过程装备控制技术及应用第五章课件.ppt

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1、过程装备控制技术及应用第五章第1页，此课件共84页哦一、计算机直接数字控制系统构成一、计算机直接数字控制系统构成5.1 5.1 概述概述第2页，此课件共84页哦二、计算机控制系统的控制步骤二、计算机控制系统的控制步骤 1.实时数据采样：测量被控量的当前值，转换成离散实时数据采样：测量被控量的当前值，转换成离散 数字化信号；数字化信号；2.实时判断：判断被控量当前值与给定值的偏差实时判断：判断被控量当前值与给定值的偏差e；3.实时控制：根据偏差实时控制：根据偏差e，作出控制决策，即按照预定，作出控制决策，即按照预定 的算法对偏差进行运算，向执行机构发出控制信号；的算法对偏差进行运算，向执行机构发

2、出控制信号；控制信号包括：控制信号包括：a.经过经过D/A转换输出模拟控制信号；转换输出模拟控制信号；b.开关量输出开关量输出(控制电平、脉冲控制电平、脉冲)：报警、限位延时等特定操作；：报警、限位延时等特定操作；c.数字量输出。数字量输出。第3页，此课件共84页哦三、计算机控制系统的特点三、计算机控制系统的特点 1.用分时操作实现对多个被控对象、多个回路的控制；用分时操作实现对多个被控对象、多个回路的控制；2.操作由计算机程序完成，扩充修改方便，硬件改动操作由计算机程序完成，扩充修改方便，硬件改动 少；少；3.在模拟控制系统中很多由硬件难以完成的功能，可以在模拟控制系统中很多由硬件难以完成的

3、功能，可以 方便地由软件完成。方便地由软件完成。如：大时间常数的滤波，线性补偿、系统的误差补偿。如：大时间常数的滤波，线性补偿、系统的误差补偿。第4页，此课件共84页哦一、计算机控制系统的组成一、计算机控制系统的组成 1.硬件部分硬件部分 主机主机 过程输入输出通道过程输入输出通道 操作设备操作设备 外部设备外部设备 通讯设备通讯设备 系统支持功能系统支持功能 监控定时器、掉电保护、后备存储器、实时日历、总线匹配等监控定时器、掉电保护、后备存储器、实时日历、总线匹配等5.2 5.2 计算机控制系统的组成及分类计算机控制系统的组成及分类第5页，此课件共84页哦2.软件部分软件部分 系统软件：系统

4、软件：操作系统、数据库系统、通讯网络软件、调试程序及诊断程序等。操作系统、数据库系统、通讯网络软件、调试程序及诊断程序等。应用软件：系统设计人员针对生产过程要求而编制的控制和管理程序。应用软件：系统设计人员针对生产过程要求而编制的控制和管理程序。包括：包括：过程输入程序、过程过程输入程序、过程控制程序、过程输出控制程序、过程输出程序、打印显示程序、程序、打印显示程序、人机接口程序等。人机接口程序等。第6页，此课件共84页哦二、计算机控制系统的分类二、计算机控制系统的分类1.数据采集和数据处理系统数据采集和数据处理系统 数数据据采采集集：由由传传感感器器把把温温度度、压压力力、流流量量、位位移移

5、等等物物理理量量转转换换来来的的模模拟拟电电信信号号经经过过处处理理并并转转换换成成计计算算机机能能识识别别的数字量，输入并存贮到计算机中。的数字量，输入并存贮到计算机中。数数据据处处理理：计计算算机机将将采采集集来来的的数数字字量量进进行行实实时时数数据据分分析，得出所需要的结果。析，得出所需要的结果。计算机不直接参与过计算机不直接参与过程控制，属于计算机应程控制，属于计算机应用于过程控制的低级阶用于过程控制的低级阶段。段。第7页，此课件共84页哦2.DDC直接数字控制系统直接数字控制系统(Direct Digital Control)分时地对被控对象的状态参数进行测试；分时地对被控对象的状

6、态参数进行测试；将测试的结果与给定值比较得到偏差将测试的结果与给定值比较得到偏差e，按预定的控，按预定的控制算法进行数字分析、运算；制算法进行数字分析、运算；将控制量直接输出到调节阀等执行机构上，使各个被将控制量直接输出到调节阀等执行机构上，使各个被控参数保持在给定值上，实现对被控对象的闭环自动调控参数保持在给定值上，实现对被控对象的闭环自动调节。节。第8页，此课件共84页哦DDC系统的特点：系统的特点：用用计计算算机机代代替替模模拟拟调调节节器器，实实现现了了几几个个至至更更多多的的控控制制回回路路(一般大于一般大于50个回路时，比较经济个回路时，比较经济)；实实现现新新型型控控制制规规律律

7、的的运运用用，如如串串级级控控制制、前前馈馈控控制制、自自动选择性控制、具有大纯滞后对象的控制等；动选择性控制、具有大纯滞后对象的控制等；将将显显示示、记记录录、报报警警和和给给定定值值设设定定等等功功能能都都集集中中在在操操作作控制台上，给操作人员带来了很大方便；控制台上，给操作人员带来了很大方便；只要改变程序即可实现控制规律转换；只要改变程序即可实现控制规律转换；要求工业控制要求工业控制计算机的可靠性高计算机的可靠性高。第9页，此课件共84页哦3.监督控制系统监督控制系统SCC(Supervisory Process Computer Control)由一台高档的微型计算机由一台高档的微型

8、计算机SCC与若干台与若干台DDC系统构成对生系统构成对生产过程的直接控制。产过程的直接控制。SCC和和DDC计算机之间可以进行双向数据传送。计算机之间可以进行双向数据传送。SCC计算机根据原始工艺信息和工业过程现行状态参数，计算机根据原始工艺信息和工业过程现行状态参数，按照生产过程的数学模型进行按照生产过程的数学模型进行最优化的分析计算，并将其算最优化的分析计算，并将其算出的最优化操作条件去重新设出的最优化操作条件去重新设定定DDC计算机的给定值；然后计算机的给定值；然后再由再由DDC系统对生产过程进系统对生产过程进行控制。行控制。第10页，此课件共84页哦4.分级计算机控制系统分级计算机控

9、制系统第11页，此课件共84页哦4.分级计算机控制系统分级计算机控制系统 使用若干台计算机使用若干台计算机分别承担部分任务，以一个分别承担部分任务，以一个主计算机和两个或两个以上主计算机和两个或两个以上的的“从从”计算机为基础构成。计算机为基础构成。分级控制一般分为三级，生产管理级分级控制一般分为三级，生产管理级MIS、监督控制级、监督控制级SCC、直接数字控制级、直接数字控制级DDC。将控制功能分散，用多台计算机分别执行不同的控制功能，既能进将控制功能分散，用多台计算机分别执行不同的控制功能，既能进行控制，又能实现管理，灵活方便、可靠性高、通讯简单。行控制，又能实现管理，灵活方便、可靠性高、

10、通讯简单。第12页，此课件共84页哦5.集散型控制系统集散型控制系统 以以数台数台乃至乃至数百台数百台计算计算机分散的分布在各个生产现场，作机分散的分布在各个生产现场，作为现场控制站或基本调节器实现对为现场控制站或基本调节器实现对生产过程的检测与控制。控制站通生产过程的检测与控制。控制站通过过高速数据通道高速数据通道与监督计算机与监督计算机SCC通通信，通过信，通过CRT操作站实现对系统的监操作站实现对系统的监视和干预。视和干预。该结构比分级分层结构更灵活，扩充更方便；硬件冗余度大，某个回该结构比分级分层结构更灵活，扩充更方便；硬件冗余度大，某个回路出现故障时可以相互支援，可靠性高。路出现故障

11、时可以相互支援，可靠性高。第13页，此课件共84页哦集散型控制系统特点：集散型控制系统特点：硬件组装积木化硬件组装积木化软件模块化软件模块化组态控制系统组态控制系统应用先进的通信网络应用先进的通信网络具有开放性具有开放性可靠性高可靠性高第14页，此课件共84页哦三、计算机测试系统三、计算机测试系统1.计算机在测试技术中的作用计算机在测试技术中的作用 (1)扩展了测量参数的数目，提高了测量的准确度；扩展了测量参数的数目，提高了测量的准确度；(2)革新了检测方法，使过去不能进行的某些测量，革新了检测方法，使过去不能进行的某些测量，现在能够进行了；现在能够进行了；(3)简化了仪表，实现了集中控制；简

12、化了仪表，实现了集中控制；(4)具有数据处理功能，以及专家推断、分析与决策功能。具有数据处理功能，以及专家推断、分析与决策功能。第15页，此课件共84页哦2.计算机模拟信号测试系统的基本结构计算机模拟信号测试系统的基本结构（1）单通道数据采集）单通道数据采集 只有一个被采集的模拟信号。只有一个被采集的模拟信号。第16页，此课件共84页哦（2）多通道数据采集）多通道数据采集 多路多路AD转换方式转换方式 第17页，此课件共84页哦（2）多通道数据采集）多通道数据采集 多路多路AD转换方式转换方式 每路信号都有独立的采样保持电路每路信号都有独立的采样保持电路S/H，A/D转换电路及转换电路及I/O

13、接口电路，每接口电路，每一路占一个通道。一路占一个通道。通道数增加，最高采用率不会受到影响，可同时采集多路数据信号，通道数增加，最高采用率不会受到影响，可同时采集多路数据信号，保持了各信号间的同步性。保持了各信号间的同步性。用于高速采集和需要同时采集多路数据的系统。用于高速采集和需要同时采集多路数据的系统。第18页，此课件共84页哦 多路共享多路共享AD转换方式转换方式 第19页，此课件共84页哦 多路共享多路共享AD转换方式转换方式 输入信号进入各路采样保持电路，然后由多路开关可选择地将各路信号送输入信号进入各路采样保持电路，然后由多路开关可选择地将各路信号送入入A/D转换器进行转换。转换器

14、进行转换。转换速度要慢一些，且各路信号是断续的。转换速度要慢一些，且各路信号是断续的。通道数增加时，采用频率受到影响。通道数增加时，采用频率受到影响。适用于对采集率要求不高的多路信号采集系统。适用于对采集率要求不高的多路信号采集系统。第20页，此课件共84页哦 多路开关转换方式多路开关转换方式 第21页，此课件共84页哦 多路开关转换方式多路开关转换方式 这种方式的转换速度比以上两种方式都慢，但节省硬件。这种方式的转换速度比以上两种方式都慢，但节省硬件。不能同时采到同一时刻的各种参数。不能同时采到同一时刻的各种参数。适用于采集多路变化缓慢的信号，如温度变化信号、应变信号等。适用于采集多路变化缓

15、慢的信号，如温度变化信号、应变信号等。第22页，此课件共84页哦3 3数据采集数据采集 （1 1）采样定理）采样定理 信号的采样信号的采样 将一个连续时间函数将一个连续时间函数e(t)用时间离散的连续函数用时间离散的连续函数e*(t)来表来表示。示。把时间上连续的模把时间上连续的模拟信号，转变为时间上拟信号，转变为时间上离散的信号。离散的信号。这一过程称为信号这一过程称为信号的采样。的采样。第23页，此课件共84页哦采样周期采样周期T T：两次采样之间的时间间隔。两次采样之间的时间间隔。一一 个个 带带 宽宽 为为(0-fm(0-fm)的的 信信 号号e(t)e(t)，用用 间间 隔隔 时时

16、间间 为为：T1/2fm T1/2fm 的若干个采样值来代表。的若干个采样值来代表。若用采样值表示原来的信号若用采样值表示原来的信号e(t)e(t)，只要将采样值通过一个截，只要将采样值通过一个截止频率为止频率为fmfm低通滤波器即可还原低通滤波器即可还原e(t)e(t)。第24页，此课件共84页哦 采样周期采样周期T T越小，越接越小，越接近连续系统，采样精度越高。近连续系统，采样精度越高。但这将加重计算机的但这将加重计算机的负担，因此合理选择采样负担，因此合理选择采样周期显得非常重要。周期显得非常重要。取：取：第25页，此课件共84页哦 信号保持：信号保持：在采样时信号应保持幅值不变，直到

17、变换完成。在采样时信号应保持幅值不变，直到变换完成。第26页，此课件共84页哦（2）采样保持电路）采样保持电路 在微机测试系统中，由于在微机测试系统中，由于AD转换器转换器的转换过程需要一定的时间，在的转换过程需要一定的时间，在AD转换器转换转换器转换过程中必须保持参数值不变，完成上述功能的电路称：过程中必须保持参数值不变，完成上述功能的电路称：采样保持采样保持(SampleHold)电路。电路。第27页，此课件共84页哦A1-输入输出缓冲运算放大器输入输出缓冲运算放大器A2-逻辑输入控制的开关电路。逻辑输入控制的开关电路。第28页，此课件共84页哦 在采样期间，开关在采样期间，开关S是闭合的

18、。输入信号是闭合的。输入信号Ui经高增经高增益的放大器益的放大器A1输出，向电容输出，向电容C充电。充电。第29页，此课件共84页哦 在保持期间，开关在保持期间，开关S断开，由于断开，由于A2运算放大器输入运算放大器输入阻抗很高，在理想情况下，电容阻抗很高，在理想情况下，电容C上的电压将保持充电上的电压将保持充电时的最终值。时的最终值。第30页，此课件共84页哦4.数数/模（模（D/A）转换器）转换器 功能：将输入功能：将输入D/A转换器的数字量转换成模拟量。转换器的数字量转换成模拟量。方法：利用译码电路控制方法：利用译码电路控制D/A内部的电阻网络开关，输出与数内部的电阻网络开关，输出与数字

19、量字量D呈比例的模拟电压呈比例的模拟电压VA。VA第31页，此课件共84页哦数字量数字量D与模拟量与模拟量VA的关系：的关系：式中：式中：开关开关 ：向左：向左：向右：向右：第32页，此课件共84页哦 电路中的电阻值与二进制数码每位的权有关，称权电电路中的电阻值与二进制数码每位的权有关，称权电阻电路。阻电路。二进制数码控制二进制数码控制 的开与关，的开与关，该该路电阻与基准电压路电阻与基准电压 接通；接通；该路电阻与该路电阻与地接通。地接通。在转换器的输出端由运算放大器把各个支路在转换器的输出端由运算放大器把各个支路产生的电流线性叠加且转换为电压输出。产生的电流线性叠加且转换为电压输出。第33

20、页，此课件共84页哦第34页，此课件共84页哦5.逐次逼近型逐次逼近型AD转换器转换器 工作原理工作原理 组成：组成：N位寄存器、位寄存器、N位位DA转换器、比较器以及控制转换器、比较器以及控制逻辑。逻辑。第35页，此课件共84页哦 在比较器中与被转换的模拟量在比较器中与被转换的模拟量VxVx进行比较：进行比较：若若VxVcVxVc：则：则 D DN N=1=1；若；若VxVcVxVc：则：则D DN N=0=0；再再对对D DN N1 1位位进进行行比比较较，使使D DN N1 1=1=1，与与上上一一位位D DN N一一起起进进入入D DA A转转换换器器，转转换换后后再再进进入入比比较较

21、器器，再再与与VxVx比比较较，如如此此一一位位一位地继续下去，直到最后一位一位地继续下去，直到最后一位D D0 0比较完毕为止。比较完毕为止。N N位寄存器的数字量即为位寄存器的数字量即为VxVx所对应的数字量。所对应的数字量。由控制器使寄存器由控制器使寄存器D DN N=1=1，经，经D DA A转换成模拟转换成模拟量量VcVc（满量程一半）送（满量程一半）送到比较器。到比较器。第36页，此课件共84页哦 这种比较方法类似于对分搜索。这种比较方法类似于对分搜索。一一个个N N位位A AD D转转换换器器只只需需比比较较N N次次，由由此此可可见见，逐逐次次逼逼近近型型A AD D转转换换器

22、器速速度度比比较较快快，因因而而得得到到了了广广泛泛的的应应用用。目目前前，很很多多集集成成电电路路A AD D转转换换器器，大大都都是是采采用用这这种原理。如：种原理。如：8 8位的位的ADC0804ADC0804、ADC0809ADC0809；1010位的位的AD7570AD7570；1212位的位的AD574AD574。第37页，此课件共84页哦6.A6.AD D转换器的技术指标转换器的技术指标 (1)(1)分辨率：分辨率：分辨度是分辨度是A AD D转换器对微小输入量变化的敏感程度。对转换器对微小输入量变化的敏感程度。对于一个于一个N N位的位的A AD D转换器，其分辨度为转换器，其

23、分辨度为 分辨度分辨度 满刻度值满刻度值实际上分辨度就等于实际上分辨度就等于1LSB1LSB。(2)(2)转换时间和转换率转换时间和转换率 A AD D转换器完成一次转换所需要的时间叫转换时间。转换器完成一次转换所需要的时间叫转换时间。AD574 AD574 转换时间转换时间15s15s第38页，此课件共84页哦 四四.脉冲信号的采集脉冲信号的采集 脉冲频率与周脉冲频率与周期；期；脉冲个数的检脉冲个数的检测；测；脉冲宽度的检脉冲宽度的检测。测。第39页，此课件共84页哦脉冲频率检测电路：脉冲频率检测电路：信号频率：信号频率：第40页，此课件共84页哦脉冲宽度检测（测周法）：脉冲宽度检测（测周法

24、）：第41页，此课件共84页哦五计算机测试系统的设计五计算机测试系统的设计 1 1设计任务设计任务 （1）主机选型）主机选型 对于以测试对于以测试(或控制或控制)为主要任务的工程设计，为主要任务的工程设计，一般选择现有合适的微机产品。一般选择现有合适的微机产品。（2）输入通道结构）输入通道结构 按照测试参数的多少，采样频率的高按照测试参数的多少，采样频率的高低等来选择输入通道的数量。低等来选择输入通道的数量。（3）输出通道结构）输出通道结构 根据测试系统的功能要求，确定是否需根据测试系统的功能要求，确定是否需要打印机打印数据，是否需要绘图仪绘制动态参数图形，要打印机打印数据，是否需要绘图仪绘制

25、动态参数图形，是否需要各种形式的超限报警设施等。是否需要各种形式的超限报警设施等。第42页，此课件共84页哦2 2输入通道电路的设计分析输入通道电路的设计分析 （1 1）传感器选型）传感器选型 在在计计算算机机测测试试系系统统中中，传传感感器器是是影影响响系系统统性性能能的的主主要要因因素素之之一一。根根据据测测试试的的参参数数是是压压力力、温温度度，选选择择对对应应的的温温度度、压压力力传传感感器器。对对于于间间接接测测量量，首首先先要要找找出出直直接接测测量量参参数数，然然后后根根据据参参数数选选择择合合适适的的传感器。传感器。第43页，此课件共84页哦（2 2）A AD D转换器的选择：

26、转换器的选择：按被测参数的精度，计算按被测参数的精度，计算A AD D的分辨率。的分辨率。例例：分分配配到到A AD D转转换换器器的的允允许许误误差差为为0 01 1，以以此此作作为量化误差，则为量化误差，则A AD D的数字量位数应满足关系式：的数字量位数应满足关系式：取取n=10时：时：第44页，此课件共84页哦 AD转换器的输入电压：转换器的输入电压：按单极性设计，选为：按单极性设计，选为：0 10V；按双极性设计，选为：按双极性设计，选为：-5 +5V。（3 3）转换数码与模拟电压值的对应关系：）转换数码与模拟电压值的对应关系：单极性 0 10V：双极性-5 +5V：V 模拟电压值；

27、模拟电压值；N N 转换数码；转换数码；A A 满量程电压；满量程电压；n n 转换器位数。转换器位数。第45页，此课件共84页哦一、基本功能：一、基本功能：1.对输入输出通道的控制管理功能；对输入输出通道的控制管理功能；2.测试数据的处理功能；测试数据的处理功能；3.系统本身自检测和自诊断功能；系统本身自检测和自诊断功能；4.软件开发和调试修改用的系统监控操作软件开发和调试修改用的系统监控操作 功能等。功能等。5.3 5.3 测试软件设计测试软件设计第46页，此课件共84页哦二、数字滤波程序的设计二、数字滤波程序的设计 a.a.硬件滤波：硬件滤波：在工业过程控制系统中，由于被控对象的环境比较

28、在工业过程控制系统中，由于被控对象的环境比较恶劣，干扰源比较多，在模拟系统中为了消除干扰，常恶劣，干扰源比较多，在模拟系统中为了消除干扰，常常采用常采用RCRC滤波电路。滤波电路。b.b.软件滤波：软件滤波：由微型机组成的自动检测系统中，为了减少对采样由微型机组成的自动检测系统中，为了减少对采样值的干扰，提高系统的可靠性，采用数字滤波的方法值的干扰，提高系统的可靠性，采用数字滤波的方法（程序滤波）。（程序滤波）。第47页，此课件共84页哦 数数字字滤滤波波是是通通过过一一定定的的计计算算程程序序对对采采样样信信号号进进行行平平滑滑加加工工，提提高高其其有有用用信信号号，消消除除或或减减少少各各

29、种种干干扰扰和和噪噪音音，以以保保证证计算机系统的可靠性计算机系统的可靠性优点：优点：（1 1）不不需需增增加加任任何何硬硬设设备备，只只要要在在程程序序进进入入数数据据处理和控制算法之前，附加一段数字滤波即可。处理和控制算法之前，附加一段数字滤波即可。（2 2）由由于于数数字字滤滤波波器器不不需需增增加加硬硬设设备备，所所以以系系统统可可靠靠性高，不存在阻抗匹配问题。性高，不存在阻抗匹配问题。（3 3）模模拟拟滤滤波波滞滞是是每每个个通通道道都都有有，而而数数字字滤滤波波器器则则可可以多个通道共用，降低成本。以多个通道共用，降低成本。第48页，此课件共84页哦（4 4）可对频率很低的信号进行

30、滤波，而模拟滤波器）可对频率很低的信号进行滤波，而模拟滤波器由于受电容容量的影响，频率不能太低。由于受电容容量的影响，频率不能太低。（5 5）使用灵活，方便，可根据需要选择不同的滤波）使用灵活，方便，可根据需要选择不同的滤波方法，或改变滤波器的参数。方法，或改变滤波器的参数。数字滤波具有上述优点，在计算机测试与控制系统数字滤波具有上述优点，在计算机测试与控制系统中得到了广泛的应用。中得到了广泛的应用。第49页，此课件共84页哦 1.1.程序判断滤波程序判断滤波 当当采采样样信信号号由由于于随随机机干干扰扰和和误误检检测测或或者者变变送送器器不不稳稳定而引起严重失真时，可采用程序判断滤波。定而引

31、起严重失真时，可采用程序判断滤波。方法方法:根根据据生生产产经经验验，确确定定两两次次采采样样输输入入信信号号可可能能出出现现的的最最大大偏偏差差YY，若若超超过过此此偏偏差差值值，则则表表明明该该输输入入信信号号是是干干扰扰信信号号，应应该该去去掉掉；若若小小于于此此偏偏差差值值，可可将将信信号号做做为为本本次次采样值。采样值。第50页，此课件共84页哦式中，式中，Y Y（k k）-第第k k次采样值；次采样值；y(ky(k一一1)-1)-第第k-1k-1次采样值；次采样值；Y-Y-两次采样值所允许的最大扁差。两次采样值所允许的最大扁差。取本次采样值取本次采样值取上次采样值取上次采样值第51

32、页，此课件共84页哦程序判断滤波应用场合：程序判断滤波应用场合：用于变化比较缓慢的参数，如温度、物位等测量系统。用于变化比较缓慢的参数，如温度、物位等测量系统。程序判断滤波关键问题：最大允许误差程序判断滤波关键问题：最大允许误差YY的选取。的选取。YY太大，各种干扰信号将太大，各种干扰信号将“乘机而入乘机而入”使系统误差增大；使系统误差增大；YY太太小小，将将会会使使某某些些有有用用信信号号也也被被拒拒之之门门外外，使使计计算算机机采样效率变低。采样效率变低。门门限限值值YY的的选选取取是是非非常常重重要要的的。通通常常可可根根据据经经验验数数据据获获得得，必要时可由实验得出。必要时可由实验得

33、出。第52页，此课件共84页哦 2.2.中值滤波程序中值滤波程序 对对被被测测参参数数连连续续采采样样n n次次(n(n取取奇奇数数)，然然后后把把n n次次的的采采样样从从小小到到大大(或从大到小或从大到小)排队，取中间值作为本次采样值。排队，取中间值作为本次采样值。特特点点：中中值值滤滤波波程程序序对对于于去去掉掉脉脉冲冲性性质质的的干干扰扰比比较较有有效效，但对快速变化过程的参数但对快速变化过程的参数(如流量如流量)则不宜采用。则不宜采用。改改变变循循环环次次数数n n，则则可可推推广广到到对对任任意意采采样样值值进进行行中中值值滤滤波波，n n值越大滤波效果越好。值越大滤波效果越好。总

34、总的的采采样样控控制制时时间间将将增增长长，所所以以n n值值不不不不能能太太大大(般般取取5 59 9即可即可)。第53页，此课件共84页哦 3.3.算术平均滤波程序算术平均滤波程序 把把N N个采样区相加，然后取其算术平均作为本次个采样区相加，然后取其算术平均作为本次采样值，即：采样值，即：式中：式中：-第第k k次次N N个采样值的算术平均值；个采样值的算术平均值；-第第i i次采样值，次采样值，N -N -采样次数采样次数 第54页，此课件共84页哦特点：特点：算算术术平平均均滤滤波波程程序序主主要要用用于于对对压压力力、流流量量等等周周期期脉脉动的采样值进行平滑加工。动的采样值进行平

35、滑加工。平平均均次次数数N N，取取决决于于平平滑滑度度和和灵灵敏敏度度随随着着N N值值的的增增大大，平平滑滑度度提提高高，灵灵敏敏度度降降低低通通常常流流量量取取1212次次，压力取压力取4 4次。温度如无噪声可不平均。次。温度如无噪声可不平均。第55页，此课件共84页哦4.五点三次平滑五点三次平滑（1）（2）（3）（4）（5）第56页，此课件共84页哦 在多个采样值中：在多个采样值中：前前2个平滑数分别用式（个平滑数分别用式（1）和式（）和式（2）；）；最后最后2个平滑数分别用式（个平滑数分别用式（4）和式（）和式（5）；）；其余均采用式（其余均采用式（3）（1）（2）（3）（4）（5）

36、第57页，此课件共84页哦三、标度变换三、标度变换 对线性仪表系统，标度变换公式为：对线性仪表系统，标度变换公式为：式中：式中：-测量仪表的下限值；测量仪表的下限值；-测量仪表的上限；测量仪表的上限；-实际测量值实际测量值(工程量工程量)；-仪表下限所对应的数字量：仪表下限所对应的数字量：-仪表上限所对应的数字量：仪表上限所对应的数字量：-测量值所对应的数字量。测量值所对应的数字量。第58页，此课件共84页哦式中：式中：A A0 0，AmAm，N N0 0，Nm Nm 对于某对于某个固定的被测参数来个固定的被测参数来说是常数，为了使程序简单，把被测参数的起点说是常数，为了使程序简单，把被测参数

37、的起点A A0 0 (输入信号为输入信号为0)0)所对应的所对应的A AD D转换器值定为转换器值定为0 0，即，即N N0 0=0=0，则：，则：第59页，此课件共84页哦例：压力测量。已知：压力传感器输入例：压力测量。已知：压力传感器输入0-1.6MPa，输出输出2-10V，12位位AD转换器输入范围转换器输入范围0-10V。求：。求：AD转换器转换器输出值为输出值为3600时，对应的压力时，对应的压力 解：解：12位位AD转换器输入范围转换器输入范围0-10V，输出：，输出：0-4095；输入输入2V电压时，电压时，AD值为：值为：819。第60页，此课件共84页哦一、概述一、概述1.D

38、DC系统：计算机直接参与闭环控制过程。系统：计算机直接参与闭环控制过程。2.操作功能：操作功能：从被控对象中获取各种信息；从被控对象中获取各种信息；执行能够反映控制规律的控制算法，把计算结果以一定形执行能够反映控制规律的控制算法，把计算结果以一定形式送到执行器和式送到执行器和(或或)显示报警装置；显示报警装置；实现操作人员实现操作人员控制台控制台微型计算机系统之间的联系等。微型计算机系统之间的联系等。DDC系统特有的功能：系统特有的功能：“执行能够反映控制规律的控制算法执行能够反映控制规律的控制算法”和和“把把计算结果以一定形式送到执行器计算结果以一定形式送到执行器”。5.4 5.4 直接数字

39、控制系统直接数字控制系统第61页，此课件共84页哦3.核心功能：核心功能：控制规律是反映计算机控制系统性能的核心。控制规律是反映计算机控制系统性能的核心。执行控制算法，以实现控制规律。执行控制算法，以实现控制规律。直接对几十以至几百个控制回路进行自动巡回直接对几十以至几百个控制回路进行自动巡回检测和数字控制。检测和数字控制。第62页，此课件共84页哦 DDC是利用计算机的分时处理能力对多个回路完成多种控制是利用计算机的分时处理能力对多个回路完成多种控制的一种计算机控制方式。的一种计算机控制方式。第63页，此课件共84页哦4.模拟调节与模拟调节与DDC控制的比较控制的比较第64页，此课件共84页

40、哦第65页，此课件共84页哦5.DDC系统具备的功能系统具备的功能直接控制程序直接控制程序;数据处理程序数据处理程序;控制模型程序控制模型程序;报警程序报警程序;操作指导程序操作指导程序;数据记录程序数据记录程序;人机联系程序等。人机联系程序等。第66页，此课件共84页哦6.DDC系统应用场合系统应用场合.过程回路很多的大规模生产过程；过程回路很多的大规模生产过程；.被控参数需要进行一些计算的生产过程；被控参数需要进行一些计算的生产过程；.各参数间相互关联的生产过程；各参数间相互关联的生产过程；.原料、产品和产量经常变更的生产过程；原料、产品和产量经常变更的生产过程；.具有较大滞后时间的工业对

41、象。具有较大滞后时间的工业对象。第67页，此课件共84页哦二、二、DDC基本算法基本算法 DDC的基本算法：的基本算法：将将控控制制模模型型数数字字化化，通通过过计计算算机机数数字字运运算算来来实实现现对对生生产产过程的控制。过程的控制。PID调调节节器器在在模模拟拟控控制制系系统统中中应应用用最最为为广广泛泛、技技术术最最成成熟熟，参参数数选选择择与与调调整整都都在在长长期期的的应应用用中中积积累累了了丰丰富富的的经经验验，且且这这些些经验和方法为广大工程技术人员所熟悉。经验和方法为广大工程技术人员所熟悉。基基本本的的DDC算算法法：利利用用数数字字PID调调节节器器取取代代模模拟拟调调节节

42、器器，编制编制PID算法的程序。即：算法的程序。即：PIDPID调节规律的数字化调节规律的数字化。第68页，此课件共84页哦 实实践践证证明明：数数字字化化PID能能取取得得近近似似于于PID模模拟拟调调节节器器的的控控制制效效果果，而且在很多方面具有突出的优势：而且在很多方面具有突出的优势：i可可用用一一台台微微型型计计算算机机控控制制几几十十个个回回路路，大大量量节节省省设设备备和费用，提高了系统的可靠性；和费用，提高了系统的可靠性；.不不仅仅用用软软件件代代替替了了物物理理的的PID调调节节器器，而而且且由由于于编编程程灵灵活活，可可以以很很方方便便地地对对PID规规律律进进行行各各种种

43、改改进进，衍衍生生多多种种形形式式的的PID算算法法，如带死区的如带死区的PID、带自动比率的、带自动比率的PID等。等。PID参数的调整也只要改变程序的数据，十分方便。参数的调整也只要改变程序的数据，十分方便。第69页，此课件共84页哦1.1.模拟模拟PIDPID控制控制 在连续控制系统中，在连续控制系统中，PIDPID控制器的输出控制器的输出u(t)u(t)与输入与输入e(t)e(t)之间成比例、积之间成比例、积分、微分的关系。即分、微分的关系。即式中式中：e(t)=r(t)-y(t)e(t)=r(t)-y(t)，设定值，设定值r(t)r(t)与测量值与测量值y(t)y(t)的偏差。的偏差

44、。KpKp为比例增益，为比例增益，T TI I为积分时间常数，为积分时间常数，T TD D为微分时间常数。为微分时间常数。第70页，此课件共84页哦式中：式中：u(t)u(t)模拟调节器输出；模拟调节器输出；e(t)e(t)控制偏差；控制偏差；K Kp p比例系数；比例系数；T TI I积分时间常数；积分时间常数；T TD D微分时间常数。微分时间常数。第71页，此课件共84页哦上式可写成传递函数形式：上式可写成传递函数形式：第72页，此课件共84页哦 在在DDC系统中，用数字运算实现系统中，用数字运算实现PID的调节规律。的调节规律。PID基本算法基本算法理想理想PID实际实际PID比例积分

45、运算相同，微分项不同比例积分运算相同，微分项不同2.数字数字PID控制控制 位置式位置式增量式增量式速度式速度式位置式位置式增量式增量式第73页，此课件共84页哦位置式理想位置式理想PID算法：算法：计算机控制是采样控制，要根据采样时刻的偏差值计算控计算机控制是采样控制，要根据采样时刻的偏差值计算控制量制量 式中的积分和微分不能直接使用，需要进行离散化处理。即用数值计算式中的积分和微分不能直接使用，需要进行离散化处理。即用数值计算方法逼近，用差分方程代替连续系统的微分方程，此时：方法逼近，用差分方程代替连续系统的微分方程，此时：积分项积分项用求和方式表示；用求和方式表示；微分项微分项用增量式表

46、示。用增量式表示。第74页，此课件共84页哦式中：式中：T T采样周期，采样周期，e(k)e(k)第第k k次采样时刻输入的偏差值；次采样时刻输入的偏差值；e(k-1)e(k-1)第第(k-1)(k-1)次采样时刻输入的偏差值；次采样时刻输入的偏差值；k k采样时刻序号，采样时刻序号，k=0,1,2 k=0,1,2。求求和和方方式式增增量量方方式式第75页，此课件共84页哦为方便将为方便将e(t)简化表示为简化表示为e(k)，得到离散后的数字，得到离散后的数字PIDPID算法算法：将将：代入：代入：第76页，此课件共84页哦式中：式中：K KP P比例系数；比例系数；T TI I积分时间常数；

47、积分时间常数；T TD D微分时间常数；微分时间常数；T T采样周期；采样周期；k k采样序号，采样序号，k=0,1,2,k=0,1,2,；u(k)u(k)第第k k次采样时刻的计算机输出值；次采样时刻的计算机输出值；e(k)e(k)第第k k次采样时刻输入的偏差值；次采样时刻输入的偏差值；e(k-1)e(k-1)第第(k-1)(k-1)次采样时刻输入的偏差值。次采样时刻输入的偏差值。第77页，此课件共84页哦 控制器输出值控制器输出值u(k)直接控制执行机构直接控制执行机构(如阀门如阀门)，u(k)与执行与执行机构的位置机构的位置(如阀门开度如阀门开度)将一一对应，称位置式将一一对应，称位置

48、式PID控制算法。控制算法。缺点：缺点：由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对算时要对e(k)进行累加，计算机运算的工作量大。进行累加，计算机运算的工作量大。计算机的输出与执行机构的实际位置相对应，若计算计算机的输出与执行机构的实际位置相对应，若计算机出现故障，机出现故障，u(k)的大幅度变化，会引起执行机构的位置的大幅度变的大幅度变化，会引起执行机构的位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故。重大的生产事故。第78页，此

49、课件共84页哦 理想增量式理想增量式PID算法算法 当数字当数字PID的输出值的输出值u(t)是执行器位置的增量时，称增量是执行器位置的增量时，称增量式式PID算法。算法。增量式数字增量式数字PID的输出增量是前后的输出增量是前后2次采样所对应的输次采样所对应的输出差值：出差值：，将将得：得：两式相减得：两式相减得：代代入入第79页，此课件共84页哦若：若：积分系数积分系数 微分系数，得：微分系数，得：以上两式称：理想增量式以上两式称：理想增量式PID算法，其输出算法，其输出 表表示：阀位在第示：阀位在第k-1次采样时刻输出基础上的增量。次采样时刻输出基础上的增量。第80页，此课件共84页哦速

50、度式速度式PID算法算法 当数字当数字PID的输出值的输出值u(t)是指直流伺服电机的转速是指直流伺服电机的转速时，称速度式时，称速度式PID算法。算法。将：将：两边除以两边除以T，即为速度式，即为速度式PID算法：算法：由于由于T为常数，为常数，v(t)与与u(t)无本质差别。无本质差别。第81页，此课件共84页哦 在实际应用中，增量式在实际应用中，增量式PID算法应用较多，与位置式相比，增算法应用较多，与位置式相比，增量式量式PID的优点如下：的优点如下：.位置式位置式PID算法中的积分项包含了过去误差的累积值算法中的积分项包含了过去误差的累积值e(t)，容易，容易产生累积误差。当该项累积