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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。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),(),(qq9.4.4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。