计算机控制技术复习PPT

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1、计算机控制技术复习王 剑EmailEmail: : Tel: 0571-Tel: 0571-86919133869191337/30/20247/30/2024一、计算机控制系统的概念一、计算机控制系统的概念 计算机控制系统计算机控制系统就是利用就是利用计算机计算机( (通常称为工业控制计算通常称为工业控制计算机机) )来实现对来实现对( (控制控制) )对象（通常为生产过程）进行自动控制的对象（通常为生产过程）进行自动控制的系统。系统。 换句话说：计算机控制系统就是利用换句话说：计算机控制系统就是利用计算机计算机来来代替代替原来原来的的常规自控部件或电路常规自控部件或电路，实现对控制对象自动

2、控制的系统。，实现对控制对象自动控制的系统。7/30/20247/30/20242 实时数据采集：实时数据采集： 对来自测量对来自测量变送装置变送装置的被控量的的被控量的瞬时值进行检测和输入瞬时值进行检测和输入。可归纳为以下三个步骤：可归纳为以下三个步骤： 实时控制决策： 对采集到的被控量进行分析和处理，并按预定的控制规律控制规律，决定将要采取的控制策略控制策略。 实时控制输出：实时控制输出： 根据控制决策，实时地对根据控制决策，实时地对执行机构执行机构发出发出控制信号控制信号，完成控制任务。，完成控制任务。上述过程不断重复，使整个系统按照一定的上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标品

3、质指标进行工作，并对进行工作，并对被控量和设备本身的被控量和设备本身的异常现象及时作出处理异常现象及时作出处理。3. 3. 计算机控制系统的工作原理计算机控制系统的工作原理7/30/20247/30/202431.1 概述 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成二、计算机控制系统的组成二、计算机控制系统的组成 计算机控制系统由硬件和软件两部分。系统硬件： （1）主机；（2）常规外部设备（输入设备、输出设备、外存储器、网络通信设备）；（3）过程输入/输出通道；（4）生产过程；系统软件： （1）系统软件；（2）应用软件典型计算机控制系统典型计算机控制系统典型计算机控制系统典型计算机控制系统有哪些

4、主要组成部分有哪些主要组成部分有哪些主要组成部分有哪些主要组成部分？7/30/20247/30/202441. 1. 计算机控制系统硬件组成框架计算机控制系统硬件组成框架1.1 概述 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成7/30/20247/30/202451.1 概述 计算机控制系统的典型形式计算机控制系统的典型形式 计算机控制系统所采用的形式与它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要求，应有不同的控制方案。或者说：由于A/D、 D/A通道的形式不同以及计算机在系统中的地位、作用不同，计算机控制系统的形式也是多种多样。三、计算机控制系统的典型形式三、计算机控制系统的

5、典型形式7/30/20247/30/202461.1 概述 计算机控制系统的典型形式计算机控制系统的典型形式计算机控制系统大致可分为以下几种典型的形式：计算机控制系统大致可分为以下几种典型的形式： 操作指导控制系统操作指导控制系统 直接数字控制系统直接数字控制系统 计算机监督控制系统计算机监督控制系统 集散控制系统集散控制系统 现场总线控制系统现场总线控制系统 工业过程计算机集成制造系统工业过程计算机集成制造系统 计算机控制系统结构计算机控制系统结构计算机控制系统结构计算机控制系统结构有哪些分类？主要应有哪些分类？主要应有哪些分类？主要应有哪些分类？主要应用场合？用场合？用场合？用场合？7/3

6、0/20247/30/20247 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 输入输出接口概述输入输出接口概述2.12.1输入输出接口概述输入输出接口概述图2-1 过程通道程通道组成成结构构图 过程通道起到了CPU和被控对象之间的信息传送和变换的桥梁作用。包括模拟输入通道、模拟输出通道、数字输入通道和数字输出通道四种，如图2-1所示。 7/30/20247/30/20248 模拟输入通道完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机的任务。通常也把模拟量输入接口简称为AD通道。主要由传感器、信号调理单元、多路转换开关、程控放大器、采样保持器、A/D转换器和I/O接口电路组成。

7、 图2-2 模拟量输入通道方框图 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 模拟量输入通道模拟量输入通道 2.2 2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道 7/30/20247/30/20249信号调理的作用信号调理的作用：通过放大、电平转换、电隔离、阻抗变换、线性通过放大、电平转换、电隔离、阻抗变换、线性化和滤波，将传感器送来的非标准电信号尽可能不失真地转变为标准的化和滤波，将传感器送来的非标准电信号尽可能不失真地转变为标准的电流或电压信号（通常为电流或电压信号（通常为420mA420mA、05V05V等）。等）。常见的标准信号：常见的标准信号：常见的标准信号：常见的标

8、准信号： 0 010V10V 0 05V5V 4 420mA20mA 1 15V5V 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 信号调理信号调理二、信号调理二、信号调理7/30/20247/30/202410模拟信号调理的功能模拟信号调理的功能低电压信号低电压信号电流输入电流输入/输出输出RTDs 和热敏电阻和热敏电阻热电偶热电偶应变仪应变仪隔离、放大、隔离、放大、 噪声滤波噪声滤波电流与电压的转换电流与电压的转换;隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波冷端补偿冷端补偿激励电源激励电源隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波激

9、励电压激励电压全桥和半桥设置全桥和半桥设置隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波多功能多功能I/O第二章 过程通道技术 信号调理信号调理 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 信号调理信号调理7/30/20247/30/2024112 2. .仪表仪表仪表仪表放大器放大器放大器放大器在数据采集系统中，放大器的作用一般是：在数据采集系统中，放大器的作用一般是： 对信号幅度放大；对信号幅度放大； 增大输入阻抗，起到增大输入阻抗，起到 隔离和缓冲前后级单元；隔离和缓冲前后级单元； 抑制噪声，提高信噪比；抑制噪声，提高信噪比； 其他作用，如电压、电流变换其他作用，如电压

10、、电流变换、量程切换、极性自量程切换、极性自动变换动变换等。等。 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 信号调理信号调理7/30/20247/30/202412 仪表仪表放大器与普通放大器与普通运算放大器运算放大器区别：区别： 对于输出阻抗大，共模电压高的输入信号，需要用到高输入阻抗和高共模抑制比的差动放大器，仪器放大器是专为这种应用场合设计的增益可调的放大器。 如果由普通的运放构成增益可设定的差动放大器，因其输入阻抗低，电阻参数对称性调整复杂，共模抑制比低，故而不适合作为传感器输出信号的差动放大器。 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道

11、技术 信号调理信号调理7/30/20247/30/2024133. 隔离放大器隔离放大器 在有强电或强电磁的干扰环境线，为了防止电网电压等对测量回路的损坏，其信号输入通道通常采用隔离技术，隔离放大器作用是在输入信号与输出信号之间保持电气隔离的同时实现输出电压与输入电压的线性传输。 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 信号调理信号调理7/30/20247/30/202414根据隔离的媒介不同，隔离放大器主要可分为三种根据隔离的媒介不同，隔离放大器主要可分为三种: : 1. 1.变压器耦合隔离放大器变压器耦合隔离放大器 2.2.光电耦合隔离放大器光电耦合隔离放大器

12、3.3.电容耦合隔离放大器电容耦合隔离放大器隔离放大器就其隔离对象而言，分为二种隔离放大器就其隔离对象而言，分为二种: : 1. 1. 两端口隔离两端口隔离 2. 2. 三端口隔离。三端口隔离。 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 信号调理信号调理7/30/20247/30/2024154. 4. 电流电流电流电流/ /电压转换器电压转换器电压转换器电压转换器 工业自动化仪表采用的变送器大多是DDZ-型电动单元组合仪表，采用线性集成电路，其输出信号为420mA的国际标准。 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 信号调理信号调理7/3

13、0/20247/30/202416 多路转换器又称多路开关，多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。 利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A/D转换器上。为了提高过程参数的测量精度，对多路开关提出了较高的要求。 理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其接通时的导通电阻为零。此外，还希望切换 速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。第二章 过程通道技术 多路转换器多路转换器三、三、多路转换器多路转换器 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 多路转换器多路转换器7/30/20247/30/202417 可编程放大器的放大倍数随时可由一组数字序列控制，这

14、样，在MUX改变其通道序号时，放大电路也由相应的一组数字序列控制改变放大倍数，即为每个模拟通道提供最合适的放大倍数。 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 可可编程增益放大器编程增益放大器四、四、可编程增益放大器可编程增益放大器 在计算机测控系统的模拟输入通道中，由于被测量所处的环境和时间不同，可能会造成其变化范围不同，因此希望能自动改变放大器的增益，使信号通过放大器后，具有合适的动态范围，即实现自动里程切换，以便于A/D转换。 在多路数据采集系统中，也可能遇到各路信号动态范围不一致的情况，这时希望放大器对不向的通路具有小同的增益，以实现相同的动态输出。 7/30

15、/20247/30/202418五、五、采样保持器采样保持器1采样保持器的作用采样保持器的作用 采样保持器的作用是：在采样保持器的作用是：在A/D转换期间保持输入模拟信号不变。转换期间保持输入模拟信号不变。 式中Um为正弦模拟信号的幅值，f为信号频率 。 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 采样保持器采样保持器7/30/20247/30/202419 假定假定A/DA/D转换器之前无采样保持器，在坐标的原点上，转换器之前无采样保持器，在坐标的原点上，正弦信号的最大变化率为正弦信号的最大变化率为取t=tA/D ，则得原点处转换的不确定电压为 误差百分数 第二章第二

16、章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 采样保持器采样保持器7/30/20247/30/202420 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 采样保持器采样保持器 由此可见，对于一定的转换时间tA/D，误差的百分数和信号的频率呈正比。 例如：例如：一个10位的A/D转换器（量化误差为0.1%），孔径时间tA/D为10s，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为 此例表明，尽管信号频率不算高，但对A/D转换速度要求太苛刻。解决的方法就是在A/D转换之前加采样/保持器。保证A/D转换在保持期间进行，以便有足够的时间完成。7/30/20247/30/202

17、421 由此可见：如果直接用A/D转换器对模拟量进行采样，由于模拟量的变化，将直接影响转换精度。特别是在同步系统中，几个并联的量均需要取同一瞬时的值，若仍直接送入AD转换器进行转换(共用一个AD)，所得到的几个分量就不是同一时刻的值，无法进行计算和比较。所以要求输入到A/D转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变。但转换之后，又要求A/D变换器的输入信号能够跟踪模拟量的变化，能够完成上述任务的器件叫采样保持器，简称 S/H。 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 采样保持器采样保持器7/30/20247/30/202422(1)(1)采样采样/ /保持器的作用保持器

18、的作用 稳定地保持模拟信号以便能够完成A/D转换。在测量中同时对若干个模拟输入量采样(每个输入需 要一个采样/保持电路)。 消除A/D转换器的输出瞬变，如限制输出电压的尖峰。 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 采样保持器采样保持器7/30/20247/30/202423(2)(2)采样保持器的的主要参数采样保持器的的主要参数 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 采样保持器采样保持器 孔径时间TAP：在采样保持器中，由于模拟开关有一定的动作滞后，从保持命令发出后至模拟开关完全断开所需的时间称为孔径时间，一般是纳秒级。这个时间由器件

19、的开关动作时间决定。 值得注意的是采样保持器的孔径时间TAP与A/D转换器的孔径时间TA/D完全不同 孔径时间不确定性TAP 。它是孔径时间的变化范围。孔径时间可以提前发出保持命令加以克服，而TAP是随机的，所以它是影响采样精度的主要因素之一。7/30/20247/30/202424 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 采样保持器采样保持器转换速率：指输出变化的最大速率，以V/s为单位; 采集时间(捕捉时间)TAC：采样保持器处于保持模式时，从计算机发出采样命令，由“保持”转为“采样”后，采样保持器的输出值由原来的保持值过渡到跟踪当前输入信号值所需的时间，称为捕

20、捉时间 包括开关动作时间，达到稳定值的建立时间和保持值到终值的跟踪时间，它是影响采样频率提高的主要因素，但不影A/D转换精度。 7/30/20247/30/202425下跌率下跌率( (衰减率衰减率) )：在进入保持阶段后，由于开关的漏电流及在进入保持阶段后，由于开关的漏电流及保持电容泄漏，输出电压会下降，以保持电容泄漏，输出电压会下降，以mV/smV/s表示。在选择保持表示。在选择保持电容的容量时要折中地考虑采集时间和下跌率电容的容量时要折中地考虑采集时间和下跌率。 增大电容增大电容可减少保持电压的下降率，提高精度可减少保持电压的下降率，提高精度，但会增，但会增多捕捉时间。多捕捉时间。 在在

21、转换时间较长且精度高的系统转换时间较长且精度高的系统中应该用中应该用较大电容较大电容。当。当然较大电容带来的是采样时间加长，这对矛盾应该根据精度然较大电容带来的是采样时间加长，这对矛盾应该根据精度和和A/DA/D转换时间转换时间折中选取。折中选取。 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 采样保持器采样保持器7/30/20247/30/202426 因此，通常采取的办法 是努力减小泄漏电流，采用高输入阻抗的运放作为缓冲放大器，选择优质电容如聚四氟乙烯电容作为保持电容，选用漏电流小的模拟开关等。(3)常用的采样保持器芯片廉价的： LF398通用的： AD582、AD5

22、83高速型： THS-0060 超高速： THS-0010 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 采样保持器采样保持器7/30/20247/30/202427 A/DA/D转换器转换器是将是将模拟电压或电流转换成数字量模拟电压或电流转换成数字量的器件或的器件或装置，它是一个模拟系统和计算机之间的接口，它在数据装置，它是一个模拟系统和计算机之间的接口，它在数据采集和控制系统中，得到了广泛的应用。采集和控制系统中，得到了广泛的应用。 1.A/D1.A/D转换器的类型转换器的类型1）逐步逼近法利用D/A转换器输出推测信号与模拟输入信号进行比较，再修正，直到逼近输入信号。

23、属于中速属于中速A/DA/D转换器转换器如：ADC08098位带选择开关，120s; AD574A 12位 ADC121012位无输出锁存器六、六、 A/DA/D转换器转换器 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 A/DA/D转换器转换器7/30/20247/30/2024282）积分方式先对输入模拟电压进行定时积分，然后转向对标准电压进行反向积分，测量时间T的脉冲数。属于慢速A/D转换器如：CC14433、5G14433、ICL71353）V/F变换式如：AD6524）双极型属于高速A/D转换器，20100ns5）-型属于高分辨率、中速A/D转换器。如：AD77

24、01（16位）、AD7710(24位）6）余数反馈比较型属于高精度A/D转换器，如：AD7884 ，16位高速高精度，6s 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 A/DA/D转换器转换器7/30/20247/30/2024292.A/D2.A/D2.A/D2.A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标分辨率：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12n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12n。若n=8，满量程输入为5.12V，则LS

25、B对应于模拟电压为：5.12V28=20mV。 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 A/DA/D转换器转换器量程 它是指所能转换的电压范围。如5V、10V等。7/30/20247/30/202430 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 A/DA/D转换器转换器 转换精度 它是指转换后所得结果相对于实际值的准确度。A/D转换器的转换精度取决于量化误差q、微分线性度误差DNLE和积分线性度误差INLE 。 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积分线性度误差INLE 。 每转换一步（即转换最低有效位(LSB) 所对应的电

26、压）所对应的电压）所对应的电压）所对应的电压），偏离理想转换特性的误差定义为微分线性度误差DNLE 。线性误差常用LSB的分数表示，如1/2LSB或1LSB。7/30/20247/30/202431 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 A/DA/D转换器转换器 通常用绝对精度和相对精度两种表示方法。绝对精度常用数字量的位数表示法，如绝对精度为1/2LSB；相对精度用相对于满量程的百分比表示如满量程为10V的8位AD转换器，其绝对精度为，而8位A/D的相对精度为 精度和分辨率不能混淆。即使分辨率很高，但温度漂移、线性不良等原因可能造成精度不是很高。7/30/202

27、47/30/202432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。 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 A/DA/D转换器转换器转换时间（即孔径时间TA/D ）：指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。工作温度范围： 较好的A/D转换器的工作温度为-4085，较差的为070。 7/30/20247/30/202433模拟量输入通道的小结模拟量输入通道的小结信号调理信号调理工工业业生生产产过过程程传感器传感器传感器传感器传感器传感器多多路路转转换换开开关关MUX信号调理信号调理信号调理信号调理S/H信

28、号调理信号调理A/D转转换换器器工工业业控控制制计计算算机机总总线线与与接接口口温度温度/微电微电压等信号压等信号1.桥式电路桥式电路2.仪表放大器仪表放大器AD6203.隔离放大器隔离放大器AD2104.激励电源激励电源420mA电路信号电路信号I/V转换电路转换电路频率信号频率信号F/V转化电路转化电路CD4051/AD7501CD4052/AD7506CD4096/AD7507LF398AD582THS0060AD574AAD7703ISA总线总线PCI总线总线RS485CANEthernetGPIBVXI 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 小结小结程程

29、控控放放大大器器MCP6S2XLH00847/30/20247/30/202434 过程计算机控制系统中，过程计算机控制系统中，模拟量输出接口模拟量输出接口是实现是实现控制输出控制输出的关键的关键，它的任务是把计算机输出的数字量信号转换成模拟电，它的任务是把计算机输出的数字量信号转换成模拟电压或电流信号，以控制调节阀或驱动相应的执行机构，达到计压或电流信号，以控制调节阀或驱动相应的执行机构，达到计算机控制的目的。算机控制的目的。 模拟量输出通道通常由D/A转换器、输出保持器、多路切换开关和功放电路等构成，通常也把模拟量输出接口简称为DA通道。2.32.3 模拟量输出接口与通道模拟量输出接口与通

30、道 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 模拟量输出接口与通道模拟量输出接口与通道 7/30/20247/30/202435l l一个输出通路设置一个一个输出通路设置一个D/AD/A转换器的结构形式转换器的结构形式 工工业业生生产产过过程程执行器执行器执行器执行器执行器执行器信号调理信号调理D/A转换器转换器工工业业控控制制计计算算机机总总线线与与接接口口D/A转换器转换器D/A转换器转换器功率放大功率放大V/I变换变换放大放大/变换变换锁存器锁存器1锁存器锁存器2锁存器锁存器3模拟量输出通道的结构形式 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通

31、道技术 模拟量输出接口与通道模拟量输出接口与通道 7/30/20247/30/202436l l多个输出通路共用一个多个输出通路共用一个D/AD/A转换器的结构形式转换器的结构形式 工工业业生生产产过过程程执行器执行器执行器执行器执行器执行器多多路路转转换换开开关关MUX信号调理信号调理V/I变换变换放大放大/变换变换S/H功率放大功率放大D/A转转换换器器工工业业控控制制计计算算机机总总线线与与接接口口S/HS/H 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 模拟量输出接口与通道模拟量输出接口与通道 7/30/20247/30/2024371.D/A1.D/A1.D/

32、A1.D/A转换器主要参数转换器主要参数转换器主要参数转换器主要参数分辨率：指D/A能够转换的二进制数的位数，位数越多分辨率也越高。转换时间(稳定时间) ：指数字量输入到完成D/A转换，输出达到最终值并稳定为止所需的时间。精度：指D/A转换器实际输出电压与理论值之间的误差。线性度：当数字量变化时，D/A转换器的输出量按比例关系变化的程度。 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 D/AD/A转换器及其接口转换器及其接口 一、一、D/AD/A转换器及其接口转换器及其接口 7/30/20247/30/202438输入缓冲能力输入缓冲能力：D DA A转换器转换器是否带有

33、三态输入缓冲器是否带有三态输入缓冲器来来保存输入数字量。保存输入数字量。数据的宽度：通常有8位、10位、14位、16位之分。电流型还是电压型：即DA输出的是电流还是电压。对电流输出型在1100mA；对电压输出型，其电压一般在510V之间。有些高电压型可达2430V。2.D/A2.D/A转换器的输入输出特性：转换器的输入输出特性： 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 D/AD/A转换器及其接口转换器及其接口 7/30/20247/30/202439输入码制：即D/A能接收哪些码制的数字量输入。单极性输出的D/A：只能接收二进制或BCD码；双极性输出的D/A：只能接

34、收偏移二进制码或补码。单极性输出还是双极性输出单极性输出还是双极性输出：对一些需要正负电压控：对一些需要正负电压控制的设备，应该使用双极性制的设备，应该使用双极性D/AD/A转换器，或在输出电路转换器，或在输出电路中采取相应措施，使输出电压有极性变化。中采取相应措施，使输出电压有极性变化。 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 D/AD/A转换器及其接口转换器及其接口 7/30/20247/30/202440 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 V/I转换器二、二、 V/IV/I转换器转换器 工业现场的智能仪表和执行器常常要以电流方

35、式传输，这是因为在长距离传输信号时容易引入干扰，而电流传号的传输具有较强的抗干扰能力。因此，许多场合必须经过电压/电流（V/I）转换电路，将电压信号转换成电流信号。 在实现在实现0 05V5V、0 0 10V10V、1 1 5V5V直流电压信号到直流电压信号到0 010mA10mA、4 420mA20mA转换时，转换时，可由分立元件构成，也可以直接采用集成器件7/30/20247/30/202441在电气控制系统中的继电器按接触器触点的闭合在电气控制系统中的继电器按接触器触点的闭合情况分为情况分为闭合与断开闭合与断开两种不同状态，这两种状态，常两种不同状态，这两种状态，常称为称为开关量开关量。

36、开关量是表示两种状态。开关量是表示两种状态。数字量数字量的每位的每位也只能有也只能有“ “0”0”和和“ “1”1”两种状态，也可以称为开关量。两种状态，也可以称为开关量。 2.4 2.4 数字量（开关量）输入数字量（开关量）输入/ /输出通道输出通道 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 开关量输入开关量输入/ /输出通道输出通道7/30/20247/30/202442典型的开关量输入/输出通道结构 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 开关量输入开关量输入/ /输出通道输出通道7/30/20247/30/202443 开关量输入开

37、关量输入/ /输出通道一般由三部分组成：输出通道一般由三部分组成：CPUCPU接口逻辑接口逻辑、输入缓冲器输入缓冲器和和输出锁存器输出锁存器、输入输入/ /输出电气接口输出电气接口（亦即（亦即开关开关量输入信号调理量输入信号调理和和输出信号驱动电路输出信号驱动电路）。）。 一般情况下，各种开关量输入一般情况下，各种开关量输入/ /输出通道的输出通道的前两部分往前两部分往往大同小异往大同小异，所不同的主要在于，所不同的主要在于输入输入/ /输出电气接口输出电气接口。 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 开关量输入开关量输入/ /输出通道输出通道7/30/20247

38、/30/202444 1 1CPUCPU接口逻辑接口逻辑 这部分电路一般由数据总线缓冲器这部分电路一般由数据总线缓冲器/ /驱动器、输入驱动器、输入/ /输输 出口出口地址译码器地址译码器、读、写读、写等控制信号组成。等控制信号组成。 2输入缓冲器和输出锁存器 输入缓冲器是对外部输入的信号起缓冲、增强以及选通的作用，CPU通过读缓冲器输人数据。输出锁存器的作用是锁存CPU送来的输出数据，供外部设备使用。3I/O电气接口 典型的开关量输出/输人电气接口的功能主要是电平转换、隔离和功率驱动等。 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 开关量输入开关量输入/ /输出通道输

39、出通道7/30/20247/30/202445开关量输入隔离及电平变换开关量输入隔离及电平变换 过程开关信号的电平通常过程开关信号的电平通常不是不是TTLTTL电平电平，要使，要使CPUCPU接收信号，接收信号，必须进行变换。必须进行变换。 开关信号在传输过程中受噪声的影响较大，开关信号在传输过程中受噪声的影响较大，设计时应有一定设计时应有一定的噪声容限的噪声容限, ,并隔离公共接地并隔离公共接地，以防止开关信号状态的误动作。，以防止开关信号状态的误动作。 在工业过程计算机系统中，其信号电平变换可按下图所示的方法设计。在4V以下作为开关接通，定为TTL电子的逻辑1；在10V以上作为开关断开，定

40、为TTL电平的逻辑0；410V之间为信号过渡区，其TTL电平在过渡区间保持不变，从而可提高抗干扰的能力。采用光电耦合器实现公共地线的隔离。 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 开关量输入开关量输入/ /输出通道输出通道7/30/20247/30/202446 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 开关量输入开关量输入/ /输出通道输出通道7/30/20247/30/202447注意：注意：对于对于感性负载，在输出端必须加装克服反电动势的保护感性负载，在输出端必须加装克服反电动势的保护二极管二极管。对于对于UNL2003AUNL200

41、3A等等, ,可使用内部的保护二极管。可使用内部的保护二极管。（3 3）大功率交流驱动电路）大功率交流驱动电路 固态继电器固态继电器( (简写为简写为SSR)SSR)是一种四端有源器件，下图为是一种四端有源器件，下图为固态继电器的结构和使用方法。输入输出之间采用光电耦固态继电器的结构和使用方法。输入输出之间采用光电耦合器进行隔离。过零检测电路可使交流电压变化到零状态合器进行隔离。过零检测电路可使交流电压变化到零状态附近时让电路接通，从而减少干扰。电路接通以后，由触附近时让电路接通，从而减少干扰。电路接通以后，由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。发电路给出晶闸管器件的触发信号。 第二章第二章 输

42、入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 开关量输入开关量输入/ /输出通道输出通道7/30/20247/30/202448 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 测量数据的预处理技术测量数据的预处理技术测量数据的预处理技术测量数据的预处理技术2.6 2.6 测量数据的预处理技术测量数据的预处理技术测量数据的预处理技术测量数据的预处理技术 在计算机控制系统中，经常需对生产过程的各种信号进行测量。经输入通道将生产过程的信号转换成数字信号，读入计算机中。对于这样得到的数据一般要进行一些预处理，其中最基本的为数字滤波、线性化处理、标度变换和系统误差的自动校准。

43、7/30/20247/30/202449 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 数字滤波数字滤波数字滤波数字滤波一、数字滤波一、数字滤波一、数字滤波一、数字滤波 来自传感器或变送器的有用信号中，往往混杂了各种频率的干扰信号。为了抑制这些干扰信号，通常在信号入口处用RC低通滤波器。RC滤波器能抑制高频干扰信号，但对低频干扰信号的滤波效果较差。而数字滤波器可以对极低频干扰信号进行滤波，以弥补RC滤波器的不足。另外，它还具有某些特殊的滤波功能 所谓数字滤波，就是在计算机中用某种计算方法对输入的信号进行数学处理，以便减少干扰在有用信号中的比重，提高信号的真实性 7/30/

44、20247/30/202450数字滤波与模拟滤波器相比，有以下几个优点：数字滤波与模拟滤波器相比，有以下几个优点：数字滤波与模拟滤波器相比，有以下几个优点：数字滤波与模拟滤波器相比，有以下几个优点：l l数字滤波是用数字滤波是用数字滤波是用数字滤波是用程序实现程序实现程序实现程序实现的不需要增加硬设备，所以的不需要增加硬设备，所以的不需要增加硬设备，所以的不需要增加硬设备，所以稳定稳定稳定稳定性好、可靠性高，成本低；性好、可靠性高，成本低；性好、可靠性高，成本低；性好、可靠性高，成本低； 数字滤波器可以根据信号的不同，数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法采用不同的滤波方法或滤波参数

45、或滤波参数，具有，具有灵活、方便、功能强的特点灵活、方便、功能强的特点。l l数字滤波器可以对数字滤波器可以对数字滤波器可以对数字滤波器可以对极低频（如极低频（如极低频（如极低频（如0.01Hz0.01Hz）干扰信号进行滤干扰信号进行滤干扰信号进行滤干扰信号进行滤波，克服了模拟滤波器的不足；波，克服了模拟滤波器的不足；波，克服了模拟滤波器的不足；波，克服了模拟滤波器的不足； 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 数字滤波数字滤波数字滤波数字滤波 本节讨论几种常用的数字滤波方法：限幅滤波、中位值滤波法、平均值滤波法和惯性滤波法。 7/30/20247/30/2024

46、51 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 数字滤波数字滤波数字滤波数字滤波1限幅滤波限幅滤波 限幅滤波又称程序判断法，由于工业现场测控系统存在随机脉冲干扰，通过变送器将尖脉冲干扰引入输入端，从而造成测量信号的严重失真。 在应用这种方法时，关键在于a值的选择。因此，通常按照参数可能的最大变化速度vmax及采样周期T决定a值。7/30/20247/30/202452 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 数字滤波数字滤波数字滤波数字滤波2中位值滤波法中位值滤波法 中位值滤波就是对某一被测参数连续采样n次（一般n取奇数），然后把n次采样值

47、按大小排队，取中间值为本次采样值。 7/30/20247/30/202453 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 数字滤波数字滤波数字滤波数字滤波对缓慢变化的过程采用中位值滤波有良好的效果。 n 越大，排序算法所占的时间越长 中位值滤波能有效地克服因偶然因素引起的波动或采样器不稳定引起的误码等造成的脉冲干扰。7/30/20247/30/202454 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 数字滤波数字滤波数字滤波数字滤波3算术平均滤波法算术平均滤波法 算术平均滤波法就是对采样数据yi连续的N个测量值进行算术平均。其数学表达式为算术平均

48、滤波法适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波。 流量测量，通常取 N=812 压力测量，通常取 N=487/30/20247/30/202455 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 数字滤波数字滤波数字滤波数字滤波4递推平均滤波法递推平均滤波法 上述的算术平均滤波法，每计算一次数据，需采样N次，对于采样速度较慢或要求数据计算速度较高的系统，该方法是无法使用的。 递推平均滤波法把N个采样数据看成一个队列，队列的长度固定为N，每进行一次新的采样，把采样结果放入队尾，而扔掉原来队首的一次数据，7/30/20247/30/202456 第二章第二章 输入输出接口与过程通

49、道技术输入输出接口与过程通道技术 数字滤波数字滤波数字滤波数字滤波式中这种滤波算法称为递推平均滤波法，其数学表达式为yn第n次采样值经滤波后的输出；yn-i未经滤波的第n-i次采样值；N递推平均项数。7/30/20247/30/202457 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 数字滤波数字滤波数字滤波数字滤波 递推平均滤波算法对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，灵敏度低； 但对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用差，不易消除由于脉冲干扰引起的采样值偏差， 因此它不适用于脉冲干扰比较严重的场合，而适用于高频振荡的系统。7/30/20247/30/202458 通过观

50、察不同N值下递推平均的输出响应来选取N值，以便既少占用计算机时间，又能达到最好的滤波效果。N 的工程经验值如下: 流 量 12 压 力 4 液 面 4 12 温 度 14 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 数字滤波数字滤波数字滤波数字滤波7/30/20247/30/202459 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 数字滤波数字滤波数字滤波数字滤波5加权递推平均滤波法加权递推平均滤波法 算术平均滤波法和递推平均滤波法中，N次采样值在输出结果中的比重是均等的，即1N。用这样的滤波算法，对于测量信号会引入滞后，N越大，滞后越严重。 为

51、了增加最新采样数据在递推平均中的比重，以提高系统对当前采样值的灵敏度，可以采用加权递推平均滤波算法。7/30/20247/30/202460 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 数字滤波数字滤波数字滤波数字滤波 加权递推平均滤波算法是递推平均滤波算法的改进，即不同时刻的数据加以不同的权，通常越接近当前时刻的数据，权取得越大，N项加权递推平均滤波算法为式中，C0，C1，CN-1为常数，且满足如下条件C0+ C1+ CN-1=1 并 C0C1CN-107/30/20247/30/202461 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 数字滤

52、波数字滤波数字滤波数字滤波 常系数C0，C1，CN-1的选取有多种方法，其中最常用的是加权系数法。设为对象的纯滞后时间，且其中其中为对象的纯迟后时间为对象的纯迟后时间 所以所以加权递推平均滤波算法加权递推平均滤波算法适用于有适用于有较大纯滞后时间常数较大纯滞后时间常数的对象的对象和和采样周期较短的系统采样周期较短的系统，而对于纯滞后时间常数较小、，而对于纯滞后时间常数较小、采样周期较长、变化缓慢的信号，则不能迅速反映系统当前所采样周期较长、变化缓慢的信号，则不能迅速反映系统当前所受干扰的严重程度，滤波效果差。受干扰的严重程度，滤波效果差。7/30/20247/30/202462 第二章第二章

53、输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 数字滤波数字滤波数字滤波数字滤波6一阶惯性滤波法一阶惯性滤波法 而一阶惯性滤波算法是一种以数字形式通过算法来实现动而一阶惯性滤波算法是一种以数字形式通过算法来实现动态的态的 RC 滤波方法，它能很好地克服上述模拟滤波器的缺点，滤波方法，它能很好地克服上述模拟滤波器的缺点，在滤波常数要求大的场合在滤波常数要求大的场合，此法更为实用。，此法更为实用。 在模拟量输入通道等硬件电路中，常用一阶惯性在模拟量输入通道等硬件电路中，常用一阶惯性 RC 模模拟滤波器来抑制干扰，当用这种模拟方法来实现对低频干扰的拟滤波器来抑制干扰，当用这种模拟方法来实现对低

54、频干扰的滤波时，首先遇到的问题是要求滤波器有大的时间常数和高精滤波时，首先遇到的问题是要求滤波器有大的时间常数和高精度的度的 RC网络。网络。时间常数时间常数 T 越大，要求越大，要求 RC 值值越大，其漏电流越大，其漏电流也随之增大，从而使也随之增大，从而使RC网络的误差增大，降低了滤波效果。网络的误差增大，降低了滤波效果。7/30/20247/30/202463 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 数字滤波数字滤波数字滤波数字滤波一阶惯性滤波算法为 yn未经滤波的第n次采样值；Tf滤波时间常数；T采样周期。式中 根据一阶惯性滤波的频率特性，若滤波系数a越大，

55、则带宽越窄，滤波频率也越低。因此，需要根据实际情况，适当选取a值，使得被测参数既不出现明显的波纹，反应又不太迟缓。7/30/20247/30/202464 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 数字滤波数字滤波数字滤波数字滤波 以上讨论了六种数字滤波方法，在实际应用中，究竞选取哪一种数字滤波方法，应视具体情况而定。加权平均值滤波法适用于纯迟延较大的被控制对象 平均值滤波法适用于周期性干扰中位值滤波法和限幅滤波法适用于偶然的脉冲干扰 惯性滤波法适用于高频及低频的干扰信号 如果同时采用几种滤波方法，一般先用中位值滤波法或限幅滤波法，然后再用平均值滤波法。7/30/20

56、247/30/202465 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术 其它数据预处理其它数据预处理其它数据预处理其它数据预处理 例2-1 某热处理炉温度测量仪表的量程为200800，在某一时刻计算机采样并经数字滤波后的数字量为0CDH，求此时温度值为多少？（设仪表量程为线性的） 解：已知A0=200，Am=800，Nx=0CDH=205，Nm=0FFH=255。此时温度为7/30/20247/30/202466 工业控制计算机简称工控机，它是为满足工业生产过程的数据采集、监测与控制等要求而设计的一类计算机的总称，它通常采用开放式总线结构，将各种过程通道做成相应的模板或

57、模块，以便与工业现场的各种传感器及执行机构直接连接，配以功能齐全的组态控制软件，即可构成一套完整的计算机控制系统 。1.何谓工业控制计算机何谓工业控制计算机一、一、 工业控制计算机的特点与组成工业控制计算机的特点与组成 第三章第三章 工业控制计算机工业控制计算机 内容提要内容提要7/30/20247/30/2024672. 工业控制计算机的特点工业控制计算机的特点1）可靠性高： 以确保平均无故障工作时间(MTBF)达到几万小时，同时尽量缩短（几分钟）故障修复时间(MTTR)，以达到很高的运行效率。2）实时性好 当过程参数出现偏差或故障时，工控机能及时响应，并能实时地进行报警和处理。为此工控机需

58、配有实时多任务操作系统(RTOS)。 第三章第三章 工业控制计算机工业控制计算机 内容提要内容提要7/30/20247/30/202468 第三章第三章 工业控制计算机工业控制计算机 工业控制计算机的特点与组成工业控制计算机的特点与组成 实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定的时间内对外来事件做出反应的特性。主要考虑两个要素：一是根据生产过程出现的事件能够保持多长的时间；二是该事件要求计算机在多长的时间以内必须做出反应，否则，将对生产过程造成影响甚至造成损害。7/30/20247/30/2024693）环境适应能力强： l对温度/湿度变化范围要求高；l要具有防尘、防腐蚀、防振动冲击的

59、能力；l要具有较好的电磁兼容性和高抗干扰能力。4）输入和输出模板配套好 l多种功能的过程输入和输出配套模板；l多种类型的信号调理功能 第三章第三章 工业控制计算机工业控制计算机 工业控制计算机的特点与组成工业控制计算机的特点与组成 7/30/20247/30/2024705）系统通信功能强 l具有串行通信、网络通信功能；l通信网络速度高；l符合国际标准通信协议，如IEEE 802.4，IEEE 802.3协议等6）系统开放性和扩充性好 具有开放性体系结构，也就是说在主机接口、网络通信、软件兼容及升级等方面遵守开放性原则，以便于系统扩充、异机种连接、软件的可移植和互换。 第三章第三章 工业控制计

60、算机工业控制计算机 工业控制计算机的特点与组成工业控制计算机的特点与组成 7/30/20247/30/2024717）控制软件包功能强： l具备人机交互方便、画面丰富、实时性好等性能；l具有系统组态和系统生成功能；l具有实时及历史的趋势记录与显示功能；l具有实时报警及事故追忆等功能。l具有丰富的控制算法，除了常规PID(比例、积分、微分)控制算法外，还应具有一些高级控制算法，如模糊控制、神经元网络、优化、自适应、自整定等算法；l并具有在线自诊断功能l目前一个优秀的控制软件包往往将连续控制功能与断续控制功能相结合。 第三章第三章 工业控制计算机工业控制计算机 工业控制计算机的特点与组成工业控制计

61、算机的特点与组成 7/30/20247/30/2024728）后备措施齐全，具有冗余性 在一些可靠性要求更高的场所，要求有双机工作及冗余系统，如供电后备、存储器信息保护等，具有双机切换功能、双机监视软件等，以保证系统长期不间断地运行。 第三章第三章 工业控制计算机工业控制计算机 工业控制计算机的特点与组成工业控制计算机的特点与组成 7/30/20247/30/2024733.工业控制计算机的硬件组成工业控制计算机的硬件组成 第三章第三章 工业控制计算机工业控制计算机 工业控制计算机的特点与组成工业控制计算机的特点与组成 7/30/20247/30/2024744工业控制计算机的分类工业控制计算

62、机的分类 第三章第三章 工业控制计算机工业控制计算机 工业控制计算机的特点与组成工业控制计算机的特点与组成 凡是用于工业控制和生产调度管理的计算机都属于工业控制计算机，因此，广义上讲，小到单片机，大到现场工作站；从通用工业计算机到专用测控仪表均属工业控制计算机的范畴。 7/30/20247/30/202475 第三章第三章 工业控制计算机工业控制计算机 工业控制计算机的特点与组成工业控制计算机的特点与组成 7/30/20247/30/202476 第三章第三章 工业控制计算机工业控制计算机 总线结构概述及分类总线结构概述及分类二、总线结构概述及分类二、总线结构概述及分类 笼统地讲就是一组进行互

63、连和传输信息（数据、地址、控制）的信号线。1.1.何谓总线何谓总线？ 但计算机的总线，是有特定含义的，如“局部总线”、“系统总线”和“通信总线”等，它们都具有明确的定义与内容。 总线的特点在于公用性和兼容性，它能同时挂连多个功能部件，且可互换使用。 7/30/20247/30/2024772.2.总线标准总线标准 总线标准是指芯片之间、插板之间及系统之间，通过总线进行连接和传输信息时，应遵守的一些协议与规范。 总线标准包括硬件和软件两个方面，如总线工作时钟频率、总线信号线定义、总线系统结构、总线仲裁机构与配置机构、电气规范、机械规范和实施总线协议的驱动与管理程序。 通常说的总线，实际上指的是总

64、线标准 ! ! 为计算机系统内部各部件、各模块之间或计算机各系统之间提供了标准的公共信息通路。 第三章第三章 工业控制计算机工业控制计算机 总线结构概述及分类总线结构概述及分类7/30/20247/30/2024783.3.总线结构的连接总线结构的连接 第三章第三章 工业控制计算机工业控制计算机 总线结构概述及分类总线结构概述及分类7/30/20247/30/2024794.4.采用总线结构连接的优越性采用总线结构连接的优越性1）系统结构由面向CPU变为面向总线；2）有利于硬件、软件模块化设计与生产；3）结构清晰，便于灵活组态、扩充、改进、升级和维护；4）符合同一总线标准的产品兼容性强；5）满

65、足用户不同的需要，容易构成各种用途的计算机应用系统。 第三章第三章 工业控制计算机工业控制计算机 总线结构概述及分类总线结构概述及分类7/30/20247/30/2024805总线的分类总线的分类（1）片内总线 片内总线是指微处理器芯片内的总线，用于连接微处理器内部的各逻辑功能单元。总线的结构与功能设计由芯片生产厂家完成。 （2）片间总线 片间总线又称元件级总线，指一个微处理器应用系统中连接各芯片的总线。 传统的片间总线均采用并行方式，一般包括地址总线、数据总线和控制总线,即微机原理与接口技术中所说的“三总线”。 第三章第三章 工业控制计算机工业控制计算机 总线结构概述及分类总线结构概述及分类

66、7/30/20247/30/202481 采用串行方式的片间总线也日益增多，特别是在新一代单片机系统中，串行片间总线得到了较为广泛的应用 串行总线的数据传输速度已经可以达到每秒数兆位！ SPI总线（Serial Peripheral Interface，串行外围接口） I2C总线（Inter IC bus，片间总线） 第三章第三章 工业控制计算机工业控制计算机 总线结构概述及分类总线结构概述及分类7/30/20247/30/202482（3）内部总线 内部总线又称板级总线，是在计算机系统内连接各插件板的总线。内部总线通常采用并行方式，除了包括数据总线D、地址总线A、控制总线C和电源总线P四组信

67、号线外，往往还有备用线供用户将来扩充功能或用于特殊目的，其数目在不同的标准中是不同的 内部总线标准的机械要素包括模板尺寸、接插件尺寸和针数，电气要素包括信号的电平和时序。 第三章第三章 工业控制计算机工业控制计算机 总线结构概述及分类总线结构概述及分类7/30/20247/30/202483内部总线的种类较多 l用于个人计算机的PC/XT、ISA、EISA、MCA、PCI总线等； l在自动测试系统和仪表中有CAMAC总线、VXI总线、PXI总线等； l在通讯、电信中有PCIMG2.16 总线、Advanced TCA总线等 l在工业控制计算机中有STD总线、MULTIBUS总线、VEM总线、P

68、C系列总线和Compact PCI总线等 第三章第三章 工业控制计算机工业控制计算机 总线结构概述及分类总线结构概述及分类7/30/20247/30/202484（4）外部总线 外部总线又叫通信总线或叫接口总线，它完成计算机系统之间或计算机与设备之间的通信任务。 大多数类型的外部总线采用串口方式，少数采用并行方式或串并结合方式。 外部总线的标准的机械要素包括接插件和电缆线型号;电气要素包括发送与接受信号的电平和时序;功能要素包括发送和接受双方的管理能力、控制功能和编码规则（ASCII码、二进制码等）。 第三章第三章 工业控制计算机工业控制计算机 总线结构概述及分类总线结构概述及分类7/30/2

69、0247/30/202485外部总线的种类较多 l通用的外部总线有RS-232C、RS-485、USB、IEEE1394、SCSI 、PCMCIA等； l用于工业现场的现场总线有CAN、LonWorks、FF、Profibus等； l用于测控系统和仪表的有GPIB(IEEE-488)、HP-IL、MXI等。 第三章第三章 工业控制计算机工业控制计算机 总线结构概述及分类总线结构概述及分类7/30/20247/30/202486总线标准（内部总线标准）与接口标准（外部总线标准）的特点 总线标准的特点 l公用性，同时挂接多个不同类型的功能模块；l在机箱内部以总线扩展槽的形式提供使用；l一般为并行传

70、送；l定义的信号线多且齐全，包括三总线和电源线； 第三章第三章 工业控制计算机工业控制计算机 总线结构概述及分类总线结构概述及分类7/30/20247/30/202487接口标准的特点 l专用性，一般一个接口只接一类或一种设备；l一般设在机箱外，以接口插头（座）形式提供使用；l有并行和串行两种传送；l定义的信号线少且不齐全，一般是控制线、数据线、地址线共用。 第三章第三章 工业控制计算机工业控制计算机 总线结构概述及分类总线结构概述及分类7/30/20247/30/202488第三章第三章 工业控制计算机工业控制计算机 常用外部接口总线常用外部接口总线 四、常用外部接口总线四、常用外部接口总线

71、 1 1RS-232CRS-232C串行通信接口串行通信接口 计算机 （数据终端） MODEM（数据设备）1）电气特性）电气特性 7/30/20247/30/202489 第三章第三章 工业控制计算机工业控制计算机 常用外部接口总线常用外部接口总线 RS-232C的电气线路连接方式 接口为非平衡型，每个信号用一根导线，所有信号回路共用一根地线。信号速率限于20kbit/s内，电缆长度限于15m之内。由于是单线，线间干扰较大。其电性能用12V标准脉冲。 7/30/20247/30/202490 第三章第三章 工业控制计算机工业控制计算机 常用外部接口总线常用外部接口总线 值得注意的是RS-232

72、C采用负逻辑。在数据线上：传号Mark= -5-15V，逻辑“1”电平 空号Space=+5+15V，逻辑“0”电平在控制线上：通On=+5+15V，逻辑“0”电平 断Off= -5-15V，逻辑“1”电平7/30/20247/30/2024912 2RS-485RS-485串行通信接口串行通信接口 1）电气特性）电气特性 RS-485接口采用二线差分平衡传输，其信号定义如下 l若差分电压信号为-2500-200mV时，为逻辑“0”；l若差分电压信号为+2500+200mV时，为逻辑“l”；l若差分电压信号为-200+200mV时，为高阻状态 当采用+5V电源供电时：第三章第三章 工业控制计算

73、机工业控制计算机 常用外部接口总线常用外部接口总线 7/30/20247/30/202492第三章第三章 工业控制计算机工业控制计算机 IPCIPC工业控制机工业控制机 五、五、IPCIPC工业控制机工业控制机 IPC工业控制机是以PC系列总线（ISA，VESA，PCI总线）为基础构成的工业计算机。1IPC工业控制机主要特点l兼容性好、升级容易 ；l性能价格比高 ；l丰富的软件支持 ；l通信功能强l可靠性高 7/30/20247/30/202493第三章第三章 工业控制计算机工业控制计算机 IPCIPC工业控制机工业控制机 2IPC工业控制机体系结构7/30/20247/30/202494第三

74、章第三章 工业控制计算机工业控制计算机 DCSDCS现场控制站现场控制站 六、六、DCSDCS现场控制站现场控制站 DCS现场控制站是DCS系统的核心部分，接受工程师站的初始下装数据，完成数据采集、工程单位变换、控制运算、控制输出，通过监控网络将数据和诊断结果传到系统数据库等功能。 现场控制站内大部分采用分布式的结构，由主控单元、智能I/O单元、总线与通讯接口电源单元和专用机柜等部分组成。 为确保控制系统的实时性、安全性和可靠性，现场控制站内部的很多部件都采用冗余配置。7/30/20247/30/202495第第5章章 数字数字PIDPID控制算法控制算法 5.1.1 模拟模拟PID调节调节器

75、器 PID 控控制制表表示示比比例例（Proportional）积积分分（Integral）微微分分（Differential）控控制制。设设 PID调调节器如图节器如图5-1所示，其输入输出关系为所示，其输入输出关系为 图5-1 PID调节器方框图7/30/20247/30/202496第第5章章 数字数字PIDPID控制算法控制算法 5.1.1 模拟模拟PID调节调节器器 Kp比比例例系系数数 Ti积积分分时时间间常常数数Td 微分时间常数微分时间常数Kpe(t) 称为比例控制分量，称为比例控制分量，与与e(t)dt有关部分为积分控制分量有关部分为积分控制分量与与 e(t)/dt 有关部分

76、为微分控制分量有关部分为微分控制分量通通过过上上述述各各控控制制分分量量的的线线性性组组合合，可可构构成成比比例例（P）控控制制器器、比比例例积积分分（PI）控控制制器器、比比例例微微分分（PD）控控制制器器、比比例例积积分分微微分（分（PID）控制器等。控制器等。 7/30/20247/30/202497第第5章章 数字数字PIDPID控制算法控制算法 5.1.1 模拟模拟PID调节调节器器 各控制分量的作用如下：各控制分量的作用如下： (1) 比比例例（P）控控制制 成成比比例例地地反反映映控控制制系系统统的的偏偏差差信信号号，偏偏差差一一旦旦产产生生，控控制制器器立立即即产产生生控控制制

77、作作用，以减少偏差。用，以减少偏差。 (2) 积积分分（I）控控制制 主主要要用用于于消消除除静静差差，提提高高系系统统的的无无差差度度。积积分分作作用用的的强强弱弱取取决决积积分分时时间间常常数数，越大，积分作用越弱，反之则越强。越大，积分作用越弱，反之则越强。 (3) 微微分分（D）控控制制 能能反反映映偏偏差差信信号号的的变变化化趋趋势势（变变化化速速率率），并并能能在在偏偏差差信信号号值值变变得得太太大大之之前前，引引入入一一个个有有效效的的早早期期修修正正量量，从从而而加加快快系系统统的的响响应应，减少调节时间。减少调节时间。7/30/20247/30/202498第第5章章 数字数

78、字PIDPID控制算法控制算法 5.1.2基本数字基本数字PIDPID控控制制 在在计计算算机机控控制制系系统统中中，控控制制器器是是每每隔隔一一个个控控制制周周期期进进行行一一次次控控制制量量的的计计算算，并并输输出出到到执执行行机机构构。因因此此，要要实实现现式式(5-1)的的PID控控制制规规律律，就就要要进进行行时时间间离离散散化化处处理理。设设控控制制周周期期为为 T T，在在控控制制器器的的采采样样时时刻刻时时 t=kT ，对对偏偏差差、积积分分运运算算和和微微分分运运算算作作如如下近似变换：下近似变换： 7/30/20247/30/202499第第5章章 数字数字PIDPID控制

79、算法控制算法 5.1.2基本数字基本数字PIDPID控控制制 在在上上述述近近似似变变换换中中，控控制制周周期期必必须须足足够够短短，才才能能保保证证有有足足够够的的精精度度。e(kT)、e(k-1)T 分分别别为为t=kT、t=(k-1)T时时偏偏差差的的离离散散模模拟拟量量， e(k)、e(k-1) 则则是是对对应应的的数数字字信信号号（离离散散整整量量化化值值）。将将以以上上离离散化结果代入式散化结果代入式(5-1)，可得离散，可得离散PIDPID算法为算法为 7/30/20247/30/2024100第第5章章 数字数字PIDPID控制算法控制算法 5.1.2基本数字基本数字PIDPI

80、D控控制制 式中，式中，k 控制序列号，控制序列号，k=0,1,2；u(k)第第k次次控控制制时时刻刻的的计计算算值值，即即第第个个采采样样周周期期的控制量；的控制量；e(k)第第k次控制时刻的偏差值；次控制时刻的偏差值；e(k-1)第第(k-1)次控制时刻的偏差值次控制时刻的偏差值Ki=KpT/Ti积分系数，积分系数，Kd=KpTd/T微分系数。微分系数。7/30/20247/30/2024101第第5章章 数字数字PIDPID控制算法控制算法 5.1.2基本数字基本数字PIDPID控控制制 式式(5-5)通通常常称称为为位位置置式式PID数数字字调调节节器器。上上式式中中令令k=k-1 ，

81、 则得则得式式(5-5)减去式减去式(5-6)，得到增量式，得到增量式PID数字调节器数字调节器 7/30/20247/30/2024102第第5章章 数字数字PIDPID控制算法控制算法 5.1.2基本数字基本数字PIDPID控控制制 式式(5-5)是是直直接接从从模模拟拟PID调调节节器器经经过过离离散散化化得得到到的的，因因此此不不具具有有一一般般差差分分方方程程所所具具有有的的递递推推形形式式。下下面面介介绍绍从从控控制制器器的的传传递递函函数数推推导导其其离离散散控控制制算算法法的的一一般方法，仍以模拟般方法，仍以模拟PID调节器为例，式调节器为例，式(5-2)改写为改写为7/30/

82、20247/30/2024103第第5章章 数字数字PIDPID控制算法控制算法 5.1.2基本数字基本数字PIDPID控控制制 等式左右两边的分子分母交叉相乘，等式左右两边的分子分母交叉相乘，对上式做拉氏反变换，得对上式做拉氏反变换，得 7/30/20247/30/2024104第第5章章 数字数字PIDPID控制算法控制算法 5.1.2基本数字基本数字PIDPID控控制制 用差分代替微分，用差分代替微分， 7/30/20247/30/2024105第第5章章 数字数字PIDPID控制算法控制算法 5.1.2基本数字基本数字PIDPID控控制制 整理，得数字整理，得数字PID控制算法控制算法

83、 递递推推的的位位置置式式PID数数字字调调节节器器的的MATLAB的的语语句句如下，如下，%(5-8) PID digital controlleruk= uk1Kp*(ek-ek1)+Ki*ek+Kd*(ek-2*ek1+ek2)uk1= ukek2=ek1ek1=ek其中，其中， uk1=u(k-1) ，余同前。余同前。7/30/20247/30/2024106第第5章章 数字数字PIDPID控制算法控制算法 积分分离积分分离PIDPID算法算法 在在数数字字PID控控制制算算法法中中，积积分分控控制制分分量量的的引引入入主主要要是为了消除静差，提高系统的精度。是为了消除静差，提高系统的

84、精度。但但在在过过程程启启动动、停停车车或或大大幅幅度度改改变变设设定定值值时时，由由于于产产生生较较大大的的偏偏差差，加加上上系系统统本本身身的的惯惯性性和和滞滞后后，在在积积分分作作用用下下，计计算算得得到到的的控控制制量量将将超超出出执执行行机机构构可可能能的的最最大大动动作作范范围围对对应应的的极极限限控控制制量量，也也即即执执行行机机构构进进入入饱饱和和状状态态，结结果果产产生生系系统统输输出出的的较较大大超超调调，甚甚至至引引起起系系统统长长时时间间的的振振荡荡，这这对对大大多多数数生生产产过过程程是是不不允允许许的的 7/30/20247/30/2024107第第5章章 数字数字

85、PIDPID控制算法控制算法 积分分离积分分离PIDPID算法算法 图5-2 标准PID控制的积分作用7/30/20247/30/2024108第第5章章 数字数字PIDPID控制算法控制算法 积分分离积分分离PIDPID算法算法 引引进进积积分分分分离离PID算算法法，既既保保持持了了积积分分作作用用，又又可可减少超调量，使系统的控制性能得到较大的改善。减少超调量，使系统的控制性能得到较大的改善。积积分分分分离离PID算算法法的的基基本本思思想想：在在偏偏差差较较大大时时，暂暂时时取取消消积积分分作作用用；当当偏偏差差小小于于某某个个阈阈值值时时，才才将将积积分分作用投入。作用投入。 7/3

86、0/20247/30/2024109第第5章章 数字数字PIDPID控制算法控制算法 积分分离积分分离PIDPID算法算法 1) 根据实际需要，人为地设定一个阈值。根据实际需要，人为地设定一个阈值。2) 当当 ，也也即即偏偏差差值值较较大大时时，采采用用PD控控制制，可避免大的超调，又使系统有较快的响应。可避免大的超调，又使系统有较快的响应。3) 当当 ，也也即即偏偏差差值值较较小小时时，采采用用PID控控制制或或PI控制，可保证系统的控制精度。控制，可保证系统的控制精度。7/30/20247/30/2024110第第5章章 数字数字PIDPID控制算法控制算法 积分分离积分分离PIDPID算

87、法算法 位置型位置型PID算式算式(5-5)的积分分离形式的积分分离形式 7/30/20247/30/2024111第第5章章 数字数字PIDPID控制算法控制算法 积分分离积分分离PIDPID算法算法 当当 ， 实实施施PD控控制制，PD控控制制算算法法为：为：7/30/20247/30/2024112第第5章章 数字数字PIDPID控制算法控制算法 不完全微分不完全微分不完全微分不完全微分PIDPIDPIDPID控制算法控制算法控制算法控制算法 PIDPID控制算法将中的微分控制分量为控制算法将中的微分控制分量为当当 e(k) 为单位阶跃函数时，为单位阶跃函数时，ud(k) 的输出为的输出

88、为 ，即只有在第一个采样周期内有微分控制作用，且即只有在第一个采样周期内有微分控制作用，且幅值为幅值为Kd=KpTd/T ，以后均为零。，以后均为零。 7/30/20247/30/2024113第第5章章 数字数字PIDPID控制算法控制算法 不完全微分不完全微分不完全微分不完全微分PIDPIDPIDPID控制算法控制算法控制算法控制算法 微分控制分量为微分控制的特点微分控制分量为微分控制的特点1) 控控制制仅仅在在第第一一个个周周期期内内起起作作用用，对对于于时时间间常常数数较较大大的的系系统统，其其调调节节作作用用很很小小，不不能能达达到到超超前前控控制制误误差的目的。差的目的。2) ud

89、(k) 的的幅幅值值一一般般较较大大（因因 TTd ），容容易易在在以单片微机为核心的计算机控制系统中造成数据溢出。以单片微机为核心的计算机控制系统中造成数据溢出。3) ud(k) 过过大大、过过快快的的变变化化会会对对执执行行机机构构造造成成冲冲击击，不不利利于于执执行行机机构构安安全全运运行行。另另外外，由由于于控控制制周周期期很很短短，驱驱动动像像阀阀门门这这一一类类执执行行机机构构动动作作需需要要一一定定的的时时间间，若若输输出出较较大大，阀阀门门一一下下子子达达不不到到应应有有的的开开度度，输输出出将将失失真。真。7/30/20247/30/2024114第第5章章 数字数字PIDP

90、ID控制算法控制算法 不完全微分不完全微分不完全微分不完全微分PIDPIDPIDPID控制算法控制算法控制算法控制算法 克克服服上上述述缺缺点点的的方方法法之之一一是是在在PID算算法法中中加加一一个个一一阶惯性环节（低通滤波器），构成不完全微分阶惯性环节（低通滤波器），构成不完全微分PID控制。控制。方方案案一一是是在在标标准准PID控控制制器器之之后后串串联联一一个个低低通通滤滤波波器如图器如图5-4a所示。所示。 图5-4 不完全微分PID控制器7/30/20247/30/2024115第第5章章 数字数字PIDPID控制算法控制算法 不完全微分不完全微分不完全微分不完全微分PIDPID

91、PIDPID控制算法控制算法控制算法控制算法 设低通滤波器传递函数为设低通滤波器传递函数为 则可导出不完全微分则可导出不完全微分PID控制算式如下：控制算式如下：离散化，得位置型控制算式离散化，得位置型控制算式式中，式中， ，增量型控制算式为：增量型控制算式为：7/30/20247/30/2024116第第5章章 数字数字PIDPID控制算法控制算法 不完全微分不完全微分不完全微分不完全微分PIDPIDPIDPID控制算法控制算法控制算法控制算法 方方案案二二：不不完完全全微微分分PID控控制制是是将将低低通通滤滤波波器器直直接接加加在在微微分分控控制制环环节节上上，如如图图5-4b所所示示，

92、形形成成带带惯惯性性环环节节的微分控制，即：的微分控制，即： 图5-4 不完全微分PID控制器7/30/20247/30/2024117第第5章章 数字数字PIDPID控制算法控制算法 不完全微分不完全微分不完全微分不完全微分PIDPIDPIDPID控制算法控制算法控制算法控制算法 当当 e(k) 为单位阶跃函数时，为单位阶跃函数时，ud(k) 的输出为的输出为7/30/20247/30/2024118第第5章章 数字数字PIDPID控制算法控制算法 不完全微分不完全微分不完全微分不完全微分PIDPIDPIDPID控制算法控制算法控制算法控制算法 图5-5 不完全微分PID控制的阶跃响应a)标

93、准PID控制 b)不完全微分PID控制7/30/20247/30/2024119第第5章章 数字数字PIDPID控制算法控制算法 不完全微分不完全微分不完全微分不完全微分PIDPIDPIDPID控制算法控制算法控制算法控制算法 引引入入不不完完全全微微分分后后，使使得得微微分分控控制制分分量量在在第第一一个个采采样样周周期期内内的的脉脉冲冲高高度度下下降降，其其后后又又按按akud(0) 的的规规律律（a1）逐渐衰减。逐渐衰减。所所以以不不完完全全微微分分的的输输出出在在较较长长时时间间内内仍仍有有微微分分作作用，能有效地克服标准用，能有效地克服标准PID算法的不足。算法的不足。 7/30/2

94、0247/30/2024120第第5章章 数字数字PIDPID控制算法控制算法 微分先行微分先行微分先行微分先行PIDPIDPIDPID控制算法控制算法控制算法控制算法 当当系系统统的的给给定定值值发发生生阶阶跃跃变变化化时时，微微分分作作用用将将使使控控制制量量大大幅幅度度变变化化，这这样样不不利利于于生生产产过过程程的的稳稳定定操操作作。为为了了避避免免因因给给定定值值变变化化引引起起系系统统超超调调量量过过大大、执执行行机机构构动动作作剧剧烈烈的的问问题题，可可采采用用图图5-6所所示示的的微微分分先先行行控控制制算法。算法。图5-6 微分先行PID控制算法框图7/30/20247/30

95、/2024121第第5章章 数字数字PIDPID控制算法控制算法 微分先行微分先行微分先行微分先行PIDPIDPIDPID控制算法控制算法控制算法控制算法 微微分分先先行行PIDPID控控制制的的特特点点是是只只对对被被控控量量y(k)进进行行微微分分，而而不不对对偏偏差差e(k)进进行行微微分分，也也即即给给定定值值r(k)无无微微分分作作用用。这这种种控控制制策策略略适适用用于于给给定定值值频频繁繁升升降降的的场场合合，可可以以避避免免给给定定值值升升降降所所引引起起的的系系统统振振荡荡，明明显显地地改改善善系统的动态特性。系统的动态特性。微分先行增量型控制算法为微分先行增量型控制算法为7

96、/30/20247/30/2024122第第5章章 数字数字PIDPID控制算法控制算法 带死区的带死区的带死区的带死区的PIDPIDPIDPID控制算控制算控制算控制算法法法法 在在计计算算机机控控制制系系统统中中，为为了了避避免免控控制制动动作作过过于于频频繁繁，消消除除因因频频繁繁动动作作所所引引起起的的振振荡荡，可可采采用用带带死死区区的的PID控制，系统结构如图控制，系统结构如图5-7所示。所示。 图5-7 带死区的PID控制方框图7/30/20247/30/2024123第第5章章 数字数字PIDPID控制算法控制算法 带死区的带死区的带死区的带死区的PIDPIDPIDPID控制算

97、控制算控制算控制算法法法法 死区的输入输出特性死区的输入输出特性式式中中，死死区区e e0 0是是一一个个可可调调参参数数，其其值值根根据据系系统统性性能能的要求由实验确定。的要求由实验确定。e e0 0过小，使得控制动作频繁，达不到预期的目的；过小，使得控制动作频繁，达不到预期的目的；e e0 0过过大大，则则使使系系统统产产生生较较大大的的滞滞后后，会会影影响响系系统统的的稳定性。稳定性。带带死死区区的的PIDPID控控制制实实际际是是非非线线性性控控制制。根根据据需需要要适适当地引入非线性控制有利于改善系统的性能。当地引入非线性控制有利于改善系统的性能。 7/30/20247/30/20

98、24124l在工业控制系统中，由于相当一部分被控对象的动态在工业控制系统中，由于相当一部分被控对象的动态特性或工艺操作条件等原因，对控制系统提出了一些特性或工艺操作条件等原因，对控制系统提出了一些特殊的要求，这时特殊的要求，这时需要在PID控制的基础上，构成多回路控制系统，其中串级控制和前馈反馈控制在工，其中串级控制和前馈反馈控制在工业过程控制中具有广泛的应用。二、常用多回路控制系统二、常用多回路控制系统 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 常用多回路控制系统常用多回路控制系统7/30/20247/30/20241251.串级控制技术串级控制技术 因此，需在原控制回路中，增加一个或几个因此，

99、需在原控制回路中，增加一个或几个控制内回路，以控制可能引起被控量变化的其它控制内回路，以控制可能引起被控量变化的其它因素，从而构成一个串级控制系统。因素，从而构成一个串级控制系统。 串级控制串级控制是在单回路是在单回路PIDPID控制的基础上发展控制的基础上发展起来的一种技术。当起来的一种技术。当PIDPID控制应用于单回路控制控制应用于单回路控制一个被控量时，其控制结构简单，控制参数易于一个被控量时，其控制结构简单，控制参数易于整定。但是，当整定。但是，当系统中同时有几个因素影响同一系统中同时有几个因素影响同一个被控量时个被控量时，如果只控制其中一个因素，将难以如果只控制其中一个因素，将难以

100、满足系统的性能。满足系统的性能。 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 常用多回路控制系统常用多回路控制系统7/30/20247/30/20241262) 2) 数字串级控制算法数字串级控制算法数字串级控制算法数字串级控制算法l l上述的串级控制系统可用下面的结构来表示上述的串级控制系统可用下面的结构来表示上述的串级控制系统可用下面的结构来表示上述的串级控制系统可用下面的结构来表示D D1 1(s)(s)e1(t)副对象副对象副对象副对象GG2 2(s)(s)主对象主对象主对象主对象GG1 1(s)(s)D D2 2(s)(s)r1(t)u1(t)e2(t)u2(t)y2(t)y1(t)l l

101、 主控和副控回路主控和副控回路主控和副控回路主控和副控回路采样周期相同采样周期相同采样周期相同采样周期相同，在串级控制系统中，在串级控制系统中，在串级控制系统中，在串级控制系统中，主控制器通常采用主控制器通常采用主控制器通常采用主控制器通常采用PIDPID控制控制控制控制，副控制器通常采用副控制器通常采用副控制器通常采用副控制器通常采用P P、PIPI和微和微和微和微分先行控制算法。分先行控制算法。分先行控制算法。分先行控制算法。 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 常用多回路控制系统常用多回路控制系统7/30/20247/30/2024127l计算机串级控制系统如图计算机串级控制系统如图6

102、-176-17所示，图中所示，图中D D1(z)(z)和和D D2(z)(z)是由计算机实现的数字控制器，是由计算机实现的数字控制器，Gh(s)是零阶保持器，T为采样周期。 l不管串级控制有多少级，计算的顺序总是从最外面不管串级控制有多少级，计算的顺序总是从最外面的回路向内进行。对图的回路向内进行。对图6-176-17所示的双回路串级控制所示的双回路串级控制系统，其计算顺序为：系统，其计算顺序为： 图6-17 计算机串级控制系统 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 常用多回路控制系统常用多回路控制系统7/30/20247/30/2024128l l1) 1) 计算主回路的偏差计算主回路的偏差

103、e e1 1(k)(k) (6-46) (6-46)l l2) 2) 计算主回路控制器计算主回路控制器D D1 1(z)(z)的输出的输出u u1 1(k)(k)（当采用（当采用PIDPID控制算法时）控制算法时）l l (6-47) (6-47) (6-48) (6-48)其中其中 为比例增益，为比例增益， 为积分系数，为积分系数， 为微分系数。为微分系数。l l3) 3) 计算副回路的偏差计算副回路的偏差e e2 2(k)(k) (6-49) (6-49)l l4) 4) 计算副回路控制器计算副回路控制器D D2 2(z)(z)的输出的输出u u2 2(k)(k) （当采用（当采用PIPI

104、控制算法时）控制算法时） l l (6-51)(6-51)其中其中 为比例增益，为比例增益， 为积分系数，为积分系数， 为微分系数。为微分系数。 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 常用多回路控制系统常用多回路控制系统7/30/20247/30/2024129 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 常用多回路控制系统常用多回路控制系统7/30/20247/30/20241302. 前馈前馈反馈控制技术反馈控制技术1) 1) 前馈控制的工作原理前馈控制的工作原理 在在负反馈控制系统负反馈控制系统中，当对象受到扰动中，当对象受到扰动N(s)N(s)的作用，的作用，被控量被控量Y(S)Y(S)偏离

105、给定值时，调节器才会起控制作用，改偏离给定值时，调节器才会起控制作用，改变对象的输出，从而补偿扰动的影响。这种变对象的输出，从而补偿扰动的影响。这种靠偏差靠偏差E(s)E(s)来来消除扰动影响的负反馈控制系统消除扰动影响的负反馈控制系统，控制作用控制作用U(s)U(s)总是落后总是落后于扰动的作用。于扰动的作用。GG (s)(s)D D (s)(s)R (s)E(s)U (s)Y (s)N(s) 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 常用多回路控制系统常用多回路控制系统7/30/20247/30/2024131 由于工业现场生产过程中控制对象中存在惯性和纯滞后，扰动N(s)作用于系统上，使被控

106、量偏离给定值需要一定的时间，从控制量U(s)改变到被控量Y(s)发生了变化，也需要一定的时间。所以在负反馈控制系统中，从扰动作用产生到使被控量回到给定要求值需要相当长的时间。 所谓所谓前馈控制前馈控制，就是直接根据扰动进行控制，就是直接根据扰动进行控制，在理论上可以完全消除扰动引起的偏差。在理论上可以完全消除扰动引起的偏差。 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 常用多回路控制系统常用多回路控制系统7/30/20247/30/2024132前馈反馈控制系统的优点 1 1）在对主要扰动进行前馈控制的基础上，设置负反）在对主要扰动进行前馈控制的基础上，设置负反）在对主要扰动进行前馈控制的基础上，设

107、置负反）在对主要扰动进行前馈控制的基础上，设置负反馈控制，从而将馈控制，从而将馈控制，从而将馈控制，从而将其它次要的扰动通过负反馈控制给与其它次要的扰动通过负反馈控制给与其它次要的扰动通过负反馈控制给与其它次要的扰动通过负反馈控制给与补偿补偿补偿补偿，即，即，即，即简化了控制系统，又提高了控制性能；简化了控制系统，又提高了控制性能；简化了控制系统，又提高了控制性能；简化了控制系统，又提高了控制性能；2 2）前馈控制具有）前馈控制具有）前馈控制具有）前馈控制具有控制及时控制及时控制及时控制及时，负反馈控制具有，负反馈控制具有，负反馈控制具有，负反馈控制具有控制精控制精控制精控制精度高度高度高度高

108、的特点，两者结合使前馈的特点，两者结合使前馈的特点，两者结合使前馈的特点，两者结合使前馈负反馈控制得到较负反馈控制得到较负反馈控制得到较负反馈控制得到较好的互补。好的互补。好的互补。好的互补。 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 常用多回路控制系统常用多回路控制系统7/30/20247/30/20241333 )3 )数字前馈数字前馈数字前馈数字前馈反馈的控制结构反馈的控制结构反馈的控制结构反馈的控制结构前馈前馈前馈前馈反馈的控制框图反馈的控制框图反馈的控制框图反馈的控制框图GG (s)(s)D Dn n(s(s) )U (s)Y2 (s)GGn n(s(s) )Y1 (s)Y (s)U1(

109、s)前馈通道传递函数前馈通道传递函数对象对象Un(s)D D (s)(s)R(s)N(s)E(s)前馈调节器前馈调节器 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 常用多回路控制系统常用多回路控制系统7/30/20247/30/2024134由图可知，前馈反馈控制结构图是在反馈控制的基础上，增加了一个扰动的前馈控制，由于完全补偿的条件未变，因此仍有图6-20 前馈反馈控制结构图 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 常用多回路控制系统常用多回路控制系统7/30/20247/30/2024135 实际应用中，还常采用前馈串级控制结构，如实际应用中，还常采用前馈串级控制结构，如图图6-216-21所示。

110、图中所示。图中 D D1(s)(s)、 D D2(s)(s)分别为主、副控制器分别为主、副控制器的的传递函数；传递函数； G G1(s) (s) 、 G G2(s)(s)分别为主、副对象。分别为主、副对象。图6-21 前馈串级控制结构图 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 常用多回路控制系统常用多回路控制系统4 )4 )数字前馈数字前馈数字前馈数字前馈串级的控制结构串级的控制结构串级的控制结构串级的控制结构7/30/20247/30/2024136 前馈串级控制能通过前馈回路和串级前馈串级控制能通过前馈回路和串级副回路及副回路及时克服干扰对被控量的影响时克服干扰对被控量的影响，另外，因前馈控

111、制的输出，另外，因前馈控制的输出不是直接作用于执行机构，而是补充到串级控制副回路不是直接作用于执行机构，而是补充到串级控制副回路给定值中，这样就给定值中，这样就降低了对执行机构动态响应性能的要降低了对执行机构动态响应性能的要求。求。 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 常用多回路控制系统常用多回路控制系统7/30/20247/30/2024137 图图6-226-22是计算机前馈反馈控制系统的方框图，是计算机前馈反馈控制系统的方框图，T T 为采样周期，为采样周期，D Dn(z(z) )为前馈控制器，为前馈控制器， D(zD(z) )为反馈控制为反馈控制器，器， G Gh(s (s) )为零

112、阶保持器。为零阶保持器。图6-22 计算机前馈反馈控制系统方框图 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 常用多回路控制系统常用多回路控制系统5 )5 )数字前馈数字前馈数字前馈数字前馈反馈的控制算法反馈的控制算法反馈的控制算法反馈的控制算法7/30/20247/30/2024138计算机前馈反馈控制的算法步骤：1) 1) 计算机反馈控制的偏差计算机反馈控制的偏差e(ke(k) ) (6- (6-67)67)2) 2) 计算反馈控制器（计算反馈控制器（PIDPID）的输出）的输出u u1(k)(k)(6-68)(6-68)(6-69)(6-69)3) 3) 计算前馈调节器计算前馈调节器D Dn(

113、z(z) )的输出的输出u un(k(k) ) (6-70)(6-70)(6-71)(6-71)4) 4) 计算前馈反馈调节器的输出计算前馈反馈调节器的输出u(ku(k) ) (6-72) 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 常用多回路控制系统常用多回路控制系统7/30/20247/30/2024139例6-12 前馈控制结构图如图6-19，设被控对象的干扰通道和控制通道的传递函数分别为 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 常用多回路控制系统常用多回路控制系统 采用周期T=1s，试推导完全补偿前馈控制器Dn(z)，输出un(k)7/30/20247/30/2024140 第六章复杂控制算法

114、第六章复杂控制算法 常用多回路控制系统常用多回路控制系统 相应的微分方程为：对上式进行离散化，得：即此式即为完全补偿前馈控制器的控制算法。7/30/20247/30/2024141三、模糊控制三、模糊控制 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 模糊控制模糊控制l模糊控制系统结构模糊控制系统结构7/30/20247/30/2024142l模糊控制系统的工作步骤模糊控制系统的工作步骤l l从从传感器传感器得到的被控变量得到的被控变量( (系统输出值系统输出值), ), 计算计算系统误差值；系统误差值；l l将精确的输入变量将精确的输入变量转化为模糊量（模糊化）转化为模糊量（模糊化）；l l由模糊输

115、入变量与模糊控制规则由模糊输入变量与模糊控制规则, , 根据模糊推根据模糊推理合成规则理合成规则计算出模糊的控制量计算出模糊的控制量；l l由模糊控制量计算处理由模糊控制量计算处理得到精确的控制量并输得到精确的控制量并输出出到执行机构上（清晰化）。到执行机构上（清晰化）。 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 模糊控制模糊控制7/30/20247/30/20241432. 2. 2. 2. 模糊控制系统的输入输出变量及其模糊化模糊控制系统的输入输出变量及其模糊化模糊控制系统的输入输出变量及其模糊化模糊控制系统的输入输出变量及其模糊化1)1)模糊控制器的输入输出变量模糊控制器的输入输出变量模糊控

116、制器是一种仿人的控制。因此可以考察模糊控制器是一种仿人的控制。因此可以考察人工控制的过程来建立模糊控制器。在人工过程人工控制的过程来建立模糊控制器。在人工过程中，一般根据被控量的中，一般根据被控量的误差误差E E，误差的变化误差的变化ECEC（de/de/dtdt）和误差的变化的变化即和误差的变化的变化即误差变化速率误差变化速率ERER（dEC/dtdEC/dt）进行决策，人对误差最敏感，其次进行决策，人对误差最敏感，其次是误差的变化，再次是误差变化的速率。是误差的变化，再次是误差变化的速率。 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 模糊控制模糊控制7/30/20247/30/2024144 通

117、常选取通常选取E E或或ECEC和和ERER分别构成一维、二维、三维分别构成一维、二维、三维模糊控制器。模糊控制器。一维模糊控制器：输入一维模糊控制器：输入E E ， 用于一阶被控对象用于一阶被控对象二维模糊控制器：输入二维模糊控制器：输入E E、EC EC ，最常用的控制方式最常用的控制方式三维模糊控制器：输入三维模糊控制器：输入E E、ECEC、ER ER ，复杂控制方式复杂控制方式 一般选用被控制量的增量（一般选用被控制量的增量（U U）作为模糊控制作为模糊控制器的输出变量器的输出变量 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 模糊控制模糊控制7/30/20247/30/2024145常见的

118、三种模糊控制器结构常见的三种模糊控制器结构 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 模糊控制模糊控制7/30/20247/30/20241461 1、模糊化、模糊化 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 模糊控制模糊控制 模模糊糊化化模模块块的的功功能能是是将将输输入入的的精精确确量量按按某某些些算算法法转转换为模糊量。换为模糊量。 模糊化过程一般如下模糊化过程一般如下： 1 1）对对输输入入量量进进行行处处理理，变变换换成成模模糊糊控控制制器器要要求求的的输入量；输入量； 2 2）将将上上述述已已经经处处理理过过的的输输入入量量进进行行尺尺度度变变换换，使使其变换到各自的论域；其变换到各自的论

119、域； 3 3）将将变变换换后后的的输输入入量量进进行行模模糊糊化化处处理理，把把原原有有的的精精确确量量变变换换成成模模糊糊量量，并并用用相相应应的的模模糊糊集集合合语语言言值值来来表示。表示。7/30/20247/30/20241472 2、知识库、知识库 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 模糊控制模糊控制 知知识识库库包包含含应应用用领领域域的的知知识识和和控控制制目目标标，通通常常由由数数据库据库和和模糊控制规则库模糊控制规则库两部分组成。两部分组成。 数数据据库库主主要要包包括括了了各各语语言言变变量量的的隶隶属属函函数数、尺尺度度变变换因子，以及模糊空间的划分等。换因子，以及模糊

120、空间的划分等。 模模糊糊控控制制规规则则库库包包括括了了用用模模糊糊语语言言变变量量表表示示的的一一系系列列控制规则，反映了控制专家的经验和知识。控制规则，反映了控制专家的经验和知识。3 3、模糊推理、模糊推理 模模糊糊推推理理是是模模糊糊控控制制的的核核心心，该该推推理理过过程程是是基基于于模模糊糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。7/30/20247/30/20241484 4、清晰化（去模糊化）、清晰化（去模糊化） 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 模糊控制模糊控制 清清晰晰化化的的功功能能是是将将模模糊糊推推理理得得到到的的模模糊糊控控制制量量

121、变变换换成为实际的控制量。成为实际的控制量。 它它是是把把模模糊糊量量经经清清晰晰化化运运算算后后变变换换成成论论域域范范围围的的清清晰量，再经尺度变换转换成实际的控制量。晰量，再经尺度变换转换成实际的控制量。7/30/20247/30/20241495 .模糊控制向量的模糊判决模糊控制向量的模糊判决“清晰化清晰化” 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 模糊控制模糊控制模糊决策包含两个步骤1）先由控制量的模糊集C判决出模糊论域元素 u*； 2）再将其转换到基本论域上精确量u,以实际输 出。7/30/20247/30/2024150 通过模糊决策所得到的输出是模糊量，要进行控制必须经过清晰化接

122、口将其转换成精确量。若通过模糊决策所得的输出量为 (6-123)经常采用下面三种方法，将其转换成精确的执行量。1）模糊决策 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 模糊控制模糊控制7/30/20247/30/2024151(1)选择隶属度大的原则 若对应的模糊决策的模糊集C中，元素满足 (6-124)则取u*（精确量）作为输出控制量。如果这样的隶属度最大点u*不唯一，就取它们的平均值 或 u1*,u2*的中点(u1*+u2*)/2 作为输出执行量，其中 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 模糊控制模糊控制7/30/20247/30/2024152 这种方法简单、易行、实时性好，但它概括的信息量

123、少。例如，若则按最大隶属度原则应取执行量u*=4。 又如，若则按平均值法，应取 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 模糊控制模糊控制7/30/20247/30/2024153(2) 加权平均原则 该方法的输出控制量u的值由下式来决定 (6-125)例如，若则可求得u*为 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 模糊控制模糊控制7/30/20247/30/2024154(3) 中位数判决 在最大隶属度法中，只考虑了最大隶属数，而忽略了其它信息的影响。 中位数判决法是将隶属函数曲线与横坐标所围成的面积平均分成两部分，以分界点所对应的论域元素 作为判决输出。 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 模

124、糊控制模糊控制7/30/20247/30/20241552 2）将）将u*u*转化为控制量转化为控制量u u转化方法如下：转化方法如下：控制输出的基本论域为控制输出的基本论域为a, b,a, b,量化后的模糊论域为量化后的模糊论域为- -n, n.n, n.则：则：若控制输出变量若控制输出变量u u的基本论域为的基本论域为- -u umaxmax, , u umaxmax, , ，上式上式可可转换为：转换为：比例因子的选择对系统的控制精度有比较大的影响比例因子的选择对系统的控制精度有比较大的影响 第六章复杂控制算法第六章复杂控制算法 模糊控制模糊控制7/30/20247/30/2024156图

125、7-1 过程计算机控制系统软件组成框图 1.1.1.1.按用途分类按用途分类按用途分类按用途分类 第七章计算机控制系统软件设计第七章计算机控制系统软件设计 控制系统软件的组成控制系统软件的组成一、计算机控制系统软件的组成一、计算机控制系统软件的组成7/30/20247/30/20241571)直接程序：与控制过程或采样/控制设备直接有关的程序，参与系统的实际控制过程，完成与各类I/O模板相关的信号采集、处理和各类控制信号的输出任务，性能直接影响系统的运行效率和精度，是软件系统设计的核心部分。2) 规范服务性程序：指完成系统运行中的一些规范性服务功能的程序， 如报表打印输出、报警输出、算法运行、

126、各种画面显示等。3) 辅助程序 ：包括接口驱动程序、检验程序，设备自诊断程序等。2.2.2.2.按功能分类按功能分类按功能分类按功能分类 第七章计算机控制系统软件设计第七章计算机控制系统软件设计 控制系统软件的组成控制系统软件的组成7/30/20247/30/2024158l l实时数据采集实时数据采集l l控制输出控制输出l l逻辑控制逻辑控制l l报警监视报警监视l l画面显示和报表输出画面显示和报表输出l l可靠性功能可靠性功能 l l管理功能管理功能l l通信功能通信功能l l流程画面制作功能流程画面制作功能 第七章计算机控制系统软件设计第七章计算机控制系统软件设计 软件的功能软件的功

127、能二、软件的功能二、软件的功能7/30/20247/30/2024159l lDCSDCS硬件硬件l l集中显示管理，包括工程师站、操作员站和管理计算机集中显示管理，包括工程师站、操作员站和管理计算机l l分散控制监测，包括控制站、监测站或现场控制站分散控制监测，包括控制站、监测站或现场控制站l l网络通信网络通信l lDCSDCS软件软件l l实时多任务操作系统实时多任务操作系统l l数据库管理系统数据库管理系统l l数据通信软件数据通信软件l l组态软件组态软件l l应用软件应用软件 第第8 8章章 分布式计算机控制系统分布式计算机控制系统 概述概述一、概述一、概述1. 基本构成 7/30

128、/20247/30/2024160l l独立性独立性l l协调性协调性l l友好性友好性l l适应性、灵活性和可扩充性适应性、灵活性和可扩充性l l实时性实时性l l可靠性可靠性2. 分布式控制系统的特点 第第8 8章章 分布式计算机控制系统分布式计算机控制系统 概述概述7/30/20247/30/2024161二、体系结构二、体系结构 第第8 8章章 分布式计算机控制系统分布式计算机控制系统 体系结构体系结构1.系统结构 7/30/20247/30/2024162图8-4 典型集散控制系统的硬件结构示意图1)DCS的硬件结构 第第8 8章章 分布式计算机控制系统分布式计算机控制系统 体系结构

129、体系结构7/30/20247/30/20241632)DCS的软件结构 图8-5 典型集散控制系统软件结构图 第第8 8章章 分布式计算机控制系统分布式计算机控制系统 体系结构体系结构7/30/20247/30/2024164l l其测量变送和执行机构仍是基于模拟仪表的，与现场总线其测量变送和执行机构仍是基于模拟仪表的，与现场总线及智能仪表的数字信号传送相比，其抗干扰能力与传输精及智能仪表的数字信号传送相比，其抗干扰能力与传输精度都大为逊色。度都大为逊色。l l各各DCSDCS开发生产企业制造的开发生产企业制造的DCSDCS使用专用平台，使得不同厂使用专用平台，使得不同厂商之间的产品互不兼容，

130、互操作性差。商之间的产品互不兼容，互操作性差。l l传统传统DCSDCS在控制规律和控制算法方面，相对于常规仪表并没在控制规律和控制算法方面，相对于常规仪表并没有重大突破，所提供的编程计算工具功能仍显简单，难以有重大突破，所提供的编程计算工具功能仍显简单，难以实现复杂的控制规律，使得许多先进的控制算法无法在实现复杂的控制规律，使得许多先进的控制算法无法在DCSDCS上直接实现，基于常规控制规律的上直接实现，基于常规控制规律的DCSDCS的控制品质难以满足的控制品质难以满足生产的控制需求。生产的控制需求。 第第8 8章章 分布式计算机控制系统分布式计算机控制系统 体系结构体系结构2.集散型控制系

131、统存在的问题7/30/20247/30/2024165第第9 9章章 计算机控制系统计算机控制系统 设计与实现设计与实现 原则与步骤原则与步骤原则与步骤原则与步骤 系统设计的原则 1. 安全可靠系统的可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。平均无故障时间MTBF（Mean Time Between Failure） MTBF反映了系统可靠工作的能力。平 均 维 修 时 间 MTTR（ Mean Time To Restoration）MTTR表示系统出现故障后立即恢复工作的能力。7/30/20247/30/2024166第第9 9章章 计算机控制系统计算机控制系统 设计与

132、实现设计与实现 原则与步骤原则与步骤原则与步骤原则与步骤 系统设计的原则 （1）高性能的主控模板。（2）可靠的控制方案，并具有各种安全保护措施，比如报警、事故预测、事故处理和不间断电源等。（3）后备装置。对于一般的控制回路选用手动操作为后备；对于重要的控制回路，选用常规控制仪表作为后备。（4）各种软、硬件的冗余设置。7/30/20247/30/2024167第第9 9章章 计算机控制系统计算机控制系统 设计与实现设计与实现 原则与步骤原则与步骤原则与步骤原则与步骤2. 满足工艺要求3. 操作维护方便4. 实时性强5. 通用性好6. 经济效益高系统设计的原则 7/30/20247/30/2024

133、168第第9 9章章 计算机控制系统计算机控制系统 设计与实现设计与实现 原则与步骤原则与步骤原则与步骤原则与步骤 系统设计的步骤 （1）工程项目与控制任务的确定阶段；（2）工程项目的设计阶段；（3）离线仿真和调试阶段；（4）在线调试和运行阶段。 7/30/20247/30/2024169第第9 9章章 计算机控制系统计算机控制系统 设计与实现设计与实现 原则与步骤原则与步骤原则与步骤原则与步骤 1. 工程项目与控制任务的确定阶段(1) 甲方提出任务委托书 (2) 乙方研究任务委托书 (3) 双方对委托书进行确认性修改 (4) 乙方初步进行系统总体方案设计 (5) 乙方进行方案可行性论证 (6

134、) 签订合同书7/30/20247/30/2024170第第9 9章章 计算机控制系统计算机控制系统 设计与实现设计与实现 原则与步骤原则与步骤原则与步骤原则与步骤(1) (1) 组建项目研制小组组建项目研制小组 (2) (2) 系统总体方案设计系统总体方案设计 1) 1) 系统总线与主机机型系统总线与主机机型2) I/O2) I/O接口接口3) 3) 变送器变送器4) 4) 执行机构执行机构5) 5) 其它现场设备其它现场设备(3) (3) 方案论证与评审方案论证与评审 (4) (4) 硬件和软件的细化设计硬件和软件的细化设计 (5) (5) 硬件和软件的调试硬件和软件的调试 (6) (6)

135、 系统的组装系统的组装 2. 工程项目的设计阶段7/30/20247/30/2024171第第9 9章章 计算机控制系统计算机控制系统 设计与实现设计与实现 原则与步骤原则与步骤原则与步骤原则与步骤3. 离线仿真和调试阶段4. 在线调试和运行阶段图9-1 离线仿真和调试阶段流程7/30/20247/30/2024172第第9 9章章 计算机控制系统计算机控制系统 设计与实现设计与实现 可靠性技术可靠性技术可靠性技术可靠性技术1. 1. 计算机控制系统的抗干扰技术计算机控制系统的抗干扰技术(1) (1) 长线传输干扰及其抑制长线传输干扰及其抑制 (2) (2) 信号线的选择和敷设信号线的选择和敷

136、设 控制系统的抗干扰设计 7/30/20247/30/2024173第第9 9章章 计算机控制系统计算机控制系统 设计与实现设计与实现 可靠性技术可靠性技术可靠性技术可靠性技术1) 1) 信号线的选择（表信号线的选择（表9 91 1）7/30/20247/30/2024174第第9 9章章 计算机控制系统计算机控制系统 设计与实现设计与实现 可靠性技术可靠性技术可靠性技术可靠性技术2) 2) 信号线的敷设信号线的敷设 模模拟拟信信号号线线与与数数字字信信号号线线不不能能合合用用同同一一股股电电缆缆，更更要绝对避免信号线与电缆线合用同一股电缆。要绝对避免信号线与电缆线合用同一股电缆。 屏屏蔽蔽系

137、系统统的的屏屏蔽蔽层层应应该该接接地地。在在频频率率低低于于1MHz1MHz时时，一一点点接接地地即即可可。当当频频率率高高于于1MHz1MHz时时，最最好好在在多多个个位位置接地。置接地。7/30/20247/30/2024175第第9 9章章 计算机控制系统计算机控制系统 设计与实现设计与实现 可靠性技术可靠性技术可靠性技术可靠性技术 信号线的敷设尽量远离干扰源，避免敷设在大容量变压器、电动机等电器设备的近旁。如果有条件，应将信号线单独穿管配线，在电缆沟内从上到下依次架设信号电缆、直流电源电缆、交流低压电缆、交流高压电缆等。7/30/20247/30/2024176第第9 9章章 计算机控

138、制系统计算机控制系统 设计与实现设计与实现 可靠性技术可靠性技术可靠性技术可靠性技术 信号电缆与电源电缆必须分开，并尽量避免平行敷设。当信号电缆与电源电缆不得不敷设在一起时应满足：电缆沟内设置隔板，且隔板与大地连接；电源电缆使用屏蔽罩；电缆沟内用电缆架或在沟底自由敷设时，信号电缆与电源电缆间距要大于15cm；如电源电缆无屏蔽且交流电压220VAC电流10A时，两者间距应在60cm以上。7/30/20247/30/2024177第第9 9章章 计算机控制系统计算机控制系统 设计与实现设计与实现 可靠性技术可靠性技术可靠性技术可靠性技术l供电系统的一般保护供电系统的一般保护2. 系统供电与接地技术

139、7/30/20247/30/2024178第第9 9章章 计算机控制系统计算机控制系统 设计与实现设计与实现 可靠性技术可靠性技术可靠性技术可靠性技术l电源异常的保护电源异常的保护 由由于于计计算算机机控控制制系系统统的的供供电电不不允允许许中中断断，一一般般采采用用不不间间断断电电源源UPSUPS。正正常常情情况况下下由由交交流流电电网网供供电电，同同时时给给电电池池组组充充电电。如如果果交交流流电电供供电电中中断断，电电池池组组经经逆逆变变器器输输出出交交流流代代替替外外界界交交流流供供电电，这这是是一一种种无无触触点点的的不不间间断断的的切切换换。UPSUPS用用电电池池组组作作为为后后

140、备备电电源源，如如果果外外界界交交流流电电中中断断时时间间长长，就就需需要要大大容容量量的的蓄蓄电电池池组组。此此外外为为了了确确保保供供电电安安全全，可可以以采采用用交交流流发发电电机，或第二路交流供电线路。机，或第二路交流供电线路。7/30/20247/30/2024179第第9 9章章 计算机控制系统计算机控制系统 设计与实现设计与实现 可靠性技术可靠性技术可靠性技术可靠性技术l模模拟拟地地 系系统统中中的的传传感感器器、变变送送器器、放放大大器器、A/DA/D和和D/AD/A转转换换器器中中模模拟拟电电路路的的零零电电位位。由由于于模模拟拟信信号号往往往往有有精精度度要要求求，有有时时

141、信信号号比比较较小小，且且直直接接与与生生产产现现场场相连，必须认真对待。相连，必须认真对待。l数数字字地地 计计算算机机中中各各种种数数字字电电路路的的零零电电位位，为为避避免免对对模模拟拟信信号号造造成成数数字字脉脉冲冲的的干干扰扰，数数字字地地应应与与模模拟拟地地分开。分开。l安安全全地地 又又称称为为保保护护地地或或机机壳壳地地，其其目目的的是是让让设设备备机机壳壳（包包括括机机架架、外外壳壳、屏屏蔽蔽罩罩等等）与与大大地地等等电电位位，以免因机壳带电而影响人身及设备安全。以免因机壳带电而影响人身及设备安全。1)接地系统分析7/30/20247/30/2024180第第9 9章章 计算

142、机控制系统计算机控制系统 设计与实现设计与实现 可靠性技术可靠性技术可靠性技术可靠性技术l系系统统地地 上上述述几几类类地地的的最最终终回回流流点点，直直接接与与大大地地相相连连，如如图图9-39-3所所示示。由由于于地地球球是是体体积积非非常常大大的的导导体体，其其静静电电容容量量也也非非常常大大，电电位位比比较较恒恒定定，所所以以人人们们将将它它的的电位作为基准电位，即零电位。电位作为基准电位，即零电位。l交交流流地地 计计算算机机交交流流供供电电电电源源地地，即即动动力力线线地地，其其地地电电位位很很不不稳稳定定。在在交交流流地地上上任任意意两两点点之之间间很很容容易易有有几几伏伏至至几

143、几十十伏伏的的电电位位差差存存在在，会会带带来来各各种种干干扰扰。因因此此交交流流地地绝绝对对不不允允许许与与上上述述几几类类地地相相连连，并并且且交交流流电源变压器的绝缘性能要好，以绝对避免漏电现象。电源变压器的绝缘性能要好，以绝对避免漏电现象。 1)接地系统分析7/30/20247/30/2024181第第9 9章章 计算机控制系统计算机控制系统 设计与实现设计与实现 可靠性技术可靠性技术可靠性技术可靠性技术l根根据据接接地地理理论论，低低频频电电路路（频频率率小小于于1MHz1MHz）应应单单点点接接地地，高高频频电电路路（频频率率大大于于10MHz10MHz）应应就就近近多多点点接接地

144、地。介介于于低低频频与与高高频频之之间间时时，单单点点接接地地的的地地线线长长度度不不得得超超过过波波长长的的1/121/12，否否则则应应采采用用多多点点接接地地。单单点点接接地地的的目目的的是是避避免免形形成成地地环环路路，地地环环路路产产生生的的电电流流会会引入到信号回路内形成干扰。引入到信号回路内形成干扰。 7/30/20247/30/2024182第第9 9章章 计算机控制系统计算机控制系统 设计与实现设计与实现 可靠性技术可靠性技术可靠性技术可靠性技术l当当雷雷击击发发生生在在输输电电线线路路或或在在输输电电线线路路附附近近时时，将将在在输输电电线线路路上上形形成成雷雷电电冲冲击击

145、波波，雷雷电电冲冲击击波波容容易易与与工工频频回路耦合，从而进入计算机控制系统的电源模块。回路耦合，从而进入计算机控制系统的电源模块。3. 计算机控制系统的防雷设计7/30/20247/30/2024183第第9 9章章 计算机控制系统计算机控制系统 设计与实现设计与实现 可靠性技术可靠性技术可靠性技术可靠性技术l采采用用三三级级浪浪涌涌电电压压保保护护器器（也也叫叫瞬瞬态态过过电电压压保保护护器器，SPDSPD）是是计计算算机机控控制制系系统统目目前前比比较较理理想想的的防防雷雷保保护护措措施。施。l第第一一级级在在变变压压器器二二次次侧侧、进进线线柜柜断断路路器器后后的的三三根根相相线线和

146、和中中性性线线上上，分分别别对对地地并并联联，主主要要泄泄放放外外线线等等产产生生的的较较强强过过电电压压，其其雷雷通通量量大大，但但是是这这些些避避雷雷器器启启动动电电压压高高而而且且有有较较大大的的分分散散电电容容，与与负负载载之之间间成成为为分分流流的的关关系系，从从而而使使加加在在下下一一级级设设备备上上的的残残压压高高，一一般为避雷器启动电压的般为避雷器启动电压的2 22.52.5倍。倍。3. 计算机控制系统的防雷设计7/30/20247/30/2024184第第9 9章章 计算机控制系统计算机控制系统 设计与实现设计与实现 可靠性技术可靠性技术可靠性技术可靠性技术l第第二二级级在在

147、PLCPLC或或UPSUPS等等专专用用配配电电母母线线处处的的三三根根相相线线和和中中性性线线上上，分分别别对对地地并并联联，主主要要泄泄放放第第一一级级残残压压，分分流流配配电电线线路路上上传传输输过过程程中中的的感感应应或或耦耦合合过过电电压压和和其其它它用用电电设设备备的的操操作作过过电电压压，有有效效抑抑制制各各种种电电磁磁干干扰。扰。l第第三三级级在在主主机机、UPSUPS或或其其它它自自控控设设备备接接线线板板熔熔断断器器后后的的相相线线和和中中性性线线上上，分分别别对对地地并并联联，主主要要泄泄放放前前面面的残压，进一步保护设备不受过电压的干扰。的残压，进一步保护设备不受过电压

148、的干扰。 3. 计算机控制系统的防雷设计7/30/20247/30/2024185第第9 9章章 计算机控制系统计算机控制系统 设计与实现设计与实现 可靠性技术可靠性技术可靠性技术可靠性技术l计计算算机机控控制制系系统统的的冗冗余余技技术术可可以以分分为为多多重重化化自自动动备备用用和简易的手动备用两种方式。和简易的手动备用两种方式。l多多重重化化自自动动备备用用就就是是对对设设备备或或部部件件进进行行双双重重化化或或三三重重化化设设置置，万万一一发发生生故故障障时时，备备用用设设备备或或部部件件自自动动从从备备用用状状态态切切入入到到运运行行状状态态。又又分分为为同同步步运运转转方方式式、待

149、机运转方式、后退运转方式三种。待机运转方式、后退运转方式三种。控制系统的冗余设计 7/30/20247/30/2024186第第9 9章章 计算机控制系统计算机控制系统 设计与实现设计与实现 可靠性技术可靠性技术可靠性技术可靠性技术l同步运转方式就是让两台或两台以上的设备或部件同步运行，进行相同的处理，并将其输出进行核对，只有当它们的输出一致时，才作为正确的输出，这种系统称为“双重化系统”(Dual System)。也可以将设备三重化设置，在三台设备中取两个相等的输出作为正确的输出值。7/30/20247/30/2024187第第9 9章章 计算机控制系统计算机控制系统 设计与实现设计与实现

150、可靠性技术可靠性技术可靠性技术可靠性技术l待机运转方式就是使一台设备处于待机状态，在发生故障时，启动待机设备来保证系统正常运行。这种方式称为1:1的备用方式，这种类型 的 系 统 称 为 “双 工 系 统 ”（ Duplex System）。类似地，对于N台同样设备采用一台设备待机的备用方式就称为N:1备用。在DCS中一般对局部的设备采用1:1备用方式，对整个系统则采用N:1的备用方式。7/30/20247/30/2024188第第9 9章章 计算机控制系统计算机控制系统 设计与实现设计与实现 可靠性技术可靠性技术可靠性技术可靠性技术l后退运转方式就是使用多台设备，在正常运行时，各自分担各种功

151、能运行，当其中之一发生故障时，其他设备放弃其中一些不重要的功能，进行互相备用。7/30/20247/30/2024189第第9 9章章 计算机控制系统计算机控制系统 设计与实现设计与实现 可靠性技术可靠性技术可靠性技术可靠性技术l简易的手动备用方式即采用手动操作方式实现对自动控制方式的备用。当自动方式发生故障时，通过切换成手动工作方式，来保持系统的控制功能。l一般在进行计算机控制系统设计时，主要包括如下关键部件的冗余设置：电源冗余、输入/输出模块冗余、控制回路冗余、控制网络冗余以及操作站冗余等。 7/30/20247/30/2024190预祝大家考出好成绩！欢迎大家报考能量所研究生！7/30/20247/30/2024191