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1、1.1计算机控制系统概述,一、计算机控制系统原理图,二、计算机控制系统的组成框图,三、计算机控制系统的工作原理,从本质上看，计算机控制系统的工作原理可归纳为以下四个步骤： 1、实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。 2、实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。 3、实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。 4、信息管理：信息共享和管理。,几个概念,在线方式和离线方式：on-line/off-line 生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式； 生产过程不和计算
2、机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并做相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。 实时：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。 注意：而且这个时间范围的大小跟被控对象联系非常的紧密！不同的被控对象，对时间范围的要求不同。,思考两个问题,一.在线系统是否一定是实时系统？ 二.实时系统是否一定是在线系统？,一.不一定。在线采集的数据不一定在当时就进行处理，只要把数据采集来就可以！ 二.是。不在线肯定不能满足实时性。,1.2 过程计算机控制系统的类型,根据应用特点、控制方案、控制目
3、的和系统构成，计算机控制系统大体可以分为如下类型： 一、操作指导控制系统 二、直接数字控制 (Direct Digital Control DDC)系统 三、监督计算机控制(Supervisory Computer Control SCC)系统 四、集散控制系统(Distributed Control Systems DCS) 五、现场总线控制系统(Fieldbus Control Systems FCS),1.4 过程计算机控制的数学基础,模拟信号,离散模拟信号,数字信号,数字信号,量化模拟信号,t,y*(t),0,T,2T,3T,t,y(nT),0,18(10010),23(10111),
4、19(10011),3T,2T,T,0,u(t),0,采样：以一定的时间间隔将模拟信号抽样成离散模拟信号的过程。 量化：用一组编码（二进制）去逼进离散模拟信号的幅值,将其变成数字信号的过程。,1.数字量输入接口 作用：对生产过程进行控制，往往要收集生产过程的状态信息，根据状态信息，再给出控制量。,2数字量输出接口 作用： 当对生产过程进行控制时，一般控制状态需进行保持，直到下次给出新的值为止，这时输出就要锁存。,第2章 输入输出接口与过程通道,接口是计算机与外部设备（部件与部件之间）交换信息的桥梁，它包括输入接口和输出接口。 接口技术是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。 过程通道是在
5、计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量(开关量)输入通道、数字量(开关量)输出通道。,2.1.2 数字量输入通道,1.数字量输入通道的结构 数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路等组成。,2.输入调理电路,数字量(开关量)输入通道的基本功能就是接收外部装置或生产过程的状态信号。 这些状态信号的形式可能是电压、电流、开关的触点，因此引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。 为了将外部开关量信号输入到计算机，必须将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号，这些功能称为信号调理 。
6、（1）小功率输入调理电路 （2）大功率输入调理电路,（1）小功率输入调理电路,开关、继电器等接点接通和断开动作，被转换成TTL电平信号与计算机相连。 为了清除由于接点的机械抖动而产生的振荡信号，一般都应加入有较长时间常数的积分电路来消除这种振荡。,左图为采用积分电路的小功率输入调理电路。 目的：把开关K的状态转化成二进制状态。 原理：闭和K时，电容C放电，反相器反相为1； 断开K时，电容C充电，反相器反相为0。,（2）大功率输入调理电路,当从电磁离合等大功率器件的接点输入信号时，为了使接点工作可靠，接点两端至少要加24V以上的直流电压（因为直流电平的响应快，不易产生干扰）。但是这种电路，由于所
7、带电压高，所以高压与低压之间，用光电耦合器进行隔离。 “光电隔离”：通常使用一个光耦将电子信号转换为光信号，在另一边再将光信号转换回电子信号。如此，这两个电路就可以互相的隔离。,原理：当K 闭合时，光电二极管导通，发光使晶体管导通，经反相器反相为1。 当K断开时，光电二极管不导通，晶体管不导通，经反相器反相输出为0。 其中，用R1R2进行分压，c1进行滤波，要合理选择参数。,2.1.2 数字量输出通道,1.数字量输出通道的结构 数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成 。,A/D转换器的主要技术指标有转换时间、分辨率、线性误差、量程、对基准电源的要求等。 转换时间
8、：指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。 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:基准电压与 的比值。它的大小取决于两个因素：基准电压和转换器的位数。若基准电压等于5V，那么8位的分辨率为19.53mV,12位的分辨率为1.22mV。这样就有二进制最低有效位LSB (Least Significant Bit)的定义方式。LSB定义为与输入二进制最低有效位相当的输出模拟电压，称为1LSB。 线性误差：理想转换特性(量化特性)应该是线性的，但实际转换特征并非如此。在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差常用LSB的分数表示，
9、如(1/2)LSB或1LSB。,量程：即所能转换的输入电压范围，如-5V+5V,010V，05V等。 对基准电源的要求：基准电源的精度对整个系统的精度产生很大影响。故在设计时，应考虑是否要外接精密基准电源。 A/D转换方式有逐次逼近式和双斜积分式， 逐次逼近式转换时间短(几个微秒几百个微秒)，但抗干扰能力较差。常用的逐次逼近式A/D转换器ADC0809，AD574等； 双斜积分式转换时间长(几十个毫秒几百个毫秒)，抗干扰能力较强。在信号变化缓慢，现场干扰严重的场合，宜采用后者。常用的双斜积分式A/D转换器有3位半(相当于2进制11位分辨率)的MC14433，4位半(相当于2进制14位分辨率)的
10、ICL7135等。,1ADC0809与PC总线工业控制机接口,ADC0809与PC总线工业控制机接口电路图,ADC0809通过8255A的转换器接口方法。8255A的A组和B组都工作于方式0，端口A为输入口，端口C上半部分为输入而下半部分为输出口。ADC0809的ALE与START引脚相连，将PC0PC2输出的3位地址锁存入ADC0809的地址锁存器并启动A/D转换。ADC0809的EOC输出信号端同OE输入控制端相连接，当转换结束时，开放数据输出缓冲器，EOC信号还连接到PC7，CPU通过查询PC7的状态而控制数据的输入过程。,2ADC574A与PC总线工业控制机接口,A/D574A的12/
11、8控制引脚和VLOGIC相连接，A0接地，使工作于12位转换和读出方式。CE、CS和R/C的控制通过PC2PC0输出适当的控制信号实现。8255A的A组和B组都工作于方式0，端口A、B和端口C上半部分规定为输入，端口C的下半部分规定为输出。,模拟量输入通道的任务是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。 为了避免低电平模拟信号传输带来的麻烦，经常要将测量元件的输出信号经变送器变送，(距离长，防衰减),2.3.1 模拟量输入通道的组成,过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电流(或电压)形式后，再送至多路开关；在微机的控制下，由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级，进
12、行采样和A/D转换，实现过程参数的巡回检测。 模拟量输入通道一般由I/V变换，多路转换器、采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑等组成。,2.量化 所谓量化，就是采用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。也就是怎样将离散模拟变量变为二进制码，二进制数的大小和量化单位有关。 孔径时间在采/保电路中，由于模拟开关K有一定的动作滞后，在保持命令发出后直到模拟开关完全断开所需的时间称为孔径时间。,该模板采集一个数据的过程,1通道选择 2启动AD574A进行A/D转换 3查询AD574A是否转换结束 4读取转换结果 （自己扩展）,2. 12位D/A转换器DAC1210,2
13、.4.2 D/A转换器接口技术,18位D/A转换器与PC总线工业控制机接口,（功能）,2. 12位D/A转换器与PC总线工业控制机接口,（功能）,至于从手动到自动的切换，当开关K1、K2、K3处于手动方式(H)，要做到无扰动还必须使图中的输出电路具有输出跟踪功能，即在手动状态下，来自微机D/A电路的自动输入信号Vi总等于反映手动输出的信号Vf(Vf与IL总是一一对应的)。要达到这个目的，必须有相应的微机配合，我们把这样的程序称为跟踪程序。 跟踪程序的工作过程是这样的：在每个控制周期中，计算机首先由数字量输入通道(DI)读入开关K2的状态，以判断输出电路是处于手动状态还是自动状态。若是自动状态，
14、则程序执行本回路预先规定的控制运算，最终输出Vi；若为手动状态，则首先由A/D转换器读入Vf，然后原封不动地将该输入数字信号送至调节器的输出单元，再由D/A转换器将该数字信号转换为电压信号送至输出电路的输入端Vi，这样就使Vi总与Vf相等，处于平衡状态。当开关K1从手动切换到自动时，V1、V2和IL都保持不变，从而实现了手动到自动方向的无扰动切换。（简答）,2.6.1 过程通道抗干扰技术,1.串模干扰及其抑制方法 (1)串模干扰：所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。也称为常态干扰。,（2）串模干扰的抑制方法（无大题）,如果串模干扰频率比被测信号频率高，则采用输入低通滤波器来抑制高频率串
15、模干扰；如果串模干扰频率比被测信号频率低，则采用高通滤波器来抑制低频串模干扰；如果串模干扰频率落在被测信号频谱的两侧，则应用带通滤波器。一般情况下，串模干扰均比被测信号变化快，故常用二级阻容低通滤波网络作为模/数转换器的输入滤波器。当被测信号变化较快时，应相应改变网络参数，以适当减小时间常数。,当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双积分式A/D转换器可以削弱串模干扰的影响。因为此类转换器是对输入信号的平均值而不是瞬时值进行转换，所以对尖峰干扰具有抑制能力。如果取积分周期等于主要串模干扰的周期或为整数倍，则通过积分比较变换后，对串模干扰有更好的抑制效果。 对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对
16、被测信号应尽可能早地进行前置放大，从而达到提高回路中的信号噪声比的目的；或者尽可能早地完成模/数转换或采取隔离和屏蔽等措施。从选择逻辑器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。 采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应，并且使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。选用带有屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线，且有良好接地，并对测量仪表进行电磁屏蔽。,2共模干扰及其抑制方法,所谓共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。共模干扰也称为共态干扰。 被测信号Us的参考接地点和计算机输入信号的参考接地点之间往往存在着一定的电位差Ucm,共模干扰示意图,(2)共模干扰的抑制方法,变压器隔离 利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来，也就是把模拟地与数字地断开，以使共模干扰电压cm不成回路，从而抑制了共模干扰。另外，隔离前和隔离后应分别采用两组互相独立的电源，切断两部分的地线联系。 ,
