第9章 计算机控制系统设计与实现

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。9.19.1.1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12．资源分配3．实时控制软件设计9.2.4系统的调试与运行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±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(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(3)系统具有自动控制、现场手动控制、控制室遥控三种(4)系统具有掉电保护、报警、参数设置和工艺曲线修改(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①温度的标度变换②压力的标度变换③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①PID算式加特殊处理②施密斯（Smith)预估控制算式(6)其它应用程序P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7RDWRINT1P2.7CLKRDB0CLKIDB1DB2VREF/2DB3DB4VIN（+）DB5DB6VIN（-）DB7RDDGNDWRINTRAGNDCS10K150PNCVIN(0～5V)+－P2.7P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.78031WRCSVCCXFERILEDI0VREFDI1RfbDI2DI3IOUT1DI4DI5IOUT2DI6DI7WR1WR2DGND+-+-ab+5VDAC0832与单片机的接口ADC0801～0805与单片机的接口P1.7P1.6P1.5P1.48031P1.3P1.2P1.1P1.0DCBALEGY0AY1BY2CY7DCBALEDCBALE74LS138MC14495…8031RXDTXDP1.0ABCLKCLRABCLKCLRABCLKCLR…74LS164…采用译码器的静态显示接口电路串行显示接口P1.7PI.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0AT89C2051P3.3P3.2P3.1P3.0+5V动态扫描显示接口电路两次按键值不同吗?第一次发现键按下吗?键有效标志=0吗?无键按下吗?置第一次发现键按下标志，存键值清键有效标志清第一次发现键按下标志，清键值下标志，保存键值键处理返回开始置键有效标志键有效标志=1吗?YYYYY按键接口程序流程图键盘与单片机的接口电路S1S4S3S2P0.0P0.1P0.2P0.38031P2.7RD1A11Y11A21Y21A31Y31A41Y41G+5V74LS244P0.0P0.1P0.2P0.3P2.7RD8031P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.71Y11Y21Y31Y42Y12Y22Y32Y41G2G1A11A21A31A42A11A22A32A4+5VS8S1S32S25S24S17S16S974LS244两次按键值不同吗？第一次发现键按下吗？键有效标志=0吗？R2－1≠0吗？置第一次发现键按下标志，存键值清键有效标志清第一次发现键按下标志，清键值下标志，保存键值键处理返回开始置键有效标志键有效标志=1吗？向所有的行输出0读入各列的值全为1吗？向第i行输出0i←i+1读入各列的值有0吗？第j列等于0吗？j←j+1R3－1≠0吗？R2←行数R3←列数YYYYYYYYY键盘与单片机的接口电路按键接口程序流程图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。••电阻炉温度控制系统•◆设计任务•在某实验装置中，要求按照控制电阻炉中A点的温度按预定的规律变化，同时监测B点的温度，一旦B点的温度超过允许值，就发出报警信号，并停止加热★温度测量电路—检测元件选用镍铬-镍铝热电偶，分度号为EU，适用于0℃~1000℃的温度测量范围，相应输出电压为0mV~41.32mV—变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成：毫伏变送器用于把热电偶输出的0~41.32mV变换成0~10mA范围内的电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的0~10mA电流变换成0~5V范围内的电压•★接口电路•—8031的接口电路有ADC0809、8155和2732等。本系统采用ADC0809型A/D转换器，作为温度测量电路的输入接口；8155用于键盘和显示接口；2732作为8031外部程序(ROM)存储器★温度控制电路—电阻炉的温度通过调节加热丝的加热功率来实现，双向可控硅和加热丝串接在交流回路，由可控硅导通时间决定加热丝的加热功率。可控硅输出功率与导通时间的关系如图：uuuutttt12.5%25%50%100%——过零信号是正弦交流电压过零时刻的同步脉冲，可使可控硅在交流电压正弦波过零后触发导通，过零同步脉冲由过零触发电路产生.....................LM311MCQ1Q274LS0014528TIL117+5V+5V+12V220V~加热器+5VA1P1.3•◆数字控制器的数学模型•电阻炉可近似为一个带纯滞后的一阶惯性环节，即•式中各参数可根据系统的飞升特性曲线确定?•采用大林算法设计数字控制器如下?(第4章)：1()1sKeGsTs11//1///1(1)()(1)(1)()()(1())(1)[1(1)]TTTTTTTTTTNzeezDzGzzKezeez•◆控制系统程序设计•★主程序•★中断服务子程序•—T1中断服务程序•—T0中断服务程序设定堆栈指针清标志和暂存单元清显示缓冲区T0初始化开CPU中断扫描键盘温度显示T1中断程序清标志D5H停止输出T1中断服务程序开始开始返回•★T0中断服务子程序•T0中断服务程序是此系统的主体程序，用于启动A/D转换、读入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限处理、大林算法计算和输出可控硅的同步触发脉冲等。在T0中断服务程序中，要用到一系列子程序。如：采样子程序、数字滤波子程序、越限处理程序、大林算法程序、标度变换程序和温度显示程序等保护现场采样炉温数字滤波U(n)=Ymax否？清上次越限标志U(n)Ymax否？U(n)=Ymin否？温度标度转换初始化T1从P1.3输出求补计算Y(n)温度显示(D5H)=1否?恢复现场取Ymax值输出下限报警置本次越限标志上次越限否?越限计数器加1越限N次否?清越限标志上限报警本次越限标志送5FH清零5EH单元上限处理是是是是是是否否否否否否返回开始9.4设计举例—机器人计算机控制系统9.4.1PUMA560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9.4.1PUMA560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。qqqLqqqLdtd),(),(qq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。2010.10.25实践设计题•粮仓温湿度监控系统，任何国家都有粮仓存储，如果存储不当，会造成粮食浪费，给国家造成损失，粮仓的性能成为了粮食质量的决定因素。以往采用的措施是用人工的方法对粮食进行晾晒、通风，喷洒药剂防止困存储不当引起的虫害，消耗了大量的人力和财力，然而，效果不不佳，发霉变质等现象仍然存在。虽然已经有很多工控企业已开发出了相应的一些专用于粮仓温湿度监控的自动化管理系统，对粮仓的性能进行了革命性的改造，大大提高了粮食的存储质量。但是，有的还有很多方面须等改进和进一步提高。•本次实践设计，要求设计实现的粮仓温湿度监测管理系统，能实现对多个粮仓点进行温度、湿度参数等进行监测，并能够输出控制使得粮仓的温度和湿度保持在要求的范围内，能使得粮仓的存储质量得到提高。设该系统有5个粮仓点，每个粮仓点有温度和湿度监测点最多达到64个点，被控制通风机和湿度调节器最多有12个。系统示意图如下图所示。•实践设计要求：•1、画出系统总的原理方框图。•2、对某一温度和湿度监测点的采样原理进行设计，画出原理方框图，并包括报警部分。•3、系统采用总线方式进行系统组网；•4、给出系统控制温湿度或通风机或湿度调节器的设计原理图或方案；•5、给出系统下位机软件实现原理方框图，并给出上位机软件信息管理系统原理方框图。系统示意图