計算機控制系統(tǒng)

第五章計算機控制系統(tǒng)本章主要內(nèi)容●計算機控制系統(tǒng)的一般概念●計算機控制系統(tǒng)的分類●計算機測試系統(tǒng)●直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC及其PID算法●計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)●提高計算機控制系統(tǒng)可靠性的措施5.1概述1、計算機控制的必要性在20世紀(jì)50～60年代，模擬反饋控制作為過程控制的主要手段，基本上能解決各類簡單控制問題。

(1)隨著設(shè)備大型化和工藝的復(fù)雜化，如系統(tǒng)間相互耦合的多變量系統(tǒng)和大滯后時間系統(tǒng)等復(fù)雜系統(tǒng)，對控制技術(shù)的要求越來越高。(2)提高大型設(shè)備的安全性和可靠性，對運行最優(yōu)化、集中監(jiān)視等功能的要求也就更加突出。(3)大量的運行數(shù)據(jù)要實時連續(xù)收集，要進行運行工況的判斷和設(shè)備的保護，反饋控制、前饋控制、順序控制、多變量控制等各種控制方式都會經(jīng)常出現(xiàn)，需要綜合運用。(4)還有系統(tǒng)仿真、數(shù)理統(tǒng)計、概率論、模糊數(shù)學(xué)、人工智能等各種先進學(xué)科知識所構(gòu)成的模型需要實時運行，以指導(dǎo)生產(chǎn)。這樣多的問題是原有模擬技術(shù)所無法解決的，迫使人們?nèi)ゲ捎酶冗M的計算機和計算機控制方式。當(dāng)前，計算機控制已遍布生產(chǎn)、能源、交通等一切社會生產(chǎn)部門，產(chǎn)生了巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。由于計算機控制的普及，現(xiàn)今控制的含義已經(jīng)不是單指溫度、流量、壓力等物理量的自動調(diào)整，而是指包括對象在內(nèi)的整個系統(tǒng)的安全保護、有效管理和穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，是一個系統(tǒng)工程。計算機控制的含義：在控制裝置中采用電子計算機，并利用其高度功能進行控制。2計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中，計算機技術(shù)和自動化技術(shù)是發(fā)展最迅速的兩個分支，計算機控制技術(shù)是這兩個分支相結(jié)合的產(chǎn)物，是工業(yè)自動化的重要支柱。其大致經(jīng)歷了：

1946年，電子數(shù)字計算機問世；

20世紀(jì)50年代末，第一臺計算機應(yīng)用于控制，開始了轟轟烈烈的計算機工業(yè)應(yīng)用的時代。計算機造價很高，可靠性和穩(wěn)定性差；

1965-1969年間由于小型、微型計算機的出現(xiàn)，計算機用于過程控制進入實用和普及階段；

1975年美國HONEYWELL公司和日本橫河電機株式會社分別推出新型的集散控制系統(tǒng)DCS（DistributedControlSystem）。這類系統(tǒng)實現(xiàn)控制分散，危險分散，操作、監(jiān)測和管理集中，采用分級遞階的分布式結(jié)構(gòu)，使當(dāng)時陷入困境的計算機集中控制和直接數(shù)字控制（DirectDigitalControl—DDC）得到新生，并在全球迅速推廣應(yīng)用。

80年代中后期，開始有了開放式的通訊系統(tǒng)，即現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(FCS-FieldbusControlSystem)，可以實現(xiàn)多層次計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的管理—控制一體化。可見，計算機控制系統(tǒng)大體上經(jīng)歷了三個階段。（1）1965年以前是試驗階段。（2）1965一1969年是計算機控制進入實用和開始逐步普及的階段。（3）1970年以后計算機控制進入了大量推廣和分級控制階段。3、模擬控制系統(tǒng)與計算機控制系統(tǒng)的比較

（1）模擬控制系統(tǒng)◆控制原理：檢測偏差，按偏差進行控制，減少或消除偏差。模擬調(diào)節(jié)器執(zhí)行器被控對象測量變送器設(shè)定值reu被控參數(shù)y圖a

單回路常規(guī)模擬控制系統(tǒng)方框圖ym（2）計算機控制系統(tǒng)◆控制原理：檢測偏差，按偏差進行控制，減少或消除偏差。u計算機保持器執(zhí)行器＋被控對象測量變送器e(kT)u(kT)被控參數(shù)y圖b

單回路計算機控制系統(tǒng)方框圖ym采樣器A/DD/A計算機系統(tǒng)設(shè)定值r計算機控制系統(tǒng)與模擬控制系統(tǒng)相同之處：1）兩者基本結(jié)構(gòu)相同。都有被控對象、測量元件和變送器、執(zhí)行器和控制器組成；2）調(diào)節(jié)原理和調(diào)節(jié)過程相同。都是基于“檢測偏差，糾正偏差”的控制原理；3）在系統(tǒng)的對象、執(zhí)行元件、檢測元件等環(huán)節(jié)內(nèi)部的運動規(guī)律與模擬控制系統(tǒng)相同。計算機控制系統(tǒng)與模擬控制系統(tǒng)不同之處：◆在計算機控制系統(tǒng)中，計算機代替了模擬控制器；對控制對象的參數(shù)、狀態(tài)信息的檢測和控制結(jié)果的輸出在時間上是斷續(xù)（離散）的；對檢測信號的分析計算是數(shù)字化的，而在模擬控制系統(tǒng)中則是連續(xù)的。◆在常規(guī)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的控制規(guī)律是用硬件電路實現(xiàn)的，改變控制規(guī)律就要改變硬件；而在微型計算機控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是用程序?qū)崿F(xiàn)的，改變控制規(guī)律只需改變程序。（3）計算機控制系統(tǒng)的控制過程計算機控制系統(tǒng)的控制過程分為以下三個步驟：

1)實時數(shù)據(jù)采樣對被控參數(shù)的瞬時值進行檢測，并輸入。

2)實時判斷，判斷被控參數(shù)當(dāng)前值與給定值的偏差。

3)實時控制根據(jù)偏差，作出控制決策，適時適量地向控制機構(gòu)發(fā)出控制信號。注：

對微處理器來講，控制過程的三個步驟，實際上只是執(zhí)行算術(shù)和邏輯運算、輸入操作、輸出操作。這是一種不斷重復(fù)的過程，目的是使整個系統(tǒng)能夠按照一定動態(tài)品質(zhì)進行工作。

所謂“實時”是指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范圍內(nèi)完成，超出這個時間，就失去了控制的時機。實時的概念不能脫離具體過程。（在線、原位）（4）計算機控制系統(tǒng)的優(yōu)點1）程序控制，組成方式靈活。任何一種控制規(guī)律的實現(xiàn)，都可以程序化，而控制規(guī)律的改變，只不過是程序的改變而已。2）綜合控制，能實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律。計算機是控制系統(tǒng)的中心，可以充分發(fā)揮它的軟件功能與分時本領(lǐng)（斷續(xù)采樣、處理和控制），以實現(xiàn)多變量、多回路、多對象、多工況、變參數(shù)和自適應(yīng)的綜合控制。3）能實現(xiàn)硬件難以完成的功能，既簡化了硬件線路又提高了可靠性。4）能獲取更大的經(jīng)濟和社會效益。5.2計算機控制系統(tǒng)的組成及分類軟件部分計算機控制系統(tǒng)硬件部分控制計算機主機、外設(shè)、系統(tǒng)總線過程輸入輸出通道(外圍設(shè)備)人—機聯(lián)系設(shè)備、通信設(shè)備

現(xiàn)場儀表（測量傳感器、執(zhí)行機構(gòu)等）

操作系統(tǒng)匯編或高級語言、過程控制語言通信網(wǎng)絡(luò)軟件、診斷程序等

系統(tǒng)軟件

應(yīng)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)庫一、計算機控制系統(tǒng)的組成二、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)（DAS）

DAS(DataAcquisitionSystem)結(jié)構(gòu)如下圖：

……數(shù)

字計算機CRT打印機報警過程輸入通道

測量變送測量變送被控生產(chǎn)過程執(zhí)行機構(gòu)

人

……DAS作用：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作是對大量的過程狀態(tài)參數(shù)實現(xiàn)巡回檢測、數(shù)據(jù)存貯記錄、數(shù)據(jù)處理(計算、統(tǒng)計、整理)、進行實時數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)越限報警等功能。嚴(yán)格講，它不屬于計算機控制，因為在這種應(yīng)用方式中，計算機不直接參與過程控制，對生產(chǎn)過程不產(chǎn)生直接影響，但對指導(dǎo)生產(chǎn)操作具有積極作用。2、直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)

DDC(DirectDigitalControl)結(jié)構(gòu)如下圖：直接數(shù)字控制(DDC)計算機CRT打印機報警操作臺過程輸入通道

測量變送測量變送被控生產(chǎn)過程過程輸出通道執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)

……

……作用：直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC分時地對被控對象的狀態(tài)參數(shù)進行測試，并根據(jù)測試的結(jié)果與給定值的差值，按照預(yù)先制定的控制算法進行數(shù)字分析、運算后，輸出控制量直接作用在調(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)對被控對象的自動調(diào)節(jié)。與測試系統(tǒng)相比，DDC具有自身所特有的功能：即“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”

優(yōu)點：計算機可代替模擬調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)幾十個甚至更多的單回路PID控制；通過改變程序，而不必改變硬件，就能有效地實現(xiàn)新型控制規(guī)律和較復(fù)雜的控制，如串級控制、前饋控制、自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制等；此外還能集中顯示和控制。3、監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）SCC級計算機CRT打印機報警DDC級計算機或模擬調(diào)節(jié)器輸入通道輸出通道被控生產(chǎn)過程操作臺輸入通道給定值作用：

監(jiān)督控制系統(tǒng)是一種兩級計算機控制系統(tǒng)。SCC級計算機按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型，進行最優(yōu)化分析，計算出最佳給定值，送給模擬調(diào)節(jié)器或者DDC計算機。由模擬調(diào)節(jié)器或DDC計算機控制生產(chǎn)過程，從而使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況。

SCC系統(tǒng)較DDC系統(tǒng)更接近生產(chǎn)變化實際情況，它不僅可以進行給定值控制，同時還可以進行順序控制、最優(yōu)控制等。優(yōu)點：實現(xiàn)最優(yōu)化控制，達到省料、高產(chǎn)、低耗目的；生產(chǎn)安全性高。例子：實驗者對烘箱飛溫的控制。4、分級計算機控制系統(tǒng)分級控制一般分三級，即生產(chǎn)管理級MIS、監(jiān)督控制級（SCC）和直接數(shù)字控制級（DDC）。生產(chǎn)管理級MIS又分為企業(yè)級和廠級。該系統(tǒng)將控制功能分散，用多臺計算機分別執(zhí)行不同的控制功能，既能進行控制，又能實現(xiàn)管理。圖5-7所示為一個四級系統(tǒng)，各級功能如下：分級計算機控制：

過程控制級；監(jiān)督控制級；生產(chǎn)管理級等

經(jīng)營決策企業(yè)管理廠級管理監(jiān)督控制過程控制第五級：企業(yè)決策，生產(chǎn)規(guī)劃第四級：供銷,財務(wù),計劃,管理等第三級：廠級生產(chǎn)調(diào)度，優(yōu)化第二級：先進控制，過程優(yōu)化第一級：單元自動化,簡單控制生產(chǎn)過程

5、集散型控制系統(tǒng)（TDCS）集散型控制系統(tǒng)以微機為核心，把微機、工業(yè)PC機、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、顯示操作裝置、輸出通道等有機地結(jié)合起來，實現(xiàn)地理上和功能上的分散控制，又通過高速數(shù)據(jù)通道把各個分散點的信息集中監(jiān)視和操作，并實現(xiàn)高級復(fù)雜規(guī)律的控制。三部分組成：集中管理部分，分散控制檢測部分和通信部分。集中管理部分可分為工程師站、操作站和管理計算機。工程師站主要用于組態(tài)和維護；操作站則用于監(jiān)視和操作；管理計算機用于全系統(tǒng)的信息管理和優(yōu)化控制。分散控制檢測部分按功能可分為監(jiān)測站和現(xiàn)場控制站，它用于控制和監(jiān)測。通信部分連接集散型控制系統(tǒng)的各個分布部分，完成數(shù)據(jù)、指令及其它信息的傳遞。

“管理集中、控制分散”設(shè)計原則：

采用分散控制（分級分布式控制）、集中管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計原則。特點：◆硬件組裝積木化。易實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律◆軟件模塊化；

◆可靠性高；◆有方便的組態(tài)軟件，豐富的控制算法；◆先進的通訊網(wǎng)絡(luò)，開放的聯(lián)網(wǎng)能力；◆電纜和敷纜成本低，施工周期短。

DCS系統(tǒng)已成為過程控制系統(tǒng)，特別是大中型流程工業(yè)企業(yè)中控制系統(tǒng)的主流。集散型控制系統(tǒng)（相關(guān)文獻介紹）DCS是分散控制系統(tǒng)的簡稱，國內(nèi)一般習(xí)慣稱為集散控制系統(tǒng)。它是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機（Computer）、通訊（Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）等4C技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態(tài)方便。DCS的結(jié)構(gòu)

DCS系統(tǒng)主要有現(xiàn)場控制站（I/O站）、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、人機接口單元（操作員站OPS、工程師站ENS）、機柜、電源等組成。從結(jié)構(gòu)上劃分，DCS包括過程級、操作級和管理級。過程級主要由過程控制站、I/O單元和現(xiàn)場儀表組成，是系統(tǒng)控制功能的主要實施部分。操作級包括：操作員站和工程師站，完成系統(tǒng)的操作和組態(tài)。管理級主要是指工廠管理信息系統(tǒng)（MIS系統(tǒng)）。

實現(xiàn)“管理集中、控制分散”6、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）

上世紀(jì)九十年代走向?qū)嵱没默F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，正以迅猛的勢頭快速發(fā)展，是目前世界上最新型的控制系統(tǒng)。定義：是指將現(xiàn)場智能設(shè)備（如數(shù)字傳感器、變送器、儀表與執(zhí)行機構(gòu)等）與工業(yè)過程控制單元、現(xiàn)場操作站等互連而成的計算機網(wǎng)絡(luò)（局域網(wǎng)）。作用：主要用于現(xiàn)場的智能化儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)、I/O模塊等現(xiàn)場設(shè)備間的信息傳遞。特點：◆具有全數(shù)字化、分散、雙向傳輸和多分支的特點，是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)向現(xiàn)場級發(fā)展的產(chǎn)物?！舨捎矛F(xiàn)場總線技術(shù)進行數(shù)字通信，而不再用模擬信號通過電線、電纜互連，信號傳遞方式發(fā)生了根本性變化，信號傳遞更加可靠、經(jīng)濟、各個儀表及裝置之間的互連更加方便靈活?！舨捎矛F(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)成的分散控制系統(tǒng)，其控制功能將更加分散，系統(tǒng)構(gòu)成將更加靈活、可靠性更高?，F(xiàn)場總線(FieldBus)的層次可以分為三個層次：◆SensorBus：面向的是簡單的數(shù)字傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，主要傳輸狀態(tài)信息，網(wǎng)上交換的數(shù)據(jù)單元是位（bit）；◆

DeviceBus：面向的是模擬傳感器和執(zhí)行器，主要傳輸模擬信號的采集轉(zhuǎn)換值、校正與維護信息等，網(wǎng)上交換的數(shù)據(jù)單元是字節(jié)（Byte）；◆

FieldBus：面向的是控制過程，除了傳輸數(shù)字與模擬信號的直接信息外，還可傳輸控制信息，即FieldBus上的結(jié)點可以是過程控制單元（PCU），F(xiàn)ieldBus網(wǎng)絡(luò)交換的數(shù)據(jù)單元是幀（Frame）?！颋CS根據(jù)計算機的硬件不同分類

FCS可以由PLC發(fā)展而來的，也可由DCS發(fā)展而來，所以FCS與PLC及DCS之間既有聯(lián)系，又有本質(zhì)差異?！艋趩纹瑱C的簡單控制系統(tǒng)◆基于IPC（工業(yè)PC機）◆基于PLC（可編程序控制器

）◆基于各種類型DCS◆基于現(xiàn)場總線儀表的FCS

PLC是一種數(shù)字控制專用電子計算機，它使用了可編程序存儲器儲存指令，執(zhí)行諸如邏輯、順序、計時、計數(shù)與演算等功能，并通過模擬和數(shù)字輸入、輸出等組件，控制各種機械或工作程序。

PLC、DCS及FCS系統(tǒng)的區(qū)別◆

PLC主要用于工業(yè)過程中的順序控制，新型PLC也兼有閉環(huán)控制功能。PLC對于順序控制有其獨特的優(yōu)勢。PLC既可作為獨立DCS，也可作為DCS的子系統(tǒng)。

◆DCS是集4C（Communication，Computer，

Control、CRT）技術(shù)于一身的監(jiān)控技術(shù)。DCS系統(tǒng)的關(guān)鍵是通信（數(shù)據(jù)公路）。各公司產(chǎn)品不能互換，不能互操作，大DCS系統(tǒng)是各家不同的?！鬎CS全數(shù)字化、智能、多功能取代模擬式單功能儀器、儀表、控制裝置；多變量、多節(jié)點、串行、數(shù)字通信系統(tǒng)取代單變量、單點、并行、模擬系統(tǒng)；用兩根線聯(lián)接分散的現(xiàn)場儀表、控制裝置、PID與控制中心，取代每臺儀器兩根線。

FCS系統(tǒng)的核心是總線協(xié)議，即總線標(biāo)準(zhǔn)；FCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場裝置；FCS系統(tǒng)的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化?！?/p>

PLC能以毫秒級的速度掃描；DCS則只能以秒級速度（每秒2~5次）掃描；FCS的每秒10~20次?！?/p>

DCS系統(tǒng)是封閉式系統(tǒng)，各公司產(chǎn)品基本不兼容。而FCS系統(tǒng)是開放式系統(tǒng)，兼容各種設(shè)備連入現(xiàn)場總線，達到最佳的系統(tǒng)集成。◆

DCS系統(tǒng)的信息全都是二進制或模擬信號形成的，必須有D/A與A/D轉(zhuǎn)換。而FCS系統(tǒng)是全數(shù)字化，就免去了D/A與A/D變換，高集成化高性能?！?/p>

DCS可以控制和監(jiān)視工藝全過程，對自身進行診斷、維護和組態(tài)。但無法進行遠(yuǎn)方診斷、維護和組態(tài)。FCS采用全數(shù)字化技術(shù)（雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制），可以對現(xiàn)場裝置（含變送器、執(zhí)行機構(gòu)等）進行遠(yuǎn)方診斷、維護和組態(tài)?！?/p>

FCS由于信息處理現(xiàn)場化，與DCS相比可以省去相當(dāng)數(shù)量的隔離器、端子柜、I/O終端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，同時也節(jié)省了I/O裝置及裝置室的空間與占地面積。有專家認(rèn)為可以省去60%。

◆

FCS相對于DCS組態(tài)簡單，由于結(jié)構(gòu)、性能標(biāo)準(zhǔn)化，便于安裝、運行、維護。5.3A/D和D/A轉(zhuǎn)換器

1、計算機控制系統(tǒng)的信號形式計算機內(nèi)信號的處理和傳遞過程如下圖：上圖顯示計算機內(nèi)信號的處理過程：采樣、量化、計算和保持，該過程包括的信號類型有：連續(xù)模擬信號:時間與幅值上均連續(xù)，如y(t)、u(t)離散模擬信號:時間上離散，幅值上連續(xù)，如y*(t)、u*(t)連續(xù)數(shù)字信號:時間是連續(xù)的，幅值上已是數(shù)字量離散數(shù)字信號:時間離散的，幅值為數(shù)字量，如y(kT)、u(kT)采樣器S

A/D計算機D/A保持器Hy(t)y*(t)

y(kT)

u(kT)

u*(kT)

u(t)在對工業(yè)現(xiàn)場進行控制時，一般測量變送器和執(zhí)行器采用模擬量參數(shù)，要實現(xiàn)計算機與控制器件的聯(lián)系就要通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)進行連接。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的裝置，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC

數(shù)/模轉(zhuǎn)換器是能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的裝置，簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC2、

D/A轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器是一種把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的器件。一個n位二進制數(shù)，具有2n個二進制數(shù)的組合，因此要有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)，這些模擬電信號可由特定的電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生。該網(wǎng)絡(luò)由電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬切換開關(guān)、基準(zhǔn)電源和運算放大器等基本部分組成。電阻網(wǎng)絡(luò)是D/A的主要部分。

（1）D/A轉(zhuǎn)換器原理4位倒R-2R型D/A轉(zhuǎn)換器簡介。電路結(jié)構(gòu)原理圖如下，整個電路由相同的電路環(huán)節(jié)組成，每個環(huán)節(jié)有兩個電阻和一個模擬開關(guān)。圖中模擬開關(guān)S0-S3投向1，表示此電流流過反饋電阻Rf；投向0電流不流過反饋電阻Rf。Ur是基準(zhǔn)電壓,U0是模擬輸出電壓。倒R-2R型轉(zhuǎn)換器電阻網(wǎng)絡(luò)中，不管模擬開關(guān)狀態(tài)如何，各支路電流大小不變，開關(guān)狀態(tài)僅決定電流是流向運算放大器的虛地端還是流向地端。因此此電阻網(wǎng)絡(luò)可等效為如下電路：從電路各節(jié)點向左看，各節(jié)點對地的等效電阻均為R，故基準(zhǔn)電壓UR輸出的電流恒為IR＝UR/R；因此從輸入數(shù)字信號的高位到低位。流過4個2R電阻的電流分別為：可見，模擬輸出電壓與輸入數(shù)碼(d0、d1、d2…)成正比。倒R-2R型D/A轉(zhuǎn)換器的特點：無論電子開關(guān)是開或關(guān)（數(shù)字輸入為1或0），流過電阻2R的電流不變，因此電阻分布電容沒有充放電問題，轉(zhuǎn)換速度快；電路結(jié)構(gòu)的電阻只有兩種，易于集成并保證電阻的公差和溫度跟蹤，可得到較高的轉(zhuǎn)換精度；從參考電壓端向電阻網(wǎng)絡(luò)看，等效電阻不隨開關(guān)位置的變化而變化，始終為R，這對參考電壓的負(fù)載能力要求可大大降低。（2）選擇原則◆分辨率（D/A的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比）或精度◆轉(zhuǎn)換時間（轉(zhuǎn)換頻率）◆數(shù)字輸入輸出特性◆性能價格比3、A/D轉(zhuǎn)換器

A／D轉(zhuǎn)換器是一種能在規(guī)定精度和分辨率內(nèi)，把連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成與之成正比的數(shù)字信號的器件。●類型◆雙積分式A/D◆計數(shù)器式A/D◆逐次逼近式A/D◆快速A/D●選擇原則◆采樣頻率采樣轉(zhuǎn)換頻率與采樣時間成反比，其與A/D的位數(shù)、形式及輸入信號大小有關(guān)。信號頻域分析時，最小采樣頻率必須大于或等于信號中最高頻率的2倍；時域分析時為10倍。一般測試對象為動態(tài)參數(shù)，采樣頻率選擇盡可能高一些；測試對象為靜態(tài)參數(shù)，則采樣頻率可選低一些。

◆分辨率A/D的分辨率是指輸出數(shù)字量最低位變化一個數(shù)碼時，對應(yīng)輸入模擬量的變化量。利用它可以決定使輸出數(shù)碼增加(或減少)一位所需要的輸入信號最小變化量。即有：分辨率D＝1/2n。其中n為A/D的位數(shù)，n愈高，測量誤差愈小，轉(zhuǎn)換精度高，但是成本也高。國內(nèi)外的A/D芯片多為8位、10位和12位等?！艟葹檩斎肽M信號的實際電壓值與被轉(zhuǎn)成數(shù)字信號的理論電壓值之間的差值。分辨率決定轉(zhuǎn)換器的精度，甚至整個測試系統(tǒng)的精度?！舨蓸狱c數(shù)進行時域分析時，采樣點數(shù)盡可能多一些。進行頻域分析時，采樣點數(shù)一般取2的冪數(shù)?！粜阅軆r格比5.4計算機測試系統(tǒng)一、

計算機測試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)計算機測試系統(tǒng)可以用于智能儀表、工業(yè)過程測試和智能測試，從而構(gòu)成不同的計算機測試系統(tǒng)。這些系統(tǒng)盡管形式不同，但其工作過程是相同的，都是首先通過傳感器將非電量變換成模擬量，然后再進行采集并變成數(shù)字量，再送到計算機去進行處理、傳輸、顯示、存儲或打印。測試系統(tǒng)一般由輸入通道、主機算機和輸出通道構(gòu)成。其硬件包括傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、輸入/輸出接口電路、計算機等。測試系統(tǒng)的工作過程可歸納為：

數(shù)據(jù)采集是將被測量相對應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換為計算機能夠識別的信號并輸入給計算機；

數(shù)據(jù)處理是由計算機執(zhí)行以測試為目的的算法程序后，得到與被測參數(shù)相對應(yīng)的測量值（過程測試），或形成相應(yīng)的決策與判斷（智能測試），或者作出決定性的預(yù)測預(yù)報（專家智能型測試）；

數(shù)據(jù)輸出是將處理結(jié)果送給輸出設(shè)備，顯示、打印或繪制成圖形。根據(jù)“所測信號的特性、測試系統(tǒng)的性能要求和性能價格比最優(yōu)”原則，可以把計算機測試系統(tǒng)分為以下幾種結(jié)構(gòu)。（1）單通道數(shù)據(jù)采集被測的模擬信號只有一個。

（2）多通道數(shù)據(jù)采集

被測的模擬信號有兩個或兩個以上。常用以下幾種結(jié)構(gòu)形式。A）多路A/D轉(zhuǎn)換方式：優(yōu)點：通道數(shù)增加時，最高采樣頻率不受影響；可同時采集多路信號，能保持各信號的同步關(guān)系。缺點：成本較高，體積較大。用于高速數(shù)據(jù)采集和同時采集多路數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。

B）多路共享A/D轉(zhuǎn)換方式：優(yōu)點：采樣保持電路用同一信號控制時，可采集多路信號，能同時保證各信號間同步關(guān)系；成本和體積較A）轉(zhuǎn)換方式為小。缺點：通道數(shù)增加時，最高采樣頻率受影響；轉(zhuǎn)換速度較慢，各通道得到的信號是斷續(xù)的。主要用于采集頻率要求不高的多路信號采集系統(tǒng)。

C）多路開關(guān)方式：優(yōu)點：節(jié)省硬件，成本低。缺點：采集多通道信號時，不能采得同一時刻的各種參數(shù)；轉(zhuǎn)換速度最慢，各通道得到的信號是斷續(xù)的。主要用于采集多路變化緩慢的信號。

二、數(shù)據(jù)采集

1、計算機控制系統(tǒng)的信號形式計算機內(nèi)信號的處理和傳遞過程如下圖：上圖顯示計算機內(nèi)信號的處理過程：采樣、量化、計算和保持，該過程包括的信號類型有：連續(xù)模擬信號:時間與幅值上均連續(xù)，如y(t)、u(t)離散模擬信號:時間上離散，幅值上連續(xù)，如y*(t)、u*(t)連續(xù)數(shù)字信號:時間是連續(xù)的，幅值上已是數(shù)字量離散數(shù)字信號:時間離散的，幅值為數(shù)字量，如y(kT)、u(kT)采樣器S

A/D計算機D/A保持器Hy(t)y*(t)

y(kT)

u(kT)

u*(kT)

u(t)2、采樣：采樣是每隔一定時間間隔把連續(xù)信號抽樣成時間上離散信號的過程。采樣周期T：兩次采樣之間的時間間隔；采樣時間：采樣保持時間稱為采樣時間；其遠(yuǎn)小于T。理論上采樣不需要保持操作，但由于A/D轉(zhuǎn)換需要時間，為了減少在轉(zhuǎn)換過程中信號變化帶來的影響，采樣后的信號在時間內(nèi)將保持幅值不變，直到完成變換。相應(yīng)電路稱采樣保持電路（S/H）y(t)t采樣器y(t)y*(t)采樣周期長，信號不能復(fù)現(xiàn)T短，信號可以復(fù)現(xiàn)香農(nóng)采樣定理：

一個帶寬有限(0～fm）的信號e(t)，可用相隔時間為T≤1/2fm的若干個采樣值來代表。反之，若想得到原來的信號e(t)，只要將該信號的各采樣值通過一個截止頻率為fm的理想低通濾波器。即無失真采樣頻率應(yīng)滿足fs≥2fm

。3、數(shù)據(jù)采集1）模擬信號的采集對采集到的模擬信號，首先要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，即模/數(shù)轉(zhuǎn)換，然后送入計算機或?qū)Ｓ迷O(shè)備進行處理。模/數(shù)轉(zhuǎn)換包括采樣、量化和編碼三個步驟。

采樣是對已知模擬信號按一定間隔抽出一個樣本數(shù)據(jù)。常用等時間間隔采樣。

量化是用有限字長的數(shù)字量逼進模擬量的過程，即模擬量數(shù)字化的過程。

編碼將量化的數(shù)字變?yōu)槎M制數(shù)碼，以便計算機接受并處理。經(jīng)此三步，模擬信號變成時間上離散、幅值量化的數(shù)字信號，A/D轉(zhuǎn)換器是完成這三步的主要器件。2）脈沖信號的采集脈沖信號檢測包括脈沖個數(shù)的檢測、脈沖頻率與周期或脈寬的檢測。

脈沖個數(shù)檢測一般由數(shù)字計數(shù)器完成。例子：電動機或壓縮機轉(zhuǎn)速測量；產(chǎn)品個數(shù)的計量。數(shù)字計數(shù)器測量脈沖頻率的原理脈沖頻率測量原理如圖所示：被測信號為正弦波a，經(jīng)脈沖形成電路后形成一系列脈沖b加在閘門的輸入端，閘門啟閉由門控信號控制。脈沖信號只有在閘門打開的時間內(nèi)通過閘門進入計數(shù)器計數(shù)。fx=N/T，這種方法稱為測頻法。數(shù)字計數(shù)器測量脈沖寬度的原理脈沖寬度測量原理如圖所示：這種方法稱為測周法，與測頻法使用的電路類似，只需要將被測信號和標(biāo)準(zhǔn)信號位置互換即可。測周法用被測信號的寬度去控制閘門的啟閉，振蕩器的標(biāo)準(zhǔn)信號經(jīng)閘門進入計數(shù)器計數(shù)。TS＝Tb×N三、計算機測試系統(tǒng)設(shè)計

1、設(shè)計任務(wù)根據(jù)測試系統(tǒng)的要求（測試參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)），按照計算機測試系統(tǒng)的三個組成部分來論證系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和電路。1）主機選型2）輸入通道結(jié)構(gòu)按照測試參數(shù)多少，采樣頻率高低來確定輸入通道的數(shù)目。3）輸出通道結(jié)構(gòu)根據(jù)測試系統(tǒng)功能要求，確定打印機、繪圖儀和超限報警等。2、輸入通道電路的設(shè)計分析1）傳感器選型2）A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計按被測參數(shù)的精度要求高低，計算轉(zhuǎn)換器的分辨率，確定量化誤差。3）放大電路設(shè)計按A/D轉(zhuǎn)換器的工作電壓來設(shè)計放大電路的放大倍數(shù)，根據(jù)放大倍數(shù)確定電路中各元器件的參數(shù)。4）其他電路設(shè)計如采樣/保持電路設(shè)計，多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的選擇等。3、軟件程序設(shè)計測試系統(tǒng)軟件具備兩項基本功能：對輸入/輸出通道的控制管理功能和測試數(shù)據(jù)的處理功能。此外系統(tǒng)本身的自檢測和自診斷功能、軟件開發(fā)和調(diào)試修改用的監(jiān)控操作功能等。因此設(shè)計內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)采集控制方式的設(shè)計采樣工作模式設(shè)計采樣周期的確定其他程序設(shè)計，如人機界面、信號采集、分析計算和結(jié)果處理等。5.5直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng)一、

DDC系統(tǒng)概述直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC是分時地對被控對象的狀態(tài)參數(shù)進行測試，并根據(jù)測試的結(jié)果與給定值的差值，按照預(yù)先制定的控制算法進行數(shù)字分析、運算，然后輸出控制量直接作用在調(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)對被控對象的自動調(diào)節(jié)。

DDC系統(tǒng)的操作功能：從被控對象獲取各種信息；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)行器或顯示報警裝置；實現(xiàn)人機之間的聯(lián)系等。

DDC優(yōu)點：計算機可完全代替模擬調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)幾十個甚至更多的單回路PID控制；通過改變程序而不需要改變硬件就能有效地實現(xiàn)新型控制規(guī)律和較復(fù)雜的控制，如串級控制、前饋控制、自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制等；此外能集中顯示和控制。

圖5-11表示了DDC系統(tǒng)構(gòu)成的方框圖。DDC是利用計算機的分時處理功能對多個回路完成多種控制的一種計算機控制方式。其與模擬調(diào)節(jié)過程的比較如下：

DDC系統(tǒng)的各種功能都可以歸結(jié)到其控制程序的應(yīng)用軟件中，如直接控制程序、數(shù)據(jù)處理程序、控制模型程序、報警程序、數(shù)據(jù)記錄程序和人機聯(lián)系程序等。其主要應(yīng)用于下列場合：過程回路很多的大規(guī)模生產(chǎn)過程被控參數(shù)需要進行一些計算的生產(chǎn)過程各參數(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間的工業(yè)對象二、DDC控制系統(tǒng)的基本算法在連續(xù)量控制中，模擬調(diào)節(jié)器的理想PID算法為：式中：Kp、TI、TD

分別為模擬調(diào)節(jié)器的比例增益、積分時間和微分時間。其傳遞函數(shù)形式為：相應(yīng)方框圖如下圖。

直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC的基本算法一般是指計算機對生產(chǎn)過程中進行PID控制時的幾種控制方程。與連續(xù)控制相似，有理想PID和實際PID兩種，其中理想算法表達式又分位置式、增量式和速度式。1、位置式PID算法

在計算機控制系統(tǒng)中，因為是采樣控制，要根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，所以連續(xù)PID算法中積分和微分項不能準(zhǔn)確求取，只能用數(shù)值方法逼近。這時，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，即積分項和微分項可用求和及增量式來表示，來實現(xiàn)模擬PID調(diào)節(jié)規(guī)律的離散化。◆在控制器的采樣時刻t=kT時，積分和微分項為：因此，位置式PID算法為用上式來控制閥門的開度，其輸出值恰與閥門開度的位置一一對應(yīng)。如果令Kp＝KP,Ki=TKP/TI,Kd=KPTD/T，稱為數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，則由Z變換定理，可得：代人u(K)式子中，得到：由此得到數(shù)字PID的Z變換傳遞函數(shù)為數(shù)字PID控制系統(tǒng)圖如下：2、增量式PID算法

輸入經(jīng)計算機PID運算，其輸出為調(diào)節(jié)閥開度的增量時，稱為增量式PID算法。其輸出增量為前后兩次采樣所計算的位置值之差，即：根據(jù)位置式PID算法可得增量式PID算法或其輸出Δu(k)

表示閥位在第k-1次采樣時刻輸出基礎(chǔ)上的增量。將增量式作簡單運算，可得到增量算法表示式將上式進行Z變換，可以得到PID增量式的傳遞函數(shù)為：數(shù)字PID位置算式與增量式的比較：◆PID位置算式由積分項的存在會產(chǎn)生累積誤差，發(fā)生積分飽和和丟失現(xiàn)象，對控制調(diào)節(jié)不利。增量式無這種缺點?！鬚ID增量算式在系統(tǒng)進行手動和自動切換時，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，也由于執(zhí)行元件的寄存作用，仍可保存原位，對被控過程的影響較小?！鬚ID增量算法編程簡單,數(shù)據(jù)可以遞推使用,占用內(nèi)存少,運算快?！鬚ID增量算法得到k采樣時刻計算機的實際輸出控制量為3、速度式PID算法

計算機經(jīng)PID運算，其輸出為直流伺服電動機的轉(zhuǎn)動速度時，稱為速度式PID算法。即：由于T為常數(shù)，故速度式和增量式并無本質(zhì)區(qū)別。4、實際PID控制算法標(biāo)準(zhǔn)PID控制算法，在有些工業(yè)過程中難以得到滿意的控制效果，主要有兩個方面的原因：一是理想PID算法本身存在不足，如位置式PID積分飽和現(xiàn)象嚴(yán)重，增量式PID算法在給定值發(fā)生躍變時，可能出現(xiàn)比例和微分的飽和，動態(tài)過程慢；另外理想PID算法無法滿足具體工業(yè)過程控制的特殊性，如有的過程希望控制動作不要過于頻繁，有的對象具有大純滯后特性，有的過程運行環(huán)境惡劣，希望PID算法有較強的干擾抑制能力等。這些原因都促使對理想PID算法進行改進。實際PID控制算法參見教材199頁的內(nèi)容。如微分先行PID算法。三、改進的PID算法1、帶有死區(qū)的PID控制為了消除控制作用頻繁動作，要求控制偏差在某個域值以內(nèi)時，系統(tǒng)不進行調(diào)節(jié)，超出此域值進行PID調(diào)節(jié)，可選擇帶有死區(qū)