目 录
第10章计算机控制系统应用实例 ................... 359
10.1 引言 .................................................359
10.2 电阻炉温度控制系统 ...................................359
10.2.1 系统总体描述 ........................................... 359 10.2.2 硬件系统设计 ........................................... 360 10.2.3 控制系统设计 ........................................... 368 10.2.4 系统软件设计 ........................................... 371 10.2.5 系统的实际控制效果 ..................................... 373
10.3 随动控制系统 .........................................375
10.3.1 随动系统概述 ........................................... 375 10.3.2 随动系统硬件设计 ....................................... 377 10.3.3 控制方案 ............................................... 380 10.3.4 系统软件设计 ........................................... 381 10.3.5 系统的实际控制效果 ..................................... 387
本章小结 ..................................................393 习题与思考题 ..............................................394
第10章计算机控制系统应用实例
10.1 引言
前面章节详细讲述了计算机控制系统的信号分析、性能分析、被控对象建模、控制器的设计以及计算机控制系统的设计原则等，但是如何将上述理论、技术和方法应用到实际的计算机控制系统构建中，还有很多具体的工程问题有待解决。本章将通过计算机控制系统的实例构建来具体展示前述计算机控制系统理论、技术和方法的具体运用，以及实际问题的工程化解决方法。
实际上，尽管计算机控制系统的被控对象多种多样，系统设计方案和具体技术也千变万化，但在设计计算机控制系统中应遵循的共同原则是一致的，即可靠性要高，操作性要好，实时性要强，通用性要好，性价比要高。
要保证上述原则的实现，除具有坚实的计算机控制系统设计的理论基础外，还要具有丰富的工程经验，包括熟悉工控领域的各种检测元件、执行器件、计算机及其相关采集与控制板卡的特性及使用范围，了解各种典型被控对象的特性等，这需要在长期的工程实践中不断积累和摸索。
本章概要 10.1节介绍本章的研究内容和目的；10.2节通过一个电阻炉温度控制实验系统，介绍一种典型的慢过程计算机控制系统各个环节的构建方法；10.3节通过一个工程实际应用的随动控制系统，描述一种快过程计算机控制系统各个环节的构建方法。
10.2 电阻炉温度控制系统
10.2.1 系统总体描述
电阻炉温度控制系统包括单回路温度控制系统和双回路温度控制系统，是为自动化专业、仪表专业本科生的实验教学而研制的实验系统，现已应用在《计算机控制系统》、《过程控制系统及仪表检测》、《现代控制理论》等课程的实验中。该设备同时能够为研究生开放性实验做解耦控制、串级控制等高层次的理论实验研究。本节介绍单回路温度控制系统。
单回路电阻炉温度控制系统的实物如图10.1所示，主要由计算机，采集板卡，控制箱，加热炉体组成。由计算机和采集板卡完成温度采集，控制算法计算，输出控制，
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监控画面等主要功能。控制箱装有温度显示与变送仪表、控制执行机构、控制量显示、手控电路等。加温炉体由民用烤箱改装，较为美观，适合实验室应用。
单回路电阻炉温度控制系统主要性能指标如下： （1）计算机采集控制板卡PCI-1711： A/D 12位 输入电压 0 - 5v D/A 12位 输出电压 0 - 5v （2）控制及加热箱： 控制电压 0 ~ 220V 控制温度 20~250 ℃
测温元件 PT-100热电阻（输出：直流0~5V，或4~20mA） 执行元件 固态继电器（输入：直流0~5V，输出：交流0~220V） 单回路温度控制系统是一个典型的计算机控制系统，其硬件结构如第1章图1.3所示，但是没有数字量输入/输出通道，具体如下：
图10.1 电阻炉温度控制系统
图10.2 电阻炉温度控制系统硬件结构图
10.2.2 硬件系统设计
系统的硬件设计包括传感器、执行器、A/D和D/A的设计，而PCI总线接口属于计算机的系统总线，下面分别加以详细介绍。
1、传感器设计
温度传感器有热电阻和热电偶，热电阻最大的特点是工作在中低温区，性能稳定，测量精度高。系统中电炉的温度被控制在0～250℃之间，为了留有余地，我们要将温
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度的范围选在0～400℃，它为中低温区，所以本系统选用的是热电阻PT100作为温度检测元件，实物如图10.3所示。热电阻中集成了温度变送器，将热电阻信号转换为0~5V的标准电压信号或4~20mA的标准电流信号输出，供计算机系统进行数据采集。
热电阻传感器是利用电阻随温度变化的特性制成的
温度传感器。热电阻传感器按其制造材料来分，可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类；按其结构来分，有普通型热电阻、铠装热电阻和薄膜热电阻；按其用途来分，有工业用热电阻、精密的和标准的热电阻。热电阻传感器主要用于对温度和温度有关的参量进行测量。
下面分析一下热电阻的测温原理。金属体热电阻传感器通常使用电桥测量电路，如图10.4所示。
图10.3 PT100热电阻
图10.4 电桥测量原理图
测量电路原理分析如下：
对于铂电阻，在0~850℃范围内有非线性关系Rt?R0(1?At?Bt2)，其中R0为0℃
?3时的铂电阻值，Rt为t℃时铂电阻值。纯度R100/R0=1.1391时，A?3.96847?10，
B??5.847?10。写成增量形式为
?Rt?Rt?R0?R0(At?Bt)
2?5 (10.1)
或者
t??A?A?4B?Rt/R02B2 (10.2)
图中Rt所在的桥臂为工作桥臂，其中Rt为PT100，R和C为低通滤波。电桥输出的电压为：
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U0?E(RtR2?Rt?R3R3?R4) (10.3)
由于R0=R3，R2=R4=R。代入式（10.3）则可以得到
U0?ER?Rt(?Rt?R?R0)(R0?R)U0(R0?R)2 (10.4)
或者
?Rt?ER?U0(R0?R) (10.5)
对热电阻信号进行变送处理，变成适用于计算机采样的标准信号0~5V或4~20mA。一种典型的采集变送电路如图10.5所示。图中U4为美国模拟电子公司（AD）生产的集成仪器放大器AD620，其原理图和引脚图如图10.6所示。其增益KAD和外接电阻RG的关系如下：
KAD?1?49.4K?/RG (10.6)
图10.5热电阻采集变送原理图
图10.6 AD620原理图和引脚图
AD620具有体积小、功耗低、精度高、噪声低和输入偏置电流低的特点。最大输入偏置电流为20nA，这一参数反映了它的高输入阻抗。AD620在外接电阻RG时可实现1~1000范围内的任意增益，其工作电源范围为±2.3~±18V，最大电源电流为1.3mA，最大输入失调电压为125μV，频带宽度为120KHz。
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