第10章计算机控制系统应用实例

目 录

第10章计算机控制系统应用实例 ................... 359

10.1 引言 .................................................359

10.2 电阻炉温度控制系统 ...................................359

10.2.1 系统总体描述 ........................................... 359 10.2.2 硬件系统设计 ........................................... 360 10.2.3 控制系统设计 ........................................... 368 10.2.4 系统软件设计 ........................................... 371 10.2.5 系统的实际控制效果 ..................................... 373

10.3 随动控制系统 .........................................375

10.3.1 随动系统概述 ........................................... 375 10.3.2 随动系统硬件设计 ....................................... 377 10.3.3 控制方案 ............................................... 380 10.3.4 系统软件设计 ........................................... 381 10.3.5 系统的实际控制效果 ..................................... 387

本章小结 ..................................................393 习题与思考题 ..............................................394

第10章计算机控制系统应用实例

10.1 引言

前面章节详细讲述了计算机控制系统的信号分析、性能分析、被控对象建模、控制器的设计以及计算机控制系统的设计原则等，但是如何将上述理论、技术和方法应用到实际的计算机控制系统构建中，还有很多具体的工程问题有待解决。本章将通过计算机控制系统的实例构建来具体展示前述计算机控制系统理论、技术和方法的具体运用，以及实际问题的工程化解决方法。

实际上，尽管计算机控制系统的被控对象多种多样，系统设计方案和具体技术也千变万化，但在设计计算机控制系统中应遵循的共同原则是一致的，即可靠性要高，操作性要好，实时性要强，通用性要好，性价比要高。

要保证上述原则的实现，除具有坚实的计算机控制系统设计的理论基础外，还要具有丰富的工程经验，包括熟悉工控领域的各种检测元件、执行器件、计算机及其相关采集与控制板卡的特性及使用范围，了解各种典型被控对象的特性等，这需要在长期的工程实践中不断积累和摸索。

本章概要 10.1节介绍本章的研究内容和目的；10.2节通过一个电阻炉温度控制实验系统，介绍一种典型的慢过程计算机控制系统各个环节的构建方法；10.3节通过一个工程实际应用的随动控制系统，描述一种快过程计算机控制系统各个环节的构建方法。

10.2 电阻炉温度控制系统

10.2.1 系统总体描述

电阻炉温度控制系统包括单回路温度控制系统和双回路温度控制系统，是为自动化专业、仪表专业本科生的实验教学而研制的实验系统，现已应用在《计算机控制系统》、《过程控制系统及仪表检测》、《现代控制理论》等课程的实验中。该设备同时能够为研究生开放性实验做解耦控制、串级控制等高层次的理论实验研究。本节介绍单回路温度控制系统。

单回路电阻炉温度控制系统的实物如图10.1所示，主要由计算机，采集板卡，控制箱，加热炉体组成。由计算机和采集板卡完成温度采集，控制算法计算，输出控制，

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监控画面等主要功能。控制箱装有温度显示与变送仪表、控制执行机构、控制量显示、手控电路等。加温炉体由民用烤箱改装，较为美观，适合实验室应用。

单回路电阻炉温度控制系统主要性能指标如下： （1）计算机采集控制板卡PCI-1711： A/D 12位 输入电压 0 - 5v D/A 12位 输出电压 0 - 5v （2）控制及加热箱： 控制电压 0 ~ 220V 控制温度 20~250 ℃

测温元件 PT-100热电阻（输出：直流0~5V，或4~20mA） 执行元件 固态继电器（输入：直流0~5V，输出：交流0~220V） 单回路温度控制系统是一个典型的计算机控制系统，其硬件结构如第1章图1.3所示，但是没有数字量输入/输出通道，具体如下：

图10.1 电阻炉温度控制系统

图10.2 电阻炉温度控制系统硬件结构图

10.2.2 硬件系统设计

系统的硬件设计包括传感器、执行器、A/D和D/A的设计，而PCI总线接口属于计算机的系统总线，下面分别加以详细介绍。

1、传感器设计

温度传感器有热电阻和热电偶，热电阻最大的特点是工作在中低温区，性能稳定，测量精度高。系统中电炉的温度被控制在0～250℃之间，为了留有余地，我们要将温

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度的范围选在0～400℃，它为中低温区，所以本系统选用的是热电阻PT100作为温度检测元件，实物如图10.3所示。热电阻中集成了温度变送器，将热电阻信号转换为0~5V的标准电压信号或4~20mA的标准电流信号输出，供计算机系统进行数据采集。

热电阻传感器是利用电阻随温度变化的特性制成的

温度传感器。热电阻传感器按其制造材料来分，可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类；按其结构来分，有普通型热电阻、铠装热电阻和薄膜热电阻；按其用途来分，有工业用热电阻、精密的和标准的热电阻。热电阻传感器主要用于对温度和温度有关的参量进行测量。

下面分析一下热电阻的测温原理。金属体热电阻传感器通常使用电桥测量电路，如图10.4所示。

图10.3 PT100热电阻

图10.4 电桥测量原理图

测量电路原理分析如下：

对于铂电阻，在0~850℃范围内有非线性关系Rt?R0(1?At?Bt2)，其中R0为0℃

?3时的铂电阻值，Rt为t℃时铂电阻值。纯度R100/R0=1.1391时，A?3.96847?10，

B??5.847?10。写成增量形式为

?Rt?Rt?R0?R0(At?Bt)

2?5 (10.1)

或者

t??A?A?4B?Rt/R02B2 (10.2)

图中Rt所在的桥臂为工作桥臂，其中Rt为PT100，R和C为低通滤波。电桥输出的电压为：

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U0?E(RtR2?Rt?R3R3?R4) (10.3)

由于R0=R3，R2=R4=R。代入式（10.3）则可以得到

U0?ER?Rt(?Rt?R?R0)(R0?R)U0(R0?R)2 (10.4)

或者

?Rt?ER?U0(R0?R) (10.5)

对热电阻信号进行变送处理，变成适用于计算机采样的标准信号0~5V或4~20mA。一种典型的采集变送电路如图10.5所示。图中U4为美国模拟电子公司（AD）生产的集成仪器放大器AD620，其原理图和引脚图如图10.6所示。其增益KAD和外接电阻RG的关系如下：

KAD?1?49.4K?/RG (10.6)

图10.5热电阻采集变送原理图

图10.6 AD620原理图和引脚图

AD620具有体积小、功耗低、精度高、噪声低和输入偏置电流低的特点。最大输入偏置电流为20nA，这一参数反映了它的高输入阻抗。AD620在外接电阻RG时可实现1~1000范围内的任意增益，其工作电源范围为±2.3~±18V，最大电源电流为1.3mA，最大输入失调电压为125μV，频带宽度为120KHz。

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设高精度仪用放大器构成的放大电路放大倍数为K1，则放大器的输出为

U2?K1U0 (10.7) AD转换输出量为

N?N0U2VREF (10.8)

对于12位的AD采集器，有N0=4096，VREF为参考电压。将式（10.7）和（10.8）代入式（10.5）和式（10.2），可以得到：

?Rt?N(R0?R)2K1K2ER?N(R0?R) (10.9)

t??A2B[1?1?C1NC2?N] (10.10)

式中

K2?N0UREF，C1?4B(R0?R)AR02，C2?K1K2ERR?R0

对于特定的铂热电阻，其纯度为R100/R0=1.1391时可准确测量，对应的A，B系数可以查有关的手册获得；K2为AD转换系数，与N0和VREF有关，可以准确标定；R为电桥电阻，可以选用精密电阻，保证其精度。E为电桥供电电源，K1为电压放大器的倍数，这些参数是已知的。只要测量N的值就可以精确计算被测温度值。

2、执行器设计

执行器选用交流固态继电器，它是一种无触点通断电子开关，为四端有源器件。其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端，中间采用光电隔离，作为输入输出之间电气隔离（浮空）。在输入端加上直流或脉冲信号，输出端就能从关断状态转变成导通状态（无信号时呈阻断状态），从而控制较大负载。整个器件无可动部件及触点，可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功能。固态继电器实物如图10.7所示。

固态继电器（Solid State Relays），简写成“SSR”，是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件，它利用电子元件（如开关三极管、双向可控硅等半导体器件）的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，因此又被称为

“无触点开关”，它问世于70年代，由于它的无触点工作特性，使其在许多领域的电控及计算机控制方面得到日益广泛的应用。SSR按使用场合可以分为交流型和直流型两

图10.7 固态继电器

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大类，它们分别在交流或直流电源上做负载的开关。下面以本系统选用的交流型SSR为例来说明固态继电器的工作原理。

交流型SSR工作原理框图如图10.8所示，而图10.9则是一种典型的交流型SSR的原理图。

图10.8 固态继电器工作原理框图

图10.9 交流固态继电器原理图

图10.8中的部件①~④构成交流SSR的主体，从整体上看，SSR只有两个输入端（A和B）及两个输出端（C和D），是一种四端器件。工作时只要在A、B上加上一定的控制信号，就可以控制C、D两端之间的“通”和“断”，实现“开关”的功能，其中耦合电路的功能是为A、B端输入的控制信号提供一个输入/输出端之间的通道，但又在电气上断开SSR中输入端和输出端之间的（电）联系，以防止输出端对输入端的影响，耦合电路用的元件是“光耦合器”，它动作灵敏、响应速度高、输入/输出端间的绝缘（耐压）等级高；由于输入端的负载是发光二极管，这使SSR的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配，在使用可直接与计算机输出接口相接，即受“1”与“0”的逻辑电平控制。触发电路的功能是产生合乎要求的触发信号，驱动开关电路④工作，但由于开关电路在不加特殊控制电路时，将产生射频干扰并以高次谐波或尖峰等污染电网，为此特设“过零控制电路”。所谓“过零”是指，当加入控制信号，交流电压过零时，SSR即

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为通态；而当断开控制信号后，SSR要等待交流电的正半周与负半周的交界点（零电位）时，SSR才为断态。这种设计能防止高次谐波的干扰和对电网的污染。吸收电路是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌(电压)对开关器件双向可控硅管的冲击和干扰（甚至误动作）而设计的。一般是用“R-C”串联吸收电路或非线性电阻（压敏电阻器）。

3、A/D、D/A 模块设计

A/D和D/A选用PCI-1711数据采集集成板卡。该板卡是一款功能强大的低成本多功能PCI总线数据采集卡，具有16路单端模拟量输入；12位A/D转换器，采样速率可达100KHz；每个输入通道的增益可编程；自动通道/增益扫描；卡上1K采样FIFO缓冲器；2路12位模拟量输出；16路数字量输入及16路数字量输出；可编程触发器/定时器。PCI-1711实物如图10.10所示。该板卡特点如下：

（1）即插即用功能

PCI-1711完全符合PCI规格Rev2.1标准，支持即

插即用。在安装插卡时，用户不需要设置任何跳线和DIP拨码开关。实际上，所有与总线相关的配置，比如基地址、中断，均由即插即用功能完成。

（2）灵活的输入类型和范围设定

PCI-1711有一个自动通道/增益扫描电路。在采样时，这个电路可以自己完成对多路选通开关的控制，用户可以根据每个通道不同的输入电压类型来进行相应的输入范围设定，所选择的增益值将储存在SRAM中。这种设计保证了为达到高性能数据采集所需的多通道和高速采样。

（3）卡上FIFO（先入先出）存储器

PCI-1711卡上提供了FIFO（先入先出）存储器，可储存1K A/D 采样值，用户可以起用或禁用FIFO缓冲器中断请求功能。当启用FIFO中断请求功能时，用户可以进一步指定中断请求发生在1个采样产生时还是在FIFO半满时。该特性提供了连续高速的数据传输及Windows下更可靠的性能。

（4）卡上可编程计数器

PCI-1711有1个可编程计数器，可用于A/D转换时的定时触发。计数器芯片为82C54兼容的芯片，它包含了三个16位的10MHz时钟的计数器。其中有一个计数器作为事件计数器，用来对输入通道的事件进行计数；另外两个计数器级联成1个32位定时器，用于A/D转换时的定时触发。

4、PCI系统总线

PCI （Peripheral Component Interconnect）总线是一种高性能局部总线，是为了满

图10.10 PCI-1711板卡

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足外设间以及外设与主机间高速数据传输而提出来的。在数字图形、图像和语音处理，以及高速实时数据采集与处理等对数据传输率要求较高的应用中，采用PCI总线来进行数据传输，可以解决原有的标准总线数据传输率低带来的瓶颈问题。从1992年创立规范到如今，PCI总线已成为了计算机的一种标准总线。总线构成的标准系统结构如图10.11所示，其特点表现在：

（1）数据总线32位，可扩充到64位。 （2）可进行突发（burst)式传输。

（3）总线操作与处理器--存储器子系统操作并行。

（4）总线时钟频率33MHz或66MHz，最高传输率可达528MB/S。 （5）中央集中式总线仲裁。

（6）全自动配置资源分配：PCI卡内有设备信息寄存器组为系统提供卡的信息，可实现即插即用（PNP）。

（7）PCI总线规范独立于微处理器，通用性好。 （8）PCI设备可以完全作为主控设备控制总线。

（9）PCI总线引线：高密度接插件，分基本插座（32位）及扩充插座（64位）。

图10.11 典型PCI总线构成

不同于ISA总线，PCI总线的地址总线与数据总线是分时复用的。这样做的好处是，一方面可以节省接插件的管脚数，另一方面便于实现突发数据传输。在做数据传输时，由一个PCI设备做发起者（主控，Initiator或Master），而另一个PCI设备做目标（从设备，Target或Slave）。总线上的所有时序的产生与控制，都由Master来发起。PCI总线在同一时刻只能供一对设备完成传输，这就要求有一个仲裁机构（Arbiter），来决定谁有权力拿到总线的主控权。

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当PCI总线进行操作时，发起者（Master）先置REQ#，当得到仲裁器（Arbiter）的许可时（GNT#），会将FRAME#置低，并在AD总线上放置Slave地址，同时C/BE#放置命令信号，说明接下来的传输类型。所有PCI总线上设备都需对此地址译码，被选中的设备要置DEVSEL#以声明自己被选中。然后当IRDY#与TRDY#都置低时，可以传输数据。当Master数据传输结束前，将FRAME#置高以标明只剩最后一组数据要传输，并在传完数据后放开IRDY#以释放总线控制权。

这里我们可以看出，PCI总线的传输是很高效的，发出一组地址后，理想状态下可以连续发数据，峰值速率为132MB/s。实际上，目前流行的33M@32bit北桥芯片一般可以做到100MB/s的连续传输

PCI总线可以实现即插即用的功能。所谓即插即用，是指当板卡插入系统时，系统会自动对板卡所需资源进行分配，如基地址、中断号等，并自动寻找相应的驱动程序。而不象旧的ISA板卡，需要进行复杂的手动配置。

在PCI板卡中，有一组寄存器，叫\配置空间\（Configuration Space），用来存放基地址与内存地址，以及中断等信息。以内存地址为例。当上电时，板卡从ROM里读取固定的值放到寄存器中，对应内存的地方放置的是需要分配的内存字节数等信息。操作系统要根据这个信息分配内存，并在分配成功后在相应的寄存器中填入内存的起始地址，这样就不必手工设置开关来分配内存或基地址了。对于中断的分配也与此类似。

PCI总线可以实现中断共享。ISA卡的一个重要局限在于中断是独占的，而我们知道计算机的中断号只有16个，系统又用掉了一些，这样当有多块ISA卡要用中断时就会有问题了。

PCI总线的中断共享由硬件与软件两部分组成。硬件上，采用电平触发的办法：中断信号在系统一侧用电阻接高，而要产生中断的板卡上利用三极管的集电极将信号拉低。这样不管有几块板产生中断，中断信号都是低；而只有当所有板卡的中断都得到处理后，中断信号才会回复高电平。

软件上，采用中断链的方法：假设系统启动时，发现板卡A用了中断7，就会将中断7对应的内存区指向A卡对应的中断服务程序入口ISR_A；然后系统发现板卡B也用中断7，这时就会将中断7对应的内存区指向ISR_B，同时将ISR_B的结束指向ISR_A。以此类推，就会形成一个中断链。而当有中断发生时，系统跳转到中断7对应的内存，也就是ISR_B。ISR_B就要检查是不是B卡的中断，如果是，要处理，并将板卡上的拉低电路放开；如果不是，则呼叫ISR_A。这样就完成了中断的共享。

通过以上讨论，我们不难看出，PCI总线有着极大的优势，而近年来的应用情况也证实了这一点。

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10.2.3 控制系统设计

如前所述，单回路电阻炉温度控制系统是一个典型的计算机控制系统，其控制系统结构可以简化为下图10.12所示。

图10.12 电阻炉温度控制系统结构

图中W(s)为电阻炉传递函数模型，Wh0(s)为零阶保持器模型，D(z)为数字控制器传递函数模型。

图10.13所示的电阻炉是一个典型的纯滞后一阶惯性环节，其传递函数模型为：

K??s W(s)?e (10.11)

T1s?1模型参数为放大系数K，滞后时间?，时间常数T1（变送器、固态继电器及电阻炉的比例系数乘积）。这3个模型参数可以通过参数估计的方法得到。

利用阶跃响应曲线辩识纯滞后一阶惯性环节参数的方法如下：将被控对象电阻炉进行开环控制，开环控制系统结构如图10.14所示，在电阻炉对象输入阶跃信号r0(t)，得到对象的阶跃响应曲线如图10.15所示，由阶跃响应曲线求解出K、T1、?三个参数的值，进而得到被控对象电阻炉的传递函数模型W(s)。

图10.13 电阻炉

图10.14 开环控制系统结构

图10.15 对象开环阶跃响应曲线

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参数求解方法如下： （1）过程的静态放大系数

K?y(?)?y(0)r0 (10.12)

其中y(?)为稳态温度，y(0)为初始温度，r0为给定阶跃信号。

（2）过程的时间常数T1和滞后时间?的求法

过图10.15(a) 响应曲线的拐点P作切线，交于时间轴于B点，交其稳态值的渐近线y(?)于A点，A点在时间轴上的投影为C点，则0B为过程容量滞后时间?，BC为过程的时间常数T1。

图10.15(b)是当阶跃响应曲线上的拐点不易确定时，直接取阶跃响应曲线稳态值

y(?)的28%和63%所对应的时间t1和t2，再按下式计算滞后时间?和时间常数T1：

t1???T1/3 (10.13)

t2???T1 (10.14)

求解这两个方程，可得到?、T1的值。

通过实验，得到炉温控制系统阶跃相应曲线如图10.16所示。从图上可以得到： ??40，T1?360?40?320，r0?185，y(?)?180，y(0)?42

从而得到

K?y(?)?y(0)r0?180?42185?138185?0.746

于是电阻炉的传递函数模型如下：

W(s)?0.746e?40s320s?1 (10.15)

图10.16 炉温控制系统阶跃响应曲线

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控制器D(z)采用位置式PID控制算法，如第4章（4.52）式，重写如下：

u(k)?u(k?1)??u(k) ?u(k?1)?Kp?e(k)?e(k?1)??Kie(k) (10.16) ?Kd?e(k)?2e(k?1)?e(k?2)?在整个控制过程中，控制量u(k)的值由控制量u(k?1)，误差量e(k)、e(k?1)、

e(k?2)，以及控制器参数Kp、Ki、Kd来决定。PID实时控制算法流程如图10.17

所示。

图10.17 PID算法流程

算法中的“标度变换系数”指实际物理量与检测量（或控制量）之间的转换倍数。如本系统中的温度范围为0～400℃，而热电阻PT100在经过变送器变换后得到0~5V的输出电压，所以实际温度与控制电压有80倍的转换关系，即标度变换系数。

一般来说，若被测参数与A/D转换结果之间呈线性关系，即

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y?y0ym?y0?x?x0xm?x0 (10.17)

式中，y为实际工程测量值的转换结果；ym为被测量参数量的最大值；y0为被测参数量的最小值；x为实际采样测量的数字量；xm为采样测量的量程上限对应的数字量；则在x0、xm、x和y0、ym均已知的情况下，x0为采样测量的量程下限对应的数字量。可计算出工程测量值y为：

y??(x?x0)?y0 (10.18)

式中??ym?y0xm?x0为标度变换系数。

10.2.4 系统软件设计

1、软件开发环境

进行炉温控制软件开发可以使用的工具有很多，比较常见的有Visual Basic语言，C语言，C++语言等，它们都具有较强大的功能。但是使用计算机语言开发一个系统，需要编写大量的源程序，这无疑加大了系统开发的难度。本系统的开发采用了一种工控组态软件—组态王，组态软件的使用，使炉温控制系统开发过程变得简单，而组态软件功能强大，可以开发出更出色的应用软件。

组态软件具有实时多任务处理、使用灵活、功能多样、接口开放及易学易用等特点。在开发系统的过程中，组态软件能完成系统要求的如下任务：

（1）计算机与采集、控制设备间进行数据交换； （2）计算机画面上元素同设备数据相关联； （3）处理数据报警和系统报警；

（4）存储历史数据并支持历史数据的查询； （5）各类报表的生成和打印输出； （6）最终生成的应用系统运行稳定可靠； （7）具有与第三方程序的接口，方便数据共享。

系统选用“组态王6.02”版本进行应用软件的开发。该版本软件包包括工程管理器（Project Manager），工程浏览器（Touch Explorer），工程运行系统（Touch View）和信息窗口（Information Windows）4部分组成，各自的功能如下：

（1）工程管理器。用于组态王进行工程管理，包括新建、备份、变量的导入/导出、定义工程的属性等。

（2）工程浏览器。它是组态王软件的核心部分和管理开发系统，将画面制作系统中已设计的图形画面、命令语言、设备驱动程序管理、配方管理、数据库访问配置等

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工程资源进行统一管理，并在一个窗口中以树形结构排列。这种功能与Windows操作系统中的资源管理器的功能相似。

工程浏览器中内嵌画面制作系统，即应用程序的集成开发环境，在这个环境中完成画面设计、动画连接等工作。画面制作系统具有先进、完善的图形生成功能，数据库提供多种数据类型，能合理地提取控制对象的特性，对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能都有简洁的操作方法。

（3）工程运行系统。画面的运行由工程运行系统来完成，在应用工程的开发环境中建立的图形画面只有在TouchView中才能运行。它从控制设备中采集数据，存储于实时数据库中，并负责把数据的变化以动画的方式形象地表示出来；同时完成变量报警、操作记录、趋势曲线绘制等监控功能，并按实际需求记录在历史数据库中。

（4）信息窗口。它是一个独立的Windows应用程序，用来记录、显示组态王开发和运行系统在运行时的状态信息，包括组态王系统的启动、关闭、运行模式；历史数据的启动、关闭；I/O设备的启动、关闭；网络连接的状态；与设备连接的状态；命令语言中函数未执行成功的出错信息等。

2、应用软件的开发

应用组态王软件开发炉温控制系统，应遵循一定的开发步骤有序进行。其开发步骤总结如下：

（1）搞清所使用的I/O设备的生产厂商、种类、型号以及使用的通信接口类型、采用的通信协议，进行I/O口设置。

（2）将所有I/O点的参数收集齐全，以备在组态王上组态时使用。 （3）按照统计好的变量，制作数据字典。

（4）按数据存储的要求构建数据库，建立记录体和模板，为数据连接做准备。 （5）根据工艺过程和组态要求绘制、设计画面结构和画面草图。 （6）根据上步的画面结构和画面草图，组态每一幅静态的操作画面。

（7）将操作画面中的图形对象与实时数据库变量建立动画连接关系，规定动画属性和幅度。

（8）绘制数据流程，编写命令语言，完成数据与画面的连接，对组态内容进行分段和总体调试。

（9）设计控制算法。工业中用的比较多的控制算法有PID算法、Smith预估算法、Dahlin算法等，各种算法都有自己的优势，适用于不同的被控对象。本系统中选用PID算法进行控制。

（10）系统投入运行。

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10.2.5 系统的实际控制效果

1、控制器参数的整定

数字PID控制器的参数整定就是确定Kp、Ki、Kd和T四个参数，可以选用的方法很多，如第4章4.4.3节所述，这里选用“扩充响应曲线法”进行参数整定。

炉温控制系统的阶跃响应曲线如上述图10.16所示。从图中可以得到：??40，

Tm?T1?320，其中?和Tm的含义与第4章图4.20相同。

查表4.2，选择控制度为1.05，于是得到

T320?9.2， T?0.05??2，Kp?1.15m?1.15?40Ti?2??80，Td?0.45??18

根据经验，将采样周期调整为T?1s，于是根据第4章（4.48）式，得到

T1Ki?Kp?8.91?0.111

Ti80Kd?KpTdT?9.2181?165.6

从而确定了位置式PID控制器式（10.16）中的控制器参数。

2、系统运行结果

根据上述整定的控制器参数对炉温控制系统进行温度控制，设定阶跃输入为

r0?150，则系统的温控曲线如图10.18所示。从温控曲线可以看出，理论上整定的控

制参数，可以保证系统稳定，但是动态过程并不理想：超调量大，过渡过程时间长。因此在理论控制参数的基础上，可以对PID的控制参数进行进一步的调整。

图10.18 理论控制器参数下系统的温控曲线

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（1）调整Kp。Kp的作用是对偏差作出响应，使系统向减少偏差的方向变化。Kp增大有利于减小稳态误差，但过大会导致系统超调增加，稳定性变差，所以应该适当地减小Kp。经过多次试验，当Kp?7.3时，系统响应的超调量小，动态性能较好。

（2）调整Ki。Ki的作用是消除系统的稳态误差，但Ki增得太大不利于减少超调，减小振荡，使系统稳定性变差，系统稳态误差的消除反而减慢。调整Ki后的系统稳态误差可以消除，超调量减小，但是调节时间仍然很长，这可以通过调整Kd得到解决。

（3）调整Kd。Kd的作用是加快系统的响应，对偏差的变化作出响应，按偏差趋向进行控制，将偏差消除在起始状态当中，使系统超调量减小，稳定性增加，但对扰动的抑制能力减弱。经过调整后取：

Kp?7.3，Ki?0.1，Kd?50 可以得到较好的控制效果，温控曲线如图10.19所示。

图10.19 调整控制参数后的系统温控曲线

对于惯性大、具有较大滞后的系统，实践经验表明，使用PID进行控制，系统的超调量过大，调节时间长，系统很难达到稳定。即使调整PID控制器参数，也很难得到良好的效果。因此，为了改善滞后对系统性能的不良影响，比较常用的控制算法是Smith预估控制算法、Dahlin算法等，可以应用这些算法对本系统进行控制。实际上，本实验系统的计算机软件中也包含了这些算法。

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10.3 随动控制系统

10.3.1 随动系统概述

随动系统（Servo System），是指给定值随时间任意变化的一类自动控制系统。随

动系统最简单的控制目标就是使系统的输出y和系统的参考或指令信号r的差值尽量小。系统的特点是：

（1）控制量是机械位移或位移的时间函数。

（2）给定值是变化的，可以在很大范围内变化。给定值可能是位置的突变（阶跃函数），可能是位置的连续等速递增（速度函数），也可能是位置的加速递增（加速度函数），甚至是正弦信号或其它的随机信号。

（3）要求系统精确跟随，或者说要求稳态跟随误差为零或尽可能小。

（4）要求系统响应速度快，或者说系统的输出量能快速跟随输入量的变化而变化。 （5）属于反馈控制。

随动系统广泛应用于物体的位置、方位和姿态作为控制量的部位，如数控机床的道具进给和工作台定位系统，机器人控制系统，柔性机器制造系统，计算机集成机械制造系统等机电一体化领域，轧钢机的压下装置等工业生产过程自动化系统，飞机、船舶的自动舵机控制，卫星跟踪，雷达技术，导弹制导，火炮自动瞄准系统等，这些系统一般都要求有响应速度快、抗干扰能力强以及定位精确度高等优良特性。

随动系统按执行机构电机类型的不同分为： （1）交流随动系统（交流伺服系统）； （2）直流随动系统（直流伺服系统）。 随动系统按组成部件的物理性质不同分为：

（1）模拟式随动系统：系统的位置检测、控制器等均采用模拟电路实现； （2）数字式随动系统：系统的位置检测、控制器均采用数字电路或数字计算机实现；

（3）模数混合式随动系统：系统装置包含上述两部分电路。 随动系统按控制方式的不同分为： （1）常规PID控制的随动系统； （2）前馈加反馈复合控制的随动系统； （3）滑模变结构控制的随动系统； （4）鲁棒控制随动系统； （5）自适应控制随动系统； （6）H∞控制的随动系统；

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（7）模糊控制的随动系统； （8）智能控制随动系统； （9）神经网络控制随动系统。

随动系统的一般构成如下图10.20所示，由电流环、速度环和位置环三个回路组成，电流环和速度环为内环，位置环成为外环。位置信号可以从电机轴上取出，也可以从负载端取出。对于中小功率随动系统，电机的电枢电阻大，或者允许过载倍数高（如小惯量电机等），可以不必过多限制动态过程中的电流，为了提高系统的快速性，可以不设置电流环和速度环，而采用只有位置反馈的单闭环结构。随动系统的原理方框图如下图10.21所示，位置指令装置将希望的位移量转换成具有一定精度的电量，利用位置反馈装置实时监测出被控对象的实际位移，也转换成具有一定精度的电量，与指令进行比较，把比较得来的偏差信号按某种控制规律加以放大后，控制执行电机向消除偏差的方向旋转，直到达到一定精度为止。这样，被控对象的实际位置就能跟随指令变化，构成一个位置随动系统。

图10.20 随动系统的一般结构

图10.21 随动系统的原理框图

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由图

10.20可知，随动系统的结构是在调速系统的基础上再加一个位置外环来构

成的，因此随动系统的设计也可以和多环调速系统一样，由内到外一环一环地进行设计。位置调节器保证随动系统的位置精度，速度调节器、电流调节器快速灵敏地跟随位置调节器的输出来驱动伺服电机运动。这种三环随动系统的优点是稳定性有保证，易于调整，但它有一个明显的不足，就是响应较慢。因为在每次由内环到外环的设计时，都要采用内环的等效环节，而这种等效环节的传递函数之所以能成立，是以外环的截止频率?c远低于内环等效时间常数为基础的，这样位置环的截止频率就会被限制得很低，自然就限制了系统的快速性。因此，采用古典控制理论方法进行设计，随动系统性能的提高是有限的。为了获得更好的性能，必须把三个环节协调起来进行总体设计。图10.22是现代随动系统一种具有代表性的结构。

图10.22 现代随动系统的结构

选择性能指标是随动系统设计中一个十分重要的问题，主要性能指标包括系统稳定跟随精度，最大跟踪精度，最大跟踪加速度或频率响应指标，即系统的动态特性等。随动系统的具体指标是通过详细考察和分析实际被控对象的各种可能工作状态，如运行速度、加速度等，取其极限值，同时参考国内外现有同类装置的技术指标而确定。

10.3.2 随动系统硬件设计

随动系统的硬件部分包括控制系统、传感器、执行机构等部分。采用罗克韦尔自动化公司的8轴伺服系统来进行随动控制实验。罗克韦尔自动化公司的8轴伺服系统包括控制系统、传感器、执行机构等部分，如图10.23、图10.24所示。

随动系统的控制主要由Logix5555控制器来实现，软件设计由RSLogix5000编程软件实现，通讯则由SERCOS光纤环网以及1756-M08SE SERCOS接口模块来完成，执行设备为AB F-系列电机，它们由环网中的伺服控制器Ultra3000-SE来驱动，位置和速度检测装置则是F-系列电机中内置的增量式编码器。

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图10.23 罗克韦尔自动化公司8轴伺服系统的构成

图10.24 随动实验控制系统

1、硬件系统简介

1756-M08SE模块是美国罗克韦尔自动化公司出品的基于ControlLogix平台的8轴SERCOS接口数字式运动控制模块。该模块通过RX（接收端口）和TX（发送端口）提供ControlLogix平台与伺服驱动器之间的光纤连接，确保可靠的高速数据传送。它可以将多轴集成运动控制与ControlLogix平台无缝集成为一体，通过SERCOS接口将ControlLogix连接到驱动器。进行参数刷新并实现对运动的实时控制。

1756-M08SE模块采用SERCOS接口进行实时数据传输与处理。SERCOS是唯一的开放式标准，这种通讯标准允许多个伺服传动机构通过一根共用的抗噪光纤线缆连接到一个动作控制器上。一旦安装就位，SERCOS网络连接形成一个回路，避免了为

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每一个传动机构单独硬接线到动作控制器。SERCOS标准真正与众不同之处在于，它通过一个保证毫微秒同步的协议，协调自动化设备上多个轴的动作。它同时提供控制系统和传动机构之间变量交换的标准化格式，有助于提高通讯速度，增强抗噪能力，扩大开放性，使硬件标准化并使用更少的连接电缆和电线，从而进一步简化了元部件的更新和系统升级。

1756-M08SE模块的一般技术参数为：轴数目最多为8个轴；模块置于1756ControlLogix机架，采用电子型识别，最大功耗3.2W，背板电流5.1V DC600mA和24VDC2.5mA。通讯参数：SERCOS等级为Class B（位置或速度），数据速率4Mbits/s，工作周期1~4轴为lms，5~8轴为2ms。塑料光纤参数：传送范围1~32m，缆芯直径为（980±160）μm，包层直径为（1000±60）μm，电缆衰减140dB/km 650N·m(5752.51b·in)，最小弯曲半径24.765mm（0.975in），工作温度（-55~85）℃，连接器采用F-SMA标准螺丝型连接器。玻璃光纤参数：传送范围1~200m，缆芯直径（200±4）μm，包层直径（230±10μm），电缆哀减6.0dB/km 820N·m(72571b·in)，最小弯曲半径24.765mm（0.975in），工作温度（-20~85）℃，连接器采用F-SMA标准螺丝型连接器。

1756-M08SE模块使用RSLogix5000软件建立并组态驱动器和电动机，实时光纤将ControlLogix连接到驱动器进行参数刷新，支持8个伺服驱动轴，具有更大的应用灵活性。支持分布的和方便的驱动，塑料光纤最长可达32m，玻璃光纤最长可达200m，减少了总的接线量。支持高分辨率的电动机位置反馈、单圈和多圈绝对值反馈，消除因断电造成代价很高的停工和复位。

2、硬件系统的结构及各部分组成

采用罗克韦尔自动化公司8轴伺服系统的硬件结构如图10.25所示。

图10.25 系统硬件结构图

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系统各部分组成如下： （1）Logix5555处理器

Logix5555处理器具有完整的运动控制功能，通过高速度的背板，处理器可与伺服接口模块进行通讯，从而实现高度的集成操作及位置环和速度环的闭环控制，如图10.26所示。

（2）1756-M08SE SERCOS接口模块

1756-M08SE 8轴SERCOS接口模块提供ControlLogix平台与伺服驱动器之间的光纤连接，光纤

图10.26 Logix5555处理器

介质提供良好的抗干扰性和高速数据传送，提高了通讯速度以及驱动器和运动模块之间的互连性，图10.26中方框内模块即为1756-M08SE SERCOS接口模块。

（3）SERCOS通信系统

SERCOS（Serial Real-time Communication System，串行实时通信系统）是一个高速通信协议，特别设计用于快速响应的分布式控制系统。它是一个开放的数字驱动接口规范(IEC1491)，设计用于标准运动控制数据的串行实时通信，使用光纤作为传输介质。

（4）Ultra3000-SE伺服驱动器。

Ultra3000-SE伺服驱动器可以驱动多种无刷伺服电机，包括F-、H-、LD-、MP-、N-、W-和Y-系列电机，支持增量型、高分辨率、多圈绝对值反馈编码器，带有智能反馈元件的自动识别电机能力，无需手动配置电机参数，并且七段LED状态及故障显示灯便于故障的诊断。Ultra3000-SE伺服驱动器如图10.27所示。

（5）F-系列电机及编码器。

F-系列电机通常用于要求具有更大惯量匹配能力的应用场合，最高转速达到4000 RPM，安装有2000线增量式编码器，四倍频输出，每转8000个脉冲。F-系列电机及编码器如图10.28所示。

图10.28 电机及编码器 图10.27 伺服驱动器

10.3.3 控制方案

本实验中，随动系统的控制器是Logix5555处理器，控制方式通过RSLogix 5000 编程软件实现，考虑到以下原因：

（1）RSLogix 5000不适合于编写大型的计算程序；

（2）本实验系统中，各元件的实际传递函数不易得到，不适合用频率设计法；

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（3）伺服电机均不带负载，惯性不大，系统中也不存在严重的外部干扰。 控制律设计采用传统的PID方法，就可能获得较好的控制效果。PID控制方法在RSLogix 5000软件中有专有模块，直接调用编程即可。

控制方案设计时需要考虑采样周期及PID参数。采样周期在满足系统要求的条件下应该较小为宜，考虑到控制器的程序扫描速度，将采样周期定为0.01秒。PID参数先通过“扩充响应曲线法”参数整定法预先得到一组整定参数，再在实验中不断的调整。

10.3.4 系统软件设计

1、软件开发环境

软件设计由罗克韦尔自动化公司的RSLogix5000编程软件实现。RSLogix5000软件是Windows操作系统下的可编程序开发软件，包括RSLogix5000和Logix5555处理器编程软件包。由于可以使用梯形图进行编程，操作简单，界面直观。并且该软件提供了多达32条运动控制梯形图指令，包括状态控制、运动控制以及凸轮编辑器功能，可以对伺服电机实现强大的控制。这些命令支持各种运动功能，从简单的点-对-点运动到复杂的齿轮传动。

2、应用软件的开发

应用罗克韦尔自动化公司的8轴伺服系统进行随动控制实验，首先需要进行伺服轴的配置，需要按照RSLogix5000编程软件的要求，依次进行选择控制器、I/O模块配置、运动模块配置和运动组组态的配置操作。

然后进行实验系统的软件设计，实验中，将使用一台伺服电机实现位置的阶跃信号及正弦信号跟随。具体如下：

（1）创建一个新的程序，并对系统进行组态。由于本实验最多只用到两个伺服轴，所以配置两个即可（这里使用的是节点地址为2和3的两个轴），并将两个轴添加到“GROUP_1”组里。配置好后的格式如图10.29所示。

（2）右击“GROUP_1”，选择“Properties”，如图10.30所示，打开属性对话框。 （3） 在“Attribute”选项卡下，将“Coarse Update Period”设置为2ms，如图10.31所示。

（4）右击“AXIS_1”，选择“Properties”，打开属性对话框。在属性对话框的“Drive/Motor”选项卡下，将“Loop Configuration”设置为“Velocity Servo”，并在“Real Time Axis Information”的“Attribute 2”中选择“Position Feedback”，如图10.32所示。

（5） 按如上步骤，打开AXIS_2属性对话框中的“Drive/Motor”选项卡，将“Loop Configuration”设置为“Position Servo”，如图10.33所示。

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图10.29 伺服轴配置格式

图10.30 选择“GROUP_1”的“Properties”

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图10.31 “Attribute”属性设置

图10.32 AXIS_ 1的“Drive/Motor” 属性设置

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图10.33 AXIS_ 2的“Drive/Motor” 属性设置

（6） 右击“Tasks”，选择“New Task”新建一个任务，如图10.34所示。

（7） 在打开的对话框中，为任务命名为“time”，“Type”选择“Periodic”，为周期型任务，周期“Period”设置为10ms，如图10.35所示。

（8） 右击新建的“time”任务，选择“New Program”，新建一个定时中断子程序，如图10.36所示。

图10.34 新建一个任务

图10.35 任务参数设置

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图10.36新建一个定时中断子程序

（9）在打开的对话框中，为新的定时中断子程序命名为“time_p”，并确认在“Schedule in”中选择为“time”，如图10.37所示。

图10.37新的定时中断子程序命名

（10）右击新建的“time_p”程序，选择“New Routine”，新建一个子程序，如图10.38所示。

图10.38 新建一个子程序

（11） 在打开的对话框中，为新的子程序命名为“time_r”，并确认“Type”为“Ladder Diagram”，“In Program of Phase”为“time_p”，如图10.39所示。

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图10.39 新的子程序命名

（12）建立好后，“Tasks”的层次如下，包括一个主任务“MainTask”和一个定时任务“time”，如图10.40所示。

图10.40 整个程序结构

（13）在主任务的“MainRoutine”中，添加如下程序：

① 伺服使能程序，同时对PID设定值和速度偏移值（VelocityOffset）进行初始化。注意，VelocityOffset需要通过SSV指令来设置。

图10.41伺服使能程序

② 伺服轴1的急停和急停重置程序。

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图10.42 伺服轴1的急停和急停重置程序

③ 两个伺服轴的归位程序。

图10.43 两个伺服轴的归位程序

（14）在定时任务“time”的“time_r”中，添加定时任务程序。

定时任务的作用是进行PID运算，并把运算的结果写入到轴1属性VelocityOffset中。由于需要使用SSV指令修改VelocityOffset属性值，所以现将PID运算结果保存在一个其他的标签中（即velocityoffset中），再通过SSV来修改。

图10.44 定时任务程序

10.3.5 系统的实际控制效果

1、控制器参数的整定

（1）点击PID运算模块中如图10.45所示的位置，打开PID运算模块的配置对话框，其中，“Tuning”、“Configuration”和“Scaling”属性需要进行配置。

（2） 在 “Tuning”属性中，可以调整PID参数，如图10.46所示。如果轴1的跟随效果不理想，可以在这里调整PID参数。

（3） 在“Configuration”属性中，前三个选项用于设定PID方程的具体形式；“Loop Update Time”用来设置PID指令的计算周期；最后三个是输出的高低限幅和死区值，

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设置如图10.47所示。

（4）“Scaling”属性的作用是对过程变量和控制变量进行定标，给出它们实际可达到的最大最小值，设置如图10.48所示。

图10.45 PID运算模块

图10.46 调整PID参数

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图10.47 “Configuration”属性设置

图10.48 “Scaling”属性设置

2、随动系统的运行结果

（1）实验一：轴1跟随轴2的位置运动 首先，增加轴1跟随轴2的控制程序。

① 轴2移动程序。按下开关之后轴1开始跟随其位置。

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图10.49 轴2移动程序

② 置轴1位置环设定值程序。将轴2的当前实际位置，传入到轴1位置环作为设定点。

图10.50 置轴1位置环设定值程序

然后，进行实验，具体操作如下：

① 先置位“servo_on”信号为“1”，对伺服轴进行使能。

② 强制“servo_start信号为“1”，”并使其一直为TRUE，进入预备状态。 ③ 调节PID参数，直到跟随效果比较理想为止，最后PID参数为（810，12，0），

位置跟随效果如图10.51所示，其中，黑色为轴2的阶跃给定，红色为轴2的位置，蓝色为轴1的位置跟随结果。

图10.51 轴1跟随轴2的位置运动结果

（2）实验二：轴1阶跃给定随动控制结果

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首先，增加轴1阶跃给定随动控制程序。如图10.52所示，通过MOV指令将设定

值单元set_v送给PID设定输入，改变PID的设定值，达到阶跃给定的效果。

图10.52 轴1阶跃给定随动控制程序

然后，进行实验，具体操作如下：

① 先置位“servo_on”信号为“1”，对伺服轴进行使能。

② 强制“servo_start信号为“1”，”并使其一直为TRUE，进入预备状态。 ③ 调节PID参数，初步调整PID参数为（800，10，0），位置跟随效果如图10.53

所示。继续调整PID参数，最后PID参数为（826，13，0），位置跟随效果如图10.54所示。，其中，黑色为轴1的阶跃给定，蓝色为轴1的位置跟随结果。

图10.53 PID参数为（800，10，0）时的控制效果

图10.54 PID参数为（826，13，0）时的控制效果

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（3）实验三：轴1正弦波给定随动控制结果

首先，增加轴1正弦波给定随动控制程序。如图10.55所示，产生正弦波，并赋值

给PID的设定值，正弦波的幅值和周期可以在CPT指令中做适当调整。

图10.55 轴1正弦波给定控制程序

然后，进行实验，具体操作如下：

1） 先置位“servo_on”信号为“1”，对伺服轴进行使能。

2） 强制“servo_start信号为“1”，”并使其一直为TRUE，进入预备状态。 3） 调节PID参数，初步调整PID参数为（1000，40，0），位置跟随效果如图10.56

所示。继续调整PID参数，最后PID参数为（1080，43，0），位置跟随效果如图10.57所示，其中黑色为轴1的阶跃给定，蓝色为轴1的位置跟随结果。

图10.56 PID参数为（1000，4 0，0）时的控制效果

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图10.57 PID参数为（1080，4 3，0）时的控制效果

以上实验都是在空载情况下进行的，所以看起来控制效果相当好，如果进行加载实验，由于电机运行特性受负载影响较大，控制效果往往会因为负载的波动而变坏，所以，需要研究鲁棒性能更佳的随动控制方法。

本章小结

本章介绍了两个计算机控制系统的应用实例，通过这两个实际系统，将计算机控制系统的对象建模与参数辨识、检测机构、执行机构、信号变换、控制器设计与参数整定、软件编程等各方面的知识进行了综合应用，前述各章节的内容体现在这两个实例的相应环节中。本章的目的是在构建一个实际的计算机控制系统时，如何应用本书前面章节介绍的内容。要求了解和掌握如下内容：

（1）对于慢过程和快过程，如何进行对象的建模与参数辨识。一般来说，应掌握工业过程各典型环节的传递函数模型形式，并了解相应的时域和频域特性。了解简单的参数辨识方法。

（2）对于常见的温度、压力、流量、速度、位置等的检测机构元器件有一个大致的了解；同样，对于上述物理量的执行机构元器件也应该有一定程度上的了解。对于信号转换元器件、典型电路的设计等应该了解，并加以理解和掌握。

（3）针对具有不同特性的工业对象，应该学会选用相应的控制算法，并进行相应的控制参数整定实验设计。

（4）控制算法是通过计算机编程来实现的。计算机编程简洁、正确、严密是一个基本的要求，需要在实践中不断摸索和积累经验。编程可以采用常用的开发语言如C语言，也可以采用组态软件进行，根据实际情况灵活选择。

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习题与思考题

10.1 简述热电阻的特点，分析其测温原理。 10.2 简述固态继电器的特点和原理。

10.3 简述PCI总线的特点。

10.4 简述随动系统的特点，分析随动系统的结构和原理。 10.5 简述SERCOS网络的特点和功能。 10.6 简述编码器的分类、特点和原理。

10.7 简述美国罗克韦尔自动化公司ControlLogix系列PLC与1756-M08SE模块的功能

和特点。

10.8 自己设计一个A/D和D/A转换的电路。

10.9* 对于电阻炉温度系统，除书中方法外，还有哪些方法可以辨识模型的参数？试设计实验方案。

10.10* 试设计电阻炉温度系统的Smith和Dahlin算法控制器。

10.11 试设计将位置控制器和速度控制器合成为一体的随动系统控制器。 10.12 试设计一种除PID之外的其它控制方式的随动系统控制器。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/d0u7.html