第四章计算机控制实例
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微型计算机控制技术 赖寿宏版 课件 第四章
4Gc
(s)
1 1
0.456s 0.114s
为了补偿无源超前网络产生的增益衰减，放大器的增益需提高4倍， 否则不能保证稳态误差要求。
超前网络参数确定后，已校正系统的开环传递函数为
Gc (s)G(s)
10(1 0.456 s) s(1 0.114 s)(1
s)
第四章 数字控制器的直接设计
而二阶系统的幅值裕度比为+∞dB。相角裕度小的原因，是因为未 校正系统的对数幅频特性中频区的斜率为-40dB/dec。由于截止频 率和相角裕度均低于指标要求，故采用串联超前校正是合适的。
下面计算超前网络参数。试选ωm=ωc=4.4,由上图查得L(׳ωc)=6,于是算得a=4,T=0.114(s)。因此超前网络的传递函数为
超前网络。
R(s)
K
C(s)
-
s(s 1)
第四章 数字控制器的直接设计
解：设计时，首先调整开环增益。因为
则未校正系统开环传递函数
G(s) 10 s(s 1)
ess
1 K
0.1
，故取K=10，
上式代表最小相位系统，因此只需画出其对数幅频渐进特性,如下 图中L(׳ω)。
dB 40 20
当验算结果″不满足指标要求时，一般需重选ωm ,使ωm ＝ωc’’ 值增大，然后重复以上计算步骤。
例1。设控制系统如下图。若要求系统在单位斜坡输入信号作用时，
位置输入误差ess≤0.1,开环系统截止频率ωc’’≥ 4.4(rad/s) 相角裕度″≥ 45°，幅值裕度 h″(dB) ≥ 10(dB),试设计串联无源
在上述情况下，系统可采用其它方法进行校正，例如采用两级 （或两级以上）的串联超前网络进行串联超前校正，或采用一个迟 后网络进行迟后校正，也可以采用测速反馈校正。
计算机控制实例
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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
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
可编程序控制器PLCppt课件(共32张PPT)
现代PLC都采用微处理器〔CPU）、只读存储器 〔ROM〕随机存储器〔RAM〕或单片机为核心，几乎 完全计算机化，各种智能模块不断开发出来，其在工业 控制中的作用越来越广。
国际电工委员会(IEC) 1987对可编程控制器定 义：
可编程控制器是一种进行数字运算的电子系 统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控 制器．它采用了可编程序的存储器，用来在其内 部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和 算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式 的输入和输出，控制各种类型机械的生产过 程．可编程控制器及其有关外围设备，都按易于 与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原 则设计．
▪ 从接线逻辑到存储逻辑
▪ PLC控制系统将取代继电接触器控制系 统，但取代的是控制部分，控制系统信号 的采集和驱动输出部分仍然由电气元器件 承担。
可编程控制器的硬件组成
按钮
继电器触点 输 入 单 元
行程开关
CPU
输
存储器
出 单
元
电源部分
编程器或其他设备
整体型CPU模块的原理图
接触器 电磁阀
指示灯
存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程． 可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计．
继电器系统：先软件设计，后硬件安装。 能输入和输出多种形式信号－ －数字量信号和模拟量信号
经历四个发展阶段 崛起阶段〔1969-1975〕采用８位微处理
器芯片 成熟阶段〔1975-1979〕拓展了模拟量控
制功能 通信阶段〔1979-1985〕拓展了网络通信
功能 加速阶段〔1985-如今〕CRT显示功能，
国际电工委员会(IEC) 1987对可编程控制器定 义：
可编程控制器是一种进行数字运算的电子系 统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控 制器．它采用了可编程序的存储器，用来在其内 部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和 算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式 的输入和输出，控制各种类型机械的生产过 程．可编程控制器及其有关外围设备，都按易于 与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原 则设计．
▪ 从接线逻辑到存储逻辑
▪ PLC控制系统将取代继电接触器控制系 统，但取代的是控制部分，控制系统信号 的采集和驱动输出部分仍然由电气元器件 承担。
可编程控制器的硬件组成
按钮
继电器触点 输 入 单 元
行程开关
CPU
输
存储器
出 单
元
电源部分
编程器或其他设备
整体型CPU模块的原理图
接触器 电磁阀
指示灯
存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程． 可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计．
继电器系统：先软件设计，后硬件安装。 能输入和输出多种形式信号－ －数字量信号和模拟量信号
经历四个发展阶段 崛起阶段〔1969-1975〕采用８位微处理
器芯片 成熟阶段〔1975-1979〕拓展了模拟量控
制功能 通信阶段〔1979-1985〕拓展了网络通信
功能 加速阶段〔1985-如今〕CRT显示功能，
计算机控制系统设计实例
u
12.5%
t u
25%
t u
50%
t u
100%
t
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
计算机控制第四章课后题
T T2 T1 T T1 u ( k ) ( )u (k 1) e(k ) ( )e(k 1) T2 T2 T2
3.在PID调节器中系数 k p 、 k i 、kd 各有什么 作用？它们对调节品质有什么影响？
系数 k p 为比例系数，提高系数 k p 可以减小偏差，但永远不会使偏差 k 减小到零，而且无止境地提高系数p 最终将导致系统不稳定。比例调节 可以保证系统的快速性。
试用双线形变换法、前向差分法、后向差分 法分别求取数字控制器D(Z)。
双线形变换法：
2 z 1 把 s 代入，则 T z 1
2 z 1 1 T1 T z 1 D z D z | 2 z 1 s 2 z 1 T z 1 1 T2 T z 1 T 2T1 z T - 2T1 T 2T2 z T 2T2
w
(9 z )( f 21 z f 22 z )
因为:
1
1
2
1 ( z ) e ( z )
所以: 1 (1 0.1111 z 1 )( f 21z 1 f 22 z 2 ) (1 z 1 ) 2 (1 f11z 2 )
比较等式两边系数得： f11=0.11
6.有哪几种改进的数字PID控制器？
有四种： （1）积分分离PID控制算法 （2）不完全微分PID控制算法 （3）带死区的PID控制算法 （4）消除积分不灵敏区的PID控制
9.数字控制器直接（离散化）设计步骤是什么？
由广义对象的脉冲传递函数可得闭环脉冲传递函数， 可求得控制器的脉冲传递函数D(z)。 数字控制器的直接设计步骤如下： (1)根据控制系统的性质指标要求和其它约束条件， 确定所需的闭环脉冲传递函数Φ(z)。 (2)求广义对象的脉冲传递函数G(z)。 (3)求取数字控制器的脉冲传递函数D(z)。 (4)根据D(z)求取控制算法的递推计算公式。
计算机控制系统应用实例ppt课件
1. 以控制力为输入建立双摆系统的数学模型
F ：拖动电机对于滑车的控制力
M ：滑车质量
m1 m2
x
l1
l2
：上摆关节的质量 ：下摆关节的质量（包括摆锤） ：滑车距参考坐标系原点的横坐标 ：上摆质心距滑车铰链的长度 ：关节铰链距滑车铰链的长度（上摆杆
的摆长）
：关节铰链距下摆质心的长度 l3 ：上摆摆动角度
x5
0
x6 0
0 0 0 0 0
m1 m2 g M 0
( m1 m2 m1 m2 )g
M l1
m1 l1
0
m1 m2 g m2 l3
0 1 0 0 0
0
Be北immjmimn1京1g10002H和l&1mlJ3g君V2angg创uar业d10000T培rain训ingxxxxxx发1456&23 展Deve有lopM限meMn11000公t lC1o司.,LFtd. 11
2. 双摆实验控制系统性能指标
本实验系统控制的目的是：当滑车在导轨上以一定速度和加速 度运动时，应保持双摆的摆动角度最小；或双摆有任一初始摆 角时，系统将使双摆迅速返回平衡位置。
为实现上述控制目的，提出如下性能指标要求：
(1) 计算机D/A输出100mV时，电机应启动。 (2) 滑车最大运动速度为 0.4m／s，D/A的最大输出对应滑车的最大运行速 度。 (3) 当有较大的初始扰动（上摆角初始角度为50o）时，上下摆的摆角到达 稳态时间＜5s~6s，摆动次数＜3~4次。 (4) 当滑车从偏离零位处回归零位时，上下摆的摆角到达稳态时间＜5s~6s ，摆动次数＜3~4次。
m2 )g[(m1 m1l1 ( Mr
计算机控制系统特性分析
S 平面水平直线对应于z 平面具有相应角度的 直线, ω = ω s / 2 时，正好对应z 平面的横轴
S 平面的等 阻尼线对应于z 平面的螺旋线
2 对于二阶振荡系统 s + 2ξωn s + ω n = 0 ，在S平面上等 阻 尼线为通过原点的射线且 cos β = ξ ，在Z 平面上为螺旋 线。 2
3、采用修正劳斯判据判断系统的稳定性
例4.1 应用劳斯判据,讨论下图4.6所示系统的稳定性，其中 K=1，T=1s。
闭环脉冲传递函数为
Φ ( z) =
系统特征方程为 解：系统开环脉冲传递函数为
1 1 G ( z ) = Z [ H 0 ( s)Gp ( s )] = (1 − z −1 )Z [ Gp ( s )] = (1 − z −1 )Z [ 2 ] s s ( s + 1) 0.368 z + 0.264 = 2 z − 1.368 z + 0.368
系统判断稳定过程 1、系统分析 求出系统开环传递函数G(Z) 求出系统闭环传递函数 Φ( z) 求出系统特征方程
2、采用双线性变换 z = 1+ w 或 z = 1 + (T / 2) w 转 换到w 1 − (T / 2) w 1− w 域
w( z ) = an z n + an −1 z n −1 + an − 2 z n −2 + ..... + a1 z1 + a0 = 0 an wn + an−1w n−1 + an−2 wn −2 + ..... + a1w + a0 = 0
2
a1 > 0
w( z ) = a3 z 3 + a2 z 2 + a1 z + a0 = 0
【第二版】计算机控制系统(康波 李云霞)第4章
＝ 0, 9 0 0 ：S平面的虚轴，Z平面单位圆上。
z e
T
e
d T cot
z d T
cot
2 T ws
z e
T
e
n
ws
2
z n
2 1 ws
2
1 2
, wd wn 1 2
等自然频率轨迹映射
s平面上的等值线在z平面的映射: s平面实轴平行线的映射
j
A
0
[s ]
Im
[z]
AT 1
0
Re
4.1.1 S平面与Z平面的映射关系
s平面上等值线在z平面的映射: s平面虚轴平行线的映射
j
[s ]
Im
[z]
AT
A
0
e 1
0
Re
4.1.1 S平面与Z平面的映射关系
： 阻 尼 比 ， n： 无 阻 尼 自 然 振 荡 频 率 2 s1 , s2 , s1,2 n n 1 设系统的根为：
离散劳斯阵列：
前两行，各n项
wn
w n-2 w n-3 w
n 1
an
an2
an4
an6
...
... 0 w
... ...
an1 an3 an5 b1 b2 b3 c1 c2 c3
... ...
... ...
an 7 b4 c4
... ...
... ... ...
n+1
... ...
4.1.2 计算机控制系统稳定性的判别
计算机控制系统稳定性的判别方法： 离散劳斯判据： 因Z-W的变换是线性变换，故是一一对应的关系。 对应关系推导：略 Im [z] jy [w]
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pn 1K pen 1K I eiK D (en 1en 2) i 0
用Pn-Pn-1表示第n次输出量的增量算式为：
p n p n p n 1 K p ( e n e n 1 ) K I e n K D ( e n e n 1 e n 2 )
则第n次输出量：
pn pnpn1
给电阻炉加热元件供电的单相交流电源功率。
第四章计算机ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ制实例
4.1.2控制策略
⑴可控硅控制方式
u
采用检测交流电源的过零信 (a)
t
号，同步触发可控硅。通过
调整一定时间内可控硅的导
通周期个数，改变加热元件
的功率，达到控制温度的目 (b)
t
的。以八位二进制数所能表
uL
示的最大数255作为可控硅
(c)
t
存储器。只读存储器中存放控制程序、数据表格 等，随机存储器存放采样数据和中间计算过程； 数字显示器由八位七段LED显示器和锁存器组成， 可以同时显示四位炉温值和四位设定温度值； 配置了几个专用设置按键，用以设定温度值和升 降温时间段 ； 电阻炉加热元件采用硅碳棒，炉温检测使用铂-铑 铂热电偶，温度检测控制范围0～1200℃。
pnKpenT TS I i n0ei T TD S(enen1)
若令： KI= KP（TS / TI ）为积分系数；KD= KP（TD／TS） 为微分系数，则上式可写为：
n
pnKpenKI eiKD(enen1) i0
第四章计算机控制实例
根据递推原理，可写出n一l次的PID输出表达式：
n 1
GaN基蓝光LED产品的出现从根本上解决了发光二极管三 基色缺色的问题，是全彩显示不可缺少的关键器件。蓝光 LED具有体积小、冷光源、响应时间短、发光效率高、防 爆、节能、使用寿命长（使用寿命可达10万小时以上）等 特点。同时又是白光LED的基础，成为光电子新兴产业中 极具影响的产品。
第四章计算机控制实例
进程识别模块块
N
采样时间到？ 执行数据采样模块功能 执行数据显示模块功能 执行PID计算模块功能
控制进程完成？
参数输入模块：判断、识别按键状态。输入温度变化过程 控制参数和发出启停命令。
控制进程识别模块：按照设定的温度控制参数，执行温度 设定值控制和维相应持时间，保持升降温度递变梯度。
数据采样模块：每5.1秒（含完整的2个控制执行周期）启 动模数转换器对温度进行采样，同时对环境温度也采样一 次，进行热电偶冷端补偿。
N
周期计数器=0？ 触发计数器=Pn 进程计时器加一
中断返回
4.2半导体气相沉积外延生长控制系统
4.2.1 GaN基发光二极管及工艺. 4.2.2MOCVD反应室结构. 4.2.3控制系统的功能和构成.
第四章计算机控制实例
4.2.1 GaN基发光二极管及工艺
⑴ GaN基高亮度发光二极管（LED）
控制周期所能导通的最大半
周期数，控制周期时间为
2550ms，可控硅最小导同时 (d)
t
间是10ms.
第四章计算机控制实例
⑵控制算法
依据温度控制过程不同的变化阶段，采用不同的算法。保 温阶段且差值较小时使用PID算法；升、降温和有中等差 值时采用PD算法；差值较大时直接采用双位控制。常规 离散PID算式为：
第四章计算机控制实例
第四章、材料制备计算机控制应用实例
4.1单片机电阻炉温度控制系统.
4.2半导体气相沉积外延生长控制系统 . 4.3浮法玻璃生产线集散控制系统.
第四章计算机控制实例
4.1单片机电阻炉温度控制系统
4.1.1系统构成. 4.1.2控制策略. 4.1.3程序设计.
第四章计算机控制实例
数据显示模块：系统把0－1200℃范围内的电势温度特性 曲线分成基本成线性的75段，把每 隔16℃一点的热电势对 应A/D转换值以表格形式存入只读存储器中。该数值经过 查表和线性插值运算可得到相应的炉温值，再经过二-十 进制变换和显示字形变换，显示出正确的温度值。
第四章计算机控制实例
PID计算模块：根据采样变 换得到的温度值与设定值的 差值和当前的工作模式（升 温、降温、保温）进入不同 的计算公式进行计算，得到 控制输出值（控制周期可控 硅导通半周期数）。
4.1.1系统构成
控制系统由单片机、外围电路、双向可控硅和 电阻炉四部分组成。
交流电源
双向可控硅
数字显示器
设置按键
电 加热元件 阻
炉
触发电路
同步电路 热电偶信号 信号放大
存
单片机
储
器
A/D转换器
第四章计算机控制实例
单片机采用MCS—51系列Intel8031 ； 存储器包括8K字节的只读存储器和8K字节的随机
⑵ GaN基LED工艺流程
外延
分割
封装
光刻 淀积
第四章计算机控制实例
⑶ GaN基LED外延工艺
采用MOCVD工艺在蓝宝石基片上生长N型GaN和 P型GaN层以及多量子阱。
第四章计算机控制实例
热电偶输出信号经过一个放大电路，使检测信号 与模拟数字转换电路输入信号相匹配（一般是0～ 5V）；
模拟数字转换电路使用多路 12位转换电路，在 0～1200℃测温范围内分辨率约为0.3℃；
同时对环境温度采样，解决热电偶冷端温度补偿； 温度控制通过触发双向可控硅导通周期数调整供
输出控制模块：以交流电源 过零信号为中断触发信号， 按照输出值在控制周期内发 出相应次数的触发可控硅导 通信号。
报警模块：判断温度值是否 超出上下限，超限则对超限 次数计数，超过一定次数发 出超限报警。
第四章计算机控制实例
过零信号中断服务
Y
触发计数器=0？ 触发可控硅导通 触发计数器减一 周期计数器减一
第四章计算机控制实例
4.1.3程序设计
控制程序使用51系列 单片机汇编语言编制。 为便于修改，使程序 易读，程序使用模块 化结构。按照功能分 为参数输入、控制进 程识别、数据采样、 数据显示、PID计算、 输出和报警等七个模 块。
第四章计算机控制实例
主程序
系统初始化
N
有键输入？ 参数输入模块块
N
控制起动？
加热控制的分段算式为：
pn PP nn1 1K KPP((eennP een m n1 1 ， )a) x eK nK ID e1n(en0 。 C K ， D en( e10n , ； eenenn 121) 0 。 5C ,e。 C n2|)e|,ne|n |150 。 。 C C
Pn1,ex 2。 C
用Pn-Pn-1表示第n次输出量的增量算式为：
p n p n p n 1 K p ( e n e n 1 ) K I e n K D ( e n e n 1 e n 2 )
则第n次输出量：
pn pnpn1
给电阻炉加热元件供电的单相交流电源功率。
第四章计算机ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ制实例
4.1.2控制策略
⑴可控硅控制方式
u
采用检测交流电源的过零信 (a)
t
号，同步触发可控硅。通过
调整一定时间内可控硅的导
通周期个数，改变加热元件
的功率，达到控制温度的目 (b)
t
的。以八位二进制数所能表
uL
示的最大数255作为可控硅
(c)
t
存储器。只读存储器中存放控制程序、数据表格 等，随机存储器存放采样数据和中间计算过程； 数字显示器由八位七段LED显示器和锁存器组成， 可以同时显示四位炉温值和四位设定温度值； 配置了几个专用设置按键，用以设定温度值和升 降温时间段 ； 电阻炉加热元件采用硅碳棒，炉温检测使用铂-铑 铂热电偶，温度检测控制范围0～1200℃。
pnKpenT TS I i n0ei T TD S(enen1)
若令： KI= KP（TS / TI ）为积分系数；KD= KP（TD／TS） 为微分系数，则上式可写为：
n
pnKpenKI eiKD(enen1) i0
第四章计算机控制实例
根据递推原理，可写出n一l次的PID输出表达式：
n 1
GaN基蓝光LED产品的出现从根本上解决了发光二极管三 基色缺色的问题，是全彩显示不可缺少的关键器件。蓝光 LED具有体积小、冷光源、响应时间短、发光效率高、防 爆、节能、使用寿命长（使用寿命可达10万小时以上）等 特点。同时又是白光LED的基础，成为光电子新兴产业中 极具影响的产品。
第四章计算机控制实例
进程识别模块块
N
采样时间到？ 执行数据采样模块功能 执行数据显示模块功能 执行PID计算模块功能
控制进程完成？
参数输入模块：判断、识别按键状态。输入温度变化过程 控制参数和发出启停命令。
控制进程识别模块：按照设定的温度控制参数，执行温度 设定值控制和维相应持时间，保持升降温度递变梯度。
数据采样模块：每5.1秒（含完整的2个控制执行周期）启 动模数转换器对温度进行采样，同时对环境温度也采样一 次，进行热电偶冷端补偿。
N
周期计数器=0？ 触发计数器=Pn 进程计时器加一
中断返回
4.2半导体气相沉积外延生长控制系统
4.2.1 GaN基发光二极管及工艺. 4.2.2MOCVD反应室结构. 4.2.3控制系统的功能和构成.
第四章计算机控制实例
4.2.1 GaN基发光二极管及工艺
⑴ GaN基高亮度发光二极管（LED）
控制周期所能导通的最大半
周期数，控制周期时间为
2550ms，可控硅最小导同时 (d)
t
间是10ms.
第四章计算机控制实例
⑵控制算法
依据温度控制过程不同的变化阶段，采用不同的算法。保 温阶段且差值较小时使用PID算法；升、降温和有中等差 值时采用PD算法；差值较大时直接采用双位控制。常规 离散PID算式为：
第四章计算机控制实例
第四章、材料制备计算机控制应用实例
4.1单片机电阻炉温度控制系统.
4.2半导体气相沉积外延生长控制系统 . 4.3浮法玻璃生产线集散控制系统.
第四章计算机控制实例
4.1单片机电阻炉温度控制系统
4.1.1系统构成. 4.1.2控制策略. 4.1.3程序设计.
第四章计算机控制实例
数据显示模块：系统把0－1200℃范围内的电势温度特性 曲线分成基本成线性的75段，把每 隔16℃一点的热电势对 应A/D转换值以表格形式存入只读存储器中。该数值经过 查表和线性插值运算可得到相应的炉温值，再经过二-十 进制变换和显示字形变换，显示出正确的温度值。
第四章计算机控制实例
PID计算模块：根据采样变 换得到的温度值与设定值的 差值和当前的工作模式（升 温、降温、保温）进入不同 的计算公式进行计算，得到 控制输出值（控制周期可控 硅导通半周期数）。
4.1.1系统构成
控制系统由单片机、外围电路、双向可控硅和 电阻炉四部分组成。
交流电源
双向可控硅
数字显示器
设置按键
电 加热元件 阻
炉
触发电路
同步电路 热电偶信号 信号放大
存
单片机
储
器
A/D转换器
第四章计算机控制实例
单片机采用MCS—51系列Intel8031 ； 存储器包括8K字节的只读存储器和8K字节的随机
⑵ GaN基LED工艺流程
外延
分割
封装
光刻 淀积
第四章计算机控制实例
⑶ GaN基LED外延工艺
采用MOCVD工艺在蓝宝石基片上生长N型GaN和 P型GaN层以及多量子阱。
第四章计算机控制实例
热电偶输出信号经过一个放大电路，使检测信号 与模拟数字转换电路输入信号相匹配（一般是0～ 5V）；
模拟数字转换电路使用多路 12位转换电路，在 0～1200℃测温范围内分辨率约为0.3℃；
同时对环境温度采样，解决热电偶冷端温度补偿； 温度控制通过触发双向可控硅导通周期数调整供
输出控制模块：以交流电源 过零信号为中断触发信号， 按照输出值在控制周期内发 出相应次数的触发可控硅导 通信号。
报警模块：判断温度值是否 超出上下限，超限则对超限 次数计数，超过一定次数发 出超限报警。
第四章计算机控制实例
过零信号中断服务
Y
触发计数器=0？ 触发可控硅导通 触发计数器减一 周期计数器减一
第四章计算机控制实例
4.1.3程序设计
控制程序使用51系列 单片机汇编语言编制。 为便于修改，使程序 易读，程序使用模块 化结构。按照功能分 为参数输入、控制进 程识别、数据采样、 数据显示、PID计算、 输出和报警等七个模 块。
第四章计算机控制实例
主程序
系统初始化
N
有键输入？ 参数输入模块块
N
控制起动？
加热控制的分段算式为：
pn PP nn1 1K KPP((eennP een m n1 1 ， )a) x eK nK ID e1n(en0 。 C K ， D en( e10n , ； eenenn 121) 0 。 5C ,e。 C n2|)e|,ne|n |150 。 。 C C
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