工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)精課件

工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)

2022/12/1912022/12/171工業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展概況一、工業(yè)自動(dòng)控制的基本概念自動(dòng)控制：指在無(wú)人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對(duì)象（機(jī)器、設(shè)備）的某一個(gè)物理量自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行，控制系統(tǒng)：為實(shí)現(xiàn)某一控制目標(biāo)所需要的物理部件（及軟件）的有機(jī)組合，通常由控制器和被控對(duì)象組成。自動(dòng)控制理論：是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的科學(xué)，它包括以反饋控制理論為基礎(chǔ)的古典控制理論（單輸入、單輸出），以狀態(tài)空間為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論（多輸入、多輸出）以及以模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的智能控制（不需精確數(shù)學(xué)模型）。2022/12/192工業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展概況一、工業(yè)自動(dòng)控制的基本概念2022二、工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)基本類(lèi)型：順序控制系統(tǒng)：順序控制是按照預(yù)先規(guī)定的時(shí)間順序（或邏輯關(guān)系），逐步對(duì)各設(shè)備或?qū)ο筮M(jìn)行控制到方法。如電梯等。過(guò)程控制系統(tǒng)：對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的各物理量（如溫度、壓力、液位等）進(jìn)行閉環(huán)控制，使其按照要求的規(guī)律變化。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)：控制運(yùn)動(dòng)物體的轉(zhuǎn)速或位置，使其按照要求的規(guī)律變化。如調(diào)速系統(tǒng)，位置隨動(dòng)系統(tǒng)等。監(jiān)控系統(tǒng)：對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的大量運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集、顯示、記錄或報(bào)警。2022/12/193二、工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)基本類(lèi)型：2022/12/173三、控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法：順序控制系統(tǒng)：繼電邏輯控制系統(tǒng)。過(guò)程控制系統(tǒng)：常規(guī)儀表控制系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)：拖動(dòng)控制系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)：常規(guī)顯示、記錄或報(bào)警儀表。2022/12/194三、控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法：2022/12/174四、計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)工業(yè)控制技術(shù)的影響2022/12/195四、計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)工業(yè)控制技術(shù)的影響2022/12/175工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)[精]課件工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)[精]課件七、計(jì)算機(jī)控制的設(shè)計(jì)原則可靠性與適應(yīng)性。操作性與友好性。靈活性與擴(kuò)展性。實(shí)時(shí)性。2022/12/198七、計(jì)算機(jī)控制的設(shè)計(jì)原則2022/12/178分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)一、分布式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的形成：集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：采用專(zhuān)用計(jì)算機(jī)來(lái)處理工業(yè)控制問(wèn)題(如進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，過(guò)程監(jiān)視等)。多級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：為了計(jì)算機(jī)的處理速度和自身的可靠性問(wèn)題和在計(jì)算機(jī)微型化的推動(dòng)下，出現(xiàn)了多級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：將與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備打交道和需要進(jìn)行實(shí)時(shí)處理的功能分散到前端計(jì)算機(jī)上，而中央計(jì)算機(jī)只充當(dāng)后繼到系統(tǒng)管理方面的工作，實(shí)現(xiàn)集中管理，分散控制，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。計(jì)算機(jī)集成綜合系統(tǒng)：將中央計(jì)算機(jī)與工廠辦公室自動(dòng)化系統(tǒng)連接起來(lái)，使工廠制造與辦公室、實(shí)驗(yàn)室、倉(cāng)庫(kù)等商業(yè)和事務(wù)管理等系統(tǒng)構(gòu)成了一體化。2022/12/199分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)一、分布式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的形成：2二、分布式控制系統(tǒng)

分層結(jié)構(gòu)中各層的功能2022/12/1910二、分布式控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)中各層的功能2022/12/17三、分布式控制系統(tǒng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)控制器：通常帶有I/O部件，與生產(chǎn)過(guò)程相聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制執(zhí)行。人機(jī)接口：讓操作員了解生產(chǎn)能夠過(guò)程的運(yùn)行狀況，并通過(guò)它發(fā)出操作指令給生產(chǎn)過(guò)程。主要由操作站、工程師站和歷史站。通信系統(tǒng)：在分散過(guò)程控制裝置與操作管理裝置之間完成數(shù)據(jù)交換和傳遞。2022/12/1911三、分布式控制系統(tǒng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)2022/12/1711四、現(xiàn)場(chǎng)控制器回路控制器：能完成以PID為基礎(chǔ)的回路控制的數(shù)字儀表，多路數(shù)據(jù)采集器以及無(wú)紙記錄儀等一系列數(shù)字儀表，在面板上仍保留棒圖和手/自動(dòng)切換，用數(shù)字顯示代替指針顯示，這些數(shù)字儀表統(tǒng)稱(chēng)為回路控制器?；芈房刂破鲀?nèi)部的算法預(yù)先用程序作成功能塊的形式，存在ROM中?？梢园凑账蟮目刂撇呗?，進(jìn)行組態(tài)。可編程控制器(PLC)：PLC是由摸仿繼電器控制原理發(fā)展起來(lái)的，以存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等操作的指令；并通過(guò)數(shù)字輸入和輸出操作，來(lái)控制各類(lèi)機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。現(xiàn)代的也增加有一些控制回路用的算法。運(yùn)動(dòng)控制器：用于控制運(yùn)動(dòng)部件的速度或位置，通常包括變頻器和伺服系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線：全數(shù)字化、智能、多功能取代模擬式單功能儀器、儀表、控制裝置；用分散的虛擬控制站取代集中的控制站；改變傳統(tǒng)的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)、通信標(biāo)準(zhǔn)。2022/12/1912四、現(xiàn)場(chǎng)控制器2022/12/1712控制系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)2022/12/1913控制系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)2022/12/1713模塊1模塊2模塊1模塊2模塊3雙模冗余DMR－DualModuleRedundancy三模冗余TMR－TripleModuleRedundancy(1)

需適應(yīng)惡劣的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程環(huán)境。冗余結(jié)構(gòu)2022/12/1914模塊1模塊2模塊1模塊2模塊3雙模冗余三模冗余(1)需適應(yīng)模塊1模塊2模塊1模塊2表決器選擇器狀態(tài)指令指令輸出輸出指令指令輸入輸入備用式冗余BackupRedundancy表決式冗余VotingRedundancy2022/12/1915模塊1模塊2模塊1模塊2狀態(tài)指令指令輸出輸出指令指令輸入輸入模塊3模塊4表決器B輸出模塊1模塊2表決器A輸出輸出互鎖選擇器輸出A機(jī)B機(jī)互鎖信號(hào)互鎖信號(hào)主備2022/12/1916模塊3模塊4表決器B輸出模塊1模塊2表決器A輸出輸出A機(jī)B機(jī)tA確定性實(shí)時(shí)非確定實(shí)時(shí)延遲deadline概率tmintmaxtdltAdeadlinetmintmaxtdl無(wú)邊界!在正常運(yùn)行條件及可恢復(fù)故障條件下，任務(wù)延遲超過(guò)最后期限（deadline)的概率為零。有邊界!概率延遲在正常運(yùn)行條件及可恢復(fù)故障條件下，任務(wù)延遲超過(guò)最后期限（deadline)的概率很小，但不為零。確定性實(shí)時(shí)和非確定性實(shí)時(shí)的對(duì)比2022/12/1917tA確定性實(shí)時(shí)非確定實(shí)時(shí)延遲deadline概率tmintm200ms:操作人員的手感（接近硬接線般的感覺(jué)）10ms:流程工業(yè)中的事件分辨率（但目前很多招標(biāo)書(shū)都要求2ms)1s:操作員站畫(huà)面上的數(shù)據(jù)刷新速度3s:操作員站畫(huà)面翻頁(yè)速度1μs:控制器執(zhí)行一個(gè)加法運(yùn)算的典型時(shí)間10μs:控制器執(zhí)行一個(gè)PID運(yùn)算的典型時(shí)間30μs:通訊信號(hào)傳輸9km的時(shí)間延遲（信號(hào)速度30萬(wàn)公里/秒）100μs:多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)任務(wù)切換時(shí)間200μs:從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)（內(nèi)存）中訪問(wèn)獲取一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象的時(shí)間1ms:在兩個(gè)任務(wù)之間通過(guò)郵箱發(fā)送消息的時(shí)間2ms:在局域網(wǎng)中發(fā)送一個(gè)報(bào)文的時(shí)間50ms:控制器中通訊任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間實(shí)時(shí)性：典型任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間要求2022/12/1918200ms:操作人員的手感（接近硬接線般的感覺(jué)）10ms主控制器應(yīng)用設(shè)計(jì)：工藝過(guò)程劃分第1對(duì)主控制器IOIO工藝過(guò)程1第2對(duì)主控制器IOIO工藝過(guò)程2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)引用另一對(duì)主控制器的IO點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)硬接線引用另一對(duì)主控制器的IO點(diǎn)數(shù)據(jù)2022/12/1919主控制器應(yīng)用設(shè)計(jì)：工藝過(guò)程劃分第1對(duì)主控制器IOIO工藝過(guò)程熱電阻（RTD）（ResistorTemperatureDetector）熱電偶（TC）（ThermalCouple）變送器（4－20mA,1--5V）（溫度，壓力，流量，物位）電橋變換濾波信號(hào)放大濾波電流－電壓變換濾波模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器或變送器采用的信號(hào)調(diào)理技術(shù)（SignalConditioning）數(shù)字化處理AI信號(hào)的輸入處理過(guò)程AnalogInput-AI2022/12/1920熱電阻（RTD）熱電偶（TC）變送器（4－20mA,1--5雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器2022/12/1921雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器2022/12/1721逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器2022/12/1922逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器2022/12/17222022/12/19232022/12/1723變壓器隔離型放大器2022/12/1924變壓器隔離型放大器2022/12/1724電容隔離型放大器2022/12/1925電容隔離型放大器2022/12/1725線性光偶隔離型放大器2022/12/1926線性光偶隔離型放大器2022/12/1726性價(jià)典型值變壓器隔離型放大器電容隔離型放大器線性光偶隔離型放大器線性度0.005%0.01%0.1%信號(hào)帶寬120kHz50kHz50kHz隔離電壓1500Vrms1500Vrms1500Vrms體積笨重小小價(jià)格最貴（40$）<10$<5$三種模擬信號(hào)隔離放大器比較2022/12/1927性價(jià)典型值變壓器隔離型放大器電容隔離型放大器線性光偶隔離型放模擬量輸出2022/12/1928模擬量輸出2022/12/1728開(kāi)關(guān)量輸入（DI：DigitalInput)2022/12/1929開(kāi)關(guān)量輸入（DI：DigitalInput)2022/12開(kāi)關(guān)量輸出（DO：DigitalOutput)2022/12/1930開(kāi)關(guān)量輸出（DO：DigitalOutput)2022/1常見(jiàn)計(jì)算機(jī)控制算法、PID控制算法：形成一個(gè)閉環(huán)的控制回路，對(duì)被控變量產(chǎn)生的一切擾動(dòng)都進(jìn)行響應(yīng)。選擇性控制系統(tǒng)：對(duì)兩個(gè)或多個(gè)控制器的輸出端的信號(hào)進(jìn)行選擇。前饋控制：按擾控量進(jìn)行補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)控制，即當(dāng)影響系統(tǒng)的擾動(dòng)出現(xiàn)是（被控變量還未顯示變化以前），按擾動(dòng)量大小直接產(chǎn)生校正作用，以抵消擾動(dòng)的影響。順序控制：順序控制是按照預(yù)先規(guī)定的順序（邏輯關(guān)系），逐步對(duì)各階段進(jìn)行信息處理的控制方法.計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制控制系統(tǒng)的控制算法2022/12/1931常見(jiàn)計(jì)算機(jī)控制算法、控制系統(tǒng)的控制算法2022/12/1732022/12/19322022/12/1732控制作用：比例控制：比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例放大系數(shù)的加大，會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分控制：積分控制的作用是，只要系統(tǒng)有誤差存在，積分控制器就不斷地積累，輸出控制量，以消除誤差。因而，只要有足夠的時(shí)間，積分控制將能完全消除誤差，使系統(tǒng)誤差為零，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。微分控制：微分控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。應(yīng)用PID控制，必須適當(dāng)?shù)卣{(diào)整比例放大系數(shù)KP，積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD，使整個(gè)控制系統(tǒng)得到良好的性能。2022/12/1933控制作用：2022/12/17332022/12/19342022/12/17342022/12/19352022/12/1735

為了求和，必須將系統(tǒng)的偏差的全部過(guò)去值都儲(chǔ)存起來(lái)，這種算法得出的全量U(K)是控制量的絕對(duì)值。在控制系統(tǒng)中，這種控制量確定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，是一一對(duì)應(yīng)的。缺點(diǎn)是每時(shí)刻計(jì)算機(jī)都要重復(fù)計(jì)算閥位的位置，必須把偏差的全部過(guò)去數(shù)據(jù)都積累起來(lái)，容易產(chǎn)生積分飽和2022/12/1936為了求和，必須將系統(tǒng)的偏差的全部過(guò)去值都儲(chǔ)存起來(lái)，這種2022/12/19372022/12/17372022/12/19382022/12/1738采樣周期選擇：

◆

根據(jù)香農(nóng)采樣定理，系統(tǒng)采樣頻率為：

fs≥2fmax（ｆmax被采樣信號(hào)的最高）

滿足這一定理，采樣信號(hào)方可恢復(fù)或近似地恢復(fù)為原模擬信號(hào)，而不丟失主要信息。在這個(gè)限制范圍內(nèi)，采樣周期越小，采樣-數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)的性能越接近于連續(xù)-時(shí)間控制系統(tǒng)。三、采樣周期2022/12/1939采樣周期選擇：三、采樣周期2022/12/1739◆從執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性要求來(lái)看，有時(shí)需要輸出信號(hào)保持一定的寬度，采樣周期必須大于這一時(shí)間◆從控制系統(tǒng)的隨動(dòng)和抗干擾的性能來(lái)看，要求采樣周期短些◆從微機(jī)的工作量和每個(gè)調(diào)節(jié)回路的計(jì)算來(lái)看，一般要求采樣周期大些◆從計(jì)算機(jī)的精度看，過(guò)短的采樣周期是不合適的實(shí)際選擇采樣周期時(shí)，必須綜合考慮

—采用周期要比對(duì)象的時(shí)間常數(shù)小得多，否則采樣信號(hào)無(wú)法反映瞬變過(guò)程

—采用周期應(yīng)遠(yuǎn)小于對(duì)象的擾動(dòng)信號(hào)的周期

—考慮執(zhí)行器的響應(yīng)速度

—當(dāng)系統(tǒng)純滯后占主導(dǎo)地位時(shí)，應(yīng)按純滯后大小選取，并盡可能使純滯后時(shí)間接近或等于采用周期的整數(shù)倍

—考慮對(duì)象所要求的控制質(zhì)量，精度越高，采樣周期越短，以減小系統(tǒng)的純滯后2022/12/1940◆從執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性要求來(lái)看，有時(shí)需要輸出信號(hào)保持一定的寬◆常見(jiàn)被控量的經(jīng)驗(yàn)采樣周期被測(cè)參數(shù)采樣周期說(shuō)明電流10-100us優(yōu)先選用10—20s速度1-10ms優(yōu)先選用1—2ms流量1—5優(yōu)先選用1—2s壓力3—10優(yōu)先選用6—8s液位6—8優(yōu)先選用7s溫度15—20或純滯后時(shí)間，串級(jí)系統(tǒng)：副環(huán)T=1/4—1/5T主環(huán)成分15—20優(yōu)先選用18s2022/12/1941◆常見(jiàn)被控量的經(jīng)驗(yàn)采樣周期被測(cè)參數(shù)采樣周期說(shuō)四、參數(shù)整定實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分。

1整定比例控制

預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期TS。一般說(shuō)TS應(yīng)小于受控對(duì)象純延遲時(shí)間的十分之一。用選定的TS使系統(tǒng)工作。這時(shí)去掉積分作用和微分作用，將控制選擇為純比例控制器，構(gòu)成閉環(huán)運(yùn)行。逐漸加大比例放大系數(shù)KP，即將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線，即系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍信號(hào)的響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩（穩(wěn)定邊緣）。

2整定積分環(huán)節(jié)

若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟（1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來(lái)的50～80％，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。2022/12/1942四、參數(shù)整定2022/12/1742

3整定微分環(huán)節(jié)

若經(jīng)過(guò)步驟（2），PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過(guò)程不能令人滿意，則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成PID控制。

先置微分時(shí)間TD=0，逐漸加大TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。參數(shù)整定法：參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查

先是比例后積分，最后再把微分加

曲線振蕩很頻繁，比例度盤(pán)要放大

曲線漂浮繞大灣，比例度盤(pán)往小扳

曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降

曲線波動(dòng)周期長(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng)

曲線振蕩頻率快，先把微分降下來(lái)

動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢。微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)

理想曲線兩個(gè)波，前高后低4比1

一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低2022/12/19433整定微分環(huán)節(jié)2022/12/1743

五、離散PID控制算法的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：離散PID的P、I、D三個(gè)作用是獨(dú)立的，可以分別整定，計(jì)算機(jī)實(shí)施時(shí)，等效的TiTd可以在更大范圍內(nèi)自由選擇；積分微分作用的某些改進(jìn)更為靈活多變。缺點(diǎn)：如果采用等效的PID參數(shù)，離散PID控制往往差于連續(xù)的控制，滯后1/2Ts（畫(huà)圖展示）PID控制算法的改進(jìn)

積分分離：積分分離法是在誤差量較大時(shí)，不進(jìn)行積分，直至誤差達(dá)到一定值之后，才在控制量的計(jì)算中加入積分累積。

帶不靈敏區(qū)：對(duì)控制作用盡量少變得場(chǎng)合，在偏差小于某一值時(shí)，沒(méi)有控制作用，偏差大于某一值時(shí)，有控制作用。2022/12/19442022/12/1744分布式控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信一、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信的基本概念1.數(shù)據(jù)信息：具有一定編碼、格式和字長(zhǎng)的數(shù)字信息被稱(chēng)為數(shù)據(jù)信息。2.傳輸速率：傳輸速率是指信道在單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘?。一般以每秒所能夠傳輸?shù)谋忍?bit)數(shù)來(lái)表示。3.傳輸方式：通信方式按照信息的傳輸方向分為單工、半雙工和全雙工三種方式。單工方式：信息只能沿單方向傳輸?shù)耐ㄐ欧绞椒Q(chēng)為單工方式。半雙工方式：信息可以沿著兩個(gè)方向傳輸，但在某一時(shí)刻只能沿一個(gè)方向傳輸。全雙工方式：信息可以同時(shí)沿著兩個(gè)方向傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健?022/12/1945分布式控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信一、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信的基本概念20224.基帶傳輸、載帶傳輸與寬帶傳輸基帶傳輸：直接將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)信道進(jìn)行傳輸。載帶傳輸：用基帶信號(hào)調(diào)制載波后，在信道上傳輸調(diào)制后的載波信號(hào)。寬帶傳輸：在一條信道上同時(shí)傳送不同的載波頻率的多路信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)同時(shí)傳輸。5.異步傳輸與同步傳輸異步傳輸：字符的傳輸是同步的，但字符與字符之間的時(shí)間間隔是不確定的。同步傳輸：用同步的時(shí)鐘脈沖，使發(fā)送裝置和接收裝置保持同步以獲得較高的傳輸速率。6.串行傳輸與并行傳輸串行傳輸：數(shù)據(jù)的各個(gè)二進(jìn)制位依次在信道上進(jìn)行傳輸?shù)姆绞?。并行傳輸：把?gòu)成數(shù)據(jù)的各個(gè)二進(jìn)制位同時(shí)在信道上進(jìn)行傳輸?shù)姆绞健?022/12/19464.基帶傳輸、載帶傳輸與寬帶傳輸2022/12/1746二、數(shù)據(jù)通信的編碼與調(diào)制1.平衡、歸零、雙極性。用正極性脈沖表示1，用負(fù)極性脈沖表示0，在相鄰脈沖之間保留一定的空閑間隔。2.平衡、歸零、單極性。這種方法又稱(chēng)為曼徹斯特(Manchester)編碼方法。在每一位中間都有一個(gè)跳變，這個(gè)跳變既作為時(shí)鐘，又表示數(shù)據(jù)。從高到低的跳變表示1，從低到高的跳變表示0，3.平衡、不歸零、單極性。它以高電平表示1，低電平表示0。這種方法主要用于速度較低的異步傳輸系統(tǒng)。4.非平衡、歸零、雙極性。用正負(fù)交替的脈沖信號(hào)表示1，用無(wú)脈沖表示零。由于脈沖總是交替變化的，所以它有助于發(fā)現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤，通常用于高速傳輸。5.非平衡、歸零、單極性。這種表示方法與上一種表示方法的區(qū)別在于它只有正方向的脈沖而無(wú)負(fù)方向的脈沖，所以只要將前者的負(fù)極性脈沖改為正極性脈沖，就得到后一種表達(dá)方法。6.非平衡、不歸零、單極性。這種方法的編碼規(guī)則是，每遇到一個(gè)1電平就翻轉(zhuǎn)一次，所以又稱(chēng)為“跳1法”或NRZ-1編碼法。2022/12/1947二、數(shù)據(jù)通信的編碼與調(diào)制2022/12/17472022/12/19482022/12/17481.調(diào)幅方式。調(diào)幅方式(AmplitudeModulation，AM)又稱(chēng)為幅移鍵控法(Amplitude-ShiftKeying，ASK)。它是用調(diào)制信號(hào)的振幅變化來(lái)表示一個(gè)二進(jìn)制數(shù)的，例如，用高振幅表示1，用低振幅表示0。2.調(diào)頻方式。調(diào)頻方式(FrequencyModulation，F(xiàn)M)又稱(chēng)為頻移鍵控法(Frequency-ShiftKeying，F(xiàn)SK)。它是用調(diào)制信號(hào)的頻率變化來(lái)表示一個(gè)二進(jìn)制數(shù)的，例如，用高頻率表示1，用低頻率表示0。3.調(diào)相方式。調(diào)相方式(PhaseModulation，PM)又稱(chēng)為相移鍵控法(Phase-ShiftKeying，PSK)。它是用調(diào)制信號(hào)的相位變化來(lái)表示二進(jìn)制數(shù)的，例如用0°相位表示二進(jìn)制的0，用180°相位表示二進(jìn)制的1。2022/12/19491.調(diào)幅方式。調(diào)幅方式(AmplitudeModulat2022/12/19502022/12/1750三、數(shù)據(jù)通信的傳輸介質(zhì)1.雙絞線。雙絞線是由兩個(gè)相互絕緣的導(dǎo)體扭絞而成的線對(duì)，在線對(duì)的外面常有金屬箔組成的屏蔽層和專(zhuān)用的屏蔽線，2.同軸電纜。它是由內(nèi)導(dǎo)體、中間絕緣層、外導(dǎo)體和外絕緣層組成的。信號(hào)通過(guò)內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體傳輸。外導(dǎo)體總是接地的，起到了良好的屏蔽作用。3.光纜。它的內(nèi)芯是由二氧化硅拉制成的光導(dǎo)纖維，外面敷有一層玻璃或聚丙烯材料制成的覆層，由于內(nèi)芯和覆層的折射率不同，以一定角度進(jìn)入內(nèi)芯的光線能夠通過(guò)覆層折射回去，沿著內(nèi)芯向前傳播以減少信號(hào)的損失。2022/12/1951三、數(shù)據(jù)通信的傳輸介質(zhì)2022/12/1751四、數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1.星形結(jié)構(gòu)：在星形結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都通過(guò)一條鏈路連接到一個(gè)中央節(jié)點(diǎn)上去。任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信都要經(jīng)過(guò)中央節(jié)點(diǎn)。2.環(huán)形結(jié)構(gòu)：在環(huán)形結(jié)構(gòu)中，所有的節(jié)點(diǎn)通過(guò)鏈路組成一個(gè)環(huán)形。需要發(fā)送信息的節(jié)點(diǎn)將信息送到環(huán)上，信息在環(huán)上只能按某一確定環(huán)形方向傳輸，3.總線型結(jié)構(gòu)：所有的站都通過(guò)相應(yīng)的硬件接口直接接到總線上。總線型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于擴(kuò)充。中心節(jié)點(diǎn)2022/12/1952四、數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中心節(jié)點(diǎn)2022/12/1752五、數(shù)據(jù)通信的信息交換技術(shù)1.線路交換方式：在需要通信的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間事先建立起一條實(shí)際的物理連接，然后再在這條實(shí)際的物理連接上交換數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)交換完成之后再拆除物理連接。因此，線路交換方式將通信過(guò)程分為3個(gè)階段：即線路建立、數(shù)據(jù)通信和線路拆除階段。2.報(bào)文交換方式：不需要在兩站之間建立專(zhuān)用的物理信道，而是把待發(fā)送的信息分割成一份份的報(bào)文，在報(bào)文的頭尾加上源地址、目的地址、報(bào)文序號(hào)以及校驗(yàn)碼等。然后將整個(gè)報(bào)文(Message)作為一個(gè)整體一起發(fā)送，.從網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直到目的地。在交換過(guò)程中,交換設(shè)備將接收到的報(bào)文先存儲(chǔ),實(shí)施差錯(cuò)校驗(yàn)和路由選擇（即路徑選擇），然后在信道空閑時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)出去。3.報(bào)文分組交換方式:報(bào)文分組交換方式交換的基本數(shù)據(jù)單位是一個(gè)報(bào)文分組。報(bào)文分組是一個(gè)完整的報(bào)文按順序分割開(kāi)來(lái)的比較短的數(shù)據(jù)組。由于報(bào)文分組比報(bào)文短的多，傳輸時(shí)比較靈活。特別是當(dāng)傳輸出錯(cuò)需要重發(fā)時(shí)，它只需重發(fā)出錯(cuò)的報(bào)文分組，而不必像報(bào)文交換方式那樣重發(fā)。2022/12/1953五、數(shù)據(jù)通信的信息交換技術(shù)2022/12/1753五、OSI參考模型：

2022/12/1954五、OSI參考模型：2022/12/1754物理層：有關(guān)在物理鏈路上傳輸非結(jié)構(gòu)的比特流。數(shù)據(jù)鏈路層：把一條不可靠的傳輸通道轉(zhuǎn)變?yōu)橐粭l可靠的通道，發(fā)送帶有檢查的數(shù)據(jù)塊，使用差錯(cuò)檢測(cè)和幀確認(rèn)。網(wǎng)絡(luò)層：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)分組，分組可以是獨(dú)立傳輸?shù)幕蛘呤雇ㄟ^(guò)一條預(yù)先建立的網(wǎng)絡(luò)連接傳輸?shù)?，?fù)責(zé)路由選擇和擁擠控制。傳送層：在端點(diǎn)之間提供可靠的、透明的數(shù)據(jù)傳送，提供端到端的錯(cuò)誤恢復(fù)和流控制。會(huì)話層：提供在兩個(gè)進(jìn)程之間建立、維護(hù)和結(jié)束連接的手段，可以提供檢查點(diǎn)和再啟動(dòng)服務(wù)、隔離服務(wù)。表示層：通常完成有用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用接口和公共的通信服務(wù)。應(yīng)用層：給開(kāi)放系統(tǒng)互連OSI模型環(huán)境的用戶提供服務(wù)。2022/12/1955物理層：有關(guān)在物理鏈路上傳輸非結(jié)構(gòu)的比特流。2022/12/六、物理層協(xié)儀物理層協(xié)議涉及通信系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路、接收電路與通信介質(zhì)之間的接口問(wèn)題。物理層協(xié)議主要包括以下內(nèi)容。(1)接插件的類(lèi)型以及插針的數(shù)量和功能。(2)數(shù)字信號(hào)在通信介質(zhì)上的編碼方式，如電平的高低和0、1的表達(dá)方法。(3)確定與鏈路控制有關(guān)的硬件功能，如定義信號(hào)交換控制線或者忙測(cè)試線等。1、RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口：RS是推薦標(biāo)準(zhǔn)的意思，即Recommendstandard的縮寫(xiě)，232是表識(shí)號(hào)。C表示此標(biāo)準(zhǔn)的修改的次數(shù)，適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在0～20kbit/s范圍內(nèi)的串行通信。2、RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口：RS-485是為彌補(bǔ)RS-232通信距離短速率低等缺點(diǎn)而產(chǎn)生的。RS-485只規(guī)定了平衡驅(qū)動(dòng)器和接收器的電特性而沒(méi)有規(guī)定接插件傳輸電纜和應(yīng)用層通信協(xié)議。3.Can4.Ethernet2022/12/1956六、物理層協(xié)儀2022/12/1756七、常用網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議時(shí)分多路訪問(wèn)法:

多用于總線型網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)總線控制器，負(fù)責(zé)把時(shí)鐘脈沖送到網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有一個(gè)預(yù)先分配好的時(shí)間槽，在給定的時(shí)間槽里它可以發(fā)送信息。查詢法:可用于總線型或環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。也要有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制器，按照一定的次序查詢網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，看它們是否要求發(fā)送信息。令牌法：用于總線型或環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。令牌是一個(gè)特定的信息，按照預(yù)先確定的次序，從網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且循環(huán)進(jìn)行。只有獲得令牌的節(jié)點(diǎn)才能發(fā)送信息。帶有沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)法又稱(chēng)為CSMA/CD法。這種方法用于總線型網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送前先監(jiān)聽(tīng)信道是否空閑，若空閑則立即發(fā)送；如果信道忙，則繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)，一旦空閑就立即發(fā)送；在發(fā)送過(guò)程中，仍需繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)。若監(jiān)聽(tīng)到?jīng)_突，則立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)，等待一段隨機(jī)時(shí)間（稱(chēng)為退避）以后，再重新嘗試。發(fā)前先聽(tīng)，空閑即發(fā)送，邊發(fā)邊聽(tīng)，沖突時(shí)退避。2022/12/1957七、常用網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議2022/12/1757數(shù)據(jù)幀格式地址序號(hào)功能數(shù)據(jù)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)校驗(yàn)1B1B1B1B0-28B1B2022/12/1958數(shù)據(jù)幀格式地址序號(hào)功能數(shù)據(jù)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)校驗(yàn)1B1B1B1B0-2

八、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一、中繼器：中繼器(Repeater)又稱(chēng)重發(fā)器。由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間存在一定的傳輸距離，網(wǎng)絡(luò)中攜帶信息的信號(hào)在通過(guò)一個(gè)固定長(zhǎng)度的距離后，會(huì)因衰減或噪聲干擾而影響數(shù)據(jù)的完整性，影響接收節(jié)點(diǎn)正確的接收和辨認(rèn)，因而經(jīng)常需要運(yùn)用中繼器。中繼器接受一個(gè)線路中的報(bào)文信號(hào)，將其進(jìn)行整形放大、重新復(fù)制，并將新生成的復(fù)制信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)至下一網(wǎng)段或轉(zhuǎn)發(fā)到其他介質(zhì)段。二、網(wǎng)橋：網(wǎng)橋是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，用來(lái)連接同一類(lèi)型的局域網(wǎng)。網(wǎng)橋?qū)?shù)據(jù)幀送到數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行差錯(cuò)校驗(yàn)，再送到物理層，通過(guò)物理傳輸介質(zhì)送到另一個(gè)子網(wǎng)或網(wǎng)段。它具備尋址與路徑選擇的功能，在接收到幀之后，要決定正確的路徑將幀送到相應(yīng)的目的站點(diǎn)。網(wǎng)橋能夠互聯(lián)兩個(gè)采用不同數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議、不同傳輸速率、不同傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)。它要求兩個(gè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)鏈路層以上采用相同或兼容的協(xié)議。三、路由器：路由器工作在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。在路由器所包含的地址之間，可能存在若干路徑，路由器可以為某次特定的傳輸選擇一條最好的路徑。報(bào)文傳送的目的地網(wǎng)絡(luò)和目的地址一般存在于報(bào)文的某個(gè)位置。當(dāng)報(bào)文進(jìn)入時(shí)，路由器讀取報(bào)文中的目的地址，然后把這個(gè)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)應(yīng)的網(wǎng)段中。四、網(wǎng)關(guān)：網(wǎng)關(guān)又被稱(chēng)為網(wǎng)間協(xié)議變換器，用以實(shí)現(xiàn)不同通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)之間、包括使用不同網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)。一個(gè)普通的網(wǎng)關(guān)可用于連接兩個(gè)不同的總線或網(wǎng)絡(luò)。由網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，提供更高層次的接口。2022/12/1959八、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備2022/12/1759九、現(xiàn)場(chǎng)控制總線

1、現(xiàn)場(chǎng)控制總線的產(chǎn)生節(jié)省硬件數(shù)量與投資。節(jié)省安裝費(fèi)用。節(jié)省維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)。用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)。提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。

2022/12/1960九、現(xiàn)場(chǎng)控制總線1、現(xiàn)場(chǎng)控制總線的產(chǎn)生2022/12/172、現(xiàn)場(chǎng)控制總線的特點(diǎn)系統(tǒng)的開(kāi)放性。開(kāi)放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開(kāi)，開(kāi)放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶。用戶可按自己的需要和對(duì)象把來(lái)自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。互可操作性與互用性，這里的互可操作性，是指實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實(shí)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)字通信。而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類(lèi)似的設(shè)備可進(jìn)行互換而實(shí)現(xiàn)互用?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性。它將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性。由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備本身已可完成自動(dòng)控制的基本功能，使得現(xiàn)場(chǎng)總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性。工作在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)總線，是專(zhuān)為在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境工作而設(shè)計(jì)的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)送電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。2022/12/19612、現(xiàn)場(chǎng)控制總線的特點(diǎn)2022/12/17613、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)介紹FF：基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線：FF是在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的一種技術(shù)?；饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)總線分為H1和H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31.25Kbit/s，通信距離可達(dá)1.9km。H2的傳輸速率可為1Mbit/s和2.5Mbit/s兩種，通信距離為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可為雙絞線、光纜和無(wú)線，其傳輸信號(hào)采用曼徹斯特編碼?；饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)總線以ISO/OSI開(kāi)放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。2022/12/19623、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)介紹2022/12/1762

LonWorks

LonWorks采用了ISO/OSI模型的全部七層通訊協(xié)議，其通訊速率從300bps至15Mbps不等，直接通信距離可達(dá)到2700m(78kbps，雙絞線),支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質(zhì)，被定為建筑自動(dòng)化協(xié)議BACnet的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。 LonWorks技術(shù)所采用的LonTalk協(xié)議被封裝在稱(chēng)之為Neuron的芯片中并得以實(shí)現(xiàn)。集成芯片中有3個(gè)8位CPU;一個(gè)用于完成開(kāi)放互連模型中第1～2層的功能，稱(chēng)為媒體訪問(wèn)控制處理器，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)訪問(wèn)的控制與處理;第二個(gè)用于完成第3～6層的功能，稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)處理器，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量處理的尋址、處理、背景診斷、函數(shù)路徑選擇、軟件計(jì)量時(shí)、網(wǎng)絡(luò)管理，并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信控制、收發(fā)數(shù)據(jù)包等;第三個(gè)是應(yīng)用處理器，執(zhí)行操作系統(tǒng)服務(wù)與用戶代碼。芯片中還具有存儲(chǔ)信息緩沖區(qū)，以實(shí)現(xiàn)CPU之間的信息傳遞，并作為網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)和應(yīng)用緩沖區(qū)。2022/12/1963LonWorks2022/12/1763PROFIBUSProfibus是作為德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)prEN50170的現(xiàn)場(chǎng)總線。ISO/OSI模型也是它的參考模型。由Profibus-Dp、Profibus-FMS、Profibus-PA組成了Profibus系列。DP型用于分散外設(shè)間的高速傳輸，適合于加工自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用。FMS意為現(xiàn)場(chǎng)信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開(kāi)關(guān)等一般自動(dòng)化，而PA型則是用于過(guò)程自動(dòng)化的總線類(lèi)型，它遵從IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)技術(shù)是由西門(mén)子公司為主的十幾家德國(guó)公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，由這兩部分形成了其標(biāo)準(zhǔn)第一部分的子集，DP型隱去了3～7層，而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合作為用戶接口，F(xiàn)MS型只隱去第3～6層，采用了應(yīng)用層，作為標(biāo)準(zhǔn)的第二部分。PA型的標(biāo)準(zhǔn)目前還處于制定過(guò)程之中，其傳輸技術(shù)遵從IEC1158-2(1)標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)總線供電與本質(zhì)安全防爆。2022/12/1964PROFIBUS2022/12/1764CANCAN是控制網(wǎng)絡(luò)ControlAreaNetwork的簡(jiǎn)稱(chēng)，已廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。CAN協(xié)議也是建立在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的開(kāi)放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)上的，不過(guò)，其模型結(jié)構(gòu)只有3層，只取OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂上層的應(yīng)用層。其信號(hào)傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信速率最高可達(dá)1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km/kbps,可掛接設(shè)備最多可達(dá)110個(gè)。CAN的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，因而傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉的功能以切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點(diǎn)及其通信不受影響，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。CAN支持多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點(diǎn)均在任意時(shí)刻主動(dòng)向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和全局廣播方式接收/發(fā)送數(shù)據(jù)。它采用總線仲裁技術(shù)，當(dāng)出現(xiàn)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)則主動(dòng)停止發(fā)送，從而避免了總線沖突。2022/12/1965CAN2022/12/1765十、工業(yè)以太網(wǎng)

現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)面向設(shè)備的自動(dòng)化系統(tǒng)起到了巨大的推動(dòng)作用，但現(xiàn)場(chǎng)總線這類(lèi)專(zhuān)用實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)具有成本高，速度低和支持應(yīng)用有限等缺陷，再加上總線通信協(xié)議的多樣性，使得不同總線產(chǎn)品不能互相互連，互用和互操作等，因而現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展受到了極大的限制。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，特別是高速以太網(wǎng)的出現(xiàn)使得以太網(wǎng)能夠克服了自己本身的缺陷，進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域成為工業(yè)以太網(wǎng),因而使得人們可以用以太網(wǎng)設(shè)備去代替昂貴的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。2022/12/1966十、工業(yè)以太網(wǎng)2022/12/1766確定性：由于以太網(wǎng)的MAC層協(xié)議是CSMA/CD，該協(xié)議使得在網(wǎng)絡(luò)上存在沖突，特別是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷過(guò)大時(shí)，更加明顯。對(duì)于一個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，如果存在著大量的沖突，就必須得多次重發(fā)數(shù)據(jù)，使得網(wǎng)間通信的不確定性大大增加。在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中這種從一處到另一處的不確定性，必然會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)控制性能的降低。實(shí)時(shí)性：工業(yè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的傳遞的實(shí)時(shí)性要求十分嚴(yán)格，往往數(shù)據(jù)的更新是在數(shù)十ms內(nèi)完成的。由于以太網(wǎng)存在的CSMA/CD機(jī)制，當(dāng)發(fā)生沖突的時(shí)候，就得重發(fā)數(shù)據(jù)，這種解決沖突的機(jī)制是以付出時(shí)間為代價(jià)的。而且一但出現(xiàn)掉線，那怕是僅僅幾秒種的時(shí)間，就有可能造成整個(gè)生產(chǎn)的停止甚至是設(shè)備，人身安全事故。可靠性：由于以太網(wǎng)在設(shè)計(jì)之初，并不是從工業(yè)網(wǎng)應(yīng)用出發(fā)的。當(dāng)它應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，面對(duì)惡劣的工況，嚴(yán)重的線間干擾等，這些都必然會(huì)引起其可靠性降低。在生產(chǎn)環(huán)境中工業(yè)網(wǎng)絡(luò)必須具備較好的可靠性，可恢復(fù)性，以及可維護(hù)性。即保證一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中任何組件發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用程序，操作系統(tǒng)，甚至網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的崩潰和癱瘓。2022/12/1967確定性：由于以太網(wǎng)的MAC層協(xié)議是CSMA/CD，該協(xié)議使得交換技術(shù)：為了改善以太網(wǎng)負(fù)載較重時(shí)的網(wǎng)絡(luò)擁塞問(wèn)題，可以使用以太網(wǎng)交換機(jī)。它采用將共享的局域網(wǎng)進(jìn)行有效的沖突域劃分技術(shù)。各個(gè)沖突域之間用交換機(jī)連接，以減少CSMA/CD機(jī)制帶來(lái)的沖突問(wèn)題和錯(cuò)誤傳輸。這樣可以盡量避免沖突的發(fā)生，提高系統(tǒng)的確定性。高速以太網(wǎng)：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載越大的時(shí)候，發(fā)生沖突的慨率也就越大。顯然提高以太網(wǎng)的通信速度，就可以有效降低網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。現(xiàn)在以太網(wǎng)已經(jīng)出現(xiàn)通信速率達(dá)1000M/S，的高速以太網(wǎng)，在加上細(xì)致全面的設(shè)計(jì)及對(duì)系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的數(shù)量和通信流量進(jìn)行控制，完全可以采用以太網(wǎng)作為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。對(duì)時(shí)機(jī)制：在測(cè)量和控制網(wǎng)絡(luò)中，定義一個(gè)與網(wǎng)絡(luò)交流、本地計(jì)算和分配對(duì)象有關(guān)的精確同步時(shí)鐘的協(xié)議（PTP），使用時(shí)間印章來(lái)同步本地時(shí)間的機(jī)制。通過(guò)采用這種技術(shù)，以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議不需要大的改動(dòng)就可以運(yùn)行于高精度的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)之中。2022/12/1968交換技術(shù)：為了改善以太網(wǎng)負(fù)載較重時(shí)的網(wǎng)絡(luò)擁塞問(wèn)題，可以使用以工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)

2022/12/19692022/12/171工業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展概況一、工業(yè)自動(dòng)控制的基本概念自動(dòng)控制：指在無(wú)人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對(duì)象（機(jī)器、設(shè)備）的某一個(gè)物理量自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行，控制系統(tǒng)：為實(shí)現(xiàn)某一控制目標(biāo)所需要的物理部件（及軟件）的有機(jī)組合，通常由控制器和被控對(duì)象組成。自動(dòng)控制理論：是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的科學(xué)，它包括以反饋控制理論為基礎(chǔ)的古典控制理論（單輸入、單輸出），以狀態(tài)空間為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論（多輸入、多輸出）以及以模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的智能控制（不需精確數(shù)學(xué)模型）。2022/12/1970工業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展概況一、工業(yè)自動(dòng)控制的基本概念2022二、工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)基本類(lèi)型：順序控制系統(tǒng)：順序控制是按照預(yù)先規(guī)定的時(shí)間順序（或邏輯關(guān)系），逐步對(duì)各設(shè)備或?qū)ο筮M(jìn)行控制到方法。如電梯等。過(guò)程控制系統(tǒng)：對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的各物理量（如溫度、壓力、液位等）進(jìn)行閉環(huán)控制，使其按照要求的規(guī)律變化。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)：控制運(yùn)動(dòng)物體的轉(zhuǎn)速或位置，使其按照要求的規(guī)律變化。如調(diào)速系統(tǒng)，位置隨動(dòng)系統(tǒng)等。監(jiān)控系統(tǒng)：對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的大量運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集、顯示、記錄或報(bào)警。2022/12/1971二、工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)基本類(lèi)型：2022/12/173三、控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法：順序控制系統(tǒng)：繼電邏輯控制系統(tǒng)。過(guò)程控制系統(tǒng)：常規(guī)儀表控制系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)：拖動(dòng)控制系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)：常規(guī)顯示、記錄或報(bào)警儀表。2022/12/1972三、控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法：2022/12/174四、計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)工業(yè)控制技術(shù)的影響2022/12/1973四、計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)工業(yè)控制技術(shù)的影響2022/12/175工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)[精]課件工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)[精]課件七、計(jì)算機(jī)控制的設(shè)計(jì)原則可靠性與適應(yīng)性。操作性與友好性。靈活性與擴(kuò)展性。實(shí)時(shí)性。2022/12/1976七、計(jì)算機(jī)控制的設(shè)計(jì)原則2022/12/178分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)一、分布式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的形成：集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：采用專(zhuān)用計(jì)算機(jī)來(lái)處理工業(yè)控制問(wèn)題(如進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，過(guò)程監(jiān)視等)。多級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：為了計(jì)算機(jī)的處理速度和自身的可靠性問(wèn)題和在計(jì)算機(jī)微型化的推動(dòng)下，出現(xiàn)了多級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：將與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備打交道和需要進(jìn)行實(shí)時(shí)處理的功能分散到前端計(jì)算機(jī)上，而中央計(jì)算機(jī)只充當(dāng)后繼到系統(tǒng)管理方面的工作，實(shí)現(xiàn)集中管理，分散控制，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。計(jì)算機(jī)集成綜合系統(tǒng)：將中央計(jì)算機(jī)與工廠辦公室自動(dòng)化系統(tǒng)連接起來(lái)，使工廠制造與辦公室、實(shí)驗(yàn)室、倉(cāng)庫(kù)等商業(yè)和事務(wù)管理等系統(tǒng)構(gòu)成了一體化。2022/12/1977分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)一、分布式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的形成：2二、分布式控制系統(tǒng)

分層結(jié)構(gòu)中各層的功能2022/12/1978二、分布式控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)中各層的功能2022/12/17三、分布式控制系統(tǒng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)控制器：通常帶有I/O部件，與生產(chǎn)過(guò)程相聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制執(zhí)行。人機(jī)接口：讓操作員了解生產(chǎn)能夠過(guò)程的運(yùn)行狀況，并通過(guò)它發(fā)出操作指令給生產(chǎn)過(guò)程。主要由操作站、工程師站和歷史站。通信系統(tǒng)：在分散過(guò)程控制裝置與操作管理裝置之間完成數(shù)據(jù)交換和傳遞。2022/12/1979三、分布式控制系統(tǒng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)2022/12/1711四、現(xiàn)場(chǎng)控制器回路控制器：能完成以PID為基礎(chǔ)的回路控制的數(shù)字儀表，多路數(shù)據(jù)采集器以及無(wú)紙記錄儀等一系列數(shù)字儀表，在面板上仍保留棒圖和手/自動(dòng)切換，用數(shù)字顯示代替指針顯示，這些數(shù)字儀表統(tǒng)稱(chēng)為回路控制器?；芈房刂破鲀?nèi)部的算法預(yù)先用程序作成功能塊的形式，存在ROM中?？梢园凑账蟮目刂撇呗?，進(jìn)行組態(tài)?？删幊炭刂破?PLC)：PLC是由摸仿繼電器控制原理發(fā)展起來(lái)的，以存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等操作的指令；并通過(guò)數(shù)字輸入和輸出操作，來(lái)控制各類(lèi)機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?，F(xiàn)代的也增加有一些控制回路用的算法。運(yùn)動(dòng)控制器：用于控制運(yùn)動(dòng)部件的速度或位置，通常包括變頻器和伺服系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線：全數(shù)字化、智能、多功能取代模擬式單功能儀器、儀表、控制裝置；用分散的虛擬控制站取代集中的控制站；改變傳統(tǒng)的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)、通信標(biāo)準(zhǔn)。2022/12/1980四、現(xiàn)場(chǎng)控制器2022/12/1712控制系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)2022/12/1981控制系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)2022/12/1713模塊1模塊2模塊1模塊2模塊3雙模冗余DMR－DualModuleRedundancy三模冗余TMR－TripleModuleRedundancy(1)

需適應(yīng)惡劣的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程環(huán)境。冗余結(jié)構(gòu)2022/12/1982模塊1模塊2模塊1模塊2模塊3雙模冗余三模冗余(1)需適應(yīng)模塊1模塊2模塊1模塊2表決器選擇器狀態(tài)指令指令輸出輸出指令指令輸入輸入備用式冗余BackupRedundancy表決式冗余VotingRedundancy2022/12/1983模塊1模塊2模塊1模塊2狀態(tài)指令指令輸出輸出指令指令輸入輸入模塊3模塊4表決器B輸出模塊1模塊2表決器A輸出輸出互鎖選擇器輸出A機(jī)B機(jī)互鎖信號(hào)互鎖信號(hào)主備2022/12/1984模塊3模塊4表決器B輸出模塊1模塊2表決器A輸出輸出A機(jī)B機(jī)tA確定性實(shí)時(shí)非確定實(shí)時(shí)延遲deadline概率tmintmaxtdltAdeadlinetmintmaxtdl無(wú)邊界!在正常運(yùn)行條件及可恢復(fù)故障條件下，任務(wù)延遲超過(guò)最后期限（deadline)的概率為零。有邊界!概率延遲在正常運(yùn)行條件及可恢復(fù)故障條件下，任務(wù)延遲超過(guò)最后期限（deadline)的概率很小，但不為零。確定性實(shí)時(shí)和非確定性實(shí)時(shí)的對(duì)比2022/12/1985tA確定性實(shí)時(shí)非確定實(shí)時(shí)延遲deadline概率tmintm200ms:操作人員的手感（接近硬接線般的感覺(jué)）10ms:流程工業(yè)中的事件分辨率（但目前很多招標(biāo)書(shū)都要求2ms)1s:操作員站畫(huà)面上的數(shù)據(jù)刷新速度3s:操作員站畫(huà)面翻頁(yè)速度1μs:控制器執(zhí)行一個(gè)加法運(yùn)算的典型時(shí)間10μs:控制器執(zhí)行一個(gè)PID運(yùn)算的典型時(shí)間30μs:通訊信號(hào)傳輸9km的時(shí)間延遲（信號(hào)速度30萬(wàn)公里/秒）100μs:多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)任務(wù)切換時(shí)間200μs:從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)（內(nèi)存）中訪問(wèn)獲取一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象的時(shí)間1ms:在兩個(gè)任務(wù)之間通過(guò)郵箱發(fā)送消息的時(shí)間2ms:在局域網(wǎng)中發(fā)送一個(gè)報(bào)文的時(shí)間50ms:控制器中通訊任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間實(shí)時(shí)性：典型任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間要求2022/12/1986200ms:操作人員的手感（接近硬接線般的感覺(jué)）10ms主控制器應(yīng)用設(shè)計(jì)：工藝過(guò)程劃分第1對(duì)主控制器IOIO工藝過(guò)程1第2對(duì)主控制器IOIO工藝過(guò)程2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)引用另一對(duì)主控制器的IO點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)硬接線引用另一對(duì)主控制器的IO點(diǎn)數(shù)據(jù)2022/12/1987主控制器應(yīng)用設(shè)計(jì)：工藝過(guò)程劃分第1對(duì)主控制器IOIO工藝過(guò)程熱電阻（RTD）（ResistorTemperatureDetector）熱電偶（TC）（ThermalCouple）變送器（4－20mA,1--5V）（溫度，壓力，流量，物位）電橋變換濾波信號(hào)放大濾波電流－電壓變換濾波模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器或變送器采用的信號(hào)調(diào)理技術(shù)（SignalConditioning）數(shù)字化處理AI信號(hào)的輸入處理過(guò)程AnalogInput-AI2022/12/1988熱電阻（RTD）熱電偶（TC）變送器（4－20mA,1--5雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器2022/12/1989雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器2022/12/1721逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器2022/12/1990逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器2022/12/17222022/12/19912022/12/1723變壓器隔離型放大器2022/12/1992變壓器隔離型放大器2022/12/1724電容隔離型放大器2022/12/1993電容隔離型放大器2022/12/1725線性光偶隔離型放大器2022/12/1994線性光偶隔離型放大器2022/12/1726性價(jià)典型值變壓器隔離型放大器電容隔離型放大器線性光偶隔離型放大器線性度0.005%0.01%0.1%信號(hào)帶寬120kHz50kHz50kHz隔離電壓1500Vrms1500Vrms1500Vrms體積笨重小小價(jià)格最貴（40$）<10$<5$三種模擬信號(hào)隔離放大器比較2022/12/1995性價(jià)典型值變壓器隔離型放大器電容隔離型放大器線性光偶隔離型放模擬量輸出2022/12/1996模擬量輸出2022/12/1728開(kāi)關(guān)量輸入（DI：DigitalInput)2022/12/1997開(kāi)關(guān)量輸入（DI：DigitalInput)2022/12開(kāi)關(guān)量輸出（DO：DigitalOutput)2022/12/1998開(kāi)關(guān)量輸出（DO：DigitalOutput)2022/1常見(jiàn)計(jì)算機(jī)控制算法、PID控制算法：形成一個(gè)閉環(huán)的控制回路，對(duì)被控變量產(chǎn)生的一切擾動(dòng)都進(jìn)行響應(yīng)。選擇性控制系統(tǒng)：對(duì)兩個(gè)或多個(gè)控制器的輸出端的信號(hào)進(jìn)行選擇。前饋控制：按擾控量進(jìn)行補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)控制，即當(dāng)影響系統(tǒng)的擾動(dòng)出現(xiàn)是（被控變量還未顯示變化以前），按擾動(dòng)量大小直接產(chǎn)生校正作用，以抵消擾動(dòng)的影響。順序控制：順序控制是按照預(yù)先規(guī)定的順序（邏輯關(guān)系），逐步對(duì)各階段進(jìn)行信息處理的控制方法.計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制控制系統(tǒng)的控制算法2022/12/1999常見(jiàn)計(jì)算機(jī)控制算法、控制系統(tǒng)的控制算法2022/12/1732022/12/191002022/12/1732控制作用：比例控制：比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例放大系數(shù)的加大，會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分控制：積分控制的作用是，只要系統(tǒng)有誤差存在，積分控制器就不斷地積累，輸出控制量，以消除誤差。因而，只要有足夠的時(shí)間，積分控制將能完全消除誤差，使系統(tǒng)誤差為零，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。微分控制：微分控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。應(yīng)用PID控制，必須適當(dāng)?shù)卣{(diào)整比例放大系數(shù)KP，積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD，使整個(gè)控制系統(tǒng)得到良好的性能。2022/12/19101控制作用：2022/12/17332022/12/191022022/12/17342022/12/191032022/12/1735

為了求和，必須將系統(tǒng)的偏差的全部過(guò)去值都儲(chǔ)存起來(lái)，這種算法得出的全量U(K)是控制量的絕對(duì)值。在控制系統(tǒng)中，這種控制量確定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，是一一對(duì)應(yīng)的。缺點(diǎn)是每時(shí)刻計(jì)算機(jī)都要重復(fù)計(jì)算閥位的位置，必須把偏差的全部過(guò)去數(shù)據(jù)都積累起來(lái)，容易產(chǎn)生積分飽和2022/12/19104為了求和，必須將系統(tǒng)的偏差的全部過(guò)去值都儲(chǔ)存起來(lái)，這種2022/12/191052022/12/17372022/12/191062022/12/1738采樣周期選擇：

◆

根據(jù)香農(nóng)采樣定理，系統(tǒng)采樣頻率為：

fs≥2fmax（ｆmax被采樣信號(hào)的最高）

滿足這一定理，采樣信號(hào)方可恢復(fù)或近似地恢復(fù)為原模擬信號(hào)，而不丟失主要信息。在這個(gè)限制范圍內(nèi)，采樣周期越小，采樣-數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)的性能越接近于連續(xù)-時(shí)間控制系統(tǒng)。三、采樣周期2022/12/19107采樣周期選擇：三、采樣周期2022/12/1739◆從執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性要求來(lái)看，有時(shí)需要輸出信號(hào)保持一定的寬度，采樣周期必須大于這一時(shí)間◆從控制系統(tǒng)的隨動(dòng)和抗干擾的性能來(lái)看，要求采樣周期短些◆從微機(jī)的工作量和每個(gè)調(diào)節(jié)回路的計(jì)算來(lái)看，一般要求采樣周期大些◆從計(jì)算機(jī)的精度看，過(guò)短的采樣周期是不合適的實(shí)際選擇采樣周期時(shí)，必須綜合考慮

—采用周期要比對(duì)象的時(shí)間常數(shù)小得多，否則采樣信號(hào)無(wú)法反映瞬變過(guò)程

—采用周期應(yīng)遠(yuǎn)小于對(duì)象的擾動(dòng)信號(hào)的周期

—考慮執(zhí)行器的響應(yīng)速度

—當(dāng)系統(tǒng)純滯后占主導(dǎo)地位時(shí)，應(yīng)按純滯后大小選取，并盡可能使純滯后時(shí)間接近或等于采用周期的整數(shù)倍

—考慮對(duì)象所要求的控制質(zhì)量，精度越高，采樣周期越短，以減小系統(tǒng)的純滯后2022/12/19108◆從執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性要求來(lái)看，有時(shí)需要輸出信號(hào)保持一定的寬◆常見(jiàn)被控量的經(jīng)驗(yàn)采樣周期被測(cè)參數(shù)采樣周期說(shuō)明電流10-100us優(yōu)先選用10—20s速度1-10ms優(yōu)先選用1—2ms流量1—5優(yōu)先選用1—2s壓力3—10優(yōu)先選用6—8s液位6—8優(yōu)先選用7s溫度15—20或純滯后時(shí)間，串級(jí)系統(tǒng)：副環(huán)T=1/4—1/5T主環(huán)成分15—20優(yōu)先選用18s2022/12/19109◆常見(jiàn)被控量的經(jīng)驗(yàn)采樣周期被測(cè)參數(shù)采樣周期說(shuō)四、參數(shù)整定實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分。

1整定比例控制

預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期TS。一般說(shuō)TS應(yīng)小于受控對(duì)象純延遲時(shí)間的十分之一。用選定的TS使系統(tǒng)工作。這時(shí)去掉積分作用和微分作用，將控制選擇為純比例控制器，構(gòu)成閉環(huán)運(yùn)行。逐漸加大比例放大系數(shù)KP，即將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線，即系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍信號(hào)的響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩（穩(wěn)定邊緣）。

2整定積分環(huán)節(jié)

若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟（1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來(lái)的50～80％，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。2022/12/19110四、參數(shù)整定2022/12/1742

3整定微分環(huán)節(jié)

若經(jīng)過(guò)步驟（2），PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過(guò)程不能令人滿意，則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成PID控制。

先置微分時(shí)間TD=0，逐漸加大TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。參數(shù)整定法：參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查

先是比例后積分，最后再把微分加

曲線振蕩很頻繁，比例度盤(pán)要放大

曲線漂浮繞大灣，比例度盤(pán)往小扳

曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降

曲線波動(dòng)周期長(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng)

曲線振蕩頻率快，先把微分降下來(lái)

動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢。微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)

理想曲線兩個(gè)波，前高后低4比1

一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低2022/12/191113整定微分環(huán)節(jié)2022/12/1743

五、離散PID控制算法的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：離散PID的P、I、D三個(gè)作用是獨(dú)立的，可以分別整定，計(jì)算機(jī)實(shí)施時(shí)，等效的TiTd可以在更大范圍內(nèi)自由選擇；積分微分作用的某些改進(jìn)更為靈活多變。缺點(diǎn)：如果采用等效的PID參數(shù)，離散PID控制往往差于連續(xù)的控制，滯后1/2Ts（畫(huà)圖展示）PID控制算法的改進(jìn)

積分分離：積分分離法是在誤差量較大時(shí)，不進(jìn)行積分，直至誤差達(dá)到一定值之后，才在控制量的計(jì)算中加入積分累積。

帶不靈敏區(qū)：對(duì)控制作用盡量少變得場(chǎng)合，在偏差小于某一值時(shí)，沒(méi)有控制作用，偏差大于某一值時(shí)，有控制作用。2022/12/191122022/12/1744分布式控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信一、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信的基本概念1.數(shù)據(jù)信息：具有一定編碼、格式和字長(zhǎng)的數(shù)字信息被稱(chēng)為數(shù)據(jù)信息。2.傳輸速率：傳輸速率是指信道在單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘俊Ｒ话阋悦棵胨軌騻鬏數(shù)谋忍?bit)數(shù)來(lái)表示。3.傳輸方式：通信方式按照信息的傳輸方向分為單工、半雙工和全雙工三種方式。單工方式：信息只能沿單方向傳輸?shù)耐ㄐ欧绞椒Q(chēng)為單工方式。半雙工方式：信息可以沿著兩個(gè)方向傳輸，但在某一時(shí)刻只能沿一個(gè)方向傳輸。全雙工方式：信息可以同時(shí)沿著兩個(gè)方向傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健?022/12/19113分布式控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信一、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信的基本概念20224.基帶傳輸、載帶傳輸與寬帶傳輸基帶傳輸：直接將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)信道進(jìn)行傳輸。載帶傳輸：用基帶信號(hào)調(diào)制載波后，在信道上傳輸調(diào)制后的載波信號(hào)。寬帶傳輸：在一條信道上同時(shí)傳送不同的載波頻率的多路信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)同時(shí)傳輸。5.異步傳輸與同步傳輸異步傳輸：字符的傳輸是同步的，但字符與字符之間的時(shí)間間隔是不確定的。同步傳輸：用同步的時(shí)鐘脈沖，使發(fā)送裝置和接收裝置保持同步以獲得較高的傳輸速率。6.串行傳輸與并行傳輸串行傳輸：數(shù)據(jù)的各個(gè)二進(jìn)制位依次在信道上進(jìn)行傳輸?shù)姆绞?。并行傳輸：把?gòu)成數(shù)據(jù)的各個(gè)二進(jìn)制位同時(shí)在信道上進(jìn)行傳輸?shù)姆绞健?022/12/191144.基帶傳輸、載帶傳輸與寬帶傳輸2022/12/1746二、數(shù)據(jù)通信的編碼與調(diào)制1.平衡、歸零、雙極性。用正極性脈沖表示1，用負(fù)極性脈沖表示0，在相鄰脈沖之間保留一定的空閑間隔。2.平衡、歸零、單極性。這種方法又稱(chēng)為曼徹斯特(Manchester)編碼方法。在每一位中間都有一個(gè)跳變，這個(gè)跳變既作為時(shí)鐘，又表示數(shù)據(jù)。從高到低的跳變表示1，從低到高的跳變表示0，3.平衡、不歸零、單極性。它以高電平表示1，低電平表示0。這種方法主要用于速度較低的異步傳輸系統(tǒng)。4.非平衡、歸零、雙極性。用正負(fù)交替的脈沖信號(hào)表示1，用無(wú)脈沖表示零。由于脈沖總是交替變化的，所以它有助于發(fā)現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤，通常用于高速傳輸。5.非平衡、歸零、單極性。這種表示方法與上一種表示方法的區(qū)別在于它只有正方向的脈沖而無(wú)負(fù)方向的脈沖，所以只要將前者的負(fù)極性脈沖改為正極性脈沖，就得到后一種表達(dá)方法。6.非平衡、不歸零、單極性。這種方法的編碼規(guī)則是，每遇到一個(gè)1電平就翻轉(zhuǎn)一次，所以又稱(chēng)為“跳1法”或NRZ-1編碼法。2022/12/19115二、數(shù)據(jù)通信的編碼與調(diào)制2022/12/17472022/12/191162022/12/17481.調(diào)幅方式。調(diào)幅方式(AmplitudeModulation，AM)又稱(chēng)為幅移鍵控法(Amplitude-ShiftKeying，ASK)。它是用調(diào)制信號(hào)的振幅變化來(lái)表示一個(gè)二進(jìn)制數(shù)的，例如，用高振幅表示1，用低振幅表示0。2.調(diào)頻方式。調(diào)頻方式(FrequencyModulation，F(xiàn)M)又稱(chēng)為頻移鍵控法(Frequency-ShiftKeying，F(xiàn)SK)。它是用調(diào)制信號(hào)的頻率變化來(lái)表示一個(gè)二進(jìn)制數(shù)的，例如，用高頻率表示1，用低頻率表示0。3.調(diào)相方式。調(diào)相方式(PhaseModulation，PM)又稱(chēng)為相移鍵控法(Phase-ShiftKeying，PSK)。它是用調(diào)制信號(hào)的相位變化來(lái)表示二進(jìn)制數(shù)的，例如用0°相位表示二進(jìn)制的0，用180°相位表示二進(jìn)制的1。2022/12/191171.調(diào)幅方式。調(diào)幅方式(AmplitudeModulat2022/12/191182022/12/1750三、數(shù)據(jù)通信的傳輸介質(zhì)1.雙絞線。雙絞線是由兩個(gè)相互絕緣的導(dǎo)體扭絞而成的線對(duì)，在線對(duì)的外面常有金屬箔組成的屏蔽層和專(zhuān)用的屏蔽線，2.同軸電纜。它是由內(nèi)導(dǎo)體、中間絕緣層、外導(dǎo)體和外絕緣層組成的。信號(hào)通過(guò)內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體傳輸。外導(dǎo)體總是接地的，起到了良好的屏蔽作用。3.光纜。它的內(nèi)芯是由二氧化硅拉制成的光導(dǎo)纖維，外面敷有一層玻璃或聚丙烯材料制成的覆層，由于內(nèi)芯和覆層的折射率不同，以一定角度進(jìn)入內(nèi)芯的光線能夠通過(guò)覆層折射回去，沿著內(nèi)芯向前傳播以減少信號(hào)的損失。2022/12/19119三、數(shù)據(jù)通信的傳輸介質(zhì)2022/12/1751四、數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1.星形結(jié)構(gòu)：在星形結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都通過(guò)一條鏈路連接到一個(gè)中央節(jié)點(diǎn)上去。任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信都要經(jīng)過(guò)中央節(jié)點(diǎn)。2.環(huán)形結(jié)構(gòu)：在環(huán)形結(jié)構(gòu)中，所有的節(jié)點(diǎn)通過(guò)鏈路組成一個(gè)環(huán)形。需要發(fā)送信息的節(jié)點(diǎn)將信息送到環(huán)上，信息在環(huán)上只能按某一確定環(huán)形方向傳輸，3.總線型結(jié)構(gòu)：所有的站都通過(guò)相應(yīng)的硬件接口直接接到總線上?？偩€型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于擴(kuò)充。中心節(jié)點(diǎn)2022/12/19120四、數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中心節(jié)點(diǎn)2022/12/1752五、數(shù)據(jù)通信的信息交換技術(shù)1.線路交換方式：在需要通信的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間事先建立起一條實(shí)際的物理連接，然后再在這條實(shí)際的物理連接上交換數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)交換完成之后再拆除物理連接。因此，線路交換方式將通信過(guò)程分為3個(gè)階段：即線路建立、數(shù)據(jù)通信和線路拆除階段。2.報(bào)文交換方式：不需要在兩站之間建立專(zhuān)用的物理信道，而是把待發(fā)送的信息分割成一份份的報(bào)文，在報(bào)文的頭尾加上源地址、目的地址、報(bào)文序號(hào)以及校驗(yàn)碼等。然后將整個(gè)報(bào)文(Message)作為一個(gè)整體一起發(fā)送，.從網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直到目的地。在交換過(guò)程中,交換設(shè)備將接收到的報(bào)文先存儲(chǔ),實(shí)施差錯(cuò)校驗(yàn)和路由選擇（即路徑選擇），然后在信道空閑時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)出去。3.報(bào)文分組交換方式:報(bào)文分組交換方式交換的基本數(shù)據(jù)單位是一個(gè)報(bào)文分組。報(bào)文分組是一個(gè)完整的報(bào)文按順序分割開(kāi)來(lái)的比較短的數(shù)據(jù)組。由于報(bào)文分組比報(bào)文短的多，傳輸時(shí)比較靈活。特別是當(dāng)傳輸出錯(cuò)需要重發(fā)時(shí)，它只需重發(fā)出錯(cuò)的報(bào)文分組，而不必像報(bào)文交換方式那樣重發(fā)。2022/12/19121五、數(shù)據(jù)通信的信息交換技術(shù)2022/12/1753五、OSI參考模型：

2022/12/19122五、OSI參考模型：2022/12/1754物理層：有關(guān)在物理鏈路上傳輸非結(jié)構(gòu)的比特流。數(shù)據(jù)鏈路層：把一條不可靠的傳輸通道轉(zhuǎn)變?yōu)橐粭l可靠的通道，發(fā)送帶有檢查的數(shù)據(jù)塊，使用差錯(cuò)檢測(cè)和幀確認(rèn)。網(wǎng)絡(luò)層：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)分組，分組可以是獨(dú)立傳輸?shù)幕蛘呤雇ㄟ^(guò)一條預(yù)先建立的網(wǎng)絡(luò)連接傳輸?shù)模?fù)責(zé)路由選擇和擁擠控制。傳送層：在端點(diǎn)之間提供可靠的、透明的數(shù)據(jù)傳送，提供端到端的錯(cuò)誤恢復(fù)和流控制。會(huì)話層：提供在兩個(gè)進(jìn)程之間建立、維護(hù)和結(jié)束連接的手段，可以提供檢查點(diǎn)和再啟動(dòng)服務(wù)、隔離服務(wù)。表示層：通常完成有用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用接口和公共的通信服務(wù)。應(yīng)用層：給開(kāi)放系統(tǒng)互連OSI模型環(huán)境的用戶提供服務(wù)。2022/12/19123物理層：有關(guān)在物理鏈路上傳輸非結(jié)構(gòu)的比特流。2022/12/六、物理層協(xié)儀物理層協(xié)議涉及通信系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路、接收電路與通信介質(zhì)之間的接口問(wèn)題。物理層協(xié)議主要包括以下內(nèi)容。(1)接插件的類(lèi)型以及插針的數(shù)量和功能。(2)數(shù)字信號(hào)在通信介質(zhì)上的編碼方式，如電平的高低和0、1的表達(dá)方法。(3)確定與鏈路控制有關(guān)的硬件功能，如定義信號(hào)交換控制線或者忙測(cè)試線等。1、RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口：RS是推薦標(biāo)準(zhǔn)的意思，即Recommendstandard的縮寫(xiě)，232是表識(shí)號(hào)。C表示此標(biāo)準(zhǔn)的修改的次數(shù)，適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在0～20kbit/s范圍內(nèi)的串行通信。2、RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口：RS-485是為彌補(bǔ)RS-232通信距離短速率低等缺點(diǎn)而產(chǎn)生的。RS-485只規(guī)定了平衡驅(qū)動(dòng)器和接收器的電特性而沒(méi)有規(guī)定接插件傳輸電纜和應(yīng)用層通信協(xié)議。3.Can4.Ethernet2022/12/19124六、物理層協(xié)儀2022/12/1756七、常用網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議時(shí)分多路訪問(wèn)法:

多用于總線型網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)總線控制器，負(fù)責(zé)把時(shí)鐘脈沖送到網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有一個(gè)預(yù)先分配好的時(shí)間槽，在給定的時(shí)間槽里它可以發(fā)送信息。查詢法:可用于總線型或環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。也要有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制器，按照一定的次序查詢網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，看它們是否要求發(fā)送信息。令牌法：用于總線型或環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。令牌是一個(gè)特定的信息，按照預(yù)先確定的次序，從網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且循環(huán)進(jìn)行。只有獲得令牌的節(jié)點(diǎn)才能發(fā)送信息。帶有沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)法又稱(chēng)為CSMA/CD法。這種方法用于總線型網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送前先監(jiān)聽(tīng)信道是否空閑，若空閑則立即發(fā)送；如果信道忙，則繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)，一旦空閑就立即發(fā)送；在發(fā)送過(guò)程中，仍需繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)。若監(jiān)聽(tīng)到?jīng)_突，則立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)，等待一段隨機(jī)時(shí)間（稱(chēng)為退避）以后，再重新嘗試。發(fā)前先聽(tīng)，空閑即發(fā)送，邊發(fā)邊聽(tīng)，沖突時(shí)退避。2022/12/19125七、常用網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議2022/12/1757數(shù)據(jù)幀格式地址序號(hào)功能數(shù)據(jù)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)校驗(yàn)1B1B1B1B0-28B1B2022/12/19126數(shù)據(jù)幀格式地址序號(hào)功能數(shù)據(jù)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)校驗(yàn)1B1B1B1B0-2

八、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一、中繼器：中繼器(Repeater)又稱(chēng)重發(fā)器。由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間存在一定的傳輸距離，網(wǎng)絡(luò)中攜帶信息的信號(hào)在通過(guò)一個(gè)固定長(zhǎng)度的距離后，會(huì)因衰減或噪聲干擾而影響數(shù)據(jù)的完整性，影響接收節(jié)點(diǎn)正確的接收和辨認(rèn)，因而經(jīng)常需要運(yùn)用中繼器。中繼器接受一個(gè)線路中的報(bào)文信號(hào)，將其進(jìn)行整形放大、重新復(fù)制，并將新生成的復(fù)制信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)至下一網(wǎng)段或轉(zhuǎn)發(fā)到其他介質(zhì)段。二、網(wǎng)橋：網(wǎng)橋是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，用來(lái)連接同一類(lèi)型的局域網(wǎng)。網(wǎng)橋?qū)?shù)據(jù)幀送到數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行差錯(cuò)校驗(yàn)，再送到物理層，通過(guò)物理傳輸介質(zhì)送到另一個(gè)子網(wǎng)或網(wǎng)段。它具備尋址與路徑選擇的功能，在接收到幀之后，要決定正確的路徑將幀送到相應(yīng)的目的站點(diǎn)。網(wǎng)橋能夠互聯(lián)兩個(gè)采用不同數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議、不同傳輸速率、不同傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)。它要求兩個(gè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)鏈路層以上采用相同或兼容的協(xié)議。三、路由器：路由器工作在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。在路由器所包含的地址之間，可能存在若干路徑，路由器可以為某次特定的傳輸選擇一條最好的路徑。報(bào)文傳送的目的地網(wǎng)絡(luò)和目的地址一般存在于報(bào)文的某個(gè)位置。當(dāng)報(bào)文進(jìn)入時(shí)，路由器讀取報(bào)文中的目的地址，然后把這個(gè)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)應(yīng)的網(wǎng)段中。四、網(wǎng)關(guān)：網(wǎng)關(guān)又被稱(chēng)為網(wǎng)間協(xié)議變換器，用以實(shí)現(xiàn)不同通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)之間、包括使用不同網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)。一個(gè)普通的網(wǎng)關(guān)可用于連接兩個(gè)不同的總線或網(wǎng)絡(luò)。由網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，提供更高層次的接口。2022/12/19127八、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備2022/12/1759九、現(xiàn)場(chǎng)控制總線

1、現(xiàn)場(chǎng)控制總線的產(chǎn)生節(jié)省硬件數(shù)量與投資。節(jié)省安裝費(fèi)用。節(jié)省維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)。用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)。提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。