计算机控制技术教案Word下载.docx

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参考资料

1.见相关书籍或者报刊

2.网络

3.杂志和教学参考书

备注

本章教案

1.1计算机控制系统概述

计算机控制，是关于将计算机技术应用于工农业生产、国防等行业自动控制的一门综合性学科与技术。

计算机控制是以计算机、自动控制理论、自动控制工程、电子学和自动化仪表为基础的综合学科。

计算机控制系统简单地说就是以计算机替代了原模拟控制系统的控制器（控制仪表）组成的自动控制系统。

但是这种取代决不是一种简单的替代而是一种升华。

计算机控制系统产生的原因

随着科学的发展、技术的进步和对控制的要求的提高，控制对象越来越复杂多样，使控制系统的控制越来越复杂，出现了多输入—多输出的多变量系统、非线性系统控制、时变和分布参数控制系统。

对于这些系统，使用常规的控制方法和手段实现是十分困难的，因此，电子计算机尤其是微型计算机的出现并应用于自动控制领域，使自动控制水平产生了巨大的飞跃。

1.开环控制系统

如图1.1所示的系统为开环控制系统，所谓开环控制系统是指控制器按照先验的控制方案对对象或系统进行控制，使被控制的对象或系统能够按照约定来运动或变化。

图1.1开环控制系统框图

2闭环控制系统

闭环控制系统的结构如图1.2所示，很明显闭环控制系统较开环控制系统增加了一个比较环节和一个来自被控参数的反馈信号。

3计算机控制系统

在上述的开、闭环控制系统中都少不了控制器这样一个环节。

若用计算机替代了系统中的控制器这样就形成了计算机控制系统。

由于计算机处理的是数字信号，而自然界中的信号又都是模拟信号，计算机要替代原模拟调节器必须完成模拟量到数字量的转换（A/D）和数字量到模拟量的转换（D/A），如图1.3所示。

计算机控制系统的控制过程

计算机控制系统的控制过程可简单地归纳为三个过程：

（1）信息的获取

计算机可以通过计算机的外部设备获取被控对象的实时信息和人的指令性信息。

（2）信息的处理

计算机可根据预先编好的程序对从外设获取的信息进行处理。

（3）信息的输出

计算机将最终处理完的信息通过外部设备将这些信号送到控制对象，通过显示、记录或打印等操作输出其处理或获取信息的情况。

计算机控制系统的组成

在计算机控制系统中包括了硬件和软件两大部分。

硬件是由计算机主机、接口电路、外部设备组成，是计算机控制系统的基础。

软件是安装在计算机主机中的程序，它能够完成对其接口和外部设备的控制，完成对信息的处理，它包含有维持计算机主机工作的系统软件和为完成控制而进行信息处理的应用软件的两大部分，软件是计算机控制系统的关键。

1.2.2计算机控制系统的硬件组成

典型的计算机控制系统的硬件主要包括：

计算机主机、过程控制通道、操作控制台和常用的外设，如图1.4所示。

应该指出的是，随着计算机网络技术的快速发展，网络设备也成为计算机控制系统硬件不可少的一部分。

1.主机

主机是指我们用于控制的计算机，它主要由CPU、存储器和接口三大部分组成，是整个系统的核心。

目前使用的主机有：

单片机、PLC、工业PC等。

它主要完成数据和程序的存取、程序的执行、控制外部设备和过程通道中的设备的工作，实现对被控对象的控制，实现人机对话和网络通信。

由于CPU技术的发展和广泛应用及网络技术的发展和广泛应用，主机还要完成对一些含CPU设备和网络设备的控制。

2过程控制通道

过程控制通道是被控对象与主机进行信息交换的通道，根据信号的方向和形式，过程控制通道又可分为：

（1）模拟量输入通道

完成过程和被控对象送往主机的模拟信号的转换，使之成为计算机能够接收的标准数字信号。

（2）模拟量输出通道

目前，大多数执行机构仍只能接收模拟信号，而计算机运算决策的最终结果是数字信号。

通过模拟量输出通道完成对数字量转换为模拟量并且保持。

（3）数字量输入通道

数字量的输入通道是把过程和被控对象的开关量或通过传感器已转换的数字量以并行或串行的方式转入计算机。

（4）数字量输出通道

数字量输出通道是将计算机运算、决策之后的数字信号以串行或并行的方式输出给被控对象或外部设备，应该强调的是数字量输出通道输出的信号有时是直接驱动外部设备，其功率和阻抗的匹配是应该特别注意的。

3.操作控制台

操作控制台是计算机控制系统人机交互的关键设备，通过操作控制台，操作人员可以及时了解被控过程的运行状态，运行参数；

对控制系统发出各种控制的操作命令，并且通过操作控制台还可以修改控制方案和程序，操作控制台一般应包括：

（1）信息的显示

（2）信息的记录

（3）工作方式状态的选择

（4）信息输入

4.通讯设备

随着信息技术的发展和网络的广泛应用及自动化的普及，通信已经变得无所不在。

现代化工业生产过程的规模也越来越大。

企业信息化的需求也要求生产过程的数据能够实时的上传到企业信息管理系统。

计算机控制系统作为网络上的一个结点的方案已经被广泛采纳。

通讯设备已成为计算机硬件的一个重要部分。

这些设备可以完成计算机控制系统的信息交换。

1.2.3计算机控制系统的软件组成

对于计算机控制系统来讲，除了硬件之外，还必须有软件。

控制系统的功能和性能在很大程度上依赖于软件水平的高低.

所谓软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，它分为系统软件和应用软件两大部分。

1系统软件

系统软件是维持计算机运行操作的基础，是用于管理、调度、操作计算机的各种资源，实现对系统监控与诊断，提供各种开发支持的程序。

这些系统软件包括：

操作系统、监控管理程序、故障诊断程序、各种计算机语言及解释、编译工具。

系统软件一般由供应商提供或专业人员开发，用户不需自己设计开发。

2应用软件

应用软件是用户根据控制对象、控制要求，为实现高效、可靠、灵活的控制而自行编译的各种程序。

它们包括：

数据采集、数字滤波、标度变换、键盘的处理、过程控制算法、输出与控制等程序。

用于应用软件开发的程序设计语言，一般有：

汇编、C#、C++、VB、VC等。

目前也有一些专门用于控制的引用组态软件，这些软件功能强，使用方便，组态灵活，具有很强的应用前景。

1.2.4计算机控制系统的分类

在生产过程中，根据被控对象的特点和控制功能，计算机控制系统有各种各样的结构和形式，按计算机参与的形式，可以分为开环和闭环控制系统；

按采用的控制方案，又分为程序和顺序控制、常规控制、高级控制（最优、自适应、预测、非线性等）、智能控制（FUZZY控制、专家系统和神经网络等）。

计算机控制系统的分类不是严格的按照其结构或者功能进行分类的。

计算机控制系统的分类，是根据计算机控制系统的发展历史和在实际应用中的状态并参考以往的教材进行分类的。

一般分为：

操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统和计算机集成制造系统六大类

1.操作指导系统（OperationGuideControl）

操作指导系统是基于生产过程数据直接采集的非在线的闭环控制系统，如图1-6所示：

计算机通过数据输入通道对生产过程各项参数进行采集，根据工艺和生产的需求进行最优化计算，计算出优化的操作条件和参数，利用其输出设备，将其结果显示或打印。

操作人员根据计算机提供的结果改变控制器的参数或设定值，实现对生产过程的控制，这属于计算机离线最优控制的一种形式。

该系统结构简单、控制安全、灵活，由于人的介入使该系统可以应用于一些复杂的不便由计算机进行直接控制的场合。

（1）操作指导系统（OperationGuideControl）

2.直接数字控制系统（DirectDigitalControl）

直接数字系统是计算机控制系统的最基本形式，也是应用最多的一类计算机控制系统。

其一般结构如图1-7所示：

3.计算机监督控制系统（SupervisoryComputerControl）

计算机监督控制系统是一种两级的计算机控制系统。

如图1-8所示：

该类系统类似计算机操作指导控制系统。

它的区别是SCC计算机输出不通过人去改变，而直接控制控制器，改变控制的设定值或参数，完成对生产过程的控制。

SCC计算机可以利用有效的资源去完成生产过程控制的参数优化，协调各直接控制回路的工作，而不直接参与直接的控制，所以计算机监督控制系统是安全性可靠性较高的一类计算机控制系统，同时又是计算机集散系统的最初、最基本的模式。

4.集散控制系统（DistributedControl）

集散控制系统又称为分布控制系统。

该系统采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治、综合协调形成具有层次化体系结构的分级分布式控制，一般分为四级，如：

过程控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级。

过程控制级是集散控制的基础，用于直接控制生产过程，在这级参与直接控制的可以是计算机也可以是PLC或专用的数字控制器，完成对现场设备的直接监测和控制，由于生产过程的控制分别由独立的控制器进行控制，使控制器故障引起分散，局部的故障不会影响整个系统的工作，提高了系统工作的可靠性。

5.现场总线控制系统（FieldBusControlSystem）

现场总线控制系统是20世纪90年代兴起的迅速得以应用的新型计算机控制系统，已广泛的应用在工业生产过程自动化领域，现场总线控制系统是利用现场总线将各智能现场设备，各级计算机和自动化设备互联，形成了一个数字式全分散双向串行传输，多分支结构和多点通信的通信网络。

在现场总线控制系统中，生产过程现场的各种仪表、变送器、执行机构控制器都配有分级处理器，属智能现场设备。

现场总线可以直接连接其它的局域网，甚至Internet。

可构成不同层次的复杂控制网络，它已经成为今后工业控制体系结构发展的方向之一。

6.计算机集成制造系统（CIMS）

计算机集成制造的概念是在70年代美国的一名叫哈灵顿提出的，随着计算机和信息技术的发展最终得以实施。

计算机集成制造原本是将工业生产的全过程集成由计算机网络和系统在统一模式进行，包括从设计、工艺、加工制造到产品的检验出厂一体化的模式。

随着现代市场的需求和企业模式的现代化计算机集成制造已经将制造集成转换为信息集成，并融入了企业的全面管理和市场营销。

CIMS是一项宠大的系统工程，它需要有许多基础的应用平台的支持，它实现的是企业物流、资金流和信息流的统一。

由于其涉及面广，应用存在的困难较多，所以许多CIMS工程在规划实话中都提出了整体规划分步实施的策略。

尽管目前CIMS工程在企业的推广存在许多困难，但是它确实使企业真正走向现代化的方向。

第2次课4学时

第2章计算机控制系统中的检测设备和执行机构

1.传感器和变送器

2.过程控制中常用的执行器

3.运动控制中常用的执行机构

1.传感器和变送器原理；

2.步进电动机。

2.掌握传动机构的原理。

本章内容覆盖面广，涉及控制领域的前向通道和后向通道，传感器及变送器原理，执行机构等多个学科。

因此只要求学生掌握正确的分析方法。

教学辅助手段：

多媒体教学，视频动画播放等

实例介绍

教师和学生共同举出在实际中的例子。

1.电动机，流量计，伺服系统等等。

2.举出在实际中利用上述元件设备的例子。

图1锅炉水温控制系统

2.1传感器和变送器

传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

传感器的输出信号有多种形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形式由传感器的原理确定。

变送器在控制系统中起着至关重要的作用，它将工艺变量（如温度、压力、流量、液位、成份等）和电、气信号（如电流、电压、频率、气压信号等）转换成该系统统一的标准信号。

因此，变送器的性能、精度等指标对控制系统影响重大。

2.1.1信号传输及供电的四线制与两线制

变送器安装在现场，它的气源或电源从控制室送来，而输出信号送到控制室。

气动变送器用两根气动管线分别传送气源和输出信号。

电动模拟式变送器采用二线制或四线制传输电源和输出信号。

HART协议

智能式变送器采用双向全数字量传输信号，即现场总线通讯方式；

目前广泛采用一种过渡方式，即在一条通讯电缆中同时传输4~20mA电流信号和数字信号，这种方式称为HART协议通讯方式。

智能式变送器的电源也由通信电缆传输。

2.1.2压力检测及变送

液注式压力检测：

依据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度来实现测量的。

U型管压力计、单管压力计、补偿微压计等。

结构简单、使用方便，但其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响。

一般用于测量较低压力、真空度或压力差。

弹性式压力检测：

根据弹性元件受力变形原理，将被测压力转换成位移来实现压力测量。

主要有弹簧管、膜片和波纹管等

负荷式压力检测：

利用静压平衡原理进行压力测量。

典型仪表：

活塞式、浮球式和钟罩式。

普遍用作标准仪器对压力仪表进行标定。

电气式压力检测：

利用敏感元件将被测压力转换成各种电量，如电阻、电感、电容、电位差等。

具有较好的动态响应，特性量程范围大，线形好，便于进行压力的自动控制。

其它压力检测方法：

弹振式压力计、压磁式压力计。

差动平板式电容传感器结构图

测量部分的作用是通过电容式压力传感器及相关电路把被测差压∆p成比例的转换成为差动电流信号Id。

差动电容的相对变化量再通过电容/电流转换电路比例的转换成差动电流信号Id，经放大后转换成4~20mA输出电流。

测温方法分类

接触式测量：

基于物体的热交换原理设计而成。

优点：

较直观、可靠，系统结构相对简单，测量准确度高。

缺点：

测温有较大滞后，在接触过程中易破坏被测对象的温度场分布，从而造成测量误差，不能测量移动或太小的物体。

测温上限受到温度计材料的限制，故所测温度不能太高。

接触式测量主要仪表：

基于物体受热膨胀原理制成的膨胀式温度检测仪表；

基于密闭容器内工作介质随温度升高而压力升高的性质制成的压力式温度检测仪表；

基于导体或半导体电阻随温度变化而变化的热电阻温度检测仪表

基于热电效应的热电偶温度检测仪表。

非接触测量

基于物体的热辐射特性与温度之间的对应关系而设计的。

优点:

测温范围广，测温过程中不破坏被测对象的温度场分布；

能测量运动物体；

测温响应速度快。

所测温度受物体发射率、中间介质和测温距离的影响。

主要仪表：

辐射温度计、光学高温计、光电高温计、比色温度计等。

其他测量技术：

光纤测温技术、集成温度传感器测温技术等

工业上常用的（已标准化）热电偶有：

铂铑30-铂铑6热电偶（分度号为B）、铂铑10-铂热电偶（分度号为S）、镍铬-镍硅（镍铬-镍铝）热电偶（分度号为K）等。

引言：

先看一个实验——热电偶工作原理演示

热电偶测温原理

热电偶温度计利用不同导体或半导体的热电效应来测温的

热电偶：

两种不同的金属A和B构成闭合回路

当两个接触端T﹥T0时，回路中会产生热电势

热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定

接触电势

k——玻耳兹曼常数；

T——接触面的绝对温度；

e——单位电荷量；

NA——金属电极A的自由电子密度

NB——金属电极B的自由电子密度

温差电势

（汤姆逊电势）

δ——汤姆逊系数，它表示温度为1℃时所产生的电动势值，

它与材料的性质有关。

结论

1）热电极A和B为同一种材料时，NA=NB,δA=δB，则EAB（T,T0）=0。

2）若热电偶两端处于同一温度下，T=T0，

则EAB（T,T0）=0。

3）热电势存在必须具备两个条件：

一、两种不同的金属材料组成热电偶，

二、它的两端存在温差。

热电势是T和T0的温度函数的差，而不是温度的函数。

当T0=0℃时，f（T0）=0则有：

E与T之间有唯一对应的单值函数关系，

因此就可以用测量到的热电势E来得到对应的温度值T，

热电偶热电势的大小，只是与导体A和B的材料有关，

与冷热端的温度有关，与导体的粗细长短及两导体接触面积无关。

热电阻测温原理

热电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值随温度变化的性质来测量温度的

当温度升高时，虽然自由电子数目基本不变（当温度变化范围不是很大时），但每个自由电子的动能将增加，因而在一定的电场作用下，要使这些杂乱无章的电子作定向运动就会遇到更大的阻力，导致金属电阻值随温度的升高而增加

热电阻引线的功能是使感温元件能与外部测量线路相连接。

热电阻引线对测量结果有较大的影响，现在常用的引线方式有两线制、三线制和四线制三种。

热电阻传感器是把由温度变化所引起导体电阻值的变化，通过测量电路转换成电压（毫伏）信号，然后再显示被记录的温度。

热电阻的测量电路通常采用不平衡电桥来转换，热电阻在工业测量桥路中的接法常采用两线制和三线制两种

常用的热电阻

铂热电阻：

铂材料的优点是：

物理，化学性能稳定，抗氧化能力强，并且有较宽的测量范围。

铂热电阻的阻值与温度间对应的特性曲线如下：

铂热电阻（1200℃以下）

当-200℃≤t≤0℃时Rt=R0[1+At+Bt2+C（t-100）t3]

当0℃≤t≤850℃时Rt=R0（1+At+Bt2）

Rt——温度为t℃时铂热电阻的阻值；

R0——温度为0℃时铂热电阻的阻值；

A、B、C——温度系数，它们的数值分别为A=3.90802×

10-3（1/℃），B=-5.802×

10-7（1/℃2），C=-4.27350×

10-12（1/℃4）。

铜热电阻（-50~150℃）

（1）在上述使用温度范围内，阻值与温度的关系几乎成线性关系，即可近似表示为Rt=R0（1+αt）

式中α——电阻温度系数,α=（4.25~~4.28）/℃

（2）电阻温度系数比铂高，而电阻率比铂低。

（3）容易提纯，加工性能好，价格便宜。

（4）易氧化，不宜在腐浊介质或高温下工作。

3多轴步进电机控制技术

数控机床的驱动元件常常是步进电机。

步进电机是电机类中比较特殊的一种，它是靠脉冲来驱动的。

靠步进电机来驱动的数控系统的工作站或刀具总移动步数决定于指令脉冲的总数，而刀具移动的速度则取决于指令脉冲的频率。

步进电机不是连续的变化，而是跳跃的，离散的。

步进电机：

脉冲电机，给一个脉冲电机转一下。

它是一种将电脉冲信号转换为角位移的机电式数模（D／A）转换器。

3.1步进电机的工作原理

3.2步进电机控制接口及输出字表

3.3步进电机控制程序

3.4数控系统设计举例——三轴步进电机控制

（1）步进电机的结构：

一句话，内转子和定子构成。

定子：

定子上有绕组，教材上这个电机是三相电机，有3对磁极，实际上步进电机不仅有三相，还有四相、五相等等。

三对磁极分别为A、B、C，通过开关轮流通电。

转子：

上面带齿。

为了说明问题，这里只画了4个齿。

（其实一般有几十个齿）

（2）工作原理：

对于

三相步进电机的A、B、C这

三个开关，每个开关闭合，

就会产生一个脉冲，现在

我们一块看一下工作过程。

①初始状态时，开关A接通，则A相磁极和转子的0、2号齿对齐，同时转子的1、3号齿和B、C相磁极形成错齿状态。

这就相当于初始化。

②当开关A断开，B接通，由于B相绕组和转子的1、3号齿之间的磁力线作用，产生一个扭矩，使得转子的1、3号齿和B相磁极对齐，则转子的0、2号齿就和A、C相绕组磁极形成错齿状态。

③开关B断开，C接通，由于C相绕组和转子0、2号之间的磁力线的作用，使得转子0、2号齿和C相磁极对齐，这时转子的1、3号齿和A、B相绕组磁极产生错齿。

④当开关C断开，A接通后，由于A相绕组磁极和转子1、3号齿之间的磁力线的作用，使转子1、3号齿和A相绕组磁极对齐，这时转子的0、2号齿和B、C相绕组磁极产生错齿。

很明显，这时转子移动了一个齿距角。

如果对一相绕组通电的操作称为一拍，那对A、B、C三相绕组轮流通电需要三拍。

对A、B、C三相轮组轮流通电一次称为一个周期。

从上面分析看出，该三相步进电机转子转动一个齿距，需要三拍操作。

由于按A→B→C→A相轮流通电，则磁场沿A、B、C方向转动了360°

空间角，而这时转子沿ABC方向转动了一个齿距的位置。

在图中，转子的齿数为4，故齿距角90°

，转动了一个齿距也即转动了90°

。

同样的，如果转自由40个齿，则转完一个周期是9°

齿踞角和步踞角：

对于一个步进电机，如果它的转子的齿数为Z，它的齿距角θZ为

θZ=2π／Z=360°

/Z

而步进电机运行N拍可使转子转动一个齿距位置。

步进电机的步距角θ可以表示如下

θ=θZ／N=360°

/（NZ）

其中：

N是步进电机工作拍数，Z是转子的齿数。

对于三相步进电机，若采用三拍方式，则它的步距角是

θ=360°

/（3×

4）=30°

对于转子有40个齿且采用三拍方式的步进电机