過控技術(shù)第五章

第五章計算機控制系統(tǒng)§5-1概述一、計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)構(gòu)成二、計算機控制系統(tǒng)的控制步驟

1.實時數(shù)據(jù)采樣：測量被控量的當(dāng)前值，轉(zhuǎn)換成離散數(shù)字化信號；

2.實時判斷：判斷被控量當(dāng)前值與給定值的偏差e；

3.實時控制：根據(jù)偏差e，作出控制決策，即按照預(yù)定的算法對偏差進行運算，向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號；控制信號包括：

a.經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換輸出模擬控制信號；

b.開關(guān)量輸出：報警、限位＼延時等特定操作；

c.數(shù)字量輸出。三、計算機控制系統(tǒng)的特點

1.用分時操作實現(xiàn)對多個被控對象、多個回路的控制；

2.操作由計算機程序完成，擴充修改方便，硬件改動少；

3.在模擬控制系統(tǒng)中很多由硬件難以完成的功能，可以方便地由軟件完成。如：大時間常數(shù)的濾波，線性補償、系統(tǒng)的誤差補償。§5-2計算機控制系統(tǒng)的組成及分類一、計算機控制系統(tǒng)的組成

1.硬件部分①主機②過程輸入輸出通道③操作設(shè)備④外部設(shè)備⑤通訊設(shè)備⑥系統(tǒng)支持功能監(jiān)控定時器、掉電保護、后備存儲器、實時日歷、總線匹配等2.軟件部分

①系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)軟件、調(diào)試程序及診斷程序等。②應(yīng)用軟件：系統(tǒng)設(shè)計人員針對生產(chǎn)過程要求而編制的控制和管理程序。包括：過程輸入程序、過程控制程序、過程輸出程序、打印顯示程序、人機接口程序等。

二、計算機控制系統(tǒng)的分類1.數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

①數(shù)據(jù)采集：由傳感器把溫度、壓力、流量、位移等物理量轉(zhuǎn)換來的模擬電信號經(jīng)過處理并轉(zhuǎn)換成計算機能識別的數(shù)字量，輸入并存貯到計算機中。②數(shù)據(jù)處理：計算機將采集來的數(shù)字量進行進行實時數(shù)據(jù)分析，得出所需要的結(jié)果。

計算機不直接參與過程控制，屬于計算機應(yīng)用于過程控制的低級階段。

2.DDC直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DirectDigitalControl)①分時地對被控對象的狀態(tài)參數(shù)進行測試；②將測試的結(jié)果與給定值比較得到偏差e，按預(yù)定的控制算法進行數(shù)字分析、運算；③將控制量直接輸出到調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機構(gòu)上，使各個被控參數(shù)保持在給定值上，實現(xiàn)對被控對象的閉環(huán)自動調(diào)節(jié)。

DDC系統(tǒng)的特點：①用計算機代替模擬調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)了幾個至更多的控制回路(一般大于50個回路時，比較經(jīng)濟)；②實現(xiàn)新型控制規(guī)律的運用，如串級控制、前饋控制、自動選擇性控制、具有大純滯后對象的控制等；③將顯示、記錄、報警和給定值設(shè)定等功能都集中在操作控制臺上，給操作人員帶來了很大方便；④只要改變程序即可實現(xiàn)控制規(guī)律轉(zhuǎn)換；⑤要求工業(yè)控制計算機的可靠性高。

3.監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC(SupervisoryProcessComputerControl)

由一臺高檔的微型計算機SCC與若干臺DDC系統(tǒng)構(gòu)成對生產(chǎn)過程的直接控制。

SCC和DDC計算機之間可以進行雙向數(shù)據(jù)傳送。

SCC計算機根據(jù)原始工藝信息和工業(yè)過程現(xiàn)行狀態(tài)參數(shù)，按照生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型進行最優(yōu)化的分析計算，并將其算出的最優(yōu)化操作條件去重新設(shè)定DDC計算機的給定值；然后再由DDC系統(tǒng)對生產(chǎn)過程進行控制。

4.分級計算機控制系統(tǒng)5.集散型控制系統(tǒng)三、計算機測試系統(tǒng)1.計算機在測試技術(shù)中的作用

(1)擴展了測量參數(shù)的數(shù)目，提高了測量的準(zhǔn)確度；

(2)革新了檢測方法，使過去不能進行的某些測量，現(xiàn)在能夠進行了；

(3)簡化了儀表，實現(xiàn)了集中控制；

(4)具有數(shù)據(jù)處理功能，以及專家推斷、分析與決策功能。2.計算機模擬信號測試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)（1）單通道數(shù)據(jù)采集只有一個被采集的模擬信號。（2）多通道數(shù)據(jù)采集①多路A／D轉(zhuǎn)換方式②多路共享A／D轉(zhuǎn)換方式③多路開關(guān)轉(zhuǎn)換方式3．?dāng)?shù)據(jù)采集（1）采樣定理

①信號的采樣將一個連續(xù)時間函數(shù)e(t)用時間離散的連續(xù)函數(shù)e*(t)來表示。把時間上連續(xù)的模擬信號，轉(zhuǎn)變?yōu)闀r間上離散的信號。這一過程稱為信號的采樣。

采樣周期T：兩次采樣之間的時間間隔。一個帶寬為(0--fm)的信號e(t)，用間隔時間為：T≤1/2fm的若干個采樣值來代表。

若用采樣值表示原來的信號e(t)，只要將采樣值通過一個截止頻率為fm低通濾波器即可還原e(t)。

采樣周期T越小，越接近連續(xù)系統(tǒng)，采樣精度越高。但這將加重計算機的負擔(dān)，因此合理選擇采樣周期顯得非常重要。

?。孩谛盘柋３郑涸诓蓸訒r信號應(yīng)保持幅值不變，直到變換完成。（2）采樣／保持電路

在微機測試系統(tǒng)中，由于A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換過程需要一定的時間，在A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換過程中必須保持參數(shù)值不變，完成上述功能的電路稱：采樣／保持(Sample／Hold)電路。

A1----輸入輸出緩沖運算放大器A2----邏輯輸入控制的開關(guān)電路。

在采樣期間，開關(guān)S是閉合的。輸入信號Ui經(jīng)高增益的放大器A1輸出，向電容C充電。

在保持期間，開關(guān)S斷開，由于A2運算放大器輸入阻抗很高，在理想情況下，電容C上的電壓將保持充電時的最終值。

4.數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器

功能：將輸入D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。

方法：利用譯碼電路控制D/A內(nèi)部的電阻網(wǎng)絡(luò)開關(guān)，輸出與數(shù)字量D呈比例的模擬電壓VA。VA數(shù)字量D與模擬量VA的關(guān)系：式中：開關(guān)：向左：向右：

電路中的電阻值與二進制數(shù)碼每位的權(quán)有關(guān)，稱權(quán)電阻電路。二進制數(shù)碼控制的開與關(guān)，該路電阻與基準(zhǔn)電壓接通；該路電阻與地接通。

在轉(zhuǎn)換器的輸出端由運算放大器把各個支路產(chǎn)生的電流線性疊加且轉(zhuǎn)換為電壓輸出。5.逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器

工作原理

組成：N位寄存器、N位D／A轉(zhuǎn)換器、比較器以及控制邏輯。

在比較器中與被轉(zhuǎn)換的模擬量Vx進行比較：若Vx≥Vc：則DN=1；若Vx<Vc：則DN=0；再對DN—1位進行比較，使DN—1=1，與上一位DN一起進入D／A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后再進入比較器，再與Vx比較，如此一位一位地繼續(xù)下去，直到最后了位D0比較完畢為止。

N位寄存器的數(shù)字量即為Vx所對應(yīng)的數(shù)字量。

由控制器使寄存器DN=1，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換成模擬量Vc（滿量程一半）送到比較器。

這種比較方法類似于對分搜索。一個N位A／D轉(zhuǎn)換器只需比較N次，由此可見，逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器速度比較快，因而得到了廣泛的應(yīng)用。目前，很多集成電路A／D轉(zhuǎn)換器，大都是采用這種原理。如：

8位的ADC0804、ADC0809；

10位的AD7570；

12位的AD574。6.A／D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)

(1)分辨率：分辨度是A／D轉(zhuǎn)換器對微小輸入量變化的敏感程度。對于一個N位的A／D轉(zhuǎn)換器，其分辨度為

分辨度

滿刻度值實際上分辨度就等于1LSB。

(2)轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換率

A／D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間叫轉(zhuǎn)換時間。AD574轉(zhuǎn)換時間15μs

四.脈沖信號的采集

脈沖頻率與周期；脈沖個數(shù)的檢測；脈沖寬度的檢測。脈沖頻率檢測電路：信號頻率：脈沖寬度檢測（測周法）：五．計算機測試系統(tǒng)的設(shè)計

1．設(shè)計任務(wù)（1）主機選型對于以測試(或控制)為主要任務(wù)的工程設(shè)計，一般選擇現(xiàn)有合適的微機產(chǎn)品。

（2）輸入通道結(jié)構(gòu)按照測試參數(shù)的多少，采樣頻率的高低等來選擇輸入通道的數(shù)量。（3）輸出通道結(jié)構(gòu)根據(jù)測試系統(tǒng)的功能要求，確定是否需要打印機打印數(shù)據(jù)，是否需要繪圖儀繪制動態(tài)參數(shù)圖形，是否需要各種形式的超限報警設(shè)施等。2．輸人通道電路的設(shè)計分析

（1）傳感器選型在計算機測試系統(tǒng)中，傳感器是影響系統(tǒng)性能的主要因素之一。根據(jù)測試的參數(shù)是壓力、溫度，選擇對應(yīng)的溫度、壓力傳感器。對于間接測量，首先要找出直接測量參數(shù)，然后根據(jù)參數(shù)選擇合適的傳感器。（2）A／D轉(zhuǎn)換器的選擇：按被測參數(shù)的精度，計算A／D的分辨率。例：分配到A／D轉(zhuǎn)換器的允許誤差為0．1％，以此作為量化誤差，則A／D的數(shù)字量位數(shù)應(yīng)滿足關(guān)系式：取n=10時：

A／D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓：

按單極性設(shè)計，選為：0—10V；按雙極性設(shè)計，選為：-5—+5V。（3）轉(zhuǎn)換數(shù)碼與模擬電壓值的對應(yīng)關(guān)系：單極性0—10V：雙極性-5—+5V：V—模擬電壓值；N—轉(zhuǎn)換數(shù)碼；A—滿量程電壓；n—轉(zhuǎn)換器位數(shù)?！?-2測試軟件設(shè)計

一、基本功能：

1.對輸入／輸出通道的控制管理功能；

2.測試數(shù)據(jù)的處理功能；

3.系統(tǒng)本身自檢測和自診斷功能；

4.軟件開發(fā)和調(diào)試修改用的系統(tǒng)監(jiān)控操作功能等。二、數(shù)字濾波程序的設(shè)計

a.硬件濾波：在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，由于被控對象的環(huán)境比較惡劣，干擾源比較多，在模擬系統(tǒng)中為了消除干擾，常常采用RC濾波電路。

b.軟件濾波：由微型機組成的自動檢測系統(tǒng)中，為了減少對采樣值的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性，采用數(shù)字濾波的方法（程序濾波）。

數(shù)字濾波是通過一定的計算程序?qū)Σ蓸有盘栠M行平滑加工，提高其有用信號，消除或減少各種干擾和噪音，以保證計算機系統(tǒng)的可靠性．優(yōu)點：（1）不需增加任何硬設(shè)備，只要在程序進入數(shù)據(jù)處理和控制算法之前，附加一段數(shù)字濾波即可。（2）由于數(shù)字濾波器不需增加硬設(shè)備，所以系統(tǒng)可靠性高，不存在阻抗匹配問題。（3）模擬濾波滯是每個通道都有，而數(shù)字濾波器則可以多個通道共用，降低成本。

（4）可對頻率很低的信號進行濾波，而模擬濾波器由于受電容容量的影響，頻率不能太低。（5）使用靈活，方便，可根據(jù)需要選擇不同的濾波方法，或改變?yōu)V波器的參數(shù)。數(shù)字濾波具有上述優(yōu)點，在計算機測試與控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

1.程序判斷濾波

當(dāng)采樣信號由于隨機干擾和誤檢測或者變送器不穩(wěn)定而引起嚴(yán)重失真時，可采用程序判斷濾波。方法:

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，確定兩次采樣輸入信號可能出現(xiàn)的最大偏差ΔY，若超過此偏差值，則表明該輸入信號是干擾信號，應(yīng)該去掉；若小于此偏差值，可將信號做為本次采樣值。式中，Y（k）---第k次采樣值；

y(k一1)---第k-1次采樣值；

ΔY---兩次采樣值所允許的最大扁差。取本次采樣值取上次采樣值程序判斷濾波應(yīng)用場合：

用于變化比較緩慢的參數(shù)，如溫度、物位等測量系統(tǒng)。

程序判斷濾波關(guān)鍵問題：最大允許誤差ΔY的選取。

ΔY太大，各種干擾信號將“乘機而入”使系統(tǒng)誤差增大；

ΔY太小，將會使某些有用信號也被拒之門外，使計算機采樣效率變低。

門限值ΔY的選取是非常重要的。通?？筛鶕?jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)獲得，必要時可由實驗得出。2.中值濾波程序

對被測參數(shù)連續(xù)采樣n次(n取奇數(shù))，然后把n次的采樣從小到大(或從大到小)排隊，取中間值作為本次采樣值。

特點：中值濾波程序?qū)τ谌サ裘}沖性質(zhì)的干擾比較有效，但對快速變化過程的參數(shù)(如流量)則不宜采用。改變循環(huán)次數(shù)n，則可推廣到對任意采樣值進行中值濾波，n值越大濾波效果越好?？偟牟蓸涌刂茣r間將增長，所以n值不不能太大(—般取5～9即可)。

3.算術(shù)平均濾波程序把N個采樣區(qū)相加，然后取其算術(shù)平均作為本次采樣值，即：

式中：----第k次N個采樣值的算術(shù)平均值；

----第i次采樣值，

N----采樣次數(shù)．

特點：算術(shù)平均濾波程序主要用于對壓力、流量等周期脈動的采樣值進行平滑加工。平均次數(shù)N，取決于平滑度和靈敏度．隨著N值的增大，平滑度提高，靈敏度降低．通常流量取12次，壓力取4次。溫度如無噪聲可不平均。4.五點三次平滑（1）（2）（3）（4）（5）

在多個采樣值中：

前2個平滑數(shù)分別用式（1）和式（2）；

最后2個平滑數(shù)分別用式（4）和式（5）；

其余均采用式（3）（1）（2）（3）（4）（5）三、標(biāo)度變換對線性儀表系統(tǒng)，標(biāo)度變換公式為：

式中：---測量儀表的下限值；

---測量儀表的上限；

---實際測量值(工程量)；

---儀表下限所對應(yīng)的數(shù)字量：

---儀表上限所對應(yīng)的數(shù)字量：

---測量值所對應(yīng)的數(shù)字量。式中：Ao，Am，N。，Nm對于某—個固定的被測參數(shù)來說是常數(shù)，為了使程序簡單，把被測參數(shù)的起點Ao(輸入信號為0)所對應(yīng)的A／D轉(zhuǎn)換器值定為0，即N。=0，則：例：壓力測量。已知：壓力傳感器輸入0-1.6MPa，

輸出2-10V，12位AD轉(zhuǎn)換器輸入范圍0-10V。求：AD轉(zhuǎn)換器輸出值為3600時，對應(yīng)的壓力

解：12位AD轉(zhuǎn)換器輸入范圍0-10V，輸出：0-4095；輸入2V電壓時，AD值為：819。

§5-3直接數(shù)字控制系統(tǒng)一、概述1.DDC系統(tǒng)：計算機直接參與閉環(huán)控制過程。2.操作功能：⑴從被控對象中獲取各種信息；⑵執(zhí)行能夠反映控制規(guī)律的控制算法，把計算結(jié)果以一定形式送到執(zhí)行器和(或)顯示報警裝置；⑶實現(xiàn)操作人員—控制臺—微型計算機系統(tǒng)之間的聯(lián)系等。DDC系統(tǒng)特有的功能：“執(zhí)行能夠反映控制規(guī)律的控制算法”和“把計算結(jié)果以一定形式送到執(zhí)行器”。3.核心功能：控制規(guī)律是反映計算機控制系統(tǒng)性能的核心。⑴執(zhí)行控制算法，以實現(xiàn)控制規(guī)律。⑵直接對幾十以至幾百個控制回路進行自動巡回檢測和數(shù)字控制。DDC是利用計算機的分時處理能力對多個回路完成多種控制的一種計算機控制方式。4.模擬調(diào)節(jié)與DDC控制的比較5.DDC系統(tǒng)具備的功能⑴直接控制程序;⑵數(shù)據(jù)處理程序;⑶控制模型程序;⑷報警程序;⑸操作指導(dǎo)程序;⑹數(shù)據(jù)記錄程序;⑺人機聯(lián)系程序等。6.DDC系統(tǒng)應(yīng)用場合ⅰ.過程回路很多的大規(guī)模生產(chǎn)過程；ⅱ.被控參數(shù)需要進行一些計算的生產(chǎn)過程；ⅲ.各參數(shù)間相互關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)過程；ⅳ.原料、產(chǎn)品和產(chǎn)量經(jīng)常變更的生產(chǎn)過程；ⅴ.具有較大滯后時間的工業(yè)對象。二、DDC基本算法DDC的基本算法：將控制模型數(shù)字化，通過計算機數(shù)字運算來實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。

PID調(diào)節(jié)器在模擬控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)最成熟，參數(shù)選擇與調(diào)整都在長期的應(yīng)用中積累了豐富的經(jīng)驗，且這些經(jīng)驗和方法為廣大工程技術(shù)人員所熟悉。

基本的DDC算法：利用數(shù)字PID調(diào)節(jié)器取代模擬調(diào)節(jié)器，編制PID算法的程序。即：PID調(diào)節(jié)規(guī)律的數(shù)字化。

實踐證明：數(shù)字化PID能取得近似于PID模擬調(diào)節(jié)器的控制效果，而且在很多方面具有突出的優(yōu)勢：

i．可用一臺微型計算機控制幾十個回路，大量節(jié)省設(shè)備和費用，提高了系統(tǒng)的可靠性；

ⅱ.不僅用軟件代替了物理的PID調(diào)節(jié)器，而且由于編程靈活，可以很方便地對PID規(guī)律進行各種改進，衍生多種形式的PID算法，如帶死區(qū)的PID、帶自動比率的PID等。PID參數(shù)的調(diào)整也只要改變程序的數(shù)據(jù)，十分方便。1.模擬PID控制

在連續(xù)控制系統(tǒng)中，PID控制器的輸出u(t)與輸入e(t)之間成比例、積分、微分的關(guān)系。即式中：e(t)=r(t)-y(t)，設(shè)定值r(t)與測量值y(t)的偏差。

Kp為比例增益，TI為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)。式中：u(t)

—模擬調(diào)節(jié)器輸出；e(t)

—控制偏差；Kp—比例系數(shù)；TI—積分時間常數(shù)；TD—微分時間常數(shù)。上式可寫成傳遞函數(shù)形式：在DDC系統(tǒng)中，用數(shù)字運算實現(xiàn)PID的調(diào)節(jié)規(guī)律。PID基本算法理想PID實際PID比例積分運算相同，微分項不同2.數(shù)字PID控制

位置式增量式速度式位置式增量式⑴位置式理想PID算法：計算機控制是采樣控制，要根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量式中的積分和微分不能直接使用，需要進行離散化處理。即用數(shù)值計算方法逼近，用差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時：

積分項—用求和方式表示；微分項—用增量式表示。式中：T—采樣周期，e(k)—第k次采樣時刻輸入的偏差值；e(k-1)—第(k-1)次采樣時刻輸入的偏差值；k—采樣時刻序號，k=0,1,2…。求和方式增量方式為方便將e(t)簡化表示為e(k)，得到離散后的數(shù)字PID算法：將：代入：式中：KP—比例系數(shù)；TI—積分時間常數(shù)；TD—微分時間常數(shù)；T—采樣周期；k—采樣序號，k=0,1,2,…；u(k)—第k次采樣時刻的計算機輸出值；e(k)—第k次采樣時刻輸入的偏差值；e(k-1)—第(k-1)次采樣時刻輸入的偏差值?？刂破鬏敵鲋祏(k)直接控制執(zhí)行機構(gòu)(如閥門)，u(k)與執(zhí)行機構(gòu)的位置(如閥門開度)將一一對應(yīng)，稱位置式PID控制算法。缺點：①由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對e(k)進行累加，計算機運算的工作量大。②計算機的輸出與執(zhí)行機構(gòu)的實際位置相對應(yīng)，若計算機出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化，會引起執(zhí)行機構(gòu)的位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實踐中不允許的，在某些場合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故。⑵理想增量式PID算法

當(dāng)數(shù)字PID的輸出值u(t)是執(zhí)行器位置的增量時，稱增量式PID算法。

增量式數(shù)字PID的輸出增量是前后2次采樣所對應(yīng)的輸出差值：，將得：兩式相減得：代入若：—積分系數(shù)—微分系數(shù)，得：

以上兩式稱：理想增量式