《液压控制系统》-第８章　液压控制系统的计算机控制技术

第８章液压控制系统的计算机控制技术８.１计算机控制系统概述８.２计算机控制系统的理论基础８.３输入输出接口技术８.４数字PID控制８.５分布式计算机控制系统８.６计算机控制在液压控制系统中的应用返回８.１计算机控制系统概述８.１.１基本概念控制器是电液伺服系统中的核心部件,它既可以由模拟控制器构成,也可以由数字控制器构成,而大部分数字控制器是由计算机来实现的,因此,计算机控制系统是指采用了数字控制器的自动控制系统.在计算机控制的电液伺服系统中,用计算机取代模拟式控制单元,从而实现了对液压动力机构的有效控制.计算机控制系统包括控制计算机(包括硬件、软件和网络)和被控对象(包括负载、检测传感器和动力机构)两部分.计算机闭环控制的电液伺服系统如图８-１所示.下一页返回８.１计算机控制系统概述被控对象(负载)的输出信号是连续时间信号,用反馈传感器检测被控参数(位移、速度、加速度或压力物理量),传感器输出的电信号由A/D转换器转换为数字量反馈给数字计算机.数字计算机将数字式反馈信号与输入信号比较,根据误差值和一定的控制算法产生数字式控制量,然后又经过D/A-转换器变为连续模拟信号驱动动力机构运动,使被控参数与设定值保持一致.这就构成了计算机闭环控制系统.如果将图８-１中的反馈通道断开,就构成了计算机开环控制,其控制结构简单,但是性能较差.上一页下一页返回８.１计算机控制系统概述计算机控制系统的核心是控制程序,其执行过程一般为:首先对被控参数按照一定的时间间隔进行采样,然后对采样数据进行处理,按照预先设计的控制算法获得当前控制量,通过D/A-转换将信号作用于动力机构,在控制过程中对系统的状态进行监控和管理.对于电液伺服系统来说,它的计算机控制系统是一个实时控制系统,要求在一定时间间隔内完成数据采集、计算和控制输出,如果超出了该时间间隔,也就失去了控制的时机,控制过程则失去意义.计算机控制系统中同时存在着连续(模拟)信号和数字(离散)信号,计算机控制器的输出、输入信号和内部处理信号都是数字信号,而生产过程的输入和输出信号都是模拟信号,因而对计算机控制系统的分析和设计不能完全采用连续控制理论,需要运用离散控制理论.上一页下一页返回８.１计算机控制系统概述８.１.２系统组成及特点计算机控制系统由于用途和目的不同,其规模、结构和功能存在较大差别,但是都有硬件和软件两个基本组成.硬件是计算机控制系统的基础,软件是计算机控制系统的灵魂.计算机控制系统的硬件是指计算机本体及其外部设备,主要由主机、过程通道、外部设备、通信接口、检测设备等组成,如图８-２所示.上一页下一页返回８.１计算机控制系统概述主机是整个控制系统的核心,由中央处理器(CPU)和内存储器(ROM-和RAM)组成,其作用主要是执行放置在存储器中的程序,采集被控对象的状态参数进行处理、分析判断和运算,根据运算结果进行控制决策,发出各种控制命令.主机要求具有可靠性高、实时控制和环境适应性强等特点,并具有完善的外部设备和软件系统.目前常用的主机类型有PC总线CPU、单片机、DSP、ARM、PLC等.系统总线分为内部总线和外部总线两大类,其中内部总线的作用是在计算机内部模块之间控制地址与数据信号,并为各模块提供统一的电源;外部总线的作用是在计算机系统之间或计算机与外部设备之间提供数字通信通道.上一页下一页返回８.１计算机控制系统概述外部设备的作用是实现计算机与外界的信息交换,它包括输入设备、输出设备和外存储器等.常用的输入设备有键盘和鼠标,用于输入程序、数据和操作指令;常用的输出设备有显示器、打印机和记录仪等,它们以字符或图形的方式反映被控对象的运行工况和相关的控制信息;最常用的外存储器有磁盘、打印机和磁带机,用于存放程序和数据,并作为内存储器的后备存储器.上一页下一页返回８.１计算机控制系统概述过程通道是主机与被控对象之间信号传递和转换的连接通道.按照信号传送的方向分为输入通道和输出通道,按照信号形式可以分为模拟量通道和数字量通道.被控对象的物理参数一般是连续变化的非电量,在模拟量输入通道中必须通过传感器将非电物理量转换为连续变化的模拟电信号,并通过A/D转换器得到计算机可以接收的数字量;计算机输出的数字信号往往要通过D/A-转换器变为连续变化的模拟量,去控制连续动作的执行机构.对于数字信号,可以直接通过数字量输入和输出通道来传送.上一页下一页返回８.１计算机控制系统概述通信接口是连接过程通道与计算机的中间设备.计算机系统中使用的接口设备通常为数字接口,分为并行接口、串行接口和脉冲接口,CPU-均有相应的可编程接口芯片.当多个计算机之间需要信息传递时,每一套计算机必须设置网络通信接口,例如RS２３２、RS４８５、以太网接口或现场总线接口等.软件系统是指计算机控制系统中具有各种功能的计算机程序的综合,例如完成操作、监控、控制、管理、计算和自诊断等功能的程序.软件质量关系到计算机运行和控制效果的好坏、硬件功能的充分发挥和推广应用.从功能区分,计算机控制系统的软件可分为系统软件和应用软件.上一页下一页返回８.１计算机控制系统概述系统软件是计算机的通用性和支撑性软件,它主要包括操作系统、数据库管理软件、编程软件、诊断软件以及网络通信等软件.系统软件通常由计算机厂商或专门的软件公司研制,从市场上购买.应用软件是计算机在系统软件支持下实现各种应用功能的专用程序,具体来说,是用户根据要解决的控制问题而编写的各种控制和管理程序,其优劣直接影响系统的控制品质和管理水平.随着微电子技术的不断发展和对自动控制系统功能要求的不断提高,计算机控制系统的优越性越来越突出,现代控制系统不管是简单还是复杂的,几乎都采用了计算机进行控制.上一页下一页返回８.１计算机控制系统概述８.１.３发展概况及趋势世界上第一台数字计算机于１９４６年在美国诞生,起初计算机用于科学计算和数据处理,此后人们开始尝试将计算机用于导弹和飞机的控制.从２０世纪５０年代开始,首先在化工生产中实现了计算机的自动测量和数据处理,这是计算机控制系统发展的初级阶段.由此,工业计算机控制进入实用和开始逐步普及的阶段.由于小型计算机的商品化,计算机控制系统的可靠性不断提高,而成本却逐年下降,控制算法也在应用中得到考验和发展,因此计算机在生产控制中的应用有了很大发展.此阶段中,受设备、控制理论等方面的约束,计算机控制以集中型的计算机控制系统为主.上一页下一页返回８.１计算机控制系统概述随着超大规模集成电路技术的突破,微型计算机于１９７１年问世.微型计算机的出现使得计算机控制进入了一个崭新的发展阶段.计算机控制系统开始逐步普及,与此同时,控制结构、控制理论、实时控制的安全性和可靠性也得到充分的研究,特别是分级分布式控制系统结构的理论与方法得到了重视和应用.另外,由于现代工业的复杂性以及生产过程的高度连续化、大型化等特点,使得局部范围的单变量控制难以提高整个系统的控制品质,必须采用先进控制结构和优化控制等来解决.这就导致了计算机控制系统的结构发生变化,从传统的以集中控制为主的系统逐渐转变为集散型控制系统(DCS).DCS的控制策略是分散控制、集中管理,同时配合友好、方便人机监视和数据共享,它成功地解决了传统集中控制系统可靠性低的问题,从而使计算机控制系统获得了大规模的推广应用.上一页下一页返回８.１计算机控制系统概述随着微处理器在测量仪表、执行装置等自动化仪表上的应用不断深入,促使自动化仪表和装置向智能化方向发展.２０世纪９０年代初出现了将现场控制器和智能化仪表等现场设备用现场通信总线互连构成的新型分散控制系统———现场总线控制系统(FCS).FCS具有开放性、互操作性和彻底分散性等特点,并且易于同上层管理级以及互联网实现互联,以构成多级网络控制系统.FCS的可靠性更高,成本更低,设计、安装调试、使用维护更简便.因此,FCS已成为现今计算机控制系统发展的新潮流.上一页下一页返回８.１计算机控制系统概述计算机控制的发展不仅与计算机技术的发展紧密相关,而且与控制理论的应用与发展也有密切的关系.几十年来,随着计算机技术的发展,计算机控制系统及其技术已经取得了巨大的进步和发展,得到了广泛应用.为了充分发挥计算机控制系统的更大潜力,需要进一步加强先进控制理论,特别是智能控制理论的研究,发展各种实用简便的先进控制策略.计算机控制技术的发展与以数字化、智能化、网络化为特征的信息技术的发展密切相关,微电子技术、传感器与检测技术、计算机技术、网络与通信技术、先进控制技术、优化调度技术等都对计算机控制系统的发展产生了重要影响.计算机控制系统的发展趋势大致如下上一页下一页返回８.１计算机控制系统概述首先,先进计算机控制系统得到大力推广与普及.可编程序控制器(PLC)是当前应用最成功的计算机控制系统,高端的可编程序控制器已经完全具备了工业控制计算机的主要功能,除了具有逻辑控制、顺序控制、数字控制功能以外,还具有人机交互、网络通信等功能.以单片机、DSP、基于ARM-芯核的３２位单片机为核心的专用控制装置、通用型控制模块等低成本基础自动化装置将得到迅速发展.以位总线、现场总线、工业以太网等网络通信技术为基础,具有先进控制、优化调度、系统自诊断等功能的新型DCS和FCS控制系统,将向低成本综合自动化系统方向发展.上一页下一页返回８.１计算机控制系统概述其次,智能控制系统得到深入研究与开发.智能控制已经成为解决复杂系统控制与优化的主要途径,而计算机控制系统是智能控制技术应用的主要载体.当前,智能控制系统主要的发展方向有:复杂系统的智能优化与控制,自适应、自学习和自组织系统,分级递阶智能控制系统等.进化计算、仿生计算、模糊系统、神经网络、神经模糊系统、学习算法等已经成为复杂控制系统优化与控制的重要方法与工具.上一页返回８.２计算机控制系统的理论基础８.２.１信号的采样与保持在计算机控制系统中,连续信号的采集过程可分为采样和量化两个过程:连续模拟信号f(t)在理想脉冲序列δT(t)的采样作用下,变为时间离散和幅值连续的离散模拟信号f∗-(t);该信号经过量化后,变为计算机能够接收的数字信号f(k).所谓量化,就是采用一组编码(例如８位二进制编码范围为０~２５５)逼近离散模拟信号的幅值.连续信号的采集过程可用图８-３来表示,图中q表示量化单位,T-表示采样周期.计算机控制系统的采样周期T-通常远小于被控对象的时间常数,因此其信号采样过程可以看作理想采样.下一页返回８.２计算机控制系统的理论基础被控对象一般只能接收连续模拟信号,因此,计算机控制系统输出的离散信号需要保持器将其转换为连续信号.最简单同时也是工程上应用最广泛的保持器是零阶保持器,这是一种采用恒值外推规律的保持器,它把采样时刻nT-的原样保持到下一采样时刻-(n＋１)T.零阶保持器输入与输出信号的关系如图８-４所示.８.２.２Z-变换理论线性连续系统的动态和稳态特性可以应用拉普拉斯变换的方法来分析,与此类似,线性离散系统的性能可以采用Z-变换的分析方法.Z-变换是从拉普拉斯变换中直接导出的一种变换方法,它是研究离散系统的一种重要数学分析工具.表８-１给出了常用函数的拉普拉斯变换和Z-变换对照,利用此表可根据给定函数直接查出对应的Z-变换,而不必进行烦琐的计算.上一页下一页返回８.２计算机控制系统的理论基础８.２.３脉冲传递函数在线性离散系统理论中,在初始条件为零的情况下,系统离散输出信号的Z-变换Y(z)与离散输入信号的Z-变换R(z)之比,定义为脉冲传递函数,或Z-传递函数,即系统的单位脉冲函数G-z(-)-是系统的单位脉冲响应g-t(-)-经过采样后离散信号g∗-t(-)-的Z变换,即上一页下一页返回８.２计算机控制系统的理论基础在离散系统中,可以把开环脉冲传递函数G-z(-)-具有z＝１的极点数v-作为划分系统类型的标准,极点数v＝０,１,２的系统分别称为０型、Ⅰ型和Ⅱ型系统.离散系统的静态位置误差系数、静态速度误差系数和静态加速度误差系数分别为:静态位置误差系数:Kp＝lim-z→１-１＋G(z)-[-]-;静态速度误差系数:Kv＝lim-z→１(z－１)G(z);静态加速度误差系数:Ka＝lim-z→１(z－１)２G(z).表８-２给出了不同类型系统的静态误差系数。上一页下一页返回８.２计算机控制系统的理论基础８.２.４液压控制系统的离散分析将连续系统离散化的方法有很多,包括双线性变换法、前向差分法、后向差分法、冲激不变法、零极点匹配法等.这里仅介绍常见的双线性变换法、前向差分法和后向差分法.(１)双线性变换法.上一页下一页返回８.２计算机控制系统的理论基础(２)前向差分法.(３)后向差分法.上一页下一页返回８.２计算机控制系统的理论基础MATLAB提供了连续系统与离散系统相互转换的函数,如表８-３所示.闭环系统传递函数的极点为z１＝－８.９８７７,z２＝－０.００１３,z３＝０,由于有一个极点在单位圆外,所以系统不稳定.由此可见,采样周期对于系统的稳定性影响很大,随着采样周期的增大,系统的稳定性变得越来越差.采用临界逼近的方法,能够求出使系统处于稳定状态的最大采样周期约为０.２s.上一页返回８.３输入输出接口技术８.３.１信号调理大多数传感器的输出都是相当小的电压、电流或电阻变化,因此在进一步做模拟或数字处理之前,必须对它们的输出信号做适当调理,即通过放大、电平变换、电隔离、阻抗变换、线性化和滤波将传感器输出的电信号尽可能不失真地转变为标准的电流或电压信号.１)仪表放大器传感器的输出信号不仅电压低,而且内阻高,还伴有较高的共模电压.由于传感器的输出信号一般是放大器的输入信号,因此,一般要求放大器的输入阻抗应远大于信号源内阻,具有较强的抗共模电压干扰能力,在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性度,输入漂移和噪声应足够小,并能附加特定电路,完成增益调整、量程切换以及极性变换等.下一页返回８.３输入输出接口技术对于输出阻抗大、共模电压高的输入信号,需要用到高输入阻抗和高共模抑制比的差动放大器,仪表放大器就是专为这种应用场合设计的放大器.常用的仪表放大器电路原理如图８-８所示.２)隔离放大器在有强电或强电磁干扰的环境中,为了防止电网电压或其他电磁干扰测量回路,通常在模拟量输入通道中采用隔离技术,实现隔离的器件便是隔离放大器,它能在输入与输出信号之间保持电气隔离的同时,实现输出电压与输入电压的线性传输.隔离放大器就其隔离对象而言,分为两端口隔离和三端口隔离两种.两端口隔离是指信号输入部分和输出部分用电气隔离;三端口隔离指信号输入部分、信号输出部分和电源部分彼此隔离.根据隔离的媒介不同,隔离放大器主要可分为３种:电磁隔离(也叫变压器隔离)、光隔离和电容隔离.上一页下一页返回８.３输入输出接口技术典型的变压器耦合两端隔离放大器有ADI公司的AD２０２、AD２０４、AD２０６、AD２０８、１SO２１２P等.下面以AD２０４为例介绍这类放大器,其结构功能如图８-１０所示.AD２０４的引脚１、２、３、４为输入端口运算放大器的引线端,一般接成电压跟随器,也可根据需要外接电阻接成同相比例放大器或反相比例放大器以放大输入信号.接成电压跟随器时,输入电压范围为±５V.输入信号经调制器调制成交流信号后,再经变压器耦合送到解调器,然后由引脚３７、３８输出.输出形式为差动输出,输出范围为±５V.引脚３１、３２为芯片电源输入端,要求直流为１５V,功耗为７５mW.芯片内的DC/DC变换电路把隔离后的电源给隔离放大器的输入级供电,同时送到引脚５、６,电压为±７.５V,驱动能力为２mA,可作为外围电路(如传感器、运放等)的电源.该器件的最大隔离电压为±１０００V-(峰峰值),最大非线性误差为±０.０２５％.上一页下一页返回８.３输入输出接口技术３)电流/电压转换电路为了便于使用,大多数传感器生产厂家往往将传感器与变送器合为一体,其输出信号为４~２０mA-的电流信号,因此,计算机测控系统的调理部分需要将传感器输出的电流信号转换为A/D转换器能直接采集的电压信号.实际电流/电压转换电路可分为无源Ⅰ/V-转换和有源Ⅰ/V-转换两种类型,其基本原理如图８-１１所示.８.３.２A/-D-转换器A/D转换器是模拟量输入通道的核心部件,它将模拟量转换成数字量,实现采样和量化.A/D转换器种类繁多,按转换原理可分为双积分式、逐次逼近式、调制式、并行转换式、余数反馈比较式、V/F转换式等.此外,根据A/D-转换器与CPU-数据交换方式还可分为并行式和串行式.上一页下一页返回８.３输入输出接口技术A/D转换器的主要技术参数包括以下几个.(１)分辨率:通常用转换后数字量的二进制位数表示,如８位、１０位、１２位、１６位等.分辨率为８位表示它可以对满量程的１２８增量做出反应.(２)量程:指所能转换的电压范围,如０~１０V、０~５V、－１０~１０V-等.(３)转换精度:指转换后所得结果相对于实际值的准确度,A/D-转换器的转换精度取决于量化单位、微分线性度误差和积分线性度误差,通常用绝对精度和相对精度两种方法表示.绝对精度常用数字量的位数表示,相对精度用相对于满量程的百分比表示.精度和分辨率不能混淆,即使分辨率很高,温度漂移、线性不良等因素也可能造成精度下降.上一页下一页返回８.３输入输出接口技术(４)转换时间:指启动A/D转换器到转换结束所需的时间,一般为几微秒到几毫秒,逐次逼近式A/D转换器的转换时间为１~２００μs.应按实际应用的需要和成本来确定这一参数.(５)工作温度范围:较好的A/D转换器的工作温度为－４０℃~８５℃,一般为０℃~７０℃.应根据具体应用要求选择适用的型号,超过工作温度范围将不能保证精度指标.AD５７４是美国ADI公司推出的单片高速１２位逐次比较型A/D-转换器,内置双极性电路构成的混合集成转换芯片,具有外接元件少、功耗低、精度高等特点,并且具有自动校零和自动极性转换功能,只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D-转换器,并且带三态缓冲器,可以直接与８位或１６位微型机总线进行接口.图８-１２所示为AD５７４与ISA-总线的典型连线图.上一页下一页返回８.３输入输出接口技术A/D转换器的输入电压可以是单端输入或是双端差动输入,AD５７４属于单端输入,在１０VIN-和AGND之间输入,可输入单极性或双极性电压.AD５７４的数据输出线因有三态输出门,故可以直接连数据总线.若与１２位或１６位数据总线相连,可以将AD５７４的数据输出按位直接连到数据总线上;若接８位数据总线,则需要按字节分时读出.在图８-１２中,７４LS２４５用于数据缓冲,系统地址A０-接AD５７４的A０,因此,当用偶地址写AD５７４时,启动１２位A/D转换;当用偶地址读AD５７４时,读出高８位;奇地址读AD５７４时,读出低４位.上一页下一页返回８.３输入输出接口技术８.３.３D/-A-转换器D/A-转换器将数字量转换成模拟量,是模拟量输出通道的重要组成部分,D/A-转换器按工作方式可分成并行和串行两种.并行D/A-转换器又可分成电流相加型和电压相加型,还有并行数据是二进制数或十进制数之别.并行D/A-转换器转换速度快,应用较多.串行D/A-转换器具有特殊用途,常应用于步进电动机控制等场合.D/A-转换器的主要技术指标如下:(１)分辨率:反映了模拟量输出的灵敏程度,n-位D/A-转换器的分辨率＝-满量程值/２n.在满量程值一定的情况下,分辨率的大小取决于D/A-转换器的位数,位数越高,分辨率越高.上一页下一页返回８.３输入输出接口技术(２)稳定时间:D/A-转换器转换速率的度量是指D/A-转换器输入发生满量程值变化时,其输出达到并保持在所允许的误差范围内所需要的时间,一般为几十纳秒到几微秒.D/A-转换器造成的时间滞后很小,通常不必考虑其延时影响.(３)线性误差:理想D/A-转换器的输入/输出关系是一条直线,但是,元件非线性使之存在非线性误差,一般为０.０１％~０.８０％.(４)输出方式和极性:有电流输出和电压输出两种,若为电流输出方式,应选择０~１０mA或４~２０mA直流电流输出;若为电压输出方式,应选择单极性或双极性输出.(５)温度范围:较好的D/A-转换器的工作温度范围为－４０℃~８５℃,一般转换器的工作温度范围为０℃~７０℃,应按系统使用环境选择合适的器件类型.上一页下一页返回８.３输入输出接口技术图８-１３所示为DAC１２１０与ISA-总线的典型连线图.由于DAC１２１０内有两级缓冲锁存电路,其控制逻辑与CPU-兼容,可以与CPU-直接连接.DAC１２１０输入数据线的高８位连接数据总线的D７~D０,低４位连接数据总线的D７~D４-(左对齐).高/低字节控制信号BYTE１/BYTE２口地址以及第二级缓冲锁存器选通信号XFER口地址,分别为３４０H、３４１H、３４２H,由地址译码器提供.写选通信号WR１和WR２直接连到系统.上一页下一页返回８.３输入输出接口技术８.３.４电流驱动在许多应用场合中,控制信号常常以电流方式传输,这是因为在长距离传输信号时容易引入干扰,而电流传输具有较强的抗干扰能力.因此,必须将A/D转换器输出的电压信号转换为电流信号.例如,在电液控制系统中,电液伺服阀的控制信号通常为－４０~４０mA,需要实现从±１０V到±４０mA的电压/电流转换过程.图８-１４给出了４种V/Ⅰ转换电路.上一页下一页返回８.３输入输出接口技术８.３.５数字量输入输出在计算机控制中,除了模拟量的输入输出以外,开关量的输入输出同样显得十分重要.开关的开断、触点的闭合以及设备的安全状况等都以开关量的形式输入到计算机中;通过开关量的输出可以实现一系列的逻辑控制功能,如开关的闭合、指示灯的亮灭等.小功率输入的开关量输入电路如图８-１５所示,它能够接收从开关、继电器等节点的输入信号,并将节点的接通和断开状态转换成TTL电平信号与计算机相连.为了清除节点因机械抖动而产生的振荡信号,可用图８-１５-(a)所示简单的积分电路,图８-１５-(b)所示为R-S触发器消除开关两次反跳的电路.上一页下一页返回８.３输入输出接口技术若从电磁离合器等大功率器件的节点输入信号,为使节点工作可靠,节点两端至少要加２４V-以上的直流电压.图８-１６所示为采用光耦合器隔离高压与低压.开关量输出通常有TTL电平输出、电子无触点开关输出和继电器输出等形式,为了保证计算机安全、可靠地工作,需加光隔离电路,图８-１７给出了一种带光隔离的开关量输出电路.为了驱动继电器或其他执行部件,输出通道还应具有功率放大电路.常用的驱动电路有以下几种.(１)小功率驱动电路.一般用于驱动发光二极管、LED-显示器、小功率继电器等元件或装置,要求电路的驱动能力一般为１０~４０mA,可采用小功率的晶体管或集成电路,如用TTL７５４５１、TTL７５４５２等来驱动.图８-１８所示为典型的小功率驱动电路.上一页下一页返回８.３输入输出接口技术(２)中功率驱动电路.常用于驱动中功率继电器、电磁开关等中功率装置,一般要求具有５０~５００mA-的驱动能力,可采用达林顿复合晶体管或中功率晶体管,如图８-１９所示.对于感性负载,在输出端必须加装克服反电动势的保护二极管,但ULN２００３A-可使用内部的保护二极管.(３)大功率交流驱动电路.固态继电器(简写为SSR)是一种四端有源器件,图８-２０所示为固态继电器的结构和使用方法.输入/输出之间采用光耦合器进行隔离.过零检测电路可使交流电压变化到零状态附近时让电路接通,从而减少干扰,由触发电路给出晶闸管器件的触发信号.上一页下一页返回８.３输入输出接口技术８.３.７测试数据预处理在计算机控制系统中,被测参数经输入通道转换成数字信号输入计算机,这些数字信号被运算或显示之前一般要进行一些预处理,其中最基本的有数字滤波和标度变换.数字滤波是在计算机中用某种计算方法对数字信号进行处理,以减少干扰在信号中的比例,提高信号的真实性.数字滤波方法不需要增加硬件设备,只需根据预定的滤波算法编制相应的程序即可达到信号滤波的目的.数字滤波由于稳定性高,滤波参数修改方便,因此得到了广泛应用.常用的数字滤波方法有算术平均滤波法、递推平均滤波法、限幅滤波法、中位值滤波法等.上一页下一页返回８.３输入输出接口技术算术平均滤波法就是对y-的N-个连续测量值yi-进行算术平均,其数学表达式为随机干扰信号往往有一个平均值,它在该值附近做上下波动,算术平均滤波法适用于存在随机干扰信号的场合.算术平均滤波法对信号的平滑程度取决于N,当N-较大时,平滑度高,但灵敏度低;当N-较小时,平滑度低,但灵敏度高.在实际应用中,究竟选取哪一种数字滤波方法应视具体情况而定.如果同时采用集中滤波方法,一般先用中位值滤波法或限幅滤波法,然后再用平均值滤波法.如果应用不恰当,非但达不到滤波效果,反而会降低控制品质.上一页返回８.４数字PID-控制８.４.１数字PID-控制的基本原理数字PID控制器是由模拟PID控制器推导得出的.PID控制是比例(Proportional)、积分(Integral)和微分(Differential)控制的组合.PID控制的输入输出关系为在计算机控制系统中,控制器每隔一个控制周期进行一次控制量的计算,并输出到执行机构中.因此,要完成式(８-３５)的PID控制规律,就要进行时间离散化处理.设控制周期为T,在控制器的采样周期t＝kT-时,对积分运算和微分运算作如下近似:下一页返回８.４数字PID-控制８.４.２数字PID-控制的改进算法在计算机控制系统中,针对不同的控制对象和控制要求,可以采用不同的PID-改进算法,主要的改进算法有:积分分离PID控制、遇限消弱积分PID-控制、不完全微分PID-控制、微分先行PID控制等.１)积分分离PID控制算法在数字PID控制算法中,积分控制量的引入主要是为了消除静差,提高系统的精度.但在启动、刹车或大幅度改变设定值时,由于产生较大偏差,加上系统本身的惯性和滞后,在积分作用下计算得到的控制量将超出执行机构可能的最大动作范围对应的极限控制量,也即执行机构进入饱和状态,容易造成超调和振荡现象.积分分离PID-算法既保持了积分作用,又可减少超调量,使系统的控制性能得到较大的改善.上一页下一页返回８.４数字PID-控制２)遇限消弱积分PID控制算法积分分离PID控制算法在开始时不积分,而遇限消弱积分PID控制算法正好与之相反,一开始就积分,进入控制量的限制范围后停止积分.遇限消弱积分PID-控制算法的基本思想是:当控制量进入饱和区,将执行消弱积分项运算而停止进行增大积分项的运算.因而在计算u(k)时,先计算u(k－１)是否超出控制量的限制范围.若umin＜u(k－１)＜umax,则进行积分项的累加;若u(k－１)≥umax,则只累加负偏差;若u(k－１)≤umin,则只累加正偏差.这种算法可以避免控制量长时间停留在饱和区.上一页下一页返回８.４数字PID-控制３)不完全微分PID控制算法PID控制算法中的微分控制量为４)微分先行PID控制算法当系统发生阶跃变化时,微分作用将使控制量大幅度变化,这将严重影响系统的稳定性.为了避免因给定值变化引起系统超调量过大、执行机构动作剧烈等问题,可采用微分先行PID控制算法.上一页下一页返回８.４数字PID-控制微分先行PID控制的特点是只对被控量y(t)进行微分,而不对偏差进行微分,也即给定值无微分作用.这种控制策略适用于给定值频繁升降的场合,可以避免给定值升降所引起的系统振荡,明显地改善系统的动态特性.微分先行增量型控制算法为８.４.３数字PID-参数的整定数字PID控制器的比例、积分和微分参数对系统控制性能的影响如下.比例系数影响着系统的快速性和稳态误差.比例系数加大,使得系统动作灵敏,响应速度快,但会使振荡次数增加,调节时间拉长,甚至使系统趋向不稳定.加大比例系数,在系统稳定的情况下,可以减小静差ess,提高控制精度,但不能消除静差.上一页下一页返回８.４数字PID-控制积分控制通常是与比例控制、微分控制配合使用,构成PI控制或PID控制.积分控制能消除系统的静差,提高系统的控制精度,但使系统的稳定性下降.积分系数增大将使系统振荡次数增多,甚至不稳定.微分控制通常与比例控制、积分控制配合使用,构成PD控制或PID控制.微分控制主要用于改善系统的动态性能,能减少超调量和调节时间.采样周期T-在计算机控制系统中是一个重要的参量,香农采样定理仅从理论上给出了采用周期的上限,实际采样周期的选择要受到多方面因素的制约.实践证明,计算机控制系统的采样周期要比理论值小１０倍以上才能满足要求.从控制性能的角度来考虑,采样周期应尽可能小,这使得计算机运算速度和时间开销增加,但是采样周期小到一定的程度,对系统性能的改善已不显著,这往往是因为受到对象和执行结构相应特性的限制.因此,采样周期的选择要从控制对象、控制品质以及成本等多方面因素综合考虑.上一页下一页返回８.４数字PID-控制数字PID控制参数的整定过程是:先用模拟PID-控制参数整定的方法来选择,然后考虑采样周期对整定参数的影响,再做适当调整.由于模拟PID-控制器应用历史悠久,故已有多种参数整定方法.凑试法是工程实践中常用的PID参数调整方法,它根据PID参数对控制过程的影响趋势,按照先比例、后积分、再微分的整定步骤进行参数调整.具体步骤如下:首先只整定比例系数Kp.先将Ki-和Kd-设为零,逐渐加大比例参数Kp,或先取大,然后用０.６１８黄金分割法选择Kp,观察系统的响应,直到获得反应快、超调小的响应曲线.如果系统没有静差或静差已小到允许的范围内,且响应曲线已属满意,则只需要比例调节器即可,最优比例系数可由此确定.上一页下一页返回８.４数字PID-控制如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求,则需要加入积分环节.同样Ki-先取小,然后逐渐加大,或先取大,然后用０.６１８黄金分割法选择Ki,使在保持系统良好动态性能的情况下静差得到消除,且得到较满意的响应曲线.在此过程中,可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与积分系数,以期得到满意的控制过程与整定参数.若使用比例积分调节器消除了静差,但动态过程经反复调整仍不能满意,则可加入微分环节,构成比例积分微分调节器.这时可以加大Kd-以提高响应速度,减少超调;但对于干扰较敏感的系统,则要谨慎,因为加大Kd-可能反而加大系统的超调量.在整定时,可先置微分系数Kd-为零,在第二步整定的基础上增大Kd,同时相应地改变比例系数和积分系数,逐步凑试,以获得满意的调节效果和控制参数.上一页下一页返回８.４数字PID-控制扩充临界比例法和扩充响应曲线法也是常用的PID-参数整定方法,它们适用于数学模型为一阶惯性环节加纯滞后的控制对象.扩充临界比例法需要系统闭环运行,而且要将比例系数调整到使得系统产生等幅振荡,在有些应用场合是不允许的;而扩充响应曲线法不需要系统闭环运行,只需在开环状态下测定系统的阶跃响应曲线.为此,在实际应用时,应当根据对象的运行条件选择整定方法.上一页返回８.５分布式计算机控制系统８.５.１基本组成与工作特点管理的集中性和控制的分散性是推动DCS系统发展的根本原因,其实质是利用计算机、信号处理、测量控制、通信网络和人机接口等技术对控制过程进行分散控制、集中监视、操作和管理的一种新型控制概念及技术.它既不同于分散的仪表控制系统,又不同于集中式的计算机控制系统,而是在吸收了两者优点的基础上发展起来的一类控制系统.下一页返回８.５分布式计算机控制系统DCS硬件概括起来由集中显示管理部分、分散控制监测部分和网络通信部分组成.集中显示管理部分又可分为工程师站、操作员站和管理计算机,工程师站主要用于组态和维护;操作员站则用于监视和操作;管理计算机用于系统的信息管理和完成部分优化控制任务.分散控制监测部分按功能可分为控制站、监测站或现场控制站,用于实时控制和监测.网络通信部分连接DCS的各分布部分(统称为工作站),完成数据、指令及其他信息的传递.各工作站通过网络接口连接起来,独立自主地完成各自的功能,如数据采集、处理、计算、监视、操作和控制,等等.工作站采用微计算机,存储容量容易扩充,配套软件功能齐全,是一个能够独立运行的高可靠性系统.上一页下一页返回８.５分布式计算机控制系统DCS软件由实时多任务操作系统、数据库管理系统、数据通信软件、组态软件和各种应用软件组成.DCS软件具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单规范化、调试方便、运行安全可靠等特点.DCS采用标准化、模块化和系列化设计,完成对控制过程进行实时控制和监督的任务,并通过软硬件接口与上位机或实时数据库进行通信,为实施企业综合自动化系统提供良好的条件.因此,DCS是一个以通信网络为纽带的计算机控制系统,其特点可以概括如下.(１)独立性.DCS工作站虽然是通过网络接口互相连接,但各工作站独立自主地完成各自的功能.具有控制功能分散、危险分散的特点,提高了系统的可靠性.上一页下一页返回８.５分布式计算机控制系统(２)协调性.DCS系统各工作站间通过通信网络传送信息并协调工作,以完成控制系统的总体功能和优化处理.采用实时性的、安全可靠的工业控制局部网络,提高了信息的畅通性,使整个系统信息共享.采用标准通信网络协议,DCS可与上层的信息管理系统连接起来.(３)友好性.DCS系统操作方便、显示直观,提供了装置运行下的可监视性.其简洁的人机会话系统、彩色高分辨率交互图形显示、复合窗口技术使画面日趋丰富,菜单功能更具实时性,并提供总貌、控制、调整、趋势、流程、回路一览、报警一览、批量控制、计量报表、操作指导等画面.而平面密封式薄膜操作键盘、触摸式屏幕、鼠标器、跟踪球操作器等更便于操作,语音输入/输出使操作员与系统对话更加方便.上一页下一页返回８.５分布式计算机控制系统(４)适应性、灵活性和可扩充性.DCS硬件和软件采用开放式、标准化和模块化设计,系统为积木式结构,可灵活配置以适应不同用户的需要.(５)实时性.通过人机接口和I/O接口,DCS可对控制对象进行实时采集、处理、记录、监视、操作控制,并对系统结构和组态回路在线修改,以及对局部故障在线维护等.(６)可靠性.高可靠性、高效率和高可用性是DCS的生命力所在,其高可靠性体现系统结构的容错设计和冗余设计,并具有在线快速排除故障的能力.上一页下一页返回８.５分布式计算机控制系统８.５.２体系结构自DCS诞生以来,随着计算机、通信网络、屏幕显示和控制技术的发展与应用,DCS也不断发展和更新.尽管不同DCS产品在硬件的互换性、软件的兼容性、操作的一致性等方面很难达到统一,但从基本构成方式和构成要素来分析,仍然具有相同或相似的体系结构.DCS按功能分层的层次结构充分体现了其分散控制和集中管理的设计思想.DCS从下至上分为直接控制层、操作监控层、管理分析层,如图８-２１所示.上一页下一页返回８.５分布式计算机控制系统１)直接控制层直接控制层又称为现场控制层,是DCS的基础,其主要设备是控制器,而控制器主要由输入/输出单元、控制单元、电源单元等组成.输入/输出单元直接与控制对象的传感器、变送器和执行器连接,其功能是采集状态信号,进行数据处理,并传输控制指令.控制单元通过总线与I/O单元连接,实现直接数字控制,即连续控制、逻辑控制和顺序控制等,并通过网络连接操作监控层,实现对控制的监视和操作,同时进行冗余处理,一旦发现DCS故障,就立即切换到备用设备,保证系统连续安全运行.上一页下一页返回８.５分布式计算机控制系统２)操作监控层操作监控层的主要设备是操作员站、工程师站和监控计算机站,均为３２位或６４位微型计算机,并配置彩色显示器、操作员专用键盘和打印机等外部设备,供操作员或管理员对控制过程进行监视、操作和管理,具有友好的人机界面.操作监控层能够建立控制过程的数学模型,实施先进的控制策略,实现装置级的优化控制和协调控制,并对控制过程进行故障诊断、预报和分析,保证生产安全.３)管理分析层管理分析层通常由一台大型机、几台中型机和若干台微型机组成.该层处于DCS系统的顶层级,通过收集整个DCS系统的状态信息进行综合分析,实时做出决策,协助各级管理和操作人员指挥调度,使整个DCS系统处于最佳运行状态.上一页下一页返回８.５分布式计算机控制系统DCS基于分级分布式网络结构连接各硬件单元或硬件模块,硬件系统主要包括控制单元、输入/输出单元、电源单元、控制网络及设备、系统网络及设备、操作员站、工程师站、监控计算机站、机柜和操作台等.DCS软件系统分为直接控制软件、工程师站组态软件、操作员站监控软件及现场控制站控制软件等,这些软件分别运行在不同层次的硬件平台上,并通过控制网络、系统网络进行通信,彼此互相配合协调,交换管理和控制信息,完成整个集散控制系统的各项功能.上一页下一页返回８.５分布式计算机控制系统８.５.３现场总线技术现场总线是用于过程自动化和制造自动化等领域中最底层的通信网络,以实现微机化的现场测量控制仪表或设备之间的双向串行多结点数字通信.以现场总线为纽带构成的现场总线控制系统(FieldbusControlSystem,FCS)是一种新型的自动化系统和底层控制网络,承担着测量与控制的特殊任务;现场总线还可以与因特网、企业内部网相连,使自动控制系统与现场设备成为企业信息系统和综合自动化系统中的一个组成部分.上一页下一页返回８.５分布式计算机控制系统现场总线技术将专用的微处理器置入传统的测量控制仪表,使之具备数字计算和数字通信能力,采用可进行简单连接的双绞线等作为总线,将多个测量控制仪表连接成网络系统,并按公开、规范的通信协议,在位于现场的多个测量控制仪表之间以及现场仪表与远程监控计算机之间,实现数据传输与信息交换,并构成各种适应于实际需要的自动控制系统.担任结点的现场仪表或设备,如传感器、变送器、执行器和编程器等已不再是传统的单功能现场仪表,而是具有综合功能的智能仪表.例如,温度变送器不仅有温度信号变换和补偿功能,而且还具有控制和运算功能;调节阀在其信号驱动和执行控制任务的基本功能上还增加了输出特性补偿、自校验和自诊断等功能.上一页下一页返回８.５分布式计算机控制系统现场总线系统在技术上具有以下特点.(１)系统的开放性.现场总线就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统,用户可按自己的需要和考虑把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统,通过现场总线构建自动化领域的开放互连系统.(２)互可操作性与互换性.互可操作性是指实现互连的设备间或系统间的信息交互;而互换性则意味着不同生产厂家的、性能类似的设备可相互替换.(３)现场设备的智能化与功能自治性.由于现场总线系统将传感测控、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成,因此仅靠现场设备既可完成自动控制的基本功能,又可随时诊断设备的运行状态.上一页下一页返回８.５分布式计算机控制系统(４)系统结构的高度分散性.现场总线已构成了一种新的全分布式控制系统的体系结构.它从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系,简化了系统结构,提高了可靠性.(５)现场环境的适应性.作为工厂网络底层的现场总线,专为现场环境而设计,可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等,具有较强的抗干扰能力,能采用两线制实现供电与通信,并可满足本质安全防爆要求.现场总线发展迅速,现处于群雄并起、百家争鸣的阶段.目前已开发出４０多种现场总线,其中最具影响力的有５种,分别是FF、Profibus、HART、CAN-和LonWorks.下面简单介绍一下在测控领域应用较多的CAN-总线.上一页下一页返回８.５分布式计算机控制系统８.５.４工业以太网技术现场总线的发展非常迅猛,但是也暴露出了许多不足.与现场总线相比,以太网具有通信速率高、成本低廉、易于信息集成和应用广泛等显著优势,并具有巨大的可持续发展潜力.从２０世纪９０年代开始,随着微电子技术、计算机技术和通信技术的突飞猛进,以太网也得到了飞速发展,使以太网全面应用于工业控制领域成为可能.所谓工业以太网,一般来讲是指技术上与商用以太网兼容,但在产品强度以及适用性等方面能满足工业现场的需要.当前工业以太网的发展体现在以下几个方面.上一页下一页返回８.５分布式计算机控制系统(１)通信实时性.以太网的发展给解决以太网的实时性问题带来了新的契机.首先,以太网通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小,同时发生冲突的概率大大下降.其次,采用交换式以太网减少或者消除了网络上的冲突域,全双工通信使得端口间同时接收和发送消息,避免冲突的发生.再次,采用星型网络拓扑结构,以太网交换机将网络划分为若干个网段,对网络上传输的数据进行过滤,使每个网段内数据的传输只限在本网段内进行,而无须经过主干网,也不占用其他网段的带宽,从而降低了所有网段和主干网的网络负荷.此外,以太网在近几年出现的信息优先级、流量控制、虚拟局域网等新技术也都有助于提高以太网的实时性.上一页下一页返回８.５分布式计算机控制系统(２)工业环境适应性和可靠性.国外一些公司正积极开发适用于工业环境的网络设备和连接器件.美国Synergetic微系统公司、德国Hirschmann以及JetterAC等公司专门开发和生产了导轨式集线器、交换机产品,安装在标准DIN-导轨上,并由冗余电源供电,接插件采用牢固的DB-９结构.美国WoodheadConnectivity公司专门开发和生产了用于工业控制现场的加固型连接件(如加固的RJ４５接头、具有加固RJ４５接头的工业以太网交换机、加固型光纤转换器/中继器等),可用于工业以太网变送器、执行机构等.美国ETSilicon公司研制的工业级以太网通信接口芯片,每片价格已降至１０~１５美元,与各种现场总线芯片相比,具有很大的价格优势.在新发布的IEEE８０２.３af标准中,对以太网的总线供电规范也进行了定义.此外,在实际应用中,主干网可采用光纤传输,现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线,对于重要的网段还可采用冗余网络技术,以提高网络的抗干扰能力和可靠性.上一页下一页返回８.５分布式计算机控制系统由于工业控制网络不仅仅是一个完成数据传输的通信网络,还是一个借助网络完成控制功能的控制系统工程.它除了数据传输之外,还需要依靠所传输的数据和指令执行某些控制计算与操作功能,由多个网络结点协调完成控制任务.因而它需要在应用、用户等高层协议与规范上满足开放系统的要求,满足互操作条件.对应于ISO/OSI的七层参考模型,以太网规范只映射其中的物理层和数据链路层,而在其之上的网络层和传输层协议,目前以TCP/IP协议为主(已成为以太网之上的网络层和传输层事实上的标准).而对较高的层次,如会话层、表示层、应用层等没有作技术规定.由于商用以太网中协议所定义的数据结构等特性不适合工业控制领域现场设备之间的实时通信,故必须在TCP/IP协议之上建立完整的有效通信服务模型,协调好工业控制系统中实时和非实时信息的传输服务,形成为广大生产厂商和用户所接受的应用层、用户层协议,进而形成开放的标准.上一页返回８.６计算机控制在液压控制系统中的应用８.６.１液压六自由度运动平台液压六自由度并联平台由于具有刚度大、承载能力强、位置误差不累计等特点,已经在运动模拟、空间对接、并联机床等领域得到广泛的应用.图８-２２所示为某液压六自由度运动平台的结构原理,它由运动平台、基座和６套液压动力机构组成.６套液压动力机构并联在基座和运动平面之间,通过协同控制它们的位移量,驱动运动平台在空间６个自由度(x轴、y-轴和z-轴的平移和旋转)的运动.下一页返回８.６计算机控制在液压控制系统中的应用图８-２３所示为液压六自由度运动平台的驱动与控制原理.一个完整的液压六自由度运动平台由恒压油源、机械台架、液压动力机构、姿态检测装置和计算机控制系统组成.液压六自由度运动平台的动力机构由６套伺服阀控液压缸系统组成,液压缸通常内置或外置位移传感器,从而构成了电液位置伺服系统;机械台架包括运动平面、基座和连接动力机构的铰链机构,基座固定不动,运动平台在６套动力机构驱动下实现空间６自由度运动;恒压油源的作用是为动力机构提供压力恒定的高压油液,它由恒压变量泵、安全阀、蓄能器和滤油器等组成.上一页下一页返回８.６计算机控制在液压控制系统中的应用计算机控制系统按照功能可以分为位置控制、解算控制、能源控制和操作监控４个层次,从而构成了典型的分布式计算机控制系统.操作管理计算机用于完成运动平台的整体操作控制过程,实时监控系统运行状态,设置运动规律,并传输给解算控制器.位置解算计算机执行位置反解算法,根据姿态指令实时求解出各执行机构的位移指令,将位移指令传输给位置控制器.位置控制器为高可靠性的嵌入式计算机,例如PC１０４计算机、DSP、单片机等,它接收指令信号,采集液压缸位移信号,根据位移误差发送伺服阀控制信号,实现动力机构的位置伺服控制.六自由度平台在整体上是一个开环控制系统,其控制精度依赖于各动力机构的控制精度.在高精度应用场合,六自由度运动平台上还可以安装姿态检测装置(如陀螺仪),将运动平面的姿态实时传输给解算控制器,从而实现整个系统的高精度闭环控制.上一页下一页返回８.６计算机控制在液压控制系统中的应用８.６.２位置控制器和解算控制器嵌入式控制器是处于DCS系统中的直接控制层,它采集伺服缸的位移信号,根据误差执行控制算法,输出伺服阀驱动电流,完成了伺服阀控缸系统的位置闭环控制.系统共有６套嵌入式控制器,分别控制６套伺服阀控缸系统,它们通过CAN-总线与解算计算机进行通信.嵌-入式控制器以PC１０４总线的CPU-为核心,在硬件上由CPU-模块和扩展模块组成,其中扩展模块包括D/A-转换、信号调理、A/D-转换、电流驱动和CAN-通信等组成单元.图８-２４所示为PC１０４总线的嵌入式控制器实物照片.上一页下一页返回８.６计算机控制在液压控制系统中的应用PC１０４是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线,其信号定义和普通PC机基本一致,但电气和机械规范却完全不同,是一种优化、小型、堆栈式结构的嵌入式控制系统.PC１０４模块以低功耗嵌入式X８６结构的CPU为核心,采用了小尺寸结构设计,在标准的９６mm×９０mm面积内几乎集成了PC机所有的功能;它采用堆栈式连接,去掉总线背板和插板滑道,总线以针和孔的形式层叠连接,具有极好的抗振性.PC１０４模块集成度高、可靠性好.它具有与PC机相同的强大功能,硬件电路设计简单,软件程序开发方便,非常适合作为液压六自由度运动平台的嵌入式控制器.上一页下一页返回８.６计算机控制在液压控制系统中的应用输入通道的工作流程如图８-２５所示,它将伺服油缸的信号转化为数字量读入CPU-中.伺服油缸内置电阻式位移传感器,它输出的电压信号直接连入多路选择开关,伺服油缸两腔的压力信号是４~２０mA-的电流信号,需要经过电流/电压转化.PC１０４的数据总线控制多路选择开关输出设定通道的模拟电压值,并进入A/D转换芯片.PC１０４总线控制A/D转换芯片完成模拟量到数字量的转换过程,并读取相应的数字量.输出通道的工作流程如图８-２６所示,它将CPU计算的控制信号转化为模拟量输出给伺服阀.PC１０４总线首先控制D/A转换芯片将数字控制量转换为标准的电压信号(－１０~１０V),该信号经过电压/电流转换单元的线性变换后,成为－４０~４０mA的电流信号,从而驱动伺服阀工作.上一页下一页返回８.６计算机控制在液压控制系统中的应用嵌入式控制器的操作系统为DOS,它运行在“黑盒子”模式下,没有显示界面,上电即运行控制程序,使伺服阀控缸始终处于闭环控制中.控制程序采用标准的C-语言编写,BorlandC＋＋３.１是控制程序的开发编译工具.BorlandC＋＋-３.１的编程界面如图８-２７所示.８.６.３能源控制计算机液压六自由度运动平台的能源系统是一套恒压油源,它为６套液压动力机构提供压力恒定和流量可调的高压油液.恒压油源由恒压变量泵机组、安全阀、蓄能器、滤油器、传感器、油箱以及液压附件等组成,它的液压原理如图８-２８所示.上一页下一页返回８.６计算机控制在液压控制系统中的应用恒压泵站的控制主要以逻辑控制为主,它的控制计算机为一套可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController,PLC).PLC实质上就是一台超微型计算机,其硬件结构基本上与微机相同,即由CPU、存储器、I/O-模块、通信模块和电源等组成,各模块通过总线连接而成.与普通计算机相比,PLC具有使用维护方便,编程步骤简单,硬件配套齐全,可靠性高,抗干扰能力强等优势.本系统中使用日本三菱公司的FX２N-系列PLC.根据恒压油源的工作原理和功能设计,PLC具有８个开关量输入、４个开关量输出和２个模拟量采集,这些输入/输出接口设置如表８-４所示.此外,PLC还配备RS２３２通信模块,用于与操作管理计算机通信,实时传送恒压油源的状态,实现液压六自由度运动平台能源系统的远程监控.上一页下一页返回８.６计算机控制在液压控制系统中的应用恒压油源泵站的启停操作由相应的按钮控制,启动按钮按下时,首先检测是否满足启动条件,例如泵吸油口球阀是否打开,油箱液位是否正常等,若状态正常则变量泵电机启动.按下负荷按钮后,泵出口位置的电磁溢流阀通电,变量泵开始建立高压.在恒压油源工作过程中,实时检测系统状态,若油温过低,则控制加热器工作;若油