[信息与通信]计算机控制系统_应用实例

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1、计算机控制系统 高金源 夏洁,北京航空航天大学 清华大学出版社 2009年3月,北京航空航天大学 清华大学出版社,2,计算机控制系统,依审定的教材大纲编写。 主编人：高金源 夏洁 出版发行：清华大学出版社,北京航空航天大学 清华大学出版社,3,计算机控制系统的设计原则,可靠性高 2. 操作性好 3. 实时性强 4. 通用性好、便于扩充 5. 经济效益高,北京航空航天大学 清华大学出版社,4,计算机控制系统设计内容和步骤：,系统总体控制方案设计； 系统硬件设计、选择与开发； 软硬件的可靠性设计； 确定满足一定经济指标的目标函数，建立被控对象的数学模型并针对目标函数进行控制算法规律设计； 软件设计

2、与开发； 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、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：,北京航空航天大学 清华大学出版社,5,10.1 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 10.3 民用机场供油集散系统,北京航空航天大学 清华大学出版社,6,10.1.1 双摆实验控制系统介绍,1. 双摆实验控制系统组成,北京航空航天大学 清华大学出版社,7,2. 双摆实验控制系统性能指标,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；或双摆有任一初始摆角

3、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： (1) 计算机D/A输出100mV时，电机应启动。 (2) 滑车最大运动速度为 0.4ms，D/A的最大输出对应滑车的最大运行速度。 (3) 当有较大的初始扰动（上摆角初始角度为50o）时，上下摆的摆角到达稳态时间5s6s，摆动次数34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5s6s，摆动次数34次。,北京航空航天大学 清华大学出版社,8,10.1.2 双摆控制系统的整体方案,整个系统结构示意图如图10-2所示，控制系统方块图如图10-3所示。,图10-2 双摆计算机控制系统结构图,图1

4、0-3 双摆计算机控制系统方块图,北京航空航天大学 清华大学出版社,9,10.1.3 双摆系统数学建模,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。,非保守系统的拉格朗日方程,L：拉格朗日函数=系统的总能量-系统的总势能,系统各个自由度的广义坐标,广义坐标对于时间的一阶导数,驱动每个自由度运动的广义力或力矩,系统自由度数,北京航空航天大学 清华大学出版社,10,1. 以控制力为输入建立双摆系统的数学模型,：拖动电机对于滑车的控制力 ：滑车质量 ：上摆关节的质量 ：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 ：上摆质心距滑车

5、铰链的长度 ：关节铰链距滑车铰链的长度（上摆杆的摆长） ：关节铰链距下摆质心的长度 ：上摆摆动角度 ：下摆摆动角度 ：下摆关节摆动角度，且满足 ：上摆摆杆的转动惯量 ：下摆摆杆的转动惯量,图10-4 双摆系统受力分析图,北京航空航天大学 清华大学出版社,11,滑车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：,北京航空航天大学 清华大学出版社,12,作以下的简化：,忽略由速度引起的向心力和哥氏力 （为上摆杆长度）， 可视为下摆杆长度,令,车位置,车速度,双摆系统在平衡位置附近

6、的线性状态方程：,上摆角,上摆角速率,下摆角速率,下摆角,北京航空航天大学 清华大学出版社,13,2. 建立电机加双摆对象的数学模型,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。,即有,图10-5 电机模型,北京航空航天大学 清华大学出版社,14,进行适当的整合，就可得到平衡位置附近处电机加双摆对象的数学模型：,北京航空航天大学 清华大学出版社,15,10.1.4 系统回路控制设计,系统的速度环设计 执行电机的死区达到1V，即有,为满足克服死区电压的指标要求，引入模拟放大环节，使D/A输出0.1V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

7、足,为了满足D/A输出满量程5V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。采用稳态数值，有,图10-6 双摆控制系统的模拟内环,北京航空航天大学 清华大学出版社,16,考虑放大器箱的放大倍数，D/A输出电压u满足： 则描述系统的线性化状态方程（10-8）可以改写为,令,北京航空航天大学 清华大学出版社,17,2. 采样周期的选取,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：,(s),根据采样周期的选取原则，可以将采样周期选择为：,北京航空航天大学 清华大学出版社,18,3. 系统位置环设计（控制律设计）,这里采用无限时间离散二次型的代

8、价函数：,其中Q、R阵的初始设置如下：,可利用Matlab中的函数dlqr计算得反馈增益K等： K,P,e=dlqr(F,G,Q,R),车位置、上摆角度、下摆角度 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 测量，这里采用位移量差分计算得到,北京航空航天大学 清华大学出版社,19,10.1.5 软件设计,图10-7 双摆计算机控制系统的程序流程图,北京航空航天大学 清华大学出版社,20,10.1.6 闭环控制实验结果,1. 摆角扰动闭环控制（上摆角初始扰动角度50o）,图10-8 未加控制的上摆角曲线 图10-9未加控制的下摆角曲线,图10-10 施加最优控制的上摆角曲线 图1

9、0-11施加最优控制的下摆角曲线,横轴为时间轴，单位为s， 纵轴为角度轴，单位为（o）,北京航空航天大学 清华大学出版社,21,2. 滑车位置回零控制（滑车从-0.3m处回归零位）,图10-12 未加控制的上摆角曲线 图10-13未加控制的下摆角曲线,图10-14 施加最优控制的上摆角曲线 图10-15施加最优控制的下摆角曲线,横轴为时间轴，单位为s， 纵轴为角度轴，单位为（o）,北京航空航天大学 清华大学出版社,22,10.1 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 10.3 民用机场供油集散系统,北京航空航天大学 清华大学出版社,23,10.2 转台计算机

10、伺服控制系统设计,“高频响、超低速、宽调速、高精度”成为仿真转台的主要性能指标和发展方向。 “高频响”反映转台跟踪高频信号的能力强； “超低速”反映系统的低速平稳性好； “宽调速”可提供很宽的调速范围； “高精度”指系统跟踪指令信号的准确程度高。,北京航空航天大学 清华大学出版社,24,10.2.1 转台系统介绍,图10-16 三轴模拟转台及其示意图,北京航空航天大学 清华大学出版社,25,10.2.2 三轴测试转台的总体控制结构,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10-17所示的原理方案。,图10-17 三轴测试转台系统总体控制结构图,北京航空航天大学 清华大学出

11、版社,26,10.2.3 转台单框的数学模型,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。,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函数,北京航空航天大学 清华大学出版社,27,10.2.4 转台单框控制回路设计,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，适当分配相应的设计指标，按典型系统设计控制及补偿环节。,图10-18 转台控制系统框图,北京航空航天大学 清华大学出版社,28,1. 电流环设计,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，从而对电机启动或制动器起到快速的保

12、护作用。 设计得到的电流环控制器直接在功放硬件电路中实现。 在电流环的具体设计中，参照仿真模型加入PI控制器，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、无超调或超调量很小。,北京航空航天大学 清华大学出版社,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： 保证速度回路的稳态精度； 提高速度回路的刚度； 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； 尽可能降低系统对扰动的灵敏度； 减小速度环的死区电压。 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所造成的静态

13、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。,北京航空航天大学 清华大学出版社,30,3. 位置环设计,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，按照一定的算法计算出控制器的输出，经过D/A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。,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10-20 三轴测试转台控制系统原理图,北京航空航天大学 清华大学出版社,31,10.2.5 控制系统软件设计,1. 上位机软件

14、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。 2. 下位机需要实现的功能： 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（实时通信速率可以达3ms），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数据传输。,北京航空航天大学 清

15、华大学出版社,32,10.2.6 控制律选用及仿真结构,采用PID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PID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10-22所示。,图10-22 模拟转台及伺服系统结构图,北京航空航天大学 清华大学出版社,33,10.2.7 实际控制效果,设定三轴测试转台的定时中断时间为1ms，并在内框负载30kg。实施PID加前馈的复合控制，得到指令与跟踪实际效果如图10-23所示（图中纵轴坐标单位为(o)，横轴单位为时间s）。,图10-23 转台系统PID加前馈复合控制结果图,北京航空航天大学 清华大学出版社,3

16、4,10.1 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 10.3 民用机场供油集散系统,北京航空航天大学 清华大学出版社,35,10.3.1 民用机场供油系统工艺简介,图10-24 民用机场供油系统基本工艺示意图,北京航空航天大学 清华大学出版社,36,10.3.2 机场供油系统的总体结构,图10-25 系统总体结构,北京航空航天大学 清华大学出版社,37,10.3.3 网络设计,系统涉及以下3种通信网络： 1. 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。这两级之间的通信网络采用Modbus Plus网（一种广泛应用于工业控制领域的1Mbps令牌总线网）。 2. 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。 3. 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间的通信网络对通信速