计算机控制技术在钢铁厂中的应用

第一篇：计算机控制技术在钢铁厂中的应用

北京化工大学北方学院毕业设计（论文）——计算机控制技术

北京化工大学北方学院毕业论文

论文题目：

计算机控制技术在钢铁厂中的应用

所在院系：

信息院

所在专业：

自动化

班

级：

自动化

姓

名：

2012年

05月

11日

北京化工大学北方学院毕业设计（论文）——计算机控制技术

计算机控制技术在钢铁工业中的应用

前言

随着科学技术的迅猛发展,近几年来中国工业得到了高速发展,其中作为“工业脊梁”的钢铁工业更是发展迅速。计算机控制系统在中国钢铁工业的发展中起到了至关重要的作用，它作用于钢铁生产工厂中的炼焦过程控制，电力供应控制，炉温控制，钢材尺寸控制，生产自动化等各方面，降低了损耗并提高了生产效率，产出的钢铁品质更高市场竞争能力更强。

电炉在冶炼过程中，将产生大量的烟尘，造成严重的空气污染。为了保护生产环境和生态资源，对铁电炉的烟气进行治理，从废物资源的综合利用上看亦是十分有利的，既有环境效益和社会效益，又有明显的经济效益。

本设计取材于某企业电炉烟气净化项目工程实例，并截取部分功能（上位控制部分）。

参考文献

1马东 《带钢热连轧AGC自动厚度控制的应用与研究》 东北大学，2003 在轧钢企业当中,要着重解决由于厚度、宽度偏差,板形不良等问题.目前,板带材的厚度控制主要是指热连轧机组的厚度自动控制(AGC),实现AGC的整个控制系统分为三级，根据本钢热连轧厂轧机的实际运转情况,对厚度自动控制(AGC)的应用实际进行分析,并指出其影响因素,阐述了如何保证并提高AGC的功能使用和控制精度.热连轧机的厚度自动控制及其控制的数学模型的研究,是一项具有很强实际意义和工程使用价值的工作.它可以作为指导维护使用、优化革新轧机厚度控制系统的理论依据,达到板厚的有效控制,获得良好的厚度精度,较高的板坯成材率的目的.北京化工大学北方学院毕业设计（论文）——计算机控制技术

2李岩 《钢冷轧厂制造执行系统》 大连理工大学，2008 制造执行系统(MES)作为企业上层事务处理(如ERP等)和底层工业设备控制系统(如DCS等)之间的中间桥梁，在生产计划的优化调度组织、生产过程的控制与改进、下达指令与收集实时生产数据、实现车间生产敏捷化等方面起着越来越重要的作用，该文对目前国内制造执行系统设计和应用进行研究分析的基础上，认真梳理了本钢二冷轧厂的生产工艺特性以及业务流程，针对制造执行系统中所涉及的面向对象的分析与设计，B/S三层架构，数据库关键技术进行了深入研究，并开发了本钢冷轧厂制造执行系统。

3董建伟 《坯连铸控制系统设计及控制参数优化研究》重庆大学，2007 热处理炉生产过程中一直是由人工操作来完成炉内燃烧控制，常使炉内温度动态响应和稳定性较差，不但影响产品质量，也不利于高精产品的开发，而且由于人工操作会造成空＼燃配比不当，炉内燃烧不完全，极大地浪费能源。该论文以杭州亚通特钢有限公司小方坯连铸控制系统为研究对象，分析原控制系统存在的问题，主要包括原系统无上位机监控界面、二冷水控制方式和模式落后、切割系统控制不当、模板预留量不够等问题。根据控制系统设计的基本要求和实际的需要重新配置新的控制系统。

4汤梅《热处理炉自动控制系统》 重庆大学，2007 论文针对重庆三钢公司热处理炉，提出自动化控制改造方案，构建了热处理炉自动控制系统，包括可靠的计算机系统、输入输出智能模块及Windows2000、全中文工控组态软件、现场检测及调节仪表；同时在控制过程中采用合理的空燃比，使其充分燃烧，既能达到最佳的加热质量，又能达到节能降耗目的。并重点分析设计了如何解除热处理炉温度的滞后性问题。

5丁杨 《铁厂供配电的特点和综合自动化系统的设计与实现》 安徽大学，2006 该文以宝钢三热轧带钢工程供配电综合自动化的工程实例为例，详细描述了钢铁厂供配电综合自动化系统的组成、设计功能及设计原理。本系统由两大部分组成，设置监控层后台监控系统和间隔层保护、测量、控制装置, 详细分析了钢铁厂供配电系统的特点，以及其与电力系统的不同点，并以此为根据提出了供配电综合自动化系统的基础功能要求，在工程实例的中特别论述了其相应的特点和特殊需求在设计中是如何实现的。北京化工大学北方学院毕业设计（论文）——计算机控制技术

6张君霞 《高炉上料控制系统的研究》 西南交通大学，2007 上料控制PLC和设置在槽下操作室的工控机组以及现场设备通过Profibus现场总线组成高炉上料控制系统，并与高炉其它控制系统通过工业以太网组成高炉自动控制系统。该控制系统克服了传统的继电控制系统的不足之处，使控制更精确，工作效率更高，可靠性更好，故障率更低，从而使高炉生产的技术层次和经济指标大幅提高。

7周志建 《滚切式双边剪夹送辊的同步控制系统研究及实现》 中南大学, 2006 论文针对钢铁厂板材精整线上的关键设备——滚切式双边剪，研制出一种通用的基于多电机同步控制理论的全数字式夹送辊同步控制系统，实现对夹送辊的实时同步驱动控制，提高系统的可靠性和板材的剪切质量。同时，这种基于现场总线和电流同步的全数字式同步控制系统对双边剪之类的控制对象具有通用性，对旧双边剪机组控制系统的改造具有启发作用。

8樊海峰 《基于平整钢铁制造的工业控制系统的研究与应用》上海交通大学，2005 论文介绍了整个工业控制系统在当今社会的现状，分别介绍了在三电一体化和嵌入式系统，以PC 为基础的分布式控制系统和现场总线，先进控制和智能控制技术的应用这几个方面的实际情况和发展前景，并着重说明了PC 为基础的分布式控制系统和现场总线的支持集成和开放的实际使用价值。

9梁丽中 《酸洗生产线中闪光焊机控制系统研究》 河北工业大学，2008 该文从消化吸收国外先进闪光焊机入手，分析了闪光焊接参数的选择，针对闪光焊接中的技术难点，详细分析了闪光焊机的主电路控制单元，液压控制系统和焊机速度送进系统。在文章的最后，还对闪光顶锻过程进行了控制优化，并进行了仿真研究。仿真结果表明：闪光阶段的控制优化方案能显著提高送进速度的跟踪特性；顶端阶段的控制优化方案具有更快的动态响应速度和更好的稳态性能，且超调小、控制精度高。

10王罡 《马钢机制公司生产计划计算机管理系统开发研究》 同济大学，1996 该文综述了多品种小批量生产型企业的生产计划方法.结合软件工程理论,按照管理信息系统的开发方法,进行了马钢机制公司“生产计划计算机管理系统”的开发工作.北京化工大学北方学院毕业设计（论文）——计算机控制技术

首先,在分析实际需求的基础上,建立了系统总体信息流的结构.然后,论证了系统的硬、软件配置,同时,进行了系统分析,建立了系统的数据流程图.其次,设计了系统的软件模块结构,给出了相应说明.再次,介绍了编程、调试与现场投运的有关情况.最后,总结了项目开发的成就及存在的问题.现场投运表明,该文所完成的系统开发工作是有效可行的.11 董志奎，戚向东，岳晓丽，连家创，张文志《Proceedings of the 29th Chinese Control Conference》 INDUSTRIAL CONTROL COMPUTER，2008年21期

主要介绍了1780热连轧机板形控制系统的设计及应用和780热连轧生产线生产的钢种、规格、主要工艺设备、技术参数和采用的先进技术.着重介绍了热负荷试车过程中通板钢种和规格的选择、通板主要技术参数的确定、通板方案的确定、产品规格扩展和最终产品质量验收等方面的经验

12公维娥，张新宁，徐舟《Application of Computer Control in Steel Sintering Formula》

主要介绍了烧结自动配料计算机控制系统的三电一体化设计思路和设计特点,主要包括仪控设计、计算机控制系统设、电控设计以及控制功能的实现，对系统在使用过程进行了分析,并介绍了相应的改进措施.改进后的系统在生产中取得了较好的效果,产品指标得到了显著的提高。

13李军，刘桂萍，田海《Automatic Control System to Sintering's Compound》 Industrial Control Computer，2011年24期

主要介绍了张店钢铁厂新区烧结自动配料计算机控制系统,主要包括电气控制设计原理、系统的软件配置与组态以及控制功能的实现。吴家凤《ON SOME TECHNICAL PARAMETERS OF COKE CALCINATION ROTARY KILN AND DESIGN CONCEPTION OF CONE ROTARY KILN》CARBON TECHNIQUES，2012年1期

通过对焦炭煅烧回转窑的一些设计和运行参数的讨论,论述了锥形回转窑的设计及其使用的可行性和优越性。

15R.Gillingham 《 Challenges presented to BOF operating department 北京化工大学北方学院毕业设计（论文）——计算机控制技术

during startup of window-based control system》 Iron & Steelmaker，1996年23期

在生产及管理上除了要求它给初轧机加热出适于轧制的温度均匀的钢锭之外，还要求它在保证烧钢质量的前提下，稳定烧钢工艺，降低煤气和耐火材料消耗，把炼钢厂断续送来的钢锭变成均衡的钢锭流，按轧制拍节提供初轧机。

技术指标

1、进行系统主电路的设计和控制电路的设计。

2、主设备的选择和具体型号的确定、电器元器件选型以及具体型号的确定, 各类导线的选择及布线的设计。

3、进行可靠性、安全性和可行性分析，编制线号。

4、电气线路必要的安全保护。

5、两台315KW风机,10台3.5KW除尘电机，一台22KW罗茨风机和1台同功率的加密风机，27个卸灰阀、1个烟道反吸阀1个混风阀构成。另外，还有大量的现场传感器信号，各部分由设在电气控制室的PLC集中控制。

一级机的主要任务是根据二级机设定的参数完成轧制过程的控制、数据采集等功能，主要由17台MAC柜、16台I/O柜、操作员站、工程师站组成。根据控制对象的不同，MACDS控制器分为3种：3台顺序控制器(SR21、SR30和SR31)，7台过程控制器(PR01、PR02和PR11～PR15)和7台主传动控制器(MR40～MR46)。各控制器的功能见图1。工程师站和操作员站用于轧制过程的状态监视、人工干预和系统的开发维护。

过程控制机采用2台DEC公司的VAX-4105A计算机，它们互为热备份，通过以太网将2台VAX机和二级机的其它设备连接在一起，用WestnetⅡ高速数据通道实现和一级机之间的通信。它主要完成以下功能：原始数据输入和管理；对待轧、正轧、已轧的钢卷进行跟踪；轧制过程数据的收集和处理；数学模型预设定计算；轧制过程的自学习；操作、维护画面的显示；各种工程报表、质量报表和生产报表的生成和打印。

由于一级机和二级机中所使用的数据格式不同，因此，每隔0.1s，I/O监视器将这些一级原始数据传送到二级机MillI/O内存缓冲区时，要进行工程单位转换，以备二级应用程序使用。数据传送和转换完后，I/O监视器触发轧机事件监控，特殊数据收集和其它数据收集，以存取MillI/O内存缓冲区中新刷新的数据，这种触发北京化工大学北方学院毕业设计（论文）——计算机控制技术

方式能够有效地防止数据滞后，使得应用程序同MillI/O中的数据保持一致。轧机事件监控子系统(MEM)监控从一级来的信号(例如机架校正完毕，钢卷甩尾完成等)，MEM给事件监视动作分配器(EMAD)送出一个表示事件被检测到的进程内部信息。

对于它接收的每个事件，EMAD给一个或多个应用程序送出进程内部信息请求它们执行相应的动作，应用程序响应该事件将返回一个信息给EMAD表示动作完成，EMAD可能接着给其它应用程序送出进一步的动作请求，如此建立基于一个初始事件的动作链。

应用程序使用的过程数据存储在几个数据库中，3个主要的数据库由数据库服务器子系统(见图2的右上角)来维护，所有要从数据库中请求数据的应用程序给相应的服务器送出一个进程内部信息，以请求所希望的数据。服务器将给正在等待的应用程序送一个包含被请求的数据在内的进程内部信息，如果一个应用程序要从几个数据库中请求数据的话，将重复“发送－等待－接收”序列。

如果服务器不能给应用程序返回所请求的数据，就产生一个错误信息，应用程序给报警子系统(见图2右下角)送一个进程内部信息，表示产生一个错误。

当系统在线的时候，Failover故障切换子系统通过以太网周期地将所选择的数据库和内存缓冲区数据传送到后备计算机中，使得2台计算机的计算环境完全一样。当在线计算机出现故障时，备份计算机立即投入运行，保证整个控制系统不受影响。

当二级机没有同一级机通信，并且没有控制轧钢时，软件训练子系统模拟大多数一级机的信号，使得二级应用程序能够运行，以用于测试和演示的目的。

由此可见，冷轧过程控制机的软件以事件监视动作分配器EMAD为核心，由EMAD启动各个模块，完成相应的动作。

冷轧数学模型是整个控制系统的核心，模型设定的精度决定了控制系统的控制精度。它根据热轧来料状况和冷轧目标厚度要求，计算出穿带期间和稳态轧制期间所需要的各种参数，通过网络传送到一级机，一级机根据这些设定值，控制和调节轧制过程中的厚度、速度和张力等参数。

稳态设定计算的目标为：在不超出轧机设备限制条件，满足用户所要求的轧制规范，保证冷轧成品出口厚度的前提下，给出各机架马达负荷均衡分布状态下的最大轧件秒流量，并通过自适应学习的修正，尽可能地计算出轧制控制参数。

穿带计算的任务是给出最佳穿带辊缝，从而达到穿带顺利，过渡状态平稳和头部超差长度尽可能小的目的。北京化工大学北方学院毕业设计（论文）——计算机控制技术

数学模型根据原始数据、轧制规范、轧机状态数据、自学习因子等参数，经过复杂的计算，得出本卷的轧制规程数据，经过整理下装到一级机。钢卷轧制时，开始收集轧制数据，甩尾时计算自学习因子，以便用于轧制处于同一变形参数组的下一块钢卷。数学模型计算的原理如图3所示。冷轧模型由4个部分组成：规程计算；预设定给定；数据收集；自学习。

总结

随着科技的发展，钢铁工业已经进入自动化智能化时代，然而我国的钢铁工业自动化智能化还相对落后，在钢铁工业中需加大对计算机控制系统研究的投入。钢铁工业生产过程进行计算机控制是提高产品质量、降低成本、减少环境污染的必由之路，计算机控制系统已成为生产设备及过程控制等重要的组成部分，它代替人的思维成为钢铁工业设备及工艺过程控制、产品质量控制的指挥和监督中心。钢铁工业生产过程的计算机控制系统，随着计算机的进步、工业生产工艺过程控制要求的提高和生产管理的完善而不断发展。

北京化工大学北方学院毕业设计（论文）——计算机控制技术

第二篇：《计算机控制技术在力学中的应用》课后感想（本站推荐）

《计算机控制技术在力学中的应用》学习感想

和写很多其他的课后感想一样，我很有必要要简单谈一谈通过这门课我学到了哪些知识，从而证明我确实有认真听课，否则1500字的感想就无从依据了，而被当做胡诌那我就伤心死了。

“所谓自动控制，就是指在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象（如机器设备和生产过程）的某些（或工作状态）能自动地按照预定的规律变化（或运行）。”¹ 其实这一概念我们早已接触，比如楼道里的感应灯——白天不亮，到了晚上而且有人经过的时候才亮——只是它的原理与内在机制一直比较模糊而已。通过对这门课的学习，我知道了自动控制的基本过程：首先要有执行机构控制被控对象，其次要有控制器对信号做出反应，告诉执行机构该干什么，最后要有一个测量变送器，通过反馈回路，将被控对象的各个方面的具体信息传递给控制器。对于感应灯的例子，我认为灯的亮度是被控对象，光传感器和声传感器同时对外界进行感应，当环境光强小于某一设定值时即认为是晚上，然后光传感器发出类似于“是”的信号，一旦有人经过，声传感器检测到声音强度大于某一设定值，也发出类似于“是”的信号，两个“是”的信号作为依据令控制器（控制回路）向执行器（另一个控制回路²）发出“开灯”的指令，执行器使电路接通，然后灯就亮了。这样便实现了自动控制。除了对自动控制这一概念的理解，这门课作为我感觉比较轻松的科普类课还让我接触到了很多传感器。侯老师花了很长时间来讲传感器的工作原理并带我们进行了公式推导，可见传感器在控制技术这一块的重要性。传感器通常体积小巧，因而经常容易忽视。其实现在很多手机里都有传感器。我的手机里就有加速度传感器，所以才可以识别重力方向，自动旋转屏幕。力学中常用的传感器主要是电阻应变片，用于测量物体表面应变。事实上这颠覆了我对力学量的精度的看法——我本来以为应变应该是很难精确测量的，如要精确测量，至少得借助光学吧。然而电阻应变片却能很好使物体表面应变与电阻的应变同步，这让我十分诧异。如果有时间我还想仔细观察一下这种同步性。另外侯老师还着重谈到了放大回路。几乎所有的测量值都需要放大，因为实在是太小了，不便于分析。收音机里都有放大器。侯老师说苏联败给美国其中一个原因就是苏联花了很多精力放在电子管的发展，而美国人则发明了晶体管。这说明除了对信号的采集外，如何更好地处理并传递信号同样是非常关键的。

关于数/模转换（或者说D/A转换），我的理解是首先我们有这样一个需求，即我们用以处理数据的工具——计算机——迄今还只是机械的计算工具，无法处理我们习惯的模拟信号，因而我们只能将模拟信号转换为计算机所认可的数字信号，然后再进行分析。为了将采集到的模拟信号转换为数字信号，我们将其离散化，按时间间隔采样，并将数值依次记录下来。这里会有一个问题，即我们应按多大的时间间隔采样？如果间隔太短，采样过于频繁，则计算量大，耗时长，无法短时间内做出分析决策；如果间隔太长，样本过少，得到的信息不全，无法真实地还原模拟信号。香侬定理给出：为了使采样信号能完全复现原信号，采样频率至少要为原信号最高有效频率的2倍。这是一个很重要的结论，将使得我们得以自信地减小采样频率以提高工作效率。

最后我了解了控制系统与执行系统的分类与实现。这一方面与力学密切相关。主要讲的是控制系统。从类型上看，自动控制系统分为开环控制系统与闭环控制系统。两者的区别在于闭环在开环的基础上增加了反馈机制，拥有“纠错”的能力，因而实现更高的控制精度，当然结构也更加复杂，维护起来更加困难。采用哪种控制应当取决于需求。常用的控制运算方法大致有比例控制、积分控制与微分控制，通常我们把它们结合起来，形成PID控制。其实我认为这也取决于需求。

以上是我在这门课上主要学到的知识，其中也包含了我的一些个人体会。通过这门课，我感觉我对计算机控制技术有了初步了了解，对力学也有了更具象的认识，应该说是比较合格地达到了我对这门课的期望，希望以后可以更深入地学习并掌握这方面的知识与技能。

注：1.摘自讲义第一章前言部分。

2.我对内部电路部分还不是很清楚，如有错误还望侯老师见谅。

第三篇：计算机控制技术

《计算机控制技术》课程综述

09热工一班姚跃辉200910610118

计算机控制是自动控制理论与计算机技术相结合而产生的一门新兴学科，计算机控制技术是随着计算机技术的发展而发展起来的。自动控制技术在许多工业领域获得了广泛的应用，但是由于生产工艺日益复杂，控制品质的要求越来越高，简单的控制理论有时无法解决复杂的控制问题。计算机的应用促进了控制理论发展，先进的控制理论和计算机技术相结合推动计算机控制技术不断前进。近年来，随着计算机技术、自动控制技术、检测与传感器技术、网络与通信技术、微电子技术、CRT显示技术、现场总线智能仪表、软件技术以及自控理论的高速发展，计算机控制的技术水平大大提高，计算机控制系统的应用突飞猛进。利用计算机控制技术，人们可以对现场的各种设备进行远程监控，完成常规控制技术无法完成的任务，微型计算机控制已经被广泛地应用于军事、农业、工业、航空航天以及日常生活的各个领域。可以说，21世纪是计算机和控制技术获得重大发展的时代，大到载人航天飞船的研制成功，小到日用的家用电器，甚至计算机控制的家庭主妇机器人，到处可见计算机控制系统的应用。计算机控制技术的发展日新月异，作为现代从事工业控制和智能仪表研究、开发及使用的技术人员，必须不断学习，加快知识更新的速度，才能适应社会的需要，才能在工业控制领域里继续邀游。计算机控制系统是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。这里的计算机通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大型的通用或专用计算机。辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。与被控对象的联系和部件间的联系，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。被控对象的范围很广，包括各行各业的生产过程、机械装置、交通工具、机器人、实验装置、仪器仪表、家庭生活设施、家用电器和儿童玩具等。控制目的可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种要求，也可以是达到某种最优化目标。

计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制计算机）来实现工业过程自动控制的系统。在计算机控制系统中，由于工业控制机的输入和输出时数字信号，而现场采集到得信号或送到执行机构的信号大多是模拟信号，因此与常规的按偏差控制的闭环负反馈系统相比，计算机控制系统需要有莫属转换器和数模转换器这两个环节。

计算机把通过测量元件、变送单元和模数转换器送来的数字信号，直接反馈到输入端与设定值进行比较，然后根据要求按偏差进行运算，所得到数字量输出信号经过数模转换器送到执行机构，对被控对象进行控制，使被控变量稳定在设

定值上。这种系统称为闭环控制系统。

计算机控制系统由工业控制机和生产过程两大部分组成。工业控制机硬件指计算机本身及外围设备。硬件包括计算机、过程输入输出接口、人机接口、外部存储器等。软件系统是能完成各种功能计算机程序的总和，通常包括系统软件跟应用软件。

（1）数据采集系统

在这种应用中，计算机只承担数据的采集跟处理工作，而不直接参与控制。它对生产过程各种工艺变量进行巡回检测、处理、记录及变量的超限报警，同时对这些变量进行累计分析和实时分析，得出各种趋势分析，为操作人员提供参考。

（2）直接数字控制系统

计算机根据控制规律进行运算，然后将结果经过过程输出通道，作用到被控对象，从而使被控变量符合要求的性能指标。与模拟系统不同之处在于，在模拟系统中，信号的传送不需要数字化；而数字系统必须先进行模数转换，输出控制信号也必须进行数模转换，然后才能驱动执行机构。因为计算机有较强的计算能力，所以控制算法的改变很方便。

微型计算机控制技术是一门跨学科以及应用性、技术性、综合性都很强的专业技术课程，要求具备较强的自动控制理论、微型计算机原理、模拟电子技术、数字电子技术等专业基础知识。通过学习，要求掌握计算机控制系统的控制原理和分析设计方法，具备基本的设计技能，能够设计出简单的计算机控制系统。学习该课程对我们工科专业的学生是十分重要而有用的。

09热工(1)班姚跃辉

第四篇：计算机控制技术

一、填空题

1、所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。

2、计算机控制系统的工作原理的三个步骤：实时数据采集、实时控制决策、实时控制输出

3、实时性：是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定时间内对外来事件作出反应的特性。

4、计算机控制系统有哪几种典型类型：OIS、DDC、SCC、DCS、FCS、PLC5、工业计算机有哪些特点：可靠性高、实时性好、环境适应性强、模块化设计，完善的O/I通道、系统扩充性好、系统开放性好、控制软件包功能强。

二、作图题

1、作出计算机控制系统的组成框图

2、作出计算机制导控制系统（OIS）的系统框图

三、问答题

1、计算机总线大致可分为几类？其内部总线又可分为几类？

2、简述smith预估控制的基本思想。

3、常见的工业控制计算机总线体系结构有哪几种？

4、什么是数字滤波？常用的数字滤波有哪些方法？

5、工业控制计算机系统的干扰来源有哪几类？各类干扰又有哪些具体形式？

6、现场总线的定义是什么？

四、论述题

1、论述DCS、FCS各自的含义是什么？

五、计算题

关于PID控制，要求：

1、写出模拟PID控制器的控制规律及其传递函数。

2、推导出位置式数字PID的控制算式。

3、推导出增量式数字PID的控制算式。

关于模糊控制

六、设计题

现要求用80C51单片机处理A、B、C三个输入信号，其中A为0-20V的交流信号，B为0-10mA的直流电流信号，C为0/24V的直流电压开关信号，要求得到A、B信号的幅值及C信号的状态。其中ADC采用ASC0809。请补充必要的电子元器件，并将元器件正确连接（可用网络符号）。

提示：交流信号？整流，开关

第五篇：计算机控制技术课件范文

第1讲 绪论 主要内容：

1.1 计算机控制系统概述

控制对象的复杂化→控制系统的复杂化（多输入—多输出系统、非线性系统、时变和分布参数系统等等）→常规控制方法和手段难以实现→微型计算机的出现并应用于自动控制领域，使自动控制水平产生了巨大的飞跃。

自动控制是在非人工直接参与的前提下，应用自动控制装置自动地、有目的地控制设备和生产过程，使他们具有一定的状态和性能，完成相应的功能，实现预定的目标。自动控制系统一般可以分为：开环控制系统和闭环控制系统两大类。

所定谓开环控制系统是指控制器按照先验的控制方案对对象或系统进行控制，使被控制的对象或系统能够按照约来运动或变化。如图1.1所示。

闭环控制系统是按照偏差进行的控制，较开环控制系统增加了一个比较环节和一个来自被控参数的反馈信号。

计算机控制系统的控制过程可简单地归纳为三个过程：（1）信息的获取（2）信息的处理（3）信息的输出 1.2.2计算机控制系统的硬件组成

典型的计算机控制系统的硬件主要包括：计算机主机、过程控制通道、操作控制台和常用的外设，应该指出的是，随着计算机网络技术的快速发展，网络设备也成为计算机控制系统硬件不可少的一部分。1.主机

主机是指我们用于控制的计算机，它主要由CPU、存储器和接口三大部分组成，是整个系统的核心。

目前使用的主机有：单片机、PLC、工业PC等。

它主要完成数据和程序的存取、程序的执行、控制外部设备和过程通道中的设备的工作，实现对被控对象的控制，实现人机对话和网络通信。

由于CPU技术的发展和广泛应用及网络技术的发展和广泛应用，主机还要完成对一些含CPU设备和网络设备的控制。2 过程控制通道

过程控制通道是被控对象与主机进行信息交换的通道，根据信号的方向和形式，过程控制通道又可分为：（1）模拟量输入通（2）模拟量输出通道（3）数字量输入通道（4）数字量输出通道 3.操作控制台

操作控制台是计算机控制系统人机交互的关键设备。通过操作控制台，操作人员可以及时了解被控对象的运行状态，运行参数；对控制系统发出各种控制的操作命令，并且通过操作控制台还可以修改控制方案和程序。操作控制台包括：（1）信息的显示（2）信息的记录（3）工作方式状态的选择（4）信息输入 4.通讯设备

通讯设备已成为计算机硬件的一个重要部分。这些设备可以完成计算机控制系统的信息交换。1.2.3 计算机控制系统的软件组成系统软件和应用软件

•系统软件是维持计算机运行操作的基础，是用于管理、调度、操作计算机的各种资源，实现对系统监控与诊断，提供各种开发支持的程序。包括：操作系统、监控管理程序、故障诊断程序、各种计算机语言及解释、编译工具，一般由供应商提供或专业人员开发，用户不需自己设计开发。

•应用软件是用户根据控制对象、控制要求，为实现高效、可靠、灵活的控制而自行编写的各种程序。包括：数据采集、数字滤波、标度变换、键盘的处理、过程控制算法、输出与控制等程序。

1.2.4计算机控制系统的分类

•按系统结构分为：开环和闭环控制系统； •按控制规律分为：程序和顺序控制、常规控制、高级控制（最优、自适应、预测、非线性等）、智能控制（FUZZY控制、专家系统和神经网络等）

•按系统功能分为：操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统和计算机集成制造系统六大类。

•控制过程：计算机通过数据输入通道对生产过程各项参数进行采集，根据工艺和生产的需求进行最优化计算，计算出优化的操作条件和参数，利用其输出设备，将其结果显示或打印。操作人员根据计算机提供的结果改变控制器的参数或设定值，实现对生产过程的控制，属于计算机离线最优控制的一种形式。

•该系统结构简单、控制安全、灵活，由于人的介入使该系统可以应用于一些复杂的不便由计算机进行直接控制的场合。

计算机监督控制系统是计算机集散系统的最初、最基本的模式。分为两种结构：SCC+模拟调节器，SCC+DCC（两级计算机控制系统）。如图1.7所示 ：

一、常用的传感器类型

•压力检测及变送 •温度检测和变送 •流量检测及变送 •物位检测及变送

•其它检测仪表和装置（接近开关、光电开关、测速发电机、光电编码器、测厚仪表）

二、变送器的信号传输及供电线制

1.气动变送器：用两根气动管线分别传送气源和输出信号。它的气源或电源从控制室送来，而输出信号送到控制室。

2.电动模拟式变送器：采用二线制或四线制传输电源和输出信号。

2.2 过程控制中常用的执行器

执行器在过程计算机控制系统中的一个重要组成部分。它的作用是接收控制器送来的控制信号，改变被控介质的流量，从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。

一、执行器的分类

1.按动力能源分：气动、电动、液动

2.按动作极性分：正作用执行器和反作用执行器

3.按动作行程分：角行程执行器和直行程执行器

4.按动作特性分：比例式执行器和积分式执行器

二、气动执行器

1.原理：利用压缩空气作为能源

2.特点：结构简单、动作可靠、平稳、输出推力较大、维修方便、防火防爆，而且价格较低；它可以方便的与气动仪表配套使用，即使是采用电动仪表或计算机控制时，只要经过电/气转换器或电/气阀门定位器，将电信号转换为0.02~0.1MPa的标准气压信号，仍然可用气动执行器。

三、电动执行器

1.原理：它接收来自控制器的4~20mA或0~10mA直流电流信号，并将其转换成相应的角位移或直行程位移，去操纵阀门、挡板等控制机构，以实现自动控制

2.分类：直行程、角行程和多转式等类型

3.结构：电动执行器主要由伺服放大器和执行机构组成，如下图： 现场总线执行器

现场总线的智能执行器由传统的执行器、含有微处理器的控制器以及可与PC或PLC双向通信的模件及软件组成，具有与上位机或控制系统通信的功能

•智能化和高精度的系统控制功能

•一体化的结构

•智能化的通信功能

•智能化的自诊断功能

2.3 运动控制中常用的执行机构

•直流伺服电机 •交流伺服电机 •步进电机

•电磁阀和液压阀

第3讲 计算机总线技术 主要内容：

1.总线的基本概念

2.内部总线

3.外部总线

•随着微处理器技术的飞速发展，总线技术也得到不断创新。先后出现了ISA、MCA、EISA、VESA、PCI、AGP、IEEE1394、USB等总线技术。

•芯片内部的总线技术也在不断发展，AMBA、Core Connect、CoreRAM等已经形成集成电路内部十分具有竞争力的总线标准。

•工业控制的PROFIBUS，FF等现场总线技术。

•总线的数据传输速度也不断提升，目前，AGP局部总线数据可达528MB/s，PCI-X可达1GB/s，系统总线传输速率也由66MB/s提高到100MB/s甚至更高的133MB/s、150MB/s、200MB/s。

一、总线的基本概念

（2）按照总线在系统结构中的层次位置分

56根并行总线按功能可分为五大类 ¡ª逻辑电源线6根(引线1～6)¡ª数据总线8根(引线7～14)¡ª地址总线16根(引线15～30)¡ª控制总线22根(引线31～52)¡ª辅助电源线4根(引线53～56)

–ISA总线：问世较早，是8位、16位数据传输总线的工业标准

最高传输速率8Mbps；寻址空间16MB；将CPU看作唯一的主模块，其余外设均为从模块，包括可以暂时掌握总线的DMA和协处理器；98根总线分成5类：地址线、数据线、控制线、时钟线和电源线

–MCA：微通道体系结构。IBM在推出386时提出，数据、地址总线宽度32位，支持4GB的寻址能力；数据传输速率33Mbps；在电气及物理上与ISA不兼容；IBM没有公布标准

–EISA总线：89年推出486时提出，32位数据总线，支持32位地址通路；总线主控技术，扩展卡上具有总线主控处理器；与ISA兼容，支持多个主模块；可以自动根据需要进行32、16、8位数据间的转换；支持多总线主控模块；

–PCI高性能局部总线：92年由Intel公司带头制定的设备总线标准；支持64位数据传送、多总线主控模块、线性猝发读写和并发工作方式；具有即插即用功能(PnP)；最高传送数据132Mbps；兼容性强、成本低

•PCI总线特有的配置寄存器为用户使用提供了方便。系统嵌入自动配置软件，在加电时自动配置PCI扩展卡，为用户提供了简便的使用方法。

•又称为通信总线，用于计算机之间，计算机与远程终端，计算机与外部设备以及计算机与测量仪器仪表之间的通信。

•该类总线不是计算机系统已有的总线，而是利用电子工业或其他领域已有的总线标准。外部总线又分为并行总线和串行总线。•常用的外部总线：

IEEE-488总线

RS-232-C总线

RS-422和RS-485总线

通用串行总线（USB）

•IEEE-488总线是一种并行外部总线，专门用于计算机与测量仪器、输入输出设备，以及这些仪器设备之间的并行通信。

•IEEE-488是1970年由美国惠普公司开发的并行通讯总线,总线上连接的设备有三种，工作方式也有三种: •听者（¡°受话¡±方式）：同时可有多个 •讲者（¡°送话¡±方式）：每时只能有一个 •控者（¡°控制¡±方式）：每时只能有一个

（2）IEEE-488总线的连接示意图

–采用异步方式，利用三条控制线进行握手联络，实现三线握手的数据传输

–数据传输率不得超过每秒1M字节 –总线上的设备数不得多于15个

–电缆总长度不超过20m，两设备间不超过2m –采用负逻辑

‚不用MODEM的直接通信线路

（2）USB设备的主要特点

–采用USB接口的设备支持热拔插)–USB接口可以同时连接127台USB设备。–速度方面，USB 1.1总线规范定义了12 Mb/s的带宽，而USB2.0可提供480Mb/s的传输速度。–USB总线能够提供500 mA的电流

USB总线系统中的设备可以分为三个类型 –USB主机

–USB 集线器（HUB）

–USB总线的设备，又称USB功能外设

第4讲

过程通道与人机接口

过程通道:是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量（开关量）输入通道、数字量（开关量）输出通道。本讲主要内容 1.模拟量输入通道 2.模拟量输出通道 3.数字量输入输出通道 4.人机接口

模拟量输入通道（A/D接口）的组成

•模拟量输入通道的组成 –传感变送器

–输入信号调理电路 –多路模拟切换开关 –前置放大器 –采样保持器

–模／数转换器（A/D）–控制电路等

五、A/D转换

•A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。

•模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。•A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等。

1.A/D转换器的工作原理

（2）逐次逼近法

2.A/D转换器的性能指标

（1）ADC0809

CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，主要特性：

1）它是具有8路模拟量输入、8位数字量输出功能的A/D转换器。

2）转换时间为100μs。

3）模拟输入电压范围为0V～+5V，不需零点和满刻度校准。

4）低功耗，约15mW。

1）查询法

优点:接口电路设计简单。

缺点：A/D转换期间独占CPU，致使CPU运行效率降低。2）定时法

优点:接口电路设计比查询法简单，不必读取EOC的状态。

缺点：A/D转换期间独占CPU，致使CPU运行效率降低；另外还必须知道A/D转换器的转换时间。3）中断法

优点：A/D转换期间CPU可以处理其它的程序，提高CPU的运行效率。

缺点：接口电路复杂

④ ADC0809的接口电路

（2）12位A/D转换器AD574

② AD574的工作过程

③ AD574的接口电路

4.A/D转换器接口的隔离技术 主要采用光电耦合器 4.2 模拟量输出通道

一、D/A转换器

7.D/A转换器性能指标

8.D/A转换器的种类

（1）DAC0832结构框图及引脚说明

① CPU执行输出指令，输出8位数据给DAC0832；

② 在CPU执行输出指令的同时，使ILE、/CS、/WR1三个控制信号端都有效，8位数据锁存在8位输入寄存器中；

③ 当/WR2、/XFER两个控制信号端都有效时，8位数据再次被锁存到8位DAC寄存器，这时8位D/A转换器开始工作，8位数据转换为相对应的模拟电流，从Iout1和Iout2输出。

三、D/A接口的隔离技术 通常采用光电耦合器

两种隔离方式：模拟信号隔离和数字信号隔离

2.数字量隔离

4.4数字量输入输出通道

1.数字量（开关量）的概念 –开关的闭合与断开

–指示灯的亮与灭

–继电器或接触器的吸合与释放

–电机的启动与停止

–设备的安全状况等

功能：对现场输入的状态信号进行转换、保护、滤波、隔离，以转换成计算机能够接收的逻辑信号

3．常用的几种数字量输入的接线方式

二、数字量输出通道

2．输出驱动电路

第5讲

数字控制器的设计

•数字控制器概述

•数字控制器的模拟化设计 •数字控制器的离散化设计 •数字PID控制算法 •常规控制方案 •先进控制方案

5.1 数字控制器概述

整定过程：先按模拟PID控制器参数整定方法来选择，然后再适当调整，并考虑采样周期对整定参数的影响

2.扩充响应曲线法（动态特性法）

•三种常用指标：

•最佳整定参数应使这些积分指标最小，不同积分指标所对应的系统输出被控变量响应曲线稍有差别

•一般情况下，ISE指标的超调量大，上升时间短；IAE指标的超调量适中，上升时间稍短；ITAE指标的超调量小，调整时间也短，用得较多

5.4 常规控制策略

一、串级控制系统

二、前馈控制系统

1）典型的前馈-反馈控制系统

第6讲

常用控制程序设计

•软件系统概述

•测量数据预处理技术 •查表及数据排序技术 •数字滤波技术

应用软件的设计主要包括以下几个模块：

•系统界面模块 •采集模块 •控制模块 •数据处理模块 •打印显示模块 •数据存储模块 •数据传输模块等

一、程序设计步骤

第7讲 计算机控制系统中的 抗干扰技术

•干扰的传播途径与作用方式

•硬件抗干扰技术 •软件抗干扰技术

7.1 干扰的传播途径与作用方式

一、计算机控制系统中干扰的来源

二、干扰的传播途径

•在计算机控制系统的现场，往往有许多强电设备，它们的启动和工作过程中将产生干扰电磁场，另外还有来自空间传播的电磁波和雷电的干扰，以及高压输电线周围交变磁场的影响等。

–电场耦合又称静电耦合，是通过电容耦合窜入其他线路的。–电场干扰可以通过两根导线之间构成的分布电容窜入系统

–在任何载流导体周围都会产生磁场，当电流变化时会引起交变磁场，该磁场必然在其周围的闭合回路中产生感应电势引起干扰。

–在设备内部，线圈或变压器的漏磁也会引起干扰；在设备外部，平行架设的两根导线也会产生干扰，由于感应电磁场引起的耦合，可以计算感应电压

–公共阻抗耦合干扰是由于电流流过回路间公共阻抗，使得一个回路的电流所产生的电压降影响到另一回路

–在计算机控制系统中，普遍存在公共耦合阻抗，例如，电源引线、印刷电路板上的地和公共电源线、汇流排等。这些汇流条都具有一定的阻抗，对于多回路来讲，就是公共耦合阻抗

三、干扰的作用方式

按干扰作用方式的不同，可分为差模干扰、共模干扰和长线传输干扰

（1）定义：是指系统的两个信号输入端上所共有的干扰电压,共模干扰也称为共态干扰或纵向干扰

（2）产生共模干扰的原因：

计算机的地、信号放大器的地与现场信号源的地一般相隔一段距离，在两个接地点之间往往存在一个电位差Vc，该电位差是系统信号输入端上共有的干扰电压，会对系统产生共模干扰

（3）表现方式：

对于系统的干扰来说，共模干扰大都通过差模干扰的方式表现出来。

结论：

对于存在共模干扰的场合，应采用双端差动输入方式

为了衡量一个放大器抑制共模干扰的能力，常用共模抑制比CMRR表示，即

（1）定义：在计算机控制系统中，现场信号到控制计算机以及控制计算机到现场执行机构，都经过一段较长的线路进行信号传输，即长线传输。（2）信号在长线中传输遇到的三个问题

一是波反射现象：高速变化的信号在长线中传输时，会出现波反射现象

二是信号延时

三是外界干扰 7.2 硬件抗干扰技术

二、接地系统的抗干扰技术

在过程控制计算机中，对上述各种地的处理一般是采用分别回流法单点接地。

单点接地与多点接地 2.输入系统的接地

•在输入通道中，为防止干扰，传感器、变送器、和信号放大器通常采用屏蔽罩进行屏蔽，而信号线往往采用屏蔽信号线。屏蔽层的接地也应采取单点接地方式，关键是确定接地位置。3.主机系统的接地

•为了提高计算机的抗干扰能力，将主机外壳作为屏蔽。而把机内器件架与外壳绝缘，绝缘电阻大于50MΩ，即机内信号地浮地。

三、过程通道的抗干扰技术

•过程通道是计算机控制系统的现场数据采集输入和输出通道，它包括了现场信号源、信号线、转换设备、I/O接口电路，主机和执行机构等。

•过程通道涉及内容多，分布广，受干扰的可能性大，其抗干扰问题非常重要。•过程通道干扰的来源是多方面的，主要有共模干扰、差模干扰和长线干扰。（1）变压器隔离

•变压器隔离：利用隔离变压器将模拟信号电路与数字信号电路隔离开，也就是把模拟地与数字地断开，以使共模干扰电压不能构成回路，从而达到抑制共模干扰的目的。另外，隔离后的两电路应分别采用两组互相独立的电源供电，切断两部分的地线联系.•这种隔离适用于无直流分量信号的通路。对于直流信号，也可通过调制器变换成交流信号，经隔离变压器后，用解调器再变换成直流信号。（2）光电隔离

•光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管（或达林顿管、或晶闸管等）封装在一个管壳内组成, 实现以光为媒介的电信号传输。（3）浮地屏蔽

•浮地屏蔽：指信号放大器采用双层屏蔽，输入为浮地双端输入，如图示。这种屏蔽方法使输入信号浮空，达到了抑制共模干扰的目的。2.差模干扰的抑制 3.长线传输干扰的抑制

–同轴电缆对于电场干扰有较强的抑制作用，工作频率较高。双绞线对于磁场干扰有较好的抑制作用，绞距越短，效果越好。在电场干扰较强时须采用屏蔽双绞线。

–在使用双绞线时，尽可能采用平衡式传输线路。所谓平衡式传输线路，是双绞线的两根线不接地传输信号。因为这种传输方式具有较好的抗差模干扰能力，外部干扰在双绞线中的两条线中产生对称的感应电动势，相互抵消。同时，对于来自地线的干扰信号也受到抑制。4.终端阻抗匹配

•为了消除长线的反射现象，可采用终端或始端阻抗匹配的方法。5.始端阻抗匹配

始端阻抗匹配：在长线的始端串入电阻R，通过适当的选择R，以消除波反射

7.3 软件抗干扰技术 2.输入数字信号的抗干扰 3.输出数字信号的抗干扰

•由于干扰，可能使计算机输出的正确数字信号，在输出设备中得到的却是错误信号。

在软件上可以采取以下一些方法提高抗干扰能力：

二、CPU及程序的抗干扰技术

•CPU是计算机的核心。当CPU受到干扰不能按正常状态执行程序时，就会引起计算机控制的混乱，所以需要采取措施，使CPU在受到干扰的情况下，尽可能无扰地恢复系统正常工作。1.指令冗余

•当CPU受到干扰，程序“跑飞”后，往往将一些操作数当作指令代码来执行，从而引起整个程序的混乱。采用指令冗余技术是使程序从“跑飞”状态，恢复正常的一种有效措施。2.软件陷阱

•软件陷阱是在非程序区的特定地方设置一条引导指令（看作一个陷阱），程序正常运行，不会落入该引导指令的陷阱，当CPU受到干扰，程序“跑飞”时，如果落入指令陷阱，将由引导指令将“跑飞”的程序强制跳转到出错处理程序，由该程序段进行出错处理和程序恢复。3.Watchdog技术

•当程序“跑飞”到一个临时构成的死循环中时，冗余指令和软件陷阱将不起作用，造成系统完全瘫痪。看门狗技术，可以有效解决这一问题