【正文】 段的總體設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。特別要指出，對(duì)控制項(xiàng)目尤其是對(duì)可測(cè)性和可控性應(yīng)給予充分重視。若不能修改，則合同不能簽訂。合同書是雙方達(dá)成一致意見的結(jié)果，也是以后雙方合作的唯一依據(jù)和憑證。? 合同書的最后簽訂，也就意味著雙方認(rèn)可的系統(tǒng)總體方案得以確定，可以進(jìn)入下一個(gè)設(shè)計(jì)階段。1． 總體設(shè)計(jì)2. 硬件設(shè)計(jì)3． 軟件設(shè)計(jì)1．總體設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)就是要了解控制對(duì)象、熟悉控制要求，確定總的技術(shù)性能指標(biāo)，確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式及控制裝置與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的選擇，以及控制規(guī)律算法和其它特殊功能要求。然后根據(jù)系統(tǒng)要求，確定采用開環(huán)還是閉環(huán)控制；閉環(huán)控制還需進(jìn)一步確定是單閉環(huán)還是多閉環(huán)；進(jìn)而還要確定出整個(gè)系統(tǒng)是采用DDC，還是采用 SCC，或者采用 DCS或 FCS。目前已經(jīng)生產(chǎn)出許多用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)裝置可供選擇，如單片機(jī)、可編程調(diào)節(jié)器、 IPC、 PLC和DCS、 FCS等。IPC或 PLC具有系列化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)要求任意選擇，象搭積木般地組建系統(tǒng)。? 當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模較小、控制回路較少時(shí)，可以考慮采用可編程調(diào)節(jié)器或控制儀表；如果是小型控制裝置或智能儀器儀表的研制設(shè)計(jì)，則可以采用單片機(jī)系列。? 主要包含傳感器、變送器和執(zhí)行器的選擇。因此，如何正確選擇這些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，確實(shí)不是一件簡單的事情，這其中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)影響系統(tǒng)的控制任務(wù)和控制精度?？刂扑惴ǖ倪x擇與系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型有關(guān)，在系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型確定后，便可推導(dǎo)出相應(yīng)的控制算法。一般多由實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出系統(tǒng)的階躍響應(yīng)特性曲線，然后由曲線確定出其數(shù)學(xué)模型。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要任務(wù)就是按此控制算法進(jìn)行控制。（ 4）確定控制算法? 由于控制對(duì)象多種多樣，相應(yīng)控制模型也各異，所以控制規(guī)律及其控制算法也是多種多樣的。? 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，一些控制功能既能由硬件實(shí)現(xiàn)，亦能用軟件實(shí)現(xiàn)。用硬件來實(shí)現(xiàn)一些功能的好處是可以加快處理速度，減輕主機(jī)的負(fù)擔(dān)，但要增加部件成本；而軟件實(shí)現(xiàn)正好相反，可以降低成本，增加靈活性，但要占用主機(jī)更多的時(shí)間。對(duì)于今后能批量生產(chǎn)的系統(tǒng)，為了減低成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，在滿足指標(biāo)功能的前提下，應(yīng)盡量減少硬件器件，多用軟件來完成相應(yīng)的功能。（ 5）硬、軟件功能的劃分? 還應(yīng)考慮人機(jī)界面、系統(tǒng)的機(jī)柜或機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抗干擾等方面的問題。? 對(duì)所提出的總體設(shè)計(jì)方案要進(jìn)行合理性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及可行性論證。 （ 6）其它方面的考慮 對(duì)于通用控制系統(tǒng)，可以首選現(xiàn)成的總線式 IPC系統(tǒng)或者 PLC裝置，以加快設(shè)計(jì)研制進(jìn)程，使系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的工作量減到最小。這些符合工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)的控制裝置的模板、模塊產(chǎn)品都經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試，并可提供各種軟硬件接口，包括相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序等。所以。無論是選用現(xiàn)成的 IPC，還是采用 PLC裝置，設(shè)計(jì)者都要根據(jù)系統(tǒng)要求選擇合適的模板或模塊。 采用通用控制裝置構(gòu)成系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)配置靈活，規(guī)?？纱罂尚。瑪U(kuò)充方便，維修簡單，由于無須進(jìn)行硬件線路設(shè)計(jì)，因而對(duì)設(shè)計(jì)人員的硬件技術(shù)水平要求不高。以獲取這部分較高的商業(yè)利潤。另外，帶有智能控制功能的家電產(chǎn)品也屬這類系統(tǒng)。硬件完全按系統(tǒng)的要求進(jìn)行配置，軟件多采用固化的專用芯片和相應(yīng)器件，一般可采用單片機(jī)系統(tǒng)或?qū)Ｓ玫目刂菩酒瑏韺?shí)現(xiàn)，開發(fā)完成后一般不作較大的更動(dòng)。3．軟件設(shè)計(jì) 用 IPC或 PLC來組建計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)不僅能減小系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)工作量，而且還能減小系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)工作量。 如果從選擇單片機(jī)入手來研制控制系統(tǒng)，那系統(tǒng)的全部硬件、軟件均需自行開發(fā)研制。程序編制應(yīng)先模塊后整體。（ 1）編程語言的選擇 根據(jù)機(jī)型不同和控制工況不同，可以選擇不同的編程設(shè)計(jì)語言。? 匯編語言是使用助記符代替二進(jìn)制指令碼的面向機(jī)器的語言。編程者必須先熟悉這種機(jī)器的匯編語言才能編程，這就要求編程者要有較深的計(jì)算機(jī)軟件和硬件知識(shí)以及一定程度的程序設(shè)計(jì)技能與經(jīng)驗(yàn)。因而它具有通用性好、功能強(qiáng)、更易于編寫等特點(diǎn)，是近年來發(fā)展很快的一種編程方式。? 高級(jí)語言在編寫控制算法和圖形顯示方面具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，而匯編語言編寫的程序比用高級(jí)語言編寫的程序執(zhí)行速度快、占用內(nèi)存少。? 組態(tài)語言是一種針對(duì)控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的面向問題的高級(jí)語言，它為用戶提供了眾多的功能模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者只需根據(jù)控制要求，選擇所需的模塊就能十分方便地生成系統(tǒng)控制軟件，因而軟件設(shè)計(jì)工作量大為減小。? 在軟件技術(shù)飛速發(fā)展的今天，各種軟件開發(fā)工具琳瑯滿目，每種開發(fā)語言都有其各自的長處和短處。 （ 2）數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃 系統(tǒng)的各個(gè)模塊之間要進(jìn)行各種信息傳遞，如數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊之間、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊、打印模塊之間的接口條件，也即各接口參數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型必須嚴(yán)格統(tǒng)一規(guī)定。通常將邏輯型數(shù)據(jù)歸到軟件標(biāo)志中去考慮。 如果某參數(shù)是一系列有序數(shù)據(jù)的集合，如采樣信號(hào)序列，則不只有數(shù)據(jù)類型問題，還有一個(gè)數(shù)據(jù)存放格式問題，即數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)問題。（ 3）資源分配 完成數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的規(guī)劃后，便開始分配系統(tǒng)的資源。 ROM資源用來存放程序和表格， I/O地址、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷源在任務(wù)分析時(shí)已經(jīng)分配好了。 RAM資源規(guī)劃好后，應(yīng)列出一張 RAM資源的詳細(xì)分配清單，作為編程依據(jù)。 ① 數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理程序 數(shù)據(jù)采集程序主要包括模擬量和數(shù)字量多路信號(hào)的采樣、輸入變換、存儲(chǔ)等。 ② 控制算法程序 控制算法程序是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心程序，其內(nèi)容由控制系統(tǒng)的類型和控制規(guī)律所決定。實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，可選擇合適的一種或幾種控制算法，來實(shí)現(xiàn)控制。控制量也包括模擬量和開關(guān)量輸出兩種。⑤ 程序?qū)崟r(shí)時(shí)鐘和中斷處理程序 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中有很多任務(wù)是按時(shí)間來安排的，因此實(shí)時(shí)時(shí)鐘是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行基礎(chǔ)。絕對(duì)時(shí)鐘與當(dāng)?shù)氐臅r(shí)間同步，相對(duì)時(shí)鐘與當(dāng)?shù)貢r(shí)間無關(guān)。另外，事故報(bào)警、掉電保護(hù)等一些重要事件的處理也常常使用中斷技術(shù)，以使計(jì)算機(jī)能對(duì)事件做出及時(shí)處理。⑦ 數(shù)據(jù)通信程序 數(shù)據(jù)通信程序主要完成計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與智能設(shè)備之間的信息傳遞和交換。 模塊化程序設(shè)計(jì)是把一個(gè)較長的程序按功能分成若干個(gè)小的程序模塊，然后分別進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)、編程、測(cè)試和查錯(cuò)之后，最后把各調(diào)試好的程序模塊連成一個(gè)完整的程序。但這種設(shè)計(jì)在對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行連接時(shí)有一定困難。主程序編好后，再編寫從屬的程序，最后完成整個(gè)系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。但這種設(shè)計(jì)的最大問題就是上一級(jí)的程序錯(cuò)誤將會(huì)對(duì)整個(gè)程序產(chǎn)生影響，并且局部的修改將牽連全局。主要內(nèi)容1． 硬件調(diào)試2． 軟件調(diào)試3． 系統(tǒng)仿真4． 考機(jī) ?1．硬件調(diào)試? 對(duì)于各種標(biāo)準(zhǔn)功能模板，應(yīng)按照說明書檢查主要功能。? 在調(diào)試 A/D和 D/A模板之前，必須準(zhǔn)備好信號(hào)源、數(shù)字電壓表、電流表等標(biāo)準(zhǔn)儀器。? 利用開關(guān)量輸入和輸出程序來檢查開關(guān)量輸入（ DI）和開關(guān)量輸出（ DO）模板。? 硬件調(diào)試還包括現(xiàn)場(chǎng)儀表和執(zhí)行器，這些儀表必須在安裝之前按說明書要求校驗(yàn)完畢。? 2．軟件調(diào)試? 軟件調(diào)試的順序是子程序、功能模塊和主程序。開環(huán)調(diào)試是檢查 PID控制模塊的開環(huán)階躍響應(yīng)特性，開環(huán)階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)是分析記錄在不同的 P、 I、 D參數(shù)下，針對(duì)不同階躍輸入幅度、不同控制周期、正反兩種作用方向時(shí)的純比例控制、比例積分控制以及比例積分微分控制等三種主要響應(yīng)曲線，從而確定較佳的 P、 I、 D參數(shù)。被控對(duì)象可以使用實(shí)驗(yàn)室物理模擬裝置，也可以使用電子式模擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。在純 PID控制閉環(huán)實(shí)驗(yàn)通過的基礎(chǔ)上，再逐項(xiàng)加入一些計(jì)算機(jī)控制的特殊功能，如積分分離、微分先行、非線性 PID等，并逐項(xiàng)檢查是否正確。? 一旦所有的子程序和功能模塊調(diào)試完畢，就可以用主程序?qū)⑺鼈冞B接在一起，進(jìn)行整體調(diào)試。這樣經(jīng)過子集、局部和全局三步調(diào)試，完成了整體調(diào)試工作。? 3．系統(tǒng)仿真? 在硬件和軟件分別調(diào)試后，必須再進(jìn)行全系統(tǒng)的硬件、軟件統(tǒng)調(diào)，即所謂的系統(tǒng)仿真，也稱為模擬調(diào)試。系統(tǒng)仿真有以下三種類型：全物理仿真（即在模擬環(huán)境條件下的全實(shí)物仿真）；半物理仿真（即硬件閉路動(dòng)態(tài)試驗(yàn)）；數(shù)字仿真（即計(jì)算機(jī)仿真）。試驗(yàn)條件或工作狀態(tài)越接近真實(shí)，其效果也就越好。這是因?yàn)椋覀儾豢赡軐?shí)際生產(chǎn)過程搬到自己的實(shí)驗(yàn)室中。自頂向下程序設(shè)計(jì)時(shí)，先從主程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，從屬的程序或子程序用程序符號(hào)來代替。這種方法的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)、測(cè)試和連接同時(shí)按一個(gè)線索進(jìn)行，比較符合人們的日常思維方式，設(shè)計(jì)中的矛盾和問題可以較早發(fā)現(xiàn)和解決。?4．考機(jī)? 在系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)上，還要進(jìn)行考機(jī)運(yùn)行，即進(jìn)行長時(shí)間的運(yùn)行考驗(yàn)，有時(shí)還要根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行環(huán)境，進(jìn)行特殊運(yùn)行條件的考驗(yàn)，如高溫和低溫劇變運(yùn)行試驗(yàn)、振動(dòng)和抗電磁干擾試驗(yàn)、電源電壓劇變和掉電試驗(yàn)等。? 盡管上述離線仿真和調(diào)試工作最終做到了天衣無縫，但現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和運(yùn)行仍可能出現(xiàn)問題。此前應(yīng)制定一系列調(diào)試計(jì)劃、實(shí)施方案、安全措施、分工合作細(xì)則等。作為檢查，可進(jìn)行一些現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)。例如，傳感器的極性不能接反，各個(gè)傳感器對(duì)號(hào)位置不能接錯(cuò)，各個(gè)氣動(dòng)導(dǎo)管必須暢通，特別是不能把強(qiáng)電接在弱電上。? 4．對(duì)安全防護(hù)措施也要檢查。投運(yùn)時(shí)應(yīng)先切入手動(dòng)，等系統(tǒng)運(yùn)行接近于給定值時(shí)再切入自動(dòng)。? 在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的過程中，往往會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)綜復(fù)雜、時(shí)隱時(shí)現(xiàn)的奇怪現(xiàn)象，一時(shí)難以找到問題的根源。? 系統(tǒng)運(yùn)行正常后，再試運(yùn)行一段時(shí)間，即可組織簽字驗(yàn)收。驗(yàn)收完畢應(yīng)形成驗(yàn)收文件存檔。 要真正成功地完成一個(gè)工程項(xiàng)目，除了要講究科學(xué)的設(shè)計(jì)方法外，還要借助于豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。下面分別介紹四種典型控制裝置的工程應(yīng)用實(shí)例。下面以一個(gè)簡單的水槽水位控制系統(tǒng)為例。如 圖 142點(diǎn)劃線框內(nèi)所示，一般可在水槽內(nèi)安裝 3個(gè)金屬電極 A、 B、 C，它們分別代表水位的下下限、下限與上限。圖 142 水槽水位控制電路 動(dòng)畫鏈接? 2．硬件電路 ? 根據(jù)工藝要求，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)硬件電路如 圖142所示，這是一個(gè)用單片機(jī)采集水位信號(hào)并通過繼電器控制水泵的小型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。? (2) 水位測(cè)量部分：電極 A接 +5V電源，電極 B、 C各通過一個(gè)電阻與地相連。 ? 表 141 水位信號(hào)及操作狀態(tài)表C() b() 水位水位 操作操作 0 0 B點(diǎn)以下點(diǎn)以下 水泵啟動(dòng)水泵啟動(dòng) 0 1 B、 C之之間間 維持原狀維持原狀 1 0 系統(tǒng)故障系統(tǒng)故障 故障報(bào)警故障報(bào)警 1 1 C點(diǎn)以上點(diǎn)以上 水泵停止水泵停止 ?