第二章计算机检测与控制系统

1、武汉理工大学 材料学院 School of Materials Science and Technology Wuhan University of Technology计算机在材料科学与工程中的应用叶卫平叶卫平第二章计算机检测与控制系统第二章计算机检测与控制系统 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/本本 章章 要要 点点检测与控制系统组成和特点检测与控制系统组成和特点现代测试系统基本结构与类型现代测试系统基本结构与类型计算机测控系统基础计算机测控系统基础计算机加热炉温度控制计算机加热炉温度控制渗碳过程

2、系统控制渗碳过程系统控制 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.1 2.1 检测与控制系统组成和特点检测与控制系统组成和特点输入部分输入部分 由传感器、放大由传感器、放大( (变送变送) )器和器和A/DA/D转换器等环节组成转换器等环节组成输出部分输出部分 由由D/AD/A转换器、信号调节器、控制执行器及接口电路转换器、信号调节器、控制执行器及接口电路自动控制示意图自动控制示意图检测与控制系统的组成检测与控制系统的组成1 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算

3、机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.1 2.1 检测与控制系统组成和特点检测与控制系统组成和特点计算机控制系统分类计算机控制系统分类2DDCDirect Digital Control SCC Supervisory Computer ControlDCS Distribution Control System 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.1 2.1 检测与控制系统组成和特点检测与控制系统组成和特点开环控制系统开环控制系统(open-loop control system)

4、计算出最优操作条件及操作方案，操作人员直接操作执行机构。 指被控对象的输出(被控制量)对控制器的输出没有影响。 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.1 2.1 检测与控制系统组成和特点检测与控制系统组成和特点闭环控制系统闭环控制系统(closed-loop control system)特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2

5、.1 2.1 检测与控制系统组成和特点检测与控制系统组成和特点闭环控制系统闭环控制系统(closed-loop control system)Eg. 加热炉温度自动控制系统 控制器（微机控制装置）执行器（加热器）被控对象（加热炉）被控量（炉内温度）给定量（设定的温度）检测装置（热电偶）控制量（电压）比较器 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.1 2.1 检测与控制系统组成和特点检测与控制系统组成和特点闭环控制系统闭环控制系统(closed-loop control system)Eg.电冰箱温度控制

6、系统 控制器（控制装置）执行器（制冷装置）被控对象（电冰箱）被控量（冰箱实际温度）给定量（设定的温度）检测装置（冰箱温控装置）控制量（制冷量）比较器 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.1 2.1 检测与控制系统组成和特点检测与控制系统组成和特点分布式控制系统分布式控制系统(distributed control system)由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路，同时又可集中获取数据、集中管理和集中控制的自动控制系统 。 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第

7、二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.1 2.1 检测与控制系统组成和特点检测与控制系统组成和特点分布式控制系统分布式控制系统(distributed control system)Eg.炼钢生产过程 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.1 2.1 检测与控制系统组成和特点检测与控制系统组成和特点分布式控制系统分布式控制系统(distributed control system)Eg.轧钢生产过程 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算

8、机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.1 2.1 检测与控制系统组成和特点检测与控制系统组成和特点测控计算机选择测控计算机选择3单片单片微型计算微型计算机机(Single Chip Microcomputer) 它将组成微型计算机所必须部件（它将组成微型计算机所必须部件（CPU、ROM、RAM、I/O接口接口等等）集成在一个超大规模集成电路芯片上）集成在一个超大规模集成电路芯片上。 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.1 2.1 检测与控制系统组成和特点检测与控制系统组成和特点测控计

9、算机选择测控计算机选择3可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器(Programmable Logical Controller)PLC是以微处理器为核心的电子系统，它是在继电器控制和计算机是以微处理器为核心的电子系统，它是在继电器控制和计算机控制的基础上发展而来的一种新型工业自动控制装置。控制的基础上发展而来的一种新型工业自动控制装置。 PLC的的过程控制过程控制是指对温度、压力和流量等模拟量的闭环控制。是指对温度、压力和流量等模拟量的闭环控制。 STD总线工业控制机总线工业控制机工业工业PC机机 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检

10、测与控制系统 http:/2.2 2.2 现代测试系统基本结构现代测试系统基本结构基本型基本型1传感器1传感器2传感器n信号调理数据采集卡信号调理信号调理计算机输出、绘图显示、打印参量1参量2参量n.信号获取信号放大、预滤波量程切换、分时采样、A/D、D/A转换等控制中枢智能传感器集成仪器 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.2 2.2 现代测试系统基本结构现代测试系统基本结构标准通用接口型标准通用接口型2 GPIB ( General Purpose Interface Bus )，是采用通用接口

11、总线的仪器系统基于基于GPIB通信的通信的VXI检测系统检测系统 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.2 2.2 现代测试系统基本结构现代测试系统基本结构标准通用接口型标准通用接口型2 VXI ( VME Bus Extension for Instrumentation ) ，是采用高速计算机总线VME，在仪器领域扩展的新一代标准总线模块化仪器系统。VXI嵌入式嵌入式CPU检测系统检测系统 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控

12、制系统 http:/2.2 2.2 现代测试系统基本结构现代测试系统基本结构标准通用接口型标准通用接口型2 PXI ( PCI Extension for Instrumentation ) ，是采用计算机总线，在仪器领域扩展的总线模块化仪器系统。PXI总线检测系统 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.2 2.2 现代测试系统基本结构现代测试系统基本结构测试技术的发展趋势测试技术的发展趋势3微型化，微型化，MEMS器器网络化，总线技术、网络化，总线技术、Internet软件化，软件化，“软件即是仪器

13、软件即是仪器”集成化，系统集成、仪器集成集成化，系统集成、仪器集成智能化智能化，计算机计算机、微处理器微处理器 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.32.3计算机测控系统基础计算机测控系统基础传感器传感器(sensor)1能感受能感受规定的被测量规定的被测量并按并按一定的规律一定的规律转换成转换成可用输出信号可用输出信号的器件或装置。的器件或装置。材料工程中常用传感器材料工程中常用传感器检测对象检测对象种类种类使用范围使用范围温度温度热电偶热电偶/热电阻热电阻中、高中、高/低温度低温度力力拉压传感器

14、拉压传感器压力，力性压力，力性位移位移电阻器电阻器,引伸计引伸计速度，转速，角度速度，转速，角度气氛气氛红外仪，氧探头红外仪，氧探头碳势，氮势碳势，氮势光光光敏元件光敏元件定量金相，定量金相，电化学电化学离子选择电极离子选择电极pH, 电导率电导率敏感元件传感元件转换电路非电量电参量电量被测量 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.32.3计算机测控系统基础计算机测控系统基础12Tf采样及其处理采样及其处理2 A/D转换包括转换包括采样和量化两个过程采样和量化两个过程；采样采样是将时域上连续变化的信号

15、变为是将时域上连续变化的信号变为时域上离散的信号；时域上离散的信号；量化量化是将幅值可连续变化的信号变为离散值。是将幅值可连续变化的信号变为离散值。采样形式（采样形式（周期采样）周期采样,即tk+1-tk=常量；f(采样频率)连续量连续量采样（离散化）采样（离散化）量化（数字化）量化（数字化） 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.32.3计算机测控系统基础计算机测控系统基础采样及其处理采样及其处理2采样周期参考值物理量物理量采样周采样周期期/s备注备注流量流量1-5优选优选1-2压力压力3-10优选

16、优选6-8液面液面6-8温度温度15-20成份成份15-20采样示意图 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.32.3计算机测控系统基础计算机测控系统基础启动A/D转换信号延时等待A/D转换结束采样读取数据(1)延时采样启动A/D转换信号采样读取数据(2)查询采样查询A/D转换结束？NY等待采样及其处理采样及其处理2采样方式（采样方式（延时、查询和中断方式采样）启动A/D转换信号A/D转换结束由接口发出中断请求(3)中断方式等待中断CPU响应中断执行中断服务程序 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在

17、材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.32.3计算机测控系统基础计算机测控系统基础YnynyYnyny|1|1|采样及其处理采样及其处理2数字滤波（数字滤波（限幅滤波、算术平均、中位值法和延迟数字滤波法nyny1限幅滤波算术平均 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.32.3计算机测控系统基础计算机测控系统基础A/D(Analog/Digital)转换转换3D/A (Digital/Analog)转换转换4被控对象执行结构D/A转换计算机多路转换

18、开关放大器控制或检测模拟量采样保持A/D转换计算机 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.32.3计算机测控系统基础计算机测控系统基础传感器传感器信号处理信号处理A/DD/A计算机计算机显示显示检测检测预处理预处理转换转换调理调理界面界面数字量数字量模拟量模拟量信号处理信号处理模模拟拟世世界界数据采集系统和外部模拟世界的关系数据采集系统和外部模拟世界的关系 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.42.4计算机

19、加热炉温度控制计算机加热炉温度控制温度控制系统构成温度控制系统构成14集中控制各工艺参数集中控制各工艺参数可靠性可靠性高，精度高精度高抗干扰性好抗干扰性好可调节参数范围宽可调节参数范围宽 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.42.4计算机加热炉温度控制计算机加热炉温度控制温度控制系统构成温度控制系统构成1D(z)G(s)D/A放大与伺服电动机A/D温度检测与变换计算机温度设定值炉温温度控制系统示意图温度控制系统示意图 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检

20、测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.42.4计算机加热炉温度控制计算机加热炉温度控制温度测量温度测量2非线性补偿非线性补偿A/D转换器精度转换器精度Eg. 镍铬-镍硅热电偶热电势,在273K时为0 mV, 1473K时为48.81mV。使用8位A/D转换器能把1473K以下的热电势256等分。其最小分辨率为48.81/256=0.19mV, 约为5K,若用12位A/D转换器,其最小分辨率为48.81/4096=0.012mV,约为0.3K,因此,若要高精度测量温度,需使用高位数的A/D转换器。 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与

21、控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.42.4计算机加热炉温度控制计算机加热炉温度控制温度控制温度控制2PID 控制控制积分分离积分分离PID控制控制(Proportional Plus Integral Derivative Action)积分分离与一般积分分离与一般PID温度控制温度控制 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.52.5渗碳过程系统控制渗碳过程系统控制渗碳过程控制渗碳过程控制1井式渗碳炉工作过程示意图井式渗碳炉工作过程示意图采用微机实时、精确地控制加热设备和温度、碳势、渗碳时

22、间等主要参数，便可达到对工艺过程的良好控制。 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.52.5渗碳过程系统控制渗碳过程系统控制渗碳过程控制渗碳过程控制1渗碳过程中的控制参数渗碳过程中的控制参数炉温炉温碳势碳势渗层深度渗层深度 n=(E/0.144T)-5Cg式中式中CgCg为气氛中的碳势；为气氛中的碳势；E E为氧化锆探头输出毫伏数；为氧化锆探头输出毫伏数；T T为绝对温度为绝对温度渗碳时间渗碳时间 增量式增量式PIDPID模型模型 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第

23、二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.52.5渗碳过程系统控制渗碳过程系统控制渗碳过程控制渗碳过程控制1根据气体渗碳工艺要求，应该对炉温、碳势、渗碳时间、机械动作等进行实时控制。本系统由1台上位机和4台下位机组成。下位机完成数据采集、处理，输出控制信号，参数设定与修改，显示，声光报警及与上位机通信联络等功能；上位机则需将下位机所有信息进行综合处理。 计算机控制系统计算机控制系统 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.52.5渗碳过程系统控制渗碳过程系统控制渗碳过程计算机控制系统

24、渗碳过程计算机控制系统1 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.52.5渗碳过程系统控制渗碳过程系统控制渗碳过程计算机控制系统渗碳过程计算机控制系统1 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.52.5渗碳过程系统控制渗碳过程系统控制渗碳过程计算机控制系统渗碳过程计算机控制系统1 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.5

25、2.5渗碳过程系统控制渗碳过程系统控制渗碳过程计算机控制系统渗碳过程计算机控制系统1 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.52.5渗碳过程系统控制渗碳过程系统控制渗碳过程计算机控制系统渗碳过程计算机控制系统1 计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用 第二章第二章计算机检测与控制系统计算机检测与控制系统 http:/2.52.5渗碳过程系统控制渗碳过程系统控制)4(),(2)3(),()2(),(21) 1 (),(2424222222224243222/122212TPfPPCKCCHCHTPPfPPPCKCCOHHCOTPfPPCKCCOCOTPfPPCKCCCOCOCHHCHsatppCOOHOHHCOsatppOOCOsatppCOCOCOsatpp碳势控制原理碳势控制原理2satpcCCa 结论结论：当温度一定，碳势Cp与炉气CO2，H2O，O2，CH4，CO，