1、单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,国家精品课程,计算机控制技术,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，又是一个工程问题。,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；,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；,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，并对硬件提出具体要求。,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。,9.1,系统设计的原则与步骤,9.1.1,系统设计的原则,9.
2、1.2,系统设计的步骤,9.1.1,系统设计的原则,1.,安全可靠,2.,操作维护方便,3.,实时性强,4.,通用性好,5.,经济效益高,9.1.2,系统设计的步骤,1.,工程顶目与控制任务的确定阶段,2.,工程项目的设计阶段,3.,离线仿真和调试阶段,4.,在线调试和运行阶段,9.2,系统的工程设计与实现,9.2.1,系统总体方案设计,9.2.2,硬件的工程设计与实现,9.2.3,软件的工程设计与实现,9.2.4,系统的调试与运行,9.2.1,系统总体方案设计,1.,硬件总体方案设计,2.,软件总体方案设计,3.,系统总体方案,9.2.2,硬件的工程设计与实现,1,选择系统的总线和主机机型,
3、2,选择输入输出通道模板,3,选择变送器和执行机构,9.2.3,软件的工程设计与实现,1,数据类型和数据结构规划,2,资源分配,3,实时控制软件设计,9.2.4,系统的调试与运行,1.,离线仿真和调试,(1),硬件调试,(2),软件调试,(3),系统仿真,2.,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,啤酒发酵工艺及控制要求,9.3.2,系统总体方案的设计,9.3.3,系统硬件和软件的设计,9.3.4,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.,啤酒发酵工艺简介,啤酒发酵是一个复杂的生物化学过程，通常在锥型发酵罐中进行。在二十多天的发
4、酵期间，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，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，使其在给定温度的,0.5,范围内。,2.,系统的控制要求,(1),系统共有,10,个发酵罐，每个罐测量,5,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,(,麦汁,),的高度，共有三十个温度测量点、,10,个压力测量点、,10,个液位测量点。因此共需检测,50,个参数。,(2),自动控制各个发酵罐中的上中下三段温度使其按图,9-7,所示的工艺曲线运行，温度控制误差不大于,0.5,。共有,30,个控制点
5、3),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。,(4),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。,(5),系统具有表格、图型、曲线等显示和打印功能。,9.3.2,系统总体方案的设计,1.,发酵罐测控点的分布及管线结构（如右图所示）,2.,检测装置和执行机构,3.,控制规律,4.,控制系统主机及过程通道模板,5.,控制系统的软件,9.3.3,系统硬件和软件的设计,1.,系统硬件的设计,控制系统的组成框图，如右图所示,。,(1),模拟量输入通道设计,(2),模拟量输出通道设计,2.,系统软件的设计,(1),数据采集程序,(2),数字滤波程序,(3),标度变换程
6、序,温度的标度变换,压力的标度变换,液位的标度变换,(4),给定工艺曲线的实时插补计算,(5),控制算法,PID,算式加特殊处理,施密斯（,Smith),预估控制算式,(6),其它应用程序,9.3.4,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，,A/D,板和,D/A,板满度和零点校准；另外就是利用试凑法确定,PID,控制器的控制参数。系统经过安装调试后，投入运行，并满足系统的控制要求。,该系统操作简单，使用维
7、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，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、曲线显示直观，并有打印输出功能。,9.4,设计举例,机器人计算机控制系统,9.4.1 PUMA560,机器人的结构原理,9.4.2,机器人运动学方程,9.4.3,机器人动力学方程,9.5.4,机器人手臂的独立关节位置伺服控制,9.4.1 PUMA560,机器人的结构原理,9.4.2,机器人运动学方程,1.,机器人正运动学,2.,机器人逆运动学,9.4.3,机器人动力学方程,机器人动力学可通过,Euler-Lagrange,方程,来描述。和 分别为系统的,6,个关节的角位移和角速度向量，为作用于,6,个关节的外力矩向量。,9.4.4,机器人手臂的独立关节位置伺服控制,1.,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,a),和图,b),所示。,2.PUMA560,机器人的关节位置伺服控制,PUMA560,机器人关节位置伺服控制系统结构如下图所示。,
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