項(xiàng)目二信號(hào)處理模塊一計(jì)算機(jī)控制基礎(chǔ)知識(shí)及部分組態(tài)設(shè)備概述

知識(shí)目標(biāo)：●⑴掌握數(shù)字量輸入信號(hào)的處理方法。●⑵掌握模擬量輸入信號(hào)的處理方法?！瘼钦莆詹蓸佣ɡ?。●⑷掌握數(shù)字濾波的方法?！瘼烧莆諗?shù)字量輸出信號(hào)的處理方法?！瘼收莆漳M量輸出信號(hào)的處理方法?！瘼苏莆誔ID控制算法學(xué)習(xí)目標(biāo)2.能力目標(biāo)⑴初步具備數(shù)字量的采集能力。⑵初步具備模擬量的采集能力。⑶初步具備模擬量處理的能力。⑷初步具備數(shù)字信號(hào)輸出的處理能力。⑸初步具備模擬信號(hào)輸出的處理能力。⑹初步具備設(shè)計(jì)PID算法的能力。二、要求學(xué)生必備的知識(shí)與技能1.必備知識(shí)⑴

A/D轉(zhuǎn)換的基本知識(shí)。⑵D/A轉(zhuǎn)換的基本知識(shí)。⑶電平轉(zhuǎn)換的基本知識(shí)。⑷計(jì)算機(jī)信號(hào)處理基本知識(shí)。圖6.1I/AS系統(tǒng)構(gòu)成2.必備技能⑴構(gòu)建計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框架的能力。⑵構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框架的能力。⑶構(gòu)建直接數(shù)字控制系統(tǒng)框架的能力。⑷構(gòu)建計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)框架的能力。⑸構(gòu)建集散控制系統(tǒng)框架的能力。⑹構(gòu)建現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)框架的能力。三、理實(shí)一體化教學(xué)任務(wù)見表1-2-1。

表1-2-1理實(shí)一體化教學(xué)任務(wù)任務(wù)一

數(shù)字量輸入信號(hào)處理任務(wù)二

模擬量輸入信號(hào)處理任務(wù)三

采樣定理任務(wù)四

數(shù)字濾波任務(wù)五

數(shù)字量輸出信號(hào)處理任務(wù)六

模擬量輸出信號(hào)處理任務(wù)七PID控制算法1信號(hào)處理

在連續(xù)量控制系統(tǒng)中，控制信號(hào)、反饋信號(hào)和偏差信號(hào)都是連續(xù)型的時(shí)間信號(hào)；而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)的輸入、輸出都是離散型的時(shí)間函數(shù)。CPUD/A執(zhí)行器對(duì)象采樣器A/D2.輸入信號(hào)處理?為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)過程的控制，需要將被控對(duì)象的各種測、控變量按要求的方式送入計(jì)算機(jī)，以便運(yùn)算和處理。?被控對(duì)象所提供的信息是紛繁復(fù)雜的，其種類、性質(zhì)及大小等各不相同，因此需要通過某種裝置將生產(chǎn)過程中的各種被測變量轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接受的信號(hào)，這種在計(jì)算機(jī)與生產(chǎn)過程之間，起著信號(hào)轉(zhuǎn)換并向計(jì)算機(jī)傳送信息的裝置稱之為輸入通道。輸入通道的信號(hào)處理包括數(shù)字量輸入信號(hào)處理和模擬量輸入信號(hào)處理。圖1-1-2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖1)數(shù)字量輸入信號(hào)處理數(shù)字量通道信號(hào)變換電路整形電路信號(hào)和接口電路電平變換電路計(jì)算機(jī)不能直接接受生產(chǎn)現(xiàn)場的狀態(tài)量因此，必須通過輸入通道將狀態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量送入計(jì)算機(jī)。2)模擬量輸入信號(hào)處理檢測各種非電量過程變量，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。將多路模擬信號(hào)按要求分時(shí)輸出放大器將傳感器輸出的微弱電信號(hào)放大到A/D轉(zhuǎn)換器所需要的電平采樣保持器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，在模/數(shù)轉(zhuǎn)換期間對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行保持將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)接口電路提供模擬量輸入通道與計(jì)算機(jī)之間的控制信號(hào)和數(shù)據(jù)傳送通路3)模擬量輸入信號(hào)采樣過程計(jì)算機(jī)對(duì)某個(gè)隨時(shí)間變化的模擬量進(jìn)行采樣，是利用定時(shí)器控制的開關(guān)，每隔一定時(shí)間使開關(guān)閉合而完成一次采樣。開關(guān)重復(fù)閉合的時(shí)間間隔T稱為采樣周期，其倒數(shù)?s=1/T稱為采樣頻率。采樣過程，是指將一個(gè)連續(xù)的輸入信號(hào)經(jīng)開關(guān)采樣后，轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)生在采樣開關(guān)閉合瞬時(shí)0、T、2T…nT的一連串脈沖輸出信號(hào)?*(t)，如圖1.11所示。式中

?*(t)——輸出脈沖序列

?(kT)——輸出脈沖數(shù)值序列；

δ(t-kT)——發(fā)生在t=kT時(shí)刻上的單位脈沖（1-1）單位脈沖函數(shù)的定義為

（1-2）根據(jù)理想單位脈沖函數(shù)的定義式(1-2)，在采樣開關(guān)閉合時(shí)，?(kT)與?(t)的瞬時(shí)值相等，式(1-1)還可改寫成如下形式式(1-3)說明，數(shù)字控制系統(tǒng)中的采樣過程可以理解為脈沖調(diào)制過程。在這里，采樣開關(guān)只起著理想脈沖發(fā)生器的作用，通過它將連續(xù)信號(hào)?(t)調(diào)制成脈沖序列?*(t)。（1-3）4)香農(nóng)采樣定理采樣后的離散信號(hào)?*(t)才能夠無失真地復(fù)現(xiàn)?(t)一個(gè)連續(xù)時(shí)間信號(hào)?(t)，設(shè)其頻帶寬度是有限的，其最高頻率為?max，如果在等間隔點(diǎn)上對(duì)該信號(hào)?(t)進(jìn)行連續(xù)采樣，為了使采樣后的離散信號(hào)?*(t)能包含原信號(hào)?(t)的全部信息量，則采樣頻率只有滿足下面的關(guān)系

?s≥2?max（1-4）

式中?s——采樣頻率；

?max——?(t)最高頻率。 在實(shí)際工程中采樣頻率的選擇還跟采樣回路數(shù)和采樣時(shí)間有關(guān)，一般根據(jù)具體情況選用。?s≥（5~10）?max采樣定理表明，采樣頻率?s的選擇至少要比?max高二倍，對(duì)于連續(xù)模擬信號(hào)?(t)，我們并不需要有無限多個(gè)連續(xù)的時(shí)間點(diǎn)上的瞬時(shí)值來決定其變化規(guī)律，而只需要有各個(gè)等間隔點(diǎn)上的離散抽樣值就夠了。5)數(shù)字濾波數(shù)字濾波優(yōu)點(diǎn)：①數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要硬件設(shè)備，所以可靠性高、穩(wěn)定性好。②數(shù)字濾波可以濾除頻率很低的干擾，這一點(diǎn)是模擬濾波難以實(shí)現(xiàn)的。③數(shù)字濾波可以根據(jù)不同的信號(hào)采用不同的濾波方法，使用靈活、方便。數(shù)字濾波是通過編制一定的計(jì)算或判斷程序，減少干擾在有用信號(hào)中的比重，提高信號(hào)真實(shí)性的濾波方法。常用的數(shù)字濾波方法有：數(shù)字濾波方法平均濾波程序判斷濾遞推中位值法濾波一階滯后濾波加權(quán)遞推平均濾波程序判斷濾波的具體方法是通過比較相鄰的兩個(gè)采樣值，如果它們的差值過大，超出了變量可能的變化范圍，則認(rèn)為后一次采樣值是虛假的，應(yīng)予以廢除，而用前一次采樣值送入計(jì)算機(jī)。中位值法濾波就是將某個(gè)被測變量在輪到它采樣的時(shí)刻，連續(xù)采3次(或3次以上)值，從中選擇大小居中的那個(gè)值作為有效測量信號(hào)。管道中的流量、壓力或沸騰狀液面的上下波動(dòng)，會(huì)使其變送器輸出信號(hào)出現(xiàn)頻繁的振蕩現(xiàn)象。若將此信號(hào)直接送入計(jì)算機(jī)，會(huì)導(dǎo)致控制算式輸出紊亂，造成控制動(dòng)作極其頻繁。甚至執(zhí)行器根本來不及響應(yīng)，還會(huì)使控制閥因過分磨損而影響使用壽命，嚴(yán)重影響控制品質(zhì)。(3)遞推平均濾波如圖所示。圖中的黑點(diǎn)表示各個(gè)采樣值。對(duì)于這類信號(hào)，僅僅依靠一次采樣值作為控制依據(jù)是不正確的，通常采用遞推平均的方法，即第n次采樣的N項(xiàng)遞推平均值是n，(n-1)，…

，(n-N+1)次采樣值的算術(shù)平均。N值的選擇對(duì)采樣平均值的平滑程度與反應(yīng)靈敏度均有影響。遞推平均算式為：（1-6）式中——第n次N項(xiàng)的遞推平均值；——往前遞推第i項(xiàng)的測量值；——遞推平均的項(xiàng)數(shù)。也就是說，第n次采樣的N項(xiàng)遞推平均值的計(jì)算，應(yīng)該由n次采樣往前遞推(N-1)項(xiàng)。在實(shí)際應(yīng)用中，可通過觀察不同N值下遞推平均的輸出響應(yīng)來決定N值的大小。目前在工程上，流量常用12項(xiàng)平均，壓力取4項(xiàng)平均，溫度沒有顯著噪聲時(shí)可以不加平均。

(4)加權(quán)遞推平均濾波

遞推平均濾波法的每一次采樣值，在結(jié)果中的比重是均等的，這對(duì)時(shí)變信號(hào)會(huì)引入滯后。一個(gè)N項(xiàng)加權(quán)遞推平均算式為：（1-7）式中

——加權(quán)系數(shù)，各項(xiàng)系數(shù)應(yīng)滿足下列關(guān)系；

0≤Ci≤1

且為增加當(dāng)前采樣值在結(jié)果中所占的比重，提高系統(tǒng)對(duì)本次采樣的靈敏度，可采用加權(quán)遞推平均方法。(5)一階慣性濾波一階慣性濾波器的動(dòng)態(tài)方程式為：（1-8）t——濾波時(shí)間常數(shù)；式中——輸出值；

——輸入值。在實(shí)際應(yīng)用上述幾種數(shù)字濾波方法時(shí)，往往先對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行程序判斷濾波，然后再用遞推平均、加權(quán)遞推平均或一階慣性濾波等方法處理，以保持采樣的真實(shí)性和平滑度。一階慣性濾波對(duì)周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動(dòng)頻繁的變量濾波。(1-11)3.輸出信號(hào)處理過程輸出通道:計(jì)算機(jī)和執(zhí)行器之間進(jìn)行信息傳遞和變換的裝置.1)數(shù)字輸出信號(hào)的處理

數(shù)字信號(hào)的輸出必須通過數(shù)字量輸出通道。數(shù)字量輸出通道的任務(wù)是根據(jù)計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)去控制接點(diǎn)的通、斷或數(shù)字式執(zhí)行器的啟、停等，簡稱DO(Digitaloutput)通道。

根據(jù)被控對(duì)象的不同，其輸出的數(shù)字控制信號(hào)的形態(tài)及相應(yīng)的配置也不相同。

其中最為常用的數(shù)字控制信號(hào)是開關(guān)量和脈沖量信號(hào)隔離器一般采用光電隔離器，如TLP521系列；輸出驅(qū)動(dòng)器將計(jì)算機(jī)輸出的信號(hào)進(jìn)行功率放大，以滿足被控對(duì)象要求。繼電器、晶閘管(或大功率晶體管)、TTL電平輸出等為需要開關(guān)量控制信號(hào)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過這些開關(guān)器件的通、斷去控制被控對(duì)象。2．模擬輸出信號(hào)的處理

模擬信號(hào)的輸出必須通過模擬量輸出通道來完成。模擬量輸出通道是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制的關(guān)鍵。它的任務(wù)是把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流信號(hào)。以便驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、達(dá)到控制的目的。模擬量輸出通道—般由輸出接口電路、D/A轉(zhuǎn)換器、V/I變換等組成。（1）一個(gè)通路設(shè)置一個(gè)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器:微處理器和通路之間通過獨(dú)立的接口緩沖器傳送信息，這是一種數(shù)字保持的方案。它的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快、工作可靠，即使某一路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)是使用了使用硬件較多，成本高。但隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)缺點(diǎn)正在逐步得到克服。這種方案較易實(shí)現(xiàn)。多路信號(hào)共用一個(gè)數(shù)／模轉(zhuǎn)換器。（2）多個(gè)通路共用一個(gè)數(shù)／模轉(zhuǎn)換器的形式

因此它必須在微型機(jī)控制下分時(shí)工作。即依次把D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬電壓(或電流)，通過多路模擬開關(guān)傳送到下一級(jí)電路。這種結(jié)構(gòu)節(jié)省了數(shù)／模轉(zhuǎn)換器，但因是分時(shí)工作，只適用于通路數(shù)量多且速度要求不高的場合。

因多路共用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，所以可靠性較差。4

PID控制算法按偏差的比例、積分和微分控制(以下簡稱PID控制)，是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律。在系統(tǒng)中引入偏差的比例控制，以保證系統(tǒng)的快速性，引入偏差的積分控制以提高控制精度，引入偏差的微分控制來消除系統(tǒng)慣性的影響。

1)理想PID控制算法ＰＩＤ控制器將根據(jù)偏差e＝sv-pv（設(shè)定值sv與測量值pv之差），給出控制信號(hào)u(t)。理想PID常用以下形式表示：式中Kp——控制器比例增益；

TI——積分時(shí)間；

TD——微分時(shí)間。

由于在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)只能每隔一定的時(shí)間(采樣周期T)才能完成一次檢測、計(jì)算并輸出控制，因此必須將原來的PID微分方程經(jīng)過差分處理后變成相應(yīng)的差分方程。（１－１２）（１－１３）

積分與求和的關(guān)系可用圖1.17說明。事實(shí)上

就是e(t)曲線與橫軸在0－t之間所包圍的曲邊梯形的面積，將此面積以采樣周期T為寬度分割成n段，當(dāng)T很小時(shí)，每段面積近似為e(iT)T，按這種方法近似處理。則積分項(xiàng)

簡寫為（1-16）（1-14）設(shè)采樣周期為T，取,采用差分近似法分別代入式（1-12）中的（1-15）

雖屬離散量，但隨著時(shí)間的增長，累積結(jié)果會(huì)無限加大，給實(shí)際計(jì)算機(jī)計(jì)算帶來困難。所以常將式(1-16)進(jìn)一步化簡成遞推形式，即令n＝n-1，代入式(1-16)得（1-17）用式(1-17)減去式(1-16)，得控制器輸出的增量表達(dá)式為（1-18）2)理想PID控制算法的改進(jìn)

(1)積分分離在一般的PID控制中，當(dāng)啟動(dòng)、停車或大幅度改變給定值時(shí)，由于在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很大的偏差，往往會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的積分飽和現(xiàn)象，以致造成很大的超調(diào)和長時(shí)間的振蕩。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可采用積分分離方法，即在被控制量開始跟蹤時(shí)，取消積分作用；而當(dāng)被控制量接近給定值時(shí)，才將積分作用投入以消除靜差。（1-20）2)理想PID控制算法的改進(jìn)

(1)積分分離

圖1.18兩種控制效果比較a-積分分離式的PID控制過程；b-普通的PID控制過程在單位階躍信號(hào)的作用下，將積分分離式的PID控制與普通的PID控制響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)，前者超調(diào)小，過渡時(shí)間短。常規(guī)PID運(yùn)算(2)微分先行

微分先行是只對(duì)被控變量求導(dǎo)，而不對(duì)設(shè)定值求導(dǎo)。這樣，在改變?cè)O(shè)定值時(shí)，輸出不會(huì)突變，而被控變量的變化，通常總是比較和緩的。（1-21）此時(shí)控制算法為：(2)微分先行

微分先行的控制算法明顯改善了隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，而靜態(tài)特性不會(huì)產(chǎn)生影響，所以這種控制算法在模擬式控制器中也在采用。

與常規(guī)PID運(yùn)算相比較，微分先行PID運(yùn)算規(guī)律中，PV值經(jīng)微分運(yùn)算，而S