1、 控制系統設計與工程實現本章要點1學習計算機控制系統的設計原則。2初步掌握計算機控制系統的設計步驟。3學習實例，加深認識與初步掌握單片機、IPC和 PLC控制系統的設計思路。本章主要內容 引 言 11.1 控制系統的設計原則11.2 控制工程的實現步驟11.3 控制工程的應用實例本章小結思考題引 言 前面討論了計算機控制系統各部分的結構組成、工作原理、硬件和軟件技術、控制規律算法以及典型的控制裝置類型，這就為計算機控制系統的設計與工程實現奠定了基礎。由于控制對象多種多樣，要求控制系統達到的功能也各不相同，這使得計算機控制系統的構成方式和規模大小也具有多樣性。11.1 控制系統的設計原則對于不同

2、的控制對象，系統的設計方案和具體的技術指標是不同的，但控制系統的設計原則是相同的。這就是滿足工藝要求，可靠性高，操作性能好，實時性強，通用性好，經濟效益高。主要內容 滿足工藝要求 可靠性要高 操作性要好 實時性要強 通用性要好 經濟效益要高 （1）滿足工藝要求 在設計計算機控制系統時，首先應滿足生產過程所提出的各種要求及性能指標。因為計算機控制系統是為生產過程自動化服務的，因此設計之前必須對工藝過程有一定的熟悉和了解，系統設計人員應該和工藝人員密切結合，才能設計出符合生產工藝要求和性能指標的控制系統。設計的控制系統所達到的性能指標不應低于生產工藝要求，但片面追求過高的性能指標而忽視設計成本和實

3、現上的可能性也是不可取的。（2）可靠性要高 對工業控制的計算機系統最基本的要求是可靠性高。否則，一旦系統出現故障，將造成整個控制過程的混亂，會引起嚴重的后果，由此造成的損失往往大大超出計算機控制系統本身的價值。在工業生產過程中，特別是在一些連續生產過程的企業中，是不允許故障率高的設備存在的。 系統的可靠性是指系統在規定的條件下和規定的時間內完成規定功能的能力。在計算機控制系統中，可靠性指標一般用系統的平均無故障時間MTBF和平均維修時間MTTR來表示。MTBF反映了系統可靠工作的能力，MTTR表示系統出現故障后立即恢復工作的能力，一般希望MTBF要大于某個規定值，而MTTR值越短越好。 因此，

4、在系統設計時，首先要選用高性能的工業控制計算機，保證在惡劣的工業環境下仍能正常運行。其次是設計可靠的控制方案，并具備有各種安全保護措施，比如報警、事故預測、事故處理、不間斷電源等。 為了預防計算機故障，還須設計后備裝置。對于一般的控制回路，選用手動操作器作為后備；對于重要的回路，選用常規控制儀表作為后備。這樣，一旦計算機出現故障，就把后備裝置切換到控制回路中去，以維持生產過程的正常運行。對于特殊的控制對象，可設計兩臺計算機互為備用地執行控制任務，成為雙機系統。對于規模較大的系統，應注意功能分散，即可采用分散控制系統或現場總線控制系統。 （3）操作性要好 操作性能好包括兩個含義，即使用方便和維護

5、容易。 首先是使用方便。系統設計時要盡量考慮用戶的方便 使用，尤其是操作面板的設計，既要體現操作的先進 性，又要兼顧原有的操作習慣，控制開關不能太多、太復雜，盡量降低對使用人員專業知識的要求，使他們能在較短時間內熟悉和掌握操作。 其次是維修容易，即一旦發生故障，易于查找和排除。在硬件方面，從零部件的排列位置，標準化的模板結構，以及能否便于帶電插拔等等都要通盤考慮；從軟件角度而言，要配置查錯程序和診斷程序，以便在故障發生時能用程序幫助查找故障發生的部位，從而縮短排除故障的時間。 （4）實時性要強 計算機控制系統的實時性，表現在對內部和外部事件能及時地響應，并作出相應的處理，不丟失信息，不延誤操作

6、。計算機處理的事件一般分為兩類。一類是定時事件，如數據的定時采集，運算控制等，對此系統應設置時鐘，保證定時處理；另一類是隨機事件，如事故報警等，對此系統應設置中斷，并根據故障的輕重緩急預先分配中斷級別，一旦事故發生，保證優先處理緊急故障。（5）通用性要好 工業控制的對象千差萬別，而計算機控制系統的研制開發又需要有一定的投資和周期。一般來說，不可能為一臺裝置或一個生產過程研制一臺專用計算機，常常是設計或選用通用性好的計算機控制裝置靈活地構成系統。當設備和控制對象有所變更時或者再設計另外一個控制系統時，通用性好的系統一般稍作更改或擴充就可適應。 計算機控制系統的通用靈活性體現在兩方面：一是硬件設計

7、方面，首先應采用標準總線結構，配置各種通用的功能模板或功能模塊，以便在需要擴充時，只要增加相應板、塊就能實現，即便當CPU升級時，也只要更換相應的升級芯片及少量相關電路即可實現系統升級的目的。其次，在系統設計時，各設計指標要留有一定的余量，如輸入輸出通道指標、內存容量、電源功率等。二是軟件方面，應采用標準模塊結構，盡量不進行二次開發，主要是按要求選擇各種軟件功能模塊，靈活地進行控制系統的組態。 （6）經濟效益要高 計算機控制應該帶來高的經濟效益，要有市場競爭意識。經濟效益表現在兩方面：一是系統設計的性能價格比要盡可能的高，在滿足設計要求的情況下，盡量采用物美廉價的元器件；二是投入產出比要盡可能

8、的低，應該從提高生產的產品質量與產量、降低能耗、消除污染、改善勞動條件等方面進行綜合評估。11.2控制工程的實現步驟主要知識點 簡單介紹 11.2.1 準備階段 11.2.2 設計階段 11.2.3仿真及調試階段 簡單介紹 作為一個計算機控制系統的工程項目，在設計研制過程中應經過哪些步驟，這是需要認真考慮的。如果步驟不清，或者每一步需要做什么不明確，就有可能引起研制過程中的混亂甚至返工。計算機控制系統的研制過程一般可分為4個階段：準備階段、設計階段、仿真及調試階段和現場調試運行階段。 11.2.1 準備階段在一個工程項目研制實施的開始階段，首先碰到的問題是甲方和乙方之間的雙方合同關系。甲方是任

9、務的委托方，乙方是任務的承接方。圖14-1給出了系統研制準備階段的流程，該流程既適合于甲方，也適合于乙方。14-1 系統研制準備階段流程14-1 系統研制準備階段流程1甲方提出任務委托書2乙方研究任務委托書3雙方對委托書進行確認性修改4乙方初步進行系統總體方案設計5乙方進行方案可行性論證6簽訂合同書 在委托乙方承接系統項目前，甲方一定要提供正式的書面任務委托書，該委托書一定要有清楚準確的系統技術性能指標，還要包含經費、計劃進度及合作方式等內容。1甲方提出任務委托書 乙方在接到任務委托書后要認真閱讀，并逐條進行研究。對含糊不清、認識上有分歧和需補充或刪節的地方要逐條標出，并擬訂出要進一步弄清的問

10、題及修改意見。 2乙方研究任務委托書 在乙方對委托書進行了認真研究之后，雙方應就委托書的確認或修改事宜進行協商和討論。經過確認或修改過的委托書中不應再有含義不清的詞匯和條款，而且雙方的任務和技術界面必須劃分清楚。3雙方對委托書進行確認性修改 由于任務和經費沒有落實，所以這時總體方案的設計只能是粗線條的。但應能反映出三大關鍵問題：技術難點；經費概算；工期。乙方應多做幾個不同的方案以便比較。 4乙方初步進行系統總體方案設計 方案可行性論證的目的是要估計承接該項任務的把握性，并為簽合同后設計階段的總體設計打下基礎。論證的主要內容是：技術可行性；經費可行性；進度計劃可行性。特別要指出，對控制項目尤其是

11、對可測性和可控性應給予充分重視。 如果論證的結果可行，接著就應做好簽合同前的準備工作；如果不可行，則應與甲方進一步協商任務委托書的有關內容或對條款進行修改。若不能修改，則合同不能簽訂。 5乙方進行方案可行性論證 這是準備階段的最后一個步驟。合同書是雙方達成一致意見的結果，也是以后雙方合作的唯一依據和憑證。合同書應包含如下內容：雙方的任務劃分和各自應承擔的責任；合作方式；付款方式；進度和計劃安排；驗收方式及條件；成果的歸屬；違約的解決辦法等。 合同書的最后簽訂，也就意味著雙方認可的系統總體方案得以確定，可以進入下一個設計階段。6簽訂合同書11.2.2 設計階段 控制系統的設計階段又分為總體設計、

12、硬件設計、軟件設計等幾個步驟。1 總體設計 硬件設計3 軟件設計1總體設計 總體設計就是要了解控制對象、熟悉控制要求，確定總的技術性能指標，確定系統的構成方式及控制裝置與現場設備的選擇，以及控制規律算法和其它特殊功能要求。 （1）確定系統任務與控制方案（2）確定系統的構成方式設計（3）選擇現場設備（4）確定控制算法（5）硬、軟件功能的劃分（6）其它方面的考慮 在進行系統設計之前，首先應對控制對象的工藝流程進行分析歸納，明確具體要求，確定系統所要完成的任務，一般應同用戶討論并得到用戶的認可。然后根據系統要求，確定采用開環還是閉環控制；閉環控制還需進一步確定是單閉環還是多閉環；進而還要確定出整個系

13、統是采用DDC，還是采用SCC，或者采用DCS或FCS。（1）確定系統任務與控制方案 控制方案確定后，就可以進一步確定系統的構成方式即進行控制裝置機型的選擇。目前已經生產出許多用于工業控制的計算機裝置可供選擇，如單片機、可編程調節器、IPC、PLC和DCS、FCS等。（2）確定系統的構成方式 在以模擬量為主的中小規模的過程控制環境下，一般應優先選擇總線式IPC來構成系統的方式；在以數字量為主的中小規模的運動控制環境下，一般應優先選擇PLC來構成系統的方式。IPC或PLC具有系列化、模塊化、標準化和開放式系統結構，有利于系統設計者在系統設計時根據要求任意選擇，象搭積木般地組建系統。這種方式可提高

14、系統研制和開發速度，提高系統的技術水平和性能，增加可靠性。 當系統規模較小、控制回路較少時，可以考慮采用可編程調節器或控制儀表；如果是小型控制裝置或智能儀器儀表的研制設計，則可以采用單片機系列。當系統規模較大，自動化水平要求高，甚至集控制與管理為一體的系統可選用DCS、FCS、高檔PLC或其它工控網絡構成。 主要包含傳感器、變送器和執行器的選擇。隨著控制技術的發展，測量各種參數的傳感器，如溫度、壓力、流量、液位、成分、位移、重量、速度等等，種類繁多，規格各異；而執行器也有模擬量執行器、數字量執行器以及電動、氣動、液動等之分。因此，如何正確選擇這些現場設備，確實不是一件簡單的事情，這其中的任何一

15、個環節都會影響系統的控制任務和控制精度。（3）選擇現場設備 選用什么控制算法才能使系統達到要求的控制指標，也是系統設計的關鍵問題之一。控制算法的選擇與系統的數學模型有關，在系統的數學模型確定后，便可推導出相應的控制算法。 所謂數學模型就是系統動態特性的數學表達式，它表示系統輸入輸出及其內部狀態之間的關系。一般多由實驗方法測出系統的階躍響應特性曲線，然后由曲線確定出其數學模型。當系統模型確定之后，即可確定控制算法。計算機控制系統的主要任務就是按此控制算法進行控制。因此，控制算法的正確與否，直接影響控制系統的調節品質。（4）確定控制算法 由于控制對象多種多樣，相應控制模型也各異，所以控制規律及其控

16、制算法也是多種多樣的。如一般簡單的生產過程常采用P、PI或PID控制；對于工況復雜工藝要求高的生產過程，一般的PID不能達到性能指標時，應采取其它控制規律如串級、前饋、自適應等；對于快速隨動系統，可選用最少拍控制；對具有純滯后的控制對象，可選用純滯后補償或大林控制；對具有時變、非線性特性的控制對象以及難以建立數學模型的控制對象，可選用模糊控制；另外，還有隨機控制、智能控制等其它控制算法。 在計算機控制系統中，一些控制功能既能由硬件實現，亦能用軟件實現。故系統設計時，硬、軟件功能的劃分要綜合考慮。用硬件來實現一些功能的好處是可以加快處理速度，減輕主機的負擔，但要增加部件成本；而軟件實現正好相反，

17、可以降低成本，增加靈活性，但要占用主機更多的時間。一般的考慮原則是視控制系統的應用環境與今后的生產數量而定。對于今后能批量生產的系統，為了減低成本，提高產品競爭力，在滿足指標功能的前提下，應盡量減少硬件器件，多用軟件來完成相應的功能。如果軟件實現很困難，而用硬件實現卻比較簡單，且系統的批量又不大的話，則用硬件實現功能比較妥當。（5）硬、軟件功能的劃分 還應考慮人機界面、系統的機柜或機箱的結構設計、抗干擾等方面的問題。最后初步估算一下成本，做出工程概算。 對所提出的總體設計方案要進行合理性、經濟性、可靠性以及可行性論證。論證通過后，便可形成作為系統設計依據的系統總體方案圖和系統設計任務書，以指導

18、具體的系統設計過程。 （6）其它方面的考慮2.硬件設計 對于通用控制系統，可以首選現成的總線式IPC系統或者PLC裝置，以加快設計研制進程，使系統硬件設計的工作量減到最小。例如STD總線、PC總線IPC有數十種國內外的品牌，PLC也有十幾種品牌幾十種系列可供選擇。這些符合工業化標準的控制裝置的模板、模塊產品都經過嚴格測試，并可提供各種軟硬件接口，包括相應的驅動程序等。這些模板模塊產品只要總線標準一致，買回后插入相應空槽即可運行，構成系統極為方便。所以。除非無法買到滿足自己要求的產品，否則絕不要隨意決定自行研制。無論是選用現成的IPC，還是采用PLC裝置，設計者都要根據系統要求選擇合適的模板或模

19、塊。選擇內容一般包括：（1）根據控制任務的復雜程度、控制精度以及實時性要求等選擇主機板（包括總線類型、主機機型等）；（2） 根據AI、AO點數、分辨率和精度，以及采集速度等選AD、DA板（包括通道數量、信號類別、量程范圍等）；（3）根據DI、DO點數和其它要求，選擇開關量輸入輸出板（包括通道數量、信號類別、交直流和功率大小等）；（4）根據人機聯系方式選擇相應的接口板或顯示操作面板（包括參數設定、狀態顯示、手動自動切換和異常報警等）；（5）根據需要選擇各種外設接口、通信板塊等；（6）根據工藝流程選擇測量裝置（包括被測參數種類、量程大小、信號類別、型號規格等）；（7）根據工藝流程選擇執行裝置（包括

20、能源類型、信號類別、型號規格等）。 采用通用控制裝置構成系統的優點是：系統配置靈活，規模可大可小，擴充方便，維修簡單，由于無須進行硬件線路設計，因而對設計人員的硬件技術水平要求不高。一般IPC都配有系統軟件，有的還配有各種控制軟件包；而有的IPC只提供硬件設計上的方便，而應用軟件需自行開發，或者系統設計者愿意自己開發研制全部應用軟件。以獲取這部分較高的商業利潤。 專用控制系統是指應用領域比較專一，或者是為某項應用而專門設計、開發的計算機控制系統，如數控機床控制設備、彩色印刷控制設備、電子稱重儀及其它智能數字測控設備等專用的智能化儀器儀表及小型控制系統。另外，帶有智能控制功能的家電產品也屬這類系

21、統。這些系統偏重于某幾項特定的功能，系統的軟硬件比較簡單和緊湊，常用于批量的定型產品中。硬件完全按系統的要求進行配置，軟件多采用固化的專用芯片和相應器件，一般可采用單片機系統或專用的控制芯片來實現，開發完成后一般不作較大的更動。這種方法的優點是系統針對性強、價格便宜，缺點是設計制造周期長，設計人員應具備較深的計算機知識，系統的全部硬件、軟件均需自行開發研制。3軟件設計 用IPC或PLC來組建計算機控制系統不僅能減小系統硬件設計工作量，而且還能減小系統軟件設計工作量。一般它們都配有實時操作系統或實時監控程序以及各種控制、運算軟件和組態軟件等，可使系統設計者在最短的周期內，開發出應用軟件。 如果從

22、選擇單片機入手來研制控制系統，那系統的全部硬件、軟件均需自行開發研制。自行開發控制軟件時，應先畫出程序總體流程圖和各功能模塊流程圖，再選擇程序設計語言，然后編制程序。程序編制應先模塊后整體。軟件設計應考慮以下幾個方面。（1）編程語言的選擇 根據機型不同和控制工況不同，可以選擇不同的編程設計語言。目前常用的語言有匯編語言、高級語言、組態語言等。 匯編語言是使用助記符代替二進制指令碼的面向機器的語言。用匯編語言編出的程序質量較高，且易讀、易記、易檢查和修改，但不同的機器有不同的匯編語言，如MCS51單片機匯編語言、8086CPU匯編語言等。編程者必須先熟悉這種機器的匯編語言才能編程，這就要求編程者

23、要有較深的計算機軟件和硬件知識以及一定程度的程序設計技能與經驗。 高級語言更接近英語自然語言和數學表達式，程序設計人員只要掌握該種語言的特點和使用方法，而不必了解機器的指令系統就可以編程設計。因而它具有通用性好、功能強、更易于編寫等特點，是近年來發展很快的一種編程方式。目前，AT89、51系列單片機常用的高級語言有C-51、PLM-51以及MBASIC-51等。 高級語言在編寫控制算法和圖形顯示方面具有獨特的優點，而匯編語言編寫的程序比用高級語言編寫的程序執行速度快、占用內存少。所以，一種較好的模式是混合使用兩種語言，用匯編語言編寫中斷管理、輸入輸出等實時性強的程序，而用高級語言編寫計算、圖形

24、顯示、打印等運算管理程序。 組態語言是一種針對控制系統而設計的面向問題的高級語言，它為用戶提供了眾多的功能模塊。比如，控制算法模塊（如PID），運算模塊（四則運算、開方、最大值/最小值選擇、一階慣性、超前滯后、工程量變換、上下限報警等數十種），計數/計時模塊，邏輯運算模塊，輸入模塊，輸出模塊，打印模塊，CRT顯示模塊等。系統設計者只需根據控制要求，選擇所需的模塊就能十分方便地生成系統控制軟件，因而軟件設計工作量大為減小。常用的組態軟件有Intouch、FIX、WinCC、KingView組態王、MCGS、力控等。 在軟件技術飛速發展的今天，各種軟件開發工具琳瑯滿目，每種開發語言都有其各自的長處

25、和短處。在設計控制系統的應用程序時，究竟選擇哪種語言編程，還是兩種語言混合使用，這要根據被控對象的特點、控制任務的要求以及所具備的條件而定。 （2）數據類型和數據結構規劃 系統的各個模塊之間要進行各種信息傳遞，如數據采集模塊和數據處理模塊之間、數據處理模塊和顯示模塊、打印模塊之間的接口條件，也即各接口參數的數據結構和數據類型必須嚴格統一規定。 從數據類型上來分類，可分為邏輯型和數值型。通常將邏輯型數據歸到軟件標志中去考慮。數值型數據可分為定點數和浮點數，定點數具有直觀、編程簡單、運算速度快的優點，缺點是表示的數值動態范圍小，容易溢出；而浮點數則相反，數值動態范圍大、相對精度穩定、不易溢出，但編

26、程復雜，運算速度低。 如果某參數是一系列有序數據的集合，如采樣信號序列，則不只有數據類型問題，還有一個數據存放格式問題，即數據結構問題。具體說來，就是按順序結構、鏈形結構還是樹形結構來存放數據。（3）資源分配 完成數據類型和數據結構的規劃后，便開始分配系統的資源。系統資源包括ROM、RAM、定時器/計數器、中斷源、I/O地址等。ROM資源用來存放程序和表格，I/O地址、定時器/計數器、中斷源在任務分析時已經分配好了。因此，資源分配的主要工作是RAM資源的分配。RAM資源規劃好后，應列出一張RAM資源的詳細分配清單，作為編程依據。（4）控制軟件的設計 計算機控制系統的實時控制應用程序一般包括以下

27、幾部分。 數據采集及數據處理程序 數據采集程序主要包括模擬量和數字量多路信號的采樣、輸入變換、存儲等。數據處理程序主要包括數字濾波程序、線性化處理和非線性補償、標度變換程序、越限報警程序等。 控制算法程序 控制算法程序是計算機控制系統的核心程序，其內容由控制系統的類型和控制規律所決定。一般有：數字PID控制算法、大林算法、Smith補償控制算法、最少拍控制算法、串級控制算法、前饋控制算法、解耦控制算法、模糊控制算法、最優控制算法等。實際實現時，可選擇合適的一種或幾種控制算法，來實現控制。控制量輸出程序 控制量輸出程序實現對控制量的處理（上下限和變化率處理）、控制量的變換及輸出，驅動執行機構或各

28、種電氣開關。控制量也包括模擬量和開關量輸出兩種。人-機界面程序 這是面板操作管理程序，包括鍵盤、開關、撥碼盤等信息輸入程序，顯示器、指示燈、監視器和打印機等輸出程序，事故報警以及故障檢測程序等。程序實時時鐘和中斷處理程序 計算機控制系統中有很多任務是按時間來安排的，因此實時時鐘是計算機控制系統的運行基礎。時鐘有絕對時鐘和相對時鐘兩種。絕對時鐘與當地的時間同步，相對時鐘與當地時間無關。 許多實時任務如采樣周期、定時顯示打印、定時數據處理等都必須利用實時時鐘來實現，并由定時中斷服務程序去執行相應的動作或處理動作狀態標志。另外，事故報警、掉電保護等一些重要事件的處理也常常使用中斷技術，以使計算機能對

29、事件做出及時處理。數據管理程序 這部分程序用于生產管理，主要包括畫面顯示、變化趨勢分析、報警記錄、統計報表打印輸出等。數據通信程序 數據通信程序主要完成計算機與計算機之間、計算機與智能設備之間的信息傳遞和交換。（5）程序設計的方法 應用程序的設計方法可采用模塊化程序設計和自頂向下程序設計等方法。 模塊化程序設計是把一個較長的程序按功能分成若干個小的程序模塊，然后分別進行獨立設計、編程、測試和查錯之后，最后把各調試好的程序模塊連成一個完整的程序。模塊化程序設計的特點是單個小程序模塊的編寫和調試比較容易；一個模塊可以被多個程序調用；檢查錯誤容易，且修改時只需改正該模塊即可，無須牽涉其它模塊。但這種

30、設計在對各個模塊進行連接時有一定困難。 自頂向下程序設計時，先從主程序進行設計，從屬的程序或子程序用程序符號來代替。主程序編好后，再編寫從屬的程序，最后完成整個系統的程序設計。這種方法的特點是設計、測試和連接同時按一個線索進行，比較符合人們的日常思維方式，設計中的矛盾和問題可以較早發現和解決。但這種設計的最大問題就是上一級的程序錯誤將會對整個程序產生影響，并且局部的修改將牽連全局。11.2.3仿真及調試階段離線仿真及調試階段一般在實驗室進行，首先進行硬件調試與軟件調試，然后進行硬件軟件統調，最后考機運行，為現場投運做好準備。主要內容1硬件調試2軟件調試3系統仿真4考機 1硬件調試 對于各種標準

31、功能模板，應按照說明書檢查主要功能。比如主機板（CPU板）上RAM區的讀寫功能、ROM區的讀出功能、復位電路、時鐘電路等的正確性。 在調試 A/D和 D/A模板之前，必須準備好信號源、數字電壓表、電流表等標準儀器。對這兩種模板首先檢查信號的零點和滿量程，然后再分檔檢查，并且上行和下行來回調試，以便檢查線性度是否合乎要求。 利用開關量輸入和輸出程序來檢查開關量輸入（DI）和開關量輸出（DO）模板。測試時可在輸入端加開關量信號，檢查讀入狀態的正確性；可在輸出端用萬用表或燈泡檢查輸出狀態的正確性。 硬件調試還包括現場儀表和執行器，這些儀表必須在安裝之前按說明書要求校驗完畢。 如是DCS等通信網絡系統

32、，還要調試通信功能，驗證數據傳輸的正確性。2軟件調試 軟件調試的順序是子程序、功能模塊和主程序。 控制模塊的調試應分為開環和閉環兩種情況進行。開環調試是檢查PID控制模塊的開環階躍響應特性，開環階躍響應實驗是分析記錄在不同的P、I、D參數下，針對不同階躍輸入幅度、不同控制周期、正反兩種作用方向時的純比例控制、比例積分控制以及比例積分微分控制等三種主要響應曲線，從而確定較佳的P、I、D參數。 在完成PID控制模塊開環特性調試的基礎上，還必須進行閉環特性調試，即檢查PID控制模塊的反饋控制功能。被控對象可以使用實驗室物理模擬裝置，也可以使用電子式模擬實驗室設備。實驗方法與模擬儀表調節器組成的控制系

33、統類似，即分別做給定值和外部擾動的階躍響應實驗，改變P、I、D參數以及階躍輸入的幅度，分析被控制量的階躍響應曲線和PID控制器輸出控制量的記錄曲線，判斷閉環工作是否正確。在純PID控制閉環實驗通過的基礎上，再逐項加入一些計算機控制的特殊功能，如積分分離、微分先行、非線性PID等，并逐項檢查是否正確。 一般與過程輸入輸出通道無關的程序，如運算模塊都可用開發裝置或仿真器的調試程序進行調試，有時為了調試某些程序，可能還要編寫臨時性的輔助程序。 一旦所有的子程序和功能模塊調試完畢，就可以用主程序將它們連接在一起，進行整體調試。整體調試的方法是自底向上逐步擴大，首先按分支將模塊組合起來，以形成模塊子集，

34、調試完各模塊子集，再將部分模塊子集連接起來進行局部調試，最后進行全局調試。這樣經過子集、局部和全局三步調試，完成了整體調試工作。通過整體調試能夠把設計中存在的問題和隱含的缺陷暴露出來，從而基本上消除了編程上的錯誤，為以后的系統仿真調試和在線調試及運行打下良好的基礎。 3系統仿真 在硬件和軟件分別調試后，必須再進行全系統的硬件、軟件統調，即所謂的系統仿真，也稱為模擬調試。所謂系統仿真，就是應用相似原理和類比關系來研究事物，也就是用模型來代替實際被控對象進行實驗和研究。系統仿真有以下三種類型：全物理仿真（即在模擬環境條件下的全實物仿真）；半物理仿真（即硬件閉路動態試驗）；數字仿真（即計算機仿真）。

35、 系統仿真盡量采用全物理或半物理仿真。試驗條件或工作狀態越接近真實，其效果也就越好。對于純數據采集系統，一般可做到全物理仿真；而對于控制系統，要做到全物理仿真幾乎是不可能的。這是因為，我們不可能將實際生產過程搬到自己的實驗室中。因此，控制系統只能做離線半物理仿真，被控對象可用實驗模型代替。自頂向下程序設計時，先從主程序進行設計，從屬的程序或子程序用程序符號來代替。主程序編好后，再編寫從屬的程序，最后完成整個系統的程序設計。這種方法的特點是設計、測試和連接同時按一個線索進行，比較符合人們的日常思維方式，設計中的矛盾和問題可以較早發現和解決。但這種設計的最大問題就是上一級的程序錯誤將會對整個程序產

36、生影響，并且局部的修改將牽連全局。4考機 在系統仿真的基礎上，還要進行考機運行，即進行長時間的運行考驗，有時還要根據實際的運行環境，進行特殊運行條件的考驗，如高溫和低溫劇變運行試驗、振動和抗電磁干擾試驗、電源電壓劇變和掉電試驗等。11.2.4 現場調試運行階段系統離線仿真和調試后便可將控制系統和生產過程聯接在一起，進行在線現場調試和運行，最后經過簽字驗收，才標志著工程項目的最終完成。 盡管上述離線仿真和調試工作最終做到了天衣無縫，但現場調試和運行仍可能出現問題。現場調試與運行階段是一個從小到大、從易到難、從手動到自動、從簡單回路到復雜回路逐步過渡的過程。此前應制定一系列調試計劃、實施方案、安全

37、措施、分工合作細則等。為了做到有把握，在線調試前還要進行下列檢查：1檢測元件、變送器、顯示儀表、調節閥等必須通過校驗，保證精確度要求。作為檢查，可進行一些現場校驗。2各種電氣接線和測量導管必須經過檢查，保證連接正確。例如，傳感器的極性不能接反，各個傳感器對號位置不能接錯，各個氣動導管必須暢通，特別是不能把強電接在弱電上。 3檢查系統的干擾情況和接地情況，如果不符合要求，應采取措施。 4對安全防護措施也要檢查。 經過檢查并已安裝正確后，即可進行系統的投運和參數的整定。投運時應先切入手動，等系統運行接近于給定值時再切入自動。有關控制參數的整定，可按第9.1.4 數字PID參數的整定介紹的方法進行。

38、 在現場調試的過程中，往往會出現錯綜復雜、時隱時現的奇怪現象，一時難以找到問題的根源。此時此刻，計算機控制系統的設計者們要認真地共同分析，不要輕易地懷疑別人所做的工作，以便盡快找到問題的根源并解決。 系統運行正常后，再試運行一段時間，即可組織簽字驗收。驗收是系統項目最終完成的標志，應由甲方主持、乙方參加，雙方協同辦理。驗收完畢應形成驗收文件存檔。11.3 控制工程的應用實例要真正成功地完成一個工程項目，除了要講究科學的設計方法外，還要借助于豐富的實踐經驗。因此，我們應當總結和學習一些成功項目的實踐經驗。下面分別介紹四種典型控制裝置的工程應用實例。 主要內容11.3.1 水槽水位單片機控制系統1

39、1.3.2 循環水裝置IPC系統11.3.3 中水回用PLC控制系統11.3.4 火電廠DCS控制系統11.3.1 水槽水位單片機控制系統對于小型測控系統或者某些專用的智能化儀器儀表，一般可采用以單片機為核心、配以接口電路和外圍設備、再編制應用程序的模式來實現。下面以一個簡單的水槽水位控制系統為例。 主要內容1系統概述 2硬件電路 3程序設計1系統概述 通過水槽水位的高低變化來啟停水泵，從而達到對水位的控制目的，這是一種常見的工藝控制。如圖14-2點劃線框內所示，一般可在水槽內安裝3個金屬電極A、B、C，它們分別代表水位的下下限、下限與上限。工藝要求：當水位升到上限C以上時，水泵應停止供水；當

40、水位降到下限B以下時，應啟動水泵供水；當水位處于下限B與上限C之間，水泵應維持原有的工作狀態。圖14-2 水槽水位控制電路 動畫鏈接2硬件電路 根據工藝要求，設計的控制系統硬件電路如圖14-2所示，這是一個用單片機采集水位信號并通過繼電器控制水泵的小型計算機控制系統。主要組成部分的功能如下： (1) 系統核心部分：采用低檔型AT89C2051單片機，用P1.0和P1.1端作為水位信號的采集輸入口，P1.2和P1.3端作為控制與報警輸出口。 (2) 水位測量部分：電極A接+5V電源，電極B、C各通過一個電阻與地相連。b點電平與c點電平分別接到P1.0和P1.1輸入端，可以代表水位的各種狀態與操作

41、要求，共有4種組合，如表14-1所示。 表14-1 水位信號及操作狀態表C(P1.1) b(P1.0) 水位 操作 00B點以下 水泵啟動 01B、C之間 維持原狀 10系統故障 故障報警 11C點以上 水泵停止 當水位降到下限B以下時，電極B與電極C在水面上方懸空，b點、c點呈低電平，這時應啟動水泵供水，即是表中第一種組合；當水位處于下限與上限之間，由于水的導電作用，電極B連到電極A及+5V，則b點呈高電平，而電極C仍懸空則c點為低電平，這時不論水位處于上升或下降趨勢，水泵都應繼續維持原有的工作狀態，見表中第二種組合；當水位上升達到上限時，電極B、C通過水導體連到電極A及+5V，因此b點、c

42、點呈高電平，這時水泵應停止供水，如表中第四種組合；還有第三種組合即水位達到電極C卻未達到電極B，即c點為高電平而b點為低電平，這在正常情況下是不可能發生的，作為一種故障狀態，在設計中還是應考慮的。 (3) 控制報警部分：由P1.2端輸出高電平，經反相器使光耦隔離器導通，繼電器線圈KM得電，常開觸點KA閉合，啟動水泵運轉；當P1.2端輸出低電平，經反相器使光耦隔離器截止，繼電器線圈J失電，常開觸點斷開，則使水泵停轉。由P1.3端輸出高電平，經反相器變為低電平，驅動一支發光二極管發光進行故障報警。3程序設計程序流程如圖14-3所示。開始P1.1、P1.0=00？啟動水泵P1.21設置堆棧指針P1.

43、1、P1.0=10？P1.1、P1.0=11？停止水泵P1.20故障報警P1.3111.3.2 循環水裝置IPC系統在以模擬量為主的中小規模控制條件下，應優先選擇IPC控制裝置，下面介紹用一臺STD總線IPC控制循環水動態模擬試驗裝置的實例。主要內容1系統概述 2硬件電路 3軟件設計4功能畫面1系統概述 大型化工企業普遍采用冷卻水循環使用技術，但循環冷卻水同時帶來設備的結垢與腐蝕問題，為此利用循環水動態模擬試驗裝置，模擬生產現場的流態水質、流速、金屬材質和循環冷卻水進出口溫度等主要參數，來評價穩定水質的配方、阻垢效果及尋求相應的操作工藝條件。（1）工藝流程 模擬試驗裝置的主要流程如圖14-4所

44、示，左下方水槽中的冷水經水泵、調節閥打入換熱器，與蒸汽換熱后，導入冷卻塔與冷風換冷，噴淋而下回落到水槽，再由水泵打循環。圖14-4 循環水動態模擬試驗裝置控制流程圖（2）控制要求 通常情形是用戶配置兩套這樣的模擬裝置同時運行，因而計算機系統應同時面向兩臺模擬裝置，集檢測、控制與管理于一體，主要完成如下功能： 10點參數檢測功能 入口水溫、出口水溫、蒸汽溫度、冷卻塔底溫度，共8路溫度，量程為0100，檢測精度為02級。兩路循環水流量，量程為2001200Lh，檢測精度為1級。還有計算顯示出入口溫差、瞬時污垢熱阻、水閥與風閥門開度、試驗時間與剩余時間。 22個參數設定功能 換熱器試管直徑與長度、流

45、量與溫度的給定值、PID控制的比例系數、積分時間、微分時間以及即時時間與試驗時間。 10個參數標定功能 對8路溫度、2路流量進行現場標定。 PID控制功能 實時控制2路入口水溫與2路循環水流量，溫度控制精度：設定值 05；流量控制精度：設定值2 FS（FS即Full Scale，意為滿刻度或滿量程）。 工藝計算、列表繪圖功能 根據污垢熱阻計算公式計算并顯示出瞬時污垢熱阻，而且自動生成試 驗數據列表。自動繪制時間-污垢熱阻曲線。 其他功能指標 所有參數的采樣、計算、控制周期均為0.25S，刷新顯示周期為2S，試驗數據記錄時間間隔按工藝要求而定，數據保存時間為10年，系統內部設有軟件硬件自診斷、自

46、恢復功能，具有永不“死機”的高度可靠性。 上述所有參數均以漢字分屏幕顯示，且附有提示菜單以便操作。2硬件設計 根據上述系統功能及技術指標的要求，采用一臺現成的STD總線IPC較為適宜。選用北京工業大學電子工廠的IPC產品，共由10塊功能模板及外設組成，如圖14-5所示。圖14-5 IPC硬件組成框圖 圖中（1）CPU板及打印機、（2）CRT板及CRT、（3）鍵盤接口及自診斷板及鍵盤、（4）存儲器板、（5）電源，構成了STD工業控制機基本系統。在自診斷板中使用了WDT看門狗技術，無論何種原因引起死機，自診斷系統能在128內測出并恢復正常運行，整個計算機系統工作十分可靠。 其中的（6）溫度檢測板，

47、是一個由單片機構成的智能型溫度接口板，該板本身能夠完成8路溫度的檢測，濾波處理，鉑電阻線性化處理。在這個板上利用軟件技術從根本上克服了溫度漂移問題。 其中的（7）D/A轉換板是流量及溫度控制的驅動接口板。計算機系統檢測兩路塔底溫度與兩路流量，與設定值進行比較，并對其偏差進行PID運算，其運算結果通過D/A轉換變成模擬電壓信號輸出至（8）伺服放大板，從而控制相應的4個調節閥。其中的（8）伺服放大板，其功能相當于電動單元組合儀表中的4個伺服放大器，但其精度及可靠性優于常規的伺服放大器。它接收來自D/A轉換板的4路閥位信號，并檢測4個閥的實際位置，如果實際位置與D/A轉換板輸出的閥位有偏差，則使閥動

48、作，達到與D/A輸出一致的位置后停止，從而實現計算機系統對調節閥的控制。 其中的（10）濾波板，對STD總線的有關信號進行濾波處理，從而提高整個系統的可靠性。 其中的（9）流量檢測板，主要由計數電路組成，檢測兩路來自渦輪流量變送器的脈沖信號。對其實行濾波、整形、放大、光隔、計數處理，并向兩個渦輪流量變送器提供+12V電壓，可參考第4.2.2 脈沖計數電路部分與參看書后文獻。3 軟件設計 該系統采用了現成的IPC，計算機廠家已提供了監控程序或系統程序，設計者的軟件設計任務主要是進行系統的應用軟件編制。 該應用軟件主要完成兩方面的任務：（1）8路溫度、兩路流量的采集與處理，入口溫度與流量的控制，定

49、時存儲實驗數據；（2）允許操作者查看、打印各種數據，設定、標定各個參數。 由于前者任務要求適時性較強，且完成任務所需時間較短，故安排在中斷服務子程序中完成。而后者屬人機對話性質，任務完成時間較長，且不需嚴格適時性，故放于主程序中完成。 圖14-7 中斷服務子程序由于該控制系統小、比較簡單，功能畫面要求也不復雜，因而軟件部分全部采用匯編語言編制。 圖圖14-7 中斷服務子程序IPC硬件組成框圖 主程序結構框圖如圖14-6所示。在初始化過程中，主要完成對CRT、打印機工作方式設定，四個調節閥門初始定位及軟件標志設置等。 在每一個畫面處理過程中，能夠查看其他畫面，同時完成本畫面應完成的一些功能。 中

50、斷服務子程序如圖14-7所示。這是一個時間中斷子程序。系統設置每隔250ms中斷一次，中斷服務子程序中各個任務，應能在250ms內完成。每四次中斷即時間間隔為1S時，刷新時鐘，處理秒、分、時、日、月、年的遞增，實現準確計時。每八次中斷，即時間間隔為2S時，采集8路溫度、2路流量，利用軟件實現濾波處理，以消除瞬間干擾的影響。控制采用傳統的PID控制方式，實行輸出速率限定，即在2S控制周期內，輸出變化幅度不大于輸出全范圍的5。實驗數據的存儲，若系統在強穩過程中，則每隔5min記錄一次，若系統在實驗過程中，則每隔120min記錄一次。實驗記錄數據、設定的實驗條件及各參數的標定值存于系統的 E2ROM

51、存儲器中，有效保存時間為10年。圖14-6 主程序結構框圖4功能畫面 該系統共有6個功能畫面，漢字顯示且每個畫面都有提示菜單，向操作者提示操作的方式。通過對這6個菜單的選擇操作，便可實現本計算機系統的所有功能。 這6個功能畫面分別是參數檢測畫面、參數設定畫面、參數標定畫面、數據列表畫面、熱阻曲線畫面和系統狀態畫面。由于篇幅所限，不一一贅述，讀者可查閱書后參考文獻。11.3.3 中水回用PLC控制系統在以數字量為主的中小規模控制環境下，一般應首選PLC裝置，下面介紹一個用西門子PLC監控中水處理流程的工程實例。主要內容1系統概述 2硬件設計 3程序設計1系統概述 將生活污水進行幾級處理，作為除飲

52、用以外的其它生活用水，將形成一個非常寶貴的回用水資源。其中用PLC作為主要控制裝置已成為一種共識。 （1）工藝流程 中水處理主要工藝流程如圖14-8所示。生活污水首先通過格柵機濾除固態雜物，進入調節池緩沖，再進入生化池，利用生物接觸氧化、化學絮凝和機械過濾方法使水中COD、BOD5等幾種水質指標大幅度降低，再采用活性炭和碳纖維復合吸附過濾方式，使出水達到生活使用要求。圖14-8 中水處理工藝流程圖格柵機調節池生化池 壓濾罐清水池集水池加藥 加氯 排掉 回用 風機 反沖洗 污水 動畫鏈接（2）控制要求 該流程共有被控設備（含備用）14臺泵和電機，4個池的水位需要檢測。 水位計的作用：在任何控制方

53、式下，水位計的上上限或下下限到位時，都將發出聲光報警信號；在全自動、分組自動、半自動控制方式下，水位計的上限、下限分別作為該池排水泵自動開、停的PLC輸入信號。 采用4種控制方式：手動、半自動、分組自動和全自動。 手動控制方式 即用手操作14個按鈕開停14個被控負荷，不受水位影響。 生化半自動控制方式 指生化池水位機組的半自動控制方式，也即由生化池水位的上限與下 限自動控制生化泵的開、停，而加藥計量泵、CLO2發生器的開、停由手動操作。 分組自動控制方式 為了便于維護，整個系統分為六個獨立的機組：調節池水位自動機 組、生化池水位自動機組、清水池水位自動機組、集水池水位自動機 組、溢流泵自動機組

54、、羅茨風機自動機組。 控制要求：當按下分組自動按鈕時，被按下按鈕的燈閃亮，當選定 主、備電機按鈕后，分組自動按鈕指示燈長亮；當水位達到上限時， 電機停止而按鈕指示燈轉為閃亮。 全自動方式控制要求 就是當全自動準備按鈕啟動后，首先選擇主、備用電機，然后啟動全自動開停按鈕，則整個系統進入全自動運行狀態。 2硬件設計（1）PLC 系統配置 根據工藝流程與控制要求，要完成14臺被控設備的啟動、停止按鈕操作，運行、停止、故障狀態的燈指示以及4種控制方式，如果采用常規的控制模式，1臺設備約需56個啟、停按鈕及狀態指示燈等器件，整個控制盤面上大約需要90余個按鈕與指示燈。這將帶來器件成本的增高、控制盤面的增

55、大、人工操作的雜亂。本系統采用軟件編程的方法，充分利用PLC內部的輸入輸出變量及軟件計數器，使1個帶燈按鈕集成了1臺設備的全部控制與狀態指示功能，加上4種控制方式及其切換，總計只需配置24個帶燈按鈕，分別代表14臺被控設備與10種控制方式。 整個系統需要開關量輸入40點與開關量輸出32點。因此，選用德國SIEMENS的S7-200主機CPU226，有開關量24輸入16輸出點，數字量擴展模塊EM223，提供開關量16輸入/16輸出點，總計正好構成了系統要求的40點輸入/32點輸出。操作界面選用TD200中文文本顯示器。 （2）PLC輸入輸出接線圖 PLC輸入輸出接線如圖14-9所示，輸入按鈕12

56、4AN分別對應于PLC I0.0I1.7與I4.0I4.7計24個開關量輸入點；4個水位計的16個水位電極點分別對應I2.0I3.7計16個開關量輸入點；PLC輸出點Q0.0Q0.7，Q1.0Q1.5分別對應于14臺輸出設備；輸出點Q1.6Q3.7分別對應于8臺被控設備與10種控制方式的狀態指示燈，共計32個開關量輸出點；另外6臺被控設備的運行指示燈由相應的中間繼電器觸點驅動。圖14-9 PLC輸入輸出接線圖 （3）TD200中文顯示器 與SIEMENS主機配套的顯示器的種類很多，而TD200中文文本顯示器是所有SIMATIC S7-200系列最簡潔、價格最低的操作界面。而且連接簡單，不需要獨

57、立電源，只需專用電纜連接到S7-200CPU的PPI接口上即可，如圖14-10所示。 S7-200系列的CPU中保留了一個專用區域用于與TD200交換數據，TD200直接通過這些數據區訪問CPU。如信息顯示內容“調節池水位已達上上限”，其地址應來自于調節池水位計的上上限接點I2.0的輸入響應。圖14-10 TD200中文文本顯示器及其連接3程序設計（1）主程序流程圖 S7-200系列PLC使用基于Windows平臺的32位編程軟件包STEP-7-Micro/WIN，通常采用語義直觀、功能強大、適合修改和維護的梯形圖語言。圖14-11給出控制系統主程序流程圖，整個工藝過程分為四種控制方式，在全自

58、動與分組自動方式下，首先要選擇主、備用電機。圖14-11 主要程序流程圖PLC上電進入手動進入手動是全自動嗎？是手動嗎？ 是生化池 半自動嗎？ 進入手動 進入生化池 半自動 選擇風機 選擇調節池泵 進入自動狀態 選擇風機 選擇調節池泵 分機分組調節池分組自動進入手動（2）功能按鈕程序 24個帶燈按鈕，分別啟停14臺被控設備與10種操作方式。通過軟件編程，使按鈕第一次按下時有效，第二次按下時失效(復位)。 有關細節內容可查閱書后參考文獻。 本設計完成了所有的工藝要求，實現了手動控制、半自動控制、分組自動控制和全自動控制等四種控制方式，而且硬件器件少，控制盤面簡潔，操作簡單靈活，中文界面友好。在現

59、場經過調試后已正常運行，工作可靠穩定。11.3.4 火電廠DCS控制系統近年來，DCS在火電廠過程控制領域的應用已經相當普及，應用水平提高得很快。DCS從單一功能向多功能、一體化方向發展，已經實現了包括數據采集（DAS）、模擬量控制（MCS）、開關量控制（SCS）、汽輪機控制（DEH）、旁路控制（BPS）、電氣控制（ECS）等多項功能，在減輕運行維護人員的勞動強度、提高火電廠的綜合自動化水平、改善火電機組運行安全經濟性等多方面發揮了極為重要的作用。 圖14-12所示為某300MW單元機組鍋爐控制部分采用美國貝利公司INFI-90系統的硬件配置圖，下面以其中的鍋爐主蒸汽溫度控制為例，給出一個DC

60、S在火電廠過程控制系統中應用的實例。圖14-12 某300MW機組鍋爐控制INFI-90系統硬件配置圖1主汽溫度控制方案 主汽溫度是單元機組主要的安全經濟參數，在正常運行工況下主汽溫度的偏差要求控制在2C范圍內，動態情況下的偏差不能超過額定值的+5-10C，對控制性能要求比較高。為了克服主汽溫度被控對象的滯后慣性大的影響，增強系統抗干擾能力，大型單元機組的主汽溫度控制一般采用二級噴水減溫的調溫方式（一級減溫相當于粗調，二級減溫相當于細調），同時又分為甲乙兩側進行分別控制，這樣共有四個結構類似的控制回路。為了進一步克服滯后和慣性對控制的不良影響，兩側每級的噴水調節均采用了串級控制方式，圖14-1