第五章 计算机控制系统
5.1概述计算机控制系统与常规控制系统基本结构相同，基本概念和术语也是通用的。有关调节原理和调节过程也是相同的。不同之处在于：计算机控制系统中，控制器对控制对象的参数、状态信息的检测和控制结束的输出在时间上是断续的，对检测信号的分析计算是数字化的，而在模拟控制系统中则是连续的。
计算机控制系统方框图控制器的输出称为控制量，所遵循的运算规律称为控制算法。
计算机控制系统控制过程步骤：（三步）
实时数据采样：测量被控量的当前值，为断续的数字化信号；
实时判断：判断被控量当前值与给定值的偏差；
实时控制：根据偏差，作为控制决策。即按预定的算法对偏差进行运算，以及适时适量地向执行机构发出控制信号。
优点：
可实现分时对多个对象多个回路的控制；
便于对系统功能的扩充修改；
可完成很多在模拟控制系统中由硬件难以完成的功能。
微型计算机特点：
体积小、结构简单；
价格便宜，揽资少；
可靠性高，平均无故障时间长达几干小时至几万小时以上；
灵活性高。
5.2计算机控制系统的组成分类
5.2.1 组成计算机控制系统由工业对象和工业控制计算机两部分组成。
工控机由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括计算机主机、外部设备、外围设备、工业自动化仪表和操作控制台等。软件是指计算机系统的程序系统。
计算机控制系统基本组成
（1）硬件组成主机：它是整个系统的核心装置，它由微处理器、内存贮器和系统总线等部分构成。主机根据过程输入通道发送来的反映生产过程工况的各种信息和已确定的控制规律，作出相应的控制决策，并通过过程输出通道发出控制命令，达到预定的控制目的。
主机所产生的控制是按照人们预先安排好的程序进行的，能实现过程输入控制和输出等功能的程序预先已放入内存，系统启动后，CPC逐条取出来，并执行，从而产生预期的控制效果。
过程输入输出通道：它是在微机和生产过程之间起信息传递和变换作用的装置。它包括：摸拟量输入通道（AI）、开关量输入通道（DI）、模拟量输出通道（AO）和开关量输出通道（DO）。
操作设备：系统的操作设备是操作员与系统之间的信息交换工具，操作设备一般由CRT显示器（或其他显示器）、键盘、开关和指示灯组成。操作员通过操作设备可以控制系统和了解系统运行状态。
外部设备：它是键盘终端、打印机、绘图仪、磁盘等计算机输入输出设备。
通信设备：规模较大的工业生产过程，其控制和管理常常非常复杂，需要几台或几十台微型计算机才能分级完成控制与管理任务。这样，系统中的微机之间就需要通信。因此，需要由通信设备与数据线将系统中的微机互联起来，构成控制与管理网络。
系统支持功能包括以下几部分：
监控定时器：主要作用是在系统因干扰或其他原因出现异常时，如“飞程序”或程序进入死循环，使系统自动恢复正常工作运行，从而提高系统的可靠性。
电源掉电检测：若出现电源掉电故障，应能及时发现并保护当时的重要数据和CPU寄存器的内容，以保证复电后系统能从断点处继续运行。电源掉电检测电路能检测电源是否掉电，并能在掉电时产生非屏蔽中断请求。
保护重要数据的后备存贮体：监控定时器和断电保护功能均要有能保存重要数据的存贮体的支持，后备存贮体容量不大，在系统掉电时数据不会丢失，故常采用NOVRAM或带后备电池的SRAM。为了保证可靠、安全，系统存贮器工作期间，后备荐贮体应处于上锁状态。
实时日历钟：使系统具有时间驱动功能，如在指定时刻产生某种控制或自动记录某个事件发生的时间等。实时日历钟在电源掉电时能正常工作。
总线匹配：总线母板上的信号线在高速时钟频率运行时均为传输长线，很可能产生反射和干扰信号，一般采用RC滤波网络予以克服。
（2）软件部分计算机系统的软件包含系统软件和应用软件两部分。
系统软件一般包括汇编语言、高级算法语言、过程控制语言以及它们的汇编、解释、编译程序，操作系统、数据库系统，通讯网络软件、调试程序，诊断程序等。
应用软件是系统设计人员针对生产过程要求而编制的控制和管理程序。应用软件一般包括过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、打印显示程序、人机接口程序等。其中过程控制程序是应用软件的核心，是控制方案和控制规律的具体实现。
5.2.2计算机控制系统的分类
（1）数据条集和数据处理系统它的工作主要是对大量的过程状态参数实现巡回检测、数据存贮记录。数据处理（计算、统计、整理）、进行实时数据分析以及数据越限报警等功能。
数据采集就是由传感器把温度、压力、流量、位移等物理量转换来的摸拟电信号经过处理并转换成计算机能识别的数字量，输入计算机中。
数据处理就是计算机将采集来的数字量根据需要进行不同的判决、运算，得出所需要的结果。
数据采集与数据处理的典型结构
（2）直接数字控制系统（DDC）
DDC分时地对被控对象的状态参数进行测试，并根据测试的结果与给定值的差，按照预先制定的控制算法进行数字分析运算后，控制量输出直接作用在调节阀等执行机构上，使各个被控参数保持在给定值上，实现对被控对象的闭环自动调节。
DDC系统的优点：实现了几十个甚至更多的单回路PID控制；而且还能比较容易地实现其他新型控制规律控制。它把显示、记录、报警、和给定值设定等功能都集中在操作控制台上，给操作人员带来了很大方便。只要改变程序即可实现上述各种形式的控制规律。
DDC系统的缺点：要求工业控制计算的可靠性很高，否则会直接影响生产的正常运行。
（3）监督控制系统SCC
监督计算机控制系统即所谓SCC或SPC系统，是指计算机根据生产过程的信息（测量值）和其他信息（给定值等），按照描述生产过程的数学模型，去自动改变（也称重新设定）模拟调节器或DDC工业控制机的给定值，从而使生产过程处于最优化的工况下进行。
SCC系统分成以下两种形式：
①SCC＋模拟调节器的控制系统
SCC工控机测量生产过程中有关参数，根据机内存贮的数学模型进行计算，同时根据优选的条件求得各个控制回路给定值，然后由各回路的模拟调节仪表（如PID调节器）进行调节。
优点是可以实现最优化控制，达到省料、高产、低消耗，而且较为安全。当计算机出现故障时，可以由模拟调节仪表独立完成操作。
缺点是仍需要常规模拟调节仪表。
②SCC+DDC的控制系统它由一台DDC实现对生产过程的直接控制，再增设一台档次较高的微型计算机SCC。SCC和DDC计算机之间是通过信息进行联系，可简单地进行数据传送。
SCC 计算机根据工艺信息和工业过程现行状参数，按照生产过程的数学模型进行最优化的分析计算，并将其算出的最优化操作条件去重新设定DDC计算机的给定值，然后由DDC计算机去进行过程控制。由于DDC计算机的给定值能及时不断得到修正，从而可以便生产过程始终处于或接近最优化操作条件。当DDC计算机出现故障时，可由SCC计算机代替其功能，从而确保了生产的安全性。
SCC+DDC的控制系统
（4）分级计算机控制系统分级计算机控制系统是以一个“主”计算机和两个或两个以上的“从”计算机为基础构成的。其中最高级的计算机具有经营管理功能。分级系统一般是混合式，即除计算机直接控制外还有仪表控制和直接联接现场的执行机构。
目前分级控制一般分为三级：生产管理级MIS、临督控制级SCC和直接数字控制级DDC。
MIS又可分成企业级MIS和厂级MIS。该系统的特点是将控制功能分散，用多台计算机分别执行不同的控制功能，即能进行控制，又能实现管理。由于计算机控制和管理范围的缩小，便其灵活方便，可靠性高，且通讯简单。
针对教材P240图5－7所示的分级计算机控制系统，讲解其四级的功能。
（5）集散型控制系统集散型控制系统TDCS，也称为分布式计算机控制系统。它是以数台乃至数百台的微型计算机分散地分布在各个生产现场，作为现场控制站或者基本调节器实现对生产过程的检测与控制，代替了大量的常规模拟仪表。因此，即能克服模拟仪表的功能单一性和局限性，又能避免计算机集中控制的危险性。这些控制之后通过高速数据通道与监督计算机SCC通讯，通过CRT操作站实现对系统的监视和干预。
这种结构比分级分层结构更灵活、扩充也更方便。而且由于硬度的冗余度大，某个回路出现故障时可以相互支援，因此有很高的可靠性。
集散型控制系统将生产过程按其系统结构纵向分成现场控制级、控制管理级、生产和经营管理级。级间相互独立又相互联系，再对每一级按其功能划分为若干子块，采取即分散又集中的原则，进行集散控制系统的硬件和软件设计。
集散型控制系统主要特点：
硬件组装积木化；
软件模块化；
组态控制系统；
应用先进的通信网络；
具有开放性；
可靠性高；
5.3 A/D与D/A转换器传感器与微机之间要通过模数转换器(A/D)来连接，它的功能是将输入的摸拟量转化为数字量；一般控制器采用模拟量参数，在计算机与控制器件之间要通过数模转换器（D/A）进行连接。
5.3.1 A/D转换器
A/D转换器是一种能够在规定的精度和分辨率之内，把接收的摸拟信号转换成与之成正比的数字信号的器件。
模数转换包括时间上等间隔的采样及保持和幅值上的量化及编码，它把电压等模拟量转换成数字量，即把连续信号变成离散的时间序列。
在A/D转换过程中，设 x(t)为给定的摸拟信号，x`(t)代表对给定信号按同一时间间隔采样所得到的一系列离散值，于是A/D转换得到相应的一系列数字量{an}，每个数字代表x`(t)的幅值。为了实现转换过程；需要将采样值保持一定时间，保持中的采样值还是连续的模拟量，而数字量只能是离能值。所以需要用量化单位对模拟量做整型量化，从而得到与模拟量对应的数字值。量化后的数字以编码形式表示。
量化就是在模数转换过程中，对时域上每个间隔采样分层取值的过程。它是采用有限字长的一组二进制码去逼近离散的模拟信号的幅值，而字长位数的多少决定了数字量偏移连续量误差的大小。数字最低位所代表的数值称为量化单位通常用字母q表示，它是分层的标准尺度。显然，量化单位越小，信号精度越高，但任何量化都会引起误差。
由量化引起的误差称为量化误差。当输入信号随时间变化时，量化后的曲线呈阶梯形。对应的量化误差即与量化单位有关又与被测信号x(t)有关。当量化单位与被测信号的幅值比足够小，量化误差可看作量化噪声。
由于量化单位对应数字量最低位所代表的数值，所以
式中，FRS—满量程电压值；
n—转换器的位数。
如12位A/D转换器，电压范围是0~10V或±5V，则V。由于截尾误差的均值不为零，即存在直流分量，所以一般采用舍入处理，显然舍入处理的最大量化误差为。
A/D转换的编码方式为单极性和双极性两种。单极性方式用于信号恒为正值或负值的情况，例如温度和压力等。振动信号在一个周期内有正负，所以采用双极性编码方式。在双极性方式中，最高位是符号位，用于表示极性的正负，其余的位用来表示信号的幅值，这种将符号数码化的数叫做机器数。利用计算机对数据进行运算时要考虑符号如何处理，能否同数值一起参加运算。为了妥善处理这些问题提出了把符号位和数值一起编码的各种方法。
1）原码原码是一种最直接的机器数表示法，规定用0表示正号，用1表示负号，数值部分按一般二进制表示，即尾数与真值一样。若，则
为原码机器数；为直值；分别表示各尾数位上的数值；为原码机器数的符号位，它满足
2）偏移码在偏移码中，数字量与模拟量的对应关系偏移个量化单位，即偏移码对应的模拟电压为
式中，q为量化单位，。
偏移二时制码与二进制数的关系为。
显然零电压对应于机器数，并且在偏移码中正数的符号位为1，负数的符号位为0。
3）补码对于位数为n的进制数会发生溢出，它和0是等价的这个n位数是为进位数的，进位值称为模，记作（mod）于是有
式中为二进制数，。
当为负数时，为一个正数。这样负数可以用一个用余的正数表示，也就是说可以用加法运算代替减法运算。
对于，其补码为
4）反码正数的反码，与其原码完且相同；负数的反码与原码符号位相同，尾数部分是每位按位取反。例如，当时，其原码，其反码为。
反码的概念与补码相同，只不过是模的值不同。对于其反码为
反码的模与补码的模在未位差1。
四种编码方法的对应关系
A/D转换器（ADC）最主要的性能指标是分辨率和转换时间。分辨率即指量化单位，有时也简单地用位数表示。转换时间指从启动转换命令施加时刻到转换结束命令开始有效时刻的时间间隔，其倒数称为转换速率或最高采样频率。
ADC芯片按速度分档的一般约定是：最高采样单频低于1KHz为代速；1~1000KHz为中速，高于1MHz为高速，高于1000MHz为超高速。
以逐次逼近式ADC为例，讲解其工作原理。
逐次逼近式模数转换器它相应于输入模拟量yi的二进制代码实行逐步猜测。首先通过DAC把试算代码转变成一个模拟电压，然后用比较器判别这个猜测是高于还是低于输入电压，接着以判别结果为基础做下一次猜测。重复上次过程，直至模拟电压与输入电压之差小于半个量化单位。如：第一次猜测总是01111111，对应于（127）10，即满量程的一半，若猜测高于输电压，置b7为0。第二次猜测为00111111，对应于(63)10，即满量程的四分之一，猜测高，则置b6为0，反之，置为1。继续猜测到其余各位都确定。
5.3.2D/A转换器
（1）D/A转换器原理
D/A转换器产生正比于输入的并行数字信号（例如8位二进制信号a1a2…a7）的输出电压。它是利用运算放大器取电流之和，各支路电流为零或非零取决于该位的值是0或1，每个有效位对应的电流强度为下一有效位的2倍。
，，…，，…，。
则
这就是倒R—2R型D/A转换器传输函数，其输出模拟电压与输入数码成正比。
特点：①无论开关掷向运算求和点还是接地点，流过电阻2R的电流不变，因此电阻的分布电容没有充放电问题，转换速度较快；②这种电路结构只有两种电阻，易于集成并保证电阻的公差和温度跟踪，可得到较高的转换精度；③等效电阻不随开关位置的变化而变化，始终为R，这对参考电压的负载能力要求可大大降低。
（2）D/A转换器集成芯片早期芯片结构特征：只具有从数字量到模拟电流输出量转换的功能。须在外电路中加数字输入锁存器，参考电压源以及输出电压转换电路。
中期芯片结构特征：具有数字输入锁存功能电路，能和CPU数据总线直接相连。
近期芯片结构特征：内部带有参考电压源；大多数芯片有输出放大器，可实现模拟电压的单极性或双极性输出；电子带有参考电压源输出放大器，芯片的工作电源大多使用双极性电源。
5.3.3 A/D、D/A接器板介绍
A/D，D/A接口板，可直接插入到与总线兼容的微型计算内任一总线扩展槽中，构成微机数据采集控制基本部件。
以AD574为主芯片的接口板具有32路单端模拟输入通道，可将5V范围内的模拟电压信号转换成12Bits的数字量（A/D）,其A/D转换精度可达+0.03%，同时还可以具有模拟输出通道，用于将数字量转换成模拟电压输出（D/A），输出电压范围可以是5V或0~+5V。
A/D转换触发工作方式采用软件触发方式，转换结果的传输方式有两种：①查询A/D完成位，然后再读取数据；②A/D转换完成后发中断申请然后由中断服务程序读取数据。
（2）工作原理接口板的32路模拟电压信号通过输入输出插座分别接到32选一的模拟输入多路开关上，在软件控制下，选择某一输入通道，将该通道模拟输入信号送至采样保持器，然后再通过单稳电路启动A/D转换器。当A/D转换完成时，板的转换完成位寄存器被置为“1”。用软件查询方式查询D7位，当查询到这个状态位为“1”时，即可将数据读入到计算机内存中。若使用中断方式，则在A/D转换完成后自动向计算机发出中断请求信号。在中断服务程序控制下，将12Bit计数据读入计算机内存。
5.3.4 A/D选择原则
（1）采样额第它是等间隔采样间隔时间下的倒数，一个数字信号处理系统，采样频率一般根据A/D转换器的参数而定。
信号采集时采样频率的选择，要根据信号的特点、分析的要求、所用的设备等方面的条件求确定。时域分析，频率分析。
（2）分辨率它关系到A/D的转换精度仍至整个测试系统的精度。
（3）采样点数时域分析采样点数要尽可能多；频域分析采样点数一般2的幂数。
（4）触发方式的选择触发信号是启动A/D开始采样的信号。触发方式选择即选择不同形式的触发信号。
（5）性能价格比的要求要根据使用的场合使用的环境等条件。只要满足技术要求即可，而不要反片面追求的高指标。
5.3.5 D/A选择原则选择D/A芯片时，主要考虑芯片的性能结构和应用特性。在性能上必须满足D/A转换技术要求，在构和应用特性上应满足接口方便，外围电路简单，价格低廉等要求。
（1）D/A芯片的主要性能指标的考虑
D/A芯片的主要性能指标有：在给定作条件下的静态指标，包括各项精度指标、动态指标、环境指标等。这些指标在器件手册上通常会给出。用户选择时主要考虑的是以位数表现的转换精度和转换时间。
（2）D/A芯片主要结构特性与应用特性的选择
D/A芯片这些特性虽然主要表现在芯片的内部结构的配置状况，但这些配置对D/A转换接器电路的设计带来很大形响。主要考虑的问题如下：
①数字输入持性：数据码制、数据格式及逻辑电平等。
②数字输出持性：多数D/A芯片属电流输出器件。
③锁存特性及转换控制：若D/A芯片无输入锁存器，在通过CPU数据总线传送数字量时，必须外加锁存器，否则只能通过具有输出锁存功能的I/O给D/A芯片送入数字量。
5.4直接数字控制系统
5.4.1 DDC系统概述
DDC系统操作功能包括：从被控对象中获取各种信息，执行能够反映控制规律的控制算法，把计算结果以一定形式送到执行器和（或）显示报警装置，实现操作人员—控制台—微型计算机系统之间的联系等。
控制规律是反映计算机控制系统性能的核心。在DDC系统中，微机的最主要任务是执行控制算法，以实现控制规律。
DDC系统控制过程：生产过程的各物理量的变化情况通过一次仪表进行测理放大后变成统一的电信号，作为DDC输入信号。为了避免现场输入线路带来的电磁干扰，用滤波器对各种信号进行滤波。采样器顺序地按周期把各信号传送给数据放大器，被放大后的信号给A/D转换器变成一定规律的数字代码输入计算机。计算按预先存在存贮器中的程序对输入被测各量进行一系列检测并按PID等控制规律进行运算。运算的结果以二进制代码形式由计算机输出，送步进控制器。步进控制器将接收到的二进制代码转换成一定频率的脉冲数。经输出扫描（与采样同步）送至步进单元，变成模拟信号。该模拟信号送到生产现场，输入电动执行器或经电气转换器为气压信号带动调节阀等执行机构进行调节，还到稳定生产的目的。
DDC系统的功能归结到各种各样的控制程序组成的应用软件里。如直接控制程序、数据处理程序、控制模型程序、报警程序、操作指导程序、数据记录程序，人机联系程序等。这些程序开始时存贮于数据库中，使用时才从库中调出，最后从各种外部设备的输出结果来加以验证。运行人员可以随时监视或要求改变计算机的运行状态。
DDC系统的应用场合过程回路很多的大规模生产过程；
被控参数需要进行一些计算的生产过程；
各能数间相互关联的生产过程；
原料、产品和产量经常变更的生产过程；
具有较大滞后时间的工业对象。
5.4.2 DDC的基本算法
DDC的基本算法是指计算机对生产过程进行PID控制时的几种控制方程。
数字化PID的突出优势表现在：
a可用一台微型计算机控制几十个回路，大量节省设备和费用，提高了系统的可靠性；
b编程灵活，可以很方便地对PID规律进行各种改进，衍生多种形式的PID算法。PID参数的调整也只要改变程序的数据，十分方便。
PID基本算法有两路：理想PID和实际PID，这两种PID算法的比例积分运算相同，区别主要是微分项不同。
（1）位置式PID算法在对连续量的控制中，模拟PID调节器的理想算PID法为：
表示成传递函数的形式为：
上式的方框图如下：
理想PID算法方框图在计算机控制系统中，须用数字形式的差分方程来代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式来表示，即采用下列变：
由此可得离散的PID表示式：
—第k次采样时刻调节器的输出数字量。
若用上式来控制阀门的开度，其输出值恰与阀门开度的位置的对应。
②增量式PID算法
DDC计算机经PID运算，其输出为调节阀开度（位置）的增量（改变量）时，这种PID算法称为增量式PID算法。
计算机PID运算的输出量，为前后两次采样所计算的位置值之差，即
因为
所以
或
式中
---------积分系数；
--------- 微分系数。
上式是理想的PID增量式算法，其输出表示阀位在第k-1次采样时刻输出基础上的增量。
③速度式PID算法
DDC计算机经PID运算，其输出是指直流伺服电机的转动速度，则此种算法称为速度式PID算法。
将增量式PID算式，两边除以T，即得速度式PID算法：
由于T为常数，增量式和速度式算法无本质区别。
增量式PID的优点：
a位置式PID算法中的积分项包含了过去误差的累积值，容易产生累积误差，当该项累积值很大时，使输出控制量难以减小，调节缓慢，发生积分饱和，对控制调节不利。由于计算机字长的限制，当该项值超过字长时，又引起积分丢失现象，增式PID则没有这种缺点。
b系统进行手动和自动切换时，增量式PID由于执行元件保存了过去的位置，因此冲击较小。即使发生故障时，也由于执行元件的寄存作用。
（2）DDC的实际PID算法理想PID难以得到满意控制效果的主要原因：一是由于理想PID算法本身存在不足，如位置式PID积分饱和现象严重，增量式PID算法在给定值发生跃变时，可能出现比例和微分的饱和，且动态过程慢等；另一个原因是由于具体工业过程控制的特殊性，理想PID算法无法满足。而有的过程希望控制动作不要过于频率，有的过程对象具有很大的纯滞后特性，相想PID算法难于胜任。
由于实际DDC的采样回路可能存在高频干扰，因此几乎在所有数字控制回路都设置了一级低通滤波器来限制高频干扰的影响。其体做法是：将理想PID算式与一阶惯性滤波串联，这样即构成实际的PID算式。
①实际PID的位置式由实际PID算式原理图求得：
将分解为与两个因子相乘。即令：
由上式得：
由上式可求得T1和T2：
将T1和T2代入，即得
式中 ------实际比例放大倍数；
------微分放大系数；
-------实际积分时间；
-------实际微分时间。
按上式可画出实际PID算式结构图
实际PID算式方框图
①计算微分部分输出因为
由上式得：
将上式写成离散形式，则有：
整理得：
令
则
②计算积分部分输出因为
将上式写成微分方程形式得：
将上式离散仪后得：
经整理得：
③比例作用输出
④实际PID算输出
将上两式相减则得实际PID算式输出的增量式：
式中
5.4.3改进的PID算法在改进的PID算法中，往往在控制过程的某个阶段，有意识地加强或削弱其中某个成分的比例，即P、I、D三个部分的比例在整个控制过程中是变化的。
（1）带有死区的PID控制为避免执行控制操作过于频率或执行机构过快磨损，要求将当控制偏差在某个阀值以内时，系统不进行调节；当超过这个阀值时，系统按照PID进行调节。
它可表示为：
式中，B为阀值，0~B的区间称为死区，算式没有输出，无控制作用产生，当偏差的绝对值超过阀值B时，P(k) 则以PID运称结果输出。这种方式称为带死区的PID算法。
（2）饱和作用的控制在实际控制中，控制量因受到执行元件机械和物理性能的约束而限制在有限范围，即
式中，------系统允许的最小控制作用；
------系统允许的最大控制作用。
控制量的变化率也局限在一定范围内，即
式中，-----连续两次控制作用之差的绝对值的最大值。
饱和效应：若计算机按照规定的控制算法计算出的控制量u及变化率在规定规范内，那么控制可以接预期结果进行。一旦超出上述范围，例如超出最大的阀门开度或进入执行元件的饱和区，那么控制器实际执行的控制量就不再是计算值，由此将引起非期望的控制效应，这类效应常称为饱和效应。
①PID位置标法的积分饱和作用及其抑制若给定值r由0突到r，由于偏差e较大，则由PID位置算法得到的控制量u就可能超出限制范围，如，那么执行器实际执行的控制量只能取上限值，而不是计算值。
以上部分可不讲解，只阐述积分分离PID算法。
（2）积分分离PID算法减小积分饱和的关键在于不能使积分累加项过大。积分分离PID的基本思想是设定一个偏差 阀值时，引入积分项的作用。在实际过程控制中，一般当起动、给定值突变时消去积分作用；进入稳定值附近调节时，引入积分项的作用，可以消除静差。
积分分离法可表示为：
带与不带积分分离的PID调节的过滤过程曲线。
5.4.4 DDC的PID算法中参数的整定
DDC的PID基本参数的整定完全可以按照有关模拟调节器中使用的各种整定方法加以分析和综合，并在实践中加以验证，以求得到一组比较合适的参数。
由于工业生产过程中不可预测的干扰很多，若只有一组固定PID参数要满足各种负荷或干扰下的控制质量要求是有困难的，因而必须设定多组PID基本参数。
变参数PID控制的整定要求：
对某些控制回路根据负荷不同采用几组不同的PID参数，以改善控制质量。
时序控制，按照一定的时间顺序采用不同的给定值和、、参数。
人工模型，模拟现场操作工人的方法，把操作经验编成程序，然后由机器来自动改变给定值或 、、参数。
5.45 采样周期的选择从控制质量来看，采样周期取得小一些，但其小到某一值时再减小时对控制质量已没有意义；
从被控对象的动态特性来看，若对象反应快，要选较短的采样周期，否则应相反；
从执行机构的要求来看，有时需要计算机输出的控制信号保持一定的时间长度，在这段时间内，要求计算机输出值应有变化，因此采样周期必须大于这一时间，否则上一输出值还来不及实现，马上又转换为新的输出值，执行机构就不能按预期的调节规律动作；
从扰干扰的要求来看希望采样周期短些；
从计算机的工作量和每个控制回路的成本来看，一般要求采样周期尽可能大些。
在选择采样周期时，必须根据具体情况和主要的要求作出折衷的选择。
5.5 计算机控制系统的设计与实现
5.5.1 计算机控制系统的设计原理（5条）
被控对象不同，设计的具体要求不同，但基本要求相同。
①系统操作性能好它包含两方面：使用方便、维修方便。
在配置软件时，要考虑配置什么样的软件能降低对操作人员的专业知识要求，便于他们学习和掌握；
在配置硬件时，要考虑使控制系统的控制开关不能太多、太复杂，且使操作顺序尽可能简单。
②可靠性高它是系统设计最重要的一个要求。因为一旦系统出现故障，会对整个生产过程造成混乱，引起严重后果。特别是对CPU的可靠性要求更高。
应选用高性能的工控机，控制方案、软件设计要可靠；设计各种安全保措施，各种报警、事故预测与处理等。
③通用性好，便于扩充必须使设计标准化，并尽可能采用通用的系统总线结构，以便在需要扩充时要增加插件板就能实现。
在系统设计，各设计指标要留有一定的余量，这是扩充功能的一个必要条件。如工控机的处理速度、内存容量、输入输出通道数以及电源功能等均应留有余量。
④实时性强表现在时间驱动和事件驱动能力上。要对生产过程进行实时检测和控制。因此，需要配备实时操作系统，过程中断系统。
⑤设计周期短、价格便宜由于计算机技术日新日异，各种新技术新产品不断现。在满足精度、速度和其他性能要求的前提下，应该缩短设计周期和尽量采用价格低的无件，以降低整个控制系统的设资，提高设入产出比。
5.5.2 DDC设计的一般步骤
（1）确定系统总体控制方案通过对被控对象的深入分析和工作过程、环境的熟悉，才能确定系统的控制任务和要求，构思出切实可行的控制系统整体控制方案。系统总体设计方案包括：
①确定控制方案根据系统要求，考虑采用开环控制还是闭环控制。当采用闭环控制，还需进一步确定是单环还是多环，采用DDC控制还是集散型控制等。
②确定系统的构成方式对于小型系统，系统的构成方式应优先选用工控机来构成。
对于系统规模较大、自动化要求水平高，甚至集控制与管理为一体的系统，可选用DCS，高档PLC或其工控网络构成。
③现场设备的选择主要是选用传感器、变送器和执行机构的型号和类型。传感器的送择一定要满足系统检测和控制精度的要求。执行机构则应根据具体情况择优选定。
通过整体方案的考虑，画出系统组成的粗框图，并用控制流程框图描述控制过程和控制任务。通过对方案的合理性、经济性、可靠性和可行性的论述，最后写出系统设计任务书，作为整个控制系统设计的依据。
（2）确定控制算法在确定系统的数字模型后便可确定相应的控制算法。选择控制算法时，应注意以下几点：
它是否满足系统的动态过程，稳态精度和稳定性的要求。
各种控制算法有一套通用的计算公式，但具体到一个控制对象必须有分析地选用。甚至需要进行补充和修改。
当控制系统比较复杂时，其控制算法一般也比较复杂，使整个控制系统的实现比较困难。为了设计，调试方使，可将控制算法先作某些合理的简化，先忽略某些因素的形响。在取得初步成果后，再逐步将控制算法完善，直到获得满意的控制效果。
（3）系统硬、软件的设计硬件设计主要包括输入、输出接口电路的设计，输入、输出通道设计和操作控制台设计。系统硬件设计阶段要设计出硬件原理图，并根据原理图选购元件和模板，还要设计出印刷电路板，机架施工图等。
软件设计对同一个硬件系统而言，设计不同的软件，可以得到不同的系统功能。在软件设计中要绘制程序总体流程图和各功能模块流程图，编制程序清单，编写程序说明。
（4）系统调试系统调试包括系统硬件、软件分调与联调，系统模拟调试和现场投运。调试过程往往是先分调，再联调，有问题再回到分调，加以修改后再联调，反复进行，直到达到设计要求为止。
5.6提高计算机控制可靠性的措施本节自学
5.7 DDC的应用实例发过程一、啤酒发酵过程对控制的要求啤酒发酵是一个复杂的生物化学反应过程，通常在容量为100的锥型罐内进行。在二十多天的发酵期间，根据酵母的活动能力、生长繁殖快慢，确定发酵给定温度，它是一条折线。要使酵母的繁殖和衰减，表中糖度的消耗和双乙酰等杂质含量达到最佳状况，必须严格控制发酵各阶段的湿度，使其在给定湿度的℃范围内。
二、控制系统的组成控制系统由微型计算机来实现，系统采用的控制方法是根据发酵液的温度控制冷剂（淡酒精）的流量。
在系统实施时要考虑以下几方面。
1、被控对象动态特性在本系统被控对象的通道中，输入量是冷却液流量，输出量是发酵温度。操作经验和离线辨识可知，该通道具有大惯性，大迟延性质，而且在不同发酵阶段特性参数变化很大。这是确定控制规律的依据。
发酵温度计算机控制系统原理图
2、检测仪表及调节阀按照工艺要求选择发酵罐中部温度为被调量，以铜电阻温度计为测温元件，选用DDZ-III型湿度变送器。
调节阀采用口径为1 in的气动调节阀。
3、控制规律为适应温度给定值为折线的情况，在恒温段采用增量型PI控制算式，在升温和降温度用PID控制算式。
考虑到被控对象大惯性，大迟延的特点在控制软件设计中提Smith预估被补偿控制算法。
4、计算机硬件设计从可靠性和性能价格比考虑，主机选用ZD-065微型计算机，并配控制专用道（A/D，D/A及开关量输入输出等）。
为提高可靠性，关键部件采用冷后备方式，采样、反馈、校验等要害部位应采用两路并接方式，并配合软件对各部件周期性诊断，故障报警、自动手动切换等。
5、计算机软件设计软件部分应包括：
①常规过程控制软件，如采样、滤波、检验、变换、控制运算、输出、中断、计时、打印、显示和报警、系统工作检查、故障诊断等。
②温度给定值时间特性曲线生成及修改程序。
③显示打印程序
④系统启动，重启动程序。
⑤调节参数整定程序。
三、系统硬件控制系统总框图的几个部分组成：
①计算机主机。它的作用是按照规定的控制算式，根据现场送来的温度信号进行运算，运算结果输出控制调节阀开度，调节冷剂流入量。
②A/D转换。它将通过输入转换部件把变送器来的4~20mA信号转换成计算机能接收的数字信号。采用与ZD-065配套的ADA-16型A/D插板。
温度控制系统总框图
③测量变送。测量发酵过程温度并转换为4~20mA电信号。这部分包括测温元件，变送器和输入换部件。
④D/A转换。将计算机输出的数字信号转换为的4~20mA电流信号。采用DAC-4CD型D/A插板实现。
⑤调节阀流量控制。将D/A送来的电信号转换为调节阀的开度，从而调节冷剂流量。这部分包括手动／自动操作器，电气转换器和调节阀。
⑥操作控制。显示计算机系统的运行状态及实现对系统的某些操作控制。
⑦报警及实时钟。对计算机故障及参数越限进行报警，以及产生中断的实时时钟信号。
⑧外围设备。实现人机对话的设备，包括键盘、CRT等。
⑨电源。把220V交流电转换成计算机工作的各种电压，并备有不停电电源。
四、控制算法针对被对象的特性，本系统采用两种控制算式。
（1）PID算式加特殊处理采用增量型PID控制算式
式中，；；，
其中，为第k个采样周期的给定温度给定值；
为第k个采样周期的实没温度值。
其控制系统方框图如右图：
温度控制系统方框图根据被控对象的特点在PID算式的基础上附加以下的特殊处理：
①在保温段，不变，采用批PI控制算式。
②在降温段采用PID控制算式。
③为了减小对象迟延特性的影响，在给定值曲线转折处作特殊处理，即由保温段转至降温段时提前开调节阀，而在降温段转至保温段时提前关调节阀。其目的是使温度转折时平滑过渡。
④对和阀位输出避于限幅。
（2）Smith补偿控制算式计算机实现的PID附加Smith补偿控制系统如下图所示：
DDC-Smith补偿控制系统如果被控对象视为带迟延的一阶惯性环节，即
那么Smith补偿器的传递函数为
式中K为对象的增益，T为对象的时间常数，为纯退延时间。
其相应的差分方程为
式中，；；称为周期数。
如果控制部分采用PID算式，那么从上图可知
也就是说，Smith补偿控制算式只不过是把给定温度、采样温度与补偿器输出之和，作为 代入PID算式计算增量输出。
在发酵温度控制中，上述两种算式合成一个程序，具有不同的入口地址，用户可根据情况选择其中一种控制算式。
五、控制效果实际运行证明啤酒发酵温度的DDC系统获得明显的技术和经济效益。
①可准确控制啤酒发酵工艺过程。
②提高啤酒质量，双乙酰含量从手工控制时的0.057mg/kg降至0.044mg/kg，而且口感普遍良好。
③节省设备设资。一个具有28个发酵罐84个控制点的啤酒厂，改用微机DDC系统，比84套常规仪表控制系统大大节省投资费用。
5.1概述计算机控制系统与常规控制系统基本结构相同，基本概念和术语也是通用的。有关调节原理和调节过程也是相同的。不同之处在于：计算机控制系统中，控制器对控制对象的参数、状态信息的检测和控制结束的输出在时间上是断续的，对检测信号的分析计算是数字化的，而在模拟控制系统中则是连续的。
计算机控制系统方框图控制器的输出称为控制量，所遵循的运算规律称为控制算法。
计算机控制系统控制过程步骤：（三步）
实时数据采样：测量被控量的当前值，为断续的数字化信号；
实时判断：判断被控量当前值与给定值的偏差；
实时控制：根据偏差，作为控制决策。即按预定的算法对偏差进行运算，以及适时适量地向执行机构发出控制信号。
优点：
可实现分时对多个对象多个回路的控制；
便于对系统功能的扩充修改；
可完成很多在模拟控制系统中由硬件难以完成的功能。
微型计算机特点：
体积小、结构简单；
价格便宜，揽资少；
可靠性高，平均无故障时间长达几干小时至几万小时以上；
灵活性高。
5.2计算机控制系统的组成分类
5.2.1 组成计算机控制系统由工业对象和工业控制计算机两部分组成。
工控机由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括计算机主机、外部设备、外围设备、工业自动化仪表和操作控制台等。软件是指计算机系统的程序系统。
计算机控制系统基本组成
（1）硬件组成主机：它是整个系统的核心装置，它由微处理器、内存贮器和系统总线等部分构成。主机根据过程输入通道发送来的反映生产过程工况的各种信息和已确定的控制规律，作出相应的控制决策，并通过过程输出通道发出控制命令，达到预定的控制目的。
主机所产生的控制是按照人们预先安排好的程序进行的，能实现过程输入控制和输出等功能的程序预先已放入内存，系统启动后，CPC逐条取出来，并执行，从而产生预期的控制效果。
过程输入输出通道：它是在微机和生产过程之间起信息传递和变换作用的装置。它包括：摸拟量输入通道（AI）、开关量输入通道（DI）、模拟量输出通道（AO）和开关量输出通道（DO）。
操作设备：系统的操作设备是操作员与系统之间的信息交换工具，操作设备一般由CRT显示器（或其他显示器）、键盘、开关和指示灯组成。操作员通过操作设备可以控制系统和了解系统运行状态。
外部设备：它是键盘终端、打印机、绘图仪、磁盘等计算机输入输出设备。
通信设备：规模较大的工业生产过程，其控制和管理常常非常复杂，需要几台或几十台微型计算机才能分级完成控制与管理任务。这样，系统中的微机之间就需要通信。因此，需要由通信设备与数据线将系统中的微机互联起来，构成控制与管理网络。
系统支持功能包括以下几部分：
监控定时器：主要作用是在系统因干扰或其他原因出现异常时，如“飞程序”或程序进入死循环，使系统自动恢复正常工作运行，从而提高系统的可靠性。
电源掉电检测：若出现电源掉电故障，应能及时发现并保护当时的重要数据和CPU寄存器的内容，以保证复电后系统能从断点处继续运行。电源掉电检测电路能检测电源是否掉电，并能在掉电时产生非屏蔽中断请求。
保护重要数据的后备存贮体：监控定时器和断电保护功能均要有能保存重要数据的存贮体的支持，后备存贮体容量不大，在系统掉电时数据不会丢失，故常采用NOVRAM或带后备电池的SRAM。为了保证可靠、安全，系统存贮器工作期间，后备荐贮体应处于上锁状态。
实时日历钟：使系统具有时间驱动功能，如在指定时刻产生某种控制或自动记录某个事件发生的时间等。实时日历钟在电源掉电时能正常工作。
总线匹配：总线母板上的信号线在高速时钟频率运行时均为传输长线，很可能产生反射和干扰信号，一般采用RC滤波网络予以克服。
（2）软件部分计算机系统的软件包含系统软件和应用软件两部分。
系统软件一般包括汇编语言、高级算法语言、过程控制语言以及它们的汇编、解释、编译程序，操作系统、数据库系统，通讯网络软件、调试程序，诊断程序等。
应用软件是系统设计人员针对生产过程要求而编制的控制和管理程序。应用软件一般包括过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、打印显示程序、人机接口程序等。其中过程控制程序是应用软件的核心，是控制方案和控制规律的具体实现。
5.2.2计算机控制系统的分类
（1）数据条集和数据处理系统它的工作主要是对大量的过程状态参数实现巡回检测、数据存贮记录。数据处理（计算、统计、整理）、进行实时数据分析以及数据越限报警等功能。
数据采集就是由传感器把温度、压力、流量、位移等物理量转换来的摸拟电信号经过处理并转换成计算机能识别的数字量，输入计算机中。
数据处理就是计算机将采集来的数字量根据需要进行不同的判决、运算，得出所需要的结果。
数据采集与数据处理的典型结构
（2）直接数字控制系统（DDC）
DDC分时地对被控对象的状态参数进行测试，并根据测试的结果与给定值的差，按照预先制定的控制算法进行数字分析运算后，控制量输出直接作用在调节阀等执行机构上，使各个被控参数保持在给定值上，实现对被控对象的闭环自动调节。
DDC系统的优点：实现了几十个甚至更多的单回路PID控制；而且还能比较容易地实现其他新型控制规律控制。它把显示、记录、报警、和给定值设定等功能都集中在操作控制台上，给操作人员带来了很大方便。只要改变程序即可实现上述各种形式的控制规律。
DDC系统的缺点：要求工业控制计算的可靠性很高，否则会直接影响生产的正常运行。
（3）监督控制系统SCC
监督计算机控制系统即所谓SCC或SPC系统，是指计算机根据生产过程的信息（测量值）和其他信息（给定值等），按照描述生产过程的数学模型，去自动改变（也称重新设定）模拟调节器或DDC工业控制机的给定值，从而使生产过程处于最优化的工况下进行。
SCC系统分成以下两种形式：
①SCC＋模拟调节器的控制系统
SCC工控机测量生产过程中有关参数，根据机内存贮的数学模型进行计算，同时根据优选的条件求得各个控制回路给定值，然后由各回路的模拟调节仪表（如PID调节器）进行调节。
优点是可以实现最优化控制，达到省料、高产、低消耗，而且较为安全。当计算机出现故障时，可以由模拟调节仪表独立完成操作。
缺点是仍需要常规模拟调节仪表。
②SCC+DDC的控制系统它由一台DDC实现对生产过程的直接控制，再增设一台档次较高的微型计算机SCC。SCC和DDC计算机之间是通过信息进行联系，可简单地进行数据传送。
SCC 计算机根据工艺信息和工业过程现行状参数，按照生产过程的数学模型进行最优化的分析计算，并将其算出的最优化操作条件去重新设定DDC计算机的给定值，然后由DDC计算机去进行过程控制。由于DDC计算机的给定值能及时不断得到修正，从而可以便生产过程始终处于或接近最优化操作条件。当DDC计算机出现故障时，可由SCC计算机代替其功能，从而确保了生产的安全性。
SCC+DDC的控制系统
（4）分级计算机控制系统分级计算机控制系统是以一个“主”计算机和两个或两个以上的“从”计算机为基础构成的。其中最高级的计算机具有经营管理功能。分级系统一般是混合式，即除计算机直接控制外还有仪表控制和直接联接现场的执行机构。
目前分级控制一般分为三级：生产管理级MIS、临督控制级SCC和直接数字控制级DDC。
MIS又可分成企业级MIS和厂级MIS。该系统的特点是将控制功能分散，用多台计算机分别执行不同的控制功能，即能进行控制，又能实现管理。由于计算机控制和管理范围的缩小，便其灵活方便，可靠性高，且通讯简单。
针对教材P240图5－7所示的分级计算机控制系统，讲解其四级的功能。
（5）集散型控制系统集散型控制系统TDCS，也称为分布式计算机控制系统。它是以数台乃至数百台的微型计算机分散地分布在各个生产现场，作为现场控制站或者基本调节器实现对生产过程的检测与控制，代替了大量的常规模拟仪表。因此，即能克服模拟仪表的功能单一性和局限性，又能避免计算机集中控制的危险性。这些控制之后通过高速数据通道与监督计算机SCC通讯，通过CRT操作站实现对系统的监视和干预。
这种结构比分级分层结构更灵活、扩充也更方便。而且由于硬度的冗余度大，某个回路出现故障时可以相互支援，因此有很高的可靠性。
集散型控制系统将生产过程按其系统结构纵向分成现场控制级、控制管理级、生产和经营管理级。级间相互独立又相互联系，再对每一级按其功能划分为若干子块，采取即分散又集中的原则，进行集散控制系统的硬件和软件设计。
集散型控制系统主要特点：
硬件组装积木化；
软件模块化；
组态控制系统；
应用先进的通信网络；
具有开放性；
可靠性高；
5.3 A/D与D/A转换器传感器与微机之间要通过模数转换器(A/D)来连接，它的功能是将输入的摸拟量转化为数字量；一般控制器采用模拟量参数，在计算机与控制器件之间要通过数模转换器（D/A）进行连接。
5.3.1 A/D转换器
A/D转换器是一种能够在规定的精度和分辨率之内，把接收的摸拟信号转换成与之成正比的数字信号的器件。
模数转换包括时间上等间隔的采样及保持和幅值上的量化及编码，它把电压等模拟量转换成数字量，即把连续信号变成离散的时间序列。
在A/D转换过程中，设 x(t)为给定的摸拟信号，x`(t)代表对给定信号按同一时间间隔采样所得到的一系列离散值，于是A/D转换得到相应的一系列数字量{an}，每个数字代表x`(t)的幅值。为了实现转换过程；需要将采样值保持一定时间，保持中的采样值还是连续的模拟量，而数字量只能是离能值。所以需要用量化单位对模拟量做整型量化，从而得到与模拟量对应的数字值。量化后的数字以编码形式表示。
量化就是在模数转换过程中，对时域上每个间隔采样分层取值的过程。它是采用有限字长的一组二进制码去逼近离散的模拟信号的幅值，而字长位数的多少决定了数字量偏移连续量误差的大小。数字最低位所代表的数值称为量化单位通常用字母q表示，它是分层的标准尺度。显然，量化单位越小，信号精度越高，但任何量化都会引起误差。
由量化引起的误差称为量化误差。当输入信号随时间变化时，量化后的曲线呈阶梯形。对应的量化误差即与量化单位有关又与被测信号x(t)有关。当量化单位与被测信号的幅值比足够小，量化误差可看作量化噪声。
由于量化单位对应数字量最低位所代表的数值，所以
式中，FRS—满量程电压值；
n—转换器的位数。
如12位A/D转换器，电压范围是0~10V或±5V，则V。由于截尾误差的均值不为零，即存在直流分量，所以一般采用舍入处理，显然舍入处理的最大量化误差为。
A/D转换的编码方式为单极性和双极性两种。单极性方式用于信号恒为正值或负值的情况，例如温度和压力等。振动信号在一个周期内有正负，所以采用双极性编码方式。在双极性方式中，最高位是符号位，用于表示极性的正负，其余的位用来表示信号的幅值，这种将符号数码化的数叫做机器数。利用计算机对数据进行运算时要考虑符号如何处理，能否同数值一起参加运算。为了妥善处理这些问题提出了把符号位和数值一起编码的各种方法。
1）原码原码是一种最直接的机器数表示法，规定用0表示正号，用1表示负号，数值部分按一般二进制表示，即尾数与真值一样。若，则
为原码机器数；为直值；分别表示各尾数位上的数值；为原码机器数的符号位，它满足
2）偏移码在偏移码中，数字量与模拟量的对应关系偏移个量化单位，即偏移码对应的模拟电压为
式中，q为量化单位，。
偏移二时制码与二进制数的关系为。
显然零电压对应于机器数，并且在偏移码中正数的符号位为1，负数的符号位为0。
3）补码对于位数为n的进制数会发生溢出，它和0是等价的这个n位数是为进位数的，进位值称为模，记作（mod）于是有
式中为二进制数，。
当为负数时，为一个正数。这样负数可以用一个用余的正数表示，也就是说可以用加法运算代替减法运算。
对于，其补码为
4）反码正数的反码，与其原码完且相同；负数的反码与原码符号位相同，尾数部分是每位按位取反。例如，当时，其原码，其反码为。
反码的概念与补码相同，只不过是模的值不同。对于其反码为
反码的模与补码的模在未位差1。
四种编码方法的对应关系
A/D转换器（ADC）最主要的性能指标是分辨率和转换时间。分辨率即指量化单位，有时也简单地用位数表示。转换时间指从启动转换命令施加时刻到转换结束命令开始有效时刻的时间间隔，其倒数称为转换速率或最高采样频率。
ADC芯片按速度分档的一般约定是：最高采样单频低于1KHz为代速；1~1000KHz为中速，高于1MHz为高速，高于1000MHz为超高速。
以逐次逼近式ADC为例，讲解其工作原理。
逐次逼近式模数转换器它相应于输入模拟量yi的二进制代码实行逐步猜测。首先通过DAC把试算代码转变成一个模拟电压，然后用比较器判别这个猜测是高于还是低于输入电压，接着以判别结果为基础做下一次猜测。重复上次过程，直至模拟电压与输入电压之差小于半个量化单位。如：第一次猜测总是01111111，对应于（127）10，即满量程的一半，若猜测高于输电压，置b7为0。第二次猜测为00111111，对应于(63)10，即满量程的四分之一，猜测高，则置b6为0，反之，置为1。继续猜测到其余各位都确定。
5.3.2D/A转换器
（1）D/A转换器原理
D/A转换器产生正比于输入的并行数字信号（例如8位二进制信号a1a2…a7）的输出电压。它是利用运算放大器取电流之和，各支路电流为零或非零取决于该位的值是0或1，每个有效位对应的电流强度为下一有效位的2倍。
，，…，，…，。
则
这就是倒R—2R型D/A转换器传输函数，其输出模拟电压与输入数码成正比。
特点：①无论开关掷向运算求和点还是接地点，流过电阻2R的电流不变，因此电阻的分布电容没有充放电问题，转换速度较快；②这种电路结构只有两种电阻，易于集成并保证电阻的公差和温度跟踪，可得到较高的转换精度；③等效电阻不随开关位置的变化而变化，始终为R，这对参考电压的负载能力要求可大大降低。
（2）D/A转换器集成芯片早期芯片结构特征：只具有从数字量到模拟电流输出量转换的功能。须在外电路中加数字输入锁存器，参考电压源以及输出电压转换电路。
中期芯片结构特征：具有数字输入锁存功能电路，能和CPU数据总线直接相连。
近期芯片结构特征：内部带有参考电压源；大多数芯片有输出放大器，可实现模拟电压的单极性或双极性输出；电子带有参考电压源输出放大器，芯片的工作电源大多使用双极性电源。
5.3.3 A/D、D/A接器板介绍
A/D，D/A接口板，可直接插入到与总线兼容的微型计算内任一总线扩展槽中，构成微机数据采集控制基本部件。
以AD574为主芯片的接口板具有32路单端模拟输入通道，可将5V范围内的模拟电压信号转换成12Bits的数字量（A/D）,其A/D转换精度可达+0.03%，同时还可以具有模拟输出通道，用于将数字量转换成模拟电压输出（D/A），输出电压范围可以是5V或0~+5V。
A/D转换触发工作方式采用软件触发方式，转换结果的传输方式有两种：①查询A/D完成位，然后再读取数据；②A/D转换完成后发中断申请然后由中断服务程序读取数据。
（2）工作原理接口板的32路模拟电压信号通过输入输出插座分别接到32选一的模拟输入多路开关上，在软件控制下，选择某一输入通道，将该通道模拟输入信号送至采样保持器，然后再通过单稳电路启动A/D转换器。当A/D转换完成时，板的转换完成位寄存器被置为“1”。用软件查询方式查询D7位，当查询到这个状态位为“1”时，即可将数据读入到计算机内存中。若使用中断方式，则在A/D转换完成后自动向计算机发出中断请求信号。在中断服务程序控制下，将12Bit计数据读入计算机内存。
5.3.4 A/D选择原则
（1）采样额第它是等间隔采样间隔时间下的倒数，一个数字信号处理系统，采样频率一般根据A/D转换器的参数而定。
信号采集时采样频率的选择，要根据信号的特点、分析的要求、所用的设备等方面的条件求确定。时域分析，频率分析。
（2）分辨率它关系到A/D的转换精度仍至整个测试系统的精度。
（3）采样点数时域分析采样点数要尽可能多；频域分析采样点数一般2的幂数。
（4）触发方式的选择触发信号是启动A/D开始采样的信号。触发方式选择即选择不同形式的触发信号。
（5）性能价格比的要求要根据使用的场合使用的环境等条件。只要满足技术要求即可，而不要反片面追求的高指标。
5.3.5 D/A选择原则选择D/A芯片时，主要考虑芯片的性能结构和应用特性。在性能上必须满足D/A转换技术要求，在构和应用特性上应满足接口方便，外围电路简单，价格低廉等要求。
（1）D/A芯片的主要性能指标的考虑
D/A芯片的主要性能指标有：在给定作条件下的静态指标，包括各项精度指标、动态指标、环境指标等。这些指标在器件手册上通常会给出。用户选择时主要考虑的是以位数表现的转换精度和转换时间。
（2）D/A芯片主要结构特性与应用特性的选择
D/A芯片这些特性虽然主要表现在芯片的内部结构的配置状况，但这些配置对D/A转换接器电路的设计带来很大形响。主要考虑的问题如下：
①数字输入持性：数据码制、数据格式及逻辑电平等。
②数字输出持性：多数D/A芯片属电流输出器件。
③锁存特性及转换控制：若D/A芯片无输入锁存器，在通过CPU数据总线传送数字量时，必须外加锁存器，否则只能通过具有输出锁存功能的I/O给D/A芯片送入数字量。
5.4直接数字控制系统
5.4.1 DDC系统概述
DDC系统操作功能包括：从被控对象中获取各种信息，执行能够反映控制规律的控制算法，把计算结果以一定形式送到执行器和（或）显示报警装置，实现操作人员—控制台—微型计算机系统之间的联系等。
控制规律是反映计算机控制系统性能的核心。在DDC系统中，微机的最主要任务是执行控制算法，以实现控制规律。
DDC系统控制过程：生产过程的各物理量的变化情况通过一次仪表进行测理放大后变成统一的电信号，作为DDC输入信号。为了避免现场输入线路带来的电磁干扰，用滤波器对各种信号进行滤波。采样器顺序地按周期把各信号传送给数据放大器，被放大后的信号给A/D转换器变成一定规律的数字代码输入计算机。计算按预先存在存贮器中的程序对输入被测各量进行一系列检测并按PID等控制规律进行运算。运算的结果以二进制代码形式由计算机输出，送步进控制器。步进控制器将接收到的二进制代码转换成一定频率的脉冲数。经输出扫描（与采样同步）送至步进单元，变成模拟信号。该模拟信号送到生产现场，输入电动执行器或经电气转换器为气压信号带动调节阀等执行机构进行调节，还到稳定生产的目的。
DDC系统的功能归结到各种各样的控制程序组成的应用软件里。如直接控制程序、数据处理程序、控制模型程序、报警程序、操作指导程序、数据记录程序，人机联系程序等。这些程序开始时存贮于数据库中，使用时才从库中调出，最后从各种外部设备的输出结果来加以验证。运行人员可以随时监视或要求改变计算机的运行状态。
DDC系统的应用场合过程回路很多的大规模生产过程；
被控参数需要进行一些计算的生产过程；
各能数间相互关联的生产过程；
原料、产品和产量经常变更的生产过程；
具有较大滞后时间的工业对象。
5.4.2 DDC的基本算法
DDC的基本算法是指计算机对生产过程进行PID控制时的几种控制方程。
数字化PID的突出优势表现在：
a可用一台微型计算机控制几十个回路，大量节省设备和费用，提高了系统的可靠性；
b编程灵活，可以很方便地对PID规律进行各种改进，衍生多种形式的PID算法。PID参数的调整也只要改变程序的数据，十分方便。
PID基本算法有两路：理想PID和实际PID，这两种PID算法的比例积分运算相同，区别主要是微分项不同。
（1）位置式PID算法在对连续量的控制中，模拟PID调节器的理想算PID法为：
表示成传递函数的形式为：
上式的方框图如下：
理想PID算法方框图在计算机控制系统中，须用数字形式的差分方程来代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式来表示，即采用下列变：
由此可得离散的PID表示式：
—第k次采样时刻调节器的输出数字量。
若用上式来控制阀门的开度，其输出值恰与阀门开度的位置的对应。
②增量式PID算法
DDC计算机经PID运算，其输出为调节阀开度（位置）的增量（改变量）时，这种PID算法称为增量式PID算法。
计算机PID运算的输出量，为前后两次采样所计算的位置值之差，即
因为
所以
或
式中
---------积分系数；
--------- 微分系数。
上式是理想的PID增量式算法，其输出表示阀位在第k-1次采样时刻输出基础上的增量。
③速度式PID算法
DDC计算机经PID运算，其输出是指直流伺服电机的转动速度，则此种算法称为速度式PID算法。
将增量式PID算式，两边除以T，即得速度式PID算法：
由于T为常数，增量式和速度式算法无本质区别。
增量式PID的优点：
a位置式PID算法中的积分项包含了过去误差的累积值，容易产生累积误差，当该项累积值很大时，使输出控制量难以减小，调节缓慢，发生积分饱和，对控制调节不利。由于计算机字长的限制，当该项值超过字长时，又引起积分丢失现象，增式PID则没有这种缺点。
b系统进行手动和自动切换时，增量式PID由于执行元件保存了过去的位置，因此冲击较小。即使发生故障时，也由于执行元件的寄存作用。
（2）DDC的实际PID算法理想PID难以得到满意控制效果的主要原因：一是由于理想PID算法本身存在不足，如位置式PID积分饱和现象严重，增量式PID算法在给定值发生跃变时，可能出现比例和微分的饱和，且动态过程慢等；另一个原因是由于具体工业过程控制的特殊性，理想PID算法无法满足。而有的过程希望控制动作不要过于频率，有的过程对象具有很大的纯滞后特性，相想PID算法难于胜任。
由于实际DDC的采样回路可能存在高频干扰，因此几乎在所有数字控制回路都设置了一级低通滤波器来限制高频干扰的影响。其体做法是：将理想PID算式与一阶惯性滤波串联，这样即构成实际的PID算式。
①实际PID的位置式由实际PID算式原理图求得：
将分解为与两个因子相乘。即令：
由上式得：
由上式可求得T1和T2：
将T1和T2代入，即得
式中 ------实际比例放大倍数；
------微分放大系数；
-------实际积分时间；
-------实际微分时间。
按上式可画出实际PID算式结构图
实际PID算式方框图
①计算微分部分输出因为
由上式得：
将上式写成离散形式，则有：
整理得：
令
则
②计算积分部分输出因为
将上式写成微分方程形式得：
将上式离散仪后得：
经整理得：
③比例作用输出
④实际PID算输出
将上两式相减则得实际PID算式输出的增量式：
式中
5.4.3改进的PID算法在改进的PID算法中，往往在控制过程的某个阶段，有意识地加强或削弱其中某个成分的比例，即P、I、D三个部分的比例在整个控制过程中是变化的。
（1）带有死区的PID控制为避免执行控制操作过于频率或执行机构过快磨损，要求将当控制偏差在某个阀值以内时，系统不进行调节；当超过这个阀值时，系统按照PID进行调节。
它可表示为：
式中，B为阀值，0~B的区间称为死区，算式没有输出，无控制作用产生，当偏差的绝对值超过阀值B时，P(k) 则以PID运称结果输出。这种方式称为带死区的PID算法。
（2）饱和作用的控制在实际控制中，控制量因受到执行元件机械和物理性能的约束而限制在有限范围，即
式中，------系统允许的最小控制作用；
------系统允许的最大控制作用。
控制量的变化率也局限在一定范围内，即
式中，-----连续两次控制作用之差的绝对值的最大值。
饱和效应：若计算机按照规定的控制算法计算出的控制量u及变化率在规定规范内，那么控制可以接预期结果进行。一旦超出上述范围，例如超出最大的阀门开度或进入执行元件的饱和区，那么控制器实际执行的控制量就不再是计算值，由此将引起非期望的控制效应，这类效应常称为饱和效应。
①PID位置标法的积分饱和作用及其抑制若给定值r由0突到r，由于偏差e较大，则由PID位置算法得到的控制量u就可能超出限制范围，如，那么执行器实际执行的控制量只能取上限值，而不是计算值。
以上部分可不讲解，只阐述积分分离PID算法。
（2）积分分离PID算法减小积分饱和的关键在于不能使积分累加项过大。积分分离PID的基本思想是设定一个偏差 阀值时，引入积分项的作用。在实际过程控制中，一般当起动、给定值突变时消去积分作用；进入稳定值附近调节时，引入积分项的作用，可以消除静差。
积分分离法可表示为：
带与不带积分分离的PID调节的过滤过程曲线。
5.4.4 DDC的PID算法中参数的整定
DDC的PID基本参数的整定完全可以按照有关模拟调节器中使用的各种整定方法加以分析和综合，并在实践中加以验证，以求得到一组比较合适的参数。
由于工业生产过程中不可预测的干扰很多，若只有一组固定PID参数要满足各种负荷或干扰下的控制质量要求是有困难的，因而必须设定多组PID基本参数。
变参数PID控制的整定要求：
对某些控制回路根据负荷不同采用几组不同的PID参数，以改善控制质量。
时序控制，按照一定的时间顺序采用不同的给定值和、、参数。
人工模型，模拟现场操作工人的方法，把操作经验编成程序，然后由机器来自动改变给定值或 、、参数。
5.45 采样周期的选择从控制质量来看，采样周期取得小一些，但其小到某一值时再减小时对控制质量已没有意义；
从被控对象的动态特性来看，若对象反应快，要选较短的采样周期，否则应相反；
从执行机构的要求来看，有时需要计算机输出的控制信号保持一定的时间长度，在这段时间内，要求计算机输出值应有变化，因此采样周期必须大于这一时间，否则上一输出值还来不及实现，马上又转换为新的输出值，执行机构就不能按预期的调节规律动作；
从扰干扰的要求来看希望采样周期短些；
从计算机的工作量和每个控制回路的成本来看，一般要求采样周期尽可能大些。
在选择采样周期时，必须根据具体情况和主要的要求作出折衷的选择。
5.5 计算机控制系统的设计与实现
5.5.1 计算机控制系统的设计原理（5条）
被控对象不同，设计的具体要求不同，但基本要求相同。
①系统操作性能好它包含两方面：使用方便、维修方便。
在配置软件时，要考虑配置什么样的软件能降低对操作人员的专业知识要求，便于他们学习和掌握；
在配置硬件时，要考虑使控制系统的控制开关不能太多、太复杂，且使操作顺序尽可能简单。
②可靠性高它是系统设计最重要的一个要求。因为一旦系统出现故障，会对整个生产过程造成混乱，引起严重后果。特别是对CPU的可靠性要求更高。
应选用高性能的工控机，控制方案、软件设计要可靠；设计各种安全保措施，各种报警、事故预测与处理等。
③通用性好，便于扩充必须使设计标准化，并尽可能采用通用的系统总线结构，以便在需要扩充时要增加插件板就能实现。
在系统设计，各设计指标要留有一定的余量，这是扩充功能的一个必要条件。如工控机的处理速度、内存容量、输入输出通道数以及电源功能等均应留有余量。
④实时性强表现在时间驱动和事件驱动能力上。要对生产过程进行实时检测和控制。因此，需要配备实时操作系统，过程中断系统。
⑤设计周期短、价格便宜由于计算机技术日新日异，各种新技术新产品不断现。在满足精度、速度和其他性能要求的前提下，应该缩短设计周期和尽量采用价格低的无件，以降低整个控制系统的设资，提高设入产出比。
5.5.2 DDC设计的一般步骤
（1）确定系统总体控制方案通过对被控对象的深入分析和工作过程、环境的熟悉，才能确定系统的控制任务和要求，构思出切实可行的控制系统整体控制方案。系统总体设计方案包括：
①确定控制方案根据系统要求，考虑采用开环控制还是闭环控制。当采用闭环控制，还需进一步确定是单环还是多环，采用DDC控制还是集散型控制等。
②确定系统的构成方式对于小型系统，系统的构成方式应优先选用工控机来构成。
对于系统规模较大、自动化要求水平高，甚至集控制与管理为一体的系统，可选用DCS，高档PLC或其工控网络构成。
③现场设备的选择主要是选用传感器、变送器和执行机构的型号和类型。传感器的送择一定要满足系统检测和控制精度的要求。执行机构则应根据具体情况择优选定。
通过整体方案的考虑，画出系统组成的粗框图，并用控制流程框图描述控制过程和控制任务。通过对方案的合理性、经济性、可靠性和可行性的论述，最后写出系统设计任务书，作为整个控制系统设计的依据。
（2）确定控制算法在确定系统的数字模型后便可确定相应的控制算法。选择控制算法时，应注意以下几点：
它是否满足系统的动态过程，稳态精度和稳定性的要求。
各种控制算法有一套通用的计算公式，但具体到一个控制对象必须有分析地选用。甚至需要进行补充和修改。
当控制系统比较复杂时，其控制算法一般也比较复杂，使整个控制系统的实现比较困难。为了设计，调试方使，可将控制算法先作某些合理的简化，先忽略某些因素的形响。在取得初步成果后，再逐步将控制算法完善，直到获得满意的控制效果。
（3）系统硬、软件的设计硬件设计主要包括输入、输出接口电路的设计，输入、输出通道设计和操作控制台设计。系统硬件设计阶段要设计出硬件原理图，并根据原理图选购元件和模板，还要设计出印刷电路板，机架施工图等。
软件设计对同一个硬件系统而言，设计不同的软件，可以得到不同的系统功能。在软件设计中要绘制程序总体流程图和各功能模块流程图，编制程序清单，编写程序说明。
（4）系统调试系统调试包括系统硬件、软件分调与联调，系统模拟调试和现场投运。调试过程往往是先分调，再联调，有问题再回到分调，加以修改后再联调，反复进行，直到达到设计要求为止。
5.6提高计算机控制可靠性的措施本节自学
5.7 DDC的应用实例发过程一、啤酒发酵过程对控制的要求啤酒发酵是一个复杂的生物化学反应过程，通常在容量为100的锥型罐内进行。在二十多天的发酵期间，根据酵母的活动能力、生长繁殖快慢，确定发酵给定温度，它是一条折线。要使酵母的繁殖和衰减，表中糖度的消耗和双乙酰等杂质含量达到最佳状况，必须严格控制发酵各阶段的湿度，使其在给定湿度的℃范围内。
二、控制系统的组成控制系统由微型计算机来实现，系统采用的控制方法是根据发酵液的温度控制冷剂（淡酒精）的流量。
在系统实施时要考虑以下几方面。
1、被控对象动态特性在本系统被控对象的通道中，输入量是冷却液流量，输出量是发酵温度。操作经验和离线辨识可知，该通道具有大惯性，大迟延性质，而且在不同发酵阶段特性参数变化很大。这是确定控制规律的依据。
发酵温度计算机控制系统原理图
2、检测仪表及调节阀按照工艺要求选择发酵罐中部温度为被调量，以铜电阻温度计为测温元件，选用DDZ-III型湿度变送器。
调节阀采用口径为1 in的气动调节阀。
3、控制规律为适应温度给定值为折线的情况，在恒温段采用增量型PI控制算式，在升温和降温度用PID控制算式。
考虑到被控对象大惯性，大迟延的特点在控制软件设计中提Smith预估被补偿控制算法。
4、计算机硬件设计从可靠性和性能价格比考虑，主机选用ZD-065微型计算机，并配控制专用道（A/D，D/A及开关量输入输出等）。
为提高可靠性，关键部件采用冷后备方式，采样、反馈、校验等要害部位应采用两路并接方式，并配合软件对各部件周期性诊断，故障报警、自动手动切换等。
5、计算机软件设计软件部分应包括：
①常规过程控制软件，如采样、滤波、检验、变换、控制运算、输出、中断、计时、打印、显示和报警、系统工作检查、故障诊断等。
②温度给定值时间特性曲线生成及修改程序。
③显示打印程序
④系统启动，重启动程序。
⑤调节参数整定程序。
三、系统硬件控制系统总框图的几个部分组成：
①计算机主机。它的作用是按照规定的控制算式，根据现场送来的温度信号进行运算，运算结果输出控制调节阀开度，调节冷剂流入量。
②A/D转换。它将通过输入转换部件把变送器来的4~20mA信号转换成计算机能接收的数字信号。采用与ZD-065配套的ADA-16型A/D插板。
温度控制系统总框图
③测量变送。测量发酵过程温度并转换为4~20mA电信号。这部分包括测温元件，变送器和输入换部件。
④D/A转换。将计算机输出的数字信号转换为的4~20mA电流信号。采用DAC-4CD型D/A插板实现。
⑤调节阀流量控制。将D/A送来的电信号转换为调节阀的开度，从而调节冷剂流量。这部分包括手动／自动操作器，电气转换器和调节阀。
⑥操作控制。显示计算机系统的运行状态及实现对系统的某些操作控制。
⑦报警及实时钟。对计算机故障及参数越限进行报警，以及产生中断的实时时钟信号。
⑧外围设备。实现人机对话的设备，包括键盘、CRT等。
⑨电源。把220V交流电转换成计算机工作的各种电压，并备有不停电电源。
四、控制算法针对被对象的特性，本系统采用两种控制算式。
（1）PID算式加特殊处理采用增量型PID控制算式
式中，；；，
其中，为第k个采样周期的给定温度给定值；
为第k个采样周期的实没温度值。
其控制系统方框图如右图：
温度控制系统方框图根据被控对象的特点在PID算式的基础上附加以下的特殊处理：
①在保温段，不变，采用批PI控制算式。
②在降温段采用PID控制算式。
③为了减小对象迟延特性的影响，在给定值曲线转折处作特殊处理，即由保温段转至降温段时提前开调节阀，而在降温段转至保温段时提前关调节阀。其目的是使温度转折时平滑过渡。
④对和阀位输出避于限幅。
（2）Smith补偿控制算式计算机实现的PID附加Smith补偿控制系统如下图所示：
DDC-Smith补偿控制系统如果被控对象视为带迟延的一阶惯性环节，即
那么Smith补偿器的传递函数为
式中K为对象的增益，T为对象的时间常数，为纯退延时间。
其相应的差分方程为
式中，；；称为周期数。
如果控制部分采用PID算式，那么从上图可知
也就是说，Smith补偿控制算式只不过是把给定温度、采样温度与补偿器输出之和，作为 代入PID算式计算增量输出。
在发酵温度控制中，上述两种算式合成一个程序，具有不同的入口地址，用户可根据情况选择其中一种控制算式。
五、控制效果实际运行证明啤酒发酵温度的DDC系统获得明显的技术和经济效益。
①可准确控制啤酒发酵工艺过程。
②提高啤酒质量，双乙酰含量从手工控制时的0.057mg/kg降至0.044mg/kg，而且口感普遍良好。
③节省设备设资。一个具有28个发酵罐84个控制点的啤酒厂，改用微机DDC系统，比84套常规仪表控制系统大大节省投资费用。
