计算机控制技术在材料科学与工程中的应用

计算机在材料科学与工程中的应用7章计算机控制技术在材料科学与工程中的应用重庆大学材料学院汤爱涛本章主要内容7.1计算机控制系统的概述7.2计算机控制系统的工作原理7.3微机工业控制系统7.4计算机控制技术在材料科学与工程中的应用7.1计算机控制系统的概述y控制器-被控对象e给定量执行机构+rD/A被控量测量变送uA/D生产过程工控机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，简称工控机)来实现生产过程自动控制的系统。而所谓所谓自动控制自动控制就是在就是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行或变化。控制器和被控对象的总体，称为自动控制系统。的规律运行或变化。控制器和被控对象的总体，称为自动控制系统。计算机控制系统组成偏差控制量1.计算机自动控制系统的基本形式开环控制闭环控制开环控制控制器与被控对象之间只有顺向作用，没有反向作用，即系统的输出量对控制没有影响的系统。按给定值控制按干扰值控制例开环炉温控制系统特点:结构比较简单,成本较低。信号单方向传输出。输入量与输出量对应。控制精度取决于控制量及控制对象的参数稳定性。1.计算机自动控制系统的基本形式闭环控制系统的输出量或状态量对控制作用有直接影响的系统。存在输入端到输出端的信号前向通路，也存在从输出端到输入端的信号反馈通道。类型：负反馈、正反馈特点：只要被控量偏离了规定值，都会产生相应的作用去抑制或消除偏差。对外界扰动和系统内参数变化等引起的误差能自动纠正，精度高。系统元件参数配合不当时，容易产生震荡，存在稳定性问题。2.分类:计算机控制系统按被控变量分：温度、压力、流量和成分等。按系统内部的信号特征分：连续系统、离散系统。按被控对象分：液体输送、设备等。按调节器的控制规律分：比例、积分、微分、比例积分、比例微分、比例积分微分（PID）。按系统功能与结构分：单回路简单、常规复杂、先进控制、程序控制。按给定值变化分：定值、随动、程序。按使用的数学模型分：线性、非线性。按动力和传递信号的介质分：气动、电动、液动、机械式等。3.典型计算机控制系统（1）操作指导控制系统该系统属于开环控制结构。计算机根据一定的控制算法，依赖测量元件测得的信号数据，计算出供操作人员选择的昀优操作条件及操作方案。操作人员根据计算机输出的信息去改变调节器的给定值或直接操作执行机构。(续前页)（2）直接数字控制（DirectDigitalControl）系统DDC系统属于计算机闭环控制系统。计算机首先通过模拟量输入通道（AI）和开关量输入通道（DI）实时采集数据，然后按照一定的控制规律进行计算，昀后发出控制信息，并通过模拟量输出通道（AO）和开关量输出通道（DO）直接控制生产过程。（续前页）组成与特点可一机多控，经济、灵活、可靠。可实现各种复杂控制，如串级、前馈、自选控制、大滞后控制等。控制规律——控制方法PID控制——单参数的调节规律串级调节：多级PID串接前溃/反馈调节(续前页)（3）监督控制（SupervisoryComputerControl)系统监督控制中，计算机根据原始工艺信息和其他的参数，按照描述生产过程的数学模型或其他方法，自动地改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的微型机中的给定值，从而使生产过程始终处于昀优工况（如保持高质量、高效率、低消耗、低成本等等）。从这个角度上说，它的作用始改变设定值，又称为设定值控制SPC(SetPointControl).(续前页)（4）分散型控制系统（DistributedControlSystem-DCS)DCS采用分散控制，集中操作，分级管理，分而自治和综合协调的设计原则，把系统从上到下分为分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级，形成分级分布式控制。(续前页)（5）现场总线控制系统（FieldbusControlSystem-FCS)FCS是新一代分布式控制结构。20世纪80年代发展起来的DCS，其结构模式为“操作站－控制站－现场仪表”三层结构，系统成本较高，而且各厂商的DCS又各自的标准，不能互连。FCS于DCS不同，它的结构模式为“工作站－现场总线仪表”二层结构，完成了DCS三层结构的功能，降低了成本，提高了可靠性，国际标准统一后，可实现真正的开放式互连系统结构。智能控制系统——模糊控制系统是一种应用模糊集合理论的控制系统。突出特点在于控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型,只需提供现场操作人员的经验知识及操作数据,而且模糊控制器的鲁棒性强,适用于非线性、时变及滞后系统。鲁棒性鲁棒性原是统计学中的一个专门术语，20世纪70年代初开始在控制理论的研究中流行起来，用以表征控制系统对特性或参数摄动的不敏感性，鲁棒性（robustness）就是系统的健壮性。它是在异常和危险情况下系统生存的关键。比如说，计算机软件在输入错误、磁盘故障、网络过载或有意攻击情况下，能否不死机、不崩溃，就是该软件的鲁棒性。所谓“鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性。根据对性能的不同定义，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。工作原理把由各种传感器测出的精确量转换成为适于模糊运算的模糊量,然后将这些量在模糊控制器中加以运算,最后再将运算结果中的模糊量转换为精确量,以便对各执行器进行具体的操作控制。在模糊控制中,存在着一个模糊量和精确量之间相互转化的问题s:系统的设定值。x1,x2:模糊控制的输入(精确量)。X,1,X2:模糊量化处理后的模糊量。U:经过模糊控制规则和近似推理后得出的模糊控制量。u:经模糊判决后得到的控制量(精确量)。y:对象的输出。4.基本要求稳定性要求动态性能要求稳态性要求7.2计算机控制系统的工作原理1.实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入；(测量-采样)2.实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。(计算)3.实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。（(控制)1.数据处理＿采样计算机对某个随时间变化的模拟量进行采样，是利用定时器控制的开关，每隔一定时间使开关闭合而完成一次采样,将模拟量变为数字量传送给计算机。开关重复闭合的时间间隔Ts称为采样周期，其倒数ƒs=1/Ts称为采样频率。采样过程，是指将一个连续的输入信号经开关采样后，转变为发生在采样开关闭合瞬时0、T、2T…nT的一连串脉冲输出信号ƒ*(t)，如后一页图所示。采样过程(续前页)0)()()(*kkTtkTftf式中ƒ*(t)——输出脉冲序列ƒ(kT)——输出脉冲数值序列；δ(t-kT)——发生在t=kT时刻上的单位脉冲采样过程采样周期Ts的选择①连续信号恢复连续信号变化频率高采样周期短。fs≥2f（f:测量参数信号变化频率，fs采样频率）Ts≤②不同对象要求延次较小的对象，采样周期短。③给定值变化的影响给定值变化频率高采样周期短。采样方式①延时采样等待A/D转换完成。适合于采样速度要求不高的场合。②查询采样查询A/D转换是否完成。接口电路需占用另一个输入接口作查询用。③中断方式A/D转换完成的信号-I/O接口-CPU中断请求-读取数据f21采样过程中的干饶及其措施干饶种类：①常态干扰（串模干扰）是一种横向干扰作用是迭加到信号线两端频率高，可以通过滤波去除②共态干扰（共模干扰）是一种纵向干扰是信号源地与微机系统输入端地间的电位差引起的抗干扰措施①电路设备（硬件）措施双端查分输入法、V/F光电隔离法、隔离放大器法等②数字滤波采样过程中的干饶及其措施——数字滤波数字滤波是通过编制一定的计算或判断程序，减少干扰在有用信号中的比重，提高信号真实性的滤波方法。数字滤波优点：①数字滤波是用程序实现的，不需要硬件设备，所以可靠性高、稳定性好。②数字滤波可以滤除频率很低的干扰，这一点是模拟滤波难以实现的。③数字滤波可以根据不同的信号采用不同的滤波方法，使用灵活、方便。常用的数字滤波方法有：1、限幅滤波法（又称程序判断滤波法）A、方法：根据经验判断，确定两次采样允许的昀大偏差值（设为A）每次检测到新值时判断：如果本次值与上次值之差=A,则本次值有效如果本次值与上次值之差A,则本次值无效,放弃本次值,用上次值代替本次值B、优点：能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰C、缺点：无法抑制那种周期性的干扰平滑度差(续前页）常用的数字滤波方法有：2、中位值滤波法A、方法：连续采样N次（N取奇数）把N次采样值按大小排列取中间值为本次有效值B、优点：能有效克服因偶然因素引起的波动干扰对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果C、缺点：对流量、速度等快速变化的参数不宜(续前页）常用的数字滤波方法有：3、算术平均滤波法A、方法：连续取N个采样值进行算术平均运算N值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低N值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高N值的选取：一般流量，N=12；压力：N=4B、优点：适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动C、缺点：对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用比较浪费RAM(续前页）常用的数字滤波方法有：4、递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法）A、方法：把连续取N个采样值看成一个队列队列的长度固定为N每次采样到一个新数据放入队尾,并扔掉原来队首的一次数据.(先进先出原则)把队列中的N个数据进行算术平均运算,就可获得新的滤波结果N值的选取：流量，N=12；压力：N=4；液面，N=4~12；温度，N=1~4B、优点：对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高适用于高频振荡的系统C、缺点：灵敏度低对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差不适用于脉冲干扰比较严重的场合比较浪费RAM常用的数字滤波方法有：5、中位值平均滤波法（又称防脉冲干扰平均滤波法）A、方法：相当于“中位值滤波法”+“算术平均滤波法”连续采样N个数据，去掉一个昀大值和一个昀小值然后计算N-2个数据的算术平均值N值的选取：3~14B、优点：融合了两种滤波法的优点对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差C、缺点：测量速度较慢，和算术平均滤波法一样比较浪费RAM(续前页）常用的数字滤波方法有：6、限幅平均滤波法A、方法：相当于“限幅滤波法”+“递推平均滤波法”每次采样到的新数据先进行限幅处理，再送入队列进行递推平均滤波处理B、优点：融合了两种滤波法的优点对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差C、缺点：比较浪费RAM(续前页）(续前页）常用的数字滤波方法有：7、一阶滞后滤波法A、方法：取a=0~1本次滤波结果=（1-a）*本次采样值+a*上次滤波结果B、优点：对周期性干扰具有良好的抑制作用适用于波动频率较高的场合C、缺点：相位滞后，灵敏度低滞后程度取决于a值大小不能消除滤波频率高于采样频率的1/2的干扰信号(续前页）常用的数字滤波方法有：8、加权递推平均滤波法A、方法：是对递推平均滤波法的改进，即不同时刻的数据加以不同的权。通常是，越接近现时刻的数据，权取得越大。给予新采样值的权系数越大，则灵敏度越高，但信号平滑度越低。B、优点：适用于有较大纯滞后时间常数的对象和采样周期较短的系统C、缺点：对于纯滞后时间常数较小，采样周期较长，变化缓慢的信号不能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度，滤波效果差(续前页）常用的数字滤波方法有：9、消抖滤波法A、方法：设置一个滤波计数器将每次采样值与当前有效值比较：如果采样值＝当前有效值，则计数器清零如果采样值当前有效值，则计数器+1，并判断计数器是否=上限N(溢出)如果计数器溢出,则将本次值替换当前有效值,并清计数器B、优点：对于变