计算机控制系统 课件 第11章 计算机控制案例分析

《计算机控制系统》第11章计算机控制案例分析2023年7月计算机控制系统设计的内容主要包括熟悉被控对象、掌握其工艺要求、建立被控对象模型、设计控制器、选择或研制适当的硬件平台、确定软件平台及编程语言并进行软件设计、整定控制参数和进行系统调试等。第11章计算机控制案例分析211.1控制系统设计原则11.2案例１—机器人中的关节控制器设计11.3案例2—无人车的轨迹跟踪控制器设计11.1计算机控制系统设计与实现11.1.1控制系统设计原则1.可靠性原则对计算机控制系统的最基本要求是可靠性高。一旦计算机控制系统中的主要部件出现故障，轻者影响生产，造成产品质量不合格，重者则会造成人员和设备的事故；另一方面，由于工业大生产中的控制对象往往是连续工艺流程的一部分，一个局部的计算机控制系统故障往往会引起前、后工序的连锁反应，最后导致整个生产线的瘫痪。因而，在计算机控制系统的整个设计过程中，务必将可靠性放在首位。11.1计算机控制系统设计与实现11.1.1控制系统设计原则2.操作与维护方便原则操作方便主要是指人机交互界面友好，使用简便，比如输出显示直观形象，输入形式简单明了，重要参数设置有密码保护。维修方便要从软件与硬件两个方面考虑，目的是易于查找故障、排除故障。硬件上宜采用标准的功能模块式结构，便于及时查找并更换故障模板。模板上还应安装工作状态指示灯和监测点，便于检修人员检查与维修；软件上应配备检测与诊断程序，用于查找故障源。11.1计算机控制系统设计与实现11.1.1控制系统设计原则3.实时性原则实时性是工业控制系统最主要的特点之一，要求对内部和外部事件都能及时地响应，并在规定的时限内作出相应的处理。系统应设置中断，根据事件处理的轻重缓急，预先分配中断级别，一旦事件发生，根据中断优先级别进行处理，保证最先处理紧急事件。11.1计算机控制系统设计与实现11.1.1控制系统设计原则4.通用性原则在设计开发计算机控制系统时就应尽量考虑能适应共性，用积木式的标准化和模块化的结构，在此基础上，再根据不同设备和不同控制对象的不同控制要求，灵活地构成系统。在硬件方面宜采用标准总线结构（如ISA总线、STD总线或PCI总线），配置各种通用的接口板，并留有一定的冗余，以便在必要时只需增加相应功能的通道或模板就能实现；在软件方面宜采用易操作、通用性好的组态软件，它能满足各种不同层次控制系统的需要，能适应不同生产过程的控制要求。组态软件具有良好的人机界面、开放的开发环境、图形化的组态环境，使得采用组态软件编写程序具有可移植性、可继承性和可互操作性强等特点。11.1计算机控制系统设计与实现11.1.1控制系统设计原则5.经济性原则经济性包括两个方面，一是设计的计算机控制系统性能价格比尽可能的高，二是投入产出比尽可能的低。11.1计算机控制系统设计与实现11.1.2控制系统设计流程计算机控制系统的设计与实现，一般应包括系统方案设计、硬件设计与实现、软件设计与实现以及系统调试与投运四个大的阶段。1.计算机控制系统的方案设计（1）建立数学模型，设计控制算法；（2）硬件系统方案设计；（3）软件系统方案设计。11.1计算机控制系统设计与实现11.1.2控制系统设计流程2.硬件系统的设计与实现（1）系统总线与主机机型；（2）I/O接口；

①数字量（开关量）输入输出（DI/DO）模板；

②模拟量输入输出（AI/AO）模板。（3）选择传感器和执行机构。

①传感器；

②执行机构。11.1计算机控制系统设计与实现11.1.2控制系统设计流程3.软件系统的设计与实现（1）硬件资源的合理分配和利用；（2）数据采集及处理；（3）实时任务与中断处理；（4）控制算法与控制量输出。

11.1计算机控制系统设计与实现11.1.2控制系统设计流程4.控制系统的调试与投运系统的调试与运行通常分为：离线仿真与调试阶段和在线调试与运行阶段。离线仿真与调试阶段一般在实验室进行，在线调试与运行阶段在工业现场进行。其中离线仿真与调试是基础，主要检查硬件和软件的整体性能，为现场运行做准备，在线调试与运行是对全系统的实际考验与检查。（1）离线仿真和调试；

①硬件离线调试；

②软离线调试；

③系统模拟联调。

11.1计算机控制系统设计与实现11.1.2控制系统设计流程（2）在线调试和运行。在离线调试过程中，尽管工作很仔细，检查很严格，但仍然没有经受实践的考验。因此，必须在现场实际运行条件下进行在线调试，才能得到满足要求的计算机控制系统，在现场进行在线调试和运行过程中，设计人员要与用户密切配合，在实际运行前制定一系列调试计划、实施方案、安全措施、分工合作细则等。现场调试与运行过程一般也应是从小到大、从易到难、从手动到自动、从简单回路到复杂回路地逐步进行。

11.2案例１—机器人中的关节控制器设计11.2.1系统描述机械臂通常由多个关节和连杆组成，通过多个关节之间的协调动作可以实现机械臂在各个方向上的运动，一般一个运动方向上的关节代表了一个自由度，如图所示，为一个3自由度机械臂的模型。

11.2案例１—机器人中的关节控制器设计

11.2案例１—机器人中的关节控制器设计11.2.2系统建模与分析2.逆运动学模型通过求解正运动学模型可以得到：11.2案例１—机器人中的关节控制器设计

11.2案例１—机器人中的关节控制器设计

11.2案例１—机器人中的关节控制器设计11.2.3机械臂关节控制器设计从动力学模型可以看出：3-DOF机械臂具有非线性和强耦合性。要想实现解耦比较困难，不考虑解耦问题，针对每个关节通道分别设计PID控制器进行控制。PID控制律为：最后用MATLAB进行数值仿真。得到关节运动效果曲线如下图所示。11.3案例2—无人车的轨迹跟踪控制器设计轨迹跟踪是指车辆根据自身与期望轨迹之间的相对位姿，结合当前车辆状态和道路环境信息，按照一定的逻辑做出决策后，将控制命令发送给转向、驱动／制动等执行系统跟踪期望轨迹。轨迹跟踪控制技术是智能电动汽车的关键技术之一，其研究与开发对促进智能驾驶汽车的发展起着举足轻重的作用。11.3案例2—无人车的轨迹跟踪控制器设计11.3.1系统描述如下图所示，无人车辆由车体、一对相对车体转轴方向不变的后轮和一对相对车体转轴方向可变的前轮构成。无人车辆运动时，车辆的质心位置现对于世界坐标系会发生变化。在驱动轮的作用下，车辆可以前进或后退。当前轮轴发生偏转，也就是存在前轮偏角时，车辆的运动方向与车体前向存在一个角度，因此车辆将发生侧向移动和转动。11.3案例2—无人车的轨迹跟踪控制器设计11.3.2系统建模与分析1.车辆运动学建模车辆沿设定轨迹运动过程中，从t时刻运动到t+Δt时刻的速度大小和方向都会发生改变。下图为车辆沿设定的轨迹运动示意图。车辆沿轨迹运动示意图

横向偏差与航向偏差示意图11.3案例2—无人车的轨迹跟踪控制器设计

11.3案例2—无人车的轨迹跟踪控制器设计11.3.2系统建模与分析车辆实际运动中，据车辆位置和期望轨迹的相对运动几何关系可得：式中：ρ—期望跟踪轨迹的道路曲率，当不计实际路径的影响时，无人驾驶汽车航向变化率为横摆角速度，即：11.3案例2—无人车的轨迹跟踪控制器设计

11.3案例2—无人车的轨迹跟踪控制器设计

11.3案例2—无人车的轨迹跟踪控制器设计

11.3案例2—无人车的轨迹跟踪控制器设计11.3.2系统建模与分析下表列出了车辆动力学模型的参数值，其中，大部分参数为车辆的基本设计参数，但是有些参数则需要根据使用情况确定，如车辆行驶车速和装载质量等。11.3案例2—无人车的轨迹跟踪控制器设计11.3.2系统建模与分析将车辆动力学模型参数代入模型可得到系统矩阵系数为：从连续状态空间方程求取离散系统状态空间方程可得到：其离散化的状态方程表达式为：11.3案例2—无人车的轨迹跟踪控制器设计11.3.2系统建模与分析检查离散系统的能控性：求取离散系统能控性矩阵的秩：能控性矩阵满秩，所以系统能控。11.3案例2—无人车的轨迹跟踪控制器设计

11.3案例2—无人车的轨迹跟踪控制器设计

11.3案例2—无人车的轨迹跟踪控制器设计11.3.3轨迹跟踪控制器的设计将车辆模型输入也附加到输出向量，构成增广设备输出向