計算機(jī)控制系統(tǒng)(清華大學(xué)出版社)課件_應(yīng)用實(shí)例

1、計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計原則計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計原則1.可靠性高可靠性高2. 操作性好操作性好3. 實(shí)時性強(qiáng)實(shí)時性強(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1計算機(jī)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)總體控制方案設(shè)計；系統(tǒng)硬件設(shè)計、選擇與開發(fā)；系統(tǒng)硬件設(shè)計、選擇與開發(fā)；軟硬件的可靠性設(shè)計；軟硬件的可靠性設(shè)計；確定滿足一定經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)，建立被控對象的數(shù)確定滿足一定經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)，建立被控對象的數(shù)學(xué)模型并針對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行控制算法規(guī)律設(shè)計；學(xué)模型并針對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行控制算法規(guī)律設(shè)計；軟件設(shè)計與開發(fā)；軟件設(shè)計與開發(fā)；系統(tǒng)整體調(diào)試等。系統(tǒng)整體調(diào)試等。2 微機(jī)

2、控制系統(tǒng)設(shè)計，雖然隨控制對象、設(shè)備種類、微機(jī)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：的基本內(nèi)容和主要步驟是大體相同的。主要包括：10.1 雙擺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的計算機(jī)控制設(shè)計與實(shí)現(xiàn)雙擺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的計算機(jī)控制設(shè)計與實(shí)現(xiàn)10.2 轉(zhuǎn)臺計算機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)臺計算機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計10.3 民用機(jī)場供油集散系統(tǒng)民用機(jī)場供油集散系統(tǒng)310.1.1 雙擺實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)介紹雙擺實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)介紹1. 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42. 雙擺實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)雙擺實(shí)驗(yàn)控制

3、系統(tǒng)性能指標(biāo) 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制的目的是：當(dāng)滑車在導(dǎo)軌上以一定速度和本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制的目的是：當(dāng)滑車在導(dǎo)軌上以一定速度和加速度運(yùn)動時，應(yīng)保持雙擺的擺動角度最小；或雙擺有任加速度運(yùn)動時，應(yīng)保持雙擺的擺動角度最?。换螂p擺有任一初始擺角時，系統(tǒng)將使雙擺迅速返回平衡位置。一初始擺角時，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) 計算機(jī)計算機(jī)D/A輸出輸出100mV時，電機(jī)應(yīng)啟動。時，電機(jī)應(yīng)啟動。 (2) 滑車最大運(yùn)動速度為滑車最大運(yùn)動速度為 0.4ms，D/A的最大輸出對應(yīng)滑車的最大的最大輸出對應(yīng)滑車的最大運(yùn)行速度。運(yùn)行速度。(3

4、) 當(dāng)有較大的初始擾動（上擺角初始角度為當(dāng)有較大的初始擾動（上擺角初始角度為50o）時，上下擺的擺）時，上下擺的擺角到達(dá)穩(wěn)態(tài)時間角到達(dá)穩(wěn)態(tài)時間5s6s，擺動次數(shù)，擺動次數(shù)34次。次。(4) 當(dāng)滑車從偏離零位處回歸零位時，上下擺的擺角到達(dá)穩(wěn)態(tài)時間當(dāng)滑車從偏離零位處回歸零位時，上下擺的擺角到達(dá)穩(wěn)態(tài)時間5s6s，擺動次數(shù)，擺動次數(shù)34次。次。510.1.2 雙擺控制系統(tǒng)的整體方案雙擺控制系統(tǒng)的整體方案整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意整個系統(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。6圖圖10-2 雙擺計算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖雙擺計算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖圖10-3 雙擺

5、計算機(jī)控制系統(tǒng)方塊圖雙擺計算機(jī)控制系統(tǒng)方塊圖10.1.3 雙擺系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模雙擺系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模利用拉格朗日方程建立雙擺系統(tǒng)的動力學(xué)方程并進(jìn)行適當(dāng)利用拉格朗日方程建立雙擺系統(tǒng)的動力學(xué)方程并進(jìn)行適當(dāng)?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。的簡化，以得到在小擾動情況下系統(tǒng)的線性化狀態(tài)方程。 7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)的總勢能系統(tǒng)的總勢能 系統(tǒng)各個系統(tǒng)各個自由度的自由度的廣義坐標(biāo)廣義坐標(biāo) 廣義坐標(biāo)對廣義坐標(biāo)對于時間的一于時間的一階導(dǎo)數(shù)階導(dǎo)數(shù) 驅(qū)動每個自由度運(yùn)驅(qū)動每個自由度運(yùn)動的

6、廣義力或力矩動的廣義力或力矩 系統(tǒng)自系統(tǒng)自由度數(shù)由度數(shù) 1. 以控制力為輸入建立雙擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以控制力為輸入建立雙擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：拖動電機(jī)對于滑車的控制力：拖動電機(jī)對于滑車的控制力：滑車質(zhì)量：滑車質(zhì)量：上擺關(guān)節(jié)的質(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）：下擺關(guān)節(jié)的質(zhì)量（包括擺錘）：滑車距參考坐標(biāo)系原點(diǎn)的橫坐標(biāo)：滑車距參考坐標(biāo)系原點(diǎn)的橫坐標(biāo)：上擺質(zhì)心距滑車鉸鏈的長度：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：關(guān)節(jié)鉸鏈距滑車鉸鏈的長度（上擺桿的擺長）擺桿的擺長）：關(guān)節(jié)鉸鏈距下擺質(zhì)心的長度：關(guān)節(jié)鉸鏈距下擺質(zhì)心的長度：上擺擺動角度：上擺擺動角度：下擺擺動角度：下擺擺動角度：

7、下擺關(guān)節(jié)擺動角度，且滿足：下擺關(guān)節(jié)擺動角度，且滿足：上擺擺桿的轉(zhuǎn)動慣量：上擺擺桿的轉(zhuǎn)動慣量：下擺擺桿的轉(zhuǎn)動慣量：下擺擺桿的轉(zhuǎn)動慣量8F2mx1l2l3lM1m1J2J圖圖10-4 雙擺系統(tǒng)受力分析圖雙擺系統(tǒng)受力分析圖滑車滑車雙擺系統(tǒng)是具有三個自由度的機(jī)械系統(tǒng)，其第一個雙擺系統(tǒng)是具有三個自由度的機(jī)械系統(tǒng)，其第一個自由度的廣義驅(qū)動力由力矩電機(jī)產(chǎn)生，第二、三個自由度自由度的廣義驅(qū)動力由力矩電機(jī)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。均為擺桿相對于鉸鏈的自由擺動，廣義力為零。9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： 作以下的簡化：作以下的簡化： 忽略由速度引起

8、的向心力和哥氏力忽略由速度引起的向心力和哥氏力 （為上擺桿長度），（為上擺桿長度）， 可視為下擺桿長度可視為下擺桿長度 10 sin( ) 1)cos(21ll 3l01J02J令令 TTxxxxxxxxX654321車位置車位置 車速度車速度 mmxxgMxxMxxmmmmmggxxMlmlmlMxxxxmmmmggmlml121122331212244111115566121223130100000000001000100000()0010000010000 Fl100 雙擺系統(tǒng)在平衡位置附近的線性狀態(tài)方程：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 上擺角上擺角速率速率 下擺角

9、下擺角速率速率 下擺角下擺角 2. 建立電機(jī)加雙擺對象的數(shù)學(xué)模型建立電機(jī)加雙擺對象的數(shù)學(xué)模型直流伺服電機(jī)在忽略了感抗的影響以及啟動死區(qū)電壓后，直流伺服電機(jī)在忽略了感抗的影響以及啟動死區(qū)電壓后，可以視為一個二階的線性系統(tǒng)?？梢砸暈橐粋€二階的線性系統(tǒng)。 11即有即有圖圖10-5 電機(jī)模型電機(jī)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼?，就可得到平衡位置附近處進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼?，就可得到平衡位置附近處電機(jī)加雙擺對象的數(shù)學(xué)模型：電機(jī)加雙擺對象的數(shù)學(xué)模型： 12etaetaK Kmm grxMrJ RMrJxxK Kmm g mm rJmxgm lMrJ Rlml MrJxxmmmmggm lm l21212223212122422

10、1111 15612121313010000()0000()000100() ()000()()0000010000 taataxr KMrJ Rxxuxr KMrJ Rlxx1223421560()0()00 10.1.4 系統(tǒng)回路控制設(shè)計系統(tǒng)回路控制設(shè)計系統(tǒng)的速度環(huán)設(shè)計系統(tǒng)的速度環(huán)設(shè)計執(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 13VUdead1為滿足克服死區(qū)電壓的指標(biāo)要求，引為滿足克服死區(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時電機(jī)啟動，則從計算機(jī)輸出點(diǎn)到控時電機(jī)啟動，則從計算機(jī)輸出點(diǎn)到控制電機(jī)輸入點(diǎn)之間的放大倍數(shù)必須滿制電機(jī)輸入點(diǎn)之間的放

11、大倍數(shù)必須滿足足deadKU0(/0.1) 為了滿足為了滿足D/A輸出滿量程輸出滿量程5V時對應(yīng)滑車最大速度時對應(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(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)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滿足：滿足： 則描述系統(tǒng)的線性化狀態(tài)方程（則描述系統(tǒng)的線性化狀態(tài)方程（10-8）可以改寫為）可以改寫為 14eegwKKK K K r

12、2 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 u2. 采樣周期的選取采樣周期的選取根據(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)電時間常數(shù)為：機(jī)的機(jī)電時間常數(shù)為

13、： 15(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：msT103. 系統(tǒng)位置環(huán)設(shè)計（控制律設(shè)計）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)：這里采用無限時間離散二次型的代價函數(shù)： 16TTkJXk 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計算得反饋增益計算得反饋增益K等：等：K,P,e=dlqr(F,G,Q

14、,R)車位置、上擺角度、下擺角度車位置、上擺角度、下擺角度可直接測量并用于狀態(tài)反饋；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測量，這里采用位移量差分計算得到 10.1.5 軟件設(shè)計軟件設(shè)計17圖圖10-7 雙擺計算機(jī)控制系統(tǒng)的程序流程圖雙擺計算機(jī)控制系統(tǒng)的程序流程圖10.1.6 閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果1. 擺角擾動閉環(huán)控制（上擺角初始擾動角度擺角擾動閉環(huán)控制（上擺角初始擾動角度50o）18 圖圖10-8 未加控制的上擺角曲線未加控制的上擺角曲線 圖圖10-9未加控制的下擺角曲線未加控制的下擺角曲線 圖圖10

15、-10 施加最優(yōu)控制的上擺角曲線施加最優(yōu)控制的上擺角曲線圖圖10-11施加最優(yōu)控制的下擺角曲線施加最優(yōu)控制的下擺角曲線 橫軸為時間軸，單位為橫軸為時間軸，單位為s，縱軸為角度軸，單位為（縱軸為角度軸，單位為（o）2. 滑車位置回零控制（滑車從滑車位置回零控制（滑車從-0.3m處回歸零位）處回歸零位）19圖圖10-12 未加控制的上擺角曲線未加控制的上擺角曲線 圖圖10-13未加控制的下擺角曲線未加控制的下擺角曲線圖圖10-14 施加最優(yōu)控制的上擺角曲線施加最優(yōu)控制的上擺角曲線 圖圖10-15施加最優(yōu)控制的下擺角曲線施加最優(yōu)控制的下擺角曲線 橫軸為時間軸，單位為橫軸為時間軸，單位為s，縱軸為角度

16、軸，單位為（縱軸為角度軸，單位為（o）10.1 雙擺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的計算機(jī)控制設(shè)計與實(shí)現(xiàn)雙擺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的計算機(jī)控制設(shè)計與實(shí)現(xiàn)10.2 轉(zhuǎn)臺計算機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)臺計算機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計10.3 民用機(jī)場供油集散系統(tǒng)民用機(jī)場供油集散系統(tǒng)2010.2 轉(zhuǎn)臺計算機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)臺計算機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計“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)臺的主要性能指標(biāo)和發(fā)展方向。仿真轉(zhuǎn)臺的主要性能指標(biāo)和發(fā)展方向?！案哳l響高頻響”反映轉(zhuǎn)臺跟蹤高頻信號的能力強(qiáng)；反映轉(zhuǎn)臺跟蹤高頻信號的能力強(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

17、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)跟蹤指令信號的準(zhǔn)確程度高。指系統(tǒng)跟蹤指令信號的準(zhǔn)確程度高。2110.2.1 轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)介紹轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)介紹22圖圖10-16 三軸模擬轉(zhuǎn)臺及其示意圖三軸模擬轉(zhuǎn)臺及其示意圖10.2.2 三軸測試轉(zhuǎn)臺的總體控制結(jié)構(gòu)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(dú)立的，因此轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)臺三個框架的控制是相互獨(dú)立的，因此轉(zhuǎn)臺的控制系統(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。23圖圖10-17 三軸測試轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)總體控制結(jié)構(gòu)圖三軸測試轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)總體控制結(jié)構(gòu)圖10.2.3 轉(zhuǎn)臺單框的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)臺單框的數(shù)學(xué)模型 24 由于轉(zhuǎn)臺三

18、個框架的控制是相互獨(dú)立的，因此可以分別對每個由于轉(zhuǎn)臺三個框架的控制是相互獨(dú)立的，因此可以分別對每個框架的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計?？蚣艿目刂葡到y(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。 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函數(shù)度之間的傳遞函數(shù)( )( )caaacemksKUsR JsR Bk kT s110.2.4 轉(zhuǎn)臺單框控制回路設(shè)計轉(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)、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(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)計指標(biāo)，按典型系統(tǒng)

19、設(shè)計控制及當(dāng)分配相應(yīng)的設(shè)計指標(biāo)，按典型系統(tǒng)設(shè)計控制及補(bǔ)償環(huán)節(jié)。補(bǔ)償環(huán)節(jié)。25圖圖10-18 轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)框圖轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)框圖1. 電流環(huán)設(shè)計電流環(huán)設(shè)計電流環(huán)負(fù)反饋可以充分利用電機(jī)所允許的過載能電流環(huán)負(fù)反饋可以充分利用電機(jī)所允許的過載能力，同時限制電流的最大值，從而對電機(jī)啟動或力，同時限制電流的最大值，從而對電機(jī)啟動或制動器起到快速的保護(hù)作用。制動器起到快速的保護(hù)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設(shè)計得到的電流環(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)計中，參照仿真模型加入在電流環(huán)的具體設(shè)計中，參照仿真模型加入PI控控制器，通過具體的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計結(jié)果。制器，通過具體的

20、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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。調(diào)或超調(diào)量很小。262. 速度環(huán)設(shè)計速度環(huán)設(shè)計常采用測速發(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；對高頻段的諧振和未建模動態(tài)特性有較大的衰減；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；盡可能降低系統(tǒng)對擾動的靈敏度；減小速度

21、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)計時應(yīng)考慮：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(jī)的死區(qū)和功率放大器漂移應(yīng)包含一個積分環(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)計為過阻尼，使其主導(dǎo)極點(diǎn)為一對實(shí)極點(diǎn)，將速度環(huán)的閉環(huán)特性設(shè)計為過阻尼，使其主導(dǎo)極點(diǎn)為一對實(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。273. 位置環(huán)設(shè)計位置環(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，工

22、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(dāng)前輸出的實(shí)際角位置，按照一通過位置傳感器獲取系統(tǒng)當(dāng)前輸出的實(shí)際角位置，按照一定的算法計算出控制器的輸出，經(jīng)過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的變化。量，使得系統(tǒng)的實(shí)際輸出跟蹤指令信號的變化。 28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。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。 圖圖10-20 三軸測試轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)原理圖三軸測試轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)原理圖10.2.5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計控制系統(tǒng)軟件設(shè)計1. 上位機(jī)軟件需要實(shí)現(xiàn)的功能包括

23、：上位機(jī)軟件需要實(shí)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(shí)時圖形顯示、信自檢、轉(zhuǎn)臺回零、工作狀態(tài)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理及實(shí)時圖形顯示、信號發(fā)生（產(chǎn)生正弦、三角波、方波及隨機(jī)信號供系統(tǒng)調(diào)試及工作號發(fā)生（產(chǎn)生正弦、三角波、方波及隨機(jī)信號供系統(tǒng)調(diào)試及工作檢測使用）、完成與下位機(jī)的通信、提供良好的界面。檢測使用）、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：實(shí)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(dāng)前狀態(tài)實(shí)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(dāng)前狀態(tài)監(jiān)測等實(shí)時任務(wù)）、性能測試、數(shù)據(jù)處理以及完成與上位機(jī)的通監(jiān)測等實(shí)時任務(wù)）、性能測試、數(shù)

24、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：上下位機(jī)的通信設(shè)計：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)時通信速率兼容的以太網(wǎng)卡（實(shí)時通信速率可以達(dá)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)毫秒級的實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸。）通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)毫秒級的實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸。 2910.2.6 控制律選用及仿真結(jié)構(gòu)控制律選用及仿真結(jié)構(gòu) 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，再引入一個對輸入信號進(jìn)行微分的順控補(bǔ)償，

25、形成個對輸入信號進(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，對應(yīng)得到的轉(zhuǎn)臺及伺服系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖如圖合控制，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。所示。 30圖圖10-22 模擬轉(zhuǎn)臺及伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖模擬轉(zhuǎn)臺及伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖10.2.7 實(shí)際控制效果實(shí)際控制效果 設(shè)定三軸測試轉(zhuǎn)臺的定時中斷時間為設(shè)定三軸測試轉(zhuǎn)臺的定時中斷時間為1ms，并在內(nèi)框負(fù)載，并在內(nèi)框負(fù)載30kg。實(shí)施。實(shí)施PID加前饋的復(fù)合控制，得到指令與跟蹤實(shí)際加前饋的復(fù)合控制，得到指令與跟蹤實(shí)際效果如圖效果如圖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)，橫軸單位，橫軸單位為時間為時

26、間s）。）。 31圖圖10-23 轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺系統(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10.1 雙擺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的計算機(jī)控制設(shè)計與實(shí)現(xiàn)雙擺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的計算機(jī)控制設(shè)計與實(shí)現(xiàn)10.2 轉(zhuǎn)臺計算機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)臺計算機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計10.3 民用機(jī)場供油集散系統(tǒng)民用機(jī)場供油集散系統(tǒng)3210.3.1 民用機(jī)場供油系統(tǒng)工藝簡介民用機(jī)場供油系統(tǒng)工藝簡介33圖圖10-24 民用機(jī)場供油系統(tǒng)基本工藝示意圖民用機(jī)場供油系統(tǒng)基本工藝示意圖10.3.2 機(jī)場供油系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)機(jī)場供油系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)34圖圖10-25 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)10.3.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計網(wǎng)絡(luò)設(shè)計系統(tǒng)涉及以下系統(tǒng)涉及以下3種通信網(wǎng)絡(luò)

27、：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)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(shí)時性是對這一級網(wǎng)絡(luò)的核心要求。這兩級之間的高可靠性和高實(shí)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)）。令牌總線網(wǎng)）。2. 直接控制級與監(jiān)控管理級之間的通信網(wǎng)絡(luò)直接控制級與監(jiān)控管理級之間的通信網(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(shí)時性要求并不系統(tǒng)對直接控制級與監(jiān)控管理級間的通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)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(hù)。

28、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(hù)。3. 監(jiān)控管理級各計算機(jī)之間的通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理級各計算機(jī)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(jī)之由于監(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(jī)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)。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)成了如圖構(gòu)成了如圖10-25所示的一個以太局域網(wǎng)。所示的一個以太局域網(wǎng)。3510.3.4 功能設(shè)計功能設(shè)計1. 直接控

29、制級功能設(shè)計，其主要功能包括：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(jìn)行直接控制、對工藝過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計算、觸發(fā)報警、對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行直接控制、對工藝過程進(jìn)行自動控制。程進(jìn)行自動控制。2監(jiān)控管理級功能設(shè)計，包括：監(jiān)控管理級功能設(shè)計，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) 顯示工藝過程裝置及測量儀表的工作狀態(tài)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)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(jī)坪壓力、加油流量等）的趨勢圖顯示某些重要變量（如機(jī)坪壓力、加油流量等）的

30、趨勢圖(5) 采用聲光兩種方式報警提示及管理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(jìn)行控制對泵或電動閥門等設(shè)備進(jìn)行控制(7) 對三個主要的工藝過程進(jìn)行控制對三個主要的工藝過程進(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) 存儲關(guān)鍵變量和系統(tǒng)事件內(nèi)容及時間等數(shù)據(jù)。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生成及打印各種記錄報表(12) 進(jìn)行三級用戶訪問權(quán)限管理進(jìn)行三級用戶訪問權(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)對本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。與外界通信，在

31、遠(yuǎn)程監(jiān)控終端上實(shí)現(xiàn)對本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。 3610.3.5 硬件設(shè)計硬件設(shè)計1. 現(xiàn)場設(shè)備級硬件配置現(xiàn)場設(shè)備級硬件配置根據(jù)機(jī)場供油系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)以及根據(jù)機(jī)場供油系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)以及SCADA系統(tǒng)的功能要求，系統(tǒng)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。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直接控制級硬件配置本

32、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)控管理級硬件配置監(jiān)控管理級的計算機(jī)要求有較快的運(yùn)算速度，較強(qiáng)的信息處理能監(jiān)控管理級的計算機(jī)要求有較快的運(yùn)算速度，較強(qiáng)的信息處理能力，較大的存儲量以及較強(qiáng)的圖形顯示功能。針對本系統(tǒng)的規(guī)模力，較大的存儲量以及較強(qiáng)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(jī)即可。另外，為和本級的具體任務(wù)，選用通用的工業(yè)控制計算機(jī)即可。

33、另外，為提高本級局域網(wǎng)絡(luò)的速度，采用交換機(jī)來組網(wǎng)。提高本級局域網(wǎng)絡(luò)的速度，采用交換機(jī)來組網(wǎng)。3710.3.6 軟件設(shè)計軟件設(shè)計直接控制級與監(jiān)控管理級的各項(xiàng)功能由應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)。直接控制級與監(jiān)控管理級的各項(xiàng)功能由應(yīng)用軟件實(shí)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。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。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(qiáng)的實(shí)時性，本質(zhì)區(qū)別：監(jiān)控層功能面向控制過程，要求較強(qiáng)的實(shí)時性，其實(shí)現(xiàn)以實(shí)時數(shù)據(jù)庫為核心；而管理層功能重在對已有數(shù)其實(shí)現(xiàn)以實(shí)時數(shù)據(jù)庫為核心；而管理

34、層功能重在對已有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、報表和查詢，因此其實(shí)現(xiàn)以關(guān)系數(shù)據(jù)庫為核據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、報表和查詢，因此其實(shí)現(xiàn)以關(guān)系數(shù)據(jù)庫為核心。心。38圖圖10-25 監(jiān)控管理級數(shù)據(jù)集成示意圖監(jiān)控管理級數(shù)據(jù)集成示意圖10.3.7 實(shí)際應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用1. 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及配置系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及配置39圖圖10-27 民用機(jī)場供油系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及其配置示意圖民用機(jī)場供油系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及其配置示意圖2. 直接控制級開發(fā)直接控制級開發(fā)I/O點(diǎn)數(shù)一般在幾百到幾千之間，只有一個連續(xù)閉環(huán)控點(diǎn)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，按制回路，其它都是開關(guān)量控制，按DCS或或SCADA系統(tǒng)的系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)來衡量，屬于中等偏小型規(guī)模的系統(tǒng)；且對于過標(biāo)準(zhǔn)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。目前的程控制而言，采樣周期要求不是很苛刻。目前的PLC一一般都具有較高的運(yùn)算速度和較強(qiáng)的控制功能，一臺般都具有較高的運(yùn)算速度和