第五章计算机控制及接口技术 机电一体化系统中的计算机软、硬件占着相当重要的地位，它代表者系统的先进性和智能特 性。计算机以其运算速度快，可靠性高，价格便宜，被广泛地应用于工业、农业、国防以及日常 生活的各个领域。计算机用于机电一体化系统或工业控制是近年来发展非常迅速的领域。例如， 卫星跟踪天线的控制、电气传动装置的控制、数控机床、工业机器人的运动、力控系统、飞机、 大型油轮的自动驾驶仪等等。现在，当你走进一个自动化生产车间，将会看到许多常规的控制仪 表和调节器已经被计算机所取代，计算机正在不断地监视整个生产过程，对生产中的各种参数 如温度、压力、流量、液位、转速和成分等进行采样，迅速进行复杂的数据处理、打印和显示生 产工艺过程的统计数字和参数，并发出各种控制命令。 第一节概述 一、计算机控制系统的组成 将模拟式自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了一个典型的计算机控制 系统，如图5]所示。因此，简单地说，计算机控制系统就是采用计算机来实现的工业自动控制 系统。 计算 D/A 险两装发 图5-1计算机控制系统基本框图 在控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机的运算、逻辑判断和记忆等功能完成多种控 先制任务。在系统中，由于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反债量要先经讨ΛD转换翠将 其转换为数字量，才能输入计算机。当计算机接敏了给定量和反馈量后，依照偏差值，按某种控 制规律进行运算（如PD运算），计算结果（数字信号）再经过DA转换器，将数字信号转换成 模拟控制信号输出到执行机构，便完成了对系统的控制作用。 典型的机电一体化控制系统结构可用图52来示意，它可分为硬件和软件两大部分。硬件是 指计算机本身及其外围设备，一般包括中央处理器、内存储器、磁盘驱动器、各种接口电路、以 AD转换和DA转换为核心的模拟量O通道、数字量IO通道以及各种显示、记录设备、运行 操作台等 (1)由中央处理器、时钟电路、内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心 部件，主要进行数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、越限报警等，通过接口电路向系 统发出各种控制命令，指挥全系统有条不紊地协调工作。 (2)操作台是人一机对话的联系纽带，操作人员可通过操作台向计算机输入和修改控制参 数，发出各种操作命令：计算机可向操作人员显示系统运行状况，发出报警信号。操作台一般包 括各种控制开关、数字键、功能键、指示灯、声讯器、数字显示器或CT显示器等 (3)通用外围设备主要是为了扩大计算机主机的功能而配置的。它们用来显示、存储、打 印、记录各种数据。常用的有打印机、记录仪、图形显示器(CT)、软盘、硬盘及外存储娶等
1 第五章 计算机控制及接口技术 机电一体化系统中的计算机软、硬件占着相当重要的地位，它代表着系统的先进性和智能特 性。计算机以其运算速度快，可靠性高，价格便宜，被广泛地应用于工业、农业、国防以及日常 生活的各个领域。计算机用于机电一体化系统或工业控制是近年来发展非常迅速的领域。例如， 卫星跟踪天线的控制、电气传动装置的控制、数控机床、工业机器人的运动、力控系统、飞机、 大型油轮的自动驾驶仪等等。现在，当你走进一个自动化生产车间，将会看到许多常规的控制仪 表和调节器已经被计算机所取代，计算机正在不断地监视整个生产过程，对生产中的各种参数， 如温度、压力、流量、液位、转速和成分等进行采样，迅速进行复杂的数据处理、打印和显示生 产工艺过程的统计数字和参数，并发出各种控制命令。 第一节 概 述 一、计算机控制系统的组成 将模拟式自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了一个典型的计算机控制 系统，如图 5-1 所示。因此，简单地说，计算机控制系统就是采用计算机来实现的工业自动控制 系统。 图 5-1 计算机控制系统基本框图 在控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机的运算、逻辑判断和记忆等功能完成多种控 制任务。在系统中，由于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过 A/D转换器将 其转换为数字量，才能输入计算机。当计算机接收了给定量和反馈量后，依照偏差值，按某种控 制规律进行运算（如 PID 运算），计算结果（数字信号）再经过 D/A 转换器，将数字信号转换成 模拟控制信号输出到执行机构，便完成了对系统的控制作用。 典型的机电一体化控制系统结构可用图5-2 来示意，它可分为硬件和软件两大部分。硬件是 指计算机本身及其外围设备，一般包括中央处理器、内存储器、磁盘驱动器、各种接口电路、以 A/D 转换和 D/A 转换为核心的模拟量 I/O 通道、数字量 I/O 通道以及各种显示、记录设备、运行 操作台等。 （1）由中央处理器、时钟电路、内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心 部件，主要进行数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、越限报警等，通过接口电路向系 统发出各种控制命令，指挥全系统有条不紊地协调工作。 （2）操作台是人—机对话的联系纽带，操作人员可通过操作台向计算机输入和修改控制参 数，发出各种操作命令；计算机可向操作人员显示系统运行状况，发出报警信号。操作台一般包 括各种控制开关、数字键、功能键、指示灯、声讯器、数字显示器或CRT 显示器等。 （3）通用外围设备主要是为了扩大计算机主机的功能而配置的。它们用来显示、存储、打 印、记录各种数据。常用的有打印机、记录仪、图形显示器（CRT）、软盘、硬盘及外存储器等
作 D风多路甘行机构 6 数字经物入 国 吸然 去钱及接作合V8塔巴 图52典型计算机控生制系统的组成框图 (4)/O接口与/0通道是计算机主机与外部连接的桥梁，常用的VO接口有并行接口和畔 行接口。O通道有模拟量IVO通道和数字量VO通道。其中模拟量V0通道的作用是，一方面将 经由传感器得到的工业对象的生产过程参数变换成二进制代码传送给计算机：另一方面将计算机 输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，以实现对生产过程的控制。数字量通 的作用是，除完成编码数字输入输出外，还可将各种继电器、限位开关等的状态通过输入接口传 送给计算机，或将计算机发出的开关动作逻辑信号经由输出接口传送给生产机械中的各个电子开 关或电磁开关。 (5)传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变成电学量，如热电偶把温度变成电压 信号，压力传感器把压力变成电信号等等。变送器的作用是将传感器得到的电信号转变成适用于 计算机接口使用的标准的电信号（如0-10mADC) 此外，为了控制生产过程，还需有执行机构。常用的执行机构有各种电动、液动、气动开关， 电液伺服阀，交、直流电动机，步进电动机等等。 软件是指计算机控制系统中具有各种功能的计算机程序的总和，如完成操作、监控、管理 控制、计算和自诊断等功能的程序。整个系统在软件指挥下协调工作。从功能区分，软件可分为 系统软件和应用软件。 系统软件是由计算机的制造厂商提供的，用来管理计算机本身的资源和方便用户使用计算 的软件。常用的有操作系统、开发系统等，它们一般不需用户自行设计编程，只需掌握使用方法 或根据实际需要加以适当改造即可。 应用软件是用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序，比如各种数据采集、滤波程序 控制量计算程序、生产过程监控程序等。 在计算机控制系统中，软件和硬件不是独立存在的，在设计时必须注意两者相互间的有机配 合和协调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量的控制系统。 二、计算机在控制中的应用方式 根据计算机在控制中的应用方式，可以把计算机控制系统划分为四类，它们是：操作指导指 制系统，直接数字控制系统，监督计算机控制系统和分级计算机控制系统。 1、操作指导控制系统 如图5-3所示，在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接用来控制生产对象。计算机只 2
2 图 5-2 典型计算机控制系统的组成框图 （4）I/O 接口与 I/O 通道是计算机主机与外部连接的桥梁，常用的 I/O 接口有并行接口和串 行接口。I/O 通道有模拟量I/O通道和数字量I/O通道。其中模拟量I/O 通道的作用是，一方面将 经由传感器得到的工业对象的生产过程参数变换成二进制代码传送给计算机；另一方面将计算机 输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，以实现对生产过程的控制。数字量通道 的作用是，除完成编码数字输入输出外，还可将各种继电器、限位开关等的状态通过输入接口传 送给计算机，或将计算机发出的开关动作逻辑信号经由输出接口传送给生产机械中的各个电子开 关或电磁开关。 （5）传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变成电学量，如热电偶把温度变成电压 信号，压力传感器把压力变成电信号等等。变送器的作用是将传感器得到的电信号转变成适用于 计算机接口使用的标准的电信号（如0~10mADC）。 此外，为了控制生产过程，还需有执行机构。常用的执行机构有各种电动、液动、气动开关， 电液伺服阀，交、直流电动机，步进电动机等等。 软件是指计算机控制系统中具有各种功能的计算机程序的总和，如完成操作、监控、管理、 控制、计算和自诊断等功能的程序。整个系统在软件指挥下协调工作。从功能区分，软件可分为 系统软件和应用软件。 系统软件是由计算机的制造厂商提供的，用来管理计算机本身的资源和方便用户使用计算机 的软件。常用的有操作系统、开发系统等，它们一般不需用户自行设计编程，只需掌握使用方法 或根据实际需要加以适当改造即可。 应用软件是用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序，比如各种数据采集、滤波程序、 控制量计算程序、生产过程监控程序等。 在计算机控制系统中，软件和硬件不是独立存在的，在设计时必须注意两者相互间的有机配 合和协调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量的控制系统。 二、计算机在控制中的应用方式 根据计算机在控制中的应用方式，可以把计算机控制系统划分为四类，它们是：操作指导控 制系统，直接数字控制系统，监督计算机控制系统和分级计算机控制系统。 1、操作指导控制系统 如图 5-3 所示，在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接用来控制生产对象。计算机只
是对生产过程的参数进行采集，然后根据一定的控制算法计算出供操作人员参考、选择的操作力 案和最佳设定值等，操作人员根据计算机的输出信息去改变调节器的设定值，或者根据计算机输 出的控制量执行相应的操作。操作指导控制系统的优点是结构简单，控制灵活安全，特别适用于 未摸清控制规律的系统，常常被用于计算机控制系统研制的初级阶段，或用于试验新的数学模型 和调试新的控制程序等。由于最终需人工操作，故不适用于快速过程的控制 操作酯导计算机 作指导参考数苦 测量值 人 A/D 控制 门设定值「多路开美 整制 传感 生产过程 图53计算机操作指导控制系统示意图 2、直接数字控制系统 直接数字制DDC(Direct digital Control)系统是计算机用于工业讨程控制最普流的一种于 式，其结构如图54所示。计算机通过输入通道对一个或多个物理量进行巡回检测，并根据规定 的控制规律进行运算，然后发出控制信号，通过输出通道直接控制调节阀等执行机构。 图54直接数字控制系统 在DDC系统中的计算机参加闭环控制过程，它不仅能完全取代模拟调节器，实现多回路的 PD(比例、积分、微分)调节，而且不需改变硬件，只需通过改变程序就能实现多种较复杂的 控制规律，如串级控制、前馈控制、非线性控制、自适应控制、最优控制等 3、监督计算机控制系统(SCC) 在监督计算机控制(Supervisory Computer Control)系统中计算机根据工艺参数和过程参量检 测值，技照所设计的控制算法进行计算，计算出最佳设定值直接传送给常规模拟调节器或者D 计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程。SCC系统有两种类型，一种是SCC+ 模拟调节器，另一种是SCC+DDC控制系统。监督计算机控制系统构成示意图如图5-5所示。 (I)SCC加上模拟调节器的控制系统 这种类型的系统中，计算机对各过程参量进行巡回检测，并按一定的数学模型对生产工况进 行分析、计算后得出被控对象各参数的最优设定值送给调节器，使工况保持在最优状态。当SCC 计算机发生故障时 可由模拟调节器独立执行控制任务
3 是对生产过程的参数进行采集，然后根据一定的控制算法计算出供操作人员参考、选择的操作方 案和最佳设定值等，操作人员根据计算机的输出信息去改变调节器的设定值，或者根据计算机输 出的控制量执行相应的操作。操作指导控制系统的优点是结构简单，控制灵活安全，特别适用于 未摸清控制规律的系统，常常被用于计算机控制系统研制的初级阶段，或用于试验新的数学模型 和调试新的控制程序等。由于最终需人工操作，故不适用于快速过程的控制。 图 5-3 计算机操作指导控制系统示意图 2、直接数字控制系统 直接数字控制 DDC（Direct Digital Control）系统是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方 式，其结构如图 5-4 所示。计算机通过输入通道对一个或多个物理量进行巡回检测，并根据规定 的控制规律进行运算，然后发出控制信号，通过输出通道直接控制调节阀等执行机构。 图 5-4 直接数字控制系统 在 DDC 系统中的计算机参加闭环控制过程，它不仅能完全取代模拟调节器，实现多回路的 PID（比例、积分、微分）调节，而且不需改变硬件，只需通过改变程序就能实现多种较复杂的 控制规律，如串级控制、前馈控制、非线性控制、自适应控制、最优控制等。 3、监督计算机控制系统（SCC） 在监督计算机控制（Supervisory Computer Control）系统中计算机根据工艺参数和过程参量检 测值，按照所设计的控制算法进行计算，计算出最佳设定值直接传送给常规模拟调节器或者 DDC 计算机，最后由模拟调节器或 DDC 计算机控制生产过程。SCC 系统有两种类型，一种是 SCC+ 模拟调节器，另一种是SCC+DDC 控制系统。监督计算机控制系统构成示意图如图5-5 所示。 （1）SCC 加上模拟调节器的控制系统 这种类型的系统中，计算机对各过程参量进行巡回检测，并按一定的数学模型对生产工况进 行分析、计算后得出被控对象各参数的最优设定值送给调节器，使工况保持在最优状态。当 SCC 计算机发生故障时，可由模拟调节器独立执行控制任务
DDC A/D DA幻多路开关 多路开闪防塔闲 图5-5监督计算机控制系统枸成示意图 a)SCC+模拟调节器系统b)SCC+DDC系统 (2)SCC加上DDC的控制系统 这是一种二级控制系统，SCC可采用较高档的计算机，它与DDC之间通过接口进行信息交 换。SCC计算机完成工段、车间等高一级的最优化分析和计算，然后给出最优设定值，送给DDC 计算机执行控制。 通常在SC℃系统中，选用具有较强计算能力的计算机，其主要任务是输入采样和计算设定值 由于它不参与频繁的输出控制，可有时间进行具有复杂规律的控制算式的计算。因此，SCC能进 行最优控制、自适应控制等，并能完成某些管理工作。SCC系统的优点是不仅可进行复杂控制规 律的控制，而且其工作可靠性较高，当SCC出现故障时，下级仍可继续执行控制任务 4、分级计算机控制系统 生产过程中既存在控制问颗，也存在大量的管理问颗。同时，设备一一般分布在不同的风域 其中各工序，各设备同时并行地工作，基本相互独立，故全系统是比较复杂的。这种系统的特点 是功能分散，用多台计算机分别执行不同的控制功能，既能进行控制又能实现管理。图56是 个四级计算机控制系统。其中过程控制级为最底层，对生产设备进行直接数字控制：车间管理级 负责本车间各设备间的协调管理：工厂管理级负责全厂各车间生产协调，包括安生产计划、备 品备件等：企业（公司）管理级负责总的协调，安排总生产计划，进行企业（公司经营方向的决 策等。 企业（公可）香理级 工厂管塑级 车创脊理缓 车创管那缓 服器 生产过 图56计算机分级控制系统
4 图 5-5 监督计算机控制系统构成示意图 a） SCC＋模拟调节器系统 b） SCC＋DDC 系统 （2）SCC 加上DDC 的控制系统 这是一种二级控制系统，SCC 可采用较高档的计算机，它与 DDC 之间通过接口进行信息交 换。SCC计算机完成工段、车间等高一级的最优化分析和计算，然后给出最优设定值，送给 DDC 计算机执行控制。 通常在 SCC系统中，选用具有较强计算能力的计算机，其主要任务是输入采样和计算设定值。 由于它不参与频繁的输出控制，可有时间进行具有复杂规律的控制算式的计算。因此，SCC能进 行最优控制、自适应控制等，并能完成某些管理工作。SCC系统的优点是不仅可进行复杂控制规 律的控制，而且其工作可靠性较高，当 SCC 出现故障时，下级仍可继续执行控制任务。 4、分级计算机控制系统 生产过程中既存在控制问题，也存在大量的管理问题。同时，设备一般分布在不同的区域， 其中各工序，各设备同时并行地工作，基本相互独立，故全系统是比较复杂的。这种系统的特点 是功能分散，用多台计算机分别执行不同的控制功能，既能进行控制又能实现管理。图 5-6 是一 个四级计算机控制系统。其中过程控制级为最底层，对生产设备进行直接数字控制；车间管理级 负责本车间各设备间的协调管理；工厂管理级负责全厂各车间生产协调，包括安排生产计划、备 品备件等；企业（公司）管理级负责总的协调，安排总生产计划，进行企业(公司)经营方向的决 策等。 图 5-6 计算机分级控制系统
三、典型机电一体化控制系统 1、计算机过程控制系统 用计算机对温度、压力、流量、液面、速度等过程参数进行测量与控制的系统称为计算机过 程控制系统。图57介绍了工业炉计算机控制的典型情况，其燃料为燃料油或者煤气，为了保证 燃料在炉膛内正常燃烧，必须保持燃料和空气的此值恒定。图中描述了燃料和空气的比值控制过 程，它可以防止空气太多时，过剩空气带走大量热量：也可防止当空气太少时，由于燃料燃烧不 完全而产生许多一氧化碳或碳黑。为了保持所需的护温，将测得的炉温送入数字计算机计算，进 而控制燃料和空气阀门的开度。为了保持炉腔压力恒定，避免在压力过低时从炉墙的缝隙处吸入 大量过剩空气，或在压力过高时大量燃料通过缝隙逸出炉外，同时还采用了压力控制回路。测得 的炉膛压力送入计算机，进而控制烟道出口挡板的开度。此外，为了提高炉子的热效率，还需对 炉子排出的废气进行分析， 般是用氧化锆传感器测量烟气中的微量氧，通过计算而得出其热效 率，并用以指导燃烧调节。 2、微型计算机控制的电动机调速 系统 绕效率计 由于微型计算机具有极好的快速 运算、信息存储、逻辑判断和数据处 计算 理能力，电动机调速系统中的许多控 分标位 制要求很容易在计算机中实现。例如 变流装置的非线性补偿，起动和调速 时选用不同的控制方式或不同的控制 参数，四象限运行时的逻辑切换，在 PWM型逆变器、交一交变频或某些 生产机械传动控制中要求的电压、电流 基准曲线等。由于采用计算机控制，可 图5-7工业炉的计算机控制 大大提高系统的性能。 图58是计算机控制的双闭环直流调速系统的原理图。其中，晶闸管触发器，速度调节器和 电流调节器均由计算机实现， A/D 翻 回品品 厨一 围连发电机♂ 图5-8计算机控制的双闭环系统 3、计算机数字程序控制系统 采用计算机来实现顺序控制和数字程序控制是计算机在自动控制领域中应用的一个重要方 面。它广泛地应用于机床控制、生产自动线控制、 运输机械控制和交通管理等许多工业自动控制
5 三、典型机电一体化控制系统 1、计算机过程控制系统 用计算机对温度、压力、流量、液面、速度等过程参数进行测量与控制的系统称为计算机过 程控制系统。图 5-7 介绍了工业炉计算机控制的典型情况，其燃料为燃料油或者煤气，为了保证 燃料在炉膛内正常燃烧，必须保持燃料和空气的比值恒定。图中描述了燃料和空气的比值控制过 程，它可以防止空气太多时，过剩空气带走大量热量；也可防止当空气太少时，由于燃料燃烧不 完全而产生许多一氧化碳或碳黑。为了保持所需的炉温，将测得的炉温送入数字计算机计算，进 而控制燃料和空气阀门的开度。为了保持炉膛压力恒定，避免在压力过低时从炉墙的缝隙处吸入 大量过剩空气，或在压力过高时大量燃料通过缝隙逸出炉外，同时还采用了压力控制回路。测得 的炉膛压力送入计算机，进而控制烟道出口挡板的开度。此外，为了提高炉子的热效率，还需对 炉子排出的废气进行分析，一般是用氧化锆传感器测量烟气中的微量氧，通过计算而得出其热效 率，并用以指导燃烧调节。 2、微型计算机控制的电动机调速 系统 由于微型计算机具有极好的快速 运算、信息存储、逻辑判断和数据处 理能力，电动机调速系统中的许多控 制要求很容易在计算机中实现。例如， 变流装置的非线性补偿，起动和调速 时选用不同的控制方式或不同的控制 参数，四象限运行时的逻辑切换，在 PWM 型逆变器、交—交变频或某些 生产机械传动控制中要求的电压、电流 基准曲线等。由于采用计算机控制，可 大大提高系统的性能。 图 5-8是计算机控制的双闭环直流调速系统的原理图。其中，晶闸管触发器，速度调节器和 电流调节器均由计算机实现。 图 5-8 计算机控制的双闭环系统 3、计算机数字程序控制系统 采用计算机来实现顺序控制和数字程序控制是计算机在自动控制领域中应用的一个重要方 面。它广泛地应用于机床控制、生产自动线控制、运输机械控制和交通管理等许多工业自动控制 图 5-7 工业炉的计算机控制