《數(shù)字調節(jié)器》ppt課件

1、第五章第五章 數(shù)字式調理器數(shù)字式調理器 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 數(shù)字式控制儀表與安裝數(shù)字式控制儀表與安裝, 是計算機是計算機技術通訊技術技術通訊技術顯示技術與控制技術各自不斷開展與相顯示技術與控制技術各自不斷開展與相互結合而產生互結合而產生的的. 其根本功能是對消費過程實行直接數(shù)其根本功能是對消費過程實行直接數(shù)字控制字控制. 一數(shù)字調理器的硬件構成一數(shù)字調理器的硬件構成 消費過程的含義可大可小消費過程的含義可大可小, 消費過程消費過程可以只需一個可以只需一個,也可有假設干個也可有假設干個, 即使只需一個消費過程即使只需一個消費過程, 其中的被控參其中的被控參數(shù)也能夠不止一個數(shù)也能夠不止一個.

2、最簡單情況下最簡單情況下, 由數(shù)由數(shù)字式調理器構字式調理器構成的消費過程直接數(shù)字控制系統(tǒng)框圖如下成的消費過程直接數(shù)字控制系統(tǒng)框圖如下所示所示.RX采樣器采樣器A/DCPUD/A堅持器堅持器執(zhí)行器執(zhí)行器對象對象Y檢測變送器檢測變送器MX上圖中虛線框表示數(shù)字式調理器上圖中虛線框表示數(shù)字式調理器.直接數(shù)字控制系統(tǒng)的組成圖直接數(shù)字控制系統(tǒng)的組成圖由主機電路、過程輸入通道、過程輸出通道、人機接口電路以由主機電路、過程輸入通道、過程輸出通道、人機接口電路以及通訊接口電路等部分組成及通訊接口電路等部分組成人機聯(lián)絡部件人機聯(lián)絡部件 人機聯(lián)絡部件普通置于控制器的正面和側面。人機聯(lián)絡部件普通置于控制器的正面和側面

3、。 正面板的布置類似于模擬式控制器，有丈量值和給正面板的布置類似于模擬式控制器，有丈量值和給定值顯示器、輸出電流顯示器、運轉形狀自動定值顯示器、輸出電流顯示器、運轉形狀自動串級手動切換按鈕、給定值增減按鈕和手動串級手動切換按鈕、給定值增減按鈕和手動操作按鈕等，還有一些形狀顯示燈。操作按鈕等，還有一些形狀顯示燈。 側面板有設置和指示各種參數(shù)的鍵盤、顯示器。側面板有設置和指示各種參數(shù)的鍵盤、顯示器。 顯示器常運用固體器件顯示器，如發(fā)光二極管、熒顯示器常運用固體器件顯示器，如發(fā)光二極管、熒光管和液晶顯示器等。光管和液晶顯示器等。 在有些控制器中附帶后備手操器。在有些控制器中附帶后備手操器。 通訊接口

4、電路通訊接口電路 通訊接口將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)轉換成規(guī)范通訊格式的數(shù)通訊接口將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)轉換成規(guī)范通訊格式的數(shù)字信號，經發(fā)送電路送至通訊線路數(shù)據(jù)通道上；字信號，經發(fā)送電路送至通訊線路數(shù)據(jù)通道上；同時經過接納電路接納來自通訊線路的數(shù)字信號，同時經過接納電路接納來自通訊線路的數(shù)字信號，將其轉換成能被微處置器接受的數(shù)據(jù)。將其轉換成能被微處置器接受的數(shù)據(jù)。 包括通訊接口芯片和發(fā)送、接納電路等。包括通訊接口芯片和發(fā)送、接納電路等。 通訊接口有并行和串行兩種，分別用來進展并行傳通訊接口有并行和串行兩種，分別用來進展并行傳送和串行傳送數(shù)據(jù)。送和串行傳送數(shù)據(jù)。 y(t)t采樣器采樣器y(t)y*(t)y*(t)2

5、T4Tt原始過程信號原始過程信號信號經過采樣器信號經過采樣器采樣后的信號采樣后的信號過程信號采樣過程表示圖過程信號采樣過程表示圖 6T 4T 2Tt y采樣信號采樣信號y(kT)原信號原信號y(t)恢復信號恢復信號yh(t)零階堅持器算式零階堅持器算式y(tǒng)h(kT+t)=y(kT) yh(kT+t)=y(kT) 0t0tT, k=0, T, k=0, 1, 1, 2,2,由于它只是簡單地由于它只是簡單地外推，故只需當外推，故只需當T T足夠小時，零階堅足夠小時，零階堅持器才干較好地恢持器才干較好地恢復原信號。復原信號。二、數(shù)字調理器的硬件構成二、數(shù)字調理器的硬件構成1、監(jiān)控管理程序、監(jiān)控管理程序

6、2、運用程序、運用程序監(jiān)控程序監(jiān)控程序 監(jiān)控程序使控制器各硬件電路能正常任務并實現(xiàn)監(jiān)控程序使控制器各硬件電路能正常任務并實現(xiàn)所規(guī)定的功能，同時完成各組成部分之間的管理。其所規(guī)定的功能，同時完成各組成部分之間的管理。其主要完成的義務有：主要完成的義務有：系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化 中斷管理中斷管理 自診斷處置自診斷處置 鍵處置鍵處置 定時處置定時處置 通訊處置通訊處置掉電處置掉電處置 運轉形狀控制運轉形狀控制 運用程序運用程序 用戶程序是用戶根據(jù)控制系統(tǒng)要求，在系用戶程序是用戶根據(jù)控制系統(tǒng)要求，在系統(tǒng)程序中選擇所需求的功能模塊，并將它統(tǒng)程序中選擇所需求的功能模塊，并將它們按一定的規(guī)那么銜接起來，其作用

7、是使們按一定的規(guī)那么銜接起來，其作用是使控制器完成預定的控制與運算功能。控制器完成預定的控制與運算功能。 運用者編制程序實踐上是完勝利能模塊的運用者編制程序實踐上是完勝利能模塊的銜接，也即組態(tài)任務。銜接，也即組態(tài)任務。 “銜接系統(tǒng)中各功能模塊，使其完成預銜接系統(tǒng)中各功能模塊，使其完成預定的控制義務。定的控制義務。 軟件部分軟件部分計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng) 硬件部分硬件部分控制計算機控制計算機主機、外設、系統(tǒng)總線主機、外設、系統(tǒng)總線消費過程輸入輸出通道消費過程輸入輸出通道人人機聯(lián)絡設備、通訊設備機聯(lián)絡設備、通訊設備 現(xiàn)場儀表變送器、執(zhí)行器等 操作系統(tǒng) 匯編或高級言語、過程控制言語 通訊網(wǎng)絡軟

8、件、診斷程序等 系統(tǒng)軟件 運用軟件 過程輸入/輸出程序、過程控制程序 人機接口程序、打印顯示程序 各種公共子程序 歷史數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫 過程輸入通道包過程輸入通道包括模擬量輸入通括模擬量輸入通道和開關量輸入道和開關量輸入通道。模擬量輸通道。模擬量輸入通道用于銜接入通道用于銜接模擬量輸入信號，模擬量輸入信號，開關量輸入通道開關量輸入通道用于銜接開關量用于銜接開關量輸入信號。輸入信號。 第二節(jié)模擬量輸入第二節(jié)模擬量輸入/ /輸出通道輸出通道 一、模擬量輸入通道一、模擬量輸入通道 將多個模擬量輸入信號分別轉換為將多個模擬量輸入信號分別轉換為CPU所接所接受的數(shù)字量。受的數(shù)字量。 包括多路模擬開關、

9、采樣堅持器和包括多路模擬開關、采樣堅持器和AD轉換器，假設控制器輸入的是低電平信號，轉換器，假設控制器輸入的是低電平信號，還需求信號放大電路，將信號放大到還需求信號放大電路，將信號放大到AD轉換器所需求的信號電平。轉換器所需求的信號電平。 多路模擬開關將多個模擬量輸入信號分別銜多路模擬開關將多個模擬量輸入信號分別銜接到采樣堅持器。它普通采用固態(tài)模擬開接到采樣堅持器。它普通采用固態(tài)模擬開關，其速度可達關，其速度可達105點點s。 采樣堅持器具有暫時存儲模擬輸入采樣堅持器具有暫時存儲模擬輸入信號的作用。它在某一特定的時辰采信號的作用。它在某一特定的時辰采入一個模擬信號值，并把該值堅持一入一個模擬信

10、號值，并把該值堅持一段時間，以供段時間，以供AD轉換器轉換。轉換器轉換。 AD轉換器的作用是將模擬信號轉換轉換器的作用是將模擬信號轉換為相應的數(shù)字量。為相應的數(shù)字量。 常用的常用的AD轉換器有逐位比較型、雙轉換器有逐位比較型、雙積分型和積分型和VF轉換型等幾種。轉換型等幾種。模擬量輸入通道模擬量輸入通道逐位比較型逐位比較型AD轉換器的轉換速度最快，轉換器的轉換速度最快，普通在普通在104次次s以上，缺陷是抗干擾才干以上，缺陷是抗干擾才干差。差。其他兩種其他兩種AD轉換器的轉換速度較慢，通轉換器的轉換速度較慢，通常在常在100次次s以下，但它們的抗干擾才干以下，但它們的抗干擾才干較強。較強。 A

11、D轉換器的位數(shù)有轉換器的位數(shù)有8位、位、10位、位、12位二進制代碼位二進制代碼 位、位、 位二十進制代碼位二十進制代碼 213214開關量輸入通道開關量輸入通道 將多個開關輸入信號轉換成能被計算機識別的數(shù)字將多個開關輸入信號轉換成能被計算機識別的數(shù)字信號。信號。 開關量指的是在控制系統(tǒng)中電接點的通與斷，或者開關量指的是在控制系統(tǒng)中電接點的通與斷，或者邏輯電平為邏輯電平為“1與與“0這類兩種形狀的信號。這些這類兩種形狀的信號。這些開關量信號經過輸入緩沖電路或者直接輸入接口至開關量信號經過輸入緩沖電路或者直接輸入接口至主機電路。主機電路。 為了抑制來自現(xiàn)場的干擾，開關量輸入通道常采用為了抑制來自

12、現(xiàn)場的干擾，開關量輸入通道常采用光電耦合器件作為輸入電路進展隔離傳輸，使通道光電耦合器件作為輸入電路進展隔離傳輸，使通道的輸入與輸出在電氣上相互隔離，彼此間無公共銜的輸入與輸出在電氣上相互隔離，彼此間無公共銜接點，因此具有抗共模干擾的才干。接點，因此具有抗共模干擾的才干。 過程輸出通道過程輸出通道包括模擬量輸包括模擬量輸出通道和開關出通道和開關量輸出通道，量輸出通道，模擬量輸出通模擬量輸出通道用于輸出模道用于輸出模擬量信號，開擬量信號，開關量輸出通道關量輸出通道用于輸出開關用于輸出開關量信號。量信號。 二、模擬量輸出通道二、模擬量輸出通道 模擬量輸出通道依次將多個運算處置后的數(shù)字信號模擬量輸出

13、通道依次將多個運算處置后的數(shù)字信號進展數(shù)模轉換，并經多路模擬開關送入輸出堅持進展數(shù)模轉換，并經多路模擬開關送入輸出堅持電路暫存，以便分別輸出模擬電壓電路暫存，以便分別輸出模擬電壓15V或電或電流流4-20mA信號。信號。 包括包括DA轉換器、多路模擬開關、輸出堅持電路轉換器、多路模擬開關、輸出堅持電路和和VI轉換器。轉換器。 DA轉換器起數(shù)模轉換作用。轉換器起數(shù)模轉換作用。 常采用電流型常采用電流型DA轉換芯片，因其輸出電流小，轉換芯片，因其輸出電流小，尚需加接運算放大器，以實現(xiàn)將二進制數(shù)字量轉換尚需加接運算放大器，以實現(xiàn)將二進制數(shù)字量轉換成相應的模擬量信號。成相應的模擬量信號。 DA轉換芯片

14、有轉換芯片有8位、位、10位、位、12位等種類可供選用。位等種類可供選用。 VI轉換器將轉換器將15V的模擬電壓信號轉換成的模擬電壓信號轉換成420mA的電流信號。的電流信號。 多路模擬開關與模擬量輸入通道中的一樣。多路模擬開關與模擬量輸入通道中的一樣。 輸出堅持電路普通采用輸出堅持電路普通采用SH集成電路，也可集成電路，也可用電容和高輸入阻抗的運算放大器構成。用電容和高輸入阻抗的運算放大器構成。開關量輸出通道開關量輸出通道 開關量輸出通道經過鎖存器輸出開關量，開關量輸出通道經過鎖存器輸出開關量，包括數(shù)字、脈沖量信號，以便控制繼包括數(shù)字、脈沖量信號，以便控制繼電器觸點和無觸點開關的接通與釋放，

15、也電器觸點和無觸點開關的接通與釋放，也可控制步進電機的運轉?？煽刂撇竭M電機的運轉。 開關量輸出通道也常用采用光電耦合器件開關量輸出通道也常用采用光電耦合器件作為輸出電路進展隔離傳輸，以免遭到現(xiàn)作為輸出電路進展隔離傳輸，以免遭到現(xiàn)場干擾的影響。場干擾的影響。 I IOO通道的抗干擾措施通道的抗干擾措施1 1、從方式上分：、從方式上分： 串模干擾串模干擾 共模干擾共模干擾2 2、串模干擾及其抑制方法、串模干擾及其抑制方法 串模干擾是疊加在被測信號上串模干擾是疊加在被測信號上的干擾信號，也稱橫向干擾或正態(tài)的干擾信號，也稱橫向干擾或正態(tài)干擾。干擾。 抑制串模干擾的措施：抑制串模干擾的措施： 加輸入濾波

16、器加輸入濾波器串模干擾信號頻率大于被測信號頻率串模干擾信號頻率大于被測信號頻率低通輸入濾波器低通輸入濾波器串模干擾信號頻率小于被測信號頻率串模干擾信號頻率小于被測信號頻率高通輸入濾波器高通輸入濾波器串模干擾信號在被測信號頻率兩側串模干擾信號在被測信號頻率兩側帶通濾波器。帶通濾波器。 采用帶屏蔽層的雙絞線或同軸電纜銜接一次儀表和轉采用帶屏蔽層的雙絞線或同軸電纜銜接一次儀表和轉換設備換設備 減少電磁感應，使每個小回路的感應電勢相互反相減少電磁感應，使每個小回路的感應電勢相互反相抵消。屏蔽層良好接地，就可防止干擾從傳輸導線竄入抵消。屏蔽層良好接地，就可防止干擾從傳輸導線竄入檢測回路。檢測回路。 利用

17、器件特性抑制干擾利用器件特性抑制干擾 提高閾值電平可抑制低噪聲干擾；采用低速邏輯器提高閾值電平可抑制低噪聲干擾；采用低速邏輯器件或加電容器降低速度，可以抑制高頻干擾。件或加電容器降低速度，可以抑制高頻干擾。 采用數(shù)字濾波技術采用數(shù)字濾波技術 平均值法、中值法、一階濾波法等平均值法、中值法、一階濾波法等3 3、共模干擾及其抑制方法、共模干擾及其抑制方法 共模干擾是指同時加到計算機控制系統(tǒng)兩個輸入共模干擾是指同時加到計算機控制系統(tǒng)兩個輸入端上的公有的干擾電壓。端上的公有的干擾電壓。 抑制共模干擾的主要措施：抑制共模干擾的主要措施： 采用共模抑制比高的、雙端輸入運算放大器采用共模抑制比高的、雙端輸入

18、運算放大器. . 采用光耦合器或變壓器隔離采用光耦合器或變壓器隔離I IO O接口和通道還應采取下述幾種措施：接口和通道還應采取下述幾種措施： 盡量縮短信號線的長度。盡量縮短信號線的長度。 不用的輸入端子不能懸空，必需經過負載電不用的輸入端子不能懸空，必需經過負載電阻接到電源線上。阻接到電源線上。 為防止電磁感應，信號線應采用屏蔽線為防止電磁感應，信號線應采用屏蔽線 二、模擬量輸出通道二、模擬量輸出通道1 1、模擬化設計方法、模擬化設計方法 數(shù)字控制器的模擬化設計是將圖所示的計算機控制系統(tǒng)看作是一個延續(xù)系統(tǒng)，然后采用延續(xù)系統(tǒng)設計方法設計出模擬控制器，在滿足一定條件下，做出某種近似，從而將模擬控

19、制器離散化成數(shù)字控制器。 一、兩種設計方法一、兩種設計方法第三節(jié) 數(shù)字式PID調理器2、數(shù)字化設計 將計算機控制系統(tǒng)看成一個離散系統(tǒng)，利用離散系統(tǒng)實際，根據(jù)系統(tǒng)性能目的要求直接求出數(shù)字控制器按模擬系統(tǒng)的設計方法設計調理器離散化數(shù)字控制器的算法系統(tǒng)動態(tài)構造雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)構造圖 U*n Uc-IdLnUd0Un+- +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E-IdLUd0Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*iUcKs Tss+1Id1Ce+E T0is+11 T0is+1ASR1 T0ns+1 T0ns+1U*nn

20、電流內環(huán)圖2-22 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)構造圖 轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。1、系統(tǒng)設計對象2. 系統(tǒng)設計原那么 系統(tǒng)設計的普通原那么： “先內環(huán)后外環(huán) 從內環(huán)開場，逐漸向外擴展。在這里，首先設計電流調理器，然后把整個電流環(huán)看作是轉速調理系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設計轉速調理器。設計分為以下幾個步驟：1.電流環(huán)構造圖的簡化2.電流調理器構造的選擇3.電流調理器的參數(shù)計算4.電流調理器的實現(xiàn)電流調理器的設計電流調理器的設計電流環(huán)構造圖的簡化簡化內容：忽略反電動勢的動態(tài)影響 等效成單位負反響系統(tǒng) 小慣性環(huán)節(jié)近似處置 忽略反電動勢的動態(tài)影響 在按動態(tài)性能設計電流環(huán)時，可以暫不思索反電動勢變化的動態(tài)影響，即E

21、0。這時，電流環(huán)如以下圖所示。 Ud0(s)+-Ui (s)ACR1/RTl s+1U*i(s)Uc (s)Ks Tss+1Id (s) T0is+11 T0is+1電流環(huán)的動態(tài)構造圖及其化簡 等效成單位負反響系統(tǒng) 假設把給定濾波和反響濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內，同時把給定信號改成U*i(s) / ，那么電流環(huán)便等效成單位負反響系統(tǒng)圖2-23b。 +-ACRUc (s)Ks /R (Tss+1)(Tl s+1)Id (s)U*i(s) T0is+1圖2-23b 小慣性環(huán)節(jié)近似處置 最后，由于Ts 和 T0i 普通都比Tl 小得多，可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為 Ti

22、 = Ts + Toi (2-55) 簡化的近似條件為 oisci131TT(2-56) 電流環(huán)構造圖最終簡化成以下圖+-ACRUc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)+-ACRUc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)控制系統(tǒng)等效延續(xù)環(huán)節(jié)調理器脈沖傳送函數(shù)采樣、堅持數(shù)字控制器模擬化分析延續(xù)系統(tǒng)實際離散化分析離散系統(tǒng)實際數(shù)字化 數(shù)字頻域法設計步驟1經過z變換，將延續(xù)的被控對象模型轉換成離散系統(tǒng)模型；2經過w變換，將離散系統(tǒng)的z域模型轉換成頻域模型；3采用頻域設計方法，進展系統(tǒng)設計。 可利用經典頻域設計法，如Bode圖工具。二

23、、PID控制算式 為了實現(xiàn)微機控制消費過程變量，必需將模擬PID算式離散化，變?yōu)閿?shù)字PID算式。TskekedtdejeTsedtkjt) 1()()(00Ts:Ts:采樣周期采樣周期離散化方法：離散化方法：dtdeTedtTeKpDIP1矩形計算法向后差分法1、位置式PID算式：)1()()()()(0kekeTsTjeTTskeKkpkjDIpp(k)p(k)第第k k次采樣時數(shù)字調理器輸出值次采樣時數(shù)字調理器輸出值e(k)e(k)第第k k次采樣時的偏向值次采樣時的偏向值優(yōu)點：便于計算機運算的實現(xiàn)優(yōu)點：便于計算機運算的實現(xiàn)缺陷：缺陷：1.1.計算繁瑣、占用的計算機內存很大計算繁瑣、占用的

24、計算機內存很大 2. 2.輸出的是實踐運用閥位值輸出的是實踐運用閥位值 位置式算式是一種根本的算式位置式算式是一種根本的算式,在此根底上在此根底上,可導出以下算可導出以下算式式2 2、增量型、增量型PIDPID控制算式控制算式)2() 1(2)()()1()()2() 1() 1()( )()()1()() 1()()(111kekekeTsTkeTTskekeKkekekekeTsTieieTTskekeKkpkpkpDIpDkikiIp第第(k-1)(k-1)次采樣有：次采樣有：11)2() 1()() 1() 1(kisDIsPkekeTTieTTkeKkp兩次采樣計算機輸出的增量為：兩

25、次采樣計算機輸出的增量為：增量型增量型PIDPID控制算法控制算法( (續(xù)續(xù)) ) )2() 1(2)()()1()()(kekekeKkeKkekeKkpDIp數(shù)字調理器輸出的增量為：數(shù)字調理器輸出的增量為： KI KI積分系數(shù)積分系數(shù)IspITTKKKDKD微分系數(shù)微分系數(shù)sDPDTTKK優(yōu)點：優(yōu)點：1.1.計算機運算所需的內存較小、計算也相對簡單計算機運算所需的內存較小、計算也相對簡單; ;2.2.每次只是輸出增量，誤動作??；每次只是輸出增量，誤動作??；3.3.易于系統(tǒng)手動和自動間的無擾動切換易于系統(tǒng)手動和自動間的無擾動切換 利用增量型PID控制算法，可得到位置型PID控制算法的遞推方式

26、，即)() 1()(kpkpkp三、PID控制算式的變型 不完全微分PID控制算法 積分分別PID控制算法 帶死區(qū)的PID控制算法 微分先行PID控制 1、不完全微分PID控制算法 上式中的微分項是理想微分算式，其缺陷是微分上式中的微分項是理想微分算式，其缺陷是微分作用時間短作用時間短, 僅在偏向變化瞬間有輸出，控制效果不僅在偏向變化瞬間有輸出，控制效果不好。當瞬時偏向變化較大時，在一個采樣周期內理想好。當瞬時偏向變化較大時，在一個采樣周期內理想微分輸出值能夠很大，引起計算機的溢出，同時理想微分輸出值能夠很大，引起計算機的溢出，同時理想微分的抗干擾才干很差。作為改良可采用非理想微分微分的抗干擾才干很差。作為改良可采用非理想微分PID算式。延續(xù)的非理想微分算式。延續(xù)的非理想微分PID算式的傳送函數(shù)為算式的傳送函數(shù)為:)111 ()()(sKTsTsTKsEsPDDDIP注：不完全微分可看作是過程變量先經過完全微分環(huán)節(jié)，然后再經一階慣性濾波環(huán)節(jié)，據(jù)此進展離散化操作。 將上式分成兩部分將上式分成兩部分:上式中上式中:)111 ()()(sKTsTsTKsEsPDDDIP)()()(sPsPsPDPI)()11 ()(sEsTKsPIPPI)(1)(sEsKTsTKsPDDDPD式式(13)位