数字控制理论及应用(讲稿)第二章 数字控制系统的组成
数字控制设备原理与用用
数字控制设备原理与应用一汽轿车股份公司技术部陈刚轿车公司培训教材目录课程目的----------------------------------------------------------3 第一章：数字控制概论----------------------------------------------4 第二章：数控系统的电动机------------------------------------------15 第三章：数控系统的检测元件----------------------------------------26 第四章：控制与伺服系统--------------------------------------------38 第五章：数控编程原理与规范----------------------------------------52 第六章：参数系统--------------------------------------------------73 第七章：数控机床的使用与维护-------------------------------------133课程目的随着计算机技术和自动控制理论的高速发展，以计算机技术为核心的自动控制系统在设备上的应用也越来越广泛。
如计算机检测、CNC（计算机数字控制）、CAM（计算机辅助制造）、CIMS（计算机集成制造系统）、机器人技术等。
这些都大大地延伸了现代工业中自动化设备的制造能力，从而也促进了现代工业技术日新月异的发展。
NC（数字控制）技术是近半个世纪中逐步成熟和发展起来的一项先进的设备制造技术。
计算机技术的发展和在NC技术中的应用，给它带来了革命性的变革，并形成了现在的CNC（计算机数字控制）技术。
近年来，采用CNC系统的设备已越来越多地走进我们的工厂，并逐年保持高速增长的趋势。
它们都在我们工厂的关键工序中起着举足轻重的作用，其状态的好坏和使用状况直接关联到我们产品的质量和企业的声誉。
数控技术及应用教案及讲稿
数控技术及应用教案及讲稿第一章：数控技术概述一、教学目标1. 了解数控技术的定义和发展历程。
2. 掌握数控系统的基本组成和工作原理。
3. 了解数控技术在工程领域的应用。
二、教学内容1. 数控技术的定义和发展历程。
2. 数控系统的基本组成：数控装置、伺服系统、测量系统、数控编程等。
3. 数控技术在工程领域的应用：机械制造、汽车制造、航空制造等。
三、教学方法1. 讲授：讲解数控技术的定义、发展历程和基本组成。
2. 互动：提问学生了解数控技术在实际工程中的应用。
四、教学资源1. PPT课件：介绍数控技术的定义、发展历程和基本组成。
2. 视频素材：展示数控技术在工程领域的应用实例。
五、教学评价1. 课堂问答：检查学生对数控技术定义和发展历程的掌握。
2. 课后作业：布置相关课后题目，加深学生对数控系统基本组成的理解。
第二章：数控装置一、教学目标1. 了解数控装置的分类和功能。
2. 掌握数控装置的硬件结构和软件系统。
3. 熟悉数控装置的调试和维护方法。
二、教学内容1. 数控装置的分类：通用型数控装置、专用型数控装置。
2. 数控装置的功能：控制功能、编程功能、仿真功能等。
3. 数控装置的硬件结构：输入/输出接口、中央处理单元、存储器等。
4. 数控装置的软件系统：数控系统软件、数控编程软件等。
5. 数控装置的调试和维护方法。
三、教学方法1. 讲授：讲解数控装置的分类、功能和硬件结构。
2. 实操：演示数控装置的调试和维护方法。
四、教学资源1. PPT课件：介绍数控装置的分类、功能和硬件结构。
2. 实操设备：供学生实际操作数控装置。
五、教学评价1. 课堂问答：检查学生对数控装置分类和功能的掌握。
2. 实操报告：评估学生在实操过程中的表现。
第三章：伺服系统一、教学目标1. 了解伺服系统的分类和功能。
2. 掌握伺服系统的硬件结构和软件系统。
3. 熟悉伺服系统的调试和维护方法。
二、教学内容1. 伺服系统的分类：模拟伺服系统、数字伺服系统。
直接数字控制器操作规程PPT课件(39页)
储酒罐测控装置
一、概述 储酒罐测控装置可满足大多数葡萄 酒厂的陈酿工艺。该装置以智能仪 表为核心，随时对储酒罐进行监测， 仪表支持RS485总线通讯，方便组 成基于计算机的监控系统。 二、功能与特点
该装置以公司开发的DMC智能仪 表为核心，配以传感器、控制器等 组成。各酒罐被视为独立测控对象， 一罐一表，具有相对独立的可靠性。 DMC智能仪表还具有传感器开路 检测、故障报警等功能，使其更具 可靠性 主要功能：
DDC系统的应用
多用于中央空调，新风机组，给排水换热站 等机电没备温度、湿度、压力、流量等测量 控制。在集散控制系统中，通常用作现场直 接控制器,通过通讯总线与中央控制站联络。
江森控制器的系统组成
目前，在我国的智能楼宇系统中，江森作为 世界三大品牌之一，具有一定的市场。 METASYS 系统主要是由操作站）、网络控 制器、直接数字控制器等构成。操作站网络 控制器最常用的连接方式是N1通信网络，N2 通信总线作为现场存取网络，负责连接直接 数字控制器及接口模块至网络控制器。
直接数字控制DDC系统的功能
通过预定的程序完成各种控制功能，包括P控 制、PI控制、PID控制、开关控制、平均值控 制、最大/最小值控制、焓值计算控制、逻辑 运算控制和联锁控制等。对现场的设备执行 各种命令（执行时间、事件响应程序、优化 控制程序等）。
DDC控制器的结构及原理
DDC 控制器内部包含了可编程序的处理器， 采用了模块化的硬件结构，可以对模块进行 不同的组合，执行不同的控制功能。
直接数字控制器DDC系统特点
1、可将建筑联网 2、能提供过往使用纪录 3、操作人员不需要计算机经验 4、DDC系统能协助顾问工程师 5、DDC系统对服务和管理公司的益处 6、DDC系统控制设备与机械系统设备之差异 7、DDC系统适用的建筑大小
数字控制系统课件 第1章
0
n0
t
r(nT ) g(t ) ( nT )d
0
n0
r(nT )g(t nT )
n0
输出量c*(t)为采样时刻t=kT(k=0,1,2…)的值可由下式求得
c(kT) r(nT)g(kT nT) n0
c(kT) r(nT)g(kT nT) n0
当n>k时，零初始条件有g(kT-nT)=0,故上式可写为 k c(kT) r(nT)g(kT nT) n0
1.1 Why Digital Control?
❖ Accuracy. Digital signals are represented in terms of zeros and ones with typically 12 bits or more to represent a single number. This involves a very small error as compared to analog signals where noise and power supply drift are always present.
只有离散信号才有z变换，所以简写
E(z) Z[e(t)]
采样系统的脉冲传递函数
1、环节的脉冲传递函数的定义
在零初始条件下，输出脉冲序列
c*(t)的z变换C(z)与输入脉冲序列
r*(t)的z变换R(z)之比
c(nT )zn
G(z)
C(z) R(z)
n0
r(nT )zn
n0
说明：
对零初始条件的理解与传递函数一样；
只有采样信号之间才有脉冲传递函数的概念；
总是认为系统输出处带有同步虚拟采样开关。
2、脉冲传递函数的物理意义 t c(t) 0g(t )r( )d
数字控制理论及应用(讲稿)第六章 采样控制系统的稳定性与稳态误差
设在 s 平面上有 s = σ + jω ，经 z 变换后，它在 z 平面的映象为
z = eTs = e (σ + jω )T = eσT ⋅ e jωT
z = eσT
（6.1.1）
∠z = ωT
（6.1.2）
j s 平面
π j
T
j z 平面
1
j w 平面
−
π j
T
图 6.1.1 s 平面、z 平面和 w 平面的对应关系
第二节 采样控制系统稳态误差计算
33
R(s) r(t) -
e(t) e*(t) G(s)
T E(z)
C(z) T C* (s)
c(t) C(s)
图 6.2.1 单位反馈采样控制系统
在连续系统中，按开环系统中含有的积分环节个数的多少定义为 0 型、I 型、II 型等系
统。在采样控制系统中，在 z 平面上的极点 z = 1 是与 s 平面上极点 s = 0 相对应的，因此 采样系统中同样可以按开环脉冲传递函数 G(z) 具有 z = 1 的极点数而分为 0 型、I 型、II 型
变换，称为 w 变换。
令
z = w+1
w −1
（6.1.3）
则
w = z +1
z −1
（6.1.4）
上式中 w 和 z 均为复变量。令 w = u + jv ，则
| z |= w + 1 = u + 1 + jv w −1 u −1 + jv
=
(u + 1)2 + v 2
⎧<1 = ⎪⎨= 1
(u −1)2 + v 2 ⎪⎩ > 1
自动控制原理数字控制知识点总结
自动控制原理数字控制知识点总结数字控制是指利用数字信号来实现对机械设备或系统进行控制的一种技术手段。
它通过将模拟信号转换为数字信号，并借助计算机进行数字信号的处理和控制，从而实现对设备或系统的精确控制。
下面将对数字控制的一些重要知识点进行总结。
一、数字控制系统的组成数字控制系统主要由以下几个部分组成：输入设备、计算机、控制器、执行机构、传感器和输出设备。
其中，输入设备用于输入指令和数据，计算机用于对指令和数据进行处理，控制器将计算机输出的控制信号转换为通用信号，执行机构根据通用信号执行相应的动作，传感器用于采集反馈信号，输出设备用于显示控制结果。
二、数字控制系统的工作原理数字控制系统的工作原理可以分为指令处理和执行两个部分。
指令处理主要包括指令译码、数据处理和插补运算等过程，其中指令译码用于解释指令的含义，数据处理用于对数据进行运算处理，插补运算用于计算轴的位置和速度。
执行部分主要包括控制信号输出和反馈信号采集等过程，控制信号输出将计算得到的控制信号转换为适合执行机构的通用信号，反馈信号采集用于实时监测执行机构的状态。
三、数字控制系统的编程方式数字控制系统的编程方式主要有手动编程和自动编程两种。
手动编程是指操作人员通过手动输入指令和数据来完成程序的编写，适用于简单的控制任务。
自动编程是指利用专门的编程软件和工具来生成控制程序，适用于复杂的控制任务。
自动编程可以根据物体的几何信息和加工要求自动生成控制程序，大大提高了编程的效率和准确性。
四、数字控制系统的控制方式数字控制系统的控制方式主要有点位控制、直线插补控制和圆弧插补控制等。
点位控制是指通过控制轴的位置来实现对机械设备的控制，适用于点到点的控制任务。
直线插补控制是指通过控制轴的位置和速度来实现对机械设备的控制，适用于直线轨迹的控制任务。
圆弧插补控制是指通过控制轴的位置和速度来实现对机械设备的控制，适用于圆弧轨迹的控制任务。
五、数字控制系统的编程语言数字控制系统的编程语言主要有G代码和M代码两种。
电工A2第12章 数字控制系统
可以用数值方法分析和综合 速度快 不要求模型必须有解析解
（3）具有网络通信能力
实现大工业生产过程自动化 形成集散控制系统
1、数字控制系统采用了总线体制p269
（1）总线定义 总线是一组信号线的集合。这些线是系统的各插件
间（或插件内部各芯片间）、各系统之间传送规定信息的 公共通道，有时也称数据公路，通过它们可以把各种数据 和命令传送到各自要去的地方。
2020/8/8
3
12.1 数字控制系统组成
一、模拟控制系统 系统框图
模拟信号
二、数字控制系统 系统框图
模拟信号
数字信号
模拟信号
三、数字控制系统的特点
（1）控制器：硬件→软件 使系统设计及实现更灵活 用算法可实现更为丰富的控制策略
传统的——PID算法 高级的——数字滤波 智能算法 模糊控制 复杂的——特性补偿算法
高可靠性，友好的人机对话界面，方便的显示打印功 能，灵活的控制规律。
（3）监督控制功能——优化系统输入
其作用是改变给定值，又称设定值控制 。它的任务着重 在控制规律的修正与实现，如最优控制、自适应控制等。
（4）实现对大规模生产过程的集散控制 分散型控制
集散控制系统是随着现代大型工业生产自动化的不断 兴起和过程控制要求的日益复杂而产生的综合控制系统， 它紧密依赖于自动控制技术、计算机技术、通信技术和 显示技术。 集散控制系统又称分散型控制系统 DCS------Distributed Control System “分散”指：1、工艺上各种设备地理位置的分散。
• 电气规范：总线每条信号线的有效电平、 动态转换时间、负载能力等。
常见的数据总线为ISA、PCI等。
9
总线标准-ISA （工业标准架构总线） ISA（IndustrialStandardArchitecture）总线是IBM公司1984年 为推出PC/AT机而建立的系统总线标准。所以也叫AT总线。 主要特点: (1)支持64KI/O地址空间、16M主存地址空间的寻址，支持 15级硬中断、7级DMA通道。 (2)是一种简单的多主控总线。 (3)支持8种总线事务类型：存储器读、存储器写、I/O读、 I/O写、中断响应、DMA响应、存储器刷新、总线仲裁。 它的时钟频率为8MHz，共有98根信号线。数据线和地址线 分离，数据线宽度为16位，可以进行8位或16位数据的传送， 所以最大数据传输率为16MB/s。
数字控制理论及应用(讲稿)第二章 数字控制系统的组成
第二章 数字控制系统的组成第一节 数字控制系统硬件及软件组成一、 硬件部分计算机控制系统的硬件包括主机、接口电路、过程输入/输出通道、外部设备、操作台等。
1、主机它是过程计算机控制系统的核心，由中央处理器（CPU）和内存储器组成。
主机根据输入通道送来的被控对象的状态参数，按照预先制定的控制算法编好的程序，自动进行信息处理、分析、计算，并作出相应的控制决策，然后通过输出通道发出控制命令，使被控对象按照预定的规律工作。
2、接口电路它是主机与外部设备、输入/输出通道进行信息交换的桥梁。
在过程计算机控制系统中，主机接收数据或者向外发布命令和数据都是通过接口电路进行的，接口电路完成主机与其它设备的协调工作，实现信息的传送。
3、过程输入/输出通道过程输入输出（I/O）通道在微机和生产过程之间起着信号传递与变换的纽带作用，它是主机和被控对象实现信息传送与交换的通道。
模拟量输入通道把反映生产过程或设备工况的模拟信号转换为数字信号送给微机；模拟量输出通道则把微机输出的数字控制信号转换为模拟信号（电压或电流）作用于执行设备，实现生产过程的自动控制。
微机通过开关量（脉冲量、数字量）输入通道输入反映生产过程或设备工况的开关信号（如继电器接点、行程开关、按纽等）或脉冲信号；通过开关量（数字量）输出通道控制那些能接受开关（数字）信号的电器设备。
1）、模拟量输入（AI）通道：生产过程中各种连续的物理量(如温度、流量、压力、液位、位移、速度、电流、电压以及气体或液体的PH值、浓度、浊度等），只要由在线仪表将其转换为相应的标准模拟量电信号，均可送入模拟量输入通道进行处理。
2）、模拟量输出（AO）通道：模拟量输出通道一般是输出4～20mA（或1～5V）的连续的直流电流信号，用来控制各种直行程或角行程电动执行机构的行程，或通过调速装置（如各种变频调速器）控制各种电机的转速，亦可通过电-气转换器或电-液转换器来控制各种气动或液动执行机构，例如控制气动阀门的开度等等。
控制系统数字控制
控制系统数字控制数字控制（Digital Control）是一种基于数字技术的自动控制方法，通过采集、处理、传输和控制数字信号，实现对各种控制对象的精确控制。
它在现代控制系统中发挥着重要的作用，为各行业提供了高效、灵活和精确的控制手段，广泛应用于机械制造、电力系统、交通运输等领域。
一、数字控制系统的基本原理和组成1. 数字信号的获取和处理数字控制系统通过采集、传感装置将被控对象的状态量转换为电信号，并通过模数转换器将模拟信号转化为数字信号，进一步经过数字信号处理器进行数字信号的滤波、放大、变换等处理，得到被控对象的状态量。
2. 控制算法的设计和实现数字控制系统通过控制算法来实现对被控对象的控制。
控制算法可以根据被控对象的特性和目标要求进行设计和选择，例如比例积分（PI）控制、模糊控制、自适应控制等。
计算机、单片机或专用控制器等设备可以实现该控制算法的编程和运行。
3. 数字控制器和执行器数字控制系统中的数字控制器是整个系统的核心，它负责接收和处理来自传感器的反馈信号，并根据控制算法输出相应的控制信号。
执行器负责执行控制器输出的控制信号，实现对被控对象的控制。
执行器可包括电机、电磁阀、伺服系统等。
二、数字控制系统的特点和优势1. 精确性高数字控制系统通过数字信号的采集和处理，可以实现对被控对象的高精度控制。
相对于模拟控制系统，数字控制系统具有更好的控制精度和稳定性。
2. 灵活性强数字控制系统的控制算法可以根据被控对象的要求进行调整和优化。
通过改变控制算法的参数或者应用不同的控制算法，可以实现对不同工况和需求的适应。
3. 扩展性好数字控制系统可以通过增加和调整硬件设备，实现对控制系统的扩展和升级。
例如增加传感器、增加控制器数量以及改进算法等，可以提高系统的控制能力和性能。
4. 故障检测和诊断数字控制系统可以通过对系统的状态进行监测和分析，实现对故障的检测和诊断。
通过实时监测关键参数并与预设值进行比较，可以及时发现和处理故障，提高系统的可靠性和安全性。
数字控制理论及应用(讲稿)第一章 数字控制系统基本概念
数字控制理论及应用（讲稿）第一章数字控制系统基本概念随着计算机技术的广泛应用，自动控制理论和实践都发生了深刻的变化，以计算机为控制器的数字控制器在许多场合取代了模拟控制器，对各种被控对象实现自动控制。
采用计算机控制不但可以完成常规控制技术所能完成的功能，还可以完成一些复杂的智能控制功能，使控制品质更加优良，而研究数字控制系统基本理论的方法手段是以自动控制理论为基础的采样控制系统理论。
在控制系统中，传递信号有一处或几处是离散数字序列形式的脉冲或数码的控制系统称为离散控制系统。
离散控制系统的一个重要应用是计算机控制系统，计算机通过输入通道采集到被控参数并与系统给定进行比较后，偏差信号按预定控制规律进行运算，计算出的控制量通过输出通道输出到执行机构对生产过程进行控制。
由于被控对象的输入、输出通常为连续信号，而计算机的输入和输出信号都是数字信号，因而系统中必须有将模拟信号转换为数字信号的模/数（A/D）转换器，以及将数字信号转换为模拟信号的数/模（D/A）转换器。
数字控制系统的控制过程通常可归结为下述两步骤：1）数据采集：对被控参数的瞬时值（可以是多路被控量）进行检测，并输给计算机。
2）控制：对采集到的被控状态量与给定量进行比较分析，并按已定的控制规律发出控制信号，实时地通过执行机构控制对象参数。
以计算机为核心的控制系统种类繁多，而且规模也不同，但其基本组成是相似的。
典型的计算机过程控制系统的组成如图1.1所示。
图中模拟量输入通道是由传感器、变送器将被测量转换成统一的标准信号，经多路分时巡检送到A/D转换器进行模拟/数字转换，转换后的数字量通过接口送入计算机。
在计算机内部，用软件对采集的数据进行处理和计算。
输出的数字量通过D/A转换器转换成模拟量，然后由模拟量输出通道输出，实时地对被控量进行控制。
对于开关量信号则通过开关量输入（DI）和开关量输出（DO）通道进行采集和控制。
自动控制的任务是控制某些物理量按照设定规律变化。
自动控制原理之数字控制系统分析PPT课件
lim f (nT ) { f [(n 1)T ] f (nT )} f (0) lim(z 1)F (z)
n
n0
z 1
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6．卷积定理
如果 c(kT ) k g[(k ，n则)T ]r(nT ) n0
证明：
C(z) G(z)R(z)
k
C(z) g[(k n)T ]r(nT )zk k0 n0
7．Z域尺度定理
• 若已知
f (kT的)z变换函数为
，则
F(z)
Z[ak
f
(kT
)]
F
z a
其中，a 为任意常数。
证明：
Z[ak f (kT )] ak f (kT ) zk k 0
k 0
f
(kT
)
z a
k
F
z a
第28页/共46页
三、 z 变换的方法
1．级数求和法 思想：只要知道连续函数 f (t) 在各个采样时刻 的数值，即可按照z变换的定义求得其z变换。
f (t) • 若
的 z变换为 ，则
F(z)
Z[ f (t nT)] znF(z)
n1
Z[ f (t nT ) zn[F (z) f (kT )zk ] k 0
第22页/共46页
证明:
Z[ f (t nT )] f (kT nT )zk
k 0
zn f (kT nT )z(kn)
n0
n0
• 因为只在采样瞬间时才有意义，故上式也可写成
e*(t) e(nT )T (t nT ) n0
第9页/共46页
2 保持器
• 原因：连续信号经过采样器后转换成离散信号，经由脉 冲控制器处理后仍然是离散信号，而采样控制系统的连 续部分只能接收连续信号，因此需要保持器来将离散信 号转换为连续信号。
数字控制基础
第三章 计算机控制系统分析
3.2.4 动态响应分析 如果已知离散控制系统的数学模型，通过递推法或者z变换法不难求 出典型输入作用下的输出响应。离散控制系统的动态响应取决于系统脉 冲传递函数零、极点在z平面中的分布情况。这里我们仅就单位阶跃输入 函数作用下的输出响应。设系统的闭环脉冲传递函数为(z)，则系统输 出量的z变换为
第二章 信号采样与Z变换理论基础
第二章 信号采样与Z变换理论基础
第二章 信号采样与Z变换理论基础
第二章 信号采样与Z变换理论基础
第二章 信号采样与Z变换理论基础
第二章 信号采样与Z变换理论基础
第二章 信号采样与Z变换理论基础
第二章 信号采样与Z变换理论基础
2.3.5 用z变换求解差分方程 对于线性连续控制系统，系统的时域描述为线性常系数微分方程，可 以用拉氏变换变成s的代数方程，因此可以大大简化求解过程。计算机控 制系统属于离散系统，其时域描述为线性常系数差分方程，可用z变换变 成z的代数方程，用代数方程来求解。
第三章 计算机控制系统分析
3.2.2 系统的稳态误差 稳态误差是系统稳态性能的重要指标。在单位反馈的离散控制系统 中，即令H(s)=1，系统在输入信号作用下误差的z变换式为
第三章 计算机控制系统分析
第三章 计算机控制系统分析
第三章 计算机控制系统分析
第三章 计算机控制系统分析第三章 计算机控制系统分析
分析离散控制系统稳定性的一个方法是双线性变幻的劳斯判据。在 应用时，由于Z平面的稳定域与s平面的稳定域是不同的，所以先需要经 过一种复变函数的双线性变换(称为z-w变换)，把Z平面中的单位圆周映 射到w平面的虚轴，Z平面中的单位圆外部和内部分别映射为w平面的右 半平面和左半平面。满足这种变换关系的复变量z和w的关系为：
数字控制技术PPT课件
被控对象
被控对象是数字控制系统所控制 的设备或系统，可以是机械、电
气、液压等类型。
被控对象的特性对于控制系统的 设计具有重要的影响，需要充分 了解被控对象的特性和动态特性。
对于复杂的被控对象，需要进行 建模和仿真，以便更好地设计控
制系统。
04 数字控制系统的性能指标
稳态性能指标
稳态误差
控制器通常由微处理器、可编程逻辑控制器（PLC）或数字信号处理器（DSP）等构 成，具有高度的灵活性和可编程性。
控制器的性能直接影响整个数字控制系统的性能，因此选择合适的控制器是至关重 要的。
执行器
执行器是数字控制系统的输出 部分，负责将控制器的输出信 号转换为实际的控制动作。
执行器种类繁多，包括电动、 气动、液压等类型，根据被控 对象的需要选择合适的执行器。
衡量系统接近稳态时的误差大小，反映系统的跟踪精度 。
静态特性
描述系统在稳态下的输出特性，如线性度、稳定性等。
ABCD
稳态误差系数
表示系统稳态误差与输入信号幅值的比例，用于评估系 统输出与设定值之间的偏差。
调节时间
系统从启动到达到稳态所需的时间，反映系统的响应速 度。
动态性能指标
动态响应
描述系统对输入信号的响应速度和变化规律， 包括超调和调节时间等。
数字控制技术ppt课件
目录
• 引言 • 数字控制技术的概述 • 数字控制系统的基本组成 • 数字控制系统的性能指标 • 数字控制系统的设计方法 • 数字控制系统的实现 • 数字控制技术的发展趋势和挑战 • 结论
01 引言
主题简介
数字控制技术
介绍数字控制技术的定义、发展历程 和应用领域，阐述其在现代工业自动 化中的重要地位。
数字控制器的原理
控制方式切换 · 脉冲输入计数与积算脉冲输出 · 上页 下页 目 录
广东石油化工学院自动化系
—控制仪表和计算机控制装置—
用户程序
用户程序是用户根据控制系统要求，在系统 程序中选择所需要的功能模块，并将它们按一 定的规则连接起来的结果，其作用是使控制器 完成预定的控制与运算功能。使用者编制程序 实际上是完成功能模块的连接，也即组态工作 。
目 录
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广东石油化工学院自动化系
—控制仪表和计算机控制装置—
I／O接口是CPU同过程输入、输出通道等进 行数据交换的器件， 它有并行接口和串行接口 两种: 并行接口具有数据输入、输出双向传送和位 传送的功能，用来连接过程输入、输出通道，或 直接输入、输出开关量信号。 串行接口具有异步或同步传送串行数据的功能， 用来连接可接收或发送串行数据的外部设备
系统程序
监控程序使控制器各硬件电路能正常工作并实现所 规定的功能，同时完成各组成部分之间的管理。其主 要完成的任务有： · 系统初始化 · 键盘、显示管理 · 键处理 · 中断管理 · 通信处理 · 自诊断处理 · 掉电处理 · 运行状态控制
· 定时处理
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目 录
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14
广东石油化工学院自动化系
—控制仪表和计算机控制装置—
—控制仪表和计算机控制装置—
2.3.1.1. 数字式控制器的硬件电路
① ② ③ ④ ⑤
上页
目 录
下页
4
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—控制仪表和计算机控制装置—
主机电路
──用于实现仪表数据运算处理， 各组成部分之间的管理
CPU完成数据传递、算术逻辑运算、转移控制等功能; ROM存放系统程序; EPROM存放用户程序; RAM 存放输入数据、显示数据、运算的中间值和结果值。 CTC的定时功能用来确定控制器的采样周期，并产生 串行通信接口所需的时钟脉冲； 计数功能主要用来对外部事件进行计数。 上页
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第二章 数字控制系统的组成第一节 数字控制系统硬件及软件组成一、 硬件部分计算机控制系统的硬件包括主机、接口电路、过程输入/输出通道、外部设备、操作台等。
1、主机它是过程计算机控制系统的核心，由中央处理器（CPU）和内存储器组成。
主机根据输入通道送来的被控对象的状态参数，按照预先制定的控制算法编好的程序，自动进行信息处理、分析、计算，并作出相应的控制决策，然后通过输出通道发出控制命令，使被控对象按照预定的规律工作。
2、接口电路它是主机与外部设备、输入/输出通道进行信息交换的桥梁。
在过程计算机控制系统中，主机接收数据或者向外发布命令和数据都是通过接口电路进行的，接口电路完成主机与其它设备的协调工作，实现信息的传送。
3、过程输入/输出通道过程输入输出（I/O）通道在微机和生产过程之间起着信号传递与变换的纽带作用，它是主机和被控对象实现信息传送与交换的通道。
模拟量输入通道把反映生产过程或设备工况的模拟信号转换为数字信号送给微机；模拟量输出通道则把微机输出的数字控制信号转换为模拟信号（电压或电流）作用于执行设备，实现生产过程的自动控制。
微机通过开关量（脉冲量、数字量）输入通道输入反映生产过程或设备工况的开关信号（如继电器接点、行程开关、按纽等）或脉冲信号；通过开关量（数字量）输出通道控制那些能接受开关（数字）信号的电器设备。
1）、模拟量输入（AI）通道：生产过程中各种连续的物理量(如温度、流量、压力、液位、位移、速度、电流、电压以及气体或液体的PH值、浓度、浊度等），只要由在线仪表将其转换为相应的标准模拟量电信号，均可送入模拟量输入通道进行处理。
2）、模拟量输出（AO）通道：模拟量输出通道一般是输出4～20mA（或1～5V）的连续的直流电流信号，用来控制各种直行程或角行程电动执行机构的行程，或通过调速装置（如各种变频调速器）控制各种电机的转速，亦可通过电-气转换器或电-液转换器来控制各种气动或液动执行机构，例如控制气动阀门的开度等等。
3）、开关量输入（DI）通道：用来输入各种限位（限值）开关、继电器或电磁阀门连动触点的开、关状态；输入信号可以是交流电压信号、直流电压信号或干接点信号。
4）、开关量输出（DO）通道：用于控制电磁阀门、继电器、指示灯、声报警器等只具有开、关两种状态的设备。
输出形式一般为无源触点和有源OC门两种。
5）、脉冲量输入（PI）通道：现场信号中的转速计、涡街流量计及一些机械计数装置等输出的测量信号均为脉冲信号，脉冲量输入通道既可检测该类信号。
4、外部设备外部设备按功能可分成三类：输入设备、输出设备和外存储器。
一个过程控制系统外部设备的配置是根据系统的功能决定的。
5、操作台操作台是过程控制系统人-机联系设备，专供操作人员使用。
一般操作台有CRT显示器或LED数字显示器，用以显示系统运行的状态；有功能键盘，以便操作人员输入或修改控制参数和发送命令。
二、软件部分为使过程计算机控制系统正常运行并充分发挥硬件功能，完成预定的任务，必须有软件的支持才能实现。
软件是指计算机中使用的所有程序的总称。
软件通常又可分为系统软件和应用软件。
系统软件是用来使用和管理计算机的程序。
过程计算机控制系统的系统软件应根据控制系统的的规模和要求的功能选配。
应用软件是为了解决具体任务的用户程序，如在过程计算机控制系统中，各种数据采集程序、数字处理程序以及各种控制程序等，它由用户按需要而编制。
第二节 过程计算机控制系统的分类过程计算机控制系统所采用的形式与所控制的生产过程的复杂程度密切相关，不同的被控对象和不同的控制要求，应有不同的控制方案。
按照系统的功能和发展进程，典型计算机控制系统大致分为以下几种典型的形式。
一、 操作指导控制系统操作指导控制系统的构成如图2.2.1所示。
该系统不仅具有数据采集和处理的功能，而且能够为操作人员提供反映生产过程工况的各种数据，并相应地给出操作指导信息，供操作人员参考。
该控制系统属于开环控制结构。
计算机根据一定的控制算法（数学模型），依赖测量元件测量的信号数据，计算出供操作人员选择的最优操作参数及操作方案。
操作人员根据计算机的输出信息，如CRT显示图形或数据、打印机的曲线数据等,手动改变控制器的给定值或直接操作执行机构。
二、 直接数字控制系统直接数字控制系统DDC（Direct Digital Control）是指计算机直接控制生产过程。
系统构成如图2.2.2所示。
DDC系统用一台计算机取代模拟控制器，对生产过程中多种被控变量进行巡回检测，计算机按人们预先规定的控制程序（如PID、前馈、解耦等控制方式），对多种被测量进行分析、判断、处理，从而得到控制量，通过二进制形式输出到D/A转换器，并以4～20mA或0～10mA的模拟电流形式发出控制信号，实现对生产过程的闭环控制。
DDC系统的特点是计算机运算速度快，可分时处理多个控制回路，一台计算机可以取代几十台模拟控制器，实现几十个甚至更多的单回路的控制；并且计算机运算能力强，能很方便地实现各种比较复杂的控制规律，如串级控制、前馈控制、选择性控制、解耦控制以及大纯滞后补偿控制等。
由于直接数字控制系统中，计算机直接承担控制任务，所以要求实时性好、可靠性高和适应性强。
这就需要合理地设计应用软件，使之完成所有的控制功能。
三、 监督计算机控制系统监督计算机控制SCC（Supervisory Computer Control）系统中，计算机根据原始工艺信息和其他参数按照描述生产过程的数学模型或其他方法，自动地改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的微型计算机中的给定值，从而使生产过程始终处于最优的工况（保持高质量、高效率、低消耗、低成本等）下运行。
从这个角度上说，它的作用是改变给定值，所以又称设定值控制SPC（Set Point Control）。
监督控制系统有两种不同的结构形式，如图2.2.3所示。
1、SCC加上模拟控制器的控制系统该系统由计算机系统对各物理量进行巡回检测，并按一定的数学模型对生产工况进行分析、计算后得出控制对象各参数最优给定值送给控制器，使工况保持在最优状态。
当SCC 计算机出现故障时，可由模拟调节器独立完成操作。
2、SCC加上DDC分级控制系统这实际上是一个二级控制系统，SCC可采用高档计算机，它与DDC之间通过接口进行信息联系。
SCC计算机可完成工段、车间高一级的最优化分析和计算，并给出最优给定值，送给DDC级执行过程控制。
当DDC级计算机出现故障时，可直接由SCC计算机完成DDC的控制功能，这种系统提高了可靠性。
四、 集散控制系统集散控制系统DCS（Distributed Control System）又称分布式控制系统，它采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，把系统从上到下分为综合信息管理级、集中操作监控级、分散过程控制级，形成分级分布式控制。
五、现场总线控制系统现场总线（fieldbus）是连接工业过程仪表和控制系统之间的全数字化、双向、多站点的串行通信网络，它与控制系统和现场仪表共同组成现场总线控制系统（Fieldbus Control System—FCS）。
现场总线控制系统FCS不单单是一种通信技术，也不仅仅是用数字信号代替模拟信号，它是现场总线通信网络与控制系统的集成。
九十年代以来，逐渐形成的几种有影响的现场总线技术有，FF（Foundation Field）基金会现场总线、由美国Echelon公司推出的Lon Work现场总线、由德国西门子公司为主的Profibus总线、由德国Bosch公司推出的CAN（Control Area Netword）总线、由美国Rosemount公司推出的HART总线等。
这些总线是根据行业的应用需要施加某些特殊规定后形成了各自的技术标准。
第三节 模拟量、开关量输入输出通道基本原理过程输入输出通道由模拟量输入输出通道和开关量输入输出通道组成。
一、AI（Analog Input）通道AI通道的一般结构如图2.3.1所示。
过程参数由传感元件和变送器测量并转换成电压（或电流）形式后送至多路开关；在微机的控制下，由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级，进行放大、采样和A/D 转换，实现过程参数的巡回检测。
模拟信号到数字信号的转换包含信号采样和量化两个过程。
采样信号在时间轴上是离散的，即连续信号y(t)幅值上的变化，通过采样变成离散信号y *(t)。
微机只接受在时间上离散、幅值上变化的数字信号。
将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是A/D转换器。
字长为n的A/D转换器把y min ～y max 范围内变化的采样信号，变换为数字量，其最低有效位（LSB）所对应的模拟量q称为量化单位。
其值为12~0−n ny y q 2minmax −=量化过程实际上是一个用q 去度量采样值幅值高低的小数归整过程。
由于量化过程是一个小数归整过程，因而存在量化误差，其最大量化误差为±21q。
如果A/D 转换器的字长n 足够长，整量化误差就会变小，这样可以认为数字信号近似于采样信号。
在这种假设下，数字系统便可沿用采样系统理论进行分析、设计系统。
A/D 转换器的任务是完成采样信号到数字信号的转换。
常用的转换方式有逐次逼近式和双斜积分式。
前者转换时间短（几个微秒～几百个微秒），但抗干扰能力较差；后者转换时间长（几十个毫秒～几百个毫秒），抗干扰能力较强，在信号变化缓慢，现场干扰严重的场合，宜用后者。
常用A/D 转换器芯片有，逐次逼近式集成A/D 转换器，如8位分辨率的ADC0809、12位分辨率的AD574等；双斜积分式集成A/D 转换器有11位分辨率的MC14433、14位分辨率的ICL7135等。
A/D 转换器的主要技术指标有转换时间、分辨率和线性误差等。
1、转换时间：指完成一次模拟到数字转换所需要的时间。
2、分辨率：通常用数字量的位数n（字长）来表示，如8位、12位、16位等。
分辨率为n位，表示它能对满量程输入的1/2n的增量作出反映，即数字量的最低有效位（LSB）对应于满量程输入的1/2n。
例如n=8，满量程输入为5.12V，则LSB对应于模拟电压5.12V/28=20mV。
3、线性误差：理想转换特性（量化特性）应该是线性的，但实际转换特性并非如此。
在满量程输入范围内，偏移理想转换的最大误差定义为线性误差。
线性误差通常用LSB 表示，如LSB LSB 121±、。
二、AO （Analog Output ）通道AO 通道有两种基本结构形式，多D/A 形式和共享D/A 结构，如图2.3.2所示，多D/A形式输出速度快、工作可靠、精度高，是工业控制方面普遍采用的形式。
AO 通道中的D/A 转换器承担数字信号到模拟信号转换任务，保持器一般采用零阶形式，其作用是把微机在t=kT 时刻对执行机构的控制作用维持到下一个输出时刻t=(k+1)T。