計算機控制系統概述計算機控制系統中檢測設備和執行機構計算機控制系統中的過程通道計算機控制系統王超一、計算機控制系統基本概念計算機控制系統模擬控制系統信號匹配二、計算機控制系統組成

計算機控制系統硬件部分控制計算機主機外設總線過程輸入輸出接口人機接口設備通信設備現場儀表（傳感變送、執行機構等）軟件部分系統軟件操作系統匯編或高級語言過程控制語言通信網絡軟件診斷程序等應用軟件過程輸入輸出程序控制策略程序人機接口程序打印顯示程序歷史數據庫實時數據庫計算機控制系統概述計算機控制系統中檢測設備和執行機構計算機控制系統中的過程通道計算機控制系統王超第1節

檢測設備傳感器變送器一、傳感器傳感器是一種將各種被測非電信號轉換成可用電信號的測量裝置或元件。傳感器的應用領域主要包括如下幾個方面：1）生產過程的測量與控制;2）報警與環境保護;3）自動化設備和機器人;4）交通運輸和資源探測;5）醫療衛生和家用電器。一、傳感器

電阻式傳感器

種類繁多，應用廣泛，其基本原理是將被測非電信號的變化轉換成電阻的變化。電阻值可表示為:其中，σ為電導率，l為長度，S為截面積。電阻應變式荷重傳感器產品圖一、傳感器

電容式傳感器

是以各種類型的電容器作為敏感元件，將被測物理量的變化轉換為電容量的變化，再由測量電路轉換為電壓、電流或頻率的變化，以達到檢測的目的。電容值可表示為:其中，S為極板間相互覆蓋面積；d為兩極板間的距離；ε為兩極板間的介電常數；ε0為真空介電常數，εr為介質的相對介電常數。電容式差壓變送器產品圖一、傳感器電感式傳感器是利用線圈自感或互感系數的變化來實現非電信號測量的一種裝置。電感式傳感器一般分為自感式、互感式和電渦流式3大類。習慣上將自感式傳感器稱為電感式傳感器，而互感式傳感器由于是利用變壓器原理，又往往做成差動式，故常被稱為差動變壓器式傳感器。電感式傳感器產品圖一、傳感器壓電式傳感器利用某些電介質材料具有壓電效應而制成。

當有些電介質材料在一定方向上受到外力（壓力或拉力）作用而變形時，在其表面上會產生電荷；當外力去掉后，又回到不帶電狀態，這種將機械能轉換成電能的現象，稱為壓電效應。壓電式力和加速度傳感器產品圖一、傳感器

光電式傳感器是將光信號轉化為電信號的一種傳感器，其理論基礎是光電效應。光電效應大致可分為如下三類：第一類是外光電效應，即在光照射下，能使電子逸出物體表面，利用這種效應做成的器件有真空光電管、光電倍增管等；第二類是內光電效應，即在光線照射下，能使物質的電阻率改變，這類器件包括各類半導體光敏電阻；第三類是光生伏特效應，即在光線作用下，物體內產生電動勢的現象，此電動勢稱為光生電動勢，這類器件包括光電池、光敏二極管和光敏晶體管等。光電開關一、傳感器

熱電式傳感器利用某些材料或元件的性能隨溫度變化的特性進行測量，主要包括熱電偶傳感器和熱電阻傳感器。熱電偶傳感器的測溫原理是熱電效應。常用的熱電偶有鉑銠-鉑（分度號為S）、鎳鉻-鎳硅（分度號為K）、鎳鉻-銅鎳（分度號為E）等。熱電偶傳感器產品圖一、傳感器常用的數字式傳感器有光柵式、碼盤式、磁柵式和感應同步器等。這類傳感器具有很高的測量精度，易于實現系統的快速化、自動化和數字化，易于與微處理機配合，組成數控系統，在機械工業的生產、自動測量以及機電控制系統中得到廣泛的應用。數字式傳感器產品圖一、傳感器根據具體的測量條件、使用條件以及傳感器的性能指標合理地選用傳感器是進行某個量測量時首先要解決的問題。1．傳感器的類型

要進行一個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。2．靈敏度通常在傳感器的線性范圍內，希望傳感器的靈敏度越高越好。3．精度精度是傳感器的一個重要的性能指標，它是關系到整個測量系統測量精度的一個重要環節。4．線性度線性度反映了輸出量與輸入量之間保持線性關系的程度。5．穩定性傳感器使用一段時間后，其性能保持不變的能力稱為穩定性。6．頻率響應特性傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應總有一定延遲，我們希望延遲時間越短越好。二、變送器

變送器在控制系統中起著至關重要的作用，它將工藝變量（如溫度、壓力、流量、液位、成分等）和電、氣信號（如電流、電壓、頻率和氣壓信號等）轉換成該系統統一的標準信號。變送器電動變送器電流輸出型變送器電壓輸出型變送器氣動變送器氣動變送器的信號標準為0.02～0.1MPa工業上最廣泛采用的標準模擬量電信號是用4～20mA電流來傳輸信號二、變送器四線制

變送器需要兩根電源線，加上兩根信號線，總共要接4根線。三線制

變送器的信號輸出與電源共用一根線（公用VCC或者GND）。二線制

變送器的信號傳輸與供電共用兩根導線，即這兩根導線既從控制室向變送器傳送電源，變送器又通過這兩根導線向控制室傳送現場檢測到的信號。與非兩線制變送器相比，二線制變送器節省了導線，有利于抗干擾及防爆，因此，雖然現場總線技術快速發展，但兩線制變送器依然在工業現場應用非常廣泛。二、變送器

傳感器將溫度、壓力等非電物理量轉化為電參量；調理電路將傳感器輸出的微弱或非線性的電信號進行放大、調理、轉化為線性的電壓輸出。二線制V／I變換電路根據信號調理電路的輸出控制總體耗電電流，同時從環路上獲得電壓并穩壓，供調理電路和傳感器使用。第2節

執行機構氣動執行機構電動執行機構一、氣動執行機構伺服電動機、電動機、閥門、繼電器、接觸器等輸出部件，統稱為執行機構，也稱為執行裝置或執行器。執行機構的作用：接收計算機發出的控制信號，并把它轉換成調整機構的動作，使生產過程按照預先規定的要求正常進行。常用的執行機構為氣動和電動兩種類型。

氣壓信號由上部引入，作用在薄膜上，推動閥桿產生位移，改變了閥芯與閥座之間的流通面積，從而達到了控制流量的目的。執行機構是將信號壓力的大小轉換為閥桿位移的裝置。控制機構是將閥桿的位移轉換為流過閥的流量的裝置。一、氣動執行機構（一）執行機構執行機構薄膜式活塞式適用于輸出力較小、精度較高的場合適用于輸出力較大的場合，如大口徑、高壓降控制或蝶閥的推動裝置輸出位移信號壓力膜片有效面積彈簧剛度氣動薄膜執行機構有正作用和反作用兩種形式。正作用執行機構的信號壓力是通入波紋膜片上方的薄膜氣室；反作用執行機構的信號壓力是通入波紋膜片下方的薄膜氣室。氣動活塞執行機構根據特性分為比例式和兩位式兩種。兩位式根據輸入活塞兩側操作壓力的大小，活塞從高壓側被推向低壓側。比例式是在兩位式基礎上加以閥門定位器，使推桿位移和信號壓力成比例關系。一、氣動執行機構（二）控制機構

控制機構即控制閥，實際上是一個局部阻力可以改變的節流元件。通過閥桿上部與執行機構相連，下部與閥芯相連。由于閥芯在閥體內移動，改變了閥芯與閥座之間的流通面積，即改變了閥的阻力系數，被控介質的流量也就相應的改變，從而達到控制工藝參數的目的。控制閥直通單座控制閥直通雙座控制閥球閥蝶閥隔膜控制閥分流型三通控制閥角形控制閥合流型凸輪撓曲閥籠式閥二、電動執行機構（一）電磁式繼電器電磁式繼電器是一種用小電流的通斷控制大電流通斷的常用開關控制器件，主要由線圈、鐵心、銜鐵和觸點四部分組成。繼電器的觸點是與線圈分開的，通過控制繼電器線圈上的電流可以使繼電器上的觸點斷開，從而使外部高電壓或大電流與微機隔離。電磁式繼電器線圈的驅動電源可以是直流的，也可以是交流的，電壓規格也有很多種。電磁式繼電器還有電流放大作用，因此，它是種很好的開關量輸出隔離及驅動器件。電磁式繼電器的不足是機械式觸點動作時間較慢，在開關瞬間觸點容易產生火花，引起干擾，減短使用壽命。二、電動執行機構（二）固態繼電器固態繼電器簡稱SSR（SolidStateRelay），它利用電子技術實現了控制電路與負載電路之間的電隔離和信號耦合。由于固態繼電器輸入控制電流小，輸出無觸點，所以與電磁式繼電器相比，具有體積小、重最輕、無機械噪聲、無抖動和回跳、開關速度快、工作可幕、壽命長等優點。

在微機控制系統中得到了廣泛的應用，大有取代電磁式繼電器之勢。二、電動執行機構（二）固態繼電器輸入電路直流輸入電路交流輸入電路交直流輸入電路光電耦合和變壓器耦合光電耦合通常使用光電二極管—光電三極管，光電二極管—雙向光控可控硅，光伏電池，實現控制側與負載側隔離控制高頻變壓器耦合是利用輸入的控制信號產生的自激高頻信號經耦合到次級，經檢波整流，邏輯電路處理形成驅動信號輸出電路直流輸出電路交流輸出電路交直流輸出電路二、電動執行機構（二）固態繼電器使用固態繼電器時應注意：1）存在通態壓降，一般1V左右；2）半導體器件關斷后仍可有數微安至數毫安的漏電流，因此不能實現理想的電隔離；3）電流負載能力隨溫度升高而下降，選用時留余量。4）SSR過載能力差，當感性負載時需加壓敏電阻保護，電壓選1.6-1.9倍電源電壓。5）輸出負載短路會造成SSR損壞。二、電動執行機構（三）電磁閥

電磁閥是在氣體或液體流動的管路中受電磁力控制開閉的閥體，廣泛應用于液壓機械、空調系統、熱水器、自動機床等系統中。電磁閥由線圈、固定鐵心、可動鐵心和閥體等組成；電磁閥通常是處于關閉狀態的，通電時才開啟，以避免電磁鐵長時間通電而發熱燒毀；電磁閥有交流和直流之分。交流電磁閥使用方便，但容易產生顫動，起動電流大，并會引起發熱；直流電磁閥工作可靠，但需專門的直流電源，電壓分12V、24V和48V三個等級。二、電動執行機構（四）調節閥調節閥是用電動機帶動執行機構連續動作以控制開度大小的閥門，又稱為電動閥。由于電動機行程可完成直線行程也可完成旋轉的角度行程，所以有可以帶動直線移動的調節閥如直通單座閥、直通雙座閥、三通閥、隔膜閥、角形閥等，也有可以帶動葉片旋轉閥芯的蝶形閥。根據流體力學的觀點，調節閥是一個局部阻力可變的節流元件，通過改變閥芯的行程可改變調節閥的阻力系數，從而達到控制流量的目的。二、電動執行機構（五）伺服電動機伺服電動機也稱為執行電動機，是控制系統中應用十分廣泛的一類執行元件。伺服電動機可以將輸入的電壓信號變換為軸的角位移和角速度輸出。在信號到來之前，轉子靜止不動；信號到來之后，轉子立即轉動；信號消失之后，轉子又能即時自行停轉。由于這種“伺服”性能，將這種控制性能較好、功率不大的電動機稱作伺服電動機。直流伺服電動機的輸出功率常為1~600W，往往用于功率較大的控制系統；交流伺服電動機的功率較小，一般為0.1~100W，用于功率較小的控制系統。伺服電動機有直流和交流兩大類。二、電動執行機構（六）步進電動機步進電動機是工業過程控制和儀器儀表中重要的控制元件之一，它是一種將電脈沖信號轉換為直線位移或角位移的執行器。步進電動機按其運動方式可分為旋轉式步進電動機和直線式步進電動機，前者每輸入一個電脈沖轉換成一定的角位移，后者每輸入一個電脈沖轉換成一定的直線位移。由此可見，步進電動機的工作速度與電脈沖頻率成正比，基本上不受電壓、負載及環境條件變化的影響，與一般電動機相比能夠提供較高精度的位移和速度控制。步進電動機還有快速起停的顯著特點，并能直接接收來自計算機的數字信號，而無需經過D/A轉換，使用十分方便，所以在定位場合中得到了廣泛的應用。計算機控制系統概述計算機控制系統中檢測設備和執行機構計算機控制系統中的過程通道計算機控制系統王超第1節

概述概述過程通道是計算機和生產過程之間設置的信息傳送和轉換的連接通道。過程通道包括：檢測通道即輸入通道數字量輸入通道脈沖量輸入通道模擬量輸入通道控制通道即輸出通道數字量輸出通道脈沖量輸出通道模擬量輸出通道概述第2節

通道接口技術通道地址譯碼技術編址方式地址譯碼總線接口常用芯片鎖存器緩沖器第2節

通道接口技術通道地址譯碼技術編址方式地址譯碼總線接口常用芯片鎖存器緩沖器存儲器統一編址方式（WR、RD）通道地址譯碼技術——編址方式存儲器指令豐富，使用靈活，程序設計方便；占用了存儲空間地址，指令執行時間較長，難以區分I/O操作。I/O指令簡單，執行時間短，硬件設計簡單，程序設計清晰；輸入輸出數據必須經過累加器A。I/O接口編址方式（MREQ、IORQ配合WR和RD或IOW、IOR）一、譯碼器譯碼（適合連續多個地址的譯碼電路設計）通道地址譯碼技術——地址譯碼（1）3－8譯碼器74LS1381、常用的譯碼器（2）除138外還有74LS154，是4－16譯碼器通道地址譯碼技術——地址譯碼2、譯碼器譯碼實例實例1：連續8地址譯碼設計通道地址譯碼技術——地址譯碼實例2：采用3片74LS138譯出24個I/O接口芯片地址。采用3片74LS138譯碼器，經A0—A45根地址線，就可以譯出24個I/O接口端口號。通道地址譯碼技術——地址譯碼A7A6A5A4A3A2A1A0地址00000×××1381號00H-07H011382號08H-0FH101383號10H-17H邏輯表通道地址譯碼技術——地址譯碼二、通用陣列邏輯(GAL：GenericArrayLogic)器件譯碼

由譯碼器構成的譯碼電路雖能很好地完成譯碼功能。但都需要非止一個器件來構成譯碼電路。在實際應用中需要較大的安裝空間和較多種類的產品備件．這將影響最終產品的成本、可靠性及可維護性。

通道地址譯碼技術——地址譯碼

●具有可編程的與門及或門陣列；

●可定義每個輸出引腳的結構和功能；

●GAL器件可在線電擦寫、編程，數據保持時間在10年以上；

●GAL器件有較高的響應速度，與TTL兼容；●GAL器件具有可編程的保密位，防止非法讀取和復制。常用GAL器件介紹：常用的GAL器件有GAL16v8、GAL20v8等芯片，可依據應用條件不同而選取。

GAL16v8器件具有20個引腳，最多可具有16個輸入端(這時僅有2個輸出端)或最多具有8個輸出端(這時僅有10個輸入端)。該特性與其名字的命名相對應。通道地址譯碼技術——地址譯碼三、比較器件譯碼

8位比較器74LS688。

通道地址譯碼技術——地址譯碼第2節

通道接口技術通道地址譯碼技術編址方式地址譯碼總線接口常用芯片鎖存器緩沖器在應用系統中，幾乎所有系統擴展的外圍芯片都是通過總線與CPU連接的，但是：總線的數目是有限的；外圍芯片工作時有一個輸入電流，不工作時也有漏電流存在，因此總線只能帶動一定數量的電路；對于多電壓系統，不同電平標準芯片的連接也需要電平的匹配；總線接口常用芯片一、鎖存器1、74LS574總線接口常用芯片一、鎖存器2、74LS573總線接口常用芯片總線接口常用芯片鎖存器改為74LS573可以嗎？二、緩沖器1、74LS2442、74LS24574LVTH624474LVTH6245總線接口常用芯片第3節

數字量輸入通道數字量輸入通道的結構數字量輸入調理電路什么芯片可實現這里的輸入緩沖?數字量輸入通道的結構可能引入瞬時的高壓、過電壓、接觸抖動等現象。將現場輸入的信號經轉換、保護、濾波、隔離等措施轉換成計算機能夠接收的邏輯信號——信號調理。數字量輸入調理電路開關量（數字量）的種類按類型分有電平式和觸點式兩種電平式為高電平或低電平觸點式為觸點閉合或觸點斷開按電源分有有源和無源兩種有源即直接提供高、低電平無源即提供物理觸點，或感應器件1、對抖動的調理01101數字量輸入調理電路2、保護數字量輸入調理電路3、隔離

在工業現場獲取的開關量或數字量的信號電平往往高于計算機系統的邏輯電平，即使輸入數字量電壓本身不高，也可能從現場引入意外的高壓信號，因此必須采取電隔離措施，以保障系統安全。光電耦合器就是一種常用且非常有效的電隔離手段，由于它價格低廉，可靠性好，被廣泛地應用于現場輸入設備與計算機系統之間的隔離保護。數字量輸入調理電路

光電耦合器電路圖適于非TTL電路輸入的隔離電路圖數字量輸入調理電路第4節

數字量輸出通道數字量輸出通道的結構數字量輸出調理電路數字量輸出通道的結構什么芯片可實現這里的輸出鎖存?

數字量輸出的信號調理主要是進行功率放大，使控制信號具有足夠的功率去驅動執行機構或其它負載。1、小功率直流驅動電路（幾十毫安級）數字量輸出調理電路2、繼電器輸出技術

繼電器經常用于計算機控制系統中的開關量輸出功率放大，即利用繼電器作為計算機輸出的第一級執行機構，通過繼電器的觸點控制大功率接觸器的通斷，從而完成從直流低壓到交流高壓，從小功率到大功率的轉換。數字量輸出調理電路3、大功率交流驅動電路

對于交流供電的負載，其開關量的輸出控制可用固態繼電器(SolidStateRelay，簡稱SSR)來實現。固態繼電器內部結構示意圖數字量輸出調理電路分類：直流型（DC-SSR）節點通直流電；交流型（AC-SSR）節點通交流電。特點：輸入功率小、可靠性高、低噪聲、能承受的浪涌電流大、對電源電壓適應能力強（交流型對負載30V—220V）、抗擾能力強。注意：存在通態壓降（<2V）；電流負載能力隨溫度升高而下降，選用時留余量；SSR過載能力差，當感性負載時需加壓敏電阻保護，電壓選1.6～1.9倍電源電壓；輸出負載短路會造成SSR損壞。數字量輸出調理電路TTL驅動SSRCMOS驅動SSR數字量輸入調理電路第5節

模擬量輸出通道模擬量輸出通道的結構采樣保持多路轉換器D/A轉換技術1、數字保持式結構：一個通路一個D/A轉換器，CPU與D/A之間通過獨立的接口緩沖器傳送信息。特點：速度快，精度高，可靠，互不影響；D/A多。一個實際的計算機控制系統中，往往需要多路的模擬量輸出，其實現方法有兩種。模擬量輸出通道的結構§2.6.1模擬量輸出通道的結構2、模擬保持式結構：多個通路共用一個D/A，CPU分時將各路D/A轉換通過多路開關分送各路保持電路去。特點：省D/A，速度慢，可靠性較差。第5節

模擬量輸出通道模擬量輸出通道的結構采樣保持多路轉換器D/A轉換技術AD轉換器將模擬信號轉換為數字量需要一定的時間，對于隨時間變化的模擬信號來說，轉換時間決定了每個采樣時刻的最大轉換誤差。AD轉換延遲所引起的可能誤差是△U。對于一定的轉換時間，最大可能的誤差發生在信號過零的時刻，因為此時dU／dt最大，轉換時間一定，所以△U最大。采樣保持令U＝Umsinωt，則式中，Um為正弦信號的幅值，f為信號頻率，在坐標原點取△t=tA/D，則得原點處轉換的不確定電壓誤差為采樣保持誤差的百分數為：實例：一個10位的AD轉換器，若要求轉換精度為0.1%，轉換時間為10μs，則允許轉換的正弦波模擬信號的最大頻率為采樣保持采樣/保持器一般由模擬開關、儲能元件（電容）、輸入和輸出緩沖放大器組成。采樣保持電路有兩個工作狀態，一是采樣狀態．二是保持狀態。采樣保持選擇采樣/保持器時，應考慮如下因素：采樣保持器的孔徑時間：保持命令發出后K完全斷開所需時間；采樣保持器的捕捉時間：由保持到采樣時輸出U，從原保持值過渡到跟蹤信號的時間；保持電壓變化率：，其中，ID是輸入C或流出C總的漏電流。常用的采樣保持芯片：LF398采樣保持應當指出，在模擬量輸入通道中，只有在信號變化頻率較高而A／D轉換速度又不高，以致轉換誤差影響轉換精度時，或者要求同時進行多路采樣的情況下，才需要設置采樣保持電路，對于一些變化緩慢的生產過程(如石油、化工等)可以不設置保持電路。第5節

模擬量輸出通道模擬量輸出通道的結構采樣保持多路轉換器D/A轉換技術§2.5.4多路轉換器多路轉換器又稱多路開關是用來切換模擬電壓信號的關鍵元件。利用多路開關可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轉換器上。A

B

C000X=X0001X=X1010X=X2011X=X3100X=X4101X=X5110X=X6111X=X7CD4051第5節

模擬量輸出通道模擬量輸出通道的結構采樣保持多路轉換器D/A轉換技術D/A轉換技術D/A轉換原理權電阻D/A倒T型網絡D/AD/A技術指標分辨率穩定時間線性度D/A實現技術模擬輸出極性變換與CPU接口依據D/A轉換原理不同可分為求取脈沖平均值的PWM型數字編碼信號控制下加權量疊加型加權量疊加型一般由四部分組成，即電子開關、電阻網絡、放大器和標準電壓源；根據電阻網絡不同，可分為權電阻譯碼D/A轉換器、倒T型網絡D/A轉換器等；D/A轉換原理D/A轉換原理——權電阻D/AD/A轉換原理——權電阻D/AD/A轉換原理——權電阻D/AD/A轉換原理——倒T型網絡D/ADi=1，Si將電阻接到運放反向輸入端；Di=0，Si將i將電阻接到運放同向輸入端；都是虛地，各支路電流不會變化；流入2R支路的電流是以2的倍速遞減；D/A轉換原理——倒T型網絡D/A運算放大器的輸出電壓為

若Rf=R，并將I=UR/R代入上式，則有

可見，輸出模擬電壓正比于數字量的輸入。

D/A轉換原理——倒T型網絡D/AD/A轉換技術D/A轉換原理權電阻D/A倒T型網絡D/AD/A技術指標分辨率穩定時間線性度D/A實現技術模擬輸出極性變換與CPU接口分辨率：與A/D轉換器的分辨率概念類似，指當輸入數字量變化1時，輸出模擬量變化的大小。分辨率通常用數字量的位數來表示，如8位、12位、18位。穩定時間：指D/A轉換器所有輸入二進制數變化是滿刻度時，模擬量輸出穩定到±1/2LSB范圍內所需要的時間。一般為幾十納秒到幾微秒完程一次轉換所需要的時間；線性度：一個理想的D/A轉換器輸入輸出特性應是線性的。在滿量程范圍內，偏離理想轉換特性的最大誤差稱為線性誤差，一般用LSB的分數表示。D/A技術指標D/A轉換技術D/A轉換原理權電阻D/A倒T型網絡D/AD/A技術指標分辨率穩定時間線性度D/A實現技術模擬輸出極性變換與CPU接口D/A實現技術——DAC08321、單極性輸出D/A實現技術——模擬輸出極性變換2、雙極性輸出D/A實現技術——模擬輸出極性變換1、單緩沖方式接口D/A實現技術——與CPU接口2、雙緩沖方式接口D/A實現技術——與CPU接口第6節

模擬量輸出通道模擬量輸出通道的結構D/A轉換技術1、數字保持式結構：一個通路一個D/A轉換器，CPU與D/A之間通過獨立的接口緩沖器傳送信息。特點：速度快，精度高，可靠，互不影響；D/A多。一個實際的計算機控制系統中，往往需要多路的模擬量輸出，其實現方法有兩種。模擬量輸出通道的結構§2.6.1模擬量輸出通道的結構2、模擬保持式結構：多個通路共用一個D/A，CP