计算机控制技术要点.docx

一概述1 计算机控制系统的概念1.1 自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产 过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程自动控制的系统1.2 计算机控制系统的工作步骤 实时数据采集，实时控制决策，实时控制输出1.3 常用术语 ：计算机控制系统与生产设备直接相连，并受计算机控制的方式 离线：与方式相反实时：实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定的时间内对外来事件做出反应 的特性2 个要素：其一：根据工业生产过程出现的事件能够保持多长的时间；其二：该事 件要求计算机在多长的时间以内必须做出反应2 计算机系统的组成2.1 硬件：一般是由计算机、外部设备、输入输出通道和操作台等组成2.2 软件：系统软件，应用软件（数据采集与监视、控制计算与输出、公共服务程序）3 计算机控制系统的形式3.1操作指导控制系统（OIS）3.2直接数字控制系统（DDC）3.3计算机监督控制系统（SCC）3.4集散控制系统（DCS）三级：分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级； 原则：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治、综合协调。

3.5现场总线控制系统（FCS）“工作站一现场总线仪表”的二层结构；出现的理由特点常用标准（FF、CAN、LONWORKS、 PROFIBUS、 HART）3.6 PLC十上位机系统4计算机控制系统的特点4.1 系统结构特点（模拟部件和数字部件的混合系统） 4.2 信号形式上的特点（按一定的采 样间隔对连续信号进行采样） 4.3 系统工作方式上的特点（一台计算机可为多个控制回路 服务） 4.4 控制品质高 4.5 功能价格比值高 4.6 适应性强，灵活性高 4.7 缺点二工控机简介1 工控机的特点 工业控制机主要用于工业过程测量、数据采集、控制等工作① 可靠性高②实时性好③环境适应性强④过程输入和输出配套较好⑤系统扩充性好⑥系统 开放性好⑦控制软件包功能强⑧系统通信功能强⑨后备措施齐全⑩具有冗余性2 工控机的分类与结构通用工业控制计算机、单片机、嵌入式工控机（PC/104总线工控机、ARM嵌入式单片机）、 DCS 工控机（即现场工作站）PLC：以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种 新型、通用的自动控制装置主要由中央处理单元、输入/输出接口、通信接口等部分组成。

特点应用组成单片机和数字调节器三过程输入输出通道计算机与生产过程或外部设备之间交换信息的桥梁1 模拟量输入接口技术1.1 输入通道的结构原理图1.2 任务是工业生产控制现场送来的模拟信号转换成计算机能接收的数字信号，完成现场信 号的采集与转换功能模拟量输入接口一般由接口电路、控制电路、模 /数转换器和电流 / 电压（1/v）变换器等构成1.3 信号调理：主要是将传感器送来的非标准电信号转变为标准的电信号，即变送器所做的 工作常见的标准信号：0~10mA、0~5V、4~20mA、1~5V1.4 A/D转换器转换时间：完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间分辨率：表示A/D转换器输出数字量最低位变化所需输入模拟电压的变化量 线性误差：偏离理想转换特性（线性）的最大误差定义为线性误差 量程对基准电源的要求1.5模拟量输入通道：一般由I/U变换，多路转换器，程控放大器，采样/保持器，A/D转换 器，接口及控制逻辑等组成1.6 PLC 模拟量输入通道SM331可选四档积分时间：2.5ms、16.7ms、20ms、100ms，相对应的以位表示的精度为：9、12、 12、 14 位每一种积分时间有一个最佳的噪声抑制频率 f0 ，以上四种积分时间分别 对应 400Hz、 60Hz、 50Hz、 10Hz。

SM331 的转换时间包括由积分时间决定的基本转换时间和用于电阻测量、断线监视的附加 转换时间对应上述四种积分时间的基本转换时间分别为3ms、17ms、22ms、102ms电 阻测量的附加转换时间为1ms；断线监视的附加转换时间为10ms；电阻测量和断线监视都 有的附加转换时间为16ms模入模块的循环时间：某一通道从开始转换模拟量输入值起，一直持续到再次开始转换的时 间，是对外部模拟量信号的采样间隔2 模拟量输出接口技术2.1 任务是把计算机输出的数字量信号转换成模拟电压或电流信号，以控制调节阀或驱动相 应的执行机构，达到计算机控制的目的模拟量输出接口一般由接口电路、控制电路、数/ 模转换器和 U/I 变换器等构成2.2 D/A转换器主要性能参数：①分辨率②转换时间（数字量输入到完成D/A转换，输出达到最终值并稳定 为止所需的时间，电流型较快）③精度（D/A转换器实际输出电压与理论值之间的误差）④ 线性度输入输出特性:①输入缓冲能力②数据的宽度③电流型还是电压型④输入码制⑤单极性输出 或者双极性输出2.3 PLC模拟量输出通道（SM332）：转换时间循环时间响应时间（内部存储器中出现数字量 输出值开始到模拟量输出达到规定值所用时间的总和）3 开关量输入输出通道3.1开关量输入/输出通道一般由三部分组成：CPU接口逻辑、输入缓冲器和输出锁存器、输入／输出电气接口亦即开关量输入信号调理和输出信号驱动电路3.2 PLC开关量输入输出通道(SM321 SM322 SM323)四计算机控制系统的控制算法1 数字滤波 在计算机中用某种计算方法对输入的信号进行数学处理，以便减少干扰在有用信号中的比重 提高信号的真实性。

1.1 程序判断法(限幅滤波)1.2 中位值滤波法1.3 算术平均滤波法yni丄£Ni=11.4 递推平均滤波法yn-i丄£ -1Ni=01.5 加权递推平均滤波法R = 1 + e-T + e-2T + •…+ e 一( n 一小丁 =丄亍Cy厂_1C = —, C = ，…,C = n N i=0 in-i 0 R 1 R N-1 R1.6 一阶惯性滤波法y = (1—a) y +a y , a =n n n -1T + Tf 丁厂滤波时间常数平均值滤波法适用于周期性干扰；中位值滤波法和限幅滤波法适用于偶然的脉冲干扰；惯性 滤波法适用于高频及低频的干扰信号；加权平均值滤波法适用于纯迟延较大的被控制对象2 数据处理2.1 线性化处理2.2 标度变换A = A + (A — A ) —x o线性参数的标度变换：x 0 m 0 N -N m0非线性参数的标度变换：Q - Qm0-x 03 基本 PID 控制3.1位置式数字PID控制系统u (k) = K e(k) + T 丈 e( j) + T [e(k) - e(k -1)] p T TL i j=0 -3.2 增量式数字 PID 控制系统Au (k) = u (k) — u(k — 1)=K [e(k) — e(k —1)]+ Ke(k) +piK [e(k)—2e(k—1)+e(k—2)]d4 数字 PID 控制的改进4.1积分分离PID控制算法u(k) = K e(k) + KK 丈 e(k)+K [e(k) — e(k — 1)]p l i dj=o[1,|e(k)| < EK =1 o1 0, e(k) > EI 04.2不完全微分PID控制算法：在PID控制的微分输出串联一阶惯性环节u(k) = u (k) +u (k) +u' (k)pidu (k) = an (k—1)+ (1— a)u (k) = Kp e(k)+T 丈 e( j) + ud(k)d d d L i j=o 」Au(k)=Au (k)+Au(k)+Au' (k)i de(k) 一 e(k —1)]+ K e(k) + Au' (k) d d d p i d4.3微分先行PID控制算式：微分先行PID控制算式和标准PID控制不同之处在于，只对被控量 y(t) 微分，不对偏差 e(t) 微分，也就是说对给定值 r(t) 无微分作用。

4.4 带死区的 PID 控制5 数字 PID 控制器的工程实现6 PID参数整定几点结论：①对于一阶惯性的对象，负荷变化不大，工艺要求不高，可采用比例(P)控制例如，用于压力、液位、串级副控回路等② 对于一阶惯性与纯滞后环节串联的对象，负荷变化不大，要求控制精度较高，可采用比例 积分(PI)控制例如，用于压力、流量、液位的控制③ 对于纯滞后时间T较大，负荷变化也较大，控制性能要求高的场合，可采用比例积分微分 (PID)控制例如，用于过热蒸汽温度控制、PH值控制④ 当对象为高阶 ( 二阶以上 ) 惯性环节又有纯滞后特性，负荷变化较大，控制性能要求也 高时，应采用串级控制，前馈—反馈、前馈—串级或纯滞后补偿控制7 史密斯预估控制8解耦控制8.1 把各个回路之间相互耦合的多输入—多输出系统变换为若干个相互独立的单变量系统8.2多变量系统解耦的条件是：系统的闭环传递矩阵Wb(s)为对角线矩阵8.3 多变量解耦控制的综合方法有：对角线矩阵综合法；单位矩阵综合法；前馈补偿综合法五计算机控制系统的抗干扰和可靠性技术 干扰是指有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素1 抗干扰的方法硬件措施：效率高，但会增加系统的投资和设备的负担。

软件措施：以 CPU 的开销为代价，会影响到系统的工作效率和实时性 软硬结合：最佳方式2 干扰来源电源干扰：浪涌、尖峰、噪声、断电等 空间干扰：电场、磁场、电磁辐射 设备干扰：设备干扰是指设备内部或设备之间产生的干扰 最严重——交流电源的干扰；其次——设备干扰，特别是来自通道的干扰；程度最低——空 间的辐射干扰3 干扰信号的耦合方式：静电耦合方式、电磁耦合方式、共阻抗耦合方式、电磁场辐射耦合 方式4 空间抗干扰的措施①空间隔离②屏蔽③ 高电平线和低电平线不要走同一电缆，也不要走同一插件④ 模拟信号线与数字信号线不要走同一根电缆⑤ 信号线与电源线要分开，并尽量避免平行敷设⑥ 注意屏蔽的连续性即不要使屏蔽体中间断开或使屏蔽体与被屏蔽体过早分离⑦ 采用双绞线（或带屏蔽的双线）或同轴电缆，可以大大减小电磁干扰有条件的地方，还可 以采用性能更优越的光导纤维5 过程通道的抗干扰措施5.1串模干扰：叠加在被测信号上的干扰信号称为串模干扰，用Vg表示串联于信号源回 路之中的干扰）5.2减少串模干扰的措施：①采用输入滤波器②进行电磁屏蔽和良好的接地③使用双积分式A/D 转换器④电流传送5.3 共模干扰：共模干扰产生的主要原因是不同“地”之间存在共模电压以及模拟信号系统 对地存在漏阻抗，使得地回路产生电流，引入到信号回路内形成干扰。

5.4 抑制共模干扰的措施：设法消除不同接地点之间的电位差①采用差分放大器做信号前置放大②采用隔离技术将地电位隔开:变压器耦合和光电耦合③ 利用浮地屏蔽6长线传输抗干扰措施信号在长线中传输时会遇到三个问题：一是长线传输易受到外界干扰；二是具有信号延时； 三是高速度变化的信号在长线中传输时，还会出现波反射现象采用终端阻抗匹配或始端阻 抗匹配，可以消除长线传输中的波反射或者把它抑制到最低限度7 系统供电的抗干扰措施7.1系统供电的一般保护：①隔离变压器②低通滤波器③交流稳压器④电源变压器⑤直流稳 压系统7.2电源异常的。