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文檔簡介

1、國家精品課程國家精品課程計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù)第9章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計,既是一個理論問題,又是計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計,既是一個理論問題,又是一個工程問題。一個工程問題。計算機控制系統(tǒng)的理論設(shè)計包括:計算機控制系統(tǒng)的理論設(shè)計包括:建立被控對象的數(shù)學模型;建立被控對象的數(shù)學模型;確定滿足一定技術(shù)經(jīng)濟指標的系統(tǒng)目標函數(shù),尋求確定滿足一定技術(shù)經(jīng)濟指標的系統(tǒng)目標函數(shù),尋求滿足該目標函數(shù)的控制規(guī)律;滿足該目標函數(shù)的控制規(guī)律;選擇適宜的計算方法和程序設(shè)計語言;選擇適宜的計算方法和程序設(shè)計語言;進行系統(tǒng)功能的軟、硬件界面劃分,并對硬件提出進行系統(tǒng)功能的軟、硬件界面劃分,并對硬件

2、提出具體要求。具體要求。本章主要介紹計算機控制系統(tǒng)設(shè)計的原則與步驟、計算機控制系統(tǒng)本章主要介紹計算機控制系統(tǒng)設(shè)計的原則與步驟、計算機控制系統(tǒng)的工程設(shè)計與實現(xiàn)、計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計舉例。的工程設(shè)計與實現(xiàn)、計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計舉例。國家精品課程國家精品課程計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù)9.1 系統(tǒng)設(shè)計的原則與步驟 9.1.1 9.1.1 系統(tǒng)設(shè)計的原則系統(tǒng)設(shè)計的原則 9.1.2 9.1.2 系統(tǒng)設(shè)計的步驟系統(tǒng)設(shè)計的步驟國家精品課程國家精品課程計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù)9.1.1 系統(tǒng)設(shè)計的原則 1. 1.安全可靠安全可靠 2.2.操作維護方便操作維護方便 3.3.實時性強實時性強 4.4.通用性好

3、通用性好 5.5.經(jīng)濟效益高經(jīng)濟效益高國家精品課程國家精品課程計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù)9.1.2 系統(tǒng)設(shè)計的步驟 1. 1.工程頂目與控制任務(wù)的確定階段工程頂目與控制任務(wù)的確定階段 2.2.工程項目的設(shè)計階段工程項目的設(shè)計階段 3.3.離線仿真和調(diào)試階段離線仿真和調(diào)試階段 4.4.在線調(diào)試和運行階段在線調(diào)試和運行階段國家精品課程國家精品課程計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù)9.2 系統(tǒng)的工程設(shè)計與實現(xiàn)9.2.1 9.2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計系統(tǒng)總體方案設(shè)計9.2.2 9.2.2 硬件的工程設(shè)計與實現(xiàn)硬件的工程設(shè)計與實現(xiàn)9.2.3 9.2.3 軟件的工程設(shè)計與實現(xiàn)軟件的工程設(shè)計與實現(xiàn)9.2.4 9

4、.2.4 系統(tǒng)的調(diào)試與運行系統(tǒng)的調(diào)試與運行 國家精品課程國家精品課程計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù)9.2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 1. 1.硬件總體方案設(shè)計硬件總體方案設(shè)計 2.2.軟件總體方案設(shè)計軟件總體方案設(shè)計 3.3.系統(tǒng)總體方案系統(tǒng)總體方案國家精品課程國家精品課程計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù)9.2.2 硬件的工程設(shè)計與實現(xiàn) 1 1選擇系統(tǒng)的總線和主機機型選擇系統(tǒng)的總線和主機機型2 2選擇輸入輸出通道模板選擇輸入輸出通道模板3 3選擇變送器和執(zhí)行機構(gòu)選擇變送器和執(zhí)行機構(gòu)國家精品課程國家精品課程計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù)9.2.3 軟件的工程設(shè)計與實現(xiàn)1 1數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃數(shù)據(jù)類型和數(shù)

5、據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃2 2資源分配資源分配3 3實時控制軟件設(shè)計實時控制軟件設(shè)計國家精品課程國家精品課程計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù)9.2.4 系統(tǒng)的調(diào)試與運行1.1.離線仿真和調(diào)試離線仿真和調(diào)試 (1)(1)硬件調(diào)試硬件調(diào)試 (2)(2)軟件調(diào)試軟件調(diào)試 (3)(3)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真2.2.在線調(diào)試和運行在線調(diào)試和運行 國家精品課程國家精品課程計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù)9.3 設(shè)計舉例 啤酒發(fā)酵過程計算機控制系統(tǒng)9.3.1 9.3.1 啤酒發(fā)酵工藝及控制要求啤酒發(fā)酵工藝及控制要求9.3.2 9.3.2 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計系統(tǒng)總體方案的設(shè)計9.3.3 9.3.3 系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)

6、計9.3.4 9.3.4 系統(tǒng)的安裝調(diào)試運行及控制效果系統(tǒng)的安裝調(diào)試運行及控制效果國家精品課程國家精品課程計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù)9.3.1 啤酒發(fā)酵工藝及控制要求1.1.啤酒發(fā)酵工藝簡介啤酒發(fā)酵工藝簡介啤酒發(fā)酵是一個復雜的生物化啤酒發(fā)酵是一個復雜的生物化學過程,通常在錐型發(fā)酵罐中進行。學過程,通常在錐型發(fā)酵罐中進行。在二十多天的發(fā)酵期間,根據(jù)酵母的在二十多天的發(fā)酵期間,根據(jù)酵母的活動能力,生長繁殖快慢,確定發(fā)酵活動能力,生長繁殖快慢,確定發(fā)酵給定溫度曲線,如右圖所示。要使酵給定溫度曲線,如右圖所示。要使酵母的繁殖和衰減、麥汁中糖度的消耗母的繁殖和衰減、麥汁中糖度的消耗和雙乙酰等雜質(zhì)含量達

7、到最佳狀態(tài),和雙乙酰等雜質(zhì)含量達到最佳狀態(tài),必須嚴格控制發(fā)酵各階段的溫度,使必須嚴格控制發(fā)酵各階段的溫度,使其在給定溫度的其在給定溫度的0.50.5范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。 國家精品課程國家精品課程計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù)2.2.系統(tǒng)的控制要求系統(tǒng)的控制要求(1)(1)系統(tǒng)共有系統(tǒng)共有1010個發(fā)酵罐,每個罐測量個發(fā)酵罐,每個罐測量5 5個參數(shù),即發(fā)酵罐的上中個參數(shù),即發(fā)酵罐的上中下三段溫度、罐內(nèi)上部氣體的壓力和罐內(nèi)發(fā)酵液下三段溫度、罐內(nèi)上部氣體的壓力和罐內(nèi)發(fā)酵液( (麥汁麥汁) )的高度,共有的高度,共有三十個溫度測量點、三十個溫度測量點、1010個壓力測量點、個壓力測量點、1010個液位測量點

8、。因此共需檢個液位測量點。因此共需檢測測5050個參數(shù)。個參數(shù)。(2)(2)自動控制各個發(fā)酵罐中的上中下三段溫度使其按圖自動控制各個發(fā)酵罐中的上中下三段溫度使其按圖9-79-7所示的所示的工藝曲線運行,溫度控制誤差不大于工藝曲線運行,溫度控制誤差不大于0.50.5。共有。共有3030個控制點。個控制點。(3)(3)系統(tǒng)具有自動控制、現(xiàn)場手動控制、控制室遙控三種工作方式。系統(tǒng)具有自動控制、現(xiàn)場手動控制、控制室遙控三種工作方式。(4)(4)系統(tǒng)具有掉電保護、報警、參數(shù)設(shè)置和工藝曲線修改設(shè)置功能。系統(tǒng)具有掉電保護、報警、參數(shù)設(shè)置和工藝曲線修改設(shè)置功能。(5)(5)系統(tǒng)具有表格、圖型、曲線等顯示和打印

9、功能。系統(tǒng)具有表格、圖型、曲線等顯示和打印功能。國家精品課程國家精品課程計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù)9.3.2 9.3.2 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計系統(tǒng)總體方案的設(shè)計1.1.發(fā)酵罐測控點的分發(fā)酵罐測控點的分布及管線結(jié)構(gòu)(如布及管線結(jié)構(gòu)(如右圖所示)右圖所示) 2.2.檢測裝置和執(zhí)行機檢測裝置和執(zhí)行機構(gòu)構(gòu)3.3.控制規(guī)律控制規(guī)律4.4.控制系統(tǒng)主機及過控制系統(tǒng)主機及過程通道模板程通道模板5.5.控制系統(tǒng)的軟件控制系統(tǒng)的軟件國家精品課程國家精品課程計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù)9.3.3 9.3.3 系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計1.1.系統(tǒng)硬件系統(tǒng)硬件的設(shè)計的設(shè)計控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的組成框圖,

10、組成框圖,如右圖所示如右圖所示。(1)(1)模擬量輸模擬量輸入通道設(shè)計入通道設(shè)計(2)(2)模擬量輸模擬量輸出通道設(shè)計出通道設(shè)計國家精品課程國家精品課程計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù)2.2.系統(tǒng)軟件的設(shè)計系統(tǒng)軟件的設(shè)計 (1)(1)數(shù)據(jù)采集程序數(shù)據(jù)采集程序 (2)(2)數(shù)字濾波程序數(shù)字濾波程序(3)(3)標度變換程序標度變換程序 溫度的標度變換溫度的標度變換 壓力的標度變換壓力的標度變換 液位的標度變換液位的標度變換(4)(4)給定工藝曲線的實時插補計算給定工藝曲線的實時插補計算(5)(5)控制算法控制算法 PIDPID算式加特殊處理算式加特殊處理 施密斯(施密斯(Smith)Smith)預估控

11、制算式預估控制算式(6)(6)其它應(yīng)用程序其它應(yīng)用程序國家精品課程國家精品課程計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù)9.3.4 9.3.4 系統(tǒng)的安裝調(diào)試運行及控制效果系統(tǒng)的安裝調(diào)試運行及控制效果 現(xiàn)場進行安裝時,首先在現(xiàn)場安裝溫度、壓力變送現(xiàn)場進行安裝時,首先在現(xiàn)場安裝溫度、壓力變送器、液位變送器、調(diào)節(jié)閥等,然后從現(xiàn)場敷設(shè)屏蔽信號器、液位變送器、調(diào)節(jié)閥等,然后從現(xiàn)場敷設(shè)屏蔽信號電纜到控制室,最后將這些線纜接到工業(yè)控制計算機外電纜到控制室,最后將這些線纜接到工業(yè)控制計算機外面的接線端子板上。調(diào)試工作主要是對變送器進行滿度面的接線端子板上。調(diào)試工作主要是對變送器進行滿度和零點校準,和零點校準,A/DA/D

12、板和板和D/AD/A板滿度和零點校準;另外就是板滿度和零點校準;另外就是利用試湊法確定利用試湊法確定PIDPID控制器的控制參數(shù)。系統(tǒng)經(jīng)過安裝控制器的控制參數(shù)。系統(tǒng)經(jīng)過安裝調(diào)試后,投入運行,并滿足系統(tǒng)的控制要求。調(diào)試后,投入運行,并滿足系統(tǒng)的控制要求。 該系統(tǒng)操作簡單,使用維護方便,性能可靠;采用該系統(tǒng)操作簡單,使用維護方便,性能可靠;采用微機控制,提高了啤酒質(zhì)量;改善了勞動條件,不用人微機控制,提高了啤酒質(zhì)量;改善了勞動條件,不用人工手動操作,消除了人為因素;易于現(xiàn)代化管理和產(chǎn)品工手動操作,消除了人為因素;易于現(xiàn)代化管理和產(chǎn)品質(zhì)量分析;采用表格、圖形、曲線顯示直觀,并有打印質(zhì)量分析;采用表格

13、、圖形、曲線顯示直觀,并有打印輸出功能。輸出功能。 國家精品課程國家精品課程計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù)9.4 9.4 設(shè)計舉例設(shè)計舉例 機器人計算機控制系統(tǒng)機器人計算機控制系統(tǒng)9.4.1 PUMA5609.4.1 PUMA560機器人的結(jié)構(gòu)原理機器人的結(jié)構(gòu)原理9.4.2 9.4.2 機器人運動學方程機器人運動學方程9.4.3 9.4.3 機器人動力學方程機器人動力學方程9.5.4 9.5.4 機器人手臂的獨立關(guān)節(jié)位置伺服控制機器人手臂的獨立關(guān)節(jié)位置伺服控制國家精品課程國家精品課程計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù)9.4.1 PUMA5609.4.1 PUMA560機器人的結(jié)構(gòu)原理機器人的結(jié)構(gòu)原理國

14、家精品課程國家精品課程計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù)9.4.2 9.4.2 機器人運動學方程機器人運動學方程1.1.機器人正運動學機器人正運動學2.2.機器人逆運動學機器人逆運動學國家精品課程國家精品課程計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù)9.4.3 9.4.3 機器人動力學方程機器人動力學方程 機器人動力學可通過機器人動力學可通過Euler-LagrangeEuler-Lagrange方程方程 來描述。來描述。 和和 分別為系統(tǒng)的分別為系統(tǒng)的6 6個關(guān)節(jié)的角位移和角個關(guān)節(jié)的角位移和角速度向量,速度向量, 為作用于為作用于6 6個關(guān)節(jié)的外力矩向量。個關(guān)節(jié)的外力矩向量。 qqqLqqqLdtd),(),(qq 國家精品課程國家精品課程計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù)9.4.4 9.4.4 機器人手臂的獨立關(guān)節(jié)位置伺服控制機器人手臂的獨立關(guān)節(jié)位置伺服控制1.1.位置控制的基本結(jié)構(gòu)位置控制的基本結(jié)構(gòu) 機器人的位置控制是機器人最基本的控制任務(wù)。機器人的機器人的位置控制是機器人最基本的控制任

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