计算机控制技术教案

计算机控制系统教案任课教师：**

职业技术学校教案（理论教学用）

第1次课 2学时

本章教案1.1 计算机控制系统概述

计算机控制，是关于将计算机技术应用于工农业生产、国防等行业自动控制的一门综合性学科与技术。

计算机控制是以计算机、自动控制理论、自动控制工程、电子学和自动化仪表为基础的综合学科。

计算机控制系统简单地说就是以计算机替代了原模拟控制系统的控制器（控制仪表）组成的自动控制系统。但是这种取代决不是一种简单的替代而是一种升华。

计算机控制系统产生的原因

随着科学的发展、技术的进步和对控制的要求的提高，控制对象越来越复杂多样，使控制系统的控制越来越复杂，出现了多输入—多输出的多变量系统、非线性系统控制、时变和分布参数控制系统。对于这些系统，使用常规的控制方法和手段实现是十分困难的，因此，电子计算机尤其是微型计算机的出现并应用于自动控制领域，使自动控制水平产生了巨大的飞跃。

1. 开环控制系统

如图1.1所示的系统为开环控制系统，所谓开环控制系统是指控制器按照先验的控制方案对对象或系统进行控制，使被控制的对象或系统能够按照约定来运动或变化。

图1. 1 开环控制系统框图

2 闭环控制系统

闭环控制系统的结构如图1.2所示，很明显闭环控制系统较开环控制系统增加了一个比较环节和一个来自被控参数的反馈信号。

被控参数

控制器被控对象

设定值

图1.2 闭环控制系统框图

+

-

控制器被控对象被控参数

设定值

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3 计算机控制系统

在上述的开、闭环控制系统中都少不了控制器这样一个环节。若用计算机替代了系统中的控制器这样就形成了计算机控制系统。由于计算机处理的是数字信号，而自然界中的信号又都是模拟信号，计算机要替代原模拟调节器必须完成模拟量到数字量的转换（A/D ）和数字量到模拟量的转换（D/A ），如图1.3所示。

控制器 对象

D/A A/D

计算机

图 1.3 计算机控制系统基本框图（闭环）

+

-

职业技术学校教案（理论教学用）

第2次课 4学时

图1 锅炉水温控制系统

2.1 传感器和变送器

传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器的输出信号有多种形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形

式由传感器的原理确定。

变送器在控制系统中起着至关重要的作用，它将工艺变量(如温度、压力、流量、液位、成份等)和电、气信号(如电流、电压、频率、气压信号等)转换成该系统统一

的标准信号。因此，变送器的性能、精度等指标对控制系统影响重大。

2.1 传感器和变送器

2.1.1 信号传输及供电的四线制与两线制

变送器安装在现场，它的气源或电源从控制室送来，而输出信号送到控制室。气动变送器用两根气动管线分别传送气源和输出信号。

电动模拟式变送器采用二线制或四线制传输电源和输出信号。

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HART协议

智能式变送器采用双向全数字量传输信号，即现场总线通讯方式；目前广泛采用一种过渡方式，即在一条通讯电缆中同时传输4~20mA电流信号和数字信号，这种方式称为HART协议通讯方式。智能式变送器的电源也由通信电缆传输。

2.1.2压力检测及变送

液注式压力检测：依据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度来实现测量的。U型管压力计、单管压力计、补偿微压计等。

结构简单、使用方便，但其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响。一般用于测量较低压力、真空度或压力差。

弹性式压力检测：根据弹性元件受力变形原理，将被测压力转换成位移来实现压力测量。主要有弹簧管、膜片和波纹管等

负荷式压力检测：利用静压平衡原理进行压力测量。典型仪表：活塞式、浮球式和钟罩式。

普遍用作标准仪器对压力仪表进行标定。

电气式压力检测：利用敏感元件将被测压力转换成各种电量，如电阻、电感、电容、电位差等。具有较好的动态响应，特性量程范围大，线形好，便于进行压力的自动控制。

其它压力检测方法：

弹振式压力计、压磁式压力计。

差动平板式电容传感器结构图

基于热电效应的热电偶温度检测仪表。 非接触测量

基于物体的热辐射特性与温度之间的对应关系而设计的。

优点:测温范围广，测温过程中不破坏被测对象的温度场分布；能测量运动物体；测温响应速度快。

缺点：所测温度受物体发射率、中间介质和测温距离的影响。

主要仪表：辐射温度计、光学高温计、光电高温计、比色温度计等。 其他测量技术：光纤测温技术、集成温度传感器测温技术等

工业上常用的(已标准化)热电偶有：铂铑30-铂铑6热电偶(分度号为B)、铂铑10-铂热电偶(分度号为S)、镍铬-镍硅(镍铬-镍铝)热电偶(分度号为K)等。 引言：先看一个实验——热电偶工作原理演示

热电偶测温原理

热电偶温度计利用不同导体或半导体的热电效应来测温的 热电偶：两种不同的金属A 和B 构成闭合回路 当两个接触端T ﹥ T0时，回路中会产生热电势

热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定

结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。

热电极A

右端称为：自由

端（参考端、冷

端）

左端称为：

测量端

（工作端、热

端）

热电极B

接触电势

k —— 玻耳兹曼常数；

T —— 接触面的绝对温度； e —— 单位电荷量；

NA ——金属电极A 的自由电子密度 NB ——金属电极B 的自由电子密度

温差电势 （汤姆逊电势）

δ —— 汤姆逊系数，它表示温度为1℃时所产生的电动势值， 它与材料的性质有关。

B

A

AB N N e kT T e ln )(=⎰

=T

T A dT T T e 0

),(0

δ⎰---=---=+--=T T B A B A B A AB AB B AB A AB AB dt N N T T e k T T e T T e T e T e T T e T e T T e T e T T E 0

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