计算机控制技术复习PPT

计算机控制技术复习王剑Email:jianw6@Tel:0571-869191332/1/2023一、计算机控制系统的概念

计算机控制系统就是利用计算机(通常称为工业控制计算机)来实现对(控制)对象（通常为生产过程）进行自动控制的系统。

换句话说：计算机控制系统就是利用计算机来代替原来的常规自控部件或电路，实现对控制对象自动控制的系统。2/1/20232①实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。可归纳为以下三个步骤：②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，决定将要采取的控制策略。③实时控制输出：根据控制决策，实时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进行工作，并对被控量和设备本身的异常现象及时作出处理。3.计算机控制系统的工作原理2/1/20233§1.1概述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有哪些主要组成部分？2/1/202341.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2/1/20235§1.1概述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2/1/20236§1.1概述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：•操作指导控制系统•直接数字控制系统•计算机监督控制系统•集散控制系统•现场总线控制系统•工业过程计算机集成制造系统计算机控制系统结构有哪些分类？主要应用场合？2/1/20237§第二章输入输出接口与过程通道技术输入输出接口概述2.1输入输出接口概述图2-1过程通道组成结构图

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。

2/1/20238

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A／D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。

图2-2模拟量输入通道方框图§第二章输入输出接口与过程通道技术模拟量输入通道

2.2模拟量输入通道2/1/20239信号调理的作用：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电流或电压信号（通常为4~20mA、0~5V等）。常见的标准信号：

0～10V0～5V

4～20mA1～5V§第二章输入输出接口与过程通道技术信号调理二、信号调理2/1/202310模拟信号调理的功能低电压信号电流输入/输出RTDs和热敏电阻热电偶应变仪隔离、放大、噪声滤波电流与电压的转换;隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波冷端补偿激励电源隔离，放大，噪声滤波激励电压全桥和半桥设置隔离，放大，噪声滤波多功能I/O§第二章过程通道技术信号调理§第二章输入输出接口与过程通道技术信号调理2/1/2023112.仪表放大器在数据采集系统中，放大器的作用一般是：①对信号幅度放大；

②增大输入阻抗，起到隔离和缓冲前后级单元；

③抑制噪声，提高信噪比；

④其他作用，如电压、电流变换、量程切换、极性自动变换等。§第二章输入输出接口与过程通道技术信号调理2/1/202312

仪表放大器与普通运算放大器区别：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。§第二章输入输出接口与过程通道技术信号调理2/1/2023133.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。§第二章输入输出接口与过程通道技术信号调理2/1/202314根据隔离的媒介不同，隔离放大器主要可分为三种:1.变压器耦合隔离放大器

2.光电耦合隔离放大器

3.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:1.两端口隔离

2.三端口隔离。§第二章输入输出接口与过程通道技术信号调理2/1/2023154.电流/电压转换器

工业自动化仪表采用的变送器大多是DDZ-Ⅲ型电动单元组合仪表，采用线性集成电路，其输出信号为4～20mA的国际标准。

§第二章输入输出接口与过程通道技术信号调理2/1/202316

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三、多路转换器§第二章输入输出接口与过程通道技术多路转换器2/1/202317

可编程放大器的放大倍数随时可由一组数字序列控制，这样，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。§第二章输入输出接口与过程通道技术可编程增益放大器四、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。

2/1/202318五、采样保持器1．采样保持器的作用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。

式中Um为正弦模拟信号的幅值，f为信号频率。§第二章输入输出接口与过程通道技术采样保持器2/1/202319

假定A/D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取Δt=tA/D

，则得原点处转换的不确定电压为

误差百分数§第二章输入输出接口与过程通道技术采样保持器2/1/202320§第二章输入输出接口与过程通道技术采样保持器

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：一个10位的A/D转换器（量化误差为0.1%），孔径时间tA/D为10μs，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。2/1/202321

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A／D转换器进行转换(共用一个A／D)，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。§第二章输入输出接口与过程通道技术采样保持器2/1/202322(1)采样/保持器的作用

①稳定地保持模拟信号以便能够完成A/D转换。②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)。

③消除A/D转换器的输出瞬变，如限制输出电压的尖峰。§第二章输入输出接口与过程通道技术采样保持器2/1/202323(2)采样／保持器的的主要参数§第二章输入输出接口与过程通道技术采样保持器

①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

②孔径时间不确定性ΔTAP

。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ΔTAP是随机的，所以它是影响采样精度的主要因素之一。2/1/202324§第二章输入输出接口与过程通道技术采样保持器③转换速率：指输出变化的最大速率，以V/s为单位;

③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。

2/1/202325④下跌率(衰减率)：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mV/s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。

增大电容可减少保持电压的下降率，提高精度，但会增多捕捉时间。

在转换时间较长且精度高的系统中应该用较大电容。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和A/D转换时间折中选取。§第二章输入输出接口与过程通道技术采样保持器2/1/202326

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、AD583高速型：THS-0060超高速：THS-0010

§第二章输入输出接口与过程通道技术采样保持器2/1/202327

A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置，它是一个模拟系统和计算机之间的接口，它在数据采集和控制系统中，得到了广泛的应用。

1.A/D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。属于中速A/D转换器如：ADC0809——8位带选择开关，120µs;AD574A——12位

ADC1210——12位无输出锁存器六、A/D转换器§第二章输入输出接口与过程通道技术A/D转换器2/1/2023282）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，20～100ns5）Σ-Δ型——属于高分辨率、中速A/D转换器。如：AD7701（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，6µs§第二章输入输出接口与过程通道技术A/D转换器2/1/2023292.A/D转换器的主要技术指标①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1／2n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1／2n。若n=8，满量程输入为5.12V，则LSB对应于模拟电压为：5.12V／28=20mV。§第二章输入输出接口与过程通道技术A/D转换器②量程

它是指所能转换的电压范围。如5V、10V等。2/1/202330§第二章输入输出接口与过程通道技术A/D转换器

③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。2/1/202331§第二章输入输出接口与过程通道技术A/D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A／D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。2/1/202332⑥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。§第二章输入输出接口与过程通道技术A/D转换器④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。⑤工作温度范围：较好的A/D转换器的工作温度为-40～85℃，较差的为0～70℃。

2/1/202333模拟量输入通道的小结信号调理工业生产过程传感器传感器传感器多路转换开关MUX信号调理信号调理S/H信号调理A/D转换器工业控制计算机总线与接口温度/微电压等信号1.桥式电路2.仪表放大器AD6203.隔离放大器AD2104.激励电源4~20mA电路信号I/V转换电路频率信号F/V转化电路CD4051/AD7501CD4052/AD7506CD4096/AD7507LF398AD582THS0060AD574AAD7703ISA总线PCI总线RS485CANEthernetGPIBVXI§第二章输入输出接口与过程通道技术小结程控放大器MCP6S2XLH00842/1/202334

过程计算机控制系统中，模拟量输出接口是实现控制输出的关键，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。

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D／A通道。2.3

模拟量输出接口与通道

§第二章输入输出接口与过程通道技术模拟量输出接口与通道

2/1/202335一个输出通路设置一个D/A转换器的结构形式工业生产过程执行器执行器执行器信号调理D/A转换器工业控制计算机总线与接口D/A转换器D/A转换器功率放大V/I变换放大/变换锁存器1锁存器2锁存器3模拟量输出通道的结构形式§第二章输入输出接口与过程通道技术模拟量输出接口与通道

2/1/202336多个输出通路共用一个D/A转换器的结构形式工业生产过程执行器执行器执行器多路转换开关MUX信号调理V/I变换放大/变换S/H功率放大D/A转换器工业控制计算机总线与接口S/HS/H§第二章输入输出接口与过程通道技术模拟量输出接口与通道

2/1/2023371.D/A转换器主要参数①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。②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。③精度：指D/A转换器实际输出电压与理论值之间的误差。④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。§第二章输入输出接口与过程通道技术D/A转换器及其接口

一、D/A转换器及其接口

2/1/202338①输入缓冲能力：D／A转换器是否带有三态输入缓冲器来保存输入数字量。②数据的宽度：通常有8位、10位、14位、16位之分。③电流型还是电压型：即D／A输出的是电流还是电压。对电流输出型在1～100mA；对电压输出型，其电压一般在5～10V之间。有些高电压型可达24～30V。2.D/A转换器的输入输出特性：§第二章输入输出接口与过程通道技术D/A转换器及其接口

2/1/202339④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：只能接收偏移二进制码或补码。⑤单极性输出还是双极性输出：对一些需要正负电压控制的设备，应该使用双极性D/A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。§第二章输入输出接口与过程通道技术D/A转换器及其接口

2/1/202340§第二章输入输出接口与过程通道技术V/I转换器二、V/I转换器

工业现场的智能仪表和执行器常常要以电流方式传输，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0～5V、0～10V、1～5V直流电压信号到0～10mA、4～20mA转换时，可由分立元件构成，也可以直接采用集成器件2/1/202341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闭合与断开两种不同状态，这两种状态，常称为开关量。开关量是表示两种状态。数字量的每位也只能有“0”和“1”两种状态，也可以称为开关量。

2.4

数字量（开关量）输入/输出通道§第二章输入输出接口与过程通道技术开关量输入/输出通道2/1/202342典型的开关量输入/输出通道结构

§第二章输入输出接口与过程通道技术开关量输入/输出通道2/1/202343

开关量输入/输出通道一般由三部分组成：CPU接口逻辑、输入缓冲器和输出锁存器、输入/输出电气接口（亦即开关量输入信号调理和输出信号驱动电路）。一般情况下，各种开关量输入/输出通道的前两部分往往大同小异，所不同的主要在于输入/输出电气接口。§第二章输入输出接口与过程通道技术开关量输入/输出通道2/1/202344

1．CPU接口逻辑这部分电路一般由数据总线缓冲器/驱动器、输入/输出口地址译码器、读、写等控制信号组成。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。3．I/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。§第二章输入输出接口与过程通道技术开关量输入/输出通道2/1/202345开关量输入隔离及电平变换

过程开关信号的电平通常不是TTL电平，要使CPU接收信号，必须进行变换。开关信号在传输过程中受噪声的影响较大，设计时应有一定的噪声容限,并隔离公共接地，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，定为TTL电平的逻辑0；4～10V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。§第二章输入输出接口与过程通道技术开关量输入/输出通道2/1/202346§第二章输入输出接口与过程通道技术开关量输入/输出通道2/1/202347注意：对于感性负载，在输出端必须加装克服反电动势的保护二极管。对于UNL2003A等,可使用内部的保护二极管。（3）大功率交流驱动电路

固态继电器(简写为SSR)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，由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。§第二章输入输出接口与过程通道技术开关量输入/输出通道2/1/202348§第二章输入输出接口与过程通道技术测量数据的预处理技术2.6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。2/1/202349§第二章输入输出接口与过程通道技术数字滤波一、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2/1/202350数字滤波与模拟滤波器相比，有以下几个优点：数字滤波是用程序实现的不需要增加硬设备，所以稳定性好、可靠性高，成本低；

数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。数字滤波器可以对极低频（如0.01Hz）干扰信号进行滤波，克服了模拟滤波器的不足；§第二章输入输出接口与过程通道技术数字滤波

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。2/1/202351§第二章输入输出接口与过程通道技术数字滤波1．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。2/1/202352§第二章输入输出接口与过程通道技术数字滤波2．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次采样值按大小排队，取中间值为本次采样值。2/1/202353§第二章输入输出接口与过程通道技术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。2/1/202354§第二章输入输出接口与过程通道技术数字滤波3．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=8～12

压力测量，通常取N=4～82/1/202355§第二章输入输出接口与过程通道技术数字滤波4．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，2/1/202356§第二章输入输出接口与过程通道技术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。2/1/202357§第二章输入输出接口与过程通道技术数字滤波

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。2/1/202358

通过观察不同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1～4§第二章输入输出接口与过程通道技术数字滤波2/1/202359§第二章输入输出接口与过程通道技术数字滤波5．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1／N。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。2/1/202360§第二章输入输出接口与过程通道技术数字滤波

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C0＞C1＞…＞CN-1＞02/1/202361§第二章输入输出接口与过程通道技术数字滤波

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τ为对象的纯滞后时间，且其中τ为对象的纯迟后时间

所以加权递推平均滤波算法适用于有较大纯滞后时间常数的对象和采样周期较短的系统，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受干扰的严重程度，滤波效果差。2/1/202362§第二章输入输出接口与过程通道技术数字滤波6．一阶惯性滤波法

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态的RC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，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RC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RC网络。时间常数T越大，要求RC值越大，其漏电流也随之增大，从而使RC网络的误差增大，降低了滤波效果。2/1/202363§第二章输入输出接口与过程通道技术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，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。2/1/202364§第二章输入输出接口与过程通道技术数字滤波

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。2/1/202365§第二章输入输出接口与过程通道技术其它数据预处理

例2-1某热处理炉温度测量仪表的量程为200～800℃，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2/1/202366

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一、工业控制计算机的特点与组成

第三章工业控制计算机

内容提要2/1/2023672.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。为此工控机需配有实时多任务操作系统(RTOS)。

第三章工业控制计算机

内容提要2/1/202368

第三章工业控制计算机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。2/1/2023693）环境适应能力强：

对温度/湿度变化范围要求高；要具有防尘、防腐蚀、防振动冲击的能力；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

多种功能的过程输入和输出配套模板；多种类型的信号调理功能

第三章工业控制计算机工业控制计算机的特点与组成

2/1/2023705）系统通信功能强

具有串行通信、网络通信功能；通信网络速度高；符合国际标准通信协议，如IEEE802.4，IEEE802.3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。

第三章工业控制计算机工业控制计算机的特点与组成

2/1/2023717）控制软件包功能强：

具备人机交互方便、画面丰富、实时性好等性能；具有系统组态和系统生成功能；具有实时及历史的趋势记录与显示功能；具有实时报警及事故追忆等功能。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；并具有在线自诊断功能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。

第三章工业控制计算机工业控制计算机的特点与组成

2/1/2023728）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。

第三章工业控制计算机工业控制计算机的特点与组成

2/1/2023733.工业控制计算机的硬件组成

第三章工业控制计算机工业控制计算机的特点与组成

2/1/2023744．工业控制计算机的分类

第三章工业控制计算机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。

2/1/202375

第三章工业控制计算机工业控制计算机的特点与组成

2/1/202376

第三章工业控制计算机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连和传输信息（数据、地址、控制）的信号线。1.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。2/1/2023772.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。

第三章工业控制计算机总线结构概述及分类2/1/2023783.总线结构的连接

第三章工业控制计算机总线结构概述及分类2/1/2023794.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。

第三章工业控制计算机总线结构概述及分类2/1/2023805．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”。

第三章工业控制计算机总线结构概述及分类2/1/202381

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（SerialPeripheralInterface，串行外围接口）

I2C总线（InterICbus，片间总线）

第三章工业控制计算机总线结构概述及分类2/1/202382（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。

第三章工业控制计算机总线结构概述及分类2/1/202383内部总线的种类较多

用于个人计算机的PC/XT、ISA、EISA、MCA、PCI总线等；在自动测试系统和仪表中有CAMAC总线、VXI总线、PXI总线等；在通讯、电信中有PCIMG2.16总线、AdvancedTCA总线等在工业控制计算机中有STD总线、MULTIBUS总线、VEM总线、PC系列总线和CompactPCI总线等

第三章工业控制计算机总线结构概述及分类2/1/202384（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）。

第三章工业控制计算机总线结构概述及分类2/1/202385外部总线的种类较多

通用的外部总线有RS-232C、RS-485、USB、IEEE1394、SCSI、PCMCIA等；用于工业现场的现场总线有CAN、LonWorks、FF、Profibus等；用于测控系统和仪表的有GPIB(IEEE-488)、HP-IL、MXI等。

第三章工业控制计算机总线结构概述及分类2/1/202386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

公用性，同时挂接多个不同类型的功能模块；在机箱内部以总线扩展槽的形式提供使用；一般为并行传送；定义的信号线多且齐全，包括三总线和电源线；

第三章工业控制计算机总线结构概述及分类2/1/202387接口标准的特点

专用性，一般一个接口只接一类或一种设备；一般设在机箱外，以接口插头（座）形式提供使用；有并行和串行两种传送；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。

第三章工业控制计算机总线结构概述及分类2/1/202388第三章工业控制计算机常用外部接口总线

四、常用外部接口总线

1．RS-232C串行通信接口

计算机（数据终端）

MODEM（数据设备）1）电气特性

2/1/202389§第三章工业控制计算机常用外部接口总线

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。2/1/202390§第三章工业控制计算机常用外部接口总线

值得注意的是RS-232C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2/1/2023912．RS-485串行通信接口

1）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

若差分电压信号为-2500～-200mV时，为逻辑“0”；若差分电压信号为+2500～+200mV时，为逻辑“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：第三章工业控制计算机常用外部接口总线

2/1/202392第三章工业控制计算机IPC工业控制机

五、IPC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。1．IPC工业控制机主要特点兼容性好、升级容易

；性能价格比高

；丰富的软件支持；通信功能强可靠性高

2/1/202393第三章工业控制计算机IPC工业控制机

2．IPC工业控制机体系结构2/1/202394第三章工业控制计算机DCS现场控制站

六、DCS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。2/1/202395第5章数字PID控制算法

5.1.1模拟PID调节器

PID控制表示比例（Proportional）－积分（Integral）－微分（Differential）控制。设

PID调节器如图5-1所示，其输入输出关系为

图5-1PID调节器方框图2/1/202396第5章数字PID控制算法

5.1.1模拟PID调节器

Kp——比例系数Ti——积分时间常数Td——微分时间常数Kpe(t)

称为比例控制分量，与∫e(t)dt有关部分为积分控制分量与e(t)/dt

有关部分为微分控制分量通过上述各控制分量的线性组合，可构成比例（P）控制器、比例－积分（PI）控制器、比例－微分（PD）控制器、比例－积分－微分（PID）控制器等。

2/1/202397第5章数字PID控制算法

5.1.1模拟PID调节器

各控制分量的作用如下：

(1)比例（P）控制成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

(2)积分（I）控制主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。

(3)微分（D）控制能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，引入一个有效的早期修正量，从而加快系统的响应，减少调节时间。2/1/202398第5章数字PID控制算法

5.1.2基本数字PID控制

在计算机控制系统中，控制器是每隔一个控制周期进行一次控制量的计算，并输出到执行机构。因此，要实现式(5-1)的PID控制规律，就要进行时间离散化处理。设控制周期为T，在控制器的采样时刻时t=kT

，对偏差、积分运算和微分运算作如下近似变换：

2/1/202399第5章数字PID控制算法

5.1.2基本数字PID控制

在上述近似变换中，控制周期必须足够短，才能保证有足够的精度。e(kT)、e[(k-1)T]

分别为t=kT、t=(k-1)T时偏差的离散模拟量，e(k)、e(k-1)

则是对应的数字信号（离散整量化值）。将以上离散化结果代入式(5-1)，可得离散PID算法为

2/1/2023100第5章数字PID控制算法

5.1.2基本数字PID控制

式中，k——控制序列号，k=0,1,2…；u(k)——第k次控制时刻的计算值，即第个采样周期的控制量；e(k)——第k次控制时刻的偏差值；e(k-1)——第(k-1)次控制时刻的偏差值Ki=KpT/Ti——积分系数，Kd=KpTd/T——微分系数。2/1/2023101第5章数字PID控制算法

5.1.2基本数字PID控制

式(5-5)通常称为位置式PID数字调节器。上式中令k=k-1，则得式(5-5)减去式(5-6)，得到增量式PID数字调节器

2/1/2023102第5章数字PID控制算法

5.1.2基本数字PID控制

式(5-5)是直接从模拟PID调节器经过离散化得到的，因此不具有一般差分方程所具有的递推形式。下面介绍从控制器的传递函数推导其离散控制算法的一般方法，仍以模拟PID调节器为例，式(5-2)改写为2/1/2023103第5章数字PID控制算法

5.1.2基本数字PID控制

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

2/1/2023104第5章数字PID控制算法

5.1.2基本数字PID控制

用差分代替微分，

2/1/2023105第5章数字PID控制算法

5.1.2基本数字PID控制

整理，得数字PID控制算法

递推的位置式PID数字调节器的MATLAB的语句如下，%(5-8)PIDdigitalcontrolleruk=uk1＋Kp*(ek-ek1)+Ki*ek+Kd*(ek-2*ek1+ek2)uk1=ukek2=ek1ek1=ek其中，uk1=u(k-1)，余同前。2/1/2023106第5章数字PID控制算法

积分分离PID算法

在数字PID控制算法中，积分控制分量的引入主要是为了消除静差，提高系统的精度。但在过程启动、停车或大幅度改变设定值时，由于产生较大的偏差，加上系统本身的惯性和滞后，在积分作用下，计算得到的控制量将超出执行机构可能的最大动作范围对应的极限控制量，也即执行机构进入饱和状态，结果产生系统输出的较大超调，甚至引起系统长时间的振荡，这对大多数生产过程是不允许的

2/1/2023107第5章数字PID控制算法

积分分离PID算法

图5-2标准PID控制的积分作用2/1/2023108第5章数字PID控制算法

积分分离PID算法

引进积分分离PID算法，既保持了积分作用，又可减少超调量，使系统的控制性能得到较大的改善。积分分离PID算法的基本思想：在偏差较大时，暂时取消积分作用；当偏差小于某个阈值时，才将积分作用投入。

2/1/2023109第5章数字PID控制算法

积分分离PID算法

1)根据实际需要，人为地设定一个阈值。2)当，也即偏差值较大时，采用PD控制，可避免大的超调，又使系统有较快的响应。3)当，也即偏差值较小时，采用PID控制或PI控制，可保证系统的控制精度。2/1/2023110第5章数字PID控制算法

积分分离PID算法

位置型PID算式(5-5)的积分分离形式

2/1/2023111第5章数字PID控制算法

积分分离PID算法

当，实施PD控制，PD控制算法为：2/1/2023112第5章数字PID控制算法

不完全微分PID控制算法PID控制算法将中的微分控制分量为当e(k)为单位阶跃函数时，ud(k)的输出为，即只有在第一个采样周期内有微分控制作用，且幅值为Kd=KpTd/T

，以后均为零。2/1/2023113第5章数字PID控制算法

不完全微分PID控制算法微分控制分量为微分控制的特点1)控制仅在第一个周期内起作用，对于时间常数较大的系统，其调节作用很小，不能达到超前控制误差的目的。2)ud(k)的幅值一般较大（因T<<Td

），容易在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)过大、过快的变化会对执行机构造成冲击，不利于执行机构安全运行。另外，由于控制周期很短，驱动像阀门这一类执行机构动作需要一定的时间，若输出较大，阀门一下子达不到应有的开度，输出将失真。2/1/2023114第5章数字PID控制算法

不完全微分PID控制算法克服上述缺点的方法之一是在PID算法中加一个一阶惯性环节（低通滤波器），构成不完全微分PID控制。方案一是在标准PID控制器之后串联一个低通滤波器如图5-4a所示。

图5-4不完全微分PID控制器2/1/2023115第5章数字PID控制算法

不完全微分PID控制算法设低通滤波器传递函数为则可导出不完全微分PID控制算式如下：离散化，得位置型控制算式式中，，增量型控制算式为：2/1/2023116第5章数字PID控制算法

不完全微分PID控制算法方案二：不完全微分PID控制是将低通滤波器直接加在微分控制环节上，如图5-4b所示，形成带惯性环节的微分控制，即：

图5-4不完全微分PID控制器2/1/2023117第5章数字PID控制算法

不完全微分PID控制算法当e(k)为单位阶跃函数时，ud(k)的输出为2/1/2023118第5章数字PID控制算法

不完全微分PID控制算法图5-5不完全微分PID控制的阶跃响应a)标准PID控制b)不完全微分PID控制2/1/2023119第5章数字PID控制算法

不完全微分PID控制算法引入不完全微分后，使得微分控制分量在第一个采样周期内的脉冲高度下降，其后又按akud(0)

的规律（a<1）逐渐衰减。所以不完全微分的输出在较长时间内仍有微分作用，能有效地克服标准PID算法的不足。

2/1/2023120第5章数字PID控制算法

微分先行PID控制算法当系统的给定值发生阶跃变化时，微分作用将使控制量大幅度变化，这样不利于生产过程的稳定操作。为了避免因给定值变化引起系统超调量过大、执行机构动作剧烈的问题，可采用图5-6所示的微分先行控制算法。图5-6微分先行PID控制算法框图2/1/2023121第5章数字PID控制算法

微分先行PID控制算法微分先行PID控制的特点是只对被控量y(k)进行微分，而不对偏差e(k)进行微分，也即给定值r(k)无微分作用。这种控制策略适用于给定值频繁升降的场合，可以避免给定值升降所引起的系统振荡，明显地改善系统的动态特性。微分先行增量型控制算法为2/1/2023122第5章数字PID控制算法

带死区的PID控制算法在计算机控制系统中，为了避免控制动作过于频繁，消除因频繁动作所引起的振荡，可采用带死区的PID控制，系统结构如图5-7所示。

图5-7带死区的PID控制方框图2/1/2023123第5章数字PID控制算法

带死区的PID控制算法死区的输入输出特性式中，死区e0是一个可调参数，其值根据系统性能的要求由实验确定。e0过小，使得控制动作频繁，达不到预期的目的；e0过大，则使系统产生较大的滞后，会影响系统的稳定性。带死区的PID控制实际是非线性控制。根据需要适当地引入非线性控制有利于改善系统的性能。

2/1/2023124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－反馈控制在工业过程控制中具有广泛的应用。二、常用多回路控制系统§第六章复杂控制算法常用多回路控制系统2/1/20231251.串级控制技术

因此，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因素，从而构成一个串级控制系统。

串级控制是在单回路PID控制的基础上发展起来的一种技术。当PID控制应用于单回路控制一个被控量时，其控制结构简单，控制参数易于整定。但是，当系统中同时有几个因素影响同一个被控量时，如果只控制其中一个因素，将难以满足系统的性能。§第六章复杂控制算法常用多回路控制系统2/1/20231262)数字串级控制算法上述的串级控制系统可用下面的结构来表示D1(s)e1(t)副对象G2(s)主对象G1(s)D2(s)r1(t)u1(t)e2(t)u2(t)y2(t)y1(t)

主控和副控回路采样周期相同，在串级控制系统中，主控制器通常采用PID控制，副控制器通常采用P、PI和微分先行控制算法。§第六章复杂控制算法常用多回路控