Chapter5材料加工過程的計算機控制

計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料加工過程的計算機控制應(yīng)用范圍計算機在材料加工中的應(yīng)用大致可分為以下幾個方面：(1)物化性能測試數(shù)據(jù)的采集和處理；(2)加工過程自動控制；(3)計算機輔助模具設(shè)計和制造；(4)計算機輔助研究；(5)材料加工過程的全面質(zhì)量管理。

材料加工過程的計算機控制第五章本章要點5.1計算機控制技術(shù)基礎(chǔ)5.2現(xiàn)代測試系統(tǒng)的輸入與輸出5.3材料加工的計算機控制5.1計算機控制技術(shù)基礎(chǔ)生產(chǎn)過程自動控制是生產(chǎn)過程現(xiàn)代化的標志之一。在材料加工控制領(lǐng)域中，運用較多的是微型計算機和可編程控制器(ProgrammableController)。材料加工過程中的基本單元控制一般由可編程控制器或微型計算機控制系統(tǒng)完成，而復(fù)雜的生產(chǎn)線可由編程控制器和微型計算機控制系統(tǒng)共同完成。材料加工過程的計算機控制第五章自動控制的基本形式輸入部分

由傳感器、放大(變送)器和A/D轉(zhuǎn)換器等環(huán)節(jié)組成輸出部分

由D/A轉(zhuǎn)換器、信號調(diào)節(jié)器、控制執(zhí)行器及接口電路1計算機控制系統(tǒng)的概念計算機控制輸出部分檢測輸入部分生產(chǎn)過程5.1計算機控制技術(shù)基礎(chǔ)1.生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的發(fā)展材料加工過程的計算機控制第五章（1）實時檢測：通過工業(yè)自動化儀表對被控對象被控參數(shù)的瞬時值進行檢測并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的信號，然后將此模擬量通過外圍設(shè)備(A／D轉(zhuǎn)換器)轉(zhuǎn)換為計算機能夠識別、接收的數(shù)字量送入計算機主機。（2）實時決策：計算機主機將接收到的被控參數(shù)與通過外部設(shè)備輸入的給定值進行及時處理，并將運算或判斷結(jié)果迅速返回、輸出。（3）實時控制：計算機主機根據(jù)運算、決策結(jié)果，發(fā)出控制指令，經(jīng)外圍設(shè)備轉(zhuǎn)換為工業(yè)自動化儀表能夠接收的模擬量作用于工業(yè)控制對象，完成對生產(chǎn)過程的實時控制。塑料注塑機料筒溫度的計算機控制系統(tǒng)基本框圖2.計算機控制系統(tǒng)的基本原理及一般概念材料加工過程的計算機控制第五章在控制系統(tǒng)中引進計算機，可以充分運用計算機強大的計算、邏輯判斷和記憶等信息加工能力。只要利用微處理器的各種指令，寫出符合某種控制規(guī)律的程序，微處理器執(zhí)行程序就能實現(xiàn)對被控參數(shù)的控制；而在一般的控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的控制規(guī)律是由硬件電路產(chǎn)生的，改變控制規(guī)律就要改變硬件電路。在計算機控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律的改變只需改變程序。對計算機來講，控制過程的三個步驟，實際上只是執(zhí)行算術(shù)、邏輯操作和輸入、輸出操作，材料加工過程的計算機控制第五章DDC—DirectDigitalControlSCC—SupervisoryComputerControlDCS—DistributionControlSystem3.計算機控制系統(tǒng)的分類材料加工過程的計算機控制第五章(1)開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)中，主機通過各種一次儀表、信號變換器、A／D轉(zhuǎn)換器對工業(yè)現(xiàn)場被控參數(shù)進行檢測和不正常情況的報警，并根據(jù)一定的控制算法對測量的各生產(chǎn)工藝參數(shù)進行處理，然后同預(yù)先設(shè)定值進行比較，輸出結(jié)果。操作人員可以根據(jù)這些結(jié)果來決定控制方案，執(zhí)行控制操作。計算機并不直接對工業(yè)生產(chǎn)對象實施控制，而需要生產(chǎn)操作人員介入，即使計算機發(fā)生故障，也不會影響生產(chǎn)過程的正常進行，因而比較安全，但不能充分發(fā)揮計算機的作用。常見的開環(huán)控制系統(tǒng)有：生產(chǎn)過程的巡回檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)。

材料加工過程的計算機控制第五章開環(huán)控制系統(tǒng)計算出最優(yōu)操作條件及操作方案，操作人員直接操作執(zhí)行機構(gòu)。被控對象的輸出(被控制量)對控制器的輸出沒有影響。圖6-3計算機操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)組成原理方框圖材料加工過程的計算機控制第五章(2)閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)中，計算機不僅通過檢測元件對被控工業(yè)對象的工況參數(shù)進行檢測、分析、處理，而且在顯示和打印的同時，將處理結(jié)果(控制信號)通過執(zhí)行機構(gòu)反饋給被控工業(yè)對象，實施對生產(chǎn)過程的控制，從而使被控工業(yè)對象、檢測元件、計算機、執(zhí)行機構(gòu)等構(gòu)成一個閉合環(huán)路。該控制系統(tǒng)的特點是：計算機集檢測儀表、控制器、執(zhí)行器的功能于一身，充分發(fā)揮了計算機的作用，實時性強。常見的閉環(huán)控制系統(tǒng)有：直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)和監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC)。材料加工過程的計算機控制第五章閉環(huán)控制系統(tǒng)特點是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環(huán)。圖6-4SCC加DDC組成原理方框圖材料加工過程的計算機控制第五章閉環(huán)控制系統(tǒng)Eg.加熱爐溫度自動控制系統(tǒng)控制器（微機控制裝置）執(zhí)行器（加熱器）被控對象（加熱爐）被控量（爐內(nèi)溫度）給定量（設(shè)定的溫度）檢測裝置（熱電偶）控制量（電壓）比較器Eg.電冰箱溫度控制系統(tǒng)控制器（控制裝置）執(zhí)行器（制冷裝置）被控對象（電冰箱）被控量（冰箱實際溫度）給定量（設(shè)定的溫度）檢測裝置（冰箱溫控裝置）控制量（制冷量）比較器材料加工過程的計算機控制第五章(3)分布式控制系統(tǒng)隨著價廉而功能完善的微型計算機的出現(xiàn)，可以由若干臺微處理器或微型計算機分別承擔部分控制任務(wù)，這種分布式計算機系統(tǒng)有代替集中控制的趨勢。由多臺計算機分別控制生產(chǎn)過程中多個控制回路，同時又可集中獲取數(shù)據(jù)、集中管理和集中控制的自動控制系統(tǒng)。材料加工過程的計算機控制第五章分布式控制系統(tǒng)Eg.軋鋼生產(chǎn)過程材料加工過程的計算機控制第五章一般應(yīng)具備以下基本功能：①模擬量參數(shù)的采集、轉(zhuǎn)換及屏幕顯示。②模擬量參數(shù)的越限報警。通常用聲、光形式發(fā)出報警信號。③被控參數(shù)的閉環(huán)自動控制。④各種流量的累計計算，用來統(tǒng)計產(chǎn)量及物料和能源的消耗。⑤各種開關(guān)量輸入信號的檢測與各種開關(guān)量輸出信號的控制，用于設(shè)備的啟停與各種連鎖保護。3計算機工業(yè)控制系統(tǒng)的基本功能和組成2基本功能材料加工過程的計算機控制第五章⑥生產(chǎn)工藝流程圖及各種被控參數(shù)的動態(tài)趨勢曲線的屏幕顯示，便于操作人員及時掌握設(shè)備運行狀況，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的操作和控制。⑦工藝參數(shù)的記錄及打印，以便保存生產(chǎn)技術(shù)資料作經(jīng)濟指標考核。⑧完成與上位機的通訊，將下位機的各檢測參數(shù)和各流量累計值通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)缴衔粰C，以便能接收到上位機的監(jiān)督控制。材料加工過程的計算機控制第五章微機工業(yè)控制系統(tǒng)的硬件組成由微型計算機、外部設(shè)備、外圍設(shè)備、工業(yè)自動化儀表和被控工業(yè)對象五個部分所組成，此外，還必須配有完備的軟件?；窘Y(jié)構(gòu)及組成材料加工過程的計算機控制第五章外圍設(shè)備：在計算機過程控制系統(tǒng)中，主機通過輸入輸出過程通道控制工業(yè)生產(chǎn)過程。

輸入輸出過程通道是計算機與生產(chǎn)過程之間聯(lián)系的橋梁，稱為主機的外圍設(shè)備。其功能是：把生產(chǎn)現(xiàn)場的工況參數(shù)(模擬量、開關(guān)量、脈沖量和數(shù)字量)轉(zhuǎn)換成計算機能夠接受和識別的代碼，輸入主機，以便主機根據(jù)控制算法進行運算，然后主機把根據(jù)控制算法進行運算的結(jié)果轉(zhuǎn)換成改變生產(chǎn)過程控制變量的控制信號，即作為操作、執(zhí)行機構(gòu)的控制信號。外部設(shè)備：在過程控制中，外部設(shè)備包括鍵盤、打印機、顯示器等人機通訊設(shè)備，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程進行啟停、查詢、輸出結(jié)果、修改程序等人工干預(yù)操作。1.硬件部分材料加工過程的計算機控制第五章主機：微處理器是控制系統(tǒng)的核心，和內(nèi)存儲器一起通常又稱為主機。主機根據(jù)過程輸入通道發(fā)送來的工業(yè)對象的生產(chǎn)工況參數(shù)，按照預(yù)先設(shè)計的程序，進行信息的處理、分析和計算，并做出相應(yīng)的控制決策或調(diào)節(jié)，通過輸出通道，發(fā)出控制命令。主機中的程序和控制數(shù)據(jù)是人們事先根據(jù)控制規(guī)律(數(shù)學(xué)模型)設(shè)計好的。通過對工業(yè)對象特性的分析和研究，選擇控制算法、建立數(shù)學(xué)模型，編寫出相應(yīng)的計算機控制軟件。工業(yè)對象：工業(yè)對象通常是指與控制系統(tǒng)有關(guān)的工藝生產(chǎn)設(shè)備。例如在加熱爐溫和塑料擠出機或注塑機料筒溫度控制系統(tǒng)中，工業(yè)對象就是指需要控制的加熱爐或擠出機、注塑機的料筒。材料加工過程的計算機控制第五章工業(yè)自動化儀表：

外圍設(shè)備必須通過工業(yè)自動化儀表才能和控制對象發(fā)生聯(lián)系。工業(yè)自動化儀表的種類很多，其中有檢測儀表、顯示儀表、調(diào)節(jié)儀表以及執(zhí)行機構(gòu)等。2.軟件部分。

軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類軟件建立和依托在硬件的基礎(chǔ)上。主要包括：語言程序(如匯編語言、各種高級語言的編譯和解釋程序)、管理系統(tǒng)及操作系統(tǒng)、服務(wù)程序(如診斷程序、排錯程序、編輯程序)等。材料加工過程的計算機控制第五章可用于計算機工業(yè)控制系統(tǒng)的計算機幾乎包括各種類型，像單片機、可編程序控制器、工控機、PC機、系統(tǒng)機等。1.單片機(SingleChipMicrocomputer)使用者可以根據(jù)材料加工過程實際需要，開發(fā)、設(shè)計單片機系統(tǒng)，具有方便、靈活，成本低的特點。使用的基本方法是在單片機的基礎(chǔ)上擴展一些接口，如用于模擬量／數(shù)字量轉(zhuǎn)換的A／D、D／A轉(zhuǎn)換接口，用于人機對話的鍵盤處理接口，LED或LCD顯示接口，用于輸出控制的接口等,再根據(jù)實現(xiàn)的功能開發(fā)相應(yīng)的軟件，即組成了完整的單片機控制系統(tǒng)。計算機工業(yè)控制系統(tǒng)中計算機的分類和選擇3材料加工過程的計算機控制第五章單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O接口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。單片機材料加工過程的計算機控制第五章2.可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicalController)PLC是以微處理器為核心的電子系統(tǒng)，它是在繼電器控制和計算機控制的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新型工業(yè)自動控制裝置。PLC的過程控制是指對溫度、壓力和流量等模擬量的閉環(huán)控制。PLC將組成微型計算機所必須部件（CPU、ROM、RAM、I/O接口等）集成在一個超大規(guī)模集成電路芯片上。材料加工過程的計算機控制第五章可編程邏輯控制器，是一種用于自動化實時控制的數(shù)位邏輯控制器，廣泛應(yīng)用于目前的工業(yè)控制領(lǐng)域?？删幊踢壿嬁刂破鞯南到y(tǒng)程序一般在出廠前已經(jīng)初始化完畢，用戶可以根據(jù)自己的需要自行編輯相應(yīng)的用戶程序來滿足不用的自動化生產(chǎn)要求。材料加工過程的計算機控制第五章3.STD總線工業(yè)控制機4.工業(yè)PC機STD總線工業(yè)控制機是80年代發(fā)展起來的一種廣泛用于工業(yè)過程控制的計算機系統(tǒng)，簡稱工控機。工控機大都采用模塊式結(jié)構(gòu)，具有通用性強、可靠性高、系統(tǒng)組成靈活等特點，具有廣泛的適應(yīng)性。工業(yè)PC機在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能模塊的劃分上更適合工業(yè)過程控制的需要，它一方面繼承了個人計算機豐富的軟件資源，使其軟件開發(fā)更加方便、快捷；另一方面在結(jié)構(gòu)上又采用了STD總線工業(yè)控制機的優(yōu)點，采用模塊化，這些優(yōu)點使得工業(yè)PC機發(fā)展十分迅速。材料加工過程的計算機控制第五章高可靠性可維護性對環(huán)境的適應(yīng)性控制的實時性和中斷系統(tǒng)完善的外圍設(shè)備和指令系統(tǒng)有正確反映生產(chǎn)過程規(guī)律的數(shù)學(xué)模型和完善的軟件系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)的主要特點和基本要求4材料加工過程的計算機控制第五章5.2計算機控制系統(tǒng)的輸入與輸出計算機測控系統(tǒng)的輸入部分包括傳感器、變送器及A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換等；輸出部分包括D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換、信號調(diào)節(jié)器和控制執(zhí)行器等。信號獲取信號放大、預(yù)濾波量程切換、分時采樣、A/D、D/A轉(zhuǎn)換等控制中樞智能傳感器集成儀器測試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)材料加工過程的計算機控制第五章1.檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)及傳感器檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)是自動檢測技術(shù)和自動轉(zhuǎn)換技術(shù)的總稱，即從諸多不能直接輸入計算機處理的被檢測的物理量中提取所需要的信息。通常需要把這些非電量信號如溫度、壓力、位移、流量等物理量轉(zhuǎn)換為電壓或電流等電信號，轉(zhuǎn)換后的電信號應(yīng)能反映物理量的實際變化。傳感器是信息獲取過程中的第一個環(huán)節(jié)。檢測技術(shù)1材料加工過程的計算機控制第五章傳感器能感受規(guī)定的被測量并按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。材料工程中常用傳感器檢測對象種類使用范圍溫度熱電偶/熱電阻中、高/低溫度力拉壓傳感器壓力，力性位移電阻器,引伸計速度，轉(zhuǎn)速，角度氣氛紅外儀，氧探頭碳勢，氮勢光光敏元件定量金相，電化學(xué)離子選擇電極pH,電導(dǎo)率敏感元件傳感元件轉(zhuǎn)換電路非電量電參量電量被測量傳感器

材料加工過程的計算機控制第五章變送器為適應(yīng)下一單元的需要，將各種物理量的電信號進一步轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標準電信號，如0-5V或0-10mA等。信號標準其實是儀表之間的通信協(xié)議，信號標準的變化代表了過程控制儀表的發(fā)展進程，每一次變化對變送器都帶來新成果。目前國際上已出現(xiàn)了多種現(xiàn)場總線的變送器，帶有微處理器的智能化現(xiàn)場變送器是發(fā)展的必然趨勢。2.變送器在各種工業(yè)過程自動控制系統(tǒng)中，變送器對溫度、壓力、液位、流量、成分等物理量進行測量，并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標準信號。材料加工過程的計算機控制第五章1.調(diào)節(jié)器偏差信號作為輸入量送入調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器中按一定規(guī)律運算后，給出輸出信號進行調(diào)節(jié)，以消除擾動的影響，使被調(diào)節(jié)參數(shù)回到給定值。調(diào)節(jié)過程的品質(zhì)即以何種途徑，經(jīng)過多長時間回到給定值，不僅與對象特性有關(guān)，也與調(diào)節(jié)器的特性有關(guān)。工業(yè)上用得最普遍的仍然是比例(P)、積分(I)及微分(D)三種調(diào)節(jié)規(guī)律。2控制儀表與裝置材料加工過程的計算機控制第五章當通過熱電偶采集的被測溫度偏離所希望的給定值時，PID控制可根據(jù)測量信號與給定值的偏差進行比例（P）、積分（I）、微分（D）運算，從而輸出某個適當?shù)目刂菩盘柦o執(zhí)行機構(gòu)，促使測量值恢復(fù)到給定值，達到自動控制的效果。在此基礎(chǔ)上可以組合成比例調(diào)節(jié)器、比例積分(PI)調(diào)節(jié)器、比例微分(PD)調(diào)節(jié)器以及比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器。材料加工過程的計算機控制第五章

PID模塊操作非常簡捷只要設(shè)定4個參數(shù)就可以進行溫度精確控制：

1、溫度設(shè)定

2、P值

3、I值

4、D值

PID模塊的溫度控制精度主要受P、I、D這三個參數(shù)影響。其中P代表比例，I代表積分，D代表微分。材料加工過程的計算機控制第五章2.執(zhí)行器執(zhí)行器在生產(chǎn)過程自動化中起著非常重要的作用，它在自動控制系統(tǒng)中接受調(diào)節(jié)器的控制信號，自動改變操作變量，達到對被調(diào)參數(shù)(如溫度、壓力、液位等)進行調(diào)節(jié)的目的，使生產(chǎn)過程按照預(yù)定要求正常進行。執(zhí)行器根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)使用的工作能源不同可分為三大類：氣動執(zhí)行器、電動執(zhí)行器、液動執(zhí)行器，其中，液動執(zhí)行器使用較少。隨著微處理器引入到過程控制裝置中，出現(xiàn)了智能執(zhí)行器、智能調(diào)節(jié)閥等智能儀表產(chǎn)品。材料加工過程的計算機控制