第3章 機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

第三章機(jī)電一體化的

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)1學(xué)習(xí)目標(biāo)了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成分類(lèi)了解工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的常用類(lèi)型掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容和步驟難點(diǎn)：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)3.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是自動(dòng)控制理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。數(shù)字控制系統(tǒng)機(jī)電一體化產(chǎn)品與非機(jī)電一體化產(chǎn)品的本質(zhì)區(qū)別在于具有計(jì)算機(jī)控制的伺服系統(tǒng)。同模擬控制器相比，計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)更加復(fù)雜的控制理論和算法，柔性和抗干擾能力更強(qiáng)。第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)3一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是用計(jì)算機(jī)(通常稱(chēng)為工業(yè)控制計(jì)算機(jī))來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)過(guò)程自動(dòng)控制的系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件一般包括計(jì)算機(jī)主機(jī)，接口電路，輸入輸出通道以及外部設(shè)備。第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)4一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成軟件主要是指支持系統(tǒng)運(yùn)行并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制的程序系統(tǒng)。第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5指在進(jìn)行實(shí)際控制時(shí)使用的軟件。指在開(kāi)發(fā)、測(cè)試控制系統(tǒng)時(shí)使用的軟件。軟件實(shí)時(shí)軟件開(kāi)發(fā)軟件一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成

第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)6由計(jì)算機(jī)生產(chǎn)廠家提供的專(zhuān)門(mén)用來(lái)使用和管理計(jì)算機(jī)的程序。應(yīng)用軟件是用戶(hù)根據(jù)要解決的實(shí)際問(wèn)題而編寫(xiě)的各種程序。實(shí)時(shí)軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的原理第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)7模擬控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖回顧一下模擬控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的原理計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程分為以下幾個(gè)步驟：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)控制決策實(shí)時(shí)控制輸出上述過(guò)程不斷重復(fù)，使被控變量穩(wěn)定在設(shè)定值上。第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)8第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)9第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)10第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)11第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)12三、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與連續(xù)控制系統(tǒng)相比，具有如下特點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的控制規(guī)律(主要區(qū)別)

具有完善的輸入/輸出通道具有實(shí)時(shí)控制功能可靠性高具有豐富、完善、能正確反映被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)規(guī)律并對(duì)其進(jìn)行有效控制的軟件系統(tǒng)第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)133.2計(jì)算機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)根據(jù)計(jì)算機(jī)在控制系統(tǒng)中的作用過(guò)程控制系統(tǒng):根據(jù)生產(chǎn)流程對(duì)設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與巡回檢測(cè)，然后按預(yù)定控制規(guī)律對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制。伺服系統(tǒng):以機(jī)械量作為被控量，在控制命令指揮下，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，使機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件按照控制指令進(jìn)行動(dòng)作。順序控制系統(tǒng):按照動(dòng)作的邏輯次序來(lái)安排操作順序。數(shù)字控制系統(tǒng):根據(jù)零件編程或路徑規(guī)劃，由計(jì)算機(jī)生產(chǎn)數(shù)字形式的指令，再驅(qū)動(dòng)機(jī)器運(yùn)動(dòng)。第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)14一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)根據(jù)計(jì)算機(jī)在控制中的應(yīng)用方式操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)15操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)16直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC系統(tǒng))第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)17它是用一臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)多個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與給定值進(jìn)行比較，并按預(yù)定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)算，其輸出直接控制被控對(duì)象，使被控參數(shù)穩(wěn)定在給定值上。監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)18(a）SCC＋模擬調(diào)節(jié)器系統(tǒng)(b）SCC＋DDC分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)19生產(chǎn)管理級(jí)MIS監(jiān)督控制級(jí)SCC直接數(shù)字控制級(jí)DDC二、典型的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)用計(jì)算機(jī)對(duì)溫度、壓力、流量、液面和速度等過(guò)程參數(shù)進(jìn)行測(cè)量與控制的系統(tǒng)。第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)20爐溫壓力熱效率二、典型的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)21晶閘管觸發(fā)速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器二、典型的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)順序控制系統(tǒng)順序控制是使生產(chǎn)過(guò)程按預(yù)先規(guī)定的時(shí)序而實(shí)現(xiàn)順序動(dòng)作的自動(dòng)控制系統(tǒng)。目前這類(lèi)系統(tǒng)多采用PLC實(shí)現(xiàn)控制。第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)22二、典型的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)字程序控制系統(tǒng)數(shù)字程序控制系統(tǒng)（數(shù)控）一般用于機(jī)床控制系統(tǒng)中。數(shù)控系統(tǒng)多采用16位或32位工業(yè)控制微機(jī)系統(tǒng)或多微處理機(jī)系統(tǒng)控制。第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)23二、典型的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人是一種應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的替代人進(jìn)行工作的高度自動(dòng)化系統(tǒng)。第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)243.3工業(yè)控制計(jì)算機(jī)工業(yè)領(lǐng)域中，由于現(xiàn)場(chǎng)存在干擾，環(huán)境惡劣，普通計(jì)算機(jī)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不能正常運(yùn)行，需使用適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)工控機(jī)）。它是處理來(lái)自傳感器的輸入信息，并把處理結(jié)果輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制生產(chǎn)過(guò)程、同時(shí)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督、管理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。并具有較好的抗干擾性和可靠性。第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)25一、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的基本要求工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的應(yīng)用對(duì)象及使用環(huán)境的特殊性，決定了要滿(mǎn)足以下基本要求：實(shí)時(shí)性高可靠性硬件配置的可裝配可擴(kuò)充性可維護(hù)性第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)26二、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的常用類(lèi)型單片機(jī)可編程控制器（PLC）總線式工業(yè)控制機(jī)(工業(yè)PC機(jī))分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)27二、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的常用類(lèi)型第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)28三、單片機(jī)第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)29單片機(jī)將CPU、RAM、ROM和I/O接口集成在一塊芯片上，同時(shí)還具有定時(shí)/計(jì)數(shù)、通訊和中斷等功能的微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)發(fā)展經(jīng)歷了4位、8位、16位、32位、64位機(jī)幾個(gè)階段，但8位、16位單片機(jī)仍占市場(chǎng)主流地位。廣泛用于數(shù)顯、數(shù)字通信產(chǎn)品、智能化儀表、小型機(jī)電產(chǎn)品中。單片的編程與調(diào)試不方便，開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)，環(huán)境適應(yīng)性差，同時(shí)由于數(shù)據(jù)處理能力和接口限制，在大型工業(yè)控制系統(tǒng)中，一般只能輔助中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)測(cè)試一些信號(hào)的數(shù)據(jù)信息和完成單一量控制。四、可編程控制器第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)30可編程控制器是一種以微處理器為基礎(chǔ)的通用型自動(dòng)控制裝置，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。由于最初研制這種裝置的目的是為了解決生產(chǎn)設(shè)備的邏輯及開(kāi)關(guān)量控制，故稱(chēng)為可編程邏輯控制器（簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）。PLC采用可編程序的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出控制各種類(lèi)型的機(jī)械和生產(chǎn)過(guò)程。五、總線工業(yè)控制計(jì)算機(jī)第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)31總線工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)總線工控機(jī)）是目前工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)廣泛的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。特點(diǎn)：

豐富的過(guò)程輸入/輸出接口功能

迅速響應(yīng)的實(shí)時(shí)功能和環(huán)境適應(yīng)能力

可靠性好

易于維護(hù)

便于用戶(hù)在短時(shí)間內(nèi)掌握和熟練應(yīng)用第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)321、STD總線工控機(jī)第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)33STD總線最早是由美國(guó)的Pro-log公司在1978年推出的，是目前國(guó)際上工業(yè)控制領(lǐng)域最流行的標(biāo)準(zhǔn)總線之一。按STD總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造的模塊式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，稱(chēng)為STD總線工業(yè)控制機(jī)。STD標(biāo)準(zhǔn)可支持8位/16位/32位處理機(jī)。STD總線工業(yè)控制機(jī)特點(diǎn)：采用了開(kāi)放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計(jì)。其系統(tǒng)組成沒(méi)有固定的模式和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型，而是提供了大量的功能模板，用戶(hù)根據(jù)需要，通過(guò)對(duì)模板的品種和數(shù)量的選擇與組合，即可配置成適用于不同工業(yè)對(duì)象、不同生產(chǎn)規(guī)模的生產(chǎn)過(guò)程的工業(yè)控制機(jī)。STD總線工控機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)34（1）數(shù)字量I/O模板（2）模擬量I/O模板（3）信號(hào)調(diào)理模板（4）CPU模板（5）存儲(chǔ)器模板（6）其它特殊功能模板

在用STD總線進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主要硬件設(shè)計(jì)工作是選擇合適標(biāo)準(zhǔn)化功能模板，并將這些模板通過(guò)STD總線連接成所需的控制裝置。軟件設(shè)計(jì)工作通常只需要開(kāi)發(fā)適用于所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件即可。2、PC總線工控機(jī)第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)35IBM公司的PC總線微機(jī)最初是為了個(gè)人或辦公室使用而設(shè)計(jì)的，它早期主要用于文字處理、或一些簡(jiǎn)單的辦公室事務(wù)處理。早期產(chǎn)品基于一塊大底板結(jié)構(gòu)（主板），加上幾個(gè)I/O擴(kuò)充槽。主板上具有8088處理器，加上一些存儲(chǔ)器，控制邏輯電路等。加入I/O擴(kuò)充槽的目的是為了外接一些打印機(jī)、顯示器、內(nèi)存擴(kuò)充和軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器接口卡等。PC/AT總線(ISA總線)采用PC總線工業(yè)控制機(jī)有許多優(yōu)點(diǎn)：

支持軟件特別豐富，PC機(jī)聯(lián)網(wǎng)方便，容易構(gòu)成多微機(jī)控制與管理一體化的綜合系統(tǒng)、分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)。第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)363.6計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不同產(chǎn)品所需的控制功能、控制形式和動(dòng)作控制方式也不盡相同。由于采用計(jì)算機(jī)作為機(jī)電系統(tǒng)的控制器，因此其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是選用計(jì)算機(jī)、設(shè)計(jì)接口、選用控制形式和動(dòng)作控制方式的問(wèn)題。第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)37一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的選擇第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)38計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)作為機(jī)電產(chǎn)品的核心，必須具備以下基本條件：（1）實(shí)時(shí)的信息轉(zhuǎn)換和控制功能，即穩(wěn)定性好，反應(yīng)速度快

（2）人機(jī)交互功能

（3）機(jī)電部件接口的功能

（4）對(duì)控制軟件運(yùn)行的支持功能專(zhuān)業(yè)與通用的選擇硬件與軟件的權(quán)衡二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的內(nèi)容和步驟第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)39計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)選擇不同的控制器，硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的工作量不同，設(shè)計(jì)的步驟也略有差異。控制系統(tǒng)應(yīng)遵照的步驟：確定系統(tǒng)總體控制方案建立數(shù)學(xué)模型并確定控制算法選擇微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的內(nèi)容和步驟第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)401.確定系統(tǒng)總體控制方案了解被控對(duì)象的控制要求，構(gòu)思計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的整體方案考慮執(zhí)行元件采用何種方式考慮是否有特殊控制要求，對(duì)于具有高可靠性、高精度和快速性要求的系統(tǒng)，應(yīng)采取哪些措施考慮計(jì)算機(jī)在整個(gè)控制系統(tǒng)的作用初步估算成本二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的內(nèi)容和步驟第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)412.建立數(shù)學(xué)模型并確定控制算法對(duì)任何一個(gè)具體計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、綜合或設(shè)計(jì)，首先應(yīng)建立該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并確定控制算法。數(shù)學(xué)模型：系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式。它反映了系統(tǒng)輸入內(nèi)部狀態(tài)和輸出之間的數(shù)量和邏輯關(guān)系。這些關(guān)系式為計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算提供了依據(jù)，即由數(shù)學(xué)模型推出控制算法。計(jì)算機(jī)控制:按照規(guī)定的控制算法進(jìn)行控制。二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的內(nèi)容和步驟第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)423.選擇微型計(jì)算機(jī)小系統(tǒng)，一般監(jiān)視控制量為開(kāi)關(guān)量和少量數(shù)據(jù)信息的模擬量，可采用單片機(jī)或PLC；數(shù)據(jù)處理量大的系統(tǒng)，往往采用基于各類(lèi)總線結(jié)構(gòu)的工控機(jī)；多層次、復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，采用分級(jí)分布式控制系統(tǒng)。根據(jù)各級(jí)及控制對(duì)象的特點(diǎn)，可分別采用單片機(jī)、PLC、總線工控機(jī)和微型計(jì)算機(jī)來(lái)完成不同的功能。二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的內(nèi)容和步驟第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)433.選擇微型計(jì)算機(jī)對(duì)于給定的任務(wù)，選擇計(jì)算機(jī)的方案不是唯一的，從控制的角度出發(fā)，計(jì)算機(jī)應(yīng)能滿(mǎn)足具有較完善的中斷系統(tǒng)、足夠的存儲(chǔ)容量、完善的輸入/輸出通道和實(shí)時(shí)時(shí)鐘等要求。從不同被控對(duì)象角度出發(fā)，還應(yīng)考慮幾個(gè)要求字長(zhǎng)速度指令二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的內(nèi)容和步驟第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)444.控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)主要是對(duì)系統(tǒng)控制方案進(jìn)行具體實(shí)施步驟的設(shè)計(jì)，其主要依據(jù)是上述的整體方案初框圖、設(shè)計(jì)要求及選用的計(jì)算機(jī)類(lèi)型，通過(guò)設(shè)計(jì)要畫(huà)出系統(tǒng)的具體構(gòu)成框圖。接口設(shè)計(jì)通道設(shè)計(jì)操作臺(tái)設(shè)計(jì)除此以外還應(yīng)考慮硬件與軟件功能的分配和協(xié)調(diào)、可靠性設(shè)計(jì)。二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的內(nèi)容和步驟第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)455.軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件主要分成兩大類(lèi)：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。軟件設(shè)計(jì)主要是應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件要求：實(shí)時(shí)性、針對(duì)性、靈活性、通用性應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)方法：模塊化程序設(shè)計(jì)法結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)法二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的內(nèi)容和步驟第三章機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)466.系統(tǒng)調(diào)試調(diào)試步驟：硬件調(diào)試-軟件調(diào)試-系統(tǒng)調(diào)試硬件調(diào)試包括對(duì)元器件的篩選及老化、印刷電路板制作、元器件的焊接及實(shí)驗(yàn)，安裝完畢要經(jīng)過(guò)連續(xù)拷機(jī)運(yùn)行軟件調(diào)試主要是指在計(jì)算機(jī)上把各模塊分別進(jìn)行調(diào)試，使其正確無(wú)誤，然后固化在EPPOM中系統(tǒng)調(diào)試把硬件和軟件結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，正確無(wú)誤后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，直至正常運(yùn)行為止。設(shè)計(jì)實(shí)例1：鍋爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、工業(yè)鍋爐介紹常見(jiàn)的鍋爐設(shè)備的主要工藝流程如下圖所示：1．鍋爐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)蒸發(fā)量：10t/h，主蒸汽壓力：13×105Pa主蒸汽溫度：350℃，給水溫度：60~105℃熱風(fēng)溫度：170℃，冷風(fēng)溫度：20℃排煙溫度：180℃，設(shè)計(jì)效率：78%

燃料和熱空氣按一定比例送入燃燒室燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽Ds。然后經(jīng)過(guò)熱器，形成一定溫度的過(guò)熱蒸汽D，匯集至蒸汽母管。壓力為Pm的過(guò)熱蒸汽，經(jīng)負(fù)荷設(shè)備控制供給負(fù)荷設(shè)備用。與此同時(shí)，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣，除將飽和蒸汽變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽外，還經(jīng)省煤器預(yù)熱鍋爐給水和空氣預(yù)熱器預(yù)熱空氣，最后經(jīng)引風(fēng)機(jī)送往煙囪，排入大氣。

鍋爐設(shè)備是一個(gè)復(fù)雜的控制對(duì)象，主要的輸入變量是負(fù)荷、鍋爐給水、燃料量、減溫水、送風(fēng)和引風(fēng)等，如下圖所示。

主要輸出變量是汽包水位、蒸汽壓力、過(guò)熱蒸汽溫度、爐膛負(fù)壓、過(guò)剩空氣（煙氣含氧量）等。這些輸入變量與輸出變量之間相互關(guān)聯(lián)。如果蒸汽負(fù)壓發(fā)生變化，必將會(huì)引起汽包水位、蒸汽壓力和過(guò)熱蒸汽溫度等的變化；燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力，同時(shí)還會(huì)影響汽包水位、過(guò)熱蒸汽溫度、過(guò)剩空氣和爐膛負(fù)壓；給水量的變化不僅影響汽包水位，而且對(duì)蒸汽壓力、過(guò)熱蒸汽溫度等亦有影響；等等。

鍋爐是一個(gè)典型的多變量對(duì)象，要進(jìn)行自動(dòng)控制，對(duì)多變量對(duì)象可按自治的原則和協(xié)調(diào)跟蹤的原則加以處理。目前，鍋爐控制系統(tǒng)大致可劃分為三個(gè)控制系統(tǒng)：鍋爐燃燒控制系統(tǒng)、鍋爐給水控制系統(tǒng)和過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)。2、鍋爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成燃燒過(guò)程控制系統(tǒng)（1）燃燒過(guò)程控制任務(wù)鍋爐的燃燒過(guò)程是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換和傳遞的過(guò)程，其控制目的是使燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要（常以蒸汽壓力為被控變量）；使燃料與空氣量之間保持一定的比值，以保證最佳經(jīng)濟(jì)效益的燃燒（常以煙氣成分為被控變量），提高鍋爐的燃燒效率；使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，以保持爐膛負(fù)壓在一定的范圍內(nèi)。（2）燃燒過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案在多變量對(duì)象中，調(diào)節(jié)量和被調(diào)量之間的聯(lián)系不都是等量的，也就是說(shuō)，對(duì)于一個(gè)具體對(duì)象而言，在眾多的信號(hào)通道中，對(duì)某一個(gè)被調(diào)量可能只有一個(gè)通道對(duì)它有較重要的影響，其它通道的影響相對(duì)于主通道來(lái)說(shuō)可以忽略。根據(jù)自治原則簡(jiǎn)化鍋爐燃燒控制系統(tǒng)，可將其大致分為三個(gè)單變量控制系統(tǒng)：燃料量—汽壓子系統(tǒng)、送風(fēng)量—過(guò)量空氣系數(shù)子系統(tǒng)以及引風(fēng)量——爐膛負(fù)壓子系統(tǒng)。不少多變量系統(tǒng)可以利用自治原則來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)化，但并不是分解成多個(gè)單回路控制系統(tǒng)后，問(wèn)題就全部解決。因?yàn)楦骰芈分g往往還存在著聯(lián)系和要求，必須在設(shè)計(jì)中加以考慮。協(xié)調(diào)跟蹤的原則，就是在多個(gè)單回路基礎(chǔ)上，建立回路之間相互協(xié)調(diào)和跟蹤的關(guān)系，以彌補(bǔ)用幾個(gè)近似單變量對(duì)象來(lái)代替時(shí)所忽略的變量之間的關(guān)聯(lián)。

此例中，鍋爐燃燒過(guò)程的上述三個(gè)子系統(tǒng)間使彼此仍有關(guān)聯(lián)。首先考慮到燃料量與送風(fēng)量子系統(tǒng)間應(yīng)滿(mǎn)足以下兩點(diǎn):①鍋爐燃燒過(guò)程中燃料量與空氣（送風(fēng)）量之間應(yīng)保持一定比例，實(shí)際空氣（送風(fēng)）量大于燃料需要空氣量，他們之間存在一個(gè)最佳空燃比（最佳過(guò)剩空氣系數(shù)）α，即一般情況下，α＞1。②為了保持在任何時(shí)刻都有足夠的空氣以實(shí)現(xiàn)完全燃燒，當(dāng)熱負(fù)荷增大時(shí)，應(yīng)先增加送風(fēng)量，后增加燃料量；若熱負(fù)荷減少時(shí)，應(yīng)先減少燃料量，再減少送風(fēng)量。

為了滿(mǎn)足上述兩點(diǎn)要求，在這兩個(gè)單回路的基礎(chǔ)上，建立交叉限制協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，如下圖所示其中，Wm1（s）和Wm2（s）是燃料量和送風(fēng)量測(cè)量變送器的傳遞函數(shù)

假設(shè)它們都是比例環(huán)節(jié)，則Wm1（s）=K1，Wm1（s）=K2。由此可得到最佳空燃比α與空氣量、燃料量測(cè)量信號(hào)IV和IB之間的關(guān)系如下：設(shè)

則假設(shè)機(jī)組所需負(fù)荷的信號(hào)為IQ，當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，則有：設(shè)定值r1=IQ=IV/β=IB設(shè)定值r2=βIQ=βIB=IV即IQ=IB；IV=βIB

表明系統(tǒng)的燃料量適合系統(tǒng)的要求，而且達(dá)到最佳空燃比。進(jìn)一步分析可知，燃料量控制子系統(tǒng)的任務(wù)在于，使進(jìn)入鍋爐的燃料量隨時(shí)與外界負(fù)荷要求相適應(yīng)，維持主壓力為設(shè)定值。為了使系統(tǒng)有迅速消除燃料側(cè)自發(fā)擾動(dòng)的能力，燃料量控制子系統(tǒng)大都采用以主汽壓力為主參數(shù)、燃料量為副參數(shù)的串級(jí)控制方案。

在大型機(jī)組的送風(fēng)系統(tǒng)中，一、二次風(fēng)通常各采用兩臺(tái)風(fēng)機(jī)分別供給，鍋爐的總風(fēng)量主要由二次風(fēng)來(lái)控制，所以這里的送風(fēng)控制系統(tǒng)是針對(duì)二次風(fēng)控制而言的。送風(fēng)子控制系統(tǒng)的最終目的是達(dá)到最高的鍋爐熱效率，保證經(jīng)濟(jì)性。為保持最佳過(guò)剩空氣系數(shù)α，必須同時(shí)改變風(fēng)量和燃料量。α是由煙氣含氧量來(lái)反映的。因此常將送風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為帶有氧量校正的空燃比控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)燃料量與送風(fēng)量回路的交叉限制，組成串級(jí)比值的送風(fēng)系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)上是一個(gè)有前饋的串級(jí)控制系統(tǒng)，如下圖所示。它首先在內(nèi)環(huán)快速保證最佳空燃比，至于給煤量測(cè)量不準(zhǔn)，則可由煙氣中氧量作串級(jí)校正。當(dāng)煙氣中含氧量高于設(shè)定值時(shí)，氧量校正調(diào)節(jié)器發(fā)出校正信號(hào)，修正送風(fēng)量調(diào)節(jié)器設(shè)定，使送風(fēng)調(diào)節(jié)器減少送風(fēng)量，最終保證煙氣中含氧量等于設(shè)定值。蒸汽流量+O2氧量D1+DDC數(shù)字控制器限幅D/A滑差電機(jī)工業(yè)鍋爐生產(chǎn)過(guò)程變送器A/D開(kāi)方蒸汽流量D1壓力補(bǔ)償O2最佳氧量負(fù)荷線

δ1

通氣閥開(kāi)度O2探頭變送器A/D－+

圖9－3鍋爐燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)的任務(wù)在于調(diào)節(jié)煙道引風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)度，以改變引風(fēng)量；保持爐膛負(fù)壓為設(shè)定值，以穩(wěn)定燃燒，減少污染，保證安全。除燃燒過(guò)程之外，還有鍋爐給水控制系統(tǒng)、蒸汽溫度控制系統(tǒng)。

鍋爐給水控制系統(tǒng)任務(wù)是考慮汽包內(nèi)部的物料平衡，使給水量適應(yīng)蒸發(fā)量，維持汽包水位在規(guī)定的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)給水全程控制。給水控制也稱(chēng)為汽包水位控制。被控變量是汽包水位，操縱變量是給水量。

蒸汽溫度控制系統(tǒng)維持過(guò)熱器出口溫度在允許范圍內(nèi)，并保證管壁溫度不超過(guò)允許的工作溫度。被控變量一般是過(guò)熱器出口溫度，操縱變量是減溫器的噴水量。3、鍋爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)（1）系統(tǒng)總體方案確定工業(yè)鍋爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下所示：2．系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)工業(yè)鍋爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖9-4所示。4~20mA4~20mA32路A/D16路熱電阻4路D/A16路開(kāi)