第八章 材料加工过程的计算机控制,目录,8.1 引言 8.2 计算机控制技术基础 8.2.1 计算机控制系统的概念 8.2.2 生产过程控制系统的发展 8.2.3 计算机控制系统的分类 8.2.4 控制系统计算机的分类和选择(自修) 8.2.5 控制系统的主要特点和基本要求,目录2,8.3 过程通道与数据采集 8.8.1 检测技术 8.8.2 控制仪表与装置 8.8.3 过程通道及数据采集 8.4 材料加工的计算机控制 8.4.1 高分子材料加工的计算机控制 8.4.2 金属材料加工的计算机控制 8.4.3 无机非金属材料烧成的计算机控制,计算机在材料加工中的应用分为： 物化性能测试数据的采集和处理 计算机辅助研究 计算机辅助模具设计和制造 加工过程自动控制（过程检测与控制） 材料加工过程的全面质量管理,8.1 引言,过程检测与控制 按预先设计的控制方法及策略，对被控过程施以有效的控制作用，使受控量按输入命令变化，达到把反映过程的各种参量（状态量）或受控量数值通过传感器或变送器等（统称一次仪表）检测出来，并转变为电信号，提供给控制系统显示或控制系统过程进行控制的目的。这一个过程就称为过程检测与控制。,8.2 计算机控制技术基础,8.2.1 计算机控制系统的概念,基本原理,实时检测：将被控对象参数的瞬时值通过自动化仪表检出，经转换为工控机能识别的数据。 实时决策：分析、比较、判断被控参数与给定目标间的差距，提出控制方案。 实时控制：根据决策结果，将控制命令转换为工业对象能够接收的控制信号。,实时控制的含义,8.2.2 生产过程控制系统的发展,原始生产过程控制系统 完全由人工实现； 通过人的感官对被控对象的工艺参数进行 检测； 人的大脑对偏离程度作出判断并根据经验作 出决策； 由人去执行、调节。,人： 检测元件、调节器、执行器,采用模拟控制器的自动控制系统,利用控制器代替人的分析、判断、决策功能,计算机自动控制系统,代替人的分析、判断、决策 和常规二次仪表的功能；,8.2.3 计算机控制系统的分类,开环控制系统：生产过程的巡回检测和数据处理系统 操作指导控制系统 闭环控制系统：直接数字控制系统（DDC） 监督控制系统（SCC）： SCC加模拟控制器的控制系统 SCC加DDC控制系统 分布式控制系统-分组式控制系统 集散控制系统（DCS）,开环控制系统,开环控制(离线控制)：计算机将测量数据计算后，将被控制数据显示或打印输出，供操作人员参考，以实现对生产过程的控制。计算机本身不直接参与控制，而是由人直接改变调节器的设定值或直接操作执行机构,控制,常见系统：生产过程的巡回检测和数据处理系统； 操作指导控制系统,闭环控制系统,闭环控制也称在线控制。计算机将控制参数的数据采样并计算后，输出经过处理的数值，直接改变常规调节器的给定值或操纵执行机构以控制生产过程。这种控制系统由计算机直接参与给定值整定或控制。,常见系统： 直接数字控制系统（DDC）； 监督控制系统（SCC）。,DDC,计算机取代模拟调节器,SCC,计算机既定条件下的给定值，并返回DDC级； 自动改变模拟调节器或DDC工控机的给定值， 使生产过程优化,两种形式：SCC加模拟调节器的控制系统 SCC加DDC控制系统,分布式控制系统,由多台微处理器或微机分别承担部分控制任务,集散控制系统(DCS),8.3 过程通道与数据采集,输入部分：传感器、变送器、A/D转换 输出部分：D/A转换、信号调节器、控制执行器,8.3.1 检测技术,检测与转换技术：,传感器,变送器,检测与转换技术 从诸多不能直接输入计算机处理的被检测的物理量中提取所需要的信息，并转换为能反映物理量实际变化的电信号。,传感器 将被测对象的物理参数转换成相应的易于检测、传送或控制的模拟信号的器件；由敏感元件和部分测量电路构成。,电阻式传感器,电感式传感器,电容式传感器,电阻式传感器 把被测参数转换为相应的电阻值， 通过测量电阻值来反映被测参数； 电位器式电阻传感器、电阻应变式传感器、热电式传感器 电感式传感器 把被测参数转换为相应的电感值， 通过测量电感值来反映被测参数； 气隙式电感传感器、电涡流式传感器、差动变压器 电容式传感器 把被测参数转换为相应的电容值， 通过测量电容值来反映被测参数,对温度、压力、液位、流量、成分等物理量进行 测量，并转换成统一的标准信号。,传感器是借助于敏感元件，接受物理量形式的信息， 并按一定规律将其转换成同种或另一种物理 量信息的仪表； 变送器是输出标准信号的传感器； 为适应下一单元的需要，将各种物理量的电 信号进一步转换成统一的标准电信号。,变送器,8.3.2 控制仪表与装置,调节器 把偏差信号（被调节参数与给定值的差值） 按一定规律运算，并给出输出信号进行调节， 使被调节参数回到给定值。 调 节 规 律 ：比例、积分、微分 调节器类型：比例调节器、 比例积分调节器、 比例微分调节器、 比例积分微分调节器,比例调节器： 输出与输入成正比 及时迅速但存在静差 比例积分调节器：积分作用随输出与偏差存在的时间延长而增加，直到偏差消除；比例与积分作用合用，能消除静差，又及时迅速 比例微分调节器：微分作用的输出能反映偏差输入的变化速度；比例与微分作用合用 比例积分微分调节器：最完善的调节器，通过参数调整，可以变为其它三种调节器,接受调节器的控制信号，自动改变 操作变量，对被调参数进行调节,分类：气动执行器、电动执行器,执行器,8.3.3 过程通道及数据采集,输入通道,输出通道,模拟量输入信号处理,采样： 将连续时间的模拟量信号，按周期T采集后,输出为离散时间的数字量信号。,采样及采样方式,采样方式,A. 延时采样： 采用延时程序等待A/D转换完成。,采样方式,B. 查询采样 采用程序指令查询A/D转换器是否完成转换。,采样方式,C. 中断方式,采用A/D转换后的信号送到I/O接口，由I/O接口向CPU发出中断请求，CPU响应中断时执行中断服务子程序进行采样读取A/D转换后的数据。,A. 常态干扰：, 定义：由信号源产生或引线上感应接收来的， 迭加在被测直流信号上的交流干扰信号。,干扰与抑制, 抑制方法,a. 采用输入滤波器. b. 采用数字滤波 (对输入被测信号的平均值进行转换),变化很快的干扰,a. 对仪器仪表实施电、磁屏蔽 b. 采用带屏蔽层的双绞线或同轴电缆作信号连接线 c. 使系统良好接地,频率与信号频率相近的干扰,B. 共态干扰：, 定义：,由于被测信号端地线和微机的地线之间存在的电位差，而产生的系统两输入端共有的干扰电压称为共态干扰。, 抑制方法,a. 差动放大器 b. 采用双层浮地屏蔽保护多路采样系统,计算机控制系统的各种物理参数有不同的量纲，如温度为；压力采用Pa；流量用m8/n 等。 这些参数经A/D转换后，变成数字量信息输出， 这个数字量虽然代表参数值的大小，但并不一 定等于原来带有量纲的参数值，必须将它转换 成原来参数的真实值才能进行显示，打印或使用 这种转换称为标度变换或工程量变换。,标度变换,标度变换要求参数值与A/D转换结果（采样值）之间呈线性关系。在参数量程起点（输入信号为零），标度变换公式如下：,A0 参数量程起点值 AM 参数量程终点值 N0 量程起点对应的A/D转换值 Nx 测量值对应的A/D值(采样值)，即滤波器的输出值 Ax 参数测量值,对于一个检测系统为常数,通常在参数是量程起点(输入信号为零)A/D转换值为零(即N0=0)，上式简化为：,在工程应用和生产中，由计算机测试和控制的某些参数值与经A/D转换结果的数据（采样值）之间呈非线性关系，因而不能直接利用标度变换公式，故需进行线性补偿。 如温度测量时，热电偶输出值和采样值呈线性关系，而测量温度值和采样值呈非线性关系。 分两步处理：先用标度变换公式求出采样值（数字值）所代表的热电偶毫伏（Mv）值，,非线性补偿,线性方程 将待测量温度范围分成若干段，根据热电偶分度表中的温度与毫伏值的对照表，按最小二乘法经线性回归计算求出每段线段的线性方程为： T=aU+b 式中：T 测量点实际温度值 U 测量点热电偶毫伏值 a、b 线性方程系数，由回归计算求出 将上式编程，把标度变换后得到的毫伏值代入，便可求出实际温度值。,B. 插补公式 同样将待测温度范围分成若干段，求出每一直线段的插补公式为： Tx=Nx+a（Ux-Uk） 式中：Tx 测量点实际温度值 Ux 测量点热电偶毫伏值 Tk 直线段起始点温度值 a 斜率系数,8.4 材料加工的计算机控制,高分子材料加工的计算机控制 金属材料加工的计算机控制 无机非金属材料烧成的计算机控制,8.4.1 高分子材料加工的计算机控制,注塑机的计算机控制,主要实现： 顺序控制 过程控制 注塑制品的质量控制 集中管理和集中监视控制,注塑机的机械运动 A. 模腔装置的周期运动 模板开始闭合、正式闭模、模板开始开启、正式开模 B. 注射装置的周期运动 注射、保压、冷却,注塑机的顺序控制,注射循环过程 A. 主循环工序 合模引料、充模、保压、倒流、凝封、冷却、开模 B. 辅助工序 前处理即进料和预塑； 后处理即制品的顶出 注塑机的动作顺序 闭模 注射座前进 注射 保压 预塑 注射座后退 开模顶出,注塑机的过程控制,温度控制,注射速度控制,压力控制,料筒及喷嘴温度 注塑加工中需控制塑料的熔融温度 b. 模具温度 模具表面温度对成品质量有重要的影响,筒体温度控制 为保证工艺需要，各节筒体均需维持温度恒定 及相互间具有预定的温度梯度。,控制系统组成 嵌入式薄型工控机 多路高精度测控模块 塑料挤出机强电执行系统,塑料挤出过程的计算机控制,塑料挤出过程的计算机控制2,多路高精度测控模块：通过串行通信口接受工控机的 指令，对塑料挤出机的各种状态进行测量，经滤波、 校准和标度转换后发回工控机 嵌入式薄型工控机： 把这些状态测量值以彩色图形方式 显示，并将根据测量值计算所得控制量发往测控模块 塑料挤出机强电执行系统：测控模块根据此控制量通过 强电执行机构对挤出机进行各种控制,折径宽度的控制系统,薄膜平均厚度的控制,W=aD/2,薄膜吹塑生产过程的计算机控制,8.4.2 金属材料加工的计算机控制,对加热炉实现温度时间气氛工序动作自动控制 温度控制,温度信号测量与处理 温度控制：PID温度控制算法 断偶保护报警 分区温度控制决策,温度信号测量与处理1,温度信号测量与处理,计算方法 查表法,计算方法 查表法,曲线拟合（热电势E和对应温度T） T=F（E） 程序分区计算得温度值,将热电偶分度表（E与T的对应关系） 或放大电势表按一定形式存入计算机； 用测得的电势值，靠软件搜索查得对应温度值。,温度控制1,温度控制： 温度值比较 控制决策计算 温度控制量 调节输入功率 保持温度 PID温度控制算法 断偶保护报警 分区温度控制决策,PID温度控制算法,离散PID控制算法,断偶保护报警,热电偶断偶后，感温元件输入为零或满量程。 考虑加热炉是否启动 设计院延时程序再判断是否热电偶断偶,分区温度控制决策,升温 恒温 降温 远离控制点：大幅度快速升温 全功率或比