1、1第第第5 5 5章章章5-1 概述概述5-2 計算機控制系統的組成及分類計算機控制系統的組成及分類5-3 測試軟件設計測試軟件設計5-4 直接數字控制系統直接數字控制系統一、計算機直接數字控制系統構成一、計算機直接數字控制系統構成5.1 5.1 概述概述二、計算機控制系統的控制步驟二、計算機控制系統的控制步驟 1. 實時數據采樣：測量被控量的當前值，轉換成離散實時數據采樣：測量被控量的當前值，轉換成離散 數字化信號；數字化信號； 2. 實時判斷：判斷被控量當前值與給定值的偏差實時判斷：判斷被控量當前值與給定值的偏差e ； 3. 實時控制：根據偏差實時控制：根據偏差e ，作出控制決策，即按照預

2、定，作出控制決策，即按照預定 的算法對偏差進行運算，向執行機構發出控制信號；的算法對偏差進行運算，向執行機構發出控制信號； 控制信號包括：控制信號包括： a. 經過經過D/A轉換輸出模擬控制信號；轉換輸出模擬控制信號； b. 開關量輸出開關量輸出(控制電平、脈沖控制電平、脈沖)：報警、限位延時等特定操作；：報警、限位延時等特定操作； c. 數字量輸出。數字量輸出。三、計算機控制系統的特點三、計算機控制系統的特點 1. 用分時操作實現對多個被控對象、多個回路的控制；用分時操作實現對多個被控對象、多個回路的控制； 2. 操作由計算機程序完成，擴充修改方便，硬件改動操作由計算機程序完成，擴充修改方便

3、，硬件改動 少；少； 3. 在模擬控制系統中很多由硬件難以完成的功能，可以在模擬控制系統中很多由硬件難以完成的功能，可以 方便地由軟件完成。方便地由軟件完成。 如：大時間常數的濾波，線性補償、系統的誤差補償。如：大時間常數的濾波，線性補償、系統的誤差補償。一、計算機控制系統的組成一、計算機控制系統的組成 1. 硬件部分硬件部分 主機主機 過程輸入輸出通道過程輸入輸出通道 操作設備操作設備 外部設備外部設備 通訊設備通訊設備 系統支持功能系統支持功能 監控定時器、掉電保護、后備存儲器、實時日歷、總線匹配等監控定時器、掉電保護、后備存儲器、實時日歷、總線匹配等5.2 5.2 計算機控制系統的組成及

4、分類計算機控制系統的組成及分類2. 軟件部分軟件部分 系統軟件：系統軟件： 操作系統、數據庫系統、通訊網絡軟件、調試程序及診斷程序等。操作系統、數據庫系統、通訊網絡軟件、調試程序及診斷程序等。 應用軟件：系統設計人員針對生產過程要求而編制的控制和管理程應用軟件：系統設計人員針對生產過程要求而編制的控制和管理程序。序。包括：包括：過程輸入程序、過程過程輸入程序、過程控制程序、過程輸出控制程序、過程輸出程序、打印顯示程序、程序、打印顯示程序、人機接口程序等。人機接口程序等。 二、計算機控制系統的分類二、計算機控制系統的分類1. 數據采集和數據處理系統數據采集和數據處理系統 數據采集：由傳感器把溫度

5、、壓力、流量、位移等數據采集：由傳感器把溫度、壓力、流量、位移等物理量轉換來的模擬電信號經過處理并轉換成計算機能物理量轉換來的模擬電信號經過處理并轉換成計算機能識別的數字量，輸入并存貯到計算機中。識別的數字量，輸入并存貯到計算機中。 數據處理：計算機將采集來的數字量進行實時數據數據處理：計算機將采集來的數字量進行實時數據分析，得出所需要的結果。分析，得出所需要的結果。 計算機不直接參與過計算機不直接參與過程控制，屬于計算機應程控制，屬于計算機應用于過程控制的低級階用于過程控制的低級階段。段。2. DDC直接數字控制系統直接數字控制系統(Direct Digital Control)分時地對被控

6、對象的狀態參數進行測試；分時地對被控對象的狀態參數進行測試；將測試的結果與給定值比較得到偏差將測試的結果與給定值比較得到偏差e，按預定的控，按預定的控制算法進行數字分析、運算；制算法進行數字分析、運算；將控制量直接輸出到調節閥等執行機構上，使各個將控制量直接輸出到調節閥等執行機構上，使各個被控參數保持在給定值上，實現對被控對象的閉環自被控參數保持在給定值上，實現對被控對象的閉環自動調節。動調節。 DDC系統的特點：系統的特點： 用計算機代替模擬調節器，實現了幾個至更多的控制用計算機代替模擬調節器，實現了幾個至更多的控制回路回路(一般大于一般大于50個回路時，比較經濟個回路時，比較經濟)； 實現

7、新型控制規律的運用，如串級控制、前饋控制、實現新型控制規律的運用，如串級控制、前饋控制、自動選擇性控制、具有大純滯后對象的控制等；自動選擇性控制、具有大純滯后對象的控制等； 將顯示、記錄、報警和給定值設定等功能都集中在操將顯示、記錄、報警和給定值設定等功能都集中在操作控制臺上，給操作人員帶來了很大方便；作控制臺上，給操作人員帶來了很大方便； 只要改變程序即可實現控制規律轉換；只要改變程序即可實現控制規律轉換； 要求工業控制要求工業控制計算機的可靠性高計算機的可靠性高。3. 監督控制系統監督控制系統SCC(Supervisory Process Computer Control) 由一臺高檔的微

8、型計算機由一臺高檔的微型計算機SCC與若干臺與若干臺DDC系統構成對系統構成對生產過程的直接控制。生產過程的直接控制。 SCC和和DDC計算機之間可以進行雙向數據傳送。計算機之間可以進行雙向數據傳送。 SCC計算機根據原始工藝信息和工業過程現行狀態參數計算機根據原始工藝信息和工業過程現行狀態參數，按照生產過程的數學模型進行，按照生產過程的數學模型進行最優化的分析計算，并將其算最優化的分析計算，并將其算出的最優化操作條件去重新設出的最優化操作條件去重新設定定DDC計算機的給定值；然后計算機的給定值；然后再由再由DDC系統對生產過程進系統對生產過程進行控制。行控制。4. 分級計算機控制系統分級計算

9、機控制系統4. 分級計算機控制系統分級計算機控制系統 使用若干臺計算機分使用若干臺計算機分別承擔部分任務，以一個別承擔部分任務，以一個主計算機和兩個或兩個以主計算機和兩個或兩個以上的上的“從從”計算機為基礎計算機為基礎構成。構成。 分級控制一般分為三級，生產管理級分級控制一般分為三級，生產管理級MIS、監督控制級、監督控制級SCC、直接數、直接數字控制級字控制級DDC。 將控制功能分散，用多臺計算機分別執行不同的控制功能，既能進將控制功能分散，用多臺計算機分別執行不同的控制功能，既能進行控制，又能實現管理，靈活方便、可靠性高、通訊簡單。行控制，又能實現管理，靈活方便、可靠性高、通訊簡單。5.

10、集散型控制系統集散型控制系統 以以數臺數臺乃至乃至數百臺數百臺計算機計算機分散的分布在各個生產現場，分散的分布在各個生產現場，作為現場控制站或基本調節器作為現場控制站或基本調節器實現對生產過程的檢測與控制。實現對生產過程的檢測與控制。控制站通過控制站通過高速數據通道高速數據通道與監與監督計算機督計算機SCC通信，通過通信，通過CRT操操作站實現對系統的監視和干預。作站實現對系統的監視和干預。 該結構比分級分層結構更靈活，擴充更方便；硬件冗余度大，某個回該結構比分級分層結構更靈活，擴充更方便；硬件冗余度大，某個回路出現故障時可以相互支援，可靠性高。路出現故障時可以相互支援，可靠性高。集散型控制系

11、統特點：集散型控制系統特點：l硬件組裝積木化硬件組裝積木化l軟件模塊化軟件模塊化l組態控制系統組態控制系統l應用先進的通信網絡應用先進的通信網絡l具有開放性具有開放性l可靠性高可靠性高三、計算機測試系統三、計算機測試系統1. 計算機在測試技術中的作用計算機在測試技術中的作用 (1) 擴展了測量參數的數目，提高了測量的準確度；擴展了測量參數的數目，提高了測量的準確度； (2) 革新了檢測方法，使過去不能進行的某些測量，革新了檢測方法，使過去不能進行的某些測量， 現在能夠進行了；現在能夠進行了； (3) 簡化了儀表，實現了集中控制；簡化了儀表，實現了集中控制； (4) 具有數據處理功能，以及專家推

12、斷、分析與決策功能。具有數據處理功能，以及專家推斷、分析與決策功能。2. 計算機模擬信號測試系統的基本結構計算機模擬信號測試系統的基本結構（1）單通道數據采集）單通道數據采集 只有一個被采集的模擬信號。只有一個被采集的模擬信號。 （2）多通道數據采集）多通道數據采集 多路多路AD轉換方式轉換方式 （2）多通道數據采集）多通道數據采集 多路多路AD轉換方式轉換方式 l 每路信號都有獨立的采樣保持電路每路信號都有獨立的采樣保持電路S/H，A/D轉換電路及轉換電路及I/O接口接口電路，每一路占一個通道。電路，每一路占一個通道。l 通道數增加，最高采用率不會受到影響，可同時采集多路數據信通道數增加，最

13、高采用率不會受到影響，可同時采集多路數據信號，保持了各信號間的同步性。號，保持了各信號間的同步性。l 用于高速采集和需要同時采集多路數據的系統。用于高速采集和需要同時采集多路數據的系統。 多路共享多路共享AD轉換方式轉換方式 多路共享多路共享AD轉換方式轉換方式 l輸入信號進入各路采樣保持電路，然后由多路開關可選擇地將各路信輸入信號進入各路采樣保持電路，然后由多路開關可選擇地將各路信號送入號送入A/D轉換器進行轉換。轉換器進行轉換。l轉換速度要慢一些，且各路信號是斷續的。轉換速度要慢一些，且各路信號是斷續的。l通道數增加時，采用頻率受到影響。通道數增加時，采用頻率受到影響。l適用于對采集率要求

14、不高的多路信號采集系統。適用于對采集率要求不高的多路信號采集系統。 多路開關轉換方式多路開關轉換方式 多路開關轉換方式多路開關轉換方式 l 這種方式的轉換速度比以上兩種方式都慢，但節省硬件。這種方式的轉換速度比以上兩種方式都慢，但節省硬件。l 不能同時采到同一時刻的各種參數。不能同時采到同一時刻的各種參數。l 適用于采集多路變化緩慢的信號，如溫度變化信號、應變信號等。適用于采集多路變化緩慢的信號，如溫度變化信號、應變信號等。3 3數據采集數據采集 （1 1）采樣定理）采樣定理 信號的采樣信號的采樣 將一個連續時間函數將一個連續時間函數e(t)用時間離散的連續函數用時間離散的連續函數e* *(t

15、)來表示。來表示。 把時間上連續的模把時間上連續的模擬信號，轉變為時間上擬信號，轉變為時間上離散的信號。離散的信號。 這一過程稱為信號這一過程稱為信號的采樣。的采樣。 采樣周期采樣周期T T： 兩次采樣之間的時間間隔。兩次采樣之間的時間間隔。 一個帶寬為一個帶寬為(0-fm )(0-fm )的信號的信號e(t)e(t)，用間隔時間為：，用間隔時間為：T1/2fm T1/2fm 的若干個采樣值來代表。的若干個采樣值來代表。 若用采樣值表示原來的信若用采樣值表示原來的信號號e(t)e(t)，只要將采樣值通過一，只要將采樣值通過一個截止頻率為個截止頻率為fmfm低通濾波器即低通濾波器即可還原可還原e

16、(t)e(t)。 采樣周期采樣周期T T越小，越越小，越接近連續系統，采樣精接近連續系統，采樣精度越高。度越高。 但這將加重計算機但這將加重計算機的負擔，因此合理選擇的負擔，因此合理選擇采樣周期顯得非常重要。采樣周期顯得非常重要。 取：取：110mTf 信號保持：信號保持： 在采樣時信號應保持幅值不變，直到變換完在采樣時信號應保持幅值不變，直到變換完成。成。（2）采樣保持電路）采樣保持電路 在微機測試系統中，由于在微機測試系統中，由于AD轉換器的轉轉換器的轉換過程需要一定的時間，在換過程需要一定的時間，在AD轉換器轉換轉換器轉換過程中必須保持參數值不變，完成上述功能過程中必須保持參數值不變，完

17、成上述功能的電路稱：采樣保持的電路稱：采樣保持(SampleHold)電路。電路。 A1-輸入輸出緩沖運算放大器輸入輸出緩沖運算放大器A2-邏輯輸入控制的開關電路。邏輯輸入控制的開關電路。 在采樣期間，開關在采樣期間，開關S是閉合的。輸入信號是閉合的。輸入信號Ui經高增益的放大器經高增益的放大器A1輸出，向電容輸出，向電容C充電。充電。 在保持期間，開關在保持期間，開關S斷開，由于斷開，由于A2運算放大器運算放大器輸入阻抗很高，在理想情況下，電容輸入阻抗很高，在理想情況下，電容C上的電壓將上的電壓將保持充電時的最終值。保持充電時的最終值。 4. 數數/模（模（D/A）轉換器）轉換器 功能：將輸

18、入功能：將輸入D/A轉換器的數字量轉換成模擬量。轉換器的數字量轉換成模擬量。 方法：利用譯碼電路控制方法：利用譯碼電路控制D/A內部的電阻網絡開關，輸出與內部的電阻網絡開關，輸出與數字量數字量D呈比例的模擬電壓呈比例的模擬電壓VA。VA數字量數字量D與模擬量與模擬量VA的關系：的關系：AVRAVDV001122112222 aaaaDnnnn)2222(00112211 aaaaVVnnnnRA式中：式中：開關開關 ：向左：向左：向右：向右：ia1ia0ia 電路中的電阻值與二進制數碼每位的權有關，電路中的電阻值與二進制數碼每位的權有關，稱權電阻電路。稱權電阻電路。 二進制數碼控制二進制數碼控

19、制 的開與關，的開與關， 該路電阻該路電阻與基準電壓與基準電壓 接通；接通； 該路電阻與地接通。該路電阻與地接通。 在轉換器的輸出端由運算放大器把各個支路產在轉換器的輸出端由運算放大器把各個支路產生的電流線性疊加且轉換為電壓輸出。生的電流線性疊加且轉換為電壓輸出。ia0ia1iaRV5. 逐次逼近型逐次逼近型AD轉換器轉換器 工作原理工作原理 組成：組成：N位寄存器、位寄存器、N位位DA轉換器、比較器以及轉換器、比較器以及控制邏輯。控制邏輯。 在比較器中與被轉換的模擬量在比較器中與被轉換的模擬量VxVx進行比較：進行比較： 若若VxVcVxVc：則：則 D DN N=1 =1 ；若；若VxVc

20、VxVc：則：則D DN N=0=0； 再對再對D DN N1 1位進行比較，使位進行比較，使D DN N1 1=1=1，與上一位，與上一位D DN N一起一起進入進入D DA A轉換器，轉換后再進入比較器，再與轉換器，轉換后再進入比較器，再與VxVx比較，比較，如此一位一位地繼續下去，直到最后一位如此一位一位地繼續下去，直到最后一位D D0 0比較完畢比較完畢為止。為止。 N N位寄存器的數字量即為位寄存器的數字量即為VxVx所對應的數字量。所對應的數字量。 由控制器使寄存器由控制器使寄存器D DN N=1=1，經，經D DA A轉換成模轉換成模擬量擬量VcVc（滿量程一半）（滿量程一半）送

21、到比較器。送到比較器。 這種比較方法類似于對分搜索。這種比較方法類似于對分搜索。 一個一個N N位位A AD D轉換器只需比較轉換器只需比較N N次，由此可見，次，由此可見，逐次逼近型逐次逼近型A AD D轉換器速度比較快，因而得到了轉換器速度比較快，因而得到了廣泛的應用。目前，很多集成電路廣泛的應用。目前，很多集成電路A AD D轉換器，轉換器，大都是采用這種原理。如：大都是采用這種原理。如： 8 8位的位的ADC0804ADC0804、ADC0809ADC0809； 1010位的位的AD7570AD7570； 1212位的位的AD574AD574。6. A6. AD D轉換器的技術指標轉換

22、器的技術指標 (1)(1)分辨率：分辨率： 分辨度是分辨度是A AD D轉換器對微小輸入量變化的敏感程度。轉換器對微小輸入量變化的敏感程度。對于一個對于一個N N位的位的A AD D轉換器，其分辨度為轉換器，其分辨度為 分辨度分辨度 滿刻度值滿刻度值實際上分辨度就等于實際上分辨度就等于1LSB1LSB。 (2)(2)轉換時間和轉換率轉換時間和轉換率 A AD D轉換器完成一次轉換所需要的時間叫轉換時間。轉換器完成一次轉換所需要的時間叫轉換時間。 AD574 AD574 轉換時間轉換時間15s15sN21 四四. 脈沖信號的采集脈沖信號的采集 脈沖頻率與周期；脈沖頻率與周期； 脈沖個數的檢測；脈

23、沖個數的檢測； 脈沖寬度的檢測。脈沖寬度的檢測。 脈沖頻率檢測電路：脈沖頻率檢測電路：TNfx信號頻率：信號頻率：脈沖寬度檢測（測周法）：脈沖寬度檢測（測周法）：五計算機測試系統的設計五計算機測試系統的設計 1 1設計任務設計任務 （1）主機選型）主機選型 對于以測試對于以測試(或控制或控制)為主要任務的工程為主要任務的工程設計，一般選擇現有合適的微機產品。設計，一般選擇現有合適的微機產品。 （2）輸入通道結構）輸入通道結構 按照測試參數的多少，采樣頻率的按照測試參數的多少，采樣頻率的高低等來選擇輸入通道的數量。高低等來選擇輸入通道的數量。 （3）輸出通道結構）輸出通道結構 根據測試系統的功能

24、要求，確定是根據測試系統的功能要求，確定是否需要打印機打印數據，是否需要繪圖儀繪制動態參否需要打印機打印數據，是否需要繪圖儀繪制動態參數圖形，是否需要各種形式的超限報警設施等。數圖形，是否需要各種形式的超限報警設施等。 2 2輸入通道電路的設計分析輸入通道電路的設計分析 （1 1）傳感器選型）傳感器選型 在計算機測試系統中，傳感器是影響系統在計算機測試系統中，傳感器是影響系統性能的主要因素之一。根據測試的參數是壓力、性能的主要因素之一。根據測試的參數是壓力、溫度，選擇對應的溫度、壓力傳感器。對于間溫度，選擇對應的溫度、壓力傳感器。對于間接測量，首先要找出直接測量參數，然后根據接測量，首先要找出

25、直接測量參數，然后根據參數選擇合適的傳感器。參數選擇合適的傳感器。（2 2）A AD D轉換器的選擇：轉換器的選擇： 按被測參數的精度，計算按被測參數的精度，計算A AD D的分辨率。的分辨率。 例：分配到例：分配到A AD D轉換器的允許誤差為轉換器的允許誤差為0 01 1，以此作為量化誤差，則以此作為量化誤差，則A AD D的數字量位數應滿的數字量位數應滿足關系式：足關系式：10.1%2n取取n=10時：時：10110.098%0.1%2LSB AD轉換器的輸入電壓：轉換器的輸入電壓： 按單極性設計，選為：按單極性設計，選為：0 10V ； 按雙極性設計，選為：按雙極性設計，選為：-5 +

26、5V。 （3 3）轉換數碼與模擬電壓值的對應關系：）轉換數碼與模擬電壓值的對應關系：單極性 0 10V：雙極性 -5 +5V：nANV2)(52VANVnV 模擬電壓值；模擬電壓值；N N 轉換數碼；轉換數碼；A A 滿量程電壓；滿量程電壓；n n 轉換器位數。轉換器位數。一、基本功能：一、基本功能： 1.對輸入輸出通道的控制管理功能；對輸入輸出通道的控制管理功能； 2.測試數據的處理功能；測試數據的處理功能； 3. 系統本身自檢測和自診斷功能；系統本身自檢測和自診斷功能； 4.軟件開發和調試修改用的系統監控操作軟件開發和調試修改用的系統監控操作 功能等。功能等。 5.3 5.3 測試軟件設計

27、測試軟件設計二、數字濾波程序的設計二、數字濾波程序的設計 a.a.硬件濾波：硬件濾波： 在工業過程控制系統中，由于被控對象的環境在工業過程控制系統中，由于被控對象的環境比較惡劣，干擾源比較多，在模擬系統中為了消除比較惡劣，干擾源比較多，在模擬系統中為了消除干擾，常常采用干擾，常常采用RCRC濾波電路。濾波電路。 b.b.軟件濾波：軟件濾波： 由微型機組成的自動檢測系統中，為了減少對由微型機組成的自動檢測系統中，為了減少對采樣值的干擾，提高系統的可靠性，采用數字濾波采樣值的干擾，提高系統的可靠性，采用數字濾波的方法（程序濾波）。的方法（程序濾波）。 數字濾波是通過一定的計算程序對采樣信號進行數字

28、濾波是通過一定的計算程序對采樣信號進行平滑加工，提高其有用信號，消除或減少各種干擾平滑加工，提高其有用信號，消除或減少各種干擾和噪音，以保證計算機系統的可靠性和噪音，以保證計算機系統的可靠性優點：優點： （1 1） 不需增加任何硬設備，只要在程序進入數不需增加任何硬設備，只要在程序進入數據處理和控制算法之前，附加一段數字濾波即可。據處理和控制算法之前，附加一段數字濾波即可。 （2 2）由于數字濾波器不需增加硬設備，所以系統）由于數字濾波器不需增加硬設備，所以系統可靠性高，不存在阻抗匹配問題。可靠性高，不存在阻抗匹配問題。 （3 3）模擬濾波滯是每個通道都有，而數字濾波器）模擬濾波滯是每個通道都

29、有，而數字濾波器則可以多個通道共用，降低成本。則可以多個通道共用，降低成本。 （4 4）可對頻率很低的信號進行濾波，而模擬濾）可對頻率很低的信號進行濾波，而模擬濾波器由于受電容容量的影響，頻率不能太低。波器由于受電容容量的影響，頻率不能太低。 （5 5）使用靈活，方便，可根據需要選擇不同的）使用靈活，方便，可根據需要選擇不同的濾波方法，或改變濾波器的參數。濾波方法，或改變濾波器的參數。 數字濾波具有上述優點，在計算機測試與控數字濾波具有上述優點，在計算機測試與控制系統中得到了廣泛的應用。制系統中得到了廣泛的應用。 1.1.程序判斷濾波程序判斷濾波 當采樣信號由于隨機干擾和誤檢測或者變送器當采樣

30、信號由于隨機干擾和誤檢測或者變送器不穩定而引起嚴重失真時，可采用程序判斷濾波。不穩定而引起嚴重失真時，可采用程序判斷濾波。 方法方法: : 根據生產經驗，確定兩次采樣輸入信號可能出現根據生產經驗，確定兩次采樣輸入信號可能出現的最大偏差的最大偏差YY，若超過此偏差值，則表明該輸入信，若超過此偏差值，則表明該輸入信號是干擾信號，應該去掉；若小于此偏差值，可將號是干擾信號，應該去掉；若小于此偏差值，可將信號做為本次采樣值。信號做為本次采樣值。式中，式中，Y Y（k k）-第第k k次采樣值；次采樣值； y(ky(k一一1)-1)-第第k-1k-1次采樣值；次采樣值； Y-Y-兩次采樣值所允許的最大扁

31、差。兩次采樣值所允許的最大扁差。YkYkY) 1()()()(kYkYYkYkY) 1()() 1()(kYkY取本次采樣值取本次采樣值取上次采樣值取上次采樣值程序判斷濾波應用場合：程序判斷濾波應用場合： 用于變化比較緩慢的參數，如溫度、物位等測量系統。用于變化比較緩慢的參數，如溫度、物位等測量系統。 程序判斷濾波關鍵問題：最大允許誤差程序判斷濾波關鍵問題：最大允許誤差YY的選取。的選取。 YY太大，各種干擾信號將太大，各種干擾信號將“乘機而入乘機而入”使系統誤差增使系統誤差增大；大； YY太小，將會使某些有用信號也被拒之門外，使計算太小，將會使某些有用信號也被拒之門外，使計算機采樣效率變低。

32、機采樣效率變低。 門限值門限值YY的選取是非常重要的。通常可根據經驗數據的選取是非常重要的。通常可根據經驗數據獲得，必要時可由實驗得出。獲得，必要時可由實驗得出。 2.2.中值濾波程序中值濾波程序 對被測參數連續采樣對被測參數連續采樣n n次次(n(n取奇數取奇數) )，然后把，然后把n n次的采次的采樣從小到大樣從小到大( (或從大到小或從大到小) )排隊，取中間值作為本次采樣值排隊，取中間值作為本次采樣值。 特點：中值濾波程序對于去掉脈沖性質的干擾比較有特點：中值濾波程序對于去掉脈沖性質的干擾比較有效，但對快速變化過程的參數效，但對快速變化過程的參數( (如流量如流量) )則不宜采用。則不

33、宜采用。 改變循環次數改變循環次數n n，則可推廣到對任意采樣值進行中值濾，則可推廣到對任意采樣值進行中值濾波，波， n n值越大濾波效果越好。值越大濾波效果越好。 總的采樣控制時間將增長，所以總的采樣控制時間將增長，所以n n值不不能太大值不不能太大( (般取般取5 59 9即可即可) )。 3.3.算術平均濾波程序算術平均濾波程序 把把N N個采樣區相加，然后取其算術平均作為個采樣區相加，然后取其算術平均作為本次采樣值，即：本次采樣值，即：niiXNkY1)(1)( 式中：式中： -第第k k次次N N個采樣值的算術平均值；個采樣值的算術平均值； -第第i i次采樣值，次采樣值， N -N

34、 -采樣次數采樣次數 )(kY)(iX特點：特點： 算術平均濾波程序主要用于對壓力、流量算術平均濾波程序主要用于對壓力、流量等周期脈動的采樣值進行平滑加工。等周期脈動的采樣值進行平滑加工。 平均次數平均次數N N，取決于平滑度和靈敏度隨著，取決于平滑度和靈敏度隨著N N值的增大，平滑度提高，靈敏度降低通常流值的增大，平滑度提高，靈敏度降低通常流量取量取1212次，壓力取次，壓力取4 4次。溫度如無噪聲可不平均。次。溫度如無噪聲可不平均。0210121( 31217123)35YYYYYY1210121(2271282)35YYYYYY2210121(69464)70YYYYYY1210121(

35、2812272)35YYYYYY2210121(46469)70YYYYYY4.五點三次平滑五點三次平滑（1）（2）（3）（4）（5） 在多個采樣值中：在多個采樣值中： 前前2個平滑數分別用式（個平滑數分別用式（1）和式（）和式（2）；）； 最后最后2個平滑數分別用式（個平滑數分別用式（4）和式（）和式（5）；）； 其余均采用式（其余均采用式（3）0210121( 31217123)35YYYYYY1210121(2271282)35YYYYYY2210121(69464)70YYYYYY1210121(2812272)35YYYYYY2210121(46469)70YYYYYY（1）（2）（

36、3）（4）（5）三、標度變換三、標度變換 對線性儀表系統，標度變換公式為：對線性儀表系統，標度變換公式為： 式中：式中： -測量儀表的下限值；測量儀表的下限值； -測量儀表的上限；測量儀表的上限； -實際測量值實際測量值( (工程量工程量) )； -儀表下限所對應的數字量：儀表下限所對應的數字量： -儀表上限所對應的數字量：儀表上限所對應的數字量： -測量值所對應的數字量。測量值所對應的數字量。 0000)(NNNNAAAAmxmx0AmAxA0NmNxN式中：式中：A A0 0，AmAm，N N0 0，Nm Nm 對于某對于某個固定的被測參個固定的被測參數來說是常數，為了使程序簡單，把被測參

37、數的數來說是常數，為了使程序簡單，把被測參數的起點起點A A0 0 ( (輸入信號為輸入信號為0)0)所對應的所對應的A AD D轉換器值定轉換器值定為為0 0，即，即N N0 0=0=0，則：，則：mxmxNNAAAA)(000000)(NNNNAAAAmxmx例：壓力測量。已知：壓力傳感器輸入例：壓力測量。已知：壓力傳感器輸入0-1.6MPa， 輸出輸出2-10V，12位位AD轉換器輸入范圍轉換器輸入范圍0-10V。求：。求：AD轉轉換器輸出值為換器輸出值為3600時，對應的壓力時，對應的壓力 解：解： 12位位AD轉換器輸入范圍轉換器輸入范圍0-10V，輸出：，輸出：0-4095； 輸入

38、輸入2V電壓時，電壓時，AD值為：值為：819。 00A6 . 1mAxxPA 8190N4095mN3600 xN?xP0000)(NNNNAAAAmxmx)(358. 181940958193600)06 . 1 (0MPaPx一、概述一、概述1.DDC系統：計算機直接參與閉環控制過程。系統：計算機直接參與閉環控制過程。2.操作功能：操作功能：從被控對象中獲取各種信息；從被控對象中獲取各種信息；執行能夠反映控制規律的控制算法，把計算結果以一定執行能夠反映控制規律的控制算法，把計算結果以一定形式送到執行器和形式送到執行器和(或或)顯示報警裝置；顯示報警裝置；實現操作人員實現操作人員控制臺控制

39、臺微型計算機系統之間的聯系等。微型計算機系統之間的聯系等。DDC系統特有的功能：系統特有的功能：“執行能夠反映控制規律的控制算法執行能夠反映控制規律的控制算法”和和“把計算結果以一定形式送到執行器把計算結果以一定形式送到執行器”。5.4 5.4 直接數字控制系統直接數字控制系統3.核心功能：核心功能： 控制規律是反映計算機控制系統性能的核心。控制規律是反映計算機控制系統性能的核心。 執行控制算法，以實現控制規律。執行控制算法，以實現控制規律。 直接對幾十以至幾百個控制回路進行自動巡直接對幾十以至幾百個控制回路進行自動巡回檢測和數字控制。回檢測和數字控制。 DDC是利用計算機的分時處理能力對多個

40、回路完成多是利用計算機的分時處理能力對多個回路完成多種控制的一種計算機控制方式。種控制的一種計算機控制方式。4.模擬調節與模擬調節與DDC控制的比較控制的比較5.DDC系統具備的功能系統具備的功能直接控制程序直接控制程序;數據處理程序數據處理程序;控制模型程序控制模型程序;報警程序報警程序;操作指導程序操作指導程序;數據記錄程序數據記錄程序;人機聯系程序等。人機聯系程序等。6.DDC系統應用場合系統應用場合.過程回路很多的大規模生產過程；過程回路很多的大規模生產過程；.被控參數需要進行一些計算的生產過程；被控參數需要進行一些計算的生產過程；.各參數間相互關聯的生產過程；各參數間相互關聯的生產過

41、程；.原料、產品和產量經常變更的生產過程；原料、產品和產量經常變更的生產過程；.具有較大滯后時間的工業對象。具有較大滯后時間的工業對象。二、二、DDC基本算法基本算法 DDC的基本算法：的基本算法： 將控制模型數字化，通過計算機數字運算來實現對生將控制模型數字化，通過計算機數字運算來實現對生產過程的控制。產過程的控制。 PID調節器在模擬控制系統中應用最為廣泛、技術最調節器在模擬控制系統中應用最為廣泛、技術最成熟，參數選擇與調整都在長期的應用中積累了豐富的成熟，參數選擇與調整都在長期的應用中積累了豐富的經驗，且這些經驗和方法為廣大工程技術人員所熟悉。經驗，且這些經驗和方法為廣大工程技術人員所熟

42、悉。 基本的基本的DDC算法：利用數字算法：利用數字PID調節器取代模擬調節器，調節器取代模擬調節器，編制編制PID算法的程序。即：算法的程序。即：PIDPID調節規律的數字化調節規律的數字化。 實踐證明：數字化實踐證明：數字化PID能取得近似于能取得近似于PID模擬調節器的模擬調節器的控制效果，而且在很多方面具有突出的優勢：控制效果，而且在很多方面具有突出的優勢： i可用一臺微型計算機控制幾十個回路，大量節省設可用一臺微型計算機控制幾十個回路，大量節省設備和費用，提高了系統的可靠性；備和費用，提高了系統的可靠性； .不僅用軟件代替了物理的不僅用軟件代替了物理的PID調節器，而且由于編程調節器

43、，而且由于編程靈活，可以很方便地對靈活，可以很方便地對PID規律進行各種改進，衍生多種形規律進行各種改進，衍生多種形式的式的PID算法，如帶死區的算法，如帶死區的PID、帶自動比率的、帶自動比率的PID等。等。 PID參數的調整也只要改變程序的數據，十分方便。參數的調整也只要改變程序的數據，十分方便。1.1.模擬模擬PIDPID控制控制 在連續控制系統中，在連續控制系統中，PIDPID控制器的輸出控制器的輸出u(t)u(t)與輸入與輸入e(t)e(t)之間成比例、之間成比例、積分、微分的關系。即積分、微分的關系。即式中式中：e(t)=r(t)-y(t)e(t)=r(t)-y(t)，設定值，設定

44、值r(t)r(t)與測量值與測量值y(t)y(t)的偏差。的偏差。 KpKp為比例增益，為比例增益，T TI I為積分時間常數，為積分時間常數，T TD D為微分時間常數。為微分時間常數。01( )( )( )( )tpDIde tu tKe te t dtTTdt式中：式中：u(t)u(t) 模擬調節器輸出；模擬調節器輸出； e(t) e(t) 控制偏差；控制偏差； K Kp p比例系數；比例系數； T TI I積分時間常數；積分時間常數； T TD D微分時間常數。微分時間常數。01( )( )( )( )tpDIde tu tKe te t dtTTdt1( )( )( )( )pDId

45、e tu tKe te t dtTTdt上式可寫成傳遞函數形式：上式可寫成傳遞函數形式：( )1( )1( )pDSISU sW sKTE sT 在在DDC系統中，用數字運算實現系統中，用數字運算實現PID的調節規律。的調節規律。PID基本算法基本算法理想理想PID實際實際PID比例積分運算相同，微分項不同比例積分運算相同，微分項不同2.數字數字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位置式理想位置式理想PID算法：算法： 計算機控制是采樣控制，要根據采樣時刻的偏差值計算計算機控制是采樣控制，要根據采樣時刻的偏差值計算控制量控制量 式中的積分和微分不能直接使

46、用，需要進行離散化處理。即式中的積分和微分不能直接使用，需要進行離散化處理。即用數值計算方法逼近，用差分方程代替連續系統的微分方程，用數值計算方法逼近，用差分方程代替連續系統的微分方程，此時：此時： 積分項積分項用求和方式表示；用求和方式表示； 微分項微分項用增量式表示。用增量式表示。01( )( )( )( )tpDIde tu tKe te t dtTTdt式中：式中： T T采樣周期，采樣周期， e(k) e(k)第第k k次采樣時刻輸入的偏差值；次采樣時刻輸入的偏差值； e(k-1) e(k-1)第第(k-1)(k-1)次采樣時刻輸入的偏差值；次采樣時刻輸入的偏差值； k k采樣時刻序

47、號，采樣時刻序號，k=0,1,2 k=0,1,2 。求和方式求和方式增量方式增量方式000( )( )( )kktiie t dte itTe i ( )( )(1)( )(1)de te ke ke ke kdttTTt01( )( )( )( )tpDIde tu tKe te t dtTTdt為方便將為方便將e(t)簡化表示為簡化表示為e(k) ，得到離散后的數字得到離散后的數字PIDPID算法算法：0( ) ( )( ) ( )(1)kDPiITTu kKe ke ie ke kTT將將：00( )( )ktie t dtTe i( )( )(1)de te ke kdtT代入：代入：

48、1( )( )( )( )pDIde tu tKe te t dtTTdt0( ) ( )( ) ( )(1)kDPiITTu kKe ke ie ke kTT式式中中：K KP P比例系數；比例系數； T TI I積分時間常數；積分時間常數； T TD D微分時間常數；微分時間常數； T T采樣周期；采樣周期； k k采樣序號，采樣序號，k=0,1,2,k=0,1,2,； u(k) u(k)第第k k次采樣時刻的計算機輸出值；次采樣時刻的計算機輸出值； e(k) e(k)第第k k次采樣時刻輸入的偏差值；次采樣時刻輸入的偏差值； e(k-1) e(k-1)第第(k-1)(k-1)次采樣時刻輸

49、入的偏差值。次采樣時刻輸入的偏差值。 控制器輸出值控制器輸出值u(k)直接控制執行機構直接控制執行機構(如閥門如閥門)，u(k) 與與執行機構的位置執行機構的位置(如閥門開度如閥門開度)將一一對應，稱位置式將一一對應，稱位置式PID控控制算法。制算法。缺點：由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態有缺點：由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態有關，計算時要對關，計算時要對e(k)進行累加，計算機運算的工作量大。進行累加，計算機運算的工作量大。 計算機的輸出與執行機構的實際位置相對應，若計算機的輸出與執行機構的實際位置相對應，若計算機出現故障，計算機出現故障，u(k)的大幅度變化，會引起執行機

50、構的的大幅度變化，會引起執行機構的位置的大幅度變化，這種情況往往是生產實踐中不允許的，位置的大幅度變化，這種情況往往是生產實踐中不允許的，在某些場合，還可能造成重大的生產事故。在某些場合，還可能造成重大的生產事故。0( ) ( )( ) ( )(1)kDpiITTu kKe ke ie ke kTT 理想增量式理想增量式PID算法算法 當數字當數字PID的輸出值的輸出值u(t)是執行器位置的增量時，稱增量是執行器位置的增量時，稱增量式式PID算法。算法。 增量式數字增量式數字PID的輸出增量是前后的輸出增量是前后2次采樣所對應的輸次采樣所對應的輸出差值：出差值： ，將將( )( )(1)u k

51、u ku k0( ) ( )( ) ( )(1)kDpiITTu kKe ke ie ke kTT(1)u k 10(1) (1)( ) (1)(2)kDpiITTu kKe ke ie ke kTT得：得：兩式相減得：兩式相減得：( ) ( )(1)( ) ( )2 (1)(2)DpITTu kKe ke ke ke ke ke kTT代入代入( ) ( )(1)( ) ( )2 (1)(2)DITTu kKp e ke ke ke ke ke kTT若：若： 積分系數積分系數 微分系數，得：微分系數，得： /IPIKKT T/DPDKKTT( )( )(1)( ) ( )2 (1)(2)pIDu kKe ke kK e kKe ke ke k以上兩式稱：理想增量式以上兩式稱：理想增量式PID算法，其輸出算法，其輸出 表示：表示：閥位在第閥位在第k-1次采樣時刻輸出基礎上的增量。次采樣時刻輸出基礎上的增量。( )u k速度式速度式PID算法算法 當數字當數字PID的輸出值的輸出值u(t)是指直流伺服電機的轉是指直流伺服電機的轉速時，稱速度式速時，稱速