冶金過程控制基礎(chǔ)及應(yīng)用第五章

1、第第五五章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) |概述 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與常規(guī)控制系統(tǒng) 基本結(jié)構(gòu)相同，基本概念和術(shù)語也 是通用的。有關(guān)調(diào)節(jié)原理和調(diào)節(jié)過 程也是相同的。不同之處在于：計(jì) 算機(jī)控制系統(tǒng)中，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)束的輸出在時(shí)間上是斷續(xù)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。 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，使用數(shù)字 控制器代替了模擬控制器，以及為 了數(shù)字控制器與其他模擬量環(huán)節(jié)的 銜接增加了模數(shù)轉(zhuǎn)換元件和數(shù)模轉(zhuǎn) 換元件。它的給定值也是以數(shù)字量 形式輸入計(jì)算機(jī)，而不再是由一個 給定線路產(chǎn)生一個連續(xù)電信號，再 通過硬件連接到比較電路。在計(jì)算 機(jī)控制系

2、統(tǒng)中，可以方便地用減運(yùn) 算實(shí)現(xiàn)比較功能。 數(shù)字控制器的輸出是根據(jù)控制 偏差，按照一定的運(yùn)算規(guī)律(如 PID)運(yùn)算得到的。控制器的輸 出稱為控制量，面所遵循的運(yùn) 算規(guī)律稱為控制算法。而且， 對于能接受數(shù)字量的執(zhí)行元件， 固51中的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件(D/A) 是可以省去的。同樣，采用數(shù) 字測量元件時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換元件 (A/D)也可省去。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制過程步驟： （三步） |實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣：測量被控量的 當(dāng)前值，為斷續(xù)的數(shù)字化信號； |實(shí)時(shí)判斷：判斷被控量當(dāng)前值 與給定值的偏差； |實(shí)時(shí)控制：根據(jù)偏差，作為控 制決策。即按預(yù)定的算法對偏 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。 優(yōu)點(diǎn)： |可

3、實(shí)現(xiàn)分時(shí)對多個對象多個回路的 控制； |便于對系統(tǒng)功能的擴(kuò)充修改； |可完成很多在模擬控制系統(tǒng)中由硬 件難以完成的功能。 微型計(jì)算機(jī)特點(diǎn)： |體積小、結(jié)構(gòu)簡單； |價(jià)格便宜，攬資少； |可靠性高，平均無故障時(shí)間長達(dá)幾 干小時(shí)至幾萬小時(shí)以上； |靈活性高。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成分類 組成 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由工業(yè)對象 和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)兩部分組成。 工控機(jī)由硬件和軟件兩部 分組成。硬件部分包括計(jì)算機(jī) 主機(jī)、外部設(shè)備、外圍設(shè)備、 工業(yè)自動化儀表和操作控制臺 等。軟件是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的程 序系統(tǒng)。 第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及分計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及分 類類 （1）硬件組成 主機(jī)：它是整個系統(tǒng)的核

4、心裝置，它由微處理器、內(nèi)存 貯器和系統(tǒng)總線等部分構(gòu)成。 主機(jī)根據(jù)過程輸入通道發(fā)送來 的反映生產(chǎn)過程工況的各種信 息和已確定的控制規(guī)律，作出 相應(yīng)的控制決策，并通過過程 輸出通道發(fā)出控制命令，達(dá)到 預(yù)定的控制目的。 主機(jī)所產(chǎn)生的控制是按照人們預(yù) 先安排好的程序進(jìn)行的，能實(shí)現(xiàn)過 程輸入控制和輸出等功能的程序預(yù) 先已放入內(nèi)存，系統(tǒng)啟動后，CPC 逐條取出來，并執(zhí)行，從而產(chǎn)生預(yù) 期的控制效果。 過程輸入輸出通道：它是在微機(jī) 和生產(chǎn)過程之間起信息傳遞和變換 作用的裝置。它包括：摸擬量輸入 通道（AI）、開關(guān)量輸入通道 （DI）、模擬量輸出通道（AO） 和開關(guān)量輸出通道（DO）。 操作設(shè)備 系統(tǒng)的操作設(shè)備

5、是操作員與 系統(tǒng)之間的信息交換工具，操 作設(shè)備一般由CRT顯示器（或 其他顯示器）、鍵盤、開關(guān)和 指示燈組成。操作員通過操作 設(shè)備可以控制系統(tǒng)和了解系統(tǒng) 運(yùn)行狀態(tài)。 外部設(shè)備：它是鍵盤終端、打印機(jī)、 繪圖儀、磁盤等計(jì)算機(jī)輸入輸出設(shè) 備。 通信設(shè)備：規(guī)模較大的工業(yè)生產(chǎn) 過程，其控制和管理常常非常復(fù)雜， 需要幾臺或幾十臺微型計(jì)算機(jī)才能 分級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，構(gòu)成控制與 管理網(wǎng)絡(luò)。 （2）軟件部分 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言、 高級算法語言、過程控制語言以及

6、它們的匯編、解釋、編譯程序，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，診斷程序等。 應(yīng)用軟件是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員針對 生產(chǎn)過程要求而編制的控制和管理 程序。應(yīng)用軟件一般包括過程輸入 程序、過程控制程序、過程輸出程 序、打印顯示程序、人機(jī)接口程序 等。其中過程控制程序是應(yīng)用軟件 的核心，是控制方案和控制規(guī)律的 具體實(shí)現(xiàn)。 分類分類：依據(jù)：依據(jù)應(yīng)用形式應(yīng)用形式分分 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) 直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC 監(jiān)督控制系統(tǒng)監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC 分級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 集散型控制系統(tǒng)等集散型控制系統(tǒng)等 第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制

7、系統(tǒng)的組成 及分類及分類 (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) 主要是對大量的過程狀態(tài)參數(shù)實(shí)現(xiàn)主要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)巡回檢測、數(shù)據(jù)存貯記錄、數(shù) 據(jù)處理據(jù)處理(計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、整理計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、整理)、進(jìn)、進(jìn) 行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)越限行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)越限 報(bào)警等功能。報(bào)警等功能。 第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 及分類及分類 嚴(yán)格講，它不屬于計(jì)算機(jī)控制，因嚴(yán)格講，它不屬于計(jì)算機(jī)控制，因 為在這種應(yīng)用方式中，計(jì)算機(jī)為在這種應(yīng)用方式中，計(jì)算機(jī) 不直接參與過程控制，對生產(chǎn)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

8、過程不產(chǎn)生直接影響，但對指 導(dǎo)生產(chǎn)過程操作具有積極作用。導(dǎo)生產(chǎn)過程操作具有積極作用。 它屬于計(jì)算機(jī)應(yīng)用于過程控制它屬于計(jì)算機(jī)應(yīng)用于過程控制 的低級階段。的低級階段。 第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 及分類及分類 (2) 直接數(shù)字控制系統(tǒng)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，控制法進(jìn)行數(shù)字分析、運(yùn)算后，控制 量輸出直接作用在調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行量輸出直接作用在調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行 機(jī)構(gòu)上，使各個

9、被控參數(shù)保持在機(jī)構(gòu)上，使各個被控參數(shù)保持在 給定值上，實(shí)現(xiàn)對被控對象的閉給定值上，實(shí)現(xiàn)對被控對象的閉 環(huán)自動調(diào)節(jié)。環(huán)自動調(diào)節(jié)。 第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 及分類及分類 (3) 監(jiān)督控制系統(tǒng)監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC(SPC） 是指計(jì)算機(jī)根據(jù)生產(chǎn)過程的信息是指計(jì)算機(jī)根據(jù)生產(chǎn)過程的信息 (測量值測量值)和其他信息和其他信息(給定值等給定值等)， 按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型，按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型， 去自動改變?nèi)プ詣痈淖?也稱重新設(shè)定也稱重新設(shè)定)模擬模擬 調(diào)節(jié)器或調(diào)節(jié)器或DDC工業(yè)控制機(jī)的給工業(yè)控制機(jī)的給 定值，從而使生產(chǎn)過程處于最定值，從而使生產(chǎn)過程處于最 優(yōu)化的工況下

10、進(jìn)行。優(yōu)化的工況下進(jìn)行。 第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 及分類及分類 (4) 分級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 在生產(chǎn)過程中既存在控制問題，也在生產(chǎn)過程中既存在控制問題，也 存在大量的管理問題。存在大量的管理問題。 第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 及分類及分類 分級系統(tǒng)分級系統(tǒng)一般是混合式，即除計(jì)算一般是混合式，即除計(jì)算 機(jī)直接控制外，還有儀表控制機(jī)直接控制外，還有儀表控制 和直接聯(lián)接現(xiàn)場的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。和直接聯(lián)接現(xiàn)場的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 及分類及分類 目前分級控制一般分為目前分級控制一般分為三級

11、三級，即生，即生 產(chǎn)管理級產(chǎn)管理級MIS、監(jiān)督控制級、監(jiān)督控制級 SCC以及直接數(shù)字控制級以及直接數(shù)字控制級DDC。 生產(chǎn)管理級生產(chǎn)管理級MIS又可以分為企又可以分為企 業(yè)級業(yè)級MIS和廠級和廠級MIS。 第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 及分類及分類 第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 及分類及分類 (5) 集散型控制系統(tǒng)集散型控制系統(tǒng)TDCS 隨著生產(chǎn)的發(fā)展、生產(chǎn)規(guī)模越來越隨著生產(chǎn)的發(fā)展、生產(chǎn)規(guī)模越來越 大、信息來源越來越多，對控大、信息來源越來越多，對控 制的及時(shí)性要求越來越高。因制的及時(shí)性要求越來越高。因 而在大型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中出而在大型計(jì)算

12、機(jī)控制系統(tǒng)中出 現(xiàn)了一個重要的發(fā)展方向現(xiàn)了一個重要的發(fā)展方向 集散型控制系統(tǒng)集散型控制系統(tǒng)TDCS，也稱為，也稱為 分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng). 第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 及分類及分類 它是以數(shù)臺乃至數(shù)百臺的微它是以數(shù)臺乃至數(shù)百臺的微 型計(jì)算機(jī)分散地分布在各個生產(chǎn)型計(jì)算機(jī)分散地分布在各個生產(chǎn) 現(xiàn)場，作為現(xiàn)場控制站或者基本現(xiàn)場，作為現(xiàn)場控制站或者基本 調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的檢測與調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的檢測與 控制，代替了大量的常規(guī)模擬儀控制，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)能

13、單一性和局限性，又能避免計(jì) 第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 及分類及分類 計(jì)算機(jī)集中控制的危險(xiǎn)性。這些計(jì)算機(jī)集中控制的危險(xiǎn)性。這些 控制站通過高速效據(jù)通道與監(jiān)督控制站通過高速效據(jù)通道與監(jiān)督 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)SCC通訊，通過通訊，通過CRT操作操作 站實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)視和干預(yù)。這站實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)視和干預(yù)。這 種結(jié)構(gòu)比分級分層結(jié)構(gòu)更靈活，種結(jié)構(gòu)比分級分層結(jié)構(gòu)更靈活， 擴(kuò)充也更方便。而且由于硬件的擴(kuò)充也更方便。而且由于硬件的 冗余度大，某個回路出現(xiàn)故障時(shí)冗余度大，某個回路出現(xiàn)故障時(shí) 第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 及分類及分類 可以相互支援，出此有很高的可可

14、以相互支援，出此有很高的可 靠性?？啃?。 第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 及分類及分類 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求： 1. 系統(tǒng)操作性能好系統(tǒng)操作性能好 2. 可靠性高可靠性高 3. 通用性好，便于擴(kuò)充通用性好，便于擴(kuò)充 4. 實(shí)時(shí)性強(qiáng)實(shí)時(shí)性強(qiáng) 5. 設(shè)計(jì)周期短，價(jià)格便宜設(shè)計(jì)周期短，價(jià)格便宜 第第二二節(jié)節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 與實(shí)現(xiàn)與實(shí)現(xiàn) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟： 1. 確定系統(tǒng)整體控制方案確定系統(tǒng)整體控制方案 （1）確定控制方案）確定控制方案 （2）確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式）確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式 （3）現(xiàn)場

15、設(shè)備選擇）現(xiàn)場設(shè)備選擇 第第二二節(jié)節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2. 確定控制算法確定控制算法 |所選擇的控制算法是否能滿足所選擇的控制算法是否能滿足 對系統(tǒng)的動態(tài)過程、穩(wěn)態(tài)精度對系統(tǒng)的動態(tài)過程、穩(wěn)態(tài)精度 和穩(wěn)定性的要求。和穩(wěn)定性的要求。 |各種控制算法提供了一套通用各種控制算法提供了一套通用 的計(jì)算公式，但具體到一個控的計(jì)算公式，但具體到一個控 制對象上，必須有分析地選制對象上，必須有分析地選 第第二二節(jié)節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 與實(shí)現(xiàn)與實(shí)現(xiàn) 選用。甚至需要進(jìn)行修改和補(bǔ)充，選用。甚至需要進(jìn)行修改和補(bǔ)充， 采取適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)措施，以達(dá)到滿采取適當(dāng)?shù)?/p>

16、改進(jìn)措施，以達(dá)到滿 足系統(tǒng)性能要求的目的。足系統(tǒng)性能要求的目的。 第第二二節(jié)節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 與實(shí)現(xiàn)與實(shí)現(xiàn) |當(dāng)控制系統(tǒng)比較復(fù)雜時(shí)，其控制當(dāng)控制系統(tǒng)比較復(fù)雜時(shí)，其控制 算法一般也比較復(fù)雜，使整個控算法一般也比較復(fù)雜，使整個控 制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)比較困難。為了設(shè)制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)比較困難。為了設(shè) 計(jì)、調(diào)試方便，可將控制算法先計(jì)、調(diào)試方便，可將控制算法先 作某些合理的簡化，先忽略某些作某些合理的簡化，先忽略某些 因素的影響因素的影響(如非線性、小延遲、如非線性、小延遲、 小慣性等小慣性等)，在取得 初 步 成 果，在取得 初 步 成 果 后再逐步將控制算法完善，直后再逐步將控制算法

17、完善，直 到獲得滿意的控制效果。到獲得滿意的控制效果。 第第二二節(jié)節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 與實(shí)現(xiàn)與實(shí)現(xiàn) 3. 系統(tǒng)硬、軟件的設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬、軟件的設(shè)計(jì) 4. 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試 第第二二節(jié)節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 計(jì)算機(jī)可靠性的概念有兩個含義：計(jì)算機(jī)可靠性的概念有兩個含義： 一是系統(tǒng)的無故障運(yùn)行時(shí)間盡可能一是系統(tǒng)的無故障運(yùn)行時(shí)間盡可能 長；長； 二是系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能迅速檢修和二是系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能迅速檢修和 排除。排除。 第第三三節(jié)節(jié) 提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可 靠性的措施靠性的措施 提高措施：提高措施： 1. 提高元器件的可靠性提

18、高元器件的可靠性 2. 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的冗余技術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的冗余技術(shù) 3. 采取抗干擾措施采取抗干擾措施 4. 采用故障診斷和系統(tǒng)恢復(fù)技術(shù)采用故障診斷和系統(tǒng)恢復(fù)技術(shù) 以及軟件可靠性技術(shù)等。以及軟件可靠性技術(shù)等。 第第二二節(jié)節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 與實(shí)現(xiàn)與實(shí)現(xiàn) |A/D與D/A轉(zhuǎn)換器 傳感器與微機(jī)之間要通過 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)來連接，它的 功能是將輸入的摸擬量轉(zhuǎn)化為 數(shù)字量；一般控制器采用模擬 量參數(shù)，在計(jì)算機(jī)與控制器件 之間要通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A） 進(jìn)行連接。 A/D轉(zhuǎn)換器 微機(jī)測控系統(tǒng)中模擬量檢測 技術(shù)最主要的電路是A/D轉(zhuǎn)換 器，它的作用是將模擬量轉(zhuǎn)換 為數(shù)字量，以便傳輸

19、給微機(jī)接 口。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 接收的模擬信號轉(zhuǎn)換成與之成 正比的數(shù)字信號的器件。 A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中 的重要器件。由于實(shí)現(xiàn)的電子 手段極多，因而派生出各種不 同類型的A/D轉(zhuǎn)換器。目前， A/D轉(zhuǎn)換器都是以集成芯片的 形式出現(xiàn)。由于A/D轉(zhuǎn)換器的 電路比較常見，這里不作詳細(xì) 介紹。 (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)器來測量時(shí)間間 隔以獲得數(shù)字量。這種轉(zhuǎn)換器 的特點(diǎn)是對電路元件參數(shù)要求 不苛刻，抗干擾性能強(qiáng)，轉(zhuǎn)換 速度慢。因而不宜用于快速測 量采樣系統(tǒng)，而適用于

20、緩慢信 號檢測或低速采樣系統(tǒng)。 (2)計(jì)數(shù)器式A/D 這種電路的特點(diǎn)是電路比較簡單， 價(jià)格便宜，它的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度較 慢因此目前較少應(yīng)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。特別適用于 與微型計(jì)算機(jī)的接口電路相連，因 此在微機(jī)測試系統(tǒng)中用得較廣。 D/A轉(zhuǎn)換器 原理 DA轉(zhuǎn)換器是一種把數(shù)字量轉(zhuǎn)換 為模擬量的器件，它作為計(jì)算機(jī)控 制模擬過程的一種手段，得到了廣 泛的應(yīng)用。一個n位的二進(jìn)制數(shù)， 具有2n個二進(jìn)制數(shù)的組合。因此， DA就要具有2n個分立的模擬電壓 或電流，以與不同的數(shù)字一一對應(yīng)。 這2n個模擬量，常用一個基準(zhǔn)

21、電壓 Ur通過網(wǎng)絡(luò)來產(chǎn)生。這個網(wǎng)絡(luò)的電 路結(jié)構(gòu)和數(shù)字量對其控制操作方式 的不同，便產(chǎn)生了各種各樣的DA 轉(zhuǎn)換類型。 A/D選擇原則 采樣頻率 采樣頻率是等間隔采樣間隔時(shí) 間丁的倒數(shù)。如100、200、500、 1000、2000HZ等。一個數(shù)字信 號處理系統(tǒng)，采樣頻率一般根 據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的參數(shù)而定。 信號采集時(shí)采樣頻率的選 擇，要根據(jù)信號的特點(diǎn)、分析 的要求、所用的設(shè)備等諸方面 的條件來確定。若對信號作時(shí) 域分析，則采樣頻率越高，信 號的復(fù)原性越好。一般可取采 樣頻率為信號中最高頻串的10 倍，但還要兼顧其他因素。對 信號作頻域分析時(shí)，為了避免 混疊，采樣頻率最小必須大于 或等于信號中最高頻

22、率的2倍。 (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)換精度乃至整個測 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 信號越容易復(fù)原。進(jìn)行頻域分 析時(shí)，為了快速傅里葉變換 (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 多信號處理設(shè)備固定取為l024 點(diǎn)。 (4)觸發(fā)方式選舞 觸發(fā)信號是啟動A/D開始采樣 的信號。的觸發(fā)信號。 (5)性能價(jià)格比的要求 選擇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 的場合、使用的環(huán)境等條件， 只要能滿足技術(shù)要求即

23、可，而 不要僅片面追求性能的高指標(biāo)。 D/A選擇原則 選擇D/A芯片時(shí)，主要考慮 芯片的性能結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特性。 在性能上必須滿足D/A轉(zhuǎn)換技 術(shù)要求，在構(gòu)和應(yīng)用特性上應(yīng) 滿足接口方便，外圍電路簡單， 價(jià)格低廉等要求。 （1）D/A芯片的主要性能指標(biāo)的 考慮 D/A芯片的主要性能指標(biāo)有： 在給定作條件下的靜態(tài)指標(biāo)， 包括各項(xiàng)精度指標(biāo)、動態(tài)指標(biāo)、 環(huán)境指標(biāo)等。這些指標(biāo)在器件 手冊上通常會給出。用戶選擇 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。 （2）D/A芯片主要結(jié)構(gòu)特性與應(yīng) 用特性的選擇 D/A芯片這些特性雖然主要表 現(xiàn)在芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的配置狀 況，但這些配置對D/A轉(zhuǎn)換接 器電路的設(shè)計(jì)帶

24、來很大形響。 主要考慮的問題如下： 數(shù)字輸入特性：數(shù)據(jù)碼制、數(shù) 據(jù)格式及邏輯電平等。 數(shù)字輸出特性：多數(shù)D/A芯片 屬電流輸出器件。 鎖存特性及轉(zhuǎn)換控制：若D/A 芯片無輸入鎖存器，在通過 CPU數(shù)據(jù)總線傳送數(shù)字量時(shí)， 必須外加鎖存器，否則只能通 過具有輸出鎖存功能的I/O給 D/A芯片送入數(shù)字量。 直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng) DDC是最基本是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。在是最基本是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。在 DDC系統(tǒng)中微型計(jì)算機(jī)直接參與了閉系統(tǒng)中微型計(jì)算機(jī)直接參與了閉 環(huán)控制過程。它的操作功能包括：從被環(huán)控制過程。它的操作功能包括：從被 控對象中獲取各種信息，執(zhí)行能夠反映控對象中獲取各種信息，執(zhí)行能夠反

25、映 控制規(guī)律的控制算法，把計(jì)算結(jié)果以一控制規(guī)律的控制算法，把計(jì)算結(jié)果以一 定形式送到執(zhí)行器和定形式送到執(zhí)行器和(或或)顯示報(bào)警裝置，顯示報(bào)警裝置， 實(shí)現(xiàn)操作人員實(shí)現(xiàn)操作人員控制臺控制臺微型計(jì)算機(jī)系微型計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)之間的聯(lián)系等。其中統(tǒng)之間的聯(lián)系等。其中“執(zhí)行能夠反映執(zhí)行能夠反映 控制規(guī)律的控制算法控制規(guī)律的控制算法”和和“把計(jì)算結(jié)果把計(jì)算結(jié)果 以一定形式送到執(zhí)行器以一定形式送到執(zhí)行器”是是DDC系統(tǒng)所系統(tǒng)所 特有的功能。其他功能要求及其實(shí)現(xiàn)與特有的功能。其他功能要求及其實(shí)現(xiàn)與 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的響應(yīng)功能基本類似，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的響應(yīng)功能基本類似， 在這里不再詳述。在這里不再詳述。 在系統(tǒng)構(gòu)成以后，

26、控制規(guī)律是 反映計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)性能的核 心。在DDC系統(tǒng)中，微型計(jì)算 機(jī)的員主要的任務(wù)就是執(zhí)行控 制算法，以實(shí)現(xiàn)控制規(guī)律。在 DDC系統(tǒng)中，可以直接對幾十 以至幾百個控制回路進(jìn)行自動 巡回檢測和數(shù)字控制。 圖511表示了一個DDC系統(tǒng) 構(gòu)成的方框圖。圖中只表示出 了模擬量輸入輸出通道。由生 產(chǎn)過程(被控對象)的各物理量 的變化情況，通過一次儀表進(jìn) 行測量放大后變成統(tǒng)一的電信 號，作為DDC的輸入信號。為 了避免現(xiàn)場輸入線路帶來的電、 磁干擾，用濾波器對各種信號 分別進(jìn)行了濾波。采樣 器順序地把周期把各信號傳送給數(shù)據(jù)放 大器，被放大后的信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器變 成一定規(guī)律的數(shù)字代碼輸入計(jì)算機(jī)。計(jì)算 機(jī)

27、按預(yù)先存放在存貯器中的程序，對輸入 被測各量進(jìn)行一系列檢測并技PID等控制 規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算。運(yùn)算的結(jié)果以二進(jìn)制代碼 形式由計(jì)算機(jī)輸出，送到步進(jìn)控制器。步 進(jìn)控制器將接收到的二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成一 定額率的脈沖數(shù)，經(jīng)輸出掃描(與采樣器 同步而不同回路)送至步進(jìn)單元，變成模 擬信號。這里的步進(jìn)單元實(shí)際上是一個電 機(jī)式的DA轉(zhuǎn)換器。該模擬信號送至生 產(chǎn)現(xiàn)場，輸入電動執(zhí)行器或經(jīng)電氣轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換為氣壓信號帶動調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn) 行調(diào)節(jié)，達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。時(shí)間控制 器是用來控制整機(jī)同步協(xié)調(diào)工作的。 |DDC系統(tǒng)的功能歸結(jié)到各種各樣的 控制程序組成的應(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)

28、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。這些程序開始時(shí)存貯于數(shù)據(jù)庫 中，使用時(shí)才從庫中調(diào)出，最后從 各種外部設(shè)備的輸出結(jié)果來加以驗(yàn) 證。運(yùn)行人員可以隨時(shí)監(jiān)視或要求 改變計(jì)算機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。 DDC系統(tǒng)的應(yīng)用場合 |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； |各能數(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。 DDC的PID算法中參數(shù)的整定 |DDC的PID基本參數(shù)的整定完全可 以按照有關(guān)模擬調(diào)節(jié)器中使用的各 種整定方法加以分析和綜合，并在 實(shí)踐中加以驗(yàn)證，以求得到一組比 較合適的參數(shù)。 |由于工業(yè)

29、生產(chǎn)過程中不可預(yù)測的干 擾很多，若只有一組固定PID參數(shù) 要滿足各種負(fù)荷或干擾下的控制質(zhì) 量要求是有困難的，因而必須設(shè)定 多組PID基本參數(shù)。 變參數(shù)PID控制的整定要求： |對某些控制回路根據(jù)負(fù)荷不同 采用幾組不同的PID參數(shù)，以 改善控制質(zhì)量。 |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)。 |人工模型，模擬現(xiàn)場操作工人 的方法，把操作經(jīng)驗(yàn)編成程序， 然后由機(jī)器來自動改變給定值 或 Kp、TI、TD參數(shù)。 采樣周期的選擇 從控制質(zhì)量來看，采樣周期取得小一些， 但其小到某一值時(shí)再減小時(shí)對控制質(zhì)量已 沒有意義； 從被控對象的動態(tài)特性來看，若對象反 應(yīng)快，要選較短的采

30、樣周期，否則應(yīng)相反； 從執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求來看，有時(shí)需要計(jì)算 機(jī)輸出的控制信號保持一定的時(shí)間長度， 在這段時(shí)間內(nèi)，要求計(jì)算機(jī)輸出值應(yīng)有變 化，因此采樣周期必須大于這一時(shí)間，否 則上一輸出值還來不及實(shí)現(xiàn)，馬上又轉(zhuǎn)換 為新的輸出值，執(zhí)行機(jī)構(gòu)就不能按預(yù)期的 調(diào)節(jié)規(guī)律動作； 從擾干擾的要求來看希望采樣周 期短些； 從計(jì)算機(jī)的工作量和每個控制回 路的成本來看，一般要求采樣 周期盡可能大些。 在選擇采樣周期時(shí)，必須根據(jù)具 體情況和主要的要求作出折衷 的選擇。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 被控對象不同，設(shè)計(jì)的具體 要求不同，但基本要求相同。 系統(tǒng)操作性能好 它包含兩方面：使用方便、維修

31、 方便。 在配置軟件時(shí)，要考慮配置什么 樣的軟件能降低對操作人員的 專業(yè)知識要求，便于他們學(xué)習(xí) 和掌握； 在配置硬件時(shí)，要考慮使控制系 統(tǒng)的控制開關(guān)不能太多、太復(fù) 雜，且使操作順序盡可能簡單。 可靠性高 它是系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的一個要求。 因?yàn)橐坏┫到y(tǒng)出現(xiàn)故障，會對 整個生產(chǎn)過程造成混亂，引起 嚴(yán)重后果。特別是對CPU的可 靠性要求更高。 應(yīng)選用高性能的工控機(jī)，控制方 案、軟件設(shè)計(jì)要可靠；設(shè)計(jì)各 種安全保措施，各種報(bào)警、事 故預(yù)測與處理等。 通用性好，便于擴(kuò)充 |必須使設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，并盡可能 采用通用的系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)，以 便在需要擴(kuò)充時(shí)要增加插件板 就能實(shí)現(xiàn)。 |在系統(tǒng)設(shè)計(jì)，各設(shè)計(jì)指標(biāo)要留 有一定的余

32、量，這是擴(kuò)充功能 的一個必要條件。如工控機(jī)的 處理速度、內(nèi)存容量、輸入輸 出通道數(shù)以及電源功能等均應(yīng) 留有余量。 實(shí)時(shí)性強(qiáng) 表現(xiàn)在時(shí)間驅(qū)動和事件驅(qū)動能力上。 要對生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和控制。 因此，需要配備實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，過 程中斷系統(tǒng)。 設(shè)計(jì)周期短、價(jià)格便宜 由于計(jì)算機(jī)技術(shù)日新日異，各種新 技術(shù)新產(chǎn)品不斷現(xiàn)。在滿足精度、 速度和其他性能要求的前提下，應(yīng) 該縮短設(shè)計(jì)周期和盡量采用價(jià)格低 的無件，以降低整個控制系統(tǒng)的設(shè) 資，提高設(shè)入產(chǎn)出比。 DDC設(shè)計(jì)的一般步驟 （1）確定系統(tǒng)總體控制方案 通過對被控對象的深入分析 和工作過程、環(huán)境的熟悉，才 能確定系統(tǒng)的控制任務(wù)和要求， 構(gòu)思出切實(shí)可行的控制系統(tǒng)

33、整 體控制方案。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方 案包括： 確定控制方案 根據(jù)系統(tǒng)要求，考慮采用開環(huán)控 制還是閉環(huán)控制。當(dāng)采用閉環(huán)控制， 還需進(jìn)一步確定是單環(huán)還是多環(huán)， 采用DDC控制還是集散型控制等。 確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式 對于小型系統(tǒng)，系統(tǒng)的構(gòu)成方式 應(yīng)優(yōu)先選用工控機(jī)來構(gòu)成。 對于系統(tǒng)規(guī)模較大、自動化要求 水平高，甚至集控制與管理為一體 的系統(tǒng)，可選用DCS，高檔PLC或 其工控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。 |現(xiàn)場設(shè)備的選擇 |主要是選用傳感器、變送器和執(zhí)行 機(jī)構(gòu)的型號和類型。傳感器的送擇 一定要滿足系統(tǒng)檢測和控制精度的 要求。執(zhí)行機(jī)構(gòu)則應(yīng)根據(jù)具體情況 擇優(yōu)選定。 |通過整體方案的考慮，畫出系統(tǒng)組 成的粗框圖，并用控制流程框圖

34、描 述控制過程和控制任務(wù)。通過對方 案的合理性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和可 行性的論述，最后寫出系統(tǒng)設(shè)計(jì)任 務(wù)書，作為整個控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依 據(jù)。 （2）確定控制算法 在確定系統(tǒng)的數(shù)字模型后便可確定相應(yīng) 的控制算法。選擇控制算法時(shí)，應(yīng)注意以 下幾點(diǎn)： 它是否滿足系統(tǒng)的動態(tài)過程，穩(wěn)態(tài)精度 和穩(wěn)定性的要求。 各種控制算法有一套通用的計(jì)算公式， 但具體到一個控制對象必須有分析地選用。 甚至需要進(jìn)行補(bǔ)充和修改。 當(dāng)控制系統(tǒng)比較復(fù)雜時(shí)，其控制算法一 般也比較復(fù)雜，使整個控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)比 較困難。為了設(shè)計(jì)，調(diào)試方使，可將控制 算法先作某些合理的簡化，先忽略某些因 素的形響。在取得初步成果后，再逐步將 控制算法完善，

35、直到獲得滿意的控制效果。 （3）系統(tǒng)硬、軟件的設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)主要包括輸入、輸出接 口電路的設(shè)計(jì)，輸入、輸出通道設(shè) 計(jì)和操作控制臺設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件設(shè) 計(jì)階段要設(shè)計(jì)出硬件原理圖，并根 據(jù)原理圖選購元件和模板，還要設(shè) 計(jì)出印刷電路板，機(jī)架施工圖等。 軟件設(shè)計(jì)對同一個硬件系統(tǒng)而言， 設(shè)計(jì)不同的軟件，可以得到不同的 系統(tǒng)功能。在軟件設(shè)計(jì)中要繪制程 序總體流程圖和各功能模塊流程圖， 編制程序清單，編寫程序說明。 （4）系統(tǒng)調(diào)試 系統(tǒng)調(diào)試包括系統(tǒng)硬件、軟件 分調(diào)與聯(lián)調(diào)，系統(tǒng)模擬調(diào)試和 現(xiàn)場投運(yùn)。調(diào)試過程往往是先 分調(diào)，再聯(lián)調(diào)，有問題再回到 分調(diào)，加以修改后再聯(lián)調(diào)，反 復(fù)進(jìn)行，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求為 止。 提高計(jì)算

36、機(jī)控制系統(tǒng)可靠性的措施 隨著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用的日益廣泛，對 系統(tǒng)的可靠性提出了很高的要求。可靠性的 概念有兩個含義：一是系統(tǒng)的無故障運(yùn)行時(shí) 間盡可能長：二是系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能迅速檢 修和排除。 一個計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，影響其可靠性的主 要因素有：元器件，物理設(shè)備的可靠性；系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性及制作工藝水平；電源系統(tǒng) 與接地技術(shù)的質(zhì)量；系統(tǒng)抑制和承受外界干 擾的能力。 因此，為了提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性 和可維護(hù)性，常采用提高元器件的可靠性、 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的冗余技術(shù)、采取抗干擾措施、采 用故障診斷和系統(tǒng)恢復(fù)技術(shù)以及軟件可靠性 技術(shù)等。 提高元件的可靠性 這主要是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及 元器件生產(chǎn)廠家的責(zé)任，屬

37、于 “先天性”問題。產(chǎn)品在出廠 前已經(jīng)決定了質(zhì)量的優(yōu)劣。對 于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說所 能做的只能是一些事后的補(bǔ)救 措施包括認(rèn)真選型、老化、篩 選、考核等。 冗余技術(shù) 所謂冗余，是指在系統(tǒng)中增 設(shè)額外的附加成分，來保讓整 個控制系統(tǒng)的可靠性。常用的 冗余系統(tǒng)，按其結(jié)構(gòu)形式可分 為并聯(lián)系統(tǒng)、備用系統(tǒng)和表決 系統(tǒng)二種。 (1)并聯(lián)系統(tǒng) | 在并聯(lián)系統(tǒng)中，冗余的方法 是使若干同佯裝青并聯(lián)運(yùn)行。 只要其中一個裝置正常工作， 系統(tǒng)就能維持正常運(yùn)行。只有 當(dāng)并聯(lián)裝置的每個單元都失效 時(shí)，系統(tǒng)才不能工作。其結(jié)構(gòu) 如圖523所示c (2)備用系統(tǒng) 其邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖524所示。 圖中A1和A2是工作單元，B為 備

38、用單元，S1、S2為轉(zhuǎn)換器。 一旦檢測到工作單元出現(xiàn)故障， 即通過轉(zhuǎn)換器S1和S2把備用單 元投入運(yùn)行。 (3)表決系統(tǒng) | 其邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖525所示。 圖中Al，A 2，An為n個工 作單元，m為表決器。每個單 元酌情息輸入表決器中，與其 余信號比較。只有當(dāng)有效單元 數(shù)超過失效單元數(shù)時(shí)，才能作 出輸入為正確的判斷。 一般而言，并聯(lián)系統(tǒng)和備用系 統(tǒng)的可靠程度高于單個設(shè)備。 備用系統(tǒng)的可靠程度高于并聯(lián) 系統(tǒng)。表決系統(tǒng)僅在一定時(shí)間 范圍內(nèi)，可靠程度優(yōu)于單個設(shè) 備。選擇冗余結(jié)構(gòu)時(shí)，除丁考 慮可靠程度以外，還要考慮性 能價(jià)格比、可維護(hù)性、應(yīng)用場 合、擴(kuò)展性能以及冗余結(jié)構(gòu)本 身的控制性能等綜合作出決定

39、。 無論采用何種冗余結(jié)構(gòu)，當(dāng) 系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，必須采取措 施，如更換或切離故障裝置、 重新組合系統(tǒng)等。實(shí)施這種故 障排除措施，稱為冗余結(jié)構(gòu)控 制。 結(jié)構(gòu)控制有邏輯結(jié)構(gòu)控制與 物理結(jié)構(gòu)控制兩種。所謂邏輯 結(jié)構(gòu)控制就是當(dāng)二重化路徑的 一路出現(xiàn)故障時(shí)，由月一路取 代。這種結(jié)構(gòu)控制并不變更系 統(tǒng)的物理連接關(guān)系；而物理結(jié) 構(gòu)控制則是變更系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu) 連接關(guān)系，如變更輸入輸出設(shè) 備的連接關(guān)系等。冗余結(jié)構(gòu)控 制有手動控制和自動控制兩種 方式。 采取抗干擾措施 在影響系統(tǒng)可靠性的諸多因素中，除了 系統(tǒng)自身的內(nèi)在因素外、另一類因素則來 自外界對系統(tǒng)的干擾，包括空間電磁效應(yīng) 干擾、電網(wǎng)沖擊波從電源系統(tǒng)空間感應(yīng)進(jìn)

40、入控制系統(tǒng)帶來的干擾等。對這一類因素 的干擾必須采取措施抑制s外界干擾進(jìn)入 系統(tǒng)的途徑示意如圖526所示。圖中I類 干擾是空間感應(yīng)干擾，它以電磁感應(yīng)形式 進(jìn)入系統(tǒng)的任何部件和線路II類干擾是通 過對通道的感應(yīng)、傳輸耦合、地線聯(lián)系進(jìn) 入通道部分的干擾。III類干擾是電網(wǎng)的沖 擊波通過變壓器鍋臺系統(tǒng)進(jìn)入電源系統(tǒng)而 傳到各個部分的。針對不同的干擾有多種 不同的抑制干擾措施，主要有屏蔽、濾波、 隔離和吸收等。 (1)電磁干擾的屏蔽 | 主要是利用金屬網(wǎng)、板、盒 等物體把電磁場限制在一定空 間內(nèi)，或阻止電磁場進(jìn)入一定 空間。屏蔽的效果主要取決于 屏蔽體結(jié)構(gòu)的接縫和接觸電阻。 接縫和接觸電阻會導(dǎo)致磁場或

41、電場的泄漏。屏蔽可以直接利 用設(shè)備的機(jī)殼實(shí)現(xiàn)。機(jī)殼可采 用鋁材料制成。 |(2)隔離技術(shù) | 常用的有隔離變壓器和光電 耦合器如圖5-27所示。光電鍋 臺器是利用光傳遞信息的，它 由輸入端的發(fā)光元件與輸出端 的受光元件組成。由于輸入與 輸出在電氣上是完全隔離的， 避免了地環(huán)路的形成。因而在 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中得到了廣泛 的應(yīng)用。 （3）共模輸入法 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于對 象、通道裝置比較分散，通道 與被測信號之間往往要長線連 接，由此造成了被測信號地線 和主機(jī)地線之間存在一定的電 位差，它作為干擾，同時(shí)施加 在通道的兩個輸入端上，稱為 共模干擾。共模十?dāng)_的影響如 圖528所示。 共模干擾的抑

42、制措施常用的方法 是：采用高共模抑制比的差動放大 器；采用浮地輸入雙層屏蔽放大器； 光電隔離；使用隔離放大器等。 例如，將輸入情號的屏蔽層和芯 線分別接到差動放大器的兩個輸入 端，構(gòu)成共模輸入。這時(shí)因地線問 的干擾電壓不能進(jìn)入差動輸入端， 因而有效地抑制了十?dāng)_。圖529 是其等效電路圖其中VS是信導(dǎo)源， Vg是干擾源。 (4)電源系統(tǒng)的干擾抑制 由電源引入的干擾是計(jì)算機(jī)控制 系統(tǒng)的一個主要干擾源。干擾有從 交流側(cè)來的，也有從直流側(cè)來的。 例如，由交流電網(wǎng)的負(fù)荷變化引入 的50HZ正弦波的畸變；由交流輸入 電線接收的空間高頻信號；交流電 網(wǎng)的電壓波動；直流穩(wěn)壓電源的母 線上收到的十?dāng)_；電源濾波性

43、能差、 紋波大引起的干擾：由于數(shù)字電路 的脈沖信號通過電源傳輸引起的交 叉干擾等。對于不同的干擾需要采 取相應(yīng)的措施抑制。 交流側(cè)干擾的抑制 對于交流側(cè)的 干擾主要采取以下一些方法抑制。 濾波 交流電源用的濾波器是一低 通濾波器，一般采用集中參數(shù)的 型濾波器。濾波器的電容耐壓應(yīng)兩 倍于電源電壓的峰值。有時(shí)也將數(shù) 個具有不同截止頻率的低通濾波器 串聯(lián)，以獲得好的效果。對于這類 濾波器，必須加裝屏蔽盒，且濾波 器的輸入和輸出端要嚴(yán)格隔離，防 止用合。 屏蔽 變壓器繞組加屏蔽后，初 次級間的鍋合電容可以大大減 少。變壓器屏蔽層要接地，初 級繞組的屏蔽層接地是與交流 “地”相接。而次級繞組的屏 蔽層和

44、中間隔離層都與直流側(cè) 的工作“地”相連，如圖530 所示。 穩(wěn)壓 對干交流電壓的波動，可 采用交流穩(wěn)壓器。對于大多數(shù) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)而言都應(yīng)有交 流穩(wěn)壓器。另外，為了吸收高 頻的短暫過電壓，可用壓變電 阻并接在交流進(jìn)線處。 直流側(cè)干擾的抑制 抑制直流側(cè)的電源干擾，除了選 擇穩(wěn)壓性能好、紋被系數(shù)小的電源 外，還要克服因脈沖電路運(yùn)行時(shí)引 起的交叉干擾。 主要使用去耦法，即在各主要的 集成電路芯片的電源輸入端，或在 印刷電路板電源布線的一些關(guān)鍵點(diǎn) 與地之間接入一個ll0uF的電容。 同時(shí)為了濾除高頻干擾，可再并聯(lián) 一個0.01uF左右的小電容。 (5)布線的防干擾原則 |強(qiáng)、弱信號線要分開；交流、直

45、流 線要分開；輸人、輸出線要分開。 |電路間的連線要短，弱電的信號線 不宜平行，應(yīng)變成辮子線或雙絞線。 |信號線應(yīng)盡量貼地敷設(shè)。對于集成 電路的印刷板布線應(yīng)注意，地線要 盡可能粗、盡可能覆蓋刷板。在雙 面印刷板上，正反面的走線要垂直， 走線應(yīng)短，盡量少設(shè)對穿孔c對容易 串?dāng)_的兩條線要盡量不使它們相鄰 和平行敷設(shè)。 (6)接地設(shè)計(jì) 接地的含義可以理解為一個 等電位點(diǎn)或等電位面。它是電 路或系統(tǒng)的基準(zhǔn)電位但不一 定為大地電位。保護(hù)地線必須 在大地電位上；信號地線依據(jù) 設(shè)計(jì)可以是大地電位，也可以 不是大地電位。 接地設(shè)計(jì)目的在于消除各電 路電流流經(jīng)一個公共地線阻抗 時(shí)所產(chǎn)生的噪聲電壓；避免受 磁場和

46、地電位差的影響，即不 使其形成地環(huán)路；使屏蔽和濾 波有環(huán)路；確保系統(tǒng)安全。 (7)軟件的抗干擾措施 在前面討論的在控制算法中 如何抗干擾的方法就是軟件抗 干擾的一種方法*軟件設(shè)計(jì)的抗 干擾措施包括數(shù)字濾波、軟件 固化、選擇性控制、指令復(fù)執(zhí)、 自診斷、建立RAM數(shù)據(jù)保護(hù)區(qū) 等。 數(shù)字濾波 就是利用程序?qū)Σ蓸訑?shù)據(jù)進(jìn) 行加工處理，去除或削弱干擾 的影響，提高信號的真實(shí)度。 數(shù)字濾波是最常見的抗干擾措 施，對提高信號的可信度和精 確性很有效果。 數(shù)字濾波有很多方法，如中 值濾波、平均性的濾波、一階 滯后濾波、判斷性濾波等等。 軟件固化 即把控制系統(tǒng)的軟件，一次 寫入EPROM固化。這樣即使受 到干擾沖

47、亂程序時(shí)，配合重啟 動措施仍可恢復(fù)程序正常運(yùn)行。 而且固化程序本身的內(nèi)部也不 怕受外界因素的破壞。 選擇性控制 在一個控制程序中研制兩種 不同的控制方法一種用于正 常運(yùn)行的控制，另一種用于應(yīng) 付異常事故的處理，由此可以 保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。 指令復(fù)執(zhí) 當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)現(xiàn)錯誤后，把 當(dāng)前執(zhí)行的指令重復(fù)執(zhí)行若干 次，稱為指令復(fù)執(zhí)。如果故障 是瞬時(shí)性的，在指令復(fù)執(zhí)幾次 后，便不會再出現(xiàn)故障，程序 仍可以繼續(xù)正常運(yùn)行。指令復(fù) 執(zhí)的思想可以擴(kuò)展到程序段的 復(fù)執(zhí)，效果較好。 自診斷功能 有“在線”自診斷和“離線” 自診斷兩種方式。 “離線”自 診斷可以使用專門的診斷程序， 對系統(tǒng)的各種功能進(jìn)行全面的 檢查?！霸?/p>

48、線”自診斷，不能 占用太多的計(jì)算機(jī)時(shí)間，診斷 程序也不能占用太多的內(nèi)存。 因此“在線”自診斷可以是簡 易的、持征性的檢查。 DDC的基木算法是指計(jì)算機(jī)對 生產(chǎn)過程進(jìn)行PID控制時(shí)的幾種控 制方程。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(yàn)，且這些經(jīng)驗(yàn)和 方法為廣大工程技術(shù)人員所熟悉。 隨著計(jì)算機(jī)在過程控制中的廣泛應(yīng) 用，人們首先想到的是把PID控制 規(guī)律移植到數(shù)字控制系統(tǒng)中，即用 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器取代模擬調(diào)節(jié)器。 要完成此任務(wù)需要做的主要工作是： 把PID調(diào)節(jié)規(guī)律數(shù)字化，用數(shù)字 運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)它，以及編制PID算 法的程序。在這里關(guān)鍵

49、是PID 調(diào)節(jié)規(guī)律的數(shù)字化，即本節(jié)所 講的基本算法。實(shí)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，主要 表現(xiàn)在： |可用一臺微型計(jì)算機(jī)控制幾十 個回路，大量節(jié)省設(shè)備和費(fèi)用， 提高了系統(tǒng)的可靠性； |編程靈活，可以很方便地對 PID規(guī)律進(jìn)行各種改進(jìn)，衍生 多種形式的PID算法。PID參數(shù) 的調(diào)整也只要改變程序的數(shù)據(jù)， 十分方便。 PID基本算法有兩路：理想 PID和實(shí)際PID，這兩種PID算 法的比例積分運(yùn)算相同，區(qū)別 主要是微分項(xiàng)不同。 (1)DDC的理想PID算法 DDC的理想PID算法的表達(dá) 式有三種，即位置式、增量式 和速度式。 位置式

50、PID算法 在對連續(xù)量的控制中，模擬 PID調(diào)節(jié)器的理想算PID法為： dt tde Tdtte T teKtu D t I P 0 1 表示成傳遞函數(shù)的形式為： sT sT K sE sU sW D I P 1 1 )( )( )( 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，因?yàn)槭遣蓸?控制，它根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì) 算控制量，因此上式中的積分和微 分項(xiàng)是不能直接準(zhǔn)確計(jì)算出的只 能用數(shù)值計(jì)算的方法逼近。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，此時(shí)積分項(xiàng)和微分項(xiàng)可 用求和及增量式來表示，即采用下 列變換： T keke t keke dt tde ieTtiedtte k i k i t 11 00 0

51、由此可得離散的PID表示式： u（k）第k次采樣時(shí)刻調(diào)節(jié)器 的輸出數(shù)字量。 若用上式來控制閥門的開度， 其輸出值恰與閥門開度的位置 的對應(yīng)。 k i D I P keke T T ie T T keKku 0 1 增量式PID算法 DDc計(jì)算機(jī)經(jīng)PID運(yùn)算，其輸 出為調(diào)節(jié)閥開度(位置)的增量 (改變量)時(shí)這種PID算法稱為 增量式PID算法。有很多控制 系統(tǒng)的執(zhí)行元件，都要求接受 的是前一次控制量輸出的增量， 如步進(jìn)電機(jī)、多圈電位器等。 因此需要此種算法。 計(jì)算機(jī)PID運(yùn)算的輸出量，為 前后兩次采樣所計(jì)算的位置值 之差，即 因?yàn)?1kukuku 1 0 2111 k i D I P keke

52、T T ie T T keKku 所以 或 2121kekeke T T ke T T kekeKku D I P 2121kekekeKkeKkekeKku DIP 速度式PID算法 DDC計(jì)算機(jī)經(jīng)PID運(yùn)算，其輸 出是指直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動速 度，則此種算法稱為速度式 PID算法。將增量式PID算式， 兩邊除以T，即得速度式PID算 法： 由于T為常數(shù)，增量式和速度 式算法無本質(zhì)區(qū)別。 212 1 1 1 2 kekeke T T ke T keke T K T ku kv D I P 在實(shí)際應(yīng)用中，增量式PID算 法應(yīng)用較多。與位置式相比， 增量式PID的優(yōu)點(diǎn)如下： |a位置式PID算法中的積分項(xiàng)包含了 過去誤差的累積值 ，容易產(chǎn)生 累積誤差，當(dāng)該項(xiàng)累積值很大時(shí)， 使輸出控制量難以減小，調(diào)節(jié)緩慢， 發(fā)生積分飽和，對控制調(diào)節(jié)不利。 由于計(jì)算機(jī)字長的限制，當(dāng)該項(xiàng)值 超過字長時(shí)，又引起積分丟失現(xiàn)象， 增式PID則沒有這種缺點(diǎn)。 |b系統(tǒng)進(jìn)行手動和自動切換時(shí)，增 量式PID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。 k i ie