第八章_计算机控制系统应用举例

15/1/2024计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统第八章第八章计算机控制系统的设计与实施计算机控制系统的设计与实施Designing&Implementation of Computer Control Systems5/1/20241第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章本章主要内容本章主要内容l l计算机控制系统设计原则和步骤计算机控制系统设计原则和步骤计算机控制系统设计原则和步骤计算机控制系统设计原则和步骤l l计算机控制系统的设计与实施计算机控制系统的设计与实施计算机控制系统的设计与实施计算机控制系统的设计与实施l l过程计算机控制系统的抗干扰与可靠性技术过程计算机控制系统的抗干扰与可靠性技术过程计算机控制系统的抗干扰与可靠性技术过程计算机控制系统的抗干扰与可靠性技术l l计算机控制系统的应用实例计算机控制系统的应用实例计算机控制系统的应用实例计算机控制系统的应用实例5/1/20242第八章 控制系统的设计与实施35/1/2024计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统第一节第一节 Unit 1 计算机控制系统设计原则和步骤计算机控制系统设计原则和步骤Designing Principles&Steps of Computer Designing Principles&Steps of Computer Control SystemControl System5/1/20243第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章本节主要内容本节主要内容l l计算机控制系统设计原则计算机控制系统设计原则计算机控制系统设计原则计算机控制系统设计原则l l设计与实施过程计算机控制系统的步骤设计与实施过程计算机控制系统的步骤设计与实施过程计算机控制系统的步骤设计与实施过程计算机控制系统的步骤5/1/20244第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-1-1 计算机控制系统设计原则计算机控制系统设计原则l安全可靠安全可靠主机，控制方案，后备装置主机，控制方案，后备装置(冗余措施冗余措施)l操作、维护与维修方便操作、维护与维修方便在在考考虑虑先先进进性性的的同同时时照照顾顾到到操操作作工工的的习习惯惯，维维修修方方便便考考虑虑软软、硬件两个方面硬件两个方面l实时性强实时性强及时处理定时事件或随机事件的发生，必要时设置优先级及时处理定时事件或随机事件的发生，必要时设置优先级l通用性好通用性好从从软软件件与与硬硬件件两两个个方方面面考考虑虑共共性性问问题题，如如，标标准准的的算算法法，模模块块(板板)化的设计，某一行业内的特殊功能等，以便于推广化的设计，某一行业内的特殊功能等，以便于推广l经济效益高：进行经济成本核算，提高性能价格比经济效益高：进行经济成本核算，提高性能价格比5/1/20245第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-1-2 设计与实施计算机控制系统的步骤设计与实施计算机控制系统的步骤l l确定任务确定任务确定任务确定任务 明确被控任务，越来越多的甲方乙方的招标形式明确被控任务，越来越多的甲方乙方的招标形式明确被控任务，越来越多的甲方乙方的招标形式明确被控任务，越来越多的甲方乙方的招标形式l l工程项目的设计工程项目的设计工程项目的设计工程项目的设计 总体方案，硬件与软件设计，细化设计，文档工作总体方案，硬件与软件设计，细化设计，文档工作总体方案，硬件与软件设计，细化设计，文档工作总体方案，硬件与软件设计，细化设计，文档工作l l离线仿真和调试离线仿真和调试离线仿真和调试离线仿真和调试 在实验室环境下尽可能地仿真与对系统进行联调与测试在实验室环境下尽可能地仿真与对系统进行联调与测试在实验室环境下尽可能地仿真与对系统进行联调与测试在实验室环境下尽可能地仿真与对系统进行联调与测试l l在线调试和投运在线调试和投运在线调试和投运在线调试和投运 在现场进行在线开环试验的基础上再投入自动闭环控制在现场进行在线开环试验的基础上再投入自动闭环控制在现场进行在线开环试验的基础上再投入自动闭环控制在现场进行在线开环试验的基础上再投入自动闭环控制l l重视保留技术文档重视保留技术文档重视保留技术文档重视保留技术文档5/1/20246第八章 控制系统的设计与实施75/1/2024计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统第二节第二节 Unit 2 计算机控制系统的设计与实施计算机控制系统的设计与实施Design and Implementation of Computer Design and Implementation of Computer Control SystemControl System5/1/20247第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章本节主要内容本节主要内容l l计算机控制系统的总体方案设计计算机控制系统的总体方案设计计算机控制系统的总体方案设计计算机控制系统的总体方案设计l l硬件的工程设计与实现硬件的工程设计与实现硬件的工程设计与实现硬件的工程设计与实现l l软件的工程设计与实现软件的工程设计与实现软件的工程设计与实现软件的工程设计与实现l l控制系统的调试与投运控制系统的调试与投运控制系统的调试与投运控制系统的调试与投运5/1/20248第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-2-1 计算机控制系统总体方案设计计算机控制系统总体方案设计l l硬件总体方案设计硬件总体方案设计硬件总体方案设计硬件总体方案设计 系系系系统统统统的的的的构构构构成成成成方方方方式式式式、现现现现场场场场设设设设备备备备的的的的选选选选择择择择、人人人人机机机机联联联联系系系系方方方方式式式式、系系系系统统统统的的的的机柜或机箱结构、抗干扰措施等机柜或机箱结构、抗干扰措施等机柜或机箱结构、抗干扰措施等机柜或机箱结构、抗干扰措施等l l软件总体方案设计软件总体方案设计软件总体方案设计软件总体方案设计 软软软软件件件件平平平平台台台台、软软软软件件件件结结结结构构构构、任任任任务务务务分分分分解解解解、参参参参阅阅阅阅被被被被控控控控系系系系统统统统的的的的数数数数学学学学模模模模型型型型、确定控制策略以及算法实现确定控制策略以及算法实现确定控制策略以及算法实现确定控制策略以及算法实现l l系统总体方案系统总体方案系统总体方案系统总体方案 系统的总体框架、硬件与软件的设计方案以及系统的监控结系统的总体框架、硬件与软件的设计方案以及系统的监控结系统的总体框架、硬件与软件的设计方案以及系统的监控结系统的总体框架、硬件与软件的设计方案以及系统的监控结合在一起便构成了整个计算机控制系统的总体方案合在一起便构成了整个计算机控制系统的总体方案合在一起便构成了整个计算机控制系统的总体方案合在一起便构成了整个计算机控制系统的总体方案 系统总体设计的文档系统总体设计的文档系统总体设计的文档系统总体设计的文档5/1/20249第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-2-2 硬件的工程设计与实现硬件的工程设计与实现l l系统总线与主机机型系统总线与主机机型系统总线与主机机型系统总线与主机机型l lI/OI/O接口接口接口接口l l选择现场设备选择现场设备选择现场设备选择现场设备 变送器变送器变送器变送器 执行机构执行机构执行机构执行机构 其它现场设备其它现场设备其它现场设备其它现场设备5/1/202410第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-2-3 软件软件的工程设计与实现的工程设计与实现l l程序结构规划程序结构规划程序结构规划程序结构规划l l资源分配资源分配资源分配资源分配l l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 数据采集及数据处理、实时时钟与中断处理数据采集及数据处理、实时时钟与中断处理数据采集及数据处理、实时时钟与中断处理数据采集及数据处理、实时时钟与中断处理 控制算法、控制量输出及处理控制算法、控制量输出及处理控制算法、控制量输出及处理控制算法、控制量输出及处理 生产管理、数据通信等生产管理、数据通信等生产管理、数据通信等生产管理、数据通信等5/1/202411第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-2-4 控制系统的调试与投运控制系统的调试与投运l l离线仿真和调试离线仿真和调试离线仿真和调试离线仿真和调试 硬硬硬硬件件件件调调调调试试试试、软软软软件件件件调调调调试试试试、联联联联调调调调：全全全全物物物物理理理理(模模模模拟拟拟拟)仿仿仿仿真真真真、半半半半物物物物理理理理仿仿仿仿真以及数字仿真真以及数字仿真真以及数字仿真真以及数字仿真l l在线调试和投运在线调试和投运在线调试和投运在线调试和投运 注意与工艺技术人员的配合注意与工艺技术人员的配合注意与工艺技术人员的配合注意与工艺技术人员的配合 从小到大、由易到难、从手动到自动、由开环到闭环。从小到大、由易到难、从手动到自动、由开环到闭环。从小到大、由易到难、从手动到自动、由开环到闭环。从小到大、由易到难、从手动到自动、由开环到闭环。注意到细节问题注意到细节问题注意到细节问题注意到细节问题5/1/202412第八章 控制系统的设计与实施135/1/2024计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统第三节第三节 Unit 3 过程计算机控制系统的抗干扰与可靠性技术过程计算机控制系统的抗干扰与可靠性技术Anti-Disturbing and Reliability Techniques of Anti-Disturbing and Reliability Techniques of Process Computer Control SystemsProcess Computer Control Systems5/1/202413第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章本节主要内容本节主要内容l l计算机控制系统的抗干扰技术计算机控制系统的抗干扰技术计算机控制系统的抗干扰技术计算机控制系统的抗干扰技术l l系统供电与接地技术系统供电与接地技术系统供电与接地技术系统供电与接地技术l l看门狗（看门狗（看门狗（看门狗（WatchdogWatchdog）及其电源掉电检测及其电源掉电检测及其电源掉电检测及其电源掉电检测技术技术技术技术5/1/202414第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-3-1 计算机控制系统的抗干扰技术计算机控制系统的抗干扰技术l l干扰来源及种类干扰来源及种类干扰来源及种类干扰来源及种类l l串模干扰串模干扰串模干扰串模干扰(又称横向干扰或正态干扰又称横向干扰或正态干扰又称横向干扰或正态干扰又称横向干扰或正态干扰)串联于信号源回路中的干扰串联于信号源回路中的干扰串联于信号源回路中的干扰串联于信号源回路中的干扰串模干扰示意图串模干扰示意图A放大器放大器VnVs(a)A放大器放大器VsC1C2干扰线干扰线In(b)5/1/202415第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-3-1 串模干扰的抑制措施串模干扰的抑制措施l l用有屏蔽层的双绞线或同轴电缆作信号引线用有屏蔽层的双绞线或同轴电缆作信号引线用有屏蔽层的双绞线或同轴电缆作信号引线用有屏蔽层的双绞线或同轴电缆作信号引线 可减少电磁感应可减少电磁感应可减少电磁感应可减少电磁感应l l采用各种滤波器采用各种滤波器采用各种滤波器采用各种滤波器l l采用双积分式采用双积分式采用双积分式采用双积分式A/DA/D转换器转换器转换器转换器l l其它措施其它措施其它措施其它措施5/1/202416第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-3-1 共模干扰共模干扰l l共模干扰（也称纵向干扰或共态干扰共模干扰（也称纵向干扰或共态干扰共模干扰（也称纵向干扰或共态干扰共模干扰（也称纵向干扰或共态干扰）由不同的由不同的由不同的由不同的“地地地地”而引起而引起而引起而引起 信号源信号源 VsZrAVc(a)VsVcZr(b)共模干扰示意图共模干扰示意图5/1/202417第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-3-1 对共模干扰的抑制（对共模干扰的抑制（1）l l共模干扰对输入信号的影响共模干扰对输入信号的影响共模干扰对输入信号的影响共模干扰对输入信号的影响VsZcZcVcmm(a)单端输入被测信号的输入方式被测信号的输入方式VsZs1Zc1Vcmm(b)双端输入Zc1Zs25/1/202418第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-3-1 对共模干扰的抑制（对共模干扰的抑制（2）l l双端输入双端输入双端输入双端输入l l变压器隔离变压器隔离变压器隔离变压器隔离l l光电隔离光电隔离光电隔离光电隔离l l浮地屏蔽浮地屏蔽浮地屏蔽浮地屏蔽l l采用仪表放大器提高共模抑制比采用仪表放大器提高共模抑制比采用仪表放大器提高共模抑制比采用仪表放大器提高共模抑制比5/1/202419第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-3-1 长线传输干扰及其抑制长线传输干扰及其抑制l l长线干扰产生原因长线干扰产生原因长线干扰产生原因长线干扰产生原因l l易受到外界干扰易受到外界干扰易受到外界干扰易受到外界干扰l l具有信号延时具有信号延时具有信号延时具有信号延时l l会引起波反射现象会引起波反射现象会引起波反射现象会引起波反射现象l l消除波反射或将它抑制到最低限度消除波反射或将它抑制到最低限度消除波反射或将它抑制到最低限度消除波反射或将它抑制到最低限度l l终端阻抗匹配或始端阻抗匹配终端阻抗匹配或始端阻抗匹配终端阻抗匹配或始端阻抗匹配终端阻抗匹配或始端阻抗匹配5/1/202420第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-3-1 信号线的选择和敷设信号线的选择和敷设l l信号线的选择信号线的选择信号线的选择信号线的选择l l屏蔽信号线性能列表见教材屏蔽信号线性能列表见教材屏蔽信号线性能列表见教材屏蔽信号线性能列表见教材P277P277P277P277表表表表8.8.8.8.1 1 1 1l l信号线的敷设信号线的敷设信号线的敷设信号线的敷设5/1/202421第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-3-2 系统供电技术（系统供电技术（1）l l供电系统的一般保护供电系统的一般保护供电系统的一般保护供电系统的一般保护 交交 流流 稳压器稳压器 低低 通通 滤波器滤波器 直直 流流 稳压器稳压器 计算机计算机一般计算机控制系统供电结构一般计算机控制系统供电结构220VAC5/1/202422第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-3-2 系统供电技术（系统供电技术（2）l l电源异常的保护电源异常的保护电源异常的保护电源异常的保护具有不间断电源的供电结构具有不间断电源的供电结构 电电 池池 充电器充电器 电池组电池组 直直 流流 稳压器稳压器220VAC 逆变器逆变器 交交 流流 稳压器稳压器 控制器控制器 计算机计算机 5/1/202423第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-3-2 系统接地技术系统接地技术l l计算机系统接地的目的计算机系统接地的目的计算机系统接地的目的计算机系统接地的目的l l抑制干扰抑制干扰抑制干扰抑制干扰,使计算机稳定地工作使计算机稳定地工作使计算机稳定地工作使计算机稳定地工作l l保护计算机、电器设备和操作人员的安全保护计算机、电器设备和操作人员的安全保护计算机、电器设备和操作人员的安全保护计算机、电器设备和操作人员的安全l l计算机控制系统中的计算机控制系统中的计算机控制系统中的计算机控制系统中的“地地地地”l l模拟地模拟地模拟地模拟地l l数字地数字地数字地数字地l l安全地安全地安全地安全地l l系统地系统地系统地系统地l l交流地交流地交流地交流地5/1/202424第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-3-2 系统接地技术系统接地技术l l计算机控制系统中的分别回流法单点接地计算机控制系统中的分别回流法单点接地计算机控制系统中的分别回流法单点接地计算机控制系统中的分别回流法单点接地数字地数字地横汇流条横汇流条数字地数字地纵汇流条纵汇流条模拟地模拟地横汇流条横汇流条模拟地模拟地纵汇流条纵汇流条接地板接地板安全地安全地(机壳地机壳地)系统板系统板大地大地 分别回流法接地示例图分别回流法接地示例图5/1/202425第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-3-2 系统的低频接地技术（系统的低频接地技术（1）l l一点接地方式一点接地方式一点接地方式一点接地方式l l串联接地（或称共同接地）串联接地（或称共同接地）串联接地（或称共同接地）串联接地（或称共同接地）l l并联接地（或称分别接地）并联接地（或称分别接地）并联接地（或称分别接地）并联接地（或称分别接地）电路电路1电路电路2电路电路3r1r2r3I3I2I1CBAI3I2+I3I1+I2+I3串联一点接地串联一点接地电路电路1电路电路2电路电路3r1r2r3I3I2I1CBA并联一点接地并联一点接地5/1/202426第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-3-2 系统的低频接地技术（系统的低频接地技术（2）l l实用的低频接地实用的低频接地实用的低频接地实用的低频接地l l串联一点接地的综合接法串联一点接地的综合接法串联一点接地的综合接法串联一点接地的综合接法信号地线信号地线噪声地线噪声地线金属件地线金属件地线实用低频接地方式实用低频接地方式信号地线：低电平电路地线信号地线：低电平电路地线信号地线：低电平电路地线信号地线：低电平电路地线噪声地线：继电器、电动机噪声地线：继电器、电动机噪声地线：继电器、电动机噪声地线：继电器、电动机 等的地线等的地线等的地线等的地线金属件地线：设备机壳地线金属件地线：设备机壳地线金属件地线：设备机壳地线金属件地线：设备机壳地线5/1/202427第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-3-2 系统输入通道的接地技术系统输入通道的接地技术l l电路一点地基准电路一点地基准电路一点地基准电路一点地基准 即即即即单单单单端端端端接接接接地地地地：接接接接地地地地点点点点位位位位于于于于信信信信号号号号源源源源端端端端时时时时，放放放放大大大大器器器器电电电电源源源源不接地；当接地点位于放大器端时，信号源不接地。不接地；当接地点位于放大器端时，信号源不接地。不接地；当接地点位于放大器端时，信号源不接地。不接地；当接地点位于放大器端时，信号源不接地。l l电缆屏蔽层的接地电缆屏蔽层的接地电缆屏蔽层的接地电缆屏蔽层的接地 信信信信号号号号电电电电路路路路是是是是一一一一点点点点接接接接地地地地时时时时，低低低低频频频频电电电电缆缆缆缆的的的的屏屏屏屏蔽蔽蔽蔽层层层层也也也也应应应应一一一一点接地点接地点接地点接地5/1/202428第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-3-2 其它（其它（1）l l主机外壳接地，机芯浮空主机外壳接地，机芯浮空主机外壳接地，机芯浮空主机外壳接地，机芯浮空l l主机外壳作为屏蔽罩接地，而把机内器件架与外壳绝主机外壳作为屏蔽罩接地，而把机内器件架与外壳绝主机外壳作为屏蔽罩接地，而把机内器件架与外壳绝主机外壳作为屏蔽罩接地，而把机内器件架与外壳绝缘，即机内信号地浮空。缘，即机内信号地浮空。缘，即机内信号地浮空。缘，即机内信号地浮空。机机芯芯主机外壳主机外壳大地大地外壳接地，机芯浮空示意图外壳接地，机芯浮空示意图5/1/202429第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-3-2 其它（其它（2）l l多机系统的接地多机系统的接地多机系统的接地多机系统的接地l l近距离多机系统的一点接地（如图示）近距离多机系统的一点接地（如图示）近距离多机系统的一点接地（如图示）近距离多机系统的一点接地（如图示）l l远距离系统采用隔离的方法远距离系统采用隔离的方法远距离系统采用隔离的方法远距离系统采用隔离的方法主主机机 打印机打印机 绘图仪绘图仪 操作台操作台 过过 程程 通通 道道大地大地近距离多机系统的接地示意图近距离多机系统的接地示意图地线地线5/1/202430第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-3-3 看门狗（看门狗（watchdog）技术技术l l看门狗（即监控定时器）作用看门狗（即监控定时器）作用看门狗（即监控定时器）作用看门狗（即监控定时器）作用 用来检测系统出错并自动恢复运行用来检测系统出错并自动恢复运行用来检测系统出错并自动恢复运行用来检测系统出错并自动恢复运行 也可用来检测硬件的故障也可用来检测硬件的故障也可用来检测硬件的故障也可用来检测硬件的故障 定时或启动或清零定时或启动或清零 定时器定时器 CPU 定时到定时到复位或中断复位或中断时钟时钟CLK看门狗看门狗(Watchdog)电路电路5/1/202431第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-3-3 电源掉电检测技术电源掉电检测技术l l系系系系统统统统设设设设计计计计时时时时应应应应采采采采取取取取当当当当掉掉掉掉电电电电发发发发生生生生时时时时的的的的安安安安全全全全措措措措施施施施和和和和保护性处置办法保护性处置办法保护性处置办法保护性处置办法 执行机构执行机构执行机构执行机构 控制计算机的状态控制计算机的状态控制计算机的状态控制计算机的状态l l及时检测出发生掉电及时检测出发生掉电及时检测出发生掉电及时检测出发生掉电l l应用程序设计的措施应用程序设计的措施应用程序设计的措施应用程序设计的措施5/1/202432第八章 控制系统的设计与实施335/1/2024计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统第四节第四节 Unit 4 计算机控制系统的应用实例计算机控制系统的应用实例The Application Examples of Computer The Application Examples of Computer Control SystemControl System5/1/202433第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章本节主要内容本节主要内容l l典型长网纸机的计算机控制系统设计实例典型长网纸机的计算机控制系统设计实例典型长网纸机的计算机控制系统设计实例典型长网纸机的计算机控制系统设计实例l l基于基于基于基于RTLinuxRTLinux和和和和PC/104PC/104的微型无人空间机器人的微型无人空间机器人的微型无人空间机器人的微型无人空间机器人(MUAV)MUAV)控制系统控制系统控制系统控制系统l l以工业控制计算机为核心的锅炉控制系统以工业控制计算机为核心的锅炉控制系统以工业控制计算机为核心的锅炉控制系统以工业控制计算机为核心的锅炉控制系统l l基于基于基于基于PLCPLC与与与与DCSDCS的大中型计算机控制系统的大中型计算机控制系统的大中型计算机控制系统的大中型计算机控制系统 l l结论结论结论结论5/1/202434第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-4-1 典型的长网造纸机计算机控制系统典型的长网造纸机计算机控制系统l l典型的长网造纸机工艺流程简介典型的长网造纸机工艺流程简介典型的长网造纸机工艺流程简介典型的长网造纸机工艺流程简介l l成纸的重要质量指标成纸的重要质量指标成纸的重要质量指标成纸的重要质量指标 绝干纤维量绝干纤维量绝干纤维量绝干纤维量 定量：每平方米的克重定量：每平方米的克重定量：每平方米的克重定量：每平方米的克重 水份：含水量的百分比水份：含水量的百分比水份：含水量的百分比水份：含水量的百分比铜网与压榨部铜网与压榨部铜网与压榨部铜网与压榨部干燥部干燥部干燥部干燥部网前部网前部网前部网前部纸浆纸浆纸浆纸浆成纸成纸成纸成纸1-3%1-3%95%95%左右左右左右左右5/1/202435第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章国外高速纸机示意图国外高速纸机示意图5/1/202436第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章国内高速纸机示意图国内高速纸机示意图5/1/202437第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-4-1 典型的长网造纸机计算机控制系统典型的长网造纸机计算机控制系统l l纸机计算机控制系统的总体控制方案纸机计算机控制系统的总体控制方案纸机计算机控制系统的总体控制方案纸机计算机控制系统的总体控制方案 控制系统的被控变量为成纸质量指标：定量、水份控制系统的被控变量为成纸质量指标：定量、水份控制系统的被控变量为成纸质量指标：定量、水份控制系统的被控变量为成纸质量指标：定量、水份 影响成纸产品质量的因素众多影响成纸产品质量的因素众多影响成纸产品质量的因素众多影响成纸产品质量的因素众多 造纸过程控制系统需要考虑的特殊问题造纸过程控制系统需要考虑的特殊问题造纸过程控制系统需要考虑的特殊问题造纸过程控制系统需要考虑的特殊问题 横横横横向向向向分分分分布布布布显显显显示示示示、断断断断纸纸纸纸部部部部位位位位报报报报警警警警、断断断断纸纸纸纸后后后后的的的的处处处处理理理理、统统统统计计计计报报报报表表表表等等等等等等等等 控制方案：大闭环系统控制定量与水份控制方案：大闭环系统控制定量与水份控制方案：大闭环系统控制定量与水份控制方案：大闭环系统控制定量与水份 小闭环系统控制各个变量小闭环系统控制各个变量小闭环系统控制各个变量小闭环系统控制各个变量 前馈系统克服主要干扰前馈系统克服主要干扰前馈系统克服主要干扰前馈系统克服主要干扰 控制方案图参见下页控制方案图参见下页控制方案图参见下页控制方案图参见下页5/1/202438第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-4-1造纸机计算机控制系统的总体设计造纸机计算机控制系统的总体设计(1)定量水份控制定量水份控制蒸汽压力给定值蒸汽压力给定值浆流量控制浆流量控制浆浓度控制浆浓度控制 蒸汽压力控制蒸汽压力控制造造 纸纸 过过 程程浆浓度测量浆浓度测量蒸汽阀控制蒸汽阀控制白水阀控制白水阀控制浆流量测量浆流量测量浆阀控制浆阀控制蒸汽压力测量蒸汽压力测量浆流量给定值浆流量给定值定定量量测测量量水水份份测测量量l l纸机定量水份控制系统方块图纸机定量水份控制系统方块图纸机定量水份控制系统方块图纸机定量水份控制系统方块图5/1/202439第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章l l建立纸机定量水份系统的数学模型建立纸机定量水份系统的数学模型建立纸机定量水份系统的数学模型建立纸机定量水份系统的数学模型l l建模方法建模方法建模方法建模方法 机理分析法：建立数学模型框架机理分析法：建立数学模型框架机理分析法：建立数学模型框架机理分析法：建立数学模型框架 测试辨识法：确定模型的参数测试辨识法：确定模型的参数测试辨识法：确定模型的参数测试辨识法：确定模型的参数 机理机理机理机理-辨识结合法：验证模型辨识结合法：验证模型辨识结合法：验证模型辨识结合法：验证模型 语言类模型：建立模糊控制数学模型语言类模型：建立模糊控制数学模型语言类模型：建立模糊控制数学模型语言类模型：建立模糊控制数学模型8-4-1造纸机计算机控制系统的总体设计造纸机计算机控制系统的总体设计(2)5/1/202440第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章l l纸机定量水份系统的数学模型纸机定量水份系统的数学模型纸机定量水份系统的数学模型纸机定量水份系统的数学模型 G4(s)G1(s)G2(s)G7(s)G3(s)G8(s)G10(s)G6(s)G5(s)G9(s)浆阀浆阀u1I段蒸汽阀段蒸汽阀u2II段蒸汽阀段蒸汽阀u3施胶前水份施胶前水份y2成纸水份成纸水份y1成纸水份成纸水份y3表面温度表面温度T2表面温度表面温度T1烘缸烘缸烘缸烘缸网前箱网前箱纸浆浓度纸浆浓度c1典型长网纸机定量水份系统数学模型示意图典型长网纸机定量水份系统数学模型示意图8-4-1造纸机计算机控制系统的总体设计造纸机计算机控制系统的总体设计(3)5/1/202441第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-4-1 造纸过程的控制策略造纸过程的控制策略l l解决大纯滞后、耦合、干扰多、慢时变、非线性等控解决大纯滞后、耦合、干扰多、慢时变、非线性等控解决大纯滞后、耦合、干扰多、慢时变、非线性等控解决大纯滞后、耦合、干扰多、慢时变、非线性等控制难点制难点制难点制难点l l一般参数的回路可采用一般参数的回路可采用一般参数的回路可采用一般参数的回路可采用PIDPIDl l定量水份系统采用过许多先进控制定量水份系统采用过许多先进控制定量水份系统采用过许多先进控制定量水份系统采用过许多先进控制 预测控制、模糊控制、自适应控制、最小方差控制、预测控制、模糊控制、自适应控制、最小方差控制、预测控制、模糊控制、自适应控制、最小方差控制、预测控制、模糊控制、自适应控制、最小方差控制、自校正控制、鲁棒控制、最优控制等等自校正控制、鲁棒控制、最优控制等等自校正控制、鲁棒控制、最优控制等等自校正控制、鲁棒控制、最优控制等等l l控制系统仿真试验控制系统仿真试验控制系统仿真试验控制系统仿真试验5/1/202442第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-4-1 纸机计算机控制系统的硬件设计纸机计算机控制系统的硬件设计l l计算机（包括相应外围设备）计算机（包括相应外围设备）计算机（包括相应外围设备）计算机（包括相应外围设备）l l检测仪表与执行机构检测仪表与执行机构检测仪表与执行机构检测仪表与执行机构 特殊变量需要专用仪表测量特殊变量需要专用仪表测量特殊变量需要专用仪表测量特殊变量需要专用仪表测量 环境恶劣，对仪表可靠性有较高要求环境恶劣，对仪表可靠性有较高要求环境恶劣，对仪表可靠性有较高要求环境恶劣，对仪表可靠性有较高要求 需要扫描设备需要扫描设备需要扫描设备需要扫描设备 安装要求高安装要求高安装要求高安装要求高5/1/202443第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-4-1 纸机计算机控制系统的软件结构纸机计算机控制系统的软件结构l l造纸过程控制系统软件结构示意图造纸过程控制系统软件结构示意图造纸过程控制系统软件结构示意图造纸过程控制系统软件结构示意图纸机模型纸机模型控制策略控制策略断纸事件处理断纸事件处理监监 控控 程程 序序硬件接硬件接口软件口软件人机接人机接口软件口软件信号输入信号输入信号处理信号处理控制输出控制输出图形显示图形显示报表显示报表显示报表打印报表打印键盘输入键盘输入5/1/202444第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-4-1 纸机计算机控制系统的实施纸机计算机控制系统的实施l l系统的安装系统的安装系统的安装系统的安装 工艺管道改造工艺管道改造工艺管道改造工艺管道改造 机房建设机房建设机房建设机房建设 现场仪表安装现场仪表安装现场仪表安装现场仪表安装 电缆敷设与接线电缆敷设与接线电缆敷设与接线电缆敷设与接线l l调试工作：仪表校验、测试、参数整定调试工作：仪表校验、测试、参数整定调试工作：仪表校验、测试、参数整定调试工作：仪表校验、测试、参数整定l l系统的运行：系统的运行：系统的运行：系统的运行：开环观察开环观察开环观察开环观察 参数调整参数调整参数调整参数调整 输出控制变量，实施闭环控制输出控制变量，实施闭环控制输出控制变量，实施闭环控制输出控制变量，实施闭环控制5/1/202445第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-4-1 纸机计算机控制系统的经济核算纸机计算机控制系统的经济核算(1)l l系统的硬件、软件及人力等投资系统的硬件、软件及人力等投资系统的硬件、软件及人力等投资系统的硬件、软件及人力等投资l l估算系统投运后直接或间接的经济效益估算系统投运后直接或间接的经济效益估算系统投运后直接或间接的经济效益估算系统投运后直接或间接的经济效益l l纸机定量水份计算机控制系统实施后的经济效益分析纸机定量水份计算机控制系统实施后的经济效益分析纸机定量水份计算机控制系统实施后的经济效益分析纸机定量水份计算机控制系统实施后的经济效益分析 增加产量、提高质量增加产量、提高质量增加产量、提高质量增加产量、提高质量 降低成本、纸机运转率提高降低成本、纸机运转率提高降低成本、纸机运转率提高降低成本、纸机运转率提高 减轻操作工人的劳动强度减轻操作工人的劳动强度减轻操作工人的劳动强度减轻操作工人的劳动强度5/1/202446第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章l l纸机定量水份系统实施后纸机定量水份系统实施后纸机定量水份系统实施后纸机定量水份系统实施后 提高水份提高水份提高水份提高水份1%1%3%3%减少纤维用量减少纤维用量减少纤维用量减少纤维用量2%2%以上以上以上以上 提高车速提高车速提高车速提高车速5%5%减少断纸减少断纸减少断纸减少断纸60%60%以上以上以上以上 增产增产增产增产5%5%15%15%节约蒸汽节约蒸汽节约蒸汽节约蒸汽10%10%并大大减少定量的偏差，提高纸张的质量并大大减少定量的偏差，提高纸张的质量并大大减少定量的偏差，提高纸张的质量并大大减少定量的偏差，提高纸张的质量8-4-1 纸机计算机控制系统的经济核算纸机计算机控制系统的经济核算(2)5/1/202447第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-4-2 8-4-2 基于基于基于基于RTLinuxRTLinux和和和和PC/104PC/104的微型无人空间的微型无人空间的微型无人空间的微型无人空间机器人机器人机器人机器人(MUAV)MUAV)控制系统控制系统控制系统控制系统l微型微型UAV是是20世纪末至世纪末至21世纪初，自动世纪初，自动控制技术、嵌入式系统和机器人技术等控制技术、嵌入式系统和机器人技术等学科高速发展的产物。学科高速发展的产物。l特指：体积小、重量轻、负载少的无人特指：体积小、重量轻、负载少的无人自主飞行器。自主飞行器。传统大型传统大型UAV：重达几吨，体长几十米重达几吨，体长几十米微型的微型的UAV：一般只有几公斤，体长不一般只有几公斤，体长不过一米（甚至更轻，更小）过一米（甚至更轻，更小）l优点：与传统优点：与传统UAV相比，微型相比，微型UAV具有具有灵活性好，成本低廉等优势；灵活性好，成本低廉等优势；l难度：由于体积和负载的减少，给控制难度：由于体积和负载的减少，给控制和导航等技术带来了极大的困难。和导航等技术带来了极大的困难。v微型无人空间飞行器微型无人空间飞行器(MUAV)简介简介5/1/202448第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-4-2 8-4-2 用途广泛的用途广泛的用途广泛的用途广泛的微型无人空间机器人微型无人空间机器人微型无人空间机器人微型无人空间机器人(MUAV)MUAV)系统系统系统系统电影特技电影特技 安全巡查安全巡查 搜救搜救 执法执法 航空测绘航空测绘 工程检查工程检查 5/1/202449第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章 8-4-2 微型微型UAV的自动飞行控制的自动飞行控制lUAV是一个非线性强交耦是一个非线性强交耦(cross-coupling)对象，对对象，对其自动飞行控制的研究极其自动飞行控制的研究极具挑战性。具挑战性。l研究内容涉及：研究内容涉及：系统辨识与建模系统辨识与建模解耦控制解耦控制智能控制智能控制信号处理与滤波信号处理与滤波先进检测技术先进检测技术多传感器信息融合技术多传感器信息融合技术.5/1/202450第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-4-2 微型微型UAV飞行状态的描述飞行状态的描述l6自由度：自由度：x y z l6个状态变量：个状态变量：u v w p q rl4个控制量：个控制量：_1s，_1c，T_mr，T_trl4个控制量控制个控制量控制6个被控量，必然导个被控量，必然导致控制上的耦合致控制上的耦合l主旋翼主导直升机的横纵向运动，主旋翼主导直升机的横纵向运动，尾翼主导直升机的航向，两者都存尾翼主导直升机的航向，两者都存在非线性的空气动力学特性在非线性的空气动力学特性：严重的耦合与非线性是：严重的耦合与非线性是UAV自动自动飞行控制的两大难点飞行控制的两大难点5/1/202451第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-4-2 8-4-2 微型无人空间机器人微型无人空间机器人微型无人空间机器人微型无人空间机器人(MUAV)MUAV)系统架构框图系统架构框图系统架构框图系统架构框图5/1/202452第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-4-2 8-4-2 MUAVMUAV数控系统输入输出描述表数控系统输入输出描述表数控系统输入输出描述表数控系统输入输出描述表输入输入/输出输出名称名称类型类型传输速率传输速率(bps)采样频率采样频率(Hz)输入输入3维电子罗盘维电子罗盘标准标准RS232串口串口192008输入输入3维微机械陀维微机械陀螺、螺、3维加速维加速度计和声纳度计和声纳高度计高度计标准标准RS232串口串口3840033输入输入GPS定位与定位与测速信号测速信号多串口扩展多串口扩展卡，标准卡，标准RS232串口串口96001输出输出5路舵机控制路舵机控制信号信号标准标准RS232串口串口38400335/1/202453第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-4-2 8-4-2 MUAVMUAV系统的操作系统选择系统的操作系统选择系统的操作系统选择系统的操作系统选择v 系统有多任务实时调度的要求系统有多任务实时调度的要求 控制系统必须以一个硬实时操作系统作为其运行环境控制系统必须以一个硬实时操作系统作为其运行环境 v RTLinux特点特点 Linux实时性扩展实时性扩展 具有高效而稳定的内核具有高效而稳定的内核 出色的硬实时性能出色的硬实时性能(例如：在普通配置的例如：在普通配置的x86 PC机上的性能指标机上的性能指标)v MUAV的数控系统所要完成的任务的数控系统所要完成的任务 处理与外部事件接口的输入输出，特别是反映飞行器动态的多传感器串口数据处理与外部事件接口的输入输出，特别是反映飞行器动态的多传感器串口数据的实时获取的实时获取 协调实时系统内部的软件运作，协调实时系统内部的软件运作，vRTLinux操作系统已经在航天器、数控机床等领域得到了成功的应用操作系统已经在航天器、数控机床等领域得到了成功的应用。5/1/202454第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-4-2 8-4-2 RTLinuxRTLinux环境下多传感器串口数据的接收与处理环境下多传感器串口数据的接收与处理环境下多传感器串口数据的接收与处理环境下多传感器串口数据的接收与处理v 目的：获取传感器数据（因为这是构成闭环控制反馈的关键一环目的：获取传感器数据（因为这是构成闭环控制反馈的关键一环）v 手段：手段：RTLinux为标准串口为标准串口设计的实时内核驱动模设计的实时内核驱动模块块rt_com.o RTLinux提供的几个提供的几个主要串口用户接口函数主要串口用户接口函数(API)对串口驱动程序加以修对串口驱动程序加以修改，使改，使RTLinux的串口的串口驱动对用户也支持中断驱动对用户也支持中断触发方式触发方式,避免了引入避免了引入不确定测量时滞不确定测量时滞rt_com.o的实现原理图的实现原理图5/1/202455第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-4-2 数控系统的软件结构设计数控系统的软件结构设计v 实现一个数控系统包含如实现一个数控系统包含如下三步：下三步：从传感器读取信号并加以融从传感器读取信号并加以融合处理合处理 计算控制信号计算控制信号 将控制信号输出给伺服执行将控制信号输出给伺服执行器器v 在硬实时的条件限制下，在硬实时的条件限制下，以上三步需要被严格地限定以上三步需要被严格地限定在确定的控制周期内完成在确定的控制周期内完成 MUAV的控制回路的控制回路5/1/202456第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-4-2 实现实现MUAV数控系统的困难数控系统的困难在在RTLinux环境下，所有的实时任务程序都是以内核模块的方式载环境下，所有的实时任务程序都是以内核模块的方式载入到内核并在其中运行，而对于入到内核并在其中运行，而对于Linux内核模块的调试与除错至今内核模块的调试与除错至今仍缺乏一种高效的工具仍缺乏一种高效的工具由于程序运行在内核态，可以使用的用户域库函数也受到极大的限由于程序运行在内核态，可以使用的用户域库函数也受到极大的限制，同时从编程开发的角度讲，一般也要求放在实时域完成的任务制，同时从编程开发的角度讲，一般也要求放在实时域完成的任务不能太复杂不能太复杂MUAV是一个开环不稳定的高带宽难控对象，对控制的实时性要求是一个开环不稳定的高带宽难控对象，对控制的实时性要求很高，希望控制回路能够在实时域中运行很高，希望控制回路能够在实时域中运行 5/1/202457第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-4-2 解决上述困难的折衷设计方案解决上述困难的折衷设计方案实时任务和非实时任务之间采用实时任务和非实时任务之间采用RTLinux提供的实时提供的实时FIFO机机制进行通信制进行通信 处于实时域的各个线程可以采用基于优先级的处于实时域的各个线程可以采用基于优先级的FIFO调度策调度策略，并使用互斥和信号等机制来实现线程之间的同步与互斥略，并使用互斥和信号等机制来实现线程之间的同步与互斥 因为因为MUAV底层的姿态控制回路的带宽最高，因此将姿态控底层的姿态控制回路的带宽最高，因此将姿态控制回路，即图制回路，即图3中的内回路安排在实时域中的内回路安排在实时域将指令接收、路径规划和航迹生成等上层规划控制安排在非将指令接收、路径规划和航迹生成等上层规划控制安排在非实时域，即普通的实时域，即普通的Linux用户域用户域5/1/202458第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-4-2 8-4-2 RTLinuxRTLinux下的数控系统软件结构框图下的数控系统软件结构框图下的数控系统软件结构框图下的数控系统软件结构框图5/1/202459第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-4-2 RTLinux下的数控系统方案下的数控系统方案实时域任务在内核中完成实时数据实时域任务在内核中完成实时数据I/O、状态估计和底层姿态估状态估计和底层姿态估计等实时性要求严格的任务；而在非实时域完成定位导航计算、计等实时性要求严格的任务；而在非实时域完成定位导航计算、路径规划、航迹生成和网络通讯等实时性要求相对不高的任务路径规划、航迹生成和网络通讯等实时性要求相对不高的任务这样的结构设计将开放和可扩展的程序部分这样的结构设计将开放和可扩展的程序部分-即可能增加的程即可能增加的程序复杂度留在了非实时域中进行，而内核实时域的程序部分则无序复杂度留在了非实时域中进行，而内核实时域的程序部分则无需经常性地进行大的调整需经常性地进行大的调整其优点是既保证了数控系统的可扩展性，又有效遏制了实时部分其优点是既保证了数控系统的可扩展性，又有效遏制了实时部分的任务复杂度，降低了开发的难度的任务复杂度，降低了开发的难度 5/1/202460第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-4-2 联机试验联机试验在宿主机上在宿主机上Redhat7.3环境下完成导航及状态估计程序开发后，将环境下完成导航及状态估计程序开发后，将RTLinux及应用程序成功地移植到及应用程序成功地移植到PC104板卡上，可以通过板卡上，可以通过DOM上电自举运行上电自举运行将将PC104板卡与各个传感器安装到板卡与各个传感器安装到60级微型直升机的电控箱内，级微型直升机的电控箱内，并在直升机发动机怠速的条件下作联机振动测试并在直升机发动机怠速的条件下作联机振动测试试验结果显示数控系统工作稳定，通过无线链路以试验结果显示数控系统工作稳定，通过无线链路以33Hz频率输出频率输出到地面基站的直升机状态数据平稳正常到地面基站的直升机状态数据平稳正常已经实现已经实现MUAV的完全自主飞行（无人操纵的姿态闭环控制）的完全自主飞行（无人操纵的姿态闭环控制）进一步的试验仍在进行之中进一步的试验仍在进行之中5/1/202461第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-4-3 8-4-3 以工业控制计算机为核心的锅炉控制系统以工业控制计算机为核心的锅炉控制系统以工业控制计算机为核心的锅炉控制系统以工业控制计算机为核心的锅炉控制系统 锅炉工艺流程图锅炉工艺流程图锅炉工艺流程图锅炉工艺流程图l l锅炉工艺流程锅炉工艺流程锅炉工艺流程锅炉工艺流程5/1/202462第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-4-3 锅炉自动控制的任务（锅炉自动控制的任务（1）l l控制汽包水位控制汽包水位控制汽包水位控制汽包水位 一般采用水位为主信号，给水量为副回路反馈信号，蒸汽量为前一般采用水位为主信号，给水量为副回路反馈信号，蒸汽量为前一般采用水位为主信号，给水量为副回路反馈信号，蒸汽量为前一般采用水位为主信号，给水量为副回路反馈信号，蒸汽量为前馈信号的三冲量控制系统馈信号的三冲量控制系统馈信号的三冲量控制系统馈信号的三冲量控制系统 汽包水位的三冲量控制汽包水位的三冲量控制汽包水位的三冲量控制汽包水位的三冲量控制5/1/202463第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-4-3 锅炉自动控制的任务（锅炉自动控制的任务（2）l l控制蒸汽温度控制蒸汽温度控制蒸汽温度控制蒸汽温度 一般采用串级控制。用过热器出口温度作为主信号，减温器出一般采用串级控制。用过热器出口温度作为主信号，减温器出一般采用串级控制。用过热器出口温度作为主信号，减温器出一般采用串级控制。用过热器出口温度作为主信号，减温器出口温度作为副信号，通过调节减温水流量达到控制蒸汽温度的口温度作为副信号，通过调节减温水流量达到控制蒸汽温度的口温度作为副信号，通过调节减温水流量达到控制蒸汽温度的口温度作为副信号，通过调节减温水流量达到控制蒸汽温度的目的目的目的目的蒸汽温度的串级控制蒸汽温度的串级控制蒸汽温度的串级控制蒸汽温度的串级控制5/1/202464第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-4-3 锅炉自动控制的任务（锅炉自动控制的任务（3）l l控制蒸汽压力控制蒸汽压力控制蒸汽压力控制蒸汽压力 采用前馈采用前馈采用前馈采用前馈反馈控制系统。引进蒸汽流量作为前馈信号，以反馈控制系统。引进蒸汽流量作为前馈信号，以反馈控制系统。引进蒸汽流量作为前馈信号，以反馈控制系统。引进蒸汽流量作为前馈信号，以提高系统的响应提高系统的响应提高系统的响应提高系统的响应蒸汽压力的前馈蒸汽压力的前馈蒸汽压力的前馈蒸汽压力的前馈-反馈控制系统反馈控制系统反馈控制系统反馈控制系统 5/1/202465第八章 控制系统的设计与实施 第八章第八章第八章第八章8-4-3 锅炉自动控制的任务（锅炉自动控制的任务（4）l l维持经济燃烧维持经济燃烧维持经济燃烧维持经济燃烧 关键是保持合适的风煤比关键是保持合适的风煤比关键是保持合适的风煤比关键是保持合适的风煤比 。送风控制回路实现风煤的比值控。送风控制回路实现风煤的比值控。送风控制回路实现风煤的比值控。送风控制回路实现风煤的比值控制，并且用烟气含氧量进行反馈校正制，并且用烟气含氧量进行反馈校正制，并且用烟气含氧量进行反馈校正制，并且用烟气含氧量进行反馈校正 送风控制回路送风控制回路送风控制回路送风控制回路5/