會(huì)計(jì)學(xué)1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例會(huì)計(jì)學(xué)1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例2《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》依<全國高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)系列教材編審委員會(huì)>審定的教材大綱編寫。主編人：高金源夏潔出版發(fā)行：清華大學(xué)出版社第1頁/共45頁2《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》依<全國高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)系列教材編審委3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則可靠性高2.操作性好3.實(shí)時(shí)性強(qiáng)4.通用性好、便于擴(kuò)充5.經(jīng)濟(jì)效益高第2頁/共45頁3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則可靠性高第2頁/共45頁4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容和步驟：系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計(jì)；系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、選擇與開發(fā)；軟硬件的可靠性設(shè)計(jì)；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(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)；軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)；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、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：第3頁/共45頁4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容和步驟：系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計(jì)；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)10.2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)第4頁/共45頁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)第4頁/共456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)組成第5頁/共45頁6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)組成第5頁/共472.雙擺實(shí)驗(yàn)控制系統(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。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)D/A輸出100mV時(shí)，電機(jī)應(yīng)啟動(dòng)。(2)滑車最大運(yùn)動(dòng)速度為0.4m／s，D/A的最大輸出對(duì)應(yīng)滑車的最大運(yùn)行速度。(3)當(dāng)有較大的初始擾動(dòng)（上擺角初始角度為50o）時(shí)，上下擺的擺角到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)間＜5s~6s，擺動(dòng)次數(shù)＜3~4次。(4)當(dāng)滑車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＜5s~6s，擺動(dòng)次數(shù)＜3~4次。第6頁/共45頁72.雙擺實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制的目的是：當(dāng)8雙擺控制系統(tǒng)的整體方案整個(gè)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖10-3雙擺計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方塊圖第7頁/共45頁8雙擺控制系統(tǒng)的整體方案整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖10-2所示，9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(dòng)力學(xué)方程并進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕缘玫皆谛_動(dòng)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L：拉格朗日函數(shù)=系統(tǒng)的總能量-系統(tǒng)的總勢(shì)能系統(tǒng)各個(gè)自由度的廣義坐標(biāo)廣義坐標(biāo)對(duì)于時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)

驅(qū)動(dòng)每個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的廣義力或力矩系統(tǒng)自由度數(shù)第8頁/共45頁9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(dòng)力學(xué)方程并101.以控制力為輸入建立雙擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：拖動(dòng)電機(jī)對(duì)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(biāo)系原點(diǎn)的橫坐標(biāo)：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(dòng)角度：下擺擺動(dòng)角度：下擺關(guān)節(jié)擺動(dòng)角度，且滿足：上擺擺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：下擺擺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量圖10-4雙擺系統(tǒng)受力分析圖第9頁/共45頁101.以控制力為輸入建立雙擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：拖動(dòng)電機(jī)對(duì)于11滑車—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：第10頁/共45頁11滑車—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12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

令車位置車速度

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11頁/共45頁12作以下的簡化：忽略由速度引起的向心力和哥氏力令車位置132.建立電機(jī)加雙擺對(duì)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(dòng)死區(qū)電壓后，可以視為一個(gè)二階的線性系統(tǒng)。即有圖10-5電機(jī)模型第12頁/共45頁132.建立電機(jī)加雙擺對(duì)象的數(shù)學(xué)模型直流伺服電機(jī)在忽略了感14進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼希涂傻玫狡胶馕恢酶浇庪姍C(jī)加雙擺對(duì)象的數(shù)學(xué)模型：第13頁/共45頁14進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼希涂傻玫狡胶馕恢酶浇庪姍C(jī)加雙擺對(duì)象的數(shù)15系統(tǒng)回路控制設(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1V，即有

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D/A輸出0.1V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)必須滿足

為了滿足D/A輸出滿量程5V時(shí)對(duì)應(yīng)滑車最大速度0.4m／s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

圖10-6雙擺控制系統(tǒng)的模擬內(nèi)環(huán)第14頁/共45頁15系統(tǒng)回路控制設(shè)計(jì)系統(tǒng)的速度環(huán)設(shè)計(jì)為滿足克服死區(qū)電壓的指標(biāo)16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）可以改寫為令第15頁/共45頁16考慮放大器箱的放大倍數(shù)，D/A輸出電壓u滿足：令第15頁172.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：第16頁/共45頁172.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183.系統(tǒng)位置環(huán)設(shè)計(jì)（控制律設(shè)計(jì)）這里采用無限時(shí)間離散二次型的代價(jià)函數(shù)：其中Q、R陣的初始設(shè)置如下：可利用Matlab中的函數(shù)dlqr計(jì)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(cè)量并用于狀態(tài)反饋；車速度、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

第17頁/共45頁183.系統(tǒng)位置環(huán)設(shè)計(jì)（控制律設(shè)計(jì)）這里采用無限時(shí)間離散二19軟件設(shè)計(jì)圖10-7雙擺計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的程序流程圖第18頁/共45頁19軟件設(shè)計(jì)圖10-7雙擺計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的程序流程圖第1820閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果1.擺角擾動(dòng)閉環(huán)控制（上擺角初始擾動(dòng)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(shí)間軸，單位為s，縱軸為角度軸，單位為（o）第19頁/共45頁20閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果1.擺角擾動(dòng)閉環(huán)控制（上擺角初始擾動(dòng)角212.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(shí)間軸，單位為s，縱軸為角度軸，單位為（o）第20頁/共45頁212.滑車位置回零控制（滑車從-0.3m處回歸零位）圖12210.1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)10.2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)第21頁/共45頁2210.1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)第21頁/共2310.2轉(zhuǎn)臺(tái)計(jì)算機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)“高頻響、超低速、寬調(diào)速、高精度”成為仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的主要性能指標(biāo)和發(fā)展方向。“高頻響”反映轉(zhuǎn)臺(tái)跟蹤高頻信號(hào)的能力強(qiáng)；“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(hào)的準(zhǔn)確程度高。第22頁/共45頁2310.2轉(zhuǎn)臺(tái)計(jì)算機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)“高頻響、超低速、寬24轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)介紹圖10-16三軸模擬轉(zhuǎn)臺(tái)及其示意圖第23頁/共45頁24轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)介紹圖10-16三軸模擬轉(zhuǎn)臺(tái)及其示意圖第23頁25三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的總體控制結(jié)構(gòu)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10-17所示的原理方案。圖10-17三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)總體控制結(jié)構(gòu)圖第24頁/共45頁25三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的總體控制結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)臺(tái)三個(gè)框架的控制是相互獨(dú)立的26轉(zhuǎn)臺(tái)單框的數(shù)學(xué)模型

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)。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)第25頁/共45頁26轉(zhuǎn)臺(tái)單框的數(shù)學(xué)模型由于轉(zhuǎn)臺(tái)三個(gè)框架的控制是27轉(zhuǎn)臺(tái)單框控制回路設(shè)計(jì)一般的設(shè)計(jì)過程是從內(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)。圖10-18轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)框圖第26頁/共45頁27轉(zhuǎn)臺(tái)單框控制回路設(shè)計(jì)一般的設(shè)計(jì)過程是從內(nèi)向外，依次設(shè)計(jì)281.電流環(huán)設(shè)計(jì)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(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PI控制器，通過具體的實(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、無超調(diào)或超調(diào)量很小。第27頁/共45頁281.電流環(huán)設(shè)計(jì)電流環(huán)負(fù)反饋可以充分利用電機(jī)所允許的過載292.速度環(huán)設(shè)計(jì)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)。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(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；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：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。將速度環(huán)的閉環(huán)特性設(shè)計(jì)為過阻尼，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。第28頁/共45頁292.速度環(huán)設(shè)計(jì)常采用測(cè)速發(fā)電機(jī)作為速度反饋元件，構(gòu)成模303.位置環(huán)設(shè)計(jì)工作過程是：通過鍵盤或其它通信方式獲取位置指令信號(hào)，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(jì)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(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)的控制算法，它是系統(tǒng)控制精度的保障。圖10-20三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)原理圖第29頁/共45頁303.位置環(huán)設(shè)計(jì)工作過程是：通過鍵盤或其它通信方式獲取位31控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1.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。2.下位機(jī)需要實(shí)現(xiàn)的功能：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)的通信。3.上下位機(jī)的通信設(shè)計(jì)：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)通信速率可以達(dá)3ms），采用Netbios（Networkbasicinputandoutputsystem）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。第30頁/共45頁31控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1.上位機(jī)軟件需要實(shí)現(xiàn)的功能包括：第332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(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)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。圖10-22模擬轉(zhuǎn)臺(tái)及伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第31頁/共45頁32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33實(shí)際控制效果設(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)載30kg。實(shí)施PID加前饋的復(fù)合控制，得到指令與跟蹤實(shí)際效果如圖10-23所示（圖中縱軸坐標(biāo)單位為(o)，橫軸單位為時(shí)間s）。圖10-23轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)PID加前饋復(fù)合控制結(jié)果圖第32頁/共45頁33實(shí)際控制效果設(shè)定三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的定時(shí)中斷時(shí)間為1ms，并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)10.2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)第33頁/共45頁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)第33頁/共35民用機(jī)場(chǎng)供油系統(tǒng)工藝簡介圖10-24民用機(jī)場(chǎng)供油系統(tǒng)基本工藝示意圖第34頁/共45頁35民用機(jī)場(chǎng)供油系統(tǒng)工藝簡介圖10-24民用機(jī)場(chǎng)供油系統(tǒng)基36機(jī)場(chǎng)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35頁/共45頁36機(jī)場(chǎng)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35頁37網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)系統(tǒng)涉及以下3種通信網(wǎng)絡(luò)：1.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)之間的通信網(wǎng)絡(luò)采用ModbusPlus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(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(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)。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10-25所示的一個(gè)以太局域網(wǎng)。第36頁/共45頁37網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)系統(tǒng)涉及以下3種通信網(wǎng)絡(luò)：第36頁/共45頁38功能設(shè)計(jì)1.直接控制級(jí)功能設(shè)計(jì)，其主要功能包括：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：(1)顯示工藝流程及其狀態(tài)(2)顯示工藝過程裝置及測(cè)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(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(5)采用聲光兩種方式報(bào)警提示及管理(6)對(duì)泵或電動(dòng)閥門等設(shè)備進(jìn)行控制(7)對(duì)三個(gè)主要的工藝過程進(jìn)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(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(12)進(jìn)行三級(jí)用戶訪問權(quán)限管理(13)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。第37頁/共45頁38功能設(shè)計(jì)1.直接控制級(jí)功能設(shè)計(jì)，其主要功能包括：第3739硬件設(shè)計(jì)1.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SCADA系統(tǒng)的功能要求，系統(tǒng)配置的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(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儀表。2.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)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)來組網(wǎng)。第38頁/共45頁39硬件設(shè)計(jì)1.現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)硬件配置第38頁/共45頁40軟件設(shè)計(jì)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。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(shí)性，其實(shí)現(xiàn)以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為核心；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，因此其實(shí)現(xiàn)以關(guān)系數(shù)據(jù)庫為核心。圖10-25監(jiān)控管理級(jí)數(shù)據(jù)集成示意圖第39頁/共45頁40軟件設(shè)計(jì)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)。41實(shí)際應(yīng)用

1.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及配置圖10-27民用機(jī)場(chǎng)供油系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及其配置示意圖第40頁/共45頁41實(shí)際應(yīng)用

1.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及配置圖10-27民用機(jī)場(chǎng)422.直接控制級(jí)開發(fā)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)控制回路，其它都是開關(guān)量控制，按DCS或SCADA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(duì)于過程控制而言，采樣周期要求不是很苛刻。目前的PLC一般都具有較高的運(yùn)算速度和較強(qiáng)的控制功能，一臺(tái)PLC完全能夠勝任該級(jí)的控制需求。為此系統(tǒng)直接控制級(jí)只配置兩臺(tái)PLC，一主一備。3.監(jiān)控級(jí)開發(fā)監(jiān)控級(jí)的硬件配置如圖10-27所示。兩臺(tái)監(jiān)控站用于操作員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、操作和控制。兩臺(tái)I/O服務(wù)器為冗余設(shè)計(jì)，主要用于與直接控制級(jí)通信，也同時(shí)擔(dān)當(dāng)監(jiān)控站，報(bào)警服務(wù)器和趨勢(shì)服務(wù)器的功能也由I/O服務(wù)器完成。兩臺(tái)I/O服務(wù)器和兩臺(tái)監(jiān)控站均可用作操作員站和工程師站。以不同身份登陸，就可進(jìn)行相應(yīng)身份的操作。第41頁/共45頁422.直接控制級(jí)開發(fā)I/O點(diǎn)數(shù)一般在幾百到幾千之間，只有434.開發(fā)的系統(tǒng)特點(diǎn)機(jī)場(chǎng)供油SCADA系統(tǒng)方案采用分級(jí)分布式總體結(jié)構(gòu)，具有DCS的“集中管理，分散控制”的優(yōu)點(diǎn)。還具有特點(diǎn)：(1)采用智能化總線儀表，克服了以往系統(tǒng)“連線復(fù)雜，故障點(diǎn)多”的缺陷，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的主動(dòng)維護(hù)。(2)直接控制級(jí)采用PLC構(gòu)建，保證了系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性。(3)監(jiān)控管理級(jí)的應(yīng)用軟件采用組態(tài)軟件開發(fā)，保證了應(yīng)用軟件的可靠性以及人機(jī)界面的友好性。(4)直接控制級(jí)和監(jiān)控管理級(jí)采取了相應(yīng)的熱備份與冗余設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性。(5)系統(tǒng)在功能設(shè)計(jì)上將直接控制級(jí)設(shè)置為系統(tǒng)的核心，它可以獨(dú)立于監(jiān)控管理級(jí)運(yùn)行，使得系統(tǒng)的功能劃分更為清晰，為系統(tǒng)的維護(hù)和使用帶來了方便，也進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性。所有這些特點(diǎn)和措施綜合在一起，使機(jī)場(chǎng)供油系統(tǒng)成為了一個(gè)具有綜合的監(jiān)視、控制、調(diào)度與管理功能的實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)，全面提升了系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和可靠性。第42頁/共45頁434.開發(fā)的系統(tǒng)特點(diǎn)機(jī)場(chǎng)供油SCADA系統(tǒng)方案采用分級(jí)分感謝聆聽！THANK

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WATCHING!演示結(jié)束！第43頁/共45頁感謝聆聽！THANKYOUFORWATCHING!演示2019ppt資料45歡迎批評(píng)指導(dǎo)！！第44頁/共45頁2019ppt資料45歡迎批評(píng)指導(dǎo)！！第44頁/北京航空航天大學(xué)清華大學(xué)出版社46感謝您的觀看。第45頁/共45頁北京航空航天大學(xué)清華大學(xué)出版社46感謝您的觀看。第45頁會(huì)計(jì)學(xué)47計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例會(huì)計(jì)學(xué)1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例48《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》依<全國高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)系列教材編審委員會(huì)>審定的教材大綱編寫。主編人：高金源夏潔出版發(fā)行：清華大學(xué)出版社第1頁/共45頁2《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》依<全國高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)系列教材編審委49計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則可靠性高2.操作性好3.實(shí)時(shí)性強(qiáng)4.通用性好、便于擴(kuò)充5.經(jīng)濟(jì)效益高第2頁/共45頁3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則可靠性高第2頁/共45頁50計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容和步驟：系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計(jì)；系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、選擇與開發(fā)；軟硬件的可靠性設(shè)計(jì)；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(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)；軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)；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、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：第3頁/共45頁4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容和步驟：系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計(jì)；5110.1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)10.2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)第4頁/共45頁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)第4頁/共4552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)組成第5頁/共45頁6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)組成第5頁/共4532.雙擺實(shí)驗(yàn)控制系統(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。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)D/A輸出100mV時(shí)，電機(jī)應(yīng)啟動(dòng)。(2)滑車最大運(yùn)動(dòng)速度為0.4m／s，D/A的最大輸出對(duì)應(yīng)滑車的最大運(yùn)行速度。(3)當(dāng)有較大的初始擾動(dòng)（上擺角初始角度為50o）時(shí)，上下擺的擺角到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)間＜5s~6s，擺動(dòng)次數(shù)＜3~4次。(4)當(dāng)滑車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＜5s~6s，擺動(dòng)次數(shù)＜3~4次。第6頁/共45頁72.雙擺實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制的目的是：當(dāng)54雙擺控制系統(tǒng)的整體方案整個(gè)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖10-3雙擺計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方塊圖第7頁/共45頁8雙擺控制系統(tǒng)的整體方案整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖10-2所示，55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(dòng)力學(xué)方程并進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕缘玫皆谛_動(dòng)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L：拉格朗日函數(shù)=系統(tǒng)的總能量-系統(tǒng)的總勢(shì)能系統(tǒng)各個(gè)自由度的廣義坐標(biāo)廣義坐標(biāo)對(duì)于時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)

驅(qū)動(dòng)每個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的廣義力或力矩系統(tǒng)自由度數(shù)第8頁/共45頁9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(dòng)力學(xué)方程并561.以控制力為輸入建立雙擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：拖動(dòng)電機(jī)對(duì)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(biāo)系原點(diǎn)的橫坐標(biāo)：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(dòng)角度：下擺擺動(dòng)角度：下擺關(guān)節(jié)擺動(dòng)角度，且滿足：上擺擺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：下擺擺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量圖10-4雙擺系統(tǒng)受力分析圖第9頁/共45頁101.以控制力為輸入建立雙擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：拖動(dòng)電機(jī)對(duì)于57滑車—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：第10頁/共45頁11滑車—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58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

令車位置車速度

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11頁/共45頁12作以下的簡化：忽略由速度引起的向心力和哥氏力令車位置592.建立電機(jī)加雙擺對(duì)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(dòng)死區(qū)電壓后，可以視為一個(gè)二階的線性系統(tǒng)。即有圖10-5電機(jī)模型第12頁/共45頁132.建立電機(jī)加雙擺對(duì)象的數(shù)學(xué)模型直流伺服電機(jī)在忽略了感60進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼希涂傻玫狡胶馕恢酶浇庪姍C(jī)加雙擺對(duì)象的數(shù)學(xué)模型：第13頁/共45頁14進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼希涂傻玫狡胶馕恢酶浇庪姍C(jī)加雙擺對(duì)象的數(shù)61系統(tǒng)回路控制設(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1V，即有

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D/A輸出0.1V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)必須滿足

為了滿足D/A輸出滿量程5V時(shí)對(duì)應(yīng)滑車最大速度0.4m／s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

圖10-6雙擺控制系統(tǒng)的模擬內(nèi)環(huán)第14頁/共45頁15系統(tǒng)回路控制設(shè)計(jì)系統(tǒng)的速度環(huán)設(shè)計(jì)為滿足克服死區(qū)電壓的指標(biāo)62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）可以改寫為令第15頁/共45頁16考慮放大器箱的放大倍數(shù)，D/A輸出電壓u滿足：令第15頁632.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：第16頁/共45頁172.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643.系統(tǒng)位置環(huán)設(shè)計(jì)（控制律設(shè)計(jì)）這里采用無限時(shí)間離散二次型的代價(jià)函數(shù)：其中Q、R陣的初始設(shè)置如下：可利用Matlab中的函數(shù)dlqr計(jì)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(cè)量并用于狀態(tài)反饋；車速度、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

第17頁/共45頁183.系統(tǒng)位置環(huán)設(shè)計(jì)（控制律設(shè)計(jì)）這里采用無限時(shí)間離散二65軟件設(shè)計(jì)圖10-7雙擺計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的程序流程圖第18頁/共45頁19軟件設(shè)計(jì)圖10-7雙擺計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的程序流程圖第1866閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果1.擺角擾動(dòng)閉環(huán)控制（上擺角初始擾動(dòng)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(shí)間軸，單位為s，縱軸為角度軸，單位為（o）第19頁/共45頁20閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果1.擺角擾動(dòng)閉環(huán)控制（上擺角初始擾動(dòng)角672.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(shí)間軸，單位為s，縱軸為角度軸，單位為（o）第20頁/共45頁212.滑車位置回零控制（滑車從-0.3m處回歸零位）圖16810.1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)10.2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)第21頁/共45頁2210.1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)第21頁/共6910.2轉(zhuǎn)臺(tái)計(jì)算機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)“高頻響、超低速、寬調(diào)速、高精度”成為仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的主要性能指標(biāo)和發(fā)展方向。“高頻響”反映轉(zhuǎn)臺(tái)跟蹤高頻信號(hào)的能力強(qiáng)；“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(hào)的準(zhǔn)確程度高。第22頁/共45頁2310.2轉(zhuǎn)臺(tái)計(jì)算機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)“高頻響、超低速、寬70轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)介紹圖10-16三軸模擬轉(zhuǎn)臺(tái)及其示意圖第23頁/共45頁24轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)介紹圖10-16三軸模擬轉(zhuǎn)臺(tái)及其示意圖第23頁71三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的總體控制結(jié)構(gòu)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10-17所示的原理方案。圖10-17三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)總體控制結(jié)構(gòu)圖第24頁/共45頁25三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的總體控制結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)臺(tái)三個(gè)框架的控制是相互獨(dú)立的72轉(zhuǎn)臺(tái)單框的數(shù)學(xué)模型

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)。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)第25頁/共45頁26轉(zhuǎn)臺(tái)單框的數(shù)學(xué)模型由于轉(zhuǎn)臺(tái)三個(gè)框架的控制是73轉(zhuǎn)臺(tái)單框控制回路設(shè)計(jì)一般的設(shè)計(jì)過程是從內(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)。圖10-18轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)框圖第26頁/共45頁27轉(zhuǎn)臺(tái)單框控制回路設(shè)計(jì)一般的設(shè)計(jì)過程是從內(nèi)向外，依次設(shè)計(jì)741.電流環(huán)設(shè)計(jì)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(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PI控制器，通過具體的實(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、無超調(diào)或超調(diào)量很小。第27頁/共45頁281.電流環(huán)設(shè)計(jì)電流環(huán)負(fù)反饋可以充分利用電機(jī)所允許的過載752.速度環(huán)設(shè)計(jì)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)。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(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；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：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。將速度環(huán)的閉環(huán)特性設(shè)計(jì)為過阻尼，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。第28頁/共45頁292.速度環(huán)設(shè)計(jì)常采用測(cè)速發(fā)電機(jī)作為速度反饋元件，構(gòu)成模763.位置環(huán)設(shè)計(jì)工作過程是：通過鍵盤或其它通信方式獲取位置指令信號(hào)，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(jì)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(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)的控制算法，它是系統(tǒng)控制精度的保障。圖10-20三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)原理圖第29頁/共45頁303.位置環(huán)設(shè)計(jì)工作過程是：通過鍵盤或其它通信方式獲取位77控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1.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。2.下位機(jī)需要實(shí)現(xiàn)的功能：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)的通信。3.上下位機(jī)的通信設(shè)計(jì)：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)通信速率可以達(dá)3ms），采用Netbios（Networkbasicinputandoutputsystem）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。第30頁/共45頁31控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1.上位機(jī)軟件需要實(shí)現(xiàn)的功能包括：第378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(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)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。圖10-22模擬轉(zhuǎn)臺(tái)及伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第31頁/共45頁32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79實(shí)際控制效果設(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)載30kg。實(shí)施PID加前饋的復(fù)合控制，得到指令與跟蹤實(shí)際效果如圖10-23所示（圖中縱軸坐標(biāo)單位為(o)，橫軸單位為時(shí)間s）。圖10-23轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)PID加前饋復(fù)合控制結(jié)果圖第32頁/共45頁33實(shí)際控制效果設(shè)定三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的定時(shí)中斷時(shí)間為1ms，并8010.1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)10.2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)第33頁/共45頁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)第33頁/共81民用機(jī)場(chǎng)供油系統(tǒng)工藝簡介圖10-24民用機(jī)場(chǎng)供油系統(tǒng)基本工藝示意圖第34頁/共45頁35民用機(jī)場(chǎng)供油系統(tǒng)工藝簡介圖10-24民用機(jī)場(chǎng)供油系統(tǒng)基82機(jī)場(chǎng)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35頁/共45頁36機(jī)場(chǎng)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35頁83網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)系統(tǒng)涉及以下3種通信網(wǎng)絡(luò)：1.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)之間的通信網(wǎng)絡(luò)采用ModbusPlus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(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(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)。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10-25所示的一個(gè)以太局域網(wǎng)。第36頁/共45頁37網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)系統(tǒng)涉及以下3種通信網(wǎng)絡(luò)：第36頁/共45頁84功能設(shè)計(jì)1.直接控制級(jí)功能設(shè)計(jì)，其主要功能包括：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：(1)顯示工藝流程及其狀態(tài)(2)顯示工藝過程裝置及測(cè)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(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(5)采用聲光兩種方式報(bào)警提示及管理(6)對(duì)泵或電動(dòng)閥門等設(shè)備進(jìn)行控制(7)對(duì)三個(gè)主要的工藝過程進(jìn)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(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(12)進(jìn)行三級(jí)用戶訪問權(quán)限管理(13)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。第37頁/共45頁38功能設(shè)計(jì)1.直接控制級(jí)功能設(shè)計(jì)，其主要功能包括：第3785硬件設(shè)計(jì)1.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SCADA系統(tǒng)的功能要求，系統(tǒng)配置的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(dòng)閥、變頻器和軟起動(dòng)