计算机控制系统设计实例
计算机控制实例
液位控制系统
液位控制系统是计算机控制技术在工业 领域中的又一应用，主要用于对液位进
行精确控制和调节。
液位控制系统由传感器、控制器、泵或 阀门等组成，通过液位传感器采集液位 数据，控制器根据设定值和实际值进行 比较，输出控制信号给泵或阀门，实现
对液位的精确控制。
液位控制系统的应用范围广泛，如化工 生产、水处理、锅炉系统等领域。
计算机控制的应用领域
工业自动化
计算机控制在工业自动化领 域的应用非常广泛，如生产 线控制、机器人控制等。
智能家居
计算机控制在智能家居领 域的应用包括智能照明、 智能空调、智能安防等。
交通控制
计算机控制在交通控制领域 的应用包括交通信号灯控制
、高速公路监控系统等。
环境监测
计算机控制在环境监测领 域的应用包括空气质量监
03 智能家居控制实例
智能照明系统
自动调节亮度
智能照明系统可以根据环 境光线和时间自动调节亮 度，提供舒适的照明环境。
节能环保
通过智能控制，可以有效 减少不必要的能源浪费， 降低APP远 程控制家中的灯光，方便 快捷。
智能空调系统
自动温度调节
智能空调系统能够根据室内温度 和用户设定自动调节温度，提供
舒适的生活环境。
节能模式
在不需要制冷或制热时，智能空调 可以自动切换到节能模式，降低能 耗。
语音控制
通过与智能音箱的配合，用户可以 通过语音指令控制空调的运行。
智能安防系统
实时监控
智能安防系统可以实时监控家中 的安全状况，及时发现异常情况。
报警功能
当探测到入侵者或火灾等危险情 况时，智能安防系统会自动报警
计算机控制实例
计算机控制系统(清华大学出版社)课件_嵌入式PLC
8.1.2 软硬件协同设计技术
1．硬件体系结构
图8-2 嵌入式系统硬件体系结构的功能部件
11
2． 传统设计技术
设计过程的基本特征是：系统在一开始就被划分为软件和硬件两 大部分，软件和硬件是独立地进行开发设计，通常采用的是“硬 件先行”的设计方法。
问题： (1)软硬件之间的交互受到很大限 制，造成系统集成相对滞后，因此 传统嵌入式系统设计的结果往往是 设计质量差、设计修改难，同时研 制周期不能得到有效保障。 (2) 随着设计复杂程度的提高， 软硬件设计中的一些错误将会使开 发过程付出昂贵的代价。 (3)“硬件先行”的做法常常需要 由软件来补偿由于硬件选择的不适 合造成系统的缺陷，从而增加软件 的代价。
(2) 嵌入式微处理器(Embedded Micro Processor Unit, EMPU)
基础是通用计算机中的CPU。只保留与嵌入式应用密切相关的功 能硬件，去掉其他冗余的功能部分。目前的主要类型有ARM 、 PowerPC系列等。 专用于信号处理方面的处理器，其可进行向量运算、指针线性寻 址等运算量很大的数据处理，具有很高编译效率和指令执行速度
16
3-2
pSOS
pSOS原属ISI公司的产品，但ISI已经被 WinRiver公司兼并，现在pSOS属于 WindRiver公司的产品。 该系统是一个模块化、高性能的实时操作系 统。 开发者可以利用它来实现从简单的单个独立 设备到复杂的、网络化的多处理器系统功能。
17
3-2
Palm OS
多数实时内核是基于优先级调度的多种方法 的复合。
22
⑸ 其他重要概念
互斥（Mutex）机制 信号量（Semaphore）机制 代码临界区（Critical Section）临界资源
计算机控制技术
§8.2微机控制系统的设计与实现过程
二、确定控制算法 对任何一个具体控制系统进行分析、综合和设计， 首先是建立该系统的数学模型。 数学模型是系统动态特性的表达式，它反映了系 统输入、内部状态和输出之间的逻辑和数量关系。其 为计算机进行处理提供了依据，即由数学模型推出控 制算法。 计算机控制就是计算机按照规定的算法进行控制。 控制算法正确与否直接影响系统的控制品质，甚至影 响整个系统的成败。
§8.1微机控制系统的工程设计方法
二、微机控制系统的设计步骤 2.设计阶段： 主要包括：组建项目研制组、系统总体方案的设 计、方案论证与评审、硬件和软件的细化设计、硬件 和软件的调试、系统的组装。 3.仿真调试阶段： 在实验室环境下，模拟现场条件进行调试。
4.现场运行完善阶段：
将系统与生产过程连接，进行现场调试运行及验收。
§8.1微机控制系统的工程设计方法
一、微机控制系统的设计原则
3.操作性好
具体表现为：使用方便，易于维护。 可充分利用计算机屏幕和制作工艺流程控制台。 方便手动及联机调试。
4.实时性好
表现在对内部及外部事件能及时作出响应和相应 的处理，特别是对故障性事件的紧急处理。
§8.1微机控制系统的工程设一、确定系统整体控制方案 设计的第一步是了解控制对象，构思控制系统的 整体方案。不同的系统考虑的问题可能差别较大。 首先要从系统构成上考虑，是开环还是闭环控制。 当采用闭环时应考虑用何种检测元件和检测精度。 其次考虑执行机构采用的方案。如电液驱动等。 第三考虑是否有特殊的控制要求。如精度快速等。 第四考虑微机在系统中的作用及承担的任务。 第五初步估算成本，比较性能/价格比适合否。 最后绘制系统粗框图，附议必要的说明。
作业 作业：P178页 9-1,9-2
《计算机控制技术》计算机控制系统的设计与实现
在以上硬件设计的每一个阶段，都应该遵循边设计，边调试， 边修改的原则，包括元器件测试、电路模块调试、子系统调试等。 这样，问题发现得越早，对整个控制系统的设计、研制的影响就越 小，付出的代价也越小。
（3）来自控制系统内部的干扰 主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，
如逻辑电路相互辐射、模拟地与逻辑地的相互影响及元器件 间的相互不匹配使用等。这都属于控制设备制造厂家对系统 内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门无 法避免，可不必过多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经 过考验的系统。
经过上述系统仿真调试，并取得满意控制性能的计算机控 制系统运到现场就可以进行现场安装调试了。现场调试是实际 生产过程对计算机控制系统性能的全面检查与性能评估，与实 验室的半实物调试相比，需要特别注意系统的安全性与抗干扰 等问题。在通过现场安装调试后，就可以投入实际生产过程进 行试运行。在试运行过程中，往往会出现许多错综复杂、时隐 时现的现象，暴露设计缺陷，这时设计者应当认真分析问题根 源，寻求解决方法。同时，系统的可靠性与稳定性也应当长期 考验，针对现场特殊的工作环境，采取行之有效的措施，在经 过一段时间的试运行并取得满意的性能评价之后，整个控制系 统就可以正式投入到实际运行中了。
8.2.4 系统的调试与运行 在硬件、软件的设计过程中，一般已经进行了分模块调试。在系
统投入现场运行之前，还需要在实验室进行硬件、软件的联合调试与 系统的仿真调试。软、硬件联调是整个调试的基础，这个步骤在硬件 设计时就开始了，即逐个功能模块进行边设计边调试，并将调试好的 模块逐步加入硬件系统进行联调。在硬件调试通过的情况下，就可将 软件系统加入进去，进行控制系统硬件软件的联合调试，联合调试的 目的是检验系统硬件、软件设计的正确性与运行的可靠性。在联合调 试过程中，不但会发现软件错误，还会发现一些在硬件调试中未发现 的硬件故障或设计缺陷，可根据情况予以修正。上述软件、硬件的联 合调试一般是脱离实际的被控过程进行的，主要在于检验系统硬件、 软件设计在功能上的正确性，不能全面反映整个控制系统的性能，因 此，还必须经过整个系统的仿真试验来检验系统的实际控制性能是否 能满足指标要求。
基于PLC控制的加热炉温度控制系统设计
课程设计姓名张镇炀学号********班级电气优创0801摘要温度控制系统广泛应用于工业控制领域，如钢铁厂、化工厂、火电厂等锅炉的温度控制系统，电焊机的温度控制系统等。
加热炉温度控制在许多领域中得到广泛的应用。
这方面的应用大多是基于单片机进行PID 控制, 然而单片机控制的DDC 系统软硬件设计较为复杂, 特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处, PLC 在这方面却是公认的最佳选择。
加热炉温度是一个大惯性系统，一般采用PID调节进行控制。
随着PLC功能的扩充在许多PLC控制器中都扩充了PID 控制功能, 因此在逻辑控制与PID控制混合的应用场所中采用PLC控制是较为合理的。
本设计是利用西门子S7-300PLC控制加热炉温度的控制系统。
首先介绍了温度控制系统的工作原理和系统的组成，然后介绍了西门子S7-300PLC和系统硬件及软件的具体设计过程。
关键词：西门子S7-300PLC，PID，温度传感器，固态继电器目录摘要 (I)Abstract ........................................... 错误!未定义书签。
第一章引言 ....................................... 错误!未定义书签。
1.1 系统设计背景............................... 错误!未定义书签。
1.2 系统工作原理 (IV)1.3 系统设计目标及技术要求 (IV)1.4 技术综述 (IV)第二章系统设计 (V)2.1 控制原理与数学模型 (V)2.1.1 PID控制原理 (V)2.1.2 PID指令的使用注意事项 (VIII)2.2 采样信号和控制量分析 (IX)2.3 系统组成 (IX)第三章硬件设计 ................................................... X I3.1 PLC的基本概念 (XI)3.1.1 模块式PLC的基本结构 (XII)3.1.2 PLC的特点 (XIII)3.2 PLC的工作原理 (XIV)3.2.1 PLC的循环处理过程 (XIV)3.2.2 用户程序的执行过程 (XVI)3.3 S7-300 简介 (XVI)3.3.1 数字量输入模块 (XVII)3.3.2 数字量输出模块 (XVII)3.3.3 数字量输入/输出模块 (XVII)3.3.4 模拟量输入模块 (XVII)3.3.5 模拟量输出模块 (XVIII)3.4 温度传感器 (XVIII)3.4.1 热电偶 (16)3.4.2 热电阻 (17)3.5 固态继电器 (XX)3.5.1 概述 (18)3.5.2 固态继电器的组成 (18)3.5.3 固态继电器的优缺点 (19)第四章软件设计 ................................................. X XII4.1 STEP7编程软件简介 (XXII)4.1.1 STEP7概述 (XXII)4.1.2 STEP7的硬件接口 .......................... .. (XXII)4.1.3 STEP7的编程功能 (XXII)4.1.4 STEP7的硬件组态与诊断功能 (XXIII)4.2 STEP7项目的创建 (XXIV)4.2.1 使用向导创建项目 (XXIV)4.2.2 直接创建项目 (XXIV)4.2.3 硬件组态与参数设置 (XXIV)4.3 用变量表调试程序 (XXVI)4.3.1 系统调试的基本步骤 (XXVI)4.3.2 变量表的基本功能 (XXVII)4.3.3 变量表的生成 (XXVIII)4.3.4 变量表的使用 (XXVIII)4.4 S7-300的编程语言 (XXIX)4.4.1 PLC编程语言的国际标准 (XXIX)4.4.2 STEP7中的编程技术 (XXX)结束语 ......................................................... X XXIV 致谢 (33)参考文献 (34)附录 (35)1.1系统设计背景近年来，加热炉温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统，温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，冶金﹑机械﹑食品﹑化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉﹑热处理炉﹑反应炉，对工件的处理均需要对温度进行控制。
欧姆龙PLC 编程语言的设计与应用PID实例
欧姆龙PLC 编程语言的设计与应用PID实例1 引言在PLC中有多种程序设计语言,如梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。
梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等。
通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。
功能表图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，它可根据需要去执行更有效的操作，例如，模拟量的控制，数据的操纵，报表的报印和其他基本程序设计语言无法完成的功能。
功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在PLC中得到了广泛的应用，在集散控制系统的编程和组态时也常常被采用。
由于它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，为广大工程设计和应用人员所喜爱。
2 常用的程序设计语言分类根据PLC应用范围，程序设计语言可以组合使用，常用的程序设计语言有以下几种:(1) 梯形图(Ladder Diagram)程序设计语言梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。
采用梯形图程序设计语言，这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果，每个梯级是一个因果关系。
在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在右面。
梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言，它来源于继电器逻辑控制系统的描述。
在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉。
因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到欢迎，并得到广泛的应用。
梯形图程序设计语言的特点是:·与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性;·与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于撑握和学习;·与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是:梯形图中的能流(Power FLow)不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此应用时需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待;·与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互转换和程序检查。
计算机控制系统实例
第11章计算机控制系统实例●本章的教学目的与要求掌握各种过程通道的结构、原理、设计及使用方法。
●授课主要内容●硫化机计算机群控系统●主要外语词汇Sulfurate Machine:硫化机●重点、难点及对学生的要求说明：带“***”表示要掌握的重点内容，带“**”表示要求理解的内容，带“*”表示要求了解的内容，带“☆”表示难点内容，无任何符号的表示要求自学的内容●硫化机计算机群控系统的软硬件设计***☆●辅助教学情况多媒体教学课件（POWERPOINT）●复习思考题●硫化机计算机群控系统的软硬件设计●参考资料刘川来，胡乃平，计算机控制技术，青岛科技大学讲义硫化机计算机群控系统内胎硫化是橡胶厂内胎生产的最后一个环节，硫化效果将直接影响内胎的产品质量和使用寿命。
目前国内大部分生产厂家都是使用延时继电器来控制硫化时间，由于硫化中所需的蒸汽压力和温度经常有较大的波动，单纯按时间计算可能会产生过硫或欠硫现象，直接影响了内胎的质量。
因此，设计一种利用先进计算机控制技术的硫化群控及管理系统，不仅能提高企业的自动化水平，也能降低硫化机控制装置的维护成本和硫化操作人员的劳动强度，提高硫化过程中工艺参数的显示和控制精度，同时也避免了个别硫化操作人员为提高产量而出现的“偷时”现象(即操作人员缩短硫化时间，未硫化完毕就开模) ，使内胎的产品质量得到保证。
1.系统总体方案内胎硫化过程共包括四个阶段: 合模、硫化、泄压、开模。
由于所有硫化机的控制方式相同，所以特别适合群控。
在自动模式下，当硫化操作人员装胎合模后，由控制系统根据温度计算内胎的等效硫化时间并控制泄压阀、开模电机的动作。
为克服温度波动的影响，经过大量实验，选用阿累尼乌斯(Arrhenius) 经验公式来计算等效硫化时间。
某橡胶制品有限公司硫化车间共有内胎硫化机96台，为便于整个生产过程的控制和管理拟采用计算机群控及管理系统。
根据企业的现场情况，借鉴DCS (Distributed Control System ，集散控制系统) 系统结构，使用PLC作为直接控制级，完成现场的控制功能; 使用工业控制计算机作为管理和监视级。
第9章+微型计算机控制系统应用实例
转换成为
9.2信.2号系；统电压的信控号制，要能求够采集阀位反响回来的模拟
最〔后有阀2〕以根门下能定据几位对点器以：对上单采片集机到控制的系信统号的进设行计运要求算、整理， 偏差的大小输出连续信号或一定宽度的脉
冲来控制 压电阀；
〔3〕利用数码管能现场显示输入的参数以及阀 门开度； 〔4〕利用按键能在现场对阀门的工作流量特性 的参数，
表内非易失性内存芯片与IC卡内芯片一样，即 AT24C02〔2〕。煤气表中诸如累积已耗用气量、结 余气量、购气次数等重要数据都存放在AT24C02〔2〕
这样可克服由充电电池长期维持RAM中的信息所潜在的不可靠性。 AT24C02仅有8条引脚，串行通信只用两根口线，做成IC卡时,外接连线 少，作为非易失性内存更是比采用并行EEPROM减少许多连线，PCB布 线更简洁，体积更小。IC卡煤气表中所需存取的重要数据少，且数据存 取速度要求不高，故这种小容量的串行EEPROM非常适用。AT24C02是 I²C总线结构器件，87C51非此类器件，这就要求87C51通过编程使其 P1.0和P1.1完全遵循I²C总线时序及AT24C02的数据传送格式，去分别等 效串行数据线SDA和串行时钟SCL，从而实现两者的通信。
第9章 微型计算机控制系统应用实例
9.1 微型机在煤气表机心负压试漏中的应用 9.2 微型机在阀门定位器中的应用 9.3 IC卡智能煤气表的设计 9.4 微型机实现电加热锅炉系统的自动控制 9.5 单片机与微机RS-485通信 9.6 微机控制的公共汽车自动报站系统 9.7 温度控制系统的设计
9.1.1 煤气表机心负压试漏原理
首先，把煤气表出气口密封住，然后翻开控 制负压的电磁阀，这时高速流动的压缩空气，经 负压阀产生负压，把表内的气体往外抽，表内形 成负压，同时斜管压力计液面往上升，当抽到设 定值时〔煤气表工艺要求斜管压力计显示 270Pa〕，即光电管所在的位置时，关闭电磁阀， 这时斜管压力计的液面要继续往上升，停在一个 确定的位置。如果在规定的时间内〔一般工艺要 求６s〕，斜管压力计的液面不回落到光电管所在 的位置，那么表的密封性好，不漏；相反，表的 密封性不好，漏。
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u
12.5%
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50%
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100%
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图6-3 输出功率与通断时间的关系
+5V
. ..
A
LM 311
图6-4 过零触发电路
. .. ... ... . . .. . .. . ... .
1 MC 14528
+5V
+12V
加热器
Q1 Q2
74LS00 TIL117
~ 220V
P1.3
表6-1 温度-数字量对照表
2. 接口电路
8031 的 接 口 电 路 有 ADC0809 、 8155 和 2732等。本系统采用ADC0809型A/D转换器， 该 芯 片 为 8 位 逐 次 逼 近 型 A/D 转 换 器 。 ADC0809 为 温 度 测 量 电 路 的 输 入 接 口 ； 8155用于键盘和显示接口；2732作为8031 外部程序(ROM)存储器。
+5V
6.3.2 数字控制器的数学模型
闭环调节系统可近似看成一阶惯性环节加一 个延迟环节。因此，根据第4章第 节的推导， 章第5节的推导 个延迟环节 。 因此 ， 根据第 章第 节的推导 ， 可以得出： 可以得出：
D(z)= (1− e-T/τ1 z-1)(1− e-T/τ ) KP (1− e
-T/τ1
开
始
保护现场
采样炉温
数字滤波
图
是
U ( n )= Y max否？
否
U ( n )>Y max否？
否 清上次越限标志
是
6 6 中 断 服 务 程 序 流
0
置本次越限标志
T
否 下限报警
U ( n )>= Y min否？
是 计算Y(n)
取Ymax值输出 求 补
上次越限否? 是 越限计数器加1 从 P
1.3
6.3.1 硬件电路
CE
2732 A0 A1 A2 A7~ 0 OC D7~ 0
红
P0 P1.2 P1.1 P1.0 PSEN T0 T1 P1.3
74LS 373
WR RD A7~ 0
光 耦 74LS00TIL117
驱 动 器
D7~ 0 EA P3.3 WR RD
OE ALE START C IN0 B ACD A 0809 EOC
检测元件选用镍铬-镍铝热电偶，分度号为 EU，适用于0℃~1000℃的温度测量范围，相应 输出电压为0mV~41.32mV。 变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成： / 毫伏变送器用于把热电偶输出的0~41.32mV变换 成0~10mA范围内的电流；电流/电压变送器用于 把毫伏变送器输出的0~10mA电流变换成0~5V范 围内的电压。
6.3.3 控制系统程序设计
开 始 设定堆栈指针
1 主 程 序
开 清标志和暂存单元
始
图 6 5 主 程 序 程 图 -
.
T 1 中断程序 清显示缓冲区 清标志D5H T 0 初始化 开CPU中断 停止输出 扫描键盘 返 回
温度显示
T 1 中断服务程序
2. T0中断服务程序
T0中断服务程序是此系统的主体程序，用 于启动A/D转换、读入采样数据、数字滤波、 越限温度报警和越限处理、大林算法计算和输 出可控硅的同步触发脉冲等。在T0中断服务程 序中，要用到一系列子程序。如：采样子程序、 数字滤波子程序、越限处理程序、大林算法程 序、标度变换程序和温度显示程序等。T0中断 服务程序流程图如图6-6所示。
[1 − Cz − (1 − C)z ]R(z) = (A − Bz )E(z)
-1 -N-1 -1
y(n)=A×e(n)-B×e(n-1)+C×y(n-1)+(1C)×y(n-N-1) 式中： y(n)——n时刻的输出值； e(n)——n e(n)——n时刻的偏差值； e(n-1)——n-1时刻的偏差值； y(n-N-1)——n-N-1时刻的输出值。 由系统的飞升特性曲线确定出τ和τ1后，系 数A、B、C则可分别求出。
3. 温度控制电路如图 温度控制电路如图 双向可控硅和加热丝串接在交流回路，因 此可控硅导通时间决定加热丝的 加热功率。图 6-3给出了可控硅在给定周期T内具有不同导通 时间的情况。过零信号是正弦交流电压过零时 刻的同步脉冲，可使可控硅在交流电压正弦波 过零后触发导通。过零同步脉冲由过零触发电 路产生，如图6-4所示。
变送器
热电偶
图6-2 电阻炉炉温控制系统原理图
.
CLK
. .
.
.
. .
.
. . . .
ห้องสมุดไป่ตู้
绿 红
. ..
.
8155
LM311
. .
.
.. . .
8031 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 ALE
ALE CE IO/ M
键盘与显示 过零信号发生器 MC 14528 ~220V
1/2
加热丝
1. 检测元件及变送器
否
输出 越限 N 次否? 是 否
初始化
T1
温度标度转换
上限报警
本次越限标志送 5FH 清零 5EH 单元
程 图
温度显示
清越限标志
上限处理
是
(D5H)=1否?
否 恢复现场
返 回
)[1- e-T/τz-1 − (1- e-T/τ )z-N-1]
A - Bz -1 1 − Cz -1 − (1 - C)z - N-1
经化简后得到：
D(z) =
：
A=
1 − e -T/τ K P (1 − e -T/τ1 )
-T/τ
B=Ae C= e
-T/τ 1
因为，D(z)=R(z)/E(z)，得：