《材料成型设备及控制》计算机控制系统概述

计算机控制系统

《材料成型设备及控制》

授课日期授课学时授课方式授课内容22222

2222讲课讲课讲课讲课讲课讲课讲课讲课讲课第二章计算机控制系统（10学时）

§2-1计算机控制系统概述

§2-2数字控制系统与数字PID控制器

§2-3PLC与工控机组成与特点

§2-4微机控制程序设计

§2-5微机控制系统设计第五章液态成形设备（8学时）

§5-1常用液态成形设备简介

§5-2压铸机原理与控制系统

§5-3铸造自动化生产线

§5-4先进液态金属成形设备进展授课时间与内容——共9次课1、课堂提问成绩比例：20%（点名或课堂提问或随堂小测）2、课程大作业内容及成绩比例：10％

（1）根据不同功能要求，设计压力控制回路:2.5%

（2）根据不同功能要求，设计速度控制回路:2.5%

（3）简述PID得几种整定过程，并根据响应曲线，进行PID参数的整定:2.5%

（4）根据差压铸造过程的要求，设计控制方案（根据气路图设计控制方案）:2.5%3、课程实验成绩比例：20％4、结课考试方式及成绩比例：开卷考试，50％成绩分配点滴积累知识更扎实、考试突击一知半解。加大了平时成绩份额。教学内容简介2.1计算机控制系统概述（2学时）基本概念—组成—特点—优点应用—分类—发展与趋势2.2数字控制理论与PID控制器（2学时）信号基础知识—数学描述—设计方法

PID控制及其算法第2章计算机控制系统教学内容简介2.3工控机的硬件组成与可编程控制器（2学时）工控机的特点、组成与总线结构（实例）PLC特点、结构、原理与语言2.4微机控制程序（软件）设计（2学时）组成与功能数据结构与数据库软件设计教学内容简介2.5微机控制系统设计（2学时）原则与步骤可靠性技术设计实例（电阻炉控温）教学参考书1、《计算机控制系统》，高金源、夏洁等，清华大学出版社2、《计算机控制系统》，张德江等，机械工业出版社3、《计算机控制系统》，刘士荣等，机械工业出版社2.1计算机控制系统概述2.1计算机控制系统概述授课要点：1、计算机控制系统的概念及组成一些基本概念：自动控制系统、连续系统、计算机系统计算机系统的组成：硬件组成、软件组成等2、计算机控制系统的特点过程特点结构特点系统的优、缺点3、计算机控制系统分类和发展操作指导控制系统、直接数字控制系统、计算机监督控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统、工业过程计算机集成制造系统2.1.1计算机控制系统一般概念定义：在无人直接参与条件下，使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序自动进行的系统组成：被控对象、监测传感装置、控制器、执行机构等

自动控制系统如：空调的自动控制

被控对象：空调系统（压缩机、风扇等）监测传感装置：温度检测热电偶控制器：空调电脑（分析、输出控制命令的）执行机构：可控硅、接触器

——通过信号传递来实现控制2.1.1计算机控制系统一般概念电炉的自动控制系统组成UVW空气开关接触器模块加热体触点被控对象监测传感装置控制器执行机构2.1.1计算机控制系统一般概念分类：按控制原理分开环控制、闭环控制按控制形式分在线控制、离线控制、实时控制等按控制器类型分连续控制、数字控制按参于控制方式分直接控制、监督控制、多级控制等

按调节规律分程序控制、PID控制、自学习控制等

自动控制系统自动控制系统是实现自动化的主要手段。自动控制系统发展经历：由简单到复杂；由连续到数字；由单级到多级2.1.1计算机控制系统一般概念开环控制系统，按时序进行逻辑控制；输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都比较差。由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。主要应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自动线。闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。闭环控制系统又称反馈控制系统。在线控制只要计算机对受控对象或受控生产过程,能够行使直接控制,不需要人工干预的都称之为控制计算机在线控制或称联机控制系统.离线控制控制计算机没有直接参于控制对象或受控生产过程.它只完成受控对象或受控过程的状态检测,并对检测的数据进行处理；而后制定出控制方案,输出控制指示,操作人员参考控制指示,人工手动操作使控制部件对受控对象或受控过程进行控制。这种控制形式称之为计算机离线控制系统。实时控制系统控制计算机实时控制系统是指受控制的对象或受控过程,每当请求处理或请求控制时,控制机能及时处理并进行控制的系统,常用在生产过程是间断进行的场合.如炼钢,每炼一炉钢是一个过程;又如轧钢过程,每轧出一块钢算一个过程,每个过程都重复进行。只有进入过程才要求计算机进行控制。在计算机一旦进行控制时,就要求计算机对来自生产过程的信息在规定的时间内作出反应或控制。这种系统常使用完善的中断系统和中断处理程序来实现。综上所述,一个在线系统并不一定是实时系统。但是一个实时系统必是一个在线系统。

2.1.1计算机控制系统一般概念直接数字控制系统由控制计算机取代常规的模拟调节仪表而直接对生产过程进行控制，由于计算机发出的信号为数字量，故得名DDC控制。计算机监督控制系统是针对某一种生产过程,依据生产过程的各种状态,按生产过程的数学模型计算出生产设备应运行的最佳给定值,并将最佳值自动地或人工对DDC执行级的计算机或对模拟调节仪表进行调正或设定控制的目标值.由DDC或调节仪表对生产过程各个点(运行设备)行使控制.计算机多级控制系统（见图）由直接数字控制系统、计算机监督控制系统和管理信息系统三级组成。程序控制：如果计算机控制系统是按着预先规定的时间函数进行控制,这种控制称之为程序控制.如炉温按着一定的时间曲线进行控制就为程序控制。这里的程序是指随时间变化就有确定对应变化值,而不是计算机所运行的程序。比例--积分--微分PID控制：常规的模拟调节仪表可以完成PID控制。用微型计算机也可以实现PID控制自学习控制系统：如果用计算机能够不断地根据受控对象运行结果积累经验,自行改变和完善控制规律,使控制效果愈来愈好,这样的控制系统被称为自学习控制系统。开环控制：无反馈，控制量与输出量仅有向前的通路

特点：结构简单、成本低、维护容易、不存在稳定性问题；

不会自动消除控制系统误差和补偿干扰2.1.1计算机控制系统一般概念开环和闭环控制系统闭环控制：也叫反馈控制，根据反馈信号与设定值的偏差产生控制量，逐渐消除偏差

特点：2.1.1计算机控制系统一般概念开环和闭环控制系统2.1.1计算机控制系统一般概念人工闭环控制2.1.1计算机控制系统一般概念自动闭环控制2.1.1计算机控制系统一般概念控制器执行机构被控对象检测装置r(t)+给定值e(t)-

偏差u(t)

控制量y(t)

连续控制系统典型结构图特征：信号为运动状态和特性可用微分方程描述

硬件为模拟量器件，控制器、执行机构、检测装置只能处理和输出连续的模拟量信号

连续控制系统连续模拟信号时间连续：任何时刻都有数值幅值连续：可以是任何大小的数值2.1.1计算机控制系统一般概念模拟式火炮控制系统

连续控制系统被控对象执行机构检测机构检测机构控制器I控制器II指导性控制器设定信号外部信号控制器I：实现对角度的控制，实际角度与设定角度偏差越大，输出的值越大。控制器II：对电机转速进行控制，防止电机转动过快。由硬件和电路构成计算机控制系统典型结构图y(t)

CPU等D/A被控对象r(t)+给定值e(t)-

偏差u(t)

控制量执行机构A/D测量变送计算机生产过程特征：

1）计算机代替连续系统的控制器工作

2）连续和数字混合信号系统

3）需要信号变换2.1.1计算机控制系统一般概念计算机控制系统——数字控制系统过程：1）数据采集：对控制量进行采样测量，形成反馈信号，模/数信号变换；

2）计算控制量：根据反馈和设定信号，按一定规律计算控制量，数/模信号变换；

3）输出控制信号：向执行机构发出控制信号

4）不断重复执行以上工作，实现连续控制。2.1.1计算机控制系统一般概念计算机控制系统火炮位置计算机控制系统数字控制器模拟控制器数字控制器：接受角度反馈信息，分析处理，输出角度的控制指令，模拟控制器：与连续系统的控制器II相同，防止电机转动过快。设定信号外部信号指导性控制器检测机构检测机构执行机构数字信号模拟信号2.1.1计算机控制系统一般概念计算机控制系统:通俗讲：利用计算机的硬件和软件代替连续控制系统的控制器(ComputerControlSystem，简称CCS)定义：计算机参与控制，借助一些辅助部件与被控对象产生联系，为获得一定控制目的而构成的系统。

计算机：指数字计算机；辅助部件：输入输出接口、检测装置和执行装置等

产生联系：电缆或无线，传递信息；控制目的：使被控对象的状态或运动过程达到某种要求。数值计算快速强大逻辑判断快速准确计算机常规控制策略复杂控制策略其他辅助功能可实现计算机控制系统2.1.2计算机控制系统的组成计算机控制系统硬件软件计算机系统硬件：主机、输入输出通道、外部设备生产过程装置：测量变送单元、执行机构、被控对象系统软件：操作系统、开发系统、诊断系统应用软件：过程监视、过程控制、公共服务等程序数据库：用于调用、显示和查询★★★

控制系统结构连续控系统只由硬件组成；计算机控制系统却包括硬件和软件两部分组成。是计算机的灵魂，硬件的工作，靠软件来指挥，没有软件硬件无法工作2.1.2计算机控制系统的组成计算机人机联系设备通用外部设备接口A/D接口D/A接口接口多路开关多路开关生产对象开关量开关量测量变送测量变送测量变送………执行机构执行机构执行机构………外部设备主机输入输出通道生产过程装置计算机控制系统硬件组成框图

硬件组成图2.1.2计算机控制系统的组成主机：由CPU、内存储器（RAM和ROM）通过系统总线连接而成。

采集获取被控对象的工况信息；按控制算法自动进行信息处理、分析和计算；做出控制决策，并发出指令对被控对象进行控制。输入输出通道：是计算机和生产对象之间信息交换的桥梁和纽带A/D转换器：将连续模拟信号转换为断续的二进制信号；D/A转换器：将计算机产生的数字指令信号转换为连续的模拟信号，并传递给执行机构，控制执行机构；开关量：生产对象的通断状态，是数字量

计算机系统硬件随机存取记忆体唯读记忆体AnalogandDigital2.1.2计算机控制系统的组成外部设备：是实现计算机和外界信息交换的设备。包括人机联系设备、输入输出设备和外界存储器。人机联系设备:

也叫人机界面或操作台，具备三个功能：显示功能：即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；

启动和停止功能：有开关按钮，完成系统的启动和停止；保护功能：保证即使操作出错，也不会造成恶劣后果

计算机系统硬件2.1.2计算机控制系统的组成

计算机系统硬件手动控制台计算机人机界面系统外部设备：人机联系设备2.1.2计算机控制系统的组成外部设备：是实现计算机和外界信息交换的设备。输入输出设备：包括：键盘、鼠标、打印机、显示终端等；输出字符、图形、表格等，可以反映被控对象运行工况和相关的控制信息。外存储器：包括：磁盘、光盘等；用来存程序、数据库、备份重要数据，同时具有输入输出功能。网络通信设备：与其他计算机进行联网通信，形成规模更大、功能更强的网络计算机控制系统。

计算机系统硬件2.1.2计算机控制系统的组成测量变送单元：测量各类信息的相应检测元件和变送器。绝大多数被检参数为非电量，如：温度、压力等，需要由检测元件测量，同时转换为电量传送给计算机。传感器SENSOR:

是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的输出，满足信息的传输、存储、显示、记录和控制要求。变送器transmitter：当信号变换器与传感器做成一体时，输出为规定标准信号的传感器。

生产过程装置2.1.2计算机控制系统的组成

生产过程装置扭矩传感器位移传感器压力传感器温度传感器温度变送器压力变送器2.1.2计算机控制系统的组成执行机构：接受计算机的控制信号，产生相应的控制动作，使被控对象按要求运行。通常包括：电动、液压或气动阀门、伺服电机、步进电机、晶闸管元件等。被控对象：熔炉、运动机构、机械系统被控参数：温度、压力、速度、角度、位置、流量

生产过程装置2.1.2计算机控制系统的组成

生产过程装置步进电机伺服电机电动阀门气动阀门可控硅接触器2.1.2计算机控制系统的组成系统软件：是计算机通用性、支持性软件是为用户使用、管理、维护计算机提供方便的程序是开发应用软件的工具，不需要自己设计

软件组成：系统软件、应用软件、数据库

操作系统：管理计算机的硬件设备，使应用软件能方便、高效地使用这些设备。常见的有：DOS、WINDOWS、UNIX、OS/2等具有管理程序、磁盘操作程序、监控程序等功能包括：操作系统、数据库管理系统、各类计算机语言编译和调试系统、诊断程序和网络通信等软件2.1.2计算机控制系统的组成开发系统：用于编译调试的系统软件

语言处理程序：由汇编程序、编译程序、解释程序和相应的操作程序等组成。它是为用户设计的编程服务软件，其作用是将高级语言源程序翻译成计算机能识别的目标程序。高级语言系统：其语法和结构更类似普通英文，且由于远离对硬件的直接操作。Fortran、Pascal、Cobol、C、C++、Basic等数据管理程序：有组织地、动态地存贮大量数据，使人们能方便、高效地使用这些数据。现在比较流行的数据库有FoxPro、DB-2、Access、SQL-server等。

软件组成：系统软件、应用软件、数据库系统软件：2.1.2计算机控制系统的组成应用软件：用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序，涉及被控对象的自身特征和控制策略。包括：

软件组成：系统软件、应用软件、数据库过程监视程序：包括巡回检查程序、数据处理程序、上下限检查及报警程序、操作面板服务程序、判断程序、过程分析程序等过程控制计算程序：包括控制算法程序、事故处理程序、信息管理程序（信息生成调度、文件管理、输出、打印、显示）公共服务程序：包括基本运算程序、函数运算程序、数码转换程序、格式编码程序等2.1.2计算机控制系统的组成数据库：存储在一起的相关数据的集合，这些数据是结构化的，无有害的或不必要的冗余，并为多种应用服务。

软件组成：系统软件、应用软件、数据库特点：尽可能不重复；以最优方式为某个特定组织的多种应用服务数据结构独立于使用它的应用程序对数据的增、删、改和检索由统一软件进行管理和控制是按照数据结构来组织、存储和管理数据的仓库。2.1.2计算机控制系统的组成系统的组成实例电阻炉控温系统的组成框图键盘/显示器存储器报警电路电源电路A/D转换电路变送器1热电偶1变送器2热电偶2变送器8热电偶8……固态继电器1固态继电器2固态继电器8…电阻炉1电阻炉2电阻炉8……AT89C51P1.0P1.1P1.7过零检测电路2.1.3计算机控制系统的特点计算机控制过程特点——实时性实时数据采集

每个采样时间间隔内，实现对被控参数的瞬时值进行检测和采集，并即时传递给计算机；计算机了解每个采样周期内的运行状态。实时决策

在下个采样周期到来之前，计算机按给定的算法，对本周期采集的信息进行决策，实时生成控制指令；实时控制在下个采样周期到来之前，根据做出的决策，通过D/A，即时地向被控对象发出控制信号，执行机构即时做出响应。实时管理在下个采样周期到来之前，即时监督管理（如报警、中断等）★★★计算机对来自生产过程的信息在规定的时间内作出反应或控制；信号的输入、分析判断和输出都在一定时间范围内即时完成

2.1.3计算机控制系统的特点计算机控制系统的结构特点——混合结构1、硬件结构是混合型

＊控制器为数字计算机＊检测与控制执行元件多为模拟元件2、信号结构是混合型

＊有连续模拟离散模拟离散数字等信号形式；

＊一台计算机可同时控制多个被控对象或被控量；＊同一台计算机可采用串行或分时并行方式实现对多个回路的控制；＊每个控制回路的控制方式由软件来形成。★★数字仪表和数字执行机构内部仍是混合系统

在模拟式火炮位置控制系统中两个不同的模拟控制器；计算机控制系统中由同一台计算机实现可实现一控多的工作方式2.1.3计算机控制系统的特点软件作用明显1、易实现复杂控制规律

＊速度快、精度高、逻辑判断功能丰富和存储能力大

连续系统难于实现如最优控制、自适应控制、智能控制等，这些极大地提高系统性能2、适应性强、灵活性高

＊控制算法由软件实现，改变控制规律时不必更换硬件，只需调整软件

＊升级容易（修改提升系统性能容易）＊同一套硬件可以通过不同的软件实现不同的过程，简化了系统设计3、控制效率高、性价比高

＊一台计算机可以实现复杂控制规律，实现多个回路控制

模拟系统硬件的成本几乎和控制规律复杂程度、控制回路的多少成正比＊增加控制回路时模拟硬件需用量减少，降低成本★★★2.1.3计算机控制系统的特点数字通讯能力强1、灵敏度高

＊允许使用各种数字部件，对微弱信号更加敏感，灵敏度高

＊可利用数字通信传递信息，精度高2、控制与管理更易结合＊信息传递和共享容易＊工作过程状态信息分析处理容易实现＊实现分级控制或整体化控制不足：抗干扰能力较低；采样延迟控制不及时；数学关系复杂★★★4、可靠性高、容错能力、维修能力强

＊实现软件自动检测和故障诊断方便2.1.4计算机控制系统的应用材料机械加工数控铣床加工零件X轴传动机构Y轴传动机构数控铣床是靠程序控制的自动加工机床，靠不同的特型铣刀和铣刀的三维空间轨迹控制实现复杂零件的加工。主轴箱：包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并带动刀具旋转进给伺服系统：由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋转运动。控制系统：运动控制的中心，执行数控加工程序，控制机床进行加工辅助装置：如液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。机床基础件：通常是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础和框架包括：2.1.4计算机控制系统的应用材料机械加工立式加工中心加工中心(MachiningCenter)简称MC，是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床

工件装夹后，自动选择、更换刀具；自动对刀、自动改变主轴转速、进给量；可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多工序。按加工工序可分为镗铣与车铣两大类；按控制轴数可分为三轴、四轴、五轴加工中心；主轴与工作台相对位置分为卧式、立式和万能加工中心。第一台加工中心是1958年由美国卡尼-特雷克公司首先研制成功的。加工中心不单单有铣刀，还有车、刨、镗等其他加工能力2.1.4计算机控制系统的应用材料热加工—焊接★★★自动焊接设备包括焊接机器人、焊接机器人工作站、焊接机器人生产线等焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人优点：

1）稳定和提高焊接质量；

2）提高劳动生产率；

3）改善工人劳动强度，可在有害环境下工作；

4）降低了对工人操作技术的要求；

5）缩短了产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资。焊接机器人适合于空间曲面焊接技术工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机2.1.4计算机控制系统的应用材料热加工—焊接★★★焊接机器人系统焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。机器人由机器人本体和控制系统组成。焊接装备（以弧焊及点焊为例）由焊接电源、送丝机、焊枪（钳）等部分组成。对于智能机器人还应有传感系统，如激光或摄像传感器及其控制装置等。2.1.4计算机控制系统的应用材料热加工—焊接★★★焊接机器人工作站：焊接机器人生产线

比较简单的是把多台工作站（单元）用工件输送线连接起来组成一条生产线。为提高焊接质量，负责夹紧工件的机器可以改变位置来配合焊接机器人工作，是一种变位机和机器人构成的复杂系统。可以多达7-20个轴协调可控。最新的焊接机器人工作站由一台焊接机器人和一台搬运机器人组合而成。焊接柔性线一般有一个轨道子母车，子母车可以自动将点固好的工件从存放工位取出，再送到有空位的焊接机器人工作站的变位机上。2.1.4计算机控制系统的应用材料热加工—铸造材料热加工方面—铸造熔炼浇注检测设备镁合金自动熔炼浇注炉镁合金自动定定量输液泵自动测温仪炉前成分自动光谱检测仪2.1.4计算机控制系统的应用材料热加工—铸造自动压铸机材料热加工方面—铸造成形设备快速成形机日本东久AMF-Ⅲ铸造生产线

数字化控制压力行程速度2.1.4计算机控制系统的应用材料热加工—塑性成形数控旋压机材料热加工方面—塑性成形自动轧机数控压力机

内高压成型机2.1.4计算机控制系统的应用其他领域—航空现代飞机座舱数字控制电子设备→航空领域自动轧机内高压成型机←飞行高度控制系统

2.1.4计算机控制系统的应用其他领域—航天神七→航天领域勇气号火星漫游车绕月→2.1.4计算机控制系统的应用其他领域—军事导弹防御系统军事领域航空母舰多功能空降战车2.1.5计算机控制系统的分类按自动控制方式分闭环控制、开环控制和复合控制按调节规律分常规PID控制、最优控制、自适应控制、智能控制、模糊控制计算机参与方式分操作指导控制、直接数字控制、监督控制、集散控制、现场总线控制、集成制造系统2.1.5计算机控制系统的分类1、操作指导控制系统（ODC）生产过程模拟量输入数字量输入控制仪表计算机显示打印报警人特点：1）计算机只起到采集、检测、分析的作用

2）操作人必须亲自改变调节器给定值或操作执行机构

3）属于开环控制系统OperationDirectedControl2.1.5计算机控制系统的分类2、直接数字控制系统（DDC）特点：1）计算机代替常规控制器，直接对被控对象进行控制

2）操作指导控制系统中人的决策由计算机代替DirectDigitalControl2.1.5计算机控制系统的分类3、计算机监督控制系统（SCC+模拟调节器）特点：1）模拟调节器完成控制任务；

2）SCC对生产过程分析后得出的最佳设定值给模拟调节器；

3）是操作指导系统和直接控制系统的综合与发展SuperviseControlbyComputer模拟调节器2.1.5计算机控制系统的分类3、计算机监督控制系统（SCC+DDC）SuperviseControlbyComputer特点：1）DDC完成控制任务；

2）SCC对生产过程分析后得出的最佳设定值并给DDC；

3）是操作指导系统和直接控制系统的综合与发展；

4）可以实现顺序控制、最优控制等复杂控制2.1.5计算机控制系统的分类4、集散控制系统（DCS）DistributedControlSystem特点：分散控制集中操作分级管理综合协调缺点：系统造价高互换性、互操作性差信息管理级操作控制级（SCC）过程控制级（DDC）网间连接器管理计算机网间连接器操作员站工程师站监控计算机现场控制站PLC智能调节器其他测量装置生产过程现场装置及自动化仪表局部网络高速数据通道2.1.5计算机控制系统的分类5、现场总线控制系统（FCS）FieldbusControlSystem特点：

1）全数字化信号传输速度快、精度高、距离远、可靠性高

2）控制功能的彻底分散控制功能在现场设备和仪表；现场设备和仪表具有智能。

3）成本低

与DCS相比，三层变两层；真正开放互联系统。计算机现场总线通信适配器智能变送器智能传感器智能执行器工业对象现场总线2.1.5计算机控制系统的分类6、工业过程计算机集成制造系统（CIMS）ComputerIntegratedManufactureSystem经营决策系统企业管理系统生产调度系统过程监督系统基础过程控制系统生产过程决策信息管理信息调度信息模型信息监控操作历史数据库实时数据库产品策略生产计划调度指令优化参数控制策略管理自动化生产自动化经营