一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則
對于不同的控制對象，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和具體的技術(shù)指標(biāo)是不同的，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則是一致的。
①滿足工藝要求。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)所達(dá)到的性能指標(biāo)不應(yīng)低于生產(chǎn)工藝要求，但片面追求過高的性能指標(biāo)而忽視設(shè)計(jì)成本和實(shí)現(xiàn)上的可能性也是不可取的。
②可靠性要高。對工業(yè)控制的微機(jī)系統(tǒng)基本的要求是可靠性高。先要選用高性能的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。其次是設(shè)計(jì)可靠的控制方案，并具備各種安全保護(hù)措施，比如報(bào)警、事故預(yù)測、事故處理、不間斷電源等。為了預(yù)防計(jì)算機(jī)故障，還須設(shè)計(jì)后備裝置。
③操作性要好。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時要盡量考慮用戶的方便使用，尤其是操作面板的設(shè)計(jì)，既要體現(xiàn)操作升級了又要兼顧原有的操作習(xí)慣，控制開關(guān)不能太多、太復(fù)雜，盡量降低對使用人員儲備知識的要求，使他們能在較短時間內(nèi)熟悉和掌握操作。其次維護(hù)容易，一旦發(fā)生故障，應(yīng)易于查找和排除。
④實(shí)時性要強(qiáng)。微機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)時性，表現(xiàn)在對內(nèi)部和外部事件能及時地響應(yīng)，并作出相應(yīng)的處理，不丟失信息，不延誤操作。
⑤通用性要好。硬件設(shè)計(jì)方面，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，且各設(shè)計(jì)指標(biāo)要留有一定余量，以便在需要時擴(kuò)充。軟件方面，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)模塊結(jié)構(gòu)，盡量不進(jìn)行二次開發(fā)。當(dāng)設(shè)備和控制對象有所變更時或者再設(shè)計(jì)另外一個控制系統(tǒng)時，只需稍作更改或擴(kuò)充就可適應(yīng)。

⑥經(jīng)濟(jì)效益要高。在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，盡量采用物美廉價(jià)的元器件；投入產(chǎn)出比要盡可能地低，應(yīng)該從提高生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量、降低能耗、消除污染、改善勞動條件等方面進(jìn)行綜合評估。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟
控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程一般可分為3個階段：準(zhǔn)備階段、設(shè)計(jì)階段、仿真及調(diào)試階段。
1、準(zhǔn)備階段
要認(rèn)真閱讀任務(wù)書，并逐條進(jìn)行研究。搜集有關(guān)資料，查閱參考書籍。初步進(jìn)行系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，并進(jìn)行方案可行性論證，論證的主要內(nèi)容是技術(shù)可行性，特別是項(xiàng)目的可測性和可控性。
2、設(shè)計(jì)階段
在此階段要先進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，再進(jìn)行硬件和軟件的設(shè)計(jì)。
1）總體設(shè)計(jì)
總體設(shè)計(jì)就是要了解控制對象、熟悉控制要求，確定總的技術(shù)性能指標(biāo)，確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式及控制裝置與現(xiàn)場設(shè)備的選擇，以及控制規(guī)律算法和其他特殊功能要求。
①確定系統(tǒng)任務(wù)與控制方案，根據(jù)系統(tǒng)要求，定采用開環(huán)還是閉環(huán)控制；閉環(huán)控制還需進(jìn)一步確定是單閉環(huán)還是多閉環(huán)；進(jìn)而還要確定出整個系統(tǒng)是采用直接數(shù)字控制(DDC)、計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制(SCC)、分散式控制(DCS)或是采用現(xiàn)場總線控制(FCS)。
②確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式，即進(jìn)行控制裝置機(jī)型的選擇。目前已經(jīng)生產(chǎn)出許多用于工業(yè)控制的微機(jī)裝置可供選擇，如可編程控制器、可編程調(diào)節(jié)器、總線式工控機(jī)、單片微型計(jì)算機(jī)和分散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)等。
在以模擬量為主的中小規(guī)模的過程控制環(huán)境下，一般應(yīng)先選擇總線式工控機(jī)來構(gòu)成系統(tǒng)的方式；在以數(shù)字量為主的中小規(guī)模的運(yùn)動控制環(huán)境下，一般應(yīng)先選擇PLC來構(gòu)成系統(tǒng)的方式。工控機(jī)或PLC具有系列化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時根據(jù)要求任意選擇，像搭積木般地組建系統(tǒng)。這種方式可提高系統(tǒng)研制和開發(fā)速度，提高系統(tǒng)的技術(shù)水平和性能，增加可靠性。
③選擇現(xiàn)場設(shè)備。主要包含傳感器、變送器和執(zhí)行器的選擇。測量各種參數(shù)的傳感器，如溫度、壓力、流量、液位、成分、位移、重量、速度等，種類繁多，規(guī)格各異；而執(zhí)行器也有模擬量執(zhí)行器、數(shù)字量執(zhí)行器以及電動、氣動、液動等之分。
④確定控制算法。當(dāng)系統(tǒng)模型確定之后，即可確定控制算法。微機(jī)控制系統(tǒng)的主要任務(wù)就是按此控制算法進(jìn)行控制。控制算法的正確與否，直接影響控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。    
⑤硬、軟件功能的劃分。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，硬、軟件功能的劃分要綜合考慮。用硬件來實(shí)現(xiàn)一些功能的好處是可以加快處理速度，減輕主機(jī)的負(fù)擔(dān)；而軟件實(shí)現(xiàn)可降低成本，增加靈活性，但要占用主機(jī)更多的時間。一般在滿足指定功能的前提下，應(yīng)盡量減少硬件器件，多用軟件來完成相應(yīng)的功能。如果軟件實(shí)現(xiàn)很困難，而用硬件實(shí)現(xiàn)卻比較簡單，則用硬件實(shí)現(xiàn)功能比較妥當(dāng)。
⑥其他方面的考慮。還應(yīng)考慮人機(jī)界面、系統(tǒng)的機(jī)柜或機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抗干擾等方面的問題。
2）硬件設(shè)計(jì)
盡量選現(xiàn)成的總線式工控機(jī)系統(tǒng)或者PLC裝置，以加快設(shè)計(jì)研制進(jìn)程，使系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的工作量減小。設(shè)計(jì)者都要根據(jù)系統(tǒng)要求選擇合適的模板或模塊。選擇內(nèi)容一般包括：
①根據(jù)控制任務(wù)的復(fù)雜程度、控制精度以及實(shí)時性要求等選擇主機(jī)板(包括總線類型、主機(jī)機(jī)型等)。
②根據(jù)AI、AO點(diǎn)數(shù)、分辨率和精度，以及采集速度等選A／D、D／A板(包括通道數(shù)量、信號類別、量程范圍等)。
③根據(jù)DI、DO點(diǎn)數(shù)和其他要求，選擇開關(guān)量輸入輸出板(包括通道數(shù)量、信號類別、交直流和功率大小等)。
④根據(jù)人機(jī)聯(lián)系方式選擇相應(yīng)的接口板或顯示操作面板(包括參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)顯示、手動自動切換和異常報(bào)警等)。
⑤根據(jù)需要選擇各種外設(shè)接口、通信板塊等。
⑥根據(jù)工藝流程選擇測量裝置(包括被測參數(shù)種類、量程大小、信號類別、型號規(guī)格等)。
⑦根據(jù)工藝流程選擇執(zhí)行裝置(包括能源類型、信號類別、型號規(guī)格等)。
3）軟件設(shè)計(jì)
用工控機(jī)或PLC來組建微機(jī)控制系統(tǒng)不僅能減小系統(tǒng)硬性設(shè)計(jì)工作量，而且還能減小系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)工作量。一般它們都配有實(shí)時操作系統(tǒng)或?qū)崟r監(jiān)控程序以及各種控制、運(yùn)算軟件和組態(tài)軟件等，可使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在較短的周期內(nèi)開發(fā)出應(yīng)用軟件。    程序編制順序應(yīng)是先模塊后整體。軟件設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下幾個方面。
①編程語言的選擇。組態(tài)語言是一種針對控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的面向問題的高級語言，它為用戶提供了眾多的功能模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者只需根據(jù)控制要求，選擇所需的模塊就能很方便地生成系統(tǒng)控制軟件，因而軟件設(shè)計(jì)工作量大為減小。
②數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃。系統(tǒng)的各個模塊之間要進(jìn)行各種信息傳遞，也即各接口參數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型必須嚴(yán)格統(tǒng)一規(guī)定。數(shù)據(jù)可分為邏輯型和數(shù)值型。
③資源分配。系統(tǒng)資源包括ROM、RAM、定時器／計(jì)數(shù)器、中斷源、I／O地址等。
④程序設(shè)計(jì)的方法?？刹捎媚K化程序設(shè)計(jì)方法，即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(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)、編程、測試和查錯之后，把各調(diào)試好的程序模塊連成一個完整的程序。模塊化程序設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是單個小程序模塊的編寫和調(diào)試比較容易；一個模塊可以被多個程序調(diào)用；檢查錯誤容易，且修改時只需改正該模塊即可，無須牽涉其他模塊。但這種設(shè)計(jì)在對各個模塊進(jìn)行連接時有一定困難。
再采用自頂向下程序設(shè)計(jì)方法，先從主程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，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．后完成整個系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。
3、仿真及調(diào)試階段
離線仿真及調(diào)試階段一般在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。先編寫調(diào)試流程，再進(jìn)行硬件調(diào)試與軟件調(diào)試，然后進(jìn)行硬件、軟件統(tǒng)調(diào)，后考機(jī)運(yùn)行，為現(xiàn)場投運(yùn)做好準(zhǔn)備。
1）硬件調(diào)試
對于各種標(biāo)準(zhǔn)功能模板，應(yīng)按照說明書檢查主要功能。在調(diào)試A／D和D／A模板之前，必須準(zhǔn)備好信號源、數(shù)字電壓表、電流表等標(biāo)準(zhǔn)儀器。對這兩種模板先檢查信號的零點(diǎn)和滿量程，然后再分檔檢查，并且上行和下行來回調(diào)試，以便檢查線性度是否合乎要求。
利用開關(guān)量輸入和輸出程序來檢查開關(guān)量輸入(DI)和開關(guān)量輸出(DO)模板。測試時可在輸入端加開關(guān)量信號，檢查讀入狀態(tài)的正確性；可在輸出端用萬用表檢查輸出狀態(tài)的正確。
硬件調(diào)試還包括現(xiàn)場儀表和執(zhí)行器，這些儀表必須在安裝之前按說明書要求校驗(yàn)完畢。如是DCS等通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，還要調(diào)試通信功能，驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。
2）軟件調(diào)試
軟件調(diào)試的順序是子程序、功能模塊和主程序。
一般與過程輸入輸出通道無關(guān)的程序，如運(yùn)算模塊都可用開發(fā)裝置或仿真器的調(diào)試程序進(jìn)行調(diào)試，有時為了調(diào)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(diào)試完畢，就可以用主程序?qū)⑺鼈冞B接在一起，進(jìn)行整體調(diào)試。整體調(diào)試的方法是自底向上逐步擴(kuò)大，先按分支將模塊組合起來，以形成模塊子集，調(diào)試完各模塊子集，再將部分模塊子集連接起來進(jìn)行局部調(diào)試，后進(jìn)行全局調(diào)試。這樣經(jīng)過子集、局部和全局三步調(diào)試，完成了整體調(diào)試工作。
3）系統(tǒng)仿真
在硬件和軟件分別調(diào)試后，必須再進(jìn)行全系統(tǒng)的硬件、軟件統(tǒng)調(diào)，即所謂的系統(tǒng)仿真，也稱為模擬調(diào)試。系統(tǒng)仿真盡量采用全物理或半物理仿真。試驗(yàn)條件或工作狀態(tài)越接近真實(shí)，其效果也就越好?？刂葡到y(tǒng)只能做離線半物理仿真，被控對象可用實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛妗?
4）考機(jī)
在系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)上，還要進(jìn)行考機(jī)運(yùn)行，即進(jìn)行長時間的運(yùn)行考驗(yàn)。
控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般遵循上述過程，設(shè)計(jì)的步驟有先后，但內(nèi)容沒有明確之分。