直接数字控制系统课件

过程控制程控制Process Control 下篇下篇 过程程计算机控制算机控制 第第11章章 直接数字控制系直接数字控制系统本章要点本章要点 直接数字控制系直接数字控制系统的构成的构成 过程程输入入输出技出技术及数据及数据处理方法理方法 数字数字PID控制技控制技术及数字控制系及数字控制系统的的设计与与实现 数字控制器的直接数字控制器的直接设计方法方法 监控控组态软件件本章学本章学习目目标 理解直接数字控制系理解直接数字控制系统的构成原理及特点的构成原理及特点 掌握模掌握模拟量、数字量量、数字量输入入输出技出技术 深刻理解数字深刻理解数字滤波及数据波及数据处理方法理方法 熟熟练掌握数字掌握数字PID控制算法及改控制算法及改进算法算法 掌握掌握单回路、串回路、串级、前、前馈控制策略的控制策略的计算机算机实现方法方法 理解数字控制器的直接理解数字控制器的直接设计方法方法 了解了解监控控组态软件的功能及件的功能及应用用第第11章章 直接数字控制系直接数字控制系统11.1 直接数字控制系直接数字控制系统概述概述11.2 过程程输入入输出通道技出通道技术11.3 数字数字滤波与数据波与数据处理理11.4 数字数字PID控制技控制技术11.5 数字控制系数字控制系统的的设计与与实现11.6 数字控制器的直接数字控制器的直接设计方法方法11.7 监控控组态软件件11.1 直接数字控制系直接数字控制系统概述概述 直接数字控制系直接数字控制系统（Direct Digital ControlDirect Digital Control，DDCDDC）就是用一台）就是用一台计算机通算机通过测量元件量元件变送器送器对生生产过程中的多个被控参数程中的多个被控参数进行巡回行巡回检测；检测结果与果与给定定值进行比行比较，再按，再按PIDPID控制控制规律或其他直接律或其他直接数字控制算法数字控制算法进行运算；然后将运算行运算；然后将运算结果果变换成成执行机构能行机构能够接受的控制量，接受的控制量，输出到出到执行机构行机构对生生产过程程进行控制，使被控参数按行控制，使被控参数按设定定值曲曲线变化或化或稳定在定在给定定值上。上。第11章 直接数字控制系统概述 11.1 直接数字控制系统概述 DDC系系统的的结构框构框图第11章 直接数字控制系统概述 11.1 直接数字控制系统概述 优点：点：经济、灵活性好、可靠性高。、灵活性好、可靠性高。缺点：危缺点：危险集中集中 DDC系系统第11章 直接数字控制系统概述 11.1 直接数字控制系统概述 DDCDDC系系统主机主机单元的元的结构：构：模板式模板式主机板与模主机板与模拟量量输入入/输出模板、数字量出模板、数字量输入入/输出模板通出模板通过总线母板母板连接。接。模模块式式主机模主机模块与模与模拟量量输入入/输出模出模块、数字量、数字量输入入/输出模出模块通通过总线连接。接。总线内部内部总线计算机内部模板之算机内部模板之间进行通信的行通信的总线，也指也指组成系成系统各种机箱的底板各种机箱的底板总线。PC/XTPC/XT（6262线）PC/ATPC/AT或或ISAISA（6262线+36+36线）PCIPCI（124124线）PC104PC104（104104线）CompactPCI,VXICompactPCI,VXI外部外部总线计算机之算机之间，计算机与算机与设备之之间进行通信行通信的的总线。串行串行总线总线（RS-232 RS-232、RS-422RS-422、RS-485RS-485）现场总线现场总线以及局域网（以及局域网（LANLAN）工工业业以太网（以太网（EthernetEthernet）控制网控制网络络（ControlControl-net-net）11.2 过程程输入入输出通道技出通道技术 DDCDDC系系统的的输入入输出通道是出通道是计算机和算机和传感器、感器、执行器之行器之间的信息的信息传递和和变换装置。装置。是是连接接控制控制计算机和工算机和工业生生产过程程的的桥梁和梁和纽带。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 11.2.1 概述概述过程程通通道道模模拟量量输入通道（入通道（AIAI）模模拟量量输出通道（出通道（AOAO）开关量开关量输入通道（入通道（DIDI）开关量开关量输出（出（DODO）通道）通道过程通道程通道过程程输入入输出通道的出通道的结构构 第11章 直接数字控制系统概述 11.2 控制输入输出通道技术 模板式模板式模模块式式 模模块式式结构：构：模板式模板式结构：构：(a)混合集中式混合集中式 (b)分离分布式分离分布式 模模拟量量输入通道入通道(AI)(AI)是是计算机用于工算机用于工业控制、自控制、自动测试、计算机算机辅助医助医疗诊断、机器人等科学研断、机器人等科学研究究时必需的模必需的模拟数据数据处理系理系统。它把各。它把各类传感器从感器从现场检测到的模到的模拟量信号如温度、量信号如温度、压力、流量、物力、流量、物位、成分等位、成分等转换成成计算机可以接收的数字量信号。建立模算机可以接收的数字量信号。建立模拟量量输入通道的目的，通常是入通道的目的，通常是为了了进行参数行参数测量或数据采集。它的核心部件是量或数据采集。它的核心部件是A/DA/D转换器及其微器及其微处理机的接口。理机的接口。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 11.2.2 模模拟量量输入通道入通道 模模拟量量输入通道一般包括：信号入通道一般包括：信号调理理电路、多路路、多路转换开关、采开关、采样保持器、保持器、A/DA/D转换器等几个器等几个组成成部分。部分。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 1.1.模模拟拟量量输输入通道的入通道的结结构构多路共用采集多路共用采集电路分路分时采集采集 第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 多路同步取多路同步取样共用共用A/D分分时采集采集多通道同步采多通道同步采样分分时传输数据数据通通过多路模多路模拟开关开关将多将多路参数分路参数分时送送入入计算机。算机。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 2 2.模模拟拟量量输输入通道的入通道的组组成成 信号信号调理理电路路 经由由传感器或感器或检测仪表、表、变送器送器输入的模入的模拟信号，可能是信号，可能是电压或或电流信号，幅流信号，幅值范范围往往和往往和A/DA/D转换器的量程不匹配，而且一般含有噪声信号，因此需要器的量程不匹配，而且一般含有噪声信号，因此需要进行放大、行放大、滤波、隔离保波、隔离保护等等处理，称理，称为信信号号调理。理。多路开关多路开关单向多路开关向多路开关:AD7501(8AD7501(8路路)、AD7506(16AD7506(16路路)等；等；双向多路外关：双向多路外关：CD4051CD4051等等;单端端输入入:CD4051:CD4051是是单端端8 8通道通道;双端双端输入入:CD4052:CD4052是双是双4 4通道通道;多路多路输入多路入多路输出出:CD8816:CD8816等。等。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 采采样保持器保持器 在在A/DA/D转换器工作期器工作期间采采样保持器一直保持着保持器一直保持着转换开始开始时的的输入入值，因而能抑制由放大器干，因而能抑制由放大器干扰带来的来的转换噪声，提高模噪声，提高模/数数转换器的精确度和消除器的精确度和消除转换时间的不准确性。的不准确性。高速采高速采样(如如500050001000010000点秒点秒)必必须采用采采用采样保持器。保持器。在低速系在低速系统中一般可以省略。中一般可以省略。采采样保持器的工作方式保持器的工作方式 第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 A/D转换器器 在工在工业生生产过程中，被程中，被测参数，如温度、参数，如温度、压力、流量、液位、成分等都是力、流量、液位、成分等都是连续变化的模化的模拟量，而量，而计算机算机处理的数据只能是数字量，所以在理的数据只能是数字量，所以在进入入计算机之前，必算机之前，必须把模把模拟量量转换成数字量成数字量（也即（也即A/DA/D转换）。）。A AD D转换器即是完成模器即是完成模拟量量转换为数字量的器件，在一般情况下，模数字量的器件，在一般情况下，模拟量是量是指指电压。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 3.3.模模拟拟量量输输入通道入通道A/DA/D转换转换器的器的选择选择 A/D转换器的技器的技术指指标 分辨率分辨率是衡量是衡量A/DA/D转换器分辨器分辨输入模入模拟量最小量最小变化量的技化量的技术指指标，是数字量，是数字量变化一个字所化一个字所对应模模拟信信号的号的变化量。化量。其大小取决于其大小取决于A/DA/D转换器的位数，所以器的位数，所以习惯上以数字量的位数来表示。上以数字量的位数来表示。量化量化误差差是由是由A/D A/D 转换器有限字器有限字长数字量数字量对输入模入模拟量量进行离散取行离散取样（量化）引起的（量化）引起的误差，其大小在差，其大小在理理论上上为一个一个单位（位（1LSB 1LSB）。量化）。量化误差和分辨率是差和分辨率是统一的，即提高分辨率可以减小量化一的，即提高分辨率可以减小量化误差。差。分辨率与量化分辨率与量化误差差第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 转换精度精度反映了一个反映了一个实际A/DA/D转换器与一个理想器与一个理想A/DA/D转换器在量化器在量化值上的差上的差值，用，用绝对误差或相差或相对误差来表示。差来表示。转换精度精度 转换速率速率是指是指A/DA/D转换器在每秒器在每秒钟所能完成的所能完成的转换次数。次数。转换速率也可表述速率也可表述为转换时间，即，即A/DA/D转换从启从启动到到结束所需的束所需的时间，转换速率与速率与转换时间互互为倒数。倒数。转换速率速率 满刻度范刻度范围 满刻度范刻度范围是指是指A/DA/D转换器所允器所允许的最大的最大输入入电压范范围。满刻度刻度值只是个名只是个名义值，实际的的A AD D转换器的最大器的最大输入入电压值总比比满刻度刻度值小小1/21/2n n（n n为转换器的位数）。器的位数）。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 AD转换器的分器的分类(根据根据转换原理分原理分)逐次比逐次比较式式 积分式分式 并行比并行比较式式 改改进型型 转换时间一般在一般在ss级，转换精度一般在精度一般在0.10.1左右，适于一般左右，适于一般场合。合。转换时间一般在一般在msms级或更或更长，但抗干，但抗干扰性能性能强，转换精度可达精度可达0.010.01或更高。适于数字或更高。适于数字电压表表类仪器采用。器采用。采用并行比采用并行比较，其，其转换时间可达可达nsns级，但抗干，但抗干扰性能性能较差差.在上述某种形式在上述某种形式A AD D转换器的基器的基础上，上，为满足某足某项高性能指高性能指标而改而改进或复合而成的。或复合而成的。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 A/D转换速度的速度的选择在在选取取A/DA/D转换速度之前，速度之前，应该首先确定系首先确定系统的采的采样周期。合理地周期。合理地选择采采样周期周期T T，是，是过程程计算机控制系算机控制系统设计的关的关键问题之一。之一。确定系确定系统采采样周期的原周期的原则及相关知及相关知识，将在，将在11.5.511.5.5中中详细介介绍。A/DA/D转换器从启器从启动转换到到转换结束束输出出稳定的数字量，需要一定的定的数字量，需要一定的时间。而且从而且从转换结束到束到下一次启下一次启动转换也需要一段休止也需要一段休止时间(或称复位或称复位时间、恢复、恢复时间、准、准备时间等等).).因此，因此，A/DA/D转换器的器的转换速率速率应由由转换时间和休止和休止时间二者共同决定。二者共同决定。选择时应该注意。注意。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 A/D转换器字器字长的的选择为把量化把量化误差限制在所允差限制在所允许的范的范围内，内，应使使A/DA/D转换器有足器有足够的字的字长。确定字。确定字长要考要考虑的因的因素是素是输入信号的入信号的动态范范围和分辨率。和分辨率。为使使输入信号的最大入信号的最大值x xmaxmax不至使不至使A/DA/D溢出，溢出，且且小信号小信号x xminmin不被量化噪声淹没，不被量化噪声淹没，则需需 输入信号的入信号的动态范范围即需要即需要A/DA/D转换器的字器的字长为输入信号的入信号的动态范范围定定义为 若已知被若已知被测模模拟电压动态范范围为L L1 1，则第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 有有时对A/DA/D转换器的字器的字长要求以分辨率形式要求以分辨率形式给出。分辨率定出。分辨率定义为 分辨率分辨率如果所要求的分辨率如果所要求的分辨率为D D0 0，则字字长例例：某温度控制系某温度控制系统的温度范的温度范围为0 0-200200，要求分辨率，要求分辨率为0.5%(0.5%(即相当于即相当于1)1)，则A/DA/D转换器字器字长为因此，取因此，取A/DA/D转换器字器字长n n为8 8位。位。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 此外，考此外，考虑到到MUXMUX、S/HS/H、A/DA/D组成的数据采集成的数据采集电路的路的总误差是差是这三个三个组成部分的分成部分的分项误差的差的综合合值，选择元器件精度的一般元器件精度的一般规则是：每个元器件的精度指是：每个元器件的精度指标应优于系于系统精度的精度的1010倍左右。倍左右。可根据系可根据系统精度指精度指标，估算所需，估算所需A/DA/D的位数的位数n n例例：要求系要求系统误差不大于差不大于0.10.1满度度值(即即0.10.1)，则需采用需采用n n为1414位的位的A/DA/D转换器。器。由于大多数由于大多数执行器只能接受模行器只能接受模拟量，量，为了了驱动执行器，行器，经计算机算机处理后的数据理后的数据还必必须再再转换成模成模拟量（即量（即D/AD/A转换）。此外，在模）。此外，在模拟量量输出通道中，出通道中，为了了实现多回路控制，需要通多回路控制，需要通过多路开关将控制多路开关将控制量分配到各条支路上。同量分配到各条支路上。同时在模在模拟量量输出通道中，出通道中，为使各使各输出通道得到一个平滑的模出通道得到一个平滑的模拟量量输出也必出也必须保持一个恒定的保持一个恒定的值。因此，模。因此，模拟量量输出通道一般包括出通道一般包括D/AD/A转换器、多路分配器和采器、多路分配器和采样保持器，其中的保持器，其中的核心器件是核心器件是D/AD/A转换器。器。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 11.2.3 模模拟量量输出通道出通道第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 1 1D/AD/A转换转换器概述器概述 D/AD/A转换器的器的输出多数出多数为电流形式，如流形式，如DAC0832DAC0832，AD7522AD7522等。有些芯片内部等。有些芯片内部设有放大器，直接有放大器，直接输出出电压信号，如信号，如AD558AD558，AD7224AD7224等。等。电压输出型又有出型又有单极性极性输出和双极性出和双极性输出两种。出两种。双双D/AD/A转换器：器：AD7528AD75284 4通道通道D/AD/A转换器：器：AD7226AD7226串行串行D/AD/A转换器：器：DAC80DAC80直接接收直接接收BCDBCD码的的D/AD/A转换器：器：AD7525AD7525输出出4-20mA4-20mA电流的流的D/AD/A：AD1420/1422AD1420/1422D/AD/A转换器的数字量器的数字量输入端入端:不含数据不含数据锁存器：与存器：与计算机接口算机接口时要外加数据要外加数据锁存器。存器。含含单个数据个数据锁存器：与存器：与计算机接口算机接口时可以不外加数据可以不外加数据锁存器。存器。含双数据含双数据锁存器：可用于多个存器：可用于多个 D/AD/A转换器同器同时转换的的场合。合。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 2 2D/AD/A转换转换器字器字长长的的选择选择 D/AD/A转换器器输出一般都通出一般都通过功率放大器推功率放大器推动执行机构。行机构。设执行机构的最大行机构的最大输入入值为u umaxmax，最小，最小输入入值为u uminmin（灵敏限），（灵敏限），则D/AD/A转换器的字器的字长为即即D/AD/A转换器的器的输出出应满足足执行机构行机构动态范范围的要求。一般情况下，可的要求。一般情况下，可选D/AD/A字字长小于或等于小于或等于A/DA/D字字长。在在过程程计算机控制中，常用的算机控制中，常用的A/DA/D和和D/AD/A转换器字器字长为8 8位、位、1010位和位和1212位，按照上述公式估算出的字位，按照上述公式估算出的字长取整后再取整后再选这三种之一。特殊被控三种之一。特殊被控对象，可象，可选更高分辨率的器件。更高分辨率的器件。有些工有些工业过程的程的输入参数是通入参数是通过接近开关接近开关输入，而控制采用入，而控制采用继电器或可控硅来完成，称其器或可控硅来完成，称其为开关开关量量输入入输出。所出。所谓开关量控制就是通开关量控制就是通过控制控制设备的的“开开”或或“关关”状状态的的时间来达到控制的目的。来达到控制的目的。计算机控制系算机控制系统的的输入数字信号来自于入数字信号来自于现场的的传感器，感器，输出数字信号又送回出数字信号又送回现场设备。因此，。因此，现场的的电磁干磁干扰会通会通过数字量数字量输入、入、输出通道出通道窜入入计算机系算机系统，故需要采用通道隔离技，故需要采用通道隔离技术。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 11.2.4 数字量数字量输输入入/输输出通道出通道第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 1 1数字量数字量输输入通道入通道 数字量数字量输入通道的任入通道的任务主要是将主要是将现场输入的开关信号入的开关信号经转换、保、保护、滤波、隔离等措施后波、隔离等措施后转换成成计算算机能机能够接收的接收的逻辑信号，即将被控信号，即将被控对象的开关状象的开关状态信号信号(或数字信号或数字信号)传送送给计算机，算机，简称称DI(Digital DI(Digital Input)Input)通道。通道。数字量数字量输入通道入通道的的作用：作用：定定时记录生生产过程中某些程中某些设备的状的状态。对生生产过程中某些程中某些设备的状的状态进行行检查，以便，以便发现问题。数字量数字量输入通道入通道结构构 第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 典型的开关量典型的开关量输入通道通常由以下几部分入通道通常由以下几部分组成：成：开关量拾取开关量拾取电路路 开关量的拾取即将开关量的拾取即将过程的开关量程的开关量转换为电压或或电流的双位流的双位逻辑值。开关量开关量(数字量数字量)机械有触点开关量机械有触点开关量电子无触点开关量子无触点开关量非非电量开关量量开关量不同的开关量要采用不同的不同的开关量要采用不同的变换方法。方法。整形整形电路路 将混有毛刺之将混有毛刺之类干干扰的的输入双入双值逻辑信号或其信号前后沿不符合要求的信号或其信号前后沿不符合要求的输入信号整形入信号整形为接近接近理想状理想状态的方波或矩形波，而后再根据系的方波或矩形波，而后再根据系统要求要求变换为相相应形状的脉冲信号。形状的脉冲信号。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 电平平变换电路路 将将输入的双入的双值逻辑电平平转换为与与CPUCPU兼容的兼容的逻辑电平。在平。在计算机控制系算机控制系统中，中，CPU CPU 一般只接一般只接受受TTLTTL电平，当开关量平，当开关量变换后的信号后的信号为非非CPUCPU所需所需电平平时，则需要需要进行行电平平变换。电平平变换可采用可采用光光电隔离、晶体管或隔离、晶体管或CMOS-TTLCMOS-TTL电子子变换芯片。采用光芯片。采用光电隔离抗干隔离抗干扰能力能力强，但反，但反应速度速度较慢，采慢，采用晶体管或用晶体管或CMOS-TTLCMOS-TTL电子子变换芯片芯片则速度速度较快。快。总线缓冲器冲器暂存数字量信息并存数字量信息并实现与与CPUCPU数据数据总线的的连接。接。接口接口电路路 协调通道的同步工作，向通道的同步工作，向CPUCPU传递状状态信息并控制开关量到信息并控制开关量到CPUCPU的的输入。入。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 数字量数字量输入示例：入示例：由光由光电隔离器和隔离器和总线缓冲器构成冲器构成的的数字量数字量输入通道入通道光光电耦合器耦合器 三三态门缓冲器冲器 第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 2 2数字量数字量输输出出通道通道 数字量数字量输出通道的任出通道的任务是把是把计算机算机输出的数字信号出的数字信号(或开关信号或开关信号)传送送给开关器件开关器件(如如继电器或指示灯器或指示灯)，控制其通、断或亮、，控制其通、断或亮、灭，简称称DO(Digital DO(Digital O Output)utput)通道。通道。由于由于输出出设备往往需要大往往需要大电压(或或电流流)来控制，而来控制，而计算机系算机系统输出的开关量大都出的开关量大都为TTL(TTL(或或CMOS)CMOS)电平，平，一般不能直接一般不能直接驱动外部外部设备开启或关开启或关闭。另。另外外，许多外部多外部设备，如大功率直流，如大功率直流电机、接触器等在开关机、接触器等在开关过程中会程中会产生很生很强的的电磁干磁干扰信号，如不加以隔离，可能会造成信号，如不加以隔离，可能会造成计算机控制系算机控制系统误动作甚至作甚至损坏。因此，坏。因此，在接口在接口设计处理中，一要放大，二要隔离理中，一要放大，二要隔离。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 根据根据负荷功率的大小不同，可以荷功率的大小不同，可以选用不同的功率放大器件构成不同的开关量用不同的功率放大器件构成不同的开关量驱动输出通道。出通道。l晶体管、达林晶体管、达林顿管、大功率管、大功率场效效应管管输出出驱动电路路l光光电隔离器、隔离器、继电器、晶器、晶闸管管输出出驱动电路路l固固态继电器器输出出驱动电路路常用的常用的输出出驱动电路路：第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 使用光使用光电隔离器与隔离器与继电器配合的器配合的输出出驱动电路路继电器器输出控制出控制电路路 采用直流型固采用直流型固态继电器控制三相步器控制三相步进电机机固固态继电器器输出控制出控制电路路 在在过程程计算机控制系算机控制系统的工程的工程应用中，用中，过程程输入入/输出通道的任出通道的任务一般可一般可选择现成的板卡或模成的板卡或模块来完成。来完成。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 11.2.5 过过程程输输入入/输输出板卡（或模出板卡（或模块块）的）的选择选择1.1.选择步步骤(1)(1)分析具体的工程情况，分析具体的工程情况，统计所有模所有模拟量量输入入/输出个数以及出个数以及I/OI/O点数点数，并填写表格。并填写表格。(2)(2)根据需要，根据需要，选择输入、入、输出通道数，并出通道数，并应留有一定的裕量，以留有一定的裕量，以备将来系将来系统扩展展时使用。使用。(3)(3)根据参数根据参数表表选择板卡板卡输入入/输出通道的信号范出通道的信号范围、信号、信号类型、采型、采样速度；根据系速度；根据系统的精度要求，的精度要求，选择A/DA/D、D/AD/A转换芯片的字芯片的字长。(4)(4)当需要多通道采集或当需要多通道采集或输出出时，根据工程的具体要求决定是否需要通道，根据工程的具体要求决定是否需要通道间的同步的同步输入或同步入或同步输出。出。(5)(5)考考虑价格因素、可靠性、耐用性、配套价格因素、可靠性、耐用性、配套软件等件等综合因素。合因素。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 2.2.输输入入输输出板卡出板卡/模模块块的的选择选择 输入入输出板卡出板卡按按总线形式分有形式分有PCIPCI、ISAISA、PC/104 PC/104、VXIVXI、USBUSB等，采等，采样速率从速率从100KS/s100KS/s、250 KS/s 250 KS/s、1MS/s1MS/s到到10MS/s10MS/s等，采等，采样位数有位数有8 8位、位、1212位、位、1616位等；有模位等；有模拟量量输入卡、模入卡、模拟量量输出卡、数字量出卡、数字量输入入/输出卡和多功能卡等。可根据需要出卡和多功能卡等。可根据需要选择。输入入输出模出模块按按总线形式分有串行形式分有串行总线（RS-232 RS-232、RS-422RS-422、RS-485RS-485等）、等）、现场总线以及局域网以及局域网（LANLAN）、工）、工业以太网（以太网（EthernetEthernet）、控制网）、控制网络（Control-netControl-net）等，也有不同的采）等，也有不同的采样速率和精度可速率和精度可选。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 数据采集卡示例数据采集卡示例智能接口板卡智能接口板卡 PCI-5121智能智能CAN接口卡接口卡第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 常用的数据采集卡常用的数据采集卡 1模模拟量量输入卡（入卡（A/D卡）卡）模模拟量量输入入板板卡卡根根据据使使用用的的A/DA/D转换芯芯片片和和总线结构构不不同同，性性能能有有很很大大的的区区别。板板卡卡通通常常有有单端端输入入、差差分分输入入以以及及两两种种方方式式组合合输入入三三种种。板板卡卡内内部部通通常常设置置一一定定的的采采样缓冲冲器器，对采采样数数据据进行行缓冲冲处理理，缓冲冲器器的的大大小小也也是是板板卡卡的的性性能能指指标之之一一。在在抗抗干干扰方方面面，A/DA/D板板卡卡通通常常采采取取光光电隔隔离离技技术，实现信信号号的的隔隔离离。板板卡卡模模拟信信号号采采集集的的精精度度和和速速度度指指标通通常常由由板板卡卡所所采采用的用的A/DA/D转换芯片决定。芯片决定。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 32 32 路路单端或端或16 16 路差分模路差分模拟量量输入，或入，或组合合输入方式，入方式，1212位位A/DA/D转换分辨率，分辨率，A/DA/D转换器的器的采采样速率可达速率可达100 kHz100 kHz，每个，每个输入通道的增益可入通道的增益可编程，卡上有程，卡上有4K4K采采样FIFOFIFO缓冲器，冲器，2500VDC 2500VDC 隔离保隔离保护，支持，支持软件、内部定件、内部定时器触器触发或外部触或外部触发。研研华PCI-1713PCI-1713模模拟量量输入卡入卡第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 2模模拟量量输出卡（出卡（D/A卡）卡）D/AD/A转换板卡同板卡同样依据其采用的依据其采用的D/AD/A转换芯片的不同，芯片的不同，转换性能指性能指标有很大的差有很大的差别。四路四路12 12 位位D/A D/A 输出通道，多种出通道，多种输出范出范围。由于能。由于能够在在输出和出和PCIPCI总线之之间提供提供2500VDC2500VDC的隔离保的隔离保护，PCI-1720PCI-1720非常适合需要高非常适合需要高电压保保护的工的工业场合。合。研研华PCI-1720UPCI-1720U模模拟量量输出卡出卡第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 1616路路数数字字量量输入入和和1616路路数数字字量量输出出，高高输出出驱动能能力力和和中中断断能能力力，具具有有2500VDC2500VDC高高电压隔隔离离I/OI/O通道。通道。研研华PCI-1730PCI-1730数字量数字量输入入/输出卡出卡3 3数字量数字量输入入/输出卡（出卡（I/OI/O卡）卡）第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 4脉冲量脉冲量输入入/输出板卡出板卡 工工业控控制制现场有有许多多高高速速的的脉脉冲冲信信号号，如如旋旋转编码器器、流流量量检测信信号号等等，这些些都都要要用用脉脉冲冲量量输入入板板卡卡或或一一些些专用用测量量模模块进行行测量量。脉脉冲冲量量输入入/输出出板板卡卡可可以以实现脉脉冲冲数数字字量量的的输出出和和采采集集，并并可可以以通通过跳跳线器器选择计数数、定定时、测频等等不不同同工工作作方方式式，计算算机机可可以以通通过该板板卡卡方方便便地地读取取脉脉冲冲计数数值，也也可可测量量脉脉冲冲的的频率率或或产生生一一定定频率率的的脉脉冲冲。考考虑到到现场强电的的干干扰，该类型型板板卡卡多多采采用用光光电隔隔离离技技术，使使计算算机机与与现场信信号号之之间全全部隔离，来提高板卡部隔离，来提高板卡测量的抗干量的抗干扰能力。能力。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 该卡使用了卡使用了AM9513AM9513芯片，能芯片，能够通通过CPLDCPLD实现计数器数器/定定时器功能。此外，器功能。此外，该卡卡还提供提供8 8个个1616位位计数器通道，并具有数器通道，并具有8 8通道可通道可编程程时钟资源，源，8 8路路TTLTTL数字量数字量输出出/8/8路路TTLTTL数字量数字量输入，最高入，最高输入入频率达率达20MHz20MHz，有多种，有多种时钟可以可以选择，可，可编程程计数器数器输出，同出，同时有有计数器数器门选通功能。通功能。研研华PCI-1780UPCI-1780U计数器数器/定定时器卡器卡第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 远程程I/OI/O模模块 远程程I/OI/O模模块又又称称为牛牛顿模模块，为近近年年来来比比较流流行行的的一一种种I/OI/O方方式式，它它安安装装在在工工业现场，就就地地完完成成A/DA/D、D/AD/A转换、I/OI/O操操作作及及脉脉冲冲量量的的计数数、累累计等等操作。操作。远程程I/OI/O以通以通讯方式和方式和计算机交算机交换信息，通信息，通讯接接口一般采用口一般采用RS-485RS-485总线，通，通讯协议与模与模块的生的生产厂家有关，但都是采用面向字符的通厂家有关，但都是采用面向字符的通讯协议。第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 有有线传输介介质 1 1双双绞线电缆双双绞线电缆（简称双称双绞线）是将一）是将一对或一或一对以上的双以上的双绞线封装在一个封装在一个绝缘外套中而形成的一外套中而形成的一种种传输介介质。1）非屏蔽双）非屏蔽双绞线 2 2）屏蔽双）屏蔽双绞线 无无线传输介介质 有有线传输介介质*信息信息传输介介质*第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 2.2.同同轴电缆 3.3.扁平扁平电缆 4.4.光光导纤维第11章 直接数字控制系统概述 11.2 过程输入输出通道技术 11.3 数字数字滤滤波与数据波与数据处处理理 数字数字滤波波就是在就是在计算机中通算机中通过软件按照某种算法件按照某种算法对输入信号入信号进行平滑加工等行平滑加工等处理，以减少干理，以减少干扰在有用在有用信号中的比重，提高信号的真信号中的比重，提高信号的真实性。性。11.3.1数字数字滤滤波波与与模模拟滤波装置相比，数字波装置相比，数字滤波有以下波有以下优点：点：通通过程序程序实现，不需硬件，不需硬件设备，系，系统的可靠性的可靠性较高；高；数字数字滤波子程序可多通道共用；波子程序可多通道共用；可可对极低极低频率的信号（如率的信号（如0.01Hz0.01Hz）进行行滤波；波；采用不同的算法和参数就可采用不同的算法和参数就可实现对不同信号的不同信号的滤波，使用灵活、方便。波，使用灵活、方便。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理把把N N个采个采样值相加，然后取其算相加，然后取其算术平均平均值作作为本次有效的采本次有效的采样值.第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理1 1.算算术平均平均值滤波法波法 对于于随机干随机干扰信号，多采用算信号，多采用算术平均平均值滤波法加以抑制。波法加以抑制。N N值决定了信号的平滑度和灵敏度。决定了信号的平滑度和灵敏度。应视具体情况具体情况选取取N N，以便得到，以便得到满意的意的滤波效果。通常流量信号取波效果。通常流量信号取8 8-1212项，压力信号取力信号取4 4项，温度、成份等，温度、成份等缓慢慢变化的信号取化的信号取2 2项甚至不平均。甚至不平均。为了提高了提高滤波效果，将各个采波效果，将各个采样值取不同的比重，然后再相加求平均取不同的比重，然后再相加求平均值，加加权平均式平均式为第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理2 2.加加权平均平均值滤波法波法加加权系数系数 加加权系数体系数体现了各次采了各次采样值在平均在平均值中所占的比例，可根据具体情况决定。一般采中所占的比例，可根据具体情况决定。一般采样次数越靠后，加次数越靠后，加权系数越大，系数越大，这样可增加新的采可增加新的采样值在平均在平均值中所占的比重。中所占的比重。这种种滤波方法可以根据需要突出信号的某一部波方法可以根据需要突出信号的某一部分来抑制信号的另一部分。分来抑制信号的另一部分。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理例：某例：某纯迟延延较大的被控大的被控对象，采用四次采象，采用四次采样值加加权平均的算式平均的算式为为被控被控对象的象的纯迟延延时间。权系数系数为 先在先在RAMRAM中建立一个数据中建立一个数据缓冲区，依冲区，依顺序存放序存放N N个采个采样数据，每采数据，每采进一个新数据，就将最早采集的数据一个新数据，就将最早采集的数据丢掉，而后求包括新数据在内的掉，而后求包括新数据在内的N N个数据的算个数据的算术平均平均值或加或加权平均平均值。这样，每，每进行一次采行一次采样，就可，就可计算算出一个新的平均出一个新的平均值，从而加快了数据，从而加快了数据处理的速度。理的速度。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理3.3.滑滑动平均平均值滤波法波法滑滑动平均平均值滤波波法法滑滑动算算术平均平均值滤波波滑滑动加加权平均平均值滤波。波。平均平均值滤波法一般适用于具有周期性干波法一般适用于具有周期性干扰噪声的信号，但噪声的信号，但对偶然出偶然出现的脉冲干的脉冲干扰信号信号滤波效果尚不理波效果尚不理想。因而它不适用于脉冲性干想。因而它不适用于脉冲性干扰比比较严重的重的场合。合。对某一被某一被测参数参数连续采采样n n次（次（n n一般取奇数），然后把一般取奇数），然后把n n次采次采样值按按顺序排列，取其中序排列，取其中间值作作为本次采本次采样的有效数据。的有效数据。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理4 4中中值滤波法波法 中中值滤波波对于去掉偶然因素引起的波于去掉偶然因素引起的波动或采或采样器不器不稳定而造成的定而造成的误差所引起的脉差所引起的脉动干干扰比比较有效。若参数有效。若参数变化比化比较缓慢，慢，则采用中采用中值滤波效果比波效果比较好，但好，但对快速快速变化的参数，如流量，化的参数，如流量，则不宜采用。不宜采用。n n值一般取一般取3 3-5 5即可。即可。若若把中把中值滤波法和平均波法和平均值滤波法波法结合起来使用，合起来使用，滤波效果会更好，称其波效果会更好，称其为去极去极值平均平均值滤波法，波法，也称复合也称复合滤波法。波法。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理5 5.去极去极值平均平均值滤波法波法 这种方法既可以去掉脉冲干种方法既可以去掉脉冲干扰，又可以，又可以对采采样进行平滑加工，在快、慢速系行平滑加工，在快、慢速系统中都能削弱干中都能削弱干扰，提高控制，提高控制质量。当采量。当采样点数点数为3 3时，便是中，便是中值滤波。波。若若 则 由于大的随机干由于大的随机干扰或采或采样器的不器的不稳定，使得采定，使得采样数据偏离数据偏离实际值太太远，为此，可采用上、下限此，可采用上、下限限幅，即限幅，即当当y(n)yy(n)yH H时，则取取y(n)=yy(n)=yH H(上限上限值)；当当y(n)yy(n)yL L时，则取取y(n)=yy(n)=yL L(下限下限值)；当当y yL Ly(n)yy(n)y|y(n)-y(n-1)|y，则取取y(n)=y(n-1)y(n)=y(n-1)。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理限速限速滤波法波法的改的改进：设在在顺序采序采样时刻刻T T1 1、T T2 2、T T3 3所采集的数据分所采集的数据分别为y y1 1、y y2 2、y y3 3，则 当当|y|y2 2y y1 1|y|y时，取，取y2y2作作为采采样值；当当|y|y2 2y y1 1|yy时，保留，保留y y2 2，继续采采样得得y y3 3；当当|y|y3 3y y2 2|y|y时，取，取y y3 3作作为采采样值；当当|y|y3 3y y2 2|yy时，则取取(y(y3 3+y y2 2)/2)/2作作为采采样值。改改进限速限速滤波是一种折衷的方法，既照波是一种折衷的方法，既照顾了采了采样的的实时性，又性，又顾及了采及了采样值变化的化的连续性。性。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理7 7一一阶滞后滞后滤波法波法 一一阶滞后滞后滤波法是模波法是模拟硬件硬件RCRC低通低通滤波器的数字波器的数字实现。常用的。常用的RCRC低通低通滤波器的波器的传递函数函数为 算算术平均平均值滤波法属于静波法属于静态滤波，主要适用于波，主要适用于变化比化比较快的参数，如快的参数，如压力、流量等。力、流量等。对于于慢速随机慢速随机变化的参数，采用在短化的参数，采用在短时间内内连续采采样求平均求平均值的方法，的方法，滤波效果不太好。在波效果不太好。在这种情种情况下，通常采用况下，通常采用动态滤波法，如一波法，如一阶滞后滞后滤波。波。由于大由于大时间常数及高精度的常数及高精度的RCRC电路不易制作，所以硬件路不易制作，所以硬件RCRC滤波器不可能波器不可能对极低极低频率的信号率的信号进行行滤波。波。为此，可以模仿硬件此，可以模仿硬件RCRC滤波器的特性参数，用波器的特性参数，用软件件实现。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理RCRC低通低通滤波器的差分形式波器的差分形式为 T T采采样周期；周期；T Tf f滤波器波器时间常数常数滤波平滑系数，波平滑系数，一一般采般采样周期周期T T远远小于小于惯性性时间T Tf f，因此，因此11，表明本次有效采，表明本次有效采样值主要取决于以前的有效主要取决于以前的有效采采样值，而本次采，而本次采样值仅起到一些修正作用。起到一些修正作用。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理当采当采样周期周期T T足足够小小时滤波算法的截止波算法的截止频率率为 当采当采样周期一定周期一定时，滤波系数波系数越小，数字越小，数字滤波器的截止波器的截止频率就越低。率就越低。设计时，应根据采根据采样周期与截止周期与截止频率适当率适当选取取值，使得，使得滤波器的波器的输出既无出既无明明显波波纹，又不太滞后。又不太滞后。该算法比算法比较简单，比起平均，比起平均值滤波法要快，能很好地消除周期性干波法要快，能很好地消除周期性干扰和和较宽频率的随机率的随机干干扰信号。信号。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理 一般情况下，算一般情况下，算术平均平均滤波适用于周期性干波适用于周期性干扰；加；加权平均平均滤波和滑波和滑动平均平均滤波的波的实时性更好；限幅性更好；限幅/限速限速滤波适用于大的偶然的脉冲干波适用于大的偶然的脉冲干扰；去极；去极值平均平均滤波既可波既可滤去脉冲干去脉冲干扰又又可可滤去小的随机干去小的随机干扰；惯性性滤波能很好地消除周期性干波能很好地消除周期性干扰和和较宽频率的随机干率的随机干扰信号。在信号。在实际应用中，是否需要采用以及采用何种数字用中，是否需要采用以及采用何种数字滤波，都波，都应视具体情况而定。具体情况而定。几种数字几种数字滤波方法各有特点波方法各有特点 在在计算机算机过程控制系程控制系统中，生中，生产中的中的温度、温度、压力、流量、液位等力、流量、液位等各个参数都有着不同的数各个参数都有着不同的数值和量和量纲，所有所有这些参数都些参数都经过变送器送器转换成成统一的一的电流或流或电压信号，又由信号，又由A/DA/D转换成数字量。成数字量。为进一步一步进行行显示、示、记录、打印以及、打印以及报警等操作，必警等操作，必须把把这些数字量些数字量转换成工程成工程单位，以便操作人位，以便操作人员对生生产过程程进行行监视和管理，和管理，这就是所就是所谓的的标度度变换。标度度变换有有许多不同的方法，取决于被多不同的方法，取决于被测参数参数测量量传感器的感器的类型，型，设计时应根据根据实际情况情况选择相相应的的标度度变换方法。方法。11.3.2 标标度度变换变换第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理 线性参数性参数标度度变换是最常用的是最常用的标度度变换方法，其前提条件是被方法，其前提条件是被测参数参数值与与A/DA/D转换结果果为线性关性关系。系。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理1 1线性参数性参数标度度变换 为了使程序了使程序设计简单，一般把一次，一般把一次测量量仪表的下限表的下限Y Yminmin所所对应的的A/DA/D转换值置置为0 0，即，即N Nminmin=0=0，则 在在许多多测量系量系统中，中，仪表下限表下限值Y Yminmin=0=0，此，此时，对应的的N Nminmin=0=0，则 线性性标度度变换公式公式 【例例11.111.1】某某压力力测量量仪表的表的测量范量范围为4004001200Pa1200Pa，采用，采用8 8位位A/DA/D转换器，器，设某采某采样周期周期计算机算机经采采样及数字及数字滤波后的数字量波后的数字量为ABHABH，求此，求此时的的压力力值。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理解：解：根据根据题意，已知意，已知Y Yminmin=400Pa=400Pa，Y Ymaxmax=1200Pa=1200Pa，N Nx x=ABH=171D=ABH=171D，选N Nmaxmax=FFH=255D=FFH=255D，N Nminmin=0=0，则由由公式公式答：答：此此时的的压力力值为936Pa.一般而言，非一般而言，非线性参数的性参数的变化化规律各不相同，故律各不相同，故标度度变换公式亦需根据各自的具体情况建立。公式亦需根据各自的具体情况建立。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理2.2.非非线性参数性参数标度度变换 例如，在用例如，在用节流装置和差流装置和差压变送器送器测量流量量流量时，流量与差，流量与差压之之间的关系的关系为被被测流量的采流量的采样过程程为 公式公式变换法法第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理 由于差由于差压变送器的送器的输出与出与输入之入之间为线性关系，性关系，A/DA/D转换器亦器亦为线性关系，因此性关系，因此压差与差与A/DA/D采采样值之之间为线性性变换，即，即而而压差与流量之差与流量之间是非是非线性关系，性关系，即即当当 均均为0 0时，第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理 在在许多控制系多控制系统及智能化及智能化仪器中，一些参量往往是非器中，一些参量往往是非线性参量，常常不便于性参量，常常不便于计算和算和处理，而在理，而在实际测量和控制系量和控制系统中，都允中，都允许有一定范有一定范围的的误差。因此，差。因此，应找出一种既方找出一种既方便，又能便，又能满足足实际功能要求的数据功能要求的数据处理方法。在理方法。在这种情况下，可以采用多种情况下，可以采用多项式插式插值法、法、线性插性插值法或法或查表法表法进行行标度度变换。其它其它标度度变换方法方法第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理 多多项式插式插值法是用一个法是用一个N N次多次多项式来代替某种非式来代替某种非线性函数关系的方法。性函数关系的方法。插插值原理原理:假假设被被测参数参数y y与与传感器的感器的输出出值x x具有的函数关系具有的函数关系为y=f(x)y=f(x)，只知道在，只知道在n+1n+1个相异点个相异点处的的函数函数值为:f(x:f(x0 0)=y)=y0 0，f(xf(x1 1)=y)=y1 1，f(xf(xn n)=y)=yn n。现构造一个构造一个n n次多次多项式式去逼近函数去逼近函数y=f(x)y=f(x)多多项式插式插值法法令令可求出可求出n n+1+1个待定系数个待定系数a a0 0，a a1 1，a an n，从而构造一个可代替，从而构造一个可代替这种函数关系的插种函数关系的插值多多项式式P Pn n(x x)。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理举例：例：热敏敏电阻具有灵敏度高、价格低廉等特点，但是阻具有灵敏度高、价格低廉等特点，但是热敏敏电阻的阻阻的阻值与温度之与温度之间的关系是的关系是如表所示如表所示的非的非线性性关系。关系。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理 现构造一个三构造一个三阶多多项式式P P3 3(x)(x)来逼近来逼近这种函数关系。取三种函数关系。取三阶多多项式式为并取并取t=10,17,27,39t=10,17,27,39这4 4点点为插插值点，便可以得到点，便可以得到一般来一般来说，增加插，增加插值点和多点和多项式的次数能提高逼近精度。但同式的次数能提高逼近精度。但同时会增加会增加计算算时间。对于于带拐点的函数，拐点的函数，如果用一个多如果用一个多项式去逼近，将会式去逼近，将会产生生较大的大的误差。差。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理 为了提高逼近精度，且不占用了提高逼近精度，且不占用过多的机多的机时，较好的方法是采用分段插好的方法是采用分段插值法。分段插法。分段插值法是将被逼法是将被逼近的函数根据其近的函数根据其变化情况分成几段，然后将每一段区化情况分成几段，然后将每一段区间分分别用直用直线或抛物或抛物线去逼近。分段插去逼近。分段插值分段点分段点的的选取可按取可按实际曲曲线的情况灵活的情况灵活设定，既可以采用等距分段法，也可采用非等距分段法。定，既可以采用等距分段法，也可采用非等距分段法。分段分段线性插性插值法（分段法（分段线性化法）性化法）上例上例热敏敏电阻温度与阻温度与电阻阻值的插的插值多多项式，其式，其计算量算量较大，程序也大，程序也较复复杂。为了了计算算简单，提高，提高实时性，可采用分段性，可采用分段线性插性插值公式或称分段公式或称分段线性化法，即用多段折性化法，即用多段折线代替曲代替曲线进行行计算。算。第11章 直接数字控制系统概述 11.3 数字滤波与数据处理举例：例：热敏敏电阻温度与阻温度与电阻阻值非非线性关系性关系的分段的分段线性化性化方方法法根据表中数据，根据表中数据，选取取t=10,15,25,30,40t=10,15,25,