1、计算机控制技术课程设计指导书1计算机控制技术课程设计指导书内容：1.计算机炉温控制系统设计2.倒立摆控制系统设计3.网络控制系统设计计算机炉温控制系统设计一课设目的1.了解温度控制系统的特点、组成和接口电路2.掌握微机与温度控制器、电加热器的接口电路3.掌握C语言设计控制程序的方法4.应用各种控制算法，实现温箱的闭环控制二课设内容1.系统整体设计和组成2.最佳控制PID系统参数测定3.温控系统控制算法设计和比较4.绘图：绘出设计调试的结果5.数据处理和分析三温控系统简介1.系统的基本工作原理系统结构图如图1.1所示，图中。图1.1 系统结构图整个炉温控制系统由两大部分组成。一部分由计算机和A/
2、D&D/A卡组成。主要完成温度采集，PID运算，产生可控硅的触发脉冲。另外一部分由传感器信号放大，同步脉冲形成，以及触发脉冲放大等组成。炉温控制的基本原理是：改变可控硅的导通角即改变电热炉加热丝两端的有效电压，有效电压可在0140V内变化。可控硅的导通角为05bH。温度传感器是通过一只热敏电阻及其放大电路组成，温度越高其输出电压越小。外部LED灯的亮灭表示可控硅的导通与关断的占空比时间，如果炉温低于设定值则可控硅导通，系统加热，否则系统停止加热，炉温自然冷却到设定值。温度控制电路原理图如图1.2所示。图1.2 温度控制电路原理图2.PID递推算法如果PID调节器输入信号为，输出信号，则离散的递
3、推算法如下：,其中是误差累积和。四设计步骤1.硬件连接将A/D&D/A卡插入计算机扩展槽，把A/D&D/A卡和温控卡控制盒用20芯的扁平信号线连接，然后把温度传感器放入炉内，检查元件无误后接通温控箱220V电源。2.注意事项在实验过程中，串行信号不能带电拔插，每次实验要使实验箱断电复位，否则温控炉将无法正常工作。3.启动软件启动计算机，运行Computerctrl软件。修改PID参数控制炉温。五实验结论及相关处理在完成以上正确操作后，就可以在屏幕上显示温控曲线。温控曲线要求：上升时间短，无静差，超调小，稳定。试凑法确定PID参数：在试凑时，对参数实行先比例，后积分，再微分的整定步骤。参数的影响
4、趋势：增大比例系数一般将加快系统的相应速度，在有静差的情况下有利于减小静差，但过大的比例系数会使系统有较大的超调，产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间有利于减小静差，使系统更加稳定，但积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。增大微分时间可以减小超调量，克服振荡，使系统稳定性提高，同时有利于加快系统动态响应速度，减少调整时间，从而改善系统的动态性能，但是系统对抗扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。具体步骤如下：1.首先只整定比例部分，即将比例系数由小变大，并观察响应的系统响应，直到得到反应快，超调小的响应曲线。2.如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加入积分环
5、节。3.若使用比例积分调节器消除了静差，但是动态过程反复调整仍不能满足要求，则可加入微分环节，构成比例积分微分调节器。六设计软件部分1.温度软件流程图温度软件控制流程图如图1.3所示。图中ek为误差，ek1为上一次的误差，ek2为误差的累计和，uk是控制量，可控硅控制角05bH，0导通角最大，5bH导通角为零。图1.3 温度软件控制流程图2.温控控制程序本设计所用的软件有：Microsoft visual C+ 6.0，ComputerCtrl等应用软件。（1）在visual C+环境下编写控制程序根据条件要使温度逐渐上升，到达所设定的温度之后，在闭环的PID运算控制下在控制温度的上下波动后稳
6、定下来，程序如下：#include #include float GoBackData（int data）;void InitPID（float begin,float kp,float ki,float kd）;/-速度Pid参数-float Start,ek, ek1, ek2, uk;float KP,KI,KD;BOOL WINAPI DLLEntryPoint（HINSTANCE hDLL,DWORD dwReason,LPVOID Reserved）switch（dwReason）case DLL_PROCESS_ATTACH:break;case DLL_PROCESS_DETA
7、CH:break;return TRUE;/实验初始函数void InitPID（float begin,float kp,float ki,float kd）Start=ek1=ek2=KP=KI=KD=uk=0.0;Start=begin;KP=kp;KI=ki;KD=kd;/实验返回函数 该函数名称是固定的float GoBackData（int data）ek=Start-data;ek2=ek2+ek; if（ abs（ek） 3.） uk =KP*ek +KD*（ek-ek1）;elseuk = KP*ek+KI*ek2+KD*（ek-ek1）;ek1 = ek;return uk
8、;从以上程序在设置到C:Computerctrl目录下，完全重建后，就可以在Computerctrl的实验软件下动态显示温度控制曲线。（2）直接在温度设置对话框内设置所需参数、，点击确定后就可以显示相应的温度曲线。七炉温控制系统的优化在参数设置对话框设置的值，温控曲线如果还有超调，则需要对参数进行优化。倒立摆控制系统设计一课设目的通过对平面一级倒立摆系统的分析，建立数学模型，得出系统的状态方程。通过DOS环境和MATLAB仿真实现对倒立摆的稳定控制。二课设内容1.倒立摆控制系统建模2.控制算法设计3.系统调试和分析三平面一级倒立摆物理建模倒立摆系统最终的控制目的是使倒立摆这样一个不稳定的被控对
9、象,通过引入适当的控制策略使之成为一个能够满足各种性能指标的稳定系统。该系统由计算机、运动控制卡、伺服机构、倒立摆本体和光电码盘等几部分组成了一个闭环系统，如图2.1所示。光电码盘1将小车的位移、速度信号反馈给伺服驱动器和运动控制卡，摆杆的位置、速度信号由光电码盘2也反馈回运动控制卡。计算机从运动控制卡中读取实时数据，确定控制决策（小车向哪个方向移动、移动速度、加速度等），并实现该控制决策，产生相应的控制量，使电机带动小车运动保持摆杆平衡。图2.1 系统结构组成原理在控制系统的分析和设计中，首先要建立系统的数学模型。控制系统的数学模型是描述系统内部物理量（或变量）之间关系的数学表达式。在静态条
10、件下（即变量各阶导数为零），描述变量之间关系的代数方程叫静态数学模型；而描述变量各阶导数之间关系的微分方程叫动态数学模型。如果已知输入量及变量的初始条件，对微分方程求解，就可以得到系统输出的表达式，并由此对系统进行性能分析。因此，建立控制系统的数学模型是分析和设计控制系统的首要工作。系统建模可以分为两种：机理建模和实验建模。实验建模就是通过在研究对象上加上一系列的研究者事先确定的输入信号，激励研究对象并通过传感器检测其可观测的输出，应用数学手段建立起系统的输入输出关系。这里面包括输入信号的设计选取，输出信号的精确检测，数学算法的研究等等内容。机理建模就是在了解研究对象的运动规律基础上，通过物理
11、、化学的知识和数学手段建立起系统内部的输入状态关系。对于倒立摆系统，由于其本身是自不稳定的系统，实验建模存在一定的困难。但是忽略掉一些次要的因素后，倒立摆系统就是一个典型的运动的刚体系统，可以在惯性坐标系内应用经典力学理论建立系统的动力学方程。采用其中的牛顿欧拉方法和拉格朗日方法分别建立平面型一级倒立摆系统的数学模型。利用拉格朗日方法和牛顿力学方法得到的状态方程的是相同的，不同之处在于，一个输入量为小车的加速度，另一个而输入量为外界给小车施加的力，对于不同的输入，系统的状态方程不一样，对比较简单的一级倒立摆，利用牛顿力学的方法计算比较方便和快捷，但对于多级倒立摆，利用拉格朗日方法编程计算会比较
12、方便。四平面一级倒立摆几何建模采用如图2.2所示坐标：图2.2 几何模型根据几何知识：tg= tg+ tgl=l=l=l=l其中是倒立摆摆杆长度，、分别是摆杆在x-z,y-z平面的映射长度，为摆杆与z轴方向的夹角，,分别为摆杆在x-z,y-z平面的映射与轴方向的夹角。在摆杆垂直向上的方向上，如果偏角，1，则可以近似的认为忽略摆杆之间的偶合，只需考虑在x-z平面内的情况。五系统物理参数实际系统的模型参数如下：M 小车质量 1.096 Kgm 摆杆质量 0.109 Kgb 小车摩擦系数 0.1N/m/sec摆杆转动轴心到杆质心的长度 0.25mI 摆杆惯量 0.0034 kg*m*m六实际系统模型
13、把上述参数代入，可以得到系统的实际模型。摆杆角度和小车位移的传递函数：=摆杆角度和小车加速度之间的传递函数为：=以小车加速度作为输入的系统状态方程：需要说明的是，控制器设计和程序中，采用的都是以小车的加速度作为系统的输入。七平面一级倒立摆调试与运行首先通过产品配套软件GTCmdPCI_CH.exe（适用于PCI总线卡）进行调试，确定可以实现运控卡的控制功能；然后实现X或Y轴上的单轴运动，从而以确认系统接线是否正确，控制系统是否可以正常工作。1.系统初始化在做各种功能调试前，首先必须进行系统初始化。系统初始化包括：控制卡初始化，输入信号参数设置。（1）打开计算机电源和驱动器电源。 （2）运行GT
14、CmdPCI_CH程序。 （3）先对“基础参数设置”进行需要的设置。 （4）选择所要求的运控卡型号。 （5）设置“编码器方向”。注意：运动控制器要求电机运动的正方向和相应编码器计数的正方向一致，这样才能形成正确的负反馈。如果因接线错误或其他原因，使两者方向相反，会形成正反馈，引起电机飞车。用户可以通过设置编码器方向参数，形成正确的负反馈。（6）设置控制周期，运控卡缺省的控制周期是200s。建议不要设置小于200s的控制周期，否则可能导致运控卡不能正常工作。（7）打开“基于轴的控制”选项，清除当前轴不正确的状态。（8）观查GTCmdPCI_CH主界面的右部，看是否有异常状态。如“伺服报警”栏置位
15、（红色叉），请检查接线。如“正限位动作”和“负限位动作”同时置位，请重新设置“行程开关限位电平”。这样基本完成了系统的初始化。2.设置驱动使能（轴开启）（1）在系统初始化完成后，在轴选框选择当前轴，按照根据系统要求设定控制输出。注意应与当前轴的驱动器和电机的设置相统一。 SV卡： 可以选择输出模拟量，即0； 亦可选择输出脉冲量，即1。 （2）选择“伺服打开/伺服关闭”选项（打勾为打开，不选为关闭）。此时驱动器使能，轴应该静止状态（轴位置的变化可以通过“轴当前位置”栏观察）。 3.以梯形曲线运动模式实现单轴运动通过调试使小车在X、Y轴上正常运行，这里我们只以梯形曲线运动模式为例：（1）运行GTC
16、mdPCI_CH，完成系统初始化、设置控制输出和驱动使能、参数调节。 （2）清状态，确认轴无异常状态，并且“轴开启”已置位，轴处于静止状态。 （3）点击“位置清零”按钮，观察“轴当前位置”。 （4）在“运动控制模式”栏设置运动参数,参数的具体值，请用户根据需要自己设定。速度的单位为“脉冲/控制周期”；加速度单位“脉冲/控制周期平方”；位置单位为“脉冲”。（5）点击“参数更新”按钮，小车就能按照设置的参数在X、Y轴上运行。4.平面倒立摆调整方法对倒立摆角度标定的好坏直接影响摆杆是否能够稳定起摆。如果把杆提起来后电机没有控制的趋势，表明摆杆还没有进入稳摆的角度范围，摆杆的初始位置角度标定不正确，必
17、须重新标定角度。一级摆能否稳定摆住受很多因素影响，比如：初始角度标定，编码器连接线造成的阻力以及台面的水平等，主要调试初始角度的标定。第一步相对粗调，即调试到能够进入稳摆控制角度。第二步细调，方法是让摆杆进行稳摆控制，此时不要松手，慢慢试图松手，感觉此时摆杆会朝某个方向倒，小车也会朝该方向运动，摆杆的初始角度在该方向，重新标定初始角度，再运行，看是不是还是朝该方向偏，反复多次调整。其次在用手扶摆杆的时候也要注意，在快进入稳摆的区域尽可能的减慢速度，以免电机进入控制后突然以很大的加速度运行，造成控制失败。有时候电机为了自我保护，驱动器会报警，电机不受控。此时把电控箱的电源重起以下（消除报警），就
18、能再次正常运行程序。八系统的运行本设计通过DOS和Windows两种不同方式来实现。在DOS中通过Pend程序来实现，而在Windows中通过MATLAB来仿真。由于DOS支持中断定时，因此软件Pend对于小车的控制更加精确；而在Windows中操作更加简便，数据处理能力更强。网络控制系统设计一课设目的用组太软件设计一个网络控制系统。软件通过RS232和PLC通讯，监控PLC的运行状况。二课设内容1.网络控制系统整体设计和构建；2.人机界面设计；3.本地站的设计与应用；4.远程站的设计与应用。三组太介绍组态（Configuration）为模块化任意组合。通用组态软件主要特点有：（1）延续性和可
19、扩充性。用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级；（2）封装性（易学易用）。通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能；（3）通用性。每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/O Driver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限
20、制。四输入和输出点设置本系统使用的是三菱FX2 PLC。表3.1 PLC点数配置输入点：X说明输出点：Y说明X0备用Y0备用X1电动阀门开启Y1报警灯X21号电动碟阀开Y21号电动碟阀开X31号电动碟阀关Y31号电动碟阀关将上述PLC定义的变量添加到组态王的数据词典中，就可以应用上述变量了。数据词典定义参见图3.1所示。图3.1 数据词典定义五组态王I/O设备配置说明以三菱FX2 PLC为例，操作步骤如下：在工程浏览器的目录显示区，用鼠标左键单击大纲项设备下的成员COM1或COM2，选中“新建”图标后用左键双击，弹出“设备配置向导”对话框或者用右键单击，则弹出浮动式菜单，选择菜单命令“新建逻辑
21、设备”，也弹出“设备配置向导”对话框，如图3.2所示。图3.2设备配置向导从树形设备列表区中可选择PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等节点中的一个。选择要配置串口设备的生产厂家、设备名称、通讯方式，PLC、智能仪表、智能模块等设备通常与计算机的串口相连进行数据通讯。在此选择：三菱FX2编程口。1.单击“下一步”按钮，则显示“设备名称”对话框，给要配置的串口设备指定一个逻辑名称，如输入：三菱PLC。2.继续单击“下一步”按钮，则显示“选择串口号”对话框，为配置的串行设备指定与计算机相连的串口号，如选择：COM1。3.继续单击“下一步”按钮，则显示“设备地址设置”对话框，为串口设备指定设备地
22、址，该地址应该对应实际的设备定义的地址。4.继续单击“下一步”按钮，则显示“通信参数”对话框，如设置尝试恢复间隔：30秒，最长恢复时间：24小时。继续单击“下一步”按钮，则显示“信息总结”对话框，显示设备配置信息。对于不同的串口设备，其串口通讯的参数是不一样的，如波特率、数据位、校验位等。所以在定义完设备之后，还需要对计算机通讯时串口的参数进行设置。如上节中定义设备时，选择了COM1口，则在工程浏览器的目录显示区，选择“设备”，双击“COM1”图标，弹出“设置串口COM1”对话框。在“通讯参数”栏中，选择PLC对应的波特率、数据位、校验类型、停止位等，如表3.2所示。“通讯超时”为默认值，除非
23、特殊说明，一般不需修改。“通讯方式”是指计算机一侧串口的通讯方式，是RS232或RS485，一般计算机一侧都为RS232，按实际情况选择相应的类型即可。表3.2 通讯参数设置项缺省值波特率9600数据位长度7停止位长度1奇偶校验位偶校验六、组态王6.51.快速便捷的应用设计用组态软件构造“监控和数据采集系统”的好处之一就是能大大缩短开发时间，并能保证系统的质量。能快速便捷地进行图形维护和数据采集是此类系统的关键点。组态王正是提供了丰富的快速应用设计的工具。2.集成的开发环境最新设计的组态王工程浏览器为用户提供了便利的集成开发环境。控制工程师可以在工程浏览器中查看工程的各个部分，可以查看画面、数
24、据库、配置通讯驱动程序、设计报表，可以完成系统的大部分配置。工程浏览器采用树形结构，操作简单方便，容易接受。在工程浏览器中，用户也可以方便地切换到组态王开发环境和运行环境。3.内建可扩充的图形库组态王6.5图库系统全新制作，如图3.3所示，不仅在原来的基础上更大地丰富了图形元件，而且图形元件具有动态控制界面，设计者利用系统提供的图库，可以轻松构造自己需要的图形。为满足不同行业用户的需要，图库被设计成可扩充的。设计者可以创建图库精灵，把它们加入到图库中去，或者把不再需要的精灵从图库中删除。设计者还可以创建自己的图库。图3.3 图库管理器4.画面（1）支持大画面、导航图：用户可以制作任意大小的画面
25、，利用滚动条和导航图控制画面显示内容；绘制、移动、选择图素时，画面自动跟踪滚动。（2）方便的变量替换：可以单独替换某个画面中的变量，也可以在画面中任意选中的图素范围内进行变量替换。（3）丰富的提示文本：系统提供丰富的图素提示条文本，包括简单图素和组合图素。（4）任意选择画面中的图素：在画面中使用键盘和鼠标结合可以任意选择多个图素进行组合、排列等操作。5.嵌入图片组态王可以嵌入各种各样格式的图片，例如BMP、GIF、JPG、JPEG、PNG等。图形的颜色仅受显示系统的限制（不局限于256色）。图形大小可根据需要任意调整。6.变量定义（1）定义结构成员时可以定义基本属性，例如变量属性、报警属性和记
26、录属性等。（2）定义结构变量时自动继承结构成员的属性。（3）结构变量可整体赋值。（4）结构变量可作为自定义函数的参数。（5）在数据词典中可以任意选择多个变量集中修改变量共有属性。7.强大的控制语言利用组态王可以快速构造一个完善的“监控和数据采集系统”，但是每个工程系统又具有特殊性，需要一些细致的调整和扩充的功能。组态王命令语言是集成在组态王内部的简便但功能强大的编程语言。它的作用就在于扩充应用系统的功能，以及对应用系统进行最精确的控制。七应用界面设计1.创建组态画面进入组态王开发系统后，就可以为每个工程建立数目不限的画面，在每个画面上生成互相关联的静态或动态图形对象。这些画面都是由组态王提供的
27、类型丰富的图形对象组成的。系统为用户提供了矩形（圆角矩形）、直线、椭圆（圆）、扇形（圆弧）、点位图、多边形（多边线）、文本等基本图形对象，及按钮、趋势曲线窗口、报警窗口、报表等复杂的图形对象。提供了对图形对象在窗口内任意移动、缩放、改变形状、复制、删除、对齐等编辑操作，全面支持键盘、鼠标绘图，并可提供对图形对象的颜色、线型、填充属性进行改变的操作工具。进入新建的组态王工程，选择工程浏览器左侧大纲项“文件画面”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出对话框并设置，如图3.4所示。图3.4 设置画面属性2.动画连接所谓“动画连接”就是建立画面的图案与数据库变量的对应关系。这样，工业现场的数据，比如温度、液面高度等，当它们发生变化时，通过I/O接口，将引起实时数据库中变量的变化。给图形对象定义动画连接是在“动画连接”对话框中进行的。在组态王开发系统中双击图形对象（不能有多个图形对象同时被选中），如双击“监控主画面”中的椭圆形的“流量计流量显示”按钮，会弹出动画连接对话框。在“动画连接”对话框中，单击任一种连接方式，将会弹出设置对话框。单击命令语言连接按钮中的“弹起时”，将弹出对话框用于输入命令语言连接。输入“ShowPicture（PictureName）;”命令语言，可实现各界面间的切换。
