計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)--應(yīng)用實(shí)例

1、2 依依審定的教材大綱編寫(xiě)。審定的教材大綱編寫(xiě)。 主編人：高金源主編人：高金源 夏潔夏潔 出版發(fā)行：清華大學(xué)出版社出版發(fā)行：清華大學(xué)出版社3可靠性高可靠性高2. 操作性好操作性好3. 實(shí)時(shí)性強(qiáng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)4. 通用性好、便于擴(kuò)充通用性好、便于擴(kuò)充5. 經(jīng)濟(jì)效益高經(jīng)濟(jì)效益高4系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計(jì)；系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計(jì)；系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、選擇與開(kāi)發(fā)；系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、選擇與開(kāi)發(fā)；軟硬件的可靠性設(shè)計(jì)；軟硬件的可靠性設(shè)計(jì)；確定滿(mǎn)足一定經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)，建立被控對(duì)象的數(shù)確定滿(mǎn)足一定經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)，建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型并針對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行控制算法規(guī)律設(shè)計(jì)；學(xué)模型并針對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行控制算法規(guī)律設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

2、；軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)；系統(tǒng)整體調(diào)試等。系統(tǒng)整體調(diào)試等。 微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，雖然隨控制對(duì)象、設(shè)備種類(lèi)、微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，雖然隨控制對(duì)象、設(shè)備種類(lèi)、控制方式、規(guī)模大小等不同而有所差異，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制方式、規(guī)模大小等不同而有所差異，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容和主要步驟是大體相同的。主要包括：的基本內(nèi)容和主要步驟是大體相同的。主要包括：510.1 雙擺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)雙擺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)10.2 轉(zhuǎn)臺(tái)計(jì)算機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臺(tái)計(jì)算機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)10.3 民用機(jī)場(chǎng)供油集散系統(tǒng)民用機(jī)場(chǎng)供油集散系統(tǒng)61. 雙擺實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)組成雙擺實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)組成7 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制的目的是：當(dāng)滑車(chē)在導(dǎo)軌

3、上以一定速度和本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制的目的是：當(dāng)滑車(chē)在導(dǎo)軌上以一定速度和加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)保持雙擺的擺動(dòng)角度最?。换螂p擺有任加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)保持雙擺的擺動(dòng)角度最小；或雙擺有任一初始擺角時(shí)，系統(tǒng)將使雙擺迅速返回平衡位置。一初始擺角時(shí)，系統(tǒng)將使雙擺迅速返回平衡位置。 為實(shí)現(xiàn)上述控制目的，提出如下性能指標(biāo)要求：為實(shí)現(xiàn)上述控制目的，提出如下性能指標(biāo)要求：(1) 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)D/A輸出輸出100mV時(shí)，電機(jī)應(yīng)啟動(dòng)。時(shí)，電機(jī)應(yīng)啟動(dòng)。 (2) 滑車(chē)最大運(yùn)動(dòng)速度為滑車(chē)最大運(yùn)動(dòng)速度為 0.4ms，D/A的最大輸出對(duì)應(yīng)滑車(chē)的的最大輸出對(duì)應(yīng)滑車(chē)的最大運(yùn)行速度。最大運(yùn)行速度。(3) 當(dāng)有較大的初始擾動(dòng)（上擺角初始角度為當(dāng)有較大

4、的初始擾動(dòng)（上擺角初始角度為50o）時(shí)，上下擺的）時(shí)，上下擺的擺角到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)間擺角到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)間5s6s，擺動(dòng)次數(shù)，擺動(dòng)次數(shù)34次。次。(4) 當(dāng)滑車(chē)從偏離零位處回歸零位時(shí)，上下擺的擺角到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)間當(dāng)滑車(chē)從偏離零位處回歸零位時(shí)，上下擺的擺角到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)間5s6s，擺動(dòng)次數(shù)，擺動(dòng)次數(shù)34次。次。8 整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖圖如圖10-2所示，所示，控制系統(tǒng)方塊圖如控制系統(tǒng)方塊圖如圖圖10-3所示。所示。圖圖10-2 雙擺計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖雙擺計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖圖10-3 雙擺計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方塊圖雙擺計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方塊圖9 利用拉格朗日方程建立雙擺系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程并進(jìn)行適當(dāng)利用拉格

5、朗日方程建立雙擺系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程并進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，以得到在小擾動(dòng)情況下系統(tǒng)的線(xiàn)性化狀態(tài)方程。的簡(jiǎn)化，以得到在小擾動(dòng)情況下系統(tǒng)的線(xiàn)性化狀態(tài)方程。 非保守系統(tǒng)的非保守系統(tǒng)的拉格朗日方程拉格朗日方程 iiiFqLqLdtdn,i21L：拉格朗日函數(shù)：拉格朗日函數(shù)=系統(tǒng)的總能量系統(tǒng)的總能量-系統(tǒng)的總勢(shì)能系統(tǒng)的總勢(shì)能 系統(tǒng)各個(gè)系統(tǒng)各個(gè)自由度的自由度的廣義坐標(biāo)廣義坐標(biāo) 廣義坐標(biāo)對(duì)廣義坐標(biāo)對(duì)于時(shí)間的一于時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)階導(dǎo)數(shù) 驅(qū)動(dòng)每個(gè)自由度運(yùn)驅(qū)動(dòng)每個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的廣義力或力矩動(dòng)的廣義力或力矩 系統(tǒng)自系統(tǒng)自由度數(shù)由度數(shù) 10：拖動(dòng)電機(jī)對(duì)于滑車(chē)的控制力：拖動(dòng)電機(jī)對(duì)于滑車(chē)的控制力：滑車(chē)質(zhì)量：滑車(chē)質(zhì)量：上擺關(guān)節(jié)的質(zhì)量：

6、上擺關(guān)節(jié)的質(zhì)量：下擺關(guān)節(jié)的質(zhì)量（包括擺錘）：下擺關(guān)節(jié)的質(zhì)量（包括擺錘）：滑車(chē)距參考坐標(biāo)系原點(diǎn)的橫坐標(biāo)：滑車(chē)距參考坐標(biāo)系原點(diǎn)的橫坐標(biāo)：上擺質(zhì)心距滑車(chē)鉸鏈的長(zhǎng)度：上擺質(zhì)心距滑車(chē)鉸鏈的長(zhǎng)度：關(guān)節(jié)鉸鏈距滑車(chē)鉸鏈的長(zhǎng)度（上：關(guān)節(jié)鉸鏈距滑車(chē)鉸鏈的長(zhǎng)度（上擺桿的擺長(zhǎng)）擺桿的擺長(zhǎng)）：關(guān)節(jié)鉸鏈距下擺質(zhì)心的長(zhǎng)度：關(guān)節(jié)鉸鏈距下擺質(zhì)心的長(zhǎng)度：上擺擺動(dòng)角度：上擺擺動(dòng)角度：下擺擺動(dòng)角度：下擺擺動(dòng)角度：下擺關(guān)節(jié)擺動(dòng)角度，且滿(mǎn)足：下擺關(guān)節(jié)擺動(dòng)角度，且滿(mǎn)足：上擺擺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：上擺擺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：下擺擺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：下擺擺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量F2mx1l2l3lM1m1J2J圖圖10-4 雙擺系統(tǒng)受力分析圖雙擺系統(tǒng)受力分析圖11 滑車(chē)

7、滑車(chē)雙擺系統(tǒng)是具有三個(gè)自由度的機(jī)械系統(tǒng)，其第一個(gè)雙擺系統(tǒng)是具有三個(gè)自由度的機(jī)械系統(tǒng)，其第一個(gè)自由度的廣義驅(qū)動(dòng)力由力矩電機(jī)產(chǎn)生，第二、三個(gè)自由度自由度的廣義驅(qū)動(dòng)力由力矩電機(jī)產(chǎn)生，第二、三個(gè)自由度均為擺桿相對(duì)于鉸鏈的自由擺動(dòng)，廣義力為零。均為擺桿相對(duì)于鉸鏈的自由擺動(dòng)，廣義力為零。建立系統(tǒng)的拉格朗日方程如下：建立系統(tǒng)的拉格朗日方程如下： 12 忽略由速度引起的向心力和哥氏力忽略由速度引起的向心力和哥氏力 （為上擺桿長(zhǎng)度），（為上擺桿長(zhǎng)度）， 可視為下擺桿長(zhǎng)度可視為下擺桿長(zhǎng)度 sin( ) 1)cos(21ll 3l01J02J令令 TTxxxxxxxxX654321車(chē)位置車(chē)位置 車(chē)速度車(chē)速度 mmx

8、xgMxxMxxmmmmmggxxMlmlmlMxxxxmmmmggmlml121122331212244111115566121223130100000000001000100000()0010000010000 Fl100 雙擺系統(tǒng)在平衡位置附近的線(xiàn)性狀態(tài)方程：雙擺系統(tǒng)在平衡位置附近的線(xiàn)性狀態(tài)方程： 上擺角上擺角 上擺角上擺角速率速率 下擺角下擺角速率速率 下擺角下擺角 13 直流伺服電機(jī)在忽略了感抗的影響以及啟動(dòng)死區(qū)電壓后，直流伺服電機(jī)在忽略了感抗的影響以及啟動(dòng)死區(qū)電壓后，可以視為一個(gè)二階的線(xiàn)性系統(tǒng)。可以視為一個(gè)二階的線(xiàn)性系統(tǒng)。 即有即有圖圖10-5 電機(jī)模型電機(jī)模型14etaetaK

9、Kmm grxMrJ RMrJxxK Kmm g mm rJmxgm lMrJ Rlml MrJxxmmmmggm lm l212122232121224221111 15612121313010000()0000()000100() ()000()()0000010000 taataxr KMrJ Rxxuxr KMrJ Rlxx1223421560()0()00 15系統(tǒng)的速度環(huán)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的速度環(huán)設(shè)計(jì)執(zhí)行電機(jī)的死區(qū)達(dá)到執(zhí)行電機(jī)的死區(qū)達(dá)到1V，即有，即有 VUdead1為滿(mǎn)足克服死區(qū)電壓的指標(biāo)要求，引為滿(mǎn)足克服死區(qū)電壓的指標(biāo)要求，引入模擬放大環(huán)節(jié)，使入模擬放大環(huán)節(jié)，使D/A輸出輸出0.1V時(shí)電

10、機(jī)啟動(dòng)，則從計(jì)算機(jī)輸出點(diǎn)到控時(shí)電機(jī)啟動(dòng)，則從計(jì)算機(jī)輸出點(diǎn)到控制電機(jī)輸入點(diǎn)之間的放大倍數(shù)必須滿(mǎn)制電機(jī)輸入點(diǎn)之間的放大倍數(shù)必須滿(mǎn)足足deadKU0(/0.1) 為了滿(mǎn)足為了滿(mǎn)足D/A輸出滿(mǎn)量程輸出滿(mǎn)量程5V時(shí)對(duì)應(yīng)滑車(chē)最大速度時(shí)對(duì)應(yīng)滑車(chē)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(cè)速機(jī)輸出進(jìn)行速度反饋。的要求，需要在控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中引入測(cè)速機(jī)輸出進(jìn)行速度反饋。采用穩(wěn)態(tài)數(shù)值，有采用穩(wěn)態(tài)數(shù)值，有 gwmVVUKK KK Krrmaxmaxmax12 圖圖10-6 雙擺控制系統(tǒng)的模擬內(nèi)環(huán)雙擺控制系統(tǒng)的模擬內(nèi)環(huán)16 考慮放大器箱的放大倍數(shù)，考慮放大器箱的放大倍數(shù)，D/A輸出電壓輸出電壓u滿(mǎn)足：滿(mǎn)足： 則

11、描述系統(tǒng)的線(xiàn)性化狀態(tài)方程（則描述系統(tǒng)的線(xiàn)性化狀態(tài)方程（10-8）可以改寫(xiě)為）可以改寫(xiě)為 eegwKKK K K r2 令令aauuuKKK012() etaetaK KmmgrxMrJ RMrJxxK Kmmg mmrJmxgmlMrJ R lm lMrJxxmmmmggmlml212122232121224221111 15612121313010000()0000()000100() ()000()()0000010000 tataxrK K KMrJ RxxuxrK K KMrJ R lxx11222341221560()0()00 A XB u17 根據(jù)電機(jī)的模型以及電機(jī)的相關(guān)參數(shù)可知

12、，該電根據(jù)電機(jī)的模型以及電機(jī)的相關(guān)參數(shù)可知，該電機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)為：機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)為： (s) 根據(jù)采樣周期的選取原則，可以將采樣周期選擇為：根據(jù)采樣周期的選取原則，可以將采樣周期選擇為：msT1018 這里采用無(wú)限時(shí)間離散二次型的代價(jià)函數(shù)：這里采用無(wú)限時(shí)間離散二次型的代價(jià)函數(shù)： TTkJXk QX kuk Ru k01( )( )( )( )2 其中其中Q、R陣的初始設(shè)置如下：陣的初始設(shè)置如下： Q100000000.500000010000000010000001000000001 R0.1 可利用可利用Matlab中的函數(shù)中的函數(shù)dlqr計(jì)算得反饋增益計(jì)算得反饋增益K等：等：K,P,e

13、=dlqr(F,G,Q,R)車(chē)位置、上擺角度、下擺角度車(chē)位置、上擺角度、下擺角度可直接測(cè)量并用于狀態(tài)反饋；可直接測(cè)量并用于狀態(tài)反饋；車(chē)速度、上下擺角的速度不可直接車(chē)速度、上下擺角的速度不可直接測(cè)量，這里采用位移量差分計(jì)算得到測(cè)量，這里采用位移量差分計(jì)算得到 19圖圖10-7 雙擺計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的程序流程圖雙擺計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的程序流程圖201. 擺角擾動(dòng)閉環(huán)控制（上擺角初始擾動(dòng)角度擺角擾動(dòng)閉環(huán)控制（上擺角初始擾動(dòng)角度50o） 圖圖10-8 未加控制的上擺角曲線(xiàn)未加控制的上擺角曲線(xiàn) 圖圖10-9未加控制的下擺角曲線(xiàn)未加控制的下擺角曲線(xiàn) 圖圖10-10 施加最優(yōu)控制的上擺角曲線(xiàn)施加最優(yōu)控制的上擺角曲

14、線(xiàn)圖圖10-11施加最優(yōu)控制的下擺角曲線(xiàn)施加最優(yōu)控制的下擺角曲線(xiàn) 橫軸為時(shí)間軸，單位為橫軸為時(shí)間軸，單位為s，縱軸為角度軸，單位為（縱軸為角度軸，單位為（o）212. 滑車(chē)位置回零控制（滑車(chē)從滑車(chē)位置回零控制（滑車(chē)從-0.3m處回歸零位）處回歸零位）圖圖10-12 未加控制的上擺角曲線(xiàn)未加控制的上擺角曲線(xiàn) 圖圖10-13未加控制的下擺角曲線(xiàn)未加控制的下擺角曲線(xiàn)圖圖10-14 施加最優(yōu)控制的上擺角曲線(xiàn)施加最優(yōu)控制的上擺角曲線(xiàn) 圖圖10-15施加最優(yōu)控制的下擺角曲線(xiàn)施加最優(yōu)控制的下擺角曲線(xiàn) 橫軸為時(shí)間軸，單位為橫軸為時(shí)間軸，單位為s，縱軸為角度軸，單位為（縱軸為角度軸，單位為（o）2210.1 雙

15、擺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)雙擺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)10.2 轉(zhuǎn)臺(tái)計(jì)算機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臺(tái)計(jì)算機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)10.3 民用機(jī)場(chǎng)供油集散系統(tǒng)民用機(jī)場(chǎng)供油集散系統(tǒng)23 “高頻響、超低速、寬調(diào)速、高精度高頻響、超低速、寬調(diào)速、高精度”成為成為仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的主要性能指標(biāo)和發(fā)展方向。仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的主要性能指標(biāo)和發(fā)展方向。 “高頻響高頻響”反映轉(zhuǎn)臺(tái)跟蹤高頻信號(hào)的能力強(qiáng)；反映轉(zhuǎn)臺(tái)跟蹤高頻信號(hào)的能力強(qiáng)； “超低速超低速”反映系統(tǒng)的低速平穩(wěn)性好；反映系統(tǒng)的低速平穩(wěn)性好； “寬調(diào)速寬調(diào)速”可提供很寬的調(diào)速范圍；可提供很寬的調(diào)速范圍； “高精度高精度”指系統(tǒng)跟蹤指令信號(hào)的準(zhǔn)確程度高。指系統(tǒng)跟蹤指令信號(hào)的

16、準(zhǔn)確程度高。24圖圖10-16 三軸模擬轉(zhuǎn)臺(tái)及其示意圖三軸模擬轉(zhuǎn)臺(tái)及其示意圖25 轉(zhuǎn)臺(tái)三個(gè)框架的控制是相互獨(dú)立的，因此轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)臺(tái)三個(gè)框架的控制是相互獨(dú)立的，因此轉(zhuǎn)臺(tái)的控制系統(tǒng)可以采用如圖控制系統(tǒng)可以采用如圖10-17所示的原理方案。所示的原理方案。圖圖10-17 三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)總體控制結(jié)構(gòu)圖三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)總體控制結(jié)構(gòu)圖26 由于轉(zhuǎn)臺(tái)三個(gè)框架的控制是相互獨(dú)立的，因此可以分別對(duì)每個(gè)由于轉(zhuǎn)臺(tái)三個(gè)框架的控制是相互獨(dú)立的，因此可以分別對(duì)每個(gè)框架的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)?？蚣艿目刂葡到y(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 進(jìn)行拉氏變換，忽略電樞電感，得到電樞電壓與輸出角速進(jìn)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

17、函數(shù)度之間的傳遞函數(shù)( )( )caaacemksKUsR JsR Bk kT s127 一般的設(shè)計(jì)過(guò)程是從內(nèi)向外，依次設(shè)計(jì)電流環(huán)、一般的設(shè)計(jì)過(guò)程是從內(nèi)向外，依次設(shè)計(jì)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(biāo)，適速度環(huán)和位置環(huán)，根據(jù)系統(tǒng)整體的性能指標(biāo)，適當(dāng)分配相應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，按典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制及當(dāng)分配相應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，按典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制及補(bǔ)償環(huán)節(jié)。補(bǔ)償環(huán)節(jié)。圖圖10-18 轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)框圖轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)框圖28 電流環(huán)負(fù)反饋可以充分利用電機(jī)所允許的過(guò)載能電流環(huán)負(fù)反饋可以充分利用電機(jī)所允許的過(guò)載能力，同時(shí)限制電流的最大值，從而對(duì)電機(jī)啟動(dòng)或力，同時(shí)限制電流的最大值，從而對(duì)電機(jī)啟動(dòng)或制動(dòng)器起到快速的

18、保護(hù)作用。制動(dòng)器起到快速的保護(hù)作用。 設(shè)計(jì)得到的電流環(huán)控制器直接在功放硬件電路中設(shè)計(jì)得到的電流環(huán)控制器直接在功放硬件電路中實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)。 在電流環(huán)的具體設(shè)計(jì)中，參照仿真模型加入在電流環(huán)的具體設(shè)計(jì)中，參照仿真模型加入PI控控制器，通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。制器，通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。 一般要求設(shè)計(jì)后的電流環(huán)回路響應(yīng)速度快、無(wú)超一般要求設(shè)計(jì)后的電流環(huán)回路響應(yīng)速度快、無(wú)超調(diào)或超調(diào)量很小。調(diào)或超調(diào)量很小。29 常采用測(cè)速發(fā)電機(jī)作為速度反饋元件，構(gòu)成模擬式速度反常采用測(cè)速發(fā)電機(jī)作為速度反饋元件，構(gòu)成模擬式速度反饋系統(tǒng)。饋系統(tǒng)。 速度環(huán)作用：速度環(huán)作用： 保證速度回路的穩(wěn)態(tài)精度；保證速度回路的穩(wěn)態(tài)精

19、度； 提高速度回路的剛度；提高速度回路的剛度； 盡可能拉寬速度回路的頻帶；盡可能拉寬速度回路的頻帶； 對(duì)高頻段的諧振和未建模動(dòng)態(tài)特性有較大的衰減；對(duì)高頻段的諧振和未建模動(dòng)態(tài)特性有較大的衰減； 盡可能降低系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的靈敏度；盡可能降低系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的靈敏度； 減小速度環(huán)的死區(qū)電壓。減小速度環(huán)的死區(qū)電壓。 速度環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮：速度環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮： 應(yīng)包含一個(gè)積分環(huán)節(jié)，以克服伺服電機(jī)的死區(qū)和功率放大器漂移應(yīng)包含一個(gè)積分環(huán)節(jié)，以克服伺服電機(jī)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(biāo)，提高系統(tǒng)靜態(tài)剛度。所造成的靜態(tài)誤差，保證穩(wěn)態(tài)精度指標(biāo)，提高系統(tǒng)靜態(tài)剛度。 將速度環(huán)的閉環(huán)特性設(shè)計(jì)為過(guò)阻尼，使其

20、主導(dǎo)極點(diǎn)為一對(duì)實(shí)極點(diǎn)，將速度環(huán)的閉環(huán)特性設(shè)計(jì)為過(guò)阻尼，使其主導(dǎo)極點(diǎn)為一對(duì)實(shí)極點(diǎn)，從而有利于克服摩擦的影響，改善伺服電機(jī)低速運(yùn)行特性。從而有利于克服摩擦的影響，改善伺服電機(jī)低速運(yùn)行特性。30 工作過(guò)程是：通過(guò)鍵盤(pán)或其它通信方式獲取位置指令信號(hào)，工作過(guò)程是：通過(guò)鍵盤(pán)或其它通信方式獲取位置指令信號(hào)，通過(guò)位置傳感器獲取系統(tǒng)當(dāng)前輸出的實(shí)際角位置，按照一通過(guò)位置傳感器獲取系統(tǒng)當(dāng)前輸出的實(shí)際角位置，按照一定的算法計(jì)算出控制器的輸出，經(jīng)過(guò)定的算法計(jì)算出控制器的輸出，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器輸出控轉(zhuǎn)換器輸出控制量，使得系統(tǒng)的實(shí)際輸出跟蹤指令信號(hào)的變化。制量，使得系統(tǒng)的實(shí)際輸出跟蹤指令信號(hào)的變化。 轉(zhuǎn)臺(tái)控制核心是位置環(huán)的

21、控制算法，它是系統(tǒng)控制精度的保障。轉(zhuǎn)臺(tái)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。 圖圖10-20 三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)原理圖三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)原理圖311. 上位機(jī)軟件需要實(shí)現(xiàn)的功能包括：上位機(jī)軟件需要實(shí)現(xiàn)的功能包括： 自檢、轉(zhuǎn)臺(tái)回零、工作狀態(tài)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理及實(shí)時(shí)圖形顯示、信自檢、轉(zhuǎn)臺(tái)回零、工作狀態(tài)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理及實(shí)時(shí)圖形顯示、信號(hào)發(fā)生（產(chǎn)生正弦、三角波、方波及隨機(jī)信號(hào)供系統(tǒng)調(diào)試及工作號(hào)發(fā)生（產(chǎn)生正弦、三角波、方波及隨機(jī)信號(hào)供系統(tǒng)調(diào)試及工作檢測(cè)使用）、完成與下位機(jī)的通信、提供良好的界面。檢測(cè)使用）、完成與下位機(jī)的通信、提供良好的界面。2. 下位機(jī)需要實(shí)現(xiàn)的功能：下位機(jī)需要實(shí)現(xiàn)的功能

22、： 實(shí)時(shí)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(dāng)前狀態(tài)實(shí)時(shí)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(dāng)前狀態(tài)監(jiān)測(cè)等實(shí)時(shí)任務(wù)）、性能測(cè)試、數(shù)據(jù)處理以及完成與上位機(jī)的通監(jiān)測(cè)等實(shí)時(shí)任務(wù)）、性能測(cè)試、數(shù)據(jù)處理以及完成與上位機(jī)的通信。信。3. 上下位機(jī)的通信設(shè)計(jì)：上下位機(jī)的通信設(shè)計(jì)： 上下位機(jī)之間的通信利用上下位機(jī)之間的通信利用NE2000兼容的以太網(wǎng)卡（實(shí)時(shí)通信速兼容的以太網(wǎng)卡（實(shí)時(shí)通信速率可以達(dá)率可以達(dá)3ms），采用），采用Netbios（Network basic input and output system）通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)毫秒級(jí)的實(shí)時(shí)）通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)毫秒級(jí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸

23、。數(shù)據(jù)傳輸。 32 采用采用PID控制其中的內(nèi)框。為了提高控制精度，再引入一控制其中的內(nèi)框。為了提高控制精度，再引入一個(gè)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行微分的順控補(bǔ)償，形成個(gè)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行微分的順控補(bǔ)償，形成PID加前饋的復(fù)加前饋的復(fù)合控制，對(duì)應(yīng)得到的轉(zhuǎn)臺(tái)及伺服系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖如圖合控制，對(duì)應(yīng)得到的轉(zhuǎn)臺(tái)及伺服系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖如圖10-22所示。所示。 圖圖10-22 模擬轉(zhuǎn)臺(tái)及伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖模擬轉(zhuǎn)臺(tái)及伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖33 設(shè)定三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的定時(shí)中斷時(shí)間為設(shè)定三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的定時(shí)中斷時(shí)間為1ms，并在內(nèi)框負(fù)，并在內(nèi)框負(fù)載載30kg。實(shí)施。實(shí)施PID加前饋的復(fù)合控制，得到指令與跟蹤加前饋的復(fù)合控制，得到指令與跟蹤實(shí)際效

24、果如圖實(shí)際效果如圖10-23所示（圖中縱軸坐標(biāo)單位為所示（圖中縱軸坐標(biāo)單位為(o)，橫，橫軸單位為時(shí)間軸單位為時(shí)間s）。）。 圖圖10-23 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)PID加前饋復(fù)合控制結(jié)果圖加前饋復(fù)合控制結(jié)果圖3410.1 雙擺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)雙擺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)10.2 轉(zhuǎn)臺(tái)計(jì)算機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臺(tái)計(jì)算機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)10.3 民用機(jī)場(chǎng)供油集散系統(tǒng)民用機(jī)場(chǎng)供油集散系統(tǒng)35圖圖10-24 民用機(jī)場(chǎng)供油系統(tǒng)基本工藝示意圖民用機(jī)場(chǎng)供油系統(tǒng)基本工藝示意圖36圖圖10-25 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)37 系統(tǒng)涉及以下系統(tǒng)涉及以下3種通信網(wǎng)絡(luò)：種通信網(wǎng)絡(luò)：1. 直接控制級(jí)與現(xiàn)場(chǎng)

25、設(shè)備級(jí)之間的通信網(wǎng)絡(luò)直接控制級(jí)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)之間的通信網(wǎng)絡(luò) 高可靠性和高實(shí)時(shí)性是對(duì)這一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的核心要求。這兩級(jí)之間的高可靠性和高實(shí)時(shí)性是對(duì)這一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的核心要求。這兩級(jí)之間的通信網(wǎng)絡(luò)采用通信網(wǎng)絡(luò)采用Modbus Plus網(wǎng)（一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域網(wǎng)（一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的的1Mbps令牌總線(xiàn)網(wǎng)）。令牌總線(xiàn)網(wǎng)）。2. 直接控制級(jí)與監(jiān)控管理級(jí)之間的通信網(wǎng)絡(luò)直接控制級(jí)與監(jiān)控管理級(jí)之間的通信網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)對(duì)直接控制級(jí)與監(jiān)控管理級(jí)間的通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求并不系統(tǒng)對(duì)直接控制級(jí)與監(jiān)控管理級(jí)間的通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)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(kāi)發(fā)和維護(hù)。高，可采用目前最為常用的以太局域

26、網(wǎng)，便于系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和維護(hù)。3. 監(jiān)控管理級(jí)各計(jì)算機(jī)之間的通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理級(jí)各計(jì)算機(jī)之間的通信網(wǎng)絡(luò) 由于監(jiān)控管理級(jí)還要與其它系統(tǒng)通信，故監(jiān)控管理級(jí)各計(jì)算機(jī)之由于監(jiān)控管理級(jí)還要與其它系統(tǒng)通信，故監(jiān)控管理級(jí)各計(jì)算機(jī)之間的通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)通信速度的要求較高。同樣，該網(wǎng)絡(luò)也設(shè)計(jì)為間的通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)通信速度的要求較高。同樣，該網(wǎng)絡(luò)也設(shè)計(jì)為100M以太局域網(wǎng)。以太局域網(wǎng)。 監(jiān)控管理級(jí)各臺(tái)工作站以及直接控制級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)控制站共同監(jiān)控管理級(jí)各臺(tái)工作站以及直接控制級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)控制站共同構(gòu)成了如圖構(gòu)成了如圖10-25所示的一個(gè)以太局域網(wǎng)。所示的一個(gè)以太局域網(wǎng)。381. 直接控制級(jí)功能設(shè)計(jì)，其主要功能包括：直接控制級(jí)功能設(shè)計(jì)，其主要功

27、能包括： 數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計(jì)算、觸發(fā)報(bào)警、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行直接控制、對(duì)工藝過(guò)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計(jì)算、觸發(fā)報(bào)警、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行直接控制、對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制。程進(jìn)行自動(dòng)控制。2監(jiān)控管理級(jí)功能設(shè)計(jì)，包括：監(jiān)控管理級(jí)功能設(shè)計(jì)，包括：(1) 顯示工藝流程及其狀態(tài)顯示工藝流程及其狀態(tài)(2) 顯示工藝過(guò)程裝置及測(cè)量?jī)x表的工作狀態(tài)顯示工藝過(guò)程裝置及測(cè)量?jī)x表的工作狀態(tài)(3) 顯示工藝過(guò)程參數(shù)、設(shè)備工作參數(shù)以及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示工藝過(guò)程參數(shù)、設(shè)備工作參數(shù)以及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(4) 顯示某些重要變量（如機(jī)坪壓力、加油流量等）的趨勢(shì)圖顯示某些重要變量（如機(jī)坪壓力、加油流量等）的趨勢(shì)圖(5) 采用聲光兩種方式報(bào)警提示及管理采用聲光兩種方

28、式報(bào)警提示及管理(6) 對(duì)泵或電動(dòng)閥門(mén)等設(shè)備進(jìn)行控制對(duì)泵或電動(dòng)閥門(mén)等設(shè)備進(jìn)行控制(7) 對(duì)三個(gè)主要的工藝過(guò)程進(jìn)行控制對(duì)三個(gè)主要的工藝過(guò)程進(jìn)行控制(8) 設(shè)置設(shè)備維修狀態(tài)設(shè)置設(shè)備維修狀態(tài)(9) 設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)(10) 存儲(chǔ)關(guān)鍵變量和系統(tǒng)事件內(nèi)容及時(shí)間等數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)關(guān)鍵變量和系統(tǒng)事件內(nèi)容及時(shí)間等數(shù)據(jù)。(11) 生成及打印各種記錄報(bào)表生成及打印各種記錄報(bào)表(12) 進(jìn)行三級(jí)用戶(hù)訪問(wèn)權(quán)限管理進(jìn)行三級(jí)用戶(hù)訪問(wèn)權(quán)限管理(13) 進(jìn)行應(yīng)用程序管理進(jìn)行應(yīng)用程序管理(14) 與外界通信，在遠(yuǎn)程監(jiān)控終端上實(shí)現(xiàn)對(duì)本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。與外界通信，在遠(yuǎn)程監(jiān)控終端上實(shí)現(xiàn)對(duì)本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。 391. 現(xiàn)

29、場(chǎng)設(shè)備級(jí)硬件配置現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)硬件配置 根據(jù)機(jī)場(chǎng)供油系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)以及根據(jù)機(jī)場(chǎng)供油系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)以及SCADA系統(tǒng)的功能要求，系系統(tǒng)的功能要求，系統(tǒng)配置的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表主要有壓力、溫度、流量和液位四大類(lèi)，統(tǒng)配置的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表主要有壓力、溫度、流量和液位四大類(lèi)，而控制設(shè)備主要是電動(dòng)閥、變頻器和軟起動(dòng)器。根據(jù)基于網(wǎng)絡(luò)的而控制設(shè)備主要是電動(dòng)閥、變頻器和軟起動(dòng)器。根據(jù)基于網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)思想，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)的所有儀表均選用智能化總線(xiàn)儀表。建設(shè)思想，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)的所有儀表均選用智能化總線(xiàn)儀表。2. 直接控制級(jí)硬件配置直接控制級(jí)硬件配置 本系統(tǒng)既有大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)需要采集與傳輸，還要執(zhí)行各種控制本系統(tǒng)既有大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)需要采

30、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(jí)的現(xiàn)場(chǎng)控制站選用功能，包括連續(xù)閉環(huán)控制，因此，直接控制級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)控制站選用PLC。3. 監(jiān)控管理級(jí)硬件配置監(jiān)控管理級(jí)硬件配置 監(jiān)控管理級(jí)的計(jì)算機(jī)要求有較快的運(yùn)算速度，較強(qiáng)的信息處理能監(jiān)控管理級(jí)的計(jì)算機(jī)要求有較快的運(yùn)算速度，較強(qiáng)的信息處理能力，較大的存儲(chǔ)量以及較強(qiáng)的圖形顯示功能。針對(duì)本系統(tǒng)的規(guī)模力，較大的存儲(chǔ)量以及較強(qiáng)的圖形顯示功能。針對(duì)本系統(tǒng)的規(guī)模和本級(jí)的具體任務(wù)，選用通用的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)即可。另外，為和本級(jí)的具體任務(wù)，選用通用的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)即可。另外，為提高本級(jí)局域網(wǎng)絡(luò)的速度，采用交換機(jī)來(lái)組網(wǎng)。提高本級(jí)局域網(wǎng)絡(luò)的速度，采用交換

31、機(jī)來(lái)組網(wǎng)。40 直接控制級(jí)與監(jiān)控管理級(jí)的各項(xiàng)功能由應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)。直接控制級(jí)與監(jiān)控管理級(jí)的各項(xiàng)功能由應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)。 監(jiān)控管理級(jí)的功能涵蓋了過(guò)程監(jiān)控與生產(chǎn)管理兩個(gè)層次。監(jiān)控管理級(jí)的功能涵蓋了過(guò)程監(jiān)控與生產(chǎn)管理兩個(gè)層次。該級(jí)在硬件上是一級(jí)，在功能上是監(jiān)控和管理兩層。該級(jí)在硬件上是一級(jí)，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(guò)程，要求較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，本質(zhì)區(qū)別：監(jiān)控層功能面向控制過(guò)程，要求較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，其實(shí)現(xiàn)以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為核心；而管理層功能重在對(duì)已有數(shù)其實(shí)現(xiàn)以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為核心；而管理層功能重在對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、報(bào)表和查詢(xún)，因此其實(shí)現(xiàn)以關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)為核據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、報(bào)表和查詢(xún)，因此其實(shí)現(xiàn)以關(guān)

32、系數(shù)據(jù)庫(kù)為核心。心。圖圖10-25 監(jiān)控管理級(jí)數(shù)據(jù)集成示意圖監(jiān)控管理級(jí)數(shù)據(jù)集成示意圖41圖圖10-27 民用機(jī)場(chǎng)供油系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及其配置示意圖民用機(jī)場(chǎng)供油系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及其配置示意圖42 I/O點(diǎn)數(shù)一般在幾百到幾千之間，只有一個(gè)連續(xù)閉環(huán)點(diǎn)數(shù)一般在幾百到幾千之間，只有一個(gè)連續(xù)閉環(huán)控制回路，其它都是開(kāi)關(guān)量控制，按控制回路，其它都是開(kāi)關(guān)量控制，按DCS或或SCADA系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量，屬于中等偏小型規(guī)模的系統(tǒng)；且系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量，屬于中等偏小型規(guī)模的系統(tǒng)；且對(duì)于過(guò)程控制而言，采樣周期要求不是很苛刻。目前對(duì)于過(guò)程控制而言，采樣周期要求不是很苛刻。目前的的PLC一般都具有較高的運(yùn)算速度和較強(qiáng)的控制功能，一般都具有較高的運(yùn)算速度和較強(qiáng)的控制功能，一臺(tái)一臺(tái)PLC完全能夠勝任該級(jí)的控制需求。為此系統(tǒng)直完全能夠勝任該級(jí)的控制需