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1、计算机控制系统设计计算机控制系统设计与实现与实现第1页，此课件共68页哦本章主要介绍计算机控制系统设计的原则与本章主要介绍计算机控制系统设计的原则与步骤、计算机控制系统的工程设计与实现、计算步骤、计算机控制系统的工程设计与实现、计算机控制系统的设计举例。机控制系统的设计举例。第2页，此课件共68页哦9.1 9.1 系统设计的原则与步骤系统设计的原则与步骤 9.1.1 9.1.1 系统设计的原则系统设计的原则 9.1.2 9.1.2 系统设计的步骤系统设计的步骤第3页，此课件共68页哦9.1.1 9.1.1 系统设计的原则系统设计的原则1.1.满足工艺要求满足工艺要求2.2.安全可靠安全可靠3
2、3使用维护方便使用维护方便 4 4实时性实时性5 5通用性和扩展性好通用性和扩展性好6 6经济合理经济合理 7 7保密性好保密性好 第4页，此课件共68页哦9.1.2 9.1.2 系统设计的步骤系统设计的步骤 1.1.工程顶目与控制任务的确定阶段工程顶目与控制任务的确定阶段 2.2.工程项目的设计阶段工程项目的设计阶段 3.3.离线仿真和调试阶段离线仿真和调试阶段 4.4.在线调试和运行阶段在线调试和运行阶段第5页，此课件共68页哦1.1.工程顶目与控制任务的确定阶段工程顶目与控制任务的确定阶段n甲方提出任务委托书甲方提出任务委托书 n乙方研究任务委托书乙方研究任务委托书 n双方共同对委托书进
3、行确认性修改双方共同对委托书进行确认性修改 n乙方初步进行系统总体方案设计乙方初步进行系统总体方案设计n乙方进行方案可行性研究乙方进行方案可行性研究 n签订合同书签订合同书 第6页，此课件共68页哦2.2.工程顶目的设计阶段工程顶目的设计阶段n组建项目研制小组组建项目研制小组 n系统总体方案的设计系统总体方案的设计 n方案论证与评审方案论证与评审 n硬件和软件的细化设计硬件和软件的细化设计n硬件和软件的调试硬件和软件的调试 n系统的组装系统的组装 第7页，此课件共68页哦3.3.离线仿真和调试阶段离线仿真和调试阶段 所谓离线仿真和调试是指在实验室而不是在工所谓离线仿真和调试是指在实验室而不是在
4、工业现场进行的仿真。离线仿真和调试试验后，好业现场进行的仿真。离线仿真和调试试验后，好要进行考机运行，目的是要在连续不停机的运行要进行考机运行，目的是要在连续不停机的运行中暴露问题和解决问题。中暴露问题和解决问题。第8页，此课件共68页哦4.4.在线调试和运行阶段在线调试和运行阶段 所谓在线调试和运行是指将系统和生产过程连接所谓在线调试和运行是指将系统和生产过程连接在一起，进行现场调试和运行。系统运行正常后，在一起，进行现场调试和运行。系统运行正常后，再试运行一段时间，即可组织验收。再试运行一段时间，即可组织验收。第9页，此课件共68页哦9.2 9.2 系统的工程设计与实现系统的工程设计与实现
5、9.2.1 9.2.1 系统总体方案设计系统总体方案设计9.2.2 9.2.2 硬件的工程设计与实现硬件的工程设计与实现9.2.3 9.2.3 软件的工程设计与实现软件的工程设计与实现9.2.4 9.2.4 系统的调试与运行系统的调试与运行 第10页，此课件共68页哦9.2.1 9.2.1 系统总体方案设计系统总体方案设计 1.1.硬件总体方案设计硬件总体方案设计 2.2.软件总体方案设计软件总体方案设计 3.3.系统总体方案系统总体方案第11页，此课件共68页哦1.硬件总体方案设计硬件总体方案设计 （1）确定计算机控制系统的结构和类型）确定计算机控制系统的结构和类型 确定操作指导控制系统、直
6、接数字控制确定操作指导控制系统、直接数字控制(DDC)系统、监督计算机控制系统、监督计算机控制(SCC)系统、分级控系统、分级控制系统、分散型控制系统制系统、分散型控制系统(DCS)还是工业测控网络系还是工业测控网络系统等。统等。（2）确定系统的构成方式）确定系统的构成方式 优先选择工业控制机来构成系统。优先选择工业控制机来构成系统。第12页，此课件共68页哦（3）分时控制方式选择分时控制方式选择 一台微机一台微机DDC系统有时要控制多个回路。在每系统有时要控制多个回路。在每个回路均要完成采样、决策与输出控制三项工个回路均要完成采样、决策与输出控制三项工作，而这些工作是分时完成的。因此，微机控
7、作，而这些工作是分时完成的。因此，微机控制系统常采用分时控制的方法，即将某一回路制系统常采用分时控制的方法，即将某一回路的采样和的采样和A/D转换、运算、输出三部分时间与其前转换、运算、输出三部分时间与其前后回路错开。后回路错开。第13页，此课件共68页哦（4）系统现有资源的分配和接口扩展系统现有资源的分配和接口扩展 在设计系统时，首先考虑计算机自身固有的硬在设计系统时，首先考虑计算机自身固有的硬件资源。包括：内存单元、定时件资源。包括：内存单元、定时/计算单元、输入计算单元、输入输出接口、通信单元等。如果现有硬件资源不输出接口、通信单元等。如果现有硬件资源不够用，就需要扩展接口。够用，就需要
8、扩展接口。第14页，此课件共68页哦（5）人机接口设计人机接口设计 要设计一组操作人员专用的控制台，便于要设计一组操作人员专用的控制台，便于操作人员操作。控制台一般包括：操作人员操作。控制台一般包括：n数据输入键数据输入键，用于输入或更新给定值、参数等；，用于输入或更新给定值、参数等；n功能键或转换开关，用于操作系统；功能键或转换开关，用于操作系统；n显示装置，用于实时观察系统运行状态；显示装置，用于实时观察系统运行状态；n急停按钮，用于处理意外事故。急停按钮，用于处理意外事故。第15页，此课件共68页哦 （6）现场设备选择）现场设备选择 正确选择传感器、变送器和执行机构。正确选择传感器、变送
9、器和执行机构。（7）其他方面的考虑）其他方面的考虑 如机柜或机箱等结构设计。如机柜或机箱等结构设计。第16页，此课件共68页哦2.软件总体方案设计软件总体方案设计 先画出总体设计框图，然后将大的框图分解为先画出总体设计框图，然后将大的框图分解为小的框图，直到能表达清楚为止。小的框图，直到能表达清楚为止。软件总体方案还要考虑系统的数学模型、控制策软件总体方案还要考虑系统的数学模型、控制策略、控制算法等。略、控制算法等。第17页，此课件共68页哦3.系统总体方案设计系统总体方案设计 将硬件总体方案和软件总体方案合在一起构将硬件总体方案和软件总体方案合在一起构成系统的总体方案。成系统的总体方案。此外
10、，还应考虑硬件与软件的协调平衡问题。此外，还应考虑硬件与软件的协调平衡问题。第18页，此课件共68页哦硬件与软件的协调平衡硬件与软件的协调平衡 在进行系统设计时，应充分考虑硬件和软件的在进行系统设计时，应充分考虑硬件和软件的特点，合理地进行功能分配。特点，合理地进行功能分配。随着计算机运行速度的不断提高，尽可能用软随着计算机运行速度的不断提高，尽可能用软件来实现系统的各种功能。对于实际的控制系统，件来实现系统的各种功能。对于实际的控制系统，要综合考虑系统速度、可靠性、抗干扰性能、灵活要综合考虑系统速度、可靠性、抗干扰性能、灵活性、成本等因素，合理分配硬件和软件的功能。性、成本等因素，合理分配硬
11、件和软件的功能。第19页，此课件共68页哦n系系统统的的主主要要功功能能、技技术术指指标标、原原理理性性方方框框图图及及文文字字说说明；明；n控制算法和控制策略；控制算法和控制策略；n系统的硬件结构及配置，软件的功能框图；系统的硬件结构及配置，软件的功能框图；n保证性能指标要求的技术措施；保证性能指标要求的技术措施；n 抗干扰和可靠性设计；抗干扰和可靠性设计；n 机柜的结构设计；机柜的结构设计；n 经费和进度计划的安排。经费和进度计划的安排。总体方案要形成文件，内容包括：总体方案要形成文件，内容包括：第20页，此课件共68页哦9.2.2 9.2.2 硬件的工程设计与实现硬件的工程设计与实现 1
12、 1选择系统的总线和主机机型选择系统的总线和主机机型2 2选择输入输出通道模板选择输入输出通道模板3 3选择变送器和执行机构选择变送器和执行机构第21页，此课件共68页哦 1选择系统的总线和主机机型选择系统的总线和主机机型（1）选择系统总线）选择系统总线n 内部总线的选择（内部总线的选择（PCI或或ISA）n 外部总线的选择（外部总线的选择（USB、RS-232、RS-422、RS-485）采用总线的优点：采用总线的优点：简化硬件设计；简化硬件设计；系统可扩充性好；系统可扩充性好；系统更新性能好；系统更新性能好；第22页，此课件共68页哦1）微型计算机组成方案选择）微型计算机组成方案选择n 采
13、用工业采用工业PC机机 n 采用通用可编程序控制器采用通用可编程序控制器(PLC)n 采用智能调节器采用智能调节器n 采用单片机做控制核心器件采用单片机做控制核心器件 n 采用集散控制系统采用集散控制系统 DCS（2）选择主机机型）选择主机机型第23页，此课件共68页哦2）微型计算机性能指标选择）微型计算机性能指标选择n 完善的终端系统完善的终端系统 n 足够的存储容量足够的存储容量n 足够的数据处理能力足够的数据处理能力 字长、执行速度、指令系统等。字长、执行速度、指令系统等。第24页，此课件共68页哦 用工控机组建控制系统用工控机组建控制系统 用工控机组建控制系统时，接口电路选择内容包括：
14、用工控机组建控制系统时，接口电路选择内容包括：n 根据根据AI、AO点数、分辨率等选则点数、分辨率等选则A/D、D/A板；板；n 根据根据DI、DO点数和功率大小等选择开关量输入点数和功率大小等选择开关量输入/输出板；输出板；n 根据程序和数据量的大小等选择存贮器板；根据程序和数据量的大小等选择存贮器板；n 根据人机联系方式选择相应的接口扳。根据人机联系方式选择相应的接口扳。n 根据需要选择各种外设接口板、通信板等。根据需要选择各种外设接口板、通信板等。第25页，此课件共68页哦 用单片微型计算机系统结构用单片微型计算机系统结构 合理选择单片机种类，进行必要的硬件功能扩合理选择单片机种类，进行
15、必要的硬件功能扩展。展。由单片机组成的控制系统，设计接口电路由单片机组成的控制系统，设计接口电路是采用是采用 一些常用的接口芯片，如：一些常用的接口芯片，如：8155、8255、8253和一些译码驱动芯片和一些译码驱动芯片74LS138、74LS244、74LS245等组成接口电路。等组成接口电路。第26页，此课件共68页哦 2选择输入输出通道模板选择输入输出通道模板（1）数字量输入输出模板）数字量输入输出模板TTL电平的电平的DI/DO：用于和工控机共地装置的接口：用于和工控机共地装置的接口或大容量的接口。或大容量的接口。带光电隔离的带光电隔离的DI/DO：非总线模板或与工控机不共地：非总线
16、模板或与工控机不共地装置的接口。装置的接口。（2）模拟量输入输出模板）模拟量输入输出模板 包括包括A/D、D/A、信号调理电路等。、信号调理电路等。第27页，此课件共68页哦（1）变送器）变送器 温度变送器温度变送器 压力变送器压力变送器 液位变送器液位变送器 差压变送器差压变送器 流量变送器流量变送器（2）执行机构）执行机构 气动气动 电动电动 液压液压3现场设备选择现场设备选择第28页，此课件共68页哦9.2.3 9.2.3 软件的工程设计与实现软件的工程设计与实现1 1数据类型和数据结构规划数据类型和数据结构规划2 2资源分配资源分配3 3实时控制软件设计实时控制软件设计第29页，此课件
17、共68页哦1 1数据类型和数据结构规划数据类型和数据结构规划数据类型：逻辑型、日期型和数值型（定点数和浮点数）数据类型：逻辑型、日期型和数值型（定点数和浮点数）数据类型：逻辑型、日期型和数值型（定点数和浮点数）数据类型：逻辑型、日期型和数值型（定点数和浮点数）数据结构：数组、结构体、公用体、链表数据结构：数组、结构体、公用体、链表数据结构：数组、结构体、公用体、链表数据结构：数组、结构体、公用体、链表2 2资源分配资源分配资源分配资源分配 包括包括包括包括ROM、RAMRAM、定时器、定时器、定时器、定时器/计数器、中断源、计数器、中断源、I/O地址等，主要是地址等，主要是地址等，主要是地址等
18、，主要是RAM资源的分配。资源的分配。第30页，此课件共68页哦3 3 3 3实时控制软件设计实时控制软件设计实时控制软件设计实时控制软件设计（1 1）数据采集和数据处理程序）数据采集和数据处理程序）数据采集和数据处理程序）数据采集和数据处理程序 确定输入点数、数字滤波、线性化处理、非线性补偿、确定输入点数、数字滤波、线性化处理、非线性补偿、标度变换、越显报警等。标度变换、越显报警等。（2 2 2 2）控制算法程序）控制算法程序n 算法必须满足控制速度、控制精度和系统的稳定性算法必须满足控制速度、控制精度和系统的稳定性要求；要求；n n 对设计算法作适当的修改或补充；对设计算法作适当的修改或补
19、充；对设计算法作适当的修改或补充；对设计算法作适当的修改或补充；n n 考虑影响系统性能的主要因素。考虑影响系统性能的主要因素。考虑影响系统性能的主要因素。考虑影响系统性能的主要因素。第31页，此课件共68页哦（3 3 3 3）控制量输出程序）控制量输出程序（4 4）实时时钟和中断处理程序）实时时钟和中断处理程序）实时时钟和中断处理程序）实时时钟和中断处理程序（5 5）数据管理程序）数据管理程序）数据管理程序）数据管理程序（6 6）数据通信程序）数据通信程序）数据通信程序）数据通信程序第32页，此课件共68页哦9.2.4 9.2.4 系统的调试与运行系统的调试与运行1.1.离线仿真和调试离线仿
20、真和调试2.2.在线调试和运行在线调试和运行 第33页，此课件共68页哦1.1.离线仿真和调试离线仿真和调试(1)(1)硬件调试硬件调试硬件调试硬件调试n n 对于各种功能模板，按说明书检查主要功能。对于各种功能模板，按说明书检查主要功能。对于各种功能模板，按说明书检查主要功能。对于各种功能模板，按说明书检查主要功能。n n 准备好配套的信号源和测量仪表准备好配套的信号源和测量仪表n n A/DA/D、D/A模板要分档检查模板要分档检查n n 检查现场仪表和执行机构检查现场仪表和执行机构检查现场仪表和执行机构检查现场仪表和执行机构n n 检查通信线路检查通信线路第34页，此课件共68页哦(2)
21、(2)软件调试软件调试调试顺序：子程序、功能模块和主程序。调试顺序：子程序、功能模块和主程序。调试方法：简单程序利用开发装置；对处理速度和实调试方法：简单程序利用开发装置；对处理速度和实时性要求高的部分利用时性要求高的部分利用汇编语言汇编语言编程调试；对处理编程调试；对处理速度和实时性要求不高的部分利用速度和实时性要求不高的部分利用高级语言高级语言编程调编程调试。试。控制系统模块调试：先开环检查后闭环检查。控制系统模块调试：先开环检查后闭环检查。运算模块的检查：用调试程序进行检查。运算模块的检查：用调试程序进行检查。整机调试：整机调试：先局部后全局，要进行先局部后全局，要进行考机考机和做抗扰实
22、验和做抗扰实验。第35页，此课件共68页哦(3)(3)(3)(3)系统仿真系统仿真系统仿真系统仿真全物理仿真：在模拟环境下的全实物仿真，对与纯数据全物理仿真：在模拟环境下的全实物仿真，对与纯数据采集系统采用该方法。采集系统采用该方法。半物理仿真：适用于对控制系统进行仿真。半物理仿真：适用于对控制系统进行仿真。数字仿真（计算机仿真）：借助于计算机仿真软件进数字仿真（计算机仿真）：借助于计算机仿真软件进行仿真。行仿真。第36页，此课件共68页哦2.2.在线调试和运行在线调试和运行在线调试和运行在线调试和运行 1 1）校验检测元件、变送器、显示仪表、调节阀，）校验检测元件、变送器、显示仪表、调节阀，
23、）校验检测元件、变送器、显示仪表、调节阀，）校验检测元件、变送器、显示仪表、调节阀，保证保证精度；精度；2 2）检查接线和导管，）检查接线和导管，保证连接正确；保证连接正确；3 3 3 3）对在流量中采用隔离液的系统，要在清洗好引对在流量中采用隔离液的系统，要在清洗好引压导管以后，灌入隔离液压导管以后，灌入隔离液(封液封液)；4 4 4 4）检查调节阀）检查调节阀）检查调节阀）检查调节阀能否正确工作。能否正确工作。5 5）检查系统的干扰情况和接地情况）检查系统的干扰情况和接地情况6 6）检查安全防护措施）检查安全防护措施第37页，此课件共68页哦 在在现现场场调调试试的的过过程程中中，往往往往
24、会会出出现现错错综综复复杂杂、时时隐隐时时现现的的奇奇怪怪现现象象，一一时时难难以以找找到到问问题题的的根根源源。此此时时设设计计者者们们要要认认真真地地共共同同分分析析，每每个个人人不不要要轻轻易易怀疑别人所做的分析，以免掩盖问题的根源所在。怀疑别人所做的分析，以免掩盖问题的根源所在。第38页，此课件共68页哦9.3 9.3 设计举例设计举例 啤酒发酵过程计算机控制系统啤酒发酵过程计算机控制系统9.3.1 9.3.1 啤酒发酵工艺及控制要求啤酒发酵工艺及控制要求9.3.2 9.3.2 系统总体方案的设计系统总体方案的设计9.3.3 9.3.3 系统硬件和软件的设计系统硬件和软件的设计9.3.
25、4 9.3.4 系统的安装调试运行及控制效果系统的安装调试运行及控制效果第39页，此课件共68页哦9.3.1 9.3.1 啤酒发酵工艺及控制要求啤酒发酵工艺及控制要求1.1.啤酒发酵工艺简介啤酒发酵工艺简介啤酒发酵工艺简介啤酒发酵工艺简介啤酒发酵是一个复杂的生物化学过程，通常在锥型发啤酒发酵是一个复杂的生物化学过程，通常在锥型发啤酒发酵是一个复杂的生物化学过程，通常在锥型发啤酒发酵是一个复杂的生物化学过程，通常在锥型发酵罐中进行。在二十多天的发酵期间，根据酵母的活动能酵罐中进行。在二十多天的发酵期间，根据酵母的活动能酵罐中进行。在二十多天的发酵期间，根据酵母的活动能酵罐中进行。在二十多天的发酵
26、期间，根据酵母的活动能力，生长繁殖快慢，确定发酵给定温度曲线，如右图所示。力，生长繁殖快慢，确定发酵给定温度曲线，如右图所示。力，生长繁殖快慢，确定发酵给定温度曲线，如右图所示。力，生长繁殖快慢，确定发酵给定温度曲线，如右图所示。要使酵母的繁殖和衰减、麦汁中糖度的消耗和双乙酰等杂要使酵母的繁殖和衰减、麦汁中糖度的消耗和双乙酰等杂要使酵母的繁殖和衰减、麦汁中糖度的消耗和双乙酰等杂要使酵母的繁殖和衰减、麦汁中糖度的消耗和双乙酰等杂质含量达到最佳状态，必须严格控制发酵各阶段的温度，质含量达到最佳状态，必须严格控制发酵各阶段的温度，质含量达到最佳状态，必须严格控制发酵各阶段的温度，质含量达到最佳状态，
27、必须严格控制发酵各阶段的温度，使其在给定温度的使其在给定温度的使其在给定温度的使其在给定温度的0.50.5范围内。范围内。第40页，此课件共68页哦第41页，此课件共68页哦2.2.系统的控制要求系统的控制要求(1)(1)系统共有系统共有系统共有系统共有1010个发酵罐，每个罐测量个发酵罐，每个罐测量5 5 5 5个参数，即发个参数，即发酵罐的上中下三段温度、罐内上部气体的压力和罐内发酵罐的上中下三段温度、罐内上部气体的压力和罐内发酵液酵液(麦汁麦汁)的高度，共有三十个温度测量点、的高度，共有三十个温度测量点、1010个压力个压力个压力个压力测量点、测量点、测量点、测量点、10101010个液
28、位测量点。因此共需检测个液位测量点。因此共需检测5050个参数。个参数。第42页，此课件共68页哦(2)(2)(2)(2)自动控制各个发酵罐中的上中下三段温度使其按自动控制各个发酵罐中的上中下三段温度使其按图图9-79-7所示的工艺曲线运行，温度控制误差不大于所示的工艺曲线运行，温度控制误差不大于所示的工艺曲线运行，温度控制误差不大于所示的工艺曲线运行，温度控制误差不大于0.50.50.50.5。共有共有3030个控制点。个控制点。(3)(3)(3)(3)系统具有自动控制、现场手动控制、控制室遥控系统具有自动控制、现场手动控制、控制室遥控三种工作方式。三种工作方式。(4)(4)(4)(4)系统
29、具有掉电保护、报警、参数设置和工艺曲线系统具有掉电保护、报警、参数设置和工艺曲线修改设置功能。修改设置功能。(5)(5)(5)(5)系统具有表格、图型、曲线等显示和打印功能。系统具有表格、图型、曲线等显示和打印功能。第43页，此课件共68页哦9.3.2 9.3.2 系统总体方案的设计系统总体方案的设计1.1.发酵罐测控点的分布及管线结构发酵罐测控点的分布及管线结构第44页，此课件共68页哦2.2.检测装置和执行机构检测装置和执行机构检测装置和执行机构检测装置和执行机构3.3.控制规律控制规律控制规律控制规律4.4.4.4.控制系统主机及过程通道模板控制系统主机及过程通道模板控制系统主机及过程通
30、道模板控制系统主机及过程通道模板5.5.5.5.控制系统的软件控制系统的软件控制系统的软件控制系统的软件第45页，此课件共68页哦9.3.3 9.3.3 系统硬件和软件的设计系统硬件和软件的设计1.1.系统硬件的设计系统硬件的设计系统硬件的设计系统硬件的设计控制系统的组成框图。控制系统的组成框图。控制系统的组成框图。控制系统的组成框图。(1)(1)(1)(1)模拟量输入通道设计模拟量输入通道设计模拟量输入通道设计模拟量输入通道设计(2)(2)模拟量输出通道设计模拟量输出通道设计第46页，此课件共68页哦第47页，此课件共68页哦2.2.系统软件的设计系统软件的设计 (1)(1)(1)(1)数据
31、采集程序数据采集程序数据采集程序数据采集程序 (2)(2)(2)(2)数字滤波程序数字滤波程序数字滤波程序数字滤波程序(3)(3)标度变换程序标度变换程序标度变换程序标度变换程序 温度的标度变换温度的标度变换 压力的标度变换压力的标度变换 液位的标度变换液位的标度变换(4)(4)给定工艺曲线的实时插补计算给定工艺曲线的实时插补计算给定工艺曲线的实时插补计算给定工艺曲线的实时插补计算(5)(5)(5)(5)控制算法控制算法 PIDPID算式加特殊处理算式加特殊处理算式加特殊处理算式加特殊处理 施密斯（施密斯（施密斯（施密斯（Smith)Smith)预估控制算式预估控制算式预估控制算式预估控制算式
32、(6)(6)(6)(6)其它应用程序其它应用程序其它应用程序其它应用程序第48页，此课件共68页哦9.3.4 9.3.4 系统的安装调试运行及控制效果系统的安装调试运行及控制效果 现场进行安装时，首先在现场安装温度、压力变现场进行安装时，首先在现场安装温度、压力变送器、液位变送器、调节阀等，然后从现场敷设屏蔽送器、液位变送器、调节阀等，然后从现场敷设屏蔽信号电缆到控制室，最后将这些线缆接到工业控制计信号电缆到控制室，最后将这些线缆接到工业控制计算机外面的接线端子板上。调试工作主要是对变送器算机外面的接线端子板上。调试工作主要是对变送器进行满度和零点校准，进行满度和零点校准，A/DA/D板和板和
33、板和板和D/AD/A板满度和零点校准；板满度和零点校准；板满度和零点校准；板满度和零点校准；另外就是利用试凑法确定另外就是利用试凑法确定另外就是利用试凑法确定另外就是利用试凑法确定PIDPID控制器的控制参数。系统经过控制器的控制参数。系统经过控制器的控制参数。系统经过控制器的控制参数。系统经过安装调试后，投入运行，并满足系统的控制要求。安装调试后，投入运行，并满足系统的控制要求。安装调试后，投入运行，并满足系统的控制要求。安装调试后，投入运行，并满足系统的控制要求。第49页，此课件共68页哦9.4 设计举例设计举例 机器人计算机控制系统机器人计算机控制系统9.4.1 PUMA560机器人的结
34、构原理机器人的结构原理9.4.2 机器人运动学方程机器人运动学方程9.4.3 机器人动力学方程机器人动力学方程9.5.4 机器人手臂的独立关节位置伺服控制机器人手臂的独立关节位置伺服控制第50页，此课件共68页哦9.4.1 PUMA5609.4.1 PUMA560机器人的结构原理机器人的结构原理第51页，此课件共68页哦9.4.2 9.4.2 机器人运动学方程机器人运动学方程1.1.机器人正运动学机器人正运动学2.2.机器人逆运动学机器人逆运动学第52页，此课件共68页哦9.4.3 9.4.3 机器人动力学方程机器人动力学方程 机器人动力学可通过机器人动力学可通过Euler-LagrangeE
35、uler-Lagrange方程方程 来描述。来描述。和和 分别为系统的分别为系统的6 6个关节的角位移和个关节的角位移和角速度向量，角速度向量，为作用于为作用于6 6个关节的外力矩向量。个关节的外力矩向量。第53页，此课件共68页哦9.4.4 9.4.4 机器人手臂的独立关节位置伺服控制机器人手臂的独立关节位置伺服控制1.1.1.1.位置控制的基本结构位置控制的基本结构位置控制的基本结构位置控制的基本结构 机器人的位置控制是机器人最基本的控制任务。机器人的位置控制是机器人最基本的控制任务。机器人的位置控制是机器人最基本的控制任务。机器人的位置控制是机器人最基本的控制任务。机器人的位置控制结构主
36、要有两种形式，即关节空间机器人的位置控制结构主要有两种形式，即关节空间机器人的位置控制结构主要有两种形式，即关节空间机器人的位置控制结构主要有两种形式，即关节空间控制结构和直角坐标空间控制结构，分别如图控制结构和直角坐标空间控制结构，分别如图控制结构和直角坐标空间控制结构，分别如图控制结构和直角坐标空间控制结构，分别如图a)a)a)a)和图和图和图和图b)b)b)b)所示。所示。所示。所示。第54页，此课件共68页哦第55页，此课件共68页哦第56页，此课件共68页哦2.PUMA5602.PUMA560机器人的关节位置伺服控制机器人的关节位置伺服控制第57页，此课件共68页哦 本系统控制对象为
37、燃油加热炉，加热炉以重油为本系统控制对象为燃油加热炉，加热炉以重油为燃料，热风为助燃空气。主控制回路为炉膛温度闭环燃料，热风为助燃空气。主控制回路为炉膛温度闭环控制回路，被控量是炉膛温度，当由于某种原因（如控制回路，被控量是炉膛温度，当由于某种原因（如添加新工件）使炉膛温度发生变化时，通过热电偶检添加新工件）使炉膛温度发生变化时，通过热电偶检测出实际炉温后，与设定温度进行比较，对得出的偏测出实际炉温后，与设定温度进行比较，对得出的偏差进行差进行PID运算，得到需要的调节量，以此控制燃料运算，得到需要的调节量，以此控制燃料和风量的进给，稳态后达到温度平衡。和风量的进给，稳态后达到温度平衡。补充：
38、燃油加热炉温度控制系统补充：燃油加热炉温度控制系统（一）明确控制任务（一）明确控制任务第58页，此课件共68页哦 1）为为克克服服较较大大扰扰动动或或大大幅幅度度调调节节油油、风风给给定定值值时时的的系系统统超超调调及及波波动动，应应采采取取积积分分分分离离算算法法，并并限限制制油油、风流量的时间变化率，以延长炉龄，并使工件受热均匀；风流量的时间变化率，以延长炉龄，并使工件受热均匀；2）为消除系统残差，应）为消除系统残差，应消除积分不灵敏区消除积分不灵敏区；3）为为保保证证执执行行机机构构在在线线性性范范围围内内工工作作，应应对对控控制制量量进进行行上、下限限幅上、下限限幅；4）为为使使系系统
39、统保保持持稳稳定定，应应限限制制调调节节阀阀的的动动作作频频率率(允许炉温偏差允许炉温偏差8)。按照锅炉运行的工艺特点，设计时应考虑到：按照锅炉运行的工艺特点，设计时应考虑到：第59页，此课件共68页哦（二）总体方案设计（二）总体方案设计 l控制系统组成控制系统组成 重油温重油温度检测度检测重油压力重油压力检测检测热风压力热风压力检测检测热风温度热风温度检测检测重油流量检重油流量检测测热风流热风流量检测量检测热风流热风流量调节量调节重油流量重油流量调节调节炉温检炉温检测测炉压炉压检测检测烟含烟含氧量氧量检测检测第60页，此课件共68页哦燃烧控制原理燃烧控制原理 温度偏温度偏差差调节量调节量空燃
40、空燃比比第61页，此课件共68页哦 2微机选择微机选择 本本控控制制系系统统采采用用了了研研华华工工业业PC机机IPC610，外外围围设设备备有有彩彩色色显显示示器器、打打印印机机、键键盘盘、交交流流稳稳压压电电源源和和不不间间断断电电源源等等。由由于于PC总总线线工工控控机机有有丰丰富富的的接接口口板板和和功功能能强强大大的的组组态态软软件件，可可以以大大大大缩缩短短设设计计周周期期，且且控控制制系系统统有有较较高的性能价格比。高的性能价格比。第62页，此课件共68页哦3.现场设备选择现场设备选择 检检测测元元件件：炉炉温温热热电电偶偶、油油温温、风风温温热热电电阻阻、油油量量涡涡街街流流量
41、量计计、风风量量差差压压变变送送器器、油油和和风风管管及及炉炉压压的的压压力力变变送送器器、烟含氧量检测氧化锆传感器等。烟含氧量检测氧化锆传感器等。执行元件：进油量电动调节阀、风量电动调节阀。执行元件：进油量电动调节阀、风量电动调节阀。第63页，此课件共68页哦4.接口电路接口电路 A/D板板卡卡采采用用研研华华PCL-818两两块块，作作为为所所有有现现场场模模拟拟量量的的输输入入板板。该该板板具具有有可可编编程程增增益益、100kHz 12位位A/D转转换换、精精度度0.01、16路单端或路单端或8路差动通道、中断控制。路差动通道、中断控制。D/A板板采采用用研研华华PCL-727，该该板
42、板有有25KHz 12位位D/A输输出出、输出形式：输出形式：05V、010V、5V，420mA可选。可选。隔离型模拟量隔离型模拟量I/O模块采用研华模块采用研华PCIM-5B系列。系列。第64页，此课件共68页哦 5软件设计软件设计 主程序：全面负责其它功能模块的调用，对全部运主程序：全面负责其它功能模块的调用，对全部运行状态进行管理，控制投入和中断以及其它管理等。行状态进行管理，控制投入和中断以及其它管理等。初初始始化化程程序序：开开辟辟堆堆栈栈区区、设设置置接接口口和和通通道道工工作作方方式式，定时器、计数器工作方式和常数设定，开辟打印缓冲区等。定时器、计数器工作方式和常数设定，开辟打印
43、缓冲区等。数数据据采采集集处处理理：对对各各输输入入通通道道的的模模拟拟量量定定时时采采样样，将将采采集集数数据据进进行行数数字字滤滤波波、以以消消除除干干扰扰，并并进进行行标标度度转转换换和和数据加工。数据加工。PID运算模块：用于消除流量和压力误差。运算模块：用于消除流量和压力误差。第65页，此课件共68页哦 6.可靠性措施可靠性措施 （1）检检测测仪仪表表安安装装和和布布线线尽尽力力避避开开强强磁磁场场；传传感感器器用用高高精精度度电电源源供供电电；微微机机由由隔隔离离型型稳稳压压电电源源供供电电；信信号号传传输输采采用用隔隔离离型型调调整整模模块块；所所有有信信号号使使用用二线制传输；
44、全部传输电缆屏蔽层连接成一点接地。二线制传输；全部传输电缆屏蔽层连接成一点接地。（2）自自动动/手手动动控控制制后后备备冗冗余余，一一旦旦控控制制失失灵灵，可可立立即即切切换换到到手手动动操操作作，对对重重要要参参数数设设有有二二次次仪仪表表显显示示，以备计算机失灵时观测。以备计算机失灵时观测。第66页，此课件共68页哦（3）选选用用可可靠靠性性较较高高的的工工控控机机、接接口口板板及及输输入入/出出采用隔离型调整模块。采用隔离型调整模块。（4）数数字字滤滤波波，消消除除奇奇异异点点数数据据和和随随机机干干扰扰引引起起的的误误差差。另另外外设设计计了了故故障障自自诊诊断断功功能能和和备备用用通通道道切切换等。换等。7.安装调试安装调试第67页，此课件共68页哦思考题与习题思考题与习题1简述微机控制系统的设计原则。简述微机控制系统的设计原则。2简述微机控制系统设计的一般步骤。简述微机控制系统设计的一般步骤。返回本章首页第68页，此课件共68页哦