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1、第9章 计算机控制系统设计与实现计算机控制系统的设计，既是一个理论问题，又计算机控制系统的设计，既是一个理论问题，又计算机控制系统的设计，既是一个理论问题，又计算机控制系统的设计，既是一个理论问题，又是一个工程问题。是一个工程问题。是一个工程问题。是一个工程问题。计算机控制系统的理论设计包括：计算机控制系统的理论设计包括：计算机控制系统的理论设计包括：计算机控制系统的理论设计包括：. . . .建立被控对象的数学模型；建立被控对象的数学模型；建立被控对象的数学模型；建立被控对象的数学模型；. . . .确定满足一定技术经济指标的系统目标函数，确定满足一定技术经济指标的系统目标函数，确定满足一定
2、技术经济指标的系统目标函数，确定满足一定技术经济指标的系统目标函数，寻求满足该目标函数的控制规律；寻求满足该目标函数的控制规律；寻求满足该目标函数的控制规律；寻求满足该目标函数的控制规律；. . . .选择适宜的计算方法和程序设计语言；选择适宜的计算方法和程序设计语言；选择适宜的计算方法和程序设计语言；选择适宜的计算方法和程序设计语言；. . . .进行系统功能的软、硬件界面划分，并对硬件进行系统功能的软、硬件界面划分，并对硬件进行系统功能的软、硬件界面划分，并对硬件进行系统功能的软、硬件界面划分，并对硬件提出具体要求。提出具体要求。提出具体要求。提出具体要求。本章主要介绍计算机控制系统设计的
3、原则与步骤、计算机本章主要介绍计算机控制系统设计的原则与步骤、计算机本章主要介绍计算机控制系统设计的原则与步骤、计算机本章主要介绍计算机控制系统设计的原则与步骤、计算机控制系统的工程设计与实现、计算机控制系统的设计举例。控制系统的工程设计与实现、计算机控制系统的设计举例。控制系统的工程设计与实现、计算机控制系统的设计举例。控制系统的工程设计与实现、计算机控制系统的设计举例。9.1 系统设计的原则与步骤 9.1.1 9.1.1 系统设计的原则系统设计的原则 9.1.2 9.1.2 系统设计的步骤系统设计的步骤9.1.1 系统设计的原则 1. 1.安全可靠安全可靠 2. 2.操作维护方便操作维护方
4、便 3. 3.实时性强实时性强 4. 4.通用性好通用性好 5. 5.经济效益高经济效益高9.1.2 系统设计的步骤 1. 1.工程顶目与控制任务的确定阶段工程顶目与控制任务的确定阶段 2. 2.工程项目的设计阶段工程项目的设计阶段 3. 3.离线仿真和调试阶段离线仿真和调试阶段 4. 4.在线调试和运行阶段在线调试和运行阶段9.2 系统的工程设计与实现9.2.1 9.2.1 系统总体方案设计系统总体方案设计9.2.2 9.2.2 硬件的工程设计与实现硬件的工程设计与实现9.2.3 9.2.3 软件的工程设计与实现软件的工程设计与实现9.2.4 9.2.4 系统的调试与运行系统的调试与运行 9
5、.2.1 系统总体方案设计 1. 1.硬件总体方案设计硬件总体方案设计 2. 2.软件总体方案设计软件总体方案设计 3. 3.系统总体方案系统总体方案9.2.2 硬件的工程设计与实现 1 1选择系统的总线和主机机型选择系统的总线和主机机型2 2选择输入输出通道模板选择输入输出通道模板3 3选择变送器和执行机构选择变送器和执行机构9.2.3 软件的工程设计与实现1 1数据类型和数据结构规划数据类型和数据结构规划2 2资源分配资源分配3 3实时控制软件设计实时控制软件设计9.2.4 系统的调试与运行1.1.离线仿真和调试离线仿真和调试 (1) (1)硬件调试硬件调试 (2) (2)软件调试软件调试
6、 (3) (3)系统仿真系统仿真2.2.在线调试和运行在线调试和运行 9.3 设计举例 啤酒发酵过程计算机控制系统9.3.1 9.3.1 啤酒发酵工艺及控制要求啤酒发酵工艺及控制要求9.3.2 9.3.2 系统总体方案的设计系统总体方案的设计9.3.3 9.3.3 系统硬件和软件的设计系统硬件和软件的设计9.3.4 9.3.4 系统的安装调试运行及控制效果系统的安装调试运行及控制效果9.3.1 啤酒发酵工艺及控制要求1.1.1.1.啤酒发酵工艺简介啤酒发酵工艺简介啤酒发酵工艺简介啤酒发酵工艺简介啤酒发酵是一个复杂的生物啤酒发酵是一个复杂的生物啤酒发酵是一个复杂的生物啤酒发酵是一个复杂的生物化学
7、过程，通常在锥型发酵罐中化学过程，通常在锥型发酵罐中化学过程，通常在锥型发酵罐中化学过程，通常在锥型发酵罐中进行。在二十多天的发酵期间，进行。在二十多天的发酵期间，进行。在二十多天的发酵期间，进行。在二十多天的发酵期间，根据酵母的活动能力，生长繁殖根据酵母的活动能力，生长繁殖根据酵母的活动能力，生长繁殖根据酵母的活动能力，生长繁殖快慢，确定发酵给定温度曲线，快慢，确定发酵给定温度曲线，快慢，确定发酵给定温度曲线，快慢，确定发酵给定温度曲线，如右图所示。要使酵母的繁殖和如右图所示。要使酵母的繁殖和如右图所示。要使酵母的繁殖和如右图所示。要使酵母的繁殖和衰减、麦汁中糖度的消耗和双乙衰减、麦汁中糖度
8、的消耗和双乙衰减、麦汁中糖度的消耗和双乙衰减、麦汁中糖度的消耗和双乙酰等杂质含量达到最佳状态，必酰等杂质含量达到最佳状态，必酰等杂质含量达到最佳状态，必酰等杂质含量达到最佳状态，必须严格控制发酵各阶段的温度，须严格控制发酵各阶段的温度，须严格控制发酵各阶段的温度，须严格控制发酵各阶段的温度，使其在给定温度的使其在给定温度的使其在给定温度的使其在给定温度的0.50.50.50.5范围范围范围范围内。内。内。内。 2.2.2.2.系统的控制要求系统的控制要求系统的控制要求系统的控制要求(1)(1)(1)(1)系统共有系统共有系统共有系统共有10101010个发酵罐，每个罐测量个发酵罐，每个罐测量个
9、发酵罐，每个罐测量个发酵罐，每个罐测量5 5 5 5个参数，即发酵罐个参数，即发酵罐个参数，即发酵罐个参数，即发酵罐的上中下三段温度、罐内上部气体的压力和罐内发酵液的上中下三段温度、罐内上部气体的压力和罐内发酵液的上中下三段温度、罐内上部气体的压力和罐内发酵液的上中下三段温度、罐内上部气体的压力和罐内发酵液( ( ( (麦汁麦汁麦汁麦汁) ) ) )的高度，共有三十个温度测量点、的高度，共有三十个温度测量点、的高度，共有三十个温度测量点、的高度，共有三十个温度测量点、10101010个压力测量点、个压力测量点、个压力测量点、个压力测量点、10101010个液位个液位个液位个液位测量点。因此共需
10、检测测量点。因此共需检测测量点。因此共需检测测量点。因此共需检测50505050个参数。个参数。个参数。个参数。(2)(2)(2)(2)自动控制各个发酵罐中的上中下三段温度使其按图自动控制各个发酵罐中的上中下三段温度使其按图自动控制各个发酵罐中的上中下三段温度使其按图自动控制各个发酵罐中的上中下三段温度使其按图9-79-79-79-7所示的工艺曲线运行，温度控制误差不大于所示的工艺曲线运行，温度控制误差不大于所示的工艺曲线运行，温度控制误差不大于所示的工艺曲线运行，温度控制误差不大于0.50.50.50.5。共有。共有。共有。共有30303030个控制点。个控制点。个控制点。个控制点。(3)(
11、3)(3)(3)系统具有自动控制、现场手动控制、控制室遥控三种系统具有自动控制、现场手动控制、控制室遥控三种系统具有自动控制、现场手动控制、控制室遥控三种系统具有自动控制、现场手动控制、控制室遥控三种工作方式。工作方式。工作方式。工作方式。(4)(4)(4)(4)系统具有掉电保护、报警、参数设置和工艺曲线修改系统具有掉电保护、报警、参数设置和工艺曲线修改系统具有掉电保护、报警、参数设置和工艺曲线修改系统具有掉电保护、报警、参数设置和工艺曲线修改设置功能。设置功能。设置功能。设置功能。(5)(5)(5)(5)系统具有表格、图型、曲线等显示和打印功能。系统具有表格、图型、曲线等显示和打印功能。系统
12、具有表格、图型、曲线等显示和打印功能。系统具有表格、图型、曲线等显示和打印功能。9.3.2 9.3.2 系统总体方案的设计系统总体方案的设计1.1.1.1.发酵罐测控点的分发酵罐测控点的分发酵罐测控点的分发酵罐测控点的分布及管线结构（如布及管线结构（如布及管线结构（如布及管线结构（如右图所示）右图所示）右图所示）右图所示） 2.2.2.2.检测装置和执行机检测装置和执行机检测装置和执行机检测装置和执行机构构构构3.3.3.3.控制规律控制规律控制规律控制规律4.4.4.4.控制系统主机及过控制系统主机及过控制系统主机及过控制系统主机及过程通道模板程通道模板程通道模板程通道模板5.5.5.5.控
13、制系统的软件控制系统的软件控制系统的软件控制系统的软件9.3.3 9.3.3 系统硬件和软件的设计系统硬件和软件的设计1.1.系统硬件的设计系统硬件的设计控制系统的组成框控制系统的组成框图，如右图所示图，如右图所示。(1)(1)(1)(1)模拟量输入通道模拟量输入通道模拟量输入通道模拟量输入通道设计设计设计设计(2)(2)(2)(2)模拟量输出通道模拟量输出通道模拟量输出通道模拟量输出通道设计设计设计设计2.2.系统软件的设计系统软件的设计 (1)(1)(1)(1)数据采集程序数据采集程序数据采集程序数据采集程序 (2)(2)(2)(2)数字滤波程序数字滤波程序数字滤波程序数字滤波程序(3)(
14、3)(3)(3)标度变换程序标度变换程序标度变换程序标度变换程序 温度的标度变换温度的标度变换温度的标度变换温度的标度变换 压力的标度变换压力的标度变换压力的标度变换压力的标度变换 液位的标度变换液位的标度变换液位的标度变换液位的标度变换(4)(4)(4)(4)给定工艺曲线的实时插补计算给定工艺曲线的实时插补计算给定工艺曲线的实时插补计算给定工艺曲线的实时插补计算(5)(5)(5)(5)控制算法控制算法控制算法控制算法 PID PID PID PID算式加特殊处理算式加特殊处理算式加特殊处理算式加特殊处理 施密斯（施密斯（施密斯（施密斯（Smith)Smith)Smith)Smith)预估控制
15、算式预估控制算式预估控制算式预估控制算式(6)(6)(6)(6)其它应用程序其它应用程序其它应用程序其它应用程序9.3.4 9.3.4 系统的安装调试运行及控制效果系统的安装调试运行及控制效果 现场进行安装时，首先在现场安装温度、压力现场进行安装时，首先在现场安装温度、压力现场进行安装时，首先在现场安装温度、压力现场进行安装时，首先在现场安装温度、压力变送器、液位变送器、调节阀等，然后从现场敷设变送器、液位变送器、调节阀等，然后从现场敷设变送器、液位变送器、调节阀等，然后从现场敷设变送器、液位变送器、调节阀等，然后从现场敷设屏蔽信号电缆到控制室，最后将这些线缆接到工业屏蔽信号电缆到控制室，最后
16、将这些线缆接到工业屏蔽信号电缆到控制室，最后将这些线缆接到工业屏蔽信号电缆到控制室，最后将这些线缆接到工业控制计算机外面的接线端子板上。调试工作主要是控制计算机外面的接线端子板上。调试工作主要是控制计算机外面的接线端子板上。调试工作主要是控制计算机外面的接线端子板上。调试工作主要是对变送器进行满度和零点校准，对变送器进行满度和零点校准，对变送器进行满度和零点校准，对变送器进行满度和零点校准，A/DA/DA/DA/D板和板和板和板和D/AD/AD/AD/A板满度板满度板满度板满度和零点校准；另外就是利用试凑法确定和零点校准；另外就是利用试凑法确定和零点校准；另外就是利用试凑法确定和零点校准；另外
17、就是利用试凑法确定PIDPIDPIDPID控制器的控制器的控制器的控制器的控制参数。系统经过安装调试后，投入运行，并满控制参数。系统经过安装调试后，投入运行，并满控制参数。系统经过安装调试后，投入运行，并满控制参数。系统经过安装调试后，投入运行，并满足系统的控制要求。足系统的控制要求。足系统的控制要求。足系统的控制要求。 该系统操作简单，使用维护方便，性能可靠；该系统操作简单，使用维护方便，性能可靠；该系统操作简单，使用维护方便，性能可靠；该系统操作简单，使用维护方便，性能可靠；采用微机控制，提高了啤酒质量；改善了劳动条件，采用微机控制，提高了啤酒质量；改善了劳动条件，采用微机控制，提高了啤酒
18、质量；改善了劳动条件，采用微机控制，提高了啤酒质量；改善了劳动条件，不用人工手动操作，消除了人为因素；易于现代化不用人工手动操作，消除了人为因素；易于现代化不用人工手动操作，消除了人为因素；易于现代化不用人工手动操作，消除了人为因素；易于现代化管理和产品质量分析；采用表格、图形、曲线显示管理和产品质量分析；采用表格、图形、曲线显示管理和产品质量分析；采用表格、图形、曲线显示管理和产品质量分析；采用表格、图形、曲线显示直观，并有打印输出功能。直观，并有打印输出功能。直观，并有打印输出功能。直观，并有打印输出功能。 9.4 9.4 设计举例设计举例 机器人计算机控制系统机器人计算机控制系统9.4.
19、1 PUMA5609.4.1 PUMA560机器人的结构原理机器人的结构原理9.4.2 9.4.2 机器人运动学方程机器人运动学方程9.4.3 9.4.3 机器人动力学方程机器人动力学方程9.5.4 9.5.4 机器人手臂的独立关节位置伺服控制机器人手臂的独立关节位置伺服控制9.4.1 PUMA5609.4.1 PUMA560机器人的结构原理机器人的结构原理9.4.2 9.4.2 机器人运动学方程机器人运动学方程1.1.机器人正运动学机器人正运动学2.2.机器人逆运动学机器人逆运动学9.4.3 9.4.3 机器人动力学方程机器人动力学方程 机器人动力学可通过机器人动力学可通过机器人动力学可通过
20、机器人动力学可通过Euler-LagrangeEuler-LagrangeEuler-LagrangeEuler-Lagrange方程方程方程方程 来描述。来描述。来描述。来描述。 和和和和 分别为系统的分别为系统的分别为系统的分别为系统的6 6 6 6个关节的角位移和个关节的角位移和个关节的角位移和个关节的角位移和角速度向量，角速度向量，角速度向量，角速度向量， 为作用于为作用于为作用于为作用于6 6 6 6个关节的外力矩向量。个关节的外力矩向量。个关节的外力矩向量。个关节的外力矩向量。 9.4.4 9.4.4 机器人手臂的独立关节位置伺服控制机器人手臂的独立关节位置伺服控制1.1.1.1.
21、位置控制的基本结构位置控制的基本结构位置控制的基本结构位置控制的基本结构 机器人的位置控制是机器人最基本的控制任务。机机器人的位置控制是机器人最基本的控制任务。机机器人的位置控制是机器人最基本的控制任务。机机器人的位置控制是机器人最基本的控制任务。机器人的位置控制结构主要有两种形式，即关节空间控制器人的位置控制结构主要有两种形式，即关节空间控制器人的位置控制结构主要有两种形式，即关节空间控制器人的位置控制结构主要有两种形式，即关节空间控制结构和直角坐标空间控制结构，分别如图结构和直角坐标空间控制结构，分别如图结构和直角坐标空间控制结构，分别如图结构和直角坐标空间控制结构，分别如图a)a)a)a)和图和图和图和图b)b)b)b)所示。所示。所示。所示。2.PUMA5602.PUMA560机器人的关节位置伺服控制机器人的关节位置伺服控制 PUMA560 PUMA560 PUMA560 PUMA560机器人关节位置伺服控制系统结构如下机器人关节位置伺服控制系统结构如下机器人关节位置伺服控制系统结构如下机器人关节位置伺服控制系统结构如下图所示。图所示。图所示。图所示。
