Chapter5材料加工过程的计算机控制

计算机在材料科学与工程中的应用第五章材料加工过程的计算机控制应用范围计算机在材料加工中的应用大致可分为以下几个方面：(1)物化性能测试数据的采集和处理；(2)加工过程自动控制；(3)计算机辅助模具设计和制造；(4)计算机辅助研究；(5)材料加工过程的全面质量管理。

材料加工过程的计算机控制第五章本章要点5.1计算机控制技术基础5.2现代测试系统的输入与输出5.3材料加工的计算机控制5.1计算机控制技术基础生产过程自动控制是生产过程现代化的标志之一。在材料加工控制领域中，运用较多的是微型计算机和可编程控制器(ProgrammableController)。材料加工过程中的基本单元控制一般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器和微型计算机控制系统共同完成。材料加工过程的计算机控制第五章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计算机控制系统的概念计算机控制输出部分检测输入部分生产过程5.1计算机控制技术基础1.生产过程控制系统的发展材料加工过程的计算机控制第五章（1）实时检测：通过工业自动化仪表对被控对象被控参数的瞬时值进行检测并转换成统一的信号，然后将此模拟量通过外围设备(A／D转换器)转换为计算机能够识别、接收的数字量送入计算机主机。（2）实时决策：计算机主机将接收到的被控参数与通过外部设备输入的给定值进行及时处理，并将运算或判断结果迅速返回、输出。（3）实时控制：计算机主机根据运算、决策结果，发出控制指令，经外围设备转换为工业自动化仪表能够接收的模拟量作用于工业控制对象，完成对生产过程的实时控制。塑料注塑机料筒温度的计算机控制系统基本框图2.计算机控制系统的基本原理及一般概念材料加工过程的计算机控制第五章在控制系统中引进计算机，可以充分运用计算机强大的计算、逻辑判断和记忆等信息加工能力。只要利用微处理器的各种指令，写出符合某种控制规律的程序，微处理器执行程序就能实现对被控参数的控制；而在一般的控制系统中，系统的控制规律是由硬件电路产生的，改变控制规律就要改变硬件电路。在计算机控制系统中，控制规律的改变只需改变程序。对计算机来讲，控制过程的三个步骤，实际上只是执行算术、逻辑操作和输入、输出操作，材料加工过程的计算机控制第五章DDC—DirectDigitalControlSCC—SupervisoryComputerControlDCS—DistributionControlSystem3.计算机控制系统的分类材料加工过程的计算机控制第五章(1)开环控制系统开环控制系统中，主机通过各种一次仪表、信号变换器、A／D转换器对工业现场被控参数进行检测和不正常情况的报警，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，然后同预先设定值进行比较，输出结果。操作人员可以根据这些结果来决定控制方案，执行控制操作。计算机并不直接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，因而比较安全，但不能充分发挥计算机的作用。常见的开环控制系统有：生产过程的巡回检测和数据处理系统、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(2)闭环控制系统闭环控制系统中，计算机不仅通过检测元件对被控工业对象的工况参数进行检测、分析、处理，而且在显示和打印的同时，将处理结果(控制信号)通过执行机构反馈给被控工业对象，实施对生产过程的控制，从而使被控工业对象、检测元件、计算机、执行机构等构成一个闭合环路。该控制系统的特点是：计算机集检测仪表、控制器、执行器的功能于一身，充分发挥了计算机的作用，实时性强。常见的闭环控制系统有：直接数字控制系统(DDC)和监督控制系统(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6-4SCC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Eg.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(3)分布式控制系统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，这种分布式计算机系统有代替集中控制的趋势。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。材料加工过程的计算机控制第五章分布式控制系统Eg.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：①模拟量参数的采集、转换及屏幕显示。②模拟量参数的越限报警。通常用声、光形式发出报警信号。③被控参数的闭环自动控制。④各种流量的累计计算，用来统计产量及物料和能源的消耗。⑤各种开关量输入信号的检测与各种开关量输出信号的控制，用于设备的启停与各种连锁保护。3计算机工业控制系统的基本功能和组成2基本功能材料加工过程的计算机控制第五章⑥生产工艺流程图及各种被控参数的动态趋势曲线的屏幕显示，便于操作人员及时掌握设备运行状况，实现对生产过程的操作和控制。⑦工艺参数的记录及打印，以便保存生产技术资料作经济指标考核。⑧完成与上位机的通讯，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，以便能接收到上位机的监督控制。材料加工过程的计算机控制第五章微机工业控制系统的硬件组成由微型计算机、外部设备、外围设备、工业自动化仪表和被控工业对象五个部分所组成，此外，还必须配有完备的软件。基本结构及组成材料加工过程的计算机控制第五章外围设备：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。

输入输出过程通道是计算机与生产过程之间联系的桥梁，称为主机的外围设备。其功能是：把生产现场的工况参数(模拟量、开关量、脉冲量和数字量)转换成计算机能够接受和识别的代码，输入主机，以便主机根据控制算法进行运算，然后主机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控制信号，即作为操作、执行机构的控制信号。外部设备：在过程控制中，外部设备包括键盘、打印机、显示器等人机通讯设备，实现对生产过程进行启停、查询、输出结果、修改程序等人工干预操作。1.硬件部分材料加工过程的计算机控制第五章主机：微处理器是控制系统的核心，和内存储器一起通常又称为主机。主机根据过程输入通道发送来的工业对象的生产工况参数，按照预先设计的程序，进行信息的处理、分析和计算，并做出相应的控制决策或调节，通过输出通道，发出控制命令。主机中的程序和控制数据是人们事先根据控制规律(数学模型)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，编写出相应的计算机控制软件。工业对象：工业对象通常是指与控制系统有关的工艺生产设备。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，工业对象就是指需要控制的加热炉或挤出机、注塑机的料筒。材料加工过程的计算机控制第五章工业自动化仪表：

外围设备必须通过工业自动化仪表才能和控制对象发生联系。工业自动化仪表的种类很多，其中有检测仪表、显示仪表、调节仪表以及执行机构等。2.软件部分。

软件包括系统软件和应用软件两大类软件建立和依托在硬件的基础上。主要包括：语言程序(如汇编语言、各种高级语言的编译和解释程序)、管理系统及操作系统、服务程序(如诊断程序、排错程序、编辑程序)等。材料加工过程的计算机控制第五章可用于计算机工业控制系统的计算机几乎包括各种类型，像单片机、可编程序控制器、工控机、PC机、系统机等。1.单片机(SingleChipMicrocomputer)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。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／数字量转换的A／D、D／A转换接口，用于人机对话的键盘处理接口，LED或LCD显示接口，用于输出控制的接口等,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。计算机工业控制系统中计算机的分类和选择3材料加工过程的计算机控制第五章单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O接口和中断系统、定时器/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小而完善的计算机系统。单片机材料加工过程的计算机控制第五章2.可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicalController)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。PLC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可编程逻辑控制器，是一种用于自动化实时控制的数位逻辑控制器，广泛应用于目前的工业控制领域。可编程逻辑控制器的系统程序一般在出厂前已经初始化完毕，用户可以根据自己的需要自行编辑相应的用户程序来满足不用的自动化生产要求。材料加工过程的计算机控制第五章3.STD总线工业控制机4.工业PC机STD总线工业控制机是80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，简称工控机。工控机大都采用模块式结构，具有通用性强、可靠性高、系统组成灵活等特点，具有广泛的适应性。工业PC机在系统结构及功能模块的划分上更适合工业过程控制的需要，它一方面继承了个人计算机丰富的软件资源，使其软件开发更加方便、快捷；另一方面在结构上又采用了STD总线工业控制机的优点，采用模块化，这些优点使得工业PC机发展十分迅速。材料加工过程的计算机控制第五章高可靠性可维护性对环境的适应性控制的实时性和中断系统完善的外围设备和指令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4材料加工过程的计算机控制第五章5.2计算机控制系统的输入与输出计算机测控系统的输入部分包括传感器、变送器及A/D（模/数）转换等；输出部分包括D/A（数/模）转换、信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1.检测与转换技术及传感器检测与转换技术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的物理量中提取所需要的信息。通常需要把这些非电量信号如温度、压力、位移、流量等物理量转换为电压或电流等电信号，转换后的电信号应能反映物理量的实际变化。传感器是信息获取过程中的第一个环节。检测技术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

材料加工过程的计算机控制第五章变送器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0-5V或0-10mA等。信号标准其实是仪表之间的通信协议，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，带有微处理器的智能化现场变送器是发展的必然趋势。2.变送器在各种工业过程自动控制系统中，变送器对温度、压力、液位、流量、成分等物理量进行测量，并转换成统一的标准信号。材料加工过程的计算机控制第五章1.调节器偏差信号作为输入量送入调节器，在调节器中按一定规律运算后，给出输出信号进行调节，以消除扰动的影响，使被调节参数回到给定值。调节过程的品质即以何种途径，经过多长时间回到给定值，不仅与对象特性有关，也与调节器的特性有关。工业上用得最普遍的仍然是比例(P)、积分(I)及微分(D)三种调节规律。2控制仪表与装置材料加工过程的计算机控制第五章当通过热电偶采集的被测温度偏离所希望的给定值时，PID控制可根据测量信号与给定值的偏差进行比例（P）、积分（I）、微分（D）运算，从而输出某个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。在此基础上可以组合成比例调节器、比例积分(PI)调节器、比例微分(PD)调节器以及比例积分微分(PID)调节器。材料加工过程的计算机控制第五章

PID模块操作非常简捷只要设定4个参数就可以进行温度精确控制：

1、温度设定

2、P值

3、I值

4、D值

PID模块的温度控制精度主要受P、I、D这三个参数影响。其中P代表比例，I代表积分，D代表微分。材料加工过程的计算机控制第五章2.执行器执行器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接受调节器的控制信号，自动改变操作变量，达到对被调参数(如温度、压力、液位等)进行调节的目的，使生产过程按照预定要求正常进行。执行器根据执行机构使用的工作能源不同可分为三大类：气动执行器、电动执行器、液动执行器，其中，液动执行器使用较少。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。材料加工过程的计算机控制