基于PLC的液位控制系统的设计-文献综述

毕业设计论文文献综述摘要： 本文讨论信号处理的最新发展情况，包括数字信号处理和电流模式模拟信号处理的发展，信号处理所涉及到的个部分：传感器，模拟量输入通道AI，输出量输出通道 DO。其中 AI 分为信号处理器，多路开关，采样保持器（S/H）,信号放大器和 A/D 转换器和 I/O 接口电路。DO 分为 I/O 接口电路，D/A 转换器隔离级，输出级和执行级。关键词：信号处理的发展；传感器；模拟量输入通道；模拟量输出通道1、 引言“过程控制”是一门与工业生产过程联系十分密切的科目。随着科学技术的飞速发展，过程控制也在日新月异的发展。它不仅在传统工业改造中，起到了提高质量，节约原材料和能源，减少环境污染等十分重要的作用，而且正在成为新建的规模大，结构复杂的工业生产过程中不可缺少的组成部分 (1)在工业生产过程中,液位变量是一个常见而广泛的过程参数之一。液位控制装置具有非线性、滞后、耦合等特点,难以对其进行精确控制.在众多的控制算法中,模糊控制是行之有效的控制方法之一。但在模糊控制系统的设计过程中,存在大量繁琐的工作,如控制器结构的确定,隶属函数的选取、各种规则的获取,参数的调整等.本文利用 PID 模糊控制。信号处理是过程控制中的重要组成部分。本文讨论信号处理的最新发展情况，包括数字信号处理和电流模式模拟信号处理的发展，信号处理所涉及到的个部分：传感器，模拟量输入通道 AI，模拟量输出通道 DO。其中 AI 分为信号处理器，多路开关，采样保持器（ S/H）,信号放大器和 A/D 转换器和 I/O 接口电路。DO 分为 I/O 接口电路，D/A 转换器隔离级，输出级和执行级。2、 信号处理的发展2.1 DSP 数字信号处理器的发展步入 21 世纪之后,社会进入数字化的时代,而数字信号处理器(digitalsignalprocessor)正是这场数字化革命的核心从 20 世纪 60 年代数字信号处理理论的崛起,到 20 世纪 8 年代世界上第一个单片可编程 DSP 芯片产生以来,数字信号处理器的发展迅猛异常DSP 的应用范围也越来越广,从运算速度来看,MAC 时间已经从 20 世纪 80 年代初的 400n 降低到 40ns,DSP 内部关键的乘法器部件从 1980 年的占模区的 40%左右下降到 5%以下,片内 RAM 增加了一个数量级以上,从制造工艺上来看,80 年代采用 4L 的 NMOS 工艺,而现在普遍采用微米 CMOS 工艺DSP 芯片的引脚数量从 1980 年的最多 64 个增加到现在的 200 个以上,引脚数量的增加意味着结构灵活性的增加,此外随着 DSP 芯片的发展 DSP 系统的成本,体积,重量和功耗都有很大程度上的下降。数字信号处理是利用专用或通用数字信号处理芯片,通过数字计算的方法对信号进行处理 与模拟信号处理相比数字信号处理具有精确,灵活,抗干扰能力强,可靠性好和易于大规模集成等特点DSP 系统以数字信号处理为基础,与模拟信号处理系统相比,其优点:a.接口简单,方便 由于数字信号的电气特性简单,不同的 DSP 系统相互连接时,在硬件接口上容易实现b.精度高,稳定性好数字信号处理仅受量化误差和有限字长的影响,处理过程不引入其他噪声,因此有较高的信噪比另外模拟系统的性能受元器件参数性能影响较大,而数字系统基本不变,因此数字系统更便于测试,调试,及批量生产c.编程方便,容易实现复杂的算法在 DSP 系统中,DS 芯片提供了一个高速计算平台,系统功能依赖于软件编程实现当其与现代信号处理理论和计算数学相结合时,可以实现复杂的信号处理功能d.集成方便现代 DSP 芯片都是将 DSP 芯核及其外围电路综合集成在单一芯片上 这种结构便于设计便携式高集成度的数字产品 现代 DSP 芯片作为可编程超大规模集成(VLSI) 器件,通过可下载的软件或固件来实现数字信号处理功能DSP 芯片除具有普通微处理器的高速运算和控制功能外,还针对高数据传输速率,数值运算密集的实时数字信号处理,在处理器结构,指令系统,和指令流程设计上做了较大改动其结构特点有:a.DSP 芯片普遍采用改进的哈佛结构,即数据总线和程序总线相互分离,这使得处理指令和数据可以同时进行,提高了处理效率b.DSP 芯片大多采用流水线技术,即每条指令的执行划分为取指,译码,取数等若干步骤,由片内多个功能单元分别完成这相当于多条指令并行执行,从而大大提高了运行速度c.片内有多条总线可以同时进行取指和取操作数动作并且有辅助寄存器自动增减地址协助寻址d.配有独立的乘法器!加法器和特殊指令,适用于需要大量乘累加器操作的矩阵运算,滤波,FFT,Viterbi 译码和相关的专用信号处理运算e.大多数 DSP 芯片一般都带有 DMA 控制器,外部存储器 ,外部存储器扩展接口,串行通信,配合片内多总线结构可以实现大吞吐量数据传送f.DSP 芯片一般配有中断处理器,定时器,片内存储器和锁相环(PLL)等片内集成外设,可以方便的实现一个嵌入式自封闭控制的处理系统g.省电管理和低功耗适于便携式数字终端设备 发展趋势:DSP 内核结构进一步完善;DSP 和微处理器的融合;MPU 是低成本的,主要执行智能定向控制任务的通用微处理器,但其数字信号处理能力很差,DSP 功能正好与其相互补充;DSP 和高档 CPU 的融合;DSP 和 SOC(System-on-chip)的融合;DSP 和 FPGA 的融合;实时操作系统 RTOS 与 DSP 结合 (2)2.2 电流模式模拟信号处理的发展多年来，电子工程师似乎总是认为世界是由电压所支配，安培只是从属于伏特，微电子技术和 VLSI 的飞速发展，使得象运算放大器这样的压控 IC 基本积木块及其电路得到广泛地研究 和使用 ，从而加 大了人们电压主宰世界的认识，以至认为象跨导放大器这样的流控器件用处不大。然而，双级型晶体管和MOS 场效应管本质上都是控制电流输出器件.现有的 IC 基本积木块和压控技术可很方便地实现电压控制信号处理如 VCVS 和 CCVS 电路，但并不容易构成电流放大器及其有关电路实现如 VCCS 和 CCCS.人们常常要求模拟信号处理具有良好的电流信号处理能力，许多宽带电路的功能把电流而不是电压作为有谅参数，以这种方式实现的电路常常比用传统的电压模式处理具有更多的优点.新近的研究表明，由标准的电压运算放大器综合的电流模式电路比用同样的器件以电压模式综合实现的电路性能好得多，跨导运放极有希望发展成为模拟 VLSI中的模拟门阵列最基本的积木块，T-C 技术使得全集成连续时间信号处理器的单片集成化成为可能，用电流模式方法设计的 ANN 集成电路克服了电压模式ANN 集成电路的缺陷，可实现编程闭值的突触阵列，从而为神经计算机的VLSI 实现提供了新的途径。目前，集成电路的设计由于电流模式电路技术的发展和应用而获得了新的生长点，模拟 VLSI 的最新进展使得开发和实现电流模式信号处理成为可能 .电流模式技术和方法对于诸如放大器、变换器、A/D 和 D/A、采样数据和连续时间滤波器、自校正系统，编程系统、ANN(人工神经网络 )和神经计算机等许多问题提供了最有吸引力的途径，并将对微电子学与信息科学、计算机科学与 AI,控制与机器人等领域的发展产生重要的影响.在 988 年 IEEE 电路与系统国际会议上英国 B.WiIson 教授等人介绍了电流模式信号处理的一些新近进展 s，引起了人们的广泛兴趣，1988 年和 1990 年 IEEE 电路与系统国际会议上开辟了“电流模式信号处理”专门小组报告和大会前的专题学术付论会，并把其作为VLSI 和模拟信号处理的重点前沿方向，一场“电流模式信号处理 的热潮正在国际上迅速兴起。人们预计电流模式模拟信号处理与IC 设计技术的发展将会改变目前电压模式模拟信号处理统治 VLSI 的局面，形成与其共同发展、互为补充、互相兼容的新格局.发人深醒的是、二十年前就有人在此领域作过努力与尝试 o-h 由于电压模式 IC 技术的迅速发展而淹没了这些工作，也正是由于电压模式信号处理技术和 VLSI 发展到今天，给电流模式信号处理的实现提供了技术上的可能性，同时随着现有模拟 VLSI 技术的迅速发展和广泛应用，使得人们得以认识电压模式信号处理和 VLSI 技术的局限性，从而开始考虑电流模式信号处理的能力，促进了电流模式信号处理的诞生和发展.本文旨在对这一刚刚诞生的科学生长点电优模式信号处理的发展现状作一评述，讨论电流模式信号处理与集成电路设计的基本方法，展望其发展前景并指出有关前沿研究课题，以期促进我国在这一新领城的研究和发展. （3）3、 液位传感器适用于测液位的传感器有很多种，现在简要介绍几种：3.1 热敏电阻传感器热敏电阻是一种利用半导体制成的敏感元件，其特点是电阻率随温度而易变化。热敏电阻因其电阻温度系数大，灵活度高；热惯性小，反应速度快；体积小，结构简单；使用方便，寿命长，易实现远距离测量等特点得到广泛地应用。作液面位置传感器用的热敏电阻通以电流将引起自身发热，当处于两种不同介质中，电阻的散热条件不同，流过的电流也不同。通过电流表的指示可以反映液面的水平位置，如图 3-1 所示。 （4）3.2 电容式液位传感器电容式液位传感器是利用被测介质液面变化为电容变化的一种介质变化型电容式传感器。图 3-2a 是用于被测介质是非导电物质时的电容式传感器。当被测液面变化时，两电极间的介质常数将发生变化，从而导致电容的变化。图 3-2 电容式液位传感器1-内电极 2-外电极 3-绝缘层图 3-2b 适用于测量导电液体的液位。液面变化时相当于外电级的面积在改变，这是一种变面积型电容传感器 （5 ）3.3 电感式液位传感器电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感的改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为自感式和互感式两大类。图 3-4 是采用了电感式传感器的沉筒式液位计。由于液位的变化，沉筒所受浮力也将产生变化，这一变化转变的位移，从而改变了差动变压器的输出电压，这个输出值反映了液位的变化值。 （6）4、 过程通道过程通道是在微机和生产过程之间设置的信息传递和转换的连接通道，它包括数字量输入通道，模拟量输入通道，数字量输出通道，模拟量输出通道。生产过程的各种参数通过数字量输入通道或模拟量输入通道送入微机，微机经过计算机和处理后所得结果通过数字量输出通道或模拟量输出通道送到生产过程，从而实现生产过程的控制。液位控制的过程通道是由模拟量输入通道和模拟量输出通道组成。4.1 模拟量输入通道1. AI 通道的一般结构模拟量输入通道因检测系统本身的特点、实际应用的要求等因素的不同，可以有不同的形式。比如，对于高速系统，特别是需要同时得到系数众多数据的系统，可系统，可采用图 4-1 所示结构。其特点是速度快，工作可靠。即使某一通路有故障，也会影响其他通路正常工作。但通道越多，成本越高，而且会使系统体积大，也给系统较准带来困难。如对几百路信号巡检采集数据，采用这种结构很难实现。因此，通常采用的结构是多路通道共享采样/保持和模数转换电路。图 4-2 所示为多路模拟输入通道的一般结构。由图可见，多路 AI 由信号处理、多路开关、放大器、采样保持器和模数转换组成。信号处理器的功能是对来现场的多路模拟信号滤波、隔离、电平转换、非线性补偿、电流电压转换等。多路开关将多路信号按一定顺序要求切换到放大器的输入端。放大器是将传感器输出的弱信号放大到 A/D 转换器所需电平。采样保持器的作用，一是保证 A/D 转换过程中被转换的模拟量保持不变，以提高转换精度；二是可将多个相关的检测点在同一时刻的状态量保持下来，以供分时转换和处理，确保每个检测量在时间上的一致性。若模拟输入电压信号变化缓慢，A/D 转换精度能够满足要求，则 S/H 可省不用。A/D 将模拟信号转换成数字信号，以使计算机能够接收。2. AI 通道中的信号变换1）信号的采样信号的采样过程如图 4-3 所示。执行采样动作的是采样器 S,S 每隔一个时间间隔 T 闭合一个时间 r。T 称为采样周期，r 称为宽度。时间和幅值上均连续的模拟信号 Y(t)通过采样器后，被变换为时间上离散的采样信号 Y*(t)。模拟信号到采样信号的变换过程称为采样过程或离散过程。采样信号 Y*(t)是否能如实的反映模拟信号 Y(t)的所有变化与特征呢？香农采样定理指出：如果模拟信号（包括噪声干扰在内）频谱的最高频率为 ,maxF只要按照采样频率 进行采样，那么采样信号 Y*(t)就能唯一地复现max2FfY(t)。采样定理给出了 Y*(t)唯一地复现 Y(t)所需的最底采样频率。实现应用中，常取 。ax)105(f2）量化采样信号在时间轴上是离散的，但在函数轴上仍然是连续的，因为连续信号 Y(t) 幅值上的变化，也反映在采样信号 Y*(t)上。所以，采样信号仍然不能进入微机。微机只能接受在时间上的离散，幅值上变化也不是连续的数字信号。将采样信号转换为数字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 范围内变化的采样信号，变换maxFin为数字 ，其最低有效位所对应的模拟量 q 称为量化单位。012n)12/(minaxYq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，存在 的量化误差。例如， q=20mV，量化误差为 ，q2/1 mV101.0090.99V 范围内的采样值，其量化结果是相同的，都是数字 50。在 A/D 转换器的字长 n 足够长，量化误差足够小，可以认为数字信号近似于采样信号，在这种条件下，数字信号系统可沿用采样系统的理论和方法进行分析、设计。 （7）3. A/D 转换器A/D 转换器的种类很多，按工作原理可分为比较式和积分式两大类。比较式 A/D 转换器的工作原理实质上是将被转换的模拟量与转换器产生的基准电压进行比较，从而将模拟量转换成数字量。由于是准电压的产生及比较方法不同，比较式 A/D 转换器中又分为若干种。其中斜坡比较式属于开环比较式，结构简单，转换的是被测量的瞬间值，但抗干扰能力差，准确度低。逐次逼近式属于闭环比较式，速度快，准确度高，应用广泛。积分式 A/D 转换通过对被测量进行积分，将被测量转化成中间量（时间或频率） ，然后再将中间量转换成数字量。积分式 A/D 转换测量的平均值，它的抗干扰能力强，准确度高，但速度较慢。积分式 A/D 转换器可分电压-时间（V-T）转换式和电压-频率（V-F）转换式，每一种根据转换的特点又分为若干类。（8）4.2 模拟量输出通道1. AO 通道的一般结构模拟量输出通道有以下两种基本结构形式。1）多通道独立 D/A 转换形式这种形式的结构如图 4-4 所示。由于目前 D/A 转换器芯片内部一般带来数据锁存器，所以这种连接方式的不需要采样保持器。一旦数据送入 D/A 转换器只要没有新的数据输入，它就保持原来的输出值。这种结构的组成包括：I/O 接口：接受来自 CPU 的数据、地址及控制信号，并向 CPU 送应答信号，具体器件如 8155。D/A 转换器：其作用是数字量转换成相应的模拟量，下面会讲到。隔离级：将计算机与被控对象隔离开来，以防止来自现场的干扰。图 4-中所示为模拟侧隔离，另外可将隔离移到 D/A 转换器之前，构成数字式隔离。输出级：由运算放大器，V/I 转换器等组成，以提供不同形式的输出信号。执行器：其作用是接受微机通过 AO 发来的控制信号，并转换成执行机构的动作，使生产过程按照预先规定的要求正常进行。她包括电动、气动和液压执行器械。多通道独立 D/A 转换器结构的优点是转换速度快，工作可靠、精度高且各个通道互相独立而互不影响。缺点是使用较多 D/A 转换器，投资较高。工业控制中多采用此种形式。2）多通道共享 D/A 转换形式这种形式由于 D/A 转换器是共用的，所以每一个模拟量输出通道都需要一个采样保持器 S/H, 如图 4-5 所示.图中的采样保持器的作用是将 D/A 转换器输出的离散模拟量转换成执行器件能接受的连接信号，即把上一时输出的采样值保持到下一次输出。这种结构的优点是节省 D/A 转换器。由于公用一个 D/A，在 CPU 控制下分时工作，D/A 转换器依次把数字量转换成模拟电压