计算机在材料科学与工程中的应用,叶卫平,第二章计算机检测与控制系统,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统 ,本 章 要 点,检测与控制系统组成和特点,现代测试系统基本结构与类型,计算机测控系统基础,计算机加热炉温度控制,渗碳过程系统控制,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统 ,2.1 检测与控制系统组成和特点,输入部分 由传感器、放大(变送)器和A/D转换器等环节组成,输出部分 由D/A转换器、信号调节器、控制执行器及接口电路,自动控制示意图,检测与控制系统的组成,1,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统 ,2.1 检测与控制系统组成和特点,计算机控制系统分类,2,DDCDirect Digital Control SCC Supervisory Computer Control DCS Distribution Control System,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统 ,2.1 检测与控制系统组成和特点,开环控制系统(open-loop control system),计算出最优操作条件及操作方案，操作人员直接操作执行机构。,指被控对象的输出(被控制量)对控制器的输出没有影响。,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统 ,2.1 检测与控制系统组成和特点,闭环控制系统(closed-loop control system),特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的 输出，形成一个或多个闭环。,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统 ,2.1 检测与控制系统组成和特点,闭环控制系统(closed-loop control system),Eg. 加热炉温度自动控制系统,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统 ,2.1 检测与控制系统组成和特点,闭环控制系统(closed-loop control system),Eg.电冰箱温度控制系统,控制器 （控制装置）,执行器 （制冷装置）,被控对象 （电冰箱）,被控量 （冰箱实际温度）,给定量 （设定的温度）,检测装置 （冰箱温控装置）,控制量 （制冷量）,比较器,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统 ,2.1 检测与控制系统组成和特点,分布式控制系统(distributed control system),由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路，同时又可集中 获取数据、集中管理和集中控制的自动控制系统 。,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统 ,2.1 检测与控制系统组成和特点,分布式控制系统(distributed control system),Eg.炼钢生产过程,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统 ,2.1 检测与控制系统组成和特点,分布式控制系统(distributed control system),Eg.轧钢生产过程,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统 ,2.1 检测与控制系统组成和特点,测控计算机选择,3,单片微型计算机(Single Chip Microcomputer),它将组成微型计算机所必须部件（CPU、ROM、RAM、I/O接口 等）集成在一个超大规模集成电路芯片上。,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统 ,2.1 检测与控制系统组成和特点,测控计算机选择,3,可编程逻辑控制器(Programmable Logical Controller),PLC是以微处理器为核心的电子系统，它是在继电器控制和计算机 控制的基础上发展而来的一种新型工业自动控制装置。,PLC的过程控制是指对温度、压力和流量等模拟量的闭环控制。,STD总线工业控制机,工业PC机,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统 ,2.2 现代测试系统基本结构,基本型,1,信号获取,信号放大、预滤波,量程切换、分时采样、A/D、D/A转换等,控制中枢 智能传感器 集成仪器,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统 ,2.2 现代测试系统基本结构,标准通用接口型,2,GPIB ( General Purpose Interface Bus )，是采用通用接口总线的仪器系统,基于GPIB通信的VXI检测系统,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统 ,2.2 现代测试系统基本结构,标准通用接口型,2,VXI ( VME Bus Extension for Instrumentation ) ，是采用高速计算机总线VME，在仪器领域扩展的新一代标准总线模块化仪器系统。,VXI嵌入式CPU检测系统,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统 ,2.2 现代测试系统基本结构,标准通用接口型,2,PXI ( PCI Extension for Instrumentation ) ，是采用计算机总线，在仪器领域扩展的总线模块化仪器系统。,PXI总线检测系统,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统 ,2.2 现代测试系统基本结构,测试技术的发展趋势,3,微型化，MEMS器,网络化，总线技术、Internet,软件化，“软件即是仪器”,集成化，系统集成、仪器集成,智能化，计算机、微处理器,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统 ,2.3计算机测控系统基础,传感器(sensor),1,能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统 ,2.3计算机测控系统基础,采样及其处理,2,A/D转换包括采样和量化两个过程；采样是将时域上连续变化的信号变为时域上离散的信号；量化是将幅值可连续变化的信号变为离散值。,采样形式（周期采样）,周期采样,即tk+1-tk=常量；f(采样频率),连续量,采样（离散化）,量化（数字化）,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统 ,2.3计算机测控系统基础,采样及其处理,2,采样示意图,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统 ,2.3计算机测控系统基础,采样及其处理,2,采样方式（延时、查询和中断方式采样）,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统 ,2.3计算机测控系统基础,采样及其处理,2,数字滤波（限幅滤波、算术平均、中位值法和延迟数字滤波法,限幅滤波,算术平均,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统 ,2.3计算机测控系统基础,A/D(Analog/Digital)转换,3,D/A (Digital/Analog)转换,4,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统 ,2.3计算机测控系统基础,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统 ,2.4计算机加热炉温度控制,温度控制系统构成,1,4,集中控制各工艺参数,可靠性高，精度高,抗干扰性好,可调节参数范围宽,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统 ,2.4计算机加热炉温度控制,温度控制系统构成,1,温度控制系统示意图,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统 ,2.4计算机加热炉温度控制,温度测量,2,非线性补偿,A/D转换器精度,Eg. 镍铬-镍硅热电偶热电势,在273K时为0 mV, 1473K时为48.81mV。使用8位A/D转换器能把1473K以下的热电势256等分。其最小分辨率为48.81/256=0.19mV, 约为5K,若用12位A/D转换器,其最小分辨率为48.81/4096=0.012mV,约为0.3K,因此,若要高精度测量温度,需使用高位数的A/D转换器。,计算机在材料科学与工程中的应用 第二章计算机检测与控制系统