冶金過程控制基礎(chǔ)及應(yīng)用第五章

1、第第五五章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)|概述 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與常規(guī)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)相同，基本概念和術(shù)語也是通用的。有關(guān)調(diào)節(jié)原理和調(diào)節(jié)過程也是相同的。不同之處在于：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，控制器對控制對象的參數(shù)、狀態(tài)信息的檢測和控制結(jié)束的輸出在時(shí)間上是斷續(xù)的，對檢測信號(hào)的分析計(jì)算是數(shù)字化的，而在模擬控制系統(tǒng)中則是連續(xù)的。 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，使用數(shù)字控制器代替了模擬控制器，以及為了數(shù)字控制器與其他模擬量環(huán)節(jié)的銜接增加了模數(shù)轉(zhuǎn)換元件和數(shù)模轉(zhuǎn)換元件。它的給定值也是以數(shù)字量形式輸入計(jì)算機(jī)，而不再是由一個(gè)給定線路產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)電信號(hào)，再通過硬件連接到比較電路。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，可以方便地用減運(yùn)算實(shí)現(xiàn)比較功

2、能。 數(shù)字控制器的輸出是根據(jù)控制偏差，按照一定的運(yùn)算規(guī)律(如PID)運(yùn)算得到的。控制器的輸出稱為控制量，面所遵循的運(yùn)算規(guī)律稱為控制算法。而且，對于能接受數(shù)字量的執(zhí)行元件，固51中的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件(D/A)是可以省去的。同樣，采用數(shù)字測量元件時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換元件(A/D)也可省去。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制過程步驟：（三步）|實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣：測量被控量的當(dāng)前值，為斷續(xù)的數(shù)字化信號(hào)；|實(shí)時(shí)判斷：判斷被控量當(dāng)前值與給定值的偏差；|實(shí)時(shí)控制：根據(jù)偏差，作為控制決策。即按預(yù)定的算法對偏差進(jìn)行運(yùn)算，以及適時(shí)適量地向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)：|可實(shí)現(xiàn)分時(shí)對多個(gè)對象多個(gè)回路的控制；|便于對系統(tǒng)功能的擴(kuò)充修改；|可完成很多在模

3、擬控制系統(tǒng)中由硬件難以完成的功能。微型計(jì)算機(jī)特點(diǎn)：|體積小、結(jié)構(gòu)簡單；|價(jià)格便宜，攬資少；|可靠性高，平均無故障時(shí)間長達(dá)幾干小時(shí)至幾萬小時(shí)以上；|靈活性高。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成分類 組成 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由工業(yè)對象和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)兩部分組成。 工控機(jī)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括計(jì)算機(jī)主機(jī)、外部設(shè)備、外圍設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化儀表和操作控制臺(tái)等。軟件是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的程序系統(tǒng)。第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及分計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及分類類（1）硬件組成 主機(jī)：它是整個(gè)系統(tǒng)的核心裝置，它由微處理器、內(nèi)存貯器和系統(tǒng)總線等部分構(gòu)成。主機(jī)根據(jù)過程輸入通道發(fā)送來的反映生產(chǎn)過程工況的各種信息和已確定的控制

4、規(guī)律，作出相應(yīng)的控制決策，并通過過程輸出通道發(fā)出控制命令，達(dá)到預(yù)定的控制目的。 主機(jī)所產(chǎn)生的控制是按照人們預(yù)先安排好的程序進(jìn)行的，能實(shí)現(xiàn)過程輸入控制和輸出等功能的程序預(yù)先已放入內(nèi)存，系統(tǒng)啟動(dòng)后，CPC逐條取出來，并執(zhí)行，從而產(chǎn)生預(yù)期的控制效果。 過程輸入輸出通道：它是在微機(jī)和生產(chǎn)過程之間起信息傳遞和變換作用的裝置。它包括：摸擬量輸入通道（AI）、開關(guān)量輸入通道（DI）、模擬量輸出通道（AO）和開關(guān)量輸出通道（DO）。操作設(shè)備 系統(tǒng)的操作設(shè)備是操作員與系統(tǒng)之間的信息交換工具，操作設(shè)備一般由CRT顯示器（或其他顯示器）、鍵盤、開關(guān)和指示燈組成。操作員通過操作設(shè)備可以控制系統(tǒng)和了解系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。 外

5、部設(shè)備：它是鍵盤終端、打印機(jī)、繪圖儀、磁盤等計(jì)算機(jī)輸入輸出設(shè)備。 通信設(shè)備：規(guī)模較大的工業(yè)生產(chǎn)過程，其控制和管理常常非常復(fù)雜，需要幾臺(tái)或幾十臺(tái)微型計(jì)算機(jī)才能分級完成控制與管理任務(wù)。這樣，系統(tǒng)中的微機(jī)之間就需要通信。因此，需要由通信設(shè)備與數(shù)據(jù)線將系統(tǒng)中的微機(jī)互聯(lián)起來，構(gòu)成控制與管理網(wǎng)絡(luò)。（2）軟件部分 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件包含系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩部分。 系統(tǒng)軟件一般包括匯編語言、高級算法語言、過程控制語言以及它們的匯編、解釋、編譯程序，操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，通訊網(wǎng)絡(luò)軟件、調(diào)試程序，診斷程序等。 應(yīng)用軟件是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員針對生產(chǎn)過程要求而編制的控制和管理程序。應(yīng)用軟件一般包括過程輸入程序、過程控制程序、

6、過程輸出程序、打印顯示程序、人機(jī)接口程序等。其中過程控制程序是應(yīng)用軟件的核心，是控制方案和控制規(guī)律的具體實(shí)現(xiàn)。分類分類：依據(jù)：依據(jù)應(yīng)用形式應(yīng)用形式分分 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC 監(jiān)督控制系統(tǒng)監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC 分級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 集散型控制系統(tǒng)等集散型控制系統(tǒng)等第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及分類及分類(1) 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要是對大量的過程狀態(tài)參數(shù)實(shí)現(xiàn)主要是對大量的過程狀態(tài)參數(shù)實(shí)現(xiàn)巡回檢測、數(shù)據(jù)存貯記錄、數(shù)巡回檢測、數(shù)據(jù)存貯記錄、數(shù)據(jù)處理據(jù)處理(計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、整理

7、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、整理)、進(jìn)、進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)越限行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)越限報(bào)警等功能。報(bào)警等功能。第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及分類及分類嚴(yán)格講，它不屬于計(jì)算機(jī)控制，因嚴(yán)格講，它不屬于計(jì)算機(jī)控制，因?yàn)樵谶@種應(yīng)用方式中，計(jì)算機(jī)為在這種應(yīng)用方式中，計(jì)算機(jī)不直接參與過程控制，對生產(chǎn)不直接參與過程控制，對生產(chǎn)過程不產(chǎn)生直接影響，但對指過程不產(chǎn)生直接影響，但對指導(dǎo)生產(chǎn)過程操作具有積極作用。導(dǎo)生產(chǎn)過程操作具有積極作用。它屬于計(jì)算機(jī)應(yīng)用于過程控制它屬于計(jì)算機(jī)應(yīng)用于過程控制的低級階段。的低級階段。第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及分類及分類(2) 直接數(shù)字控

8、制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)分時(shí)地對被控對象的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行測分時(shí)地對被控對象的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行測試，并根據(jù)測試的結(jié)果與給定值試，并根據(jù)測試的結(jié)果與給定值的差值，按照預(yù)先制定的控制算的差值，按照預(yù)先制定的控制算法進(jìn)行數(shù)字分析、運(yùn)算后，控制法進(jìn)行數(shù)字分析、運(yùn)算后，控制量輸出直接作用在調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行量輸出直接作用在調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，使各個(gè)被控參數(shù)保持在機(jī)構(gòu)上，使各個(gè)被控參數(shù)保持在給定值上，實(shí)現(xiàn)對被控對象的閉給定值上，實(shí)現(xiàn)對被控對象的閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)。環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)。第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及分類及分類(3) 監(jiān)督控制系統(tǒng)監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC(SPC）是指計(jì)算機(jī)根據(jù)生產(chǎn)過程的信息是

9、指計(jì)算機(jī)根據(jù)生產(chǎn)過程的信息(測量值測量值)和其他信息和其他信息(給定值等給定值等)，按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型，按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型，去自動(dòng)改變?nèi)プ詣?dòng)改變(也稱重新設(shè)定也稱重新設(shè)定)模擬模擬調(diào)節(jié)器或調(diào)節(jié)器或DDC工業(yè)控制機(jī)的給工業(yè)控制機(jī)的給定值，從而使生產(chǎn)過程處于最定值，從而使生產(chǎn)過程處于最優(yōu)化的工況下進(jìn)行。優(yōu)化的工況下進(jìn)行。第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及分類及分類(4) 分級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中既存在控制問題，也在生產(chǎn)過程中既存在控制問題，也存在大量的管理問題。存在大量的管理問題。第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及

10、分類及分類分級系統(tǒng)分級系統(tǒng)一般是混合式，即除計(jì)算一般是混合式，即除計(jì)算機(jī)直接控制外，還有儀表控制機(jī)直接控制外，還有儀表控制和直接聯(lián)接現(xiàn)場的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。和直接聯(lián)接現(xiàn)場的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及分類及分類目前分級控制一般分為目前分級控制一般分為三級三級，即生，即生產(chǎn)管理級產(chǎn)管理級MIS、監(jiān)督控制級、監(jiān)督控制級SCC以及直接數(shù)字控制級以及直接數(shù)字控制級DDC。生產(chǎn)管理級生產(chǎn)管理級MIS又可以分為企又可以分為企業(yè)級業(yè)級MIS和廠級和廠級MIS。第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及分類及分類第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成

11、及分類及分類(5) 集散型控制系統(tǒng)集散型控制系統(tǒng)TDCS隨著生產(chǎn)的發(fā)展、生產(chǎn)規(guī)模越來越隨著生產(chǎn)的發(fā)展、生產(chǎn)規(guī)模越來越大、信息來源越來越多，對控大、信息來源越來越多，對控制的及時(shí)性要求越來越高。因制的及時(shí)性要求越來越高。因而在大型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中出而在大型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中出現(xiàn)了一個(gè)重要的發(fā)展方向現(xiàn)了一個(gè)重要的發(fā)展方向集散型控制系統(tǒng)集散型控制系統(tǒng)TDCS，也稱為，也稱為分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng).第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及分類及分類 它是以數(shù)臺(tái)乃至數(shù)百臺(tái)的微它是以數(shù)臺(tái)乃至數(shù)百臺(tái)的微型計(jì)算機(jī)分散地分布在各個(gè)生產(chǎn)型計(jì)算機(jī)分散地分布在各個(gè)生產(chǎn)現(xiàn)場，作為現(xiàn)場控制

12、站或者基本現(xiàn)場，作為現(xiàn)場控制站或者基本調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的檢測與調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的檢測與控制，代替了大量的常規(guī)模擬儀控制，代替了大量的常規(guī)模擬儀表。因此既能克服模擬儀表的功表。因此既能克服模擬儀表的功能單一性和局限性，又能避免計(jì)能單一性和局限性，又能避免計(jì)第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及分類及分類 計(jì)算機(jī)集中控制的危險(xiǎn)性。這些計(jì)算機(jī)集中控制的危險(xiǎn)性。這些控制站通過高速效據(jù)通道與監(jiān)督控制站通過高速效據(jù)通道與監(jiān)督計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)SCC通訊，通過通訊，通過CRT操作操作站實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)視和干預(yù)。這站實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)視和干預(yù)。這種結(jié)構(gòu)比分級分層結(jié)構(gòu)更靈活，種結(jié)構(gòu)比分級分層結(jié)構(gòu)更

13、靈活，擴(kuò)充也更方便。而且由于硬件的擴(kuò)充也更方便。而且由于硬件的冗余度大，某個(gè)回路出現(xiàn)故障時(shí)冗余度大，某個(gè)回路出現(xiàn)故障時(shí)第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及分類及分類 可以相互支援，出此有很高的可可以相互支援，出此有很高的可靠性。靠性。第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及分類及分類計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求：1. 系統(tǒng)操作性能好系統(tǒng)操作性能好2. 可靠性高可靠性高3. 通用性好，便于擴(kuò)充通用性好，便于擴(kuò)充4. 實(shí)時(shí)性強(qiáng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)5. 設(shè)計(jì)周期短，價(jià)格便宜設(shè)計(jì)周期短，價(jià)格便宜第第二二節(jié)節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)與實(shí)

14、現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟：1. 確定系統(tǒng)整體控制方案確定系統(tǒng)整體控制方案（1）確定控制方案）確定控制方案（2）確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式）確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式（3）現(xiàn)場設(shè)備選擇）現(xiàn)場設(shè)備選擇第第二二節(jié)節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2. 確定控制算法確定控制算法|所選擇的控制算法是否能滿足所選擇的控制算法是否能滿足對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程、穩(wěn)態(tài)精度對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程、穩(wěn)態(tài)精度和穩(wěn)定性的要求。和穩(wěn)定性的要求。|各種控制算法提供了一套通用各種控制算法提供了一套通用的計(jì)算公式，但具體到一個(gè)控的計(jì)算公式，但具體到一個(gè)控制對象上，必須有分析地選制對象上，必須有分析地選第第二

15、二節(jié)節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)與實(shí)現(xiàn) 選用。甚至需要進(jìn)行修改和補(bǔ)充，選用。甚至需要進(jìn)行修改和補(bǔ)充，采取適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)措施，以達(dá)到滿采取適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)措施，以達(dá)到滿足系統(tǒng)性能要求的目的。足系統(tǒng)性能要求的目的。第第二二節(jié)節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)與實(shí)現(xiàn)|當(dāng)控制系統(tǒng)比較復(fù)雜時(shí)，其控制當(dāng)控制系統(tǒng)比較復(fù)雜時(shí)，其控制算法一般也比較復(fù)雜，使整個(gè)控算法一般也比較復(fù)雜，使整個(gè)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)比較困難。為了設(shè)制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)比較困難。為了設(shè)計(jì)、調(diào)試方便，可將控制算法先計(jì)、調(diào)試方便，可將控制算法先作某些合理的簡化，先忽略某些作某些合理的簡化，先忽略某些因素的影響因素的影響(如非線性

16、、小延遲、如非線性、小延遲、小慣性等小慣性等)，在取得 初 步 成 果，在取得 初 步 成 果后再逐步將控制算法完善，直后再逐步將控制算法完善，直到獲得滿意的控制效果。到獲得滿意的控制效果。第第二二節(jié)節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)與實(shí)現(xiàn)3. 系統(tǒng)硬、軟件的設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬、軟件的設(shè)計(jì)4. 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試第第二二節(jié)節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)可靠性的概念有兩個(gè)含義：計(jì)算機(jī)可靠性的概念有兩個(gè)含義：一是系統(tǒng)的無故障運(yùn)行時(shí)間盡可能一是系統(tǒng)的無故障運(yùn)行時(shí)間盡可能長；長；二是系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能迅速檢修和二是系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能迅速檢修和排除。排除。第第三三節(jié)節(jié)

17、提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性的措施靠性的措施提高措施：提高措施：1. 提高元器件的可靠性提高元器件的可靠性2. 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的冗余技術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的冗余技術(shù)3. 采取抗干擾措施采取抗干擾措施4. 采用故障診斷和系統(tǒng)恢復(fù)技術(shù)采用故障診斷和系統(tǒng)恢復(fù)技術(shù)以及軟件可靠性技術(shù)等。以及軟件可靠性技術(shù)等。第第二二節(jié)節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)與實(shí)現(xiàn)|A/D與D/A轉(zhuǎn)換器 傳感器與微機(jī)之間要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)來連接，它的功能是將輸入的摸擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量；一般控制器采用模擬量參數(shù)，在計(jì)算機(jī)與控制器件之間要通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）進(jìn)行連接。A/D轉(zhuǎn)換器 微機(jī)測控系統(tǒng)中模擬量檢測

18、技術(shù)最主要的電路是A/D轉(zhuǎn)換器，它的作用是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以便傳輸給微機(jī)接口。A/D轉(zhuǎn)換器是一種能夠在規(guī)定的精度和分辨率之內(nèi)，把接收的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比的數(shù)字信號(hào)的器件。 A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的重要器件。由于實(shí)現(xiàn)的電子手段極多，因而派生出各種不同類型的A/D轉(zhuǎn)換器。目前，A/D轉(zhuǎn)換器都是以集成芯片的形式出現(xiàn)。由于A/D轉(zhuǎn)換器的電路比較常見，這里不作詳細(xì)介紹。(1)雙積分式A/D 雙積分式A/D的原理是將輸入的模擬量變換成與其平均值成正比的時(shí)間間隔，然后由脈沖發(fā)生器和計(jì)數(shù)器來測量時(shí)間間隔以獲得數(shù)字量。這種轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是對電路元件參數(shù)要求不苛刻，抗干擾性能強(qiáng)，轉(zhuǎn)換速度慢。因而不

19、宜用于快速測量采樣系統(tǒng)，而適用于緩慢信號(hào)檢測或低速采樣系統(tǒng)。 (2)計(jì)數(shù)器式A/D 這種電路的特點(diǎn)是電路比較簡單，價(jià)格便宜，它的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度較慢因此目前較少應(yīng)用。(3)逐次逼近式A/D 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較快，轉(zhuǎn)換精度從高到低，因此，是應(yīng)用最普遍的形式。特別適用于與微型計(jì)算機(jī)的接口電路相連，因此在微機(jī)測試系統(tǒng)中用得較廣。D/A轉(zhuǎn)換器原理 DA轉(zhuǎn)換器是一種把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的器件，它作為計(jì)算機(jī)控制模擬過程的一種手段，得到了廣泛的應(yīng)用。一個(gè)n位的二進(jìn)制數(shù)，具有2n個(gè)二進(jìn)制數(shù)的組合。因此，DA就要具有2n個(gè)分立的模擬電壓或電流，以與不同的數(shù)字一一對應(yīng)。這2n個(gè)模擬量，常用一個(gè)基準(zhǔn)電

20、壓Ur通過網(wǎng)絡(luò)來產(chǎn)生。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電路結(jié)構(gòu)和數(shù)字量對其控制操作方式的不同，便產(chǎn)生了各種各樣的DA轉(zhuǎn)換類型。A/D選擇原則采樣頻率 采樣頻率是等間隔采樣間隔時(shí)間丁的倒數(shù)。如100、200、500、1000、2000HZ等。一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，采樣頻率一般根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的參數(shù)而定。 信號(hào)采集時(shí)采樣頻率的選擇，要根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)、分析的要求、所用的設(shè)備等諸方面的條件來確定。若對信號(hào)作時(shí)域分析，則采樣頻率越高，信號(hào)的復(fù)原性越好。一般可取采樣頻率為信號(hào)中最高頻串的10倍，但還要兼顧其他因素。對信號(hào)作頻域分析時(shí)，為了避免混疊，采樣頻率最小必須大于或等于信號(hào)中最高頻率的2倍。(2)分辨率 分辨率是A/D轉(zhuǎn)換

21、器的重要參數(shù)，它的高低直接關(guān)系到A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度乃至整個(gè)測試系統(tǒng)的精度。 (3)采樣點(diǎn)數(shù) 進(jìn)行時(shí)域分析時(shí)，采樣點(diǎn)數(shù)盡可能多一些，采樣點(diǎn)數(shù)越多信號(hào)越容易復(fù)原。進(jìn)行頻域分析時(shí)，為了快速傅里葉變換(FFT)計(jì)算的方便，采樣點(diǎn)數(shù)一般取2的冪數(shù)，如：32、64、128、256、512、1024等。有許多信號(hào)處理設(shè)備固定取為l024點(diǎn)。 (4)觸發(fā)方式選舞 觸發(fā)信號(hào)是啟動(dòng)A/D開始采樣的信號(hào)。的觸發(fā)信號(hào)。 (5)性能價(jià)格比的要求 選擇A/D轉(zhuǎn)換器必須考慮到性能價(jià)格比。一定要根據(jù)使用的場合、使用的環(huán)境等條件，只要能滿足技術(shù)要求即可，而不要僅片面追求性能的高指標(biāo)。D/A選擇原則 選擇D/A芯片時(shí)，主要考

22、慮芯片的性能結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特性。在性能上必須滿足D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)要求，在構(gòu)和應(yīng)用特性上應(yīng)滿足接口方便，外圍電路簡單，價(jià)格低廉等要求。（1）D/A芯片的主要性能指標(biāo)的考慮 D/A芯片的主要性能指標(biāo)有：在給定作條件下的靜態(tài)指標(biāo)，包括各項(xiàng)精度指標(biāo)、動(dòng)態(tài)指標(biāo)、環(huán)境指標(biāo)等。這些指標(biāo)在器件手冊上通常會(huì)給出。用戶選擇時(shí)主要考慮的是以位數(shù)表現(xiàn)的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換時(shí)間。（2）D/A芯片主要結(jié)構(gòu)特性與應(yīng)用特性的選擇 D/A芯片這些特性雖然主要表現(xiàn)在芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的配置狀況，但這些配置對D/A轉(zhuǎn)換接器電路的設(shè)計(jì)帶來很大形響。主要考慮的問題如下：數(shù)字輸入特性：數(shù)據(jù)碼制、數(shù)據(jù)格式及邏輯電平等。數(shù)字輸出特性：多數(shù)D/A芯片屬電流輸

23、出器件。鎖存特性及轉(zhuǎn)換控制：若D/A芯片無輸入鎖存器，在通過CPU數(shù)據(jù)總線傳送數(shù)字量時(shí)，必須外加鎖存器，否則只能通過具有輸出鎖存功能的I/O給D/A芯片送入數(shù)字量。直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng) DDC是最基本是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。在是最基本是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。在DDC系統(tǒng)中微型計(jì)算機(jī)直接參與了閉系統(tǒng)中微型計(jì)算機(jī)直接參與了閉環(huán)控制過程。它的操作功能包括：從被環(huán)控制過程。它的操作功能包括：從被控對象中獲取各種信息，執(zhí)行能夠反映控對象中獲取各種信息，執(zhí)行能夠反映控制規(guī)律的控制算法，把計(jì)算結(jié)果以一控制規(guī)律的控制算法，把計(jì)算結(jié)果以一定形式送到執(zhí)行器和定形式送到執(zhí)行器和(或或)顯示報(bào)警裝置，顯示報(bào)警裝置，實(shí)

24、現(xiàn)操作人員實(shí)現(xiàn)操作人員控制臺(tái)控制臺(tái)微型計(jì)算機(jī)系微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的聯(lián)系等。其中統(tǒng)之間的聯(lián)系等。其中“執(zhí)行能夠反映執(zhí)行能夠反映控制規(guī)律的控制算法控制規(guī)律的控制算法”和和“把計(jì)算結(jié)果把計(jì)算結(jié)果以一定形式送到執(zhí)行器以一定形式送到執(zhí)行器”是是DDC系統(tǒng)所系統(tǒng)所特有的功能。其他功能要求及其實(shí)現(xiàn)與特有的功能。其他功能要求及其實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的響應(yīng)功能基本類似，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的響應(yīng)功能基本類似，在這里不再詳述。在這里不再詳述。 在系統(tǒng)構(gòu)成以后，控制規(guī)律是反映計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)性能的核心。在DDC系統(tǒng)中，微型計(jì)算機(jī)的員主要的任務(wù)就是執(zhí)行控制算法，以實(shí)現(xiàn)控制規(guī)律。在DDC系統(tǒng)中，可以直接對幾十以至幾百個(gè)控制回路

25、進(jìn)行自動(dòng)巡回檢測和數(shù)字控制。 圖511表示了一個(gè)DDC系統(tǒng)構(gòu)成的方框圖。圖中只表示出了模擬量輸入輸出通道。由生產(chǎn)過程(被控對象)的各物理量的變化情況，通過一次儀表進(jìn)行測量放大后變成統(tǒng)一的電信號(hào)，作為DDC的輸入信號(hào)。為了避免現(xiàn)場輸入線路帶來的電、磁干擾，用濾波器對各種信號(hào)分別進(jìn)行了濾波。采樣 器順序地把周期把各信號(hào)傳送給數(shù)據(jù)放大器，被放大后的信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器變成一定規(guī)律的數(shù)字代碼輸入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)按預(yù)先存放在存貯器中的程序，對輸入被測各量進(jìn)行一系列檢測并技PID等控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算。運(yùn)算的結(jié)果以二進(jìn)制代碼形式由計(jì)算機(jī)輸出，送到步進(jìn)控制器。步進(jìn)控制器將接收到的二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成一定額率的脈沖數(shù)，經(jīng)輸

26、出掃描(與采樣器同步而不同回路)送至步進(jìn)單元，變成模擬信號(hào)。這里的步進(jìn)單元實(shí)際上是一個(gè)電機(jī)式的DA轉(zhuǎn)換器。該模擬信號(hào)送至生產(chǎn)現(xiàn)場，輸入電動(dòng)執(zhí)行器或經(jīng)電氣轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為氣壓信號(hào)帶動(dòng)調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。時(shí)間控制器是用來控制整機(jī)同步協(xié)調(diào)工作的。|DDC系統(tǒng)的功能歸結(jié)到各種各樣的控制程序組成的應(yīng)用軟件里。如直接控制程序、數(shù)據(jù)處理程序、控制模型程序、報(bào)警程序、操作指導(dǎo)程序、數(shù)據(jù)記錄程序，人機(jī)聯(lián)系程序等。這些程序開始時(shí)存貯于數(shù)據(jù)庫中，使用時(shí)才從庫中調(diào)出，最后從各種外部設(shè)備的輸出結(jié)果來加以驗(yàn)證。運(yùn)行人員可以隨時(shí)監(jiān)視或要求改變計(jì)算機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。DDC系統(tǒng)的應(yīng)用場合|過程回路很多的大規(guī)模

27、生產(chǎn)過程；|被控參數(shù)需要進(jìn)行一些計(jì)算的生產(chǎn)過程；|各能數(shù)間相互關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)過程；|原料、產(chǎn)品和產(chǎn)量經(jīng)常變更的生產(chǎn)過程；|具有較大滯后時(shí)間的工業(yè)對象。DDC的PID算法中參數(shù)的整定|DDC的PID基本參數(shù)的整定完全可以按照有關(guān)模擬調(diào)節(jié)器中使用的各種整定方法加以分析和綜合，并在實(shí)踐中加以驗(yàn)證，以求得到一組比較合適的參數(shù)。|由于工業(yè)生產(chǎn)過程中不可預(yù)測的干擾很多，若只有一組固定PID參數(shù)要滿足各種負(fù)荷或干擾下的控制質(zhì)量要求是有困難的，因而必須設(shè)定多組PID基本參數(shù)。變參數(shù)PID控制的整定要求：|對某些控制回路根據(jù)負(fù)荷不同采用幾組不同的PID參數(shù)，以改善控制質(zhì)量。|時(shí)序控制，按照一定的時(shí)間順序采用不同的給

28、定值和Kp、TI、TD參數(shù)。|人工模型，模擬現(xiàn)場操作工人的方法，把操作經(jīng)驗(yàn)編成程序，然后由機(jī)器來自動(dòng)改變給定值或 Kp、TI、TD參數(shù)。采樣周期的選擇 從控制質(zhì)量來看，采樣周期取得小一些，但其小到某一值時(shí)再減小時(shí)對控制質(zhì)量已沒有意義； 從被控對象的動(dòng)態(tài)特性來看，若對象反應(yīng)快，要選較短的采樣周期，否則應(yīng)相反； 從執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求來看，有時(shí)需要計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)保持一定的時(shí)間長度，在這段時(shí)間內(nèi)，要求計(jì)算機(jī)輸出值應(yīng)有變化，因此采樣周期必須大于這一時(shí)間，否則上一輸出值還來不及實(shí)現(xiàn)，馬上又轉(zhuǎn)換為新的輸出值，執(zhí)行機(jī)構(gòu)就不能按預(yù)期的調(diào)節(jié)規(guī)律動(dòng)作；從擾干擾的要求來看希望采樣周期短些；從計(jì)算機(jī)的工作量和每個(gè)控制

29、回路的成本來看，一般要求采樣周期盡可能大些。在選擇采樣周期時(shí)，必須根據(jù)具體情況和主要的要求作出折衷的選擇。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 被控對象不同，設(shè)計(jì)的具體要求不同，但基本要求相同。系統(tǒng)操作性能好它包含兩方面：使用方便、維修方便。在配置軟件時(shí)，要考慮配置什么樣的軟件能降低對操作人員的專業(yè)知識(shí)要求，便于他們學(xué)習(xí)和掌握；在配置硬件時(shí)，要考慮使控制系統(tǒng)的控制開關(guān)不能太多、太復(fù)雜，且使操作順序盡可能簡單。可靠性高它是系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的一個(gè)要求。因?yàn)橐坏┫到y(tǒng)出現(xiàn)故障，會(huì)對整個(gè)生產(chǎn)過程造成混亂，引起嚴(yán)重后果。特別是對CPU的可靠性要求更高。應(yīng)選用高性能的工控機(jī)，控制方案、軟件設(shè)計(jì)

30、要可靠；設(shè)計(jì)各種安全保措施，各種報(bào)警、事故預(yù)測與處理等。通用性好，便于擴(kuò)充|必須使設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，并盡可能采用通用的系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)，以便在需要擴(kuò)充時(shí)要增加插件板就能實(shí)現(xiàn)。|在系統(tǒng)設(shè)計(jì)，各設(shè)計(jì)指標(biāo)要留有一定的余量，這是擴(kuò)充功能的一個(gè)必要條件。如工控機(jī)的處理速度、內(nèi)存容量、輸入輸出通道數(shù)以及電源功能等均應(yīng)留有余量。實(shí)時(shí)性強(qiáng) 表現(xiàn)在時(shí)間驅(qū)動(dòng)和事件驅(qū)動(dòng)能力上。要對生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和控制。因此，需要配備實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，過程中斷系統(tǒng)。設(shè)計(jì)周期短、價(jià)格便宜 由于計(jì)算機(jī)技術(shù)日新日異，各種新技術(shù)新產(chǎn)品不斷現(xiàn)。在滿足精度、速度和其他性能要求的前提下，應(yīng)該縮短設(shè)計(jì)周期和盡量采用價(jià)格低的無件，以降低整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)資，提

31、高設(shè)入產(chǎn)出比。DDC設(shè)計(jì)的一般步驟（1）確定系統(tǒng)總體控制方案 通過對被控對象的深入分析和工作過程、環(huán)境的熟悉，才能確定系統(tǒng)的控制任務(wù)和要求，構(gòu)思出切實(shí)可行的控制系統(tǒng)整體控制方案。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案包括：確定控制方案 根據(jù)系統(tǒng)要求，考慮采用開環(huán)控制還是閉環(huán)控制。當(dāng)采用閉環(huán)控制，還需進(jìn)一步確定是單環(huán)還是多環(huán)，采用DDC控制還是集散型控制等。確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式 對于小型系統(tǒng)，系統(tǒng)的構(gòu)成方式應(yīng)優(yōu)先選用工控機(jī)來構(gòu)成。 對于系統(tǒng)規(guī)模較大、自動(dòng)化要求水平高，甚至集控制與管理為一體的系統(tǒng)，可選用DCS，高檔PLC或其工控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。|現(xiàn)場設(shè)備的選擇|主要是選用傳感器、變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的型號(hào)和類型。傳感器的送擇一定

32、要滿足系統(tǒng)檢測和控制精度的要求。執(zhí)行機(jī)構(gòu)則應(yīng)根據(jù)具體情況擇優(yōu)選定。|通過整體方案的考慮，畫出系統(tǒng)組成的粗框圖，并用控制流程框圖描述控制過程和控制任務(wù)。通過對方案的合理性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和可行性的論述，最后寫出系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)書，作為整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)。（2）確定控制算法 在確定系統(tǒng)的數(shù)字模型后便可確定相應(yīng)的控制算法。選擇控制算法時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： 它是否滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程，穩(wěn)態(tài)精度和穩(wěn)定性的要求。 各種控制算法有一套通用的計(jì)算公式，但具體到一個(gè)控制對象必須有分析地選用。甚至需要進(jìn)行補(bǔ)充和修改。 當(dāng)控制系統(tǒng)比較復(fù)雜時(shí)，其控制算法一般也比較復(fù)雜，使整個(gè)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)比較困難。為了設(shè)計(jì)，調(diào)試方使，

33、可將控制算法先作某些合理的簡化，先忽略某些因素的形響。在取得初步成果后，再逐步將控制算法完善，直到獲得滿意的控制效果。（3）系統(tǒng)硬、軟件的設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)主要包括輸入、輸出接口電路的設(shè)計(jì)，輸入、輸出通道設(shè)計(jì)和操作控制臺(tái)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)階段要設(shè)計(jì)出硬件原理圖，并根據(jù)原理圖選購元件和模板，還要設(shè)計(jì)出印刷電路板，機(jī)架施工圖等。 軟件設(shè)計(jì)對同一個(gè)硬件系統(tǒng)而言，設(shè)計(jì)不同的軟件，可以得到不同的系統(tǒng)功能。在軟件設(shè)計(jì)中要繪制程序總體流程圖和各功能模塊流程圖，編制程序清單，編寫程序說明。（4）系統(tǒng)調(diào)試 系統(tǒng)調(diào)試包括系統(tǒng)硬件、軟件分調(diào)與聯(lián)調(diào)，系統(tǒng)模擬調(diào)試和現(xiàn)場投運(yùn)。調(diào)試過程往往是先分調(diào)，再聯(lián)調(diào)，有問題再回到分調(diào)，

34、加以修改后再聯(lián)調(diào)，反復(fù)進(jìn)行，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求為止。提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性的措施 隨著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用的日益廣泛，對系統(tǒng)的可靠性提出了很高的要求。可靠性的概念有兩個(gè)含義：一是系統(tǒng)的無故障運(yùn)行時(shí)間盡可能長：二是系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能迅速檢修和排除。 一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，影響其可靠性的主要因素有：元器件，物理設(shè)備的可靠性；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性及制作工藝水平；電源系統(tǒng)與接地技術(shù)的質(zhì)量；系統(tǒng)抑制和承受外界干擾的能力。 因此，為了提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，常采用提高元器件的可靠性、設(shè)計(jì)系統(tǒng)的冗余技術(shù)、采取抗干擾措施、采用故障診斷和系統(tǒng)恢復(fù)技術(shù)以及軟件可靠性技術(shù)等。 提高元件的可靠性 這主要是計(jì)算機(jī)控

35、制系統(tǒng)及元器件生產(chǎn)廠家的責(zé)任，屬于“先天性”問題。產(chǎn)品在出廠前已經(jīng)決定了質(zhì)量的優(yōu)劣。對于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說所能做的只能是一些事后的補(bǔ)救措施包括認(rèn)真選型、老化、篩選、考核等。冗余技術(shù) 所謂冗余，是指在系統(tǒng)中增設(shè)額外的附加成分，來保讓整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性。常用的冗余系統(tǒng)，按其結(jié)構(gòu)形式可分為并聯(lián)系統(tǒng)、備用系統(tǒng)和表決系統(tǒng)二種。(1)并聯(lián)系統(tǒng)| 在并聯(lián)系統(tǒng)中，冗余的方法是使若干同佯裝青并聯(lián)運(yùn)行。只要其中一個(gè)裝置正常工作，系統(tǒng)就能維持正常運(yùn)行。只有當(dāng)并聯(lián)裝置的每個(gè)單元都失效時(shí)，系統(tǒng)才不能工作。其結(jié)構(gòu)如圖523所示c(2)備用系統(tǒng) 其邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖524所示。圖中A1和A2是工作單元，B為備用單元，S1、

36、S2為轉(zhuǎn)換器。一旦檢測到工作單元出現(xiàn)故障，即通過轉(zhuǎn)換器S1和S2把備用單元投入運(yùn)行。 (3)表決系統(tǒng)| 其邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖525所示。圖中Al，A 2，An為n個(gè)工作單元，m為表決器。每個(gè)單元酌情息輸入表決器中，與其余信號(hào)比較。只有當(dāng)有效單元數(shù)超過失效單元數(shù)時(shí)，才能作出輸入為正確的判斷。 一般而言，并聯(lián)系統(tǒng)和備用系統(tǒng)的可靠程度高于單個(gè)設(shè)備。備用系統(tǒng)的可靠程度高于并聯(lián)系統(tǒng)。表決系統(tǒng)僅在一定時(shí)間范圍內(nèi)，可靠程度優(yōu)于單個(gè)設(shè)備。選擇冗余結(jié)構(gòu)時(shí)，除丁考慮可靠程度以外，還要考慮性能價(jià)格比、可維護(hù)性、應(yīng)用場合、擴(kuò)展性能以及冗余結(jié)構(gòu)本身的控制性能等綜合作出決定。 無論采用何種冗余結(jié)構(gòu)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，必須采取

37、措施，如更換或切離故障裝置、重新組合系統(tǒng)等。實(shí)施這種故障排除措施，稱為冗余結(jié)構(gòu)控制。 結(jié)構(gòu)控制有邏輯結(jié)構(gòu)控制與物理結(jié)構(gòu)控制兩種。所謂邏輯結(jié)構(gòu)控制就是當(dāng)二重化路徑的一路出現(xiàn)故障時(shí)，由月一路取代。這種結(jié)構(gòu)控制并不變更系統(tǒng)的物理連接關(guān)系；而物理結(jié)構(gòu)控制則是變更系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)連接關(guān)系，如變更輸入輸出設(shè)備的連接關(guān)系等。冗余結(jié)構(gòu)控制有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種方式。采取抗干擾措施 在影響系統(tǒng)可靠性的諸多因素中，除了系統(tǒng)自身的內(nèi)在因素外、另一類因素則來自外界對系統(tǒng)的干擾，包括空間電磁效應(yīng)干擾、電網(wǎng)沖擊波從電源系統(tǒng)空間感應(yīng)進(jìn)入控制系統(tǒng)帶來的干擾等。對這一類因素的干擾必須采取措施抑制s外界干擾進(jìn)入系統(tǒng)的途徑示意如圖5

38、26所示。圖中I類干擾是空間感應(yīng)干擾，它以電磁感應(yīng)形式進(jìn)入系統(tǒng)的任何部件和線路II類干擾是通過對通道的感應(yīng)、傳輸耦合、地線聯(lián)系進(jìn)入通道部分的干擾。III類干擾是電網(wǎng)的沖擊波通過變壓器鍋臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)入電源系統(tǒng)而傳到各個(gè)部分的。針對不同的干擾有多種不同的抑制干擾措施，主要有屏蔽、濾波、隔離和吸收等。 (1)電磁干擾的屏蔽| 主要是利用金屬網(wǎng)、板、盒等物體把電磁場限制在一定空間內(nèi)，或阻止電磁場進(jìn)入一定空間。屏蔽的效果主要取決于屏蔽體結(jié)構(gòu)的接縫和接觸電阻。接縫和接觸電阻會(huì)導(dǎo)致磁場或電場的泄漏。屏蔽可以直接利用設(shè)備的機(jī)殼實(shí)現(xiàn)。機(jī)殼可采用鋁材料制成。|(2)隔離技術(shù)| 常用的有隔離變壓器和光電耦合器如圖5-2

39、7所示。光電鍋臺(tái)器是利用光傳遞信息的，它由輸入端的發(fā)光元件與輸出端的受光元件組成。由于輸入與輸出在電氣上是完全隔離的，避免了地環(huán)路的形成。因而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。（3）共模輸入法 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于對象、通道裝置比較分散，通道與被測信號(hào)之間往往要長線連接，由此造成了被測信號(hào)地線和主機(jī)地線之間存在一定的電位差，它作為干擾，同時(shí)施加在通道的兩個(gè)輸入端上，稱為共模干擾。共模十?dāng)_的影響如圖528所示。 共模干擾的抑制措施常用的方法是：采用高共模抑制比的差動(dòng)放大器；采用浮地輸入雙層屏蔽放大器；光電隔離；使用隔離放大器等。 例如，將輸入情號(hào)的屏蔽層和芯線分別接到差動(dòng)放大器的兩個(gè)輸入端

40、，構(gòu)成共模輸入。這時(shí)因地線問的干擾電壓不能進(jìn)入差動(dòng)輸入端，因而有效地抑制了十?dāng)_。圖529是其等效電路圖其中VS是信導(dǎo)源，Vg是干擾源。 (4)電源系統(tǒng)的干擾抑制 由電源引入的干擾是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)主要干擾源。干擾有從交流側(cè)來的，也有從直流側(cè)來的。例如，由交流電網(wǎng)的負(fù)荷變化引入的50HZ正弦波的畸變；由交流輸入電線接收的空間高頻信號(hào)；交流電網(wǎng)的電壓波動(dòng)；直流穩(wěn)壓電源的母線上收到的十?dāng)_；電源濾波性能差、紋波大引起的干擾：由于數(shù)字電路的脈沖信號(hào)通過電源傳輸引起的交叉干擾等。對于不同的干擾需要采取相應(yīng)的措施抑制。交流側(cè)干擾的抑制 對于交流側(cè)的干擾主要采取以下一些方法抑制。 濾波 交流電源用的濾波器

41、是一低通濾波器，一般采用集中參數(shù)的型濾波器。濾波器的電容耐壓應(yīng)兩倍于電源電壓的峰值。有時(shí)也將數(shù)個(gè)具有不同截止頻率的低通濾波器串聯(lián)，以獲得好的效果。對于這類濾波器，必須加裝屏蔽盒，且濾波器的輸入和輸出端要嚴(yán)格隔離，防止用合。屏蔽 變壓器繞組加屏蔽后，初次級間的鍋合電容可以大大減少。變壓器屏蔽層要接地，初級繞組的屏蔽層接地是與交流“地”相接。而次級繞組的屏蔽層和中間隔離層都與直流側(cè)的工作“地”相連，如圖530所示。 穩(wěn)壓 對干交流電壓的波動(dòng)，可采用交流穩(wěn)壓器。對于大多數(shù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)而言都應(yīng)有交流穩(wěn)壓器。另外，為了吸收高頻的短暫過電壓，可用壓變電阻并接在交流進(jìn)線處。 直流側(cè)干擾的抑制 抑制直流側(cè)的

42、電源干擾，除了選擇穩(wěn)壓性能好、紋被系數(shù)小的電源外，還要克服因脈沖電路運(yùn)行時(shí)引起的交叉干擾。 主要使用去耦法，即在各主要的集成電路芯片的電源輸入端，或在印刷電路板電源布線的一些關(guān)鍵點(diǎn)與地之間接入一個(gè)ll0uF的電容。同時(shí)為了濾除高頻干擾，可再并聯(lián)一個(gè)0.01uF左右的小電容。 (5)布線的防干擾原則|強(qiáng)、弱信號(hào)線要分開；交流、直流線要分開；輸人、輸出線要分開。|電路間的連線要短，弱電的信號(hào)線不宜平行，應(yīng)變成辮子線或雙絞線。|信號(hào)線應(yīng)盡量貼地敷設(shè)。對于集成電路的印刷板布線應(yīng)注意，地線要盡可能粗、盡可能覆蓋刷板。在雙面印刷板上，正反面的走線要垂直，走線應(yīng)短，盡量少設(shè)對穿孔c對容易串?dāng)_的兩條線要盡量不

43、使它們相鄰和平行敷設(shè)。(6)接地設(shè)計(jì) 接地的含義可以理解為一個(gè)等電位點(diǎn)或等電位面。它是電路或系統(tǒng)的基準(zhǔn)電位但不一定為大地電位。保護(hù)地線必須在大地電位上；信號(hào)地線依據(jù)設(shè)計(jì)可以是大地電位，也可以不是大地電位。 接地設(shè)計(jì)目的在于消除各電路電流流經(jīng)一個(gè)公共地線阻抗時(shí)所產(chǎn)生的噪聲電壓；避免受磁場和地電位差的影響，即不使其形成地環(huán)路；使屏蔽和濾波有環(huán)路；確保系統(tǒng)安全。(7)軟件的抗干擾措施 在前面討論的在控制算法中如何抗干擾的方法就是軟件抗干擾的一種方法*軟件設(shè)計(jì)的抗干擾措施包括數(shù)字濾波、軟件固化、選擇性控制、指令復(fù)執(zhí)、自診斷、建立RAM數(shù)據(jù)保護(hù)區(qū)等。 數(shù)字濾波 就是利用程序?qū)Σ蓸訑?shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，去除或

44、削弱干擾的影響，提高信號(hào)的真實(shí)度。數(shù)字濾波是最常見的抗干擾措施，對提高信號(hào)的可信度和精確性很有效果。 數(shù)字濾波有很多方法，如中值濾波、平均性的濾波、一階滯后濾波、判斷性濾波等等。軟件固化 即把控制系統(tǒng)的軟件，一次寫入EPROM固化。這樣即使受到干擾沖亂程序時(shí)，配合重啟動(dòng)措施仍可恢復(fù)程序正常運(yùn)行。而且固化程序本身的內(nèi)部也不怕受外界因素的破壞。選擇性控制 在一個(gè)控制程序中研制兩種不同的控制方法一種用于正常運(yùn)行的控制，另一種用于應(yīng)付異常事故的處理，由此可以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。 指令復(fù)執(zhí) 當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后，把當(dāng)前執(zhí)行的指令重復(fù)執(zhí)行若干次，稱為指令復(fù)執(zhí)。如果故障是瞬時(shí)性的，在指令復(fù)執(zhí)幾次后，便不會(huì)再出

45、現(xiàn)故障，程序仍可以繼續(xù)正常運(yùn)行。指令復(fù)執(zhí)的思想可以擴(kuò)展到程序段的復(fù)執(zhí)，效果較好。自診斷功能 有“在線”自診斷和“離線”自診斷兩種方式。 “離線”自診斷可以使用專門的診斷程序，對系統(tǒng)的各種功能進(jìn)行全面的檢查?！霸诰€”自診斷，不能占用太多的計(jì)算機(jī)時(shí)間，診斷程序也不能占用太多的內(nèi)存。因此“在線”自診斷可以是簡易的、持征性的檢查。 DDC的基木算法是指計(jì)算機(jī)對生產(chǎn)過程進(jìn)行PID控制時(shí)的幾種控制方程。PID調(diào)節(jié)器在模擬控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)最成熟，參數(shù)選擇與調(diào)整都在長期的應(yīng)用中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，且這些經(jīng)驗(yàn)和方法為廣大工程技術(shù)人員所熟悉。隨著計(jì)算機(jī)在過程控制中的廣泛應(yīng)用，人們首先想到的是把PID控制

46、規(guī)律移植到數(shù)字控制系統(tǒng)中，即用數(shù)字PID調(diào)節(jié)器取代模擬調(diào)節(jié)器。要完成此任務(wù)需要做的主要工作是：把PID調(diào)節(jié)規(guī)律數(shù)字化，用數(shù)字 運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)它，以及編制PID算法的程序。在這里關(guān)鍵是PID調(diào)節(jié)規(guī)律的數(shù)字化，即本節(jié)所講的基本算法。實(shí)踐證明，數(shù)字化PID能取得近似于PID模擬調(diào)節(jié)器的控制效果，而且在很多方面具有突出的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在：|可用一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)控制幾十個(gè)回路，大量節(jié)省設(shè)備和費(fèi)用，提高了系統(tǒng)的可靠性；|編程靈活，可以很方便地對PID規(guī)律進(jìn)行各種改進(jìn)，衍生多種形式的PID算法。PID參數(shù)的調(diào)整也只要改變程序的數(shù)據(jù)，十分方便。 PID基本算法有兩路：理想PID和實(shí)際PID，這兩種PID算法的比例積

47、分運(yùn)算相同，區(qū)別主要是微分項(xiàng)不同。 (1)DDC的理想PID算法 DDC的理想PID算法的表達(dá)式有三種，即位置式、增量式和速度式。位置式PID算法 在對連續(xù)量的控制中，模擬PID調(diào)節(jié)器的理想算PID法為： dttdeTdtteTteKtuDtIP01表示成傳遞函數(shù)的形式為： sTsTKsEsUsWDIP11)()()( 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，因?yàn)槭遣蓸涌刂?，它根?jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此上式中的積分和微分項(xiàng)是不能直接準(zhǔn)確計(jì)算出的只能用數(shù)值計(jì)算的方法逼近。用數(shù)字形式的差分方程來代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時(shí)積分項(xiàng)和微分項(xiàng)可用求和及增量式來表示，即采用下列變換： Tkeketkekedttde

48、ieTtiedttekikit11000 由此可得離散的PID表示式： u（k）第k次采樣時(shí)刻調(diào)節(jié)器的輸出數(shù)字量。 若用上式來控制閥門的開度，其輸出值恰與閥門開度的位置的對應(yīng)。 kiDIPkekeTTieTTkeKku01增量式PID算法 DDc計(jì)算機(jī)經(jīng)PID運(yùn)算，其輸出為調(diào)節(jié)閥開度(位置)的增量(改變量)時(shí)這種PID算法稱為增量式PID算法。有很多控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件，都要求接受的是前一次控制量輸出的增量，如步進(jìn)電機(jī)、多圈電位器等。因此需要此種算法。 計(jì)算機(jī)PID運(yùn)算的輸出量，為前后兩次采樣所計(jì)算的位置值之差，即 因?yàn)?1kukuku 102111kiDIPkekeTTieTTkeKku所以或

49、 2121kekekeTTkeTTkekeKkuDIP 2121kekekeKkeKkekeKkuDIP速度式PID算法 DDC計(jì)算機(jī)經(jīng)PID運(yùn)算，其輸出是指直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，則此種算法稱為速度式PID算法。將增量式PID算式，兩邊除以T，即得速度式PID算法： 由于T為常數(shù)，增量式和速度式算法無本質(zhì)區(qū)別。 2121112kekekeTTkeTkekeTKTkukvDIP 在實(shí)際應(yīng)用中，增量式PID算法應(yīng)用較多。與位置式相比，增量式PID的優(yōu)點(diǎn)如下：|a位置式PID算法中的積分項(xiàng)包含了過去誤差的累積值 ，容易產(chǎn)生累積誤差，當(dāng)該項(xiàng)累積值很大時(shí)，使輸出控制量難以減小，調(diào)節(jié)緩慢，發(fā)生積分飽和，對控制調(diào)節(jié)不利。由于計(jì)算機(jī)字長的限制，當(dāng)該項(xiàng)值超過字長時(shí)，又引起積分丟失現(xiàn)象，增式PID則沒有這種缺點(diǎn)。|b系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)切換時(shí)，增量式PID由于執(zhí)行元件保存了過去的位置，因此沖擊較小。即使發(fā)生故障時(shí)，也由于執(zhí)行元件的寄存作