計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

第五章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)本章主要內(nèi)容●計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般概念●計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類●計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)●直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC及其PID算法●計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)●提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性的措施5.1概述1、計(jì)算機(jī)控制的必要性在20世紀(jì)50～60年代，模擬反饋控制作為過程控制的主要手段，基本上能解決各類簡單控制問題。

(1)隨著設(shè)備大型化和工藝的復(fù)雜化，如系統(tǒng)間相互耦合的多變量系統(tǒng)和大滯后時(shí)間系統(tǒng)等復(fù)雜系統(tǒng)，對控制技術(shù)的要求越來越高。(2)提高大型設(shè)備的安全性和可靠性，對運(yùn)行最優(yōu)化、集中監(jiān)視等功能的要求也就更加突出。(3)大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)要實(shí)時(shí)連續(xù)收集，要進(jìn)行運(yùn)行工況的判斷和設(shè)備的保護(hù)，反饋控制、前饋控制、順序控制、多變量控制等各種控制方式都會經(jīng)常出現(xiàn)，需要綜合運(yùn)用。(4)還有系統(tǒng)仿真、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、概率論、模糊數(shù)學(xué)、人工智能等各種先進(jìn)學(xué)科知識所構(gòu)成的模型需要實(shí)時(shí)運(yùn)行，以指導(dǎo)生產(chǎn)。這樣多的問題是原有模擬技術(shù)所無法解決的，迫使人們?nèi)ゲ捎酶冗M(jìn)的計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)控制方式。當(dāng)前，計(jì)算機(jī)控制已遍布生產(chǎn)、能源、交通等一切社會生產(chǎn)部門，產(chǎn)生了巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。由于計(jì)算機(jī)控制的普及，現(xiàn)今控制的含義已經(jīng)不是單指溫度、流量、壓力等物理量的自動調(diào)整，而是指包括對象在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)的安全保護(hù)、有效管理和穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，是一個(gè)系統(tǒng)工程。計(jì)算機(jī)控制的含義：在控制裝置中采用電子計(jì)算機(jī)，并利用其高度功能進(jìn)行控制。2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中，計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動化技術(shù)是發(fā)展最迅速的兩個(gè)分支，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是這兩個(gè)分支相結(jié)合的產(chǎn)物，是工業(yè)自動化的重要支柱。其大致經(jīng)歷了：

1946年，電子數(shù)字計(jì)算機(jī)問世；

20世紀(jì)50年代末，第一臺計(jì)算機(jī)應(yīng)用于控制，開始了轟轟烈烈的計(jì)算機(jī)工業(yè)應(yīng)用的時(shí)代。計(jì)算機(jī)造價(jià)很高，可靠性和穩(wěn)定性差；

1965-1969年間由于小型、微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)用于過程控制進(jìn)入實(shí)用和普及階段；

1975年美國HONEYWELL公司和日本橫河電機(jī)株式會社分別推出新型的集散控制系統(tǒng)DCS（DistributedControlSystem）。這類系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制分散，危險(xiǎn)分散，操作、監(jiān)測和管理集中，采用分級遞階的分布式結(jié)構(gòu)，使當(dāng)時(shí)陷入困境的計(jì)算機(jī)集中控制和直接數(shù)字控制（DirectDigitalControl—DDC）得到新生，并在全球迅速推廣應(yīng)用。

80年代中后期，開始有了開放式的通訊系統(tǒng)，即現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(FCS-FieldbusControlSystem)，可以實(shí)現(xiàn)多層次計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的管理—控制一體化?？梢?，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大體上經(jīng)歷了三個(gè)階段。（1）1965年以前是試驗(yàn)階段。（2）1965一1969年是計(jì)算機(jī)控制進(jìn)入實(shí)用和開始逐步普及的階段。（3）1970年以后計(jì)算機(jī)控制進(jìn)入了大量推廣和分級控制階段。3、模擬控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的比較

（1）模擬控制系統(tǒng)◆控制原理：檢測偏差，按偏差進(jìn)行控制，減少或消除偏差。模擬調(diào)節(jié)器執(zhí)行器被控對象測量變送器設(shè)定值reu被控參數(shù)y圖a

單回路常規(guī)模擬控制系統(tǒng)方框圖ym（2）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)◆控制原理：檢測偏差，按偏差進(jìn)行控制，減少或消除偏差。u計(jì)算機(jī)保持器執(zhí)行器＋被控對象測量變送器e(kT)u(kT)被控參數(shù)y圖b

單回路計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方框圖ym采樣器A/DD/A計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)定值r計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與模擬控制系統(tǒng)相同之處：1）兩者基本結(jié)構(gòu)相同。都有被控對象、測量元件和變送器、執(zhí)行器和控制器組成；2）調(diào)節(jié)原理和調(diào)節(jié)過程相同。都是基于“檢測偏差，糾正偏差”的控制原理；3）在系統(tǒng)的對象、執(zhí)行元件、檢測元件等環(huán)節(jié)內(nèi)部的運(yùn)動規(guī)律與模擬控制系統(tǒng)相同。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與模擬控制系統(tǒng)不同之處：◆在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)代替了模擬控制器；對控制對象的參數(shù)、狀態(tài)信息的檢測和控制結(jié)果的輸出在時(shí)間上是斷續(xù)（離散）的；對檢測信號的分析計(jì)算是數(shù)字化的，而在模擬控制系統(tǒng)中則是連續(xù)的?！粼诔Ｒ?guī)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的控制規(guī)律是用硬件電路實(shí)現(xiàn)的，改變控制規(guī)律就要改變硬件；而在微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是用程序?qū)崿F(xiàn)的，改變控制規(guī)律只需改變程序。（3）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程分為以下三個(gè)步驟：

1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣對被控參數(shù)的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測，并輸入。

2)實(shí)時(shí)判斷，判斷被控參數(shù)當(dāng)前值與給定值的偏差。

3)實(shí)時(shí)控制根據(jù)偏差，作出控制決策，適時(shí)適量地向控制機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號。注：

對微處理器來講，控制過程的三個(gè)步驟，實(shí)際上只是執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算、輸入操作、輸出操作。這是一種不斷重復(fù)的過程，目的是使整個(gè)系統(tǒng)能夠按照一定動態(tài)品質(zhì)進(jìn)行工作。

所謂“實(shí)時(shí)”是指信號的輸入、計(jì)算和輸出都要在一定的時(shí)間范圍內(nèi)完成，超出這個(gè)時(shí)間，就失去了控制的時(shí)機(jī)。實(shí)時(shí)的概念不能脫離具體過程。（在線、原位）（4）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)1）程序控制，組成方式靈活。任何一種控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)，都可以程序化，而控制規(guī)律的改變，只不過是程序的改變而已。2）綜合控制，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律。計(jì)算機(jī)是控制系統(tǒng)的中心，可以充分發(fā)揮它的軟件功能與分時(shí)本領(lǐng)（斷續(xù)采樣、處理和控制），以實(shí)現(xiàn)多變量、多回路、多對象、多工況、變參數(shù)和自適應(yīng)的綜合控制。3）能實(shí)現(xiàn)硬件難以完成的功能，既簡化了硬件線路又提高了可靠性。4）能獲取更大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。5.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及分類軟件部分計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件部分控制計(jì)算機(jī)主機(jī)、外設(shè)、系統(tǒng)總線過程輸入輸出通道(外圍設(shè)備)人—機(jī)聯(lián)系設(shè)備、通信設(shè)備

現(xiàn)場儀表（測量傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）

操作系統(tǒng)匯編或高級語言、過程控制語言通信網(wǎng)絡(luò)軟件、診斷程序等

系統(tǒng)軟件

應(yīng)用軟件

過程輸入/輸出程序、過程控制程序人機(jī)接口程序、打印顯示程序各種公共子程序歷史數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類

1、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（DAS）

DAS(DataAcquisitionSystem)結(jié)構(gòu)如下圖：

……數(shù)

字計(jì)算機(jī)CRT打印機(jī)報(bào)警過程輸入通道

測量變送測量變送被控生產(chǎn)過程執(zhí)行機(jī)構(gòu)

人

……DAS作用：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作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)據(jù)處理(計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、整理)、進(jìn)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。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)不直接參與過程控制，對生產(chǎn)過程不產(chǎn)生直接影響，但對指導(dǎo)生產(chǎn)操作具有積極作用。2、直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)

DDC(DirectDigitalControl)結(jié)構(gòu)如下圖：直接數(shù)字控制(DDC)計(jì)算機(jī)CRT打印機(jī)報(bào)警操作臺過程輸入通道

測量變送測量變送被控生產(chǎn)過程過程輸出通道執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

……

……作用：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)先制定的控制算法進(jìn)行數(shù)字分析、運(yùn)算后，輸出控制量直接作用在調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，使各個(gè)被控參數(shù)保持在給定值上，實(shí)現(xiàn)對被控對象的自動調(diào)節(jié)。與測試系統(tǒng)相比，DDC具有自身所特有的功能：即“執(zhí)行能夠反映控制規(guī)律的控制算法”和“把計(jì)算結(jié)果以一定形式送到執(zhí)行器”

優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算機(jī)可代替模擬調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)幾十個(gè)甚至更多的單回路PID控制；通過改變程序，而不必改變硬件，就能有效地實(shí)現(xiàn)新型控制規(guī)律和較復(fù)雜的控制，如串級控制、前饋控制、自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制等；此外還能集中顯示和控制。3、監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）SCC級計(jì)算機(jī)CRT打印機(jī)報(bào)警DDC級計(jì)算機(jī)或模擬調(diào)節(jié)器輸入通道輸出通道被控生產(chǎn)過程操作臺輸入通道給定值作用：

監(jiān)督控制系統(tǒng)是一種兩級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。SCC級計(jì)算機(jī)按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行最優(yōu)化分析，計(jì)算出最佳給定值，送給模擬調(diào)節(jié)器或者DDC計(jì)算機(jī)。由模擬調(diào)節(jié)器或DDC計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)過程，從而使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況。

SCC系統(tǒng)較DDC系統(tǒng)更接近生產(chǎn)變化實(shí)際情況，它不僅可以進(jìn)行給定值控制，同時(shí)還可以進(jìn)行順序控制、最優(yōu)控制等。優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化控制，達(dá)到省料、高產(chǎn)、低耗目的；生產(chǎn)安全性高。例子：實(shí)驗(yàn)者對烘箱飛溫的控制。4、分級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分級控制一般分三級，即生產(chǎn)管理級MIS、監(jiān)督控制級（SCC）和直接數(shù)字控制級（DDC）。生產(chǎn)管理級MIS又分為企業(yè)級和廠級。該系統(tǒng)將控制功能分散，用多臺計(jì)算機(jī)分別執(zhí)行不同的控制功能，既能進(jìn)行控制，又能實(shí)現(xiàn)管理。圖5-7所示為一個(gè)四級系統(tǒng)，各級功能如下：分級計(jì)算機(jī)控制：

過程控制級；監(jiān)督控制級；生產(chǎn)管理級等

經(jīng)營決策企業(yè)管理廠級管理監(jiān)督控制過程控制第五級：企業(yè)決策，生產(chǎn)規(guī)劃第四級：供銷,財(cái)務(wù),計(jì)劃,管理等第三級：廠級生產(chǎn)調(diào)度，優(yōu)化第二級：先進(jìn)控制，過程優(yōu)化第一級：單元自動化,簡單控制生產(chǎn)過程

5、集散型控制系統(tǒng)（TDCS）集散型控制系統(tǒng)以微機(jī)為核心，把微機(jī)、工業(yè)PC機(jī)、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、顯示操作裝置、輸出通道等有機(jī)地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)地理上和功能上的分散控制，又通過高速數(shù)據(jù)通道把各個(gè)分散點(diǎn)的信息集中監(jiān)視和操作，并實(shí)現(xiàn)高級復(fù)雜規(guī)律的控制。三部分組成：集中管理部分，分散控制檢測部分和通信部分。集中管理部分可分為工程師站、操作站和管理計(jì)算機(jī)。工程師站主要用于組態(tài)和維護(hù)；操作站則用于監(jiān)視和操作；管理計(jì)算機(jī)用于全系統(tǒng)的信息管理和優(yōu)化控制。分散控制檢測部分按功能可分為監(jiān)測站和現(xiàn)場控制站，它用于控制和監(jiān)測。通信部分連接集散型控制系統(tǒng)的各個(gè)分布部分，完成數(shù)據(jù)、指令及其它信息的傳遞。

“管理集中、控制分散”設(shè)計(jì)原則：

采用分散控制（分級分布式控制）、集中管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則。特點(diǎn)：◆硬件組裝積木化。易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律◆軟件模塊化；

◆可靠性高；◆有方便的組態(tài)軟件，豐富的控制算法；◆先進(jìn)的通訊網(wǎng)絡(luò)，開放的聯(lián)網(wǎng)能力；◆電纜和敷纜成本低，施工周期短。

DCS系統(tǒng)已成為過程控制系統(tǒng)，特別是大中型流程工業(yè)企業(yè)中控制系統(tǒng)的主流。集散型控制系統(tǒng)（相關(guān)文獻(xiàn)介紹）DCS是分散控制系統(tǒng)的簡稱，國內(nèi)一般習(xí)慣稱為集散控制系統(tǒng)。它是一個(gè)由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，綜合了計(jì)算機(jī)（Computer）、通訊（Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）等4C技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態(tài)方便。DCS的結(jié)構(gòu)

DCS系統(tǒng)主要有現(xiàn)場控制站（I/O站）、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、人機(jī)接口單元（操作員站OPS、工程師站ENS）、機(jī)柜、電源等組成。從結(jié)構(gòu)上劃分，DCS包括過程級、操作級和管理級。過程級主要由過程控制站、I/O單元和現(xiàn)場儀表組成，是系統(tǒng)控制功能的主要實(shí)施部分。操作級包括：操作員站和工程師站，完成系統(tǒng)的操作和組態(tài)。管理級主要是指工廠管理信息系統(tǒng)（MIS系統(tǒng)）。

實(shí)現(xiàn)“管理集中、控制分散”6、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）

上世紀(jì)九十年代走向?qū)嵱没默F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，正以迅猛的勢頭快速發(fā)展，是目前世界上最新型的控制系統(tǒng)。定義：是指將現(xiàn)場智能設(shè)備（如數(shù)字傳感器、變送器、儀表與執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）與工業(yè)過程控制單元、現(xiàn)場操作站等互連而成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（局域網(wǎng)）。作用：主要用于現(xiàn)場的智能化儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、I/O模塊等現(xiàn)場設(shè)備間的信息傳遞。特點(diǎn)：◆具有全數(shù)字化、分散、雙向傳輸和多分支的特點(diǎn)，是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)向現(xiàn)場級發(fā)展的產(chǎn)物?！舨捎矛F(xiàn)場總線技術(shù)進(jìn)行數(shù)字通信，而不再用模擬信號通過電線、電纜互連，信號傳遞方式發(fā)生了根本性變化，信號傳遞更加可靠、經(jīng)濟(jì)、各個(gè)儀表及裝置之間的互連更加方便靈活?！舨捎矛F(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)成的分散控制系統(tǒng)，其控制功能將更加分散，系統(tǒng)構(gòu)成將更加靈活、可靠性更高?，F(xiàn)場總線(FieldBus)的層次可以分為三個(gè)層次：◆SensorBus：面向的是簡單的數(shù)字傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要傳輸狀態(tài)信息，網(wǎng)上交換的數(shù)據(jù)單元是位（bit）；◆

DeviceBus：面向的是模擬傳感器和執(zhí)行器，主要傳輸模擬信號的采集轉(zhuǎn)換值、校正與維護(hù)信息等，網(wǎng)上交換的數(shù)據(jù)單元是字節(jié)（Byte）；◆

FieldBus：面向的是控制過程，除了傳輸數(shù)字與模擬信號的直接信息外，還可傳輸控制信息，即FieldBus上的結(jié)點(diǎn)可以是過程控制單元（PCU），F(xiàn)ieldBus網(wǎng)絡(luò)交換的數(shù)據(jù)單元是幀（Frame）?！颋CS根據(jù)計(jì)算機(jī)的硬件不同分類

FCS可以由PLC發(fā)展而來的，也可由DCS發(fā)展而來，所以FCS與PLC及DCS之間既有聯(lián)系，又有本質(zhì)差異?！艋趩纹瑱C(jī)的簡單控制系統(tǒng)◆基于IPC（工業(yè)PC機(jī)）◆基于PLC（可編程序控制器

）◆基于各種類型DCS◆基于現(xiàn)場總線儀表的FCS

PLC是一種數(shù)字控制專用電子計(jì)算機(jī)，它使用了可編程序存儲器儲存指令，執(zhí)行諸如邏輯、順序、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)與演算等功能，并通過模擬和數(shù)字輸入、輸出等組件，控制各種機(jī)械或工作程序。

PLC、DCS及FCS系統(tǒng)的區(qū)別◆

PLC主要用于工業(yè)過程中的順序控制，新型PLC也兼有閉環(huán)控制功能。PLC對于順序控制有其獨(dú)特的優(yōu)勢。PLC既可作為獨(dú)立DCS，也可作為DCS的子系統(tǒng)。

◆DCS是集4C（Communication，Computer，

Control、CRT）技術(shù)于一身的監(jiān)控技術(shù)。DCS系統(tǒng)的關(guān)鍵是通信（數(shù)據(jù)公路）。各公司產(chǎn)品不能互換，不能互操作，大DCS系統(tǒng)是各家不同的?！鬎CS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；多變量、多節(jié)點(diǎn)、串行、數(shù)字通信系統(tǒng)取代單變量、單點(diǎn)、并行、模擬系統(tǒng)；用兩根線聯(lián)接分散的現(xiàn)場儀表、控制裝置、PID與控制中心，取代每臺儀器兩根線。

FCS系統(tǒng)的核心是總線協(xié)議，即總線標(biāo)準(zhǔn)；FCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場裝置；FCS系統(tǒng)的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化?！?/p>

PLC能以毫秒級的速度掃描；DCS則只能以秒級速度（每秒2~5次）掃描；FCS的每秒10~20次?！?/p>

DCS系統(tǒng)是封閉式系統(tǒng)，各公司產(chǎn)品基本不兼容。而FCS系統(tǒng)是開放式系統(tǒng)，兼容各種設(shè)備連入現(xiàn)場總線，達(dá)到最佳的系統(tǒng)集成?！?/p>

DCS系統(tǒng)的信息全都是二進(jìn)制或模擬信號形成的，必須有D/A與A/D轉(zhuǎn)換。而FCS系統(tǒng)是全數(shù)字化，就免去了D/A與A/D變換，高集成化高性能?！?/p>

DCS可以控制和監(jiān)視工藝全過程，對自身進(jìn)行診斷、維護(hù)和組態(tài)。但無法進(jìn)行遠(yuǎn)方診斷、維護(hù)和組態(tài)。FCS采用全數(shù)字化技術(shù)（雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制），可以對現(xiàn)場裝置（含變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）進(jìn)行遠(yuǎn)方診斷、維護(hù)和組態(tài)?！?/p>

FCS由于信息處理現(xiàn)場化，與DCS相比可以省去相當(dāng)數(shù)量的隔離器、端子柜、I/O終端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，同時(shí)也節(jié)省了I/O裝置及裝置室的空間與占地面積。有專家認(rèn)為可以省去60%。

◆

FCS相對于DCS組態(tài)簡單，由于結(jié)構(gòu)、性能標(biāo)準(zhǔn)化，便于安裝、運(yùn)行、維護(hù)。5.3A/D和D/A轉(zhuǎn)換器

1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號形式計(jì)算機(jī)內(nèi)信號的處理和傳遞過程如下圖：上圖顯示計(jì)算機(jī)內(nèi)信號的處理過程：采樣、量化、計(jì)算和保持，該過程包括的信號類型有：連續(xù)模擬信號:時(shí)間與幅值上均連續(xù)，如y(t)、u(t)離散模擬信號:時(shí)間上離散，幅值上連續(xù)，如y*(t)、u*(t)連續(xù)數(shù)字信號:時(shí)間是連續(xù)的，幅值上已是數(shù)字量離散數(shù)字信號:時(shí)間離散的，幅值為數(shù)字量，如y(kT)、u(kT)采樣器S

A/D計(jì)算機(jī)D/A保持器Hy(t)y*(t)

y(kT)

u(kT)

u*(kT)

u(t)在對工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行控制時(shí)，一般測量變送器和執(zhí)行器采用模擬量參數(shù)，要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與控制器件的聯(lián)系就要通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)進(jìn)行連接。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的裝置，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC

數(shù)/模轉(zhuǎn)換器是能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的裝置，簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC2、

D/A轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器是一種把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的器件。一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)，具有2n個(gè)二進(jìn)制數(shù)的組合，因此要有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)，這些模擬電信號可由特定的電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生。該網(wǎng)絡(luò)由電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬切換開關(guān)、基準(zhǔn)電源和運(yùn)算放大器等基本部分組成。電阻網(wǎng)絡(luò)是D/A的主要部分。

（1）D/A轉(zhuǎn)換器原理4位倒R-2R型D/A轉(zhuǎn)換器簡介。電路結(jié)構(gòu)原理圖如下，整個(gè)電路由相同的電路環(huán)節(jié)組成，每個(gè)環(huán)節(jié)有兩個(gè)電阻和一個(gè)模擬開關(guān)。圖中模擬開關(guān)S0-S3投向1，表示此電流流過反饋電阻Rf；投向0電流不流過反饋電阻Rf。Ur是基準(zhǔn)電壓,U0是模擬輸出電壓。倒R-2R型轉(zhuǎn)換器電阻網(wǎng)絡(luò)中，不管模擬開關(guān)狀態(tài)如何，各支路電流大小不變，開關(guān)狀態(tài)僅決定電流是流向運(yùn)算放大器的虛地端還是流向地端。因此此電阻網(wǎng)絡(luò)可等效為如下電路：從電路各節(jié)點(diǎn)向左看，各節(jié)點(diǎn)對地的等效電阻均為R，故基準(zhǔn)電壓UR輸出的電流恒為IR＝UR/R；因此從輸入數(shù)字信號的高位到低位。流過4個(gè)2R電阻的電流分別為：可見，模擬輸出電壓與輸入數(shù)碼(d0、d1、d2…)成正比。倒R-2R型D/A轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)：無論電子開關(guān)是開或關(guān)（數(shù)字輸入為1或0），流過電阻2R的電流不變，因此電阻分布電容沒有充放電問題，轉(zhuǎn)換速度快；電路結(jié)構(gòu)的電阻只有兩種，易于集成并保證電阻的公差和溫度跟蹤，可得到較高的轉(zhuǎn)換精度；從參考電壓端向電阻網(wǎng)絡(luò)看，等效電阻不隨開關(guān)位置的變化而變化，始終為R，這對參考電壓的負(fù)載能力要求可大大降低。（2）選擇原則◆分辨率（D/A的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比）或精度◆轉(zhuǎn)換時(shí)間（轉(zhuǎn)換頻率）◆數(shù)字輸入輸出特性◆性能價(jià)格比3、A/D轉(zhuǎn)換器

A／D轉(zhuǎn)換器是一種能在規(guī)定精度和分辨率內(nèi)，把連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成與之成正比的數(shù)字信號的器件?！耦愋汀綦p積分式A/D◆計(jì)數(shù)器式A/D◆逐次逼近式A/D◆快速A/D●選擇原則◆采樣頻率采樣轉(zhuǎn)換頻率與采樣時(shí)間成反比，其與A/D的位數(shù)、形式及輸入信號大小有關(guān)。信號頻域分析時(shí)，最小采樣頻率必須大于或等于信號中最高頻率的2倍；時(shí)域分析時(shí)為10倍。一般測試對象為動態(tài)參數(shù)，采樣頻率選擇盡可能高一些；測試對象為靜態(tài)參數(shù)，則采樣頻率可選低一些。

◆分辨率A/D的分辨率是指輸出數(shù)字量最低位變化一個(gè)數(shù)碼時(shí)，對應(yīng)輸入模擬量的變化量。利用它可以決定使輸出數(shù)碼增加(或減少)一位所需要的輸入信號最小變化量。即有：分辨率D＝1/2n。其中n為A/D的位數(shù)，n愈高，測量誤差愈小，轉(zhuǎn)換精度高，但是成本也高。國內(nèi)外的A/D芯片多為8位、10位和12位等?！艟葹檩斎肽M信號的實(shí)際電壓值與被轉(zhuǎn)成數(shù)字信號的理論電壓值之間的差值。分辨率決定轉(zhuǎn)換器的精度，甚至整個(gè)測試系統(tǒng)的精度?！舨蓸狱c(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。進(jìn)行頻域分析時(shí)，采樣點(diǎn)數(shù)一般取2的冪數(shù)。◆性能價(jià)格比5.4計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)一、

計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)可以用于智能儀表、工業(yè)過程測試和智能測試，從而構(gòu)成不同的計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)。這些系統(tǒng)盡管形式不同，但其工作過程是相同的，都是首先通過傳感器將非電量變換成模擬量，然后再進(jìn)行采集并變成數(shù)字量，再送到計(jì)算機(jī)去進(jìn)行處理、傳輸、顯示、存儲或打印。測試系統(tǒng)一般由輸入通道、主機(jī)算機(jī)和輸出通道構(gòu)成。其硬件包括傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、輸入/輸出接口電路、計(jì)算機(jī)等。測試系統(tǒng)的工作過程可歸納為：

數(shù)據(jù)采集是將被測量相對應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識別的信號并輸入給計(jì)算機(jī)；

數(shù)據(jù)處理是由計(jì)算機(jī)執(zhí)行以測試為目的的算法程序后，得到與被測參數(shù)相對應(yīng)的測量值（過程測試），或形成相應(yīng)的決策與判斷（智能測試），或者作出決定性的預(yù)測預(yù)報(bào)（專家智能型測試）；

數(shù)據(jù)輸出是將處理結(jié)果送給輸出設(shè)備，顯示、打印或繪制成圖形。根據(jù)“所測信號的特性、測試系統(tǒng)的性能要求和性能價(jià)格比最優(yōu)”原則，可以把計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)分為以下幾種結(jié)構(gòu)。（1）單通道數(shù)據(jù)采集被測的模擬信號只有一個(gè)。

（2）多通道數(shù)據(jù)采集

被測的模擬信號有兩個(gè)或兩個(gè)以上。常用以下幾種結(jié)構(gòu)形式。A）多路A/D轉(zhuǎn)換方式：優(yōu)點(diǎn)：通道數(shù)增加時(shí)，最高采樣頻率不受影響；可同時(shí)采集多路信號，能保持各信號的同步關(guān)系。缺點(diǎn)：成本較高，體積較大。用于高速數(shù)據(jù)采集和同時(shí)采集多路數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。

B）多路共享A/D轉(zhuǎn)換方式：優(yōu)點(diǎn)：采樣保持電路用同一信號控制時(shí)，可采集多路信號，能同時(shí)保證各信號間同步關(guān)系；成本和體積較A）轉(zhuǎn)換方式為小。缺點(diǎn)：通道數(shù)增加時(shí)，最高采樣頻率受影響；轉(zhuǎn)換速度較慢，各通道得到的信號是斷續(xù)的。主要用于采集頻率要求不高的多路信號采集系統(tǒng)。

C）多路開關(guān)方式：優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省硬件，成本低。缺點(diǎn)：采集多通道信號時(shí)，不能采得同一時(shí)刻的各種參數(shù)；轉(zhuǎn)換速度最慢，各通道得到的信號是斷續(xù)的。主要用于采集多路變化緩慢的信號。

二、數(shù)據(jù)采集

1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號形式計(jì)算機(jī)內(nèi)信號的處理和傳遞過程如下圖：上圖顯示計(jì)算機(jī)內(nèi)信號的處理過程：采樣、量化、計(jì)算和保持，該過程包括的信號類型有：連續(xù)模擬信號:時(shí)間與幅值上均連續(xù)，如y(t)、u(t)離散模擬信號:時(shí)間上離散，幅值上連續(xù)，如y*(t)、u*(t)連續(xù)數(shù)字信號:時(shí)間是連續(xù)的，幅值上已是數(shù)字量離散數(shù)字信號:時(shí)間離散的，幅值為數(shù)字量，如y(kT)、u(kT)采樣器S

A/D計(jì)算機(jī)D/A保持器Hy(t)y*(t)

y(kT)

u(kT)

u*(kT)

u(t)2、采樣：采樣是每隔一定時(shí)間間隔把連續(xù)信號抽樣成時(shí)間上離散信號的過程。采樣周期T：兩次采樣之間的時(shí)間間隔；采樣時(shí)間：采樣保持時(shí)間稱為采樣時(shí)間；其遠(yuǎn)小于T。理論上采樣不需要保持操作，但由于A/D轉(zhuǎn)換需要時(shí)間，為了減少在轉(zhuǎn)換過程中信號變化帶來的影響，采樣后的信號在時(shí)間內(nèi)將保持幅值不變，直到完成變換。相應(yīng)電路稱采樣保持電路（S/H）y(t)t采樣器y(t)y*(t)采樣周期長，信號不能復(fù)現(xiàn)T短，信號可以復(fù)現(xiàn)香農(nóng)采樣定理：

一個(gè)帶寬有限(0～fm）的信號e(t)，可用相隔時(shí)間為T≤1/2fm的若干個(gè)采樣值來代表。反之，若想得到原來的信號e(t)，只要將該信號的各采樣值通過一個(gè)截止頻率為fm的理想低通濾波器。即無失真采樣頻率應(yīng)滿足fs≥2fm

。3、數(shù)據(jù)采集1）模擬信號的采集對采集到的模擬信號，首先要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，即模/數(shù)轉(zhuǎn)換，然后送入計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ迷O(shè)備進(jìn)行處理。模/數(shù)轉(zhuǎn)換包括采樣、量化和編碼三個(gè)步驟。

采樣是對已知模擬信號按一定間隔抽出一個(gè)樣本數(shù)據(jù)。常用等時(shí)間間隔采樣。

量化是用有限字長的數(shù)字量逼進(jìn)模擬量的過程，即模擬量數(shù)字化的過程。

編碼將量化的數(shù)字變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)碼，以便計(jì)算機(jī)接受并處理。經(jīng)此三步，模擬信號變成時(shí)間上離散、幅值量化的數(shù)字信號，A/D轉(zhuǎn)換器是完成這三步的主要器件。2）脈沖信號的采集脈沖信號檢測包括脈沖個(gè)數(shù)的檢測、脈沖頻率與周期或脈寬的檢測。

脈沖個(gè)數(shù)檢測一般由數(shù)字計(jì)數(shù)器完成。例子：電動機(jī)或壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速測量；產(chǎn)品個(gè)數(shù)的計(jì)量。數(shù)字計(jì)數(shù)器測量脈沖頻率的原理脈沖頻率測量原理如圖所示：被測信號為正弦波a，經(jīng)脈沖形成電路后形成一系列脈沖b加在閘門的輸入端，閘門啟閉由門控信號控制。脈沖信號只有在閘門打開的時(shí)間內(nèi)通過閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。fx=N/T，這種方法稱為測頻法。數(shù)字計(jì)數(shù)器測量脈沖寬度的原理脈沖寬度測量原理如圖所示：這種方法稱為測周法，與測頻法使用的電路類似，只需要將被測信號和標(biāo)準(zhǔn)信號位置互換即可。測周法用被測信號的寬度去控制閘門的啟閉，振蕩器的標(biāo)準(zhǔn)信號經(jīng)閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。TS＝Tb×N三、計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、設(shè)計(jì)任務(wù)根據(jù)測試系統(tǒng)的要求（測試參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)），按照計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)的三個(gè)組成部分來論證系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和電路。1）主機(jī)選型2）輸入通道結(jié)構(gòu)按照測試參數(shù)多少，采樣頻率高低來確定輸入通道的數(shù)目。3）輸出通道結(jié)構(gòu)根據(jù)測試系統(tǒng)功能要求，確定打印機(jī)、繪圖儀和超限報(bào)警等。2、輸入通道電路的設(shè)計(jì)分析1）傳感器選型2）A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)按被測參數(shù)的精度要求高低，計(jì)算轉(zhuǎn)換器的分辨率，確定量化誤差。3）放大電路設(shè)計(jì)按A/D轉(zhuǎn)換器的工作電壓來設(shè)計(jì)放大電路的放大倍數(shù)，根據(jù)放大倍數(shù)確定電路中各元器件的參數(shù)。4）其他電路設(shè)計(jì)如采樣/保持電路設(shè)計(jì)，多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的選擇等。3、軟件程序設(shè)計(jì)測試系統(tǒng)軟件具備兩項(xiàng)基本功能：對輸入/輸出通道的控制管理功能和測試數(shù)據(jù)的處理功能。此外系統(tǒng)本身的自檢測和自診斷功能、軟件開發(fā)和調(diào)試修改用的監(jiān)控操作功能等。因此設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)采集控制方式的設(shè)計(jì)采樣工作模式設(shè)計(jì)采樣周期的確定其他程序設(shè)計(jì)，如人機(jī)界面、信號采集、分析計(jì)算和結(jié)果處理等。5.5直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng)一、

DDC系統(tǒng)概述直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC是分時(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，然后輸出控制量直接作用在調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，使各個(gè)被控參數(shù)保持在給定值上，實(shí)現(xiàn)對被控對象的自動調(diào)節(jié)。

DDC系統(tǒng)的操作功能：從被控對象獲取各種信息；執(zhí)行能夠反映控制規(guī)律的控制算法；把計(jì)算結(jié)果以一定形式送到執(zhí)行器或顯示報(bào)警裝置；實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的聯(lián)系等。

DDC優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算機(jī)可完全代替模擬調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)幾十個(gè)甚至更多的單回路PID控制；通過改變程序而不需要改變硬件就能有效地實(shí)現(xiàn)新型控制規(guī)律和較復(fù)雜的控制，如串級控制、前饋控制、自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制等；此外能集中顯示和控制。

圖5-11表示了DDC系統(tǒng)構(gòu)成的方框圖。DDC是利用計(jì)算機(jī)的分時(shí)處理功能對多個(gè)回路完成多種控制的一種計(jì)算機(jī)控制方式。其與模擬調(diào)節(jié)過程的比較如下：

DDC系統(tǒng)的各種功能都可以歸結(jié)到其控制程序的應(yīng)用軟件中，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、數(shù)據(jù)記錄程序和人機(jī)聯(lián)系程序等。其主要應(yīng)用于下列場合：過程回路很多的大規(guī)模生產(chǎn)過程被控參數(shù)需要進(jìn)行一些計(jì)算的生產(chǎn)過程各參數(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)對象二、DDC控制系統(tǒng)的基本算法在連續(xù)量控制中，模擬調(diào)節(jié)器的理想PID算法為：式中：Kp、TI、TD

分別為模擬調(diào)節(jié)器的比例增益、積分時(shí)間和微分時(shí)間。其傳遞函數(shù)形式為：相應(yīng)方框圖如下圖。

直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC的基本算法一般是指計(jì)算機(jī)對生產(chǎn)過程中進(jìn)行PID控制時(shí)的幾種控制方程。與連續(xù)控制相似，有理想PID和實(shí)際PID兩種，其中理想算法表達(dá)式又分位置式、增量式和速度式。1、位置式PID算法

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，因?yàn)槭遣蓸涌刂?，要根?jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，所以連續(xù)PID算法中積分和微分項(xiàng)不能準(zhǔn)確求取，只能用數(shù)值方法逼近。這時(shí)，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，即積分項(xiàng)和微分項(xiàng)可用求和及增量式來表示，來實(shí)現(xiàn)模擬PID調(diào)節(jié)規(guī)律的離散化。◆在控制器的采樣時(shí)刻t=kT時(shí)，積分和微分項(xiàng)為：因此，位置式PID算法為用上式來控制閥門的開度，其輸出值恰與閥門開度的位置一一對應(yīng)。如果令Kp＝KP,Ki=TKP/TI,Kd=KPTD/T，稱為數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，則由Z變換定理，可得：代人u(K)式子中，得到：由此得到數(shù)字PID的Z變換傳遞函數(shù)為數(shù)字PID控制系統(tǒng)圖如下：2、增量式PID算法

輸入經(jīng)計(jì)算機(jī)PID運(yùn)算，其輸出為調(diào)節(jié)閥開度的增量時(shí)，稱為增量式PID算法。其輸出增量為前后兩次采樣所計(jì)算的位置值之差，即：根據(jù)位置式PID算法可得增量式PID算法或其輸出Δu(k)

表示閥位在第k-1次采樣時(shí)刻輸出基礎(chǔ)上的增量。將增量式作簡單運(yùn)算，可得到增量算法表示式將上式進(jìn)行Z變換，可以得到PID增量式的傳遞函數(shù)為：數(shù)字PID位置算式與增量式的比較：◆PID位置算式由積分項(xiàng)的存在會產(chǎn)生累積誤差，發(fā)生積分飽和和丟失現(xiàn)象，對控制調(diào)節(jié)不利。增量式無這種缺點(diǎn)。◆PID增量算式在系統(tǒng)進(jìn)行手動和自動切換時(shí)，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)行元件的寄存作用，仍可保存原位，對被控過程的影響較小?！鬚ID增量算法編程簡單,數(shù)據(jù)可以遞推使用,占用內(nèi)存少,運(yùn)算快?！鬚ID增量算法得到k采樣時(shí)刻計(jì)算機(jī)的實(shí)際輸出控制量為3、速度式PID算法

計(jì)算機(jī)經(jīng)PID運(yùn)算，其輸出為直流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)動速度時(shí)，稱為速度式PID算法。即：由于T為常數(shù)，故速度式和增量式并無本質(zhì)區(qū)別。4、實(shí)際PID控制算法標(biāo)準(zhǔn)PID控制算法，在有些工業(yè)過程中難以得到滿意的控制效果，主要有兩個(gè)方面的原因：一是理想PID算法本身存在不足，如位置式PID積分飽和現(xiàn)象嚴(yán)重，增量式PID算法在給定值發(fā)生躍變時(shí)，可能出現(xiàn)比例和微分的飽和，動態(tài)過程慢；另外理想PID算法無法滿足具體工業(yè)過程控制的特殊性，如有的過程希望控制動作不要過于頻繁，有的對象具有大純滯后特性，有的過程運(yùn)行環(huán)境惡劣，希望PID算法有較強(qiáng)的干擾抑制能力等。這些原因都促使對理想PID算法進(jìn)行改進(jìn)。實(shí)際PID控制算法參見教材199頁的內(nèi)容。如微分先行PID算法。三、改進(jìn)的PID算法1、帶有死區(qū)的PID控制為了消除控制作用頻繁動作，要求控制偏差在某個(gè)域值以內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)不進(jìn)行調(diào)節(jié)，超出此域值進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，可選擇帶有死區(qū)