計算機控制系統(tǒng)的設計步驟

計算機控制系統(tǒng)的設計步驟

1、研究被控對象、確定控制任務

在進行系統(tǒng)設計之前，首先應該調(diào)查、分析被控對象及其工作過程，熟悉其工藝流程，并根據(jù)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(tǒng)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(tǒng)應該達到的性能指標，從而形成設計任務說明書，并經(jīng)使用方的確認，作為整個控制系統(tǒng)設計的依據(jù)。

2、確定系統(tǒng)總體控制方案

一般設計人員在調(diào)查、分析被控對象后，已經(jīng)形成系統(tǒng)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(jù)設計任務書的技術(shù)要求和已作過的初步方案，開展系統(tǒng)的總體設計?？傮w設計包括以下內(nèi)容：

1）確定系統(tǒng)的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)的任務，確定系統(tǒng)的性質(zhì)是數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，還是對象控制系統(tǒng)。如果是對象控制系統(tǒng)，還應根據(jù)系統(tǒng)性能指標要求，決定采用開環(huán)控制，還是采用閉環(huán)控制。

2）確定執(zhí)行機構(gòu)方案

根據(jù)被控對象的特點，確定執(zhí)行機構(gòu)采用什么方案，比如是采用電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動還是其他方式驅(qū)動，應對多種方案進行比較，綜合考慮工作環(huán)境、性能、價格等因素擇優(yōu)而用。

3）控制系統(tǒng)總體“黑箱”設計

所謂“黑箱”設計，就是根據(jù)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(tǒng)的總體框圖。在這種總體框圖上，只能體現(xiàn)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(jié)構(gòu)實現(xiàn)；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(xiàn)。

4）控制系統(tǒng)層次以及硬件、軟件功能劃分

根據(jù)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(tǒng)是采用直接數(shù)字控制（DDC）、還是采用計算機監(jiān)督控制（SCC），或者采用分布式控制，并劃分各層次應該實現(xiàn)的功能。

同時，綜合考慮系統(tǒng)的實時性、整個系統(tǒng)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(xiàn)，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(tǒng)組成的粗線條框圖結(jié)構(gòu)、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(tǒng)確定后，計算機控制系統(tǒng)的控制效果的優(yōu)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(guī)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(tǒng)的品質(zhì)不好，甚至會出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定、控制失敗的現(xiàn)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(tǒng)穩(wěn)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(tǒng)的硬件性能指標與控制系統(tǒng)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(shù)量、種類和方式；信號輸出形式和大?。粚θ藱C界面的要求；對抗干擾能力的要求等等。

一般在完成系統(tǒng)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(nèi)部參數(shù)。

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(shù)量及其處理方式之后，就應該選擇需要的計算機系統(tǒng)。

5、軟件詳細設計

在計算機控制系統(tǒng)中，計算機除控制生產(chǎn)過程外，還要管理生產(chǎn)過程，一旦硬件系統(tǒng)確定了，整個系統(tǒng)的性能主要取決于軟件的設計。控制系統(tǒng)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(nèi)完成控制運算和處理，特別是對多回路系統(tǒng)的實時性問題更應該引起高度重視。為提高系統(tǒng)實時性，可以對實時性要求高的數(shù)據(jù)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(xiàn)的輸入信號線性化工作采用表驅(qū)動處理等，以提高軟件的運算速度。

可靠性計算機控制系統(tǒng)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(tǒng)故障診斷功能，診斷功能一部分嵌入實時控制軟件，在系統(tǒng)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(tǒng)發(fā)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(tǒng)時，經(jīng)常會發(fā)生誤操作現(xiàn)象，軟件應能作相應處理，保證系統(tǒng)的安全；對于系統(tǒng)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(fā)生的串行通訊誤碼，采取冗余碼傳送，并在發(fā)生誤碼時采取重新發(fā)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(tǒng)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(jié)構(gòu)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(tǒng)時，很少需要考慮軟件占用的內(nèi)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(nèi)存容量，以便使用盡可能少的存儲器芯片。

6、系統(tǒng)仿真與調(diào)試

硬件詳細設計和軟件詳細設計完成后，就可以進行系統(tǒng)的總裝，然后進入系統(tǒng)整體調(diào)試和仿真階段。

1）實驗室硬件聯(lián)調(diào)

在系統(tǒng)總裝后，首先要進行實驗室條件下的硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。如果硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)沒有通過，軟件聯(lián)調(diào)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(diào)試，而是邊裝邊調(diào)。系統(tǒng)硬件的聯(lián)調(diào)，可借助開發(fā)系統(tǒng)進行。

2）實驗室軟件聯(lián)調(diào)

在硬件聯(lián)調(diào)成功后，可以進行實驗室條件的軟件聯(lián)調(diào)。在軟件聯(lián)調(diào)過程中，不但會發(fā)現(xiàn)軟件錯誤，也會發(fā)現(xiàn)一些在硬件調(diào)試階段未發(fā)現(xiàn)的硬件故障或設計缺欠，并予以修改。

3）實驗室系統(tǒng)仿真

在硬件聯(lián)調(diào)和軟件聯(lián)調(diào)完成后，還應在實驗室條件下進行全系統(tǒng)的硬件、軟件統(tǒng)調(diào)，也即通過模擬被控對象、控制系統(tǒng)工作的實際環(huán)境等，研究、分析系統(tǒng)性能，這就是所謂的系統(tǒng)仿真。

通過仿真試驗，可以評價控制系統(tǒng)性能，發(fā)現(xiàn)硬件和軟件缺陷，并予以修改。

7、現(xiàn)場安裝調(diào)試

控制系統(tǒng)運到現(xiàn)場，經(jīng)檢查并安裝正確后，即可投入試運行和調(diào)試。一般系統(tǒng)運行正常并試運行一段時間后，即可組織驗收工作。