过程控制Process Control,下篇 过程计算机控制 第11章 直接数字控制系统,本章要点 直接数字控制系统的构成 过程输入输出技术及数据处理方法 数字PID控制技术及数字控制系统的设计与实现 数字控制器的直接设计方法 监控组态软件本章学习目标 理解直接数字控制系统的构成原理及特点 掌握模拟量、数字量输入输出技术 深刻理解数字滤波及数据处理方法 熟练掌握数字PID控制算法及改进算法 掌握单回路、串级、前馈控制策略的计算机实现方法 理解数字控制器的直接设计方法 了解监控组态软件的功能及应用,第11章 直接数字控制系统,11.1 直接数字控制系统概述11.2 过程输入输出通道技术11.3 数字滤波与数据处理11.4 数字PID控制技术11.5 数字控制系统的设计与实现11.6 数字控制器的直接设计方法11.7 监控组态软件,11.1 直接数字控制系统概述,直接数字控制系统（Direct Digital Control，DDC）就是用一台计算机通过测量元件变送器对生产过程中的多个被控参数进行巡回检测；检测结果与给定值进行比较，再按PID控制规律或其他直接数字控制算法进行运算；然后将运算结果变换成执行机构能够接受的控制量，输出到执行机构对生产过程进行控制，使被控参数按设定值曲线变化或稳定在给定值上。,DDC系统的结构框图,DDC系统主机单元的结构：模板式主机板与模拟量输入/输出模板、数字量输入/输出模板通过总线母板连接。模块式主机模块与模拟量输入/输出模块、数字量输入/输出模块通过总线连接。,11.2 过程输入输出通道技术,DDC系统的输入输出通道是计算机和传感器、执行器之间的信息传递和变换装置。是连接控制计算机和工业生产过程的桥梁和纽带。,11.2.1 概述,过程通道,过程输入输出通道的结构,模板式模块式,模块式结构：,模板式结构：,(a)混合集中式 (b)分离分布式,模拟量输入通道(AI)是计算机用于工业控制、自动测试、计算机辅助医疗诊断、机器人等科学研究时必需的模拟数据处理系统。它把各类传感器从现场检测到的模拟量信号如温度、压力、流量、物位、成分等转换成计算机可以接收的数字量信号。建立模拟量输入通道的目的，通常是为了进行参数测量或数据采集。它的核心部件是A/D转换器及其微处理机的接口。,11.2.2 模拟量输入通道,模拟量输入通道一般包括：信号调理电路、多路转换开关、采样保持器、A/D转换器等几个组成部分。,1. 模拟量输入通道的结构,多路共用采集电路分时采集,多路同步取样共用A/D分时采集,多通道同步采样分时传输数据,通过多路模拟开关将多路参数分时送入计算机。,2. 模拟量输入通道的组成, 信号调理电路,经由传感器或检测仪表、变送器输入的模拟信号，可能是电压或电流信号，幅值范围往往和A/D转换器的量程不匹配，而且一般含有噪声信号，因此需要进行放大、滤波、隔离保护等处理，称为信号调理。, 多路开关,单向多路开关:AD7501(8路)、AD7506(16路)等；双向多路外关：CD4051等;单端输入: CD4051是单端8通道;双端输入: CD4052是双4通道;多路输入多路输出:CD8816等。, 采样保持器,在A/D转换器工作期间采样保持器一直保持着转换开始时的输入值，因而能抑制由放大器干扰带来的转换噪声，提高模/数转换器的精确度和消除转换时间的不准确性。,高速采样(如500010000点秒) 必须采用采样保持器。,在低速系统中一般可以省略。,采样保持器的工作方式, A/D转换器,在工业生产过程中，被测参数，如温度、压力、流量、液位、成分等都是连续变化的模拟量，而计算机处理的数据只能是数字量，所以在进入计算机之前，必须把模拟量转换成数字量（也即A/D转换）。AD转换器即是完成模拟量转换为数字量的器件，在一般情况下，模拟量是指电压。,3. 模拟量输入通道A/D转换器的选择, A/D转换器的技术指标,分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化量的技术指标，是数字量变化一个字所对应模拟信号的变化量。其大小取决于A/D转换器的位数，所以习惯上以数字量的位数来表示。 量化误差是由A/D 转换器有限字长数字量对输入模拟量进行离散取样（量化）引起的误差，其大小在理论上为一个单位（1LSB ）。量化误差和分辨率是统一的，即提高分辨率可以减小量化误差。, 分辨率与量化误差,转换精度反映了一个实际A/D转换器与一个理想A/D转换器在量化值上的差值，用绝对误差或相对误差来表示。, 转换精度,转换速率是指A/D转换器在每秒钟所能完成的转换次数。转换速率也可表述为转换时间，即A/D转换从启动到结束所需的时间，转换速率与转换时间互为倒数。, 转换速率, 满刻度范围,满刻度范围是指A/D转换器所允许的最大输入电压范围。满刻度值只是个名义值，实际的AD转换器的最大输入电压值总比满刻度值小1/2n（n为转换器的位数）。, AD转换器的分类(根据转换原理分), 逐次比较式, 积分式, 并行比较式, 改进型,转换时间一般在s级，转换精度一般在0.1左右，适于一般场合。,转换时间一般在ms级或更长，但抗干扰性能强，转换精度可达0.01或更高。适于数字电压表类仪器采用。,采用并行比较，其转换时间可达ns级，但抗干扰性能较差.,在上述某种形式AD转换器的基础上，为满足某项高性能指标而改进或复合而成的。, A/D转换速度的选择,在选取A/D转换速度之前，应该首先确定系统的采样周期。合理地选择采样周期T，是过程计算机控制系统设计的关键问题之一。,确定系统采样周期的原则及相关知识，将在11.5.5中详细介绍。,A/D转换器从启动转换到转换结束输出稳定的数字量，需要一定的时间。而且从转换结束到下一次启动转换也需要一段休止时间(或称复位时间、恢复时间、准备时间等).因此，A/D转换器的转换速率应由转换时间和休止时间二者共同决定。选择时应该注意。, A/D转换器字长的选择,为把量化误差限制在所允许的范围内，应使A/D转换器有足够的字长。确定字长要考虑的因素是输入信号的动态范围和分辨率。,为使输入信号的最大值xmax不至使A/D溢出，且小信号xmin不被量化噪声淹没，则需, 输入信号的动态范围,即需要A/D转换器的字长为,输入信号的动态范围定义为,若已知被测模拟电压动态范围为L1，则,有时对A/D转换器的字长要求以分辨率形式给出。分辨率定义为, 分辨率,如果所要求的分辨率为D0，则字长,此外，考虑到MUX、S/H、A/D组成的数据采集电路的总误差是这三个组成部分的分项误差的综合值，选择元器件精度的一般规则是：每个元器件的精度指标应优于系统精度的10倍左右。,可根据系统精度指标，估算所需A/D的位数n,由于大多数执行器只能接受模拟量，为了驱动执行器，经计算机处理后的数据还必须再转换成模拟量（即D/A转换）。此外，在模拟量输出通道中，为了实现多回路控制，需要通过多路开关将控制量分配到各条支路上。同时在模拟量输出通道中，为使各输出通道得到一个平滑的模拟量输出也必须保持一个恒定的值。因此，模拟量输出通道一般包括D/A转换器、多路分配器和采样保持器，其中的核心器件是D/A转换器。,11.2.3 模拟量输出通道,1D/A转换器概述,D/A转换器的输出多数为电流形式，如DAC0832，AD7522等。有些芯片内部设有放大器，直接输出电压信号，如AD558，AD7224等。电压输出型又有单极性输出和双极性输出两种。,双D/A转换器：AD75284通道D/A转换器：AD7226串行D/A转换器：DAC80直接接收BCD码的D/A转换器：AD7525输出4-20mA电流的D/A：AD1420/1422,D/A转换器的数字量输入端:,2D/A转换器字长的选择,D/A转换器输出一般都通过功率放大器推动执行机构。设执行机构的最大输入值为umax，最小输入值为umin（灵敏限），则D/A转换器的字长为,即D/A转换器的输出应满足执行机构动态范围的要求。一般情况下，可选D/A字长小于或等于A/D字长。,在过程计算机控制中，常用的A/D和D/A转换器字长为8位、10位和12位，按照上述公式估算出的字长取整后再选这三种之一。特殊被控对象，可选更高分辨率的器件。,有些工业过程的输入参数是通过接近开关输入，而控制采用继电器或可控硅来完成，称其为开关量输入输出。所谓开关量控制就是通过控制设备的“开”或“关”状态的时间来达到控制的目的。 计算机控制系统的输入数字信号来自于现场的传感器，输出数字信号又送回现场设备。因此，现场的电磁干扰会通过数字量输入、输出通道窜入计算机系统，故需要采用通道隔离技术。,11.2.4 数字量输入/输出通道,1数字量输入通道,数字量输入通道的任务主要是将现场输入的开关信号经转换、保护、滤波、隔离等措施后转换成计算机能够接收的逻辑信号，即将被控对象的开关状态信号(或数字信号)传送给计算机，简称DI(Digital Input)通道。,数字量输入通道的作用： 定时记录生产过程中某些设备的状态。 对生产过程中某些设备的状态进行检查，以便发现问题。,数字量输入通道结构,典型的开关量输入通道通常由以下几部分组成：, 开关量拾取电路,开关量的拾取即将过程的开关量转换为电压或电流的双位逻辑值。,不同的开关量要采用不同的变换方法。, 整形电路,将混有毛刺之类干扰的输入双值逻辑信号或其信号前后沿不符合要求的输入信号整形为接近理想状态的方波或矩形波，而后再根据系统要求变换为相应形状的脉冲信号。, 电平变换电路,将输入的双值逻辑电平转换为与CPU兼容的逻辑电平。在计算机控制系统中，CPU 一般只接受TTL电平，当开关量变换后的信号为非CPU所需电平时，则需要进行电平变换。电平变换可采用光电隔离、晶体管或CMOS-TTL电子变换芯片。采用光电隔离抗干扰能力强，但反应速度较慢，采用晶体管或CMOS-TTL电子变换芯片则速度较快。, 总线缓冲器,暂存数字量信息并实现与CPU数据总线的连接。, 接口电路,协调通道的同步工作，向CPU传递状态信息并控制开关量到CPU的输入。,数字量输入示例：由光电隔离器和总线缓冲器构成的数字量输入通道,光电耦合器,三态门缓冲器,2数字量输出通道,数字量输出通道的任务是把计算机输出的数字信号(或开关信号)传送给开关器件(如继电器或指示灯)，控制其通、断或亮、灭，简称DO(Digital Output)通道。,由于输出设备往往需要大电压(或电流)来控制，而计算机系统输出的开关量大都为TTL(或CMOS)电平，一般不能直接驱动外部设备开启或关闭。另外，许多外部设备，如大功率直流电机、接触器等在开关过程中会产生很强的电磁干扰信号，如不加以隔离，可能会造成计算机控制系统误动作甚至损坏。因此，在接口设计处理中，一要放大，二要隔离。,根据负荷功率的大小不同，可以选用不同的功率放大器件构成不同的开关量驱动输出通道。,晶体管、达林顿管、大功率场效应管输出驱动电路光电隔离器、继电器、晶闸管输出驱动电路固态继电器输出驱动电路,常用的输出驱动电路：,使用光电隔离器与继电器配合的输出驱动电路,继电器输出控制电路,采用直流型固态继电器控制三相步进电机,固态继电器输出控制电路,在过程计算机控制系统的工程应用中，过程输入/输出通道的任务一般可选择现成的板卡或模块来完成。,11.2.5 过程输入/输出板卡（或模块）的选择,1.选择步骤,(1) 分析具体的工程情况，统计所有模拟量输入/输出个数以及I/O点数，并填写表格。(2) 根据需要，选择输入、输出通道数，并应留有一定的裕量，以备将来系统扩展时使用。(3) 根据参数表选择板卡输入/输出通道的信号范围、信号类型、采样速度；根据系统的精度要求，选择A/D、D/A转换芯片的字长。(4) 当需要多通道采集或输出时，根据工程的具体要求决定是否需要通道间的同步输入或同步输出。(5) 考虑价格因素、可靠性、耐用性、配套软件等综合因素。,