CH05 材料加工过程的计算机控制.ppt

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1、第五章第五章 材料加工过程的计算机控制材料加工过程的计算机控制计算机控制技术基础计算机控制技术基础现代测试系统的输入与输出现代测试系统的输入与输出材料加工的计算机控制材料加工的计算机控制应应 用用 范范 围围v计计算算机机在在材材料料加加工工中中的的应应用用大大致致可可分分为为以以下几个方面：下几个方面：(1)物化性能测试数据的物化性能测试数据的采集采集和和处理处理；(2)加工过程加工过程自动控制自动控制；(3)计算机辅助模具计算机辅助模具设计设计和和制造制造；(4)计算机计算机辅助研究辅助研究；(5)材料加工过程的材料加工过程的全面质量管理全面质量管理。材料加工过程的计算机控制 第五章一、一

2、、计算机控制技术基础计算机控制技术基础v生产过程生产过程自动控制自动控制是生产过程现代化的标是生产过程现代化的标志之一。志之一。v在材料加工控制领域中，运用较多的是在材料加工控制领域中，运用较多的是微微型计算机型计算机和和可编程控制器可编程控制器(Programmable Controller)。材料加工过程中的基本单元控材料加工过程中的基本单元控制制一般一般由可编程控制器或微型计算机控制由可编程控制器或微型计算机控制系统完成，而复杂的生产线可由编程控制系统完成，而复杂的生产线可由编程控制器和微型计算机控制系统器和微型计算机控制系统共同完成共同完成。材料加工过程的计算机控制 第五章一、一、计算

3、机控制技术基础计算机控制技术基础自动控制的基本形式自动控制的基本形式输入部分 由传感器、放大(变送)器和A/D转换器等环节组成输出部分 由D/A转换器、信号调节器、控制执行器及接口电路1计算机控制的基本形式计算机控制的基本形式计算机控制输出部分检测输入部分生产过程 材料加工过程的计算机控制 第五章一、一、计算机控制技术基础计算机控制技术基础v 实时检测：实时检测：通过通过工业自动化仪表工业自动化仪表对被控对象被控参数的瞬时值进行对被控对象被控参数的瞬时值进行检测并转换成统一的检测并转换成统一的信号信号，然后将此模拟量通过，然后将此模拟量通过外围设备外围设备(A AD D 转换转换器器)转换为计

4、算机能够识别、接收的数字量转换为计算机能够识别、接收的数字量送入送入计算机主机。计算机主机。v 实时决策：实时决策：计算机主机将接收到的计算机主机将接收到的被控参数被控参数与通过外部设备输入的与通过外部设备输入的给定值给定值进行及时处理，并将运算或判断结果进行及时处理，并将运算或判断结果迅速返回迅速返回、输出输出。v 实时控制：实时控制：计算机主机根据运算、决策结果，发出计算机主机根据运算、决策结果，发出控制指令控制指令，经，经外外围设备围设备转换为工业自动化仪表能够接收的转换为工业自动化仪表能够接收的模拟量模拟量作用于工业控制对象，作用于工业控制对象，完成对生产过程的完成对生产过程的实时控制

5、实时控制。塑料注塑机料筒温度的计算机控制系统基本框图塑料注塑机料筒温度的计算机控制系统基本框图 材料加工过程的计算机控制 第五章一、一、计算机控制技术基础计算机控制技术基础v在控制系统中引进在控制系统中引进计算机计算机，可以充分运用计算机强，可以充分运用计算机强大的大的计算计算、逻辑判断逻辑判断和和记忆记忆等信息加工能力。只等信息加工能力。只要利用微处理器的各种指令，写出符合某种控制规要利用微处理器的各种指令，写出符合某种控制规律的程序，律的程序，微处理器执行程序微处理器执行程序就能实现对被控参就能实现对被控参数的控制；而在数的控制；而在一般的一般的控制系统中，系统的控制规控制系统中，系统的控

6、制规律是由律是由硬件电路硬件电路产生的，改变控制规律就要改变产生的，改变控制规律就要改变硬件电路。在计算机控制系统中，控制规律的改变硬件电路。在计算机控制系统中，控制规律的改变只需只需改变程序改变程序。v对计算机来讲，控制过程的三个步骤，实际上只是对计算机来讲，控制过程的三个步骤，实际上只是执行算术执行算术、逻辑操作和输入逻辑操作和输入、输出操作输出操作，材料加工过程的计算机控制 第五章一、一、计算机控制技术基础计算机控制技术基础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 Di

7、stribution Control System 材料加工过程的计算机控制 第五章开环控制系统开环控制系统v开环控制系统中，主机通过各种一次仪表、信号变换器、开环控制系统中，主机通过各种一次仪表、信号变换器、A AD D 转换器对工业现场被控参数进行转换器对工业现场被控参数进行检测检测和不正常情况的和不正常情况的报警报警，并根据一定的控制算法对测量的各生产工艺参数进行处理，然并根据一定的控制算法对测量的各生产工艺参数进行处理，然后同预先设定值进行比较，后同预先设定值进行比较，输出结果输出结果。操作人员操作人员可以根据可以根据这些结果来决定这些结果来决定控制方案控制方案，执行控制操作。计算机，

8、执行控制操作。计算机并不直并不直接接对工业生产对象实施控制，而需要生产操作人员介入，即对工业生产对象实施控制，而需要生产操作人员介入，即使计算机发生故障，也不会影响生产过程的正常进行，因而比使计算机发生故障，也不会影响生产过程的正常进行，因而比较安全，但不能充分发挥计算机较安全，但不能充分发挥计算机 的作用。的作用。v常见的开环控制系统有：常见的开环控制系统有：生产过程的巡回检测和数据处生产过程的巡回检测和数据处理系统理系统、操作指导控制系统。操作指导控制系统。材料加工过程的计算机控制 第五章开环控制系统开环控制系统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。被控对象的输出(被控制

9、量)对控制器的输出没有影响。图 6-3 计算机操作指导控制系统组成原理方框图 材料加工过程的计算机控制 第五章闭环控制系统闭环控制系统v闭闭环环控控制制系系统统中中，计计算算机机不不仅仅通通过过检检测测元元件件对对被被控控工工业业对对象象的的工工况况参参数数进进行行检检测测、分分析析、处处理理，而而且且在在显显示示和和打打印印的的同同时时，将将处处理理结结果果(控控制制信信号号)通通过过执执行行机机构构反反馈馈给给被被控控工工业业对对象象，实实施施对对生生产产过过程程的的控控制制，从从而而使使被被控控工工业业对对象象、检检测测元元件件、计计算算机机、执执行行机机构构等等构成一个构成一个闭合环路

10、闭合环路。v该该控控制制系系统统的的特特点点是是：计计算算机机集集检检测测仪仪表表、控控制制器器、执执行行器器的的功功能能于于一一身身，充充分分发发挥挥了了计计算算机机的的作作用用，实实时时性性强强。常常见见的的闭闭环环控控制制系系统统有有：直直接接数数字字控控制制系系统统(DDC)和和监督控制系统监督控制系统(SCC)。材料加工过程的计算机控制 第五章闭环控制系统闭环控制系统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。图 6-4 SCC加 DDC 组成原理方框图 材料加工过程的计算机控制 第五章闭环控制系统闭环控制系统Eg.Eg.加热炉温度自动控制系统

11、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Eg.Eg.电冰箱温度控制系统电冰箱温度控制系统控制器（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 材料加工过程的计算机控制 第五章分布式控制系统分布式控制系统v随着价廉而功能完善的微型计算机的出现，可以由若干台微随着价廉而功能完善的微型计算机的出现，可以由若干台微处理器或微型计算机分别承担部分控制任务，这种分布式计处理器或微型计算机分别承担部分控制任

12、务，这种分布式计算机系统有代替集中控制的趋势。算机系统有代替集中控制的趋势。由多台计算机分由多台计算机分别控制生产过程别控制生产过程中多个控制回路，中多个控制回路，同时又可集中获同时又可集中获取数据、集中管取数据、集中管理和集中控制的理和集中控制的自动控制系统自动控制系统 。材料加工过程的计算机控制 第五章分布式控制系统分布式控制系统Eg.Eg.轧钢生产过程轧钢生产过程 材料加工过程的计算机控制 第五章一般应具备以下基本功能：一般应具备以下基本功能：模拟量参数的模拟量参数的采集采集、转换转换及及屏幕显示屏幕显示。模模拟拟量量参参数数的的越越限限报报警警。通通常常用用声声、光光形形式式发发出出报

13、报警信号。警信号。被控参数的被控参数的闭环自动控制闭环自动控制。各各种种流流量量的的累累计计计计算算，用用来来统统计计产产量量及及物物料料和和能能源源的消耗。的消耗。各各种种开开关关量量输输入入信信号号的的检检测测与与各各种种开开关关量量输输出出信信号号的的控制控制，用于设备的启停与各种连锁保护。，用于设备的启停与各种连锁保护。一、一、计算机控制技术基础计算机控制技术基础3计算机工业控制系统的基本功能和组成计算机工业控制系统的基本功能和组成3 材料加工过程的计算机控制 第五章生生产产工工艺艺流流程程图图及及各各种种被被控控参参数数的的动动态态趋趋势势曲曲线线的的屏屏幕幕显显示示，便便于于操操作

14、作人人员员及及时时掌掌 握握设设备备运运行行状状况，实现对生产过程的操作和控制。况，实现对生产过程的操作和控制。工工艺艺参参数数的的记记录录及及打打印印，以以便便保保存存生生产产技技术术资资料料作经济指标考核。作经济指标考核。完成与上位机的完成与上位机的通讯通讯，将下位机的各检测参数和，将下位机的各检测参数和各流量累计值通过数据线传输到上位机，以便能各流量累计值通过数据线传输到上位机，以便能接收到上位机的监督控制。接收到上位机的监督控制。3计算机工业控制系统的基本功能和组成计算机工业控制系统的基本功能和组成3 材料加工过程的计算机控制 第五章v微机工业控制系统的硬件组成由微机工业控制系统的硬件

15、组成由微型计算机微型计算机、外部设备外部设备、外围设备外围设备、工业自动化仪表工业自动化仪表和和被被控工业对象控工业对象五个部分所组成，此外，还必须配五个部分所组成，此外，还必须配有完备的软件。有完备的软件。3计算机工业控制系统的基本功能和组成计算机工业控制系统的基本功能和组成3 材料加工过程的计算机控制 第五章v外围设备外围设备：在计算机过程控制系统中，主机通过输入：在计算机过程控制系统中，主机通过输入输出过程通道控制工业生产过程。输出过程通道控制工业生产过程。v输入输出过程通道输入输出过程通道是计算机与生产过程之间联系的是计算机与生产过程之间联系的桥桥梁梁，称为主机的，称为主机的外围设备外

16、围设备。其功能是：把生产现场的。其功能是：把生产现场的工况参数工况参数(模拟量、开关量、脉冲量和数字量模拟量、开关量、脉冲量和数字量)转换成转换成计算机能够接受和识别的计算机能够接受和识别的代码代码，输入，输入主机主机，以便主机，以便主机根据控制算法进行运算，然后根据控制算法进行运算，然后主机主机把根据控制算法进把根据控制算法进行运算的结果转换成改变生产过程控制变量的行运算的结果转换成改变生产过程控制变量的控制信控制信号号，即作为操作、执行机构的控制信号。，即作为操作、执行机构的控制信号。材料加工过程的计算机控制 第五章v外部设备外部设备：在过程控制中，外部设备包括：在过程控制中，外部设备包括

17、键盘键盘、打印机打印机、显示器显示器等人机通讯设备，等人机通讯设备，实现对生产过程进行实现对生产过程进行启停启停、查询查询、输出结输出结果果、修改程序修改程序等人工干预操作。等人工干预操作。材料加工过程的计算机控制 第五章v主机：微处理器主机：微处理器是控制系统的核心，和是控制系统的核心，和内存储器内存储器一起通常又称为主机。一起通常又称为主机。主机主机根据过根据过 程输入通道发送程输入通道发送来的工业对象的来的工业对象的生产工况参数生产工况参数，按照预先设计的程，按照预先设计的程序，进行信息的序，进行信息的处理处理、分析分析和和计算计算，并做出相应的，并做出相应的控制决策控制决策或调节，通过

18、输出通道，发出或调节，通过输出通道，发出控制命令控制命令。主机中的程序和控制数据是人们事先根据控制规律主机中的程序和控制数据是人们事先根据控制规律(数学模型数学模型)设计好的。通过对工业对象特性的分析和设计好的。通过对工业对象特性的分析和研究，选择控制算法、建立数学模型，编写出相应的研究，选择控制算法、建立数学模型，编写出相应的计算机控制软件。计算机控制软件。材料加工过程的计算机控制 第五章v工业对象：工业对象：工业对象通常是指与控制系统工业对象通常是指与控制系统有关的有关的工艺生产设备工艺生产设备。例如在加热炉温和。例如在加热炉温和塑料挤出机或注塑机料筒温度控制系统中，塑料挤出机或注塑机料筒

19、温度控制系统中，工业对象就是指需要控制的工业对象就是指需要控制的加热炉加热炉或或挤出挤出机机、注塑机注塑机的的料筒料筒。材料加工过程的计算机控制 第五章v工业自动化仪表：工业自动化仪表：外围设备外围设备必须通过必须通过工业工业自动化仪表自动化仪表才能和才能和控制对象控制对象发生联系。工发生联系。工业自动化仪表的种类很多，其中有业自动化仪表的种类很多，其中有检测仪检测仪表表、显示仪表显示仪表、调节仪表调节仪表以及以及执行机构执行机构等。等。一个控制系统的可靠性和控制质量的优劣一个控制系统的可靠性和控制质量的优劣与这些自动化仪表质量和精度有极密切的与这些自动化仪表质量和精度有极密切的关系。关系。材

20、料加工过程的计算机控制 第五章v软件部分软件部分：软件包括：软件包括系统软件系统软件和和应用软件应用软件两大类。两大类。v软件建立和依托在硬件的基础上，是人的思维与软件建立和依托在硬件的基础上，是人的思维与机器硬件之间的桥梁，是计算机的灵魂。机器硬件之间的桥梁，是计算机的灵魂。v系统软件系统软件是是开发开发、调试调试和和执行执行其它程序，其它程序，简化简化程程序设计和使用方法，序设计和使用方法，发挥发挥和和扩大扩大计算机的功能和计算机的功能和用途，提高计算机使用效率的一用途，提高计算机使用效率的一组文件组文件和和程序程序，带有一定的带有一定的通用性通用性。v主要包括：主要包括：语言程序语言程序

21、(如汇编语言、各种高级语言如汇编语言、各种高级语言的编译和解释程序的编译和解释程序)、管理系统及操作系统管理系统及操作系统、服务服务程序程序(如诊断程序、排错程序、编辑程序如诊断程序、排错程序、编辑程序)等。等。3计算机工业控制系统的基本功能和组成计算机工业控制系统的基本功能和组成3 材料加工过程的计算机控制 第五章v应用软件应用软件则根据则根据不同的不同的控制对象和控制对象和不同的不同的控制任控制任务在软件组成上有很大的务在软件组成上有很大的区别区别。在均衡系统硬件。在均衡系统硬件和软件功能，确定系统硬件后，才能确定如何配和软件功能，确定系统硬件后，才能确定如何配置软件。在微型机控制系统中，

22、每个控制对象或置软件。在微型机控制系统中，每个控制对象或控制任务都一定要配备不同的控制任务都一定要配备不同的控制程序控制程序，用这些，用这些控制程序来完成对各个控制对象的控制程序来完成对各个控制对象的不同要求不同要求。这。这种为种为控制目的控制目的而而编制的程序编制的程序，通常称为，通常称为应用程序应用程序。应用程序应用程序一般是由一般是由计算机控制系统厂家计算机控制系统厂家或或用户自用户自己编写己编写。用户采用哪一种语言来编写应用程序，。用户采用哪一种语言来编写应用程序，主要取决于控制系统软件配备的情况和整个系统主要取决于控制系统软件配备的情况和整个系统的要求。的要求。材料加工过程的计算机控

23、制 第五章v可用于计算机工业控制系统的计算机几乎包括各可用于计算机工业控制系统的计算机几乎包括各种类型，像种类型，像单片机单片机、可编程序控制器可编程序控制器、工控机工控机、PCPC机机、系统机系统机等。等。单片微型计算机单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)(Single Chip Microcomputer)使用者可以根据材料加工过程实际需要，开发、设计单片机系统，使用者可以根据材料加工过程实际需要，开发、设计单片机系统，具有方便、灵活，成本低的特点。具有方便、灵活，成本低的特点。使用的基本方法是在单片机的基础上扩展一些接口，如用于模拟量使用的基本方法是在单片

24、机的基础上扩展一些接口，如用于模拟量数字量转换的数字量转换的 A AD D、D DA A转换接口，用于人机对话的键盘处理转换接口，用于人机对话的键盘处理接口，接口，LED LED 或或 LCD LCD 显示接口，用于输出控制的接口等显示接口，用于输出控制的接口等,再根据实现再根据实现的功能开发相应的软件，即组成了完整的单片机控制系统。的功能开发相应的软件，即组成了完整的单片机控制系统。一、一、计算机控制技术基础计算机控制技术基础测控计算机选择测控计算机选择4 材料加工过程的计算机控制 第五章v单片机是一种单片机是一种集成在集成在电路电路芯片芯片，是采用，是采用超超大规模集成电路技大规模集成电路

25、技术把具有数据处理能力的中央处理器术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器随机存储器RAM、只读存储器只读存储器ROM、多种多种I/O接口和中断系统、定时器接口和中断系统、定时器/计时器计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统小而完善的计算机系统。单片机单片机 材料加工过程的计算机控制 第五章可编程逻辑控制器(Programmable Logical Controller)PLC是以微处理器为

26、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。PLC的过程控制是指对温度、压力和流量等模拟量的闭环控制。测控计算机选择测控计算机选择3PLC将组成微型计算机所必须部件（CPU、ROM、RAM、I/O接口等）集成在一个超大规模集成电路芯片上。材料加工过程的计算机控制 第五章v可编程逻辑控制器，是一可编程逻辑控制器，是一种用于自动化实时控制的种用于自动化实时控制的数位逻辑控制器，广泛应数位逻辑控制器，广泛应用于目前的工业控制领域。用于目前的工业控制领域。v可编程逻辑控制器的系统可编程逻辑控制器的系统程序一般在出厂前已经初程序一般在出厂前已经初始化完毕，用户

27、可以根据始化完毕，用户可以根据自己的需要自行编辑相应自己的需要自行编辑相应的用户程序来满足不用的的用户程序来满足不用的自动化生产要求。自动化生产要求。可编程逻辑控制器(PLC)材料加工过程的计算机控制 第五章STDSTD总线工业控制机总线工业控制机工业工业PC机机STD STD 总线工业控制机是总线工业控制机是 80 80 年代发展起来的一种广泛用于工年代发展起来的一种广泛用于工业过程控制的计算机系统，简称业过程控制的计算机系统，简称工控机工控机。工控机大都采用。工控机大都采用模模块式结构块式结构，具有通用性强、可靠性高、系统组成灵活等特点，具有通用性强、可靠性高、系统组成灵活等特点，具有广泛

28、的适应性。具有广泛的适应性。工业工业PCPC机在系统结构及功能模块的划分上机在系统结构及功能模块的划分上更适合更适合工业过程控制的工业过程控制的需要，它一方面需要，它一方面继承继承了个人计算机丰富的软件资源，了个人计算机丰富的软件资源，使其软件开使其软件开发更加方便、快捷；另一方面在结构上又采用了发更加方便、快捷；另一方面在结构上又采用了 STDSTD总线工业控总线工业控制机制机的优点，采用模块化，这些优点使得工业的优点，采用模块化，这些优点使得工业PC PC 机发展十分迅速。机发展十分迅速。测控计算机选择测控计算机选择4 材料加工过程的计算机控制 第五章v高可靠性高可靠性 v可维护性可维护性

29、 v对环境的适应性对环境的适应性 v控制的实时性和中断系统控制的实时性和中断系统 v完善的外围设备和指令系统完善的外围设备和指令系统v有正确反映生产过程规律的数学模型和完善的软件系统有正确反映生产过程规律的数学模型和完善的软件系统 计算机控制系统的主要特点和基本要求计算机控制系统的主要特点和基本要求5 材料加工过程的计算机控制 第五章二、二、现代测试系统现代测试系统的输入与输出的输入与输出 v计算机测控系统的计算机测控系统的输入部分输入部分包括传感器、变送器及包括传感器、变送器及A/DA/D（模模/数）转换等；数）转换等；输出部分输出部分包括包括D/AD/A（数数/模）转换、信模）转换、信号调

30、节器和控制执行器等。号调节器和控制执行器等。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测试系统的基本结构 材料加工过程的计算机控制 第五章检测技术检测技术检测与转换技术检测与转换技术是自动检测技术和自动转换技术的是自动检测技术和自动转换技术的总称，即从诸多不能直接输入计算机处理的被检测总称，即从诸多不能直接输入计算机处理的被检测的物理量中提取所需要的信息。通常需要把这些的物理量中提取所需要的信息。通常需要把这些非非电量信号电量信号如温度、压力、位移、流量等物理量如温度、压力、位移、流量等物理量转换转换为电压或电流等为电压或电流等电信号电信号，转换

31、后的电信号应能反映，转换后的电信号应能反映物理量的物理量的实际变化实际变化。传感器传感器是信息获取过程中的第一个环节。是信息获取过程中的第一个环节。检测技术及传感器检测技术及传感器1 材料加工过程的计算机控制 第五章传感器能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。材料工程中常用传感器材料工程中常用传感器检测对象种类使用范围温度热电偶/热电阻中、高/低温度力拉压传感器压力，力性位移电阻器,引伸计速度，转速，角度气氛红外仪，氧探头碳势，氮势光光敏元件定量金相，电化学离子选择电极pH,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传感器传感器 材料加工过程的计算机控制 第

32、五章v变送器变送器为适应下一单元的需要，将各种物理量的电信号进为适应下一单元的需要，将各种物理量的电信号进一步转换成统一的标准电信号，如一步转换成统一的标准电信号，如0-50-5V V或或0-100-10mAmA等。等。信信号标准号标准其实是仪表之间的其实是仪表之间的通信协议通信协议，信号标准的变化代，信号标准的变化代表了过程控制仪表的发展进程，每一次变化对变送器都带表了过程控制仪表的发展进程，每一次变化对变送器都带来新成果。目前国际上已出现了多种现场总线的变送器，来新成果。目前国际上已出现了多种现场总线的变送器，带有微处理器的带有微处理器的智能化现场变送器智能化现场变送器是发展的必然趋势。是

33、发展的必然趋势。变送变送器器2在各种工业过程自动控制系统中，在各种工业过程自动控制系统中，变送器变送器对温度、压力、对温度、压力、液位、流量、成分等物理量进行测量，并转换成统一的液位、流量、成分等物理量进行测量，并转换成统一的标准信号。标准信号。材料加工过程的计算机控制 第五章v偏差信号偏差信号作为输入量送入调节器，在调节器中按作为输入量送入调节器，在调节器中按一定规律运算后，给出一定规律运算后，给出输出信号输出信号进行进行调节调节，以，以消除扰动消除扰动的影响，使被调节参数回到给定值。调的影响，使被调节参数回到给定值。调节过程的节过程的品质品质即以何种途径，经过多长时间回到即以何种途径，经过

34、多长时间回到给定值，不仅与对象特性有关，也与调节器的特给定值，不仅与对象特性有关，也与调节器的特性有关。性有关。v工业上用得最普遍的仍然是工业上用得最普遍的仍然是比例比例(P)P)、积分积分(I)I)及及微分微分(D)D)三种调节规律。三种调节规律。调节调节器器3 材料加工过程的计算机控制 第五章v当通过热电偶采集的被测温度偏离所希望的给定值时，当通过热电偶采集的被测温度偏离所希望的给定值时，PIDPID控制可根据测量信号与给定值的偏差进行控制可根据测量信号与给定值的偏差进行比例比例（P P）、积分（积分（I I）、微分（微分（D D）运算，从而输出某个运算，从而输出某个适当的控制信号给执行机

35、构，促使测量值恢复到给定适当的控制信号给执行机构，促使测量值恢复到给定值，达到自动控制的效果。值，达到自动控制的效果。v在此基础上可以组合成在此基础上可以组合成比例比例调节器、调节器、比例积分比例积分(PI)(PI)调节器、调节器、比例微分比例微分(PD)(PD)调节器以及调节器以及比例积分微分比例积分微分(PID)(PID)调节器。调节器。材料加工过程的计算机控制 第五章v比例运算（比例运算（P P）是指输出控制量与偏差的比例关系。比例是指输出控制量与偏差的比例关系。比例参数参数P P设定值越大，控制的灵敏度越低，设定值越小，控制设定值越大，控制的灵敏度越低，设定值越小，控制的灵敏度越高，例

36、如比例参数的灵敏度越高，例如比例参数P P设定为设定为4%4%，表示测量值偏，表示测量值偏离给定值离给定值4%4%时，输出控制量变化时，输出控制量变化100%100%。v积分运算（积分运算（I I）的目的是消除偏差。只要偏差存的目的是消除偏差。只要偏差存在，积分作用将控制量向使偏差消除的方向移动。在，积分作用将控制量向使偏差消除的方向移动。积分时间是表示积分作用强度的单位。设定的积分积分时间是表示积分作用强度的单位。设定的积分时间越短，积分作用越强。例如积分时间设定为时间越短，积分作用越强。例如积分时间设定为240240秒时，表示对固定的偏差，积分作用的输出量秒时，表示对固定的偏差，积分作用的

37、输出量达到和比例作用相同的输出量需要达到和比例作用相同的输出量需要240240秒。秒。材料加工过程的计算机控制 第五章v PIPI调节器动作快，又能消除静差，是用得最多的调调节器动作快，又能消除静差，是用得最多的调节器。但当对象有较大的惯性时，节器。但当对象有较大的惯性时，PIPI调节器不能得调节器不能得到很好的调节品质。由于对象惯性大到很好的调节品质。由于对象惯性大(如温度对象如温度对象)，即使受到大的扰动，被调节参数开始时变化仍不，即使受到大的扰动，被调节参数开始时变化仍不大，偏差很小，相应的大，偏差很小，相应的 PI PI 调节器的调节作用就很弱，调节器的调节作用就很弱，但偏差却以一定的

38、速度增大。因此，对于惯性较大但偏差却以一定的速度增大。因此，对于惯性较大的对象，的对象，PI PI 调节器不能及时克服扰动的影响，以致调节器不能及时克服扰动的影响，以致造成大的动态偏差和较长的调节时间。造成大的动态偏差和较长的调节时间。v比例作用比例作用和和积分作用积分作用是对控制结果的修正动作，响是对控制结果的修正动作，响应较慢。应较慢。材料加工过程的计算机控制 第五章v微分作用微分作用的特点是输出只能反映偏差输入的变化速的特点是输出只能反映偏差输入的变化速度，对于一个固定不变的偏差，不管度，对于一个固定不变的偏差，不管 它的数值多它的数值多大，根本不会有微分作用输出，因此它不能克服静大，根

39、本不会有微分作用输出，因此它不能克服静差。它是为了消除其缺点而补充的。微分作用根据差。它是为了消除其缺点而补充的。微分作用根据偏差产生的速度对输出量进行修正，使控制过程尽偏差产生的速度对输出量进行修正，使控制过程尽快恢复到原来的控制状态，微分时间是表示微分作快恢复到原来的控制状态，微分时间是表示微分作用强度的单位，仪表设定的微分时间越长，则以微用强度的单位，仪表设定的微分时间越长，则以微分作用进行的修正越强。但是，如微分作用过强，分作用进行的修正越强。但是，如微分作用过强，或对象惯性较小时，微分作用反而会使过程品质变或对象惯性较小时，微分作用反而会使过程品质变坏，甚至使系统坏，甚至使系统 不能

40、稳定工作。不能稳定工作。材料加工过程的计算机控制 第五章 PID PID模块操作非常简捷只要设定模块操作非常简捷只要设定4 4个参数就个参数就可以进行温度精确控制：可以进行温度精确控制：1 1、温度设定温度设定2 2、P P值值3 3、I I值值4 4、D D值值 PID PID模块的温度控制精度主要受模块的温度控制精度主要受P P、I I、D D这这三个参数影响。其中三个参数影响。其中P P代表比例，代表比例，I I代表积分，代表积分，D D代表微分。代表微分。材料加工过程的计算机控制 第五章v比例运算（比例运算（P P）比例控制是建立与设定值（比例控制是建立与设定值（SVSV）相关的一种运

41、算，）相关的一种运算，并根据偏差在求得运算值（控制输出量）。如果并根据偏差在求得运算值（控制输出量）。如果当前值（当前值（PVPV）小，运算值为）小，运算值为100%100%。如果当前值。如果当前值在比例带内，运算值根据偏差比例求得并逐渐减在比例带内，运算值根据偏差比例求得并逐渐减小直到小直到SVSV和和PVPV匹配（即，直到偏差为匹配（即，直到偏差为0 0），此时），此时运算值回复到先前值（前馈运算）。若出现静差运算值回复到先前值（前馈运算）。若出现静差（残余偏差），可用减小（残余偏差），可用减小P P方法减小残余偏差。如方法减小残余偏差。如果果P P太小，反而会出现振荡。太小，反而会出现振

42、荡。材料加工过程的计算机控制 第五章v积分运算（积分运算（I I）将积分与比例运算相结合，随着调节时间将积分与比例运算相结合，随着调节时间延续可减小静差。积分强度用积分时间表延续可减小静差。积分强度用积分时间表示，积分时间相当于积分运算值到比例运示，积分时间相当于积分运算值到比例运算值在阶跃偏差响应下达到的作用所需要算值在阶跃偏差响应下达到的作用所需要的时间。积分时间越小，积分运算的校正的时间。积分时间越小，积分运算的校正时间越强。但如果积分时间值太小，校正时间越强。但如果积分时间值太小，校正作用太强会出现振荡。作用太强会出现振荡。材料加工过程的计算机控制 第五章v微分运算（微分运算（D D）

43、比例和积分运算都校正控制结果，所以不可避免比例和积分运算都校正控制结果，所以不可避免地会产生响应延时现象。微分运算可弥补这些缺地会产生响应延时现象。微分运算可弥补这些缺陷。在一个突发的干扰响应中，微分运算提供了陷。在一个突发的干扰响应中，微分运算提供了一个很大的运算值，以恢复原始状态。微分运算一个很大的运算值，以恢复原始状态。微分运算采用一个正比于偏差变化率（微分系数）的运算采用一个正比于偏差变化率（微分系数）的运算值校正控制。微分运算的强度由微分时间表示，值校正控制。微分运算的强度由微分时间表示，微分时间相当于微分运算值达到比例运算值在阶微分时间相当于微分运算值达到比例运算值在阶跃偏差响应下

44、达到的作用所需的时间。微分时间跃偏差响应下达到的作用所需的时间。微分时间值越大，微分运算的校正强度越强。值越大，微分运算的校正强度越强。材料加工过程的计算机控制 第五章v执行器执行器在生产过程自动化中起着非常重要的作用，在生产过程自动化中起着非常重要的作用，它在自动控制系统中它在自动控制系统中接受调节器接受调节器的控制信号，的控制信号，自自动改变动改变操作变量，达到对被调参数操作变量，达到对被调参数(如温度、压力、如温度、压力、液位等液位等)进行调节的目的，使生产过程按照预定要进行调节的目的，使生产过程按照预定要求正常进行。求正常进行。v执行器根据执行机构使用的工作能源不同可分为执行器根据执行

45、机构使用的工作能源不同可分为三大类：三大类：气动执行器气动执行器、电动执行器电动执行器、液动执行器液动执行器，其中，液动执行器使用较少。其中，液动执行器使用较少。v随着微处理器引入到过程控制装置中，出现了智随着微处理器引入到过程控制装置中，出现了智能执行器、智能调节阀等智能仪表产品。能执行器、智能调节阀等智能仪表产品。执行器执行器4 材料加工过程的计算机控制 第五章v气动执行器气动执行器是以压缩空气为能源的执行器，是以压缩空气为能源的执行器，其结构简单，输出推力大，动作可靠，性能其结构简单，输出推力大，动作可靠，性能 稳定，维护方便，价格便宜，安全防爆等，稳定，维护方便，价格便宜，安全防爆等，

46、它不仅能与气动调节仪表配套使用，还可通它不仅能与气动调节仪表配套使用，还可通过电过电 气转换器或电气阀门定位器与电动气转换器或电气阀门定位器与电动调节仪表或工业控制计算机配套使用，是目调节仪表或工业控制计算机配套使用，是目前实际应前实际应 用最多的执行器。以高分子材料为用最多的执行器。以高分子材料为例，在高分子材料生产过程中用得较多，而例，在高分子材料生产过程中用得较多，而在高分子材料在高分子材料 加工中用得很少。加工中用得很少。材料加工过程的计算机控制 第五章v电动执行器电动执行器的主要特点是能源取用方便，的主要特点是能源取用方便，信信号传输速度快，号传输速度快，传送距离远，传送距离远，便于

47、集中控便于集中控制，停电时执行器保持原位不动，不影响主制，停电时执行器保持原位不动，不影响主设备安全，灵敏度和精度较高，与电动调节设备安全，灵敏度和精度较高，与电动调节仪表配合方便，安装接线简单。缺点是结构仪表配合方便，安装接线简单。缺点是结构复杂，体积较大，推力小，价格贵，平均故复杂，体积较大，推力小，价格贵，平均故障率高于气动障率高于气动 执行器，适用于防爆要求不高执行器，适用于防爆要求不高及缺乏气源和使用数量不多的场合。及缺乏气源和使用数量不多的场合。在高分在高分子材料加工设备中用得较多。子材料加工设备中用得较多。材料加工过程的计算机控制 第五章A/A/D(AnalogD(Analog/

48、Digital)/Digital)转换转换35 材料加工过程的计算机控制 第五章D/A(Digital/Analog)D/A(Digital/Analog)转换转换6 材料加工过程的计算机控制 第五章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 材料加工过程的计算机控制 第五章二、二、现代测试系统现代测试系统的输入与输出的输入与输出测试技术的发展趋势测试技术的发展趋势微型化，微机电系统（微型化，微机电系统（MEMSM

49、EMS）网络化，总线技术、网络化，总线技术、InternetInternet软件化，软件化，“软件即是仪器软件即是仪器”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7 材料加工过程的计算机控制 第五章v金属材料加工设备中最常见的是金属材料加工设备中最常见的是加热炉加热炉，计算机可以对加热炉实现计算机可以对加热炉实现温度温度、时间时间、气气氛氛和和工序动作工序动作的的自动化控制自动化控制，计算机还可，计算机还可以按规定的工艺数学模型实现加工工艺过以按规定的工艺数学模型实现加工工艺过程的优化控制。计算机不仅可以对加热炉程的优化控制。计算机不仅可以

50、对加热炉实现单台炉控制，还可以对多台加热炉实实现单台炉控制，还可以对多台加热炉实现群控。现群控。三三 材料加工的计算机控制材料加工的计算机控制金属材料加工的自动化控制金属材料加工的自动化控制1 材料加工过程的计算机控制 第五章v加热炉温度控制系统加热炉温度控制系统 加热炉温度控制系统可分为加热炉温度控制系统可分为温度信号测量与温度信号测量与处理处理和和温度控制温度控制两部分。两部分。金属材料加工的自动化控制金属材料加工的自动化控制1 材料加工过程的计算机控制 第五章v炉温控制过程：首先测温元件将检测到的温度信号调制放大炉温控制过程：首先测温元件将检测到的温度信号调制放大后通过后通过A/DA/D