控制技术基础

Fundamentals of Control Technology

项目五 任务二

过程控制系统 计算机控制技术与系统

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连续控制系统

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计算机控制系统

模拟量 开关量 脉冲量

数字量

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控制系统信号类型 模拟量信号：指在时间上是连续的，在幅值上也是 连续变化的信号。 开关量信号：指随时间离散变化的信号，如阀门的 开与关、水泵的运行与停止。 脉冲量信号：指随时间离散变化，但可以用数字来 表征的信号，如涡轮流量计、电量表等所测的信号

数字量信号：指可用二进制数来表示的信号，可以直接被计算机接受。

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计算机控制系统硬件组成

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计算机控制系统硬件组成——主机主机通过接口向系统各部分发出各种命令，同 时对系统的各过程参数巡回检测、数据处理、性能 计算、报警分析、故障定位、操作指导、闭环控制 等。 计算机与各种功能模板之间是通过内部总线连

接的，以完成系统内部各模板之间的信息传送。计算机系统与系统之间通过外部总线进行信息交换和

通信。

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计算机控制系统硬件组成——通用外部设备常用的外存储器是磁盘、

磁带和光盘，它们兼有输入和输出两种功能，用来

通用外部设备

存放程序和数据，作为内 存储器的后备存储设备。

输入设备

输出设备

外存储器

常用的输入设备是键盘，用来输入程序、

数据和操作命令，可以通过并行或串行接口与计算机连接，根据键码的安排， 可分为标准键盘和专用键盘两种。

常用的输出设备是CRT显示器、打印机、 绘图仪等，它们以字符、曲线、表格和 图形等形式来反映生产过程的工况和控

制信息。

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计算机控制系统硬件组成——过程输入输出设备模拟量输入通道 AI(Analog Input)

模拟量输入通道用于输入如 温度(T)、压力(P)、流 量(Q)、液位(H)、成份 等模拟量信号

输入设备数字量输入通道 DI(Digital Input)

数字量输入通道用于输入开 关量/数字量

模拟量输出通道 AO(Analog Output)

模拟量输出通道将过程控制 计算机输出的数字信号转换 成模拟量信号后再输出

输出设备数字量输出通道 DO(Digital Output)

数字量输出通道则直接 输出开关量信号或数字 量信号

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计算机控制系统硬件组成——人机联系设备亦称人机接口，操作人员与计算机之间的信息 交换是通过人机联系设备进行的。例如，CRT显示 器和键盘，专用的操作显示面板或操作显示台等。 人机联系设备的作用： 显示生产过程的状况；

供生产操作

人员操作； 显示操作结果。

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计算机控制系统硬件组成——通信设备 现代化工业生产过程的规模一般比较大，对生产过程的控制和管理也很复杂，往往需要几台或几

十台计算机才能分级完成控制和管理任务，这样，在不同地理位置、不同功能的计算机或设备之间就

需要通过通信设备进行信息交换。为此，需要把多台计算机或设备连接起来，构成计算机通信网络。

计算机通信网络是计算机控制系统层次结构和信息集成的基础。

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模拟量输入通道——组成结构

A/D转换器将模拟 模入通道中信号放大器的作用 利用多路开关将各个输入信号依次地 电压或电流转化成数字 信号处理包括小信号放大、信号滤波、 主要是电平放大、阻抗匹配以及通 或随机地连接到公用放大器或A/D转换器 。 量，它是模拟量输入通 信号衰减、阻抗匹配、电平转换、非线性 道的抗共模干扰。 道的核心部件 补偿、I/V变换等 。过 程 参 数 变 送 器 信 号 处 理 器 多 路 开 关 信 号 放 大 器 采 样 保 持 器 A/D 转 换 器 接口 及 逻辑 控制 电路

. . .

. . .

PC总 线

模拟量输入通道

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模拟量输入通道——多路开关INH 6 9 C B 10 A 11

VDD +15V

16

电平转换电路

GND

8

译码驱动电路

VEE -15V

7 3 Sm 4 2 5 1 12 15 14 13

INH 0 0 0 0 0 0 0 0 1

C 0 0 0 0 1 1 1 1 ×

B 0 0 1 1 0 0 1 1 ×

A 0 1 0 1 0 1 0 1 ×

所选通道 S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S0~S7 均未选中

S7 S6 S5 S4 S3 S2 S1 S0 (a) (b)

图2-12 多路开关CD4051 (a)CD4051原理图；(b)CD4051真值表

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模拟量输入通道——模拟量信号的采样X(t)

0

t (a)

理想的采样应该是 抽取模拟量信号的 瞬间函数值。

X*(t)

0

T

2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T 10T 11T

t

(b) X(nT)001001 001011 001110 001101 001010 001001 001000 000111 000111 000111 001000

t0 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T 10T 11T

(c) 图2 1 采样前后信号波形的变化 模拟信号 b 离散模拟售号 (c)数字信号

a

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模拟量输入通道——采样器的采样过程

X(t)

采样器

X*(t)

X(t)

T

X*(t)

τ

0

t

0

T

2T 3T

4T

5T

t

图2-2 采样器的采样过程

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模拟量输入通道——采样器的采样过程采样信号仅对时间是离散的，而信号的值依然是 模拟量值，故被称为离散的模拟量信号。 数字信号是指量化的离散模拟量信号，即数字信号X (nT)不仅在时间上是离散的，而且在数值上也是离 散的。 量化：采用一组数码(如二进制编码)来逼近离

散模拟量信号的幅值，并将其值用该数码表示出来。

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模拟量输入通道——采样保持器X(t) X*(t) X(nT) Xh(t)

t S T 采样器 X(nT)

t H0 Xh(t)

t

零阶保持器

零阶保持器把当前采样时刻nT的采样值X(nT),简单地保持到下一个采样时刻(n+1)T,即零阶保持器仅仅是根据nT时刻的 采样值按常数往外推，直到下一个采样时刻(n+1)T,然后换成

新的采样值X[(n+1)T]再继续外推。