【正文】 退出 計算機測控技術(shù) 第 1章 緒論 本章主要介紹計算機測控制的一般概念，計算機測控系統(tǒng)的組成、分類、特點及其典型應用和發(fā)展。 退出 計算機測控系統(tǒng)的組成及特點 一般概念 模擬式自動控制系統(tǒng)也已達到相當完善的程度。但它的進一步發(fā)展受到了限制，在復雜控制規(guī)律的實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化、可靠性等方面已不能滿足更高的要求。 現(xiàn)代控制理論的發(fā)展給自動控制系統(tǒng)增添了理論工具，而計算機技術(shù)的發(fā)展為新型控制規(guī)律的實現(xiàn)、構(gòu)造高性能的控制系統(tǒng)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，兩者的結(jié)合極大地推動了自動控制技術(shù)的發(fā)展。 將模擬式自動控制系統(tǒng)中的控制器的功能用計算機來實現(xiàn)，就組成了一個典型的計算機控制系統(tǒng)，如圖 11所示。因此，計算機控制系統(tǒng)，簡單地說，就是采用計算機來實現(xiàn)的工業(yè)自動控制 (含管理 )系統(tǒng)。 ? 在系統(tǒng)中，計算機只能處理數(shù)字信號，因而給定值和反饋量要先經(jīng)過 A/D。當計算機接收了測量信號后，根據(jù)需要作分析處理；控制中，依給定量和反饋量的偏差值，按某種控制規(guī)律進行運算 (如 PID運算 )，計算結(jié)果 (數(shù)字信號 )再經(jīng)過 D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬控制信號輸出到執(zhí)行機構(gòu)，完成對系統(tǒng)的控制作用。 A / D設(shè) 定 值控 制 規(guī) 律計 算 程 序+D / A執(zhí) 行機 構(gòu)被 控對 象反饋量計 算 機檢 測 裝 置被控量計 算 機 控 制 系 統(tǒng) 基 本 框 圖 計算機控制系統(tǒng)的組成 計算機主機I / O接口I / O接口打 印機顯 示終 端操 作 臺I / O接 口I / O接 口I / O接 口I / O接 口A / DD / A多 路 開 關(guān)多 路 開 關(guān)傳 感 器 及變 送 器執(zhí) 行 機 構(gòu)數(shù) 字 量 輸 入數(shù) 字 量 輸 出工業(yè)對象通 用 外圍 設(shè) 備主 機 及 操作 臺I / O 接口 電 路I / O 通 道信 號 檢 測及 變 送被 控 對 象典 型 計 算 機 控 制 系 統(tǒng) 組 成 框 圖(1)傳感器和變送器：傳感器的主要功能是將被檢測的非電量參數(shù)轉(zhuǎn)變成電學量，如熱電偶把溫度變成電壓信號，壓力傳感器把壓力變成電信號等等。變送器的作用是將傳感器得到的電信號轉(zhuǎn)變成適用于計算機接口使用的標準的電信號 (如 05V， 010mA)。 (2)輸入通道： 模擬量 I：將經(jīng)由傳感器得到的工業(yè)對象的生產(chǎn)過程參數(shù)變換成二進制代碼傳送給計算機 (A/D) 數(shù)字量 I通道：除完成編碼數(shù)字輸入輸出外，還可將各種繼電器、限位開關(guān)等的狀態(tài)通過輸入接口傳送給計算機。 (3) 輸出通道：將計算機輸出的數(shù)字控制量變換為控制操作拉行機構(gòu)的模擬信號，以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制 (D/A)。或?qū)⒂嬎銠C發(fā)出的開關(guān)動作邏輯信號經(jīng)由輸出接口傳送給生產(chǎn)機械中的各個電子開關(guān)或電磁開關(guān) 。 (4)執(zhí)行機構(gòu)：為了控制生產(chǎn)過程，還需有執(zhí)行機構(gòu)。常用的執(zhí)行機構(gòu)有各種電動、液動、氣動開關(guān)，電液伺服閥，交、直流電動機，步進電動機等等。 (5) 主機及操作臺：主機由中央處理器、時鐘電路、內(nèi)存儲器構(gòu)成的計算機主機是組成計算機控制系統(tǒng)的核心部件，主要進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、控制量計算、越限報警等，通過接口電路向系統(tǒng)發(fā)出各種控制命令，指揮全系統(tǒng)有條不紊地協(xié)調(diào)工作。 ? 操作臺是人 機對話的聯(lián)系紐帶，操作人員可通過操作臺向計算機輸入和修改控制參數(shù)，發(fā)出各種操作命令，計算機可向操作人員顯示系統(tǒng)運行狀況，發(fā)出報警信號。操作臺一般包括各種控制開關(guān)、數(shù)字鍵、功能鍵、指示燈、聲訊器、數(shù)字顯示器或 CRT顯示器等。 (6)通用外圍設(shè)備：主要是為了擴大計算機主機的功能而配置的。它們用來顯示、存儲、打印、記錄各種數(shù)據(jù)。常用的有打印機、記錄儀、圖形顯示器 (CRT)、軟盤、硬盤及外存儲器等。 二、軟件 從功能區(qū)分，軟件可分為系統(tǒng)軟件和應用軟件。 (1) 系統(tǒng)軟件是由計算機的制造廠商提供的 ．用來管理計算機本身的資源、方便用戶使用計算機的軟件。常用的有操作系統(tǒng)、開發(fā)系統(tǒng)等，它們一般不需用戶自行設(shè)計編程，只需掌握使用方法或根據(jù)實際需要加以適當改造即可。 (2) 應用軟件是用戶根據(jù)要解決的控制問題而編寫的各種程序，比如各種數(shù)據(jù)采集、濾波程 序、信號分析、控制量計算程序、生產(chǎn)過程監(jiān)控程序等 。 計算機在控制中的典型應用方式 一 、 操作指導控制系統(tǒng) (見圖 13) 在操作指導控制系統(tǒng)中 ， 計算機的輸出不直接用來控制生產(chǎn)對象 。 計算機只是對生產(chǎn)過程的參數(shù)進行采集 ， 然后根據(jù)一定的控制算法計算出供操作人員參考 、 選擇的操作方案 、最佳設(shè)定值等 ， 操作人員根據(jù)計算機的輸出信息去改變調(diào)節(jié)器的設(shè)定值 ， 或者根據(jù)計算機輸出的控制量執(zhí)行相應的操作 (如直接改變閥門開度 ) 。 操 作 指 導 計 算 機人 A / D控 制 器多 路 開 關(guān)傳 感 器生 產(chǎn) 過 程操 作 指 導 參 考 數(shù) 據(jù)測 量 值……設(shè) 定 值控 制 量圖 3 1 計 算 機 操 作 指 導 控 制 系 統(tǒng) 示 意 圖?二、直接數(shù)字控制系統(tǒng) (見圖 14) ? 直接數(shù)字控制 DDC(Direct Digital Contro1)系統(tǒng)是計算機用于工業(yè)過程控制最普遍的 — 種方式。計算機通過輸入通道對一個或多個物理量進行巡回檢測，并根據(jù)規(guī)定的控制規(guī)律進行運算，然后發(fā)出控制信號，通過輸出通道直接控制調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機構(gòu)。 ? 在 DDC系統(tǒng)中的計算機參加閉環(huán)控制過程，它不僅能完全取代模擬調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)多回路的PID(比例、積分、微分 )調(diào)節(jié)，而且不需改變硬件，只需通過改變程序就能實現(xiàn)多種較復雜的控制規(guī)律，如串級控制、前饋控制、非線性控制、自適應控制、最優(yōu)控制等。 計算機接 口 輸 入 通 道接 口 輸 出 通 道檢 測執(zhí) 行生產(chǎn)過程顯 示打 印設(shè) 定 值圖 1 4 直 接 數(shù) 字 控 制 系 統(tǒng)?三、監(jiān)督計算機控制系統(tǒng) ?監(jiān)督計算機控制(SupervisoryComputerContro1)系統(tǒng)簡稱 SCC系統(tǒng)。在 SCC系統(tǒng)中計算機根據(jù)工藝參數(shù)和過程參量檢測值，按照所設(shè)計的控制算法進行計算，計算出最佳設(shè)定值直接傳送給常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器或者DDC計算機，最后由模擬調(diào)節(jié)器或DDC計算機控制生產(chǎn)過程。 SCC系統(tǒng)有兩種類型，一種是 SCC+模擬調(diào)節(jié)器，另一種是 SCC+DDC控制系統(tǒng)。監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖 15所示。 圖 1 5 監(jiān) 督 計 算 機 控 制 系 統(tǒng) 構(gòu) 成 示 意 圖S C C 計 算 機A / D模 擬調(diào) 節(jié) 器多 路 開 關(guān)傳 感 器生 產(chǎn) 過 程設(shè) 定 值測 量 值……輸 入 輸 出S C C 計 算 機A / D多 路 開 關(guān)傳 感 器生 產(chǎn) 過 程設(shè) 定 值測 量 值……輸 入 輸 出多 路 開 關(guān)D / AD D Ca ) S C C + 模 擬 調(diào) 節(jié) 器 系 統(tǒng) b ) S C C + D D C 系 統(tǒng)? 1． SCC加上模擬調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng) ： 這種類型的系統(tǒng)中，計算機對各過程參量進行巡回檢測，并按一定的數(shù)學模型對生產(chǎn)工況進行分析、計算后得出被控對象各參數(shù)的最優(yōu)設(shè)定值送給調(diào)節(jié)器，使工況保持在最優(yōu)狀態(tài)。當 SCC計算機發(fā)生故障時，可由模擬調(diào)節(jié)單獨立執(zhí)行控制任務。 ? 2． SCC加上 DDC控制系統(tǒng)：這是一種二級控制系統(tǒng)， SCC可采用較高擋的計算機，它與DDC之間通過接口進行信息交換。 SCC計算機完成工段、車間等高一級的最優(yōu)化分析和計算，然后給出最優(yōu)設(shè)定值，送給 DDC計算機執(zhí)行控制。 四、分級計算機控制系統(tǒng) 企 業(yè) ( 公 司 ) 管 理 級工 廠 管 理 級車 間 管 理 級過 程控 制 級過 程控 制 級車 間 管 理 級過 程控 制 級過 程控 制 級生 產(chǎn) 過 程圖 1 6 計 算 機 分 級 控 制 系 統(tǒng)第 2章 模擬量輸入輸出通道 ? DAC及 ADC的性能指標和選擇要點 ? DAC及硬件電路 ? ADC及硬件電路 ? 多路轉(zhuǎn)換器 退出 ? 性能指標 ? 1． 分辨率 : 轉(zhuǎn)換位數(shù) n ? 2． 轉(zhuǎn)換速率 （ A/D): 采樣定理 ? 穩(wěn)定時間 （ D/A) ? 3． 輸入電壓范圍 （ A/D), ? 模擬量輸出形式 （ D/A) ? 4． 供電電源 ? 5． 工作環(huán)境 DAC及 ADC的性能指標和選擇要點 DAC及硬件電路 一、芯片內(nèi)設(shè)有數(shù)據(jù)鎖存器 直接相連。 如： DAC0830,0831,0832, AD558, DAC 888, AD7522 二、芯片內(nèi)沒有有數(shù)據(jù)鎖存器 通過并行或串行口相連。 如： DAC1020, DAC1220等 ? MCS51與 DAC0832的接口 一、 DAC0832的特點及結(jié)構(gòu)原理 分辨率： 8位 穩(wěn)定時間： 1us 供電電源： +5v+15v DAC0832是帶有兩級數(shù)據(jù)輸人緩沖鎖存器的 8位 D／ A轉(zhuǎn)換器。其引腳如圖所示。 輸入寄存器地址： ILE為 1， /CS為 0, /WR1為 0 DAC寄存器地址： /WR2為 0 ， /XFER為 0 二 、 DAC0832應用接口電路 ? 單片機與 DAC0832的接口 ， 可根據(jù)需要按單級緩沖器方式 、 二級緩沖器方式聯(lián)接 。 單緩沖器連接方式 DAC0832以單緩沖器方式與 8051的接口電路圖所示 。 輸入寄存器地址與 DAC寄存器地址均為 0FEFFH ? 用該連接產(chǎn)生一個鋸齒波信號的程序如下： ? WAVE： MOV DPTR， 0FEFFH MOV A， 00H ? LOOP： MOVX @DPTR， A ? INC A ? SJMP LOOP ? 上述程序輸出的波形如下圖所示 。 ?２ 、 雙緩沖器連接方式 ? 采用雙緩沖器連接方式時 ， DAC0832的數(shù)字量輸入鎖存和 D／ A轉(zhuǎn)換輸出分兩步完成 。 首先 ， 將數(shù)字量輸入到各路 D／ A轉(zhuǎn)換器的輸入寄存器 ， 然后 ， 控制各路 D／ A轉(zhuǎn)換器 ， 使各路 D／ A轉(zhuǎn)換器輸入寄存器中的數(shù)據(jù) ， 同時進入 DAC寄存器 ， 并轉(zhuǎn)換輸出 。 所以 ， 在這種工作方式下 ， DAC0832占用兩個 I／ O地址 ， 輸入寄存器和 DAC寄存器各占一個 I／ O地址 。 ? 這種方式適用于幾個模擬量同時輸出的系統(tǒng) ， 每一路模擬量輸出需一片 DAC0832 ， 也可用多片DAC0832構(gòu)成多路模擬量同步輸出的系統(tǒng) 。 ? 圖為二路模擬量同步輸出的 8031系統(tǒng)。圖中， 1DAC0832輸入寄存器地址為 ODFFFH， 2DAC0832輸入寄存器的地址為 OBFFFH， 1和 2DAC0832的第二級寄存器地址同為7FFFH。兩片 DAC0832的輸出分別接圖形顯示器的 X、 Y偏轉(zhuǎn)放大器的輸入端。 ?8031執(zhí)行下面的程序段，將使圖形顯示器的亮點移動到一個新的位置： ? ① MOV DPTR， 0DFFFH ? ② MOV A， DATAX ? ③ MOVX @DPTR， A 。數(shù)據(jù) X打入 1輸入寄存器 ? ④ MOV DPTR， 0BFFFH ? ⑤ MOV A， DATAY ? ⑥ MOVX @DPTR， A 。數(shù)據(jù) Y打入 2輸入寄存器 ? ⑦ MOV DPTR， 7FFFH ? ⑧ MOVX @DPT39。R， A 12輸入寄存器的內(nèi)容 ? 同時打人各自的 DAC寄存器中 ADC及硬件電路 ADC芯片型號很多，在精度、速度和價格方面千差萬別，較為常見的 ADC主要有逐次逼近型、雙積分型和電壓頻率變換型三種。 雙積分型 ADC，一般精度高；對周期變化的干擾信號積分為零，因此抗干擾性好；價格便宜，但轉(zhuǎn)換速度慢。 逐次逼近型 ADC，在轉(zhuǎn)換速度上同雙積分型 ADC相比要快得多。精度較高 (12位及 12位以上的 )，價格較高。 電壓 — 頻率 (V— F)變換型 ADC，突出的優(yōu)點是高精度，其分辨率可達 16位以上；價格低廉，但轉(zhuǎn)換速度不高。 5G14433(雙積分型 )的應用 一、 5G14433A/