计算机控制系统中常用的设备
第5章计算机控制系统中常用的设备
●本章的教学目的与要求
掌握各种传感器、变送器及其执行机构的原理及使用方法。
●授课主要内容
●传感器和变送器
●执行机构和执行器
●主要外语词汇
Sensor:传感器，Transmeter:变送器，Executive body:执行机构
●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
●各种传感器的原理和使用***
●各种执行机构和执行器的原理和使用***
●辅助教学情况
多媒体教学课件（POWERPOINT）
●复习思考题
●各种传感器的原理和使用
●各种执行机构和执行器的原理和使用
●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
第5章 计算机控制系统中常用的设备
5.1 传感器和变送器
传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器的输出信号有多种形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形式由传感器的原理确定。
变送器在控制系统中起着至关重要的作用，它将工艺变量（如温度、压力、流量、液位、成份等）和电、气信号（如电流、典压、频率、气压信号等）转换成该系统统一的标准信号。
一 信号传输及供电的四线制与两线制
变送器是现场仪表，在传统的DDZ 控制系统以及DCS 控制系统中，电源及大多计算、调节、控制和显示仪表都安装在距现场有一段距离的控制室，要将变送器采集的现场信号送入控制室，必须对变送器考虑信号传输及供电的问题。
对此目前广泛采用的是四线制和两线制方式。
四线制指仪表的信号传输与供电用四根导线，其中两根作为电源线，另两根作为信号线。
两线制指仪表的信号传输与供电共用两根导线，即这两根导线既从控制室向变送器传送电源，变送器又通过这两根导线向控制室传送现场检测到的信号。两线制变送器的应用已十分流行，它与非两线制仪表相比，节省了导线，有利于抗干扰及防爆。
HART 协议仪表仍引用两线制，它在两根导线上增加第三项功能：传输数字的控制信号。
二 压力变送器
1. 压力检测的主要方法和分类
压力检测的方法很多，按敏感元件和转换原理的特性不同，一般分为以下几类：
液注式压力检测：它是依据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度来实现测量的。利用这种方法测量压力的仪器主要有U 型管压力计、单管压力计、斜管微压计等。
弹性式压力检测。它是根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移来实现测量的，常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管等。
负荷式压力检测。它是基于静力平衡原理进行压力测量的，典型仪表主要有活塞式、浮球式和钟罩式三大类。
电气式压力检测。它是利用敏感元件将被测压力转换成各种量，如电阻、电感、电容、电位差等。 其它压力检测方法，如弹性振动式压力计、压磁式压力计。
2. 电容式差压变送器
电容式差压变送器主要由两部分构成：测量部分与转换电路。测量部分由检测机构将压力差转换为微小的位移δ，然后通过特种方法将δ转换为某种中间变量。转换电路再将中间变量转换为标准信号输出。检测机构由δ室实现，如图5.1所示。 智能型压力或差压变送器就是在普通压力或差压传感器的基础上增加微处理器电路而形成的智能检测仪表。
智能型变送器的特点是可进行远程通信。通过编制各
种程序，使变送器具有自修正、自补偿、自诊断及错误方
式报警等多种功能，因而提高了变送器的精确度，促使变送器与计算机、控制系统直接对话。
三 温度检测及变送器
1. 测温方法分类
根据测量方法，可将温度测量划分为接触式测温和非
接触式测温两大类。
接触式测温。接触式测温是基于物体的热交换原理设计而成的。其优点是：较直观、可靠；系统结构相对简单；测量准确高。其缺点是：测温时有较大的滞后，在接触过程中易破坏被测对象的温度场分布，造成测量误差；不能测量移动或太小物体；测温上限受温度计材质限制，所测温度不能太高。
非接触式测温。非接触式测温是基于物体的热辐射特性与温度之间的对应关系设计而成的。其优点是：测温范围广；测温过程中不破坏被测对象的温度场分布；能测运动的物体；测温响应速度快。缺点是：所测温度受物体发射率、中间介质和测量距离等的影响。
2. 热电偶测温原理及热电偶温度变送器
测温原理：
热电偶温度计利用材料的热电效应。如图所示，将两种不同的导体或半导体A 和B 接成闭合回路，可动极板固定极板
图5.1 检测机构结构示意图
接点置于各为T 及T0温度场中，设T>T0，则在该回路中会产生热电动势：接触电势与温差电势，分别为eAB(T)、eAB(T0)、eA(T,T0)、和eB(T,T0)，它们与T 及T0有关，与两种导体材料的特性有关。可以导出回路总电势： ?=
T T B A AB dt N N e k T T E 0ln ),(0 即，)()(),(00T e T e T T E AB AB AB -= （5.3）
在实际应用中，保持冷端温度T0不变，则总热电势EAB(T,T0)
只是温度的单值函数： c T e T T E AB AB -=)(),(0 （5.4）
工业上常用的各种热电偶的温度-热电势关系曲线是在冷端温度保持为0oC 的情况下得到的。 利用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为0oC ，或者是进行一定的修正才能得出准确的测量结果。这样做就称为热电偶的冷端温度补偿，一般采用的方法有：冷端温度保持为0oC 的方法、冷端温度修正法、校正仪表零点法、补偿电桥法及补偿热电偶法。
工业上常用的（已标准化）热电偶：
铂铑30-铂铑6热电偶（分度号位B ）、铂铑10-铂热电偶（分度号为S ）、镍铬-镍硅（镍铬-镍铝）热电偶（分度号位K ）等。
热电偶温度变送器与热电偶配套使用，将温度转换成4—20mA 和1—5V 的统一标准信号。热电偶
3. 热电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值随温度变化的性质来测量温度的。其电阻值与温度关系如下式：
)](1[00t t R R t t -+=α （5.5） t
R R t t ??=?0α （5.6）
式中 Rt ——温度为t oC 时的电阻值；
Rt0——温度为t0（通常为0oC ）时的电阻值；
α——电阻温度系数；
Δt ——温度的变化值；
ΔRt ——电阻值的变化量。
可见，由于温度的变化，导致了金属导体电阻的变化。这样只要设法测出电阻值的变化，就可以达到温度测量的目的。
目前应用最广泛的是铂电阻（WZP ）和铜电阻（WZC ）。
热电阻引线的功能是使感温元件能与外部测量线路相连接。热电阻引线对测量结果有较大的影响，现在常用的引线方式有两线制、三线制和四线制三种。
两线制。在热电阻感温元件的两端各连一根导线的引线形式为两线制。
三线制。在热电阻感温元件的一端连接两根引线，另一端连接一根引线，此种引线方式称为三线制。工业热电阻通常采用三线制接法。
四线制。在热电阻感温元件的两端各连接两根引线接法称四线制。主要用于高精度温度检测。其中两根引线为热电阻提供恒流源I ，在热电阻上产生的压降通过另两根引线引至电位差计进行测量。 热电阻温度变送器与热电阻配套使用，将温度转换成4—20mA 和1—5V 的统一标准信号。热电组
温度变送器的结构大体上也可以分为三大部分：输入桥路、放大电路及反馈电路。如图5.4所示。和热电偶温度变送器比较，放大电路是通用的，只是输入电桥和反馈电路不同。
四 流量检测及变送
1. 卡曼涡街流量变送器
在管道轴线上放置于管道轴线向垂直的障碍柱体
（不管是圆柱、方柱、还是三角柱），管道中会产生有
规律的漩涡序列，如图5.5所示。漩涡成两列而且平
行，像街灯一样，故称“涡街”。
每个漩涡间距离为l ，两列漩涡间距离为h 。实验
和研究表明，当h/l=0.281时，涡街将表现出稳定的
周期现象，其涡街频率f 与管道内障碍柱体两侧介质
流速v1之间的关系为：
d v S f t 1 ，式中，St 为“斯特拉哈尔数”，与障碍物形状和雷诺数有关。当障碍物形状以及管道都确定后，可以导出体积流量qV 与频率f 成正比，即qV=kf 。
只要测出涡街的频率f ，就能得到流过流量计管道的流体的体积流量。涡街频率有许多种可行的测量方法，其中应力检测法更加成熟并已推出系列化产品。
2. 电磁式流量计
电磁流量计是根据电磁感应定律工作的流量计，它能
测量具有一定电导率的液体的体积流量。
电磁流量计通常由变送器和转换器两部分组成。被测
介质的流量经变送器变换成感应电势后，再经转换器把电
势信号转换成统一的0—10mA 直流信号作为输出，以便进
行指示、记录或与电动单元组合仪表配套使用。
电磁流量计变送部分的原理图如图5.7所示。在一段
用非导磁材料制成的管道外面，安装有一对磁极N 和S ，
用以产生磁场。当导电液体流过管道时，因流体切割磁力
线而产生了感应电势（。此感应电势由与磁极成垂直方向
的两个电极引出。当磁感应强度不变，管道直径一定时，
这个感应电势的大小仅与流体的流速有关，而与其它因素
无关。将这个感应电势经过放大、转换、传送给显示仪表，
就能在显示仪表上读出流量来。 五 物位测量
1.物位仪表的分类
物位测量方法很多，但无论是哪一种测量方法，一般都可以归结为测量某些物理参数，如测量高度、压力（压差）、电容、γ射线强度和声阻等。物位仪表按所使用的物理原理可分为：
直读式物位测量仪表。它可以直接用于被测容器连通的玻璃罐或玻璃板来显示容器中的液位高度，它是最原始但仍应用较多的物位测量仪表。
浮力式物位测量仪表。利用浮子高度随液位变化而改变或液体对浸沉于液体中的浮子（或称沉筒）的浮力随液位高度而变化的原理来工作。它也是一种应用最早并且应用范围很广的物位测量仪表。
静压式物位测量仪表。它是利用液柱或物料堆积对某定点产生压力，测量改点压力或测量改点与另一参考点的压差而间接测量物位的仪表。
电磁式物位测量仪表。它是将物位的变化转换为电量的变化，进行间接测量物位的仪表。它可以分为电阻式（即电极式）、电容式和电感式物位仪表等，还有利用压磁效应工作的物位仪表。
核辐射式物位仪表。利用核辐射透过物料时，其强度随物质层的厚度而变化的原理而工作的，目前应用较多的是γ射线。
声波式物位测量仪表。由于物位的变化引起声阻抗的变化、声波的遮断和声波反射距离的不同，测出这些变化就可测出物位。
光学式物位测量仪表。利用物位对光波的遮断和反射原理工作，它利用的光源可以有普通白炽灯光或激光等。
2.差压式液位变送器
利用差压或压力变送器可以方便的测量液位，且能输出标准的电流或气压信号。差压式液位变送
图5.5 卡曼涡街形成原理示意图图5.7 电磁流量计原理图
器是利用容器内的液位改变时，由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的。其原理如图5.8所示。
将差压变送器的一端接液相，另一端接气相。设
容器上部空间为干燥气体，其压力为p ，则
g H p p 1ρ+=
p p 2= （5.12）
因此可得
g H p p p 21ρ=-=? （5.13）
式中 H ——液位高度
ρ——介质密度
g ——重力加速度
p1，p2——分别为差压变送器正、负压室的压力
通常，被测介质的密度是已知的。差压变送器测
得的差压与液位高度成正比，这样就把测量液位高度
转换成测量差压的问题了。 3. 浮筒式液位计
圆柱形的浮筒沉浸在液体之中，当液面变化时，它被浸没的体
积也有变化，浮筒受到的浮力就与原来的不同，所以可通过检测浮
力变化来测定液位。
筒是通过弹簧固定在一定位置上的，如图5.9所示，此时弹簧
的张力与浮筒在液体中的重量相平衡。
设浮筒重量为W ，截面积为A ，液体的重度为γ，液面的高度
为H ，弹簧刚度为c ，弹簧的压缩位移为x ，则
γAH W cx -= （5.14）
这里是以液面刚刚接触浮筒处为液面零点的。若液面升高了
ΔH ，浮力增加，弹簧压缩变形为Δx ，此时平衡式为
γ)()(x H H A W x x c ?-?+-=?- （5.15）
上述两式相减得 Kx x A c 1H =?+=?)(γ （5.16）
式（5.16）说明：液位变化是与弹簧变形程度成比例的。通过弹簧后，浮力（液位）的变化线形的转换为浮筒连杆上铁芯的位移，铁芯的位移又由差动变压器转换成比例输出的电压变化ΔU ，从而可测量并传送出液位的信号。改变浮筒的尺寸（更换浮筒），可以改变量程。
六 成分分析及变送
1. 成分分析原理
成分自动分析仪表是利用各种物质之间存在的差异，把所要检测的成分或物质性质转换成某种电信号，进行非电量的电测。
一般来说，成分自动分析仪表由三个部分组成：
检测。检测部分将被测物质的成分或性质的变化转换成电信号。例如，当用玻璃电极测量的pH 值时，电极将溶液中的氢离子浓度转化为电动势；又如热导式气体分析器，气体成分的变化被转化成为热敏电阻值变化。
信号处理。检测送出的电信号一般都很微弱，因此常设有特种的前置放大模块及数据处理装置。 取样及预处理。为了保证连续自动的供给分析检测系统合格的样品，正确取样并进行预处理十分重要。取样及预处理装置常包括：抽吸器、冷却器、机械夹杂及化学杂质过滤器、转化器、干燥器、稳流器、稳压器、流量指示器等。
2. 红外线气体分析仪
红外线是波长为0.76—420μm 之间的电磁波，因其和可见光的红光波段相邻且位于可见光之外，故称为红外线。任何物质只要绝对温度不为零，都在不断的向外辐射红外线。各种物质在不同状态下辐射出的红外线的强度和波长是不同的。
各种多原子气体（CO2、CO 、CH4等）对红外线都有一定的吸收能力，吸收某些波段的图5.8 差压液位变送器原理图
图5.9 浮筒液位计原理图
???????????????????????????????????实验室形（色散型）
补偿型负式正式双光束单光束直读型非色散型色散型工业型红外线分析仪
红外线。这些波段称为特征吸收波段。不同的气体具有不同的特征吸收波段。双原子气体（N2、O2、H2、Cl2等）以及惰性气体（He、Ne等）对1—25μm以内的红外线均不吸收，因此，选择性吸收是制造红外线气体分析器的依据。
红外线被吸收的数量与吸收介质的浓度有关，当射线进入介质被吸收后，其透过的射线强度I按
指数规律减弱，由朗伯—贝尔定律确定
Cl
e
I
Iμ-=
.
红外线气体分析仪分类如图5.10所示。
七其它常用信号类型及其检测
除去上面介绍的传感器和变送器外，工业现场还有大量的其它类型信号在大量的使用，如用于开关信号检测的接近开关、光电开关等，用于速度检测的测速发电机，用于速度或位移检测的旋转编码器等等。
1. 行程开关、接近开关
行程开关、接近开关主要将机械位移变为电信号，以实现对系统的控制，广泛的应用在机电一体化的设备上，作为电路自动切换、限位保护、行程控制等应用。
行程开关通过机械力使触点动作，可分为快速动作、非快速动作及微动三种。结构如图5.13。
图5.13 行程开关图5.14 接近开关
接近开关是一种无触点电子开关,当被检测的
物体接近到一定距离时,不需要接触就能发出开关
动作信号。是一种在一定距离内,检测金属有无的传
感器,它给出的是开关信号,具有一定驱动负载的能
力
光电开关也是一种常用的开关型检测元件。它
有投光器、受光器和电源组成，投光器常用发光二
极管，受光器常用光敏二极管或光敏三极管。其工
作原理是使投光器和受光器相对，当被测物体挡住
从投光器发射出的光线时，受光器就输出相应的控
制信号。光电开关按检测方式可分为反射式、对射
式两种类型。
2. 测速发电机
测速发电机是一种专门用来测量转速的微型电机，其本质
是一种微型发电机。
有直流和交流两种，直流测速发电机输出电压和转速有较
好的线性关系，并且直流的极性可以反映出转动的方向，应用
方便。
交流测速发电机的输出频率与转速严格对应，输出信号可
经放大整形变换电路转换成标准的电压或电流信号。
3. 光电编码器
光电编码器作为一种传感器具有精度高、耗能低、非接触
无磨损、稳定可靠等优点。
编码器应用对象，就其所测量的物理量的性质，它可对运动机械的直线位移、角位移、速度、相位等进行测量，也可间接地对能变换成这些量的。
工业发达的国家，光电编码器已深入产业机械自动化(FA)、商场自动化(SA)、办公室自动化(OA)、家庭自动化(HA)。美国、日本、德国等国都有百万台以上的光电编码器的市场，在长度测量、角度测量、速度测量和相位测量方面应用广泛。
编码器在其工作原理上、结构上及其输出信号上的不同，其品种规格也不同。
图5.10 红外线气体分析仪分类图
图5.15 光电开关
（1）按工作原理分类
编码器作为检测传感器件应能对输人的
信号(被测物理量)转换成便于显示、传输、放
大和比较的信号，以供人们观察或为自控系统
所接受，通常是将非电量转变为电学量。转换
介质不同工作原理也不同。编码器按工作原理
分类如表5-1
（2）按输出信号特征分类
根据信号的输出特征，通常分为增量式光
电编码器和绝对式光电编码器。
5.2 执行器与执行机构
执行器在自动控制系统中的一个重要组
成部分。它的作用是接收控制器送来的控制信
号，改变被控介质的流量，从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。
执行器的动作是由调节器的输出信号通过各种执行机构来实现的。
执行器由执行机构与调节机构构成，在用电信号作为控制信号的空中系统中，目前广泛的应用以下三种控制方式，如图5.16所示。执行器有各种不同的分类方法，其分类如下：
按动力能源分类 分为气动执行器、电动执
行器、液动执行器。
按动作极性分类 分为正作用执行器和反
作用执行器。
按动作行程分类 分为角行程执行器和直
行程执行器。
按动作特性分类 分为比例式执行器和积分式执行器。
智能电动执行器将伺服放大器与操作器转换成数字微电脑电路，而智能执行器则将所有的
环节集成，信号通过现场总线由变送器或操作站
发来，可以取代调节器。 一 气动执行器
气动执行器又称为气动调节阀，由气动执行机构和调节阀（控制机构）组成。执行器上有标尺，用以指示执行器的动作行程。
1. 气动执行机构
常见的气动执行机构有薄膜式和活塞式两大类。其中薄膜式执行机构最为常用，它可以用作一般控制阀的推动装置，组成气动薄膜式执行器。气动薄膜式执行机构的信号压力p 作用于膜片，使其变形，带动膜片上的推杆移动，使阀芯产生位移，从而改变阀的开度。
气动薄膜执行机构的输入、输出特性是非线性的，且存在正反行程的变差。实际应用中常用上阀门定位器，可减小一部分误差。
气动薄膜执行机构有正作用和反作用两种形式。
气动活塞执行机构的主要部件为气缸、活塞、推杆，气缸内活塞随气缸内两侧压差的变化而移动。其特性有比例式和两位式两种。两位式根据输入活塞两侧操作压力的大小，活塞从高压侧被推向低压侧。比例式是在两位式基础上加以阀门定位器，使推杆位移和信号压力成比例关系。
2. 控制机构
控制机构即调节阀，实际上是一个局部阻力可以改变的节流元件。通过阀杆上部与执行机构相连，下部与阀芯相连。由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，被控介质的流量也就相应的改变，从而达到控制工艺参数的目的。
调节阀由阀体、阀座、阀芯、阀杆、上下阀盖等组成。调节阀直接与被控介质接触，为适应各种使用要求，阀芯、阀体的结构、材料各不相同。
调节阀的阀芯有直行程阀芯与角行程阀芯。常见的直行程阀芯有：平板形阀芯，柱塞型阀芯,窗口形阀芯，多级阀芯。角行程阀芯通过阀芯的旋转运动改变其与阀座间的流通截面。常见的角行程阀调节阀调节阀调节阀气动执行机构气动执行机构电动执行机构操作箱 电/气阀门定位器电/气转换器伺服放大器调节器调节器调节器图5.16 执行器的构成及控制形式 表5.1 编码器分类表
芯形式有：偏心旋转阀芯、蝶形阀芯、球形阀芯。
根据不同的使用要求，控制阀的结构形式很多，如图5.18所示，主要有以下几种： 球阀
凸轮挠曲阀
蝶阀
套筒式调节阀（笼式阀）
隔膜阀
直通双座阀（反装）直通双座阀（正装）
直通单座阀图5.18 控制阀结构 调节阀的流量特性是指介质流过调节阀的相对流量q/qmax 与相对位移（即阀芯的相对开度）l/L 之间的关系 )(L l f q q
max 由于调节阀开度变化时，阀前后的压差ΔP 也会变，
从而流量q 也会变。为分析方便，称阀前后的压差不随阀的开度变化的流量特性为理想流量特性；阀前后的压差随阀的开度变化的流量特性为工作流量特性。如图5.19所示，对不同的阀芯形状，具有不同的理想流量特性：
直线流量特性。 等百分比流量特性。
抛物线流量特性。
快开流量特性。 如图 5.16所示的各种调节
阀，其特性都不过零（即都有泄
露），为此，常接入截止阀。
3. 电/气转换器和电/气阀
门定位器
在实际系统中，电与气两种信
号常是混合使用的，这样可以取长
补短。因而有各种电/气转换器及气/电转换器把电信号（0—10mA DC 或4—20mA DC ）与气信号（0.02
—0.1MPa ）进行转换。 电/气转换器可以把电动变送器来的信号变为气信号，送到气动
控制强或气动显示仪表；也可把电
动控制器的输出信号变为气信号去驱动气动控制阀，此时常用电/气阀门定位器，它具有电/气转换器和气动阀门定位器两种作用。
电/气转换器简化原理图如图5.20所示。
电/气阀门定位器具有电/气转换器与阀门定位器的双重功能，它接收电动调节器输出的4—20mA 直流电流信号，输出0.02—0.1MPa 或0.04—0.2MPa （大功率）气动信号驱动执行机构。由于电/气阀门定位器具有追踪定位的反馈功能，电信号的输入与执行机构的位移输出之间的线性关系比较好，/（%）/（%）43
21 图5.19 理想流量特性1--快开；2--直线；3--抛物线；4--等百分比图5.20 电气转换器简化原理图
控制精度比单用电/气转换器执行机构工作模式高。
电/气阀门定位器原理如图5.21所示。
智能型电/气阀门定位器以微
处理器为核心，采用的是数字定位技术，即将从调节器传来的控制信号（4—20mA ）转换成数字信号后
送入微处理器，同时将阀门开度信号也通过A/D 转换后反馈回微处
理器，微处理器将这两个数字信号按照预先设定的性能、关系进行比
较，判断阀门开度是否与控制信号相匹配（即阀杆是否移动到位），如果正好匹配即偏差为零，系统处
于稳定状态，则切断气源，即使两阀（可以是电磁阀或压电阀）均处
于切断状态（梁阀军只有通和断粮
种状态），否则，应根据偏差的大小和类别（正偏差或负偏差）决定两阀的动作，使阀芯准确定位。
智能型电/气阀门定位器的先进性在于：控制精度高、能耗低、调整方便、可任意选择流量阀的流量特性、故障报警，并通过接口与其它现场总线用户实现通信。
二 电动执行器
电动执行器和气动执行器一样，是控制系统中的一个重要部分。它接收来自控制器的4—20mA 或0—10mA 直流电流信号，并将其转换成相应的角位移或直行程位移，去操纵阀门、挡板等控制机构，以实现自动控制。
电动执行器有直行程、角行程和多转式等类型。这三种类型的执行机构都是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，三者电气原理完全相同，只是减速器不一样。下面讨论角行程电动执行机构。
电动执行器主要由伺服放大器和执行机构组成，中间可以串接操作器。
伺服放大器接收控制器发来的控制信号，将其同电动执行机构输出位移的反馈信号If 进行比较，若存在偏差，则差值经过功率放大后，驱动两相伺服电机转动。再经减速器减速，带动输出轴改变转角θ。若差值为正，则伺服电机正转，输出轴转角增大；若差值为负，则伺服电机反转，输出轴转角减小。当差值为零时，伺服放大器输出接点信号让电机停转，此时输出轴就稳定在与该输入信号相对应的转角位置上。
电动执行机构的伺服放大器由前置磁放大器、触发器（Ⅰ和Ⅱ）及两个可控硅交流开关组成。前置磁放大器将三个输入电流信号和一个反馈电流信号进行磁处理和放大，做运算：Ii1+Ii2+Ii3-If ，输出与之成比例的向敏电压信号Uab ，Uab 通过两个触发器控制两个可控硅交流开关，用以控制单向伺服电机的换向转动与停转。If 反映电动执行机构输出位移量的大小，当If 与输入电流信号相同时，Uab 为零，两个可控硅交流开关会截止，伺服电机会停止转动。因此，伺服放大器的作用是接收调节器发来的控制信号，输出控制电机正转、反转和停转的接点开关信号。
执行机构伺服电机输出机械转矩，停转时又能可靠制动，克服惰走，抵制负载对电机的反作用力。伺服电机由鼠笼转子和均匀绕有两组绕组的定子组成。由于分相电容的作用，定子绕组中的交流电流在定子中产生旋转磁场，感应转子并产生与定子磁场相差一个角度的感应旋转磁场。两个磁场相互作用而使转子转动。在电机转子一端的环上嵌装着磁路相互隔离的衔铁。通电后电机转动时，转子吸动制动轮，使它与制动盘脱开，于是电机转动。断电时，衔铁磁场消失，压缩弹簧将制动轮压入制动盘，迫使电机停转。制动轮上的调节螺钉可调整压缩弹簧，改变衔铁和制动轮轴套间的间隙，以保证可靠吸放。
位置发送器位于电动执行机构的反馈通道上，将电动执行机构输出的角位移信号（0?—90?）转换成反馈电流If ，转换精度直接影响执行器的精度。
三 现场总线执行器
近年来，随着现场总线的出现和发展，在国际上一些有影响的生产工业阀门和执行器的专业化大公司相继开发设计出符合现场总线通信协议的阀门和执行器产品。
符合现场总线的智能执行器由传统的执行器、含有微处理器的控制器以及可与PC 或PLC 双向通信的模件及软件组成，具有与上位机或控制系统通信的功能。其特点大致可分为：
（1） 智能化和高精度的系统控制功能。
图5.21 电气阀门定位器
（2）一体化的结构。
（3）智能化的通信功能。
（4）智能化的系统保护和自身保护功能。
（5）智能化的自诊断功能。
（6）灵活的组态功能。
四其它驱动元件
1. 直流伺服电机
直流伺服电机是控制系统中具有特殊用途的电动机。它的工作原理、基本结构及内部电磁关系和一般用途的电动机相同。一般分为永磁式和电磁式两种基本结构类型。电磁式直流伺服电机按励磁方式不同又分为它励、并励、串励和复励四种；永磁式直流伺服电机也可看作是一种它励式直流电动机。直流伺服电机具有启动力矩大，调速范围广，机械特性和调节特性线性度好，控制方便等特点。一般把直流电机的电枢电压作为控制信号，实现电动机的转速控制。
2. 交流伺服电机
与直流伺服电机一样，交流伺服电机在自动控制系统中也常被用来作为执行元件。作为交流伺服电动机使用的有异步型和同步型两种，异步型交流伺服电动机定子放置线圈，转子为鼠笼型，大量用作机床和通用工业机器的驱动元件；同步型交流伺服电动机定子放置线圈，转子为永久磁钢，根据磁极位置从电机外部进行换向，也可称为无刷直流电动机。永磁钢的交流伺服电动机按其励磁方式和供电方式的不同又可分为两类：一类电机的水久磁铁励磁磁场为正弦波，定子绕组感应出来的反电动势为正弦波，逆变器提供正弦波电流。另一类电机的水久磁铁励滋磁场为方波，定子绕组感应出来的反电势为梯形波，逆变器提供方波电流。
3. 步进电机
步进电机又称为脉冲电机，是计算机控制系统的一中执行元件。其功用是将脉冲电信号转换成相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲信号，电动机就转动一个角度或前进一步，步进电动机的角位移量θ或线位移量s与脉冲数k成正比；它的转速n，或线速度v与脉冲频率f成正比。在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化。因而可适用开环系统中作为执行元件，使控制系统大为简化。步进电动机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速；能够快速启动、反转和制动。它不需要变换能直接将数字脉冲信号转换为角位移，很适合采用计算机控制，被广泛的应用于简易数控机床、送料机构、仪器仪表等领域。
4. 液压阀
液压阀的种类很多，按不同的分类方法可有许多种类型。
按功能分，液压阀可分为：
（1）压力控制阀如溢流阀、减压阀、顺序阀等。
（2）方向控制阀如单向阀、电磁换向阀、电液换向阀等。
（3）流量控制阀如节流阀、调速阀、溢流节流阀、分流阀等。
按液压系统的压力分，所使用的液压阀可分为节流阀、分流阀等。
（1）低压阀其允许使用压强≤6Mpa；
（2）中压阀其允许使用压强≤16Mpa；
（3）高压阀其允许使用压强>16Mpa；
按阀的工作方式分，液压阀可分为开关型和模拟量两种。开关型液压阀工作在开和关两种工作状态，通过控制电磁铁的通断来实现。模拟量阀连续控制液压系统的压力、流量的变化，如比例阀、伺服阀，它是通过对比例电磁铁输入连续变化的模拟量信号来实现的。
《计算机控制系统》课后题答案-刘建昌等科学出版社
第一章计算机控制系统概述 习题与思考题 1.1什么是计算机控制系统？计算机控制系统较模拟系统有何优点？举例说明。 解答：由计算机参与并作为核心环节的自动控制系统，被称为计算机控制系统。与模拟系统相比，计算机控制系统具有设计和控制灵活，能实现集中监视和操作，能实现综合控制，可靠性高，抗干扰能力强等优点。例如，典型的电阻炉炉温计算机控制系统，如下图所示： 炉温计算机控制系统工作过程如下：电阻炉温度这一物理量经过热电偶检测后，变成电信号（毫伏级），再经变送器变成标准信号（1-5V或4-20mA）从现场进入控制室；经A/D 转换器采样后变成数字信号进入计算机，与计算机内部的温度给定比较，得到偏差信号，该信号经过计算机内部的应用软件，即控制算法运算后得到一个控制信号的数字量，再经由D/A转换器将该数字量控制信号转换成模拟量；控制信号模拟量作用于执行机构触发器，进而控制双向晶闸管对交流电压（220V）进行PWM调制，达到控制加热电阻两端电压的目的；电阻两端电压的高低决定了电阻加热能力的大小，从而调节炉温变化，最终达到计算机内部的给定温度。 由于计算机控制系统中，数字控制器的控制算法是通过编程的方法来实现的，所以很容易实现多种控制算法，修改控制算法的参数也比较方便。还可以通过软件的标准化和模块化，这些控制软件可以反复、多次调用。又由于计算机具有分时操作功能，可以监视几个或成十上百个的控制量，把生产过程的各个被控对象都管理起来，组成一个统一的控制系统，便于集中监视、集中操作管理。计算机控制不仅能实现常规的控制规律，而且由于计算机的记忆、逻辑功能和判断功能，可以综合生产的各方面情况，在环境与参数变化时，能及时进行判断、选择最合适的方案进行控制，必要时可以通过人机对话等方式进行人工干预，这些都是传统模拟控制无法胜任的。在计算机控制系统中，可以利用程序实现故障的自诊断、自修复功能，使计算机控制系统具有很强的可维护性。另一方面，计算机控制系统的控制算法是通过软件的方式来实现的，程序代码存储于计算机中，一般情况下不会因外部干扰而改变，因此计算机控制系统的抗干扰能力较强。因此，计算机控制系统具有上述优点。 1.2计算机控制系统由哪几部分组成？各部分的作用如何？ 解答：计算机控制系统典型结构由数字控制器、D/A转换器、执行机构和被控对象、测量变送环节、采样开关和A/D转换环节等组成。 被控对象的物理量经过测量变送环节变成标准信号（1-5V或4-20mA）；再经A/D转换器采样后变成数字信号进入计算机，计算机利用其内部的控制算法运算后得到一个控制信号的数字量，再经由D/A转换器将该数字量控制信号转换成模拟量；控制信号模拟量作用于执行机构触发器，进而控制被控对象的物理量，实现控制要求。 1.3应用逻辑器件设计一个开关信号经计算机数据总线接入计算机的电路图。
计算机控制系统的特点及其应用领域
第一章计算机控制系统的特点及其应用领域。 1.计算机控制系统的控制过程是怎样的? 计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤： (1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。 (2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。 (3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。 2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？ (1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。 (2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。 (3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。 3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？ 由四部分组成。 图1.1微机控制系统组成框图 (1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。 (2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。 (3)外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，
计算机控制理论答案
第一讲 1、什么是计算机数字控制系统？一般由哪几部分组成？请用框图形式给出实例，并简单说明其工作原理。 计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制机）来实现生产过程自动控制的系统；一般由计算机和生产过程两部分组成； 计算机控制系统由工业控制计算机主体（包括硬件、软件与网格结构）和生产过程两大部分组长。其中硬件系统有主机、输入输出通道、外部设备、检测与执行机构组成； 三个步骤原理： ①实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输 入。 ②实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制 规律，决定将要采取的控制行为。 ③实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完 成控制任务。 2、实时、在线方式、离线方式的含义是什么？ 实时：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间围完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。 在线方式：在线方式亦称为联机方式，是指生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为。
离线方式：离线方式亦称为脱机方式，是指生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并做相应操作的方式。 3、简述计算机数字控制系统的发展趋势。 计算机数值控制系统的发展趋势有控制系统的网络化、扁平化、只能化、综合化。 第二讲 1、简述计算机控制系统中过程通道的基本类型及其作用。 数字量输入通道：接受外部装置或产生过程的状态信号，同时将状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号； 数字量输出通道：把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的数字驱动信号； 模拟量输入通道：把被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位重量等模拟信号转换成计算机可以接收的数字量信号； 模拟量输出通道：把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流信号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的目的。 2、简述计算机控制系统抗干扰技术的基本措施。 克服干扰的措施主要有：硬件措施、软件措施和软硬结合的措施。 其中硬件抗干扰措施包含：①过程通道抗干扰技术；②CPU抗干扰技术；③系统供电与接地技术。针对不同的干扰采用不用的抗干扰技术： ①过程通道抗干扰技术：针对串模干扰，采用滤波器、双积分式A/D转换器、双绞线作信号引线等方法来抑制；针对共模干扰，采用变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽、采用仪表放大器提高共模抑制比等方式；针对长线传输干扰可采用双绞线与同轴电缆进行传输； ②CPU抗干扰技术：使用Watchdog(俗称看门狗)、电源监控(掉电检测及保护)、复位等；
计算机控制系统课后习题附标准答案
1 计算机控制系统概述 习题参考答案 1.计算机控制系统的控制过程是怎样的? 计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤： (1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。 (2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。 (3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。 2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？ (1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。 (2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。 (3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。 3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？ 由四部分组成。 图1.1微机控制系统组成框图 (1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优
化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。 (2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。 (3)外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。 (4)检测与执行机构 a.测量变送单元：在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，采用了各种检测元件及变送器，其主要功能是将被检测参数的非电量转换成电量，例如热电偶把温度转换成mV信号；压力变送器可以把压力转换变为电信号，这些信号经变送器转换成统一的计算机标准电平信号(0～5V或4～20mA)后，再送入微机。 b.执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构，它是微机控制系统中的重要部件，其功能是根据微机输出的控制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。例如，在温度控制系统中，微机根据温度的误差计算出相应的控制量，输出给执行机构(调节阀)来控制进入加热炉的煤气(或油)量以实现预期的温度值。常用的执行机构有电动、液动和气动等控制形式，也有的采用马达、步进电机及可控硅元件等进行控制。 4.微型计算机控制系统软件有什么作用？说出各部分软件的作用。 软件是指能够完成各种功能的计算机程序的总和。整个计算机系统的动作，都是在软件的指挥下协调进行的，因此说软件是微机系统的中枢神经。就功能来分，软件可分为系统软件、应用软件及数据库。 (1)系统软件：它是由计算机设计者提供的专门用来使用和管理计算机的程序。对用户来说，系统软件只是作为开发应用软件的工具，是不需要自己设计的。系统软件包括： a.操作系统：即为管理程序、磁盘操作系统程序、监控程序等； b.诊断系统：指的是调节程序及故障诊断程序； c.开发系统：包括各种程序设计语言、语言处理程序(编译程序)、服务程序(装 2
常用计算机设备
常用计算机设备 一、键盘 键盘是计算机中最基本的输入设备，键盘上排列了字母、数字、符号等若干个键位通过铵键操作，接通相应的按键开关，产生对应代码并送入计算机的主机。 分类：根据按键开关的结构：机械式和电容式 接口：PS/2、USB、无线 键数：101键和104键 结构布局：根据键位功能不同，可分为字符区、功能区、光标控制区、数字光标小键盘区。 键盘常用功能键功能见下表 ESC键：亦称逃逸键。上网要填写一些用户名什么的，假如填错了，按ESC键即可清除所有的框内内容而打字时，如果打错了也可以按ESC键来清除错误的选字框。是不是很便捷。（见上图） Tab键： Tab键是Table（表格）的缩写，故亦称表格键。一般可以从这个复选框跳到另一个复选框。在编写文本时，按下制表键，光标也会向右移动，它会移动到下一个8n+1位置（n为自然数）。假如正在登陆，填好用户名字后，点一下Tab键，光标就会弹跳到密码框，是不是很方便。 转换键： Capslock键是字母大小写转换键。每按1次转换一下,键盘右上方有对应的大小写指示灯会亮灭（绿灯亮为大写字母输入模式,反之为小写字母输入模式)。 Shift键：俗称上档转换键。按住此键，再打字母，出来的就是这个字母的大写体。还可用于中英文转换。以此类推，按住此键，再打数字键，就会出来数字键上方的符号。比如Shift+2 = @ Ctrl键：俗称控制键，一般都是和其它键结合起来使用，比如最常用的是：Ctel+C=复制 Ctel+V=黏贴Fn键：俗称功能键。几乎所有的笔记本电脑都有这个FN键，作用就是和其他的按键组成组合键，很有用。 win键：亦称其为微软键源于键盘上显示WINDOWS标志的按键。点此键出开始菜单。或和其它键组成组合
计算机控制系统的发展历程
浅谈计算机控制系统的发展 摘要：论述了计算机控制系统的发展历史及发展趋势，分析了计算机控制系统的组成部分及其特点。并且对当前计算机系统的发展情况做出评价。 关键词：计算机控制系统发展 1 引言 计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制计算机）来实现工业过程自动控制的系统，并且是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起而应运产生的综合控制系统，它紧密依赖于最新发展的计算机技术、网络通信技术和控制技术,在计算机参与工业系统控制的历史长河中扮演了重要的角色。 2 计算机控制系统的发展情况 在60 年代,控制领域中就引入了计算机。当时计算机的作用是控制调节器 的设定点，具体的控制则由电子调节器来执行, 这种系统称作是计算机监控系统。这种系统的调节器主要是采用了模拟调节器。系统中既有计算机又有调节器，系统复杂，投资又大。在60 年代末期出现了用一台计算机直接控制一个机组或一个车间的控制系统，简称集中控制系统，集中控制系统在计算机控制系统的发展过程中起到了积极作用。在这种控制系统中, 计算机不但完成操作处理,还可直接根据给定值、过程变量和过程中其它测量值，通过PID运算，实现对执行机构的控制, 以使被控量达到理想的工作状态。这种控制系统即常说的直接数字控制( DDC) 系统。计算机DDC 控制的基本思想是使用一台计算机代替若干个调节控制回路功能。最初发展时希望能够至少可以控制50个回路以上，这在当时对小规模、自动化程度不高的系统，特别是对具有大量顺序控制和逻辑判断操作的控制系统来说收到了良好的效果。 由于整个系统中只有一台计算机, 因而控制集中，便于各种运算的集中处理，各通道或回路间的耦合关系在控制计算中可以得到很好的反映，同时由于系统没有分层, 所有的控制规律均可直接实现。但是，如果生产过程的复杂，在实现对几十、几百个回路的控制时，可靠性难以保证，系统的危险性过于集中，一旦计
常用网络设备设备
物理层设备 1.调制解调器 调制解调器的英文名称为modem，来源于Modulator/Demodulator，即调制器/解调器。 ⑴工作原理 调制解调器是由调制器与解调器组合而成的，故称为调制解调器。调制器的基本职能就是把从终端设备和计算机送出的数字信号转变成适合在电话线、有线电视线等模拟信道上传输的模拟信号；解调器的基本职能是将从模拟信道上接收到的模拟信号恢复成数字信号，交给终端计算机处理。 ⑵调制与解调方式 调制，有模拟调制和数字调制之分。模拟调制是对载波信号的参量进行连续地估值；而数字调制使用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息，在接收端对载波信号的离散参量进行检测。调制是指利用载波信号的一个或几个参数的变化来表示数字信号的一种过程。 调制方式相应的有：调幅、调频和调相三种基本方式。 调幅：振幅调制其载波信号将随着调制信号的振幅而变化。 调频：载波信号的频率随着调制信号而改变。 调相：相位调制有两相调制、四相调制和八相调制几种方式。 ⑶调制解调器的分类 按安装位置：调解解调器可以分为内置式和外置式 按传输速率分类：低速调制解调器，其传输速率在9600bps以下；中速调制解调器，其传输速率在9.6～19.2kbps之间；高速调制解调器，传输速率达到19.2～56kbps。 ⑷调制解调器的功能 ?差错控制功能：差错控制为了克服线路传输中出现的数据差错，实现调制解调器至远端调制解调器的无差错数据传送。 ?数据压缩功能：数据压缩功能是为了提高线路传输中的数据吞吐率，使数据更快地传送至对方。 ⑸调制解调器的安装 调制解调器的安装由两部分组成，线路的连接和驱动程序的安装。 线路连接： ?将电话线引线的一端插头插入调制解调器后面LINE端口。
微机控制技术的发展概况及趋势知识分享
微机控制技术的发展概况及趋势 微机控制技术是以微型计算机作为机电一体化的控制器，结合微型计算机的工作原理和接口设计，相应的控制硬件和软件以及它们的配合，实现对控制对象的控制的一门技术。它的发展离不开自动控制理论和计算机技术的发展，随着科学技术的发展，人们越来越多地用计算机来实现控制系统。 本文从计算机控制系统的发展历史，我国工业控制机及系统的发展应用，计算机控制系统的发展趋势，这几个方面来阐述微机控制技术的发展概况及相关趋势。 计算机控制系统在60年代引入控制领域当时计算机是控制调节器的设定点, 具体的控制则由电子调节器来执行, 这种系统称为计算机监控系统。在60 年代末期出现了用一台计算机直接控制一个机组或一个车间的控制系统,简称集中控制系统。这种控制系统即常说的直接数字控制(DDC)系统。计算机DDC 控制的基本思想是使用一台计算机代替若干个调节控制回路功能。这个控制系统由于只有一台计算机而且没有分层，所以非常有利于集中控制盒运算的集中处理，并且能得到很好的反映，并且，各个控制规律都可以直接实现。但是，如果生产过程复杂，则该系统的可靠性就很难保证了。系统的危险性过于集中, 一旦计算机发生故障, 整个系统就会停顿。[7] 70 年代随着电子技术的飞速发展,随着大规模集成电路的出现和发展, 集散控制系统（DCS）出现，之后在此基础上，随着生产发展的需要而产生了一种更新一代的控制系统，即分布式控制系统。典型的集散控制系统具有两层网络结构下层负责完成各种现场级的控制任务,上层负责完成各种管理、决策和协调任务。 90年代以来，随着各个学科的发展和交叉融合，随着现代大型工业生产自动化的不断兴起, 利用计算机网络作为控制工具的综合性控制系统，计算机集成系统（CIPS）应运而生。它紧密依赖于最新发展的计算机技术、网络通信技术和控制技术，并且终将成为未来控制系统的发展趋势。 我国工业控制发展的道路是比较曲折的，20世纪80年代末到90年代初，我国市场上大都是首先引进了成套设备，在引进成套设备的同时相继引进了各种工控系统，来填充国内在这方面的不足，90年代后，在我国一批科学家的带领下，我国逐渐有了自己设计的控制系统和装置，建立自己的实验室，生产出属于自己版权的产品，然后在原有技术的基础上进行二次开发和应用，从1997年开始，大陆本土的IPC厂商开始进入该市场，IPC也随之发展成了中国第二代主流工控机技术。[1] 目前国内的工控机供应渠道主要来源于中国台湾及内地的厂商，国外的产品（例如RADISYS、ROCKWELL、INTEL等）经过几年的市场拼杀后，由于成本高、价格高、服务难，现已完全退出国内市场。目前，国内的IT业研发、加工技术力量不断提升；各类芯片和各类器件、生产设备在国际市场基本可平等选购；软件资源的可移植性可节省大量的人力、物力。在这些有利条件下，国内一些厂商抓住机会快速崛起，利用本土综合竞争优势逐步将国外品牌挤出国内工控市场。某些企业以每年超过100%的资产增长速度，鼎立于国内的工控市场，而且
计算机控制系统及应用
山东大学 本科毕业论文论文题目：计算机控制系统及应用 姓名___________ 学院____山东大学___________ 专业____电气工程及其自动化___________年级___________ 指导教师_______________ 年月日
其执行控制功能的核心部件是数字计算机，是模拟和数字部件的混合系统。有连续模拟信号之外，还有离散模拟、离散数字等多种信号形式，由于计算机控制系统中除了包含连续信号外，在连续控制系统在本质上有许多不同，修改一个控制规律，只需修改软件，便于实现复杂的控制规律和对控制方案进行在线修改具有很大灵活性和适应性，具有高速的运算能力，一个控制器经常可以采用分时控制的方式而同时控制多个回路，采用计算机控制，便于实现控制与管理一体化，使工业企业的自动化程度进一步提高。 关键词：计算机控制技术、系统、应用
目录 第一章计算机控制技术的概述--------------------------------------------------------------------------5 1、计算机控制的概念------------------------------------------------------5 2、计算机控制系统--------------------------------------------------------5 3、计算机控制系统的控制过程----------------------------------------------5 4、计算机控制系统的特点--------------------------------------------------6 5、计算机控制系统的组成--------------------------------------------------6 第二章计算机控制系统的典型应用方式--------------------------------------------------------------8 1、操作指导控制系统------------------------------------------------------8 2、直接数字控制系统（DDC）-------------------------------------------------8 3、监督控制系统（SCC）-----------------------------------------------------9 4、分散控制系统（DCS）----------------------------------------------------16 5、现场总线控制系统（FCS）------------------------------------------------16 第三章工业控制机 ---------------------------------------------------------------------------------------11 1、工业控制机的特点-----------------------------------------------------11 2、典型工业控制机介绍---------------------------------------------------12 第四章实例说明-------------------------------------------------------------------------------------------13
常见的网络设备(详细)
常见的网络设备 1、中继器repeater： 定义：中继器是网络物理层上面的连接设备。 功能：中继器是一种解决信号传输过程中放大信号的设备，它是网络物理层的一种介质连接设备。由于信号在网络传输介质中有衰减和噪声，使有用的数据信号变得越来越弱，为了保证有用数据的完整性，并在一定范围内传送，要用中继器把接收到的弱信号放大以保持与原数据相同。使用中继器就可以使信号传送到更远的距离。 优点： 1.过滤通信量中继器接收一个子网的报文，只有当报文是发送给中继器所连 的另一个子网时，中继器才转发，否则不转发。 2.扩大了通信距离，但代价是增加了一些存储转发延时。 3.增加了节点的最大数目。 4.各个网段可使用不同的通信速率。 5.提高了可靠性。当网络出现故障时，一般只影响个别网段。 6.性能得到改善。 缺点： 1.由于中继器对接收的帧要先存储后转发，增加了延时。 2.ＣＡＮ总线的ＭＡＣ子层并没有流量控制功能。当网络上的负荷很重时， 可能因中继器中缓冲区的存储空间不够而发生溢出，以致产生帧丢失的现 象（３）中继器若出现故障，对相邻两个子网的工作都将产生影响。
2、集线器hub： 定义：作为网络中枢连接各类节点，以形成星状结构的一种网络设备。 作用：集线器虽然连接多个主机，但不是交换设备，它面对的是以太网的帧，它的工作就是在一个端口收到的以太网的帧，向其他的所有端口进行广播(也有可能进行链路层的纠错)。只有集线器的连接，只能是一个局域网段，而且集线器的进出口是没有区别的。 优点：在不计较网络成本的情况下面，网络内所有的设备都用路由器可以让网络响应时间和利用率达到最高。 缺点： 1.共享宽带，单通道传输数据，当上下大量传输数据时，可能会出现塞车，所以 交大网络中，不能单独用集线器，局限于十台计算机以内。 2.它也不具备交换机所具有的MAC地址表，所以它发送数据时都是没有针对性的， 而是采用广播方式发送。也就是说当它要向某节点发送数据时，不是直接把数据发送到目的节点，而是把数据包发送到与集线器相连的所有节点。
计算机系统与维护
一、选择题： 1.在微机计算机中，内存容量通常是指（A）。 A．RAM的容量B．ROM的容量 C．Cache的容量D．CD-ROM的容量 2.下列（D）不属于北桥芯片管理的范围之列。 A．处理器B．内存 C．AGP总线D．键盘 3.当要求系统从光驱启动时，在CMOS中，一般把Boot Sequence设置为（B）。 A．A、CDROM、C B．CDROM、C、A C．C、CDROM、A D．以上都不对 4.微型计算机中运算器所在的位置（D ）。 A．内存B．光盘C．硬盘D．CPU 5.下列设备中可以直接将图片输入到计算机内的设备是（C）。 A．绘图仪B．键盘C．扫描仪D．鼠标 6.通常人们所说的一个完整的计算机系统应包括（D ）。 A．运算器．存储器和控制器B．计算机和它的外围设备 C．系统软件和应用软件D．计算机的硬件系统和软件系统7.第4代电子计算机使用的逻辑器件是（D）。 A．电子管B．晶体管 C．中小规模集成电路D．大规模和超大规模集成电路 8.CD-ROM光盘的容量大小通常为（C 。 A．128 MB B．512 MB C．650MB D．1024 MB 9.微机主要部件构成有（D ）。 A．主机板集成（包括CPU．内存条．显示卡） B．磁盘驱动器 C．输入输出设备 D．以上全部 10.用MIPS来衡量的计算机性能指标是（D）。 A．平均无故障时间B．存储容量 C．可靠性D．运算速度 11.下列四条描述中，不正确的一条是（D）。 A．激光打印机是非击打式打印机B．扫描仪是输入的设备 C．C ache是缓存D．摄像头是输出的设备
12.（A）不是显示标准。 A．PCI B．CGA C．EGA D．VGA 13.动态随机存储器是（B ）。 A．SRAM B．DRAM C．SDRAM D．VRAM 14.下面不是主机箱功能的是（B）。 A．固定并支撑主板（CPU．显卡．内存．声卡等）．光驱．软驱．电源等B．固定并支撑显示器．主机．音箱等 C．防尘 D．防电磁辐射 15.计算机经历了从器件角度划分的四代发展历程，但从系统结构来看，至今为 止绝大多数计算机仍是（D）式计算机。 A．实时处理B．智能化 C．并行D．冯·诺依曼 16.评定主板的性能首先要看（B）。 A.CPU B.主芯片组 C.主板结构 D.内存 17.执行应用程序时,能和CPU直接交换信息的部件是（C）。 A．软盘B．硬盘C．内存D．光盘 18.以下不是硬盘分区种类的是：（ B） A．主分区B．次分区C．逻辑分区D．扩展分区19.开机自检程序存放在（C）中 A．硬盘B．内存C．BIOS 芯片D．南桥芯片 20.目前大多数微机中，要想使用BIOS对CMOS参数进行设置，开机后，应按 下的键是（D） A．CTRL B．SHIFT C．空格D．DEL 21.以下不属于主板上的主要部件是（D ） A．CPU插座B．PCI插槽 C．ROM D．CD-ROM 22.以下属于输入设备的是（ B ） A．CRT显示器B．扫描仪C．软盘D．硬盘 23.已知某款主板使用南北桥芯片组结构，如果某块芯片安装了散热片，则该芯 片很可能是（ B ） A．南桥芯片B．北桥芯片 C．BMCH模块D．FWH模块
计算机控制系统的应用及发展
目录 第一章计算机过程控制系统的应用与发展 (2) 1.1 计算机过程控制系统的发展回顾 (2) 1.2 计算机过程控制系统的分类 (2) 1.3 计算机过程控制系统国内外应用状况 (6) 1.4 计算机过程控制系统的发展趋势 (7) 第二章国内油田计算机控制系统应用软件现状及发展趋势 (8) 2.1 基于PC总线的控制系统应用软件 (8) 2.2 基于各种PLC控制系统的应用软件 (8) 2.3 中小规模的DCS控制系统组态软件 (9) 2.4 计算机控制系统应用软件的发展趋势 (9)
第一章计算机过程控制系统的应用与发展 在石油、化工、冶金、电力、轻工和建材等工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制称为生产过程自动化。生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、降低成本、改善劳动条件、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段，是20世纪科学与技术进步的特征，是工业现代化的标志。凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制就称为过程控制。过程控制系统可以分为常规仪表过程控制系统与计算机过程控制系统两大类。随着工业生产规模走向大型化、复杂化、精细化、批量化，靠仪表控制系统已很难达到生产和管理要求，计算机过程控制系统是近几十年发展起来的以计算机为核心的控制系统。 1.1 计算机过程控制系统的发展回顾 世界上第一台电子数字计算机于1946年在美国问世。经历了十多年的研究，1959年世界上第一台过程控制计算机TRW-300在美国德克萨斯的一个炼油厂正式投入运行。这项开创性工作为计算机控制技术的发展奠定了基础，从此，计算机控制技术获得了迅速的发展。 回顾工业过程的计算机控制历史，经历了以下几个8寸期： (1)起步时期(20世纪50年代)。20世纪50年代中期，有人开始研究将计算机用于工业过程控制。 (2)试验时期(20世纪60年代)。1962年，英国的帝国化学工业公司利用计算机完全代替了原来的模拟控制。 (3)推广时期(20世纪70年代。随着大规模集成电路(LSI)技术的发展，1972年生产出了微型计算机(mi—erocomputer)。其最大优点是运算速度快，可靠性高，价格便宜和体积小。 (4)成熟时期(20世纪80年代)。随着超大规模集成电路(VLSI)技术的飞速发展，使得计算机向着超小型化、软件固定化和控制智能化方向发展。80年代末，又推出了具有计算机辅助设计(CAD)、专家系统、控N*0管理融为一体的新型集散控制系统。(5)进一步发展时期(20世纪90年代)。在计算机控制系统进一步完善应用更加普及，价格不断下降的同时，功能却更加丰富，性能变得更加可靠。 1.2 计算机过程控制系统的分类 计算机控制系统的应用领域非常厂泛，计算机可以控制单个电机、阀门，也可以控制管理整个工厂企业；控制方式可以是单回路控制，也可以是复杂的多变量解耦控制、自适应控制、最优控制乃至智能控制。因而，它的分类方法也是多样的，可以按照被控参数、设定值的形式进行分类，也可以按照控制装置结构类型、被控对象的特点和要求及控制功能的类型进行分类，还可以按照系统功能、控制规律和控制方式进行分类。常用的是按照系统功能分类。
计算机控制技术的发展及趋势
计算机控制技术的发展及趋势 张赟枫 自动化1304 0901130425 一、计算机控制技术的发展 1、第一代工业计算机控制技术 第一代工控机技术起源于20世纪80年代初期，盛行于80 年代末和90年代初期，到90年代末期逐渐淡出工控机市场，其标志性产品是STD总线工控机。STD总线最早是由美国Pro-Log公司和Mostek公司作为工业标准而制定的8位工业I/O总线，随后发展成16位总线，统称为STD80，后被国际标准化组织吸收，成为IEEE961标准。国际上主要的STD总线工控机制造商有Pro- Log、Winsystems、Ziatech等，而国内企业主要有北京康拓公司和北京工业大学等。STD总线工控机是机笼式安装结构，具有标准化、开放式、模块化、组合化、尺寸小、成本低、PC兼容等特点，并且设计、开发、调试简单，得到了当时急需用廉价而可靠的计算机来改造和提升传统产业的中小企业的广泛欢迎和采用，国内的总安装容量接近20万套，在中国工控机发展史上留下了辉煌的一页。 2、第二代工业计算机控制技术 1981年8月12日IBM公司正式推出了IBM PC机，震动了世界，也获得了极大成功。随后PC机借助于规模化的硬件资源、丰富的商业化软件资源和普及化的人才资源，于80年代末期开始进军工业控制机市场。美国著名杂志《CONTROL ENGINERRING》在当时就预测“90年代是工业IPC的时代，全世界近65%的工业计算机将使用IPC，并继续以每年21%的速度增长”。历史的发展已经证明了这个论断的正确性。IPC在中国的发展大致可以分为三个阶段：第一阶段是从20世纪80年代末到90年代初，这时市场上主要是国外品牌的昂贵产品。 90年代末期，ISA总线技术逐渐淘汰，PCI总线技术开始在IPC中占主导地位，使IPC工控机得以继续发展。但由于IPC工控机的结构和金手指连接器的 限制，使其难以从根本上解决散热和抗振动等恶劣环境适应性问题，IPC开始逐渐从高可靠性应用的工业过程控制、电力自动化系统以及电信等领域退出，向管理信息化领域转移，取而代之的是以CompactPCI总线工控机为核心的第三代工控机技术。值得一提的是，IPC工控机开创了一个崭新的PC-based时代，对工业自动化和信息化技术的发展产生了深远的影响。 3、迅速发展和普及的第三代工控机技术 PCI总线技术的发展、市场的需求以及IPC工控机的局限性，促进了新技术的诞生。作为新一代主流工控机技术，CompactPCI工控机标准于1997年发布之初就倍受业界瞩目。相对于以往的STD和IPC，它具有开放性、良好的散热性、高稳定性、高可靠性及可热插拔等特点，非常适合于工业现场和信息产业基础设备的应用，被众多业内人士认为是继STD和IPC之后的第三代工控机的技术标准。采用模块化的CompactPCI总线工控机技术开发产品，可以缩短开发时间、降低
计算机常用的输入输出设备
计算机常用的输入输出设备 （1）键盘(keyboard)。 计算机键盘上键的排列已有ISO2530和我国国家标准GB2787规定。键盘上的每个键有一个键开关。键开关有机械触点式、电容式、薄膜式等多种，其作用是检测出使用者的击键动作，把机械的位移转换成电信号，输入到计算机中去。 （2）鼠标器(mouse)。 鼠标器是一种控制显示器屏幕上光标位臵的输入设备。在Windows软件中，使用鼠标器使操作计算机变得非常简单：在桌面上或专用的平板上移动鼠标器，使光标在屏幕上移动，选中屏幕上提示的某项命令或功能，并按一下鼠标器上的按钮就完成了所要进行的操作。鼠标器上有一个、两个或三个按钮，每个按钮的功能在不同的应用环境中有不同的作用。 鼠标器依照所采用的传感技术可分为机械式、光电式和机械光电式三种。 机械式鼠标器底部有一个圆球，通过圆球的滚动带动内部两个圆盘运动，通过编码器将运动的方向和距离信号输入计算机。 光电式鼠标器采用光电传感器，底部不设圆球，而是一个光电元件和光源组成的部件。当它在专用的有明暗相间的小方格的平板上运动时，光电传感器接受到反射的信号，测出移动的方向和距离。 机械光电式鼠标器是上述两种结构的结合。它底部有圆球，但圆球带动的不是机械编码盘而是光学编码盘，从而避免了机械磨损，也不需要专用的平板。 （3）显示器(display)。 由监视器(monitor)和显示适配器(display adapter)及有关电路和软件组成的用以显示数据、图形、图像的计算机输出设备。显示器的类型和性能由组成它的监视器、显示适配器和相关软件共同决定。 监视器通常使用分辨率较高的显像管作为显示部件。显象管是将电信号转变为可见图像的电子束管，又称为阴极射线管（CRT）。可分为单色显像管（包括黑色、白色、绿色、橘红色、琥珀色等）和彩色显像管两大类。电子枪发射被调制的电子束，经聚焦、偏转后打到荧光屏上显示出发光的图像。彩色显像管有产生红、绿、蓝三种基色的荧光屏和激励荧光屏的三个电子束。只要三基色荧光粉产生的光的分量不同，就可以形成自然界的各种彩色。 监视器的光标定位方法有随机扫描和光栅扫描两种，光栅扫描又分逐行扫描和交错隔行扫描（先扫描奇数行，再扫描偶数行，交错进行）两种。逐行光栅扫描有许多优点，目前已得到广泛应用。
计算机常用的网络设备有哪些
计算机常用的网络设备有哪些 电脑构成有主机、显示器、键盘、鼠标、音箱。还有打印机和扫描仪，是电脑重要的输出、输入设备。 网络设备的用途 1.主机，是电脑最主要的设备，相当于人的大脑一样，几乎所有的文件资料和信息都由 它控制，您需要电脑完成的工作也都由它主要负责，它还要给其他的电脑设备分配工作，其他的设备因此也都叫做外围设备。主机具体如何工作，我们在后面再详细介绍。 2.显示器，是电脑主要的输出设备，它的重要任务是将主机的所思所想的结果展示在大 家面前，它由一根视频电缆与主机的显示卡相连。 3.键盘，它的功能跟显示器相反，负责对主机系统的“输入”，用户对电脑的工作要求。 用户的指令必须通过它才能告诉主机电脑的“脑”。通过它，电脑才知道要做什么。而且目前键盘对电脑来说还是一个不可替代的输入设备。 4.鼠标，随着Windows图形操作界面的流行，很多命令和要求已基本上不需再用键盘输入，只要通过操作鼠标的左键或右键就能告诉电脑要做什么。因此，虽然很小的鼠标，却给电脑使用者带来了很大的方便和许多的乐趣。 5.音箱，为了适应电脑多媒体化的需要，现在，有声有画的多媒体电脑家族越来越壮大， 为我们的工作和生活增添了很多的色彩，同时也成了吸引很多电脑爱好者的原因，主机的声音通过声卡传送给音箱，再由音箱表达出来，真正把多媒体的效果体现出来。 6.打印机，跟电脑关系很紧密。与显示器一样，打印机也是一种常用的输出设备，通过 一根并口电缆与主机后面的并行口相连。打印机有三种类型：针式打印机、喷墨打印机和激光打印机，其性能是逐级递增的。 7.主机板，是一台主机的骨架，大多数设备都得通过它连在一起； CPU，英文名叫Central Processing Unit，意思就是中央处理器，它是主机的心脏，统一指挥调度电脑的所有工作。平常大家说的486、586、奔腾、PII、Celron就是指不同的CPU。 8.内存，英文名叫 Read Arandom Memory，简称RAM，是电脑工作过程中贮存数据信息 的地方，它的单位叫做“兆”字节，用“M”表示（1M = 1024K，1K = 1024字节，1个汉字占两个字节，1M 大约相当于50万汉字），一般大家都省略了“字节”两个字，只称“兆”。现在的机器一般都安装32M或64M的内存。 9.硬盘，是平时安装各种软件和存贮文件的地方，相当于主机的肚子，用户的Windows98，各种游戏软件或是文件信函全放里面，以前硬盘容量较少，只有几百兆，目前一般都有 6G、8G 或 10G 以上的大容量（1G = 1024M），而且目前已经出现了20G及以上的硬盘，是真正的海量存储器。 10.软驱，分3.5英寸和5英寸两种，目前常用的都是 3.5英寸软驱，可读写3.5英寸软 盘，3.5英寸软盘有1.44M字节的容量，您可以用软盘复制一些不太大的程序和文件用以随身携带，或拷贝一个文件和另外一台电脑进行文件交换，还可以把主要的文件信息备份一份在软盘上，以防电脑出故障时丢失数据。 11.光驱，也叫做CD-ROM驱动器，意思就是只读光盘驱动器（只能读，不能写），一张CD-ROM光盘一般能存放 650M 左右的数据，可以用来存放一些大型的软件，假如没有它，现在很多的大型软件如WIN98、Office2000等，用3.5英寸的软驱要装多少张呢。 12.显示卡，是一种常见的电脑扩展卡，它负责将主机运算和处理的结果和主机的状态 告诉显示器。 13.声卡，负责将主机处理出来的声音让音箱（或扬声器）“说”出来。 计算机网络的分类
计算机控制系统的发展趋势
计算机控制系统的发展趋势 计算机控制系统随着计算机科学、自动控制理论、网络技术、检测技术的发展，在工业4.0 以及中国制造2025 计划的推动下，其发展趋势大致如下。 1.网络化的控制系统 随着计算机技术和网络技术的不断发展，各种层次的计算机网络在控制系统中得到了广泛应用。计算机控制系统的规模越来越大，其结构也发生了变化，经历了计算机集中控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统，向着网络控制系统（Network Control System，NCS）发展。网络控制系统的结构示意图如图所示。 在工业自动化向智能化的发展进程中，通信已成为关键问题之一，但由于多种类型现场总线标准并存，不同类型的现场总线设备均配有专用的通信协议，互相之间不能兼容，无法实现互操作和协同工作，无法实现信息的无缝集成。使用者迫切需要统一的通信协议和网络。因此，基于TCP/IP 的以太网进入工业控制领域并且得到了快速发展。比如，惠普公司应用IEEE 1451.2 标准，生产的嵌入式以太网控制器具有10-Base 以太网接口，运行 FTP/HTTP/TCP/UDP，应用于传感器、驱动器等现场设备。再如，FF 提出的IEC 61158 标准中类型 e 所定义的HSE（High Speed Ethernet）协议，用高速以太网作为H2 的一种替代方案，选用100Mbit/s 速率的以太网的物理层、数据链路层协议，可以使用低价位的以太网芯片、支持电路、集线器、中继器和电缆。国内浙大中控也推出了基于EPC（Ethernet for Process Control）的分布式网络控制系统，将Ethernet 直接应用于变送器、执行机构、现场控制器等现场设备间的通信。网络化控制系统就是将控制系统的传感器、执行器和控制器等单元通过网络连接起来。其中的网络是一个广义的范畴，包含了局域网、现场总线网、工业以太网、无线通信网络、Internet 等。随着物联网概念的提出以及控制系统发展的需求，以无线通信模式为新特征的物联网控制系统，必将成为计算机控制系统的重要发展方向。