Чикуров Н.Г. Алгоритмическое и программное обеспечение компьютерных систем управления

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Уфимский государственный авиационный технический

университет

Н. Г. Ч И К У Р О В

АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Учебное пособие

Уфа 2008

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Уфимский государственный авиационный технический университет

Н. Г. Ч И К У Р О В

АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Учебное пособие

Уфа 2008

УДК 004.4

ББК 32.965.7

Ч-60

Рецензенты:

Фил. УГНТУ, г. Стерлитамак, зав. каф. автоматизированных и

информационных техн. систем, д-р техн. наук, проф. А. И. Каяшев,

ОАО «Нефтеавтоматика», г.Уфа, зам. нач. департамента автоматизации

объектов транспортировки нефти, канд. техн. наук, доц. А. И. Михайловский.

Чикуров Н. Г. Алгоритмическое и программное обеспечение

компьютерных систем управления: Учебное пособие / Н. Г.

Чикуров; Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. – Уфа: 2008. – 225 с.

ISBN 978-5-86911-865-3

Рассмотрены вопросы теории и практики разработки математических

алгоритмов для компьютерных систем управления металлорежущими станками

и промышленными манипуляторами. Приведена методика построения

алгоритмов управления формообразованием сложнопрофильных деталей на

станках с ЧПУ, основанная на численных методах решения систем

дифференциальных уравнений в форме Коши и в форме Шеннона. Показана

методика настройки систем подчиненного управления электроприводами с

использованием предикаторов. Приведено решение обратных задач о

положениях и о скоростях манипуляционных роботов методом

электроаналогий. Рассматривается программирование дискретно-логических

систем управления электроавтоматикой на основе циклограмм работы

механизмов.

Учебное пособие соответствует государственному образовательному

стандарту по направлению подготовки 220300 «Автоматизированные

технологии и производства».

Табл. 2. Илл. 177. Библиогр.: 17 наим.

Учебное пособие разработано в рамках

реализации инновационной образовательной

программы подготовки кадров в области

информационных технологий проектиро-

вания, производства и эксплуатации

сложных технически

х объектов

(Приоритетный национальный проект

«Образование»)

ISBN 978-5-86911-865-3 ©Уфимский государственный авиационный

технический университет, 2008

О Г Л А В Л Е Н И Е

Введение…………………………………………………………………………..5

Список основных обозначений………………………………………………….8

1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ЧПУ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ……………………………...10

1.1. Краткая характеристика систем автоматического управления

станками……………………………………………………………………..…10

1.2 Отличительные особенности управления оборудованием с помощью

систем ЧПУ…………………………………………………………………….11

1.3. Общие принципы построения компьютерных систем управления……12

1.4. Состав устройства ЧПУ типа CNC………………………………………13

1.5. Архитектура системы ЧПУ класса ICNC………………………………..14

1.6. Взаимодействие УЧПУ с оператором……………………………………22

Контрольные вопросы…………………………………………………………25

2. УПРАВЛЕНИЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЕМ ДЕТАЛЕЙ В

КОМПЬЮТЕРНЫХ УЧПУ…………………………………………………...27

2.1. Принцип управления формообразованием детали……………………...27

2.2. Применение численных методов решения обыкновенных

дифференциальных уравнений в системах ЧПУ…………………………….33

2.3. Дифференциальные уравнения в форме Шеннона……………………...35

2.4. Решение дифференциальных уравнений в форме Шеннона с

помощью степенных рядов……………………………………………………39

2.5. Алгоритм сферической интерполяции…………………………………..48

2.6. Алгоритм сплайновой интерполяции……………………………………56

Контрольные вопросы…………………………………………………………68

3. УПРАВЛЕНИЕ КОНТУРНОЙ СКОРОСТЬЮ………………………………70

3.1. Управление перемещениями рабочих органов станка в

в режимах позиционирования…………………………………………………70

3.2. Управление контурной скоростью в системе ЧПУ класса ICNC………78

3.3. Алгоритм микроинтерполяции……………………………………….…..88

Контрольные вопросы……………………………………………………….…96

4. УПРАВЛЕНИЕ СЛЕДЯЩИМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ В

КОМПЬЮТЕРНЫХ УЧПУ…………………………………………….….......98

4.1. Цифровой регулятор положения следящего электропривода……….….98

4.2. Подчиненное управление электроприводами в компьютерных

системах ЧПУ с использованием предикаторов……………………….…..100

Контрольные вопросы…………………………………….…………………113

5. УПРАВЛЕНИЕ МАНИПУЛЯЦИОННЫМИ РОБОТАМИ………..…..114

5.1. Обратная позиционная задача робототехники……………………..….114

5.2. Кинематическая модель робота в плоскости…………………..………137

5.3. Кинематическая модель манипуляционного робота в 3-х мерном

пространстве……………………………………………………………..…...146

Контрольные вопросы…………………………………………………...……164

6. ПРОГРАММИРОВАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРОАВТОМАТИКОЙ………………………………………………….165

6.1. Общие сведения…………………………………………………………...165

6.2 Основные сведения по общей теории дискретных автоматов………….166

6.3 Синтез систем управления по циклограммам работы механизмов…….168

6.4 Методика составления реализуемой циклограммы……………………..177

6.5 Методика упрощенного синтеза дискретных систем управления……...189

6.6 Состязания в дискретных автоматах……………………………………..194

6.7 Непрерывные и прерывистые логические функции…………………….196

6.8 Особенности синтеза релейно-контактных систем управления………..208

6.9 Построение дискретных систем управления в базисе элементов И-НЕ.216

6.10 Контрольные вопросы……………………………………………………219

Заключение…………………………………………………………………….220

Список литературы………………………………………………………….…221

Предметный указатель………………………………………………………...223

Введение

Современные системы автоматизированного производства имеют

одну общую базу – они относятся к классу устройств вычислительной

техники [3].

Вычислительную технику применяют для решения 2-х

существенно различающихся задач: вычислительных (задач

машинного масштаба времени) и управленческих (задач реального

масштаба времени).

Особенность управления от ЭВМ в том, что этот процесс

поддерживается десятками, а иногда и сотнями программ, которые

должны быть синхронизированы между собой и согласованы с

управляемым объектом. Указанная особенность предопределяет

специфику аппаратного построения и программно-математического

обеспечения управляющей ЭВМ.

Промышленная автоматизация переживает сейчас большие

изменения. Пользователи постепенно отходят от практики

применения собственных систем и начинают обращать внимание на

распределенные системы (distributed control system). Это система,

состоящая из нескольких взаимосвязанных, как логически, так и

физически, локальных компьютерных систем управления, каждая из

которых функционирует независимо, но пользуется общими

ресурсами и услугами, принадлежащими всей системе.

Функционально распределенные системы управления представляют

собой вычислительную сеть, в которой для сбора данных и обмена

информацией служат промышленные шины.

Промышленная шина – это коммуникационная сеть,

объединяющая несколько промышленных систем. Промышленная

шина должна поддерживать режим реального времени – качество,

отсутствующее в офисных локальных сетях. Промышленные шины

обладают определенными характеристиками, делающими их

пригодными для использования в промышленном окружении, а

именно:

1 работа в реальном времени;

2 поддержка больших расстояний между узлами;

3 защита от электромагнитных наводок;

4 прочная механическая конструкция.

Многие промышленные шины опираются на стандарт

485

двухпроводного канала, обеспечивающего взаимосвязь нескольких

устройств на расстояниях до нескольких сотен метров. Скорость

передачи на промышленных шинах достигает 12 Мбит/с (шина

PROFIBUS)

В распределенных промышленных системах между собой

связаны сетевые узлы самых разных типов, с разными расстояниями

передачи данных, да и типами самих данных.

Применение технологии промышленных шин знаменует собой

совершенно новую эпоху в управлении процессами. Одним из

наиболее значительных последствий этого является смещение

интеллекта вниз по уровням систем автоматизации. В результате

несложные задачи контроля переходят из централизованной системы

управления на нижний уровень.

Системы с централизованным управлением требуют, чтобы

датчики подключались к центральной системе управления

отдельными (и довольно дорогими) высококачественными кабелями.

В противоположность этому в системе на базе промышленной шины

рядом с датчиками располагают один интеллектуальный модуль,

преобразующий сигналы датчиков в цифровую последовательность и

передающий их в этом виде в систему управления по первой общей

шине. Прокладка и развертывание промышленных шин обходится

при этом значительно дешевле.

Век «самодельных» систем управления различными

технологическими процессами заканчивается. Сегодня никакой

производитель не может поставить всю номенклатуру требующихся в

современной системе управления устройств. От специалистов по

автоматике требуется сейчас умение применить для построения

собственных систем высокотехнологичные изделия разных компаний

и, естественно, эти изделия должны быть совместимы.

В области программно-математического обеспечения

современных систем управления определены такие новые подходы,

как представление функций процесса управления в виде независимых

задач (объектов). Такой подход определил новый этап в разработке

программно-математического обеспечения - этап объектно-

ориентированного программирования [3].

В системах управления, созданных на основе объектного

программирования, внедряется новая технология отношений между

объектами под названием «Клиент – Сервер» (Client-server).

Понятие «Клиент» трактуется как любой объект или система,

который для своего функционирования вынужден обращаться за

услугой к другой системе, называемой «Сервером».

Сервер должен обладать набором средств, необходимых для

реализации запрашиваемых клиентом услуг, обеспечить сервис при

выполнении запросов клиента. В общем случае один сервер может

обслуживать несколько клиентов.

Объектно-ориентированное программирование позволяет

создавать «открытые» системы управления с модульным

программно-математическим обеспечением. Технология такого

программирования называется СОМ (Component Object Model)

технологией.

Цель изучения курса «Алгоритмическое и программное

обеспечение компьютерных систем управления» - освоение общих

принципов построения компьютерных систем управления для

решения технологических задач автоматизированного производства.

Список основных обозначений

УЧПУ - устройство числового программного управления

УП - управляющая программа

ДОС - датчик обратной связи

ИТ - исходная точка

- шаг интерполяции (интегрирования)

xyz

DDD

- приращения координат по осям

xyz

- приращение дуги

ABC

- направляющие косинусы вектора нормали к плоскости

интерполяции

()

- кубический параметрический сплайн

abc

- векторные коэффициенты сплайн функции

xyz

VVV

- проекции вектора скорости

xyz

WWW

- проекции вектора ускорения

- период таймера

- постоянная экспоненты

КЭХР - коэффициент экспоненты

VST

- старшее слово от

VST

- старшее слово от

SIGNV

- знак «машинного» нуля

- ошибка по скорости

- ошибка по положению

ДП - датчик положения

ИП - измерительный преобразователь

ППК - преобразователь перемещение-код

- регулятор тока

- регулятор скорости

- регулятор астатизма

- регулятор обратной связи по Э.Д.С.

- коэффициент обратной связи по току

- коэффициент усиления регулятора тока

- коэффициент усиления регулятора скорости

- коэффициент усиления регулятора астатизма

- коэффициент усиления регулятора обратной связи по

э.д.с.

- постоянная времени контура тока

- постоянная времени контура скорости

- постоянная времени контура астатизма

ix iy iz

VVV

- проекции вектора скорости точки

ix iy iz

RRR

- реакции связи в точке

- момент силы

относительно центра масс -го звена

- инерционный момент -го звена

- литера дифференциального уравнения

- литера компонентного уравнения

- литера уравнения сил

- литера уравнения моментов

Kpi

- литера уравнения Кирхгофа

- литера уравнения трансформатора

- источник тока

- приемник тока

- компонент вектора неизвестных в реестре уравнений

- компонент вектора свободных членов в реестре

уравнений

- компонент вектора решения системы дифференциальных

уравнений в реестре уравнений

- коэффициент матрицы системы линейных уравнений

ПЛК - программируемый логический контроллер

ЛП - логический преобразователь

,,,

xyz

FFF

- прерывистые логические функции

,,,

xyz

fff

- непрерывные логические функции

111

,,,

aaa

- логические переменные