计算机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 第二章计算机检测与控制系统叶卫平

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

2.1 检测与控制系统组成和特点 1 检测与控制系统的组成自动控制示意图输入部分由传感器、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

2.1 检测与控制系统组成和特点 2 计算机控制系统分类 DDC—Direct Digital Control SCC — Supervisory Computer Control DCS — Distribution Control System

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。

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。

控制量 （电压）比较器控制器（微机控制装置）执行器（加热器）给定量（设定的温度）被控对象（加热炉）被控量（炉内温度）检测装置（热电偶） 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

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量（制冷量）比较器被控量（冰箱实际温度）控制器（控制装置）被控对象（电冰箱）执行器（制冷装置）给定量（设定的温度）检测装置（冰箱温控装置）

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。

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

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

2.1 检测与控制系统组成和特点 3 测控计算机选择单片微型计算机(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。

2.1 检测与控制系统组成和特点 3 测控计算机选择可编程逻辑控制器(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

2.2 现代测试系统基本结构 1 基本型信号放大、预滤波信号获取量程切换、分时采样、A/D、D/A转换等控制中枢智能传感器集成仪器

2.2 现代测试系统基本结构 2 标准通用接口型 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

2.2 现代测试系统基本结构 2 标准通用接口型 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

2.2 现代测试系统基本结构 2 标准通用接口型 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

2.2 现代测试系统基本结构 3 测试技术的发展趋势微型化，MEMS器集成化，系统集成、仪器集成软件化，“软件即是仪器” 智能化，计算机、微处理器网络化，总线技术、Internet

电量被测量敏感元件非电量传感元件电参量转换电路 2.3计算机测控系统基础 1 传感器(sensor) • 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。

2.3计算机测控系统基础 2 采样及其处理采样形式（周期采样）周期采样,即tk+1-tk=常量；f(采样频率) 量化（数字化）连续量采样（离散化） 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。

2.3计算机测控系统基础 2 采样及其处理采样示意图

2.3计算机测控系统基础 2 采样及其处理采样方式（延时、查询和中断方式采样）

2.3计算机测控系统基础 2 采样及其处理数字滤波（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

2.3计算机测控系统基础 3 A/D(Analog/Digital)转换 4 D/A (Digital/Analog)转换

预处理 转换检测显示传感器信号处理 A/D 计算机模拟世界信号处理 D/A 调理界面模拟量数字量数据采集系统和外部模拟世界的关系 2.3计算机测控系统基础

2.4计算机加热炉温度控制 1 温度控制系统构成 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

温度设定值 放大与伺服电动机炉温 D(z) D/A G(s) 计算机温度检测与变换 A/D 2.4计算机加热炉温度控制 1 温度控制系统构成温度控制系统示意图

2.4计算机加热炉温度控制 2 温度测量非线性补偿 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。

2.4计算机加热炉温度控制 2 温度控制积分分离与一般PID温度控制 PID 控制积分分离PID控制 (Proportional Plus Integral Derivative Action)

井式渗碳炉工作过程示意图 2.5渗碳过程系统控制 1 渗碳过程控制采用微机实时、精确地控制加热设备和温度、碳势、渗碳时间等主要参数，便可达到对工艺过程的良好控制。

2.5渗碳过程系统控制 1 渗碳过程控制渗碳过程中的控制参数炉温增量式PID模型碳势 n=[(E/0.144T)-5]Cg％式中Cg％为气氛中的碳势；E为氧化锆探头输出毫伏数；T为绝对温度渗层深度渗碳时间

2.5渗碳过程系统控制 1 渗碳过程控制计算机控制系统根据气体渗碳工艺要求，应该对炉温、碳势、渗碳时间、机械动作等进行实时控制。本系统由1台上位机和4台下位机组成。下位机完成数据采集、处理，输出控制信号，参数设定与修改，显示，声光报警及与上位机通信联络等功能；上位机则需将下位机所有信息进行综合处理。

2.5渗碳过程系统控制 1 渗碳过程计算机控制系统

2.5渗碳过程系统控制 2 碳势控制原理结论：当温度一定，碳势Cp与炉气CO2，H2O，O2，CH4，CO，H2的分压有关。只要控制CO2，H2O，O2，CH4，CO，H2,就能实现碳势控制。

2.5渗碳过程系统控制 3 渗碳数学模型建立以甲醇加煤油气氛渗碳为例,说明渗碳数学模型的建立方法。炉气碳势与C02含量的实测数据见表。

2.5渗碳过程系统控制 3 渗碳数学模型建立以甲醇加煤油气氛渗碳为例,说明渗碳数学模型的建立方法。炉气碳势与C02含量的实测数据见表。数学验证：通过相关系数r衡量此模型是否有意义。经计算r=0.9986，说明相关显著，回归方程有意义。实验验证：符合生产实际情况。

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2.1 检测与控制系统组成和特点 检测控制系统示意图输入部分由传感器、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

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