第7章 计算机控制系统设计与应用案例

12026/6/1第7章计算机控制系统设计与应用案例7.1计算机控制系统设计的一般原则和步骤7.1.1系统设计的原则7.1.2系统设计的步骤7.2计算机控制系统应用案例7.2.1电阻炉温度控制系统7.2.2伺服控制系统22026/6/1第7章计算机控制系统设计与应用案例7.1计算机控制系统设计的一般原则和步骤7.1.1系统设计的原则7.1.2系统设计的步骤7.2计算机控制系统应用案例7.2.1电阻炉温度控制系统7.2.2伺服控制系统系统设计的原则安全与可靠满足工艺与经济要求实时性强32026/6/1操作简单维护方便可拓展性好系统设计的原则安全与可靠满足工艺与经济要求实时性强42026/6/1操作简单维护方便可拓展性好首先保证计算机控制系统是整个生产过程的电脑，承担着指挥生产的重任，一旦控制系统出现故障，轻者影响生产，重者造成事故，产生不良后果。工业现场往往工作环境恶劣、干扰众多，随时威胁着计算机控制系统的正常运行选用高性能的工业控制计算机设计可靠的控制方案，并具有各种安全保护措施为了预防计算机故障，还常设计以及手动操作后备装置，甚至双冗余（双机）装置要求系统设计的原则安全与可靠满足工艺与经济要求实时性强52026/6/1操作简单维护方便可拓展性好控制工程师在设计之前必须对生产工艺过程有一定的熟悉和了解满足生产工艺所必需的技术质量要求以外，还应该带来良好的经济效益系统的性能价格比系统的投入产出比系统的回收周期高！低！短！希望提升产品质量与产量降低能耗减少污染改善劳动条件……综合评估要求系统设计的原则安全与可靠满足工艺与经济要求实时性强62026/6/1操作简单维护方便可拓展性好能够在限定的时间内对内部和外部事件做出反应不丢失信息，不延误操作根据工业生产过程出现的事件能够保持多长的时间该事件要求计算机在多长的时间以内必须做出反应考虑系统设计的原则安全与可靠满足工艺与经济要求实时性强72026/6/1操作简单维护方便可拓展性好操作简单直观形象便于掌握体现先进性兼顾操作习惯系统设计的原则安全与可靠满足工艺与经济要求实时性强82026/6/1操作简单维护方便可拓展性好操作简单直观形象便于掌握体现先进性兼顾操作习惯易于查找故障易于排除故障便于更换故障模块系统设计的原则安全与可靠满足工艺与经济要求实时性强92026/6/1操作简单维护方便可拓展性好操作简单直观形象便于掌握体现先进性兼顾操作习惯通用性好，便于灵活扩展能够适应不同设备、控制对象及第三方控制设备易于查找故障易于排除故障便于更换故障模块系统设计的步骤102026/6/11.分析问题和确定任务对问题进行调查研究、分析论证根据实际问题的具体要求，确定系统所要完成的数据采集任务和技术指标、确定调试系统和开发软件的手段对可能遇到的技术难点做到心中有数，初步确定系统设计的技术路线最重要的一步，需花较多时间进行调研系统设计的步骤112026/6/12.系统的总体设计确定数据采集系统的基本结构进行硬件和软件的功能分配硬件软件优点简化软件设计工作改善系统速度性能增加系统灵活性降低成本缺点成本较高不可靠因素较多速度较慢系统设计的步骤122026/6/12.系统的总体设计确定数据采集系统的基本结构进行硬件和软件的功能分配系统A/D通道方案的确定选择满足系统要求的芯片及相应的电路结构形式系统设计的步骤132026/6/12.系统的总体设计确定数据采集系统的基本结构进行硬件和软件的功能分配系统A/D通道方案的确定确定微型计算机的配置方案经济性！系统设计的步骤142026/6/12.系统的总体设计确定数据采集系统的基本结构进行硬件和软件的功能分配系统A/D通道方案的确定确定微型计算机的配置方案操作系统设计操作控制台（人机交互的外部设备）操作软件（操作员的操作界面）系统设计的步骤152026/6/12.系统的总体设计确定数据采集系统的基本结构进行硬件和软件的功能分配系统A/D通道方案的确定确定微型计算机的配置方案操作系统设计系统抗干扰设计系统设计的步骤162026/6/13.计算机控制系统的硬件设计控制用计算机系统的选择工业控制计算机-PLC、工业PC微处理器系统-单片机、DSP、嵌入式系统系统设计的步骤172026/6/13.计算机控制系统的硬件设计I/O接口设计生产厂家以功能模板生产I/O接口模拟量输入/输出（AI/AO）模板、数字量输入/输出（DI/DO）模板脉冲技术处理模板、多通道中断控制模板……控制用计算机系统的选择工业控制计算机-PLC、工业PC微处理器系统-单片机、DSP、嵌入式系统系统设计的步骤182026/6/13.计算机控制系统的硬件设计选择变送器和执行机构选择变送器：温度变送器、压力变送器、液位变送器……选择执行机构（根据系统要求来确定）I/O接口设计生产厂家以功能模板生产I/O接口模拟量输入/输出（AI/AO）模板、数字量输入/输出（DI/DO）模板脉冲技术处理模板、多通道中断控制模板……控制用计算机系统的选择工业控制计算机-PLC、工业PC微处理器系统-单片机、DSP、嵌入式系统系统设计的步骤192026/6/14.计算机控制系统的应用软件设计控制用计算机系统的选择实时性灵活性和通用性可靠性系统设计的步骤202026/6/14.计算机控制系统的应用软件设计控制用计算机系统的选择软件、硬件折中问题实时性灵活性和通用性可靠性（哪些用硬件完成？哪些用软件实现？）遵循原则：在系统允许的情况下，尽量采用软件，这样可以降低硬件成本。

11111111若系统要求实时性比较强，则可采用硬件实现。系统设计的步骤212026/6/14.计算机控制系统的应用软件设计控制用计算机系统的选择软件、硬件折中问题软件开发过程实时性灵活性和通用性可靠性（哪些用硬件完成？哪些用软件实现？）遵循原则：在系统允许的情况下，尽量采用软件，这样可以降低硬件成本。

11111111若系统要求实时性比较强，则可采用硬件实现。（1）划分功能模块及安排程序结构（2）画出各程序模块详细的流程图（3）选择合适的语言（4）将各个模块连接成完整的程序222026/6/1第7章计算机控制系统设计与应用案例7.1计算机控制系统设计的一般原则和步骤7.1.1系统设计的原则7.1.2系统设计的步骤7.2计算机控制系统应用案例7.2.1电阻炉温度控制系统7.2.2伺服控制系统电阻炉温度控制系统232026/6/11.系统总体描述温度控制是石油、化工、冶金等生产过程的基础控制单元电阻炉温度控制系统主要由计算机、采集板卡、控制箱和加热炉体组成温度采集、控制算法计算、输出控制监控画面实现电阻炉温度控制系统硬件结构图计算机采集控制板卡PC-1711:A/D12位

输入电压0~5VD/A12位

输出电压0~5V控制及加热箱:

控制电压0~220V

控制温度20~250C

测温元件PT-100热电阻(输出:直流0~5V，或4~20mA)

执行元件

固态继电器(输入:直流0~5V，输出:交流0~220V)电阻炉温度控制系统242026/6/12.硬件系统设计传感器设计热电阻PT100热电阻特点：工作在中低温区、性能稳定、测量精度高电阻炉温度控制系统252026/6/12.硬件系统设计传感器设计执行器设计热电阻PT100热电阻特点：工作在中低温区、性能稳定、测量精度高固态继电器：在输入端加上直流或脉冲信号，输出端就能从关断状态转变

为导通状态（无信号时为阻断状态），从而控制较大负载电阻炉温度控制系统262026/6/12.硬件系统设计A/D、D/A模块设计PCI-1711数据采集集成板卡特点：即插即用、输入类型和范围设定灵活、卡上FIFO

（先入先出）存储器与可编程计数器传感器设计执行器设计热电阻PT100热电阻特点：工作在中低温区、性能稳定、测量精度高固态继电器：在输入端加上直流或脉冲信号，输出端就能从关断状态转变

为导通状态（无信号时为阻断状态），从而控制较大负载电阻炉温度控制系统272026/6/12.硬件系统设计PCI系统总线特点：中央集中式总线仲裁、即插即用、独立于微处理器、通用性好A/D、D/A模块设计PCI-1711数据采集集成板卡特点：即插即用、输入类型和范围设定灵活、卡上FIFO

（先入先出）存储器与可编程计数器传感器设计执行器设计热电阻PT100热电阻特点：工作在中低温区、性能稳定、测量精度高固态继电器：在输入端加上直流或脉冲信号，输出端就能从关断状态转变

为导通状态（无信号时为阻断状态），从而控制较大负载电阻炉温度控制系统282026/6/13.控制系统设计为放大系数为滞后时间为时间常数电阻炉温度控制系统结构为电阻炉传递函数模型

为零阶保持器模型

为数字控制器传递函数模型纯滞后一阶惯性环节电阻炉的传递函数为：参数估计得到电阻炉温度控制系统292026/6/13.控制系统设计利用阶跃响应曲线辨识纯滞后一阶惯性环节参数（1）首先将被控对象电阻炉进行开环控制（断开反馈回路）断开电阻炉温度控制系统302026/6/13.控制系统设计利用阶跃响应曲线辨识纯滞后一阶惯性环节参数（1）首先将被控对象电阻炉进行开环控制（断开反馈回路）（2）对电阻炉对象输入阶跃信号，得到对象的阶跃响应曲线断开对象开环阶跃响应曲线电阻炉温度控制系统312026/6/13.控制系统设计利用阶跃响应曲线辨识纯滞后一阶惯性环节参数（3）由阶跃响应曲线求解参数值放大系数为稳态温度为初始温度为给定阶跃信号时间常数滞后时间电阻炉温度控制系统322026/6/13.控制系统设计利用阶跃响应曲线辨识纯滞后一阶惯性环节参数（3）由阶跃响应曲线求解参数值放大系数为稳态温度为初始温度为给定阶跃信号0B为滞后时间BC为时间常数时间常数滞后时间电阻炉温度控制系统332026/6/13.控制系统设计利用阶跃响应曲线辨识纯滞后一阶惯性环节参数（3）由阶跃响应曲线求解参数值时间常数滞后时间拐点不易确定联立求解放大系数滞后时间电阻炉温度控制系统342026/6/13.控制系统设计利用阶跃响应曲线辨识纯滞后一阶惯性环节参数（实验）炉温控制系统阶跃响应曲线电阻炉温度控制系统352026/6/13.控制系统设计利用阶跃响应曲线辨识纯滞后一阶惯性环节参数（实验）炉温控制系统阶跃响应曲线40360电阻炉温度控制系统362026/6/13.控制系统设计利用阶跃响应曲线辨识纯滞后一阶惯性环节参数（实验）炉温控制系统阶跃响应曲线控制器（位置式PID）传递函数电阻炉温度控制系统372026/6/14.软件设计组态王常见软件开发工具：VisualBasic语言、C语言、C++语言等工控组态软件开发步骤：搞清所使用的I/O设备的生产厂商种类、型号以及使用的通信接口类型、采用的通信协议，进行I/O设置。将所有I/O点的参数收集齐全，以备在组态王上组态时使用。按照统计好的变量，制作数据字典。按数据存储的要求构建数据库，建立记录体和模板，为数据连接做准备。根据工艺过程和组态要求绘制、设计画面结构和画面草图。根据上步的画面结构和画面草图，组态每一幅静态的操作画面。将操作画面中的图形对象与实时数据库变量建立动画连接关系，规定动画属性和幅度。绘制数据流程，编写命令语言，完成数据与画面的连接，对组态内容进行分段和总体调试。设计PID控制算法。系统投入运行。需要编写大量源程序电阻炉温度控制系统382026/6/15.系统的实际控制效果控制器参数整定数字PID控制器的参数整定就是确定

、、和四个参数

扩充阶跃响应曲线法采样周期电阻炉温度控制系统392026/6/15.系统的实际控制效果参数调整与系统运行结果理论整定控制器参数下系统的温控曲线超调量大过渡过程时间长进一步调整需要电阻炉温度控制系统402026/6/15.系统的实际控制效果控制器参数整定调整的作用是对偏差作出响应，使系统像减小偏差的方向变化增大有利于减小稳态误差但过大会导致系统超调增加，稳定性变差电阻炉温度控制系统412026/6/15.系统的实际控制效果控制器参数整定调整的作用是对偏差作出响应，使系统像减小偏差的方向变化增大有利于减小稳态误差但过大会导致系统超调增加，稳定性变差调整的作用是消除系统的稳态误差太大不利于减小超调，减小振荡，使系统稳定性变差电阻炉温度控制系统422026/6/15.系统的实际控制效果控制器参数整定调整的作用是对偏差作出响应，使系统像减小偏差的方向变化增大有利于减小稳态误差但过大会导致系统超调增加，稳定性变差调整的作用是消除系统的稳态误差太大不利于减小超调，减小振荡，使系统稳定性变差调整的作用是加快系统响应，对偏差的变化作出响应，按偏差趋向进行控制，将偏差消除在起始状态当中，使系统超调量减小，稳定性增加，但对扰动的抑制能力减弱电阻炉温度控制系统432026/6/15.系统的实际控制效果控制器参数整定对于惯性大、具有较大滞后的系统，采用PID控制，系统超调量大，调节时间长。理论整定控制器参数下系统的温控曲线即使调整PID参数，也很难得到良好的效果。为了改善性能，可以采用大林算法伺服控制系统442026/6/11.伺服系统概述伺服运动控制系统：按照一定的指令控制电动机执行规定的运行动作由伺服电动机、传感器和控制器构成伺服控制系统原理图电流环伺服控制系统452026/6/11.伺服系统概述伺服运动控制系统：按照一定的指令控制电动机执行规定的运行动作由伺服电动机、传感器和控制器构成伺服控制系统原理图电流环速度环伺服控制系统462026/6/11.伺服系统概述伺服运动控制系统：按照一定的指令控制电动机执行规定的运行动作由伺服电动机、传感器和控制器构成伺服控制系统原理图电流环速度环位置环矢量控制PID控制PID控制伺服控制系统472026/6/12.伺服系统的控制软件设计PMSM(永磁同步电动机)矢量控制电流环电动机定转子电流的控制由于外环性能的发挥依赖于系统内环的优化，因此电流环是高性能PMSM位置伺服系统构成的根本。系统中必须有快速的电流环以保证定、转子电流对矢量控制指令的准确跟踪。采用交流电流控制SPWM电压型逆变器，设计系统电流环。电压型逆变器的控制增益为：为逆变器的控制增益为逆变器直流端输入电压为调制比（输出信号幅值与三角载波信号幅值之比）电流检测器件：零磁平衡式的霍尔效应电流传感器比例环节（）实际上伺服控制系统482026/6/12.伺服系统的控制软件设计工程上通常取（

为三角波载波频率）电流环电流反馈信号中有较多谐波分量信号滤波器电流反馈滤波环节可以视为一阶惯性环节。时间常数为，控制增益为PMSM的电枢回路可以看成是一个包含有电阻和电感的一阶惯性环节电流环动态结构图电流调节器选为PID调节器伺服控制系统492026/6/12.伺服系统的控制软件设计电流环暂时不考虑电流调节器中微分环节和限幅环