計(jì)算機(jī)控制技術(shù)復(fù)習(xí)PPT

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)復(fù)習(xí)王劍Email:jianw6@Tel:0571-869191332/1/2023一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的概念

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)(通常稱為工業(yè)控制計(jì)算機(jī))來實(shí)現(xiàn)對(duì)(控制)對(duì)象（通常為生產(chǎn)過程）進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)。

換句話說：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)來代替原來的常規(guī)自控部件或電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象自動(dòng)控制的系統(tǒng)。2/1/20232①實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)來自測(cè)量變送裝置的被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)和輸入。可歸納為以下三個(gè)步驟：②實(shí)時(shí)控制決策：對(duì)采集到的被控量進(jìn)行分析和處理，并按預(yù)定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制策略。③實(shí)時(shí)控制輸出：根據(jù)控制決策，實(shí)時(shí)地對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制任務(wù)。上述過程不斷重復(fù)，使整個(gè)系統(tǒng)按照一定的品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行工作，并對(duì)被控量和設(shè)備本身的異?，F(xiàn)象及時(shí)作出處理。3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理2/1/20233§1.1概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分。系統(tǒng)硬件：（1）主機(jī)；（2）常規(guī)外部設(shè)備（輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、外存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備）；（3）過程輸入/輸出通道；（4）生產(chǎn)過程；系統(tǒng)軟件：（1）系統(tǒng)軟件；（2）應(yīng)用軟件典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有哪些主要組成部分？2/1/202341.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成框架§1.1概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成2/1/20235§1.1概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)所采用的形式與它所控制的生產(chǎn)過程的復(fù)雜程度密切相關(guān)，不同的被控對(duì)象和不同的要求，應(yīng)有不同的控制方案?；蛘哒f：由于A/D、D/A通道的形式不同以及計(jì)算機(jī)在系統(tǒng)中的地位、作用不同，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的形式也是多種多樣。三、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式2/1/20236§1.1概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大致可分為以下幾種典型的形式：?操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)?直接數(shù)字控制系統(tǒng)?計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)?集散控制系統(tǒng)?現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)?工業(yè)過程計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有哪些分類？主要應(yīng)用場(chǎng)合？2/1/20237§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)輸入輸出接口概述2.1輸入輸出接口概述圖2-1過程通道組成結(jié)構(gòu)圖

過程通道起到了CPU和被控對(duì)象之間的信息傳送和變換的橋梁作用。包括模擬輸入通道、模擬輸出通道、數(shù)字輸入通道和數(shù)字輸出通道四種，如圖2-1所示。

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模擬輸入通道完成模擬量的采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)的任務(wù)。通常也把模擬量輸入接口簡(jiǎn)稱為A／D通道。主要由傳感器、信號(hào)調(diào)理單元、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、程控放大器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器和I/O接口電路組成。

圖2-2模擬量輸入通道方框圖§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)模擬量輸入通道

2.2模擬量輸入通道2/1/20239信號(hào)調(diào)理的作用：通過放大、電平轉(zhuǎn)換、電隔離、阻抗變換、線性化和濾波，將傳感器送來的非標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)盡可能不失真地轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的電流或電壓信號(hào)（通常為4~20mA、0~5V等）。常見的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)：

0～10V0～5V

4～20mA1～5V§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)信號(hào)調(diào)理二、信號(hào)調(diào)理2/1/202310模擬信號(hào)調(diào)理的功能低電壓信號(hào)電流輸入/輸出RTDs和熱敏電阻熱電偶應(yīng)變儀隔離、放大、噪聲濾波電流與電壓的轉(zhuǎn)換;隔離，放大，噪聲濾波隔離，放大，噪聲濾波冷端補(bǔ)償激勵(lì)電源隔離，放大，噪聲濾波激勵(lì)電壓全橋和半橋設(shè)置隔離，放大，噪聲濾波多功能I/O§第二章過程通道技術(shù)信號(hào)調(diào)理§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)信號(hào)調(diào)理2/1/2023112.儀表放大器在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，放大器的作用一般是：①對(duì)信號(hào)幅度放大；

②增大輸入阻抗，起到隔離和緩沖前后級(jí)單元；

③抑制噪聲，提高信噪比；

④其他作用，如電壓、電流變換、量程切換、極性自動(dòng)變換等?！斓诙螺斎胼敵鼋涌谂c過程通道技術(shù)信號(hào)調(diào)理2/1/202312

儀表放大器與普通運(yùn)算放大器區(qū)別：對(duì)于輸出阻抗大，共模電壓高的輸入信號(hào)，需要用到高輸入阻抗和高共模抑制比的差動(dòng)放大器，儀器放大器是專為這種應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)計(jì)的增益可調(diào)的放大器。如果由普通的運(yùn)放構(gòu)成增益可設(shè)定的差動(dòng)放大器，因其輸入阻抗低，電阻參數(shù)對(duì)稱性調(diào)整復(fù)雜，共模抑制比低，故而不適合作為傳感器輸出信號(hào)的差動(dòng)放大器?！斓诙螺斎胼敵鼋涌谂c過程通道技術(shù)信號(hào)調(diào)理2/1/2023133.隔離放大器

在有強(qiáng)電或強(qiáng)電磁的干擾環(huán)境線，為了防止電網(wǎng)電壓等對(duì)測(cè)量回路的損壞，其信號(hào)輸入通道通常采用隔離技術(shù)，隔離放大器作用是在輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間保持電氣隔離的同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸出電壓與輸入電壓的線性傳輸?！斓诙螺斎胼敵鼋涌谂c過程通道技術(shù)信號(hào)調(diào)理2/1/202314根據(jù)隔離的媒介不同，隔離放大器主要可分為三種:1.變壓器耦合隔離放大器

2.光電耦合隔離放大器

3.電容耦合隔離放大器隔離放大器就其隔離對(duì)象而言，分為二種:1.兩端口隔離

2.三端口隔離。§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)信號(hào)調(diào)理2/1/2023154.電流/電壓轉(zhuǎn)換器

工業(yè)自動(dòng)化儀表采用的變送器大多是DDZ-Ⅲ型電動(dòng)單元組合儀表，采用線性集成電路，其輸出信號(hào)為4～20mA的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)信號(hào)調(diào)理2/1/202316

多路轉(zhuǎn)換器又稱多路開關(guān)，多路開關(guān)是用來切換模擬電壓信號(hào)的關(guān)鍵元件。利用多路開關(guān)可將各個(gè)輸入信號(hào)依次地或隨機(jī)地連接到公用放大器或A/D轉(zhuǎn)換器上。為了提高過程參數(shù)的測(cè)量精度，對(duì)多路開關(guān)提出了較高的要求。

理想的多路開關(guān)其開路電阻為無窮大，其接通時(shí)的導(dǎo)通電阻為零。此外，還希望切換速度快、噪音小、壽命長(zhǎng)、工作可靠?！斓诙逻^程通道技術(shù)多路轉(zhuǎn)換器三、多路轉(zhuǎn)換器§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)多路轉(zhuǎn)換器2/1/202317

可編程放大器的放大倍數(shù)隨時(shí)可由一組數(shù)字序列控制，這樣，在MUX改變其通道序號(hào)時(shí)，放大電路也由相應(yīng)的一組數(shù)字序列控制改變放大倍數(shù)，即為每個(gè)模擬通道提供最合適的放大倍數(shù)。§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)可編程增益放大器四、可編程增益放大器

在計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的模擬輸入通道中，由于被測(cè)量所處的環(huán)境和時(shí)間不同，可能會(huì)造成其變化范圍不同，因此希望能自動(dòng)改變放大器的增益，使信號(hào)通過放大器后，具有合適的動(dòng)態(tài)范圍，即實(shí)現(xiàn)自動(dòng)里程切換，以便于A/D轉(zhuǎn)換。

在多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，也可能遇到各路信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍不一致的情況，這時(shí)希望放大器對(duì)不向的通路具有小同的增益，以實(shí)現(xiàn)相同的動(dòng)態(tài)輸出。

2/1/202318五、采樣保持器1．采樣保持器的作用采樣保持器的作用是：在A/D轉(zhuǎn)換期間保持輸入模擬信號(hào)不變。

式中Um為正弦模擬信號(hào)的幅值，f為信號(hào)頻率?！斓诙螺斎胼敵鼋涌谂c過程通道技術(shù)采樣保持器2/1/202319

假定A/D轉(zhuǎn)換器之前無采樣／保持器，在坐標(biāo)的原點(diǎn)上，正弦信號(hào)的最大變化率為取Δt=tA/D

，則得原點(diǎn)處轉(zhuǎn)換的不確定電壓為

誤差百分?jǐn)?shù)§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)采樣保持器2/1/202320§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)采樣保持器

由此可見，對(duì)于一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間tA/D，誤差的百分?jǐn)?shù)和信號(hào)的頻率呈正比。

例如：一個(gè)10位的A/D轉(zhuǎn)換器（量化誤差為0.1%），孔徑時(shí)間tA/D為10μs，則允許轉(zhuǎn)換的正弦波模擬信號(hào)的最大頻率為

此例表明，盡管信號(hào)頻率不算高，但對(duì)A/D轉(zhuǎn)換速度要求太苛刻。解決的方法就是在A/D轉(zhuǎn)換之前加采樣/保持器。保證A/D轉(zhuǎn)換在保持期間進(jìn)行，以便有足夠的時(shí)間完成。2/1/202321

由此可見：如果直接用A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬量進(jìn)行采樣，由于模擬量的變化，將直接影響轉(zhuǎn)換精度。特別是在同步系統(tǒng)中，幾個(gè)并聯(lián)的量均需要取同一瞬時(shí)的值，若仍直接送入A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換(共用一個(gè)A／D)，所得到的幾個(gè)分量就不是同一時(shí)刻的值，無法進(jìn)行計(jì)算和比較。所以要求輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量在整個(gè)轉(zhuǎn)換過程中保持不變。但轉(zhuǎn)換之后，又要求A/D變換器的輸入信號(hào)能夠跟蹤模擬量的變化，能夠完成上述任務(wù)的器件叫采樣／保持器，簡(jiǎn)稱S/H。§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)采樣保持器2/1/202322(1)采樣/保持器的作用

①穩(wěn)定地保持模擬信號(hào)以便能夠完成A/D轉(zhuǎn)換。②在測(cè)量中同時(shí)對(duì)若干個(gè)模擬輸入量采樣(每個(gè)輸入需要一個(gè)采樣/保持電路)。

③消除A/D轉(zhuǎn)換器的輸出瞬變，如限制輸出電壓的尖峰?！斓诙螺斎胼敵鼋涌谂c過程通道技術(shù)采樣保持器2/1/202323(2)采樣／保持器的的主要參數(shù)§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)采樣保持器

①孔徑時(shí)間TAP：在采樣保持器中，由于模擬開關(guān)有一定的動(dòng)作滯后，從保持命令發(fā)出后至模擬開關(guān)完全斷開所需的時(shí)間稱為孔徑時(shí)間，一般是納秒級(jí)。這個(gè)時(shí)間由器件的開關(guān)動(dòng)作時(shí)間決定。

值得注意的是采樣保持器的孔徑時(shí)間TAP與A/D轉(zhuǎn)換器的孔徑時(shí)間TA/D完全不同

②孔徑時(shí)間不確定性ΔTAP

。它是孔徑時(shí)間的變化范圍。孔徑時(shí)間可以提前發(fā)出保持命令加以克服，而ΔTAP是隨機(jī)的，所以它是影響采樣精度的主要因素之一。2/1/202324§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)采樣保持器③轉(zhuǎn)換速率：指輸出變化的最大速率，以V/s為單位;

③采集時(shí)間(捕捉時(shí)間)TAC：采樣保持器處于保持模式時(shí)，從計(jì)算機(jī)發(fā)出采樣命令，由“保持”轉(zhuǎn)為“采樣”后，采樣保持器的輸出值由原來的保持值過渡到跟蹤當(dāng)前輸入信號(hào)值所需的時(shí)間，稱為捕捉時(shí)間

包括開關(guān)動(dòng)作時(shí)間，達(dá)到穩(wěn)定值的建立時(shí)間和保持值到終值的跟蹤時(shí)間，它是影響采樣頻率提高的主要因素，但不影A/D轉(zhuǎn)換精度。

2/1/202325④下跌率(衰減率)：在進(jìn)入保持階段后，由于開關(guān)的漏電流及保持電容泄漏，輸出電壓會(huì)下降，以mV/s表示。在選擇保持電容的容量時(shí)要折中地考慮采集時(shí)間和下跌率。

增大電容可減少保持電壓的下降率，提高精度，但會(huì)增多捕捉時(shí)間。

在轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)且精度高的系統(tǒng)中應(yīng)該用較大電容。當(dāng)然較大電容帶來的是采樣時(shí)間加長(zhǎng)，這對(duì)矛盾應(yīng)該根據(jù)精度和A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間折中選取?！斓诙螺斎胼敵鼋涌谂c過程通道技術(shù)采樣保持器2/1/202326

因此，通常采取的辦法是努力減小泄漏電流，采用高輸入阻抗的運(yùn)放作為緩沖放大器，選擇優(yōu)質(zhì)電容如聚四氟乙烯電容作為保持電容，選用漏電流小的模擬開關(guān)等。(3)常用的采樣／保持器芯片廉價(jià)的：LF398通用的：AD582、AD583高速型：THS-0060超高速：THS-0010

§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)采樣保持器2/1/202327

A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件或裝置，它是一個(gè)模擬系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)之間的接口，它在數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中，得到了廣泛的應(yīng)用。

1.A/D轉(zhuǎn)換器的類型1）逐步逼近法——利用D/A轉(zhuǎn)換器輸出推測(cè)信號(hào)與模擬輸入信號(hào)進(jìn)行比較，再修正，直到逼近輸入信號(hào)。屬于中速A/D轉(zhuǎn)換器如：ADC0809——8位帶選擇開關(guān)，120μs;AD574A——12位

ADC1210——12位無輸出鎖存器六、A/D轉(zhuǎn)換器§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)A/D轉(zhuǎn)換器2/1/2023282）積分方式——先對(duì)輸入模擬電壓進(jìn)行定時(shí)積分，然后轉(zhuǎn)向?qū)?biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行反向積分，測(cè)量時(shí)間T的脈沖數(shù)。屬于慢速A/D轉(zhuǎn)換器如：CC14433、5G14433、ICL71353）V/F變換式——如：AD6524）雙極型——屬于高速A/D轉(zhuǎn)換器，20～100ns5）Σ-Δ型——屬于高分辨率、中速A/D轉(zhuǎn)換器。如：AD7701（16位）、AD7710(24位）6）余數(shù)反饋比較型——屬于高精度A/D轉(zhuǎn)換器，如：AD7884，16位高速高精度，6μs§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)A/D轉(zhuǎn)換器2/1/2023292.A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)①分辨率：通常用數(shù)字量的位數(shù)n(字長(zhǎng))來表示，如8位、12位、16位等。分辨率為n位表示,它能對(duì)滿量程輸入的1／2n的增量作出反映，即數(shù)字量的最低有效位(LSB)對(duì)應(yīng)于滿量程輸入的1／2n。若n=8，滿量程輸入為5.12V，則LSB對(duì)應(yīng)于模擬電壓為：5.12V／28=20mV?！斓诙螺斎胼敵鼋涌谂c過程通道技術(shù)A/D轉(zhuǎn)換器②量程

它是指所能轉(zhuǎn)換的電壓范圍。如5V、10V等。2/1/202330§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)A/D轉(zhuǎn)換器

③轉(zhuǎn)換精度它是指轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對(duì)于實(shí)際值的準(zhǔn)確度。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度取決于量化誤差q、微分線性度誤差DNLE和積分線性度誤差I(lǐng)NLE

。

在滿量程輸入范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差定義為積分線性度誤差I(lǐng)NLE

。

每轉(zhuǎn)換一步（即轉(zhuǎn)換最低有效位(LSB)

所對(duì)應(yīng)的電壓），偏離理想轉(zhuǎn)換特性的誤差定義為微分線性度誤差DNLE

。線性誤差常用LSB的分?jǐn)?shù)表示，如1/2LSB或±1LSB。2/1/202331§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)A/D轉(zhuǎn)換器

通常用絕對(duì)精度和相對(duì)精度兩種表示方法。絕對(duì)精度常用數(shù)字量的位數(shù)表示法，如絕對(duì)精度為±1/2LSB；相對(duì)精度用相對(duì)于滿量程的百分比表示如滿量程為10V的8位A／D轉(zhuǎn)換器，其絕對(duì)精度為，而8位A/D的相對(duì)精度為

精度和分辨率不能混淆。即使分辨率很高，但溫度漂移、線性不良等原因可能造成精度不是很高。2/1/202332⑥對(duì)基準(zhǔn)電源的要求：基準(zhǔn)電源的精度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的精度產(chǎn)生很大影響。故在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮是否要外接精密基準(zhǔn)電源。§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)A/D轉(zhuǎn)換器④轉(zhuǎn)換時(shí)間（即孔徑時(shí)間TA/D

）：指完成一次模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。⑤工作溫度范圍：較好的A/D轉(zhuǎn)換器的工作溫度為-40～85℃，較差的為0～70℃。

2/1/202333模擬量輸入通道的小結(jié)信號(hào)調(diào)理工業(yè)生產(chǎn)過程傳感器傳感器傳感器多路轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理S/H信號(hào)調(diào)理A/D轉(zhuǎn)換器工業(yè)控制計(jì)算機(jī)總線與接口溫度/微電壓等信號(hào)1.橋式電路2.儀表放大器AD6203.隔離放大器AD2104.激勵(lì)電源4~20mA電路信號(hào)I/V轉(zhuǎn)換電路頻率信號(hào)F/V轉(zhuǎn)化電路CD4051/AD7501CD4052/AD7506CD4096/AD7507LF398AD582THS0060AD574AAD7703ISA總線PCI總線RS485CANEthernetGPIBVXI§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)小結(jié)程控放大器MCP6S2XLH00842/1/202334

過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，模擬量輸出接口是實(shí)現(xiàn)控制輸出的關(guān)鍵，它的任務(wù)是把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流信號(hào)，以控制調(diào)節(jié)閥或驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，達(dá)到計(jì)算機(jī)控制的目的。

模擬量輸出通道通常由D/A轉(zhuǎn)換器、輸出保持器、多路切換開關(guān)和功放電路等構(gòu)成，通常也把模擬量輸出接口簡(jiǎn)稱為D／A通道。2.3

模擬量輸出接口與通道

§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)模擬量輸出接口與通道

2/1/202335一個(gè)輸出通路設(shè)置一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式工業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行器執(zhí)行器執(zhí)行器信號(hào)調(diào)理D/A轉(zhuǎn)換器工業(yè)控制計(jì)算機(jī)總線與接口D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器功率放大V/I變換放大/變換鎖存器1鎖存器2鎖存器3模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)模擬量輸出接口與通道

2/1/202336多個(gè)輸出通路共用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式工業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行器執(zhí)行器執(zhí)行器多路轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX信號(hào)調(diào)理V/I變換放大/變換S/H功率放大D/A轉(zhuǎn)換器工業(yè)控制計(jì)算機(jī)總線與接口S/HS/H§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)模擬量輸出接口與通道

2/1/2023371.D/A轉(zhuǎn)換器主要參數(shù)①分辨率：指D/A能夠轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)，位數(shù)越多分辨率也越高。②轉(zhuǎn)換時(shí)間(穩(wěn)定時(shí)間)：指數(shù)字量輸入到完成D/A轉(zhuǎn)換，輸出達(dá)到最終值并穩(wěn)定為止所需的時(shí)間。③精度：指D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出電壓與理論值之間的誤差。④線性度：當(dāng)數(shù)字量變化時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出量按比例關(guān)系變化的程度?！斓诙螺斎胼敵鼋涌谂c過程通道技術(shù)D/A轉(zhuǎn)換器及其接口

一、D/A轉(zhuǎn)換器及其接口

2/1/202338①輸入緩沖能力：D／A轉(zhuǎn)換器是否帶有三態(tài)輸入緩沖器來保存輸入數(shù)字量。②數(shù)據(jù)的寬度：通常有8位、10位、14位、16位之分。③電流型還是電壓型：即D／A輸出的是電流還是電壓。對(duì)電流輸出型在1～100mA；對(duì)電壓輸出型，其電壓一般在5～10V之間。有些高電壓型可達(dá)24～30V。2.D/A轉(zhuǎn)換器的輸入輸出特性：§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)D/A轉(zhuǎn)換器及其接口

2/1/202339④輸入碼制：即D/A能接收哪些碼制的數(shù)字量輸入。

單極性輸出的D/A：只能接收二進(jìn)制或BCD碼；

雙極性輸出的D/A：只能接收偏移二進(jìn)制碼或補(bǔ)碼。⑤單極性輸出還是雙極性輸出：對(duì)一些需要正負(fù)電壓控制的設(shè)備，應(yīng)該使用雙極性D/A轉(zhuǎn)換器，或在輸出電路中采取相應(yīng)措施，使輸出電壓有極性變化?！斓诙螺斎胼敵鼋涌谂c過程通道技術(shù)D/A轉(zhuǎn)換器及其接口

2/1/202340§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)V/I轉(zhuǎn)換器二、V/I轉(zhuǎn)換器

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能儀表和執(zhí)行器常常要以電流方式傳輸，這是因?yàn)樵陂L(zhǎng)距離傳輸信號(hào)時(shí)容易引入干擾，而電流傳號(hào)的傳輸具有較強(qiáng)的抗干擾能力。因此，許多場(chǎng)合必須經(jīng)過電壓/電流（V/I）轉(zhuǎn)換電路，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。

在實(shí)現(xiàn)0～5V、0～10V、1～5V直流電壓信號(hào)到0～10mA、4～20mA轉(zhuǎn)換時(shí)，可由分立元件構(gòu)成，也可以直接采用集成器件2/1/202341在電氣控制系統(tǒng)中的繼電器按接觸器觸點(diǎn)的閉合情況分為閉合與斷開兩種不同狀態(tài)，這兩種狀態(tài)，常稱為開關(guān)量。開關(guān)量是表示兩種狀態(tài)。數(shù)字量的每位也只能有“0”和“1”兩種狀態(tài)，也可以稱為開關(guān)量。

2.4

數(shù)字量（開關(guān)量）輸入/輸出通道§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)開關(guān)量輸入/輸出通道2/1/202342典型的開關(guān)量輸入/輸出通道結(jié)構(gòu)

§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)開關(guān)量輸入/輸出通道2/1/202343

開關(guān)量輸入/輸出通道一般由三部分組成：CPU接口邏輯、輸入緩沖器和輸出鎖存器、輸入/輸出電氣接口（亦即開關(guān)量輸入信號(hào)調(diào)理和輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路）。一般情況下，各種開關(guān)量輸入/輸出通道的前兩部分往往大同小異，所不同的主要在于輸入/輸出電氣接口?！斓诙螺斎胼敵鼋涌谂c過程通道技術(shù)開關(guān)量輸入/輸出通道2/1/202344

1．CPU接口邏輯這部分電路一般由數(shù)據(jù)總線緩沖器/驅(qū)動(dòng)器、輸入/輸出口地址譯碼器、讀、寫等控制信號(hào)組成。2．輸入緩沖器和輸出鎖存器輸入緩沖器是對(duì)外部輸入的信號(hào)起緩沖、增強(qiáng)以及選通的作用，CPU通過讀緩沖器輸人數(shù)據(jù)。輸出鎖存器的作用是鎖存CPU送來的輸出數(shù)據(jù)，供外部設(shè)備使用。3．I/O電氣接口典型的開關(guān)量輸出/輸人電氣接口的功能主要是電平轉(zhuǎn)換、隔離和功率驅(qū)動(dòng)等?！斓诙螺斎胼敵鼋涌谂c過程通道技術(shù)開關(guān)量輸入/輸出通道2/1/202345開關(guān)量輸入隔離及電平變換

過程開關(guān)信號(hào)的電平通常不是TTL電平，要使CPU接收信號(hào)，必須進(jìn)行變換。開關(guān)信號(hào)在傳輸過程中受噪聲的影響較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)有一定的噪聲容限,并隔離公共接地，以防止開關(guān)信號(hào)狀態(tài)的誤動(dòng)作。

在工業(yè)過程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，其信號(hào)電平變換可按下圖所示的方法設(shè)計(jì)。在4V以下作為開關(guān)接通，定為TTL電子的邏輯1；在10V以上作為開關(guān)斷開，定為TTL電平的邏輯0；4～10V之間為信號(hào)過渡區(qū)，其TTL電平在過渡區(qū)間保持不變，從而可提高抗干擾的能力。采用光電耦合器實(shí)現(xiàn)公共地線的隔離?！斓诙螺斎胼敵鼋涌谂c過程通道技術(shù)開關(guān)量輸入/輸出通道2/1/202346§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)開關(guān)量輸入/輸出通道2/1/202347注意：對(duì)于感性負(fù)載，在輸出端必須加裝克服反電動(dòng)勢(shì)的保護(hù)二極管。對(duì)于UNL2003A等,可使用內(nèi)部的保護(hù)二極管。（3）大功率交流驅(qū)動(dòng)電路

固態(tài)繼電器(簡(jiǎn)寫為SSR)是一種四端有源器件，下圖為固態(tài)繼電器的結(jié)構(gòu)和使用方法。輸入輸出之間采用光電耦合器進(jìn)行隔離。過零檢測(cè)電路可使交流電壓變化到零狀態(tài)附近時(shí)讓電路接通，從而減少干擾。電路接通以后，由觸發(fā)電路給出晶閘管器件的觸發(fā)信號(hào)?！斓诙螺斎胼敵鼋涌谂c過程通道技術(shù)開關(guān)量輸入/輸出通道2/1/202348§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)的預(yù)處理技術(shù)2.6測(cè)量數(shù)據(jù)的預(yù)處理技術(shù)

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需對(duì)生產(chǎn)過程的各種信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。經(jīng)輸入通道將生產(chǎn)過程的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，讀入計(jì)算機(jī)中。對(duì)于這樣得到的數(shù)據(jù)一般要進(jìn)行一些預(yù)處理，其中最基本的為數(shù)字濾波、線性化處理、標(biāo)度變換和系統(tǒng)誤差的自動(dòng)校準(zhǔn)。2/1/202349§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)數(shù)字濾波一、數(shù)字濾波

來自傳感器或變送器的有用信號(hào)中，往往混雜了各種頻率的干擾信號(hào)。為了抑制這些干擾信號(hào)，通常在信號(hào)入口處用RC低通濾波器。RC濾波器能抑制高頻干擾信號(hào)，但對(duì)低頻干擾信號(hào)的濾波效果較差。而數(shù)字濾波器可以對(duì)極低頻干擾信號(hào)進(jìn)行濾波，以彌補(bǔ)RC濾波器的不足。另外，它還具有某些特殊的濾波功能

所謂數(shù)字濾波，就是在計(jì)算機(jī)中用某種計(jì)算方法對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，以便減少干擾在有用信號(hào)中的比重，提高信號(hào)的真實(shí)性2/1/202350數(shù)字濾波與模擬濾波器相比，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的不需要增加硬設(shè)備，所以穩(wěn)定性好、可靠性高，成本低；

數(shù)字濾波器可以根據(jù)信號(hào)的不同，采用不同的濾波方法或?yàn)V波參數(shù)，具有靈活、方便、功能強(qiáng)的特點(diǎn)。數(shù)字濾波器可以對(duì)極低頻（如0.01Hz）干擾信號(hào)進(jìn)行濾波，克服了模擬濾波器的不足；§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)數(shù)字濾波

本節(jié)討論幾種常用的數(shù)字濾波方法：限幅濾波、中位值濾波法、平均值濾波法和慣性濾波法。2/1/202351§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)數(shù)字濾波1．限幅濾波

限幅濾波又稱程序判斷法，由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)存在隨機(jī)脈沖干擾，通過變送器將尖脈沖干擾引入輸入端，從而造成測(cè)量信號(hào)的嚴(yán)重失真。

在應(yīng)用這種方法時(shí)，關(guān)鍵在于a值的選擇。因此，通常按照參數(shù)可能的最大變化速度vmax及采樣周期T決定a值。2/1/202352§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)數(shù)字濾波2．中位值濾波法

中位值濾波就是對(duì)某一被測(cè)參數(shù)連續(xù)采樣n次（一般n取奇數(shù)），然后把n次采樣值按大小排隊(duì)，取中間值為本次采樣值。2/1/202353§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)數(shù)字濾波對(duì)緩慢變化的過程采用中位值濾波有良好的效果。

n越大，排序算法所占的時(shí)間越長(zhǎng)

中位值濾波能有效地克服因偶然因素引起的波動(dòng)或采樣器不穩(wěn)定引起的誤碼等造成的脈沖干擾。2/1/202354§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)數(shù)字濾波3．算術(shù)平均濾波法

算術(shù)平均濾波法就是對(duì)采樣數(shù)據(jù)yi連續(xù)的N個(gè)測(cè)量值進(jìn)行算術(shù)平均。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為算術(shù)平均濾波法適用于對(duì)一般具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波。

流量測(cè)量，通常取N=8～12

壓力測(cè)量，通常取N=4～82/1/202355§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)數(shù)字濾波4．遞推平均濾波法

上述的算術(shù)平均濾波法，每計(jì)算一次數(shù)據(jù)，需采樣N次，對(duì)于采樣速度較慢或要求數(shù)據(jù)計(jì)算速度較高的系統(tǒng)，該方法是無法使用的。

遞推平均濾波法把N個(gè)采樣數(shù)據(jù)看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度固定為N，每進(jìn)行一次新的采樣，把采樣結(jié)果放入隊(duì)尾，而扔掉原來隊(duì)首的一次數(shù)據(jù)，2/1/202356§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)數(shù)字濾波式中這種濾波算法稱為遞推平均濾波法，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為yn——第n次采樣值經(jīng)濾波后的輸出；yn-i——未經(jīng)濾波的第n-i次采樣值；N——遞推平均項(xiàng)數(shù)。2/1/202357§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)數(shù)字濾波

遞推平均濾波算法對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，靈敏度低；

但對(duì)偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用差，不易消除由于脈沖干擾引起的采樣值偏差，因此它不適用于脈沖干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng)合，而適用于高頻振蕩的系統(tǒng)。2/1/202358

通過觀察不同N值下遞推平均的輸出響應(yīng)來選取N值，以便既少占用計(jì)算機(jī)時(shí)間，又能達(dá)到最好的濾波效果。N的工程經(jīng)驗(yàn)值如下:

流量 12

壓力4

液面4～12

溫度1～4§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)數(shù)字濾波2/1/202359§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)數(shù)字濾波5．加權(quán)遞推平均濾波法

算術(shù)平均濾波法和遞推平均濾波法中，N次采樣值在輸出結(jié)果中的比重是均等的，即1／N。用這樣的濾波算法，對(duì)于測(cè)量信號(hào)會(huì)引入滯后，N越大，滯后越嚴(yán)重。為了增加最新采樣數(shù)據(jù)在遞推平均中的比重，以提高系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前采樣值的靈敏度，可以采用加權(quán)遞推平均濾波算法。2/1/202360§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)數(shù)字濾波

加權(quán)遞推平均濾波算法是遞推平均濾波算法的改進(jìn)，即不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)加以不同的權(quán)，通常越接近當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù)，權(quán)取得越大，N項(xiàng)加權(quán)遞推平均濾波算法為式中，C0，C1，…，CN-1為常數(shù)，且滿足如下條件C0+C1+…+CN-1=1并C0＞C1＞…＞CN-1＞02/1/202361§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)數(shù)字濾波

常系數(shù)C0，C1，…，CN-1的選取有多種方法，其中最常用的是加權(quán)系數(shù)法。設(shè)τ為對(duì)象的純滯后時(shí)間，且其中τ為對(duì)象的純遲后時(shí)間

所以加權(quán)遞推平均濾波算法適用于有較大純滯后時(shí)間常數(shù)的對(duì)象和采樣周期較短的系統(tǒng)，而對(duì)于純滯后時(shí)間常數(shù)較小、采樣周期較長(zhǎng)、變化緩慢的信號(hào)，則不能迅速反映系統(tǒng)當(dāng)前所受干擾的嚴(yán)重程度，濾波效果差。2/1/202362§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)數(shù)字濾波6．一階慣性濾波法

而一階慣性濾波算法是一種以數(shù)字形式通過算法來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的RC濾波方法，它能很好地克服上述模擬濾波器的缺點(diǎn)，在濾波常數(shù)要求大的場(chǎng)合，此法更為實(shí)用。

在模擬量輸入通道等硬件電路中，常用一階慣性RC模擬濾波器來抑制干擾，當(dāng)用這種模擬方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻干擾的濾波時(shí)，首先遇到的問題是要求濾波器有大的時(shí)間常數(shù)和高精度的RC網(wǎng)絡(luò)。時(shí)間常數(shù)T越大，要求RC值越大，其漏電流也隨之增大，從而使RC網(wǎng)絡(luò)的誤差增大，降低了濾波效果。2/1/202363§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)數(shù)字濾波一階慣性濾波算法為

yn——未經(jīng)濾波的第n次采樣值；Tf——濾波時(shí)間常數(shù)；T——采樣周期。式中

根據(jù)一階慣性濾波的頻率特性，若濾波系數(shù)a越大，則帶寬越窄，濾波頻率也越低。因此，需要根據(jù)實(shí)際情況，適當(dāng)選取a值，使得被測(cè)參數(shù)既不出現(xiàn)明顯的波紋，反應(yīng)又不太遲緩。2/1/202364§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)數(shù)字濾波

以上討論了六種數(shù)字濾波方法，在實(shí)際應(yīng)用中，究競(jìng)選取哪一種數(shù)字濾波方法，應(yīng)視具體情況而定。加權(quán)平均值濾波法適用于純遲延較大的被控制對(duì)象

平均值濾波法適用于周期性干擾中位值濾波法和限幅濾波法適用于偶然的脈沖干擾

慣性濾波法適用于高頻及低頻的干擾信號(hào)

如果同時(shí)采用幾種濾波方法，一般先用中位值濾波法或限幅濾波法，然后再用平均值濾波法。2/1/202365§第二章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)其它數(shù)據(jù)預(yù)處理

例2-1某熱處理爐溫度測(cè)量?jī)x表的量程為200～800℃，在某一時(shí)刻計(jì)算機(jī)采樣并經(jīng)數(shù)字濾波后的數(shù)字量為0CDH，求此時(shí)溫度值為多少？（設(shè)儀表量程為線性的）

解：已知A0=200℃，Am=800℃，Nx=0CDH=205，Nm=0FFH=255。此時(shí)溫度為2/1/202366

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱工控機(jī)，它是為滿足工業(yè)生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)與控制等要求而設(shè)計(jì)的一類計(jì)算機(jī)的總稱，它通常采用開放式總線結(jié)構(gòu)，將各種過程通道做成相應(yīng)的模板或模塊，以便與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接連接，配以功能齊全的組態(tài)控制軟件，即可構(gòu)成一套完整的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。1.何謂工業(yè)控制計(jì)算機(jī)一、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)與組成

第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)

內(nèi)容提要2/1/2023672.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)1）可靠性高：

以確保平均無故障工作時(shí)間(MTBF)達(dá)到幾萬小時(shí)，同時(shí)盡量縮短（幾分鐘）故障修復(fù)時(shí)間(MTTR)，以達(dá)到很高的運(yùn)行效率。2）實(shí)時(shí)性好

當(dāng)過程參數(shù)出現(xiàn)偏差或故障時(shí)，工控機(jī)能及時(shí)響應(yīng)，并能實(shí)時(shí)地進(jìn)行報(bào)警和處理。為此工控機(jī)需配有實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(RTOS)。

第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)

內(nèi)容提要2/1/202368

第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)與組成

實(shí)時(shí)性是指工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)該具有的能夠在限定的時(shí)間內(nèi)對(duì)外來事件做出反應(yīng)的特性。主要考慮兩個(gè)要素：一是根據(jù)生產(chǎn)過程出現(xiàn)的事件能夠保持多長(zhǎng)的時(shí)間；二是該事件要求計(jì)算機(jī)在多長(zhǎng)的時(shí)間以內(nèi)必須做出反應(yīng)，否則，將對(duì)生產(chǎn)過程造成影響甚至造成損害。2/1/2023693）環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)：

對(duì)溫度/濕度變化范圍要求高；要具有防塵、防腐蝕、防振動(dòng)沖擊的能力；要具有較好的電磁兼容性和高抗干擾能力。4）輸入和輸出模板配套好

多種功能的過程輸入和輸出配套模板；多種類型的信號(hào)調(diào)理功能

第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)與組成

2/1/2023705）系統(tǒng)通信功能強(qiáng)

具有串行通信、網(wǎng)絡(luò)通信功能；通信網(wǎng)絡(luò)速度高；符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，如IEEE802.4，IEEE802.3協(xié)議等6）系統(tǒng)開放性和擴(kuò)充性好

具有開放性體系結(jié)構(gòu)，也就是說在主機(jī)接口、網(wǎng)絡(luò)通信、軟件兼容及升級(jí)等方面遵守開放性原則，以便于系統(tǒng)擴(kuò)充、異機(jī)種連接、軟件的可移植和互換。

第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)與組成

2/1/2023717）控制軟件包功能強(qiáng)：

具備人機(jī)交互方便、畫面豐富、實(shí)時(shí)性好等性能；具有系統(tǒng)組態(tài)和系統(tǒng)生成功能；具有實(shí)時(shí)及歷史的趨勢(shì)記錄與顯示功能；具有實(shí)時(shí)報(bào)警及事故追憶等功能。具有豐富的控制算法，除了常規(guī)PID(比例、積分、微分)控制算法外，還應(yīng)具有一些高級(jí)控制算法，如模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、優(yōu)化、自適應(yīng)、自整定等算法；并具有在線自診斷功能目前一個(gè)優(yōu)秀的控制軟件包往往將連續(xù)控制功能與斷續(xù)控制功能相結(jié)合。

第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)與組成

2/1/2023728）后備措施齊全，具有冗余性

在一些可靠性要求更高的場(chǎng)所，要求有雙機(jī)工作及冗余系統(tǒng)，如供電后備、存儲(chǔ)器信息保護(hù)等，具有雙機(jī)切換功能、雙機(jī)監(jiān)視軟件等，以保證系統(tǒng)長(zhǎng)期不間斷地運(yùn)行。

第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)與組成

2/1/2023733.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的硬件組成

第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)與組成

2/1/2023744．工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的分類

第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)與組成

凡是用于工業(yè)控制和生產(chǎn)調(diào)度管理的計(jì)算機(jī)都屬于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，因此，廣義上講，小到單片機(jī)，大到現(xiàn)場(chǎng)工作站；從通用工業(yè)計(jì)算機(jī)到專用測(cè)控儀表均屬工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的范疇。

2/1/202375

第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)與組成

2/1/202376

第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)總線結(jié)構(gòu)概述及分類二、總線結(jié)構(gòu)概述及分類

籠統(tǒng)地講就是一組進(jìn)行互連和傳輸信息（數(shù)據(jù)、地址、控制）的信號(hào)線。1.何謂總線？

但計(jì)算機(jī)的總線，是有特定含義的，如“局部總線”、“系統(tǒng)總線”和“通信總線”等，它們都具有明確的定義與內(nèi)容。

總線的特點(diǎn)在于公用性和兼容性，它能同時(shí)掛連多個(gè)功能部件，且可互換使用。2/1/2023772.總線標(biāo)準(zhǔn)

總線標(biāo)準(zhǔn)是指芯片之間、插板之間及系統(tǒng)之間，通過總線進(jìn)行連接和傳輸信息時(shí)，應(yīng)遵守的一些協(xié)議與規(guī)范。

總線標(biāo)準(zhǔn)包括硬件和軟件兩個(gè)方面，如總線工作時(shí)鐘頻率、總線信號(hào)線定義、總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、總線仲裁機(jī)構(gòu)與配置機(jī)構(gòu)、電氣規(guī)范、機(jī)械規(guī)范和實(shí)施總線協(xié)議的驅(qū)動(dòng)與管理程序。通常說的總線，實(shí)際上指的是總線標(biāo)準(zhǔn)

!

為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部各部件、各模塊之間或計(jì)算機(jī)各系統(tǒng)之間提供了標(biāo)準(zhǔn)的公共信息通路。

第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)總線結(jié)構(gòu)概述及分類2/1/2023783.總線結(jié)構(gòu)的連接

第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)總線結(jié)構(gòu)概述及分類2/1/2023794.采用總線結(jié)構(gòu)連接的優(yōu)越性1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由面向CPU變?yōu)槊嫦蚩偩€；2）有利于硬件、軟件模塊化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)；3）結(jié)構(gòu)清晰，便于靈活組態(tài)、擴(kuò)充、改進(jìn)、升級(jí)和維護(hù)；4）符合同一總線標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品兼容性強(qiáng)；5）滿足用戶不同的需要，容易構(gòu)成各種用途的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。

第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)總線結(jié)構(gòu)概述及分類2/1/2023805．總線的分類（1）片內(nèi)總線

片內(nèi)總線是指微處理器芯片內(nèi)的總線，用于連接微處理器內(nèi)部的各邏輯功能單元。總線的結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)由芯片生產(chǎn)廠家完成。（2）片間總線

片間總線又稱元件級(jí)總線，指一個(gè)微處理器應(yīng)用系統(tǒng)中連接各芯片的總線。

傳統(tǒng)的片間總線均采用并行方式，一般包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線,即微機(jī)原理與接口技術(shù)中所說的“三總線”。

第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)總線結(jié)構(gòu)概述及分類2/1/202381

采用串行方式的片間總線也日益增多，特別是在新一代單片機(jī)系統(tǒng)中，串行片間總線得到了較為廣泛的應(yīng)用串行總線的數(shù)據(jù)傳輸速度已經(jīng)可以達(dá)到每秒數(shù)兆位！

SPI總線（SerialPeripheralInterface，串行外圍接口）

I2C總線（InterICbus，片間總線）

第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)總線結(jié)構(gòu)概述及分類2/1/202382（3）內(nèi)部總線

內(nèi)部總線又稱板級(jí)總線，是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)連接各插件板的總線。內(nèi)部總線通常采用并行方式，除了包括數(shù)據(jù)總線D、地址總線A、控制總線C和電源總線P四組信號(hào)線外，往往還有備用線供用戶將來擴(kuò)充功能或用于特殊目的，其數(shù)目在不同的標(biāo)準(zhǔn)中是不同的

內(nèi)部總線標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械要素包括模板尺寸、接插件尺寸和針數(shù)，電氣要素包括信號(hào)的電平和時(shí)序。

第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)總線結(jié)構(gòu)概述及分類2/1/202383內(nèi)部總線的種類較多

用于個(gè)人計(jì)算機(jī)的PC/XT、ISA、EISA、MCA、PCI總線等；在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)和儀表中有CAMAC總線、VXI總線、PXI總線等；在通訊、電信中有PCIMG2.16總線、AdvancedTCA總線等在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中有STD總線、MULTIBUS總線、VEM總線、PC系列總線和CompactPCI總線等

第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)總線結(jié)構(gòu)概述及分類2/1/202384（4）外部總線

外部總線又叫通信總線或叫接口總線，它完成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間或計(jì)算機(jī)與設(shè)備之間的通信任務(wù)。

大多數(shù)類型的外部總線采用串口方式，少數(shù)采用并行方式或串并結(jié)合方式。

外部總線的標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械要素包括接插件和電纜線型號(hào);電氣要素包括發(fā)送與接受信號(hào)的電平和時(shí)序;功能要素包括發(fā)送和接受雙方的管理能力、控制功能和編碼規(guī)則（ASCII碼、二進(jìn)制碼等）。

第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)總線結(jié)構(gòu)概述及分類2/1/202385外部總線的種類較多

通用的外部總線有RS-232C、RS-485、USB、IEEE1394、SCSI、PCMCIA等；用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線有CAN、LonWorks、FF、Profibus等；用于測(cè)控系統(tǒng)和儀表的有GPIB(IEEE-488)、HP-IL、MXI等。

第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)總線結(jié)構(gòu)概述及分類2/1/202386總線標(biāo)準(zhǔn)（內(nèi)部總線標(biāo)準(zhǔn)）與接口標(biāo)準(zhǔn)（外部總線標(biāo)準(zhǔn)）的特點(diǎn)

總線標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)

公用性，同時(shí)掛接多個(gè)不同類型的功能模塊；在機(jī)箱內(nèi)部以總線擴(kuò)展槽的形式提供使用；一般為并行傳送；定義的信號(hào)線多且齊全，包括三總線和電源線；

第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)總線結(jié)構(gòu)概述及分類2/1/202387接口標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)

專用性，一般一個(gè)接口只接一類或一種設(shè)備；一般設(shè)在機(jī)箱外，以接口插頭（座）形式提供使用；有并行和串行兩種傳送；定義的信號(hào)線少且不齊全，一般是控制線、數(shù)據(jù)線、地址線共用。

第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)總線結(jié)構(gòu)概述及分類2/1/202388第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)常用外部接口總線

四、常用外部接口總線

1．RS-232C串行通信接口

計(jì)算機(jī)（數(shù)據(jù)終端）

MODEM（數(shù)據(jù)設(shè)備）1）電氣特性

2/1/202389§第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)常用外部接口總線

RS-232C的電氣線路連接方式

接口為非平衡型，每個(gè)信號(hào)用一根導(dǎo)線，所有信號(hào)回路共用一根地線。信號(hào)速率限于20kbit/s內(nèi)，電纜長(zhǎng)度限于15m之內(nèi)。由于是單線，線間干擾較大。其電性能用±12V標(biāo)準(zhǔn)脈沖。2/1/202390§第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)常用外部接口總線

值得注意的是RS-232C采用負(fù)邏輯。在數(shù)據(jù)線上：傳號(hào)Mark=-5～-15V，邏輯“1”電平空號(hào)Space=+5～+15V，邏輯“0”電平在控制線上：通On=+5～+15V，邏輯“0”電平斷Off=-5～-15V，邏輯“1”電平2/1/2023912．RS-485串行通信接口

1）電氣特性

RS-485接口采用二線差分平衡傳輸，其信號(hào)定義如下

若差分電壓信號(hào)為-2500～-200mV時(shí)，為邏輯“0”；若差分電壓信號(hào)為+2500～+200mV時(shí)，為邏輯“l(fā)”；若差分電壓信號(hào)為-200～+200mV時(shí)，為高阻狀態(tài)當(dāng)采用+5V電源供電時(shí)：第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)常用外部接口總線

2/1/202392第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)IPC工業(yè)控制機(jī)

五、IPC工業(yè)控制機(jī)

IPC工業(yè)控制機(jī)是以PC系列總線（ISA，VESA，PCI總線）為基礎(chǔ)構(gòu)成的工業(yè)計(jì)算機(jī)。1．IPC工業(yè)控制機(jī)主要特點(diǎn)兼容性好、升級(jí)容易

；性能價(jià)格比高

；豐富的軟件支持；通信功能強(qiáng)可靠性高

2/1/202393第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)IPC工業(yè)控制機(jī)

2．IPC工業(yè)控制機(jī)體系結(jié)構(gòu)2/1/202394第三章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)DCS現(xiàn)場(chǎng)控制站

六、DCS現(xiàn)場(chǎng)控制站

DCS現(xiàn)場(chǎng)控制站是DCS系統(tǒng)的核心部分，接受工程師站的初始下裝數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)采集、工程單位變換、控制運(yùn)算、控制輸出，通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)和診斷結(jié)果傳到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫等功能。

現(xiàn)場(chǎng)控制站內(nèi)大部分采用分布式的結(jié)構(gòu)，由主控單元、智能I/O單元、總線與通訊接口電源單元和專用機(jī)柜等部分組成。

為確?？刂葡到y(tǒng)的實(shí)時(shí)性、安全性和可靠性，現(xiàn)場(chǎng)控制站內(nèi)部的很多部件都采用冗余配置。2/1/202395第5章數(shù)字PID控制算法

5.1.1模擬PID調(diào)節(jié)器

PID控制表示比例（Proportional）－積分（Integral）－微分（Differential）控制。設(shè)

PID調(diào)節(jié)器如圖5-1所示，其輸入輸出關(guān)系為

圖5-1PID調(diào)節(jié)器方框圖2/1/202396第5章數(shù)字PID控制算法

5.1.1模擬PID調(diào)節(jié)器

Kp——比例系數(shù)Ti——積分時(shí)間常數(shù)Td——微分時(shí)間常數(shù)Kpe(t)

稱為比例控制分量，與∫e(t)dt有關(guān)部分為積分控制分量與e(t)/dt

有關(guān)部分為微分控制分量通過上述各控制分量的線性組合，可構(gòu)成比例（P）控制器、比例－積分（PI）控制器、比例－微分（PD）控制器、比例－積分－微分（PID）控制器等。

2/1/202397第5章數(shù)字PID控制算法

5.1.1模擬PID調(diào)節(jié)器

各控制分量的作用如下：

(1)比例（P）控制成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。

(2)積分（I）控制主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決積分時(shí)間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。

(3)微分（D）控制能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，引入一個(gè)有效的早期修正量，從而加快系統(tǒng)的響應(yīng)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。2/1/202398第5章數(shù)字PID控制算法

5.1.2基本數(shù)字PID控制

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，控制器是每隔一個(gè)控制周期進(jìn)行一次控制量的計(jì)算，并輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，要實(shí)現(xiàn)式(5-1)的PID控制規(guī)律，就要進(jìn)行時(shí)間離散化處理。設(shè)控制周期為T，在控制器的采樣時(shí)刻時(shí)t=kT

，對(duì)偏差、積分運(yùn)算和微分運(yùn)算作如下近似變換：

2/1/202399第5章數(shù)字PID控制算法

5.1.2基本數(shù)字PID控制

在上述近似變換中，控制周期必須足夠短，才能保證有足夠的精度。e(kT)、e[(k-1)T]

分別為t=kT、t=(k-1)T時(shí)偏差的離散模擬量，e(k)、e(k-1)

則是對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)（離散整量化值）。將以上離散化結(jié)果代入式(5-1)，可得離散PID算法為

2/1/2023100第5章數(shù)字PID控制算法

5.1.2基本數(shù)字PID控制

式中，k——控制序列號(hào)，k=0,1,2…；u(k)——第k次控制時(shí)刻的計(jì)算值，即第個(gè)采樣周期的控制量；e(k)——第k次控制時(shí)刻的偏差值；e(k-1)——第(k-1)次控制時(shí)刻的偏差值Ki=KpT/Ti——積分系數(shù)，Kd=KpTd/T——微分系數(shù)。2/1/2023101第5章數(shù)字PID控制算法

5.1.2基本數(shù)字PID控制

式(5-5)通常稱為位置式PID數(shù)字調(diào)節(jié)器。上式中令k=k-1，則得式(5-5)減去式(5-6)，得到增量式PID數(shù)字調(diào)節(jié)器

2/1/2023102第5章數(shù)字PID控制算法

5.1.2基本數(shù)字PID控制

式(5-5)是直接從模擬PID調(diào)節(jié)器經(jīng)過離散化得到的，因此不具有一般差分方程所具有的遞推形式。下面介紹從控制器的傳遞函數(shù)推導(dǎo)其離散控制算法的一般方法，仍以模擬PID調(diào)節(jié)器為例，式(5-2)改寫為2/1/2023103第5章數(shù)字PID控制算法

5.1.2基本數(shù)字PID控制

等式左右兩邊的分子分母交叉相乘，對(duì)上式做拉氏反變換，得

2/1/2023104第5章數(shù)字PID控制算法

5.1.2基本數(shù)字PID控制

用差分代替微分，

2/1/2023105第5章數(shù)字PID控制算法

5.1.2基本數(shù)字PID控制

整理，得數(shù)字PID控制算法

遞推的位置式PID數(shù)字調(diào)節(jié)器的MATLAB的語句如下，%(5-8)PIDdigitalcontrolleruk=uk1＋Kp*(ek-ek1)+Ki*ek+Kd*(ek-2*ek1+ek2)uk1=ukek2=ek1ek1=ek其中，uk1=u(k-1)，余同前。2/1/2023106第5章數(shù)字PID控制算法

積分分離PID算法

在數(shù)字PID控制算法中，積分控制分量的引入主要是為了消除靜差，提高系統(tǒng)的精度。但在過程啟動(dòng)、停車或大幅度改變?cè)O(shè)定值時(shí)，由于產(chǎn)生較大的偏差，加上系統(tǒng)本身的慣性和滯后，在積分作用下，計(jì)算得到的控制量將超出執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能的最大動(dòng)作范圍對(duì)應(yīng)的極限控制量，也即執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)入飽和狀態(tài)，結(jié)果產(chǎn)生系統(tǒng)輸出的較大超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的振蕩，這對(duì)大多數(shù)生產(chǎn)過程是不允許的

2/1/2023107第5章數(shù)字PID控制算法

積分分離PID算法

圖5-2標(biāo)準(zhǔn)PID控制的積分作用2/1/2023108第5章數(shù)字PID控制算法

積分分離PID算法

引進(jìn)積分分離PID算法，既保持了積分作用，又可減少超調(diào)量，使系統(tǒng)的控制性能得到較大的改善。積分分離PID算法的基本思想：在偏差較大時(shí)，暫時(shí)取消積分作用；當(dāng)偏差小于某個(gè)閾值時(shí)，才將積分作用投入。

2/1/2023109第5章數(shù)字PID控制算法

積分分離PID算法

1)根據(jù)實(shí)際需要，人為地設(shè)定一個(gè)閾值。2)當(dāng)，也即偏差值較大時(shí)，采用PD控制，可避免大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。3)當(dāng)，也即偏差值較小時(shí)，采用PID控制或PI控制，可保證系統(tǒng)的控制精度。2/1/2023110第5章數(shù)字PID控制算法

積分分離PID算法

位置型PID算式(5-5)的積分分離形式

2/1/2023111第5章數(shù)字PID控制算法

積分分離PID算法

當(dāng)，實(shí)施PD控制，PD控制算法為：2/1/2023112第5章數(shù)字PID控制算法

不完全微分PID控制算法PID控制算法將中的微分控制分量為當(dāng)e(k)為單位階躍函數(shù)時(shí)，ud(k)的輸出為，即只有在第一個(gè)采樣周期內(nèi)有微分控制作用，且幅值為Kd=KpTd/T

，以后均為零。2/1/2023113第5章數(shù)字PID控制算法

不完全微分PID控制算法微分控制分量為微分控制的特點(diǎn)1)控制僅在第一個(gè)周期內(nèi)起作用，對(duì)于時(shí)間常數(shù)較大的系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)作用很小，不能達(dá)到超前控制誤差的目的。2)ud(k)的幅值一般較大（因T<<Td

），容易在以單片微機(jī)為核心的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中造成數(shù)據(jù)溢出。3)ud(k)過大、過快的變化會(huì)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)造成沖擊，不利于執(zhí)行機(jī)構(gòu)安全運(yùn)行。另外，由于控制周期很短，驅(qū)動(dòng)像閥門這一類執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作需要一定的時(shí)間，若輸出較大，閥門一下子達(dá)不到應(yīng)有的開度，輸出將失真。2/1/2023114第5章數(shù)字PID控制算法

不完全微分PID控制算法克服上述缺點(diǎn)的方法之一是在PID算法中加一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)（低通濾波器），構(gòu)成不完全微分PID控制。方案一是在標(biāo)準(zhǔn)PID控制器之后串聯(lián)一個(gè)低通濾波器如圖5-4a所示。

圖5-4不完全微分PID控制器2/1/2023115第5章數(shù)字PID控制算法

不完全微分PID控制算法設(shè)低通濾波器傳遞函數(shù)為則可導(dǎo)出不完全微分PID控制算式如下：離散化，得位置型控制算式式中，，增量型控制算式為：2/1/2023116第5章數(shù)字PID控制算法

不完全微分PID控制算法方案二：不完全微分PID控制是將低通濾波器直接加在微分控制環(huán)節(jié)上，如圖5-4b所示，形成帶慣性環(huán)節(jié)的微分控制，即：

圖5-4不完全微分PID控制器2/1/2023117第5章數(shù)字PID控制算法

不完全微分PID控制算法當(dāng)e(k)為單位階躍函數(shù)時(shí)，ud(k)的輸出為2/1/2023118第5章數(shù)字PID控制算法

不完全微分PID控制算法圖5-5不完全微分PID控制的階躍響應(yīng)a)標(biāo)準(zhǔn)PID控制b)不完全微分PID控制2/1/2023119第5章數(shù)字PID控制算法

不完全微分PID控制算法引入不完全微分后，使得微分控制分量在第一個(gè)采樣周期內(nèi)的脈沖高度下降，其后又按akud(0)

的規(guī)律（a<1）逐漸衰減。所以不完全微分的輸出在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍有微分作用，能有效地克服標(biāo)準(zhǔn)PID算法的不足。

2/1/2023120第5章數(shù)字PID控制算法

微分先行PID控制算法當(dāng)系統(tǒng)的給定值發(fā)生階躍變化時(shí)，微分作用將使控制量大幅度變化，這樣不利于生產(chǎn)過程的穩(wěn)定操作。為了避免因給定值變化引起系統(tǒng)超調(diào)量過大、執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作劇烈的問題，可采用圖5-6所示的微分先行控制算法。圖5-6微分先行PID控制算法框圖2/1/2023121第5章數(shù)字PID控制算法

微分先行PID控制算法微分先行PID控制的特點(diǎn)是只對(duì)被控量y(k)進(jìn)行微分，而不對(duì)偏差e(k)進(jìn)行微分，也即給定值r(k)無微分作用。這種控制策略適用于給定值頻繁升降的場(chǎng)合，可以避免給定值升降所引起的系統(tǒng)振蕩，明顯地改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。微分先行增量型控制算法為2/1/2023122第5章數(shù)字PID控制算法

帶死區(qū)的PID控制算法在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了避免控制動(dòng)作過于頻繁，消除因頻繁動(dòng)作所引起的振蕩，可采用帶死區(qū)的PID控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5-7所示。

圖5-7帶死區(qū)的PID控制方框圖2/1/2023123第5章數(shù)字PID控制算法

帶死區(qū)的PID控制算法死區(qū)的輸入輸出特性式中，死區(qū)e0是一個(gè)可調(diào)參數(shù)，其值根據(jù)系統(tǒng)性能的要求由實(shí)驗(yàn)確定。e0過小，使得控制動(dòng)作頻繁，達(dá)不到預(yù)期的目的；e0過大，則使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的滯后，會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。帶死區(qū)的PID控制實(shí)際是非線性控制。根據(jù)需要適當(dāng)?shù)匾敕蔷€性控制有利于改善系統(tǒng)的性能。

2/1/2023124在工業(yè)控制系統(tǒng)中，由于相當(dāng)一部分被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性或工藝操作條件等原因，對(duì)控制系統(tǒng)提出了一些特殊的要求，這時(shí)需要在PID控制的基礎(chǔ)上，構(gòu)成多回路控制系統(tǒng)，其中串級(jí)控制和前饋－反饋控制在工業(yè)過程控制中具有廣泛的應(yīng)用。二、常用多回路控制系統(tǒng)§第六章復(fù)雜控制算法常用多回路控制系統(tǒng)2/1/20231251.串級(jí)控制技術(shù)

因此，需在原控制回路中，增加一個(gè)或幾個(gè)控制內(nèi)回路，以控制可能引起被控量變化的其它因素，從而構(gòu)成一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)。

串級(jí)控制是在單回路PID控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種技術(shù)。當(dāng)PID控制應(yīng)用于單回路控制一個(gè)被控量時(shí)，其控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制參數(shù)易于整定。但是，當(dāng)系統(tǒng)中同時(shí)有幾個(gè)因素影響同一個(gè)被控量時(shí)，如果只控制其中一個(gè)因素，將難以滿足系統(tǒng)的性能?！斓诹聫?fù)雜控制算法常用多回路控制系統(tǒng)2/1/20231262)數(shù)字串級(jí)控制算法上述的串級(jí)控制系統(tǒng)可用下面的結(jié)構(gòu)來表示D1(s)e1(t)副對(duì)象G2(s)主對(duì)象G1(s)D2(s)r1(t)u1(t)e2(t)u2(t)y2(t)y1(t)

主控和副控回路采樣周期相同，在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主控制器通常采用PID控制，副控制器通常采用P、PI和微分先行控制算法?！斓诹聫?fù)雜控制算法常用多回路控