信息與通信計算機控制系統(tǒng)應(yīng)用實例PPT課件

1、1計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計原則1.可靠性高2. 操作性好3. 實時性強4. 通用性好、便于擴充5. 經(jīng)濟效益高第1頁/共43頁2計算機控制系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容和步驟：系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計；系統(tǒng)硬件設(shè)計、選擇與開發(fā)；軟硬件的可靠性設(shè)計；確定滿足一定經(jīng)濟指標的目標函數(shù)，建立被控對象的數(shù)學模型并針對目標函數(shù)進行控制算法規(guī)律設(shè)計；軟件設(shè)計與開發(fā)；系統(tǒng)整體調(diào)試等。 微機控制系統(tǒng)設(shè)計，雖然隨控制對象、設(shè)備種類、控制方式、規(guī)模大小等不同而有所差異，但系統(tǒng)設(shè)計的基本內(nèi)容和主要步驟是大體相同的。主要包括：第2頁/共43頁310.1 雙擺實驗系統(tǒng)的計算機控制設(shè)計與實現(xiàn)10.2 轉(zhuǎn)臺計算機伺服控制系統(tǒng)設(shè)計10.3 民用機場供油

2、集散系統(tǒng)第3頁/共43頁410.1.1 雙擺實驗控制系統(tǒng)介紹1. 雙擺實驗控制系統(tǒng)組成第4頁/共43頁52. 雙擺實驗控制系統(tǒng)性能指標 本實驗系統(tǒng)控制的目的是：當滑車在導軌上以一定速度和加速度運動時，應(yīng)保持雙擺的擺動角度最??；或雙擺有任一初始擺角時，系統(tǒng)將使雙擺迅速返回平衡位置。 為實現(xiàn)上述控制目的，提出如下性能指標要求：(1) 計算機D/A輸出100mV時，電機應(yīng)啟動。 (2) 滑車最大運動速度為 0.4ms，D/A的最大輸出對應(yīng)滑車的最大運行速度。(3) 當有較大的初始擾動（上擺角初始角度為50o）時，上下擺的擺角到達穩(wěn)態(tài)時間5s6s，擺動次數(shù)34次。(4) 當滑車從偏離零位處回歸零位時，

3、上下擺的擺角到達穩(wěn)態(tài)時間5s6s，擺動次數(shù)34次。第5頁/共43頁610.1.2 雙擺控制系統(tǒng)的整體方案 整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖10-2所示，控制系統(tǒng)方塊圖如圖10-3所示。圖10-2 雙擺計算機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖10-3 雙擺計算機控制系統(tǒng)方塊圖第6頁/共43頁710.1.3 雙擺系統(tǒng)數(shù)學建模 利用拉格朗日方程建立雙擺系統(tǒng)的動力學方程并進行適當?shù)暮喕?，以得到在小擾動情況下系統(tǒng)的線性化狀態(tài)方程。 非保守系統(tǒng)的拉格朗日方程 iiiFqLqLdtdn,i21L：拉格朗日函數(shù)=系統(tǒng)的總能量-系統(tǒng)的總勢能 系統(tǒng)各個自由度的廣義坐標 廣義坐標對于時間的一階導數(shù) 驅(qū)動每個自由度運動的廣義力或力矩 系統(tǒng)自由度

4、數(shù) 第7頁/共43頁81. 以控制力為輸入建立雙擺系統(tǒng)的數(shù)學模型：拖動電機對于滑車的控制力：滑車質(zhì)量：上擺關(guān)節(jié)的質(zhì)量：下擺關(guān)節(jié)的質(zhì)量（包括擺錘）：滑車距參考坐標系原點的橫坐標：上擺質(zhì)心距滑車鉸鏈的長度：關(guān)節(jié)鉸鏈距滑車鉸鏈的長度（上擺桿的擺長）：關(guān)節(jié)鉸鏈距下擺質(zhì)心的長度：上擺擺動角度：下擺擺動角度：下擺關(guān)節(jié)擺動角度，且滿足：上擺擺桿的轉(zhuǎn)動慣量：下擺擺桿的轉(zhuǎn)動慣量F2mx1l2l3lM1m1J2J圖10-4 雙擺系統(tǒng)受力分析圖第8頁/共43頁9 滑車雙擺系統(tǒng)是具有三個自由度的機械系統(tǒng)，其第一個自由度的廣義驅(qū)動力由力矩電機產(chǎn)生，第二、三個自由度均為擺桿相對于鉸鏈的自由擺動，廣義力為零。建立系統(tǒng)的拉格

5、朗日方程如下： 第9頁/共43頁10作以下的簡化： 忽略由速度引起的向心力和哥氏力 （為上擺桿長度）， 可視為下擺桿長度 sin( ) 1)cos(21ll 3l01J02J令 TTxxxxxxxxX654321車位置 車速度 mmxxgMxxMxxmmmmmggxxMlmlmlMxxxxmmmmggmlml121122331212244111115566121223130100000000001000100000()0010000010000 Fl100 雙擺系統(tǒng)在平衡位置附近的線性狀態(tài)方程： 上擺角 上擺角速率 下擺角速率 下擺角 第10頁/共43頁112. 建立電機加雙擺對象的數(shù)學模型

6、直流伺服電機在忽略了感抗的影響以及啟動死區(qū)電壓后，可以視為一個二階的線性系統(tǒng)。 即有圖10-5 電機模型第11頁/共43頁12進行適當?shù)恼?，就可得到平衡位置附近處電機加雙擺對象的數(shù)學模型： etaetaK Kmm grxMrJ RMrJxxK Kmm g mm rJmxgm lMrJ Rlml MrJxxmmmmggm lm l212122232121224221111 15612121313010000()0000()000100() ()000()()0000010000 taataxr KMrJ Rxxuxr KMrJ Rlxx1223421560()0()00 第12頁/共43頁13

7、10.1.4 系統(tǒng)回路控制設(shè)計1.系統(tǒng)的速度環(huán)設(shè)計執(zhí)行電機的死區(qū)達到1V，即有 VUdead1為滿足克服死區(qū)電壓的指標要求，引入模擬放大環(huán)節(jié)，使D/A輸出0.1V時電機啟動，則從計算機輸出點到控制電機輸入點之間的放大倍數(shù)必須滿足deadKU0(/0.1) 為了滿足D/A輸出滿量程5V時對應(yīng)滑車最大速度0.4ms的要求，需要在控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中引入測速機輸出進行速度反饋。采用穩(wěn)態(tài)數(shù)值，有 gwmVVUKK KK Krrmaxmaxmax12 圖10-6 雙擺控制系統(tǒng)的模擬內(nèi)環(huán)第13頁/共43頁14 考慮放大器箱的放大倍數(shù)，D/A輸出電壓u滿足： 則描述系統(tǒng)的線性化狀態(tài)方程（10-8）可以改寫為 ee

8、gwKKK K K r2 令aauuuKKK012() etaetaK KmmgrxMrJ RMrJxxK Kmmg mm rJmxgmlMrJ R lm l MrJxxmmmmggmlml212122232121224221111 15612121313010000()0000()000100() ()000()()0000010000 tataxrK K KMrJ RxxuxrK K KMrJ R lxx11222341221560()0()00 A XB u第14頁/共43頁152. 采樣周期的選取 根據(jù)電機的模型以及電機的相關(guān)參數(shù)可知，該電機的機電時間常數(shù)為： (s) 根據(jù)采樣周期的選

9、取原則，可以將采樣周期選擇為：msT10第15頁/共43頁163. 系統(tǒng)位置環(huán)設(shè)計（控制律設(shè)計） 這里采用無限時間離散二次型的代價函數(shù)： TTkJXk QX kuk Ru k01( )( )( )( )2 其中Q、R陣的初始設(shè)置如下： Q100000000.500000010000000010000001000000001 R0.1 可利用Matlab中的函數(shù)dlqr計算得反饋增益K等：K,P,e=dlqr(F,G,Q,R)車位置、上擺角度、下擺角度可直接測量并用于狀態(tài)反饋；車速度、上下擺角的速度不可直接測量，這里采用位移量差分計算得到 第16頁/共43頁1710.1.5 軟件設(shè)計圖10-7

10、雙擺計算機控制系統(tǒng)的程序流程圖第17頁/共43頁1810.1.6 閉環(huán)控制實驗結(jié)果1. 擺角擾動閉環(huán)控制（上擺角初始擾動角度50o） 圖10-8 未加控制的上擺角曲線 圖10-9未加控制的下擺角曲線 圖10-10 施加最優(yōu)控制的上擺角曲線圖10-11施加最優(yōu)控制的下擺角曲線 橫軸為時間軸，單位為s，縱軸為角度軸，單位為（o）第18頁/共43頁192. 滑車位置回零控制（滑車從-0.3m處回歸零位）圖10-12 未加控制的上擺角曲線 圖10-13未加控制的下擺角曲線圖10-14 施加最優(yōu)控制的上擺角曲線 圖10-15施加最優(yōu)控制的下擺角曲線 橫軸為時間軸，單位為s，縱軸為角度軸，單位為（o）第1

11、9頁/共43頁2010.1 雙擺實驗系統(tǒng)的計算機控制設(shè)計與實現(xiàn)10.2 轉(zhuǎn)臺計算機伺服控制系統(tǒng)設(shè)計10.3 民用機場供油集散系統(tǒng)第20頁/共43頁2110.2 轉(zhuǎn)臺計算機伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 “高頻響、超低速、寬調(diào)速、高精度”成為仿真轉(zhuǎn)臺的主要性能指標和發(fā)展方向。 “高頻響”反映轉(zhuǎn)臺跟蹤高頻信號的能力強； “超低速”反映系統(tǒng)的低速平穩(wěn)性好； “寬調(diào)速”可提供很寬的調(diào)速范圍； “高精度”指系統(tǒng)跟蹤指令信號的準確程度高。第21頁/共43頁2210.2.1 轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)介紹圖10-16 三軸模擬轉(zhuǎn)臺及其示意圖第22頁/共43頁2310.2.2 三軸測試轉(zhuǎn)臺的總體控制結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)臺三個框架的控制是相互獨立的，因此

12、轉(zhuǎn)臺的控制系統(tǒng)可以采用如圖10-17所示的原理方案。圖10-17 三軸測試轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)總體控制結(jié)構(gòu)圖第23頁/共43頁2410.2.3 轉(zhuǎn)臺單框的數(shù)學模型 由于轉(zhuǎn)臺三個框架的控制是相互獨立的，因此可以分別對每個框架的控制系統(tǒng)進行設(shè)計。 進行拉氏變換，忽略電樞電感，得到電樞電壓與輸出角速度之間的傳遞函數(shù)( )( )caaacemksKUsR JsR Bk kT s1第24頁/共43頁2510.2.4 轉(zhuǎn)臺單框控制回路設(shè)計 一般的設(shè)計過程是從內(nèi)向外，依次設(shè)計電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，根據(jù)系統(tǒng)整體的性能指標，適當分配相應(yīng)的設(shè)計指標，按典型系統(tǒng)設(shè)計控制及補償環(huán)節(jié)。圖10-18 轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)框圖第25頁/共4

13、3頁261. 電流環(huán)設(shè)計 電流環(huán)負反饋可以充分利用電機所允許的過載能力，同時限制電流的最大值，從而對電機啟動或制動器起到快速的保護作用。 設(shè)計得到的電流環(huán)控制器直接在功放硬件電路中實現(xiàn)。 在電流環(huán)的具體設(shè)計中，參照仿真模型加入PI控制器，通過具體的實驗驗證設(shè)計結(jié)果。 一般要求設(shè)計后的電流環(huán)回路響應(yīng)速度快、無超調(diào)或超調(diào)量很小。第26頁/共43頁272. 速度環(huán)設(shè)計 常采用測速發(fā)電機作為速度反饋元件，構(gòu)成模擬式速度反饋系統(tǒng)。 速度環(huán)作用： 保證速度回路的穩(wěn)態(tài)精度； 提高速度回路的剛度； 盡可能拉寬速度回路的頻帶； 對高頻段的諧振和未建模動態(tài)特性有較大的衰減； 盡可能降低系統(tǒng)對擾動的靈敏度； 減小速

14、度環(huán)的死區(qū)電壓。 速度環(huán)設(shè)計時應(yīng)考慮： 應(yīng)包含一個積分環(huán)節(jié)，以克服伺服電機的死區(qū)和功率放大器漂移所造成的靜態(tài)誤差，保證穩(wěn)態(tài)精度指標，提高系統(tǒng)靜態(tài)剛度。 將速度環(huán)的閉環(huán)特性設(shè)計為過阻尼，使其主導極點為一對實極點，從而有利于克服摩擦的影響，改善伺服電機低速運行特性。第27頁/共43頁283. 位置環(huán)設(shè)計 工作過程是：通過鍵盤或其它通信方式獲取位置指令信號，通過位置傳感器獲取系統(tǒng)當前輸出的實際角位置，按照一定的算法計算出控制器的輸出，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器輸出控制量，使得系統(tǒng)的實際輸出跟蹤指令信號的變化。 轉(zhuǎn)臺控制核心是位置環(huán)的控制算法，它是系統(tǒng)控制精度的保障。 圖10-20 三軸測試轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)原理圖第

15、28頁/共43頁2910.2.5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計1. 上位機軟件需要實現(xiàn)的功能包括： 自檢、轉(zhuǎn)臺回零、工作狀態(tài)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理及實時圖形顯示、信號發(fā)生（產(chǎn)生正弦、三角波、方波及隨機信號供系統(tǒng)調(diào)試及工作檢測使用）、完成與下位機的通信、提供良好的界面。2. 下位機需要實現(xiàn)的功能： 實時控制（完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、控制量解算以及系統(tǒng)當前狀態(tài)監(jiān)測等實時任務(wù)）、性能測試、數(shù)據(jù)處理以及完成與上位機的通信。3. 上下位機的通信設(shè)計： 上下位機之間的通信利用NE2000兼容的以太網(wǎng)卡（實時通信速率可以達3ms），采用Netbios（Network basic input and output system）通信

16、協(xié)議，實現(xiàn)上下位機毫秒級的實時數(shù)據(jù)傳輸。 第29頁/共43頁3010.2.6 控制律選用及仿真結(jié)構(gòu) 采用PID控制其中的內(nèi)框。為了提高控制精度，再引入一個對輸入信號進行微分的順控補償，形成PID加前饋的復合控制，對應(yīng)得到的轉(zhuǎn)臺及伺服系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖如圖10-22所示。 圖10-22 模擬轉(zhuǎn)臺及伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第30頁/共43頁3110.2.7 實際控制效果 設(shè)定三軸測試轉(zhuǎn)臺的定時中斷時間為1ms，并在內(nèi)框負載30kg。實施PID加前饋的復合控制，得到指令與跟蹤實際效果如圖10-23所示（圖中縱軸坐標單位為(o)，橫軸單位為時間s）。 圖10-23 轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)PID加前饋復合控制結(jié)果圖第31頁/共4

17、3頁3210.1 雙擺實驗系統(tǒng)的計算機控制設(shè)計與實現(xiàn)10.2 轉(zhuǎn)臺計算機伺服控制系統(tǒng)設(shè)計10.3 民用機場供油集散系統(tǒng)第32頁/共43頁3310.3.1 民用機場供油系統(tǒng)工藝簡介圖10-24 民用機場供油系統(tǒng)基本工藝示意圖第33頁/共43頁3410.3.2 機場供油系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖10-25 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)第34頁/共43頁3510.3.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計 系統(tǒng)涉及以下3種通信網(wǎng)絡(luò)：1. 直接控制級與現(xiàn)場設(shè)備級之間的通信網(wǎng)絡(luò) 高可靠性和高實時性是對這一級網(wǎng)絡(luò)的核心要求。這兩級之間的通信網(wǎng)絡(luò)采用Modbus Plus網(wǎng)（一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的1Mbps令牌總線網(wǎng)）。2. 直接控制級與監(jiān)控管理級之間

18、的通信網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)對直接控制級與監(jiān)控管理級間的通信網(wǎng)絡(luò)的實時性要求并不高，可采用目前最為常用的以太局域網(wǎng)，便于系統(tǒng)的開發(fā)和維護。3. 監(jiān)控管理級各計算機之間的通信網(wǎng)絡(luò) 由于監(jiān)控管理級還要與其它系統(tǒng)通信，故監(jiān)控管理級各計算機之間的通信網(wǎng)絡(luò)對通信速度的要求較高。同樣，該網(wǎng)絡(luò)也設(shè)計為100M以太局域網(wǎng)。 監(jiān)控管理級各臺工作站以及直接控制級的現(xiàn)場控制站共同構(gòu)成了如圖10-25所示的一個以太局域網(wǎng)。第35頁/共43頁3610.3.4 功能設(shè)計1. 直接控制級功能設(shè)計，其主要功能包括： 數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計算、觸發(fā)報警、對現(xiàn)場設(shè)備進行直接控制、對工藝過程進行自動控制。2監(jiān)控管理級功能設(shè)計，包括：(1) 顯示工藝

19、流程及其狀態(tài)(2) 顯示工藝過程裝置及測量儀表的工作狀態(tài)(3) 顯示工藝過程參數(shù)、設(shè)備工作參數(shù)以及統(tǒng)計數(shù)據(jù)(4) 顯示某些重要變量（如機坪壓力、加油流量等）的趨勢圖(5) 采用聲光兩種方式報警提示及管理(6) 對泵或電動閥門等設(shè)備進行控制(7) 對三個主要的工藝過程進行控制(8) 設(shè)置設(shè)備維修狀態(tài)(9) 設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)(10) 存儲關(guān)鍵變量和系統(tǒng)事件內(nèi)容及時間等數(shù)據(jù)。(11) 生成及打印各種記錄報表(12) 進行三級用戶訪問權(quán)限管理(13) 進行應(yīng)用程序管理(14) 與外界通信，在遠程監(jiān)控終端上實現(xiàn)對本系統(tǒng)的遠程監(jiān)控和管理。 第36頁/共43頁3710.3.5 硬件設(shè)計1. 現(xiàn)場設(shè)備級硬件配置

20、根據(jù)機場供油系統(tǒng)的工藝特點以及SCADA系統(tǒng)的功能要求，系統(tǒng)配置的現(xiàn)場測量儀表主要有壓力、溫度、流量和液位四大類，而控制設(shè)備主要是電動閥、變頻器和軟起動器。根據(jù)基于網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)思想，現(xiàn)場設(shè)備級的所有儀表均選用智能化總線儀表。2. 直接控制級硬件配置 本系統(tǒng)既有大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)需要采集與傳輸，還要執(zhí)行各種控制功能，包括連續(xù)閉環(huán)控制，因此，直接控制級的現(xiàn)場控制站選用PLC。3. 監(jiān)控管理級硬件配置 監(jiān)控管理級的計算機要求有較快的運算速度，較強的信息處理能力，較大的存儲量以及較強的圖形顯示功能。針對本系統(tǒng)的規(guī)模和本級的具體任務(wù)，選用通用的工業(yè)控制計算機即可。另外，為提高本級局域網(wǎng)絡(luò)的速度，采用交換機來組

21、網(wǎng)。第37頁/共43頁3810.3.6 軟件設(shè)計 直接控制級與監(jiān)控管理級的各項功能由應(yīng)用軟件實現(xiàn)。 監(jiān)控管理級的功能涵蓋了過程監(jiān)控與生產(chǎn)管理兩個層次。該級在硬件上是一級，在功能上是監(jiān)控和管理兩層。 本質(zhì)區(qū)別：監(jiān)控層功能面向控制過程，要求較強的實時性，其實現(xiàn)以實時數(shù)據(jù)庫為核心；而管理層功能重在對已有數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、報表和查詢，因此其實現(xiàn)以關(guān)系數(shù)據(jù)庫為核心。圖10-25 監(jiān)控管理級數(shù)據(jù)集成示意圖第38頁/共43頁3910.3.7 實際應(yīng)用1. 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及配置圖10-27 民用機場供油系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及其配置示意圖第39頁/共43頁402. 直接控制級開發(fā) I/O點數(shù)一般在幾百到幾千之間，只有一個連續(xù)閉環(huán)控制回路，其它都是開關(guān)量控制，按DCS或SCADA系統(tǒng)的標準來衡量，屬于中等偏小型規(guī)模的系統(tǒng)；且對于過程控制而言，采樣周期要求不是很苛刻。