第三章機電一體化的

計算機控制技術1學習目標了解計算機控制系統的組成分類了解工業控制計算機的常用類型掌握計算機控制系統的設計內容和步驟難點：計算機控制系統設計2第三章機電一體化的計算機控制技術3.1計算機控制系統概述計算機控制技術是自動控制理論與計算機技術相結合的產物。數字控制系統機電一體化產品與非機電一體化產品的本質區別在于具有計算機控制的伺服系統。同模擬控制器相比，計算機能夠實現更加復雜的控制理論和算法，柔性和抗干擾能力更強。第三章機電一體化的計算機控制技術3一、計算機控制系統的組成計算機控制系統是用計算機(通常稱為工業控制計算機)來實現工業過程自動控制的系統。計算機控制系統由硬件和軟件兩部分組成。硬件一般包括計算機主機，接口電路，輸入輸出通道以及外部設備。第三章機電一體化的計算機控制技術4一、計算機控制系統的組成軟件主要是指支持系統運行并對系統進行管理和控制的程序系統。第三章機電一體化的計算機控制技術5指在進行實際控制時使用的軟件。指在開發、測試控制系統時使用的軟件。軟件實時軟件開發軟件一、計算機控制系統的組成

第三章機電一體化的計算機控制技術6由計算機生產廠家提供的專門用來使用和管理計算機的程序。應用軟件是用戶根據要解決的實際問題而編寫的各種程序。實時軟件系統軟件應用軟件二、計算機控制系統的原理第三章機電一體化的計算機控制技術7模擬控制系統典型結構圖回顧一下模擬控制系統結構二、計算機控制系統的原理計算機控制系統的工作過程分為以下幾個步驟：實時數據采集實時控制決策實時控制輸出上述過程不斷重復，使被控變量穩定在設定值上。第三章機電一體化的計算機控制技術8第三章機電一體化的計算機控制技術9第三章機電一體化的計算機控制技術10第三章機電一體化的計算機控制技術11第三章機電一體化的計算機控制技術12三、計算機控制系統的特點計算機控制系統與連續控制系統相比，具有如下特點：可以實現更復雜的控制規律(主要區別)

具有完善的輸入/輸出通道具有實時控制功能可靠性高具有豐富、完善、能正確反映被控對象運動規律并對其進行有效控制的軟件系統第三章機電一體化的計算機控制技術133.2計算機在控制系統中的應用一、計算機控制系統的分類根據計算機在控制系統中的作用過程控制系統:根據生產流程對設備的狀態數據進行采集與巡回檢測，然后按預定控制規律對生產過程進行控制。伺服系統:以機械量作為被控量，在控制命令指揮下，驅動執行元件，使機械運動部件按照控制指令進行動作。順序控制系統:按照動作的邏輯次序來安排操作順序。數字控制系統:根據零件編程或路徑規劃，由計算機生產數字形式的指令，再驅動機器運動。第三章機電一體化的計算機控制技術14一、計算機控制系統的分類根據計算機在控制中的應用方式操作指導控制系統直接數字控制系統監督計算機控制系統分級計算機控制系統第三章機電一體化的計算機控制技術15操作指導控制系統第三章機電一體化的計算機控制技術16直接數字控制系統(DDC系統)第三章機電一體化的計算機控制技術17它是用一臺計算機對多個被控參數進行巡回檢測，檢測結果與給定值進行比較，并按預定的數學模型進行運算，其輸出直接控制被控對象，使被控參數穩定在給定值上。監督計算機控制系統第三章機電一體化的計算機控制技術18(a）SCC＋模擬調節器系統(b）SCC＋DDC分級計算機控制系統第三章機電一體化的計算機控制技術19生產管理級MIS監督控制級SCC直接數字控制級DDC二、典型的機電一體化控制系統計算機過程控制系統用計算機對溫度、壓力、流量、液面和速度等過程參數進行測量與控制的系統。第三章機電一體化的計算機控制技術20爐溫壓力熱效率二、典型的機電一體化控制系統電動機調速系統第三章機電一體化的計算機控制技術21晶閘管觸發速度調節器電流調節器二、典型的機電一體化控制系統計算機順序控制系統順序控制是使生產過程按預先規定的時序而實現順序動作的自動控制系統。目前這類系統多采用PLC實現控制。第三章機電一體化的計算機控制技術22二、典型的機電一體化控制系統計算機數字程序控制系統數字程序控制系統（數控）一般用于機床控制系統中。數控系統多采用16位或32位工業控制微機系統或多微處理機系統控制。第三章機電一體化的計算機控制技術23二、典型的機電一體化控制系統工業機器人是一種應用計算機進行控制的替代人進行工作的高度自動化系統。第三章機電一體化的計算機控制技術243.3工業控制計算機工業領域中，由于現場存在干擾，環境惡劣，普通計算機在工業現場不能正常運行，需使用適應工業現場的工業控制計算機（簡稱工控機）。它是處理來自傳感器的輸入信息，并把處理結果輸出到執行機構去控制生產過程、同時對生產過程進行監督、管理的計算機系統。并具有較好的抗干擾性和可靠性。第三章機電一體化的計算機控制技術25一、工業控制計算機的基本要求工業控制計算機的應用對象及使用環境的特殊性，決定了要滿足以下基本要求：實時性高可靠性硬件配置的可裝配可擴充性可維護性第三章機電一體化的計算機控制技術26二、工業控制計算機的常用類型單片機可編程控制器（PLC）總線式工業控制機(工業PC機)分布式計算機控制系統第三章機電一體化的計算機控制技術27二、工業控制計算機的常用類型第三章機電一體化的計算機控制技術28三、單片機第三章機電一體化的計算機控制技術29單片機將CPU、RAM、ROM和I/O接口集成在一塊芯片上，同時還具有定時/計數、通訊和中斷等功能的微型計算機。單片機發展經歷了4位、8位、16位、32位、64位機幾個階段，但8位、16位單片機仍占市場主流地位。廣泛用于數顯、數字通信產品、智能化儀表、小型機電產品中。單片的編程與調試不方便，開發周期較長，環境適應性差，同時由于數據處理能力和接口限制，在大型工業控制系統中，一般只能輔助中央計算機系統測試一些信號的數據信息和完成單一量控制。四、可編程控制器第三章機電一體化的計算機控制技術30可編程控制器是一種以微處理器為基礎的通用型自動控制裝置，專為在工業環境下應用而設計。由于最初研制這種裝置的目的是為了解決生產設備的邏輯及開關量控制，故稱為可編程邏輯控制器（簡稱PLC）。PLC采用可編程序的存儲器，在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、計數和算術運算等操作指令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機械和生產過程。五、總線工業控制計算機第三章機電一體化的計算機控制技術31總線工業控制計算機（簡稱總線工控機）是目前工業領域應用相當廣泛的工業控制計算機。特點：

豐富的過程輸入/輸出接口功能

迅速響應的實時功能和環境適應能力

可靠性好

易于維護

便于用戶在短時間內掌握和熟練應用第三章機電一體化的計算機控制技術321、STD總線工控機第三章機電一體化的計算機控制技術33STD總線最早是由美國的Pro-log公司在1978年推出的，是目前國際上工業控制領域最流行的標準總線之一。按STD總線標準設計制造的模塊式計算機系統，稱為STD總線工業控制機。STD標準可支持8位/16位/32位處理機。STD總線工業控制機特點：采用了開放式的系統結構，模塊化設計。其系統組成沒有固定的模式和標準機型，而是提供了大量的功能模板，用戶根據需要，通過對模板的品種和數量的選擇與組合，即可配置成適用于不同工業對象、不同生產規模的生產過程的工業控制機。STD總線工控機系統的構成第三章機電一體化的計算機控制技術34（1）數字量I/O模板（2）模擬量I/O模板（3）信號調理模板（4）CPU模板（5）存儲器模板（6）其它特殊功能模板

在用STD總線進行控制系統設計時，主要硬件設計工作是選擇合適標準化功能模板，并將這些模板通過STD總線連接成所需的控制裝置。軟件設計工作通常只需要開發適用于所設計控制系統的應用軟件即可。2、PC總線工控機第三章機電一體化的計算機控制技術35IBM公司的PC總線微機最初是為了個人或辦公室使用而設計的，它早期主要用于文字處理、或一些簡單的辦公室事務處理。早期產品基于一塊大底板結構（主板），加上幾個I/O擴充槽。主板上具有8088處理器，加上一些存儲器，控制邏輯電路等。加入I/O擴充槽的目的是為了外接一些打印機、顯示器、內存擴充和軟盤驅動器接口卡等。PC/AT總線(ISA總線)采用PC總線工業控制機有許多優點：

支持軟件特別豐富，PC機聯網方便，容易構成多微機控制與管理一體化的綜合系統、分級計算機控制系統和集散控制系統。第三章機電一體化的計算機控制技術363.6計算機控制系統的設計不同產品所需的控制功能、控制形式和動作控制方式也不盡相同。由于采用計算機作為機電系統的控制器，因此其控制系統的設計就是選用計算機、設計接口、選用控制形式和動作控制方式的問題。第三章機電一體化的計算機控制技術37一、計算機控制系統的選擇第三章機電一體化的計算機控制技術38計算機控制系統作為機電產品的核心，必須具備以下基本條件：（1）實時的信息轉換和控制功能，即穩定性好，反應速度快

（2）人機交互功能

（3）機電部件接口的功能

（4）對控制軟件運行的支持功能專業與通用的選擇硬件與軟件的權衡二、計算機控制系統的內容和步驟第三章機電一體化的計算機控制技術39計算機控制系統的設計包括硬件電路設計和軟件設計選擇不同的控制器，硬件電路設計和軟件設計的工作量不同，設計的步驟也略有差異?？刂葡到y應遵照的步驟：確定系統總體控制方案建立數學模型并確定控制算法選擇微型計算機控制系統總體設計軟件設計二、計算機控制系統的內容和步驟第三章機電一體化的計算機控制技術401.確定系統總體控制方案了解被控對象的控制要求，構思計算機控制系統的整體方案考慮執行元件采用何種方式考慮是否有特殊控制要求，對于具有高可靠性、高精度和快速性要求的系統，應采取哪些措施考慮計算機在整個控制系統的作用初步估算成本二、計算機控制系統的內容和步驟第三章機電一體化的計算機控制技術412.建立數學模型并確定控制算法對任何一個具體計算機控制系統進行分析、綜合或設計，首先應建立該系統的數學模型，并確定控制算法。數學模型：系統動態特性的數學表達式。它反映了系統輸入內部狀態和輸出之間的數量和邏輯關系。這些關系式為計算機進行運算提供了依據，即由數學模型推出控制算法。計算機控制:按照規定的控制算法進行控制。二、計算機控制系統的內容和步驟第三章機電一體化的計算機控制技術423.選擇微型計算機小系統，一般監視控制量為開關量和少量數據信息的模擬量，可采用單片機或PLC；數據處理量大的系統，往往采用基于各類總線結構的工控機；多層次、復雜的機電系統，采用分級分布式控制系統。根據各級及控制對象的特點，可分別采用單片機、PLC、總線工控機和微型計算機來完成不同的功能。二、計算機控制系統的內容和步驟第三章機電一體化的計算機控制技術433.選擇微型計算機對于給定的任務，選擇計算機的方案不是唯一的，從控制的角度出發，計算機應能滿足具有較完善的中斷系統、足夠的存儲容量、完善的輸入/輸出通道和實時時鐘等要求。從不同被控對象角度出發，還應考慮幾個要求字長速度指令二、計算機控制系統的內容和步驟第三章機電一體化的計算機控制技術444.控制系統總體設計系統總體設計主要是對系統控制方案進行具體實施步驟的設計，其主要依據是上述的整體方案初框圖、設計要求及選用的計算機類型，通過設計要畫出系統的具體構成框圖。接口設計通道設計操作臺設計除此以外還應考慮硬件與軟件功能的分配和協調、可靠性設計。二、計算機控制系統的內容和步驟第三章機電一體化的計算機控制技術455.軟件設計計算機控制系統軟件主要分成兩大類：系統軟件和應用軟件。軟件設計主要是應用軟件設計應用軟件要求：實時性、針對性、靈活性、通用性應用軟件設計方法：模塊化程序設計法結構化程序設計法二、計算機控制系統的內容和步驟第三章機電一體化的計算機控制技術466.系統調試調試步驟：硬件調試-軟件調試-系統調試硬件調試包括對元器件的篩選及老化、印刷電路板制作、元器件的焊接及實驗，安裝完畢要經過連續拷機運行軟件調試主要是指在計算機上把各模塊分別進行調試，使其正確無誤，然后固化在EPPOM中系統調試把硬件和軟件結合起來，進行模擬實驗，正確無誤后進行現場試驗，直至正常運行為止。設計實例1：鍋爐計算機控制系統設計一、工業鍋爐介紹常見的鍋爐設備的主要工藝流程如下圖所示：1．鍋爐的主要設計參數蒸發量：10t/h，主蒸汽壓力：13×105Pa主蒸汽溫度：350℃，給水溫度：60~105℃熱風溫度：170℃，冷風溫度：20℃排煙溫度：180℃，設計效率：78%

燃料和熱空氣按一定比例送入燃燒室燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發生系統，產生飽和蒸汽Ds。然后經過熱器，形成一定溫度的過熱蒸汽D，匯集至蒸汽母管。壓力為Pm的過熱蒸汽，經負荷設備控制供給負荷設備用。與此同時，燃燒過程中產生的煙氣，除將飽和蒸汽變為過熱蒸汽外，還經省煤器預熱鍋爐給水和空氣預熱器預熱空氣，最后經引風機送往煙囪，排入大氣。

鍋爐設備是一個復雜的控制對象，主要的輸入變量是負荷、鍋爐給水、燃料量、減溫水、送風和引風等，如下圖所示。

主要輸出變量是汽包水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛負壓、過?？諝猓煔夂趿浚┑?。這些輸入變量與輸出變量之間相互關聯。如果蒸汽負壓發生變化，必將會引起汽包水位、蒸汽壓力和過熱蒸汽溫度等的變化；燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力，同時還會影響汽包水位、過熱蒸汽溫度、過剩空氣和爐膛負壓；給水量的變化不僅影響汽包水位，而且對蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度等亦有影響；等等。

鍋爐是一個典型的多變量對象，要進行自動控制，對多變量對象可按自治的原則和協調跟蹤的原則加以處理。目前，鍋爐控制系統大致可劃分為三個控制系統：鍋爐燃燒控制系統、鍋爐給水控制系統和過熱蒸汽溫度控制系統。2、鍋爐計算機控制系統組成燃燒過程控制系統（1）燃燒過程控制任務鍋爐的燃燒過程是一個能量轉換和傳遞的過程，其控制目的是使燃料燃燒所產生的熱量適應蒸汽負荷的需要（常以蒸汽壓力為被控變量）；使燃料與空氣量之間保持一定的比值，以保證最佳經濟效益的燃燒（常以煙氣成分為被控變量），提高鍋爐的燃燒效率；使引風量與送風量相適應，以保持爐膛負壓在一定的范圍內。（2）燃燒過程控制系統設計方案在多變量對象中，調節量和被調量之間的聯系不都是等量的，也就是說，對于一個具體對象而言，在眾多的信號通道中，對某一個被調量可能只有一個通道對它有較重要的影響，其它通道的影響相對于主通道來說可以忽略。根據自治原則簡化鍋爐燃燒控制系統，可將其大致分為三個單變量控制系統：燃料量—汽壓子系統、送風量—過量空氣系數子系統以及引風量——爐膛負壓子系統。不少多變量系統可以利用自治原則來進行簡化，但并不是分解成多個單回路控制系統后，問題就全部解決。因為各回路之間往往還存在著聯系和要求，必須在設計中加以考慮。協調跟蹤的原則，就是在多個單回路基礎上，建立回路之間相互協調和跟蹤的關系，以彌補用幾個近似單變量對象來代替時所忽略的變量之間的關聯。

此例中，鍋爐燃燒過程的上述三個子系統間使彼此仍有關聯。首先考慮到燃料量與送風量子系統間應滿足以下兩點:①鍋爐燃燒過程中燃料量與空氣（送風）量之間應保持一定比例，實際空氣（送風）量大于燃料需要空氣量，他們之間存在一個最佳空燃比（最佳過?？諝庀禂担│?，即一般情況下，α＞1。②為了保持在任何時刻都有足夠的空氣以實現完全燃燒，當熱負荷增大時，應先增加送風量，后增加燃料量；若熱負荷減少時，應先減少燃料量，再減少送風量。

為了滿足上述兩點要求，在這兩個單回路的基礎上，建立交叉限制協調控制系統，如下圖所示其中，Wm1（s）和Wm2（s）是燃料量和送風量測量變送器的傳遞函數

假設它們都是比例環節，則Wm1（s）=K1，Wm1（s）=K2。由此可得到最佳空燃比α與空氣量、燃料量測量信號IV和IB之間的關系如下：設

則假設機組所需負荷的信號為IQ，當系統處于穩態時，則有：設定值r1=IQ=IV/β=IB設定值r2=βIQ=βIB=IV即IQ=IB；IV=βIB

表明系統的燃料量適合系統的要求，而且達到最佳空燃比。進一步分析可知，燃料量控制子系統的任務在于，使進入鍋爐的燃料量隨時與外界負荷要求相適應，維持主壓力為設定值。為了使系統有迅速消除燃料側自發擾動的能力，燃料量控制子系統大都采用以主汽壓力為主參數、燃料量為副參數的串級控制方案。

在大型機組的送風系統中，一、二次風通常各采用兩臺風機分別供給，鍋爐的總風量主要由二次風來控制，所以這里的送風控制系統是針對二次風控制而言的。送風子控制系統的最終目的是達到最高的鍋爐熱效率，保證經濟性。為保持最佳過?？諝庀禂郸?，必須同時改變風量和燃料量。α是由煙氣含氧量來反映的。因此常將送風控制系統設計為帶有氧量校正的空燃比控制系統，經過燃料量與送風量回路的交叉限制，組成串級比值的送風系統。結構上是一個有前饋的串級控制系統，如下圖所示。它首先在內環快速保證最佳空燃比，至于給煤量測量不準，則可由煙氣中氧量作串級校正。當煙氣中含氧量高于設定值時，氧量校正調節器發出校正信號，修正送風量調節器設定，使送風調節器減少送風量，最終保證煙氣中含氧量等于設定值。蒸汽流量+O2氧量D1+DDC數字控制器限幅D/A滑差電機工業鍋爐生產過程變送器A/D開方蒸汽流量D1壓力補償O2最佳氧量負荷線

δ1

通氣閥開度O2探頭變送器A/D－+

圖9－3鍋爐燃燒調節系統方框圖爐膛負壓控制系統的任務在于調節煙道引風機導葉開度，以改變引風量；保持爐膛負壓為設定值，以穩定燃燒，減少污染，保證安全。除燃燒過程之外，還有鍋爐給水控制系統、蒸汽溫度控制系統。

鍋爐給水控制系統任務是考慮汽包內部的物料平衡，使給水量適應蒸發量，維持汽包水位在規定的范圍內，實現給水全程控制。給水控制也稱為汽包水位控制。被控變量是汽包水位，操縱變量是給水量。

蒸汽溫度控制系統維持過熱器出口溫度在允許范圍內，并保證管壁溫度不超過允許的工作溫度。被控變量一般是過熱器出口溫度，操縱變量是減溫器的噴水量。3、鍋爐計算機控制系統的實現（1）系統總體方案確定工業鍋爐計算機控制系統結構框圖如下所示：2．系統硬件設計工業鍋爐計算機控制系統硬件結構如圖9-4所示。4~20mA4~20mA32路A/D16路熱電阻4路D/A16路開