北京科技大学计算机过程控制

1、2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系1计算机过程控制计算机过程控制2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系2参考书目：参考书目：（1）李元春）李元春. 计算机控制系统计算机控制系统. 北京：高等教育出北京：高等教育出版社，版社，2005（2）王锦标）王锦标. 计算机控制系统计算机控制系统. 北京：清华大学出北京：清华大学出版社，版社，2004（3）孙德宝，王永骥，王金城）孙德宝，王永骥，王金城. 自动控制原理自动控制原理. 北北京：化学工业出版社，京：化学工业出版社，2002（4）戴忠达）戴忠达. 自动控制理论基础自动控制理论基础. 北京：清华大学北京：

2、清华大学出版社，出版社，19912021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系3第一章第一章 绪论；绪论；课程内容：课程内容：第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础；计算机控制系统的硬件基础；第三章第三章 计算机控制系统的数学模型；计算机控制系统的数学模型；第四章第四章 计算机控制系统的特性分析；计算机控制系统的特性分析；第五章第五章 数字控制器的间接设计方法；数字控制器的间接设计方法；第六章第六章 计算机控制系统设计步骤；计算机控制系统设计步骤；第七章第七章 嵌入式系统与网络控制。嵌入式系统与网络控制。2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系4第一章第一章 绪论

3、绪论1.计算机控制系统的一般概念计算机控制系统的一般概念 1.1 计算机控制系统概述计算机控制系统概述 计算机控制系统也称为数字控制系统，又称采样控制系统，计算机控制系统也称为数字控制系统，又称采样控制系统，是以计算机作为控制器的自动控制系统。是以计算机作为控制器的自动控制系统。控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象被控参数被控参数给定值给定值反反馈馈值值检测装置检测装置图图1.1 连续控制系统的典型结构连续控制系统的典型结构2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系5 计算机控制系统的控制过程通常可以归结为以下两个步计算机控制系统的控制过程通常可以归结为以下两个步骤：骤：

4、（1）实时数据采集及处理，即对被控对象的被控参数进）实时数据采集及处理，即对被控对象的被控参数进行实时检测，并输入计算机进行处理；行实时检测，并输入计算机进行处理； （2）实时控制，即按照已经设计好的控制规律计算出控实时控制，即按照已经设计好的控制规律计算出控制量，并实时地向执行器发出控制信号，以便对生产过程进制量，并实时地向执行器发出控制信号，以便对生产过程进行控制。行控制。计算机计算机D/A转换器转换器被控对象被控对象被控参数被控参数给定值给定值反反馈馈值值检测装置检测装置图1.2 计算机控制系统基本框图执行器执行器A/D转换器转换器2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程

5、系62.计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 计算机控制系统由计算机系统、检测装置、执行机构和被计算机控制系统由计算机系统、检测装置、执行机构和被控对象组成，如下图所示。控对象组成，如下图所示。外部设备外部设备操作台操作台计计算算机机输入通道输入通道输出通道输出通道检测装置检测装置执行机构执行机构被被控控对对象象图1.3 计算机控制系统的组成 计算机系统一般由硬件和软件两大部分组成。计算机系统一般由硬件和软件两大部分组成。（1）硬件）硬件 硬件包括计算机、过程输入硬件包括计算机、过程输入/输出通道、外部设备和操作台输出通道、外部设备和操作台等。等。2021-10-31北京科技大学自动化学院

6、控制科学与工程系7计算机计算机 计算机是计算机控制系统的核心，通过人机接口可以对被计算机是计算机控制系统的核心，通过人机接口可以对被控对象的被控参数进行实时检测及处理，并向系统发出各种控控对象的被控参数进行实时检测及处理，并向系统发出各种控制指令。其具体功能包括完成程序存储和执行、数值计算、逻制指令。其具体功能包括完成程序存储和执行、数值计算、逻辑判断、数据处理等。辑判断、数据处理等。过程输入过程输入/输出通道输出通道 过程输入过程输入/ 输出通道是指在计算机和检测装置（或执行机输出通道是指在计算机和检测装置（或执行机构）之间设置的信息传送和转换的连接通道。过程输入通道把构）之间设置的信息传送

7、和转换的连接通道。过程输入通道把被控对象（或生产过程）的被控参数转换成计算机可以处理的被控对象（或生产过程）的被控参数转换成计算机可以处理的数字代码。过程输出通道把计算机输出的控制命令和数据转换数字代码。过程输出通道把计算机输出的控制命令和数据转换成执行机构可以接受的控制信号。成执行机构可以接受的控制信号。 过程输入过程输入/输出通道一般分为：模拟量输入通道、模拟量输输出通道一般分为：模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道、开关量输出通道。出通道、开关量输入通道、开关量输出通道。2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系8外部设备外部设备 实现计算机和外界交换信息的设备

8、称为外部设备（简称外实现计算机和外界交换信息的设备称为外部设备（简称外设）。外部设备主要包括输入设）。外部设备主要包括输入/输出设备和外部存储设备等。输出设备和外部存储设备等。操作台操作台 操作台是操作人员与计算机控制系统进行操作台是操作人员与计算机控制系统进行“对话对话”的设备，的设备，主要包括如下几部分：主要包括如下几部分： （a）显示装置，如）显示装置，如LED或或LCD等，主要用来显示操作人员等，主要用来显示操作人员要求显示的内容或报警信号。要求显示的内容或报警信号。 （b）一组或几组功能键，通过功能键，可向主机申请中断）一组或几组功能键，通过功能键，可向主机申请中断服务。功能键包括复

9、位键、启动键、打印键、显示键等。服务。功能键包括复位键、启动键、打印键、显示键等。 （c）一组或几组数字键，用来输入某些数据或修改控制系）一组或几组数字键，用来输入某些数据或修改控制系统的某些参数。统的某些参数。2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系93.计算机控制系统的特点计算机控制系统的特点 计算机控制系统与连续控制系统相比，具有以下特点：计算机控制系统与连续控制系统相比，具有以下特点： 在连续控制系统中，各处的信号是模拟信号。而在计算在连续控制系统中，各处的信号是模拟信号。而在计算机控制系统中，除仍有模拟信号外，还有采样信号、数字信号机控制系统中，除仍有模拟信号外，还

10、有采样信号、数字信号等多种信号；等多种信号； 在连续控制系统中，控制规律是由模拟电路实现的，控在连续控制系统中，控制规律是由模拟电路实现的，控制规律越复杂，所需要的模拟电路往往越多。如果要修改控制制规律越复杂，所需要的模拟电路往往越多。如果要修改控制规律，一般要改变原有的电路结构。而在计算机控制系统中，规律，一般要改变原有的电路结构。而在计算机控制系统中，控制规律是由计算机通过程序实现的。修改一个控制规律，只控制规律是由计算机通过程序实现的。修改一个控制规律，只需修改相应的程序，一般不对硬件电路进行改动；需修改相应的程序，一般不对硬件电路进行改动；（2）软件）软件 软件是指计算机控制系统中完成

11、各种控制功能的程序集合，软件是指计算机控制系统中完成各种控制功能的程序集合，它由系统软件、应用软件和专用软件组成。它由系统软件、应用软件和专用软件组成。2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系10 在连续控制系统中，一般是一个控制器控制一个回路。在连续控制系统中，一般是一个控制器控制一个回路。而在计算机控制系统中，一个数字控制器经常可以采用分时控而在计算机控制系统中，一个数字控制器经常可以采用分时控制的方式同时控制多个回路；制的方式同时控制多个回路； 采用计算机控制系统（如分级计算机控制系统、计算机采用计算机控制系统（如分级计算机控制系统、计算机网络控制系统等）便于实现控制与

12、管理的一体化，从而使工业网络控制系统等）便于实现控制与管理的一体化，从而使工业企业的自动化程度进一步提高。企业的自动化程度进一步提高。 在连续控制系统中，给定值与反馈值的比较是连续进行在连续控制系统中，给定值与反馈值的比较是连续进行的，控制器对产生的偏差也是连续调节的。计算机控制系统并的，控制器对产生的偏差也是连续调节的。计算机控制系统并不是连续控制的，而是离散控制的；不是连续控制的，而是离散控制的； 计算机控制系统具有丰富的指令系统和很强的逻辑判断计算机控制系统具有丰富的指令系统和很强的逻辑判断功能，能够实现模拟电路不能实现的复杂控制规律；功能，能够实现模拟电路不能实现的复杂控制规律；202

13、1-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系11 1.2 计算机控制系统的类型计算机控制系统的类型1.数据采集与处理系统数据采集与处理系统 它是计算机控制系统中出现最早的类型，系统的结构框图它是计算机控制系统中出现最早的类型，系统的结构框图如图如图1.4所示。所示。报警报警打印打印显示显示微微型型计计算算机机模拟量输入通道模拟量输入通道生生产产过过程程图1.4 数据采集与处理系统原理框图开关量输入通道开关量输入通道 这种系统能够帮助操作人员及时了解生产过程的状况，提这种系统能够帮助操作人员及时了解生产过程的状况，提供系统的运行资料，但它不直接控制生产过程。供系统的运行资料，但它不直接控

14、制生产过程。 随着微型计算机控制技术的发展，数据采集与处理系统已随着微型计算机控制技术的发展，数据采集与处理系统已很少单独存在，它已成为计算机控制系统的一个组成部分。很少单独存在，它已成为计算机控制系统的一个组成部分。2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系122.操作指导控制系统操作指导控制系统 所谓操作指导控制是指计算机的输出不直接用来控制生产所谓操作指导控制是指计算机的输出不直接用来控制生产过程，而只是对系统过程参数进行收集，按预定的算法计算出过程，而只是对系统过程参数进行收集，按预定的算法计算出被控参数的最佳被控参数的最佳设定值设定值，通过显示或打印输出数据，操作人员

15、，通过显示或打印输出数据，操作人员根据这些数据进行必要操作的控制方式。根据这些数据进行必要操作的控制方式。报警报警打印打印显示显示微微型型计计算算机机输入通道输入通道设定值设定值模拟模拟调节器调节器生生产产过过程程图1.5 操作指导控制系统原理框图2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系13优点：优点：结构简单、控制灵活、安全性高。结构简单、控制灵活、安全性高。缺点：缺点： 需要手工操作，速度受到限制，故不适合于快速过程的控需要手工操作，速度受到限制，故不适合于快速过程的控制和多回路的控制。制和多回路的控制。适用场合：适用场合： 这种系统主要用于计算机控制系统研制开发的初级阶

16、段，这种系统主要用于计算机控制系统研制开发的初级阶段，如试验新的数学模型和调试新的程序等。此外，对于化工、热如试验新的数学模型和调试新的程序等。此外，对于化工、热工等变化缓慢的过程，通常一天或几个小时才需要计算一次设工等变化缓慢的过程，通常一天或几个小时才需要计算一次设定值，操作指导控制系统也比较适用。定值，操作指导控制系统也比较适用。2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系143.直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDC系统）系统） 直接数字控制（直接数字控制（Direct Digital Control, DDC）系统根据检）系统根据检测装置测得的输入数据，按照预先确定

17、的控制规律进行计算，测装置测得的输入数据，按照预先确定的控制规律进行计算，得到并输出控制量，并通过执行机构直接控制生产过程，使被得到并输出控制量，并通过执行机构直接控制生产过程，使被控参数保持在设定值。控参数保持在设定值。报警报警打印打印显示显示微微型型计计算算机机输入通道输入通道生生产产过过程程图1.6 DDC控制系统原理框图输出通道输出通道检测装置检测装置执行机构执行机构2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系15特点：特点： （1）广泛应用于工业生产过程和家用电器行业；）广泛应用于工业生产过程和家用电器行业； （2）能取代模拟调节器，实现多回路调节；）能取代模拟调节器，

18、实现多回路调节； （3）只通过改变程序就能有效地实现较复杂的控制，如）只通过改变程序就能有效地实现较复杂的控制，如前馈控制、非线性控制、自适应控制、最优控制和智能控制等。前馈控制、非线性控制、自适应控制、最优控制和智能控制等。4.监督计算机控制系统（监督计算机控制系统（SCC系统）系统） 监督计算机控制（监督计算机控制（Supervisory Computer Control, SCC）是指计算机根据生产过程的数学模型计算出被控参数的最佳给是指计算机根据生产过程的数学模型计算出被控参数的最佳给定值，并自动传给模拟调节器或定值，并自动传给模拟调节器或DDC计算机，从而使生产过程计算机，从而使生产

19、过程在最优状态下运行的控制方式。在最优状态下运行的控制方式。 监督计算机控制系统的结构框图如图监督计算机控制系统的结构框图如图1.7所示。所示。2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系16键盘键盘 显示显示 打印打印SCC计算机计算机DDC计算机计算机输入通道输入通道输出通道输出通道工业生产过程工业生产过程(b) SCC加DDC的控制系统键盘键盘 显示显示 打印打印SCC计算机计算机输出通道输出通道输入通道输入通道模拟调节器模拟调节器工业生产过程工业生产过程(a) SCC加模拟调节器的控制系统图1.7 监督计算机控制系统结构图特点：特点： 可大大提高系统的可靠性。在可大大提高

20、系统的可靠性。在(a)图中，当图中，当 SCC计算机出现计算机出现故障时，可由模拟调节器独立完成操作；在故障时，可由模拟调节器独立完成操作；在(b)图中，当图中，当SCC级级计算机出现故障时，可由计算机出现故障时，可由DDC级计算机单独进行控制。级计算机单独进行控制。5.分级计算机控制系统（集散控制系统分级计算机控制系统（集散控制系统DCS） 分级计算机控制系统（分级计算机控制系统（Distributed Control System, DCS）是随着当代工业生产的高度自动化和过程控制的日益复杂化而是随着当代工业生产的高度自动化和过程控制的日益复杂化而发展起来的，它是融合自动化技术、计算机技术

21、和通讯技术为发展起来的，它是融合自动化技术、计算机技术和通讯技术为一体的高科技控制系统。一体的高科技控制系统。企业企业经营管理级计算机经营管理级计算机工厂集中控工厂集中控制级计算机制级计算机车间监督级计算机车间监督级计算机车间监督级计算机车间监督级计算机装置控制装置控制级计算机级计算机装置控制装置控制级计算机级计算机装置控制装置控制级计算机级计算机装置控制装置控制级计算机级计算机工业对象工业对象A工业对象工业对象B工业对象工业对象C工业对象工业对象D至其它工厂至其它工厂至其它工厂至其它工厂图1.8 分级计算机控制系统2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系18 （1）装置控制

22、级装置控制级DDC （现场控制级现场控制级FCS）：对某个生）：对某个生产过程或被控对象直接进行控制。产过程或被控对象直接进行控制。 各级计算机的任务如下所述。各级计算机的任务如下所述。 （2）车间监督级车间监督级SCC（过程控制级过程控制级PCS）：根据厂级下）：根据厂级下达的命令和从装置控制级获得的数据计算最优设定值；同时达的命令和从装置控制级获得的数据计算最优设定值；同时还担负着车间内各个工段的协调控制任务。还担负着车间内各个工段的协调控制任务。 （3）工厂集中控制级）工厂集中控制级（制造执行系统制造执行系统MES ，过程管理，过程管理级）：根据上级下达的任务和本厂情况，制定生产计划，安

23、级）：根据上级下达的任务和本厂情况，制定生产计划，安排本厂工作并及时将排本厂工作并及时将SCC级和级和DDC级的情况向上级反映。级的情况向上级反映。 （4）企业经营管理级）企业经营管理级（企业资源配置企业资源配置ERP，经营管理，经营管理级）：制定本企业长期发展规划、生产级）：制定本企业长期发展规划、生产计划、销售计划，发计划、销售计划，发命令至各工厂，并接收各工厂发回来的数据，实行整个企业命令至各工厂，并接收各工厂发回来的数据，实行整个企业的调度。的调度。特点：特点：既能进行集中管理，又能实现分散控制，即将控制任既能进行集中管理，又能实现分散控制，即将控制任务用多台计算机分别加以执行。务用多

24、台计算机分别加以执行。2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系19 1.3 计算机控制系统的发展过程和趋势计算机控制系统的发展过程和趋势1.计算机控制系统的发展过程计算机控制系统的发展过程 计算机控制系统的发展过程大致分为三个阶段：计算机控制系统的发展过程大致分为三个阶段： （1）试验阶段（）试验阶段（1965年以前）年以前） 1952年首先在化工生产中采用计算机进行自动检测和数据年首先在化工生产中采用计算机进行自动检测和数据处理；处理； 1954年开始用计算机组成开环控制系统；年开始用计算机组成开环控制系统； 1957年在石油工业中实现了蒸馏过程的计算机闭环控制；年在石油工

25、业中实现了蒸馏过程的计算机闭环控制； 1960年实现了计算机监督控制；年实现了计算机监督控制； 1962年建成了第一个工业直接数字控制系统。年建成了第一个工业直接数字控制系统。2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系20 主要采用集中式计算机控制系统。主要采用集中式计算机控制系统。 （3）大量应用和推广阶段（）大量应用和推广阶段（1970年至今）年至今） 我国计算机控制技术的起步大约在我国计算机控制技术的起步大约在1965年开始，国家在兰年开始，国家在兰州化肥厂、北京京津唐电力系统、上海南市发电厂等处开展应州化肥厂、北京京津唐电力系统、上海南市发电厂等处开展应用试点。用试点。

26、 （2）实际应用和逐步普及阶段（）实际应用和逐步普及阶段（19651969年）年） 目前，计算机控制系统已广泛应用于各行各业，尤其在工目前，计算机控制系统已广泛应用于各行各业，尤其在工业领域和家电行业的应用最为突出。业领域和家电行业的应用最为突出。2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系212.计算机控制系统的发展趋势计算机控制系统的发展趋势（1）可编程序逻辑控制器）可编程序逻辑控制器 可编程序逻辑控制器（可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller, PLC）具有可靠性高、编程灵活简单、易于扩展和价格低廉等）具有可靠性高、编程灵活简单、易于

27、扩展和价格低廉等优点。优点。 近年来，随着智能近年来，随着智能I/O模块的开发，使得模块的开发，使得PLC除了具有逻除了具有逻辑运算、逻辑判断等功能外，还具有数据处理、故障自诊断、辑运算、逻辑判断等功能外，还具有数据处理、故障自诊断、PID运算及联网等功能，从而进一步扩大了运算及联网等功能，从而进一步扩大了PLC的应用范围。的应用范围。（2）集散控制系统）集散控制系统 由于集散控制系统同时具有分散控制和集中管理两方面的由于集散控制系统同时具有分散控制和集中管理两方面的特征，故在当前过程控制领域，集散控制系统已成为主流应用特征，故在当前过程控制领域，集散控制系统已成为主流应用产品。产品。2021

28、-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系22（3）计算机集成制造系统）计算机集成制造系统 计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufactur-ing System, CIMS）是在自动化技术、信息技术及制造技术的）是在自动化技术、信息技术及制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将制造业工厂全部环节（包括基础上，通过计算机及其软件，将制造业工厂全部环节（包括产品设计、生产规划、生产设备、生产过程等）中所需使用的产品设计、生产规划、生产设备、生产过程等）中所需使用的各种分散自动化系统有机地集成起来，从而实现多品种、中小各种分散自动化系统有

29、机地集成起来，从而实现多品种、中小批量生产、总体高效率、高柔性的智能制造系统。批量生产、总体高效率、高柔性的智能制造系统。（4）嵌入式系统）嵌入式系统 嵌入式系统（嵌入式系统（Embedded System）是计算机技术、通信技）是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像数据传输技术、传感术、半导体技术、微电子技术、语音图像数据传输技术、传感器技术和器技术和Internet技术与具体应用对象相结合的产物。嵌入式技术与具体应用对象相结合的产物。嵌入式系统的本质是将一个微型计算机系统嵌入到一个具体应用对象系统的本质是将一个微型计算机系统嵌入到一个具体应用对象中去。中去。（5）网络控制

30、系统）网络控制系统 网络控制（网络控制（Internet Based Control）系统是一种新兴的以网）系统是一种新兴的以网络为媒介对被控对象实施远程控制和操作的计算机控制系统。络为媒介对被控对象实施远程控制和操作的计算机控制系统。2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系23第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 2.1 开关量输入开关量输入1.信号转换处理信号转换处理 从工业现场获取的开关量或数字量，在逻辑上表现为逻从工业现场获取的开关量或数字量，在逻辑上表现为逻辑辑1或逻辑或逻辑0，信号形式则可能是电压信号、电流信号或是开，信号形式则可能是电压

31、信号、电流信号或是开关的通断，其幅值范围也往往不符合数字电路的电平范围要关的通断，其幅值范围也往往不符合数字电路的电平范围要求，因此必须进行转换处理。求，因此必须进行转换处理。11R2R输入输出图2.1 电压或电流开关量输入的转换电路12021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系241RS+5V输出图2.2 开关触点信号输入电路 2.安全保护措施安全保护措施 在设计一个计算机控制系统时，必须针对可能出现的故障在设计一个计算机控制系统时，必须针对可能出现的故障情况（如电压极性接反、输入过电压等）预先采取安全保护措情况（如电压极性接反、输入过电压等）预先采取安全保护措施。施。2021

32、-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系25输入输出(b)采用稳压二极管抑制过电压稳压二极管ZDR输入输出D(a)采用二极管进行反极性保护图2.3 输入保护电路2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系263.消除机械抖动影响消除机械抖动影响 操作按钮、继电器触点、行程开关等机械装置在接通或断操作按钮、继电器触点、行程开关等机械装置在接通或断开时均要产生机械抖动，体现在计算机的输入上就是输入信号开时均要产生机械抖动，体现在计算机的输入上就是输入信号在逻辑在逻辑0和和1之间多次振荡，如不适当处理就会导致计算机的错之间多次振荡，如不适当处理就会导致计算机的错误控制。下图为

33、消除开关抖动的电路。误控制。下图为消除开关抖动的电路。&S1R2R5V图2.4 RS触发器消除开关抖动的电路YY2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系274.滤波处理滤波处理 由于长线传输、电路内部干扰影响，使得输入信号带有噪由于长线传输、电路内部干扰影响，使得输入信号带有噪声，这有可能导致误读信号而出错。下图为低通声，这有可能导致误读信号而出错。下图为低通RC滤波电路，滤波电路，它同时具有消除开关抖动的功能。它同时具有消除开关抖动的功能。&S1R2R3RCCCV图2.5 RC滤波电路Y2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系285.隔离处

34、理隔离处理 从工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往往高于计从工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往往高于计算机系统的逻辑电平，即使输入开关量电压本身不高，也有可算机系统的逻辑电平，即使输入开关量电压本身不高，也有可能从现场引入意外的高压信号，因此必须采取电隔离措施，以能从现场引入意外的高压信号，因此必须采取电隔离措施，以保障计算机系统的安全。下图所示电路除了实现电气隔离功能保障计算机系统的安全。下图所示电路除了实现电气隔离功能之外，还具有电平转换功能。之外，还具有电平转换功能。图2.6 开关量光电耦合输入电路至计算机输入接口开关量输入信号1RCCV5V2R2021-10-31北京科技大学

35、自动化学院控制科学与工程系29 在计算机控制系统中，开关量输出信号用于控制各种现场在计算机控制系统中，开关量输出信号用于控制各种现场设备，因此要考虑隔离保护、电平转换及功率放大等问题。设备，因此要考虑隔离保护、电平转换及功率放大等问题。 2.2 开关量输出开关量输出1.隔离处理隔离处理 当计算机控制系统的开关量输出用于控制较大功率的设备当计算机控制系统的开关量输出用于控制较大功率的设备时，为防止现场设备的强电磁干扰或高电压通过输出通道进入时，为防止现场设备的强电磁干扰或高电压通过输出通道进入计算机系统，一般需要采取光电隔离措施隔离现场设备和计算计算机系统，一般需要采取光电隔离措施隔离现场设备和

36、计算机系统。机系统。2.电平转换和功率放大电平转换和功率放大 计算机通过并行接口电路输出的开关量，往往是低压直流计算机通过并行接口电路输出的开关量，往往是低压直流信号。一般来说，这种信号无论是电压等级、还是输出功率，信号。一般来说，这种信号无论是电压等级、还是输出功率，均无法满足执行机构的要求，所以应该进行电平转换和功率放均无法满足执行机构的要求，所以应该进行电平转换和功率放大，再送往执行机构。大，再送往执行机构。2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系30OC门CCV2R图2.7 光电隔离的OC门输出1R光电耦合器件开关量输出至执行机构（1）低压小功率开关量输出）低压小功率

37、开关量输出 对于低压小功率开关量，可通过使用晶体管、对于低压小功率开关量，可通过使用晶体管、OC（Open Collector）门或运算放大器等放大器件的方式输出。图）门或运算放大器等放大器件的方式输出。图2.7所示所示电路一般仅能提供几十毫安的输出驱动电流，可以驱动低压电电路一般仅能提供几十毫安的输出驱动电流，可以驱动低压电磁阀、指示灯等。磁阀、指示灯等。2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系31（2）继电器输出）继电器输出 继电器经常被用于计算机控制系统中开关量输出功率的放继电器经常被用于计算机控制系统中开关量输出功率的放大，即利用继电器作为计算机输出的执行机构，通过继

38、电器的大，即利用继电器作为计算机输出的执行机构，通过继电器的触点控制较大功率设备或控制接触器的通断，以驱动更大功率触点控制较大功率设备或控制接触器的通断，以驱动更大功率的负载，从而完成从低压到高压、从小功率到大功率的转换。的负载，从而完成从低压到高压、从小功率到大功率的转换。DCCV图2.8 带光电隔离的继电器输出KR光电耦合器件开关量输出（3）晶闸管输出）晶闸管输出（4）功率场效应管输出）功率场效应管输出2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系32 生产过程中，随时间连续变化的物理量称为模拟量，如温生产过程中，随时间连续变化的物理量称为模拟量，如温度、压力、流量、液位、湿度

39、等。它们由传感器检测并转换为度、压力、流量、液位、湿度等。它们由传感器检测并转换为连续的电信号，然后通过模拟量输入通道输入，最后经连续的电信号，然后通过模拟量输入通道输入，最后经A/D转转换器转化为数字量，才能送给计算机进行处理。换器转化为数字量，才能送给计算机进行处理。 2.3 模拟量输入模拟量输入 由传感器或检测仪表输入的模拟信号，可能是电压信号，由传感器或检测仪表输入的模拟信号，可能是电压信号，也可能是电流信号，幅值范围往往和也可能是电流信号，幅值范围往往和A/D转换器的量程不匹配，转换器的量程不匹配，而且一般含有噪声信号，因此需要进行隔离保护、滤波、放大而且一般含有噪声信号，因此需要进

40、行隔离保护、滤波、放大处理。处理。1.模拟量输入的隔离保护模拟量输入的隔离保护（1）光电隔离保护）光电隔离保护（2）共模电压的隔离保护）共模电压的隔离保护2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系332.模拟量输入的滤波模拟量输入的滤波 工业现场的环境往往非常恶劣，致使由传感器得到的模工业现场的环境往往非常恶劣，致使由传感器得到的模拟输入信号中经常会混有噪声，用长线传输时尤为突出，严拟输入信号中经常会混有噪声，用长线传输时尤为突出，严重时噪声信号可能淹没真实信号，如不加处理，就会导致系重时噪声信号可能淹没真实信号，如不加处理，就会导致系统控制失败。因此，必须进行模拟输入信号滤波

41、处理以抑制统控制失败。因此，必须进行模拟输入信号滤波处理以抑制噪声、提高信噪比。噪声、提高信噪比。 滤波模拟输入信号上的噪声既可以采用硬件滤波，也可滤波模拟输入信号上的噪声既可以采用硬件滤波，也可以采用数字滤波（也称软件滤波，具体参见以采用数字滤波（也称软件滤波，具体参见 2.6） 。 硬件滤波是指在模拟输入信号进入硬件滤波是指在模拟输入信号进入A/D转换器前，用硬转换器前，用硬件电路进行滤波。通过合理的滤波电路的设计，可以滤除模件电路进行滤波。通过合理的滤波电路的设计，可以滤除模拟输入信号中特定频段的噪声信号。拟输入信号中特定频段的噪声信号。 按是否采用有源器件（即放大器），滤波器可以分为按

42、是否采用有源器件（即放大器），滤波器可以分为有有源源滤波器和滤波器和无源无源滤波器两大类；按滤波的频段，又可以分为滤波器两大类；按滤波的频段，又可以分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系343.模拟量输入的放大模拟量输入的放大 传感器输出的信号通常都是微弱信号，一般需要放大后传感器输出的信号通常都是微弱信号，一般需要放大后才能进行才能进行A/D转换，信号放大是控制系统中不可缺少的环节。转换，信号放大是控制系统中不可缺少的环节。（1）测量放大器）测量放大器 传感器的输出信号一般

43、较弱，且其中含有各种共模干扰传感器的输出信号一般较弱，且其中含有各种共模干扰成分，这就要求对其放大的电路应当具有高的共模抑制比、成分，这就要求对其放大的电路应当具有高的共模抑制比、高输入阻抗以及大的放大倍数，习惯上这种放大器称为测量高输入阻抗以及大的放大倍数，习惯上这种放大器称为测量放大器或仪表放大器。放大器或仪表放大器。（2）程控增益放大器）程控增益放大器 为了减少为了减少A/D转换的误差，应使模拟输入信号的幅值范转换的误差，应使模拟输入信号的幅值范围尽可能接近围尽可能接近A/D转换器的量程。如果采用固定增益的放大转换器的量程。如果采用固定增益的放大电路，当输入信号幅值波动范围较大时，无法在

44、输入信号的电路，当输入信号幅值波动范围较大时，无法在输入信号的整个变化范围内实现减少整个变化范围内实现减少A/D转换误差的目的。转换误差的目的。2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系354.采样保持器采样保持器 在进行在进行A/D转换时，如果模拟信号的频率较高，就会由转换时，如果模拟信号的频率较高，就会由于于A/D转换器的转换时间而造成较大的转换误差，克服的方转换器的转换时间而造成较大的转换误差，克服的方法是在法是在A/D转换器之前设置采样保持电路。转换器之前设置采样保持电路。5.多路多路A/D转换技术转换技术 每个模拟量输入配置一个每个模拟量输入配置一个A/D转换器；转换

45、器； 采用集成多路采用集成多路A/D转换器，如转换器，如ADC0809（8路、路、8位）、位）、MAX 186（8路、路、12位）等；位）等； 采取多路开关和采样保持器复用一个采取多路开关和采样保持器复用一个A/D转换器。转换器。 当有多路模拟量输入时，可采用以下三种方案进行当有多路模拟量输入时，可采用以下三种方案进行A/D转换：转换： 另外，当有多路模拟输入信号时，各信号的幅值也可能另外，当有多路模拟输入信号时，各信号的幅值也可能相差悬殊，采用固定增益的放大电路同样会造成大信号转换相差悬殊，采用固定增益的放大电路同样会造成大信号转换精度高而小信号转换误差大的后果。这时，可以采用程控增精度高而

46、小信号转换误差大的后果。这时，可以采用程控增益放大器来解决这个问题。益放大器来解决这个问题。2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系36 在计算机控制系统中，有些被控对象或执行机构需要模拟在计算机控制系统中，有些被控对象或执行机构需要模拟量输入，这就要求计算机把输出的数字控制量转换为模拟量。量输入，这就要求计算机把输出的数字控制量转换为模拟量。从数字量到模拟量的转换，一般采用集成从数字量到模拟量的转换，一般采用集成D/A转换器实现。转换器实现。 2.4 模拟量输出模拟量输出 设计设计D/A转换电路时，应综合考虑转换精度、转换速度、转换电路时，应综合考虑转换精度、转换速度、接口

47、设计的方便性以及价格等因素。接口设计的方便性以及价格等因素。1.多通道多通道D/A转换系统设计转换系统设计（1）为每一个通道设置一个独立的）为每一个通道设置一个独立的D/A转换器。转换器。优点：优点： 转换速度快、精度高、工作可靠，即使某一通道出现故障转换速度快、精度高、工作可靠，即使某一通道出现故障也不会影响其它通道的工作，相应软件的编制也比较简单。也不会影响其它通道的工作，相应软件的编制也比较简单。缺点：缺点： 如果模拟量输出通道较多，就会使系统造价增加很多，尤如果模拟量输出通道较多，就会使系统造价增加很多，尤其是采用高精度的其是采用高精度的D/A转换器时，这一问题更加突出。转换器时，这一

48、问题更加突出。2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系37（3）多通道复用一个）多通道复用一个D/A转换器，并辅以多路模拟开关和采转换器，并辅以多路模拟开关和采样保持放大器来实现。样保持放大器来实现。优点：优点：成本较低。成本较低。缺点：缺点： 电路结构相对复杂、精度低、可靠性差。电路结构相对复杂、精度低、可靠性差。2.模拟量输出的光电隔离模拟量输出的光电隔离3.功率放大功率放大（2）采用集成多路采用集成多路D/A转换器，如转换器，如DAC8800（8路、路、8位）、位）、MAX 529（8路、路、8位）位）等。等。2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系3

49、81.信号采样信号采样 2.5 信号采样信号采样 采样（或采样过程），就是抽取连续信号在离散时间瞬时采样（或采样过程），就是抽取连续信号在离散时间瞬时值序列的过程，有时也称为离散化过程。对时间和幅值均连续值序列的过程，有时也称为离散化过程。对时间和幅值均连续的模拟信号经过采样后即可得到在时间上离散、幅值上连续的的模拟信号经过采样后即可得到在时间上离散、幅值上连续的采样信号，由采样信号，由A/D 转换器量化后得到时间、幅值上均离散的数转换器量化后得到时间、幅值上均离散的数字信号。完成采样操作的装置称为采样器或采样开关。可以将字信号。完成采样操作的装置称为采样器或采样开关。可以将实际采样开关简化为

50、理想采样开关（从闭合到断开以及从断开实际采样开关简化为理想采样开关（从闭合到断开以及从断开到闭合的时间均为零）。到闭合的时间均为零）。 采样开关平时处于断开状态，其输入为连续信号采样开关平时处于断开状态，其输入为连续信号f(t)，在，在采样时刻采样时刻tk（k = 0，1，2，）完成由断开到闭合、然后再）完成由断开到闭合、然后再断开的动作，这样就在采样开关输出端得到采样信号：断开的动作，这样就在采样开关输出端得到采样信号：k*k0( )( )ttftf ttt2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系39 根据采样过程的特点，可以将采样分为以下几种类型。根据采样过程的特点，可以

51、将采样分为以下几种类型。（1）周期采样）周期采样 指相邻两次采样的时间间隔相等，也称为普通采样。相指相邻两次采样的时间间隔相等，也称为普通采样。相邻两次采样之间的时间间隔称为采样周期，记为邻两次采样之间的时间间隔称为采样周期，记为T。采样频率。采样频率定义为定义为fs=1/T；采样角频率定义为；采样角频率定义为 。其采样时。其采样时刻为刻为0、T、2T、3T、。22ssfT( )f tt0( )f t*( )f tT*( )f tt0*( )f tT 2T 3T 图2.9 理想采样开关的采样过程( )f t2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系40（4）非同步采样）非同步采

52、样 如果一个系统中有如果一个系统中有多个多个采样开关，它们的采样周期相同采样开关，它们的采样周期相同但不同时进行采样，则称为非同步采样。但不同时进行采样，则称为非同步采样。（5）多速采样）多速采样 如果一个系统中有如果一个系统中有多个多个采样开关，每个采样开关都是周采样开关，每个采样开关都是周期采样的，但它们的采样周期不相同，则称多速采样。期采样的，但它们的采样周期不相同，则称多速采样。（2）随机采样）随机采样 若相邻两次采样的时间间隔不相等，则称为随机采样。若相邻两次采样的时间间隔不相等，则称为随机采样。 在计算机控制系统中，最常用的采样方法是同步采样。在计算机控制系统中，最常用的采样方法是

53、同步采样。（3）同步采样）同步采样 如果一个系统中有如果一个系统中有多个多个采样开关，它们的采样周期相同采样开关，它们的采样周期相同且同时进行采样，则称为同步采样。且同时进行采样，则称为同步采样。2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系412.采样定理采样定理 采样周期采样周期T选择过大，采样信号含有的原来连续信号的信选择过大，采样信号含有的原来连续信号的信息量过少，以至于无法从采样信号看出连续信号的特征。息量过少，以至于无法从采样信号看出连续信号的特征。 在计算机控制系统中对连续信号进行采样，是要用抽取的在计算机控制系统中对连续信号进行采样，是要用抽取的离散信号序列代表相应

54、的连续信号来参与控制。只有采样后得离散信号序列代表相应的连续信号来参与控制。只有采样后得到的离散信号能够表达相应连续信号的基本特征，这种参与才到的离散信号能够表达相应连续信号的基本特征，这种参与才是合理有效的。是合理有效的。( )f tt0*( )f tt01T图2.10 采样周期过大对采样效果的影响1T2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系42图2.11 采样周期较小时对采样效果的影响( )f tt0*( )f tt02T2T 如果采样周期比较小，则损失的信息也比较少，从而有可如果采样周期比较小，则损失的信息也比较少，从而有可能从采样信号重构出原来的连续信号，则可以用这些

55、离散信号能从采样信号重构出原来的连续信号，则可以用这些离散信号实施有效的控制。实施有效的控制。 采样定理（香农定理）采样定理（香农定理）：如果连续信号：如果连续信号f(t)具有有限频谱，具有有限频谱，其最高频率为其最高频率为 ，则对，则对f(t)进行周期采样且采样角频率进行周期采样且采样角频率maxmax2s*( )ft*( )ft 时，连续信号时，连续信号f(t)可以由采样信号可以由采样信号 唯一确定，唯一确定，即可以从即可以从 无失真地恢复无失真地恢复f(t)。2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系43 在计算机控制系统中，采样频率或采样周期的选择非常在计算机控制系统中

56、，采样频率或采样周期的选择非常重要，它不仅直接影响着控制效果，而且还影响着系统的稳重要，它不仅直接影响着控制效果，而且还影响着系统的稳定性。从理论上讲，采样频率越高就越能如实反映被采样信定性。从理论上讲，采样频率越高就越能如实反映被采样信号的特征信息。但是，从计算机控制系统角度来讲，选取过号的特征信息。但是，从计算机控制系统角度来讲，选取过高的采样频率会使系统存在以下几个问题：高的采样频率会使系统存在以下几个问题：3.计算机控制系统中采样周期的选择计算机控制系统中采样周期的选择（4）使干扰对系统的影响明显加大。）使干扰对系统的影响明显加大。（1）要求模拟开关、）要求模拟开关、A/D转换器等设备

57、也具有较高的速度，转换器等设备也具有较高的速度，使得硬件费用过高；使得硬件费用过高；（2）增加计算机单位时间内的计算量，甚至可能超过计算机）增加计算机单位时间内的计算量，甚至可能超过计算机处理速度的极限；处理速度的极限；（3）控制系统中的执行机构可能出现上一次控制输出还未执控制系统中的执行机构可能出现上一次控制输出还未执行、下一次控制输出就已经来到的情况，这反而降低了控制行、下一次控制输出就已经来到的情况，这反而降低了控制效果；而且频繁的控制动作会增加执行机构的磨损；效果；而且频繁的控制动作会增加执行机构的磨损；2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系44（1）按系统闭环频带

58、选取）按系统闭环频带选取 系统闭环频带反映了系统中信号的频率。如果系统的期系统闭环频带反映了系统中信号的频率。如果系统的期望闭环频带望闭环频带 给定，则可取采样角频率给定，则可取采样角频率 ，即选，即选取采样周期为取采样周期为 。c(6 10)sc2(6 10)cT 常用的确定采样周期常用的确定采样周期T的方法有以下几种。的方法有以下几种。（2）按系统开环传递函数选取）按系统开环传递函数选取 系统开环传递函数可以表示为系统开环传递函数可以表示为1202211( )( )11()()nnjijijN sG sssT2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系45 定义参数定义参数2

59、2(1,2,)jjjn 和和min121122122min( ,)nnnT TT 那么，采样周期可选为那么，采样周期可选为min2 4T式中，分母的一次项对应系统开环实极点，二次项对应系统开式中，分母的一次项对应系统开环实极点，二次项对应系统开环共轭复极点，分子表示系统开环零点多项式。环共轭复极点，分子表示系统开环零点多项式。 当开环传递当开环传递函数中存在积分因子时，由于积分因子可用大时间常数的惯性函数中存在积分因子时，由于积分因子可用大时间常数的惯性环节逼近，故不作特殊考虑。环节逼近，故不作特殊考虑。1202211( )( )11()()nnjijijN sG sssT2021-10-31

60、北京科技大学自动化学院控制科学与工程系46例例2.1：设系统开环传递函数如下，试确定闭环系统的采样周：设系统开环传递函数如下，试确定闭环系统的采样周期范围。期范围。02( )(0.51)(8116)KG ssss解：将系统的开环传递函数写成解：将系统的开环传递函数写成0222( )11()()10 0.50.25KG sss从而：从而： ，得，得 。1110.5 ,0.25 ,2100.628Tsssmin0.25s可以确定采样周期可以确定采样周期T的范围为：的范围为： 。 0.0625 0.125s2021-10-31北京科技大学自动化学院控制科学与工程系47（3）按系统开环阶跃响应的上升时间选取）按系统开