1、第9章 计算机控制系统设计与实现,计算机控制系统的设计，既是一个理论问题，又是一个工程问题。 计算机控制系统的理论设计包括： 建立被控对象的数学模型； 确定满足一定技术经济指标的系统目标函数，寻求满足该目标函数的控制规律； 选择适宜的计算方法和程序设计语言； 进行系统功能的软、硬件界面划分，并对硬件提出具体要求。,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、计算机控制系统的设计举例。,9.1 系统设计的原则与步骤,9.1.1 系统设计的原则9.1.2 系统设计的步骤,9.1.1 系统设计的原则,1.安全可靠2.操作维护方便3.实时性强4.通用性好5.经济效益高,
2、9.1.2 系统设计的步骤,1.工程顶目与控制任务的确定阶段2.工程项目的设计阶段3.离线仿真和调试阶段4.在线调试和运行阶段,9.2 系统的工程设计与实现,9.2.1 系统总体方案设计 9.2.2 硬件的工程设计与实现 9.2.3 软件的工程设计与实现 9.2.4 系统的调试与运行,9.2.1 系统总体方案设计,1.硬件总体方案设计2.软件总体方案设计3.系统总体方案,9.2.2 硬件的工程设计与实现,1选择系统的总线和主机机型 2选择输入输出通道模板 3选择变送器和执行机构,9.2.3 软件的工程设计与实现,1数据类型和数据结构规划 2资源分配 3实时控制软件设计,9.2.4 系统的调试与
3、运行,1.离线仿真和调试(1)硬件调试(2)软件调试(3)系统仿真 2.在线调试和运行,9.3 设计举例 啤酒发酵过程计算机控制系统,9.3.1 啤酒发酵工艺及控制要求 9.3.2 系统总体方案的设计 9.3.3 系统硬件和软件的设计 9.3.4 系统的安装调试运行及控制效果,9.3.1 啤酒发酵工艺及控制要求,1.啤酒发酵工艺简介 啤酒发酵是一个复杂的生物化学过程，通常在锥型发酵罐中进行。在二十多天的发酵期间，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。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，使其在给定温度的
4、0.5范围内。,2.系统的控制要求,(1)系统共有10个发酵罐，每个罐测量5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液(麦汁)的高度，共有三十个温度测量点、10个压力测量点、10个液位测量点。因此共需检测50个参数。 (2)自动控制各个发酵罐中的上中下三段温度使其按图9-7所示的工艺曲线运行，温度控制误差不大于0.5。共有30个控制点。 (3)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。 (4)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。 (5)系统具有表格、图型、曲线等显示和打印功能。,9.3.2 系统总体方案的设计,1.发酵罐测控点的分布及管线
5、结构（如右图所示） 2.检测装置和执行机构 3.控制规律 4.控制系统主机及过程通道模板 5.控制系统的软件,9.3.3 系统硬件和软件的设计,1.系统硬件的设计 控制系统的组成框图，如右图所示。 (1)模拟量输入通道设计 (2)模拟量输出通道设计,2.系统软件的设计,(1)数据采集程序 (2)数字滤波程序 (3)标度变换程序温度的标度变换压力的标度变换液位的标度变换 (4)给定工艺曲线的实时插补计算 (5)控制算法PID算式加特殊处理施密斯（Smith)预估控制算式 (6)其它应用程序,9.3.4 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、压力变送器、液位变送器、调节
6、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，A/D板和D/A板满度和零点校准；另外就是利用试凑法确定PID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。该系统操作简单，使用维护方便，性能可靠；采用微机控制，提高了啤酒质量；改善了劳动条件，不用人工手动操作，消除了人为因素；易于现代化管理和产品质量分析；采用表格、图形、曲线显示直观，并有打印输出功能。,9.4 设计举例 机器人计算机控制系统,9.4.1 PUMA560机器人的结构原理 9.4.2 机器人运动学方程 9.4.3 机器人
7、动力学方程 9.5.4 机器人手臂的独立关节位置伺服控制,9.4.1 PUMA560机器人的结构原理,9.4.2 机器人运动学方程,1.机器人正运动学 2.机器人逆运动学,9.4.3 机器人动力学方程,机器人动力学可通过Euler-Lagrange方程来描述。 和 分别为系统的6个关节的角位移和角速度向量， 为作用于6个关节的外力矩向量。,9.4.4 机器人手臂的独立关节位置伺服控制,1.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a)和图b)所示。,2.PUMA560机器人的关节位置伺服控制,PUMA560机器人关节位置伺服控制系统结构如下图所示。,
