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计算机控制系统的设计步骤1 计算机控制系统的设计步骤 1. 研究被控对象、确定控制任务 在进行系统设计之前，首先应该调查、分析被控对象及其工作过程，熟悉其工艺流 程，并根据实际应用中存在的问题提出具体的控制要求，确定所设计的系统应该完成的 任务。最后，采用工艺图、时序图、控制流程等描述控制过程和控制任务，确定系统应 该达到的性能指标，从而形成设计任务说明书，并经使用方的确认，作为整个控制系统 设计的依据。 2. 确定系统总体控制方案 一般设计人员在调查、分析被控对象后，已经形成系统控制的基本思路或初步方案 。一旦确定了控制任务，就应依据设计任务书的技术要求和已作过的初步方案，开展系 统的总体设计。总体设计包括以下内容： 确定系统的性质和结构 根据系统的任务，确定系统的性质是数据采集处理系统，还是对象控制系统。如果 是对象控制系统，还应根据系统性能指标要求，决定采用开环控制，还是采用闭环控制 。 确定执行机构方案 根据被控对象的特点，确定执行机构采用什么方案，比 如是采用电机驱动、液压驱动还是其他方式驱动，应对多种方案进行比较，综合考 虑工作环境、性能、价格等因素择优而用。 控制系统总体"黑箱"设计 所谓"黑箱"设计，就是根据控制要求，将完成控制任务所需的各功能单元、模块以 及控制对象，采用方块图表示，从而形成系统的总体框图。在这种总体框图上，只能体 现各单元与模块的输入信号、输出信号、功能要求以及它们之间的逻辑关系，而不知道 "黑箱"的具体结构实现；各功能单元既可以是一个软件模块，也可以采用硬件电路实现 。 控制系统层次以及硬件、软件功能划分 根据控制要求、任务的复杂度、控制对象的地域分布等，确定整个系统是采用直接 数字控制(DDC)、还是采用计算机监督控制(SCC)，或者采用分布式控制，并划分各层次 应该实现的功能。 同时，综合考虑系统的实时性、整个系统的性能价格比等，对硬件和软件功能进行 划分，从而决定哪些功能由硬件实现，哪些功能由软件来完成。 在总体方案设计完成后，形成了系统组成的粗线条框图结构、硬件与软件划分等文 件，供详细设计使用。 3. 确定控制策略和控制算法 一般来说，在硬件系统确定后，计算机控制系统的控制 效果的优劣，主要取决于采用的控制策略和控制算法是否合适。 每个特定的控制对象均有其特定的控制要求和规律，必须选择与之相适应的控制策 略和控制算法，否则就会导致系统的品质不好，甚至会出现系统不稳定、控制失败的现 象。在选择控制算法和控制策略时，应该注意以下几点： 针对具体的控制对象和控制指标要求，选择合适的控制策略和控制算法，以满足控 制速度、控制精度和系统稳定性等方面的要求。 各种控制方法提供了一套通用的算法公式，但应用于具体对象控制时，应该有分析 地选用，在某些情况下可以进行必要的修改和补充。 4. 硬件详细设计 计算机控制系统的硬件性能指标与控制系统的整体性 能要求有关，主要包括：信号采集分辨率、采集精度、采集速度、采集信号的数量 、种类和方式；信号输出形式和大小；对人机界面的要求；对抗干扰能力的要求等等。 一般在完成系统总体设计后，过程的输入、输出通道及其处理方式就已基本确定， 但最终确定则要等到控制算法选定之后，因为某些算法需要检测过程的一些内部参数。 在明确了控制任务、确定了控制算法和所需过程通道的形式、数量及其处理方式之 后，就应该选择需要的计算机系 统。 过程通道及接口设计 控制台设计 可靠性设计 硬件调试 5. 软件详细设计 在计算机控制系统中，计算机除控制生产过程外，还要管理生产过程，一旦硬件系 统确定了，整个系统的性能主要取决于软件的设计。控制系统对控制软件的要求是：－ 实时性软件应该在对象允许的时间间隔内完成控制运算和处理，特别是对多回路系统的 实时性问题更应该引起高度重视。为提高系统实时性，可以对实时性要求高的数据采集 、控制运算和控制输出采用汇编语言编程处理，对实时性高或重要的信号或任务采用中 断方式处理，并对控制算法和控制模型做合理的简化、对某些由软件实现的输入信号线 性化工作采用表驱动处理等，以提高软件的运算速度。 －可靠性计算机控制系统的可靠性不仅依赖于硬件的高度可靠性，软件的可靠性同 样非常重要。一般软件应该提供系统故障诊断功能，诊断功能一部分嵌入实时控制软件 ，在系统控制运行时进行实时的故障诊断，并作必要的处理；同时，也应提供专门的诊 断软件，以便系统发生故障时作详细的故障检测与定位。 －容错性操作人员使用系统时，经常会发生误操作现象，软件应能作相应处理，保 证系统的安全；对于系统的一些错误，如串行通讯的误码，能够识别、容错。软件设计 时，必须充分考虑容错设计，如针对可能发生的串行通讯误码，采取冗余码传送，并在 发生误码时采取重新发送等措施。 －使用方便性必须从软件角度提供 计算机控制系统的设计是一个复杂而系统的过程，它涉及到多个关键步骤，以确保最终的系统能够有效地监控和调节被控对象。以下是对这些步骤的详细说明： 1. **研究被控对象和确定控制任务**：这是设计的第一步，需要深入了解被控对象的工作原理、工艺流程和存在的问题。通过分析，明确控制目标，例如提升产品质量、优化生产效率或减少能源消耗。这一步通常通过设计任务说明书来表述，需得到用户认可。 2. **确定系统总体控制方案**：此阶段涉及确定系统的性质（如数据采集或对象控制）、控制类型（开环或闭环）以及执行机构的选择。执行机构的选择要根据被控对象的特性，比如电机、液压或气动驱动等。此外，还要进行“黑箱”设计，绘制系统框图，定义输入、输出信号、功能模块及其逻辑关系。同时，根据任务复杂度和分布情况决定控制层次，如DDC（直接数字控制）、SCC（计算机监督控制）或分布式控制，并划分硬件和软件功能。 3. **确定控制策略和控制算法**：选择合适的控制策略和算法是关键，这直接影响到系统的性能。策略和算法应适应控制对象的特性和控制指标，如速度、精度和稳定性。可以对标准算法进行定制以满足特定需求。 4. **硬件详细设计**：硬件设计关注系统的性能指标，如信号采集的精度、速度、数量和类型，输出形式，人机交互界面，以及抗干扰能力。这一阶段需要确定过程通道、接口设计，控制台布局，以及硬件的可靠性设计，包括硬件的选型和调试。 5. **软件详细设计**：软件设计决定了系统的实时性、可靠性和容错性。实时性要求软件能在限定时间内完成控制任务，可能需要使用汇编语言或中断处理以提高速度。软件的可靠性涉及故障诊断功能，部分嵌入实时控制软件，以及独立的诊断软件。容错性设计确保系统在误操作或错误发生时仍能保持安全运行，如通过冗余编码和错误检测机制来处理串行通信错误。 计算机控制系统的设计是个综合性的工程，涵盖了从需求分析到硬件、软件设计的全过程。每个环节都需要精确规划和精心实施，以确保最终系统能够高效、稳定地完成预定的控制任务。