動力測控9計算機(jī)控制系統(tǒng)

1、新能源科學(xué)與工程所 謝應(yīng)明第九章 計算機(jī)控制系統(tǒng)典型計算機(jī)控制系統(tǒng)信號采集與處理數(shù)字PID模擬量輸出通道D/A轉(zhuǎn)換器模擬量輸入通道A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字量輸入/輸出通道計算機(jī)控制應(yīng)用實(shí)例第九章 計算機(jī)控制系統(tǒng)9.1 典型計算機(jī)控制系統(tǒng)微型計算機(jī)控制系統(tǒng)是由計算機(jī)（工業(yè)控制計算機(jī)）和工業(yè)對象兩大部分組成.微型計算機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換信息交流數(shù)字量模擬量微型計算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖9.1 典型計算機(jī)控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件程序設(shè)計系統(tǒng)診斷程序操作系統(tǒng)調(diào)機(jī)程序診斷修復(fù)程序過程監(jiān)視程序巡回檢測程序數(shù)據(jù)處理程序上下限檢查和報警程序操作臺服務(wù)程序控制程序判斷程序過程分析程序開環(huán)控制程序閉環(huán)控制程序PID算式最

2、優(yōu)化控制串級比值前饋其他故障處理程序公共應(yīng)用程序制表打印格式服務(wù)子程序庫程序設(shè)計系統(tǒng)語言處理程序服務(wù)程序軟件系統(tǒng)分類9.1 典型計算機(jī)控制系統(tǒng)典型計算機(jī)控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）計算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC或SPC）分級計算機(jī)控制系統(tǒng)集散型計算機(jī)控制系統(tǒng)（DCS）典型計算機(jī)控制系統(tǒng)信號采集與處理數(shù)字PID模擬量輸出通道D/A轉(zhuǎn)換器模擬量輸入通道A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字量輸入/輸出通道計算機(jī)控制應(yīng)用實(shí)例第九章 計算機(jī)控制系統(tǒng)基本術(shù)語模擬信號：幅值連續(xù)變化并可以為任意值的信號數(shù)字信號：幅值用一定位數(shù)的二進(jìn)制編碼形式表示，且該表示過程稱為量化A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際上就是一個量化+編碼的過程量化單位Vmax為

3、模擬信號的最大值n為編碼位數(shù)如最大值為5v，用8位編碼，則量化單位為5/(28-1)v量化值如上述條件中量化值為127時，其對應(yīng)的電壓即為2.5V9.2 信號采集與處理量化過程(四舍五入)四舍五入只舍不入量化原則9.2 信號采集與處理離散時間信號：只在一系列時間點(diǎn)上有信號，在其它點(diǎn)上無意義連續(xù)時間信號：時間軸上斷續(xù)出現(xiàn)的信號保持器：將一段時間信號變成連續(xù)信號的器件9.2 信號采集與處理采樣：將模擬信號變成離散時間信號，周期性獲得模擬信號的即時值要求：離散時間信號能反映和復(fù)現(xiàn)原信號的值和變化，一一對應(yīng)理想情況是開關(guān)閉合持續(xù)時間無限小，取樣值為點(diǎn)值9.2 信號采集與處理(香農(nóng))采樣定理：對于一個具

4、有有限頻譜范圍的連續(xù)信號，采樣信號大于或等于已知最大信號的2倍，才能完全復(fù)現(xiàn)原信號信號變化頻率有界信號采樣頻率大于信號頻率2倍（四點(diǎn)一線特殊情況）9.2 信號采集與處理正弦信號采樣速率每周期4/3次采樣速率每周期2次采樣周期的選擇（fs=1/T）考慮被測信號與擾動信號的最高頻率考慮系統(tǒng)對象的動態(tài)特性要求的調(diào)節(jié)品質(zhì)考慮到回路數(shù)計算機(jī)運(yùn)行速度、成本9.2 信號采集與處理采樣模擬信號量化編碼計算機(jī)D/A保持器模擬信號(1)(2)(4)(3)(7)(6)(5)A/D轉(zhuǎn)換(1)模擬信號(2)采樣信號(4)數(shù)字信號(3)量化信號(7)量化保持信號(6)量化信號(5)數(shù)字信號D/A轉(zhuǎn)換9.2 信號采集與處理

5、采樣模擬信號量化編碼計算機(jī)D/A保持器模擬信號(A)(B)(D)(C)(H)(G)(F)9.2 信號采集與處理典型計算機(jī)控制系統(tǒng)信號采集與處理數(shù)字PID模擬量輸出通道D/A轉(zhuǎn)換器模擬量輸入通道A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字量輸入/輸出通道計算機(jī)控制應(yīng)用實(shí)例第九章 計算機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)字PID控制算式位置算式其中，Kc、Ti和Td分別為模擬控制器的比例增益(放大系數(shù))、積分時間和微分時間；u0是模擬控制器的初始輸出；u(t)是在t時刻的輸出；e(t)是t時刻設(shè)定值與測量值之間的差值，即偏差(1)式離散化其中Ts為計算機(jī)采樣周期(1)(2)9.3 數(shù)字PID增量算式由(2)式可得(3)由(2)-(3)式,并進(jìn)一步化

6、簡可得其中， 分別表示積分和微分系數(shù)9.3 數(shù)字PID典型計算機(jī)控制系統(tǒng)信號采集與處理數(shù)字PID模擬量輸出通道D/A轉(zhuǎn)換器模擬量輸入通道A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字量輸入/輸出通道計算機(jī)控制應(yīng)用實(shí)例第九章 計算機(jī)控制系統(tǒng)9.4 輸入/出通道轉(zhuǎn)換器輸出通道計算機(jī)D/A反多路開關(guān)D/A轉(zhuǎn)換器原理框圖輸入通道A/D轉(zhuǎn)換器：積分式（U-T即電壓與時間；U-f即電壓與頻率）比較式（預(yù)估,通過輸出值的正負(fù)來判斷信號值的大小，比積分式更快）U T（同步計數(shù)，達(dá)到相同電壓時間的長短）U f（一定時間內(nèi)計數(shù)，計數(shù)個數(shù)多少）Nf U =NU9.4 輸入/出通道轉(zhuǎn)換器A/D、D/A轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)精度：實(shí)際電壓與轉(zhuǎn)化后電壓之差轉(zhuǎn)

7、換時間：A/D低速 T1ms中速 1msT1us高速 1usT分辨率：可轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的最小電壓值，用位數(shù)表示9.4 輸入/出通道轉(zhuǎn)換器例：若8位A/D轉(zhuǎn)換器，測量儀表在0100，問80時轉(zhuǎn)換結(jié)果多少，寫出其二進(jìn)制碼？二者線性，一一對應(yīng)02n-1數(shù)字量:最小值最大值物理量:2040102051125112060311204對應(yīng)二進(jìn)制碼為110011009.4 輸入/出通道轉(zhuǎn)換器例：被測量電壓為510V，若用8位A/D轉(zhuǎn)換器，求其分辨率大??？若電壓為8V時，求對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)大小四舍五入：154對應(yīng)二進(jìn)制碼為10011010只舍不入：153對應(yīng)二進(jìn)制碼為10011001V/位（V/bit）N=153

8、.6569.4 輸入/出通道轉(zhuǎn)換器例：采樣0-100，如要求采樣精度小于0.1，則選用幾位A/D，可保證相應(yīng)精度要求。N=12.29N=13位9.4 輸入/出通道轉(zhuǎn)換器典型計算機(jī)控制系統(tǒng)信號采集與處理數(shù)字PID模擬量輸出通道D/A轉(zhuǎn)換器模擬量輸入通道A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字量輸入/輸出通道計算機(jī)控制應(yīng)用實(shí)例第九章 計算機(jī)控制系統(tǒng)弱電強(qiáng)電計算機(jī)工業(yè)應(yīng)用光電隔離(a)數(shù)字量同相傳遞； (b)數(shù)字量反相傳遞9.6 數(shù)字量輸入/出通道9.6 數(shù)字量輸入/出通道數(shù)字量輸入通道開關(guān)輸入電路脈沖計數(shù)電路數(shù)字量輸出通道三極管驅(qū)動電路繼電器驅(qū)動電路晶閘管驅(qū)動電路固態(tài)繼電器驅(qū)動電路典型計算機(jī)控制系統(tǒng)信號采集與處理數(shù)字PI

9、D模擬量輸出通道D/A轉(zhuǎn)換器模擬量輸入通道A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字量輸入/輸出通道計算機(jī)控制應(yīng)用實(shí)例第九章 計算機(jī)控制系統(tǒng)ThThTCTC需采集數(shù)據(jù)：四個溫度；兩個流量；四個靜壓值QhQCPhPhPCPC輔助流體工藝流體控制參數(shù)：流量；出口溫度工藝流程出口溫度控制：調(diào)節(jié)輔助流體；旁通控制擾動：Tc、Qc、Thx1-x9.7 計算機(jī)控制應(yīng)用實(shí)例輔助流體工藝流體T1T2T3T4P1P2p3p4Q1Q2多路模擬開關(guān)溫度變送器壓力變送器流量控制器9.7 計算機(jī)控制應(yīng)用實(shí)例其它變送器如：液位變送器等A/D計算機(jī)D/A執(zhí)行器典型執(zhí)行器流量：電動執(zhí)行器（電動閥門）氣動執(zhí)行器（氣動閥門）變頻器（泵或風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速大小變化）溫度：調(diào)功器（通過調(diào)節(jié)加熱功率實(shí)現(xiàn)溫度變化）節(jié)流原理9.7 計算機(jī)控制應(yīng)用實(shí)例控制算法：針對被控對象特性，可進(jìn)行PID控制：則由PID算式：