一种计算机实时控制系统的分析及其DCS实现

　　1 引言

　　自七十年代以来，以微机为核心的分布式控制系统将现代科技的最新成就：计算机(Computer)，通讯(Communication)，和自动化控制(Control)技术(简称3C技术)集为一体形成集散控制系统，它采用危险分散、控制分散，而操作和管理集中的基本设计思想、多层分级的结构形式，使其可以胜任各种复杂实时控制的要求。

　　实时控制是计算机应用的一个重要而极富潜力的方面，它主要包含实时性和多任务性两大特点。实时性是指在控制系统中，控制行为必须在指定的时间内开始和完成，信号要求按时序发送;多任务性是指系统中有多个独立和/或半独立的任务，同时分别执行对不同信号的处理和对不同设备、不同过程的控制。某型水下机器人的控制系统属于典型的实时控制问题，要求在一个节拍(0.5秒)内系统完成对各路传感装置的信息获取、控制计算、推力分配、分发控制指令，为此自行设计了一个小型集散控制系统，其系统构成如图1所示。

图1 某型水下机器人控制系统结构简图

　　2 系统的工作流程

　　如图1所示，处在水下的三个单片机主要负责数据采集，经处理后再通过串口将数据传送给上位机(动力定位控制主机);由两台声纳解算机单独完成对多普勒测速声纳、定位测高声纳反馈的水声信号的处理，然后再将所需机器人的速度信息和位置姿态信息通过RS-485串口发送给上位机。上位机根据这些反馈信息作控制计算，然后将控制指令发送给单片机，由单片机控制各执行机构。

　　3 系统功能实现

　　3.1 硬件设计

　　根据分散控制、集中管理的设计思想并结合该课题的实际情况，设计了以动力定位控制主机为管理级计算机、以两台声纳解算机和主单片机为监控级计算机、两片从单片机为直接控制机的三级控制系统，其中主、从单片机均选用80c196kc。

　　在传感装置的选用上，尽量选用抗干扰性强的智能传感仪器，同时考虑到预研项目的经费情况，也用了一些常规的传感器。另外，由于机器人外部有很多传感器，而舱室空间又十分有限，因而本文参考现场总线控制系统信息处理现场化的思想在机器人外部放置了一个单片机，完成这些传感器数据的处理后再上传给主单片机。试验表明，这种方案不仅可以缓解主单片机的工作压力，实现分布系统的设计思想，还可以减少信号传输线上的共模干扰。

　　控制系统的执行机构主要是五台推进电机、舵、及纵横倾调节装置。其中纵横倾调节装置为24V力矩电机带动滑块移动从而调节水下机器人的纵横倾，经高性能光电隔离芯片后与从单片机1并行口连接。在水下机器人的运动过程中，随时可能要改变推进电机的转速以得到不同的推进力，而变频调速是实现电机调速的最理想方式。本系统采用台达VFD-A/H型变频器，它不仅可以实现各种转速曲线，而且还具有过压、过流、过热等完善的保护措施。该变频器与控制系统的接口为RS485串行口，一块CPU最多可接32个变频器。