《數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù) 》 課件全套 王超 第1-8章 緒論 -工程案例

自動(dòng)化控制與工業(yè)革命工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展數(shù)字化轉(zhuǎn)型數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)緒論王超工業(yè)數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展機(jī)械應(yīng)用工廠出現(xiàn)電氣應(yīng)用流水線出現(xiàn)信息技術(shù)基于信息物理融合系統(tǒng)1.03.02.04.0通信形式復(fù)雜程度0.02-0.1Mpa4-20mA現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)第一次工業(yè)革命開(kāi)始于18世紀(jì)六十年代，以機(jī)器取代人力，以大規(guī)模機(jī)械化取代個(gè)體手工生產(chǎn)，被稱為“機(jī)器時(shí)代”。

瓦特離心調(diào)速器動(dòng)力源：蒸汽“蒸汽時(shí)代”

工業(yè)數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展機(jī)械應(yīng)用工廠出現(xiàn)電氣應(yīng)用流水線出現(xiàn)信息技術(shù)基于信息物理融合系統(tǒng)1.03.02.04.0通信形式復(fù)雜程度0.02-0.1Mpa4-20mA現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)多數(shù)都是獨(dú)立完成任務(wù)；對(duì)于信息的測(cè)量和傳輸?shù)男枨筝^低。第二次工業(yè)革命

19世紀(jì)中期，隨著電磁感應(yīng)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)等發(fā)明和應(yīng)用，人類進(jìn)入“電氣時(shí)代”。電能取代蒸汽能。很多電氣和電子元件相繼問(wèn)世繼電器、電阻、電容、電感、電位器和放大器等陸續(xù)應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)，構(gòu)成模擬控制系統(tǒng)。工業(yè)數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展機(jī)械應(yīng)用工廠出現(xiàn)電氣應(yīng)用流水線出現(xiàn)信息技術(shù)基于信息物理融合系統(tǒng)1.03.02.04.0通信形式復(fù)雜程度0.02-0.1Mpa4-20mA現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)使工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，大規(guī)模的集中生產(chǎn)成為主流；更多物理量需要檢測(cè)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，刺激了傳感器的發(fā)展；信號(hào)傳遞的形式種類很多，自動(dòng)化系統(tǒng)相對(duì)封閉；電話、電報(bào)和無(wú)線電通訊等的普及使得信息傳遞更加迅速。第三次工業(yè)革命兩次世界大戰(zhàn)后，進(jìn)入“信息時(shí)代”。1946年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生；計(jì)算機(jī)從電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路發(fā)展到了大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路，其體積越來(lái)越小，成本卻越來(lái)越低從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，計(jì)算機(jī)應(yīng)用于自動(dòng)化領(lǐng)域。自動(dòng)化技術(shù)發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變?！皵?shù)字化”計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)取代模擬控制系統(tǒng)由處理連續(xù)時(shí)間變量轉(zhuǎn)變?yōu)樘幚黼x散時(shí)間變量由處理模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)樘幚頂?shù)字量從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展給自動(dòng)化控制提供了新的契機(jī)。工業(yè)數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展機(jī)械應(yīng)用工廠出現(xiàn)電氣應(yīng)用流水線出現(xiàn)信息技術(shù)基于信息物理融合系統(tǒng)1.03.02.04.0通信形式復(fù)雜程度0.02-0.1Mpa4-20mA現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)解決了集中控制中的不足；互聯(lián)網(wǎng)的普及促進(jìn)形成管控一體化；數(shù)據(jù)的獲取，傳輸與共享越發(fā)重要，信息與通信技術(shù)在加速向自動(dòng)化控制領(lǐng)域滲透。新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革前三次工業(yè)革命使得人類發(fā)展進(jìn)入了空前繁榮的時(shí)代人類面臨全球能源與資源危機(jī)、全球生態(tài)與環(huán)境危機(jī)、全球氣候變化危機(jī)的多重挑戰(zhàn)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能為代表的新一代信息技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展；以泛在互聯(lián)、全面感知、智能優(yōu)化、安全穩(wěn)固為特征的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生；在全球范圍內(nèi)不斷顛覆傳統(tǒng)制造模式、生產(chǎn)組織方式和產(chǎn)業(yè)形態(tài)。在過(guò)去200多年世界工業(yè)化的歷史上，我國(guó)曾先后失去過(guò)三次工業(yè)革命的機(jī)會(huì)；進(jìn)入21世紀(jì)，中國(guó)第一次與美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家站在同一起跑線上，趕上這一革命的黎明期和發(fā)動(dòng)期。。工業(yè)數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展機(jī)械應(yīng)用工廠出現(xiàn)電氣應(yīng)用流水線出現(xiàn)信息技術(shù)基于信息物理融合系統(tǒng)1.03.02.04.0通信形式復(fù)雜程度0.02-0.1Mpa4-20mA現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在第四次工業(yè)革命前，工業(yè)系統(tǒng)自身的變革速度比信息通信技術(shù)明顯落后；信息通信技術(shù)與自動(dòng)化控制技術(shù)加速融合，共同推動(dòng)工業(yè)界的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化進(jìn)程；以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為第四次工業(yè)革命的核心內(nèi)容。自動(dòng)化控制與工業(yè)革命工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展數(shù)字化轉(zhuǎn)型數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)緒論王超工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展2012年末，美國(guó)通用電氣公司（GeneralElectricCompany，GE）發(fā)布白皮書《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)：打破智慧與機(jī)器的邊界》，標(biāo)志著“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”概念的正式提出。GE整合AT&T、思科、IBM、英特爾等信息龍頭企業(yè)資源，聯(lián)手組建了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟2015年工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟發(fā)布了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)IIRA參考架構(gòu)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展2013年4月，德國(guó)在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上發(fā)布《實(shí)施“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略建議書》，正式將工業(yè)4.0作為強(qiáng)化國(guó)家優(yōu)勢(shì)的戰(zhàn)略選擇。由德國(guó)政府統(tǒng)一支持、西門子公司牽頭成立協(xié)同創(chuàng)新體系2015年3月，德國(guó)正式提出了工業(yè)4.0的參考架構(gòu)模型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展2015年，中國(guó)政府工作報(bào)告提出“互聯(lián)網(wǎng)+”和《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略。中國(guó)信息通信研究院聯(lián)合制造業(yè)、通信業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)等企業(yè)于2016年2月1日共同發(fā)起成立中國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟；2016年發(fā)布了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)1.0，2020發(fā)布了2.0版本。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展2021年12月，聯(lián)盟發(fā)布工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系（版本3.0）其它類標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系的基礎(chǔ)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系的保障工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系的中樞工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和平臺(tái)協(xié)同的重要支撐和關(guān)鍵樞紐對(duì)其他部分標(biāo)準(zhǔn)的落地細(xì)化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展自動(dòng)化控制與工業(yè)革命工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展數(shù)字化轉(zhuǎn)型數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)緒論王超數(shù)字化轉(zhuǎn)型數(shù)字化有兩層含義，在英文中分別有兩個(gè)單詞與其對(duì)應(yīng)，即Digitization和Digitalization。Digitization:任何把模擬源轉(zhuǎn)換為任何類型的數(shù)字格式的過(guò)程。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)模擬控制系統(tǒng)的替代OCR掃描或者語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)Digitalization:將人、機(jī)系統(tǒng)之間的交互和通信，乃至業(yè)務(wù)過(guò)程和商業(yè)模式等轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化形式，實(shí)現(xiàn)數(shù)字和物理信息的融合。打通全生命周期、全價(jià)值鏈的數(shù)據(jù)鏈路產(chǎn)品即服務(wù)（ProductasaService）、智能制造在第三次工業(yè)革命中，主要實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的第一層含義，在第四次工業(yè)革命中，則要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的第二層含義。第三次工業(yè)革命：工業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化全覆蓋，生產(chǎn)數(shù)據(jù)得到積累第四次工業(yè)革命：如何利用這些數(shù)據(jù)優(yōu)化生產(chǎn)。數(shù)字化轉(zhuǎn)型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以數(shù)據(jù)為核心，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)、安全三大功能體系構(gòu)建，打通設(shè)備、系統(tǒng)、企業(yè)和產(chǎn)業(yè)鏈條。數(shù)據(jù)功能體系包含感知控制、數(shù)字模型和決策優(yōu)化三個(gè)基本層次由自下而上的信息流和自上而下的決策流構(gòu)成的工業(yè)數(shù)字化應(yīng)用優(yōu)化閉環(huán)操作運(yùn)營(yíng)技術(shù)（OperationTechnology，OT）。將原來(lái)分散、雜亂的海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)整合成統(tǒng)一、有序的新數(shù)據(jù)源，涉及到數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)清洗等技術(shù)。綜合利用大數(shù)據(jù)、人工智能等數(shù)據(jù)方法和各類工業(yè)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)構(gòu)建數(shù)據(jù)模型和工業(yè)模型庫(kù)聚焦數(shù)據(jù)挖掘分析與價(jià)值轉(zhuǎn)化。分析功能借助各類模型和算法的支持將數(shù)據(jù)背后隱藏的規(guī)律顯性化；診斷功能對(duì)資產(chǎn)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并提供解決建議；預(yù)測(cè)功能預(yù)測(cè)資產(chǎn)未來(lái)的狀態(tài)，在問(wèn)題還未發(fā)生的時(shí)候就提前介入；指導(dǎo)功能發(fā)現(xiàn)并幫助改進(jìn)資產(chǎn)運(yùn)行中存在的不合理、低效率問(wèn)題。數(shù)字化轉(zhuǎn)型通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)數(shù)字化的關(guān)鍵就是數(shù)據(jù)的打通，而要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，OT和IT的融合既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。。OT部分控制和分析企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，促進(jìn)進(jìn)一步改善生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展相對(duì)緩慢，更強(qiáng)調(diào)穩(wěn)定性與可靠性往往采用專用的系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和軟件IT部分處理企業(yè)各類數(shù)據(jù)和信息，并維護(hù)企業(yè)所制造產(chǎn)品的質(zhì)量專注于數(shù)字環(huán)境，主要考慮數(shù)據(jù)處理速度、安全性等問(wèn)題必須接受快速創(chuàng)新和變革面臨的問(wèn)題異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)問(wèn)題：協(xié)議種類、實(shí)時(shí)性確定性要求安全問(wèn)題：暴露于公共網(wǎng)絡(luò)，安全機(jī)制與安全風(fēng)險(xiǎn)知識(shí)體系工業(yè)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、傳輸、處理、存儲(chǔ)、決策和執(zhí)行1.緒論1.1自動(dòng)化控制與工業(yè)革命1.2數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)概述工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展數(shù)字化轉(zhuǎn)型2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)2.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述2.2檢測(cè)設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的過(guò)程通道3.自動(dòng)化控制策略3.1數(shù)據(jù)處理方法3.2數(shù)字PID控制3.3基于數(shù)字PID控制的復(fù)雜控制系統(tǒng)3.4模型預(yù)測(cè)控制3.5其它先進(jìn)控制策略簡(jiǎn)介4.數(shù)據(jù)通信與互聯(lián)技術(shù)4.1通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)4.2數(shù)據(jù)的傳輸技術(shù)4.3異步串行傳輸與現(xiàn)場(chǎng)總線4.4互聯(lián)網(wǎng)的基本原理4.5以太網(wǎng)技術(shù)4.6無(wú)線網(wǎng)絡(luò)5.工業(yè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)5.1工業(yè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組成5.2工業(yè)互聯(lián)分布式云邊控制5.3工業(yè)互聯(lián)安全6.工業(yè)大數(shù)據(jù)6.1工業(yè)數(shù)據(jù)的特征6.2工業(yè)數(shù)據(jù)的整理6.3工業(yè)數(shù)據(jù)的處理技術(shù)6.4數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)與決策6.5大數(shù)據(jù)的分布式處理技術(shù)7.工業(yè)AI與自動(dòng)化7.1人工智能在工業(yè)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用7.2工業(yè)數(shù)據(jù)建模與算法優(yōu)化7.3超自動(dòng)化控制與碳中和7.4工業(yè)大互聯(lián)8.工程案例8.1二次網(wǎng)智慧供熱平臺(tái)8.2某家電集團(tuán)設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中檢測(cè)設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的過(guò)程通道計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)王超一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本概念計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)信號(hào)匹配二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件部分控制計(jì)算機(jī)主機(jī)外設(shè)總線過(guò)程輸入輸出接口人機(jī)接口設(shè)備通信設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)儀表（傳感變送、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）軟件部分系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)匯編或高級(jí)語(yǔ)言過(guò)程控制語(yǔ)言通信網(wǎng)絡(luò)軟件診斷程序等應(yīng)用軟件過(guò)程輸入輸出程序控制策略程序人機(jī)接口程序打印顯示程序歷史數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中檢測(cè)設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的過(guò)程通道計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)王超第1節(jié)

檢測(cè)設(shè)備傳感器變送器一、傳感器傳感器是一種將各種被測(cè)非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用電信號(hào)的測(cè)量裝置或元件。傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括如下幾個(gè)方面：1）生產(chǎn)過(guò)程的測(cè)量與控制;2）報(bào)警與環(huán)境保護(hù);3）自動(dòng)化設(shè)備和機(jī)器人;4）交通運(yùn)輸和資源探測(cè);5）醫(yī)療衛(wèi)生和家用電器。一、傳感器

電阻式傳感器

種類繁多，應(yīng)用廣泛，其基本原理是將被測(cè)非電信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化。電阻值可表示為:其中，σ為電導(dǎo)率，l為長(zhǎng)度，S為截面積。電阻應(yīng)變式荷重傳感器產(chǎn)品圖一、傳感器

電容式傳感器

是以各種類型的電容器作為敏感元件，將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率的變化，以達(dá)到檢測(cè)的目的。電容值可表示為:其中，S為極板間相互覆蓋面積；d為兩極板間的距離；ε為兩極板間的介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)，εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。電容式差壓變送器產(chǎn)品圖一、傳感器電感式傳感器是利用線圈自感或互感系數(shù)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)非電信號(hào)測(cè)量的一種裝置。電感式傳感器一般分為自感式、互感式和電渦流式3大類。習(xí)慣上將自感式傳感器稱為電感式傳感器，而互感式傳感器由于是利用變壓器原理，又往往做成差動(dòng)式，故常被稱為差動(dòng)變壓器式傳感器。電感式傳感器產(chǎn)品圖一、傳感器壓電式傳感器利用某些電介質(zhì)材料具有壓電效應(yīng)而制成。

當(dāng)有些電介質(zhì)材料在一定方向上受到外力（壓力或拉力）作用而變形時(shí)，在其表面上會(huì)產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉后，又回到不帶電狀態(tài)，這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象，稱為壓電效應(yīng)。壓電式力和加速度傳感器產(chǎn)品圖一、傳感器

光電式傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的一種傳感器，其理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)大致可分為如下三類：第一類是外光電效應(yīng)，即在光照射下，能使電子逸出物體表面，利用這種效應(yīng)做成的器件有真空光電管、光電倍增管等；第二類是內(nèi)光電效應(yīng)，即在光線照射下，能使物質(zhì)的電阻率改變，這類器件包括各類半導(dǎo)體光敏電阻；第三類是光生伏特效應(yīng)，即在光線作用下，物體內(nèi)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，此電動(dòng)勢(shì)稱為光生電動(dòng)勢(shì)，這類器件包括光電池、光敏二極管和光敏晶體管等。光電開(kāi)關(guān)一、傳感器

熱電式傳感器利用某些材料或元件的性能隨溫度變化的特性進(jìn)行測(cè)量，主要包括熱電偶傳感器和熱電阻傳感器。熱電偶傳感器的測(cè)溫原理是熱電效應(yīng)。常用的熱電偶有鉑銠-鉑（分度號(hào)為S）、鎳鉻-鎳硅（分度號(hào)為K）、鎳鉻-銅鎳（分度號(hào)為E）等。熱電偶傳感器產(chǎn)品圖一、傳感器常用的數(shù)字式傳感器有光柵式、碼盤式、磁柵式和感應(yīng)同步器等。這類傳感器具有很高的測(cè)量精度，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速化、自動(dòng)化和數(shù)字化，易于與微處理機(jī)配合，組成數(shù)控系統(tǒng)，在機(jī)械工業(yè)的生產(chǎn)、自動(dòng)測(cè)量以及機(jī)電控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。數(shù)字式傳感器產(chǎn)品圖一、傳感器根據(jù)具體的測(cè)量條件、使用條件以及傳感器的性能指標(biāo)合理地選用傳感器是進(jìn)行某個(gè)量測(cè)量時(shí)首先要解決的問(wèn)題。1．傳感器的類型

要進(jìn)行一個(gè)具體的測(cè)量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。2．靈敏度通常在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。3．精度精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。4．線性度線性度反映了輸出量與輸入量之間保持線性關(guān)系的程度。5．穩(wěn)定性傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變的能力稱為穩(wěn)定性。6．頻率響應(yīng)特性傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有一定延遲，我們希望延遲時(shí)間越短越好。二、變送器

變送器在控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，它將工藝變量（如溫度、壓力、流量、液位、成分等）和電、氣信號(hào)（如電流、電壓、頻率和氣壓信號(hào)等）轉(zhuǎn)換成該系統(tǒng)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。變送器電動(dòng)變送器電流輸出型變送器電壓輸出型變送器氣動(dòng)變送器氣動(dòng)變送器的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)為0.02～0.1MPa工業(yè)上最廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)模擬量電信號(hào)是用4～20mA電流來(lái)傳輸信號(hào)二、變送器四線制

變送器需要兩根電源線，加上兩根信號(hào)線，總共要接4根線。三線制

變送器的信號(hào)輸出與電源共用一根線（公用VCC或者GND）。二線制

變送器的信號(hào)傳輸與供電共用兩根導(dǎo)線，即這兩根導(dǎo)線既從控制室向變送器傳送電源，變送器又通過(guò)這兩根導(dǎo)線向控制室傳送現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的信號(hào)。與非兩線制變送器相比，二線制變送器節(jié)省了導(dǎo)線，有利于抗干擾及防爆，因此，雖然現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)快速發(fā)展，但兩線制變送器依然在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用非常廣泛。二、變送器

傳感器將溫度、壓力等非電物理量轉(zhuǎn)化為電參量；調(diào)理電路將傳感器輸出的微弱或非線性的電信號(hào)進(jìn)行放大、調(diào)理、轉(zhuǎn)化為線性的電壓輸出。二線制V／I變換電路根據(jù)信號(hào)調(diào)理電路的輸出控制總體耗電電流，同時(shí)從環(huán)路上獲得電壓并穩(wěn)壓，供調(diào)理電路和傳感器使用。第2節(jié)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)伺服電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、閥門、繼電器、接觸器等輸出部件，統(tǒng)稱為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也稱為執(zhí)行裝置或執(zhí)行器。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用：接收計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成調(diào)整機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，使生產(chǎn)過(guò)程按照預(yù)先規(guī)定的要求正常進(jìn)行。常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為氣動(dòng)和電動(dòng)兩種類型。

氣壓信號(hào)由上部引入，作用在薄膜上，推動(dòng)閥桿產(chǎn)生位移，改變了閥芯與閥座之間的流通面積，從而達(dá)到了控制流量的目的。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是將信號(hào)壓力的大小轉(zhuǎn)換為閥桿位移的裝置。控制機(jī)構(gòu)是將閥桿的位移轉(zhuǎn)換為流過(guò)閥的流量的裝置。一、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（一）執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)薄膜式活塞式適用于輸出力較小、精度較高的場(chǎng)合適用于輸出力較大的場(chǎng)合，如大口徑、高壓降控制或蝶閥的推動(dòng)裝置輸出位移信號(hào)壓力膜片有效面積彈簧剛度氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正作用和反作用兩種形式。正作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)壓力是通入波紋膜片上方的薄膜氣室；反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)壓力是通入波紋膜片下方的薄膜氣室。氣動(dòng)活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)特性分為比例式和兩位式兩種。兩位式根據(jù)輸入活塞兩側(cè)操作壓力的大小，活塞從高壓側(cè)被推向低壓側(cè)。比例式是在兩位式基礎(chǔ)上加以閥門定位器，使推桿位移和信號(hào)壓力成比例關(guān)系。一、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（二）控制機(jī)構(gòu)

控制機(jī)構(gòu)即控制閥，實(shí)際上是一個(gè)局部阻力可以改變的節(jié)流元件。通過(guò)閥桿上部與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連，下部與閥芯相連。由于閥芯在閥體內(nèi)移動(dòng)，改變了閥芯與閥座之間的流通面積，即改變了閥的阻力系數(shù)，被控介質(zhì)的流量也就相應(yīng)的改變，從而達(dá)到控制工藝參數(shù)的目的?？刂崎y直通單座控制閥直通雙座控制閥球閥蝶閥隔膜控制閥分流型三通控制閥角形控制閥合流型凸輪撓曲閥籠式閥二、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（一）電磁式繼電器電磁式繼電器是一種用小電流的通斷控制大電流通斷的常用開(kāi)關(guān)控制器件，主要由線圈、鐵心、銜鐵和觸點(diǎn)四部分組成。繼電器的觸點(diǎn)是與線圈分開(kāi)的，通過(guò)控制繼電器線圈上的電流可以使繼電器上的觸點(diǎn)斷開(kāi)，從而使外部高電壓或大電流與微機(jī)隔離。電磁式繼電器線圈的驅(qū)動(dòng)電源可以是直流的，也可以是交流的，電壓規(guī)格也有很多種。電磁式繼電器還有電流放大作用，因此，它是種很好的開(kāi)關(guān)量輸出隔離及驅(qū)動(dòng)器件。電磁式繼電器的不足是機(jī)械式觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間較慢，在開(kāi)關(guān)瞬間觸點(diǎn)容易產(chǎn)生火花，引起干擾，減短使用壽命。二、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（二）固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器簡(jiǎn)稱SSR（SolidStateRelay），它利用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了控制電路與負(fù)載電路之間的電隔離和信號(hào)耦合。由于固態(tài)繼電器輸入控制電流小，輸出無(wú)觸點(diǎn)，所以與電磁式繼電器相比，具有體積小、重最輕、無(wú)機(jī)械噪聲、無(wú)抖動(dòng)和回跳、開(kāi)關(guān)速度快、工作可幕、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

在微機(jī)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，大有取代電磁式繼電器之勢(shì)。二、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（二）固態(tài)繼電器輸入電路直流輸入電路交流輸入電路交直流輸入電路光電耦合和變壓器耦合光電耦合通常使用光電二極管—光電三極管，光電二極管—雙向光控可控硅，光伏電池，實(shí)現(xiàn)控制側(cè)與負(fù)載側(cè)隔離控制高頻變壓器耦合是利用輸入的控制信號(hào)產(chǎn)生的自激高頻信號(hào)經(jīng)耦合到次級(jí)，經(jīng)檢波整流，邏輯電路處理形成驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出電路直流輸出電路交流輸出電路交直流輸出電路二、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（二）固態(tài)繼電器使用固態(tài)繼電器時(shí)應(yīng)注意：1）存在通態(tài)壓降，一般1V左右；2）半導(dǎo)體器件關(guān)斷后仍可有數(shù)微安至數(shù)毫安的漏電流，因此不能實(shí)現(xiàn)理想的電隔離；3）電流負(fù)載能力隨溫度升高而下降，選用時(shí)留余量。4）SSR過(guò)載能力差，當(dāng)感性負(fù)載時(shí)需加壓敏電阻保護(hù)，電壓選1.6-1.9倍電源電壓。5）輸出負(fù)載短路會(huì)造成SSR損壞。二、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（三）電磁閥

電磁閥是在氣體或液體流動(dòng)的管路中受電磁力控制開(kāi)閉的閥體，廣泛應(yīng)用于液壓機(jī)械、空調(diào)系統(tǒng)、熱水器、自動(dòng)機(jī)床等系統(tǒng)中。電磁閥由線圈、固定鐵心、可動(dòng)鐵心和閥體等組成；電磁閥通常是處于關(guān)閉狀態(tài)的，通電時(shí)才開(kāi)啟，以避免電磁鐵長(zhǎng)時(shí)間通電而發(fā)熱燒毀；電磁閥有交流和直流之分。交流電磁閥使用方便，但容易產(chǎn)生顫動(dòng)，起動(dòng)電流大，并會(huì)引起發(fā)熱；直流電磁閥工作可靠，但需專門的直流電源，電壓分12V、24V和48V三個(gè)等級(jí)。二、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（四）調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥是用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)連續(xù)動(dòng)作以控制開(kāi)度大小的閥門，又稱為電動(dòng)閥。由于電動(dòng)機(jī)行程可完成直線行程也可完成旋轉(zhuǎn)的角度行程，所以有可以帶動(dòng)直線移動(dòng)的調(diào)節(jié)閥如直通單座閥、直通雙座閥、三通閥、隔膜閥、角形閥等，也有可以帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)閥芯的蝶形閥。根據(jù)流體力學(xué)的觀點(diǎn)，調(diào)節(jié)閥是一個(gè)局部阻力可變的節(jié)流元件，通過(guò)改變閥芯的行程可改變調(diào)節(jié)閥的阻力系數(shù)，從而達(dá)到控制流量的目的。二、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（五）伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)也稱為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，是控制系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛的一類執(zhí)行元件。伺服電動(dòng)機(jī)可以將輸入的電壓信號(hào)變換為軸的角位移和角速度輸出。在信號(hào)到來(lái)之前，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)；信號(hào)到來(lái)之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)；信號(hào)消失之后，轉(zhuǎn)子又能即時(shí)自行停轉(zhuǎn)。由于這種“伺服”性能，將這種控制性能較好、功率不大的電動(dòng)機(jī)稱作伺服電動(dòng)機(jī)。直流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率常為1~600W，往往用于功率較大的控制系統(tǒng)；交流伺服電動(dòng)機(jī)的功率較小，一般為0.1~100W，用于功率較小的控制系統(tǒng)。伺服電動(dòng)機(jī)有直流和交流兩大類。二、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（六）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是工業(yè)過(guò)程控制和儀器儀表中重要的控制元件之一，它是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為直線位移或角位移的執(zhí)行器。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按其運(yùn)動(dòng)方式可分為旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和直線式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，前者每輸入一個(gè)電脈沖轉(zhuǎn)換成一定的角位移，后者每輸入一個(gè)電脈沖轉(zhuǎn)換成一定的直線位移。由此可見(jiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作速度與電脈沖頻率成正比，基本上不受電壓、負(fù)載及環(huán)境條件變化的影響，與一般電動(dòng)機(jī)相比能夠提供較高精度的位移和速度控制。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)還有快速起停的顯著特點(diǎn)，并能直接接收來(lái)自計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)，而無(wú)需經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，使用十分方便，所以在定位場(chǎng)合中得到了廣泛的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中檢測(cè)設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的過(guò)程通道計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)王超第1節(jié)

概述概述過(guò)程通道是計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過(guò)程之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道。過(guò)程通道包括：檢測(cè)通道即輸入通道數(shù)字量輸入通道脈沖量輸入通道模擬量輸入通道控制通道即輸出通道數(shù)字量輸出通道脈沖量輸出通道模擬量輸出通道概述第2節(jié)

通道接口技術(shù)通道地址譯碼技術(shù)編址方式地址譯碼總線接口常用芯片鎖存器緩沖器第2節(jié)

通道接口技術(shù)通道地址譯碼技術(shù)編址方式地址譯碼總線接口常用芯片鎖存器緩沖器存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址方式（WR、RD）通道地址譯碼技術(shù)——編址方式存儲(chǔ)器指令豐富，使用靈活，程序設(shè)計(jì)方便；占用了存儲(chǔ)空間地址，指令執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)，難以區(qū)分I/O操作。I/O指令簡(jiǎn)單，執(zhí)行時(shí)間短，硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，程序設(shè)計(jì)清晰；輸入輸出數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)累加器A。I/O接口編址方式（MREQ、IORQ配合WR和RD或IOW、IOR）一、譯碼器譯碼（適合連續(xù)多個(gè)地址的譯碼電路設(shè)計(jì)）通道地址譯碼技術(shù)——地址譯碼（1）3－8譯碼器74LS1381、常用的譯碼器（2）除138外還有74LS154，是4－16譯碼器通道地址譯碼技術(shù)——地址譯碼2、譯碼器譯碼實(shí)例實(shí)例1：連續(xù)8地址譯碼設(shè)計(jì)通道地址譯碼技術(shù)——地址譯碼實(shí)例2：采用3片74LS138譯出24個(gè)I/O接口芯片地址。采用3片74LS138譯碼器，經(jīng)A0—A45根地址線，就可以譯出24個(gè)I/O接口端口號(hào)。通道地址譯碼技術(shù)——地址譯碼A7A6A5A4A3A2A1A0地址00000×××1381號(hào)00H-07H011382號(hào)08H-0FH101383號(hào)10H-17H邏輯表通道地址譯碼技術(shù)——地址譯碼二、通用陣列邏輯(GAL：GenericArrayLogic)器件譯碼

由譯碼器構(gòu)成的譯碼電路雖能很好地完成譯碼功能。但都需要非止一個(gè)器件來(lái)構(gòu)成譯碼電路。在實(shí)際應(yīng)用中需要較大的安裝空間和較多種類的產(chǎn)品備件．這將影響最終產(chǎn)品的成本、可靠性及可維護(hù)性。

通道地址譯碼技術(shù)——地址譯碼

●具有可編程的與門及或門陣列；

●可定義每個(gè)輸出引腳的結(jié)構(gòu)和功能；

●GAL器件可在線電擦寫、編程，數(shù)據(jù)保持時(shí)間在10年以上；

●GAL器件有較高的響應(yīng)速度，與TTL兼容；●GAL器件具有可編程的保密位，防止非法讀取和復(fù)制。常用GAL器件介紹：常用的GAL器件有GAL16v8、GAL20v8等芯片，可依據(jù)應(yīng)用條件不同而選取。

GAL16v8器件具有20個(gè)引腳，最多可具有16個(gè)輸入端(這時(shí)僅有2個(gè)輸出端)或最多具有8個(gè)輸出端(這時(shí)僅有10個(gè)輸入端)。該特性與其名字的命名相對(duì)應(yīng)。通道地址譯碼技術(shù)——地址譯碼三、比較器件譯碼

8位比較器74LS688。

通道地址譯碼技術(shù)——地址譯碼第2節(jié)

通道接口技術(shù)通道地址譯碼技術(shù)編址方式地址譯碼總線接口常用芯片鎖存器緩沖器在應(yīng)用系統(tǒng)中，幾乎所有系統(tǒng)擴(kuò)展的外圍芯片都是通過(guò)總線與CPU連接的，但是：總線的數(shù)目是有限的；外圍芯片工作時(shí)有一個(gè)輸入電流，不工作時(shí)也有漏電流存在，因此總線只能帶動(dòng)一定數(shù)量的電路；對(duì)于多電壓系統(tǒng)，不同電平標(biāo)準(zhǔn)芯片的連接也需要電平的匹配；總線接口常用芯片一、鎖存器1、74LS574總線接口常用芯片一、鎖存器2、74LS573總線接口常用芯片總線接口常用芯片鎖存器改為74LS573可以嗎？二、緩沖器1、74LS2442、74LS24574LVTH624474LVTH6245總線接口常用芯片第3節(jié)

數(shù)字量輸入通道數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)數(shù)字量輸入調(diào)理電路什么芯片可實(shí)現(xiàn)這里的輸入緩沖?數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)可能引入瞬時(shí)的高壓、過(guò)電壓、接觸抖動(dòng)等現(xiàn)象。將現(xiàn)場(chǎng)輸入的信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換、保護(hù)、濾波、隔離等措施轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接收的邏輯信號(hào)——信號(hào)調(diào)理。數(shù)字量輸入調(diào)理電路開(kāi)關(guān)量（數(shù)字量）的種類按類型分有電平式和觸點(diǎn)式兩種電平式為高電平或低電平觸點(diǎn)式為觸點(diǎn)閉合或觸點(diǎn)斷開(kāi)按電源分有有源和無(wú)源兩種有源即直接提供高、低電平無(wú)源即提供物理觸點(diǎn)，或感應(yīng)器件1、對(duì)抖動(dòng)的調(diào)理01101數(shù)字量輸入調(diào)理電路2、保護(hù)數(shù)字量輸入調(diào)理電路3、隔離

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)獲取的開(kāi)關(guān)量或數(shù)字量的信號(hào)電平往往高于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的邏輯電平，即使輸入數(shù)字量電壓本身不高，也可能從現(xiàn)場(chǎng)引入意外的高壓信號(hào)，因此必須采取電隔離措施，以保障系統(tǒng)安全。光電耦合器就是一種常用且非常有效的電隔離手段，由于它價(jià)格低廉，可靠性好，被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)輸入設(shè)備與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的隔離保護(hù)。數(shù)字量輸入調(diào)理電路

光電耦合器電路圖適于非TTL電路輸入的隔離電路圖數(shù)字量輸入調(diào)理電路第4節(jié)

數(shù)字量輸出通道數(shù)字量輸出通道的結(jié)構(gòu)數(shù)字量輸出調(diào)理電路數(shù)字量輸出通道的結(jié)構(gòu)什么芯片可實(shí)現(xiàn)這里的輸出鎖存?

數(shù)字量輸出的信號(hào)調(diào)理主要是進(jìn)行功率放大，使控制信號(hào)具有足夠的功率去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或其它負(fù)載。1、小功率直流驅(qū)動(dòng)電路（幾十毫安級(jí)）數(shù)字量輸出調(diào)理電路2、繼電器輸出技術(shù)

繼電器經(jīng)常用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)量輸出功率放大，即利用繼電器作為計(jì)算機(jī)輸出的第一級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)繼電器的觸點(diǎn)控制大功率接觸器的通斷，從而完成從直流低壓到交流高壓，從小功率到大功率的轉(zhuǎn)換。數(shù)字量輸出調(diào)理電路3、大功率交流驅(qū)動(dòng)電路

對(duì)于交流供電的負(fù)載，其開(kāi)關(guān)量的輸出控制可用固態(tài)繼電器(SolidStateRelay，簡(jiǎn)稱SSR)來(lái)實(shí)現(xiàn)。固態(tài)繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖數(shù)字量輸出調(diào)理電路分類：直流型（DC-SSR）節(jié)點(diǎn)通直流電；交流型（AC-SSR）節(jié)點(diǎn)通交流電。特點(diǎn)：輸入功率小、可靠性高、低噪聲、能承受的浪涌電流大、對(duì)電源電壓適應(yīng)能力強(qiáng)（交流型對(duì)負(fù)載30V—220V）、抗擾能力強(qiáng)。注意：存在通態(tài)壓降（<2V）；電流負(fù)載能力隨溫度升高而下降，選用時(shí)留余量；SSR過(guò)載能力差，當(dāng)感性負(fù)載時(shí)需加壓敏電阻保護(hù)，電壓選1.6～1.9倍電源電壓；輸出負(fù)載短路會(huì)造成SSR損壞。數(shù)字量輸出調(diào)理電路TTL驅(qū)動(dòng)SSRCMOS驅(qū)動(dòng)SSR數(shù)字量輸入調(diào)理電路第5節(jié)

模擬量輸出通道模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)采樣保持多路轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)1、數(shù)字保持式結(jié)構(gòu)：一個(gè)通路一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，CPU與D/A之間通過(guò)獨(dú)立的接口緩沖器傳送信息。特點(diǎn)：速度快，精度高，可靠，互不影響；D/A多。一個(gè)實(shí)際的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，往往需要多路的模擬量輸出，其實(shí)現(xiàn)方法有兩種。模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)§2.6.1模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)2、模擬保持式結(jié)構(gòu)：多個(gè)通路共用一個(gè)D/A，CPU分時(shí)將各路D/A轉(zhuǎn)換通過(guò)多路開(kāi)關(guān)分送各路保持電路去。特點(diǎn)：省D/A，速度慢，可靠性較差。第5節(jié)

模擬量輸出通道模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)采樣保持多路轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)AD轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量需要一定的時(shí)間，對(duì)于隨時(shí)間變化的模擬信號(hào)來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換時(shí)間決定了每個(gè)采樣時(shí)刻的最大轉(zhuǎn)換誤差。AD轉(zhuǎn)換延遲所引起的可能誤差是△U。對(duì)于一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，最大可能的誤差發(fā)生在信號(hào)過(guò)零的時(shí)刻，因?yàn)榇藭r(shí)dU／dt最大，轉(zhuǎn)換時(shí)間一定，所以△U最大。采樣保持令U＝Umsinωt，則式中，Um為正弦信號(hào)的幅值，f為信號(hào)頻率，在坐標(biāo)原點(diǎn)取△t=tA/D，則得原點(diǎn)處轉(zhuǎn)換的不確定電壓誤差為采樣保持誤差的百分?jǐn)?shù)為：實(shí)例：一個(gè)10位的AD轉(zhuǎn)換器，若要求轉(zhuǎn)換精度為0.1%，轉(zhuǎn)換時(shí)間為10μs，則允許轉(zhuǎn)換的正弦波模擬信號(hào)的最大頻率為采樣保持采樣/保持器一般由模擬開(kāi)關(guān)、儲(chǔ)能元件（電容）、輸入和輸出緩沖放大器組成。采樣保持電路有兩個(gè)工作狀態(tài)，一是采樣狀態(tài)．二是保持狀態(tài)。采樣保持選擇采樣/保持器時(shí)，應(yīng)考慮如下因素：采樣保持器的孔徑時(shí)間：保持命令發(fā)出后K完全斷開(kāi)所需時(shí)間；采樣保持器的捕捉時(shí)間：由保持到采樣時(shí)輸出U，從原保持值過(guò)渡到跟蹤信號(hào)的時(shí)間；保持電壓變化率：，其中，ID是輸入C或流出C總的漏電流。常用的采樣保持芯片：LF398采樣保持應(yīng)當(dāng)指出，在模擬量輸入通道中，只有在信號(hào)變化頻率較高而A／D轉(zhuǎn)換速度又不高，以致轉(zhuǎn)換誤差影響轉(zhuǎn)換精度時(shí)，或者要求同時(shí)進(jìn)行多路采樣的情況下，才需要設(shè)置采樣保持電路，對(duì)于一些變化緩慢的生產(chǎn)過(guò)程(如石油、化工等)可以不設(shè)置保持電路。第5節(jié)

模擬量輸出通道模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)采樣保持多路轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)§2.5.4多路轉(zhuǎn)換器多路轉(zhuǎn)換器又稱多路開(kāi)關(guān)是用來(lái)切換模擬電壓信號(hào)的關(guān)鍵元件。利用多路開(kāi)關(guān)可將各個(gè)輸入信號(hào)依次地或隨機(jī)地連接到公用放大器或A/D轉(zhuǎn)換器上。A

B

C000X=X0001X=X1010X=X2011X=X3100X=X4101X=X5110X=X6111X=X7CD4051第5節(jié)

模擬量輸出通道模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)采樣保持多路轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)D/A轉(zhuǎn)換原理權(quán)電阻D/A倒T型網(wǎng)絡(luò)D/AD/A技術(shù)指標(biāo)分辨率穩(wěn)定時(shí)間線性度D/A實(shí)現(xiàn)技術(shù)模擬輸出極性變換與CPU接口依據(jù)D/A轉(zhuǎn)換原理不同可分為求取脈沖平均值的PWM型數(shù)字編碼信號(hào)控制下加權(quán)量疊加型加權(quán)量疊加型一般由四部分組成，即電子開(kāi)關(guān)、電阻網(wǎng)絡(luò)、放大器和標(biāo)準(zhǔn)電壓源；根據(jù)電阻網(wǎng)絡(luò)不同，可分為權(quán)電阻譯碼D/A轉(zhuǎn)換器、倒T型網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器等；D/A轉(zhuǎn)換原理D/A轉(zhuǎn)換原理——權(quán)電阻D/AD/A轉(zhuǎn)換原理——權(quán)電阻D/AD/A轉(zhuǎn)換原理——權(quán)電阻D/AD/A轉(zhuǎn)換原理——倒T型網(wǎng)絡(luò)D/ADi=1，Si將電阻接到運(yùn)放反向輸入端；Di=0，Si將i將電阻接到運(yùn)放同向輸入端；都是虛地，各支路電流不會(huì)變化；流入2R支路的電流是以2的倍速遞減；D/A轉(zhuǎn)換原理——倒T型網(wǎng)絡(luò)D/A運(yùn)算放大器的輸出電壓為

若Rf=R，并將I=UR/R代入上式，則有

可見(jiàn)，輸出模擬電壓正比于數(shù)字量的輸入。

D/A轉(zhuǎn)換原理——倒T型網(wǎng)絡(luò)D/AD/A轉(zhuǎn)換技術(shù)D/A轉(zhuǎn)換原理權(quán)電阻D/A倒T型網(wǎng)絡(luò)D/AD/A技術(shù)指標(biāo)分辨率穩(wěn)定時(shí)間線性度D/A實(shí)現(xiàn)技術(shù)模擬輸出極性變換與CPU接口分辨率：與A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率概念類似，指當(dāng)輸入數(shù)字量變化1時(shí)，輸出模擬量變化的大小。分辨率通常用數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示，如8位、12位、18位。穩(wěn)定時(shí)間：指D/A轉(zhuǎn)換器所有輸入二進(jìn)制數(shù)變化是滿刻度時(shí)，模擬量輸出穩(wěn)定到±1/2LSB范圍內(nèi)所需要的時(shí)間。一般為幾十納秒到幾微秒完程一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間；線性度：一個(gè)理想的D/A轉(zhuǎn)換器輸入輸出特性應(yīng)是線性的。在滿量程范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差稱為線性誤差，一般用LSB的分?jǐn)?shù)表示。D/A技術(shù)指標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)D/A轉(zhuǎn)換原理權(quán)電阻D/A倒T型網(wǎng)絡(luò)D/AD/A技術(shù)指標(biāo)分辨率穩(wěn)定時(shí)間線性度D/A實(shí)現(xiàn)技術(shù)模擬輸出極性變換與CPU接口D/A實(shí)現(xiàn)技術(shù)——DAC08321、單極性輸出D/A實(shí)現(xiàn)技術(shù)——模擬輸出極性變換2、雙極性輸出D/A實(shí)現(xiàn)技術(shù)——模擬輸出極性變換1、單緩沖方式接口D/A實(shí)現(xiàn)技術(shù)——與CPU接口2、雙緩沖方式接口D/A實(shí)現(xiàn)技術(shù)——與CPU接口第6節(jié)

模擬量輸出通道模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)1、數(shù)字保持式結(jié)構(gòu)：一個(gè)通路一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，CPU與D/A之間通過(guò)獨(dú)立的接口緩沖器傳送信息。特點(diǎn)：速度快，精度高，可靠，互不影響；D/A多。一個(gè)實(shí)際的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，往往需要多路的模擬量輸出，其實(shí)現(xiàn)方法有兩種。模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)§2.6.1模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)2、模擬保持式結(jié)構(gòu)：多個(gè)通路共用一個(gè)D/A，CPU分時(shí)將各路D/A轉(zhuǎn)換通過(guò)多路開(kāi)關(guān)分送各路保持電路去。特點(diǎn)：省D/A，速度慢，可靠性較差。第6節(jié)

模擬量輸出通道模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)D/A轉(zhuǎn)換原理權(quán)電阻D/A倒T型網(wǎng)絡(luò)D/AD/A技術(shù)指標(biāo)分辨率穩(wěn)定時(shí)間線性度D/A實(shí)現(xiàn)技術(shù)模擬輸出極性變換與CPU接口依據(jù)D/A轉(zhuǎn)換原理不同可分為求取脈沖平均值的PWM型數(shù)字編碼信號(hào)控制下加權(quán)量疊加型加權(quán)量疊加型一般由四部分組成，即電子開(kāi)關(guān)、電阻網(wǎng)絡(luò)、放大器和標(biāo)準(zhǔn)電壓源；根據(jù)電阻網(wǎng)絡(luò)不同，可分為權(quán)電阻譯碼D/A轉(zhuǎn)換器、倒T型網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器等；D/A轉(zhuǎn)換原理D/A轉(zhuǎn)換原理——權(quán)電阻D/AD/A轉(zhuǎn)換原理——權(quán)電阻D/AD/A轉(zhuǎn)換原理——權(quán)電阻D/AD/A轉(zhuǎn)換原理——倒T型網(wǎng)絡(luò)D/ADi=1，Si將電阻接到運(yùn)放反向輸入端；Di=0，Si將i將電阻接到運(yùn)放同向輸入端；都是虛地，各支路電流不會(huì)變化；流入2R支路的電流是以2的倍速遞減；D/A轉(zhuǎn)換原理——倒T型網(wǎng)絡(luò)D/A運(yùn)算放大器的輸出電壓為

若Rf=R，并將I=UR/R代入上式，則有

可見(jiàn)，輸出模擬電壓正比于數(shù)字量的輸入。

D/A轉(zhuǎn)換原理——倒T型網(wǎng)絡(luò)D/AD/A轉(zhuǎn)換技術(shù)D/A轉(zhuǎn)換原理權(quán)電阻D/A倒T型網(wǎng)絡(luò)D/AD/A技術(shù)指標(biāo)分辨率穩(wěn)定時(shí)間線性度D/A實(shí)現(xiàn)技術(shù)模擬輸出極性變換與CPU接口分辨率：與A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率概念類似，指當(dāng)輸入數(shù)字量變化1時(shí)，輸出模擬量變化的大小。分辨率通常用數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示，如8位、12位、18位。穩(wěn)定時(shí)間：指D/A轉(zhuǎn)換器所有輸入二進(jìn)制數(shù)變化是滿刻度時(shí)，模擬量輸出穩(wěn)定到±1/2LSB范圍內(nèi)所需要的時(shí)間。一般為幾十納秒到幾微秒完程一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間；線性度：一個(gè)理想的D/A轉(zhuǎn)換器輸入輸出特性應(yīng)是線性的。在滿量程范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差稱為線性誤差，一般用LSB的分?jǐn)?shù)表示。D/A技術(shù)指標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)D/A轉(zhuǎn)換原理權(quán)電阻D/A倒T型網(wǎng)絡(luò)D/AD/A技術(shù)指標(biāo)分辨率穩(wěn)定時(shí)間線性度D/A實(shí)現(xiàn)技術(shù)模擬輸出極性變換與CPU接口D/A實(shí)現(xiàn)技術(shù)——DAC08321、單極性輸出D/A實(shí)現(xiàn)技術(shù)——模擬輸出極性變換2、雙極性輸出D/A實(shí)現(xiàn)技術(shù)——模擬輸出極性變換1、單緩沖方式接口D/A實(shí)現(xiàn)技術(shù)——與CPU接口2、雙緩沖方式接口D/A實(shí)現(xiàn)技術(shù)——與CPU接口自動(dòng)化控制策略數(shù)據(jù)處理方法數(shù)字PID控制算法基于數(shù)字PID控制的復(fù)雜控制系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制其它先進(jìn)控制策略簡(jiǎn)介第1節(jié)

數(shù)據(jù)處理方法線性標(biāo)度變換非線性標(biāo)度變換一、線性標(biāo)度變換A0：現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表的測(cè)量下限Am：現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表的測(cè)量上限Ax

：實(shí)際測(cè)量值的工程值N0

：儀表下限所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量Nm：儀表上限所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量Nx

：實(shí)際測(cè)量值所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際物理量是線性關(guān)系時(shí)，可用下式進(jìn)行變換。（9-1）一、線性標(biāo)度變換【例9-1】某熱處理爐溫度測(cè)量變送器的量程為200℃到800℃，通過(guò)4~20mA兩線制傳送信號(hào)，在模擬量輸入通道過(guò)程中，將電流轉(zhuǎn)變?yōu)?-5V的電壓信號(hào)，并由8位精度，量程范圍為0-5V的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集，其轉(zhuǎn)換輸出為無(wú)符號(hào)數(shù)字量。在某一測(cè)量時(shí)刻，計(jì)算機(jī)采樣并經(jīng)數(shù)字濾波后的數(shù)字量為CDH，求此時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度值是多少？解：A0=200℃，Am=800℃，Nx=CDH=205，Nm=FFH=255，N0=0，則所以計(jì)算機(jī)采入CDH值，對(duì)應(yīng)的溫度值為682℃。二、非線性標(biāo)度變換計(jì)算機(jī)從模擬量輸入通道得到的檢測(cè)值與其所代表的物理量之間不一定成線性關(guān)系。例如，差壓流量傳感器，如孔板、文丘里和內(nèi)錐等，差壓變送器輸出的差壓信號(hào)與實(shí)際流量之間成平方根關(guān)系。測(cè)量流量時(shí)的標(biāo)度變換公式為：（9-2）K

：流量系數(shù)（9-3）二、非線性標(biāo)度變換為了適應(yīng)一些單片機(jī)的計(jì)算平方根的需求，也可采用一些數(shù)值計(jì)算方法。如采用級(jí)數(shù)展開(kāi)法進(jìn)行計(jì)算。也可采用牛頓迭代法，通過(guò)迭代逼近平方根。（9-4）Yk

：第k次迭代后的平方根Yk+1

：第k+1次迭代后的平方根x

：被開(kāi)方數(shù)（9-5）迭代的初始值可?。篩0=(x+1)/2。二、非線性標(biāo)度變換鉑熱電阻的阻值與溫度的關(guān)系也是非線性的。Pt100鉑電阻適用范圍-200℃至850℃，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)751-1983規(guī)定，Pt100鉑電阻的阻值與溫度的關(guān)系為：在-200至0℃范圍內(nèi)，Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]在0至850℃范圍內(nèi)，Rt=R0(1+At+Bt2)其中，A=3.90802×10-3℃-1；

B=-5.802×10-7℃-2；

C=-4.2735×10-12℃-4；

R0=100Ω(0℃時(shí)的電阻值)。第2節(jié)

數(shù)字PID控制算法標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PID控制算法數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)數(shù)字PID控制參數(shù)的整定一、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PID控制算法Kp：比例增益Ti：積分時(shí)間Td

：微分時(shí)間u

：控制量e：被控量y與給定值r的偏差（9-6）PID

控制系統(tǒng)框圖（9-7）傳遞函數(shù)形式:一、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PID控制算法T

：控制周期n

：控制周期序號(hào)e(n-1)和e(n)

：分別為第(n-1)和第n控制周期所得的偏差u(n)

：第n時(shí)刻的控制量（9-8）為了便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制算式，將式（9-6）改寫成差分方程。（9-9），

，一、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PID控制算法Ki

：積分系數(shù)Kd

：微分系數(shù)（9-10）增量型算式（9-11），

第n時(shí)刻的實(shí)際控制量為：平移法：計(jì)算完u(n)后，首先將e(n-1)存入e(n-2)單元，然后將e(n)存入e(n-1)單元，以及把u(n)存入u(n-1)單元，為下時(shí)刻計(jì)算作好準(zhǔn)備。二、數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)（9-12），

（一）實(shí)際微分PID控制在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)實(shí)際微分PID，只需要的理想微分PID之后，增加一個(gè)數(shù)字濾波器中的一階滯后濾波器即可。PID數(shù)字控制器的階躍響應(yīng)um(n)=aum(n-1)+(1-a)u(n)二、數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)，

（二）積分項(xiàng)的改進(jìn)1．積分分離積分分離值β應(yīng)根據(jù)具體對(duì)象及要求確定。若β值過(guò)大，則達(dá)不到積分分離的目的；若β值過(guò)小，一旦被控量無(wú)法跳出積分分離區(qū)，只進(jìn)行PD控制，將會(huì)出現(xiàn)殘差。當(dāng)時(shí)，用PD控制；當(dāng)時(shí)，用PID控制。積分分離曲線二、數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)，

2．抗積分飽和積分飽和：由于長(zhǎng)時(shí)間存在偏差或偏差較大，計(jì)算出的控制量有可能溢出超出D/A所能表示的數(shù)值范圍或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的極限位置，對(duì)于這種情況，盡管計(jì)算PID差分方程式所得的結(jié)果繼續(xù)增大或減小，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)已無(wú)相應(yīng)的動(dòng)作，這就稱為積分飽和?？狗e分飽和方法：對(duì)運(yùn)算出的控制量限幅，同時(shí)，把積分作用切除掉。二、數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)，

3．梯形積分在PID控制器中，積分項(xiàng)的作用是消除殘差，應(yīng)提高積分項(xiàng)的運(yùn)算精度。為此，可將矩形積分改為梯形積分。（9-13）二、數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)，

（三）微分先行PID算法考慮到在正反作用下，偏差的計(jì)算方法不同，即標(biāo)準(zhǔn)PID增量算式中的微分項(xiàng)為改進(jìn)后的微分項(xiàng)算式為（9-14）（9-15）（9-16）（9-17）（9-18）（正作用）（反作用）（正作用）（反作用）三、數(shù)字PID控制參數(shù)的整定，

（一）控制周期的選取控制周期應(yīng)遠(yuǎn)小于被控對(duì)象的擾動(dòng)信號(hào)的周期?？刂浦芷趹?yīng)比被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)小得多?？紤]執(zhí)行器的響應(yīng)速度?？紤]對(duì)象所要求的調(diào)節(jié)品質(zhì)。考慮性能價(jià)格比?？紤]計(jì)算機(jī)所承擔(dān)的工作量。三、數(shù)字PID控制參數(shù)的整定，

（二）PID控制參數(shù)的工程整定法模擬PID控制參數(shù)整定方法衰減曲線法穩(wěn)定邊界法動(dòng)態(tài)特性法PID控制參數(shù)的自整定法模型參數(shù)法特征參數(shù)法專家整定法第3節(jié)

基于數(shù)字PID控制的復(fù)雜控制系統(tǒng)串極控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)純遲延補(bǔ)償控制系統(tǒng)解耦控制系統(tǒng)一、串級(jí)控制系統(tǒng)

串級(jí)PID控制系統(tǒng)在串級(jí)控制系統(tǒng)中有內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)回路。其中由副控制器PID2和副對(duì)象形成的內(nèi)閉環(huán)稱為副環(huán)或副回路；由主控制器PID1和主對(duì)象形成的外閉環(huán)稱為主環(huán)或主回路。由于主、副控制器串連，副回路串在主回路之中，故稱為串級(jí)控制系統(tǒng)。二、前饋控制系統(tǒng)

前饋-反饋PID控制系統(tǒng)

為前饋補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)為對(duì)象控制通道的傳遞函數(shù)前饋補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為：

三、純遲延補(bǔ)償控制系統(tǒng)

史密斯預(yù)估控制該系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：虛框?yàn)槭访芩寡a(bǔ)償器，其傳遞函數(shù)Gs(s)為：

為PID控制器的傳遞函數(shù)為被控對(duì)象中不包含純遲延環(huán)節(jié)部分的傳遞函數(shù)四、解耦控制系統(tǒng)

耦合控制系統(tǒng)雙輸入雙輸出解耦控制系統(tǒng)中，在PID控制器與被控對(duì)象之間設(shè)置解耦器Fij(s)。被控量與控制量之間的系統(tǒng)傳遞矩陣為：四、解耦控制系統(tǒng)

如果使系統(tǒng)傳遞矩陣為對(duì)角矩陣，就解除了系統(tǒng)間耦合，Y1和Y2兩個(gè)控制回路不再關(guān)聯(lián)，成為兩個(gè)獨(dú)立的單回路。為此，要求G(s)F(s)乘積為對(duì)角矩陣，對(duì)其非零元素又有以下兩種選取方法。（一）對(duì)角矩陣法該法要求G(s)F(s)乘積的對(duì)角矩陣元素是被控對(duì)象主控通道的傳遞函數(shù)G11(s)和G22(s)，即（9-23）四、解耦控制系統(tǒng)

如果矩陣G(s)的逆存在，將式（9-23）兩邊左乘G(s)的逆矩陣，可得到解耦器矩陣為：四、解耦控制系統(tǒng)

（二）單位矩陣法該法要求G(s)F(s)乘積的對(duì)角矩陣是單位矩陣，即（9-25）如果矩陣G(s)的逆存在，將式（9-25）兩邊左乘G(s)的逆矩陣，可得到解耦器矩陣為：四、解耦控制系統(tǒng)前饋補(bǔ)償解耦控制系統(tǒng)前饋解耦器的算式為：F21(s)和F12(s)可看作是前饋補(bǔ)償器G21(s)和G12(s)可看作是擾動(dòng)通道G11(s)和G22(s)是主控通道（三）前饋補(bǔ)償法第4節(jié)

模型預(yù)測(cè)控制模型算法控制動(dòng)態(tài)矩陣控制預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的參數(shù)選擇預(yù)測(cè)控制仿真計(jì)算工具一、模型算法控制

MAC系統(tǒng)原理圖模型算法控制主要包括：內(nèi)部模型、反饋校正、滾動(dòng)優(yōu)化和參考輸入軌跡等部分。算法的基本思想：首先預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)的輸出狀態(tài)，再去確定當(dāng)前時(shí)刻的控制動(dòng)作，即先預(yù)測(cè)后控制，所以具有預(yù)見(jiàn)性，它明顯優(yōu)于先有信息反饋，再產(chǎn)生控制動(dòng)作的經(jīng)典反饋控制系統(tǒng)。一、模型算法控制

（一）輸出預(yù)測(cè)模型算法控制采用被控對(duì)象的脈沖響應(yīng)模型描述。設(shè)被控對(duì)象真實(shí)模型的離散差分形式為

為時(shí)刻系統(tǒng)的輸出為k時(shí)刻系統(tǒng)的輸入為時(shí)刻系統(tǒng)的不可測(cè)干擾或噪聲

N為脈沖響應(yīng)序列長(zhǎng)度N=20~50為系統(tǒng)的真實(shí)脈沖響應(yīng)序列值一、模型算法控制

通過(guò)實(shí)測(cè)或參數(shù)估計(jì)得到的模型稱為內(nèi)部模型或預(yù)測(cè)模型

為時(shí)刻預(yù)測(cè)模型輸出為系統(tǒng)的實(shí)測(cè)或估計(jì)脈沖響應(yīng)序列值脈沖響應(yīng)模型一、模型算法控制

對(duì)于多步預(yù)測(cè)情況，預(yù)測(cè)模型輸出為

為多步輸出預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度為控制時(shí)域長(zhǎng)度（9-35）內(nèi)部模型的傳遞函數(shù)為一、模型算法控制

將上式從到寫成展開(kāi)式有待求未知控制量的預(yù)測(cè)輸出已知控制量的預(yù)測(cè)輸出（9-36）一、模型算法控制

將（9-36）寫成矩陣形式

為預(yù)測(cè)模型輸出矢量為待求控制矢量為已知控制矢量一、模型算法控制

對(duì)上述開(kāi)環(huán)模型用輸出誤差反饋校正方法進(jìn)行修正，即閉環(huán)預(yù)測(cè)。

為系統(tǒng)輸出預(yù)測(cè)矢量為預(yù)測(cè)模型輸出矢量為k時(shí)刻預(yù)測(cè)模型輸出誤差一、模型算法控制

（二）參考軌跡在模型算法控制中，控制的目的是使系統(tǒng)的輸出沿著一條事先規(guī)定的曲線逐漸到達(dá)設(shè)定值，這條指定的曲線稱為參考軌跡yr，通常參考軌跡采用從現(xiàn)在時(shí)刻實(shí)際輸出值出發(fā)的一階指數(shù)形式。它在未來(lái)i個(gè)時(shí)刻的值為

為參考軌跡時(shí)間常數(shù)

為采樣周期（9-41）一、模型算法控制

若令，則式（9-41）可寫成采用上述形式的參考軌跡，將減小過(guò)量的控制作用，使系統(tǒng)的輸出能平滑地到達(dá)設(shè)定值。參考軌跡的時(shí)間常數(shù)越大，則的值也越大，系統(tǒng)的柔性越好，魯棒性越強(qiáng)，但控制的快速性卻變差。一、模型算法控制

（三）最優(yōu)控制律計(jì)算當(dāng)選用包括輸出預(yù)測(cè)誤差和控制量加權(quán)的二次型性能指標(biāo)，其表示式如下：

為多步預(yù)測(cè)輸出誤差和控制量的加權(quán)系數(shù)一、模型算法控制

將性能指標(biāo)寫成矢量/矩陣形式

為參考輸入矢量

一、模型算法控制

對(duì)未知控制矢量求導(dǎo)，即可求出控制律，令，有

式中，由于模型誤差、系統(tǒng)的非線性特性和干擾等不確定因素的影響，則經(jīng)過(guò)M步控制后，可能會(huì)偏離期望軌跡較多為了及時(shí)糾正這一誤差，可采用閉環(huán)控制算法，可寫成二、動(dòng)態(tài)矩陣控制模型算法控制不同之處是，它采用在工程上易于測(cè)取的對(duì)象階躍響應(yīng)做模型，算法比較簡(jiǎn)單，計(jì)算量較少，魯棒性較強(qiáng)，適用于有純時(shí)延、開(kāi)環(huán)漸近穩(wěn)定的非最小相位系統(tǒng)。（一）預(yù)測(cè)模型在k時(shí)刻加一控制增量，在未來(lái)N個(gè)時(shí)刻的模型輸出預(yù)測(cè)值寫成矢量形式為

為k時(shí)刻有作用時(shí)未來(lái)N個(gè)時(shí)刻的預(yù)測(cè)模型輸出矢量為k時(shí)刻無(wú)作用時(shí)未來(lái)N個(gè)時(shí)刻的輸出初始矢量T為階躍響應(yīng)動(dòng)態(tài)系數(shù)矢量

（9-48）二、動(dòng)態(tài)矩陣控制如果控制增量在未來(lái)M個(gè)采樣間隔都在變化，即、、...、則系統(tǒng)在未來(lái)P個(gè)時(shí)刻的預(yù)測(cè)模型輸出為系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線二、動(dòng)態(tài)矩陣控制寫成矢量/矩陣形式有

A為動(dòng)態(tài)矩陣

二、動(dòng)態(tài)矩陣控制由輸入控制增量預(yù)測(cè)輸出二、動(dòng)態(tài)矩陣控制模型輸出初值是由k時(shí)刻以前加在系統(tǒng)輸入端的控制增量產(chǎn)生的。假定從到時(shí)刻加入的控制增量分別為、、、，而在時(shí)刻假定，則對(duì)于、、、各個(gè)分量來(lái)說(shuō)，有下列關(guān)系式：二、動(dòng)態(tài)矩陣控制將上式寫成矢量/矩陣形式，有

二、動(dòng)態(tài)矩陣控制對(duì)上式作變換，則有

二、動(dòng)態(tài)矩陣控制即可求出用過(guò)去施加于系統(tǒng)的控制量表示初值的預(yù)測(cè)模型輸出系統(tǒng)的輸出預(yù)測(cè)值需在預(yù)測(cè)模型輸出的基礎(chǔ)上，用實(shí)際輸出誤差修正，即

二、動(dòng)態(tài)矩陣控制（二）最優(yōu)控制律計(jì)算最優(yōu)控制律由二次型性能指標(biāo)確定由，化簡(jiǎn)后展開(kāi)即可求岀從到時(shí)刻的順序開(kāi)環(huán)控制增量，即式中，的第i行。三、預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的參數(shù)選擇本節(jié)以單輸入單輸出的模型算法控制為例，給出預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度P、控制時(shí)域長(zhǎng)度M、誤差加權(quán)矩陣Q、控制加權(quán)矩陣

λ

以及采樣周期

T0

等幾個(gè)主要參數(shù)的選擇原則和計(jì)算方法，供設(shè)計(jì)時(shí)參考。（一）預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度P一般P的選擇方法是，先取然后，選擇P，使預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度包含對(duì)象脈沖響應(yīng)的主要?jiǎng)討B(tài)部分，以此初選結(jié)果進(jìn)行仿真研究。若快速性不夠，則可適當(dāng)減小P，若穩(wěn)定性較差，則可增大P。其他部分對(duì)應(yīng)的時(shí)延及反向部分三、預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的參數(shù)選擇（二）控制時(shí)域長(zhǎng)度M控制時(shí)域長(zhǎng)度M在優(yōu)化性能指標(biāo)式中表示所要計(jì)算和確定的未來(lái)控制量改變的數(shù)目。由于優(yōu)化主要是針對(duì)未來(lái)P個(gè)時(shí)刻的輸出預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行的，它們最多只受到P個(gè)控制增量的影響，所以應(yīng)有。M越小越難保證在各采樣點(diǎn)使輸出緊跟期望值變化，反映在性能指標(biāo)中效果也越差。M越大控制的機(jī)動(dòng)性越強(qiáng)，可提高控制的靈敏度，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性隨之而下降。因此，M的選擇，應(yīng)兼顧快速性和穩(wěn)定性，綜合平衡考慮。三、預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的參數(shù)選擇（三）誤差加權(quán)矩陣Q誤差加權(quán)矩陣一般選為對(duì)角陣為了使控制系統(tǒng)穩(wěn)定，通常的選擇應(yīng)滿足下列條件：此外，對(duì)于時(shí)延和因非最小相位特性引起的反向部分，應(yīng)取為零。

為系統(tǒng)時(shí)延或因反向部分引起的時(shí)延。三、預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的參數(shù)選擇在一般情況下，可采用下列策略，即選再調(diào)整其他控制參數(shù)，來(lái)獲得所要求的動(dòng)靜態(tài)特性。（四）控制加權(quán)矩陣控制加權(quán)矩陣通常選為對(duì)角陣

常取相同值

。若已取三、預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的參數(shù)選擇但此時(shí)控制量變化太大，則適當(dāng)加大，直到得到滿意的控制效果為止。實(shí)際上，即使取得很小，對(duì)控制量仍有明顯的抑制作用。引入的目的是限制變化劇烈的控制量對(duì)系統(tǒng)引起的過(guò)大沖擊。則為一可調(diào)參數(shù)，可先令或一個(gè)較小的數(shù)值。若控制系統(tǒng)穩(wěn)定三、預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的參數(shù)選擇（五）預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)參數(shù)整定的實(shí)現(xiàn)總結(jié)上面的討論，預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)參數(shù)整定的步驟如下：1）初選預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度P，使之能覆蓋過(guò)程響應(yīng)的主要?jiǎng)討B(tài)部分。2）選3）初選，并設(shè)定控制時(shí)域長(zhǎng)度對(duì)具有簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)響應(yīng)的對(duì)象對(duì)包括有震蕩等復(fù)雜動(dòng)態(tài)響應(yīng)的對(duì)象三、預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的參數(shù)選擇4）計(jì)算控制系統(tǒng)，仿真檢驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，若不穩(wěn)定或過(guò)程過(guò)于緩慢，則調(diào)整P，直到滿意為止。5）以上述結(jié)果檢驗(yàn)控制量的變化幅度，若偏大，則可略加大的值。6）當(dāng)模型失配時(shí)，可調(diào)整反饋濾波器參數(shù)，直到獲得所期望的穩(wěn)定性和魯棒性為止。三、預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的參數(shù)選擇（六）采樣周期與模型長(zhǎng)度N的選擇采樣周期的選擇，原則上應(yīng)使采樣頻率滿足香農(nóng)定理的要求，即采樣頻率應(yīng)大于2倍截止頻率。在大多數(shù)情況下，采樣周期的選擇是不嚴(yán)格的，因太小或太大之間的范圍是很寬的。比較好的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則是選取

為過(guò)渡過(guò)程上升到95%的調(diào)節(jié)時(shí)間。Astrom建議用

為過(guò)程上升時(shí)間。三、預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的參數(shù)選擇對(duì)于一階系統(tǒng)，等于系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，此時(shí)的合理選擇約為2?4。對(duì)于阻尼系數(shù)為、自然振蕩頻率為的二階系統(tǒng)，上升時(shí)間為

此時(shí)，采樣周期的合理選擇是三、預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的參數(shù)選擇對(duì)于非參數(shù)模型，采樣周期的選擇還與模型長(zhǎng)度N有關(guān)，為了使模型參數(shù)盡可能完整地包含對(duì)象的動(dòng)態(tài)信息，通常要求脈沖響應(yīng)（或階躍響應(yīng)）到時(shí)已接近穩(wěn)態(tài)值，即。但是采樣周期的減少，將會(huì)使模型維數(shù)N增加，導(dǎo)致計(jì)算量增大，計(jì)算機(jī)算不過(guò)來(lái)，使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性降低。非參數(shù)模型因而應(yīng)適當(dāng)?shù)剡x取采樣周期，使模型的維數(shù)N控制在20?50的范圍內(nèi)。如果達(dá)不到上述要求，從實(shí)時(shí)性的要求出發(fā)，建議采用最小化的參數(shù)模型來(lái)設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)。四、預(yù)測(cè)控制仿真計(jì)算工具M(jìn)ATLAB也提供了一個(gè)“模型預(yù)測(cè)控制工具箱（ModelPredictiveControlToolbox）”，可為模型預(yù)測(cè)控制的研究和應(yīng)用提供很大的助力。（一）MPC工具箱中階躍響應(yīng)參數(shù)矩陣的形式與構(gòu)建MPC工具箱按照下面的形式存儲(chǔ)階躍響應(yīng)參數(shù)矩陣。（9-65）四、預(yù)測(cè)控制仿真計(jì)算工具M(jìn)PC工具箱提供了函數(shù)tfd2step完成由傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡A躍響應(yīng)參數(shù)矩陣的功能。plant=tfd2step(tfinal,delt2,nout,g1,...,g25)對(duì)于傳遞函數(shù)，MPC工具箱也采用標(biāo)準(zhǔn)的矩陣形式四、預(yù)測(cè)控制仿真計(jì)算工具（二）模型預(yù)測(cè)控制的仿真MPC工具箱還提供函數(shù)mpccon計(jì)算MPC控制器增益，函數(shù)原型為。Kmpc=mpccon(model,

ywt,

uwt,

M,

P)model為式（9-65）所示形式的階躍響應(yīng)參數(shù)矩陣ywt為輸出誤差加權(quán)系數(shù)，與誤差加權(quán)矩陣對(duì)應(yīng)M為控制時(shí)域長(zhǎng)度P為預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度四、預(yù)測(cè)控制仿真計(jì)算工具模型預(yù)測(cè)控制仿真使用函數(shù)mpcsim計(jì)算，函數(shù)原型為[y,

u,

ym]=mpcsim(plant,model,Kmpc,tend,r,

usat,tfilter,dplant,dmodel,dstep)plant和model分別是對(duì)象的階躍響應(yīng)參數(shù)矩陣和對(duì)應(yīng)模型的階躍響應(yīng)參數(shù)矩陣tend為仿真的時(shí)間長(zhǎng)度r為設(shè)定值或者隨時(shí)間變化的參考軌跡四、預(yù)測(cè)控制仿真計(jì)算工具后面的參數(shù)為可選輸入?yún)?shù)：usat為控制量約束矩陣，它是一個(gè)常數(shù)或是一個(gè)隨時(shí)間變化控制量的下限、上限和變化率限tfilter為噪聲濾波器和未測(cè)量干擾滯后的時(shí)間常數(shù)dmodel是干擾與對(duì)應(yīng)模型輸出之間對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)參數(shù)矩陣dstep為對(duì)象的擾動(dòng)，可以是一個(gè)常數(shù)或者隨時(shí)間變化的軌跡函數(shù)的輸出包括：y為系統(tǒng)的輸出；u為控制量；ym為模型輸出。四、預(yù)測(cè)控制仿真計(jì)算工具

mpcsim的控制結(jié)構(gòu)圖圖為mpcsim的控制結(jié)構(gòu)圖，其中ym、model隱含在了圖中的控制器里。第5節(jié)

其它先進(jìn)控制策略簡(jiǎn)介自適應(yīng)控制模糊控制專家控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制一、自適應(yīng)控制

（一）模型參考自適應(yīng)控制目標(biāo)：使系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，力求保持被控過(guò)程的響應(yīng)特性與參考模型的動(dòng)態(tài)性能的一致性，而參考模型始終具有所期望的閉環(huán)性能。1）比較參考模型的期望輸出，與控制對(duì)象的實(shí)際輸出，產(chǎn)生誤差；2）按自適應(yīng)規(guī)律計(jì)算控制器參數(shù)；3）調(diào)整可調(diào)控制器。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程：一、自適應(yīng)控制（二）自校正控制實(shí)際運(yùn)行過(guò)程：1）辨識(shí)器根據(jù)對(duì)象的輸入和輸出信號(hào)在線估計(jì)對(duì)象的參數(shù)；2）以對(duì)象參數(shù)的估計(jì)值作為對(duì)象參數(shù)的真值θ，送入控制器設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，按設(shè)計(jì)好的控制規(guī)律進(jìn)行計(jì)算；3）計(jì)算結(jié)果v送入可調(diào)控制器，形成新的控制輸出，以補(bǔ)償對(duì)象特性的變化。二、模糊控制主要功能：1）把精確量(一般是系統(tǒng)的誤差及誤差變化率)轉(zhuǎn)化成模糊量；2）按總結(jié)的語(yǔ)言規(guī)則（在圖中的規(guī)則庫(kù)中）進(jìn)行模糊推理；3）把推理的結(jié)果從模糊量轉(zhuǎn)化成可以用于實(shí)際控制的精確量。三、專家控制主要進(jìn)行如下工作：1）觀察、檢測(cè)系統(tǒng)中的有關(guān)變量和狀態(tài)。2）運(yùn)用自己的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)判斷當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行的情況并分析比較各種可以采用的控制策略。3）選擇控制策略予以執(zhí)行。四、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制單神經(jīng)元控制框圖神經(jīng)控制器有多個(gè)輸入xi(k)，i＝1，…，n和一個(gè)輸出u(k)。每個(gè)輸入有相應(yīng)的權(quán)值wi(k)，i＝1，…，n。輸出為輸入的加權(quán)求和：K>0為比例系數(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過(guò)程就是調(diào)整權(quán)值wi(k)的過(guò)程，其值通過(guò)學(xué)習(xí)算法來(lái)決定。通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)的傳輸技術(shù)異步串行傳輸與現(xiàn)場(chǎng)總線互聯(lián)網(wǎng)的基本原理以太網(wǎng)技術(shù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信與互聯(lián)技術(shù)

第1節(jié)

通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)

通信系統(tǒng)的任務(wù)是傳遞信息，因而信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃允峭ㄐ畔到y(tǒng)最主要的質(zhì)量指標(biāo)。一、有效性指標(biāo)二、可靠性指標(biāo)有效性指標(biāo)

數(shù)據(jù)傳輸速率

比特是數(shù)據(jù)信號(hào)的最小單位。

通信系統(tǒng)每秒傳輸數(shù)據(jù)的二進(jìn)制位數(shù)定義為比特率，記作bps。1、比特率波特是指信號(hào)大小方向變化的一個(gè)波形；把每秒傳輸信號(hào)的個(gè)數(shù)定義為波特率。單位:波特（baud）。2、波特率區(qū)別？有效性指標(biāo)

協(xié)議效率是指所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包中的有效數(shù)據(jù)位與整個(gè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的比值。通常用百分比表示。3、協(xié)議效率

協(xié)議效率越高，其通信的有效性越好。通信參考模型的每個(gè)分層，都會(huì)有相應(yīng)的層管理和協(xié)議控制的加碼。從提高協(xié)議效率的角度來(lái)看，減少層次可以提高編碼效率。可靠性指標(biāo)

誤碼率是衡量數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)，是二進(jìn)制碼元在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率，數(shù)值上近似：N

——傳輸?shù)亩M(jìn)制碼元總數(shù)；Ne——為傳輸錯(cuò)的碼元數(shù)可靠性指標(biāo)

理解誤碼率應(yīng)注意以下問(wèn)題：1、誤碼率是衡量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下傳輸可靠性的參數(shù)；2、對(duì)于一個(gè)實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，不能籠統(tǒng)的說(shuō)誤碼率越低越好，要根據(jù)實(shí)際情況提出誤碼率要求；

3、實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸中，往往需要進(jìn)行大量的、重復(fù)的測(cè)試，才能求出平均誤碼率。據(jù)測(cè)試，電話線傳輸速率為300－2400bps時(shí)，平均誤碼率為10－4－10－6，而計(jì)算機(jī)通信的平均誤碼率要求低于10－8，因此，不采用差錯(cuò)控制，就不能滿足計(jì)算機(jī)通信的要求。第2節(jié)

數(shù)據(jù)的傳輸技術(shù)信道的頻率特性

不同的傳輸介質(zhì)具有不同的帶寬

電話線為例基帶傳輸

基帶傳輸就是在基本不改變數(shù)據(jù)信號(hào)頻率的情況下，在數(shù)字通信中直接傳送數(shù)據(jù)基帶信號(hào)，即按數(shù)據(jù)波的原樣進(jìn)行傳輸，不采用任何調(diào)制措施。

目前，大部分計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)都是采用基帶傳輸。特點(diǎn)：信號(hào)按數(shù)據(jù)位流的基本形式傳輸，整個(gè)系統(tǒng)不用調(diào)制解調(diào)器。

基帶信號(hào)包含很寬頻率范圍，不適合遠(yuǎn)距離傳輸?；鶐鬏敂?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字編碼定義：用高低電平的矩形脈沖信號(hào)來(lái)表示數(shù)據(jù)的0、1狀態(tài)。數(shù)字編碼的種類有：?jiǎn)螛O性碼、雙極性碼、歸零碼、非歸零碼、差分碼、Manchester編碼等。工業(yè)通信中常用的是非歸零碼和Manchester編碼?；鶐鬏敺菤w零碼：通過(guò)高低電平表示邏輯1和0，在整個(gè)碼元期間都維持有效電平的編碼。優(yōu)點(diǎn)：能夠比較有效地利用信道的帶寬，這是最常用的編碼之一。缺點(diǎn)：存在直流分量，不具備自同步機(jī)制，必須使用外同步。曼徹斯特編碼：在每個(gè)碼元的中間都要發(fā)生跳變。接收端可將此變化提取出來(lái)作為同步信號(hào)，使接收端的時(shí)鐘與發(fā)送設(shè)備的時(shí)鐘保持一致。是工業(yè)數(shù)據(jù)通信中最常用的一種基帶信號(hào)編碼優(yōu)點(diǎn)：不需要外同步信號(hào)，不存在直流分量。缺點(diǎn)：需要雙倍的傳輸帶寬（即信號(hào)速率是數(shù)據(jù)速率的2倍）。基帶傳輸01001100011

時(shí)鐘NRZManchester載波傳輸載波傳輸是先用數(shù)字信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，然后進(jìn)行傳輸?shù)膫鬏斈Ｊ??；驹恚?/p>

載波S(t)=Acos(

t+

)