第9章(4學(xué)時(shí))

1、國(guó)家精品課程國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第9章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，既是一個(gè)理論問題，又是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，既是一個(gè)理論問題，又是一個(gè)工程問題。一個(gè)工程問題。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)包括：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)包括：建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型；建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型；確定滿足一定技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)，尋求確定滿足一定技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)，尋求滿足該目標(biāo)函數(shù)的控制規(guī)律；滿足該目標(biāo)函數(shù)的控制規(guī)律；選擇適宜的計(jì)算方法和程序設(shè)計(jì)語言；選擇適宜的計(jì)算方法和程序設(shè)計(jì)語言；進(jìn)行系統(tǒng)功能的軟、硬件界面劃分，并對(duì)硬件提出進(jìn)行系統(tǒng)功能的軟、硬件界面劃分，并對(duì)硬件

2、提出具體要求。具體要求。本章主要介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則與步驟、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)本章主要介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則與步驟、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)舉例。的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)舉例。國(guó)家精品課程國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)9.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則與步驟 9.1.1 9.1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則 9.1.2 9.1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟國(guó)家精品課程國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)9.1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則 1. 1.安全可靠安全可靠 2.2.操作維護(hù)方便操作維護(hù)方便 3.3.實(shí)時(shí)性強(qiáng)實(shí)時(shí)性強(qiáng) 4.4.通用性好

3、通用性好 5.5.經(jīng)濟(jì)效益高經(jīng)濟(jì)效益高國(guó)家精品課程國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)9.1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)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(yùn)行階段在線調(diào)試和運(yùn)行階段國(guó)家精品課程國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)9.2 系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)9.2.1 9.2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)9.2.2 9.2.2 硬件的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)硬件的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)9.2.3 9.2.3 軟件的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)軟件的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)9.2.4 9

4、.2.4 系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行 國(guó)家精品課程國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)9.2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 1. 1.硬件總體方案設(shè)計(jì)硬件總體方案設(shè)計(jì) 2.2.軟件總體方案設(shè)計(jì)軟件總體方案設(shè)計(jì) 3.3.系統(tǒng)總體方案系統(tǒng)總體方案國(guó)家精品課程國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)9.2.2 硬件的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 1 1選擇系統(tǒng)的總線和主機(jī)機(jī)型選擇系統(tǒng)的總線和主機(jī)機(jī)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(jī)構(gòu)選擇變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)國(guó)家精品課程國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)9.2.3 軟件的工程設(shè)計(jì)與實(shí)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(shí)時(shí)控制軟件設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)控制軟件設(shè)計(jì)國(guó)家精品課程國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)9.2.4 系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)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(yùn)行在線調(diào)試和運(yùn)行 國(guó)家精品課程國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)9.3 設(shè)計(jì)舉例 啤酒發(fā)酵過程計(jì)算機(jī)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(jì)系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)9.3.3 9.3.3 系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)

6、計(jì)9.3.4 9.3.4 系統(tǒng)的安裝調(diào)試運(yùn)行及控制效果系統(tǒng)的安裝調(diào)試運(yùn)行及控制效果國(guó)家精品課程國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)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(jiǎn)介啤酒發(fā)酵工藝簡(jiǎn)介啤酒發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的生物化啤酒發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)過程，通常在錐型發(fā)酵罐中進(jìn)行。學(xué)過程，通常在錐型發(fā)酵罐中進(jìn)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(dòng)能力，生長(zhǎng)繁殖快慢，確定發(fā)酵活動(dòng)能力，生長(zhǎng)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(dá)

7、到最佳狀態(tài)，和雙乙酰等雜質(zhì)含量達(dá)到最佳狀態(tài)，必須嚴(yán)格控制發(fā)酵各階段的溫度，使必須嚴(yán)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(guó)家精品課程國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)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(gè)發(fā)酵罐，每個(gè)罐測(cè)量個(gè)發(fā)酵罐，每個(gè)罐測(cè)量5 5個(gè)參數(shù)，即發(fā)酵罐的上中個(gè)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(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)、三十個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)、1010個(gè)壓力測(cè)量點(diǎn)、個(gè)壓力測(cè)量點(diǎn)、1010個(gè)液位測(cè)量點(diǎn)

8、。因此共需檢個(gè)液位測(cè)量點(diǎn)。因此共需檢測(cè)測(cè)5050個(gè)參數(shù)。個(gè)參數(shù)。(2)(2)自動(dòng)控制各個(gè)發(fā)酵罐中的上中下三段溫度使其按圖自動(dòng)控制各個(gè)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(yùn)行，溫度控制誤差不大于工藝曲線運(yùn)行，溫度控制誤差不大于0.50.5。共有。共有3030個(gè)控制點(diǎn)。個(gè)控制點(diǎn)。(3)(3)系統(tǒng)具有自動(dòng)控制、現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制、控制室遙控三種工作方式。系統(tǒng)具有自動(dòng)控制、現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制、控制室遙控三種工作方式。(4)(4)系統(tǒng)具有掉電保護(hù)、報(bào)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(hù)、報(bào)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(guó)家精品課程國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)9.3.2 9.3.2 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)1.1.發(fā)酵罐測(cè)控點(diǎn)的分發(fā)酵罐測(cè)控點(diǎn)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(cè)裝置和執(zhí)行機(jī)檢測(cè)裝置和執(zhí)行機(jī)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(jī)及過控制系統(tǒng)主機(jī)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(guó)家精品課程國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)9.3.3 9.3.3 系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)1.1.系統(tǒng)硬件系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)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(jì)入通道設(shè)計(jì)(2)(2)模擬量輸模擬量輸出通道設(shè)計(jì)出通道設(shè)計(jì)國(guó)家精品課程國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)2.2.系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) (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(biāo)度變換程序標(biāo)度變換程序 溫度的標(biāo)度變換溫度的標(biāo)度變換 壓力的標(biāo)度變換壓力的標(biāo)度變換 液位的標(biāo)度變換液位的標(biāo)度變換(4)(4)給定工藝曲線的實(shí)時(shí)插補(bǔ)計(jì)算給定工藝曲線的實(shí)時(shí)插補(bǔ)計(jì)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(yù)估控

11、制算式預(yù)估控制算式(6)(6)其它應(yīng)用程序其它應(yīng)用程序國(guó)家精品課程國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)9.3.4 9.3.4 系統(tǒng)的安裝調(diào)試運(yùn)行及控制效果系統(tǒng)的安裝調(diào)試運(yùn)行及控制效果 現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝時(shí)，首先在現(xiàn)場(chǎng)安裝溫度、壓力變送現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝時(shí)，首先在現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)敷設(shè)屏蔽信號(hào)器、液位變送器、調(diào)節(jié)閥等，然后從現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)屏蔽信號(hào)電纜到控制室，最后將這些線纜接到工業(yè)控制計(jì)算機(jī)外電纜到控制室，最后將這些線纜接到工業(yè)控制計(jì)算機(jī)外面的接線端子板上。調(diào)試工作主要是對(duì)變送器進(jìn)行滿度面的接線端子板上。調(diào)試工作主要是對(duì)變送器進(jìn)行滿度和零點(diǎn)校準(zhǔn)，和零點(diǎn)校準(zhǔn)，A/DA/D

12、板和板和D/AD/A板滿度和零點(diǎn)校準(zhǔn)；另外就是板滿度和零點(diǎn)校準(zhǔn)；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(yùn)行，并滿足系統(tǒng)的控制要求。調(diào)試后，投入運(yùn)行，并滿足系統(tǒng)的控制要求。 該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，使用維護(hù)方便，性能可靠；采用該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，使用維護(hù)方便，性能可靠；采用微機(jī)控制，提高了啤酒質(zhì)量；改善了勞動(dòng)條件，不用人微機(jī)控制，提高了啤酒質(zhì)量；改善了勞動(dòng)條件，不用人工手動(dòng)操作，消除了人為因素；易于現(xiàn)代化管理和產(chǎn)品工手動(dòng)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(guó)家精品課程國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)9.4 9.4 設(shè)計(jì)舉例設(shè)計(jì)舉例 機(jī)器人計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)機(jī)器人計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)9.4.1 PUMA5609.4.1 PUMA560機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理9.4.2 9.4.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程9.4.3 9.4.3 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程9.5.4 9.5.4 機(jī)器人手臂的獨(dú)立關(guān)節(jié)位置伺服控制機(jī)器人手臂的獨(dú)立關(guān)節(jié)位置伺服控制國(guó)家精品課程國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)9.4.1 PUMA5609.4.1 PUMA560機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理國(guó)

14、家精品課程國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)9.4.2 9.4.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程1.1.機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)2.2.機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)國(guó)家精品課程國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)9.4.3 9.4.3 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)可通過機(jī)器人動(dòng)力學(xué)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(gè)關(guān)節(jié)的角位移和角個(gè)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(gè)關(guān)節(jié)的外力矩向量。個(gè)關(guān)節(jié)的外力矩向量。 qqqLqqqLdtd),(),(qq 國(guó)家精品課程國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)9.4.4 9.4.4 機(jī)器人手臂的獨(dú)立關(guān)節(jié)位置伺服控制機(jī)器人手臂的獨(dú)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(jī)器人的位置控制是機(jī)器人最基本的控制任務(wù)。機(jī)器人的機(jī)器人的位置控制是機(jī)器人最基本的控制任