计算机控制系统的设计步骤

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：

1）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。

2）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。

3）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。

4）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：

⑴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。

⑵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。

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很好的人机接口，如在显示装置上提供操作提示功能、帮助功能、演示功能等，使得系统的操作方便灵活。

可读性设计软件应该简洁、明了、可读，采用结构化的模块式设计，提供完备的软件设计说明书和使用说明书，以便于软件的使用、维护和进一步改进。

简洁性由于集成电路的集成越来越高、价格也越来越低，一般设计微机控制系统时，很少需要考虑软件占用的内存容量问题。但在某些场合，如要求控制装置具有很小的体积时，就必须考虑压缩软件代码占用的内存容量，以便使用尽可能少的存储器芯片。

6、系统仿真与调试

硬件详细设计和软件详细设计完成后，就可以进行系统的总装，然后进入系统整体调试和仿真阶段。

1）实验室硬件联调

在系统总装后，首先要进行实验室条件下的硬件系统联调。如果硬件系统联调没有通过，软件联调就无法进行。事实上，正如硬件详细设计中所讲，并非是总装过后才进行硬件调试，而是边装边调。系统硬件的联调，可借助开发系统进行。

2）实验室软件联调

在硬件联调成功后，可以进行实验室条件的软件联调。在软件联调过程中，不但会发现软件错误，也会发现一些在硬件调试阶段未发现的硬件故障或设计缺欠，并予以修改。

3）实验室系统仿真

在硬件联调和软件联调完成后，还应在实验室条件下进行全系统的硬件、软件统调，也即通过模拟被控对象、控制系统工作的实际环境等，研究、分析系统性能，这就是所谓的系统仿真。

通过仿真试验，可以评价控制系统性能，发现硬件和软件缺陷，并予以修改。

7、现场安装调试

控制系统运到现场，经检查并安装正确后，即可投入试运行和调试。一般系统运行正常并试运行一段时间后，即可组织验收工作。