1、Fundamentals of Control Technology 項目五 過程控制系統(tǒng) 任務(wù)三 計算機控制技術(shù)與系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)模擬量開關(guān)量脈沖量數(shù)字量控制系統(tǒng)信號類型模擬量信號：指在時間上是連續(xù)的，在幅值上也是連續(xù)變化的信號。開關(guān)量信號：指隨時間離散變化的信號，如閥門的開與關(guān)、水泵的運行與停止。脈沖量信號：指隨時間離散變化，但可以用數(shù)字來表征的信號，如渦輪流量計、電量表等所測的信號。數(shù)字量信號：指可用二進制數(shù)來表示的信號，可以直接被計算機接受。計算機控制系統(tǒng)硬件組成計算機控制系統(tǒng)硬件組成主機 主機通過接口向系統(tǒng)各部分發(fā)出各種命令，同時對系統(tǒng)的各過程參數(shù)巡回檢測、數(shù)據(jù)處理、性

2、能計算、報警分析、故障定位、操作指導(dǎo)、閉環(huán)控制等。 計算機與各種功能模板之間是通過內(nèi)部總線連接的，以完成系統(tǒng)內(nèi)部各模板之間的信息傳送。計算機系統(tǒng)與系統(tǒng)之間通過外部總線進行信息交換和通信。 計算機控制系統(tǒng)硬件組成通用外部設(shè)備通用外部設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備外存儲器常用的輸入設(shè)備是鍵盤，用來輸入程序、數(shù)據(jù)和操作命令，可以通過并行或串行接口與計算機連接，根據(jù)鍵碼的安排，可分為標準鍵盤和專用鍵盤兩種。常用的輸出設(shè)備是CRT顯示器、打印機、繪圖儀等，它們以字符、曲線、表格和圖形等形式來反映生產(chǎn)過程的工況和控制信息。常用的外存儲器是磁盤、磁帶和光盤，它們兼有輸入和輸出兩種功能，用來存放程序和數(shù)據(jù)，作為內(nèi)存儲器

3、的后備存儲設(shè)備。計算機控制系統(tǒng)硬件組成過程輸入輸出設(shè)備計算機控制系統(tǒng)硬件組成人機聯(lián)系設(shè)備 亦稱人機接口，操作人員與計算機之間的信息交換是通過人機聯(lián)系設(shè)備進行的。例如，CRT顯示器和鍵盤，專用的操作顯示面板或操作顯示臺等。 人機聯(lián)系設(shè)備的作用：顯示生產(chǎn)過程的狀況；供生產(chǎn)操作人員操作；顯示操作結(jié)果。計算機控制系統(tǒng)硬件組成通信設(shè)備 現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程的規(guī)模一般比較大，對生產(chǎn)過程的控制和管理也很復(fù)雜，往往需要幾臺或幾十臺計算機才能分級完成控制和管理任務(wù)，這樣，在不同地理位置、不同功能的計算機或設(shè)備之間就需要通過通信設(shè)備進行信息交換。為此，需要把多臺計算機或設(shè)備連接起來，構(gòu)成計算機通信網(wǎng)絡(luò)。計算機通信網(wǎng)

4、絡(luò)是計算機控制系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)和信息集成的基礎(chǔ)。模擬量輸入通道組成結(jié)構(gòu)信號處理包括小信號放大、信號濾波、信號衰減、阻抗匹配、電平轉(zhuǎn)換、非線性補償、I/V變換等 。利用多路開關(guān)將各個輸入信號依次地或隨機地連接到公用放大器或A/D轉(zhuǎn)換器 。模入通道中信號放大器的作用主要是電平放大、阻抗匹配以及通道的抗共模干擾。 A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓或電流轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，它是模擬量輸入通道的核心部件 模擬量輸入通道多路開關(guān)模擬量輸入通道模擬量信號的采樣理想的采樣應(yīng)該是抽取模擬量信號的瞬間函數(shù)值。模擬量輸入通道采樣器的采樣過程模擬量輸入通道采樣器的采樣過程 采樣信號僅對時間是離散的，而信號的值依然是模擬量值，故被稱為離散

5、的模擬量信號。 數(shù)字信號是指量化的離散模擬量信號，即數(shù)字信號X（nT）不僅在時間上是離散的，而且在數(shù)值上也是離散的。 量化：采用一組數(shù)碼（如二進制編碼）來逼近離散模擬量信號的幅值，并將其值用該數(shù)碼表示出來。 模擬量輸入通道采樣保持器 零階保持器把當(dāng)前采樣時刻nT的采樣值X（nT），簡單地保持到下一個采樣時刻（n+1）T，即零階保持器僅僅是根據(jù)nT時刻的采樣值按常數(shù)往外推，直到下一個采樣時刻（n+1）T，然后換成新的采樣值X(n+1)T再繼續(xù)外推。 模擬量輸入通道采樣保持電路 采樣/保持電路有兩種工作方式：先處于跟蹤方式（采樣方式），然后是保持方式。模擬量輸入通道A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標分辨率

6、精度轉(zhuǎn)換時間線性誤差量程對基準電源的要求分辨率是衡量A/D轉(zhuǎn)換器分辨輸入模擬量最小變化程度的性能指標，分辨率越高，轉(zhuǎn)換時對輸入模擬量微小變化的反應(yīng)越靈敏。 有絕對精度和相對精度兩種表示方法，絕對精度常用數(shù)字量的位數(shù)表示，相對精度用滿量程的百分數(shù)表示 。指A/D轉(zhuǎn)換器完成一次模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換所需要的時間。 在滿量程輸入范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差定義為線性誤差。 所能轉(zhuǎn)換的輸入電壓范圍。 基準電源的精度對整個系統(tǒng)的精度產(chǎn)生很大的影響。 模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)形式1模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)形式2模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)形式3模擬量輸出通道 模擬量輸出通道是計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)控制輸出的關(guān)鍵，它的任務(wù)是把計算

7、機輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化成模擬電壓或電流信號，以便驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，達到控制的目的。模擬量輸出通道D/A轉(zhuǎn)換模擬量輸出通道D/A轉(zhuǎn)換性能指標分辨率建立時間線性誤差當(dāng)輸入數(shù)字量發(fā)生單位數(shù)碼變化即最低有效位LSB（Least Significent Bit）產(chǎn)生一次變化時，輸出模擬量對應(yīng)的變化量。輸入數(shù)字信號的變化量是滿量程時，輸出模擬量信號達到終值1/2LSB所需要的時間。在滿量程輸入范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性（線性）的最大誤差定義為線性誤差。模擬量輸出通道結(jié)構(gòu)形式1模擬量輸出通道結(jié)構(gòu)形式2數(shù)字量輸入/輸出通道由數(shù)據(jù)總線緩沖器/驅(qū)動器、輸入/輸出口地址譯碼器、讀、寫等控制信號組成。 對外部輸入的信號起

8、緩沖、增強以及選通的作用，CPU通過讀緩沖器輸入數(shù)據(jù)。 鎖存CPU送來的輸出數(shù)據(jù)，供外部設(shè)備使用。 I/O電氣部分的功能主要是濾波、電平轉(zhuǎn)換、隔離和功率驅(qū)動等。PLC模擬量處理實例SQ1SQ2SB1SQ3SQ4SB2Q0.01MKM2I0.0KM1I0.1I0.2Q0.1KM2I0.3Q0.2KM3KM1KM4I0.4I0.5 1LAC Q0.3KM3KM4FR1FR2ML+NLQ1.0Q1.7+24V-AC220VML+A+M0A-V0B+B-+DC010V-STUCS7-226EM235預(yù)設(shè)的溫度信號模擬量信號輸入 （檢測的溫度）模擬量拓展模塊模擬量信號輸出單極性全量程DC010V，對應(yīng)數(shù)

9、字量輸出032000，被測物理量y（以此題為例，可測溫度范圍099。c）與A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量x比例關(guān)系：實際溫度y通過 溫度變送器變成對應(yīng)010V的電壓值， PLC通過A/D模塊變成032000數(shù)字量 被測物理量：y=（99-0）*（x-0）/（32000-0)度DC420mA，對應(yīng)數(shù)字量輸出640032000，被測物理量y（以此題為例，可測溫度范圍t99。c） 被測物理量：y=（99-t）*（x-6400）/（32000-6400)度計算機控制系統(tǒng)的分類數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) DAS（Data Acquisition System）直接數(shù)字控制系統(tǒng) DDC（Direct Digital Contro

10、l System） 監(jiān)督控制系統(tǒng) SCC (Supervisory Computer Control)集散控制系統(tǒng) DCS（Distributed Control System）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) FCS（Fieldbus Control System） DAS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) DAS系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活和安全。缺點是要由人工操作，速度受到限制，不能控制多個對象。 DDC直接數(shù)字控制系統(tǒng) DDC系統(tǒng)的主要特點是自動化程度高，調(diào)節(jié)速度快；因為程序可變性強，故控制靈活性大，由于節(jié)省了大量的模擬調(diào)節(jié)儀表，因而經(jīng)濟上比較合算，被控系統(tǒng)越大，這種經(jīng)濟效果越顯著。由于DDC系統(tǒng)的計算機直接承擔(dān)控制任務(wù)，所以要求實時性好，可靠性高和適應(yīng)性強。 SCC監(jiān)督控制系統(tǒng) SCC系統(tǒng)的優(yōu)點是能使生產(chǎn)過程始終在最合理的狀態(tài)下運行，避免了不同的運行人員調(diào)整調(diào)節(jié)器設(shè)定值所帶來的控制偏差。缺點是由于生產(chǎn)過程的復(fù)雜性，其數(shù)學(xué)模型的建立是比較困難的，所以實現(xiàn)起來有一定難度。 DCS集散控制系統(tǒng)DCS集散控制系統(tǒng) FCS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線對