计算机控制系统__应用实例PPT课件

.计算机控制系统，2，2，计算机控制系统，根据检定的教材大纲制作。 主编：高金源夏洁出版发行：清华大学出版社，3，计算机控制设计原则，可靠性高2 .操作性高3 .实时性高4 .通用性高，扩展容易5 .经济效益好。 4、计算机控制系统的设计内容和步骤：系统总体控制方案设计； 系统硬件的设计、选择、开发硬件和软件的可靠性设计确定满足一定经济指标的目标函数，构建受控数学模型，对目标函数进行控制算法规律设计的软件设计和整个开发系统的调试等。 微机控制系统的设计根据控制对象、设备的种类、控制方式、规模等而不同，但系统设计的基本内容和主要步骤大致相同。 主要包括： 5，10.1双摆实验系统的计算机控制设计，10.2转盘计算机伺服控制系统设计实现10.3民用机场供油集散系统，介绍6，10.1.1双摆实验控制系统，1 .双摆实验控制系统结构，7， 2 .双摆实验控制系统的性能指标，本实验系统的控制目的是在滑轮在轨道上以一定速度和加速度运动时，使双摆摆的摆动角度保持最小，或者在双摆有任何初始摆角的情况下，系统使双摆迅速返回平衡位置。 为了实现上述控制目的，(1)提出了计算机D/A输出100mV时电机必须启动的性能指标要求。 (2)滑车的最大运动速度为0.4m/s，D/A的最大输出与滑车的最大运动速度相对应。 (3)当存在大的初始干扰(上摆角的初始角度为50o )时，上摆角的稳定时间5s6s，摆动次数34次。 (4)滑轮从偏离零点返回零点时，上下摆的摆角为稳定时间5s6s，摆动次数34次。 8、8、8,10.1.2双摆控制系统的整体方案、系统整体结构图如图10-2所示，控制系统的框图如图10-3所示。 利用图10-2双摆计算机控制系统的结构图，图10-3双摆计算机控制系统的框图，9，9，10.1.3双摆系统的数学模型，拉格朗日方程建立双摆系统的动力学方程，适当简化，得到小干扰情况下系统的线性化状态方程。 一类非维拉格朗日方程，l :拉格朗日函数=系统的总能量-系统的总势，系统各自由度的广义坐标，、广义坐标相对于时间的线性微分，驱动各自由度运动的广义力矩，系统的自由度、10， 1 .以控制力为输入构建双摆系统的数学模型：拖动电机对滑轮的控制力：滑轮质量：摆动关节的质量：下摆关节的质量(包括摆动):滑轮距基准坐标系原点的横轴：摆动重心距滑轮铰链的长度：关节铰链距滑轮铰链的长度(摆杆的摆动长度) :距离关节铰链下摆重心的长度：摆动角度：下摆关节摆动角度，且摆杆的惯性力矩：摆杆的惯性力矩图10-4双摆动系统受力分析图，11、滑轮-双摆动系统是具有三个自由度的机械系统，其第一自由度的广义驱动力由扭矩马达产生，第二、三自由度由扭矩马达产生构造系统的拉格朗日方程式包括：12，简化了以下方程式：忽略速度产生的向心力和科里奥利力，并且忽略了下摆长度、指令、汽车位置、汽车速度、双摆系统的平衡位置附近的线性状态方程式：上摆角、上摆角速度、下摆角速度、下摆角、下摆角、下摆角、13， 2 .建立了电动机和双摆对象的数学模型，直流伺服电动机可以忽略电感的影响和死区电压，视为二阶线性系统。也就是说，如果进行图10-5的马达模型、14、适当的综合，则可以在平衡位置附近得到马达和偏航对象的数学模型。 、15、10.1.4系统的电路控制设计、系统的速度环设计要求电机死区达到1V，即引入模拟放大环以克服死区电压指标要求，在D/A输出为0.1V时启动电机，满足从计算机输出点到控制电机输入点的倍率为了在a输出满刻度5V时满足线程最大速度0.4m/s的要求，需要在控制系统结构中导入节流阀输出进行速度反馈。 采用稳态数值，有图10-6的双摆控制系统的模拟内圈，16、考虑到放大器盒的放大因子，满足D/A输出电压u :可以将系统的线性化状态方程式(10-8 )改写为命令、17、2 .采样周期的选择该电动机机电时间常数如下(s )，根据采样周期的选择原则将采样周期设为：18， 3 .可以选择用于系统位置环设计(控制律设计)，其中采用了无限时间离散二次型的成本函数：其中，q，r阵列的初始设置可以利用如下所述的Matlab中的函数dlqr来计算反馈增益k，等等： K，p，e=dlqr(F，g，q，r )，车辆位置，等等不能直接测量车速、上下摆角的速度。 这里是使用位移量差分计算求出的图10-7双摆计算机控制系统的流程图，图20， 10.1.6闭环控制实验结果，1 .偏航角干扰闭环控制(偏航角初始干扰角度50o )、实施了未由图10-8控制的偏航角曲线图10-9控制的偏航角曲线图10-10最佳控制的俯仰角曲线图10-11实施了最佳控制的偏航角曲线、横轴为时间轴、单位为s、纵轴为s 21、2 .滑动位置零后退控制(滑动从-0.3m返回零)、实施了没有进行图10-12控制的俯仰角曲线图10-13控制的下摆角曲线图10-14实施了最佳控制的滚转角曲线图10-15实施了最佳控制的滚转角曲线的横轴为时间轴，单位为、22、10.1双辊实验系统的计算机控制设计与实现10.2转盘计算机伺服控制系统设计10.3民用机场加油集散系统、23、10.2转盘计算机伺服控制系统设计、“高频音、超低速、宽调速、高精度”成为模拟转盘的主要性能指标与发展方向“高频音”反映了转台跟踪高频信号的能力强，“超低速”反映了系统的低速稳定性良好，“宽调速”能够提供宽调速范围的“高精度”是指系统跟踪指令信号的精度高。24、10.2.1转台系统介绍，图10-16三轴模拟转台及其示意图，25、10.2.2三轴测试转台的整体控制结构，转台三帧控制相互独立，因此转台控制系统如图10所示还有，图10-17三轴测试转盘系统整体的控制结构图，26，10.2.3转盘单框的数学模型，由于转盘的三个帧的控制相互独立，可以设计各帧的控制系统。 进行、拉变换，忽略电枢电感，得到电枢电压与输出角速度之间的传递函数，27、10.2.4转台的单框控制电路设计，通常的设计过程从内向外依次设计电流环、速度环和位置环，根据系统整体性能指标进行适当的相应设计图10-18转台控制系统的方框图，28，1 .电流环设计，电流环的负反馈充分利用电动机允许的过载能力，同时限制电流的最大值，迅速保护电动机的起动和制动。 设计的电流环路控制器通过放大器的硬件电路直接实现。 电流环的具体设计参照仿真模型加入PI控制器，通过具体实验验证设计结果。 一般来说，设计后的电流环路的响应速度要求快，没有超调或者超调量小。、29、2 .速度环设计常采用测速发电机作为速度反馈元件，构成模拟式速度反馈系统。 速度环作用：保证速度回路的稳定精度提高速度回路的刚性尽可能扩大速度回路的频带，尽可能降低高频带谐振和未建模的动态特性对系统干扰的敏感度，减小速度环的死区电压。 设计速度环时应考虑：克服伺服电机死区和功率放大器漂移引起的静态误差，保证稳态精度指标，包括积分环以提高系统的静态刚度。 将速度环的闭环特性设计为过衰减，使其主导极成为一对实极，有助于克服摩擦的影响，改善伺服电机的低速运行特性。30、3 .位置环设计可以通过键盘或其他通信方法获取位置指令信号，使用位置传感器获取系统当前输出的实际角位置，使用恒定算法计算控制器的输出，经由D/A转换器输出控制量，以使得系统的实际输出跟随指令信号的变化。 转台控制的核心是位置环的控制算法，是系统控制精度的保障。 图10-20三轴测试转台控制系统原理图，31，10.2.5控制系统的软件设计，1 .上位机软件必须实现的功能包括自测试，转台零，工作状态设置，数据处理和实时图形显示，信号发生(正弦波，三角波) 产生方波和随机信号，用于系统的调试和动作检验)，完成与下级机器的通信，提供良好的接口。 2 .下级机应实现的功能：完成实时控制(系统数据采集、控制量计算及系统当前状态监测等实时任务)、性能测试、数据处理及与上级机的通信。 3 .上下位机的通信设计：上下位机之间的通信利用NE2000兼容的以太网卡(实时通信速度最大为3ms )，采用NetBIOS (networkbasiciinputandoutputsystem )通信协议，上下位机的毫秒级别的实时数据.32、10.2.6控制律的选择和仿真结构使用PID控制其中的内框。 为了提高控制精度，导入了对输入信号进行微分的序列补偿，形成PID和前馈的复合控制，在图10-22中表示得到的转盘和伺服系统的模拟结构图。 另外，图10-22模拟转台和伺服系统的结构图，33、10.2.7实际的控制效果是，将三轴测试转台的定时中断时间设定为1ms，在内框负载30kg。 实施加入了PID前馈的复合控制，将得到的指令和追踪实绩示于图10-23 (图中纵轴坐标单位为(o )，横轴单位为时间s )。 图10-23转盘系统PID前馈复合控制结果图，图34、10.1双摆实验系统的计算机控制设计与实现10.2转盘计算机伺服控制系统设计10.3民用机场供油集散系统，图35、10.3民用机场供油系统过程概要， 图10-24民用机场加油系统基本流程图，图36 10.3.2机场加油系统总体结构，图10-25系统总体结构，37，10.3.2网络设计，系统涉及以下三种通信网络：1.直接控制级与现场设备级之间通信网络的可靠性和实现性该二级间的通信网络采用ModbusPlus网络(在产业控制领域广泛利用的1Mbps令牌总线网络)。 2 .直接控制级和监视管理级之间的通信网络系统对直接控制级和监视管理级之间的通信网络的实时性要求不高，可以采用当前最常用的以太网LAN，系统开发和维护容易。 3 .监视管理级的各计算机间的通信网络由于监视管理级与其他系统通信，监视管理级的各计算机间的通信网络对通信速度的要求很高。 同样，该网络也设计为100M以太网lan。 具有监视和管理级别的工作站和具有直接控制级别的现场控制站构成如图10-25所示的以太网lan。. 38、10.3.4功能设计，1 .直接控制级功能设计，其主要功能是数据采集、数据计算、报警触发、现场设备直接控制、过程自动控制。 2 .监控管理级的功能设计方案包括(1)显示过程流及其状态的步骤(2)显示过程设备和仪表的操作状态的步骤(3)显示过程参数、设备的操作参数和统计数据的步骤(4)显示显示某些重要变量(例如，基重压力、供油流量等)的趋势图表(5) 通过音响光学的2种方式进行警告和管理(6)控制泵和电动阀等设备(7)控制3个主要过程(8)设备的维护状态(9)存储重要的变量和系统事件内容和时间(11 )各种记录报告的制作和打印(12 )三级用户访问权限管理(13 ) . 39、10.3.5硬件设计，1 .现场设备级硬件配置根据机场供油系统的技术特点和SCADA系统的功能要求，系统配置的现场测量仪主要有压力、温度、流量和液位4种，控制设备主要为电动阀、变频器和软起动器。 基于网络建设思想，现场设备级所有仪表均选择了智能总线仪表。 2 .直接控制级硬件构成本系统不仅需要收集和传输大量现场数据，还执行包括连续闭环控制在内的各种控制功能，因此直接控制级现场控制站选择PLC。 3 .监视管理级的硬件构成监视管理级的计算机要求快的计算速度、强的信息处理能力、大的存储器容量、强的图形显示功能。 对于本系统的规模和本级的具体任务，只要选择通用的产业控制计算机即可。 另外，为了提高该级别的LAN网络的速度，使用交换机构建网络。 40、10.3.6软件设计，直接控制级和监视管理级各功能由应用软件实现。 监视管理级别的功能复盖了过程监视和生产管理两个级别。 这个层次是硬件的层次，在功能上是监视和管理两个层次。 本质上的差异：监控层的功能对控制过程要求较强的实时性，其实现是以实时数据库为核心的管理层的功能，其重点是对现有数据的统计、报告和查询，因此其实现以关系数据库为中心。图10-25监视管理级的数据整合示意图、41、10.3.7实际上1 .系统整体结构和配置、图10-27民用机场供油系统整体结构和配置示意图、42、2 .直接控制级的开发、I/O点数一般在数百到数千之间，只有一个连续闭环控制电路，其他全部由开关量控制以DCS和SCADA系统为标准进行测量，属于中等规模的小型系统，并且对过程控制对采样周期的要求不太严格。 目前的PLC一般具有较高的运算速度和较强的控制功能，一台PLC能够完全满足该级别的控制需求。 因此，系统的直接控制类中只配置了2台PLC，是一个主要设备。 3 .监控水平开发监控水平的硬件配置示例如图10-27所示。 2台监视工作站由操作员用于监视、操作和控制系统。 2台I/O服务器是冗馀设计，主要用于直接与控制级别的通信，还负责监视站，报警服务器和趋势服务器的功能也由I/O服务器完成。 两个I/O服务器和两个监视工作站可以用作操作工作站和工程工作站。 用不同的身份登陆的话，就可以操作相应的身份。43、4 .开发的系统特点，机场加油SCADA系统方案采用分层整体结构，具有DCS“集中管理、分散控制”的优点。 (1)采用智能总线仪表，克服了传统系统“接线复杂、故障点多”的缺点，实现了现场设备的积极