1第四章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)本章知識(shí)點(diǎn)：了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本原理了解基本的計(jì)算機(jī)接口知識(shí)掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的輸入通道結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)采集原理掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的輸出通道結(jié)構(gòu)掌握常用數(shù)據(jù)處理技術(shù)了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的常用控制策略掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)過程通道的抗干擾措施2本章目錄第一節(jié)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本原理第二節(jié)計(jì)算機(jī)接口技術(shù)概述第三節(jié)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)采集第四節(jié)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)輸出第五節(jié)常用數(shù)據(jù)處理技術(shù)第六節(jié)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的控制策略第七節(jié)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類第八節(jié)過程通道的抗干擾措施3第一節(jié)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本原理將傳統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中模擬控制器的功能用計(jì)算機(jī)或數(shù)字控制裝置來實(shí)現(xiàn)，就構(gòu)成了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制器D/A被控量被控對(duì)象執(zhí)行機(jī)構(gòu)A/D計(jì)算機(jī)給定值＋－實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。實(shí)時(shí)決策控制。實(shí)時(shí)控制輸出。4第二節(jié)計(jì)算機(jī)接口技術(shù)概述人機(jī)接口：按照信息的傳遞方向，人機(jī)接口可以分為輸入接口和輸出接口，輸入接口主要有鍵盤、按鈕等，輸出接口主要有顯示器接口、打印接口等。檢測(cè)通道（輸入）接口：包括A/D轉(zhuǎn)換接口技術(shù)、V/F轉(zhuǎn)換接口技術(shù)、光電隔離接口技術(shù)、開關(guān)接口技術(shù)等。控制通道（輸出）接口：主要包括F/V轉(zhuǎn)換接口技術(shù)、D/A轉(zhuǎn)換接口技術(shù)、光電隔離接口技術(shù)、開關(guān)接口技術(shù)等。系統(tǒng)間通道及接口：用于完成系統(tǒng)間的信息交換，主要包括各種通信接口。一接口的分類：5二接口的功能電氣條件的調(diào)整：計(jì)算機(jī)的信號(hào)為直流5V，而各種外圍設(shè)備的電源有交流220V、直流12V或24V等，必須對(duì)電源的種類與電壓或電流等進(jìn)行調(diào)整。信號(hào)變換：系統(tǒng)采集到的信號(hào)與控制信號(hào)不一定匹配，需要通過接口對(duì)采集到的原始信號(hào)進(jìn)行處理才能送到控制系統(tǒng)，主要包括：A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大及整形、V/I、I/V、V/F轉(zhuǎn)換電路。數(shù)據(jù)傳輸處理。計(jì)算機(jī)外設(shè)的工作速度通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于控制主機(jī)CPU的運(yùn)行速度，需要用相應(yīng)的接口來緩沖數(shù)據(jù)，防止容易造成數(shù)據(jù)的丟失。防止干擾。接口部件應(yīng)采用濾波等方法減小噪聲對(duì)計(jì)算機(jī)的影響，同時(shí)接口應(yīng)具有對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾的屏蔽能力，以適應(yīng)在惡劣條件下工作的需要。數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換?？刂葡到y(tǒng)總線傳送的代碼格式和數(shù)據(jù)長度不一定與外設(shè)相同，有時(shí)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，例如并行與串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。6第三節(jié)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)采集一開關(guān)量輸入通道及其信號(hào)處理信號(hào)變換器整形變換電變換器信號(hào)變換器整形變換電平變換總線緩沖器CPU接口邏輯數(shù)據(jù)總線信號(hào)變換器：將非電量開關(guān)量轉(zhuǎn)換為電壓或電流的雙值邏輯值。整形電路：將混有毛刺或前后沿不合要求的信號(hào)整形為接近理想狀態(tài)的矩形波，再變換為相應(yīng)形狀及寬度的脈沖信號(hào)。電平變換電路；將輸入電平轉(zhuǎn)換為與CPU兼容的邏輯電平?？偩€緩沖區(qū)：暫存數(shù)字量信息并實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線的連接。接口邏輯電路：協(xié)調(diào)通道中各部分的時(shí)序，使它們同步工作。7電平變換CPU一般只接受TTL電平信號(hào)，當(dāng)開關(guān)量變換后的信號(hào)為非TTL電平時(shí)，則需要進(jìn)行電平變換。電平變換可采用光電隔離、晶體管、或CMOS－TTL電平變換芯片，其中光電隔離抗干擾性能好，但反應(yīng)速度較慢，采用晶體管或CMOS－TTL變換芯片則速度較快。R1R2VO+5+121_R3VO+5121V1+_R1R2MC1401V1VO光電隔離電平變換晶體管電平變換電平變換芯片8二信號(hào)的采樣與采樣定理對(duì)連續(xù)時(shí)間信號(hào)采樣的采樣頻率大于連續(xù)時(shí)間信號(hào)傅里葉變換頻譜分量中最高頻率的2倍，則可以從離散時(shí)間信號(hào)中將原連續(xù)時(shí)間信號(hào)恢復(fù)，否則，會(huì)發(fā)生頻率混迭，從離散信號(hào)中不能將原連續(xù)時(shí)間信號(hào)恢復(fù)。x（t）tOx*(t)tOT2T3T...x*(t)tOT2T3T...（a）連續(xù)時(shí)間信號(hào)（b）實(shí)際采樣信號(hào)（c）理想采樣信號(hào)τ9四模擬量輸入通道的接口技術(shù)

傳感器放大電路采樣保持傳感器放大電路A/D轉(zhuǎn)換多路轉(zhuǎn)換開關(guān)接口控制CPU放大電路傳感器檢測(cè)過程參數(shù)總線總線多路開關(guān)A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器傳感器傳感器（a）多路共用ADC（a）并行輸入10A/D轉(zhuǎn)換器的選擇A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定與整個(gè)控制系統(tǒng)所要測(cè)量的范圍和精度有關(guān)，但又不能唯一確定系統(tǒng)的精度，因?yàn)橄到y(tǒng)精度設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)較多，包括傳感器轉(zhuǎn)換精度、信號(hào)調(diào)理電路精度和A/D轉(zhuǎn)換器及其輸出電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)精度，甚至還包括軟件控制算法。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)至少要比總精度要求的最低分辨率高一位。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)應(yīng)與其他環(huán)節(jié)所達(dá)到的精度相適應(yīng)。要與微處理器的位數(shù)相適應(yīng)。根據(jù)信號(hào)對(duì)象的變化率及轉(zhuǎn)換精度要求，確定A/D轉(zhuǎn)換速率，以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。對(duì)于變化速度較快的信號(hào)要估計(jì)孔徑誤差以確定是否需要加采樣/保持電路。確定A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。確定A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率11第四節(jié)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)輸出計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)主要包括模擬量信號(hào)和數(shù)字量信號(hào)。對(duì)于數(shù)字量輸出，計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量經(jīng)鎖存器輸出后，要進(jìn)行隔離和放大才能加到執(zhí)行元件上，常用的數(shù)字量（開關(guān)量）驅(qū)動(dòng)方式包括繼電器、晶體管及晶閘管等。模擬量輸出需要進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量變?yōu)槟M量。12D/A轉(zhuǎn)換器的選擇選擇D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)換精度及轉(zhuǎn)換時(shí)間的要求加以選擇。一般情況下，位數(shù)越多精度越高，其轉(zhuǎn)換的時(shí)間越長。如果既要求高速度又要求高精度，則芯片價(jià)格也就越昂貴。接口電路設(shè)計(jì)時(shí)要考慮D/A芯片內(nèi)部是否帶有數(shù)據(jù)輸入緩沖器。D/A芯片還有電壓型和電流型之分，目前多數(shù)廠家的D/A芯片是電流型的，若要構(gòu)成電壓DAC，只需在電流DAC的電流輸出端另外再接運(yùn)算放大器。13多路模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式多路共用D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)：D/A轉(zhuǎn)換器在計(jì)算機(jī)控制下分時(shí)工作，即依次把D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的電壓（或電流）通過多路模擬開關(guān)傳送給輸出采樣－保持器，這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省了D/A轉(zhuǎn)換器，但只適用于通路數(shù)量多且速度要求不高的場(chǎng)合，可靠性較差。多D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)：一個(gè)通道設(shè)置一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，處理器和通道之間通過獨(dú)立的接口緩沖器傳送信息，轉(zhuǎn)換速度快，工作可靠，既使某一路D/A轉(zhuǎn)換器有故障，也不會(huì)影響其它通路的工作，缺點(diǎn)是使用了較多的D/A轉(zhuǎn)換器，成本高。計(jì)算機(jī)總線接口…D/A通路1D/A通路n接口計(jì)算機(jī)總線接口D/A通路1通路n…14可用程序代替硬件電路，完成多種運(yùn)算，對(duì)被測(cè)參數(shù)進(jìn)行較復(fù)雜的計(jì)算和處理。能自動(dòng)修正誤差。傳感器和模擬測(cè)量電路常造成被測(cè)參數(shù)伴有多種誤差，如非線性誤差、溫度誤差、零點(diǎn)漂移誤差等，在模擬系統(tǒng)中是很難消除這些誤差，而只要找出誤差的規(guī)律，就可以用計(jì)算機(jī)軟件加以修正。不僅能對(duì)被測(cè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和處理，而且還可以進(jìn)行邏輯判斷，如對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自檢和故障監(jiān)控，有些系統(tǒng)還可以根據(jù)故障情況，自動(dòng)改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有容錯(cuò)能力。微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)精度高，穩(wěn)定可靠，不受外界干擾。第五節(jié)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的常用數(shù)據(jù)處理技術(shù)一微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的特點(diǎn)15在控制系統(tǒng)中有些參數(shù)的計(jì)算是非常復(fù)雜的，甚至有些參數(shù)無法建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，為了解決這些問題可以用查表法。二查表技術(shù)查表技法的應(yīng)用背景所謂查表法就是把事先計(jì)算或測(cè)得的數(shù)據(jù)按一定順序編制成表格，查表程序根據(jù)被測(cè)參數(shù)的值或中間結(jié)果，查出最終所需要的數(shù)據(jù)。查表是一種非數(shù)值計(jì)算方法，可完成數(shù)據(jù)補(bǔ)償、計(jì)算等工作。程序簡(jiǎn)單，執(zhí)行速度快。與表格的長短及排列方法有關(guān)。表格分無序及有序表格，表的排列不同，查表的方法也不同，主要有順序查表法、計(jì)算查表法、對(duì)分搜索法等。影響查表時(shí)間的因素查表法的含義及特點(diǎn)16順序查表法：針對(duì)無序排列表格，按照順序?qū)ふ摇Ｐ瘦^低，隨數(shù)據(jù)量的增大查找時(shí)間相應(yīng)線性增加。計(jì)算查表法：對(duì)于各元素有相同排列方法的線性表，要搜索的內(nèi)容與表格的排列有一定關(guān)系。對(duì)這種表格，可通過計(jì)算找出所要查找元素所對(duì)應(yīng)數(shù)值的地址，將其內(nèi)容取出即可。速度很快，查表時(shí)間為定值。對(duì)分查表法：對(duì)于數(shù)據(jù)元素按大小順序排列的表可以采用對(duì)分查表法。對(duì)分查表法的速度快。設(shè)一個(gè)順序表長度為n，順序查表法的平均查找次數(shù)近似等于n/2次，而對(duì)分查表法的查找次數(shù)不超過1og2n+1次。常用查表方法17三數(shù)字濾波技術(shù)無需增加任何硬件設(shè)備，只要附加一段數(shù)字濾波程序即可，由于不需增加硬件，系統(tǒng)可靠性高，不存在阻抗匹配問題。對(duì)于模擬濾波器，通常是各通道專用的，而對(duì)于數(shù)字濾波器來說，則可多通道共享，從而降低了成本?？梢詫?duì)頻率很低(如0.0lHz)的信號(hào)進(jìn)行濾波，而模擬濾波器由于受電容容量的限制、頻率不可能太低。使用靈活、方便，可根據(jù)需要選擇不同的濾波方法或改變?yōu)V波器的參數(shù)。數(shù)字濾波器與模擬RC濾波器相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：18（一）算術(shù)平均值法平均值濾波法是對(duì)信號(hào)Y的m次測(cè)量值進(jìn)行算術(shù)平均，作為時(shí)刻n的輸出Y(n)，即：常用濾波方法m值決定了信號(hào)的平滑度和靈敏度，隨著m的增大，平滑度提高，靈敏度降低，應(yīng)視具體情況選取m，以便得到滿意的濾波效果。加權(quán)平均值濾波公式為：平均值濾波法一般適用于具有周期性干擾噪聲的信號(hào)，這樣信號(hào)的特點(diǎn)是有一個(gè)平均值，信號(hào)在某一數(shù)值范圍附近上下波動(dòng)，但對(duì)于測(cè)量速度較慢或要求數(shù)據(jù)計(jì)算速度較快的實(shí)時(shí)控制不適用。式中加權(quán)系數(shù)：19中位值濾波法的原理是對(duì)被測(cè)參數(shù)連續(xù)采樣m次(m＞3且為奇數(shù))，并按大小順序?qū)Σ蓸又颠M(jìn)行排序，再取中間值作為本次采樣的有效數(shù)據(jù)。中值濾波對(duì)于去掉偶然因素引起的波動(dòng)或采樣器不穩(wěn)定而造成的誤差所引起的脈動(dòng)干擾比較有效。若變量變化比較緩慢時(shí)采用中值濾波效果比較好，但對(duì)快速變化的參數(shù)則不宜采用。中位值濾波法和算術(shù)平均值濾波法結(jié)合起來使用，濾波效果會(huì)更好。即在每個(gè)采樣周期，先用中位值濾波法得到n個(gè)濾波值，再對(duì)這n個(gè)濾波值進(jìn)行算術(shù)平均，得到可用的被測(cè)參數(shù)。（二）中位值濾波法20許多物理量的采樣值有一定的限度，設(shè)上限值為YH，下限值為YL，則第n次采樣值Y(n)可采樣如下方法確定：當(dāng)Y(n)>YH時(shí)，取Y(n)＝Y(jié)H（上限值）當(dāng)Y(n)<YL時(shí)，取Y(n)＝Y(jié)L（下限值）當(dāng)YL<Y(n)<YH時(shí)，取Y(n)相鄰兩次采樣值之間的變化率也應(yīng)有一定的限度，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定出相鄰兩次采樣信號(hào)之間可能出現(xiàn)的最大偏差當(dāng)時(shí)，則取Y(n)；當(dāng)時(shí)，則取Y(n)＝Y(jié)(n-1)。（三）限幅濾波法21為了提高濾波效果，可以仿效模擬RC低通濾波器的方法實(shí)現(xiàn)低通濾波。（四）慣性濾波法其中a稱為濾波系數(shù)，且0<a<1，TS為采樣周期，Tf為濾波器時(shí)間常數(shù)。根據(jù)慣性濾波器的頻率特性知，若濾波系數(shù)a越大，則帶寬越窄，濾波頻率也越低。因此，需根據(jù)實(shí)際情況，適當(dāng)選取a值，使得被測(cè)參數(shù)既不出現(xiàn)明顯的紋度，又不會(huì)反應(yīng)遲緩。22四標(biāo)度變換

線性參數(shù)標(biāo)度變換線性參數(shù)標(biāo)度變換是最常用的標(biāo)度變換方法，其前提條件是被測(cè)參數(shù)值與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果為線性關(guān)系。A0——一次測(cè)量儀表的下限；Am——一次測(cè)量儀表的上限；Ax——實(shí)際測(cè)量值；N0——測(cè)量范圍下限所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量；Nm——測(cè)量范圍上限所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量；Nx——測(cè)量值所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。把A0所對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值置為0，即N0＝0，則儀表下限值A(chǔ)0＝0，則23例：某壓力測(cè)量儀表的量程為400Pa～1200Pa，采用8位A／D轉(zhuǎn)換器，設(shè)某采樣周期計(jì)算機(jī)中經(jīng)采樣及數(shù)字濾波后的數(shù)字量為ABH，求此時(shí)的壓力值。解：根據(jù)題意，已知A0＝400Pa，Am＝1200Pa，Nx＝ABH＝171D，選Nm＝FFH＝255D，N0＝0，則：24（三）非線性參數(shù)標(biāo)度變換非線性參數(shù)的變化規(guī)律各不相同，故標(biāo)度變換公式亦需根據(jù)各自的具體情況建立。例如，在流量測(cè)量中，流量與差壓間的關(guān)系式為：Q——流量；K——刻度系數(shù)，與流體的性質(zhì)及節(jié)流裝置的尺寸相關(guān)；ΔP——節(jié)流裝置前后的差壓。測(cè)量流量時(shí)的標(biāo)度變換公式為Qx——被測(cè)流體的流量值；Qm——測(cè)量范圍的上限值；Q0——測(cè)量范圍的下限值；Nx——差壓變送器所測(cè)得的差壓值(數(shù)字量)；Nm——差壓變送器上限所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量；N0——差壓變送器下限所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。25五線性插值數(shù)據(jù)處理方法傳感器輸出參量是不便計(jì)算和處理的非線性參量，有時(shí)甚至很難找出明顯的數(shù)學(xué)表達(dá)式。線性插值數(shù)據(jù)處理方法的應(yīng)用場(chǎng)合而在實(shí)際測(cè)量和控制系統(tǒng)中，都允許有一定范圍的誤差，因此可以采用多項(xiàng)式插值法或線性插值法逼近非線性變量，并用軟件補(bǔ)償進(jìn)行誤差校正。線性插值數(shù)據(jù)處理方法的應(yīng)用依據(jù)不僅能節(jié)省大量的硬件開支，而且精度也大為提高。應(yīng)用線性插值數(shù)據(jù)處理方法的優(yōu)點(diǎn)26線性插值算法線性插值法是代數(shù)插值法中最簡(jiǎn)單的形式。用直線AB代替弧線AB，由此可得直線方程：g(x)=ax+b根據(jù)插值條件，應(yīng)滿足：解方程組，可求出直線方程g(x)的參數(shù)a和b，由此可求出該直線方程的表達(dá)式為：BAg(x)yy1y0yOx0xx1xf(x)27六擬合法擬合法的基本思想：

運(yùn)用n次多項(xiàng)式或n個(gè)直線方程對(duì)非線性特性進(jìn)行逼近，可以保證在n+1個(gè)節(jié)點(diǎn)上校正誤差為零，但是如果這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)含有隨機(jī)誤差，則這些校正方程并不一定能反映出實(shí)際的函數(shù)關(guān)系，此時(shí)，通常選擇“誤差平方和最小”準(zhǔn)則來衡量逼近結(jié)果，使逼近模型比較符合實(shí)際關(guān)系，在形式上也盡可能地簡(jiǎn)單。設(shè)被逼近函數(shù)為f(x)，逼近函數(shù)?(x)，xi為x上的離散點(diǎn)，逼近誤差為Vi＝|f(xi)－?(xi)|擬合法的數(shù)學(xué)描述：令

→min，即在最小二乘意義上使誤差最小化，這就是最小二乘法原理。為了使逼近函數(shù)簡(jiǎn)單起見，通常選擇?(x)為多項(xiàng)式。記28最小二乘直線擬合設(shè)最佳擬合直線方程(回歸方程)?(x)為取對(duì)a1、a0的偏導(dǎo)數(shù)，并令其為0，得解之得可得如下方程組（正則方程組）則29第六節(jié)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的控制策略控制理論可分為經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論。一經(jīng)典控制策略經(jīng)典控制理論是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的控制理論，控制對(duì)象只能是單輸入單輸出系統(tǒng)。往往只能得到較佳控制，不能得到最優(yōu)控制。從模擬控制系統(tǒng)到數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展過程中，形成了許多行之有效的控制方法，其中最簡(jiǎn)單且應(yīng)用最廣泛的傳統(tǒng)控制策略為PID(比例-積分-微分)控制。PID控制原理簡(jiǎn)單，使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛，魯棒性強(qiáng)，控制品質(zhì)對(duì)被控制對(duì)象特性的變化不太敏感。PID控制至今仍廣泛應(yīng)用，和許多新型控制策略一起形成有實(shí)用的復(fù)合控制策略，如自適應(yīng)PID控制、智能PID控制、模糊PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制、預(yù)測(cè)PID控制等。30（一）PID控制原理PID控制在原控制系統(tǒng)的某處添加比例、積分和微分環(huán)節(jié)，是一個(gè)帶“串聯(lián)校正”的閉環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸入r(t)經(jīng)過與輸出c(t)比較后，形成誤差信號(hào)e(t)＝r(t)-c(t)。誤差信號(hào)e(t)可經(jīng)過比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)的處理，并在這些環(huán)節(jié)的出口處綜合，成為原系統(tǒng)的控制輸入：

KP——比例系數(shù)；TI——積分時(shí)間；TD——微分時(shí)間。被控對(duì)象比例積分微分r(t)e(t)+_u(t)c(t)+++31比例(P)調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器的微分方程為：y——調(diào)節(jié)器輸出；Kp——比例系數(shù)；e(t)——調(diào)節(jié)器輸入量值，偏差值。Kp增大，比例調(diào)節(jié)作用加強(qiáng)，反之比例調(diào)節(jié)作用降低。Kp增大，比例調(diào)節(jié)作用使靜差減少；Kp太大，將引起自激震蕩。調(diào)節(jié)及時(shí)，調(diào)節(jié)作用強(qiáng)；存在靜差。對(duì)擾動(dòng)較大，慣性大的系統(tǒng)，純比例調(diào)節(jié)難以兼顧動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，需要比較復(fù)雜的調(diào)節(jié)器。32積分(I)調(diào)節(jié)器式中：TI——積分時(shí)間常數(shù)，它表示積分速度的大小，TI越大，積分速度越慢，積分作用也越弱。只要偏差存在，積分調(diào)節(jié)器的輸出就會(huì)隨時(shí)間增長，直至偏差消除。所以，積分作用能消除靜差。積分作用緩慢，且在偏差剛剛出現(xiàn)時(shí)，調(diào)節(jié)作用很弱，致使被調(diào)參數(shù)的動(dòng)態(tài)偏差增大，很少單獨(dú)使用。積分調(diào)節(jié)的微分方程為：33比例－積分(PI)調(diào)節(jié)器階躍作用時(shí)，首先有一個(gè)比例作用輸出，隨后在同一方向上，在比例輸出的基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)器輸出不斷增加，這便是積分作用。既克服了單純比例調(diào)節(jié)存在靜差的缺點(diǎn)，又克服了積分作用調(diào)節(jié)慢的缺點(diǎn)，即靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性都得到了改善。PI調(diào)節(jié)的微分方程為：34微分(D)調(diào)節(jié)器式中：TD——微分時(shí)間常數(shù)，代表微分作用的強(qiáng)弱。微分作用反映偏差輸入變化的速度，固定偏差不引起微分作用，它不消除靜差，只是在偏差剛剛出現(xiàn)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)大的調(diào)節(jié)作用。超前控制，當(dāng)對(duì)象具有較大的慣性時(shí)微分作用可改善調(diào)節(jié)品質(zhì)。微分調(diào)節(jié)的微分方程為：35比例－積分－微分(PID)調(diào)節(jié)器在階躍信號(hào)的作用下，首先產(chǎn)生的是比例—微分作用，使調(diào)節(jié)作用加強(qiáng)。而后進(jìn)入積分，直到最后消除靜差。比例－積分－微分(PID)調(diào)節(jié)器36PID控制器中的各個(gè)環(huán)節(jié)可以分別使用。比例環(huán)節(jié)成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差，調(diào)節(jié)作用強(qiáng)，但是存在靜差，純比例調(diào)節(jié)難以兼顧動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性。積分調(diào)節(jié)作用的輸出與偏差存在的時(shí)間有關(guān)，只要偏差存在，積分調(diào)節(jié)器的輸出就會(huì)隨時(shí)間增長，直至偏差消除；在偏差剛剛出現(xiàn)時(shí)，調(diào)節(jié)作用很弱，致使被調(diào)參數(shù)的動(dòng)態(tài)偏差增大。微分環(huán)節(jié)能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間，但不能消除靜差。37PID控制的數(shù)字化對(duì)模擬PID運(yùn)算式進(jìn)行離散化處理，即用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時(shí)積分項(xiàng)和微分項(xiàng)可用求和及增量式表示。

k——采樣序號(hào)，k＝0，1，2…，k，…n；u(k)——第k次采樣時(shí)的計(jì)算機(jī)輸出值；e(k)——第k次采樣時(shí)的偏差值；e(k－1)——第(k—1)次采樣時(shí)的偏差值；T——采樣周期，必須T足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度。上式稱為位置型PID算式，要計(jì)算u(k)，需要在積分項(xiàng)中把歷次的偏差信號(hào)進(jìn)行相加，不僅計(jì)算煩瑣，占用內(nèi)存，而且，輸出所對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，易引起實(shí)際工作不允許的、甚至可能會(huì)造成重大事故的執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。38增量式PID算式根據(jù)差分方程的遞推原理，可寫出(k—1)次的輸出表達(dá)式：增量型算式中，計(jì)算機(jī)輸出的控制增量對(duì)應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的增量。由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際位置是控制增量的累積，這就需要通過某些外加措施來解決，例如可以利用本身就有積累作用的執(zhí)行元件（如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）來解決，或以執(zhí)行軟件的方式來完成。39位置式與增量式PID系統(tǒng)比較一般認(rèn)為，在以晶閘管或伺服電機(jī)作為執(zhí)行器件，或?qū)刂凭纫筝^高的系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)采用位置型算法；而在以步進(jìn)電機(jī)或多圈電位器做執(zhí)行器件的系統(tǒng)中，則應(yīng)采用增量式算法。被控對(duì)象D/APID位置算法r(k)e(k)+_u(t)c(t)u(k)執(zhí)行機(jī)構(gòu)c(k)T被控對(duì)象∫PID增量算法r(k)e(k)+_u(t)c(t)△u(k)執(zhí)行機(jī)構(gòu)c(k)T步進(jìn)電動(dòng)機(jī)增量式PID控制系統(tǒng)

位置式PID控制系統(tǒng)40第七節(jié)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類按功能及結(jié)構(gòu)分類操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)監(jiān)督控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)按控制規(guī)律分類程序和順序控制比例積分微分控制最少拍控制復(fù)雜規(guī)律的控制智能控制按控制方式分類開環(huán)控制閉環(huán)控制41一按結(jié)構(gòu)及功能分類（一）操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)）計(jì)算機(jī)根據(jù)一定的算法，對(duì)生產(chǎn)過程參數(shù)作巡回檢測(cè)、處理、分析、記錄，為操作人員控制生產(chǎn)過程提供參考。該系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，且安全可靠，主要用于未摸清控制規(guī)律的系統(tǒng)。操作速度不能太快，不能同時(shí)操作幾個(gè)回路。計(jì)算機(jī)開關(guān)量輸入電路A/D轉(zhuǎn)換器多路開關(guān)測(cè)量元件報(bào)警、顯示打印機(jī)控制對(duì)象……操作器42計(jì)算機(jī)多路D/A轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換器多路開關(guān)測(cè)量元件打印機(jī)控制對(duì)象……執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)字量輸出電路…鍵盤顯示串行通信用計(jì)算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器對(duì)一個(gè)或多個(gè)物理量進(jìn)行巡回檢測(cè)，并根據(jù)規(guī)定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算并發(fā)出控制信號(hào)直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。一臺(tái)計(jì)算機(jī)可代替多個(gè)模擬調(diào)節(jié)器，非常經(jīng)濟(jì)。功能強(qiáng)、靈活性大、可靠性高。計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)各種比較復(fù)雜的控制。（二）直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DirectDigitalControl,DDC）43計(jì)算機(jī)按數(shù)學(xué)模型計(jì)算出最佳給定值送給DDC計(jì)算機(jī)，由DDC計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)過程，從而使生產(chǎn)過程處于最優(yōu)工作狀況。更接近生產(chǎn)變化的實(shí)際情況，不僅可以進(jìn)行給定值控制，同時(shí)還可以進(jìn)行順序控制、最優(yōu)控制，以及自適應(yīng)控制等?？煽啃愿?，但是數(shù)學(xué)模型的建立比較困難，所以系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度較大。監(jiān)控計(jì)算機(jī)多路開關(guān)A/D轉(zhuǎn)換器多路開關(guān)測(cè)量元件打