第五章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

第5章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)教學(xué)要求與學(xué)習(xí)目標(biāo)：1掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成。2掌握A/D與D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理。3學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容:§5.1概述§5.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及分類(lèi)§5.3A/D與D/A轉(zhuǎn)換器§5.4直接數(shù)字控制系統(tǒng)§5.5計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)§5.6提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性的措施開(kāi)始學(xué)習(xí)返回總目錄序言

現(xiàn)代過(guò)程工業(yè)向著大型化和連續(xù)化方向發(fā)展，生產(chǎn)過(guò)程也日趨復(fù)雜，對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響也日益突出，這些都對(duì)過(guò)程控制提出了越來(lái)越高的要求。不僅如此，生產(chǎn)的安全性和可靠性、生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益都成為衡量當(dāng)今自動(dòng)控制水平的重要指標(biāo)。因此，僅用常規(guī)的模擬調(diào)節(jié)儀表已無(wú)法滿足現(xiàn)代化企業(yè)的控制要求，由此出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在過(guò)程工業(yè)中的應(yīng)用。由于計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快、精度高、存儲(chǔ)量大、編程靈活以及有很強(qiáng)的通信能力等特點(diǎn)，故在過(guò)程控制的各個(gè)領(lǐng)域里都得到了廣泛的應(yīng)用。序言計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)技術(shù)性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的綜合性工作。它涉及到計(jì)算機(jī)硬件、軟件、自動(dòng)控制、檢測(cè)技術(shù)及儀表、強(qiáng)電路和弱電路、被控對(duì)象的工藝、過(guò)程裝備等多個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)。所以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程往往需要多個(gè)專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人才協(xié)調(diào)工作，才能完成。作為我們專(zhuān)業(yè)的人才，要對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)、控制過(guò)程、計(jì)算機(jī)所采用的控制算法、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、以及如何克服干擾提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性等方面的知識(shí)有所掌握和了解?！?.1概述

一計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與常規(guī)的模擬控制系統(tǒng)的異同

相同點(diǎn)：如圖5-1（1）結(jié)構(gòu)基本相同。（2）有關(guān)控制系統(tǒng)的基本概念和術(shù)語(yǔ)也相同。（3）有關(guān)調(diào)節(jié)原理和調(diào)節(jié)過(guò)程也是相同的，都是基于“檢測(cè)偏差、糾正偏差”的控制原理。

不同點(diǎn)：在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，控制器對(duì)控制對(duì)象的參數(shù)、狀態(tài)信息的檢測(cè)和控制結(jié)果的輸出在時(shí)間上是斷續(xù)的，對(duì)檢測(cè)信號(hào)的分析計(jì)算是數(shù)字化的；而在模擬控制系統(tǒng)中則信號(hào)是連續(xù)的。即計(jì)算機(jī)控制是離散的數(shù)字控制，模擬儀表是連續(xù)控制圖1-2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方塊圖被控變量干擾作用

y給定值控制器執(zhí)行器被控對(duì)象f測(cè)量元件與變送器yse=ys－ym

umym偏差－控制信號(hào)操縱變量圖5-1計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)的方塊圖被控變量干擾作用

y給定值計(jì)算機(jī)執(zhí)行器被控對(duì)象f測(cè)量元件與變送器yse=ys－ym

umym偏差－控制信號(hào)操縱變量D/AA/DAnalogue/DigitalDigital/Analogue二計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過(guò)程

分為下列三個(gè)步驟：●實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣，測(cè)量被控量的當(dāng)前值，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)化為斷續(xù)的數(shù)字化信號(hào)?！駥?shí)時(shí)判斷，判斷被控量當(dāng)前值與給定值的偏差?！駥?shí)時(shí)控制，根據(jù)偏差，作為控制決策。即按照預(yù)定的算法（如PID）對(duì)偏差進(jìn)行運(yùn)算，以及適時(shí)適量地向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)。圖5-1計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)的方塊圖被控變量干擾作用

y給定值計(jì)算機(jī)執(zhí)行器被控對(duì)象f測(cè)量元件與變送器yse=ys－ym

umym偏差－控制信號(hào)操縱變量D/AA/D三計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。

●由于數(shù)據(jù)的采樣處理、控制都是斷續(xù)的，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)對(duì)象，多個(gè)回路的控制?！駥?shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣、實(shí)時(shí)判斷、實(shí)時(shí)控制實(shí)際上只有執(zhí)行了算術(shù)、邏輯運(yùn)算和輸入輸出的操作，所有這些操作都是由編制相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序完成的，故對(duì)系統(tǒng)功能的擴(kuò)充修改極為方便，只要修改程序即可，一般不必或很少做硬件連接的改動(dòng)。●在模擬控制系統(tǒng)中很多由硬件難以完成的功能，如大時(shí)間常數(shù)的濾波、元件的非線性補(bǔ)償、系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償?shù)纫蛩兀谟?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中均可以方便地由軟件完成，既簡(jiǎn)化了硬件線路又提高了可靠性?！?.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及分類(lèi)

一計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成

工業(yè)對(duì)象工業(yè)控制計(jì)算機(jī)硬件（計(jì)算機(jī)主機(jī)、外部設(shè)備、外圍設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化儀表和操作控制臺(tái)）軟件（程序系統(tǒng)）下圖給出了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本組成的結(jié)構(gòu)圖。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)圖5-1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本組成被控對(duì)象檢測(cè)儀表常規(guī)控制閥過(guò)程輸入通道報(bào)警顯示設(shè)備過(guò)程輸出通道計(jì)算機(jī)主機(jī)數(shù)據(jù)輸入設(shè)備數(shù)據(jù)輸出設(shè)備外存取器外部設(shè)備外圍設(shè)備操作控制臺(tái)軟件······工業(yè)計(jì)算機(jī)圖5-1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本組成

1硬件部分被控對(duì)象檢測(cè)儀表常規(guī)控制過(guò)程輸入通道報(bào)警顯示設(shè)備過(guò)程輸出通道計(jì)算機(jī)主機(jī)數(shù)據(jù)輸入設(shè)備數(shù)據(jù)輸出設(shè)備

外存取器外部設(shè)備外圍設(shè)備操作控制臺(tái)軟件······工業(yè)計(jì)算機(jī)（1）主機(jī)計(jì)算機(jī)主機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心裝置，它由微處理器、內(nèi)存貯器和系統(tǒng)總線等部分組成。圖5-1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本組成

被控對(duì)象檢測(cè)儀表常規(guī)控制過(guò)程輸入通道報(bào)警顯示設(shè)備過(guò)程輸出通道計(jì)算機(jī)主機(jī)數(shù)據(jù)輸入設(shè)備數(shù)據(jù)輸出設(shè)備

外存取器外部設(shè)備外圍設(shè)備操作控制臺(tái)軟件······工業(yè)計(jì)算機(jī)1硬件部分（1）主機(jī)(2）過(guò)程輸入輸出通道它是在微機(jī)和生產(chǎn)過(guò)程之間起信息傳遞和變換作用的裝置。它包括：模擬量輸入/輸出通道(AI/AO）、開(kāi)關(guān)量輸入/輸出通道（DI/DO）AIDIDOAO被控對(duì)象檢測(cè)儀表常規(guī)控制過(guò)程輸入通道報(bào)警顯示設(shè)備過(guò)程輸出通道計(jì)算機(jī)主機(jī)數(shù)據(jù)輸入設(shè)備數(shù)據(jù)輸出設(shè)備

外存取器外部設(shè)備外圍設(shè)備操作控制臺(tái)軟件······工業(yè)計(jì)算機(jī)圖5-1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本組成

1硬件部分（1）主機(jī)（2）過(guò)程輸入輸出通道（3）操作設(shè)備系統(tǒng)的操作設(shè)備是操作員與系統(tǒng)之間的信息交換工具如顯示器、鍵盤(pán)、開(kāi)關(guān)、指示燈等。圖5-1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本組成

被控對(duì)象檢測(cè)儀表常規(guī)控制過(guò)程輸入通道報(bào)警顯示設(shè)備過(guò)程輸出通道計(jì)算機(jī)主機(jī)數(shù)據(jù)輸入設(shè)備數(shù)據(jù)輸出設(shè)備

外存取器外部設(shè)備外圍設(shè)備操作控制臺(tái)軟件······工業(yè)計(jì)算機(jī)1硬件部分（1）主機(jī)（2）過(guò)程輸入輸出通道（3）

操作設(shè)備（4）常規(guī)外部設(shè)備它是指鍵盤(pán)終端、打印機(jī)、繪圖儀、磁盤(pán)等計(jì)算機(jī)輸入輸出設(shè)備圖5-1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本組成

被控對(duì)象檢測(cè)儀表常規(guī)控制過(guò)程輸入通道報(bào)警顯示設(shè)備過(guò)程輸出通道計(jì)算機(jī)主機(jī)數(shù)據(jù)輸入設(shè)備數(shù)據(jù)輸出設(shè)備

外存取器外部設(shè)備外圍設(shè)備操作控制臺(tái)軟件······工業(yè)計(jì)算機(jī)1硬件部分（1）主機(jī)（2）過(guò)程輸入輸出通道（3）

操作設(shè)備（4）常規(guī)外部設(shè)備（5）通信設(shè)備規(guī)模較大的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，其控制和管理常常非常復(fù)雜，需要幾臺(tái)或幾十臺(tái)微型計(jì)算機(jī)才能分級(jí)完成控制與管理任務(wù)。這樣，系統(tǒng)中的微機(jī)之間就需要通信。因此，需要由通信設(shè)備與數(shù)據(jù)線將系統(tǒng)中的微機(jī)互聯(lián)起來(lái)，構(gòu)成控制與管理網(wǎng)絡(luò)。圖5-1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本組成

被控對(duì)象檢測(cè)儀表常規(guī)控制過(guò)程輸入通道報(bào)警顯示設(shè)備過(guò)程輸出通道計(jì)算機(jī)主機(jī)數(shù)據(jù)輸入設(shè)備數(shù)據(jù)輸出設(shè)備

外存取器外部設(shè)備外圍設(shè)備操作控制臺(tái)軟件······工業(yè)計(jì)算機(jī)1硬件部分（1）主機(jī)（2）過(guò)程輸入輸出通道（3）

操作設(shè)備（4）常規(guī)外部設(shè)備（5）通信設(shè)備（6）系統(tǒng)支持功能計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)支持功能主要包括以下幾個(gè)部分。（6）系統(tǒng)支持功能計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)支持功能主要包括以下幾個(gè)部分。

▲監(jiān)控定時(shí)器

“看門(mén)狗”主要作用是在系統(tǒng)因干擾或其他原因出現(xiàn)異常時(shí)，如出現(xiàn)“死循環(huán)”，使系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)正常工作運(yùn)行，從而提高系統(tǒng)的可靠性。▲電源掉電檢測(cè)如果系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)電源掉電故障，應(yīng)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并保護(hù)當(dāng)時(shí)的匯總要數(shù)據(jù)和CPU寄存器的內(nèi)容，以保證復(fù)電后系統(tǒng)能從斷點(diǎn)處繼續(xù)運(yùn)行?！Ｗo(hù)重要數(shù)據(jù)的后備存貯體監(jiān)控定時(shí)器和掉點(diǎn)保護(hù)功能均要有能保存重要數(shù)據(jù)的存貯器的支持。▲實(shí)時(shí)日歷鐘使系統(tǒng)具有時(shí)間驅(qū)動(dòng)功能，如在指定時(shí)刻產(chǎn)生某種控制或自動(dòng)記錄某個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間等?！偩€匹配總線母板上的信號(hào)線在高速時(shí)鐘頻率下運(yùn)行時(shí)均為傳輸長(zhǎng)線，很可能產(chǎn)生反射和干擾信號(hào)，一般采用濾波網(wǎng)絡(luò)予以克服。圖5-1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本組成

2軟件部分

被控對(duì)象檢測(cè)儀表常規(guī)控制過(guò)程輸入通道報(bào)警顯示設(shè)備過(guò)程輸出通道計(jì)算機(jī)主機(jī)數(shù)據(jù)輸入設(shè)備數(shù)據(jù)輸出設(shè)備

外存取器外部設(shè)備外圍設(shè)備操作控制臺(tái)軟件······工業(yè)計(jì)算機(jī)1硬件部分（1）主機(jī)（2）過(guò)程輸入輸出通道（3）

操作設(shè)備（4）常規(guī)外部設(shè)備（5）通信設(shè)備（6）系統(tǒng)支持功能圖5-1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本組成

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件包含系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩部分。系統(tǒng)軟件一般包括匯編語(yǔ)言，高級(jí)算法語(yǔ)言、過(guò)程控制語(yǔ)言以及它們的匯編、解釋、編譯程序，操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，通訊網(wǎng)絡(luò)軟件，調(diào)試程序，診斷程序等。應(yīng)用軟件是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程要求而編制的控制和管理程序。被控對(duì)象檢測(cè)儀表常規(guī)控制過(guò)程輸入通道報(bào)警顯示設(shè)備過(guò)程輸出通道計(jì)算機(jī)主機(jī)數(shù)據(jù)輸入設(shè)備數(shù)據(jù)輸出設(shè)備

外存取器外部設(shè)備外圍設(shè)備操作控制臺(tái)軟件······工業(yè)計(jì)算機(jī)2軟件部分二計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)

數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、直接數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)DDC、監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC、分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)以及集散型控制系統(tǒng)DCS等。1數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的工作主要對(duì)大量的過(guò)程狀態(tài)參數(shù)實(shí)現(xiàn)巡回檢測(cè)、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。

所謂數(shù)據(jù)采集就是由傳感器把溫度、壓力、流量、位移等物理量轉(zhuǎn)換來(lái)的模擬電信號(hào)經(jīng)過(guò)處理并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字量，輸入計(jì)算機(jī)中。2直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC（DirectDigitalControl）

直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC的構(gòu)成方框圖如圖5-4所示：

優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算機(jī)不但完全代替了模擬調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)了幾十個(gè)甚至更多的單回路PID控制（一般大于50個(gè)回路時(shí)，比較經(jīng)濟(jì)）；而且還能比較容易地實(shí)現(xiàn)其他新型控制規(guī)律的控制，如串級(jí)控制、前饋控制、自動(dòng)選擇性控制、具有大純滯后對(duì)象的控制等。缺點(diǎn)：要求工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的可靠性很高，否則會(huì)直接影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行。3監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC（SupervisoryProcessComputerControl）

是指計(jì)算機(jī)根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的信息（測(cè)量值）和其他信息（給定值等），按照描述生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，去自動(dòng)改變模擬調(diào)節(jié)器或DDC工業(yè)控制機(jī)的給定值，從而使生產(chǎn)過(guò)程處于最優(yōu)化的工況下進(jìn)行。①SCC+模擬調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)②SCC+DDC的控制系統(tǒng)①SCC+模擬調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)

優(yōu)點(diǎn)：是可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化控制，達(dá)到省料、高產(chǎn)、低消耗，而且較為安全。當(dāng)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可以由模擬調(diào)節(jié)儀表獨(dú)立完成操作。缺點(diǎn)：是仍需要常規(guī)模擬調(diào)節(jié)儀表。

②SCC+DDC的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5-6

由于DDC計(jì)算機(jī)的給定值能及時(shí)不斷得到修正，從而可以使生產(chǎn)過(guò)程接近最優(yōu)化操作條件。4分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

早期：計(jì)算機(jī)昂貴，一般采用一臺(tái)計(jì)算機(jī)集中控制。

現(xiàn)在：計(jì)算機(jī)便宜，都是采用多臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分級(jí)控制與管理。

一般分為三級(jí)：

生產(chǎn)管理級(jí)MIS(ManageIndustrySystem)

監(jiān)督控制級(jí)SCC（SupervisoryProcessComputerControl）

直接數(shù)字控制級(jí)DDC（DirectDigitalControl）

下面以四級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為例，說(shuō)明各級(jí)計(jì)算機(jī)的功能。

下圖所示的四級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，各級(jí)計(jì)算機(jī)的功能如下。

（1）裝置控制級(jí)（DDC）：

它為直接數(shù)字控制級(jí)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程或單機(jī)進(jìn)行直接數(shù)字控制或者巡回檢測(cè)，使所控制的生產(chǎn)過(guò)程在最優(yōu)工況下工作。

下圖所示的四級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，各級(jí)計(jì)算機(jī)的功能如下。

（2）車(chē)間監(jiān)督級(jí)（SCC）：

它根據(jù)廠級(jí)下達(dá)的命令和通過(guò)裝置控制級(jí)獲得的生產(chǎn)過(guò)程信息，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制的計(jì)算，給下一級(jí)的DDC級(jí)確定給定值，以及給操作人員發(fā)出指示、報(bào)警等。還協(xié)調(diào)各工段的控制任務(wù)。下圖所示的四級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，各級(jí)計(jì)算機(jī)的功能如下。

（3）廠級(jí)集中監(jiān)督級(jí)（SCC）：

它根據(jù)企業(yè)下達(dá)的任務(wù)和本廠的情況，制定生產(chǎn)計(jì)劃、安排本廠的工作、進(jìn)行人員調(diào)配及各車(chē)間的協(xié)調(diào)，并及時(shí)將SCC級(jí)和DDC級(jí)的運(yùn)行情況向上級(jí)反映。下圖所示的四級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，各級(jí)計(jì)算機(jī)的功能如下。

（4）企業(yè)管理級(jí)MIS：

用來(lái)制定長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃、生產(chǎn)計(jì)劃、銷(xiāo)售計(jì)劃，發(fā)命令至各工廠，并接受各工廠、各部門(mén)發(fā)回來(lái)的信息、實(shí)現(xiàn)全企業(yè)的總調(diào)度。5集散型控制系統(tǒng)TDCS(TotalDistributedControlSystem)

(也叫分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)）其組成原理框圖如下所示。

它是以數(shù)臺(tái)乃至數(shù)百臺(tái)的微型計(jì)算機(jī)分散地分布在各個(gè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，作為現(xiàn)場(chǎng)控制站或者基本調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的檢測(cè)與控制，代替了大量的常規(guī)模擬儀表。因此既能克服模擬儀表的功能單一性和局限性，又能避免計(jì)算機(jī)集中控制的危險(xiǎn)性。這些控制站通過(guò)高速數(shù)據(jù)通道與監(jiān)督計(jì)算機(jī)SCC通訊，通過(guò)CRT操作站實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)視和干預(yù)。這種結(jié)構(gòu)比分級(jí)分層結(jié)構(gòu)更靈活，擴(kuò)充也更方便。集散型控制系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn)：（1）硬件組裝積木化：可分為二級(jí)、三級(jí)、或四級(jí)的組裝積木結(jié)構(gòu)，可擴(kuò)可縮。（2）軟件模塊化：按需選用，減少軟件開(kāi)發(fā)工作量。（3）組態(tài)控制系統(tǒng)：流程以填表的形式按需組態(tài)，（4）應(yīng)用先進(jìn)的通信網(wǎng)絡(luò)：級(jí)與級(jí)之間由高速數(shù)據(jù)通道構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)傳輸信息。（5）具有開(kāi)放性：（6）可靠性高：

§5.3A/D與D/A轉(zhuǎn)換器

前言對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的原理、組成和分類(lèi)有了一些了解后，下面對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中兩個(gè)重要的硬件A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的作用原理和接口作些介紹。圖5-1計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)的方框圖被控變量干擾作用

y給定值計(jì)算機(jī)執(zhí)行器被控對(duì)象f測(cè)量元件與變送器yse=ys－ym

umym偏差－控制信號(hào)操縱變量D/AA/D一A/D轉(zhuǎn)換器（analogue/digital）

1作用：A/D轉(zhuǎn)換器是一種能夠在規(guī)定的精度和分辨率之內(nèi)，把檢測(cè)元件送來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比的數(shù)字信號(hào)的器件。以集成芯片的形式出現(xiàn)2類(lèi)型：（1）雙積分式A/D

雙積分式A/D的原理是將輸入的模擬量變換成與其平均值成正比的時(shí)間間隔，然后由脈沖發(fā)生器和計(jì)數(shù)器來(lái)測(cè)量時(shí)間間隔以獲得數(shù)字量。例如數(shù)字萬(wàn)用表以及便攜式甲烷報(bào)警儀均采用雙積分式A/D集成芯片。（2）計(jì)數(shù)器式A/D

這種電路的特點(diǎn)是電路比較簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，它的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度較慢，因此目前較少用。（3）逐次逼近式A/D

逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較快，轉(zhuǎn)換精度從高到低，因此是應(yīng)用最普遍的形式，在微機(jī)系統(tǒng)中用的最廣。其芯片有8位、10位、12位、14位、16位、32位等（4）快速A/D

速度可達(dá)到ns級(jí)。

快速A/D有三種，即三次積分式快速A/D；全并行比較A/D；串并行比較A/D等。二D/A轉(zhuǎn)換器（digital/analogue）

1作用

D/A轉(zhuǎn)換器是一種把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的器件。2D/A轉(zhuǎn)換器的電路：有多種類(lèi)型3D/A轉(zhuǎn)換器的芯片早期：只有從數(shù)字量到模擬電流輸出量轉(zhuǎn)換的功能，使用時(shí)必須在電路中加數(shù)字輸入鎖存器、參考電壓源、以及輸出電壓轉(zhuǎn)換電路。典型芯片有：DAC0800系列、DAC1020系列、DAC1220系列。中期：在芯片內(nèi)增加了一些與計(jì)算機(jī)接口相關(guān)的電路及引腳，有數(shù)字輸入鎖存功能電路，能與CPU數(shù)據(jù)總線直接相連。典型芯片有：DAC0330系列、DAC1208系列、DAC1230系列。近期：將一些外圍器件集成到芯片內(nèi)部。主要結(jié)構(gòu)特征是：內(nèi)部帶有參考電壓源；大多數(shù)芯片有輸出放大器，可實(shí)現(xiàn)模擬電壓的單極性或雙極性輸出；由于帶有參考電壓源輸出放大器，芯片的工作電源大多使用雙極性電源。典型芯片有：AD558系列、DAC82系列、DAC811系列、DAC708系列。三A/D、D/A接口板介紹

1概述

現(xiàn)在的A/D、D/A轉(zhuǎn)換器通過(guò)的接口板可非常方便地直接與計(jì)算機(jī)接口相連（任一總線擴(kuò)展槽中）。

例如：北京中泰的PC1613型多功能卡及PS003端子板

功能：A/D：32/16CH（單端/雙端模擬輸入通道）、0~±5V輸入、A/D轉(zhuǎn)換速率100KHz，D/A：2CH、電壓：0~5V、電流：0~10mA或4~20mAA/D轉(zhuǎn)換觸發(fā)工作方式采用軟件觸發(fā)方式，轉(zhuǎn)換結(jié)果的傳輸方式有兩種：①查詢(xún)A/D完成位然后再讀取數(shù)據(jù)，②A/D轉(zhuǎn)換完成后發(fā)中斷申請(qǐng)然后由中斷服務(wù)程序讀取數(shù)據(jù)。2工作原理

接口板的32路模擬電壓信號(hào)通過(guò)輸入輸出插座分別接到32選一的模擬輸入多路開(kāi)關(guān)上，在軟件控制下，選通某一輸入通道，將該通道模擬輸入信號(hào)送至采樣保持器，然后再通過(guò)單穩(wěn)電路啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換開(kāi)始。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完成時(shí)，板的轉(zhuǎn)換完成位寄存器被設(shè)置為“1”。用軟件查詢(xún)方式查詢(xún)D7位，當(dāng)查詢(xún)到這個(gè)狀態(tài)位為“1”時(shí)，即可將12Bit數(shù)據(jù)讀入計(jì)算機(jī)內(nèi)存中。若使用中斷方式，則在A/D轉(zhuǎn)換完成后自動(dòng)向計(jì)算機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)。在中斷服務(wù)程序控制下，將12Bit數(shù)據(jù)讀入計(jì)算機(jī)內(nèi)存。四A/D選擇原則

1采樣頻率采樣頻率是等間隔采樣間隔時(shí)間T的倒數(shù)。一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)，采樣頻率一般A/D轉(zhuǎn)換器的參數(shù)而定。一般情況下，測(cè)試的對(duì)象如果是動(dòng)態(tài)參數(shù)，則采樣頻率選擇盡可能地高；測(cè)試的對(duì)象如果是靜態(tài)參數(shù)，則采樣頻率選擇可以低一點(diǎn)。在實(shí)際使用中，要具體問(wèn)題具體分析。2分辨率分辨率是A/D轉(zhuǎn)換器的重要參數(shù)，它的高低直接關(guān)系到A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度乃至整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的精度。3采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行時(shí)域分析時(shí)，采樣點(diǎn)數(shù)盡可能多一些，采樣點(diǎn)數(shù)越多信號(hào)越容易復(fù)原。進(jìn)行頻域分析時(shí)，為了加速傅立葉變換（FFT）計(jì)算的方便，采樣點(diǎn)數(shù)一般取2的冪數(shù)，如：32、64、128、256、512、1024等。有許多信號(hào)處理設(shè)備固定取為1024點(diǎn)。4觸發(fā)方式選擇觸發(fā)信號(hào)是啟動(dòng)A/D開(kāi)始采樣的信號(hào)。觸發(fā)方式選擇即選擇不同形式的觸發(fā)信號(hào)。5性能價(jià)格比的要求A/D轉(zhuǎn)換器必須考慮到性能價(jià)格比。一定要根據(jù)使用的場(chǎng)合、使用的環(huán)境等條件，只要能滿足技術(shù)要求即可，而不要僅片面追求性能的高指標(biāo)。五D/A選擇原則

1D/A芯片的主要性能指標(biāo)的考慮

D/A的主要性能指標(biāo)有：在給定工作條件下的靜態(tài)指標(biāo)，包括各項(xiàng)精度指標(biāo)、動(dòng)態(tài)指標(biāo)、環(huán)境指標(biāo)等。用戶(hù)在選擇時(shí)主要考慮的是以位數(shù)表現(xiàn)的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換時(shí)間。2D/A芯片主要結(jié)構(gòu)特性和應(yīng)用特性的選擇

D/A芯片這些特性雖然主要表現(xiàn)為芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的配置狀況，但這些配置狀態(tài)對(duì)D/A轉(zhuǎn)換接口電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的影響。主要考慮的問(wèn)題如下：①數(shù)字輸入特性②數(shù)字輸出特性③鎖存特性及轉(zhuǎn)換控制§5.4直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DCC）

一DDC系統(tǒng)概述在DDC系統(tǒng)中，微型計(jì)算機(jī)直接參與了閉環(huán)控制過(guò)程。它的操作功能包括：從被控對(duì)象中獲取各種信息，執(zhí)行能夠反映控制規(guī)律的控制算法，把計(jì)算結(jié)果以一定的形式送到執(zhí)行器和顯示報(bào)警裝置，實(shí)現(xiàn)操作人員-控制臺(tái)-微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的聯(lián)系等。

1DDC系統(tǒng)的控制過(guò)程①由檢測(cè)元件（一次儀表）對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)；②由濾波器對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波，克服現(xiàn)場(chǎng)線路帶來(lái)的電、磁干擾。③由采樣/保持器把信號(hào)按順序周期地送給數(shù)據(jù)放大器；④由A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送給計(jì)算機(jī)；⑤計(jì)算機(jī)按事先編好PID控制規(guī)律程序?qū)z測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算；并把運(yùn)算結(jié)果送給步進(jìn)控制器（即電機(jī)式的D/A轉(zhuǎn)換器）；⑥由步進(jìn)控制器把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)后送給現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器；注：采樣器與步進(jìn)器是同步的，DDC是利用計(jì)算機(jī)的分時(shí)處理能力對(duì)多個(gè)回路完成多種控制的一種計(jì)算機(jī)控制方式2DDC系統(tǒng)的控制過(guò)程與模擬調(diào)節(jié)過(guò)程的比較3DDC的功能

它的功能都可歸結(jié)到各種各樣的控制程序所組成的應(yīng)用軟件里：如直接控制程序、數(shù)據(jù)處理程序、控制模型程序、報(bào)警程序、操作指導(dǎo)程序、數(shù)據(jù)記錄程序、人機(jī)聯(lián)系程序等。如圖5-12所示：DDC系統(tǒng)應(yīng)用4DDC的使用場(chǎng)合●過(guò)程回路很多的大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程；●被控參數(shù)需要進(jìn)行一些計(jì)算的生產(chǎn)過(guò)程；●各參數(shù)間相互關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)過(guò)程；●原料、產(chǎn)品和產(chǎn)量經(jīng)常變更的生產(chǎn)過(guò)程；●具有較大滯后時(shí)間的工業(yè)對(duì)象。二DDC的基本算法——離散的PID算式

DDC系統(tǒng)所采用的控制規(guī)律與常規(guī)模擬儀表控制所采用的PID規(guī)律基本相同，但是由于計(jì)算機(jī)控制是斷續(xù)的數(shù)字控制，而模擬表控制是連續(xù)控制，所以必須對(duì)連續(xù)控制的PID控制規(guī)律算式進(jìn)行離散，使之適合計(jì)算機(jī)的數(shù)字控制。

1位置算式

模擬式控制器的PID算式：

離散的PID算式：（位置算式）

因?yàn)槊總€(gè)采樣間隔由上式計(jì)算得到的值相應(yīng)于控制閥的實(shí)際位置，所以稱(chēng)為位置算式。

位置算式的缺點(diǎn)：當(dāng)偏差一時(shí)不能被消除時(shí)，s（k－1）的值會(huì)越來(lái)越大，引起積分飽和（即控制器的輸出與閥的位置不再對(duì)應(yīng)），所以在DDC系統(tǒng)中采用位置算式時(shí)，必須采取防積分飽和措施。2增量算式

四DDC的PID算法中參數(shù)的整定

在DDC中關(guān)于PID控制器的KP、TI、TD的工程整定與常規(guī)儀表基本相同：但在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，可利用計(jì)算機(jī)的判斷、運(yùn)算功能、根據(jù)對(duì)象的要求對(duì)KP、TI、TD參數(shù)加以適當(dāng)?shù)母淖?，以提高控制質(zhì)量。比如，采用下面幾種形式就能實(shí)現(xiàn)此要求。1對(duì)某些控制回路根據(jù)負(fù)荷不同采用幾組不同的KP、TI、TD參數(shù)，以改善控制質(zhì)量。2時(shí)序控制，按照一定的時(shí)間順序采用不同的給定值和KP、TI、TD參數(shù)。3人工模型，模擬現(xiàn)場(chǎng)操作工人的方法，把操作經(jīng)驗(yàn)編成程序，然后由機(jī)器來(lái)自動(dòng)改變給定值或KP、TI、TD參數(shù)。五采樣周期的選擇

在推導(dǎo)數(shù)字PID控制算法時(shí)，要求采樣周期T充分小。采樣周期越小，數(shù)字模擬越精確，控制效果就越接近連續(xù)控制。但采樣周期的選擇是受到多方面因素影響的。

1從對(duì)控制質(zhì)量的要求來(lái)看，應(yīng)將采樣周期取得小一些。

2從被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性來(lái)看，如果對(duì)象的反應(yīng)速度快，要選擇較短的采樣周期；如果對(duì)象的反應(yīng)速度慢，則可以選用較長(zhǎng)的采樣周期。

3在工業(yè)過(guò)程控制中，大量被控對(duì)象都具有低通特性。如圖5-22(1)單容過(guò)程T≤0.1Tg；（2）振蕩過(guò)程T≤0.1Te；（3）滯后過(guò)程T≤0.25τ

4從執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求來(lái)看，要求計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)應(yīng)保持一定的時(shí)間寬度。

5從抗干擾的要求來(lái)看，希望采樣周期短些。對(duì)于變化速度不太快的干擾，采用短的采樣周期可以使控制器盡快作出反應(yīng)，使之迅速得到校正并使其產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)偏差較?。粚?duì)于變化較快的干擾，如果采樣周期選大了，干擾就有可能得不到及時(shí)的控制和抑制。6從計(jì)算機(jī)的工作量和每個(gè)控制回路的成本來(lái)看，一般要求采樣周期盡