控制系统工程设计第4章
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控制工程基础第4章控制系统的频率特性
插值计算可大致确定闭环截止频率为 b
=1.3rad／s。
非单位反馈系统的闭环频率特性
对于非单位反馈系统，其闭环频率特性可
写为
X X
o i
j j
1
G j G j H
j
H
1
j
1
G j H j G j H j
在求取闭环频率特性时，在尼柯尔斯图上画
出 G j H j 的轨迹，由轨迹与M轨线和N轨
频域法是一种工程上广为采用的分析 和综合系统间接方法。另外，除了电路 与频率特性有着密切关系外，在机械工 程中机械振动与频率特性也有着密切的 关系。机械受到一定频率作用力时产生 强迫振动，由于内反馈还会引起自激振 动。机械振动学中的共振频率、频谱密 度、动刚度、抗振稳定性等概念都可归 结为机械系统在频率域中表现的特性。 频域法能简便而清晰地建立这些概念。
如果M=1，由式（4.26）可求得X=-1/2，即为
通过点（-1/2，0）且平行虚轴的直线。
如果M≠1，式（4.26）可化成
X
M M2
2
2
1
Y
2
M2 M 2 1 2
(4.27)
该式就是一个圆的方程，其圆心为
M2
，半径为 M 。如下图。
[
M
2
, 1
j0]
M 2 1
在复平面上，等M轨迹是一族圆，对于给定 的M值，可计算出它的圆心坐标和半径。下 图表示的一族等M圆。由图上可以看出，当 M>1时，随着M的增大M圆的半径减小，最后 收敛于点（-1,j0）。当M＜1时，随着M的 减小M圆的半径亦减小，最后收敛于点 （ 0 , j0）。M=1 时 ， 其 轨 迹 是 过 点 （ 1/2,j0）且平行于虚轴的直线。
控制工程习题 第四章
习题四 题型：判断题 题目：最小相位系统一定是稳定系统，稳定系统一定是最小相位系统。
习题五
题型：填空题
题目：在最小相位系统中，对数幅频特性的变化趋势和相频特性的变化趋
势
。
B、 G(s) F(t) C、 G(s) L(t) D、 G( j) F(t)
习题四
题型：选择题
题目：以下说法正确的有（
）。
A、时间响应只能分析系统瞬态特性
B、系统的频率特性包括幅频特性和相频特性，它们都是频率ω的函数
C、时间响应和频率特性都能揭示系统动态特性
D、频率特性没有量纲
习题三 题型：单项选择题 题目：某环节频率特性图 Nyquist 如图 1 所示，则该环节是（）。 A、比例环节 B、微分环节 C、延迟环节 D、惯性环节
习题四 题型：单项选择题 题目：某环节频率特性 Nyquist 图如图 2 所示，则该环节是（）。 A、比例环节 B、微分环节
C、积分环节 D、惯性环节
第四章
第一节（1）
习题一 题型：填空题 题目：线性定常系统对正弦信号（谐波输入）的
称为频率响应。
习题二 题型：填空题 题目：频率响应是系统对___________的稳态响应；频率特性 G（jω）与传 递函数 G（s）的关系为________。
习题三 题型：单项选择题 题目：以下关于频率特性、传递函数和单位脉冲响应函数的说法错误的是（）。 A、 G( j) G(s) s j
E、频率特性反映系统或环节对不同频率正弦输入信号的放大倍数和相移
习题五 题型：填空题 题目：通常将
和
统称为频率特性。
第一节（2）
习题一 题型：综合题
题目：已知系统的单位阶跃响应为 xo t 1 1.8e4t 0.8e 9t，t 0，试求系统
第4章 直流电动机调速控制系统
调速指标
静态调速指标
• 调速范围 • 静差率 • 调速范围与静差率的关系
动态调速指标
• 跟随性能指标 • 抗扰性能指标
单闭环直流调速系统
单闭环有静差调速系统 单闭环无静差调速系统
单闭环有静差调速系统
系统的组成及原理 系统的静特性及静态结构图
系统的反馈控制规律 单闭环调速系统的动态特性
电动机转速与转矩的关系
如果把E =Cen代入式(4-8) ，便可得出电枢电流I的表达式 Ia=(U- Cen )/Ra （4-9） 由上式可见，直流电动机和一般的直流电路不一样，它的电流不仅 取决于外加电压和自身电阻，并且还取决于与转速成正比的反电动 势(当φ为常数) 。将式(4-1) 代入(4-9) 式，可得 n=U/Ce-R Te/ Ce Cm (4-10) 其中Cm=Kmφ，式（4-10）称为电动机的机械特性，它描述了电 动机的转速与转矩之间的关系。 图4-5是机械特性曲线族。在这一曲线族中，不同的电枢电压对应于 不同的曲线，各曲线是彼此平行的。n0( U/Ce)称为“理想空载转 速” ，而⊿n(R Te/ Ce Cm) 称为转速降落。
脉宽调制器是一个电压—脉冲变换装置。由控制 电压Uct进行控制，为PWM变换器提供所需的脉 冲信号。 脉宽调制器的基本原理是将直流信号和一个调制 信号比较，调制信号可以是三角波，也可以是锯 齿波。锯齿波脉宽调制器电路如图4-42所示， 由锯齿波发生器和电压比较器组成。锯齿波发生 器采用最简单的单结晶体管多谐振荡器4-42a)， 为了控制锯齿波的线性度，使电容器Ｃ充电电流 恒定，由晶体管VT1和稳压管VST构成恒流源。
电流截止负反馈环节 带电流截止负反馈环节的单闭环无静差调 速系统
控制工程基础程第四章习题答案
2007机械工程控制基础第四章习题答案第4章 频率特性分析4.1什么是系统的频率特性？答：对于线性系统，若输入为谐波函数，则其稳态输出一定是同频率的谐波函数，将输出的幅值与输入的幅值之比定义为系统的幅频特性，将输出的相位之差定义为系统的相频特性。
系统的幅频特性和相频特性简称为系统的频率特性。
4.4若系统输入为不同频率ω的正弦t A ωsin ，其稳态输出相应为)sin(ϕω+t B 。
求该系统的频率特性。
解：由系统频率特性的定义知：ϕωj e AB j G =)( 4.5已知系统的单位阶跃响应为)0(8.08.11)(94≥+-=--t e e t x t to ，试求系统的幅频特性与相频特性。
解：由已知条件得：s s X i 1)(=，98.048.11)(+++-=s s s s X o 得系统传函为：)9)(4(36)()()(++==s s s X s X s G i o 得系统频率特性：)9)(4(36)(ωωωj j j G ++=，其中幅频特性为：22811636)()(ωωωω+⋅+==j G A相频特性为：9arctan4arctan)(ωωωϕ--=4.6由质量、弹簧、阻尼组成的机械系统如图（4.6）所示。
已知m=1kg ，k 为弹簧刚度，c 为阻尼系数。
若外力tN t f 2sin 2)(=，由实验得到系统稳态响应为)22sin(π-=t x oss 。
试确定k 和c 。
解：由系统结构知系统的动力学方程为： 当m=1时，得系统传函为：kcs s s G ++=21)(，得系统频率特性为： ωωωjc k j G +-=21)(。
图（题4.6）其中，幅频特性为2222)(1)(ωωωc k j G +-=，相频特性为2arctan)(ωωωϕ--=k c 由题意，当输入信号为t t f 2sin 2)(=时，2=ω，由其与稳态输出信号)22sin(π-=t x oss 对应关系知：2222)(121)(ωωωc k j G +-==，2arctan 2)(ωωπωϕ--=-=k c 解得4=k ，1=c 。
第四章：根轨迹法
i s ∏︱ - z︱ j
j=1
确定根轨迹上某点对应的K*值
闭环零、极点与开环零、极点的关系
比较开环传递函数与闭环传递函数：
G (s) H (s) K G K H
( S Z ) ( S Z
i i 1 q j 1 h i i 1 j 1
f
l
f l m j
) K
(S Z
j 1 i i 1
j
)
( S P ) ( S P )
j
qhn
(S P )
Φ(s)=
* KG ∏(s-zi ) ∏(s-pj )
i=1
j=1 * * ∏(s-pi ) ∏(s-pj ) + kG kH ∏(s-zi )∏(s-zj ) i=1 j=1 i=1 j=1 q h f l
相角条件:
m
根轨迹的模值条件与相角条件 n
∑∠(s-zj) －∑∠(s-pj) = (2k+1) π j=1 i=1
k=0, ±1,
±2, … m 绘制根轨迹的充要条件 i=1 m
模值条件:
1+K K = = -1 0 1 n (s ) ∏︱ -p︱
i=1
) ∏︱ - z︱ s -p ( s jn ∏︱ ︱ j=1 i * *
第四章：根轨迹法
教学目的
对于低阶控制系统，我们可以用求解微分方程方法来分析控制 系统，而对于高阶系统，用微分方程的方法求解就比较困难。根轨
迹方法是分析和设计线性定常控制系统的图解方法，使用起来比较
简便，因此在工程设计中获得了广泛应用。 通过本章内容学习，要使学生懂得根轨迹的概念，根轨迹的作 图方法，以及根轨迹与系统性能之间的关系。
j=1
确定根轨迹上某点对应的K*值
闭环零、极点与开环零、极点的关系
比较开环传递函数与闭环传递函数：
G (s) H (s) K G K H
( S Z ) ( S Z
i i 1 q j 1 h i i 1 j 1
f
l
f l m j
) K
(S Z
j 1 i i 1
j
)
( S P ) ( S P )
j
qhn
(S P )
Φ(s)=
* KG ∏(s-zi ) ∏(s-pj )
i=1
j=1 * * ∏(s-pi ) ∏(s-pj ) + kG kH ∏(s-zi )∏(s-zj ) i=1 j=1 i=1 j=1 q h f l
相角条件:
m
根轨迹的模值条件与相角条件 n
∑∠(s-zj) －∑∠(s-pj) = (2k+1) π j=1 i=1
k=0, ±1,
±2, … m 绘制根轨迹的充要条件 i=1 m
模值条件:
1+K K = = -1 0 1 n (s ) ∏︱ -p︱
i=1
) ∏︱ - z︱ s -p ( s jn ∏︱ ︱ j=1 i * *
第四章：根轨迹法
教学目的
对于低阶控制系统，我们可以用求解微分方程方法来分析控制 系统，而对于高阶系统，用微分方程的方法求解就比较困难。根轨
迹方法是分析和设计线性定常控制系统的图解方法，使用起来比较
简便，因此在工程设计中获得了广泛应用。 通过本章内容学习，要使学生懂得根轨迹的概念，根轨迹的作 图方法，以及根轨迹与系统性能之间的关系。
控制工程基础第4章 根轨迹法
n 3, m 0, 故三条根轨迹趋向处。
渐进线与实轴交点的坐标为
[S]
a
0
1
3
2
0
1
渐进线与实轴正向的夹角为
a -2 -1 0
a
2k
1180
3
60 , 180
六、根轨迹的起始角与终止角
起始角：起始于开环极点的根轨迹在起点 处的切线与水平线正方向的夹角。
终止角：终止于开环零点的根轨迹在终点 处的切线与水平线正方向的夹角。
s4
2
1
s3 -2 s20 s1
s3 180 , s3 2 180 s4 1, s4 2 2
若s4位于根轨迹上，则必满足
幅角条件，即1 2 180，
N
s4一定在 2，0的中垂线MN上。
利用幅值条件可算出各根轨迹上的 K 值。
例
Gs
K
s0.5s 1
2K
ss 2
K
ss 2
终止于 zb 的根轨迹在终点处
的切线与水平正方向的夹角
j 1
i 1
ib
其它零点到 zb 的向量夹角
七、分离点的坐标
几条根轨迹在[S]平面上相遇后又分开的点， 称为根轨迹的分离点（或会合点）。
分离点坐标的求法：
1 d (G(s)H (s)) 0
ds
2 由根轨迹方程
令：dK 0 解出s ds
n
1 180 p1 z p1 p2
180 116.57 90
206.57
由于对称性
2 206.57
会合点 -3
206.57
p1
[S]
z116.57
2.12
-2 -1 0
第四章 集散控制系统的主要技术与应用实例
• 同时，项目组还要拟定项目管理计划，包括： • (1) 技术联络会的具体时间，每次联络会准备落 实和解决的问题。 • (2) 相关各方的资料交接时间。 • (3) 项目实施具体的工期计划(包括设计、组态、 检验、出厂、安装、调试及验收等阶段)。 • (4) 项目相关各单位人员的具体分工和责任。 • (5) 用户培训计划：时间、地点、培训内容等。 • (6) 应用工程软件组态计划。 • (7) 硬件说明书提交时间等等。
（3. ）人机接口的设计
• 人机接口的初步设计规定了今后设计的风 格，这一点在人机接口设计方面表现得非 常明显，如颜色的约定、字体的形式、报 警的原则等。良好的初步设计能保持今后 详细设计的一致性，这对于系统今后的使 用非常重要，人机接口的初步设计内容与 DCS的人机接口形式有关，这里所指出的只 是一些最基本的内容。
?1画面的类型与结构这些画面包括工艺流程画面过程控制画面如趋势图面板图等系统监控画面等结构是指它们的范围和它们之间的调用关系确定针对每个功能需要有多少幅画面要用什么类型的画面完成控制与监视任务
第四章 集散控制系统的主要 技术与应用实例
第四章 集散控制系统的主要技 术与应用实例
• • • • 4.1 集散控制系统的设计 集散控制系统的调试、 4.2 集散控制系统的调试、安装与验收 4.3集散控制系统的评价与选择 4.3集散控制系统的评价与选择 4.4集散控制系统的应用实例 4.4集散控制系统的应用实例
• (1) 画面的类型与结构，这些画面包括工 艺流程画面、过程控制画面(如趋势图、面 板图等)、系统监控画面等，结构是指它们 的范围和它们之间的调用关系，确定针对 每个功能需要有多少幅画面，要用什么类 型的画面完成控制与监视任务。 • (2) 画面形式的约定，约定画面的颜色、 字体、布局等方面的内容。 • (3) 报警、记录、归档等功能的设计原则， 定义典型的设计方法。 • (4) 人机接口其他功能的初步设计。
控制工程第4章_系统的瞬态响应与误差分析
➢对稳定的线性定常系统来说，稳态响应只是由输入信号 引起，而与系统初始状态无关。因为初始状态由于能量 有限，所以它引起的响应总要衰减到0，因此，初始状 态引起的响应属于瞬态响应（但不等于瞬态响应，因为 输入量也能引起瞬态响应）。稳态响应反映了系统响应的
准确性。
*
17
4-1 时间响应
➢ 求系统时间响应的方法：
➢系统的快速性
快速性是指输出量和输入量产生偏差时，系统消除 这种偏差的快慢程度。
*
4
引言
➢ 二阶系统G(s)=ωn2/(s2+2ζωns+ωn2)的单位阶跃响应曲线
二阶系统 G (s) n 2/(s2 2 n s n 2)的单位阶跃响应曲线
2
=0
1.8
1.6
1.4
允 差
=0.4 =0.7 =1
y(t) 输出 Y(s)
Y (s)G (s)X (s)
系统对任意输入的响应
y ( t) L 1 [ Y ( s ) ] L 1 [ G ( s ) X ( s ) ]
*
零状态响应
18
4-2 一阶系统的时间响应
1. 一阶系统的数学模型 2. 一阶系统（惯性环节）的单位阶跃响应 3. 一阶系统（惯性环节）的单位脉冲响应 4. 一阶系统（惯性环节）的单位斜坡响应
*
14
4-1 时间响应
➢瞬态响应ctr(t)：对稳定的系统，瞬态响应是指时 间响应中随着时间的增加而逐渐减小，最终趋于0 的那部分响应。
➢教材中的定义：系统受到外加作用激励后，从初 始状态到最终状态的响应过程称为瞬态响应。指 的是稳定状态之前的整个时间响应过程。
➢稳态响应css(t)：是指当时间趋于无穷大时系统的 输出状态。
准确性。
*
17
4-1 时间响应
➢ 求系统时间响应的方法：
➢系统的快速性
快速性是指输出量和输入量产生偏差时，系统消除 这种偏差的快慢程度。
*
4
引言
➢ 二阶系统G(s)=ωn2/(s2+2ζωns+ωn2)的单位阶跃响应曲线
二阶系统 G (s) n 2/(s2 2 n s n 2)的单位阶跃响应曲线
2
=0
1.8
1.6
1.4
允 差
=0.4 =0.7 =1
y(t) 输出 Y(s)
Y (s)G (s)X (s)
系统对任意输入的响应
y ( t) L 1 [ Y ( s ) ] L 1 [ G ( s ) X ( s ) ]
*
零状态响应
18
4-2 一阶系统的时间响应
1. 一阶系统的数学模型 2. 一阶系统（惯性环节）的单位阶跃响应 3. 一阶系统（惯性环节）的单位脉冲响应 4. 一阶系统（惯性环节）的单位斜坡响应
*
14
4-1 时间响应
➢瞬态响应ctr(t)：对稳定的系统，瞬态响应是指时 间响应中随着时间的增加而逐渐减小，最终趋于0 的那部分响应。
➢教材中的定义：系统受到外加作用激励后，从初 始状态到最终状态的响应过程称为瞬态响应。指 的是稳定状态之前的整个时间响应过程。
➢稳态响应css(t)：是指当时间趋于无穷大时系统的 输出状态。
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2、控制算法与软件方案的拓宽
（1）控制算法
（2）编程语言
（3）设计题目树
4.3系统硬件设计
4.3.1 系统组成结构
图4-2 加热器IPC控制系统组成结构
4.3.2 系统功能划分
1、工控机IPC IPC是整个控制系统的核心和大脑。从自动控制理论的角度出发，IPC
属于自动运算、 调节和控制环节。 2、ISA或PCI多功能卡 加热器的IPC控制，既有模拟量控制，又有开关量控制，故要有AI、
R 35 100k
R 36
8
1k
∞
+
+ N 1 B
E
－L F358 7
4
增益调节
RP3 4 .7 k
3 2
R 37 3k
8
∞
+ + N 2 A
－ L F358
1F V
4
PV 2
R 38 250
R 39 1 0 0
R 40
H
300 R 43
AOU0 信 0～
50K
8 15k
R 41
∞
1 5 k 5 + N 2B +
D I6
+V S G N D A T DA +D A T A
A6 输入
AD AM 输出远
8
3+
∞
N 1A
+
2
L F358
－
4
V Z1 5 .0 V
1 PV 1
V
R 24 68k R 25
2k
R 26 20k
R 27
250
-
V CC
R 28
16
15
13
2k
12
A
N3
11
2
14
1 L M 3 5 2 44
AO、DI和 DO输入输出点，要选择多功能卡。多功能卡产生TTL级的控制信号。 3、通信转换模块及远程模块 由于IPC另外还要控制电梯等对象，控制电梯需要较多的DI、DO点，
而多功能 卡上的DI、DO点不够用，故要增设这两个模块及RS232/485通信转
换模块，兼 有远程网络控制的功能。 4、信号调理模块 5、加热器模块 6、 AC电源和DC电源
D A TA +
D A TA -
TX -
RX + RX -
A 4 A D A M -4 5 2 0 通信转换模块
最
远
达
1200m
接加热器电压 信号输出端
D I1 5
D O 15
D I9
D I8
D I7 A3信
DO8
D O CO
号
M调
B
D 理
O
7
D I1
DO4
D I0
DO3 DO2
D IC O M
DO1
(1)PCLD-782型光隔离数字量输入板
信号调理模块和端子板用于连接主机箱里的PCL-812PG多功能卡。
+5V
+5V
+5V
DI 0 1
330
1
74LS240
LM339
4.7K
∞
－+ +
SA1
1
4.7K
560
Iin
DI0
1K
+5V
SA2 500 10K
+5V
DICOM 0
M
图4-3 PCLD-782型光隔离数字量输入板内部及外部接口电路
L
KM
N
IS A
多
A1 工 控 机
IP C -6 1 0
功
A2
102
P-8 C1 2L P G
FU
SB 1
KM SB 2
CO M
பைடு நூலகம்
能
L N G 直 D I 0
1
电源
+ 18V + 12V
-1 2 V 流 +5V
-5 V
1
S B 0 ～ S 卡B 7
SA
+V S
TX +
GND
R S -4 2 2
R S -4 8 5
式RS-485远程控制I/O模块等
2、整体式——键盘和显示器均固定在主机上 3、模块式——模块种类有电源模块、CPU模块、输入输出I/O接口卡模块、工
业以太网接口模块、现场总线接口模块和分布式RS-485远程控制I/O模块等）多D/A 结
构（图2-1(a)）和共享D/A结构（图中2-1(b)） 。
一、IPC、I/O插卡、信号调理模块、按钮和指示灯电路的设计
工作原理： 图4-5 微型加热器IPC控制系统电气原理图(略）。
二、加热器电路的设计
加热器电路如图4-5所表示。
1、加热器的信号输入
加热器的信号输入端有两个，分别为AIU0和AII0，分别采用工业控制标准电压信号（0 ～5V）和电流信号（0～20mA）两种方式。
第4章
基于工控机的微型加热器温度控制系统
4.1工控机实验装置 4.2系统总体设计 4.3系统硬件设计 4.4系统软件设计
返回总目录
4.1 工控机实验装置
4.1.1 工控机实验装置介绍
工控机（IPC）实验装置分类：柜式、台式及盒式。 研华IPC按结构分类： 1、普通台式——其I/O接口卡插在主机ISA或PCI插槽里，还有分布
4、远程通信模块和远程控制模块 (1)通信转换模块 选取AIAM-4520型光隔离RS232至RS-422/RS-485转换模块。 (2)远程数字量输入输出模块 选取2块AIAM-4050数字量输入输出模块（7点DI，8点DO），输入 电压电平0～ 30V，8路NPN型晶体管集电极开路数字量输出。
4.3.5 系统电气电子原理图设计
(2)PCLD-785型继电器输出模块
+12V DO0 1
DOCO
M0
R1
DOB0
DOK0 PCL-812PG R2
C
AI、AO插座
470
+5V
a)
b）
AI0 或AO0
AICOM0 或AOCOM0
图4-4 DO0继电器输出通道与PCLD-780型螺旋接线端子板单个通道电路图
(3)PCLD-780型螺旋接线端子板 PCLD-780型接线端子板具有2套10通道连接器，其单个通道的电路 图如图4-4b 所示。 共有4种设置方式： 直通连接（工厂出厂设置） R1=0Ω，R2和C取消。 1.6KHz（3 dB）低通滤波器 R1=10KΩ，C1=0.01μF，R2取消。 10比1电压衰减器 R1=9Ω，R2=2Ω，C1取消。 0～20mA到0～5V（DC）信号转换器 R1=0Ω，R2=250Ω，C1取 消。
+
9
5
C1
7 C3 +
20μ
6 R 29
8 130k
100μ
N4 7812
+ C2
- 4 0入5 0 器数 字 量
程模块
端
电
压R 30 + 1 8 V 100 10W
200μ
V 20 8050
P W M 脉 宽 调 制 频 率 0 .5 H z
R 44
R 33 10k
5 零点调节
R 34 6
C 50k D
2、插入式数据采集控制
考虑到作为一般的IPC实验和低速数据采集控制工业应用，选用 PCL-812PG型ISA多功能卡。 其性能指标为： 16路12位单端模拟量输入AI 2路12位AO输出 一个Intel 8253-5型可编程定时器/计数器 16位数字量输入DI，16位数字量输出DO 连接插座
3、信号调理模块和端子板
4.3.3 工控机IPC概述
1、IPC硬件
研华公司是国际上最早从事工业计算机和自动化控制器的生产厂商之一研华产品的市场占有
率较高。
研华主要产品系列有：
(1)工业计算机平台 (2)电子自动化 (3)嵌入式计算机 (4)数字视频平台
2、IPC软件与组态软件
除了可用通用汇编语言、VB和C++语言编程以外，还具有方便用户编程的多 实时工业组态软件，而一般IPC工业监控已较少使用前三种语言编程。
A I1 5
DO0
DOCOM A
A I1 A I0
AO1 AO0
A IC O M A O C O M
8253 R 14 |
R 10
外计数
计数满
定时信号
芯片 V 14 |
端子 H L 4+ 5 V |
V 10 H L 0
信接 号加 输热
DO0 DO1
A5
AD AM
D I0
D I1
信号输入
A IU 0 0～ 5V
G1 0 0 R 42
L F358 6－
50k
4 V Z2
5 .0 V
号
7 R 45 输 1k V 2出1 9013 V Z3 5 .6 V
5V
I
A O I0 0～ 20 mA
图4-5 微型加热器IPC控制系统电气原理图
2、输入信号放大与槽形电压表指示 输入信号采用单电源运算放大器N1A进行放大 所用运算放大器LM358内部有两个独立的、高增益、内部频率补 偿的双运算放大器 电压表PV1为槽形电压表 稳压二极管VZ1用于保护表头 3、SG3524型PWM控制芯片介绍 加热元件的加热电阻R30（100Ω，10W） 采用功率管V20高效脉宽调制方式控制 SG3524是美国硅通用公司（SiliconGeneral）生产的 端推挽输出式脉宽调制器，工作频率高于100kHz，工作 温度为0℃～70℃，适宜控制100W～500W中功率开关电 源、加热器和直流电动机等。
（1）控制算法
（2）编程语言
（3）设计题目树
4.3系统硬件设计
4.3.1 系统组成结构
图4-2 加热器IPC控制系统组成结构
4.3.2 系统功能划分
1、工控机IPC IPC是整个控制系统的核心和大脑。从自动控制理论的角度出发，IPC
属于自动运算、 调节和控制环节。 2、ISA或PCI多功能卡 加热器的IPC控制，既有模拟量控制，又有开关量控制，故要有AI、
R 35 100k
R 36
8
1k
∞
+
+ N 1 B
E
－L F358 7
4
增益调节
RP3 4 .7 k
3 2
R 37 3k
8
∞
+ + N 2 A
－ L F358
1F V
4
PV 2
R 38 250
R 39 1 0 0
R 40
H
300 R 43
AOU0 信 0～
50K
8 15k
R 41
∞
1 5 k 5 + N 2B +
D I6
+V S G N D A T DA +D A T A
A6 输入
AD AM 输出远
8
3+
∞
N 1A
+
2
L F358
－
4
V Z1 5 .0 V
1 PV 1
V
R 24 68k R 25
2k
R 26 20k
R 27
250
-
V CC
R 28
16
15
13
2k
12
A
N3
11
2
14
1 L M 3 5 2 44
AO、DI和 DO输入输出点，要选择多功能卡。多功能卡产生TTL级的控制信号。 3、通信转换模块及远程模块 由于IPC另外还要控制电梯等对象，控制电梯需要较多的DI、DO点，
而多功能 卡上的DI、DO点不够用，故要增设这两个模块及RS232/485通信转
换模块，兼 有远程网络控制的功能。 4、信号调理模块 5、加热器模块 6、 AC电源和DC电源
D A TA +
D A TA -
TX -
RX + RX -
A 4 A D A M -4 5 2 0 通信转换模块
最
远
达
1200m
接加热器电压 信号输出端
D I1 5
D O 15
D I9
D I8
D I7 A3信
DO8
D O CO
号
M调
B
D 理
O
7
D I1
DO4
D I0
DO3 DO2
D IC O M
DO1
(1)PCLD-782型光隔离数字量输入板
信号调理模块和端子板用于连接主机箱里的PCL-812PG多功能卡。
+5V
+5V
+5V
DI 0 1
330
1
74LS240
LM339
4.7K
∞
－+ +
SA1
1
4.7K
560
Iin
DI0
1K
+5V
SA2 500 10K
+5V
DICOM 0
M
图4-3 PCLD-782型光隔离数字量输入板内部及外部接口电路
L
KM
N
IS A
多
A1 工 控 机
IP C -6 1 0
功
A2
102
P-8 C1 2L P G
FU
SB 1
KM SB 2
CO M
பைடு நூலகம்
能
L N G 直 D I 0
1
电源
+ 18V + 12V
-1 2 V 流 +5V
-5 V
1
S B 0 ～ S 卡B 7
SA
+V S
TX +
GND
R S -4 2 2
R S -4 8 5
式RS-485远程控制I/O模块等
2、整体式——键盘和显示器均固定在主机上 3、模块式——模块种类有电源模块、CPU模块、输入输出I/O接口卡模块、工
业以太网接口模块、现场总线接口模块和分布式RS-485远程控制I/O模块等）多D/A 结
构（图2-1(a)）和共享D/A结构（图中2-1(b)） 。
一、IPC、I/O插卡、信号调理模块、按钮和指示灯电路的设计
工作原理： 图4-5 微型加热器IPC控制系统电气原理图(略）。
二、加热器电路的设计
加热器电路如图4-5所表示。
1、加热器的信号输入
加热器的信号输入端有两个，分别为AIU0和AII0，分别采用工业控制标准电压信号（0 ～5V）和电流信号（0～20mA）两种方式。
第4章
基于工控机的微型加热器温度控制系统
4.1工控机实验装置 4.2系统总体设计 4.3系统硬件设计 4.4系统软件设计
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4.1 工控机实验装置
4.1.1 工控机实验装置介绍
工控机（IPC）实验装置分类：柜式、台式及盒式。 研华IPC按结构分类： 1、普通台式——其I/O接口卡插在主机ISA或PCI插槽里，还有分布
4、远程通信模块和远程控制模块 (1)通信转换模块 选取AIAM-4520型光隔离RS232至RS-422/RS-485转换模块。 (2)远程数字量输入输出模块 选取2块AIAM-4050数字量输入输出模块（7点DI，8点DO），输入 电压电平0～ 30V，8路NPN型晶体管集电极开路数字量输出。
4.3.5 系统电气电子原理图设计
(2)PCLD-785型继电器输出模块
+12V DO0 1
DOCO
M0
R1
DOB0
DOK0 PCL-812PG R2
C
AI、AO插座
470
+5V
a)
b）
AI0 或AO0
AICOM0 或AOCOM0
图4-4 DO0继电器输出通道与PCLD-780型螺旋接线端子板单个通道电路图
(3)PCLD-780型螺旋接线端子板 PCLD-780型接线端子板具有2套10通道连接器，其单个通道的电路 图如图4-4b 所示。 共有4种设置方式： 直通连接（工厂出厂设置） R1=0Ω，R2和C取消。 1.6KHz（3 dB）低通滤波器 R1=10KΩ，C1=0.01μF，R2取消。 10比1电压衰减器 R1=9Ω，R2=2Ω，C1取消。 0～20mA到0～5V（DC）信号转换器 R1=0Ω，R2=250Ω，C1取 消。
+
9
5
C1
7 C3 +
20μ
6 R 29
8 130k
100μ
N4 7812
+ C2
- 4 0入5 0 器数 字 量
程模块
端
电
压R 30 + 1 8 V 100 10W
200μ
V 20 8050
P W M 脉 宽 调 制 频 率 0 .5 H z
R 44
R 33 10k
5 零点调节
R 34 6
C 50k D
2、插入式数据采集控制
考虑到作为一般的IPC实验和低速数据采集控制工业应用，选用 PCL-812PG型ISA多功能卡。 其性能指标为： 16路12位单端模拟量输入AI 2路12位AO输出 一个Intel 8253-5型可编程定时器/计数器 16位数字量输入DI，16位数字量输出DO 连接插座
3、信号调理模块和端子板
4.3.3 工控机IPC概述
1、IPC硬件
研华公司是国际上最早从事工业计算机和自动化控制器的生产厂商之一研华产品的市场占有
率较高。
研华主要产品系列有：
(1)工业计算机平台 (2)电子自动化 (3)嵌入式计算机 (4)数字视频平台
2、IPC软件与组态软件
除了可用通用汇编语言、VB和C++语言编程以外，还具有方便用户编程的多 实时工业组态软件，而一般IPC工业监控已较少使用前三种语言编程。
A I1 5
DO0
DOCOM A
A I1 A I0
AO1 AO0
A IC O M A O C O M
8253 R 14 |
R 10
外计数
计数满
定时信号
芯片 V 14 |
端子 H L 4+ 5 V |
V 10 H L 0
信接 号加 输热
DO0 DO1
A5
AD AM
D I0
D I1
信号输入
A IU 0 0～ 5V
G1 0 0 R 42
L F358 6－
50k
4 V Z2
5 .0 V
号
7 R 45 输 1k V 2出1 9013 V Z3 5 .6 V
5V
I
A O I0 0～ 20 mA
图4-5 微型加热器IPC控制系统电气原理图
2、输入信号放大与槽形电压表指示 输入信号采用单电源运算放大器N1A进行放大 所用运算放大器LM358内部有两个独立的、高增益、内部频率补 偿的双运算放大器 电压表PV1为槽形电压表 稳压二极管VZ1用于保护表头 3、SG3524型PWM控制芯片介绍 加热元件的加热电阻R30（100Ω，10W） 采用功率管V20高效脉宽调制方式控制 SG3524是美国硅通用公司（SiliconGeneral）生产的 端推挽输出式脉宽调制器，工作频率高于100kHz，工作 温度为0℃～70℃，适宜控制100W～500W中功率开关电 源、加热器和直流电动机等。