计算机控制系统--应用实例

1、2 依依审定的教材大纲编写。审定的教材大纲编写。 主编人：高金源主编人：高金源 夏洁夏洁 出版发行：清华大学出版社出版发行：清华大学出版社3可靠性高可靠性高2. 操作性好操作性好3. 实时性强实时性强4. 通用性好、便于扩充通用性好、便于扩充5. 经济效益高经济效益高4系统总体控制方案设计；系统总体控制方案设计；系统硬件设计、选择与开发；系统硬件设计、选择与开发；软硬件的可靠性设计；软硬件的可靠性设计；确定满足一定经济指标的目标函数，建立被控对象的数确定满足一定经济指标的目标函数，建立被控对象的数学模型并针对目标函数进行控制算法规律设计；学模型并针对目标函数进行控制算法规律设计；软件设计与开发

2、；软件设计与开发；系统整体调试等。系统整体调试等。 微机控制系统设计，虽然随控制对象、设备种类、微机控制系统设计，虽然随控制对象、设备种类、控制方式、规模大小等不同而有所差异，但系统设计控制方式、规模大小等不同而有所差异，但系统设计的基本内容和主要步骤是大体相同的。主要包括：的基本内容和主要步骤是大体相同的。主要包括：510.1 双摆实验系统的计算机控制设计与实现双摆实验系统的计算机控制设计与实现10.2 转台计算机伺服控制系统设计转台计算机伺服控制系统设计10.3 民用机场供油集散系统民用机场供油集散系统61. 双摆实验控制系统组成双摆实验控制系统组成7 本实验系统控制的目的是：当滑车在导轨

3、上以一定速度和本实验系统控制的目的是：当滑车在导轨上以一定速度和加速度运动时，应保持双摆的摆动角度最小；或双摆有任加速度运动时，应保持双摆的摆动角度最小；或双摆有任一初始摆角时，系统将使双摆迅速返回平衡位置。一初始摆角时，系统将使双摆迅速返回平衡位置。 为实现上述控制目的，提出如下性能指标要求：为实现上述控制目的，提出如下性能指标要求：(1) 计算机计算机D/A输出输出100mV时，电机应启动。时，电机应启动。 (2) 滑车最大运动速度为滑车最大运动速度为 0.4ms，D/A的最大输出对应滑车的的最大输出对应滑车的最大运行速度。最大运行速度。(3) 当有较大的初始扰动（上摆角初始角度为当有较大

4、的初始扰动（上摆角初始角度为50o）时，上下摆的）时，上下摆的摆角到达稳态时间摆角到达稳态时间5s6s，摆动次数，摆动次数34次。次。(4) 当滑车从偏离零位处回归零位时，上下摆的摆角到达稳态时间当滑车从偏离零位处回归零位时，上下摆的摆角到达稳态时间5s6s，摆动次数，摆动次数34次。次。8 整个系统结构示意整个系统结构示意图如图图如图10-2所示，所示，控制系统方块图如控制系统方块图如图图10-3所示。所示。图图10-2 双摆计算机控制系统结构图双摆计算机控制系统结构图图图10-3 双摆计算机控制系统方块图双摆计算机控制系统方块图9 利用拉格朗日方程建立双摆系统的动力学方程并进行适当利用拉格

5、朗日方程建立双摆系统的动力学方程并进行适当的简化，以得到在小扰动情况下系统的线性化状态方程。的简化，以得到在小扰动情况下系统的线性化状态方程。 非保守系统的非保守系统的拉格朗日方程拉格朗日方程 iiiFqLqLdtdn,i21L：拉格朗日函数：拉格朗日函数=系统的总能量系统的总能量-系统的总势能系统的总势能 系统各个系统各个自由度的自由度的广义坐标广义坐标 广义坐标对广义坐标对于时间的一于时间的一阶导数阶导数 驱动每个自由度运驱动每个自由度运动的广义力或力矩动的广义力或力矩 系统自系统自由度数由度数 10：拖动电机对于滑车的控制力：拖动电机对于滑车的控制力：滑车质量：滑车质量：上摆关节的质量：

6、上摆关节的质量：下摆关节的质量（包括摆锤）：下摆关节的质量（包括摆锤）：滑车距参考坐标系原点的横坐标：滑车距参考坐标系原点的横坐标：上摆质心距滑车铰链的长度：上摆质心距滑车铰链的长度：关节铰链距滑车铰链的长度（上：关节铰链距滑车铰链的长度（上摆杆的摆长）摆杆的摆长）：关节铰链距下摆质心的长度：关节铰链距下摆质心的长度：上摆摆动角度：上摆摆动角度：下摆摆动角度：下摆摆动角度：下摆关节摆动角度，且满足：下摆关节摆动角度，且满足：上摆摆杆的转动惯量：上摆摆杆的转动惯量：下摆摆杆的转动惯量：下摆摆杆的转动惯量F2mx1l2l3lM1m1J2J图图10-4 双摆系统受力分析图双摆系统受力分析图11 滑车

7、滑车双摆系统是具有三个自由度的机械系统，其第一个双摆系统是具有三个自由度的机械系统，其第一个自由度的广义驱动力由力矩电机产生，第二、三个自由度自由度的广义驱动力由力矩电机产生，第二、三个自由度均为摆杆相对于铰链的自由摆动，广义力为零。均为摆杆相对于铰链的自由摆动，广义力为零。建立系统的拉格朗日方程如下：建立系统的拉格朗日方程如下： 12 忽略由速度引起的向心力和哥氏力忽略由速度引起的向心力和哥氏力 （为上摆杆长度），（为上摆杆长度）， 可视为下摆杆长度可视为下摆杆长度 sin( ) 1)cos(21ll 3l01J02J令令 TTxxxxxxxxX654321车位置车位置 车速度车速度 mmx

8、xgMxxMxxmmmmmggxxMlmlmlMxxxxmmmmggmlml121122331212244111115566121223130100000000001000100000()0010000010000 Fl100 双摆系统在平衡位置附近的线性状态方程：双摆系统在平衡位置附近的线性状态方程： 上摆角上摆角 上摆角上摆角速率速率 下摆角下摆角速率速率 下摆角下摆角 13 直流伺服电机在忽略了感抗的影响以及启动死区电压后，直流伺服电机在忽略了感抗的影响以及启动死区电压后，可以视为一个二阶的线性系统。可以视为一个二阶的线性系统。 即有即有图图10-5 电机模型电机模型14etaetaK

9、Kmm grxMrJ RMrJxxK Kmm g mm rJmxgm lMrJ Rlml MrJxxmmmmggm lm l212122232121224221111 15612121313010000()0000()000100() ()000()()0000010000 taataxr KMrJ Rxxuxr KMrJ Rlxx1223421560()0()00 15系统的速度环设计系统的速度环设计执行电机的死区达到执行电机的死区达到1V，即有，即有 VUdead1为满足克服死区电压的指标要求，引为满足克服死区电压的指标要求，引入模拟放大环节，使入模拟放大环节，使D/A输出输出0.1V时电

10、机启动，则从计算机输出点到控时电机启动，则从计算机输出点到控制电机输入点之间的放大倍数必须满制电机输入点之间的放大倍数必须满足足deadKU0(/0.1) 为了满足为了满足D/A输出满量程输出满量程5V时对应滑车最大速度时对应滑车最大速度0.4ms的要求，需要在控制系统结构中引入测速机输出进行速度反馈。的要求，需要在控制系统结构中引入测速机输出进行速度反馈。采用稳态数值，有采用稳态数值，有 gwmVVUKK KK Krrmaxmaxmax12 图图10-6 双摆控制系统的模拟内环双摆控制系统的模拟内环16 考虑放大器箱的放大倍数，考虑放大器箱的放大倍数，D/A输出电压输出电压u满足：满足： 则

11、描述系统的线性化状态方程（则描述系统的线性化状态方程（10-8）可以改写为）可以改写为 eegwKKK K K r2 令令aauuuKKK012() etaetaK KmmgrxMrJ RMrJxxK Kmmg mmrJmxgmlMrJ R lm lMrJxxmmmmggmlml212122232121224221111 15612121313010000()0000()000100() ()000()()0000010000 tataxrK K KMrJ RxxuxrK K KMrJ R lxx11222341221560()0()00 A XB u17 根据电机的模型以及电机的相关参数可知

12、，该电根据电机的模型以及电机的相关参数可知，该电机的机电时间常数为：机的机电时间常数为： (s) 根据采样周期的选取原则，可以将采样周期选择为：根据采样周期的选取原则，可以将采样周期选择为：msT1018 这里采用无限时间离散二次型的代价函数：这里采用无限时间离散二次型的代价函数： TTkJXk QX kuk Ru k01( )( )( )( )2 其中其中Q、R阵的初始设置如下：阵的初始设置如下： Q100000000.500000010000000010000001000000001 R0.1 可利用可利用Matlab中的函数中的函数dlqr计算得反馈增益计算得反馈增益K等：等：K,P,e

13、=dlqr(F,G,Q,R)车位置、上摆角度、下摆角度车位置、上摆角度、下摆角度可直接测量并用于状态反馈；可直接测量并用于状态反馈；车速度、上下摆角的速度不可直接车速度、上下摆角的速度不可直接测量，这里采用位移量差分计算得到测量，这里采用位移量差分计算得到 19图图10-7 双摆计算机控制系统的程序流程图双摆计算机控制系统的程序流程图201. 摆角扰动闭环控制（上摆角初始扰动角度摆角扰动闭环控制（上摆角初始扰动角度50o） 图图10-8 未加控制的上摆角曲线未加控制的上摆角曲线 图图10-9未加控制的下摆角曲线未加控制的下摆角曲线 图图10-10 施加最优控制的上摆角曲线施加最优控制的上摆角曲

14、线图图10-11施加最优控制的下摆角曲线施加最优控制的下摆角曲线 横轴为时间轴，单位为横轴为时间轴，单位为s，纵轴为角度轴，单位为（纵轴为角度轴，单位为（o）212. 滑车位置回零控制（滑车从滑车位置回零控制（滑车从-0.3m处回归零位）处回归零位）图图10-12 未加控制的上摆角曲线未加控制的上摆角曲线 图图10-13未加控制的下摆角曲线未加控制的下摆角曲线图图10-14 施加最优控制的上摆角曲线施加最优控制的上摆角曲线 图图10-15施加最优控制的下摆角曲线施加最优控制的下摆角曲线 横轴为时间轴，单位为横轴为时间轴，单位为s，纵轴为角度轴，单位为（纵轴为角度轴，单位为（o）2210.1 双

15、摆实验系统的计算机控制设计与实现双摆实验系统的计算机控制设计与实现10.2 转台计算机伺服控制系统设计转台计算机伺服控制系统设计10.3 民用机场供油集散系统民用机场供油集散系统23 “高频响、超低速、宽调速、高精度高频响、超低速、宽调速、高精度”成为成为仿真转台的主要性能指标和发展方向。仿真转台的主要性能指标和发展方向。 “高频响高频响”反映转台跟踪高频信号的能力强；反映转台跟踪高频信号的能力强； “超低速超低速”反映系统的低速平稳性好；反映系统的低速平稳性好； “宽调速宽调速”可提供很宽的调速范围；可提供很宽的调速范围； “高精度高精度”指系统跟踪指令信号的准确程度高。指系统跟踪指令信号的

16、准确程度高。24图图10-16 三轴模拟转台及其示意图三轴模拟转台及其示意图25 转台三个框架的控制是相互独立的，因此转台的转台三个框架的控制是相互独立的，因此转台的控制系统可以采用如图控制系统可以采用如图10-17所示的原理方案。所示的原理方案。图图10-17 三轴测试转台系统总体控制结构图三轴测试转台系统总体控制结构图26 由于转台三个框架的控制是相互独立的，因此可以分别对每个由于转台三个框架的控制是相互独立的，因此可以分别对每个框架的控制系统进行设计。框架的控制系统进行设计。 进行拉氏变换，忽略电枢电感，得到电枢电压与输出角速进行拉氏变换，忽略电枢电感，得到电枢电压与输出角速度之间的传递

17、函数度之间的传递函数( )( )caaacemksKUsR JsR Bk kT s127 一般的设计过程是从内向外，依次设计电流环、一般的设计过程是从内向外，依次设计电流环、速度环和位置环，根据系统整体的性能指标，适速度环和位置环，根据系统整体的性能指标，适当分配相应的设计指标，按典型系统设计控制及当分配相应的设计指标，按典型系统设计控制及补偿环节。补偿环节。图图10-18 转台控制系统框图转台控制系统框图28 电流环负反馈可以充分利用电机所允许的过载能电流环负反馈可以充分利用电机所允许的过载能力，同时限制电流的最大值，从而对电机启动或力，同时限制电流的最大值，从而对电机启动或制动器起到快速的

18、保护作用。制动器起到快速的保护作用。 设计得到的电流环控制器直接在功放硬件电路中设计得到的电流环控制器直接在功放硬件电路中实现。实现。 在电流环的具体设计中，参照仿真模型加入在电流环的具体设计中，参照仿真模型加入PI控控制器，通过具体的实验验证设计结果。制器，通过具体的实验验证设计结果。 一般要求设计后的电流环回路响应速度快、无超一般要求设计后的电流环回路响应速度快、无超调或超调量很小。调或超调量很小。29 常采用测速发电机作为速度反馈元件，构成模拟式速度反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。馈系统。 速度环作用：速度环作用： 保证速度回路的稳态精度；保证速度回路的稳态精

19、度； 提高速度回路的刚度；提高速度回路的刚度； 尽可能拉宽速度回路的频带；尽可能拉宽速度回路的频带； 对高频段的谐振和未建模动态特性有较大的衰减；对高频段的谐振和未建模动态特性有较大的衰减； 尽可能降低系统对扰动的灵敏度；尽可能降低系统对扰动的灵敏度； 减小速度环的死区电压。减小速度环的死区电压。 速度环设计时应考虑：速度环设计时应考虑： 应包含一个积分环节，以克服伺服电机的死区和功率放大器漂移应包含一个积分环节，以克服伺服电机的死区和功率放大器漂移所造成的静态误差，保证稳态精度指标，提高系统静态刚度。所造成的静态误差，保证稳态精度指标，提高系统静态刚度。 将速度环的闭环特性设计为过阻尼，使其

20、主导极点为一对实极点，将速度环的闭环特性设计为过阻尼，使其主导极点为一对实极点，从而有利于克服摩擦的影响，改善伺服电机低速运行特性。从而有利于克服摩擦的影响，改善伺服电机低速运行特性。30 工作过程是：通过键盘或其它通信方式获取位置指令信号，工作过程是：通过键盘或其它通信方式获取位置指令信号，通过位置传感器获取系统当前输出的实际角位置，按照一通过位置传感器获取系统当前输出的实际角位置，按照一定的算法计算出控制器的输出，经过定的算法计算出控制器的输出，经过D/A转换器输出控转换器输出控制量，使得系统的实际输出跟踪指令信号的变化。制量，使得系统的实际输出跟踪指令信号的变化。 转台控制核心是位置环的

21、控制算法，它是系统控制精度的保障。转台控制核心是位置环的控制算法，它是系统控制精度的保障。 图图10-20 三轴测试转台控制系统原理图三轴测试转台控制系统原理图311. 上位机软件需要实现的功能包括：上位机软件需要实现的功能包括： 自检、转台回零、工作状态设置、数据处理及实时图形显示、信自检、转台回零、工作状态设置、数据处理及实时图形显示、信号发生（产生正弦、三角波、方波及随机信号供系统调试及工作号发生（产生正弦、三角波、方波及随机信号供系统调试及工作检测使用）、完成与下位机的通信、提供良好的界面。检测使用）、完成与下位机的通信、提供良好的界面。2. 下位机需要实现的功能：下位机需要实现的功能

22、： 实时控制（完成系统的数据采集、控制量解算以及系统当前状态实时控制（完成系统的数据采集、控制量解算以及系统当前状态监测等实时任务）、性能测试、数据处理以及完成与上位机的通监测等实时任务）、性能测试、数据处理以及完成与上位机的通信。信。3. 上下位机的通信设计：上下位机的通信设计： 上下位机之间的通信利用上下位机之间的通信利用NE2000兼容的以太网卡（实时通信速兼容的以太网卡（实时通信速率可以达率可以达3ms），采用），采用Netbios（Network basic input and output system）通信协议，实现上下位机毫秒级的实时）通信协议，实现上下位机毫秒级的实时数据传输

23、。数据传输。 32 采用采用PID控制其中的内框。为了提高控制精度，再引入一控制其中的内框。为了提高控制精度，再引入一个对输入信号进行微分的顺控补偿，形成个对输入信号进行微分的顺控补偿，形成PID加前馈的复加前馈的复合控制，对应得到的转台及伺服系统的仿真结构图如图合控制，对应得到的转台及伺服系统的仿真结构图如图10-22所示。所示。 图图10-22 模拟转台及伺服系统结构图模拟转台及伺服系统结构图33 设定三轴测试转台的定时中断时间为设定三轴测试转台的定时中断时间为1ms，并在内框负，并在内框负载载30kg。实施。实施PID加前馈的复合控制，得到指令与跟踪加前馈的复合控制，得到指令与跟踪实际效

24、果如图实际效果如图10-23所示（图中纵轴坐标单位为所示（图中纵轴坐标单位为(o)，横，横轴单位为时间轴单位为时间s）。）。 图图10-23 转台系统转台系统PID加前馈复合控制结果图加前馈复合控制结果图3410.1 双摆实验系统的计算机控制设计与实现双摆实验系统的计算机控制设计与实现10.2 转台计算机伺服控制系统设计转台计算机伺服控制系统设计10.3 民用机场供油集散系统民用机场供油集散系统35图图10-24 民用机场供油系统基本工艺示意图民用机场供油系统基本工艺示意图36图图10-25 系统总体结构系统总体结构37 系统涉及以下系统涉及以下3种通信网络：种通信网络：1. 直接控制级与现场

25、设备级之间的通信网络直接控制级与现场设备级之间的通信网络 高可靠性和高实时性是对这一级网络的核心要求。这两级之间的高可靠性和高实时性是对这一级网络的核心要求。这两级之间的通信网络采用通信网络采用Modbus Plus网（一种广泛应用于工业控制领域网（一种广泛应用于工业控制领域的的1Mbps令牌总线网）。令牌总线网）。2. 直接控制级与监控管理级之间的通信网络直接控制级与监控管理级之间的通信网络 系统对直接控制级与监控管理级间的通信网络的实时性要求并不系统对直接控制级与监控管理级间的通信网络的实时性要求并不高，可采用目前最为常用的以太局域网，便于系统的开发和维护。高，可采用目前最为常用的以太局域

26、网，便于系统的开发和维护。3. 监控管理级各计算机之间的通信网络监控管理级各计算机之间的通信网络 由于监控管理级还要与其它系统通信，故监控管理级各计算机之由于监控管理级还要与其它系统通信，故监控管理级各计算机之间的通信网络对通信速度的要求较高。同样，该网络也设计为间的通信网络对通信速度的要求较高。同样，该网络也设计为100M以太局域网。以太局域网。 监控管理级各台工作站以及直接控制级的现场控制站共同监控管理级各台工作站以及直接控制级的现场控制站共同构成了如图构成了如图10-25所示的一个以太局域网。所示的一个以太局域网。381. 直接控制级功能设计，其主要功能包括：直接控制级功能设计，其主要功

27、能包括： 数据采集、数据计算、触发报警、对现场设备进行直接控制、对工艺过数据采集、数据计算、触发报警、对现场设备进行直接控制、对工艺过程进行自动控制。程进行自动控制。2监控管理级功能设计，包括：监控管理级功能设计，包括：(1) 显示工艺流程及其状态显示工艺流程及其状态(2) 显示工艺过程装置及测量仪表的工作状态显示工艺过程装置及测量仪表的工作状态(3) 显示工艺过程参数、设备工作参数以及统计数据显示工艺过程参数、设备工作参数以及统计数据(4) 显示某些重要变量（如机坪压力、加油流量等）的趋势图显示某些重要变量（如机坪压力、加油流量等）的趋势图(5) 采用声光两种方式报警提示及管理采用声光两种方

28、式报警提示及管理(6) 对泵或电动阀门等设备进行控制对泵或电动阀门等设备进行控制(7) 对三个主要的工艺过程进行控制对三个主要的工艺过程进行控制(8) 设置设备维修状态设置设备维修状态(9) 设置系统参数设置系统参数(10) 存储关键变量和系统事件内容及时间等数据。存储关键变量和系统事件内容及时间等数据。(11) 生成及打印各种记录报表生成及打印各种记录报表(12) 进行三级用户访问权限管理进行三级用户访问权限管理(13) 进行应用程序管理进行应用程序管理(14) 与外界通信，在远程监控终端上实现对本系统的远程监控和管理。与外界通信，在远程监控终端上实现对本系统的远程监控和管理。 391. 现

29、场设备级硬件配置现场设备级硬件配置 根据机场供油系统的工艺特点以及根据机场供油系统的工艺特点以及SCADA系统的功能要求，系系统的功能要求，系统配置的现场测量仪表主要有压力、温度、流量和液位四大类，统配置的现场测量仪表主要有压力、温度、流量和液位四大类，而控制设备主要是电动阀、变频器和软起动器。根据基于网络的而控制设备主要是电动阀、变频器和软起动器。根据基于网络的建设思想，现场设备级的所有仪表均选用智能化总线仪表。建设思想，现场设备级的所有仪表均选用智能化总线仪表。2. 直接控制级硬件配置直接控制级硬件配置 本系统既有大量的现场数据需要采集与传输，还要执行各种控制本系统既有大量的现场数据需要采

30、集与传输，还要执行各种控制功能，包括连续闭环控制，因此，直接控制级的现场控制站选用功能，包括连续闭环控制，因此，直接控制级的现场控制站选用PLC。3. 监控管理级硬件配置监控管理级硬件配置 监控管理级的计算机要求有较快的运算速度，较强的信息处理能监控管理级的计算机要求有较快的运算速度，较强的信息处理能力，较大的存储量以及较强的图形显示功能。针对本系统的规模力，较大的存储量以及较强的图形显示功能。针对本系统的规模和本级的具体任务，选用通用的工业控制计算机即可。另外，为和本级的具体任务，选用通用的工业控制计算机即可。另外，为提高本级局域网络的速度，采用交换机来组网。提高本级局域网络的速度，采用交换

31、机来组网。40 直接控制级与监控管理级的各项功能由应用软件实现。直接控制级与监控管理级的各项功能由应用软件实现。 监控管理级的功能涵盖了过程监控与生产管理两个层次。监控管理级的功能涵盖了过程监控与生产管理两个层次。该级在硬件上是一级，在功能上是监控和管理两层。该级在硬件上是一级，在功能上是监控和管理两层。 本质区别：监控层功能面向控制过程，要求较强的实时性，本质区别：监控层功能面向控制过程，要求较强的实时性，其实现以实时数据库为核心；而管理层功能重在对已有数其实现以实时数据库为核心；而管理层功能重在对已有数据进行统计、报表和查询，因此其实现以关系数据库为核据进行统计、报表和查询，因此其实现以关

32、系数据库为核心。心。图图10-25 监控管理级数据集成示意图监控管理级数据集成示意图41图图10-27 民用机场供油系统总体结构及其配置示意图民用机场供油系统总体结构及其配置示意图42 I/O点数一般在几百到几千之间，只有一个连续闭环点数一般在几百到几千之间，只有一个连续闭环控制回路，其它都是开关量控制，按控制回路，其它都是开关量控制，按DCS或或SCADA系统的标准来衡量，属于中等偏小型规模的系统；且系统的标准来衡量，属于中等偏小型规模的系统；且对于过程控制而言，采样周期要求不是很苛刻。目前对于过程控制而言，采样周期要求不是很苛刻。目前的的PLC一般都具有较高的运算速度和较强的控制功能，一般都具有较高的运算速度和较强的控制功能，一台一台PLC完全能够胜任该级的控制需求。为此系统直完全能够胜任该级的控制需