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計算機控制系統的設計步驟

2015-4-9 08:49| 編輯:電工學習網| 查看: 6075| 評論: 0

摘要:   1. 研究被控對象、確定控制任務  在進行系統設計之前,首先應該調查、分析被控對象及其工作過程,熟悉其工藝流程,并根據實際應用中存在的問題提出具體的控制要求,確定所設計的系統應該完成的任務。最后,采 ...
  1. 研究被控對象、確定控制任務
  在進行系統設計之前,首先應該調查、分析被控對象及其工作過程,熟悉其工藝流程,并根據實際應用中存在的問題提出具體的控制要求,確定所設計的系統應該完成的任務。最后,采用工藝圖、時序圖、控制流程等描述控制過程和控制任務,確定系統應該達到的性能指標,從而形成設計任務說明書,并經使用方的確認,作為整個控制系統設計的依據。
  2. 確定系統總體控制方案
  一般設計人員在調查、分析被控對象后,已經形成系統控制的基本思路或初步方案。一旦確定了控制任務,就應依據設計任務書的技術要求和已作過的初步方案,開展系統的總體設計。總體設計包括以下內容:
  ⑴ 確定系統的性質和結構
  根據系統的任務,確定系統的性質是數據采集處理系統,還是對象控制系統。如果是對象控制系統,還應根據系統性能指標要求,決定采用開環控制,還是采用閉環控制。
  ⑵ 確定執行機構方案
  根據被控對象的特點,確定執行機構采用什么方案,比如是采用電機驅動、液壓驅動還是其他方式驅動,應對多種方案進行比較,綜合考慮工作環境、性能、價格等因素擇優而用。
  ⑶ 控制系統總體“黑箱”設計
  所謂“黑箱”設計,就是根據控制要求,將完成控制任務所需的各功能單元、模塊以及控制對象,采用方塊圖表示,從而形成系統的總體框圖。在這種總體框圖上,只能體現各單元與模塊的輸入信號、輸出信號、功能要求以及它們之間的邏輯關系,而不知道“黑箱”的具體結構實現;各功能單元既可以是一個軟件模塊,也可以采用硬件電路實現。
  ⑷ 控制系統層次以及硬件、軟件功能劃分
  根據控制要求、任務的復雜度、控制對象的地域分布等,確定整個系統是采用直接數字控制(DDC)、還是采用計算機監督控制(SCC),或者采用分布式控制,并劃分各層次應該實現的功能。
  同時,綜合考慮系統的實時性、整個系統的性能價格比等,對硬件和軟件功能進行劃分,從而決定哪些功能由硬件實現,哪些功能由軟件來完成。
  在總體方案設計完成后,形成了系統組成的粗線條框圖結構、硬件與軟件劃分等文件,供詳細設計使用。
  3. 確定控制策略和控制算法
  一般來說,在硬件系統確定后,計算機控制系統的控制效果的優劣,主要取決于采用的控制策略和控制算法是否合適。
  每個特定的控制對象均有其特定的控制要求和規律,必須選擇與之相適應的控制策略和控制算法,否則就會導致系統的品質不好,甚至會出現系統不穩定、控制失敗的現象。在選擇控制算法和控制策略時,應該注意以下幾點:
  ⑴ 針對具體的控制對象和控制指標要求,選擇合適的控制策略和控制算法,以滿足控制速度、控制精度和系統穩定性等方面的要求。
  ⑵ 各種控制方法提供了一套通用的算法公式,但應用于具體對象控制時,應該有分析地選用,在某些情況下可以進行必要的修改和補充。
  4. 硬件詳細設計
  計算機控制系統的硬件性能指標與控制系統的整體性能要求有關,主要包括:信號采集分辨率、采集精度、采集速度、采集信號的數量、種類和方式;信號輸出形式和大小;對人機界面的要求;對抗干擾能力的要求等等。
  一般在完成系統總體設計后,過程的輸入、輸出通道及其處理方式就已基本確定,但最終確定則要等到控制算法選定之后,因為某些算法需要檢測過程的一些內部參數。
  在明確了控制任務、確定了控制算法和所需過程通道的形式、數量及其處理方式之后,就應該選擇需要的計算機系統。
  過程通道及接口設計
  控制臺設計
  可靠性設計
  硬件調試
  5. 軟件詳細設計
  在計算機控制系統中,計算機除控制生產過程外,還要管理生產過程,一旦硬件系統確定了,整個系統的性能主要取決于軟件的設計。控制系統對控制軟件的要求是:
  -實時性 軟件應該在對象允許的時間間隔內完成控制運算和處理,特別是對多回路系統的實時性問題更應該引起高度重視。為提高系統實時性,可以對實時性要求高的數據采集、控制運算和控制輸出采用匯編語言編程處理,對實時性高或重要的信號或任務采用中斷方式處理,并對控制算法和控制模型做合理的簡化、對某些由軟件實現的輸入信號線性化工作采用表驅動處理等,以提高軟件的運算速度。
  -可靠性 計算機控制系統的可靠性不僅依賴于硬件的高度可靠性,軟件的可靠性同樣非常重要。一般軟件應該提供系統故障診斷功能,診斷功能一部分嵌入實時控制軟件,在系統控制運行時進行實時的故障診斷,并作必要的處理;同時,也應提供專門的診斷軟件,以便系統發生故障時作詳細的故障檢測與定位。
  -容錯性 操作人員使用系統時,經常會發生誤操作現象,軟件應能作相應處理,保證系統的安全;對于系統的一些錯誤,如串行通訊的誤碼,能夠識別、容錯。軟件設計時,必須充分考慮容錯設計,如針對可能發生的串行通訊誤碼,采取冗余碼傳送,并在發生誤碼時采取重新發送等措施。
  -使用方便性 必須從軟件角度提供很好的人機接口,如在顯示裝置上提供操作提示功能、幫助功能、演示功能等,使得系統的操作方便靈活。
  -可讀性 設計軟件應該簡潔、明了、可讀,采用結構化的模塊式設計,提供完備的軟件設計說明書和使用說明書,以便于軟件的使用、維護和進一步改進。
  -簡潔性 由于集成電路的集成越來越高、價格也越來越低,一般設計微機控制系統時,很少需要考慮軟件占用的內存容量問題。但在某些場合,如要求控制裝置具有很小的體積時,就必須考慮壓縮軟件代碼占用的內存容量,以便使用盡可能少的存儲器芯片。
  6. 系統仿真與調試
  硬件詳細設計和軟件詳細設計完成后,就可以進行系統的總裝,然后進入系統整體調試和仿真階段。
  ⑴ 實驗室硬件聯調
  在系統總裝后,首先要進行實驗室條件下的硬件系統聯調。如果硬件系統聯調沒有通過,軟件聯調就無法進行。事實上,正如硬件詳細設計中所講,并非是總裝過后才進行硬件調試,而是邊裝邊調。系統硬件的聯調,可借助開發系統進行。
  ⑵ 實驗室軟件聯調
  在硬件聯調成功后,可以進行實驗室條件的軟件聯調。在軟件聯調過程中,不但會發現軟件錯誤,也會發現一些在硬件調試階段未發現的硬件故障或設計缺欠,并予以修改。
  ⑶ 實驗室系統仿真
  在硬件聯調和軟件聯調完成后,還應在實驗室條件下進行全系統的硬件、軟件統調,也即通過模擬被控對象、控制系統工作的實際環境等,研究、分析系統性能,這就是所謂的系統仿真。
  通過仿真試驗,可以評價控制系統性能,發現硬件和軟件缺陷,并予以修改。
  7. 現場安裝調試
  控制系統運到現場,經檢查并安裝正確后,即可投入試運行和調試。一般系統運行正常并試運行一段時間后,即可組織驗收工作。

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