或者自動(dòng)控制。 C可靠性好。SCC有故障時(shí)可用DDC或模擬調(diào)節(jié)器工作，或DDC有故障時(shí)用SCC來代替工作。 D 具有DDC的那些優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充。,上一頁(yè),下一頁(yè),,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(diào)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(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。 這種系統(tǒng)將控制功能分散，用多臺(tái)單片微機(jī)分別執(zhí)行不同的控制功能，用PC機(jī)等微型計(jì)算機(jī)完成分級(jí)控制和管理功能。它具有使用靈活方便、可靠性高、功能強(qiáng)等特點(diǎn)。圖77所示的分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一種四級(jí)的分布式控制系統(tǒng)，各級(jí)計(jì)算機(jī)的功能如下： 裝置控制級(jí)（DDC級(jí)）。 車間監(jiān)督級(jí)（SCC級(jí)）。 工廠集中控制級(jí)。 企業(yè)管理級(jí)。 (5) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是把許多分散在各地的獨(dú)立的計(jì)算機(jī)連接起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊、信息變換和資源共享。它是通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的綜合系統(tǒng)。,上一頁(yè),下一頁(yè),,,返

18、回,圖7-7 分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)圖,,5. 計(jì)算機(jī)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(yù)先規(guī)定的時(shí)間函數(shù)變化，被控制量是時(shí)間的函數(shù)。 (2) 比例積分微分控制（簡(jiǎn)稱PID控制）。PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)容易調(diào)整，因此，無論模擬調(diào)節(jié)器或者數(shù)字調(diào)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(biāo)是要求設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在盡可能短的時(shí)間里完成調(diào)節(jié)過程。最小拍控制通常用在數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。 (4) 復(fù)雜規(guī)律的控制。對(duì)于存在隨機(jī)擾動(dòng)的系統(tǒng)，僅用PID控制是難以達(dá)到滿意的性能指標(biāo)的，因此，針對(duì)生產(chǎn)過程的實(shí)際情況，可以引進(jìn)各種復(fù)雜規(guī)律的控制。例如

19、串極控制、前饋控制、純滯后補(bǔ)償控制、多變量解耦控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、自學(xué)習(xí)控制等。 (5) 智能控制。智能控制理論可以看做是三個(gè)主要理論領(lǐng)域的交叉或匯合，這三個(gè)理論領(lǐng)域是人工智能、運(yùn)籌學(xué)和控制理論。智能控制實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，是綜合的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。,上一頁(yè),下一頁(yè),,三、 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 1. 可靠性要高 2. 操作性能要好 3. 通用性要強(qiáng) 4. 設(shè)計(jì)周期要短，成本要低 5. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù),上一頁(yè),下一頁(yè),,四、 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 1. 設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的制定 根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的性質(zhì)、特點(diǎn)、應(yīng)用等先確定設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)。 (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(jī)控制、檢測(cè)控制等。 (2) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)精度。 (3) 控制負(fù)載的工作特性的確定。 (4) 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)參數(shù)。 (5) 控制系統(tǒng)應(yīng)用條件，環(huán)境條件，使用條件。 (6) 控制程序設(shè)計(jì)要求。程序固定式、可調(diào)式，語(yǔ)言類型，工作的環(huán)境條件。 (7) 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)以上要求，制定具體技術(shù)指標(biāo)。,上一頁(yè),下一頁(yè),,2. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析 根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的和要求。應(yīng)做如下調(diào)研和分析： (1) 計(jì)算機(jī)控制方案的選擇分析。 (2) 計(jì)算機(jī)與控制板的選擇及設(shè)計(jì)分析。 (3) 計(jì)算機(jī)輸出接口轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)與選擇。 (4) 驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、執(zhí)行開關(guān)元器件的選擇。

21、(5) 控制程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的選擇。 (6) 總體設(shè)計(jì)方案的制定分析。 (7) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理分析。 (8) 計(jì)算機(jī)控制的算法、流程控制、時(shí)間控制、狀態(tài)控制等。,上一頁(yè),下一頁(yè),,3. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性、可靠性評(píng)價(jià) (1) 設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)性評(píng)價(jià)，技術(shù)上可實(shí)現(xiàn)性。 (2) 控制系統(tǒng)總精度的評(píng)價(jià)。 (3) 新穎性、創(chuàng)新性、應(yīng)用性的評(píng)價(jià)。 (4) 經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)。 (5) 設(shè)計(jì)、制作的總體計(jì)劃的評(píng)價(jià)。,上一頁(yè),下一頁(yè),,4. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) (1) 確定系統(tǒng)的使用規(guī)模、應(yīng)用的場(chǎng)合、功能特點(diǎn)，制定控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。 (2) 確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(jì)算機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)。 (9) 確定研制所用工具。 (10) 確定控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式、操作方式、外形設(shè)計(jì)應(yīng)美觀大方、直觀、操作使用方便。,上一頁(yè),下一頁(yè),,5. 計(jì)算機(jī)控制程序語(yǔ)言的選擇 計(jì)算機(jī)控制程序設(shè)計(jì)，可以有多種語(yǔ)言可供選擇。如匯編語(yǔ)言、BASIC語(yǔ)言、C語(yǔ)言、VB、VC等。 (1) 匯編語(yǔ)言的特點(diǎn) 匯編語(yǔ)言是單片機(jī)控制系統(tǒng)配套常用的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。 匯編語(yǔ)言好學(xué)易用。 匯編語(yǔ)言編程簡(jiǎn)單，使用方便。 匯編語(yǔ)言功能擴(kuò)展性較差，復(fù)雜控制

23、程序設(shè)計(jì)不方便。 匯編語(yǔ)言編寫操作界面不方便，可移植性差。,上一頁(yè),下一頁(yè),,(2) BASIC語(yǔ)言的特點(diǎn) BASIC語(yǔ)言易學(xué)好用。 BASIC語(yǔ)言設(shè)計(jì)程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，修改調(diào)試方便。 BASIC語(yǔ)言采用解釋執(zhí)行方式，是會(huì)話式的語(yǔ)言，便于人機(jī)對(duì)話操作使用。 BASIC語(yǔ)言是一種高級(jí)語(yǔ)言，功能較強(qiáng)，不僅可以用于數(shù)據(jù)采集，分析處理，數(shù)字計(jì)算，又能用于計(jì)算機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)?？梢浦残院?。 BASIC語(yǔ)言接近于結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言。便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)。 BASIC語(yǔ)言編寫操作界面，利用先進(jìn)的操作系統(tǒng)軟件不方便。 BASIC語(yǔ)言具有學(xué)習(xí)方便，程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是它的版本太多，不夠規(guī)范，界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，不能滿足現(xiàn)代

24、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展需要。,上一頁(yè),下一頁(yè),,(3) C語(yǔ)言的特點(diǎn) 語(yǔ)言簡(jiǎn)潔、緊湊、使用方便、靈活。 運(yùn)算符豐富。C語(yǔ)言的運(yùn)算符包含的范圍很廣泛，共有34種。 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)豐富，具有現(xiàn)代化語(yǔ)言的各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 具有結(jié)構(gòu)化的控制語(yǔ)句（如ifelse語(yǔ)句，while語(yǔ)句，switch語(yǔ)句，for語(yǔ)句）。利用函數(shù)作為程序的模塊單位，便于實(shí)現(xiàn)程序的模塊化設(shè)計(jì)。 C語(yǔ)言編程語(yǔ)法限制不太嚴(yán)格，程序設(shè)計(jì)自由度大。對(duì)于C語(yǔ)言不很熟悉的人，設(shè)計(jì)C語(yǔ)言程序比其他語(yǔ)言較難。 C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)允許直接訪問物理地址，能進(jìn)行位操作，能夠?qū)崿F(xiàn)匯編語(yǔ)言的大部分功能，可以直接對(duì)硬件進(jìn)行操作。C語(yǔ)言具有高級(jí)語(yǔ)言的功能，又具有低級(jí)語(yǔ)言的許

25、多功能，可用來設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件， 控制應(yīng)用軟件等。 生成目標(biāo)代碼質(zhì)量高，程序執(zhí)行效率高。 用C語(yǔ)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(hào)的計(jì)算機(jī)和各種操作系統(tǒng)。 C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)人員要求較高。,上一頁(yè),下一頁(yè),,(4) VC環(huán)境下的編程特點(diǎn) VC環(huán)境下不僅是C++語(yǔ)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(yīng)用程序的開發(fā)。面向用戶的應(yīng)用軟件都可以由Visual C++來完成設(shè)計(jì)。 界面設(shè)計(jì)友好，易于實(shí)現(xiàn)人機(jī)友好交互，VC的圖形編程功能強(qiáng)大，它能將工程應(yīng)用中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)波形，而且在同一個(gè)界面下，參看到原始波

26、形的狀態(tài)又能看到經(jīng)分析處理后的數(shù)據(jù)特征值。 Visual C++強(qiáng)大的調(diào)試功能，為大型復(fù)雜軟件開發(fā)提供有效的排錯(cuò)手段。調(diào)試工具簡(jiǎn)單，便于操作使用。 存盤功能也優(yōu)于C語(yǔ)言，它可以調(diào)用Windows文件存入打開的通用對(duì)話框，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(kuò)展性好，程序設(shè)計(jì)調(diào)試修改方便。,上一頁(yè),下一頁(yè),,(5) VB語(yǔ)言的特點(diǎn) VB語(yǔ)言簡(jiǎn)單、易學(xué)和易懂，沒有復(fù)雜的語(yǔ)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(shí)現(xiàn)。 用戶操作界面容易實(shí)現(xiàn)交互。 調(diào)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(yè),下一頁(yè),,6. 計(jì)算機(jī)的選擇方法 (1) 計(jì)算機(jī)的選擇 選用現(xiàn)成的微型機(jī)系統(tǒng)。 利用單片機(jī)或個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行開發(fā)。 采用標(biāo)準(zhǔn)功能模塊構(gòu)成系統(tǒng)。 從芯片級(jí)設(shè)計(jì)微機(jī)系統(tǒng)。 (2)I/O通道的選擇。 選擇I/O時(shí)要注意以下幾個(gè)問題。 被控對(duì)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(jù)傳送的速率； 各通道數(shù)據(jù)的字長(zhǎng)； 對(duì)顯示、打印有何要求。,上一頁(yè),下一頁(yè),,(3) A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的選擇。 根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)要求，合理選擇A/D、D/A轉(zhuǎn)換器要注意以下主要指標(biāo)： A/D輸

28、入信號(hào)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(jié)構(gòu)。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(zhǔn)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(nèi)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(yè),下一頁(yè),,五、 計(jì)算機(jī)控制軟件設(shè)計(jì) 1. 計(jì)算機(jī)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(jī)電系統(tǒng)可以采用最少拍調(diào)節(jié)或數(shù)字控制方法。 2. 軟件設(shè)計(jì)的任務(wù)和目標(biāo) 一般來說任務(wù)和目標(biāo)的確定包括以下幾方面的內(nèi)容： (1) 確定外界信息獲取方式。首先要列出計(jì)算機(jī)可能接收的所有輸入信號(hào)。 輸入的形式是什么，即計(jì)算機(jī)實(shí)際接收什么樣的信號(hào)； 輸入信號(hào)何時(shí)準(zhǔn)備好，計(jì)算機(jī)如何知道它準(zhǔn)備好了，該輸入是否備有自己的時(shí)鐘信號(hào)； 輸入可供使用多長(zhǎng)時(shí)間； 輸入多長(zhǎng)時(shí)間變化更新一次，計(jì)算機(jī)怎樣知道它已經(jīng)變化； 輸入是否由一數(shù)據(jù)序列或數(shù)據(jù)

30、塊組成，次序是否重要； 如果數(shù)據(jù)中有錯(cuò)怎么辦（它們可以是傳輸錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)不正確、順序錯(cuò)誤、超范圍數(shù)據(jù)等）？應(yīng)用什么樣的診斷方法； 輸入是否與其他輸入或輸出有關(guān)系？相互之間的控制關(guān)系。,上一頁(yè),下一頁(yè),,(3) 確定信息處理方式。在數(shù)據(jù)處理階段，必須精確地決定，計(jì)算機(jī)采用什么方法處理輸入數(shù)據(jù)以獲得要求的結(jié)果。涉及的方面有： 把輸入數(shù)據(jù)變換成輸出結(jié)果的基本算法什么？ 時(shí)間約束條件有哪些（這些約束條件包括數(shù)據(jù)速率、延遲時(shí)間、輸入及輸出裝置的動(dòng)作時(shí)間等）？ 存在哪些存儲(chǔ)的約束條件？對(duì)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量和速度有什么要求？ 必須使用什么樣的標(biāo)準(zhǔn)程序或表格？它們的要求是什么？ 計(jì)算機(jī)輸出控制精度要求

31、是多少？ 程序應(yīng)如何處理所發(fā)生的錯(cuò)誤？應(yīng)用的判別方法？,上一頁(yè),下一頁(yè),,(4) 確定錯(cuò)誤處理方式。錯(cuò)誤處理是許多計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一個(gè)重要內(nèi)容，設(shè)計(jì)者必須為排錯(cuò)及診斷故障做好準(zhǔn)備。為此要確定的相關(guān)問題有： 可能發(fā)生哪些錯(cuò)誤？分析產(chǎn)生的原因？ 最可能發(fā)生的是哪種錯(cuò)誤？如果由人來操作，最常見的是人為差錯(cuò)。其次是通信或傳輸錯(cuò)誤，它們比機(jī)械、電氣、數(shù)字運(yùn)算錯(cuò)誤更為常見。 哪些錯(cuò)誤是最不易發(fā)現(xiàn)的？如何排除？例如干擾信號(hào)的影響等。 系統(tǒng)如何才能以最少的時(shí)間及數(shù)據(jù)損失來排除錯(cuò)誤，并且記錄曾經(jīng)發(fā)生過的錯(cuò)誤？ 哪些錯(cuò)誤或故障會(huì)引起系統(tǒng)產(chǎn)生相同的不正常運(yùn)作？怎樣才能把引起相同后果的不同故障分開來？ 哪些錯(cuò)誤涉及系

32、統(tǒng)的一些特殊過程？例如，發(fā)生控制錯(cuò)誤是否要求重新傳送數(shù)據(jù)？ 為了幫助非專家的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員查找并排除故障，必須考慮設(shè)計(jì)內(nèi)裝測(cè)試程序、專用診斷程序甚至設(shè)計(jì)專用的測(cè)試設(shè)備。,上一頁(yè),下一頁(yè),,(5) 確定操作要求。任何檢測(cè)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(jī)器的相互作用問題。為此在設(shè)計(jì)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(duì)操作者最合適？ 操作是否容易、簡(jiǎn)便？ 操作員怎樣得知過程差錯(cuò)和設(shè)備故障？ 操作員怎樣知道數(shù)據(jù)已正確輸入？正確輸出控制信號(hào)？ 顯示方式能否為操作者正確地理解？ 系統(tǒng)響應(yīng)速度對(duì)操作員是否合適？ 操作員最可能造成什么錯(cuò)誤？這種錯(cuò)誤引起的后果

33、如何？ 故障發(fā)生時(shí)，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(yè),下一頁(yè),,3. 軟件設(shè)計(jì)方法 (1) 軟件的總體結(jié)構(gòu)。 采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，具有下述優(yōu)點(diǎn)： 單個(gè)模塊結(jié)構(gòu)的程序功能單一，易于編寫、調(diào)試、修改、調(diào)用、 移植； 便于分工，可由多個(gè)程序人員同時(shí)進(jìn)行編寫、調(diào)試，加快軟件研制進(jìn)度； 程序可讀性好，便于功能擴(kuò)充和版本升級(jí)； 程序的修改可局部進(jìn)行，其他部分可相對(duì)保持不變； 使用頻繁的子程序可匯編成子程序庫(kù)，便于多個(gè)模塊調(diào)用。 (2) 軟件模塊設(shè)計(jì)劃分的原則 每個(gè)模塊應(yīng)具有獨(dú)立的功能，能產(chǎn)生明確的結(jié)果，例如存儲(chǔ)、顯示、打印、控制時(shí)間等； 模塊間的控制耦合應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，模塊之間的

34、數(shù)據(jù)耦合盡量少，控制耦合是指模塊進(jìn)入和退出的條件和方式，數(shù)據(jù)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(zhǎng)度適中。若模塊太長(zhǎng)，分析和調(diào)試比較困難；若過短則模塊的連接太復(fù)雜，信息交換太頻繁，附加開銷太大。,上一頁(yè),下一頁(yè),,(3) “軟件”的設(shè)計(jì)方法。 “自頂向下”的軟件設(shè)計(jì)方法是： 對(duì)于每一個(gè)程序模塊，應(yīng)明確規(guī)定其輸入、輸出和模塊的功能。 一旦認(rèn)定一部分問題能夠歸入一個(gè)模塊之內(nèi)，就要再進(jìn)一步設(shè)想如何來實(shí)現(xiàn)它，即要分析實(shí)現(xiàn)的方法； 對(duì)于傳遞模塊間信息數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)，與過程或算法的設(shè)計(jì)同樣重要。這些數(shù)據(jù)實(shí)際上是模塊之間的接口，必須予以仔細(xì)規(guī)定。 當(dāng)系統(tǒng)需要進(jìn)行多種判斷時(shí)，最好在一

35、個(gè)模塊中集中這些判斷，這樣有利于修改。 對(duì)常用的延時(shí)程序、顯示程序、鍵盤處理程序和標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)程序等，可以采用別人已提供的標(biāo)準(zhǔn)子程序，不要花大量的時(shí)間自己去編。,上一頁(yè),下一頁(yè),,(4) 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)。這種方法對(duì)程序設(shè)計(jì)規(guī)定了有限的幾種控制結(jié)構(gòu)和操作順序。編寫出的程序操作順序分明，便于查錯(cuò)和修改。常用的結(jié)構(gòu)有：順序結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)。利用這幾種結(jié)構(gòu)，可以組成任意復(fù)雜的程序。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是： 每個(gè)程序只有一個(gè)出口和一個(gè)入口，因此容易跟蹤、查錯(cuò)和測(cè)試。 由于基本結(jié)構(gòu)是限定的和標(biāo)準(zhǔn)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(yè),下一頁(yè),,(5) 軟件功能的測(cè)試。 為提高軟件測(cè)試的

36、有效性，在考慮怎樣來組織測(cè)試和設(shè)計(jì)測(cè)試用例時(shí)應(yīng)遵循下面的基本原則： 由編程者與測(cè)試人員共同進(jìn)行測(cè)試會(huì)獲得較好的結(jié)果； 測(cè)試應(yīng)由輸入信息與預(yù)期處理結(jié)果兩部分組成，即在程序執(zhí)行前，應(yīng)清楚地知道輸入信號(hào)的大小，輸出顯示的結(jié)果是否一致； 不僅要選用合理的正常的測(cè)試信號(hào)，更應(yīng)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(yīng)； 測(cè)試時(shí)除了檢查系統(tǒng)的軟件是否達(dá)到設(shè)計(jì)功能，還應(yīng)檢查它是否穩(wěn)定可靠； 長(zhǎng)期保留測(cè)試數(shù)據(jù)，以便下次需要時(shí)再用，直到系統(tǒng)的軟件調(diào)試可用。 (6) 軟件的運(yùn)用、維護(hù)和改進(jìn)。,上一頁(yè),下一頁(yè),,4. 監(jiān)控程序設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)控制的軟件通常由監(jiān)控程序、中斷服務(wù)程序和檢測(cè)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(shí)鐘管理、自診斷管理、手動(dòng)/自動(dòng)控制、通信控制等模塊組成 (2) 監(jiān)控主程序設(shè)計(jì)。常見的幾種結(jié)構(gòu)形式有如下幾種： 作業(yè)順序調(diào)度型。 作業(yè)優(yōu)先調(diào)度型。 鍵碼分析控制調(diào)度型。 (3) 初始化管理。 (4) 鍵盤管理。 (5)顯示管理。 (6)時(shí)鐘管理。 (7)中斷管理。 (8)自診斷處理。 開機(jī)自診斷。 周期性自診斷。 鍵控自診斷。,上一頁(yè),下一頁(yè),,5. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)試方法 (1) 硬件調(diào)試。 (2) 軟件調(diào)試方法： 采集程序調(diào)試方法。 控制程序調(diào)試方法。 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試。 六、 提高計(jì)算機(jī)

38、控制系統(tǒng)可靠性的措施 1. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性分析 其中最主要的兩個(gè)內(nèi)容就是RAS技術(shù)和容錯(cuò)技術(shù)。 (1) RAS技術(shù)。RAS是指可靠性、利用率和維修性。 (2)容錯(cuò)技術(shù)。 ,上一頁(yè),下一頁(yè),,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(jī)。 (2) 采用先進(jìn)的組裝工藝，比如國(guó)外流行的表面裝配工藝（SMT）。 (3) 進(jìn)行周密的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： 在用模板組成系統(tǒng)時(shí)，每塊模板應(yīng)有適合自己容量要求的獨(dú)立穩(wěn)壓電源模塊，以減小各模板間內(nèi)電源波動(dòng)所造成的相互影響。 各模板要有自己的驅(qū)動(dòng)電路，以防止母線上負(fù)載增加時(shí)，相互驅(qū)動(dòng)能力不夠，造成信號(hào)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(shè)計(jì)印制板，要避免長(zhǎng)距離的平行走線，以減少寄生電容的影響；信號(hào)線寬度要適當(dāng)，不要過細(xì)，以免斷路；地線要盡可能寬；引出腳定位要對(duì)準(zhǔn)確。 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要注意系統(tǒng)拆裝、調(diào)試方便，注意對(duì)印制板的機(jī)械加固。 注意機(jī)器的散熱通風(fēng)設(shè)計(jì)。 注意“四防”的設(shè)計(jì)，即防潮濕、防煙霧、防霉菌、防干擾。,上一頁(yè),下一頁(yè),,(4) 防止誤操作功能。 (5) 斷電保護(hù)。 (6) 冗余技術(shù)。 (7) 多級(jí)備用。在可靠性要求很高的系統(tǒng)中，通常要考慮多級(jí)備用措施。下面以TDC2000為例說明，其多級(jí)備用方式如圖78所示。 執(zhí)行全部功能。 維持自動(dòng)控制。 就地手動(dòng)。 保持。 備用手動(dòng)。 只有

40、連備用手動(dòng)單元也壞了，系統(tǒng)才完全喪失對(duì)生產(chǎn)過程的控制能力。 (8) 自診斷技術(shù)。,上一頁(yè),下一頁(yè),返 回,圖7-8 多級(jí)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(shù)。 數(shù)值檢查。 設(shè)定軟件模塊的入、出口標(biāo)志。 程序的寫保護(hù)。 RAM檢查。 數(shù)據(jù)的合理性檢查。 診斷測(cè)試。 設(shè)置不正常情況輔集器（陷阱）。 時(shí)間極限的檢查。 監(jiān)視定時(shí)器（WDT）。 A/D和D/A的檢查。,上一頁(yè),下一頁(yè),第四節(jié) 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制組合系統(tǒng)設(shè)計(jì),一、 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析 1. 數(shù)據(jù)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(jī)類數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。 常用數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。 高速數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。 智能式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。 (2) 按結(jié)構(gòu)形式分類： 專用接口型。 通用接口型。 2. 高速數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的功能 (1) 自動(dòng)測(cè)量。 (2) 多項(xiàng)選擇。 (3) 分析判斷。 (4) 自動(dòng)校正。 (5) 數(shù)據(jù)處理與分析。 (6) 自動(dòng)控制。 (7) 故障報(bào)警。 (8) 聯(lián)網(wǎng)通信。 (9) 功能擴(kuò)展。,上一頁(yè),下一頁(yè),,3. 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn) (1) 使測(cè)量自動(dòng)化。 (2) 提高測(cè)量精度。 (3) 功能豐富。 選擇功能。 波形顯示。 自動(dòng)診斷。 自動(dòng)校準(zhǔn)。 增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力。 電子儀器功能。 (4) 多路

42、測(cè)量。 (5) 速度快。 (6) 測(cè)量系統(tǒng)成本低。 (7) 提高了系統(tǒng)的可靠性。 (8) 技術(shù)更新快。 (9) 軟件配套齊全。,上一頁(yè),下一頁(yè),,4. 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)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(jù)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(gè)典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由圖可見，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)就是外部輸入輸出器件，如打印機(jī)、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(jì)算機(jī)連接起來。 (2) 理論采樣定理 采樣率定義。 測(cè)試信號(hào)的定義。 理論采樣定理 (3) 工程應(yīng)用采樣原則 周期性測(cè)量信號(hào) 非周期性測(cè)量信號(hào) 瞬態(tài)測(cè)量信號(hào),上一頁(yè),下一頁(yè)

43、,返 回,圖7-9 典型的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng),,二、 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1. 確定測(cè)試信號(hào)的特征 2. 傳感器的選擇 (1) 根據(jù)測(cè)量目的和被測(cè)物理量的特點(diǎn)，確定選用相應(yīng)的傳感器。 (2)可靠性及穩(wěn)定性。 (3) 頻率響應(yīng)特性。 (4) 線性范圍。 (5)精確度。 (6) 靈敏度。 (7) 傳感器的量程。 (8) 結(jié)構(gòu)尺寸的選擇。,上一頁(yè),下一頁(yè),,3. 信號(hào)調(diào)節(jié)與處理器的選擇 4. A/D轉(zhuǎn)換器的選擇 (1) 型號(hào)的選擇。 (2) A/D轉(zhuǎn)換器采樣率的選擇，按工程應(yīng)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(yīng)用軟件的選擇。 6. 計(jì)算機(jī)的選擇 ,上一頁(yè),下一頁(yè),,三、 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用軟件設(shè)計(jì) 1. 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)分析 (1) 采集程序設(shè)計(jì)流程如圖710所示。在這個(gè)程序中，主要分成如程序流程圖所描述的十個(gè)部分，本程序分析會(huì)按照程序流程圖對(duì)采集程序進(jìn)行詳細(xì)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(shè)計(jì) (5) 輸入系統(tǒng)參數(shù) (6) 采集板各端口的初始化 (7) 信號(hào)采集 (8) 數(shù)據(jù)處理 (9) 數(shù)據(jù)存入方法 (10) 處理數(shù)據(jù)繪制圖形 2. 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集程序?qū)嵗鍐?上

45、一頁(yè),下一頁(yè),,四、 計(jì)算機(jī)多路輸出控制程序設(shè)計(jì) 1. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)按組成結(jié)構(gòu)分為兩大類。其中一類是數(shù)據(jù)采集分析處理判斷輸出型，又叫檢測(cè)輸出控制類。另一類是計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。由硬件單元控制板和控制軟件結(jié)合完成多種控制功能。 2. 計(jì)算機(jī)控制程序設(shè)計(jì)分析 (1) 函數(shù)定義。 (2)計(jì)算機(jī)控制輸入?yún)?shù)的設(shè)定。 (3) 控制板端口初始化。 (4) 控制器輸出頻率信號(hào)控制。 (5) 控制輸出時(shí)間的設(shè)定。 (6) 控制輸出電壓的設(shè)定。 (7) 控制輸出頻率信號(hào)結(jié)束設(shè)定。 3. 計(jì)算機(jī)控制多路信號(hào)輸出程序?qū)嵗鍐?上一頁(yè),下一頁(yè),,五、 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制程序設(shè)計(jì) 1. 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采

46、集與控制系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)組成有兩種：其中一種是檢測(cè)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，跟蹤控制。另一種是自動(dòng)控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組合成測(cè)控系統(tǒng)。分別由傳感器、信號(hào)調(diào)節(jié)器、A/D轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)部分；由計(jì)算機(jī)、AK2控制板、輸出接口電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；二則組合成計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)如圖711所示。 ,上一頁(yè),下一頁(yè),返 回,圖7-11 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)圖,,2. 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制程序設(shè)計(jì)分析 (1) 計(jì)算機(jī)程序應(yīng)用界面設(shè)計(jì)。 (2) 變量初始化。 (3) 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制輸入?yún)?shù)的設(shè)定。 (4) 硬

47、件單元口地址初始化設(shè)計(jì)。 (5) 計(jì)算機(jī)控制程序和數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)。 (6) 采集數(shù)據(jù)計(jì)算與顯示。 (7) 控制結(jié)束與循環(huán)控制程序設(shè)計(jì)。 (8) 采集數(shù)據(jù)存入與圖形顯示程序。 ,上一頁(yè),返 回,第五節(jié) 計(jì)算機(jī)多機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),一、 計(jì)算機(jī)多機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析 1. 計(jì)算機(jī)多機(jī)系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)多機(jī)系統(tǒng)可以分為兩類：多微處理機(jī)系統(tǒng)和多微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 (1) 多微處理機(jī)系統(tǒng)組成的特點(diǎn) 系統(tǒng)應(yīng)包括兩臺(tái)以上計(jì)算機(jī)，互相可以提高通信交換數(shù)； 各臺(tái)微處理機(jī)可共享資源（內(nèi)存I/O設(shè)備、U/O通道和控制部件）； 整個(gè)系統(tǒng)由統(tǒng)一的操作系統(tǒng)集中控制，用于作業(yè)、任務(wù)、信息間實(shí)現(xiàn)交互作用，統(tǒng)一調(diào)度和分配資源

48、。 (2) 多微處理機(jī)系統(tǒng)的種類， 根據(jù)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(jī)系統(tǒng)是緊密結(jié)合多微處理機(jī)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(yè),,(3) 多微處理機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)： 性能價(jià)格比高。 高速計(jì)算能力。 結(jié)構(gòu)模塊化。 存儲(chǔ)量大。 可靠性高。 通用性強(qiáng)。 (4) 多微處理機(jī)系統(tǒng)的通信。 2. 多機(jī)控制系統(tǒng) (1) 計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)。 (2) 發(fā)展趨勢(shì)。 現(xiàn)場(chǎng)級(jí)智能化。 網(wǎng)絡(luò)化。 模塊化。,上一頁(yè),下一頁(yè),,二、 計(jì)算機(jī)多機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和特點(diǎn) 1. 應(yīng)用范圍 緊密耦合多微計(jì)算機(jī)和松散耦合多微計(jì)算機(jī)組成的DCS系統(tǒng)在我國(guó)已廣

49、泛應(yīng)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(diǎn) 分布式多機(jī)控制集散系統(tǒng)在過程控制系統(tǒng)中的特點(diǎn)是： 自律性極強(qiáng)的單元結(jié)構(gòu)； 完善的控制功能； 統(tǒng)領(lǐng)全局的窗口功能； 局域網(wǎng)絡(luò)通信功能； 管理能力強(qiáng)； 高可靠性系統(tǒng)； 系統(tǒng)構(gòu)成靈活，擴(kuò)展方便； 軟件配備齊全； 系統(tǒng)操作使用方便。,上一頁(yè),下一頁(yè),,三、 計(jì)算機(jī)多機(jī)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(jié)構(gòu)由五大部分組成。 (1) 過程控制單元（PCU）。 (2) 數(shù)據(jù)采集裝置（DAU）。 (3) CRT操作站。 (4) 監(jiān)控計(jì)算機(jī)是集散系統(tǒng)的主計(jì)算機(jī)。 (5) 數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)由六部分組成。 (1) 局部區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（LAN）。 (2) 節(jié)點(diǎn)工作站。 (3) 中央操作站。 (4) 系統(tǒng)管理站 (5) 主計(jì)算機(jī)(6) 網(wǎng)間連接器（GW） 3. 第三代集散系統(tǒng)組成與作用 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，特別是局域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)飛速發(fā)展，其結(jié)構(gòu)的主要變化是局域網(wǎng)絡(luò)采用了MAP協(xié)議，或者是MAP兼容，或者局域網(wǎng)絡(luò)本身就是實(shí)時(shí)MAPLAN。它的結(jié)構(gòu)組成除了局域網(wǎng)絡(luò)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(yè),下一頁(yè),,4. 分布式多機(jī)控制集散系統(tǒng) 最新發(fā)展起來的分布式多機(jī)控制集散系統(tǒng)，分布式多機(jī)控制集

51、散系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)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(jì)算機(jī)多機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1. 計(jì)算機(jī)多機(jī)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(chǎn)過程和用戶對(duì)系統(tǒng)的要求是選型的基礎(chǔ)。 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)是正確選型的依據(jù)。 投資規(guī)模和投資回收率是選型重要條件。 維護(hù)、維修成本是選型的一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)原則。 系統(tǒng)工作周期與技術(shù)先進(jìn)性的權(quán)衡。 選型必須考慮系統(tǒng)擴(kuò)展。,上一頁(yè),下一頁(yè),,(2) 按計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的選型原則： 單機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 多機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 2. 分布式多機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)多機(jī)分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，按分級(jí)（即分層）控制原則設(shè)計(jì)。采用分級(jí)結(jié)構(gòu)形

52、式，自下而上，一般分為過程控制級(jí)、控制管理級(jí)、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理級(jí)。 3. 計(jì)算機(jī)多機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)試 (1) 硬件調(diào)試。 (2) 軟件調(diào)試。 (3) 模擬調(diào)試。 (4) 現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行。,上一頁(yè),下一頁(yè),習(xí)題與思考題,1. 檢測(cè)系統(tǒng)有幾種組合方式？分別應(yīng)用于哪些場(chǎng)合？ 2. 舉例說明檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則？ 3. 檢測(cè)控制有幾種類型？ 4. 自擬題目設(shè)計(jì)一套溫度檢測(cè)控制系統(tǒng)？ 5. 根據(jù)暖氣鍋爐控制要求：壓力小于0.8 MPa，工作正常；當(dāng)大于1 MPa時(shí)，必須報(bào)警控 制供油系統(tǒng)，打開減壓閥，設(shè)計(jì)一套測(cè)控顯示系統(tǒng)。 6. 自擬題目設(shè)計(jì)三種信號(hào)自動(dòng)顯示與控制系統(tǒng) (1) 給出設(shè)計(jì)條件； (2) 具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

53、(3) 畫出系統(tǒng)圖。 7. 計(jì)算機(jī)控制方法有幾種？ 8. 計(jì)算機(jī)控制組合方式有幾種？分別應(yīng)用于何場(chǎng)合？ 9. 計(jì)算機(jī)控制程序語(yǔ)言有幾種？何種語(yǔ)言最好？ 10. 計(jì)算機(jī)控制程序設(shè)計(jì)依據(jù)是什么？,上一頁(yè),下一頁(yè),,11. 電路控制與計(jì)算機(jī)控制各有何特點(diǎn)？ 12. 舉例說明多路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理方法？ 13. 分析計(jì)算機(jī)控制方法的優(yōu)點(diǎn)？有何特點(diǎn)？ 14. 舉例說明AK系列控制板設(shè)計(jì)方法。 15. 分析C語(yǔ)言編程的特點(diǎn)。 16. 如何提高計(jì)算機(jī)控制的可靠性？ 17. 以雙路輸出控制信號(hào)為例，說明程序設(shè)計(jì)思路。 18. 數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用于哪些場(chǎng)合？設(shè)計(jì)中注意的問題是什么？ 19. 計(jì)算機(jī)多機(jī)組合控制有何特點(diǎn)？在設(shè)計(jì)中注意什么問題？ 20. 舉例說明多機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。,返 回,