直接数字控制系统-精选文档
75页1、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
2、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 DDC系统的结构框图 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 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 11 2 1概述 过程通道 过程输入输出通道的结构 模板式模块式 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 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
3、1 模拟量输入通道的结构 多路共用采集电路分时采集 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 通过多路模拟开关将多路参数分时送入计算机 2 模拟量输入通道的组成 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 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 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 A 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
4、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 3 模拟量输入通道A D转换器的选择 A 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 分辨率与量化误差 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 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 转换速率 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 A D转换器的分类 根据转换原理分
5、 逐次比较式 积分式 并行比较式 改进型 转换时间一般在 s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 A 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 A 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 输入信号
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