《直接数字控制系统》PPT课件.ppt

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1、过程控制过程控制Process Control 下篇下篇 过程计算机控制过程计算机控制 第第11章章 直接数字控制系统直接数字控制系统本章要点本章要点 直接数字控制系统的构成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过程输入输出技术及数据处理方法 数字数字PID控制技术及数字控制系统的设计与实现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数字控制器的直接设计方法 监控组态软件监控组态软件本章学本章学习目目标 理解直接数字控制系统的构成原理及特点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

2、理方法深刻理解数字滤波及数据处理方法 熟练掌握数字熟练掌握数字PID控制算法及改进算法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了解监控组态软件的功能及应用第第11章章 直接数字控制系直接数字控制系统11.1 直接数字控制系统概述直接数字控制系统概述11.2 过程输入输出通道技术过程输入输出通道技术11.3 数字滤波与数据处理数字滤波与数据处理11.4 数字数字PID控制技术控制技术11.5 数字控制系统的设计与实现数字控制系统的设计与实

3、现11.6 数字控制器的直接设计方法数字控制器的直接设计方法11.7 监控组态软件监控组态软件11.1 直接数字控制系直接数字控制系统概述概述 直接数字控制系统直接数字控制系统（Direct Digital ControlDirect Digital Control，DDCDDC）就是用一台计算机通过测量元件变送器对生产过）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，再按值进行比较，再按PIDPID控制规律或其他直接数字控制算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

4、能够接法进行运算；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，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。使被控参数按设定值曲线变化或稳定在给定值上。第11章 直接数字控制系统概述 11.1 直接数字控制系统概述 DDC系系统的的结构框构框图第11章 直接数字控制系统概述 11.1 直接数字控制系统概述 优点：优点：经济、灵活性好、可靠性高。经济、灵活性好、可靠性高。缺点：缺点：危险集中危险集中 DDC系系统第11章 直接数字控制系统概述 11.1 直接数字控制系统概述 DDCDDC系统主机单元的结构：系统主机单

5、元的结构：模板式模板式主机板与模拟量输入主机板与模拟量输入/ /输出模板、数字量输入输出模板、数字量输入/ /输出输出模板通过总线母板连接。模板通过总线母板连接。模块式模块式主机模块与模拟量输入主机模块与模拟量输入/ /输出模块、数字量输入输出模块、数字量输入/ /输输出模块通过总线连接。出模块通过总线连接。总线总线内部总线内部总线计算机内部模板之间进行计算机内部模板之间进行通信的总线，也指组成系通信的总线，也指组成系统各种机箱的底板总线。统各种机箱的底板总线。PC/XTPC/XT（6262线）线）PC/ATPC/AT或或ISAISA（6262线线+36+36线）线）PCIPCI（124124

6、线）线）PC104PC104（104104线）线）CompactPCI,VXICompactPCI,VXI外部总线外部总线计算机之间，计算机与设计算机之间，计算机与设备之间进行通信的总线。备之间进行通信的总线。串行总线串行总线（ RS-232 RS-232、RS-422RS-422、RS-485RS-485）现场总线以及局域网（现场总线以及局域网（LANLAN）工业以太网（工业以太网（EthernetEthernet）控制网络（控制网络（ControlControl-net-net）11.2 过程程输入入输出通道技出通道技术 DDCDDC系统的输入输出通道是计算机和传感器、执行器之间的系统的输

7、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。信息传递和变换装置。是连接是连接控制计算机和工业生产过程控制计算机和工业生产过程的的桥桥梁和纽带梁和纽带。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 11.2.1 概述概述过过程程通通道道模拟量输入通道（模拟量输入通道（AIAI）模拟量输出通道（模拟量输出通道（AOAO）开关量输入通道（开关量输入通道（DIDI）开关量输出（开关量输出（DODO）通道）通道过程通道过程通道过程程输入入输出通道的出通道的结构构 第11章 直接数字控制系统概述 11.2 控制输入输出通道技术 模板式模板式模块式模块式 模块式结构：模块式

8、结构：模板式结构：模板式结构：(a)混合集中式混合集中式 (b)分离分布式分离分布式 模拟量输入通道模拟量输入通道(AI)(AI)是计算机用于工业控制、自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输入通道

9、的目的，通常是为了进行参数测量或数据采集。它的核心部件是集。它的核心部件是A/DA/D转换器及其微处理机的接口。转换器及其微处理机的接口。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 11.2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道 模拟量输入通道一般包括：信号调理电路、多路转换开关、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、采样保持器、A/DA/D转换器等几个组成部分。转换器等几个组成部分。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 1. 1. 模拟量输入通道的结构模拟量输入通道的结构多路共用采集电路分时采集多路共用采集电路分时采集 第1

10、1章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 多路同步取样共用多路同步取样共用A/D分时采集分时采集多通道同步采样分时传输数据多通道同步采样分时传输数据通过多路模拟开关通过多路模拟开关将多将多路参数分时路参数分时送送入计算机。入计算机。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 2 2. . 模拟量输入通道的模拟量输入通道的组成组成 信号调理电路信号调理电路 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，幅值范围往往和电压或电流信号，幅值范围往往和A/DA/D转换器的量程不匹配，而转换器的量

11、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。处理，称为信号调理。 多路开关多路开关单向多路开关单向多路开关: :AD7501(8AD7501(8路路) )、AD7506(16AD7506(16路路) )等；等；双向多路外关：双向多路外关：CD4051CD4051等等; ;单端输入单端输入: CD4051: CD4051是单端是单端8 8通道通道; ;双端输入双端输入: CD4052: CD4052是双是双4 4通道通道; ;多路输入多路输出多路输入多路输出:CD8816:CD8816等。等。第11章

12、 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 采样保持器采样保持器 在在A/DA/D转换器工作期间采样保持器一直保持着转换开始时的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/ /数数转换器的精确度和消除转换时间的不准确性。转换器的精确度和消除转换时间的不准确性。高速采样高速采样( (如如500050001000010000点秒点秒) ) 必须采用采样保持器。必须采用采样保持器。 在低速系统中一般可以省略。在低速系统中一般可以省略。采样保持器的工作方式采样保持器的工作方式 第11

13、章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 A/D转换器转换器 在工业生产过程中，被测参数，如温度、压力、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（也即之前，必须把模拟量转换成数字量（也即A/DA/D转换）转换）。A AD D转换器即是完成模拟量转换为数字量的器件，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。在一般情况下，模拟量是指电压。第11章 直

14、接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 3. 3. 模拟量输入通道模拟量输入通道A/DA/D转换器的选择转换器的选择 A/D转换器的技术指标转换器的技术指标 分辨率分辨率是衡量是衡量A/DA/D转换器分辨输入模拟量最小变化量的技术指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。标，是数字量变化一个字所对应模拟信号的变化量。其大小取决其大小取决于于A/DA/D转换器的位数，所以习惯上以数字量的位数来表示。转换器的位数，所以习惯上以数字量的位数来表示。 量化误差量化误差是由是由A/D A/D 转换器有限字长数字量对输入模拟量进行离转换器有限字长数字

15、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（散取样（量化）引起的误差，其大小在理论上为一个单位（1LSB 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）。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。差。 分辨率与量化误差分辨率与量化误差第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 转换精度转换精度反映了一个实际反映了一个实际A/DA/D转换器与一个理想转换器与一个理想A/DA/D转换器转换器在量化值上的差值，用绝对误差或相对误差来表示。在量化值上的差值，用绝对误差或相对误差来表示。 转换精度转换精度 转换速率转换速

16、率是指是指A/DA/D转换器在每秒钟所能完成的转换次数。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，即转换速率也可表述为转换时间，即A/DA/D转换从启动到结束所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。需的时间，转换速率与转换时间互为倒数。 转换速率转换速率 满刻度范围满刻度范围 满刻度范围满刻度范围是指是指A/DA/D转换器所允许的最大输入电压范围。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，实际的满刻度值只是个名义值，实际的A AD D转换器的最大输入电压转换器的最大输入电压值总比满刻度值小值总比满刻度值小1/21/2n n（n n为转换器的位数

17、）。为转换器的位数）。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 AD转换器的分类转换器的分类(根据转换原理分根据转换原理分) 逐次比较式逐次比较式 积分式积分式 并行比较式并行比较式 改进型改进型 转换时间一般在转换时间一般在ss级，转换精度一般在级，转换精度一般在0.10.1左右，适左右，适于一般场合。于一般场合。转换时间一般在转换时间一般在msms级或更长，但抗干扰性能强，转换精级或更长，但抗干扰性能强，转换精度可达度可达0.010.01或更高。适于数字电压表类仪器采用。或更高。适于数字电压表类仪器采用。采用并行比较，其采用并行比较，其转换时间可达转换时间可达nsns

18、级，但抗干扰性能较级，但抗干扰性能较差差. .在上述某种形式在上述某种形式A AD D转换器的基础上，为满足某项高性转换器的基础上，为满足某项高性能指标而改进或复合而成的。能指标而改进或复合而成的。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 A/D转换速度的选择转换速度的选择在选取在选取A/DA/D转换速度之前，应该首先确定系统的采样周期。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合理地选择采样周期T T，是过程计算机控制系统设计的关，是过程计算机控制系统设计的关键问题之一。键问题之一。确定系统采样周期的原则及相关知识，将在确定系统采样周期的原则及相关知识

19、，将在11.5.511.5.5中详中详细介绍。细介绍。A/DA/D转换器从启动转换到转换结束输出稳定的数字量，需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。要一定的时间。而且从转换结束到下一次启动转换也需而且从转换结束到下一次启动转换也需要一段休止时间要一段休止时间( (或称复位时间、恢复时间、准备时间等或称复位时间、恢复时间、准备时间等).).因此，因此，A/DA/D转换器的转换速率应由转换时间和休止时间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。二者共同决定。选择时应该注意。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 A/D转换器

20、字长的选择转换器字长的选择为把量化误差限制在所允许的范围内，应使为把量化误差限制在所允许的范围内，应使A/DA/D转换器有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。范围和分辨率。为为使输入信号的最大值使输入信号的最大值x xmaxmax不至使不至使A/DA/D溢出，溢出，且且小信号小信号x xminmin不不被量化噪声淹没，则需被量化噪声淹没，则需 输入信号的动态范围输入信号的动态范围即需要即需要A/DA/D转换器的字长为转换器的字长为输入信号的动态范围输入信号的动态范围定义为定义为 若已知被测模拟电压动态范围为若已知

21、被测模拟电压动态范围为L L1 1，则则第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 有时对有时对A/DA/D转换器的字长要求以分辨率形式给出。分辨率定转换器的字长要求以分辨率形式给出。分辨率定义为义为 分辨率分辨率如果所要求的分辨率为如果所要求的分辨率为D D0 0，则字长，则字长例例：某温度控制系统的温度范围为某温度控制系统的温度范围为0 0- -200200，要求分辨率为，要求分辨率为0.5% (0.5% (即相当于即相当于1)1)，则则A/DA/D转换器字长为转换器字长为因此，取因此，取A/DA/D转换器字长转换器字长n n为为8 8位。位。第11章 直接数字控制系统

22、概述 11.2 过程输入输出通道技术 此外，考虑到此外，考虑到MUXMUX、S/HS/H、A/DA/D组成的数据采集电路的总误差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，是这三个组成部分的分项误差的综合值，选择元器件精度选择元器件精度的一般规则的一般规则是：每个元器件的精度指标应优于系统精度的是：每个元器件的精度指标应优于系统精度的1010倍左右。倍左右。可根据系统精度指标可根据系统精度指标，估算所需，估算所需A/DA/D的位数的位数n n例例：要求系统误差不大于要求系统误差不大于0.10.1满度值满度值( (即即0.10.1) )，则，则需采用需采用n n为为1414位的

23、位的A/DA/D转换器。转换器。 由于大多数执行器只能接受模拟量，为了驱动执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行器，经计算机处理后的数据还必须再转换成模拟量（即（即D/AD/A转换）。此外，在模拟量输出通道中，为了实转换）。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

24、量输出通道一般包括值。因此，模拟量输出通道一般包括D/AD/A转换器、多路转换器、多路分配器和采样保持器，其中的核心器件是分配器和采样保持器，其中的核心器件是D/AD/A转换器。转换器。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 11.2.3 模拟量输出通道模拟量输出通道第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 1 1D/AD/A转换器概述转换器概述 D/AD/A转换器的输出多数为电流形式，如转换器的输出多数为电流形式，如DAC0832DAC0832，AD7522AD7522等。有等。有些芯片内部设有放大器，直接输出电压信号，如些芯片内部设有放大器，直

25、接输出电压信号，如AD558AD558，AD7224AD7224等。等。电压输出型又有单极性输出和双极性输出两种。电压输出型又有单极性输出和双极性输出两种。双双D/AD/A转换器：转换器：AD7528AD75284 4通道通道D/AD/A转换器：转换器：AD7226AD7226串行串行D/AD/A转换器：转换器：DAC80DAC80直接接收直接接收BCDBCD码的码的D/AD/A转换器：转换器：AD7525AD7525输出输出4-20mA4-20mA电流的电流的D/AD/A：AD1420/1422AD1420/1422D/AD/A转换器的数字量输入端转换器的数字量输入端: :不含数据锁存器：不

26、含数据锁存器：与计算机接口时要外加数据锁存器。与计算机接口时要外加数据锁存器。含单个数据锁存器：含单个数据锁存器：与计算机接口时可以不外加数据锁存器。与计算机接口时可以不外加数据锁存器。含双数据锁存器：含双数据锁存器：可用于多个可用于多个 D/AD/A转换器同时转换的场合。转换器同时转换的场合。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 2 2D/AD/A转换器字长的选择转换器字长的选择 D/AD/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机构的最大输入值为u umaxmax，最小输入值为，最小输

27、入值为u uminmin（灵敏限），则（灵敏限），则D/AD/A转转换器的字长为换器的字长为即即D/AD/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，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，可选可选D/AD/A字长小于或等于字长小于或等于A/DA/D字长。字长。 在过程计算机控制中，常用的在过程计算机控制中，常用的A/DA/D和和D/AD/A转换器字长为转换器字长为8 8位、位、1010位和位和1212位，按照上述公式估算出的字长取整后再选这三种之一。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。特殊被控对象，可选更高分辨率的器

28、件。 有些工业过程的输入参数是通过接近开关输入，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入输出。所谓开关量控制就是通过控制设备的“开开”或或“关关”状态的时间来达到控制的目的。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电磁干扰会通过数字量输入、输出通道窜入

29、计算机系统，故需要采用通道隔离技术。统，故需要采用通道隔离技术。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 11.2.4 数字量输入数字量输入/输出通道输出通道第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 1 1数字量输入通道数字量输入通道 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、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，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即将被控对象的开关状态信号( (或数字信号或数字信号) )传送给计算机，简

30、称传送给计算机，简称DI(DigitalDI(Digital Input) Input)通道。通道。数字量输入通道数字量输入通道的的作用：作用： 定时记录生产过程中某些设备的状态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数字量输入通道结构 第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 典型的开关量输入通道通常由以下几部分组成：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开关量的拾取即将过程的

31、开关量转换为电压或电流的双位逻辑值。位逻辑值。开关量开关量( (数字量数字量) )机械有触点开关量机械有触点开关量电子无触点开关量电子无触点开关量非电量开关量非电量开关量不同的开关量要采用不同的变换方法。不同的开关量要采用不同的变换方法。 整形电路整形电路 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。波，而后再根据系统要求变换为相应形状的脉冲信号。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程

32、输入输出通道技术 电平变换电路电平变换电路 将输入的双值逻辑电平转换为与将输入的双值逻辑电平转换为与CPUCPU兼容的逻辑电平。兼容的逻辑电平。在计算机控制系统中，在计算机控制系统中，CPU CPU 一般只接受一般只接受TTLTTL电平，当开关量电平，当开关量变换后的信号为非变换后的信号为非CPUCPU所需电平时，则需要进行电平变换。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、晶体管或电平变换可采用光电隔离、晶体管或CMOS-TTLCMOS-TTL电子变换芯片。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，采用晶体管或或

33、CMOS-TTLCMOS-TTL电子变换芯片则速度较快。电子变换芯片则速度较快。 总线缓冲器总线缓冲器暂存数字量信息并实现与暂存数字量信息并实现与CPUCPU数据总线的连接。数据总线的连接。 接口电路接口电路 协调通道的同步工作，向协调通道的同步工作，向CPUCPU传递状态信息并控制传递状态信息并控制开关量到开关量到CPUCPU的输入。的输入。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 数字量输入示例：数字量输入示例：由光电隔离器和总线缓冲器构成由光电隔离器和总线缓冲器构成的的数字量输入通道数字量输入通道光电耦合器光电耦合器 三态门缓冲器三态门缓冲器 第11章 直接数字控制

34、系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 2 2数字量输数字量输出出通道通道 数字量输出通道的任务是把计算机输出的数字信号数字量输出通道的任务是把计算机输出的数字信号( (或开关信号或开关信号) )传送给开关器件传送给开关器件( (如继电器或指示灯如继电器或指示灯) )，控制其通、断或亮、灭，控制其通、断或亮、灭，简称简称DO(Digital DO(Digital O Output)utput)通道。通道。 由于输出设备往往需要大电压由于输出设备往往需要大电压( (或电流或电流) )来控制，而计算机系统来控制，而计算机系统输出的开关量大都为输出的开关量大都为TTL(TTL(或或CMOS)CMO

35、S)电平，一般不能直接驱动外部设电平，一般不能直接驱动外部设备开启或关闭。另备开启或关闭。另外外，许多外部设备，如大功率直流电机、接触，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，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，二要隔离处理中，一要放大，二要隔离。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 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根据负荷功率的大小不同，可以选用不

36、同的功率放大器件构成不同的开关量驱动输出通道。成不同的开关量驱动输出通道。l晶体管、达林顿管、大功率场效应管输出驱动电路晶体管、达林顿管、大功率场效应管输出驱动电路l光电隔离器、继电器、晶闸管输出驱动电路光电隔离器、继电器、晶闸管输出驱动电路l固态继电器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常用的输出驱动电路：第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 使用光电隔离器与继使用光电隔离器与继电器配合的输出驱动电器配合的输出驱动电路电路继电器输出控制电路继电器输出控制电路 采用直流型固态继电器控采用直流型固态继电器控制三相步进电机制三相步进电机固态继电器输出控制电

37、路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，过程输入在过程计算机控制系统的工程应用中，过程输入/ /输出通道输出通道的任务一般可选择现成的板卡或模块来完成。的任务一般可选择现成的板卡或模块来完成。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 11.2.5 过程输入过程输入/输出板卡（或模块）的选择输出板卡（或模块）的选择1.1.选择步骤选择步骤(1)(1) 分析具体的工程情况，统计所有模拟量输入分析具体的工程情况，统计所有模拟量输入/ /输出个数以及输出个数以及I/OI/O点数点数，并填写表格。并填写表格。(2)(2) 根据需要，选择输入、输出通道数，并应留有

38、一定的裕量，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。以备将来系统扩展时使用。(3)(3) 根据参数根据参数表表选择板卡输入选择板卡输入/ /输出通道的信号范围、信号类型、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，选择采样速度；根据系统的精度要求，选择A/DA/D、D/AD/A转换芯片的字转换芯片的字长。长。(4)(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。否需要通道间的同步输入或同步输出。(5)(5) 考虑价格因素、可靠性、耐用性、配套软件等综

39、合因素。考虑价格因素、可靠性、耐用性、配套软件等综合因素。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 2.2.输入输出板卡输入输出板卡/ /模块的选择模块的选择 输入输出板卡输入输出板卡按总线形式分有按总线形式分有PCIPCI、ISAISA、 PC/104 PC/104、VXIVXI、USBUSB等，采样速率从等，采样速率从100KS/s100KS/s、250 KS/s 250 KS/s 、1MS/s1MS/s到到10MS/s10MS/s等，等，采样位数有采样位数有8 8位、位、1212位、位、1616位等；有模拟量输入卡、模拟量输出位等；有模拟量输入卡、模拟量输出卡、数字

40、量输入卡、数字量输入/ /输出卡和多功能卡等。可根据需要选择。输出卡和多功能卡等。可根据需要选择。 输入输出模块输入输出模块按总线形式分有串行总线（按总线形式分有串行总线（ RS-232 RS-232、RS-422RS-422、RS-485RS-485等）、现场总线以及局域网（等）、现场总线以及局域网（LANLAN）、工业以太网）、工业以太网（EthernetEthernet）、控制网络（）、控制网络（Control-netControl-net）等，也有不同的采样）等，也有不同的采样速率和精度可选。速率和精度可选。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 数据采集卡示例

41、数据采集卡示例智能接口板卡智能接口板卡 PCI-5121智能智能CAN接口卡接口卡第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 常用的数据采集卡常用的数据采集卡 1模拟量输入卡（模拟量输入卡（A/D卡）卡） 模模拟拟量量输输入入板板卡卡根根据据使使用用的的A/DA/D转转换换芯芯片片和和总总线线结结构构不不同同，性性能能有有很很大大的的区区别别。板板卡卡通通常常有有单单端端输输入入、差差分分输输入入以以及及两两种种方方式式组组合合输输入入三三种种。板板卡卡内内部部通通常常设设置置一一定定的的采采样样缓缓冲冲器器，对对采采样样数数据据进进行行缓缓冲冲处处理理，缓缓冲冲器器的的大

42、大小小也也是是板板卡卡的的性性能能指指标标之之一一。在在抗抗干干扰扰方方面面，A/DA/D板板卡卡通通常常采采取取光光电电隔隔离离技技术术，实实现现信信号号的的隔隔离离。板板卡卡模模拟拟信信号号采采集集的的精精度度和速度指标通常由板卡所采用的和速度指标通常由板卡所采用的A/DA/D转换芯片决定。转换芯片决定。 第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 32 32 路单端或路单端或16 16 路差分模拟量输入，或组合输入方式，路差分模拟量输入，或组合输入方式，1212位位A/DA/D转换分辨率，转换分辨率，A/DA/D转换器的采样速率可达转换器的采样速率可达100 kHz1

43、00 kHz，每个输入通道的增益可编程，卡上有，每个输入通道的增益可编程，卡上有4K4K采样采样FIFOFIFO缓冲缓冲器，器，2500VDC 2500VDC 隔离保护，支持软件、内部定时器触发或隔离保护，支持软件、内部定时器触发或外部触发。外部触发。 研华研华PCI-1713PCI-1713模拟量输入卡模拟量输入卡第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 2模拟量输出卡（模拟量输出卡（D/A卡）卡） D/AD/A转转换换板板卡卡同同样样依依据据其其采采用用的的D/AD/A转转换换芯芯片片的的不不同同，转换性能指标有很大的差别。转换性能指标有很大的差别。 四路四路12 1

44、2 位位D/A D/A 输出通道输出通道，多种多种输出范围输出范围。由于能够在输出和。由于能够在输出和PCIPCI总线之间提供总线之间提供2500VDC2500VDC的隔的隔离保护，离保护，PCI-1720PCI-1720非常适合需非常适合需要高电压保护的工业场合。要高电压保护的工业场合。 研华研华PCI-1720UPCI-1720U模拟量输出卡模拟量输出卡第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 1616路路数数字字量量输输入入和和1616路路数数字字量量输输出出，高高输输出出驱驱动动能能力力和和中断能力，具有中断能力，具有2500VDC2500VDC高电压隔离高电压隔

45、离I/OI/O通道通道。研华研华PCI-1730PCI-1730数字量输入数字量输入/ /输出卡输出卡3 3数字量输入数字量输入/ /输出卡（输出卡（I/OI/O卡）卡） 第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 4脉冲量输入脉冲量输入/输出板卡输出板卡 工工业业控控制制现现场场有有许许多多高高速速的的脉脉冲冲信信号号，如如旋旋转转编编码码器器、流流量量检检测测信信号号等等，这这些些都都要要用用脉脉冲冲量量输输入入板板卡卡或或一一些些专专用用测测量量模模块块进进行行测测量量。脉脉冲冲量量输输入入/ /输输出出板板卡卡可可以以实实现现脉脉冲冲数数字字量量的的输输出出和和采采

46、集集，并并可可以以通通过过跳跳线线器器选选择择计计数数、定定时时、测测频频等等不不同同工工作作方方式式，计计算算机机可可以以通通过过该该板板卡卡方方便便地地读读取取脉脉冲冲计计数数值值，也也可可测测量量脉脉冲冲的的频频率率或或产产生生一一定定频频率率的的脉脉冲冲。考考虑虑到到现现场场强强电电的的干干扰扰，该该类类型型板板卡卡多多采采用用光光电电隔隔离离技技术术，使使计计算算机机与与现现场场信信号号之之间间全全部部隔离，来提高板卡测量的抗干扰能力。隔离，来提高板卡测量的抗干扰能力。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 该卡使用了该卡使用了AM9513AM9513芯片，能

47、芯片，能够通过够通过CPLDCPLD实现计数器实现计数器/ /定时定时器功能。此外，该卡还提供器功能。此外，该卡还提供8 8个个1616位计数器通道，并具有位计数器通道，并具有8 8通道可编程时钟资源，通道可编程时钟资源，8 8路路TTLTTL数字量输出数字量输出/8/8路路TTLTTL数字数字量输入，最高输入频率达量输入，最高输入频率达20MHz20MHz，有多种时钟可以选择，有多种时钟可以选择，可编程计数器输出，同时有可编程计数器输出，同时有计数器门选通功能。计数器门选通功能。 研华研华PCI-1780UPCI-1780U计数器计数器/ /定时器卡定时器卡第11章 直接数字控制系统概述 1

48、1.2 过程输入输出通道技术 远程远程I/OI/O模块模块 远远程程I/OI/O模模块块又又称称为为牛牛顿顿模模块块，为为近近年年来来比比较较流流行行的的一一种种I/OI/O方方式式，它它安安装装在在工工业业现现场场，就就地地完完成成A/DA/D、D/AD/A转转换换、I/OI/O操操作作及及脉冲量的计数、累计等操作。脉冲量的计数、累计等操作。 远程远程I/OI/O以通讯方式和计算机以通讯方式和计算机交换信息，通讯接口一般采用交换信息，通讯接口一般采用RS-485RS-485总线，通讯协议与模块总线，通讯协议与模块的生产厂家有关，但都是采用的生产厂家有关，但都是采用面向字符的通讯协议。面向字符

49、的通讯协议。 第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 有线传输介质有线传输介质 1 1双绞线电缆双绞线电缆双绞线电缆（简称双绞线）是将一对或一对以上的双绞线双绞线电缆（简称双绞线）是将一对或一对以上的双绞线封装在一个绝缘外套中而形成的一种传输介质。封装在一个绝缘外套中而形成的一种传输介质。 1）非屏蔽双绞线）非屏蔽双绞线 2 2）屏蔽双绞线）屏蔽双绞线 无线传输介质无线传输介质 有线传输介质有线传输介质 * * 信息传输介质信息传输介质 *第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 2.2.同轴电缆同轴电缆 3.3.扁平电缆扁平电缆 4.4.光导纤维

50、光导纤维第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 11.3 数字数字滤波与数据波与数据处理理 数字滤波数字滤波就是在计算机中通过软件按照某种算法对输入信号进就是在计算机中通过软件按照某种算法对输入信号进行平滑加工等处理，以减少干扰在有用信号中的比重，提高信行平滑加工等处理，以减少干扰在有用信号中的比重，提高信号的真实性。号的真实性。11.3.1数字滤波数字滤波与与模拟滤波装置相比，数字滤波有以下优点：模拟滤波装置相比，数字滤波有以下优点： 通过程序实现，不需硬件设备，系统的可靠性较高；通过程序实现，不需硬件设备，系统的可靠性较高； 数字滤波子程序可多通道共用；数字滤波子程

51、序可多通道共用； 可对极低频率的信号（如可对极低频率的信号（如0.01Hz0.01Hz）进行滤波；）进行滤波； 采用不同的算法和参数就可实现对不同信号的滤波，使用灵采用不同的算法和参数就可实现对不同信号的滤波，使用灵活、方便。活、方便。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理把把N N个采样值相加，然后取其算术平均值作为本次有效的采样值个采样值相加，然后取其算术平均值作为本次有效的采样值. .第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理1 1. .算术平均值滤波法算术平均值滤波法 对对于于随机干扰信号，多采用算术平均值滤波法加以抑制。随机干扰信号，多采用算术

52、平均值滤波法加以抑制。N N值决定了信号的平滑度和灵敏度。应视具体情况选取值决定了信号的平滑度和灵敏度。应视具体情况选取N N，以便得，以便得到满意的滤波效果。通常流量信号取到满意的滤波效果。通常流量信号取8 8- -1212项，压力信号取项，压力信号取4 4项，项，温度、成份等缓慢变化的信号取温度、成份等缓慢变化的信号取2 2项甚至不平均。项甚至不平均。为了提高滤波效果，将各个采样值取不同的比重，然后再相加求为了提高滤波效果，将各个采样值取不同的比重，然后再相加求平均值平均值，加权平均式为加权平均式为第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理2 2. .加权平均值滤波法加权

53、平均值滤波法加权系数加权系数 加权系数体现了各次采样值在平均值中所占的比例，可根据具加权系数体现了各次采样值在平均值中所占的比例，可根据具体情况决定。一般采样次数越靠后，加权系数越大，这样可增加体情况决定。一般采样次数越靠后，加权系数越大，这样可增加新的采样值在平均值中所占的比重。这种滤波方法可以根据需要新的采样值在平均值中所占的比重。这种滤波方法可以根据需要突出信号的某一部分来抑制信号的另一部分。突出信号的某一部分来抑制信号的另一部分。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理例：例：某纯迟延较大的被控对象，采用四次采样值加权某纯迟延较大的被控对象，采用四次采样值加权平均的

54、算式为平均的算式为为被控对象的纯迟延时间。为被控对象的纯迟延时间。权系数为权系数为 先在先在RAMRAM中建立一个数据缓冲区，依顺序存放中建立一个数据缓冲区，依顺序存放N N个采样数据，每个采样数据，每采进一个新数据，就将最早采集的数据丢掉，而后求包括新数据采进一个新数据，就将最早采集的数据丢掉，而后求包括新数据在内的在内的N N个数据的算术平均值或加权平均值。这样，每进行一次采个数据的算术平均值或加权平均值。这样，每进行一次采样，就可计算出一个新的平均值，从而加快了数据处理的速度。样，就可计算出一个新的平均值，从而加快了数据处理的速度。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据

55、处理3.3.滑动平均值滤波法滑动平均值滤波法滑动平均值滤波滑动平均值滤波法法滑动算术平均值滤波滑动算术平均值滤波滑动加权平均值滤波。滑动加权平均值滤波。 平均值滤波法一般适用于具有周期性干扰噪声的信号，但对平均值滤波法一般适用于具有周期性干扰噪声的信号，但对偶然出现的脉冲干扰信号滤波效果尚不理想。因而它不适用于脉偶然出现的脉冲干扰信号滤波效果尚不理想。因而它不适用于脉冲性干扰比较严重的场合。冲性干扰比较严重的场合。 对某一被测参数连续采样对某一被测参数连续采样n n次（次（n n一般取奇数），然后把一般取奇数），然后把n n次次采样值按顺序排列，取其中间值作为本次采样的有效数据。采样值按顺序排

56、列，取其中间值作为本次采样的有效数据。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理4 4中值滤波法中值滤波法 中值滤波对于去掉偶然因素引起的波动或采样器不稳定而中值滤波对于去掉偶然因素引起的波动或采样器不稳定而造成的误差所引起的脉动干扰比较有效。若参数变化比较缓造成的误差所引起的脉动干扰比较有效。若参数变化比较缓慢，则采用中值滤波效果比较好，但对快速变化的参数，如慢，则采用中值滤波效果比较好，但对快速变化的参数，如流量，则不宜采用。流量，则不宜采用。n n值一般取值一般取3 3- -5 5即可。即可。 若若把中值滤波法和平均值滤波法结合起来使用，滤波效果会把中值滤波法和平均值滤

57、波法结合起来使用，滤波效果会更好，称其为去极值平均值滤波法，也称复合滤波法。更好，称其为去极值平均值滤波法，也称复合滤波法。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理5 5. .去极值平均值滤波法去极值平均值滤波法 这种方法既可以去掉脉冲干扰，又可以对采样进行平滑加这种方法既可以去掉脉冲干扰，又可以对采样进行平滑加工，在快、慢速系统中都能削弱干扰，提高控制质量。当采工，在快、慢速系统中都能削弱干扰，提高控制质量。当采样点数为样点数为3 3时，便是中值滤波。时，便是中值滤波。若若 则 由于大的随机干扰或采样器的不稳定，使得采样数据偏离由于大的随机干扰或采样器的不稳定，使得采样数

58、据偏离实际值太远，为此，可采用上、下限限幅，即实际值太远，为此，可采用上、下限限幅，即当当y(n)yy(n)yH H时，则取时，则取y(n)=yy(n)=yH H ( (上限值上限值) )； 当当y(n)yy(n)yL L时，则取时，则取y(n)=yy(n)=yL L( (下限值下限值) )；当当y yL Ly(n)yy(n) y|y(n)-y(n-1)| y，则取，则取y(n)= y(n-1)y(n)= y(n-1)。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理限速滤波法限速滤波法的改进：的改进：设在顺序采样时刻设在顺序采样时刻T T1 1、T T2 2、T T3 3所采集的

59、数据分别为所采集的数据分别为y y1 1、y y2 2、y y3 3，则则 当当|y|y2 2y y1 1|y|y时，取时，取y2y2作为采样值；作为采样值； 当当|y|y2 2y y1 1| |yy时，保留时，保留y y2 2，继续采样得，继续采样得y y3 3； 当当|y|y3 3y y2 2|y|y时，取时，取y y3 3作为采样值；作为采样值； 当当|y|y3 3y y2 2| |yy时，则取时，则取(y(y3 3+ +y y2 2)/2)/2作为采样值。作为采样值。 改进限速滤波是一种折衷的方法，既照顾了采样的实时性，改进限速滤波是一种折衷的方法，既照顾了采样的实时性，又顾及了采样值

60、变化的连续性。又顾及了采样值变化的连续性。 第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理7 7一阶滞后滤波法一阶滞后滤波法 一阶滞后滤波法是模拟硬件一阶滞后滤波法是模拟硬件RCRC低通滤波器的数字实现。低通滤波器的数字实现。常用的常用的RCRC低通滤波器的传递函数为低通滤波器的传递函数为 算术平均值滤波法属于静态滤波，主要适用于变化比较算术平均值滤波法属于静态滤波，主要适用于变化比较快的参数，如压力、流量等。对于慢速随机变化的参数，采快的参数，如压力、流量等。对于慢速随机变化的参数，采用在短时间内连续采样求平均值的方法，滤波效果不太好。用在短时间内连续采样求平均值的方法，滤波效

61、果不太好。在这种情况下，通常采用动态滤波法，如一阶滞后滤波。在这种情况下，通常采用动态滤波法，如一阶滞后滤波。 由于大时间常数及高精度的由于大时间常数及高精度的RCRC电路不易制作，所以硬件电路不易制作，所以硬件RCRC滤波器不可能对极低频率的信号进行滤波。为此，可以模滤波器不可能对极低频率的信号进行滤波。为此，可以模仿硬件仿硬件RCRC滤波器的特性参数，用软件实现滤波器的特性参数，用软件实现。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理RCRC低通滤波器的差分形式低通滤波器的差分形式为为 T T采样周期；采样周期； T Tf f滤波器时间常数滤波器时间常数滤波平滑系数，滤波平

62、滑系数， 一一般采样周期般采样周期T T远远小于惯性时间远远小于惯性时间T Tf f，因此，因此11，表明本，表明本次有效采样值主要取决于以前的有效采样值，而本次采样值次有效采样值主要取决于以前的有效采样值，而本次采样值仅起到一些修正作用。仅起到一些修正作用。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理当采样周期当采样周期T T足够小时足够小时滤波算法的截止频率为滤波算法的截止频率为 当采样周期一定时，滤波系数当采样周期一定时，滤波系数越小，数字滤波器越小，数字滤波器的截止频率就越低。的截止频率就越低。 设计时，应根据采样周期与截止频率适当选取设计时，应根据采样周期与截止频率适

63、当选取值，值，使得滤波器的输出既无使得滤波器的输出既无明显明显波纹，又不太滞后。波纹，又不太滞后。 该算法比较简单，比起平均值滤波法要快，能很好地该算法比较简单，比起平均值滤波法要快，能很好地消除周期性干扰和较宽频率的随机干扰信号。消除周期性干扰和较宽频率的随机干扰信号。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理 一般情况下，算术平均滤波适用于周期性干扰；加一般情况下，算术平均滤波适用于周期性干扰；加权平均滤波和滑动平均滤波的实时性更好；限幅权平均滤波和滑动平均滤波的实时性更好；限幅/ /限速滤限速滤波适用于大的偶然的脉冲干扰；去极值平均滤波既可滤波适用于大的偶然的脉冲干扰；

64、去极值平均滤波既可滤去脉冲干扰又可滤去小的随机干扰；惯性滤波能很好地去脉冲干扰又可滤去小的随机干扰；惯性滤波能很好地消除周期性干扰和较宽频率的随机干扰信号。在实际应消除周期性干扰和较宽频率的随机干扰信号。在实际应用中，是否需要采用以及采用何种数字滤波，都应视具用中，是否需要采用以及采用何种数字滤波，都应视具体情况而定。体情况而定。几种数字滤波方法各有特点几种数字滤波方法各有特点 在计算机过程控制系统中，生产中的在计算机过程控制系统中，生产中的温度、压力、流量、温度、压力、流量、液位等液位等各个参数都有着不同的数值和量纲，各个参数都有着不同的数值和量纲，所有这些参数都经所有这些参数都经过变送器转

65、换成统一的电流或电压信号，又由过变送器转换成统一的电流或电压信号，又由A/DA/D转换成数字量。转换成数字量。为进一步进行显示、记录、打印以及报警等操作，必须把这些为进一步进行显示、记录、打印以及报警等操作，必须把这些数字量转换成工程单位，以便操作人员对生产过程进行监视和数字量转换成工程单位，以便操作人员对生产过程进行监视和管理，这就是所谓的管理，这就是所谓的标度变换标度变换。 标度变换有许多不同的方法，取决于被测参数测量传感器标度变换有许多不同的方法，取决于被测参数测量传感器的类型，设计时应根据实际情况选择相应的标度变换方法。的类型，设计时应根据实际情况选择相应的标度变换方法。11.3.2

66、标度变换标度变换第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理 线性参数标度变换是最常用的标度变换方法，其前提条件线性参数标度变换是最常用的标度变换方法，其前提条件是被测参数值与是被测参数值与A/DA/D转换结果为线性关系。转换结果为线性关系。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理1 1线性参数标度变换线性参数标度变换 为了使程序设计简单，一般把一次测量仪表的下限为了使程序设计简单，一般把一次测量仪表的下限Y Yminmin所对所对应的应的A/DA/D转换值置为转换值置为0 0，即，即N Nminmin=0=0，则，则 在许多测量系统中，仪表下限值在许多测量

67、系统中，仪表下限值Y Yminmin=0=0，此时，对应的，此时，对应的N Nminmin=0=0，则，则 线性标度变换公式线性标度变换公式 【例例11.111.1】某压力测量仪表的测量范围为某压力测量仪表的测量范围为4004001200Pa1200Pa，采用，采用8 8位位A/DA/D转换器，设某采样周期计算机经采样及数字滤波后的数字转换器，设某采样周期计算机经采样及数字滤波后的数字量为量为ABHABH，求此时的压力值。，求此时的压力值。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理解：解：根据题意，已知根据题意，已知Y Yminmin=400Pa=400Pa，Y Ymaxma

68、x=1200Pa=1200Pa，N Nx x=ABH=171D=ABH=171D，选选N Nmaxmax=FFH=255D=FFH=255D，N Nminmin=0=0，则，则由由公式公式答：答：此时的压力值此时的压力值为为936Pa. 一般而言，非线性参数的变化规律各不相同，故标度变换一般而言，非线性参数的变化规律各不相同，故标度变换公式亦需根据各自的具体情况建立。公式亦需根据各自的具体情况建立。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理2.2.非线性参数标度变换非线性参数标度变换 例如，在用节流装置和差压变送器测量流量时，流量与差压例如，在用节流装置和差压变送器测量流量时

69、，流量与差压之间的关系为之间的关系为被测流量的采样过程被测流量的采样过程为为 公式变换法公式变换法第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理 由于差压变送器的输出与输入之间为线性关系，由于差压变送器的输出与输入之间为线性关系，A/DA/D转换转换器亦为线性关系，因此压差与器亦为线性关系，因此压差与A/DA/D采样值之间为线性变换，即采样值之间为线性变换，即而压差与流量之间是非线性关系，而压差与流量之间是非线性关系，即即当当 均为均为0 0时，时，第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理 在许多控制系统及智能化仪器中，一些参量往往在许多控制系统及智能化仪器中

70、，一些参量往往是非线性参量，常常不便于计算和处理，而在实际测是非线性参量，常常不便于计算和处理，而在实际测量和控制系统中，都允许有一定范围的误差。因此，量和控制系统中，都允许有一定范围的误差。因此，应找出一种既方便，又能满足实际功能要求的数据处应找出一种既方便，又能满足实际功能要求的数据处理方法。在这种情况下，可以采用多项式插值法、线理方法。在这种情况下，可以采用多项式插值法、线性插值法或查表法进行标度变换。性插值法或查表法进行标度变换。 其它标度变换方法其它标度变换方法第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理 多项式插值法是用一个多项式插值法是用一个N N次多项式来代替某

71、种非线性函数关系次多项式来代替某种非线性函数关系的方法。的方法。插值原理插值原理: :假设被测参数假设被测参数y y与传感器的输出值与传感器的输出值x x具有的函数关系为具有的函数关系为y = f(x)y = f(x)，只知道在，只知道在n+1n+1个相异点处的函数值为个相异点处的函数值为: f(x: f(x0 0)=y)=y0 0，f f(x(x1 1)=y)=y1 1，f(xf(xn n)=y)=yn n。现构造一个。现构造一个n n次多项式次多项式去逼近函数去逼近函数y = f(x)y = f(x) 多项式插值法多项式插值法令令可求出可求出n n+1+1个待定系个待定系数数a a0 0，

72、a a1 1，a an n，从而构造一个可，从而构造一个可代替这种函数关系代替这种函数关系的插值多项式的插值多项式P Pn n( (x x) )。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理举例：举例：热敏电阻具有灵敏度高、价格低廉等特点，但是热敏电热敏电阻具有灵敏度高、价格低廉等特点，但是热敏电阻的阻值与温度之间的关系是阻的阻值与温度之间的关系是如表所示如表所示的非线性的非线性关系。关系。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理 现构造一个三阶多项式现构造一个三阶多项式P P3 3(x)(x)来逼近这种函数关系。取三阶来逼近这种函数关系。取三阶多项式为多项

73、式为并取并取t=10,17,27,39t=10,17,27,39这这4 4点为插值点，便可以得到点为插值点，便可以得到一般来说，增加插值点和多项式的次数能提高逼近精度。但同一般来说，增加插值点和多项式的次数能提高逼近精度。但同时会增加计算时间时会增加计算时间。对于带拐点的函数，如果用一个多项式去对于带拐点的函数，如果用一个多项式去逼近，将会产生较大的误差。逼近，将会产生较大的误差。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理 为了提高逼近精度，且不占用过多的机时，较好的方法是采为了提高逼近精度，且不占用过多的机时，较好的方法是采用分段插值法。分段插值法是将被逼近的函数根据其变化

74、情况用分段插值法。分段插值法是将被逼近的函数根据其变化情况分成几段，然后将每一段区间分别用直线或抛物线去逼近。分分成几段，然后将每一段区间分别用直线或抛物线去逼近。分段插值分段点的选取可按实际曲线的情况灵活设定，既可以采段插值分段点的选取可按实际曲线的情况灵活设定，既可以采用等距分段法，也可采用非等距分段法。用等距分段法，也可采用非等距分段法。 分段线性插值法（分段线性化法）分段线性插值法（分段线性化法） 上例上例热敏电阻温度与电阻值的插值多项式，其计算量较大，热敏电阻温度与电阻值的插值多项式，其计算量较大，程序也较复杂。为了计算简单，提高实时性，可采用分段线性程序也较复杂。为了计算简单，提高

75、实时性，可采用分段线性插值公式或称分段线性化法，即用多段折线代替曲线进行计算。插值公式或称分段线性化法，即用多段折线代替曲线进行计算。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理举例：举例：热敏电阻温度与电阻值热敏电阻温度与电阻值非线性关系非线性关系的分段线性化的分段线性化方方法法根据表中数据，选取根据表中数据，选取t =10,15,25,30,40t =10,15,25,30,40五个转折点制成热敏电五个转折点制成热敏电阻特性及分段线性化图，图中曲线为热敏电阻的负温度阻特性及分段线性化图，图中曲线为热敏电阻的负温度- -电阻特电阻特性，折线性，折线L L0 0、L L1 1、

76、L L2 2、L L3 3代替或逼近曲线。代替或逼近曲线。热敏电阻温度热敏电阻温度-电阻特性及分段线性化图电阻特性及分段线性化图 第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理 假设信号调理电路和假设信号调理电路和A/DA/D转换均为线性变换。首先根据线性转换均为线性变换。首先根据线性变换公式离线计算好分段点的坐标，如表所示。变换公式离线计算好分段点的坐标，如表所示。 将坐标将坐标N Ni i- -t ti i事先存在事先存在RAMRAM中。当获取某个采样值后，先判断中。当获取某个采样值后，先判断采样值的大小处于哪一折线段内，然后就可按相应段的线性化采样值的大小处于哪一折线段内，

77、然后就可按相应段的线性化公式计算出标度变换值。在本例中的线性化公式为公式计算出标度变换值。在本例中的线性化公式为第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理 若采用若采用m m段折线逼近传感器非线性特性曲线，则其段折线逼近传感器非线性特性曲线，则其线性化及线性化及标度变换程序流程图标度变换程序流程图为为第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理 查表法查表法就是把事先计算或测得的数据按照一定顺序编制就是把事先计算或测得的数据按照一定顺序编制成表格，查表程序的任务就是根据被测参数的值或者中间结成表格，查表程序的任务就是根据被测参数的值或者中间结果，查出最终所需要

78、的结果。它是一种非数值计算方法，利果，查出最终所需要的结果。它是一种非数值计算方法，利用这种方法可以完成数据的补偿、计算、转换等各种工作。用这种方法可以完成数据的补偿、计算、转换等各种工作。 查表法查表法 使用查表法使用查表法一般一般需要较大的存储空间需要较大的存储空间，要考虑硬件配置，要考虑硬件配置，此外还此外还要考虑查表速度。查表程序的繁简程度及查询时间的要考虑查表速度。查表程序的繁简程度及查询时间的长短，除与表格的长短有关外，很重要的因素在于表格的排长短，除与表格的长短有关外，很重要的因素在于表格的排列方法。列方法。查表方法顺序查表法计算查表法对分查表法表格排列有序表无序表第11章 直接数字控制系统概述 11.4 数字PID控制技术本章结束！本章结束！