《过程装备控制技术及应用》课程教学资源（教案讲义）第五章计算机控制系统.doc_大学文库

过程装备控制技术及应用教案第五章计算机控制系统 1页共18页第五章计算机控制系统 51概述计算杋控制系统与常规控制系统基本结构相同,基本概念和术语也是通用的。有关调节原理和调节过程也是相同的。不同之处在于:让篡机挖制系统史,按制器对控制对象的衾数、状态信息的检测和控制績衷的锒出在时阆上是断续的,对檢测信景的分板篡是数字化的,而在模拟接制系统中则是连继计算机控制系统方框图控制器的输出称为控制量,所遵循的运算规律称为控制算法计算机控制系统控制过程步骤:(三步 ◇实时数据采样:测量被控量的当前值,为断续的数字化信号 ◇实时判断:判断被控量当前值与给定值的偏差 ◇实时控制:根据偏差,作为控制决策。即按预定的算法对偏差进行运算,以及适时适量地向执行机构发出控制信号优点: ◇可实现分时对多个对象多个回路的控制: ◇便于对系统功能的扩充修 ◆可完成很多在模拟控制系统中由硬件难以完成的功能。微型计算机特点: ◆体积小、结构简单; 今价格便宜,揽资少 ◇可靠性高,平均无故障时间长达几干小时至几万小时以上 ◆灵活性高。 52计算机控制系统的组成分类 52.1组成计算机控制系统由工业对象和工业控制计算机两部分组成工控机由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括计算机主机、外部设备、外围设备、工业自动化仪表和操作控制台等。软件是指计算机系统的程序系统计算机控制系统基本组成 (1)硬件组成主机:它是整个系统的核心装置,它由微处理器、内存贮器和系统总线等部分构成。主机根据过程输入通道发送来的反映生产过程工况的各种信息和已确定的控制规律,作出相应的控制决策,并通过过程输出通道发出控制命令,达到预定的控制目的。主机所产生的控制是按照人们预先安排好的程序进行的,能实现过程输入控制和输出等功能的程序预先已放入内存,系统启动后,CPC逐条取出来,并执行,从而产生预期的控制效果过程输入输出通道:它是在微机和生产过程之间起信息传递和变换作用的装置。它包括:摸拟量输入通道(A1)、开关量输入通道(DⅠ)、模拟量输出通道(AO)和开关量输出通道(DO)。操作设备:系统的操作设备是操作员与系统之间的信息交换工具,操作设备一般由CRT显示器(或

过程装备控制技术及应用教案第五章计算机控制系统第 1 页共 18 页第五章计算机控制系统 5.1 概述计算机控制系统与常规控制系统基本结构相同，基本概念和术语也是通用的。有关调节原理和调节过程也是相同的。不同之处在于：计算机控制系统中，控制器对控制对象的参数、状态信息的检测和控制结束的输出在时间上是断续的，对检测信号的分析计算是数字化的，而在模拟控制系统中则是连续的。计算机控制系统方框图控制器的输出称为控制量，所遵循的运算规律称为控制算法。计算机控制系统控制过程步骤：（三步）  实时数据采样：测量被控量的当前值，为断续的数字化信号；  实时判断：判断被控量当前值与给定值的偏差；  实时控制：根据偏差，作为控制决策。即按预定的算法对偏差进行运算，以及适时适量地向执行机构发出控制信号。优点：  可实现分时对多个对象多个回路的控制；  便于对系统功能的扩充修改；  可完成很多在模拟控制系统中由硬件难以完成的功能。微型计算机特点：  体积小、结构简单；  价格便宜，揽资少；  可靠性高，平均无故障时间长达几干小时至几万小时以上；  灵活性高。 5.2 计算机控制系统的组成分类 5.2.1 组成计算机控制系统由工业对象和工业控制计算机两部分组成。工控机由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括计算机主机、外部设备、外围设备、工业自动化仪表和操作控制台等。软件是指计算机系统的程序系统。计算机控制系统基本组成（1）硬件组成主机：它是整个系统的核心装置，它由微处理器、内存贮器和系统总线等部分构成。主机根据过程输入通道发送来的反映生产过程工况的各种信息和已确定的控制规律，作出相应的控制决策，并通过过程输出通道发出控制命令，达到预定的控制目的。主机所产生的控制是按照人们预先安排好的程序进行的，能实现过程输入控制和输出等功能的程序预先已放入内存，系统启动后，CPC 逐条取出来，并执行，从而产生预期的控制效果。过程输入输出通道：它是在微机和生产过程之间起信息传递和变换作用的装置。它包括：摸拟量输入通道（AI）、开关量输入通道（DI）、模拟量输出通道（AO）和开关量输出通道（DO）。操作设备：系统的操作设备是操作员与系统之间的信息交换工具，操作设备一般由 CRT 显示器（或

过程装备控制技术及应用教案第五章计算机控制系统 2页共18页其他显示器)、键盘、开关和指示灯组成。操作员通过操作设备可以控制系统和了解系统运行状态。外部设备:它是键盘终端、打印机、绘图仪、磁盘等计算机输入输出设备。通信设备:规模较大的工业生产过程,其控制和管理常常非常复杂,需要几台或几十台微型计算机才能分级完成控制与管理任务。这样,系统中的微机之间就需要通信。因此,需要由通信设备与数据线将系统中的微机互联起来,构成控制与管理网纶系统支持功能包括以下几部分: 监控定时器:主要作用是在系统因干扰或其他原因出现异常时,如“飞程序”或程序进入死循环, 使系统自动恢复正常工作运行,从而提高系统的可靠性。电源掉电检测:若出现电源掉电故障,应能及时发现并保护当时的重要数据和CPU寄存器的内容, 以保证复电后系统能从断点处继续运行。电源掉电检测电路能检测电源是否掉电,并能在掉电时产生非屏蔽中断请求。保护重要数据的后备存贮体:监控定时器和断电保护功能均要有能保存重要数据的存贮体的支持后备存贮体容量不大,在系统掉电时数据不会丢失,故常采用 NOVRAM或带后备电池的SRAM。为了保证可靠、安全,系统存贮器工作期间,后备荐贮体应处于上锁状态实时日历钟:使系统具有时间驱动功能,如在指定时刻产生某种控制或自动记录某个事件发生的时间等。实时日历钟在电源掉电时能正常工作总线匹配:总线母板上的信号线在高速时钟频率运行时均为传输长线,很可能产生反射和干扰信号,一般采用RC滤波网络予以克服 (2)软件部分计算机系统的软件包含系统软件和应用软件两部分。系统软件一般包括汇编语言、髙级算法语言、过程控制语言以及它们的汇编、解释、编译程序操作系统、数据库系统,通讯网络软件、调试程序,诊断程序等应用软件是系统设计人员针对生产过程要求而编制的控制和管理程序。应用软件一般包括过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、打印显示程序、人机接口程序等。其中过程控制程序是应用软件的核心,是控制方案和控制规律的具体实现 522计算机控制系统的分类 (1)数据条集和数据处理系统它的工作主要是对大量的过程状态参数实现巡回检测、数据存贮记录。数据处理(计算、统计、整理)、进行实时数据分析以及数据越限报警等功能。数据采集就是由传感器把温度、压力、流量、位移等物理量转换来的摸拟电信号经过处理并转换成计算机能识别的数字量,输入计算机中数据处理就是计算机将采集来的数字量根据需要进行不同的判决、运算,得出所需要的结果数据采集与数据处理的典型结构 (2)直接数字控制系统(DDC) DDC分时地对被控对象的状态参数进行测试,并根据测试的结果与给定值的差,按照预先制定的控制算法进行数字分析运算后,控制量输出直接作用在调节阀等执行机构上,使各个被控参数保持在给定值上,实现对被控对象的闭环自动调节 DDC系统的优点:实现了几十个甚至更多的单回路PID控制:而且还能比较容易地实现其他新型控制规律控制。它把显示、记录、报警、和给定值设定等功能都集中在操作控制台上,给操作人员带来了很大方便。只要改变程序即可实现上述各种形式的控制规律。 DDC系统的缺点:要求工业控制计算的可靠性很高,否则会直接影响生产的正常运行

过程装备控制技术及应用教案第五章计算机控制系统第 2 页共 18 页其他显示器）、键盘、开关和指示灯组成。操作员通过操作设备可以控制系统和了解系统运行状态。外部设备：它是键盘终端、打印机、绘图仪、磁盘等计算机输入输出设备。通信设备：规模较大的工业生产过程，其控制和管理常常非常复杂，需要几台或几十台微型计算机才能分级完成控制与管理任务。这样，系统中的微机之间就需要通信。因此，需要由通信设备与数据线将系统中的微机互联起来，构成控制与管理网络。系统支持功能包括以下几部分：监控定时器：主要作用是在系统因干扰或其他原因出现异常时，如“飞程序”或程序进入死循环，使系统自动恢复正常工作运行，从而提高系统的可靠性。电源掉电检测：若出现电源掉电故障，应能及时发现并保护当时的重要数据和 CPU 寄存器的内容，以保证复电后系统能从断点处继续运行。电源掉电检测电路能检测电源是否掉电，并能在掉电时产生非屏蔽中断请求。保护重要数据的后备存贮体：监控定时器和断电保护功能均要有能保存重要数据的存贮体的支持，后备存贮体容量不大，在系统掉电时数据不会丢失，故常采用 NOVRAM 或带后备电池的 SRAM。为了保证可靠、安全，系统存贮器工作期间，后备荐贮体应处于上锁状态。实时日历钟：使系统具有时间驱动功能，如在指定时刻产生某种控制或自动记录某个事件发生的时间等。实时日历钟在电源掉电时能正常工作。总线匹配：总线母板上的信号线在高速时钟频率运行时均为传输长线，很可能产生反射和干扰信号，一般采用 RC 滤波网络予以克服。（2）软件部分计算机系统的软件包含系统软件和应用软件两部分。系统软件一般包括汇编语言、高级算法语言、过程控制语言以及它们的汇编、解释、编译程序，操作系统、数据库系统，通讯网络软件、调试程序，诊断程序等。应用软件是系统设计人员针对生产过程要求而编制的控制和管理程序。应用软件一般包括过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、打印显示程序、人机接口程序等。其中过程控制程序是应用软件的核心，是控制方案和控制规律的具体实现。 5.2.2 计算机控制系统的分类（1）数据条集和数据处理系统它的工作主要是对大量的过程状态参数实现巡回检测、数据存贮记录。数据处理（计算、统计、整理）、进行实时数据分析以及数据越限报警等功能。数据采集就是由传感器把温度、压力、流量、位移等物理量转换来的摸拟电信号经过处理并转换成计算机能识别的数字量，输入计算机中。数据处理就是计算机将采集来的数字量根据需要进行不同的判决、运算，得出所需要的结果。数据采集与数据处理的典型结构（2）直接数字控制系统（DDC） DDC 分时地对被控对象的状态参数进行测试，并根据测试的结果与给定值的差，按照预先制定的控制算法进行数字分析运算后，控制量输出直接作用在调节阀等执行机构上，使各个被控参数保持在给定值上，实现对被控对象的闭环自动调节。 DDC 系统的优点：实现了几十个甚至更多的单回路 PID 控制；而且还能比较容易地实现其他新型控制规律控制。它把显示、记录、报警、和给定值设定等功能都集中在操作控制台上，给操作人员带来了很大方便。只要改变程序即可实现上述各种形式的控制规律。 DDC 系统的缺点：要求工业控制计算的可靠性很高，否则会直接影响生产的正常运行

过程装备控制技术及应用教案第五章计算机控制系统 3页共18页 (3)监督控制系统SCC 监督计算机控制系统即所谓sCC或SPC系统,是指计算机根据生产过程的信息(测量值)和其他信息(给定值等),按照描述生产过程的数学模型,去自动改变(也称重新设定)模拟调节器或DDC 工业控制机的给定值,从而使生产过程处于最优化的工况下进行 SCC系统分成以下两种形式: ①SCC十模拟调节器的控制系统 sCC工控机测量生产过程中有关参数,根据机内存贮的数学模型进行计算,同时根据优选的条件求得各个控制回路给定值,然后由各回路的模拟调节仪表(如PID调节器)进行调节。优点是可以实现最优化控制,达到省料、高产、低消耗,而且较为安全。当计算机出现故障时, 可以由模拟调节仪表独立完成操作缺点是仍需要常規模拟调节仪表。 ②SCC+DDC的控制系统它由一台DDC实现对生产过程的直接控制,再增设一台档次较高的微型计算机SCC。SCC和DDC 计算机之间是通过信息进行联系,可简单地进行数据传送。 sCC计算机根据工艺信息和工业过程现行状参数,按照生产过程的数学模型进行最优化的分析计算,并将其算出的最优化操作条件去重新设定DDC计算机的给定值,然后由DDC计算机去进行过程控制。由于DDC计算机的给定值能及时不断得到修正,从而可以便生产过程始终处于或接近最优化操作条件。当DDC计算机出现故障时,可由SC℃计算机代替其功能,从而确保了生产的安全性 SCC+DDC的控制系统 (4)分级计算机控制系统分级计算机控制系统是以一个“主”计算机和两个或两个以上的“从”计算机为基础构成的。其中最高级的计算机具有经营管理功能。分级系统一般是混合式,即除计算机直接控制外还有仪表控制和直接联接现场的执行机构目前分级控制一般分为三级:生产管理级MS、临督控制级SCC和直接数字控制级DDC。 MS又可分成企业级MS和厂级MS。该系统的特点是将控制功能分散,用多台计算机分别执行不同的控制功能,即能进行控制,又能实现管理。由于计算机控制和管理范围的缩小,便其灵活方便, 可靠性高,且通讯简单。针对教材P240图5一7所示的分级计算机控制系统,讲解其四级的功能。 (5)集散型控制系统集散型控制系统TDCS,也称为分布式计算机控制系统。它是以数台乃至数百台的微型计算机分散地分布在各个生产现场,作为现场控制站或者基本调节器实现对生产过程的检测与控制,代替了大量的常规模拟伩表。因此,即能克服模拟仪表的功能单一性和局限性,又能避免计算机集中控制的危险性这些控制之后通过高速数据通道与监督计算机SCC通讯,通过CRI操作站实现对系统的监视和干预。这种结构比分级分层结构更灵活、扩充也更方便。而且由于硬度的冗余度大,某个回路出现故障可以相互支援,因此有很高的可靠性。集散型控制系统将生产过程按其系统结枃纵冋分成现场控制级、控制管理级、生产和经营管理级级间相互独立又相互联系,再对每一级按其功能划分为若干子块,采取即分散又集中的原则,进行集散控制系统的硬件和软件设计集散型控制系统主要特点硬件组装积木化 ◆软件模块化; ◆组态控制系统;

过程装备控制技术及应用教案第五章计算机控制系统第 3 页共 18 页（3）监督控制系统 SCC 监督计算机控制系统即所谓 SCC 或 SPC 系统，是指计算机根据生产过程的信息（测量值）和其他信息（给定值等），按照描述生产过程的数学模型，去自动改变（也称重新设定）模拟调节器或 DDC 工业控制机的给定值，从而使生产过程处于最优化的工况下进行。 SCC 系统分成以下两种形式： ①SCC＋模拟调节器的控制系统 SCC 工控机测量生产过程中有关参数，根据机内存贮的数学模型进行计算，同时根据优选的条件求得各个控制回路给定值，然后由各回路的模拟调节仪表（如 PID 调节器）进行调节。优点是可以实现最优化控制，达到省料、高产、低消耗，而且较为安全。当计算机出现故障时，可以由模拟调节仪表独立完成操作。缺点是仍需要常规模拟调节仪表。 ②SCC+DDC 的控制系统它由一台 DDC 实现对生产过程的直接控制，再增设一台档次较高的微型计算机 SCC。SCC 和 DDC 计算机之间是通过信息进行联系，可简单地进行数据传送。 SCC 计算机根据工艺信息和工业过程现行状参数，按照生产过程的数学模型进行最优化的分析计算，并将其算出的最优化操作条件去重新设定 DDC 计算机的给定值，然后由 DDC 计算机去进行过程控制。由于 DDC 计算机的给定值能及时不断得到修正，从而可以便生产过程始终处于或接近最优化操作条件。当 DDC 计算机出现故障时，可由 SCC 计算机代替其功能，从而确保了生产的安全性。 SCC+DDC 的控制系统（4）分级计算机控制系统分级计算机控制系统是以一个“主”计算机和两个或两个以上的“从”计算机为基础构成的。其中最高级的计算机具有经营管理功能。分级系统一般是混合式，即除计算机直接控制外还有仪表控制和直接联接现场的执行机构。目前分级控制一般分为三级：生产管理级 MIS、临督控制级 SCC 和直接数字控制级 DDC。 MIS 又可分成企业级 MIS 和厂级 MIS。该系统的特点是将控制功能分散，用多台计算机分别执行不同的控制功能，即能进行控制，又能实现管理。由于计算机控制和管理范围的缩小，便其灵活方便，可靠性高，且通讯简单。针对教材 P240 图 5－7 所示的分级计算机控制系统，讲解其四级的功能。（5）集散型控制系统集散型控制系统 TDCS，也称为分布式计算机控制系统。它是以数台乃至数百台的微型计算机分散地分布在各个生产现场，作为现场控制站或者基本调节器实现对生产过程的检测与控制，代替了大量的常规模拟仪表。因此，即能克服模拟仪表的功能单一性和局限性，又能避免计算机集中控制的危险性。这些控制之后通过高速数据通道与监督计算机 SCC 通讯，通过 CRT 操作站实现对系统的监视和干预。这种结构比分级分层结构更灵活、扩充也更方便。而且由于硬度的冗余度大，某个回路出现故障时可以相互支援，因此有很高的可靠性。集散型控制系统将生产过程按其系统结构纵向分成现场控制级、控制管理级、生产和经营管理级。级间相互独立又相互联系，再对每一级按其功能划分为若干子块，采取即分散又集中的原则，进行集散控制系统的硬件和软件设计。集散型控制系统主要特点：  硬件组装积木化；  软件模块化；  组态控制系统；

过程装备控制技术及应用教案第五章计算机控制系统 4页共18页 ◆应用先进的通信网络 ◆具有开放性 ◆可靠性高 5.3AD与DA转换器传感器与微机之间要通过模数转换器(AD)来连接,它的功能是将输入的摸拟量转化为数字量般控制器采用模拟量参数,在计算机与控制器件之间要通过数模转换器(DA)进行连接。 5.31AD转换器 AD转换器是一种能够在规定的精度和分辨率之内,把接收的摸拟信号转换成与之成正比的数字信号的器件模数转换包括时间上等间隔的采样及保持和幅值上的量化及编码,它把电压等模拟量转换成数字量,即把连续信号变成离散的时间序列在AD转换过程中,设x(t)为给定的摸拟信号,x(t)代表对给定信号按同一时间间隔采样所得到的系列离散值,于是AD转换得到相应的一系列数字量{a},每个数字代表x(t)的幅值。为了实现转换过程;需要将采样值保持一定时间,保持中的采样值还是连续的模拟量,而数字量只能是离能值。所以需要用量化单位对模拟量做整型量化,从而得到与模拟量对应的数字值。量化后的数字以编码形式表示。量化就是在模数转换过程中,对时域上每个间隔采样分层取值的过程。它是采用有限字长的一组二进制码去逼近离散的模拟信号的幅值,而字长位数的多少决定了数字量偏移连续量误差的大小。数字最低位所代表的数值称为量化单位通常用字母q表示,它是分层的标准尺度。显然,量化单位越小,信号精度越高,但任何量化都会引起误差。由量化引起的误差称为量化误差。当输入信号随时间变化时,量化后的曲线呈阶梯形。对应的量化误差c()即与量化单位有关又与被测信号x()有关。当量化单位与被测信号的幅值比足够小,量化误差可看作量化噪声由于量化单位对应数字量最低位所代表的数值,所以 q=FRS/2" 式中,FRS一满量程电压值 n-转换器的位数如12位AD转换器,电压范围是0-10V或±5V,则q=10/2≈0.00244V。由于截尾误差的均值不为零,即存在直流分量,所以一般采用舍入处理,显然舍入处理的最大量化误差为±q/2。 AD转换的编码方式为单极性和双极性两种。单极性方式用于信号恒为正值或负值的情况,例如温度和压力等。振动信号在一个周期内有正负,所以采用双极性编码方式。在双极性方式中,最高位是符号位,用于表示极性的正负,其余的位用来表示信号的幅值,这种将符号数码化的数叫做机器数。利用计算机对数据进行运算时要考虑符号如何处理,能否同数值一起参加运算。为了妥善处理这些问题提出了把符号位和数值一起编码的各种方法 1)原码原码是一种最直接的机器数表示法,规定用0表示正号,用1表示负号,数值部分按一般二进制表示,即尾数与真值一样。若xb=x1x2…xm,则 3=xx1x2…xn x为原码机器数:x为直值:x1,…,xn1分别表示各尾数位上的数值:x为原码机器数的符号位它满足

过程装备控制技术及应用教案第五章计算机控制系统第 4 页共 18 页  应用先进的通信网络；  具有开放性；  可靠性高； 5.3 A/D 与 D/A 转换器传感器与微机之间要通过模数转换器(A/D)来连接，它的功能是将输入的摸拟量转化为数字量；一般控制器采用模拟量参数，在计算机与控制器件之间要通过数模转换器（D/A）进行连接。 5.3.1 A/D 转换器 A/D 转换器是一种能够在规定的精度和分辨率之内，把接收的摸拟信号转换成与之成正比的数字信号的器件。模数转换包括时间上等间隔的采样及保持和幅值上的量化及编码，它把电压等模拟量转换成数字量，即把连续信号变成离散的时间序列。在 A/D 转换过程中，设 x(t)为给定的摸拟信号，x`(t)代表对给定信号按同一时间间隔采样所得到的一系列离散值，于是 A/D 转换得到相应的一系列数字量{an}，每个数字代表 x`(t)的幅值。为了实现转换过程；需要将采样值保持一定时间，保持中的采样值还是连续的模拟量，而数字量只能是离能值。所以需要用量化单位对模拟量做整型量化，从而得到与模拟量对应的数字值。量化后的数字以编码形式表示。量化就是在模数转换过程中，对时域上每个间隔采样分层取值的过程。它是采用有限字长的一组二进制码去逼近离散的模拟信号的幅值，而字长位数的多少决定了数字量偏移连续量误差的大小。数字最低位所代表的数值称为量化单位通常用字母 q 表示，它是分层的标准尺度。显然，量化单位越小，信号精度越高，但任何量化都会引起误差。由量化引起的误差称为量化误差。当输入信号随时间变化时，量化后的曲线呈阶梯形。对应的量化误差 (t) 即与量化单位有关又与被测信号 x(t)有关。当量化单位与被测信号的幅值比足够小，量化误差可看作量化噪声。由于量化单位对应数字量最低位所代表的数值，所以 n q = FRS 2 式中，FRS—满量程电压值； n—转换器的位数。如 12 位 A/D 转换器，电压范围是 0~10V 或±5V，则 10 2 0.00244 12 q =  V。由于截尾误差的均值不为零，即存在直流分量，所以一般采用舍入处理，显然舍入处理的最大量化误差为  q / 2 。 A/D 转换的编码方式为单极性和双极性两种。单极性方式用于信号恒为正值或负值的情况，例如温度和压力等。振动信号在一个周期内有正负，所以采用双极性编码方式。在双极性方式中，最高位是符号位，用于表示极性的正负，其余的位用来表示信号的幅值，这种将符号数码化的数叫做机器数。利用计算机对数据进行运算时要考虑符号如何处理，能否同数值一起参加运算。为了妥善处理这些问题提出了把符号位和数值一起编码的各种方法。 1）原码原码是一种最直接的机器数表示法，规定用 0 表示正号，用 1 表示负号，数值部分按一般二进制表示，即尾数与真值一样。若 b = 1 2 n−1 x x x x ，则  0 = 0 1 2 n−1 x x x x x  0 x 为原码机器数； b x 为直值； 1 1 , , n− x  x 分别表示各尾数位上的数值； 0 x 为原码机器数的符号位，它满足

过程装备控制技术及应用教案第五章计算机控制系统 6页共18页 AD转换器(ADC)最主要的性能指标是分辨率和转换时间。分辨率即指量化单位,有时也简单地用位数表示。转换时间指从启动转换命令施加时刻到转换结束命令开始有效时刻的时间间隔,其倒数称为转换速率或最高样频率 ADC芯片按速度分档的一般约定是:最高采样单频低于1KHz为代速:;1~1000KHz为中速,高于 IMHz为高速,高于1000MHz为超高速。以逐次逼近式ADC为例,讲解其工作原理逐次逼近式模数转换器它相应于输入模拟量y的二进制代码实行逐步猜测。首先通过DAC把试算代码转变成一个模拟电压,然后用比较器判别这个猜测是高于还是低于输入电压,接着以判别结果为基础做下一次猜测。重复上次过程,直至模拟电压与输入电压之差小于半个量化单位。如:第一次猜测总是011)应于(127) 10,即满量程的一半,若猜测高于输电压,置b为0。第二次猜测为001,对应于(63)0,即满量程的四分之一,猜测高,则置b6为0,反之,置为1。继续猜测到其余各位都确定。 532D/A转换器 (1)DA转换器原理 DA转换器产生正比于输入的并行数字信号(例如8位二进制信号aa2…a)的输出电压。它是利运算放大器取电流之和,各支路电流为零或非零取决于该位的值是0或1,每个有效位对应的电流强度为下一有效位的2倍 1=/2R,12=(0,-02R)/2R=U,/4R,…1,=O/2A),…,=U,(28 则 -(a1+a2l2+…+anln)R …+a R 2R 2"R 这就是倒R一2R型DA转换器传输函数,其输出模拟电压与输入数码成正比特点:①无论开关掷向运算求和点还是接地点,流过电阻2R的电流不变,因此电阻的分布电容没有充放电问题,转换速度较快:②这种电路结构只有两种电阻,易于集成并保证电阻的公差和温度跟踪, 可得到较高的转换精度:③等效电阻不随开关位置的变化而变化,始终为R,这对参考电压的负载能力要求可大大降低 (2)DA转换器集成芯片早期芯片结构特征:只具有从数字量到模拟电流输出量转换的功能。须在外电路中加数字输入锁存器,参考电压源以及输出电压转换电路中期芯片结构特征:具有数字输入锁存功能电路,能和CPU数据总线直接相连。近期芯片结构特征:内部带有参考电压源;大多数芯片有输出放大器,可实现模拟电压的单极性或双极性输出:电子带有参考电压源输出放大器,芯片的工作电源大多使用双极性电源 533AD、D/A接器板介绍 AD,DA接口板,可直接插入到与总线兼容的微型计算内任一总线扩展槽中,构成微机数据采集控制基本部件以AD574为主芯片的接口板具有32路单端模拟输入通道,可将±5V范围内的模拟电压信号转换

过程装备控制技术及应用教案第五章计算机控制系统第 6 页共 18 页 A/D 转换器（ADC）最主要的性能指标是分辨率和转换时间。分辨率即指量化单位，有时也简单地用位数表示。转换时间指从启动转换命令施加时刻到转换结束命令开始有效时刻的时间间隔，其倒数称为转换速率或最高采样频率。 ADC 芯片按速度分档的一般约定是：最高采样单频低于 1KHz 为代速；1~1000KHz 为中速，高于 1MHz 为高速，高于 1000MHz 为超高速。以逐次逼近式 ADC 为例，讲解其工作原理。逐次逼近式模数转换器它相应于输入模拟量 yi 的二进制代码实行逐步猜测。首先通过 DAC 把试算代码转变成一个模拟电压，然后用比较器判别这个猜测是高于还是低于输入电压，接着以判别结果为基础做下一次猜测。重复上次过程，直至模拟电压与输入电压之差小于半个量化单位。如：第一次猜测总是 01111111，对应于（127） 10，即满量程的一半，若猜测高于输电压，置 b7 为 0。第二次猜测为 00111111，对应于(63)10，即满量程的四分之一，猜测高，则置 b6 为 0，反之，置为 1。继续猜测到其余各位都确定。 5.3.2D/A 转换器（1）D/A 转换器原理 D/A 转换器产生正比于输入的并行数字信号（例如 8 位二进制信号 a1a2…a7）的输出电压。它是利用运算放大器取电流之和，各支路电流为零或非零取决于该位的值是 0 或 1，每个有效位对应的电流强度为下一有效位的 2 倍。 I 1 =Ur 2R ， R R U R R U I U r r r 2 4 2 2  =      = −  ，…， I U ( R) i i = r 2 ，…， I U ( R) n n = r 2 。则 ( ) ( ) n r n n r n r r o n n U a a a R R U a R U a R U a U a I a I a I R − − − = − + + +       = − + + + = − + + + 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 2 2 1 1 2 2    这就是倒 R—2R 型 D/A 转换器传输函数，其输出模拟电压与输入数码成正比。特点：①无论开关掷向运算求和点还是接地点，流过电阻 2R 的电流不变，因此电阻的分布电容没有充放电问题，转换速度较快；②这种电路结构只有两种电阻，易于集成并保证电阻的公差和温度跟踪，可得到较高的转换精度；③等效电阻不随开关位置的变化而变化，始终为 R，这对参考电压的负载能力要求可大大降低。（2）D/A 转换器集成芯片早期芯片结构特征：只具有从数字量到模拟电流输出量转换的功能。须在外电路中加数字输入锁存器，参考电压源以及输出电压转换电路。中期芯片结构特征：具有数字输入锁存功能电路，能和 CPU 数据总线直接相连。近期芯片结构特征：内部带有参考电压源；大多数芯片有输出放大器，可实现模拟电压的单极性或双极性输出；电子带有参考电压源输出放大器，芯片的工作电源大多使用双极性电源。 5.3.3 A/D、D/A 接器板介绍 A/D，D/A 接口板，可直接插入到与总线兼容的微型计算内任一总线扩展槽中，构成微机数据采集控制基本部件。以 AD574 为主芯片的接口板具有 32 路单端模拟输入通道，可将  5V 范围内的模拟电压信号转换

过程装备控制技术及应用教案第五章计算机控制系统 7页共18页成12Bits的数字量(AD),其AD转换精度可达+0.03%,同时还可以具有模拟输出通道,用于将数字量转换成模拟电压输出(DA),输出电压范围可以是±5V或0~+5V。 AD转换触发工作方式采用软件触发方式,转换结果的传输方式有两种:①查询A/D完成位,然后再读取数据;②AD转换完成后发中断申请然后由中断服务程序读取数据 (2)工作原理接口板的32路模拟电压信号通过输入输出插座分别接到32选一的模拟输入多路开关上,在软件控制下,选择某一输入通道,将该通道模拟输入信号送至采样保持器,然后再通过单稳电路启动AD转换器。当AD转换完成时,板的转换完成位寄存器被置为“1”。用软件查询方式查询D位,当查询到这个状态位为“1”时,即可将数据读入到计算机内存中。若使用中断方式,则在AD转换完成后自动向计算机发出中断请求信号。在中断服务程序控制下,将12Bit计数据读入计算机内存 534AD选择原则 (1)采样额第它是等间隔采样间隔时间下的倒数,一个数字信号处理系统,采样频率一般根据AD转换器的参数而定。信号采集时采样频率的选择,要根据信号的特点、分析的要求、所用的设备等方面的条件求确定时域分析∫,=10fm,频率分析f≥2f′m (2)分辨率它关系到AD的转换精度仍至整个测试系统的精度 (3)采样点数时域分析采样点数要尽可能多;频域分析采样点数一般2的幂数 (4)触发方式的选择触发信号是启动AD开始采样的信号。触发方式选择即选择不同形式的触发信号。 (5)性能价格比的要求要根据使用的场合使用的环境等条件。只要满足技术要求即可,而不要反片面追求的高指标 535D/A选择原则选择DA芯片时,主要考虑芯片的性能结构和应用特性。在性能上必须满足D/A转换技术要求在构和应用特性上应满足接口方便,外围电路简单,价格低廉等要求 (1)D/A芯片的主要性能指标的考虑 DA芯片的主要性能指标有:在给定作条件下的静态指标,包括各项精度指标、动态指标、环境指标等。这些指标在器件手册上通常会给出。用户选择时主要考虑的是以位数表现的转换精度和转换时间 (2)DA芯片主要结构特性与应用特性的选择 D/A芯片这些特性虽然主要表现在芯片的内部结构的配置状况,但这些配置对DA转换接器电路的设计带来很大形响。主要考虑的问题如下 ①数字输入持性:数据码制、数据格式及逻辑电平等。 ②数字输出持性:多数DA芯片属电流输出器件。 ③锁存特性及转换控制:若D/A芯片无输入锁存器,在通过CPU数据总线传送数字量时,必须外加锁存器,否则只能通过具有输出锁存功能的O给DA芯片送入数字量 54直接数字控制系统 54lDDC系统概述 DDC系统操作功能包括:从被控对象中获取各种信息,执行能够反映控制规律的控制算法,把计结果以一定形式送到执行器和(或)显示报警装置,实现操作人员一控制台一微型计算机系统之间的

过程装备控制技术及应用教案第五章计算机控制系统第 7 页共 18 页成 12Bits 的数字量（A/D）,其 A/D 转换精度可达+0.03%，同时还可以具有模拟输出通道，用于将数字量转换成模拟电压输出（D/A），输出电压范围可以是  5V 或 0~+5V。 A/D 转换触发工作方式采用软件触发方式，转换结果的传输方式有两种：①查询 A/D 完成位，然后再读取数据；②A/D 转换完成后发中断申请然后由中断服务程序读取数据。（2）工作原理接口板的 32 路模拟电压信号通过输入输出插座分别接到 32 选一的模拟输入多路开关上，在软件控制下，选择某一输入通道，将该通道模拟输入信号送至采样保持器，然后再通过单稳电路启动 A/D 转换器。当 A/D 转换完成时，板的转换完成位寄存器被置为“1”。用软件查询方式查询 D7 位，当查询到这个状态位为“1”时，即可将数据读入到计算机内存中。若使用中断方式，则在 A/D 转换完成后自动向计算机发出中断请求信号。在中断服务程序控制下，将 12Bit 计数据读入计算机内存。 5.3.4 A/D 选择原则（1）采样额第它是等间隔采样间隔时间下的倒数，一个数字信号处理系统，采样频率一般根据 A/D 转换器的参数而定。信号采集时采样频率的选择，要根据信号的特点、分析的要求、所用的设备等方面的条件求确定。时域分析 10 max f f s = ，频率分析 2 max f f s  。（2）分辨率它关系到 A/D 的转换精度仍至整个测试系统的精度。（3）采样点数时域分析采样点数要尽可能多；频域分析采样点数一般 2 的幂数。（4）触发方式的选择触发信号是启动 A/D 开始采样的信号。触发方式选择即选择不同形式的触发信号。（5）性能价格比的要求要根据使用的场合使用的环境等条件。只要满足技术要求即可，而不要反片面追求的高指标。 5.3.5 D/A 选择原则选择 D/A 芯片时，主要考虑芯片的性能结构和应用特性。在性能上必须满足 D/A 转换技术要求，在构和应用特性上应满足接口方便，外围电路简单，价格低廉等要求。（1）D/A 芯片的主要性能指标的考虑 D/A 芯片的主要性能指标有：在给定作条件下的静态指标，包括各项精度指标、动态指标、环境指标等。这些指标在器件手册上通常会给出。用户选择时主要考虑的是以位数表现的转换精度和转换时间。（2）D/A 芯片主要结构特性与应用特性的选择 D/A 芯片这些特性虽然主要表现在芯片的内部结构的配置状况，但这些配置对 D/A 转换接器电路的设计带来很大形响。主要考虑的问题如下： ①数字输入持性：数据码制、数据格式及逻辑电平等。 ②数字输出持性：多数 D/A 芯片属电流输出器件。 ③锁存特性及转换控制：若 D/A 芯片无输入锁存器，在通过 CPU 数据总线传送数字量时，必须外加锁存器，否则只能通过具有输出锁存功能的 I/O 给 D/A 芯片送入数字量。 5.4 直接数字控制系统 5.4.1 DDC 系统概述 DDC 系统操作功能包括：从被控对象中获取各种信息，执行能够反映控制规律的控制算法，把计算结果以一定形式送到执行器和（或）显示报警装置，实现操作人员—控制台—微型计算机系统之间的

过程装备控制技术及应用教案第五章计算机控制系统 8页共18页联系等控制规律是反映计算机控制系统性能的核心。在DDC系统中,微机的最主要任务是执行控制算法,以实现控制规律, DDC系统控制过程:生产过程的各物理量的变化情况通过一次仪表进行测理放大后变成统一的电信号,作为DDC输入信号。为了避免现场输入线路带来的电磁干扰,用滤波器对各种信号进行滤波。采样器顺序地按周期把各信号传送给数据放大器,被放大后的信号给AD转换器变成一定规律的数字代码输入计算机。计算按预先存在存贮器中的程序对输入被测各量进行一系列检测并按PID等控制规律进行运算。运算的结果以二进制代码形式由计算机输出,送步进控制器。步进控制器将接收到的二进制代码转换成一定频率的脉冲数。经输出扫描(与采样同步)送至步进单元,变成模拟信号。该模拟信号送到生产现场,输入电动执行器或经电气转换器为气压信号带动调节阀等执行机构进行调节,还到稳定生产的目的 DDC系统的功能归结到各种各样的控制程序组成的应用软件里。如直接控制程序、数据处理程序、控制模型程序、报警程序、操作指导程序、数据记录程序,人机联系程序等。这些程序开始时存贮于数据库中,使用时才从库中调出,最后从各种外部设备的输岀结果来加以验证。运行人员可以随时监视或要求改变计算机的运行状态。 DDC系统的应用场合 ◇过程回路很多的大规模生产过程 ◇被控参数需要进行一些计算的生产过程 ◆各能数间相互关联的生产过程 ◆原料、产品和产量经常变更的生产过程 ◆具有较大滞后时间的工业对象。 542DDC的基本算法 DDC的基本算法是指计算机对生产过程进行PID控制时的几种控制方程。数字化PD的突出优势表现在: a可用一台微型计算机控制几十个回路,大量节省设备和费用,提高了系统的可靠性; b编程灵活,可以很方便地对PD规律进行各种改进,衍生多种形式的PID算法。PID参数的调整也只要改变程序的数据,十分方便 PID基本算法有两路:理想PID和实际PD,这两种PID算法的比例积分运算相同,区别主要是微分项不同。 (1)位置式PID算法在对连续量的控制中,模拟PID调节器的理想算PID法为: ()=Kc()+e(0+T de(t) 表示成传递函数的形式为 U(s) =K1+—+T E(S T, 上式的方框图如下理想PID算法方框图在计算机控制系统中,须用数字形式的差分方程来代替连续系统的微分方程,此时积分项和微分项可用求和及增量式来表示,即采用下列变

过程装备控制技术及应用教案第五章计算机控制系统第 8 页共 18 页联系等。控制规律是反映计算机控制系统性能的核心。在 DDC 系统中，微机的最主要任务是执行控制算法，以实现控制规律。 DDC 系统控制过程：生产过程的各物理量的变化情况通过一次仪表进行测理放大后变成统一的电信号，作为 DDC 输入信号。为了避免现场输入线路带来的电磁干扰，用滤波器对各种信号进行滤波。采样器顺序地按周期把各信号传送给数据放大器，被放大后的信号给 A/D 转换器变成一定规律的数字代码输入计算机。计算按预先存在存贮器中的程序对输入被测各量进行一系列检测并按 PID 等控制规律进行运算。运算的结果以二进制代码形式由计算机输出，送步进控制器。步进控制器将接收到的二进制代码转换成一定频率的脉冲数。经输出扫描（与采样同步）送至步进单元，变成模拟信号。该模拟信号送到生产现场，输入电动执行器或经电气转换器为气压信号带动调节阀等执行机构进行调节，还到稳定生产的目的。 DDC 系统的功能归结到各种各样的控制程序组成的应用软件里。如直接控制程序、数据处理程序、控制模型程序、报警程序、操作指导程序、数据记录程序，人机联系程序等。这些程序开始时存贮于数据库中，使用时才从库中调出，最后从各种外部设备的输出结果来加以验证。运行人员可以随时监视或要求改变计算机的运行状态。 DDC 系统的应用场合  过程回路很多的大规模生产过程；  被控参数需要进行一些计算的生产过程；  各能数间相互关联的生产过程；  原料、产品和产量经常变更的生产过程；  具有较大滞后时间的工业对象。 5.4.2 DDC 的基本算法 DDC 的基本算法是指计算机对生产过程进行 PID 控制时的几种控制方程。数字化 PID 的突出优势表现在： a 可用一台微型计算机控制几十个回路，大量节省设备和费用，提高了系统的可靠性； b 编程灵活，可以很方便地对 PID 规律进行各种改进，衍生多种形式的 PID 算法。PID 参数的调整也只要改变程序的数据，十分方便。 PID 基本算法有两路：理想 PID 和实际 PID，这两种 PID 算法的比例积分运算相同，区别主要是微分项不同。（1）位置式 PID 算法在对连续量的控制中，模拟 PID 调节器的理想算 PID 法为： ( ) ( ) ( ) ( )       = + +  dt de t e t dt T T u t K e t D t I P 0 1 表示成传递函数的形式为：       = = + +T s T s K E s U s W s D I P 1 1 ( ) ( ) ( ) 上式的方框图如下：理想 PID 算法方框图在计算机控制系统中，须用数字形式的差分方程来代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式来表示，即采用下列变：

《过程装备控制技术及应用》课程教学资源（教案讲义）第五章 计算机控制系统

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