【正文】 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 過程輸入輸出通道技術(shù) ⑷ A/D轉(zhuǎn)換器 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，被測參數(shù)，如溫度、壓力、流量、液位、成分等都是連續(xù)變化的模擬量，而計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)只能是數(shù)字量，所以在進(jìn)入計(jì)算機(jī)之前，必須把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量（也即 A/D轉(zhuǎn)換）。 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 過程輸入輸出通道技術(shù) 2. 模擬量輸入通道的 組成 ⑴ 信號調(diào)理電路 經(jīng)由傳感器或檢測儀表、變送器輸入的模擬信號，可能是電壓或電流信號，幅值范圍往往和 A/D轉(zhuǎn)換器的量程不匹配，而且一般含有噪聲信號，因此需要進(jìn)行放大、濾波、隔離保護(hù)等處理，稱為信號調(diào)理。 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 過程輸入輸出通道技術(shù) 概述 過 程 通 道 模擬量輸入通道（ AI） 模擬量輸出通道（ AO） 開關(guān)量輸入通道（ DI） 開關(guān)量輸出（ DO）通道 計(jì)算機(jī)模 擬 量 輸 入 （ A I ） 通 道模 擬 量 輸 出 （ A O ） 通 道數(shù) 字 量 輸 入 （ D I ） 通 道數(shù) 字 量 輸 出 （ D O ） 通 道測 量 變 送執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu)開 關(guān) 觸 點(diǎn)開 關(guān) 設(shè) 備生產(chǎn)過程過程通道 過程輸入輸出通道的結(jié)構(gòu) 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 控制輸入輸出通道技術(shù) 模板式 模塊式 A I A O D I D O主 控 單 元主 機(jī) 板I / O 單 元BUSA I A O D I D OI / O 主 板主 控單 元串 行 通 信或網(wǎng) 絡(luò) 通 信BUSI / O 單 元AI主 控 單 元AODIDOR S 4 8 5I / O 單 元模塊式結(jié)構(gòu)： 模板式結(jié)構(gòu)： (a)混合集中式 (b)分離分布式 模擬量輸入通道 (AI)是計(jì)算機(jī)用于工業(yè)控制、自動(dòng)測試、計(jì)算機(jī)輔助醫(yī)療診斷、機(jī)器人等科學(xué)研究時(shí)必需的模擬數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。過程控制 Process Control 下篇 過程計(jì)算機(jī)控制 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng) 本章要點(diǎn) ◇ 直接數(shù)字控制系統(tǒng)的構(gòu)成 ◇ 過程輸入輸出技術(shù)及數(shù)據(jù)處理方法 ◇ 數(shù)字 PID控制技術(shù)及數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ◇ 數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法 ◇ 監(jiān)控組態(tài)軟件 本章學(xué)習(xí)目標(biāo) ◇ 理解直接數(shù)字控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理及特點(diǎn) ◇ 掌握模擬量、數(shù)字量輸入輸出技術(shù) ◇ 深刻理解數(shù)字濾波及數(shù)據(jù)處理方法 ◇ 熟練掌握數(shù)字 PID控制算法及改進(jìn)算法 ◇ 掌握單回路、串級、前饋控制策略的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法 ◇ 理解數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法 ◇ 了解監(jiān)控組態(tài)軟件的功能及應(yīng)用 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng) 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 過程輸入輸出通道技術(shù) 數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理 數(shù)字 PID控制技術(shù) 數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法 監(jiān)控組態(tài)軟件 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 直接數(shù)字控制系統(tǒng) （ Direct Digital Control，DDC）就是用一臺(tái)計(jì)算機(jī)通過測量元件變送器對生產(chǎn)過程中的多個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢測；檢測結(jié)果與給定值進(jìn)行比較，再按 PID控制規(guī)律或其他直接數(shù)字控制算法進(jìn)行運(yùn)算；然后將運(yùn)算結(jié)果變換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠接受的控制量，輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，使被控參數(shù)按設(shè)定值曲線變化或穩(wěn)定在給定值上。 是連接 控制計(jì)算機(jī)和工業(yè)生產(chǎn)過程 的橋梁和紐帶 。多路共用采集電路分時(shí)采集 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 過程輸入輸出通道技術(shù) 傳 感 器 1傳 感 器 2傳 感 器 3調(diào) 理調(diào) 理調(diào) 理多路模擬開關(guān)S / HA / D控 制 邏 輯計(jì)算機(jī)S / HS / H多路同步取樣共用 A/D分時(shí)采集 多通道同步采樣分時(shí)傳輸數(shù)據(jù) 傳 感 器傳 感 器傳 感 器調(diào) 理 電 路調(diào) 理 電 路調(diào) 理 電 路S / HA / D轉(zhuǎn) 換 器控 制 邏 輯S / HS / HA / D轉(zhuǎn) 換 器A / D轉(zhuǎn) 換 器計(jì) 算 機(jī)通過多路模擬開關(guān) 將多 路參數(shù)分時(shí) 送 入計(jì)算機(jī)。 在低速系統(tǒng)中一般可以省略。 ② 轉(zhuǎn)換精度 轉(zhuǎn)換速率 是指 A/D轉(zhuǎn)換器在每秒鐘所能完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)。 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 過程輸入輸出通道技術(shù) ⑶ A/D轉(zhuǎn)換速度的選擇 在選取 A/D轉(zhuǎn)換速度之前，應(yīng)該首先確定系統(tǒng)的采樣周期。 為 使輸入信號的最大值 xmax不至使 A/D溢出， 且 小信號 xmin不被量化噪聲淹沒，則需 ① 輸入信號的動(dòng)態(tài)范圍 即需要 A/D轉(zhuǎn)換器的字長為 12/ m inm a x ?? nxx)1(l ogm inm a x2 xxn ??輸入信號的動(dòng)態(tài)范圍 定義為 m inm a x1 lg20 xxL ?若已知被測模擬電壓動(dòng)態(tài)范圍為 L1， 則 61Ln?第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 過程輸入輸出通道技術(shù) 有時(shí)對 A/D轉(zhuǎn)換器的字長要求以分辨率形式給出。 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 過程輸入輸出通道技術(shù) 模擬量輸出通道 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 過程輸入輸出通道技術(shù) 1． D/A轉(zhuǎn)換器概述 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出多數(shù)為電流形式，如 DAC0832， AD7522等。一般情況下，可選 D/A字長小于或等于 A/D字長。 數(shù)字量輸入通道 的 作用： ① 定時(shí)記錄生產(chǎn)過程中某些設(shè)備的狀態(tài) 。采用光電隔離抗干擾能力強(qiáng)，但反應(yīng)速度較慢，采用晶體管或 CMOSTTL電子變換芯片則速度較快。 ?晶體管、達(dá)林頓管、大功率場效應(yīng)管輸出驅(qū)動(dòng)電路 ?光電隔離器、繼電器、晶閘管輸出驅(qū)動(dòng)電路 ?固態(tài)繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路 常用的輸出驅(qū)動(dòng)電路 ： 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 過程輸入輸出通道技術(shù) 使用光電隔離器與繼電器配合的輸出驅(qū)動(dòng)電路 VD 光 耦17 4 0 6D iK AVC 繼電器輸出控制電路 采用直流型固態(tài)繼電器控制三相步進(jìn)電機(jī) P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 27 4 0 4R 1R 2R 3C2314V 2V 3V 1+ 2 7 V23142314D C S S RD C S S RD C S S RBA+ 5 V固態(tài)繼電器輸出控制電路 在過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用中，過程輸入 /輸出通道的任務(wù)一般可選擇現(xiàn)成的板卡或模塊來完成。 輸入輸出模塊 按總線形式分有串行總線（ RS23 RS42RS485等）、現(xiàn)場總線以及局域網(wǎng)（ LAN）、工業(yè)以太網(wǎng)（ Ether）、控制網(wǎng)絡(luò)（ Control）等，也有不同的采樣速率和精度可選。 四路 12 位 D/A 輸出通道，多種輸出范圍。 研華 PCI1780U計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器卡 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 過程輸入輸出通道技術(shù) 遠(yuǎn)程 I/O模塊 遠(yuǎn)程 I/O模塊又稱為牛頓模塊 ，為近年來比較流行的一種 I/O方式 ， 它安裝在工業(yè)現(xiàn)場 ， 就地完成 A/D、 D/A轉(zhuǎn)換 、 I/O操作及脈沖量的計(jì)數(shù) 、 累計(jì)等操作 。通常流量信號取 812項(xiàng)，壓力信號取 4項(xiàng)，溫度、成份等緩慢變化的信號取 2項(xiàng)甚至不平均。 平均值濾波法一般適用于具有周期性干擾噪聲的信號，但對偶然出現(xiàn)的脈沖干擾信號濾波效果尚不理想。當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)為 3時(shí)，便是中值濾波。通?？筛鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得，必要時(shí)，也可由實(shí)驗(yàn)得出。 sTsXsYf?? 1 1)( )( 由于大時(shí)間常數(shù)及高精度的 RC電路不易制作，所以硬件RC濾波器不可能對極低頻率的信號進(jìn)行濾波。 幾種數(shù)字濾波方法各有特點(diǎn) 在計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)中的 溫度、壓力、流量、液位等 各個(gè)參數(shù)都有著不同的數(shù)值和量綱， 所有這些參數(shù)都經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的電流或電壓信號，又由 A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。在這種情況下，可以采用多項(xiàng)式插值法、線性插值法或查表法進(jìn)行標(biāo)度變換。 對于帶拐點(diǎn)的函數(shù)，如果用一個(gè)多項(xiàng)式去逼近，將會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。首先根據(jù)線性變換公式離線計(jì)算好分段點(diǎn)的坐標(biāo)，如表所示