计算机控制系统设计实例
计算机控制实例
液位控制系统
液位控制系统是计算机控制技术在工业 领域中的又一应用，主要用于对液位进
行精确控制和调节。
液位控制系统由传感器、控制器、泵或 阀门等组成，通过液位传感器采集液位 数据，控制器根据设定值和实际值进行 比较，输出控制信号给泵或阀门，实现
对液位的精确控制。
液位控制系统的应用范围广泛，如化工 生产、水处理、锅炉系统等领域。
计算机控制的应用领域
工业自动化
计算机控制在工业自动化领 域的应用非常广泛，如生产 线控制、机器人控制等。
智能家居
计算机控制在智能家居领 域的应用包括智能照明、 智能空调、智能安防等。
交通控制
计算机控制在交通控制领域 的应用包括交通信号灯控制
、高速公路监控系统等。
环境监测
计算机控制在环境监测领 域的应用包括空气质量监
03 智能家居控制实例
智能照明系统
自动调节亮度
智能照明系统可以根据环 境光线和时间自动调节亮 度，提供舒适的照明环境。
节能环保
通过智能控制，可以有效 减少不必要的能源浪费， 降低APP远 程控制家中的灯光，方便 快捷。
智能空调系统
自动温度调节
智能空调系统能够根据室内温度 和用户设定自动调节温度，提供
舒适的生活环境。
节能模式
在不需要制冷或制热时，智能空调 可以自动切换到节能模式，降低能 耗。
语音控制
通过与智能音箱的配合，用户可以 通过语音指令控制空调的运行。
智能安防系统
实时监控
智能安防系统可以实时监控家中 的安全状况，及时发现异常情况。
报警功能
当探测到入侵者或火灾等危险情 况时，智能安防系统会自动报警
计算机控制实例
计算机控制系统(清华大学出版社)课件_嵌入式PLC
8.1.2 软硬件协同设计技术
1．硬件体系结构
图8-2 嵌入式系统硬件体系结构的功能部件
11
2． 传统设计技术
设计过程的基本特征是：系统在一开始就被划分为软件和硬件两 大部分，软件和硬件是独立地进行开发设计，通常采用的是“硬 件先行”的设计方法。
问题： (1)软硬件之间的交互受到很大限 制，造成系统集成相对滞后，因此 传统嵌入式系统设计的结果往往是 设计质量差、设计修改难，同时研 制周期不能得到有效保障。 (2) 随着设计复杂程度的提高， 软硬件设计中的一些错误将会使开 发过程付出昂贵的代价。 (3)“硬件先行”的做法常常需要 由软件来补偿由于硬件选择的不适 合造成系统的缺陷，从而增加软件 的代价。
(2) 嵌入式微处理器(Embedded Micro Processor Unit, EMPU)
基础是通用计算机中的CPU。只保留与嵌入式应用密切相关的功 能硬件，去掉其他冗余的功能部分。目前的主要类型有ARM 、 PowerPC系列等。 专用于信号处理方面的处理器，其可进行向量运算、指针线性寻 址等运算量很大的数据处理，具有很高编译效率和指令执行速度
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3-2
pSOS
pSOS原属ISI公司的产品，但ISI已经被 WinRiver公司兼并，现在pSOS属于 WindRiver公司的产品。 该系统是一个模块化、高性能的实时操作系 统。 开发者可以利用它来实现从简单的单个独立 设备到复杂的、网络化的多处理器系统功能。
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3-2
Palm OS
多数实时内核是基于优先级调度的多种方法 的复合。
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⑸ 其他重要概念
互斥（Mutex）机制 信号量（Semaphore）机制 代码临界区（Critical Section）临界资源
计算机控制技术
§8.2微机控制系统的设计与实现过程
二、确定控制算法 对任何一个具体控制系统进行分析、综合和设计， 首先是建立该系统的数学模型。 数学模型是系统动态特性的表达式，它反映了系 统输入、内部状态和输出之间的逻辑和数量关系。其 为计算机进行处理提供了依据，即由数学模型推出控 制算法。 计算机控制就是计算机按照规定的算法进行控制。 控制算法正确与否直接影响系统的控制品质，甚至影 响整个系统的成败。
§8.1微机控制系统的工程设计方法
二、微机控制系统的设计步骤 2.设计阶段： 主要包括：组建项目研制组、系统总体方案的设 计、方案论证与评审、硬件和软件的细化设计、硬件 和软件的调试、系统的组装。 3.仿真调试阶段： 在实验室环境下，模拟现场条件进行调试。
4.现场运行完善阶段：
将系统与生产过程连接，进行现场调试运行及验收。
§8.1微机控制系统的工程设计方法
一、微机控制系统的设计原则
3.操作性好
具体表现为：使用方便，易于维护。 可充分利用计算机屏幕和制作工艺流程控制台。 方便手动及联机调试。
4.实时性好
表现在对内部及外部事件能及时作出响应和相应 的处理，特别是对故障性事件的紧急处理。
§8.1微机控制系统的工程设一、确定系统整体控制方案 设计的第一步是了解控制对象，构思控制系统的 整体方案。不同的系统考虑的问题可能差别较大。 首先要从系统构成上考虑，是开环还是闭环控制。 当采用闭环时应考虑用何种检测元件和检测精度。 其次考虑执行机构采用的方案。如电液驱动等。 第三考虑是否有特殊的控制要求。如精度快速等。 第四考虑微机在系统中的作用及承担的任务。 第五初步估算成本，比较性能/价格比适合否。 最后绘制系统粗框图，附议必要的说明。
作业 作业：P178页 9-1,9-2
《计算机控制技术》计算机控制系统的设计与实现
在以上硬件设计的每一个阶段，都应该遵循边设计，边调试， 边修改的原则，包括元器件测试、电路模块调试、子系统调试等。 这样，问题发现得越早，对整个控制系统的设计、研制的影响就越 小，付出的代价也越小。
（3）来自控制系统内部的干扰 主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，
如逻辑电路相互辐射、模拟地与逻辑地的相互影响及元器件 间的相互不匹配使用等。这都属于控制设备制造厂家对系统 内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门无 法避免，可不必过多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经 过考验的系统。
经过上述系统仿真调试，并取得满意控制性能的计算机控 制系统运到现场就可以进行现场安装调试了。现场调试是实际 生产过程对计算机控制系统性能的全面检查与性能评估，与实 验室的半实物调试相比，需要特别注意系统的安全性与抗干扰 等问题。在通过现场安装调试后，就可以投入实际生产过程进 行试运行。在试运行过程中，往往会出现许多错综复杂、时隐 时现的现象，暴露设计缺陷，这时设计者应当认真分析问题根 源，寻求解决方法。同时，系统的可靠性与稳定性也应当长期 考验，针对现场特殊的工作环境，采取行之有效的措施，在经 过一段时间的试运行并取得满意的性能评价之后，整个控制系 统就可以正式投入到实际运行中了。
8.2.4 系统的调试与运行 在硬件、软件的设计过程中，一般已经进行了分模块调试。在系
统投入现场运行之前，还需要在实验室进行硬件、软件的联合调试与 系统的仿真调试。软、硬件联调是整个调试的基础，这个步骤在硬件 设计时就开始了，即逐个功能模块进行边设计边调试，并将调试好的 模块逐步加入硬件系统进行联调。在硬件调试通过的情况下，就可将 软件系统加入进去，进行控制系统硬件软件的联合调试，联合调试的 目的是检验系统硬件、软件设计的正确性与运行的可靠性。在联合调 试过程中，不但会发现软件错误，还会发现一些在硬件调试中未发现 的硬件故障或设计缺陷，可根据情况予以修正。上述软件、硬件的联 合调试一般是脱离实际的被控过程进行的，主要在于检验系统硬件、 软件设计在功能上的正确性，不能全面反映整个控制系统的性能，因 此，还必须经过整个系统的仿真试验来检验系统的实际控制性能是否 能满足指标要求。
基于PLC控制的加热炉温度控制系统设计
课程设计姓名张镇炀学号********班级电气优创0801摘要温度控制系统广泛应用于工业控制领域，如钢铁厂、化工厂、火电厂等锅炉的温度控制系统，电焊机的温度控制系统等。
加热炉温度控制在许多领域中得到广泛的应用。
这方面的应用大多是基于单片机进行PID 控制, 然而单片机控制的DDC 系统软硬件设计较为复杂, 特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处, PLC 在这方面却是公认的最佳选择。
加热炉温度是一个大惯性系统，一般采用PID调节进行控制。
随着PLC功能的扩充在许多PLC控制器中都扩充了PID 控制功能, 因此在逻辑控制与PID控制混合的应用场所中采用PLC控制是较为合理的。
本设计是利用西门子S7-300PLC控制加热炉温度的控制系统。
首先介绍了温度控制系统的工作原理和系统的组成，然后介绍了西门子S7-300PLC和系统硬件及软件的具体设计过程。
关键词：西门子S7-300PLC，PID，温度传感器，固态继电器目录摘要 (I)Abstract ........................................... 错误!未定义书签。
第一章引言 ....................................... 错误!未定义书签。
1.1 系统设计背景............................... 错误!未定义书签。
1.2 系统工作原理 (IV)1.3 系统设计目标及技术要求 (IV)1.4 技术综述 (IV)第二章系统设计 (V)2.1 控制原理与数学模型 (V)2.1.1 PID控制原理 (V)2.1.2 PID指令的使用注意事项 (VIII)2.2 采样信号和控制量分析 (IX)2.3 系统组成 (IX)第三章硬件设计 ................................................... X I3.1 PLC的基本概念 (XI)3.1.1 模块式PLC的基本结构 (XII)3.1.2 PLC的特点 (XIII)3.2 PLC的工作原理 (XIV)3.2.1 PLC的循环处理过程 (XIV)3.2.2 用户程序的执行过程 (XVI)3.3 S7-300 简介 (XVI)3.3.1 数字量输入模块 (XVII)3.3.2 数字量输出模块 (XVII)3.3.3 数字量输入/输出模块 (XVII)3.3.4 模拟量输入模块 (XVII)3.3.5 模拟量输出模块 (XVIII)3.4 温度传感器 (XVIII)3.4.1 热电偶 (16)3.4.2 热电阻 (17)3.5 固态继电器 (XX)3.5.1 概述 (18)3.5.2 固态继电器的组成 (18)3.5.3 固态继电器的优缺点 (19)第四章软件设计 ................................................. X XII4.1 STEP7编程软件简介 (XXII)4.1.1 STEP7概述 (XXII)4.1.2 STEP7的硬件接口 .......................... .. (XXII)4.1.3 STEP7的编程功能 (XXII)4.1.4 STEP7的硬件组态与诊断功能 (XXIII)4.2 STEP7项目的创建 (XXIV)4.2.1 使用向导创建项目 (XXIV)4.2.2 直接创建项目 (XXIV)4.2.3 硬件组态与参数设置 (XXIV)4.3 用变量表调试程序 (XXVI)4.3.1 系统调试的基本步骤 (XXVI)4.3.2 变量表的基本功能 (XXVII)4.3.3 变量表的生成 (XXVIII)4.3.4 变量表的使用 (XXVIII)4.4 S7-300的编程语言 (XXIX)4.4.1 PLC编程语言的国际标准 (XXIX)4.4.2 STEP7中的编程技术 (XXX)结束语 ......................................................... X XXIV 致谢 (33)参考文献 (34)附录 (35)1.1系统设计背景近年来，加热炉温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统，温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，冶金﹑机械﹑食品﹑化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉﹑热处理炉﹑反应炉，对工件的处理均需要对温度进行控制。
欧姆龙PLC 编程语言的设计与应用PID实例
欧姆龙PLC 编程语言的设计与应用PID实例1 引言在PLC中有多种程序设计语言,如梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。
梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等。
通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。
功能表图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，它可根据需要去执行更有效的操作，例如，模拟量的控制，数据的操纵，报表的报印和其他基本程序设计语言无法完成的功能。
功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在PLC中得到了广泛的应用，在集散控制系统的编程和组态时也常常被采用。
由于它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，为广大工程设计和应用人员所喜爱。
2 常用的程序设计语言分类根据PLC应用范围，程序设计语言可以组合使用，常用的程序设计语言有以下几种:(1) 梯形图(Ladder Diagram)程序设计语言梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。
采用梯形图程序设计语言，这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果，每个梯级是一个因果关系。
在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在右面。
梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言，它来源于继电器逻辑控制系统的描述。
在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉。
因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到欢迎，并得到广泛的应用。
梯形图程序设计语言的特点是:·与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性;·与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于撑握和学习;·与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是:梯形图中的能流(Power FLow)不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此应用时需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待;·与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互转换和程序检查。
计算机控制系统实例
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9章+微型计算机控制系统应用实例
转换成为
9.2信.2号系；统电压的信控号制，要能求够采集阀位反响回来的模拟
最〔后有阀2〕以根门下能定据几位对点器以：对上单采片集机到控制的系信统号的进设行计运要求算、整理， 偏差的大小输出连续信号或一定宽度的脉
冲来控制 压电阀；
〔3〕利用数码管能现场显示输入的参数以及阀 门开度； 〔4〕利用按键能在现场对阀门的工作流量特性 的参数，
表内非易失性内存芯片与IC卡内芯片一样，即 AT24C02〔2〕。煤气表中诸如累积已耗用气量、结 余气量、购气次数等重要数据都存放在AT24C02〔2〕
这样可克服由充电电池长期维持RAM中的信息所潜在的不可靠性。 AT24C02仅有8条引脚，串行通信只用两根口线，做成IC卡时,外接连线 少，作为非易失性内存更是比采用并行EEPROM减少许多连线，PCB布 线更简洁，体积更小。IC卡煤气表中所需存取的重要数据少，且数据存 取速度要求不高，故这种小容量的串行EEPROM非常适用。AT24C02是 I²C总线结构器件，87C51非此类器件，这就要求87C51通过编程使其 P1.0和P1.1完全遵循I²C总线时序及AT24C02的数据传送格式，去分别等 效串行数据线SDA和串行时钟SCL，从而实现两者的通信。
第9章 微型计算机控制系统应用实例
9.1 微型机在煤气表机心负压试漏中的应用 9.2 微型机在阀门定位器中的应用 9.3 IC卡智能煤气表的设计 9.4 微型机实现电加热锅炉系统的自动控制 9.5 单片机与微机RS-485通信 9.6 微机控制的公共汽车自动报站系统 9.7 温度控制系统的设计
9.1.1 煤气表机心负压试漏原理
首先，把煤气表出气口密封住，然后翻开控 制负压的电磁阀，这时高速流动的压缩空气，经 负压阀产生负压，把表内的气体往外抽，表内形 成负压，同时斜管压力计液面往上升，当抽到设 定值时〔煤气表工艺要求斜管压力计显示 270Pa〕，即光电管所在的位置时，关闭电磁阀， 这时斜管压力计的液面要继续往上升，停在一个 确定的位置。如果在规定的时间内〔一般工艺要 求６s〕，斜管压力计的液面不回落到光电管所在 的位置，那么表的密封性好，不漏；相反，表的 密封性不好，漏。
PLC课程设计基于S7200PLC的倒计时的控制系统设计
PLC课程设计--基于S7-200PLC 的倒计时的控制系统设计学号2010210330《电气控制与可编程控制技术》课程设计（2010级本科）题目：基于S7-200PLC的倒计时的控制系统设计系（部）院：物理与机电工程学院专业：电气工程及其自动化作者姓名：指导教师：职称：完成日期：2013 年 6 月30 日课程设计任务书学生姓名李俊杰学号2010210330专业方向电气工程及其自动化班级电气10（1）题目名称基于S7-200PLC倒计时的控制系统一、设计内容及技术要求：设计一个倒计时的PLC控制系统；1.有启停按钮，按下启动按钮后。
2.开始10秒倒计时，由8组led发光二极管模拟的数码管开始显示：显示的次序是0、9、8、7、6、5、4、3、2、1,9秒后声光报警，再返回初始显示，并循环下去。
3.按下停止按钮，数码管停止。
重新启动时，还从初始显示循环。
二、课程设计说明书撰写要求：1. 完成系统组态或硬件配置；2. 正确合理地进行编程元件的地址分配；3. 画出输入/输出接线图及相关的图纸；4. 设计梯形图控制程序，并模拟调试；5. 完成设计说明书（包括封面、目录、设计任务书、设计思路、硬件设计、软件设计、总结体会、参考文献等）。
三、设计进度周次时间日期内容备注17周周一，二 6.17--6.18 6.18晚7:30 审题理工实验楼501室6.17—7.03 设计17周业余时间18周19周前三天17周周五 6.21 下午3：00 辅导理工实验楼501室18周周五 6.29 下午3：00 辅导理工实验楼501室19周周一，二7.01—7.02 全天调试程序PLC实验室、光机电一体化实验室19周周三7.03 全天答辩19周周五7.05 全天交稿包括文字稿和电子稿指导老师签字：张晓峰摘要 (1)一、绪论 (3)二、PLC的组成与工作原理 (4)2.1 概述 (4)2.2 PLC的主要特点 (5)2.3 PLC的功能与应用 (5)2.4 PLC的性能指标 (7)2.5 S7-200 PLC的概述 (7)三、总体设计 (4)3.1 课程设计内容 (8)3.2 课程设计要求分析 (9)3.3 倒计时控制系统设计 (5)3.3.1总体设计思想 (5)3.3.2设计方案论证 (5)四、 PLC的硬件外部接线图 (11)五、软件设计 (7)5.1 PLC的选择 (7)5.2 I/O地址分配 (7)六、PLC控制系统的程序设计 (8)6.1程序流程图 (8)6.2程序编译 (10)6.3指令如下 (13)6.4分析过程 (13)七、设计总结 (14)八、参考文献 (15)PLC（可编程控制器）作为一种工业控制微型计算机，它以其编程方便、操作简单尤其是它的高可控性等优点，在工业生产过程中得到了广泛的应用。
关键控制点控制程序范本（2篇）
关键控制点控制程序范本1. 引言控制程序是计算机系统中的重要组成部分，用于管理和调度计算机资源、执行应用程序，并确保系统正常运行。
关键控制点是控制程序中的关键步骤或决策点，可以直接影响系统的安全性、性能和可靠性。
本文将介绍关键控制点控制程序的设计和实现。
2. 控制点识别与分析在设计控制程序时，首先需要确定系统中的关键控制点。
关键控制点可以是用户控制输入、系统状态变化、资源分配、错误处理等。
对于每个关键控制点，需要进行详细的分析和评估，确定其对系统运行的影响程度和可能出现的问题。
3. 控制策略制定根据关键控制点的分析结果，制定相应的控制策略。
控制策略可以包括以下几个方面：- 输入验证：对用户输入进行校验和过滤，确保输入的合法性和安全性。
- 权限控制：对不同用户或角色进行权限管理，确保只有授权用户可以执行特定操作。
- 事务处理：将一系列操作作为一个事务进行处理，确保数据的一致性和完整性。
- 错误处理：对可能出现的错误进行处理，包括错误提示、日志记录和错误恢复等。
- 并发控制：对多个并发操作进行控制和调度，防止冲突和竞争条件的发生。
4. 控制程序设计与实现基于控制策略，进行控制程序的设计与实现。
控制程序可以分为以下几个模块：- 输入模块：负责接收用户输入，并进行验证和过滤。
- 权限模块：管理用户权限，控制用户对系统资源的访问和操作。
- 事务模块：提供事务处理功能，确保一系列操作的原子性和一致性。
- 错误处理模块：处理可能出现的错误情况，包括错误提示、故障恢复等。
- 并发控制模块：控制和调度多个并发操作，避免竞争条件和冲突。
5. 系统测试与优化完成控制程序的设计与实现后，需要进行系统测试和性能优化。
系统测试可以包括功能测试、安全测试、性能测试等，以确保控制程序的正确性和稳定性。
性能优化可以针对关键控制点进行，采用合适的算法和数据结构，提高系统的响应速度和吞吐量。
6. 结论关键控制点控制程序是计算机系统中的重要组成部分，对系统的安全性、性能和可靠性起到关键作用。
计算机控制系统的应用实例(共61张PPT)
第十八页，共61页。
图9.4 IPC硬件组成框图
第十九页，共61页。
❖
图中（1）CPU板及打印机、（2）CRT板及CRT、（3）
键盘接口及自诊断板及键盘、（4）存储器板、（5）电源，构
时，应启动水泵供水；当水位处于下限B与上限C 当水位降到下限B以下时，电极B与电极C在水面上方悬空，b点、c点呈低电平，这时应启动水泵供水，即是表中第一种组合；
水位计的作用：在任何控制方式下，水位计的上上限或下下限到位时，都将发出声光报警信号；
之间，水泵应维持原有的工作状态。 图为机组实际的二级减温控制系统的结构图（SAMA图），图中给出了控制回路的基本结构及调节器跟踪、手动/自动切换逻辑。
第二十八页，共61页。
9.3 中水回用PLC控制系统
在以数字量为主的中小规模控制环境下，
一般应首选PLC装置，下面介绍一个用西门子 PLC监控中水处理流程的工程实例。
第二十九页，共61页。
主要内容
1．系统概述 2．硬件设计 3．程序设计
第三十页，共61页。
❖ 1．系统概述
❖ 将生活污水进行几级处理，作为除饮用以外的其它 生活用水，将形成一个非常宝贵的回用水资源。其中 用PLC作为主要控制装置已成为一种共识。
STD总线IPC控制循环水动态模拟试验装置的 实例。
第十一页，共61页。
主要内容
1．系统概述 2．硬件电路 3．软件设计 4．功能画面
第十二页，共61页。
❖1．系统概述
❖ 大型化工企业普遍采用冷却水循环使 用技术，但循环冷却水同时带来设备的结垢 与腐蚀问题，为此利用循环水动态模拟试验 装置，模拟生产现场的流态水质、流速、金 属材质和循环冷却水进出口温度等主要参数， 来评价稳定水质的配方、阻垢效果及寻求相 应的操作工艺条件。
计算机控制系统课后题答案
第一章计算机控制系统概述习题与思考题1.1什么是计算机控制系统计算机控制系统较模拟系统有何优点举例说明;解答：由计算机参与并作为核心环节的自动控制系统,被称为计算机控制系统;与模拟系统相比,计算机控制系统具有设计和控制灵活,能实现集中监视和操作,能实现综合控制,可靠性高,抗干扰能力强等优点;例如,典型的电阻炉炉温计算机控制系统,如下图所示：炉温计算机控制系统工作过程如下：电阻炉温度这一物理量经过热电偶检测后,变成电信号毫伏级,再经变送器变成标准信号1-5V或4-20mA从现场进入控制室；经A/D转换器采样后变成数字信号进入计算机,与计算机内部的温度给定比较,得到偏差信号,该信号经过计算机内部的应用软件,即控制算法运算后得到一个控制信号的数字量,再经由D/A转换器将该数字量控制信号转换成模拟量；控制信号模拟量作用于执行机构触发器,进而控制双向晶闸管对交流电压220V进行PWM调制,达到控制加热电阻两端电压的目的；电阻两端电压的高低决定了电阻加热能力的大小,从而调节炉温变化,最终达到计算机内部的给定温度;由于计算机控制系统中,数字控制器的控制算法是通过编程的方法来实现的,所以很容易实现多种控制算法,修改控制算法的参数也比较方便;还可以通过软件的标准化和模块化,这些控制软件可以反复、多次调用;又由于计算机具有分时操作功能,可以监视几个或成十上百个的控制量,把生产过程的各个被控对象都管理起来,组成一个统一的控制系统,便于集中监视、集中操作管理;计算机控制不仅能实现常规的控制规律,而且由于计算机的记忆、逻辑功能和判断功能,可以综合生产的各方面情况,在环境与参数变化时,能及时进行判断、选择最合适的方案进行控制,必要时可以通过人机对话等方式进行人工干预,这些都是传统模拟控制无法胜任的;在计算机控制系统中,可以利用程序实现故障的自诊断、自修复功能,使计算机控制系统具有很强的可维护性;另一方面,计算机控制系统的控制算法是通过软件的方式来实现的,程序代码存储于计算机中,一般情况下不会因外部干扰而改变,因此计算机控制系统的抗干扰能力较强;因此,计算机控制系统具有上述优点;1.2计算机控制系统由哪几部分组成各部分的作用如何解答：计算机控制系统典型结构由数字控制器、D/A转换器、执行机构和被控对象、测量变送环节、采样开关和A/D转换环节等组成;被控对象的物理量经过测量变送环节变成标准信号1-5V或4-20mA；再经A/D转换器采样后变成数字信号进入计算机,计算机利用其内部的控制算法运算后得到一个控制信号的数字量,再经由D/A转换器将该数字量控制信号转换成模拟量；控制信号模拟量作用于执行机构触发器,进而控制被控对象的物理量,实现控制要求;1.3应用逻辑器件设计一个开关信号经计算机数据总线接入计算机的电路图;解答：1.4应用逻辑器件设计一个指示灯经过计算机数据总线输出的电路图;解答：1.5设计一个模拟信号输入至计算机总线接口的结构框图;解答：模拟量输入通道组成与结构图1.6设计一个计算机总线接口至一个4~20mA模拟信号输出的结构框图;解答：1.7简述并举例说明内部、外部和系统总线的功能;解答：内部总线指计算机内部各外围芯片与处理器之间的总线,用于芯片一级的互连,是微处理器总线的延伸,是微处理器与外部硬件接口的通路,图所示是构成微处理器或子系统内所用的并行总线;内部并行总线通常包括地址总线、数据总线和控制总线三类;图 内部并行总线及组成 系统总线指计算机中各插件板与系统板之间的总线如Multibus 总线、STD 总线、PC 总线,用于插件板一级的互连,为计算机系统所特有,是构成计算机系统的总线;由于微处理器芯片总线驱动能力有限,所以大量的接口芯片不能直接挂在微处理器芯片上;同样,如果存储器芯片、I/O 接口芯片太多,在一个印刷电路板上安排不下时,采用模块化设计又增加了总线的负载,所以微处理器芯片与总线之间必须加上驱动器;系统总线及组成如图所示;图 系统总线及组成外部总线指计算机和计算机之间、计算机与外部其他仪表或设备之间进行连接通信的总线;计算机作为一种设备,通过该总线和其他设备进行信息与数据交换,它用于设备一级的互连;外部总线通常通过总线控制器挂接在系统总线上,外部总线及组成如图所示;图 外部总线及组成1.8 详述基于权电阻的D/A 转换器的工作过程;解答：D/A 转换器是按照规定的时间间隔T 对控制器输出的数字量进行D/A 转换的;D/A 转换器的工作原理,可以归结为“按权展开求和”的基本原则,对输入数字量中的每一位,按权值分别转换为模拟量,然后通过运算放大器求和,得到相应模拟量输出;相应于无符号整数形式的二进制代码,n 位DAC 的输出电压out V 遵守如下等式：2 31223()2222nout FSR n B B B B V V =++++式中,FSR V 为输出的满幅值电压,1B 是二进制的最高有效位,n B 是最低有效位;以4位二进制为例,图给出了一个说明实例;在图中每个电流源值取决于相应二进制位的状态,电流源值或者为零,或者为图中显示值,则输出电流的总和为：3124234()2222out B B B B I I =+++ 我们可以用稳定的参考电压及不同阻值的电阻来替代图中的各个电流源,在电流的汇合输出加入电流/电压变换器,因此,可以得到权电阻法数字到模拟量转换器的原理图如图所示;图中位切换开关的数量,就是D/A 转换器的字长;图 使用电流源的DAC 概念图图 权电阻法D/A 转换器的原理图D/A 转换器误差的主要来源是什么解答：D/A 转换的误差主要应由D/A 转换器转换精度转换器字长和保持器采样点之间插值的形式以及规定的时间间隔T 来决定;详述逐次逼近式A/D 转换器的工作过程;解答：逐次逼进式A/D 转换器原理图如图所示,当计算机发出转换开始命令并清除n 位寄存器后,控制逻辑电路先设定寄存器中的最高位为“1”其余位为“0”,输出此预测数据为100…0被送到D/A 转换器,转换成电压信号f V ,后与输入模拟电压g V 在比较器中相比较,若g f V V ≥,说明此位置“1”是对的,应予保留,若g f V V <,说明此位置“1”不合适,应置“0”;然后对次高位按同样方法置“1”,D/A 转换、比较与判断,决定次高位应保留“1”还是清除;这样逐位比较下去,直到寄存器最低一位为止;这个过程完成后,发出转换结束命令;这时寄存器里的内容就是输入的模拟电压所对应的数字量;图 逐次逼近式A/D 转换器原理框图详述双积分式A/D 转换器的工作过程;解答：双积分式A/D 转换器转换原理框图如图a 所示,转换波形如图b 所示;当t=0,“转换开始”信号输入下,g V 在T 时间内充电几个时钟脉冲,时间T 一到,控制逻辑就把模拟开关转换到ref V 上,ref V 与g V 极性相反,电容以固定的斜率开始放电;放电期间计数器计数,脉冲的多少反映了放电时间的长短,从而决定了输入电压的大小;放电到零时,将由比较器动作,计数器停止计数,并由控制逻辑发出“转换结束”信号;这时计数器中得到的数字即为模拟量转换成的数字量,此数字量可并行输出;a b图 双积分式A/D 转换器原理及波形图A/D 转换器误差的主要来源是什么解答：A/D 转换的误差主要应由A/D 转换器转换速率孔径时间和转换精度量化误差来决定; 简述操作指导控制系统的结构和特点;解答：操作指导系统的结构如图所示;它不仅提供现场情况和进行异常报警,而且还按着预先建立的数学模型和控制算法进行运算和处理,将得出的最优设定值打印和显示出来,操作人员根据计算机给出的操作指导,并且根据实际经验,经过分析判断,由人直接改变调节器的给定值或操作执行机构;当对生产过程的数学模型了解不够彻底时,采用这种控制能够得到满意结果,所以操作指导系统具有灵活、安全和可靠等优点;但仍有人工操作、控制速度受到限制,不能同时控制多个回路的缺点;图 操作指导系统框图简述直接数字控制系统的结构和特点;解答：直接数字控制系统DDC 结构如图所示;这类控制是计算机把运算结果直接输出去控制生产过程,简称DDC 系统;这类系统属于闭环系统,计算机系统对生产过程各参量进行检测,根据规定的数学模型,如PID 算法进行运算,然后发出控制信号,直接控制生产过程;它的主要功能不仅能完全取代模拟调节器,而且只要改变程序就可以实现其他的复杂控制规律,如前馈控制、非线性控制等;它把显示、打印、报警和设定值的设定等功能都集中到操作控制台上,实现集中监督和控制给操作人员带来了极大的方便;但DDC 对计算机可靠性要求很高,否则会影响生产;图 直接数字控制系统简述计算机监督控制系统的结构和特点; 解答：监督控制系统有两种形式;1SCC 加模拟调节器的系统这种系统计算机对生产过程各参量进行检测,按工艺要求或数学模型算出各控制回路的设定值,然后直接送给各调节器以进行生产过程调节,其构成如图所示;这类控制的优点是能够始终使生产过程处于最优运行状态,与操作指导控制系统比较,它不会因手调设定值的方式不同而引起控制质量的差异;其次是这种系统比较灵活与安全,一旦SCC 计算机发生故障,仍可由模拟调节器单独完成操作;它的缺点是仍然需采用模拟调节器;图 SCC 加调节器的系统框图2SCC 加DDC 的系统在这种系统中,SCC 计算机的输出直接改变DDC 的设定值,两台计算机之间的信息联系可通过数据传输直接实现,其构成如图所示;这种系统通常一台SCC 计算机可以控制数个DDC 计算机,一旦DDC 计算机发送故障时,可用SCC 计算机代替DDC 的功能,以确保生产的正常进行;图 SCC 加DCC 的系统框图简述集中控制系统的结构和特点;解答：这种系统是由一台计算机完成生产过程中多个设备的控制任务,即控制多个控制回路或控制点的计算机控制系统;控制计算机一般放置在控制室中,通过电缆与生产过程中的多种设备连接;集中控制系统具有结构简单、易于构建系统造价低等优点,因此计算机应用初期得到了较为广泛的应用;但由于集中控制系统高度集中的控制结构,功能过于集中,计算机的负荷过重,计算机出现的任何故障都会产生非常严重的后果,所以该系统较为脆弱,安全可靠性得不到保障;而且系统结构越庞大,系统开发周期越长,现场调试,布线施工等费时费力不,很难满足用户的要求;简述DCS控制系统的结构和特点;解答：集散型控制系统DCS,Distributed Control System是由以微型机为核心的过程控制单元PCU、高速数据通道DHW、操作人员接口单元OIU和上位监控机等几个主要部分组成,如图所示;各部分功能如下：1过程控制单元PCU由许多模件板组成,每个控制模件是以微处理器为核心组成的功能板,可以对几个回路进行PID、前馈等多种控制;一旦一个控制模件出故障,只影响与之相关的几个回路,影响面少,达到了“危险分散”的目的;此外,PCU可以安装在离变送器和执行机构就近的地方,缩短了控制回路的长度,减少了噪声,提高了可靠性,达到了“地理上”的分散;2高速数据通道DHW是本系统综合展开的支柱,它将各个PCU、OIU、监控计算机等有机地连接起来以实现高级控制和集中控制;挂在高速数据通道上的任何一个单元发生故障,都不会影响其他单元之间的通信联系和正常工作;3操作人员接口OIU单元实现了集中监视和集中操作,每个操作人员接口单元上都配有一台多功能CRT屏幕显示,生产过程的全部信息都集中到本接口单元,可以在CRT上实现多种生产状态的画面显示,它可以取消全部仪表显示盘,大大地缩小了操作台的尺寸,对生产过程进行有效的集中监视,此外利用键盘操作可以修改过程单元的控制参数,实现集中操作;4监控计算机实现最优控制和管理,监控机通常由小型机或功能较强的微型机承担,配备多种高级语言和外部设备,它的功能是存取工厂所有的信息和控制参数,能打印综合报告,能进行长期的趋势分析以及进行最优化的计算机控制,控制各个现场过程控制单元PCU工作;图集散控制系统简述NCS控制系统的结构和特点;解答：以太网络为代表的网络控制结构如图所示;以太控制网络最典型应用形式为顶层采用Ethernet,网络层和传输层采用国际标准TCP/IP;另外,嵌入式控制器、智能现场测控仪表和传感器可以很方便地接入以太控制网;以太控制网容易与信息网络集成,组建起统一的企业网络;图以太控制网络组成简述FCS控制系统的结构和特点;解答：现场总线控制系统FCS,Fieldbus Control System的体系结构主要表现在：现场通信网络、现场设备互连、控制功能分散、通信线供电、开放式互连网络等方面;由于FCS底层产品都是带有CPU的智能单元,FCS突破了传统DCS底层产品4-20mA模拟信号的传输;智能单元靠近现场设备,它们可以分别独立地完成测量、校正、调整、诊断和控制的功能;由现场总线协议将它们连接在一起,任何一个单元出现故障都不会影响到其它单元,更不会影响全局,实现了彻底的分散控制,使系统更安全、更可靠;传统模拟控制系统采用一对一的设备连线,按照控制回路进行连接;FCS采用了智能仪表智能传感器、智能执行器等,利用智能仪表的通信功能,实现了彻底的分散控制;图为传统控制系统与FCS的结构对比;图传统控制系统与现场总线控制系统结构的比较SPI总线中的从控器应满足什么要求解答：略;智能仪表接入计算机有几种途径解答：两种,一种是485串行方式,另一种是以太网方式;针对计算机控制系统所涉及的重要理论问题,举例说明;解答：1.信号变换问题多数系统的被控对象及执行部件、测量部件是连续模拟式的,而计算机控制系统在结构上通常是由模拟与数字部件组成的混合系统;同时,计算机是串行工作的,必须按一定的采样间隔称为采样周期对连续信号进行采样,将其变成时间上是断续的离散信号,并进而变成数字信号才能进入计算机；反之,从计算机输出的数字信号,也要经过D/A 变换成模拟信号,才能将控制信号作用在被控对象之上;所以,计算机控制系统除有连续模拟信号外,还有离散模拟、离散数字等信号形式,是一种混合信号系统;这种系统结构和信号形式上的特点,使信号变换问题成为计算机控制系统特有的、必须面对和解决的问题; 2.对象建模与性能分析计算机控制系统虽然是由纯离散系统的计算机和纯连续系统的被控对象而构成的混合系统,但是为了分析和设计方便,通常都是将其等效地化为离散系统来处理;对于离散系统,通常使用时域的差分方程、复数域的z 变换和脉冲传递函数、频域的频率特性以及离散状态空间方程作为系统数学描述的基本工具;3.控制算法设计在实际工程设计时,数字控制器有两种经典的设计方法,即模拟化设计方法和直接数字设计方法,它们基本上属于古典控制理论的范畴,适用于进行单输入、单输出线性离散系统的算法设计;以状态空间模型为基础的数字控制器的设计方法,属于现代控制理论的范畴,不仅适用于单输入、单输出系统的设计,而且还适用于多输入、多输出的系统设计,这些系统可以是线性的也可以是非线性的；可以是定常的,也可以是时变的;4.控制系统实现技术在计算机控制系统中,由于采用了数字控制器而会产生数值误差;这些误差的来源、产生的原因、对系统性能的影响、与数字控制器程序实现方法的关系及减小误差影响的方法,如A/D 转换器的量化误差；当计算机运算超过预先规定的字长,必须作舍入或截断处理,而产生的乘法误差；系统因不能装入某系数的所有有效数位,而产生的系数设置误差；以及这些误差的传播,都会极大的影响系统的控制精度和它的动态性能,因此计算机控制系统的工程设计是一项复杂的系统工程,涉及的领域比较广泛;举例略;第二章 信号转换与z 变换习题与思考题什么叫频率混叠现象,何时会发生频率混叠现象解答：采样信号各频谱分量的互相交叠,称为频率混叠现象;当采样频率max 2s ωω<时,采样函数*()f t 的频谱已变成连续频谱,重叠部分的频谱中没有哪部分与原连续函数频谱 ()F j ω相似,这样,采样信号*()f t 再不能通过低通滤波方法不失真地恢复原连续信号;就会发生采样信号的频率混叠现象;简述香农采样定理;解答：如果一个连续信号不包含高于频率max ω的频率分量连续信号中所含频率分量的最高频率为max ω,那么就完全可以用周期max /T πω<的均匀采样值来描述;或者说,如果采样频率max 2s ωω>,那么就可以从采样信号中不失真地恢复原连续信号; D/A 转换器有哪些主要芯片解答：8位DAC0832,12位D/A 转换器DAC1208/1209/1210; D/A 转换器的字长如何选择 解答：D/A 转换器的字长的选择,可以由计算机控制系统中D/A 转换器后面的执行机构的动态范围来选定;设执行机构的最大输入为u max ,执行机构的死区电压为u R ,D/A 转换器的字长为n ,则计算机控制系统的最小输出单位应小于执行机构的死区,即 所以[]max lg /1/lg2R n u u ≥+;简述D/A 输出通道的实现方式; 解答：常用的两种实现方式;图 a 由于采用了多个D/A 转换器,硬件成本较高,但当要求同时对多个对象进行精确控制时,这种方案可以很好地满足要求;图 b 的实现方案中,由于只用了一个D/A 转换器、多路开关和相应的采样保持器,所以比较经济; 2.6 A/D 转换器有哪些主要芯片解答：8位8通道的ADC0809,12位的AD574A; 2.7 A/D 转换器的字长如何选择解答：根据输入模拟信号的动态范围可以选择A/D 转换器位数;设A/D 转换器的位数为n ,模拟输入信号的最大值u max 为A/D 转换器的满刻度,则模拟输入信号的最小值u min 应大于等于A/D 转换器的最低有效位;即有 所以[]max min lg /1/lg2n u u ≥+;简述A/D 输入通道的实现方式;解答：查询方式,中断方式,DMA 方式简述A/D 的转换时间的含义及其与A/D 转换速率和位数的关系;解答：设A/D 转换器已经处于就绪状态,从A/D 转换的启动信号加入时起,到获得数字输出信号与输入信号对应之值为止所需的时间称为A/D 转换时间;该时间的倒数称为转换速率;A/D 的转换速率与A/D 的位数有关,一般来说,A/D 的位数越大,则相应的转换速率就越慢; 写出()f t 的z 变换的多种表达方式如(())Z f t 等; 解答：*[()][()]()()k k Z f t Z f t F z f kT z ∞-====∑;证明下列关系式1 11[]1k Z a az-=- 证明：ln *()k a Tf kT e =令将两式相减得： 证毕;2 [()]()k z Z a f t F a =证明：3 [()]()dZ tf t Tz F z dz=- 证明：4 211213(1)[](1)T z z Z t z ---+=- 5 112[](1)aT ataT Te z Z tee z -----=-6 [()]()t TZ a f t F a z -=用部分分式法和留数法求下列函数的z 变换 1 1()(1)F s s s =+解答：部分分式法：将()F s 分解成部分分式：11()1F s s s =-+ 1111111111;1+11,111(1)()11(1)(1)T T T T s z s e z e z F z z e z z e z --------------=-=----与相对应的连续时间函数相应的z 变换是与相对应的连续时间函数相应的z 变换是因而留数法： 2 1()(3)(2)s F s s s +=++解答：部分分式法：将()F s 分解成部分分式：21()32F s s s =-++ 留数法： 3 21()(2)(1)s F s s s +=++解答：部分分式法：将()F s 分解成部分分式：2()(2)21A B CF s s s s =+++++ 求,,A B C ：所以上式中等号右边第一项不常见,查后续表,得到 留数法:()F s 的极点11s =-,2,32s =-,2m =,2n = 4 23()(2)(1)s F s s s +=++ 解答：部分分式法：将()F s 分解成部分分式：2122()(2)21F s s s s -=-++++留数法：5 21()(1)sTe F s s s --=+留数法： 部分分式法:6 21()(1)sTe F s s s --=+留数法:部分分式法：用级数求和法求下列函数的Z 变换1 ()kf k a =解答：2 1()k f k a -=解答：3 1()k f t ta -=解答：所以122331()2...az F z Ta z Ta z ---=++4 25()tf t t e -=解答：用长除法、部分分式法、留数法对下列函数进行z 反变换1 111(1)()(1)(1)aT aT z e F z z e z ------=-- 解答：长除法 部分分式法： 留数法：2 (1)()(1)()aT aTz e F z z z e ---=-- 解答：长除法 部分分式法： 留数法：3 11262()12z F z z z ----+=-+解答：长除法 部分分式法： 留数法：4 1120.5()1 1.50.5z F z z z---=-+ 解答：长除法 部分分式法： 留数法：5 1123()12z F z z z----+=-+ 解答：长除法 部分分式法： 留数法： 6 2()(2)(1)zF z z z =--解答： 长除法：部分分式法： 留数法：()F z 中有一个单极点和两个重极点12z =,2,31z =,2m =,2n =利用式求出12z z ==时的留数利用式求出2,31z z ==的留数,其中2n =;根据式有 ()21kf kT k =--从而 *()(21)()kk f t k t kT δ∞==---∑举例说明,z 变换有几种方法解答：级数求和法,部分方式法,留数计算法;举例见书上例题; 简述z 变换的线性定理,并证明之;解答：线性定理：线性函数满足齐次性和迭加性,若[]11()()Z f t F z =,[]22()()Z f t F z =a 、b 为任意常数,12()()()f t af t bf t =±,则证明：根据z 变换定义 证毕;简述z 变换的滞后定理,并证明之; 解答：滞后定理右位移定理如果()0f t =,则 证明：根据z 变换定义令k n m -=,则因为0t <时,()0f t =物理的可实现性,上式成为 证毕;简述z 变换的超前定理,并证明之; 解答：超前定理左位移定理 如果 [](0)()(1)0f T f T f n T ===-=则证明：根据z 变换定义 令k n r +=,则当[](0)()(1)0f T f T f n T ===-=零初始条件时,上式成为证毕;简述z 变换的初值定理,并证明之; 解答：初值定理如果()f t 的z 变换为()F z ,而lim ()z F z →∞存在,则证明：根据z 变换定义当z →∞时,上式两端取极限,得 证毕;简述z 变换的终值定理,并证明之; 解答：终值定理如果()f t 的z 变换为()F z , 而1(1)()z F z --在z 平面以原点为圆心的单位圆上或圆外没有极点,则证明：根据z 变换定义 因此,有当1z →时,上式两端取极限,得111lim[()()]lim(1)()kk z z k k f kT zf kT T z z F z ∞∞---→→==--=-∑∑由于0t <时,所有的()0f t =,上式左侧成为 因此有 证毕;简述z 变换的求和定理,并证明之; 解答：求和定理叠值定理在离散控制系统中,与连续控制系统积分相类似的概念叫做叠分,用()kj f j =∑来表示;如果 0()()(0,1,2,)kj g k f j k ===∑则证明：根据已知条件,()g k 与(1)g k -的差值为： 当0k <时,有()0g k =,对上式进行z 变换为1()()()G z z G z F z --=,11()()1G z F z z -=-即 101()()1k j Z f j F z z-=⎡⎤=⎢⎥-⎣⎦∑ 证毕;简述z 变换的复域位移定理,并证明之; 解答：复域位移定理如果()f t 的z 变换为()F z ,a 是常数,则位移定理说明,像函数域内自变量偏移aT e ±时,相当于原函数乘以ate ;证明：根据z 变换定义令1aTz ze ±=,上式可写成 代入1aTz ze ±=,得证毕;简述z 变换的复域微分定理,并证明之; 解答：复域微分定理如果()f t 的z 变换为()F z ,则 证明：由z 定义对上式两端进行求导得 对上式进行整理,得 证毕;简述z 变换的复域积分定理,并证明之; 解答：复域积分定理如果()f t 的z 变换为()F z ,则 证明：由z 变换定义,令 利用微分性质,得对上式两边同时积分,有()1()zz dG z dz F z dz dz Tz ∞∞=-⎰⎰,()()lim ()z z F z G z G z dz Tz ∞→∞-=⎰ 根据初值定理所以 证毕;简述z 变换的卷积和定理,并证明之; 解答：卷积定理两个时间序列或采样信号()f k 和()g k ,相应的z 变换为()F z 和()G z ,当0t <时,()()0f k g k ==,0t ≥的卷积记为()()f k g k *,其定义为。
机械手PLC控制系统设计
机械手PLC控制系统设计一、本文概述随着工业自动化程度的不断提高，机械手在生产线上的应用越来越广泛。
作为一种重要的自动化设备，机械手的控制精度和稳定性对于提高生产效率和产品质量具有至关重要的作用。
因此，设计一套高效、稳定、可靠的机械手PLC控制系统显得尤为重要。
本文将详细介绍机械手PLC控制系统的设计过程，包括控制系统的硬件设计、软件设计以及调试与优化等方面，旨在为相关领域的工程师和技术人员提供有益的参考和借鉴。
本文首先将对机械手PLC控制系统的基本构成和工作原理进行概述，包括PLC的基本功能、选型原则以及与机械手的接口方式等。
接着，将详细介绍控制系统的硬件设计，包括PLC的选型、输入输出模块的选择、电源模块的设计等。
在软件设计方面，本文将介绍PLC 编程语言的选择、程序结构的设计、控制算法的实现等关键内容。
本文将介绍控制系统的调试与优化方法，包括PLC程序的调试、机械手的运动调试、控制参数的优化等。
通过本文的介绍，读者可以全面了解机械手PLC控制系统的设计过程，掌握控制系统的硬件和软件设计方法，以及调试与优化的技巧。
本文还将提供一些实用的设计经验和注意事项，帮助工程师和技术人员在实际应用中更好地解决问题，提高控制系统的性能和稳定性。
二、机械手基础知识机械手，也称为工业机器人或自动化手臂，是一种能够模拟人类手臂动作，进行抓取、搬运、操作等作业的自动化装置。
在现代工业生产中，机械手被广泛应用于各种环境和使用场景，以实现生产线的自动化、提高生产效率、降低人力成本以及保障操作安全。
机械手的构成主要包括执行机构、驱动系统、控制系统和位置检测装置等部分。
执行机构是机械手的动作执行部分，通过模拟人类手臂的旋转、屈伸、抓放等动作，实现物体的抓取和搬运。
驱动系统为执行机构提供动力，常见的驱动方式有电动、气动和液压驱动等。
控制系统是机械手的“大脑”，负责接收外部指令，控制驱动系统使执行机构完成预定动作。
位置检测装置则负责检测执行机构的精确位置，为控制系统提供反馈信号，以确保机械手的作业精度。
计算机控制系统13Smith预估控制
1 D(s)Wp (s) 0
特征方程中纯滞后环节消失， Smith预估控制有效地 解决了纯滞后系统的稳定性问题
（3） 数字Smith预估控制系统的设计
由计算机实现的Smith预估控制系统
PID
零阶保持器
r(k) e(k) e(k)
+ -
+ - y(t)
D(z) u(k) T
至产生振荡
——纯滞后时间
Tm——对象的主导时间常数
4.1 纯滞后问题的提出
纯滞后对系统稳定性影响的理论分析
r(t) +-
e D(s) u(t) Wp(s) yp(t) s
y(t)
有纯滞后环节的常规反馈控制系统
系统的闭环传递函数为：
W
B(s)
1
D(s)Wp (s)es D(s)Wp (s)es
ym1(t)
e ym(t) - + ms
Wm1(s)
Smith预估器
T
（3）计算PID的输入偏差 e(k) e(k) y(k)
（4）计算数字PID的输出 u(k) u(k 1) u(k)
u(k 1) K p e(k) e(k 1) Kie(k) Kd e(k) 2e(k 1) e(k 2)
（1）Smith预估器的设计思想
有纯滞后环节的常规反馈控制系统
r(t) +-
e D(s) u(t) Wp(s) yp(t) s
y(t)
反馈回路的期望配置
r(t) +-
e D(s) u(t) Wp(s) yp(t) s
y(t)
（1）Smith预估器的设计思想
初步的Smith预估控制方案
对象
机电一体化系统设计及应用实例
6.3
6.3.1 有轨小车（RGV） 有轨小车（RailGuideVehicle）是一种沿着铁轨行
走的运输工具，有自驱和它驱两种驱动方式。自驱动 有轨小车通过车上的小齿轮和安装在铁轨一侧的齿条 啮合，利用交、直流伺服电动机驱动。它驱式有轨小 车由外部链索牵引，在小车底盘的前、后各装一导向 销，地面上修有一组固定路线的沟槽，导向销嵌入沟 槽内，保证小车行进时沿着沟槽移动。
图6-2 柔性制造单元
图6-3所示是加工棱体零件的柔性制造单元。单元 主机是一台卧式加工中心，刀库容量为70把，采用双 机械手换刀，配有8工位自动交换托盘库。托盘库为环 形转盘，托盘库台面支承在圆柱环形导轨上，由内侧 的环链拖动而回转，链轮由电机驱动。
图6-3 带托盘库的柔性制造单元
6.1.3柔性制造系统(FMS) 柔 性 制 造 系 统 （ FlexibleManufacturingSystem ） 由
图6-1所示为加工曲拐零件的刚性自动线总体布局 图。该自动线年生产曲拐零件17000件，毛坯是球墨铸 铁件。由于工件形状不规则，没有合适的输送基面， 因而采用了随行夹具安装定位，便于工件的输送。
图6-1 (a)正视图；(b)俯视图
该曲拐加工自动线由七台组合机床和一个装卸工 位组成。全线定位夹紧机构由一个泵站集中供油。工 件的输送采用步伐式输送带，输送带用钢丝绳牵引式 传动装置驱动。
6.2 数控机床
6.2.1 一般数控机床通常是指数控车床、数控铣床、数
控镗铣床等，它们的下述特点对其组成自动化制造系 统是非常重要的。
1. 2.自动化程度高 3.加工精度高且质量稳定
4.生产效率较高
5.
6. 现代数控机床一般都具有通信接口，可以实现上层计 算机与数控机床之间的通信，也可以实现几台数控机床之 间的数据通信，同时还可以直接对几台数控机床进行控制。 通信功能是实现DNC、FMC、FMS的必备条件。 图6-10是数控装置的基本组成框图。图6-10中的4为数 控系统，它是数控机床的核心环节。
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u
12.5%
t u
25%
t u
50%
t u
100%
t
图6-3 输出功率与通断时间的关系
+5V
. ..
A
LM 311
图6-4 过零触发电路
. .. ... ... . . .. . .. . ... .
1 MC 14528
+5V
+12V
加热器
Q1 Q2
74LS00 TIL117
~ 220V
P1.3
表6-1 温度-数字量对照表
2. 接口电路
8031 的 接 口 电 路 有 ADC0809 、 8155 和 2732等。本系统采用ADC0809型A/D转换器， 该 芯 片 为 8 位 逐 次 逼 近 型 A/D 转 换 器 。 ADC0809 为 温 度 测 量 电 路 的 输 入 接 口 ； 8155用于键盘和显示接口；2732作为8031 外部程序(ROM)存储器。
+5V
6.3.2 数字控制器的数学模型
闭环调节系统可近似看成一阶惯性环节加一 个延迟环节。因此，根据第4章第 节的推导， 章第5节的推导 个延迟环节 。 因此 ， 根据第 章第 节的推导 ， 可以得出： 可以得出：
D(z)= (1− e-T/τ1 z-1)(1− e-T/τ ) KP (1− e
-T/τ1
开
始
保护现场
采样炉温
数字滤波
图
是
U ( n )= Y max否？
否
U ( n )>Y max否？
否 清上次越限标志
是
6 6 中 断 服 务 程 序 流
0
置本次越限标志
T
否 下限报警
U ( n )>= Y min否？
是 计算Y(n)
取Ymax值输出 求 补
上次越限否? 是 越限计数器加1 从 P
1.3
6.3.1 硬件电路
CE
2732 A0 A1 A2 A7~ 0 OC D7~ 0
红
P0 P1.2 P1.1 P1.0 PSEN T0 T1 P1.3
74LS 373
WR RD A7~ 0
光 耦 74LS00TIL117
驱 动 器
D7~ 0 EA P3.3 WR RD
OE ALE START C IN0 B ACD A 0809 EOC
检测元件选用镍铬-镍铝热电偶，分度号为 EU，适用于0℃~1000℃的温度测量范围，相应 输出电压为0mV~41.32mV。 变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成： / 毫伏变送器用于把热电偶输出的0~41.32mV变换 成0~10mA范围内的电流；电流/电压变送器用于 把毫伏变送器输出的0~10mA电流变换成0~5V范 围内的电压。
6.3.3 控制系统程序设计
开 始 设定堆栈指针
1 主 程 序
开 清标志和暂存单元
始
图 6 5 主 程 序 程 图 -
.
T 1 中断程序 清显示缓冲区 清标志D5H T 0 初始化 开CPU中断 停止输出 扫描键盘 返 回
温度显示
T 1 中断服务程序
2. T0中断服务程序
T0中断服务程序是此系统的主体程序，用 于启动A/D转换、读入采样数据、数字滤波、 越限温度报警和越限处理、大林算法计算和输 出可控硅的同步触发脉冲等。在T0中断服务程 序中，要用到一系列子程序。如：采样子程序、 数字滤波子程序、越限处理程序、大林算法程 序、标度变换程序和温度显示程序等。T0中断 服务程序流程图如图6-6所示。
[1 − Cz − (1 − C)z ]R(z) = (A − Bz )E(z)
-1 -N-1 -1
y(n)=A×e(n)-B×e(n-1)+C×y(n-1)+(1C)×y(n-N-1) 式中： y(n)——n时刻的输出值； e(n)——n e(n)——n时刻的偏差值； e(n-1)——n-1时刻的偏差值； y(n-N-1)——n-N-1时刻的输出值。 由系统的飞升特性曲线确定出τ和τ1后，系 数A、B、C则可分别求出。
3. 温度控制电路如图 温度控制电路如图 双向可控硅和加热丝串接在交流回路，因 此可控硅导通时间决定加热丝的 加热功率。图 6-3给出了可控硅在给定周期T内具有不同导通 时间的情况。过零信号是正弦交流电压过零时 刻的同步脉冲，可使可控硅在交流电压正弦波 过零后触发导通。过零同步脉冲由过零触发电 路产生，如图6-4所示。
变送器
热电偶
图6-2 电阻炉炉温控制系统原理图
.
CLK
. .
.
.
. .
.
. . . .
ห้องสมุดไป่ตู้
绿 红
. ..
.
8155
LM311
. .
.
.. . .
8031 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 ALE
ALE CE IO/ M
键盘与显示 过零信号发生器 MC 14528 ~220V
1/2
加热丝
1. 检测元件及变送器
否
输出 越限 N 次否? 是 否
初始化
T1
温度标度转换
上限报警
本次越限标志送 5FH 清零 5EH 单元
程 图
温度显示
清越限标志
上限处理
是
(D5H)=1否?
否 恢复现场
返 回
)[1- e-T/τz-1 − (1- e-T/τ )z-N-1]
A - Bz -1 1 − Cz -1 − (1 - C)z - N-1
经化简后得到：
D(z) =
：
A=
1 − e -T/τ K P (1 − e -T/τ1 )
-T/τ
B=Ae C= e
-T/τ 1
因为，D(z)=R(z)/E(z)，得：