直接数字控制系统-精选文档

过程控制ProcessControl下篇过程计算机控制第11章直接数字控制系统本章要点◇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◇数字PID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◇监控组态软件本章学习目标◇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◇深刻理解数字滤波及数据处理方法◇熟练掌握数字PID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◇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第11章直接数字控制系统11.1直接数字控制系统概述11.2过程输入输出通道技术11.3数字滤波与数据处理11.4数字PID控制技术11.5数字控制系统的设计与实现11.6数字控制器的直接设计方法11.7监控组态软件11.1直接数字控制系统概述直接数字控制系统（DirectDigitalControl，DDC）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；检测结果与给定值进行比较，再按PID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能够接受的控制量，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。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系统的结构框图第11章直接数字控制系统概述11.1直接数字控制系统概述生产过程检测变送A/D转换开关量拾取控制开关接口接口接口接口开关量输入开关量输出操作控制台功放执行D/A转换计算机应用程序操作系统主机硬件组态软件数据库过程输入/输出通道优点：经济、灵活性好、可靠性高。缺点：危险集中DDC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DDC系统主机单元的结构：模板式——主机板与模拟量输入/输出模板、数字量输入/输出模板通过总线母板连接。模块式——主机模块与模拟量输入/输出模块、数字量输入/输出模块通过总线连接。总线内部总线计算机内部模板之间进行通信的总线，也指组成系统各种机箱的底板总线。•PC/XT（62线）•PC/AT或ISA（62线+36线）•PCI（124线）•PC104（104线）•CompactPCI,VXI外部总线计算机之间，计算机与设备之间进行通信的总线。•串行总线（RS-232、RS-422、RS-485）•现场总线以及局域网（LAN）•工业以太网（Ethernet）•控制网络（Control-net）11.2过程输入输出通道技术DDC系统的输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。是连接控制计算机和工业生产过程的桥梁和纽带。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概述过程通道模拟量输入通道（AI）模拟量输出通道（AO）开关量输入通道（DI）开关量输出（DO）通道计算机模拟量输入（AI）通道模拟量输出（AO）通道数字量输入（DI）通道数字量输出（DO）通道测量变送执行机构开关触点开关设备生产过程过程通道过程输入输出通道的结构第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块式AIAODIDO主控单元主机板I/O单元BUSAIAODIDOI/O主板主控单元串行通信或网络通信BUSI/O单元AI主控单元AODIDORS-485I/O单元模块式结构：模板式结构：(a)混合集中式(b)分离分布式模拟量输入通道(AI)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集。它的核心部件是A/D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一般包括：信号调理电路、多路转换开关、采样保持器、A/D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.模拟量输入通道的结构传感器信号调理多路模拟开关S/HA/D控制逻辑计算机放大器传感器传感器信号调理信号调理……·……·多路共用采集电路分时采集第11章直接数字控制系统概述11.2过程输入输出通道技术传感器1传感器2传感器3调理调理调理多路模拟开关S/HA/D控制逻辑计算机S/HS/H多路同步取样共用A/D分时采集多通道同步采样分时传输数据传感器传感器传感器调理电路调理电路调理电路S/HA/D转换器控制逻辑S/HS/HA/D转换器A/D转换器计算机通过多路模拟开关将多路参数分时送入计算机。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.模拟量输入通道的组成⑴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，可能是电压或电流信号，幅值范围往往和A/D转换器的量程不匹配，而且一般含有噪声信号，因此需要进行放大、滤波、隔离保护等处理，称为信号调理。⑵多路开关•单向多路开关:AD7501(8路)、AD7506(16路)等；•双向多路外关：CD4051等;•单端输入:CD4051是单端8通道;•双端输入:CD4052是双4通道;•多路输入多路输出:CD8816等。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⑶采样保持器在A/D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/数转换器的精确度和消除转换时间的不准确性。高速采样(如5000～10000点／秒)必须采用采样保持器。在低速系统中一般可以省略。采样保持器的工作方式第11章直接数字控制系统概述11.2过程输入输出通道技术⑷A/D转换器在工业生产过程中，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A/D转换）。A／D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。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3.模拟量输入通道A/D转换器的选择⑴A/D转换器的技术指标分辨率是衡量A/D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。其大小取决于A/D转换器的位数，所以习惯上以数字量的位数来表示。量化误差是由A/D转换器有限字长数字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（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差。①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反映了一个实际A/D转换器与一个理想A/D转换器在量化值上的差值，用绝对误差或相对误差来表示。②转换精度转换速率是指A/D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A/D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。③转换速率④满刻度范围满刻度范围是指A/D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A／D转换器的最大输入电压值总比满刻度值小1/2n（n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⑵A／D转换器的分类(根据转换原理分)①逐次比较式②积分式③并行比较式④改进型转换时间一般在μs级，转换精度一般在0.1％左右，适于一般场合。转换时间一般在ms级或更长，但抗干扰性能强，转换精度可达0.01％或更高。适于数字电压表类仪器采用。采用并行比较，其转换时间可达ns级，但抗干扰性能较差.在上述某种形式A／D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。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⑶A/D转换速度的选择在选取A/D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T，是过程计算机控制系统设计的关键问题之一。确定系统采样周期的原则及相关知识，将在11.5.5中详细介绍。A/D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。而且从转换结束到下一次启动转换也需要一段休止时间(或称复位时间、恢复时间、准备时间等).因此，A/D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。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⑷A/D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A/D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范围和分辨率。为使输入信号的最大值xmax不至使A/D溢出，且小信号xmin不被量化噪声淹没，则需①输入信号的动态范围即需要A/D转换器的字长为12/minmaxnxx)1(logminmax2xxn输入信号的动态范围定义为minmax1lg20xxL若已知被测模拟电压动态范围为L1，则61Ln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A/D转换器的字长要求以分辨率形式给出。分辨率定义为②分辨率如果所要求的分辨率为D0，则字长121nD)11(log02Dn例：某温度控制系统的温度范围为0-200℃，要求分辨率为0.5%(即相当于1℃)，则A/D转换器字长为65.7)005.011(log)11(log202Dn因此，取A/D转换器字长n为8位。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此外，考虑到MUX、S/H、A/D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，选择元器件精度的一般规则是：每个元器件的精度指标应优于系统精度的10倍左右。可根据系统精度指标δ，估算所需A/D的位数n例：要求系统误差不大于0.1％满度值(即δ＝0.1％)，则29.13)001.0101(log)101(log22n需采用n为14位的A/D转换器。1210n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（即D/A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值。因此，模拟量输出通道一般包括D/A转换器、多路分配器和采样保持器，其中的核心器件是D/A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．D/A转换器概述D/A转换器的输出多数为电流形式，如DAC0832，AD7522等。有些芯片内部设有放大器，直接输出电压信号，如AD558，AD7224等。电压输出型又有单极性输出和双极性输出两种。•双D/A转换器：AD7528•4通道D/A转换器：AD7226•串行D/A转换器：DAC80•直接接收BCD码的D/A转换器：AD7525•输出4-20mA电流的D/A：AD1420/1422D/A转换器的数字量输入端:不含数据锁存器：与计算机接口时要外加数据锁存器。含单个数据锁存器：与计算机接口时可以不外加数据锁存器。含双数据锁存器：可用于多个D/A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．D/A转换器字长的选择D/A转换器输出一般都通过功率放大器推动执行机构。设执行机构的最大输入值为umax，最小输入值为umin（灵敏限），则D/A转换器的字长为)1(logminmax2uun即D/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，可选D/A字长小于或等于A/D字长。在过程计算机控制中，常用的A/D和D/A转换器字长为8位、10位和12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。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，称其为开关量输入输出。所谓开关量控制就是通过控制设备的“开”或“关”状