下载文档原格式
第1章绪论1.什么是计算机控制系统？计算机控制系统由哪几部分组成？答：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，简称工业控制机）来实现生产过程自动控制的系统。
计算机控制系统的组成：计算机控制系统由计算机（工业控制机）和生产过程两大部分组成。
2.计算机控制系统的典型型式有哪些？答：计算机控制系统的典型型式包括：操作指导控制系统；直接数字控制系统（DDC）；监督控制系统（SCC，也称设定值控制）；集散控制系统（DCS）；现场总线控制系统（F CS）和综合自动化系统。
3.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？答：所谓实时，是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。
在计算机控制系统中，生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式；生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并做相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。
4.讨论计算机控制系统的发展趋势。
答：网络化、扁平化、智能化、综合化。
第2章计算机控制系统的硬件设计技术5.请分别画出一路有源I/V变换电路和一路无源I/V变换电路图，分别说明各元器件的作用。
6.什么是采样过程、量化、孔径时间？答：按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，转变成在时刻0、T、2T、……、kT的一连串脉冲输出信号的过程称为采样过程。
所谓量化，就是采用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。
在模拟量输入通道中，A/D转换器将模拟信号转换成数字信号总需要一定的时间，完成一次A/D转换所需要的时间称为孔径时间。
7.采样保持器的作用是什么？是否所有的模拟量输入通道中都需要采样保持器？为什么？答：为了提高模拟量输入信号的频率范围，以适应某些随时间变化较快的信号的要求，可采用带有保持电路的采样器，即采样保持器（为了防止在A/D转换之前信号就发生了变化，致使A/D转换的结果出错，因而采用采样保持器来使得信号维持一段时间）。
计算机控制系统教学大纲课程简介本课程主要针对计算机控制系统方向的学生，旨在介绍计算机控制系统的基本原理、构成、功能和应用等方面的知识，培养学生的系统化思维和解决问题的能力。
课程目标1.了解计算机控制系统的基本原理和应用；2.掌握计算机控制系统的构成、功能及其工作过程；3.能够具备计算机控制系统的调试、维护和管理等实际操作能力；4.能够独立设计计算机控制系统，并能够解决实际问题。
课程总体安排第一章计算机控制系统概述1.1 计算机控制系统简介1.2 计算机控制系统的基本构成和功能1.3 计算机控制系统的分类和工作特点第二章模拟量传感器及其检测2.1 模拟量传感器简介2.2 温度传感器2.3 压力传感器2.4 流量传感器第三章数字量传感器及其检测3.1 数字量传感器简介3.2 光电传感器3.3 声电传感器3.4 磁电传感器第四章计算机控制系统中的执行器4.1 计算机控制系统中的电机4.2 计算机控制系统中的液压执行器4.3 计算机控制系统中的气动执行器第五章计算机控制系统的控制器5.1 计算机控制系统的控制器简介5.2 单片机控制器5.3 PLC控制器第六章计算机控制系统的通信6.1 计算机控制系统中的通信协议6.2 计算机控制系统中的网络通信第七章计算机控制系统设计实践7.1 计算机控制系统设计实践概述7.2 计算机控制系统软件设计7.3 计算机控制系统硬件设计评分标准1.准确理解计算机控制系统的基本原理和应用；2.能够准确掌握计算机控制系统的构成和功能；3.能够独立设计计算机控制系统，并能够解决实际问题。
参考教材1.《自动化控制原理》，第七版，韦元宝等著，机械工业出版社；2.《自动化原理与应用》，朱少伟等著，高等教育出版社；3.《自动化控制系统》，第四版，胡寿松等著，清华大学出版社。
教学方式本课程采用课堂讲授、案例展示和实践操作相结合的方式进行教学，通过实际操作提升学生的实际应用能力。
同时，通过课外作业、小组讨论等方式提升学生的合作能力和自主学习能力。
第11章计算机控制系统实例●本章的教学目的与要求掌握各种过程通道的结构、原理、设计及使用方法。
●授课主要内容●硫化机计算机群控系统●主要外语词汇Sulfurate Machine:硫化机●重点、难点及对学生的要求说明：带“***”表示要掌握的重点内容，带“**”表示要求理解的内容，带“*”表示要求了解的内容，带“☆”表示难点内容，无任何符号的表示要求自学的内容●硫化机计算机群控系统的软硬件设计***☆●辅助教学情况多媒体教学课件（POWERPOINT）●复习思考题●硫化机计算机群控系统的软硬件设计●参考资料刘川来，胡乃平，计算机控制技术，青岛科技大学讲义硫化机计算机群控系统内胎硫化是橡胶厂内胎生产的最后一个环节，硫化效果将直接影响内胎的产品质量和使用寿命。
目前国内大部分生产厂家都是使用延时继电器来控制硫化时间，由于硫化中所需的蒸汽压力和温度经常有较大的波动，单纯按时间计算可能会产生过硫或欠硫现象，直接影响了内胎的质量。
因此，设计一种利用先进计算机控制技术的硫化群控及管理系统，不仅能提高企业的自动化水平，也能降低硫化机控制装置的维护成本和硫化操作人员的劳动强度，提高硫化过程中工艺参数的显示和控制精度，同时也避免了个别硫化操作人员为提高产量而出现的“偷时”现象(即操作人员缩短硫化时间，未硫化完毕就开模) ，使内胎的产品质量得到保证。
1.系统总体方案内胎硫化过程共包括四个阶段: 合模、硫化、泄压、开模。
由于所有硫化机的控制方式相同，所以特别适合群控。
在自动模式下，当硫化操作人员装胎合模后，由控制系统根据温度计算内胎的等效硫化时间并控制泄压阀、开模电机的动作。
为克服温度波动的影响，经过大量实验，选用阿累尼乌斯(Arrhenius) 经验公式来计算等效硫化时间。
某橡胶制品有限公司硫化车间共有内胎硫化机96台，为便于整个生产过程的控制和管理拟采用计算机群控及管理系统。
根据企业的现场情况，借鉴DCS (Distributed Control System ，集散控制系统) 系统结构，使用PLC作为直接控制级，完成现场的控制功能; 使用工业控制计算机作为管理和监视级。
第11章计算机控制系统实例本章的教学目的与要求掌握各种过程通道的结构、原理、设计及使用方法。
授课主要内容工业锅炉计算机控制系统硫化机计算机群控系统主要外语词汇Sulfurate Machi ne:硫化机，工业锅炉：In dustrial Boiler重点、难点及对学生的要求说明：带“*** ”表示要掌握的重点内容，带“** ”表示要求理解的内容，带“*”表示要求了解的内容，带“☆"表示难点内容，无任何符号的表示要求自学的内容工业锅炉工艺*工业锅炉计算机控制系统的设计*** ☆硫化机计算机群控系统的软硬件设计*** ☆辅助教学情况多媒体教学课件(POWERPOINT)复习思考题工业锅炉计算机控制系统的设计硫化机计算机群控系统的软硬件设计参考资料刘川来，胡乃平，计算机控制技术，青岛科技大学讲义11.1 工业锅炉计算机控制系统11.1.1工业锅炉介绍常见的锅炉设备的主要工艺流程如图11.1所示。
负荷设锅炉设备主要工艺流程图燃料和热空气按一定比例送入燃烧室燃烧， 生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽Ds 。
然后经过热器，形成一定温度的过热蒸汽D ，汇集至蒸汽母管。
压力为 Pm 的过热蒸汽，经负荷设备控制供给负荷设备用。
与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸 汽变为过热蒸汽外， 还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气， 最后经引风机送往烟囱，排入大气。
锅炉设备是一个复杂的控制对象，主要的输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风等，如图 11.2所示。
主要输出变量是汽包水位、蒸汽压力、过热蒸 给水量汽包水位H汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等。
这些输入变量与输出变量之 喷水量j气温T间相互关联。
如果蒸汽负压发生变化，必将会引起汽包水位、蒸汽压力和过热 燃料量丨汽压T蒸汽温度等的变化；燃料量的变化不仅 、-r* . /影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、 送风量V过量空气系数过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压； J/B*'it.给水量的变化不仅影响汽包水位，而且引风量炉膛负压二对蒸汽压力、过热蒸汽温度等亦有影响；执空气 八、、燃料图 11.1锅炉是一个典型的多变量对象， 要进行自动控制，对多变量对象可按自治的原则和协调 跟踪的原则加以处理。
目前，锅炉控制系统大致可划分为三个控制系统： 锅炉燃烧控制系统、锅炉给水控制系统和过热蒸汽温度控制系统。
11.1.2锅炉计算机控制系统组成1. 燃烧过程控制系统 （1） 燃烧过程控制任务锅炉的燃烧过程是一个能量转换和传递的过程， 其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量 适应蒸汽负荷的需要（常以蒸汽压力为被控变量） ；使燃料与空气量之间保持一定的比值，以保证最佳经济效益的燃烧（常以烟气成分为被控变量），提高锅炉的燃烧效率；使引风量与送风量相适应，以保持炉膛负压在一定的范围内。
（2） 燃烧过程控制系统设计方案在多变量对象中，调节量和被调量之间的联系不都是等量的， 也就是说，对于一个具体对象而言，在众多的信号通道中，对某一个被调量可能只有一个通道对它有较重要的影响， 其它通道的影响相对于主通道来说可以忽略。
根据自治原则简化锅炉燃烧控制系统，可将其大致分为三个单变量控制系统： 燃料量一汽压子系统、送风量一过量空气系数子系统以及引 风量一一炉膛负压子系统。
不少多变量系统可以利用自治原则来进行简化，但并不是分解成多个单回路控制系统 后，问题就全部解决。
因为各回路之间往往还存在着联系和要求，必须在设计中加以考虑。
协调跟踪的原则，就是在多个单回路基础上，建立回路之间相互协调和跟踪的关系， 以弥补用几个近似单变量对象来代替时所忽略的变量之间的关联。
此例中，锅炉燃烧过程的上述三个子系统间使彼此仍有关联。
首先考虑到燃料量与送风量子系统间应满足以下两点 ：①锅炉燃烧过程中燃料量与空气（送风）量之间应保持一定比例，实际空气（送风）量 大于燃料需要空气量，他们之间存在一个最佳空燃比（最佳过剩空气系数）a ，即V （实际送入空气量） B （燃料需要空气量）般情况下，a > 1。
②为了保持在任何时刻都 有足够的空气以实现完全燃烧， 当热负荷增大时，应先增加送风 量，后增加燃料量；若热负荷减 少时，应先减少燃料量，再减少 送风量。
为了满足上述两点要求， 在 这两个单回路的基础上， 建立交 叉限制协调控制系统， 如图11.3燃料量测量信号IV 和IB 之间的关系如下:所示。
其中, Wm1 (s )和 Wm2（s ）是燃料量和送风量测量变送器的传递函数，假设它们 都是比例环节，则 Wm1 (s ) =K1 ,Wm1 (s ) =K2由此可得到最佳空燃比 a 与空气量、图11.3 带交叉限制的最佳空燃比控制系统假设机组所需负荷的信号为 IQ ,当系统处于稳态时，则有：设定值 r1=IQ=IV/ 3 =IB 设定值 r2= 3 IQ= 3 IB =IV 即IQ=IB ; IV= 3 IB表明系统的燃料量适合系统的要求，而且达到最佳空燃比。
当系统处于动态时， 假如负荷突然增加，对于送风量控制系统而言，高选器的两个输入信号中， IQ 突然增大，则IQ >IB ，所以，增大的IQ 信号通过高选器，在乘以 3后作为设定值送入调节器 WC2，显然该调节器将使u2增加，空气阀门开大，送风量增大，即IV 增加。
对于燃料量控制系统来说，尽管IQ 增大，但在此瞬间IV 还来不及改变，所以低选器的输入信号 IQ > IV ，低选器输出 不变，r1=IV/ 3不变，此时燃料量 B 维持不变。
只有在送风量开始增加以后，即IV 变大，低选器的输出才随着IV 的增大而增加，即r1随之加大，这时燃料阀门才开大， 燃料量加多。
反之，在负荷信号减少时，则通过低选器先减少燃料量，待IB 减少后，空气量才开始随高选器的输出减小而减小，从而保证在动态时，满足上述第②点要求，始终保持完全燃烧。
进一步分析可知，燃料量控制子系统的任务在于，使进入锅炉的燃料量随时与外界负荷要求相适应，维持主压力为设定值。
为了使系统有迅速消除燃料侧自发扰动的能力， 燃料量控制子系统大都采用以主汽压力为主参数、燃料量为副参数的串级控制方案。
保证燃料在炉膛中的充分燃烧是送风控制系统的基本任务。
在大型机组的送风系统中， 一、二次风通常各采用两台风机分别供给，锅炉的总风量主要由二次风来控制，所以这里的送风控制系统是针对二次风控制而言的。
送风子控制系统的最终目的是达到最高的锅炉热效 率，保证经济性。
为保持最佳过剩空气系数a ，必须同时改变风量和燃料量。
a 是由烟气含氧量来反映的。
因此常将送风控制系统设计为带有氧量校正的空燃比控制系统， 经过燃料量与送风量回路的交叉限制， 组成串级比值的送风系统。
结构上是一个有前馈的串级控制系统，I V K2 I B K IK I I VK 2 K i=P图11.4 带氧量串级校正的送风控制系统如图11.4所示。
它首先在内环快速保证最佳空燃比，至于给煤量测量不准，则可由烟气中氧量作串级校正。
当烟气中含氧量高于设定值时，氧量校正调节器发出校正信号，修正送风量调节器设定，使送风调节器减少送风量，最终保证烟气中含氧量等于设定值。
炉膛负压控制系统的任务在于调节烟道引风机导叶开度，以改变引风量；保持炉膛负压为设定值，以稳定燃烧，减少污染，保证安全。
2. 锅炉给水控制系统（1）锅炉给水控制系统设计任务其任务是考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应蒸发量，维持汽包水位在规定的范围内，实现给水全程控制。
给水控制也称为汽包水位控制。
被控变量是汽包水位，操纵变量是给水量。
（2）给水控制系统的基本结构单冲量控制系统以水位信号H为被控量、给水流量作为控制量组成的单回路控制系统称为单冲量控制系统。
这种系统结构简单、整定方便，但克服给水自发性扰动，和负荷扰动的能力差，特别是大中型锅炉负荷扰动时，严重的假水位现象将导致给水控制机构误动作，造成汽包水位激烈的上下波动，严重影响设备寿命和安全。
单级三冲量控制系统该系统相当于将上述单冲量控制与比例控制相结合。
以负荷作为系统设定值，利用PI调节器调节流量，使给水量准确跟踪蒸汽流量，再将水位信号作为主参数负反馈，构成了单级三冲量给水控制系统，如图11.5所示。
所谓“三冲量”，是指控制器接受了图11.5 单级三冲量给水控制系统三个测量信号：汽包水位、蒸汽流量和给水流量。
蒸汽流量信号是前馈信号，当负荷变化时，它早于水位偏差进行前馈控制，及时的改变给水流量，维持进出汽包的物质平衡，有效地减少假水位的影响，抑制水位的动态偏差；给水流量是局部反馈信号，动态中它能及时反映控制效果，使给水流量跟踪蒸汽流量变化而变化，蒸汽流量不变时，可及时消除给水侧自发扰动；稳态时使给水流量信号与蒸汽流量信号保持平衡，以满足负荷变化的需要；汽包水位量是被控制量、主信号稳定时，汽包水位等于设定值。
显然，三冲量给水控制系统在克服干扰影响、维持水位稳定、提高给水控制方面都优于单冲量给水控制系统。
事实上，由于检测、变送设备的误差等因素图11.6 串级三冲量给水控制系统的影响，蒸汽流量和给水流量这两个信号的测量值在稳态时难以做到完全相等， 且单级三冲量控制系统一个调节器参数整定需要兼顾较多的因素， 动态整定过程也较复杂， 因此在现场很少再采用单级三冲量给水控制系统。
串级三冲量控制系统串级三冲量给水控制系统的基本结构如图11.6所示。
该系统由主副两个 PI 调节器和三个冲量构成，与单级三冲量系统相比，该系统多采用了一个PI 调节器，两个调节器串联工作，分工明确。
PI1为水位调节器，它根据水位偏差产生给水流量设定值； PI2为给水流量 调节器，它根据给水流量偏差控制给水流量并接受前馈信号。
蒸汽流量信号作为前馈信号， 用来维持负荷变动时的物质平衡，由此构成的是一个前馈一串级控制系统。
该系统结构较复杂，但各调节器的任务比较单纯， 系统参数整定相对单级三冲量系统要容易些， 不要求稳态 时给水流量蒸汽流量测量信号严格相等，即可保证稳态时汽包水位无静态偏差，其控制重量较高，是现场广泛采用的给水控制系统，也是组织给水全程控制的基础。
3.蒸汽温度控制系统（1） 蒸汽温度控制系统任务维持过热器出口温度在允许范围内， 并保证管壁温度不超过允许的工作温度。
被控变量一般是过热器出口温度，操纵变量是减温器的喷水量。
（2） 过热蒸汽温度控制系统以过热蒸汽为主参数，选择二段过热器前的蒸汽温度为辅助信号， 组成串级控制系统或双冲量气温控制系统。
4.锅炉计算机控制系统的实现工业锅炉计算机控制系统结构框图如图11.7所示。
烟气含氧量图11.7 工业锅炉计算机控制系统框图一次仪表测得的模拟信号经采用电路、滤波电路进入A/D 转换电路，A/D 转换电路将转换完的数字信号送入计算机，计算机对数据进行处理之后，便于控制和显示。
