数字控制理论及应用(讲稿)第二章 数字控制系统的组成

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1、第二章 数字控制系统的组成第二章 数字控制系统的组成 第一节 数字控制系统硬件及软件组成 一、 硬件部分 一、 硬件部分 计算机控制系统的硬件包括主机、接口电路、过程输入/输出通道、外部设备、操作台等。 1、主机 它是过程计算机控制系统的核心，由中央处理器（CPU）和内存储器组成。主机根据输入通道送来的被控对象的状态参数， 按照预先制定的控制算法编好的程序， 自动进行信息处理、分析、计算，并作出相应的控制决策，然后通过输出通道发出控制命令，使被控对象按照预定的规律工作。 2、接口电路 它是主机与外部设备、 输入/输出通道进行信息交换的桥梁。 在过程计算机控制系统中，主机接收数据或者向外发布命令

2、和数据都是通过接口电路进行的， 接口电路完成主机与其它设备的协调工作，实现信息的传送。 3、过程输入/输出通道 过程输入输出（I/O）通道在微机和生产过程之间起着信号传递与变换的纽带作用，它是主机和被控对象实现信息传送与交换的通道。 模拟量输入通道把反映生产过程或设备工况的模拟信号转换为数字信号送给微机；模拟量输出通道则把微机输出的数字控制信号转换为模拟信号 （电压或电流） 作用于执行设备，实现生产过程的自动控制。微机通过开关量（脉冲量、数字量）输入通道输入反映生产过程或设备工况的开关信号（如继电器接点、行程开关、按纽等）或脉冲信号；通过开关量（数字量）输出通道控制那些能接受开关（数字）信号的

3、电器设备。 1） 、模拟量输入（AI）通道： 生产过程中各种连续的物理量(如温度、流量、压力、液位、位移、速度、电流、电压以及气体或液体的 PH 值、浓度、浊度等） ，只要由在线仪表将其转换为相应的标准模拟量电信号，均可送入模拟量输入通道进行处理。 2） 、模拟量输出（AO）通道： 模拟量输出通道一般是输出 420mA（或 15V）的连续的直流电流信号，用来控制各种直行程或角行程电动执行机构的行程，或通过调速装置（如各种变频调速器）控制各种电机的转速， 亦可通过电-气转换器或电-液转换器来控制各种气动或液动执行机构， 例如控制气动阀门的开度等等。 3） 、开关量输入（DI）通道： 用来输入各种

4、限位（限值）开关、继电器或电磁阀门连动触点的开、关状态；输入信号可以是交流电压信号、直流电压信号或干接点信号。 4） 、开关量输出（DO）通道： 用于控制电磁阀门、继电器、指示灯、声报警器等只具有开、关两种状态的设备。输出形式一般为无源触点和有源 OC 门两种。 35） 、脉冲量输入（PI）通道： 现场信号中的转速计、涡街流量计及一些机械计数装置等输出的测量信号均为脉冲信号，脉冲量输入通道既可检测该类信号。 4、外部设备 外部设备按功能可分成三类：输入设备、输出设备和外存储器。一个过程控制系统外部设备的配置是根据系统的功能决定的。 5、操作台 操作台是过程控制系统人-机联系设备，专供操作人员使

5、用。一般操作台有 CRT 显示器或 LED 数字显示器，用以显示系统运行的状态；有功能键盘，以便操作人员输入或修改控制参数和发送命令。 二、软件部分 二、软件部分 为使过程计算机控制系统正常运行并充分发挥硬件功能，完成预定的任务，必须有软件的支持才能实现。 软件是指计算机中使用的所有程序的总称。 软件通常又可分为系统软件和应用软件。 系统软件是用来使用和管理计算机的程序。过程计算机控制系统的系统软件应根据控制系统的的规模和要求的功能选配。 应用软件是为了解决具体任务的用户程序，如在过程计算机控制系统中，各种数据采集程序、数字处理程序以及各种控制程序等，它由用户按需要而编制。 第二节 过程计算机

6、控制系统的分类 过程计算机控制系统所采用的形式与所控制的生产过程的复杂程度密切相关，不同的被控对象和不同的控制要求，应有不同的控制方案。按照系统的功能和发展进程，典型计算机控制系统大致分为以下几种典型的形式。 一、 操作指导控制系统 一、 操作指导控制系统 图 2.2.1 操作指导控制系统 计 算 机 模拟量输入（AI）通道数字量输入（DI）通道生 产 过 程 CRT 打印机 操 作 人员 控制器 操作指导控制系统的构成如图 2.2.1 所示。该系统不仅具有数据采集和处理的功能，而且能够为操作人员提供反映生产过程工况的各种数据， 并相应地给出操作指导信息， 供操作人员参考。 该控制系统属于开环

7、控制结构。计算机根据一定的控制算法（数学模型） ，依赖测量元件测量的信号数据， 计算出供操作人员选择的最优操作参数及操作方案。 操作人员根据计算4机的输出信息，如 CRT 显示图形或数据、打印机的曲线数据等,手动改变控制器的给定值或直接操作执行机构。 二、 直接数字控制系统 二、 直接数字控制系统 直接数字控制系统 DDC（Direct Digital Control）是指计算机直接控制生产过程。系统构成如图 2.2.2 所示。DDC 系统用一台计算机取代模拟控制器，对生产过程中多种被控变量进行巡回检测，计算机按人们预先规定的控制程序（如 PID、前馈、解耦等控制方式） ，对多种被测量进行分析

8、、 判断、 处理， 从而得到控制量， 通过二进制形式输出到 D/A 转换器，并以 420mA 或 010mA 的模拟电流形式发出控制信号，实现对生产过程的闭环控制。 CRT 打印机 报 警 操作台 数字 控 制 器输入通道 （AI，DI）输出通道 （AO，DO）生产 过 程图 2.2.2 直接数字控制系统 DDC 系统的特点是计算机运算速度快，可分时处理多个控制回路，一台计算机可以取代几十台模拟控制器，实现几十个甚至更多的单回路的控制；并且计算机运算能力强，能很方便地实现各种比较复杂的控制规律，如串级控制、前馈控制、选择性控制、解耦控制以及大纯滞后补偿控制等。 由于直接数字控制系统中，计算机直

9、接承担控制任务，所以要求实时性好、可靠性高和适应性强。这就需要合理地设计应用软件，使之完成所有的控制功能。 三、 监督计算机控制系统 三、 监督计算机控制系统 监督计算机控制 SCC（Supervisory Computer Control）系统中，计算机根据原始工艺信息和其他参数按照描述生产过程的数学模型或其他方法， 自动地改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的微型计算机中的给定值， 从而使生产过程始终处于最优的工况 （保持高质量、高效率、低消耗、低成本等）下运行。从这个角度上说，它的作用是改变给定值，所以又称设定值控制 SPC（Set Point Control） 。监督控制系统有两种不

10、同的结构形式，如图2.2.3 所示。 1、SCC 加上模拟控制器的控制系统 该系统由计算机系统对各物理量进行巡回检测，并按一定的数学模型对生产工况进行分析、计算后得出控制对象各参数最优给定值送给控制器，使工况保持在最优状态。当 SCC计算机出现故障时，可由模拟调节器独立完成操作。 5测 量 控 制 测 量 控 制 SCC 计 算 机设 定 值生 产 过 程 模 拟 控 制 器 工 艺 数 据 记 录 显 示 打 印 SCC 计 算 机设 定 值生 产 过 程 DDC 计 算 机 工 艺 数 据 记 录 显 示 打 印 （ a） SCC+模 拟 调 节 系 统图2.2.3 监 督 控 制 系 统

11、 的 两 种 结 构 形 式（ b） SCC+DDC 系 统测 量测 量2、SCC 加上 DDC 分级控制系统 这实际上是一个二级控制系统，SCC 可采用高档计算机，它与 DDC 之间通过接口进行信息联系。SCC 计算机可完成工段、车间高一级的最优化分析和计算，并给出最优给定值，送给 DDC 级执行过程控制。 当 DDC 级计算机出现故障时， 可直接由 SCC 计算机完成 DDC 的控制功能，这种系统提高了可靠性。 四、 集散控制系统 四、 集散控制系统 集散控制系统 DCS（Distributed Control System）又称分布式控制系统，它采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治

12、和综合协调的设计原则，把系统从上到下分为综合信息管理级、集中操作监控级、分散过程控制级，形成分级分布式控制。 五、现场总线控制系统 五、现场总线控制系统 现场总线（fieldbus）是连接工业过程仪表和控制系统之间的全数字化、双向、多站点的串行通信网络，它与控制系统和现场仪表共同组成现场总线控制系统（Fieldbus Control SystemFCS） 。现场总线控制系统 FCS 不单单是一种通信技术，也不仅仅是用数字信号代替模拟信号，它是现场总线通信网络与控制系统的集成。 九十年代以来，逐渐形成的几种有影响的现场总线技术有，FF（Foundation Field）基金会现场总线、由美国 E

13、chelon 公司推出的 Lon Work 现场总线、由德国西门子公司为主的 Profibus 总线、由德国 Bosch 公司推出的 CAN（Control Area Netword）总线、由美国Rosemount 公司推出的 HART 总线等。这些总线是根据行业的应用需要施加某些特殊规定后形成了各自的技术标准。 第三节 模拟量、开关量输入输出通道基本原理 过程输入输出通道由模拟量输入输出通道和开关量输入输出通道组成。 一、一、AI（Analog Input）通道）通道 AI 通道的一般结构如图 2.3.1 所示。过程参数由传感元件和变送器测量并转换成电压（或电流）形式后送至多路开关；在微机的

14、控制下，由多路开关将各个过程参数依次地切换6到后级，进行放大、采样和 A/D 转换，实现过程参数的巡回检测。 图 2.3.1 AI 通道的一般结构 A/ D过 程 参 数 变 送 器 多路采样开关 数据放大器 采样保持器 I/ O主 机控制逻辑 模拟信号到数字信号的转换包含信号采样和量化两个过程。 采样信号在时间轴上是离散的，即连续信号y(t)幅值上的变化，通过采样变成离散信号y*(t)。微机只接受在时间上离散、幅值上变化的数字信号。 将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是A/D转换器。字长为n的A/D转换器把yminymax范围内变化的采样信号，变换为数字量，其最低

15、有效位（LSB）所对应的模拟量q称为量化单位。其值为 120nnyyq2minmax= 量化过程实际上是一个用 q 去度量采样值幅值高低的小数归整过程。由于量化过程是一个小数归整过程，因而存在量化误差，其最大量化误差为21q。 如果 A/D 转换器的字长 n 足够长，整量化误差就会变小，这样可以认为数字信号近似于采样信号。在这种假设下，数字系统便可沿用采样系统理论进行分析、设计系统。 A/D 转换器的任务是完成采样信号到数字信号的转换。 常用的转换方式有逐次逼近式和双斜积分式。前者转换时间短（几个微秒几百个微秒） ，但抗干扰能力较差；后者转换时间长（几十个毫秒几百个毫秒） ，抗干扰能力较强，在

16、信号变化缓慢，现场干扰严重的场合，宜用后者。 常用 A/D 转换器芯片有，逐次逼近式集成 A/D 转换器，如 8 位分辨率的 ADC0809、12位分辨率的 AD574 等；双斜积分式集成 A/D 转换器有 11 位分辨率的 MC14433、14 位分辨率的 ICL7135 等。 A/D 转换器的主要技术指标有转换时间、分辨率和线性误差等。 1、转换时间：指完成一次模拟到数字转换所需要的时间。 2、分辨率：通常用数字量的位数n（字长）来表示，如 8 位、12 位、16 位等。分辨率为n位，表示它能对满量程输入的 1/2n的增量作出反映，即数字量的最低有效位（LSB）对应于满量程输入的 1/2n。 例如n=8， 满量程输入为 5.12V， 则LSB对应于模拟电压 5.12V/28=20mV。 73、线性误差：理想转换特性（量化特性）应该是线性的，但实际转换特性并非如此。在满量程输入范围内， 偏移理想转换的最大误差定义为线性误差。 线性误差通常用