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控制技术基础FundamentalsofControlTechnology项目五过程控制系统任务三计算机控制技术与系统控制技术基础连续控制系统控制技术基础计算机控制系统•模拟量•开关量•脉冲量•数字量控制技术基础控制系统信号类型•模拟量信号：指在时间上是连续的，在幅值上也是连续变化的信号。•开关量信号：指随时间离散变化的信号，如阀门的开与关、水泵的运行与停止。•脉冲量信号：指随时间离散变化，但可以用数字来表征的信号，如涡轮流量计、电量表等所测的信号。•数字量信号：指可用二进制数来表示的信号，可以直接被计算机接受。控制技术基础计算机控制系统硬件组成控制技术基础计算机控制系统硬件组成——主机主机通过接口向系统各部分发出各种命令，同时对系统的各过程参数巡回检测、数据处理、性能计算、报警分析、故障定位、操作指导、闭环控制等。计算机与各种功能模板之间是通过内部总线连接的，以完成系统内部各模板之间的信息传送。计算机系统与系统之间通过外部总线进行信息交换和通信。控制技术基础计算机控制系统硬件组成——通用外部设备通用外部设备输入设备输出设备外存储器常用的输入设备是键盘，用来输入程序、数据和操作命令，可以通过并行或串行接口与计算机连接，根据键码的安排，可分为标准键盘和专用键盘两种。常用的输出设备是CRT显示器、打印机、绘图仪等，它们以字符、曲线、表格和图形等形式来反映生产过程的工况和控制信息。常用的外存储器是磁盘、磁带和光盘，它们兼有输入和输出两种功能，用来存放程序和数据，作为内存储器的后备存储设备。控制技术基础计算机控制系统硬件组成——过程输入输出设备模拟量输入通道AI（AnalogInput）数字量输入通道DI（DigitalInput）模拟量输出通道AO（AnalogOutput）数字量输出通道DO（DigitalOutput）模拟量输入通道用于输入如温度（T）、压力（P）、流量（Q）、液位（H）、成份等模拟量信号数字量输入通道用于输入开关量/数字量模拟量输出通道将过程控制计算机输出的数字信号转换成模拟量信号后再输出数字量输出通道则直接输出开关量信号或数字量信号输入设备输出设备控制技术基础计算机控制系统硬件组成——人机联系设备亦称人机接口，操作人员与计算机之间的信息交换是通过人机联系设备进行的。例如，CRT显示器和键盘，专用的操作显示面板或操作显示台等。人机联系设备的作用：•显示生产过程的状况；•供生产操作人员操作；•显示操作结果。控制技术基础计算机控制系统硬件组成——通信设备现代化工业生产过程的规模一般比较大，对生产过程的控制和管理也很复杂，往往需要几台或几十台计算机才能分级完成控制和管理任务，这样，在不同地理位置、不同功能的计算机或设备之间就需要通过通信设备进行信息交换。为此，需要把多台计算机或设备连接起来，构成计算机通信网络。计算机通信网络是计算机控制系统层次结构和信息集成的基础。控制技术基础模拟量输入通道——组成结构过程参数PC总线信号放大器采样保持器A/D转换器接口及逻辑控制电路变送器...信号处理器多路开关...模拟量输入通道信号处理包括小信号放大、信号滤波、信号衰减、阻抗匹配、电平转换、非线性补偿、I/V变换等。利用多路开关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。模入通道中信号放大器的作用主要是电平放大、阻抗匹配以及通道的抗共模干扰。A/D转换器将模拟电压或电流转化成数字量，它是模拟量输入通道的核心部件控制技术基础模拟量输入通道——多路开关电平转换电路译码驱动电路VDD＋15VVEE－15VGNDINHCBASmS7 S6 S5S4S3S2S1S043251121514131610116987INHCBA所选通道00000000100001111×00110011×01010101×S0S1S2S3S4S5S6S7S0～S7均未选中图2－12 多路开关CD4051（a）CD4051原理图；（b）CD4051真值表（a）（b）控制技术基础模拟量输入通道——模拟量信号的采样X*(t)t0T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11TX(t)t0X(nT)tT2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T001001001011001110001101001010001001001000000111000111000111001000(a)(b)(c)0图21 采样前后信号波形的变化a模拟信号 b离散模拟售号 (c)数字信号理想的采样应该是抽取模拟量信号的瞬间函数值。控制技术基础模拟量输入通道——采样器的采样过程采样器tTX(t)X(t)0X*(t)0T2T3T4T5TτtX*(t)图2－2 采样器的采样过程控制技术基础模拟量输入通道——采样器的采样过程采样信号仅对时间是离散的，而信号的值依然是模拟量值，故被称为离散的模拟量信号。数字信号是指量化的离散模拟量信号，即数字信号X（nT）不仅在时间上是离散的，而且在数值上也是离散的。量化：采用一组数码（如二进制编码）来逼近离散模拟量信号的幅值，并将其值用该数码表示出来。控制技术基础模拟量输入通道——采样保持器T采样器零阶保持器H0SX(nT)Xh(t)tX(t)tX*(t)X(nT)tXh(t)零阶保持器把当前采样时刻nT的采样值X（nT），简单地保持到下一个采样时刻（n+1）T，即零阶保持器仅仅是根据nT时刻的采样值按常数往外推，直到下一个采样时刻（n+1）T，然后换成新的采样值X[(n+1)T]再继续外推。控制技术基础模拟量输入通道——采样保持电路RUsrC采样/保持指令K－＋Usc采样/保持电路有两种工作方式：先处于跟踪方式（采样方式），然后是保持方式。控制技术基础模拟量输入通道——A/D转换器的主要性能指标•分辨率•精度•转换时间•线性误差•量程•对基准电源的要求分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的性能指标，分辨率越高，转换时对输入模拟量微小变化的反应越灵敏。有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，相对精度用满量程的百分数表示。指A/D转换器完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。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线性误差。所能转换的输入电压范围。基准电源的精度对整个系统的精度产生很大的影响。控制技术基础模拟量输入通道——结构形式1...多路开关逻辑控制S/HA/DI/O计算机图2－17共用一个S/H和A/D转换器的模拟量输入通道控制技术基础模拟量输入通道——结构形式2...多路开关逻辑控制A/DI/O计算机图2－18共用一个A/D转换器的模拟量输入通道S/HS/HS/H12n控制技术基础模拟量输入通道——结构形式3...计算机图2－19单通道AD转换后数字多路切换系统S/HS/HS/H12nA/D微处理器A/D微处理器A/D微处理器......缓冲器缓冲器缓冲器...数字多路切换控制技术基础模拟量输出通道模拟量输出通道是计算机控制系统实现控制输出的关键，它的任务是把计算机输出的数字量转化成模拟电压或电流信号，以便驱动相应的执行机构，达到控制的目的。控制技术基础模拟量输出通道——D/A转换基准电压＋－A2R2R2R2R2RRRRK0K1K2K3D0D1D2D3Rfbabcd∑VOUT图2－22D/A转换器原理框图控制技术基础模拟量输出通道——D/A转换性能指标•分辨率•建立时间•线性误差当输入数字量发生单位数码变化即最低有效位LSB（LeastSignificentBit）产生一次变化时，输出模拟量对应的变化量。输入数字信号的变化量是满量程时，输出模拟量信号达到终值±1/2LSB所需要的时间。在满量程输入范围内，偏离理想转换特性（线性）的最大误差定义为线性误差。控制技术基础模拟量输出通道——结构形式1图2－20一个通道设置一个D/A转换器的结构接口D/AD/AV/I转换器V/I转换器...PC总线通道1通道n控制技术基础模拟量输出通道——结构形式2图2－21多个通道共用一个D/A转换器的结构接口S/HS/HV/I转换器V/I转换器...PC总线通道1通道nD/A多路开关控制技术基础数字量输入/输出通道计算机接口逻辑输入缓冲器输入调理电路输出锁存器输出驱动电路生产过程......图226 数字量输入/输出通道结构图由数据总线缓冲器/驱动器、输入/输出口地址译码器、读、写等控制信号组成。对外部输入的信号起缓冲、增强以及选通的作用，CPU通过读缓冲器输入数据。锁存CPU送来的输出数据，供外部设备使用。I/O电气部分的功能主要是滤波、电平转换、隔离和功率驱动等。控制技术基础PLC模拟量处理实例SQ1SQ2SB1SQ3SQ4SB2Q0.01MKM2I0.0KM1I0.1I0.2Q0.1KM2I0.3Q0.2KM3KM1KM4I0.4I0.51LACQ0.3KM3KM4FR1FR2ML+NLQ1.0Q1.7+24V-AC220VML+A+M0A-V0B+B-+DC0~10V-STUCS7-226EM235预设的温度信号模拟量信号输入（检测的温度）模拟量拓展模块模拟量信号输出单极性全量程DC0~10V，对应数字量输出0~32000，被测物理量y（以此题为例，可测温度范围0~99。c）与A/D转换后的数字量x比例关系：实际温度y°通过温度变送器变成对应0~10V的电压值，——PLC通过A/D模块变成0~32000数字量被测物理量：y=（99-0）*（x-0）/（32000-0)度DC4~20mA，对应数字量输出6400~32000，被测物理量y（以此题为例，可测温度范围t~99。c）被测物理量：y=（99-t）*（x-6400）/（32000-6400)度控制技术基础计算机控制系统的分类•数据采集系统DAS（DataAcquisitionSystem）•直接数字控制系统DDC（DirectDigitalControlSystem）•监督控制系统SCC(SupervisoryComputerControl)•集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）•现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）控制技术基础DAS数据采集系统DAS系统的优点是结构简单，控制灵活和安全。缺点是要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。控制技术基础DDC直接数字控制系统DDC系统的主要特点是自动化程度高，调节速度快；因为程序可变性强，故控制灵活性大，由于节省了大量的模拟调节仪表，因而经济上比较合算，被控系统越大，这种经济效果越显著。由于DDC系统的计算机直接承担控制任务，所以要求实时性好，可靠性高和适应性强。控制技术基础SCC监督控制系统SCC系统的优点是能使生产过程始终在最合理的状态下运行，避免了不同的运行人员调整调节器设定值所带来的控制偏差。缺点是由于生产过程的复杂性，其数学模型的建立是比较困难的，所以实现起来有一定难度。控制技术基础DCS集散控制系统控制技术基础DCS集散控制系统控制技术基础FCS现场总线控制系统控制技术基础FCS现场总线控制系统现场总线对当今自动化领域的变革主要有以下方面：•用一对通信线连接多台数字仪表代替一对信号线只能连接一台仪表；•用多变量、双向、数字通信方式代替单变量、单向模拟传输方式；•用多功能的现场数字仪表代替单功能的现场模拟仪表；•用分散式的虚拟控制站代替集中式的控制站；•变革传统的信号标准、通信标准和系统标准；•变革传统的自动化系统体系结构、设计方法和安装调试方法