計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟

1、研究被控對(duì)象、確定控制任務(wù)

在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，首先應(yīng)該調(diào)查、分析被控對(duì)象及其工作過(guò)程，熟悉其工藝流程，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題提出具體的控制要求，確定所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)該完成的任務(wù)。最后，采用工藝圖、時(shí)序圖、控制流程等描述控制過(guò)程和控制任務(wù)，確定系統(tǒng)應(yīng)該達(dá)到的性能指標(biāo)，從而形成設(shè)計(jì)任務(wù)說(shuō)明書，并經(jīng)使用方的確認(rèn)，作為整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

2、確定系統(tǒng)總體控制方案

一般設(shè)計(jì)人員在調(diào)查、分析被控對(duì)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(wù)，就應(yīng)依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的技術(shù)要求和已作過(guò)的初步方案，開(kāi)展系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。總體設(shè)計(jì)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(wù)，確定系統(tǒng)的性質(zhì)是數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，還是對(duì)象控制系統(tǒng)。如果是對(duì)象控制系統(tǒng)，還應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)要求，決定采用開(kāi)環(huán)控制，還是采用閉環(huán)控制。

2）確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案

根據(jù)被控對(duì)象的特點(diǎn)，確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用什么方案，比如是采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)還是其他方式驅(qū)動(dòng)，應(yīng)對(duì)多種方案進(jìn)行比較，綜合考慮工作環(huán)境、性能、價(jià)格等因素?fù)駜?yōu)而用。

3）控制系統(tǒng)總體“黑箱”設(shè)計(jì)

所謂“黑箱”設(shè)計(jì)，就是根據(jù)控制要求，將完成控制任務(wù)所需的各功能單元、模塊以及控制對(duì)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(hào)、輸出信號(hào)、功能要求以及它們之間的邏輯關(guān)系，而不知道“黑箱”的具體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)；各功能單元既可以是一個(gè)軟件模塊，也可以采用硬件電路實(shí)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(wù)的復(fù)雜度、控制對(duì)象的地域分布等，確定整個(gè)系統(tǒng)是采用直接數(shù)字控制（DDC）、還是采用計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制（SCC），或者采用分布式控制，并劃分各層次應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的功能。

同時(shí)，綜合考慮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、整個(gè)系統(tǒng)的性能價(jià)格比等，對(duì)硬件和軟件功能進(jìn)行劃分，從而決定哪些功能由硬件實(shí)現(xiàn)，哪些功能由軟件來(lái)完成。

在總體方案設(shè)計(jì)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(xì)設(shè)計(jì)使用。

3、確定控制策略和控制算法

一般來(lái)說(shuō)，在硬件系統(tǒng)確定后，計(jì)算機(jī)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(gè)特定的控制對(duì)象均有其特定的控制要求和規(guī)律，必須選擇與之相適應(yīng)的控制策略和控制算法，否則就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的品質(zhì)不好，甚至?xí)霈F(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(shí)，應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

⑴針對(duì)具體的控制對(duì)象和控制指標(biāo)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(yīng)用于具體對(duì)象控制時(shí)，應(yīng)該有分析地選用，在某些情況下可以進(jìn)行必要的修改和補(bǔ)充。

4、硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件性能指標(biāo)與控制系統(tǒng)的整體性能要求有關(guān)，主要包括：信號(hào)采集分辨率、采集精度、采集速度、采集信號(hào)的數(shù)量、種類和方式；信號(hào)輸出形式和大小；對(duì)人機(jī)界面的要求；對(duì)抗干擾能力的要求等等。

一般在完成系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)后，過(guò)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?yàn)槟承┧惴ㄐ枰獧z測(cè)過(guò)程的一些內(nèi)部參數(shù)。

在明確了控制任務(wù)、確定了控制算法和所需過(guò)程通道的形式、數(shù)量及其處理方式之后，就應(yīng)該選擇需要的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

5、軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)除控制生產(chǎn)過(guò)程外，還要管理生產(chǎn)過(guò)程，一旦硬件系統(tǒng)確定了，整個(gè)系統(tǒng)的性能主要取決于軟件的設(shè)計(jì)。控制系統(tǒng)對(duì)控制軟件的要求是：

實(shí)時(shí)性軟件應(yīng)該在對(duì)象允許的時(shí)間間隔內(nèi)完成控制運(yùn)算和處理，特別是對(duì)多回路系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題更應(yīng)該引起高度重視。為提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，可以對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的數(shù)據(jù)采集、控制運(yùn)算和控制輸出采用匯編語(yǔ)言編程處理，對(duì)實(shí)時(shí)性高或重要的信號(hào)或任務(wù)采用中斷方式處理，并對(duì)控制算法和控制模型做合理的簡(jiǎn)化、對(duì)某些由軟件實(shí)現(xiàn)的輸入信號(hào)線性化工作采用表驅(qū)動(dòng)處理等，以提高軟件的運(yùn)算速度。

可靠性計(jì)算機(jī)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(yīng)該提供系統(tǒng)故障診斷功能，診斷功能一部分嵌入實(shí)時(shí)控制軟件，在系統(tǒng)控制運(yùn)行時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)的故障診斷，并作必要的處理；同時(shí)，也應(yīng)提供專門的診斷軟件，以便系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)作詳細(xì)的故障檢測(cè)與定位。

容錯(cuò)性操作人員使用系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生誤操作現(xiàn)象，軟件應(yīng)能作相應(yīng)處理，保證系統(tǒng)的安全；對(duì)于系統(tǒng)的一些錯(cuò)誤，如串行通訊的誤碼，能夠識(shí)別、容錯(cuò)。軟件設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮容錯(cuò)設(shè)計(jì)，如針對(duì)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(shí)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(jī)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(shè)計(jì)軟件應(yīng)該簡(jiǎn)潔、明了、可讀，采用結(jié)構(gòu)化的模塊式設(shè)計(jì)，提供完備的軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明書和使用說(shuō)明書，以便于軟件的使用、維護(hù)和進(jìn)一步改進(jìn)。

簡(jiǎn)潔性由于集成電路的集成越來(lái)越高、價(jià)格也越來(lái)越低，一般設(shè)計(jì)微機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，很少需要考慮軟件占用的內(nèi)存容量問(wèn)題。但在某些場(chǎng)合，如要求控制裝置具有很小的體積時(shí)，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(chǔ)器芯片。

6、系統(tǒng)仿真與調(diào)試

硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)和軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)完成后，就可以進(jìn)行系統(tǒng)的總裝，然后進(jìn)入系統(tǒng)整體調(diào)試和仿真階段。

1）實(shí)驗(yàn)室硬件聯(lián)調(diào)

在系統(tǒng)總裝后，首先要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(méi)有通過(guò)，軟件聯(lián)調(diào)就無(wú)法進(jìn)行。事實(shí)上，正如硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)中所講，并非是總裝過(guò)后才進(jìn)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(kāi)發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行。

2）實(shí)驗(yàn)室軟件聯(lián)調(diào)

在硬件聯(lián)調(diào)成功后，可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室條件的軟件聯(lián)調(diào)。在軟件聯(lián)調(diào)過(guò)程中，不但會(huì)發(fā)現(xiàn)軟件錯(cuò)誤，也會(huì)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(shè)計(jì)缺欠，并予以修改。

3）實(shí)驗(yàn)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(yīng)在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行全系統(tǒng)的硬件、軟件統(tǒng)調(diào)，也即通過(guò)模擬被控對(duì)象、控制系統(tǒng)工作的實(shí)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(guò)仿真試驗(yàn)，可以評(píng)價(jià)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(chǎng)安裝調(diào)試

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