DCS第1章課件

1、第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述知識(shí)點(diǎn)：掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成原理了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用類型掌握集散控制系統(tǒng)的基本組成掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)處理原理 掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的輸入、輸出通道的組成掌握理想PID控制算法學(xué)習(xí)目標(biāo)第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述技能點(diǎn)：利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)裝置，培養(yǎng)以下技能熟練掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成方法 了解模擬信號(hào)、開(kāi)關(guān)信號(hào)的處理方法 理解和掌握理想PID控制算法 學(xué)習(xí)目標(biāo)第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制

2、系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為核心部件的自動(dòng)控制系統(tǒng)。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集與處理、順序控制與數(shù)值控制、直接數(shù)字控制與監(jiān)督控制、最優(yōu)控制與自適應(yīng)控制、生產(chǎn)管理與經(jīng)營(yíng)調(diào)度等任務(wù)。它已取代常規(guī)的模擬檢測(cè)、控制、顯示、記錄等儀器設(shè)備和大部分操作管理的職能。并具有較高級(jí)的計(jì)算方法和處理方法，使生產(chǎn)過(guò)程按規(guī)定方式和技術(shù)要求運(yùn)行，以完成各種過(guò)程控制、操作管理等任務(wù)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，并深入各行業(yè)的許多領(lǐng)域。本章主要介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件組成以及工業(yè)控制中的應(yīng)用類型，討論了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)處理方式以及PID控制算法等。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算

3、機(jī)控制系統(tǒng)概述1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成1.1.1基本概念計(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(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)過(guò)程自動(dòng)控制的系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于工業(yè)控制機(jī)的輸入和輸出是數(shù)字信號(hào)，而現(xiàn)場(chǎng)采集到的信號(hào)或送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)大部分是模擬信號(hào)，因此，與常規(guī)的按偏差控制的閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)相比，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)需要有模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器和數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器這兩個(gè)環(huán)節(jié)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1.1所示。 第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述根據(jù)要求按偏差進(jìn)行運(yùn)算，所得數(shù)字量輸出信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)

4、行控制，使被控變量穩(wěn)定在設(shè)定值上。這種系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理可歸納為以下三個(gè)步驟：(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集 對(duì)測(cè)量變送裝置輸出的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行處理。(2)實(shí)時(shí)控制決策 對(duì)被控變量的測(cè)量值進(jìn)行分析、運(yùn)算和處理，并按預(yù)定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算。(3)實(shí)時(shí)控制輸出 實(shí)時(shí)地輸出運(yùn)算后的控制信號(hào)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成控制任務(wù)。上述過(guò)程不斷重復(fù)，使被控變量穩(wěn)定在設(shè)定值上。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述所謂實(shí)時(shí)，是指信號(hào)的輸入、計(jì)算和輸出都在一定的時(shí)間范圍內(nèi)完成，也就是說(shuō)計(jì)算機(jī)對(duì)輸入的信息，以足夠快的速度進(jìn)行控制，超出了這個(gè)時(shí)間，就失去了控制的時(shí)機(jī)，控

5、制也就失去了意義。實(shí)時(shí)的概念不能脫離具體過(guò)程，一個(gè)在線的系統(tǒng)不一定是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，但一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)過(guò)程和計(jì)算機(jī)直接連接，并受計(jì)算機(jī)控制的方式稱為在線方式或聯(lián)機(jī)方式；生產(chǎn)過(guò)程不和計(jì)算機(jī)相連，且不受計(jì)算機(jī)控制，而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式稱為離線方式或脫機(jī)方式。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.1.2硬件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由工業(yè)控制機(jī)和生產(chǎn)過(guò)程兩大部分組成。工業(yè)控制機(jī)是指按生產(chǎn)過(guò)程控制的特點(diǎn)和要求而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)（一般是微機(jī)或單片機(jī)），它包括硬件和軟件兩部分。生產(chǎn)過(guò)程包括被控對(duì)象，測(cè)量變送、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣開(kāi)關(guān)等裝置。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

6、的組成如圖1.2所示。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述圖1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述工業(yè)控制機(jī)硬件：硬件是指計(jì)算機(jī)本身及外圍設(shè)備。硬件包括計(jì)算機(jī)、過(guò)程輸入、輸出接口、人機(jī)接口、外部存儲(chǔ)器等。計(jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心，其核心部件是CPU。CPU通過(guò)人機(jī)接口和過(guò)程輸入輸出接口，接收入的指令和工業(yè)對(duì)象的信息，向系統(tǒng)各部分發(fā)送命令和數(shù)據(jù)，完成巡回檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、控制計(jì)算、邏輯判斷等工作。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述過(guò)程輸入接口將從被控對(duì)象采集的模擬量或數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠接收的數(shù)字量，過(guò)程輸出

7、接口把計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果轉(zhuǎn)換成可以對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的信號(hào)。人機(jī)接口包括顯示操作臺(tái)、屏幕顯示器(CRT)或數(shù)碼顯示器、鍵盤(pán)、打印機(jī)、記錄儀等，它們是操作人員和計(jì)算機(jī)進(jìn)行聯(lián)系的工具。外部存儲(chǔ)器包括磁盤(pán)、光盤(pán)、磁帶，主要用于存儲(chǔ)大量的程序和數(shù)據(jù)。它是內(nèi)存儲(chǔ)容量的擴(kuò)充，可根據(jù)要求決定外部存儲(chǔ)器的選用。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.1.3 軟件系統(tǒng)軟件是指能完成各種功能的計(jì)算機(jī)程序的總和，通常包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件一般由計(jì)算機(jī)廠家提供，是專門(mén)用來(lái)使用和管理計(jì)算機(jī)的程序，包括操作系統(tǒng)、監(jiān)控管理程序、語(yǔ)言處理程序和故障診斷程序等。應(yīng)用軟件是用戶根據(jù)要解決的實(shí)際問(wèn)題而編寫(xiě)的

8、各種程序。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，每個(gè)被控對(duì)象或控制任務(wù)都有相應(yīng)的控制程序，以滿足相應(yīng)的控制要求。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用類型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)種類繁多，命名方法也各有不同。根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)、控制功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要可分為六種類型：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)、分級(jí)控制系統(tǒng)、集散型控制系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)只承擔(dān)數(shù)據(jù)的采集和處理工作，而不直接參與控制。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程各種工藝變量進(jìn)行巡回檢測(cè)、處理、記錄以及變量

9、的超限報(bào)警，同時(shí)對(duì)這些變量進(jìn)行累計(jì)分析和實(shí)時(shí)分析，得出各種趨勢(shì)分析，為操作人員提供參考，如圖1.3所示。 第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.2.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制（Direct Digital Control，DDC）系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1.4所示。計(jì)算機(jī)通過(guò)過(guò)程輸入通道對(duì)控制對(duì)象的變量作巡回檢測(cè)，根據(jù)測(cè)得的變量，按照一定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算機(jī)運(yùn)算的結(jié)果經(jīng)過(guò)過(guò)程輸出通道，作用到控制對(duì)象，使被控變量符合要求的性能指標(biāo)。DDC系統(tǒng)屬于計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中最普遍的一種應(yīng)用方式。 第第1 1章章 計(jì)

10、算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述直接數(shù)字控制系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)所不同的是，在模擬系統(tǒng)中，信號(hào)的傳送不需要數(shù)字化，而數(shù)字系統(tǒng)中由于采用了計(jì)算機(jī)，在信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)之前必須經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)才能被計(jì)算機(jī)接收，計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)必須經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后才能驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。另外，由于是用程序進(jìn)行控制運(yùn)算，其控制方式比常規(guī)控制系統(tǒng)靈活且又經(jīng)濟(jì)。采用計(jì)算機(jī)代替模擬儀表控制，只要改變程序就可以對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制，因此計(jì)算機(jī)可以控制幾百個(gè)回路，并可以對(duì)上下限進(jìn)行監(jiān)視和報(bào)警。此外，因?yàn)橛?jì)算機(jī)有較強(qiáng)的計(jì)算能力，所以控制方法的改變很方便，只要改變程序就可以實(shí)現(xiàn)。

11、就一般的模擬控制而言，要改變控制方法，必須改變硬件，這不是輕而易舉的事。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述由于DDC系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)直接承擔(dān)控制任務(wù)，所以要求實(shí)時(shí)性好、可靠性高和適應(yīng)性強(qiáng)。為了充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的利用率，一臺(tái)計(jì)算機(jī)通常要控制多個(gè)回路，那就要求合理地設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件，使之不失時(shí)機(jī)地完成所有功能。工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，干擾頻繁，直接威脅著計(jì)算機(jī)的可靠運(yùn)行。因此，必須采取抗干擾措施。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.2.3計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制(Supervisory Computer Con

12、trol，SCC)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱SCC系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖l.5所示。SCC系統(tǒng)是一種兩級(jí)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其中DDC級(jí)微機(jī)完成生產(chǎn)過(guò)程的直接數(shù)字控制；SCC級(jí)微機(jī)則根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的工況和已定的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行優(yōu)化分析計(jì)算，產(chǎn)生最優(yōu)化設(shè)定值，送給DDC級(jí)執(zhí)行。SCC級(jí)微機(jī)承擔(dān)著高級(jí)控制與管理任務(wù)，要求數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)，存儲(chǔ)容量大等，一般采用較高檔微機(jī)。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述把圖1.5監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的DDC級(jí)計(jì)算機(jī)用數(shù)字控制儀器代替，再配以輸入采樣器、A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器、輸出掃描器，便是SCC加數(shù)字控制器的SCC系統(tǒng)。當(dāng)SCC計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，由數(shù)字控制器獨(dú)立完成

13、控制任務(wù)，比較安全可靠。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.2.4分級(jí)控制系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中既存在控制問(wèn)題，也存在大量的管理問(wèn)題。過(guò)去，由于計(jì)算機(jī)價(jià)格高，復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)往往采取集中控制方式，以便充分利用計(jì)算機(jī)。這種控制方式由于任務(wù)過(guò)于集中，一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，將會(huì)，由若干臺(tái)微處理器或微機(jī)分別承擔(dān)部分控制任務(wù)，代替了集中控制的計(jì)算機(jī)。這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是將控制功能分散，用多臺(tái)計(jì)算機(jī)分別完成不同的控制功能，管理則采用集中管理。由于計(jì)算機(jī)控制和管理范圍的縮小，使其應(yīng)用靈活方便，可靠性增高。圖1.6所示的分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)四級(jí)系統(tǒng)。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制

14、系統(tǒng)概述第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述(1)裝置控制級(jí)(DDC級(jí)) 對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行直接控制，如進(jìn)行PID控制或前饋控制，使所控制的生產(chǎn)過(guò)程在最優(yōu)工作狀況下工作。(2)車(chē)間監(jiān)督級(jí)(SCC級(jí)) 它根據(jù)廠級(jí)計(jì)算機(jī)下達(dá)的命令和通過(guò)裝置控制級(jí)獲得的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，進(jìn)行最優(yōu)化控制。它還擔(dān)負(fù)著車(chē)間內(nèi)各工段間的協(xié)調(diào)控制和對(duì)DDC計(jì)算機(jī)級(jí)進(jìn)行監(jiān)督的任務(wù)。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述 (3)工廠集中控制級(jí) 它可根據(jù)上級(jí)下達(dá)的任務(wù)和本廠情況，制定生產(chǎn)計(jì)劃、安排本廠工作、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)的情況向上級(jí)報(bào)告。(4)企業(yè)管理級(jí) 制定長(zhǎng)期發(fā)展現(xiàn)

15、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。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.2.5集散控制系統(tǒng) 集散控制系統(tǒng)以微機(jī)為核心，把過(guò)程控制裝置、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、顯示操作裝置、輸入輸出通道、控制儀表等有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成分布式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了地理上和功能上分散的控制，又通過(guò)通信系統(tǒng)把各個(gè)分散的信息集中起來(lái)，進(jìn)行集中的監(jiān)視和操作，并實(shí)現(xiàn)高級(jí)復(fù)雜規(guī)律的控制。其結(jié)構(gòu)如圖1.7所示。 第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述集散控制系統(tǒng)是一種典型的分級(jí)分布式控制結(jié)構(gòu)。

16、監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)協(xié)調(diào)各控制站的工作，達(dá)到過(guò)程的動(dòng)態(tài)最優(yōu)化?？刂普緞t完成過(guò)程的現(xiàn)場(chǎng)控制任務(wù)。操作臺(tái)是人機(jī)接口裝置，完成操作、顯示和監(jiān)視任務(wù)。數(shù)據(jù)采集站用來(lái)采集非控制過(guò)程信息。集散控制系統(tǒng)既有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制算法先進(jìn)、精度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)又有儀表控制系統(tǒng)安全可靠、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。集散控制系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，系統(tǒng)是積木式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)靈活，可大可小，易于擴(kuò)展。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.2.6 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System，F(xiàn)CS)，是新一代分布式控制結(jié)構(gòu)，如圖l.8所示。該系統(tǒng)改進(jìn)了DCS系統(tǒng)成本高、各廠商的產(chǎn)

17、品通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一而造成的不能互聯(lián)的弱點(diǎn)，采用工作站-現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表的二層結(jié)構(gòu)模式，完成了DCS中三層結(jié)構(gòu)模式的功能，降低了成本，提高了可靠性。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一后，它可實(shí)現(xiàn)真正的開(kāi)放式互連體系結(jié)構(gòu)。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述 近年來(lái)，由于現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展，智能傳感器和執(zhí)行器也向數(shù)字化方向發(fā)展，用數(shù)字信號(hào)取代420mADC模擬信號(hào)，為現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是連接工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制裝置之間的全數(shù)字化、雙向、多站點(diǎn)的串行通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線被稱為21世紀(jì)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述 由于計(jì)算機(jī)科學(xué)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)能力、

18、運(yùn)算能力都得到更進(jìn)一步的發(fā)展，能夠解決一般模擬控制系統(tǒng)解決不了的難題，達(dá)到一般控制系統(tǒng)達(dá)不到的優(yōu)異的性能指標(biāo)。在計(jì)算機(jī)控制算法方面，最優(yōu)控制、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和自組織系統(tǒng)和智能控制等先進(jìn)的控制方法，為提高復(fù)雜控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量，有效地克服隨機(jī)擾動(dòng)，提供了有力的工具。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.3信號(hào)處理由數(shù)字計(jì)算機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)，在本質(zhì)上是一個(gè)離散時(shí)間系統(tǒng)。在連續(xù)量控制系統(tǒng)中，控制信號(hào)、反饋信號(hào)和偏差信號(hào)都是連續(xù)型的時(shí)間信號(hào)；而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)的輸入、輸出都是離散型的時(shí)間函數(shù)。在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，被控變量大

19、多是在時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)，因此，需要對(duì)同一系統(tǒng)中的兩種不同類型的信號(hào)進(jìn)行采樣和信號(hào)變換，如圖1.9所示。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，首先要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各種模擬信號(hào)OUT進(jìn)行采集、然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)DS1，以便送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算和處理。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)將輸入的測(cè)量信號(hào)DS1與預(yù)置的設(shè)定值SV進(jìn)行比較、運(yùn)算，將結(jié)果以數(shù)字信號(hào)DS2的形式輸出，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器后輸出模擬信號(hào)AS2去控制執(zhí)行器。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.3.1輸入信號(hào)處理為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制，

20、需要將被控對(duì)象的各種測(cè)、控變量按要求的方式送入計(jì)算機(jī)，以便運(yùn)算和處理。被控對(duì)象所提供的信息是紛繁復(fù)雜的，其種類、性質(zhì)及大小等各不相同，因此需要通過(guò)某種裝置將生產(chǎn)過(guò)程中的各種被測(cè)變量轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接受的信號(hào)，這種在計(jì)算機(jī)與生產(chǎn)過(guò)程之間，起著信號(hào)轉(zhuǎn)換并向計(jì)算機(jī)傳送信息的裝置稱之為輸入通道。輸入通道的信號(hào)處理包括數(shù)字量輸入信號(hào)處理和模擬量輸入信號(hào)處理。 第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1 1數(shù)字量輸入信號(hào)處理數(shù)字量輸入信號(hào)處理計(jì)算機(jī)不能直接接受生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)量(如開(kāi)關(guān)、電平高低、脈沖量等)，因此，必須通過(guò)輸入通道將狀態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量送入計(jì)算機(jī)。典型的開(kāi)關(guān)量輸入通道通常由信號(hào)變

21、換電路、整形電路、電平變換電路信號(hào)和接口電路等幾部分組成的。信號(hào)變換電路將過(guò)程的非電開(kāi)關(guān)量轉(zhuǎn)換為電壓或電流的高低邏輯值。整形電路將混有干擾毛刺的輸入高低邏輯信號(hào)或其信號(hào)前后沿不合要求的輸入信號(hào)整形為接近理想狀態(tài)的方波或矩形波，然后再根據(jù)系統(tǒng)要求變換為相應(yīng)形狀的脈沖。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述 電平變換電路將輸入的高低邏輯電平轉(zhuǎn)換為與CPU兼容的邏輯電平。接口電路協(xié)調(diào)通道的同步工作，向CPU傳遞狀態(tài)信息。 過(guò)程開(kāi)關(guān)量(數(shù)字量)大致可分為三種形式：機(jī)械有觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)量、電子無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)量和非電量開(kāi)關(guān)量。不同的開(kāi)關(guān)量要采用不同的變換方法。 2 2模擬量輸入信號(hào)處理模擬量輸入信號(hào)處

22、理模擬量輸入信號(hào)的采集必須通過(guò)模擬量輸入通道。模擬量輸入通道一般由傳感器、變送器、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、放大器、采樣保持器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及接口電路等組成。典型的模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)如圖1.10所示。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述圖1.10 模擬輸入通道結(jié)構(gòu) 第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述 在模擬量輸入通道中，傳感器用來(lái)檢測(cè)各種非電量過(guò)程變量，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)用來(lái)將多路模擬信號(hào)按要求分時(shí)輸出。放大器將傳感器輸出的微弱電信號(hào)放大到A/D轉(zhuǎn)換器所需要的電平。采樣保持器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，在模/數(shù)轉(zhuǎn)換期間對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行保持。一方面，保證A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程

23、中被轉(zhuǎn)換的模擬量保持不變，以提高轉(zhuǎn)換精度；另一方面，可將多個(gè)相關(guān)的檢測(cè)點(diǎn)在同一時(shí)刻的狀態(tài)量保持下來(lái)、以供分時(shí)轉(zhuǎn)換和處理，確保各檢測(cè)值在時(shí)間上的一致性。A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。接口電路提供模擬量輸入通道與計(jì)算機(jī)之間的控制信號(hào)和數(shù)據(jù)傳送通路。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述3 3模擬量輸入信號(hào)采樣過(guò)程模擬量輸入信號(hào)采樣過(guò)程計(jì)算機(jī)對(duì)某個(gè)隨時(shí)間變化的模擬量進(jìn)行采樣，是利用定時(shí)器控制的開(kāi)關(guān)，每隔一定時(shí)間使開(kāi)關(guān)閉合而完成一次采樣。 開(kāi)關(guān)重復(fù)閉合的時(shí)間間隔T稱為采樣周期，其倒數(shù) s=1/T稱為采樣頻率。所謂采樣過(guò)程，是指將一個(gè)連續(xù)的輸入信號(hào)經(jīng)開(kāi)關(guān)采樣后，轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)生在采

24、樣開(kāi)關(guān)閉合瞬時(shí)0、T、2TnT的一連串脈沖輸出信號(hào) *(t)，如圖1.11所示。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述 （1-1）式中 *(t)輸出脈沖序列 (kT)輸出脈沖數(shù)值序列； (t-kT)發(fā)生在t=kT時(shí)刻上的單位脈沖0)()()(*kkTtkTftf第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述單位脈沖函數(shù)的定義為 （1-2） 根據(jù)理想單位脈沖函數(shù)的定義式(1-2)，在采樣開(kāi)關(guān)閉合時(shí)， (kT)與(t)的瞬時(shí)值相等，式(1-1)還可改寫(xiě)成如下形式 （1-3）式(1-3)說(shuō)明，數(shù)字控制系統(tǒng)中的采樣過(guò)程可以理解為脈沖調(diào)制過(guò)程。在這里，采樣開(kāi)關(guān)只起著理想脈沖發(fā)生器的作

25、用，通過(guò)它將連續(xù)信號(hào)(t)調(diào)制成脈沖序列*(t)。1)(,0,)(dtkTtkttkttkTt0)()()(*tkTttftf第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述4 4香農(nóng)采樣定理香農(nóng)采樣定理一個(gè)連續(xù)時(shí)間信號(hào)(t)，設(shè)其頻帶寬度是有限的，其最高頻率為max，如果在等間隔點(diǎn)上對(duì)該信號(hào)(t)進(jìn)行連續(xù)采樣，為了使采樣后的離散信號(hào)*(t)能包含原信號(hào)(t)的全部信息量，則采樣頻率只有滿足下面的關(guān)系s2max （1-4）采樣后的離散信號(hào)*(t)才能夠無(wú)失真地復(fù)現(xiàn)(t)。式中 s 采樣頻率； max(t)最高頻率。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述 采樣定理表明，采樣頻率

26、s的選擇至少要比max高二倍，對(duì)于連續(xù)模擬信號(hào)(t)，我們并不需要有無(wú)限多個(gè)連續(xù)的時(shí)間點(diǎn)上的瞬時(shí)值來(lái)決定其變化規(guī)律，而只需要有各個(gè)等間隔點(diǎn)上的離散抽樣值就夠了。另外，在實(shí)際工程中采樣頻率的選擇還跟采樣回路數(shù)和采樣時(shí)間有關(guān)，一般根據(jù)具體情況選用。s（510）max (1-5)第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述5 5數(shù)字濾波數(shù)字濾波計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的過(guò)程輸入信號(hào)中，常常包含著各種各樣的干擾信號(hào)。為了準(zhǔn)確地進(jìn)行測(cè)量和控制，必須設(shè)法消除這些干擾。對(duì)高頻干擾，可采用 RC 低通濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬濾波。而對(duì)于中低頻干擾分量(包括周期性、脈沖性和隨機(jī)性的)采用數(shù)字濾波是一種有效方法。數(shù)字濾波是

27、通過(guò)編制一定的計(jì)算或判斷程序，減少干擾在有用信號(hào)中的比重，提高信號(hào)真實(shí)性的濾波方法。與模擬濾波方法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述 數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要硬件設(shè)備，所以可靠性高、穩(wěn)定性好。 數(shù)字濾波可以濾除頻率很低的干擾，這一點(diǎn)是模擬濾波難以實(shí)現(xiàn)的。 數(shù)字濾波可以根據(jù)不同的信號(hào)采用不同的濾波方法，使用靈活、方便。常用的數(shù)字濾波方法有：程序判斷濾、中位值法濾波、遞推平均濾波、加權(quán)遞推平均濾波和一階滯后濾波等。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述(1)程序判斷濾波 在控制系統(tǒng)中，由于在現(xiàn)場(chǎng)采樣，幅度較大的隨機(jī)干擾或由變送器故障所造成的

28、失真，將引起輸入信號(hào)的大幅度跳碼，從而導(dǎo)致計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的誤動(dòng)作。為此，通常采用編制判斷程序的方法來(lái)去偽存真，實(shí)現(xiàn)程序判斷濾波。程序判斷濾波的具體方法是通過(guò)比較相鄰的兩個(gè)采樣值，如果它們的差值過(guò)大，超出了變量可能的變化范圍，則認(rèn)為后一次采樣值是虛假的，應(yīng)予以廢除，而用前一次采樣值送入計(jì)算機(jī)。判斷式為：第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述當(dāng) |y(n)-y(n-1)|b 時(shí)，則取 y(n) 輸入計(jì)算機(jī)；當(dāng) |y(n)-y(n-1)|b 時(shí)，則取到 y(n-1) 輸入計(jì)算機(jī)。式中 y(n)第 n 次采樣值； y(n-1)第 n-1 次的采樣值 ； b給定的常數(shù)值。應(yīng)用這種方法，關(guān)鍵

29、在于 b 值的選擇。而 b 值的選擇主要取決于對(duì)象被測(cè)變量的變化速度，例如一個(gè)加熱爐溫度的變化速度總比一般的壓力或流量的變化速度要緩慢些，因此可以按照該變量在兩次采樣的時(shí)間間隔內(nèi)可能的最大變化范圍作為 b 值。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述(2)中位值法濾波 中位值法濾波就是將某個(gè)被測(cè)變量在輪到它采樣的時(shí)刻，連續(xù)采 3 次 ( 或 3 次以上 ) 值，從中選擇大小居中的那個(gè)值作為有效測(cè)量信號(hào)。中位值法對(duì)消除脈沖干擾和機(jī)器不穩(wěn)定造成的跳碼現(xiàn)象相當(dāng)有效，但對(duì)流量對(duì)象這種快速過(guò)程不宜采用。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述 (3)遞推平均濾波 管道中的流量、壓

30、力或沸騰狀液面的上下波動(dòng)，會(huì)使其變送器輸出信號(hào)出現(xiàn)頻繁的振蕩現(xiàn)象。若將此信號(hào)直接送入計(jì)算機(jī)，會(huì)導(dǎo)致控制算式輸出紊亂，造成控制動(dòng)作極其頻繁。甚至執(zhí)行器根本來(lái)不及響應(yīng)，還會(huì)使控制閥因過(guò)分磨損而影響使用壽命，嚴(yán)重影響控制品質(zhì)。上下頻繁波動(dòng)的信號(hào)有一個(gè)特點(diǎn)，即它始終在平均值附近變化，如圖 1.12 所示。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述圖中的黑點(diǎn)表示各個(gè)采樣值。對(duì)于這類信號(hào)，僅僅依靠一次采樣值作為控制依據(jù)是不正確的，通常采用遞推平均的方法，即第 n 次采樣的 N 項(xiàng)遞推平均值是 n，(n-1)， ，(n-N+1) 次采樣值的算術(shù)平

31、均。遞推平均算式為： （1-6）式中 第 n 次 N 項(xiàng)的遞推平均值； 往前遞推第 i 項(xiàng)的測(cè)量值； 遞推平均的項(xiàng)數(shù)。也就是說(shuō)，第 n 次采樣的 N 項(xiàng)遞推平均值的計(jì)算，應(yīng)該由 n 次采樣往前遞推 ( N-1 )項(xiàng)。 10)(1)(Nin-iyNny)(ny)(n-iyN第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述N 值的選擇對(duì)采樣平均值的平滑程度與反應(yīng)靈敏度均有影響。在實(shí)際應(yīng)用中，可通過(guò)觀察不同 N 值下遞推平均的輸出響應(yīng)來(lái)決定 N 值的大小。目前在工程上，流量常用 12 項(xiàng)平均，壓力取 4 項(xiàng)平均，溫度沒(méi)有顯著噪聲時(shí)可以不加平均。(4)加權(quán)遞推平均濾波 遞推平均濾波法的每一次采樣值

32、，在結(jié)果中的比重是均等的，這對(duì)時(shí)變信號(hào)會(huì)引入滯后。為增加當(dāng)前采樣值在結(jié)果中所占的比重，提高系統(tǒng)對(duì)本次采樣的靈敏度，可采用加權(quán)遞推平均方法。一個(gè) N 項(xiàng)加權(quán)遞推平均算式為： 第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述 （1-7）式中 加權(quán)系數(shù)，各項(xiàng)系數(shù)應(yīng)滿足下列關(guān)系； 0 Ci 1 且 10)(1)(NiiinyCNnyiC101NiiC第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述(5)一階慣性濾波 一階慣性濾波器的動(dòng)態(tài)方程式為： （1-8）式中 T 濾波時(shí)間常數(shù)； 輸出值； 輸入值。)()()()(tytytdtydT)(ty)(ty第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控

33、制系統(tǒng)概述第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述一階慣性濾波對(duì)周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動(dòng)頻繁的變量濾波。在實(shí)際應(yīng)用上述幾種數(shù)字濾波方法時(shí)，往往先對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行程序判斷濾波，然后再用遞推平均、加權(quán)遞推平均或一階慣性濾波等方法處理，以保持采樣的真實(shí)性和平滑度。 第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.3.2 輸出信號(hào)處理 經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理后的各種數(shù)字控制信號(hào)也要變換成適合于對(duì)生產(chǎn)過(guò)程或裝置進(jìn)行控制的信號(hào)。因此，在計(jì)算機(jī)和執(zhí)行器之間必須設(shè)置信息傳遞和變換的裝置，這種裝置就稱為過(guò)程輸出通道。第第1 1章章

34、 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1 1數(shù)字輸出信號(hào)的處理數(shù)字輸出信號(hào)的處理數(shù)字信號(hào)的輸出必須通過(guò)數(shù)字量輸出通道。數(shù)字量輸出通道的任務(wù)是根據(jù)計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)去控制接點(diǎn)的通、斷或數(shù)字式執(zhí)行器的啟、停等，簡(jiǎn)稱 DO (Digital output)通道。根據(jù)被控對(duì)象的不同，其輸出的數(shù)字控制信號(hào)的形態(tài)及相應(yīng)的配置也不相同。其中最為常用的數(shù)字控制信號(hào)是開(kāi)關(guān)量和脈沖量信號(hào)，圖1.13為開(kāi)關(guān)量輸出通道的結(jié)構(gòu)圖。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述隔離器一般采用光電隔離器，如TLP521系列；輸出驅(qū)動(dòng)器將計(jì)算機(jī)輸出的信號(hào)進(jìn)行功率放大

35、，以滿足被控對(duì)象要求；繼電器、晶閘管(或大功率晶體管)、TTL電平輸出等為需要開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)這些開(kāi)關(guān)器件的通、斷去控制被控對(duì)象。在應(yīng)用中，有些執(zhí)行器需要按一定的時(shí)間順序來(lái)啟動(dòng)和關(guān)閉，這類元件需采用一系列電脈沖來(lái)控制，這種將計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制指令轉(zhuǎn)變成一系列按時(shí)間關(guān)系連續(xù)變化的開(kāi)關(guān)動(dòng)作的脈沖信號(hào)的電路稱為輸出通道。它一般具有可編程和定時(shí)中斷等功能。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述2 2模擬輸出信號(hào)的處理模擬輸出信號(hào)的處理 模擬信號(hào)的輸出必須通過(guò)模擬量輸出通道來(lái)完成。模擬量輸出通道是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制的關(guān)鍵。它的任務(wù)是把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流信

36、號(hào)以便驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、達(dá)到控制的目的。模擬量輸出通道般由輸出接口電路、D/A轉(zhuǎn)換器、V/I變換等組成。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述（1）一個(gè)通路設(shè)置一個(gè)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器 微處理器和通路之間通過(guò)獨(dú)立的接口緩沖器傳送信息，這是一種數(shù)字保持的方案，如圖1.14所示。它的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快、工作可靠，即使某一路D/A轉(zhuǎn)換器有故障也不會(huì)影響其它通路的工作。缺點(diǎn)是使用了使用硬件較多，成本高。但隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)缺點(diǎn)正在逐步得到克服。這種方案較易實(shí)現(xiàn)。 第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述（2）多個(gè)通路

37、共用一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的形式 圖1.15為多路信號(hào)共用一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器因此它必須在微型機(jī)控制下分時(shí)工作。即依次把D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬電壓(或電流)，通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)傳送到下一級(jí)電路。這種結(jié)構(gòu)節(jié)省了數(shù)模轉(zhuǎn)換器，但因是分時(shí)工作，只適用于通路數(shù)量多且速度要求不高的場(chǎng)合。因多路共用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，所以可靠性較差第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.4PID控制算法1.4.1理想PID控制算法按偏差的比例、積分和微分控制(以下簡(jiǎn)稱PID控制)，是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律。在系統(tǒng)中引入偏差的比例控制，以保證系統(tǒng)的快速性，引入偏

38、差的積分控制以提高控制精度，引入偏差的微分控制來(lái)消除系統(tǒng)慣性的影響。其控制結(jié)構(gòu)如圖1.16所示。第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述 在PID控制系統(tǒng)中，控制器將根據(jù)偏差esv-pv（設(shè)定值sv與測(cè)量值pv之差），給出控制信號(hào)u(t)。在時(shí)間連續(xù)的情況下，理想PID常用以下形式表示： 第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述 （1-12） （1-13） 式中 Kp 控制器比例增益； TI 積分時(shí)間； TD微分時(shí)間。 由于在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)只能每隔一定的時(shí)間(采樣周期T)才能完成一次檢測(cè)、計(jì)算并輸出控制，因此必須將原來(lái)的PID微分方程經(jīng)過(guò)差分處理后變成相應(yīng)的差

39、分方程。)()(1)()(dttdeTdtteTteKtuDIp11)()(sTsTsEKsUDIp第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述 積分與求和的關(guān)系可用圖1.17說(shuō)明。事實(shí)上就是e(t)曲線與橫軸在0 t之間所包圍的曲邊梯形的面積，將此面積以采樣周期T為寬度分割成n段，當(dāng)T很小時(shí)，每段面積近似為e(iT) T，按這種方法近似處理。則積分項(xiàng)tdtte0)(第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述簡(jiǎn)寫(xiě)為 （1-16）)1()()()()(1neneTTieTTneKnuDniIp 第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述 雖屬離散量，但隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，

40、累積結(jié)果會(huì)無(wú)限加大，給實(shí)際計(jì)算機(jī)計(jì)算帶來(lái)困難。所以常將式(1-16)進(jìn)一步化簡(jiǎn)成遞推形式，即令nn-1，代入式(1-16)得 （1-17）用式(1-17)減去式(1-16)，得控制器輸出的增量表達(dá)式為niTiTe1)() 2() 1()() 1() 1(11neneTTieTTneKnuDniIp) 1()()(nununu第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述輸出采用增量算式時(shí)，控制量可按下式計(jì)算 （1-18）)2() 1(2)()() 1()(neneneTTneTTneneKDIp)() 1()(nununu) 1()()(nununu第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算

41、機(jī)控制系統(tǒng)概述1.4.2理想PID控制算法的改進(jìn) 1 1積分分離積分分離在一般的PID控制中，當(dāng)啟動(dòng)、停車(chē)或大幅度改變給定值時(shí)，由于在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很大的偏差，往往會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的積分飽和現(xiàn)象，以致造成很大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的振蕩。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可采用積分分離方法，即在被控制量開(kāi)始跟蹤時(shí)，取消積分作用；而當(dāng)被控制量接近給定值時(shí)，才將積分作用投入以消除靜差。 （1-20）BneneneneTTneTTneneKBneneneneTTneneKnuDIPDP)() 2() 1(2)()() 1()()() 2() 1(2)() 1()()(第第1 1章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述在單位階躍信號(hào)的作用下，將積分分離式的P