Transcript 计算机控制装置
Computer Control Equipments 计算机控制装置 张光新 [email protected] [email protected] 13357196527 87952241 2011年4月 —计算机控制装置— 1 自动化专业主要课程体系(部分)示意 ★ ★ ★人文基础★ ★ ★ 数理基础 工程原理 电学基础 控制原理 微机原理 计算机基础 工业通信 软件技术 嵌入式/DSP等 控制工程 测控仪表 计算机控制 炼油、化工、轻工、食品、电力、环保 电气自动化 过程自动化 机械自动化 、机器人、航空…… 自动化+信息化 —计算机控制装置— 2 • 计算机控制与哪些知识内容有关？ 或 • 做好一个计算机控制系统需要解决些问题？ —计算机控制装置— 3 课程安排：第1~7周讲课 第8周 成绩评定：课堂交流、点名、作业 15% 设计作业占25%(整体质量占50%，个人工作50%， 附上每个成员的照片—生活照) 期末考试60% 课件下载：cse.zju.edu.cn/jckz 课程资源/电子课件 —计算机控制装置— 4 课程主要内容 计算机控制基本知识 可编程控制器 集散控制系统简介（含总线控制） 系统的接地技术和防雷技术简介 —计算机控制装置— 5 主要知识体系 计算机控制基础知识 概念、组成、主要设计思想、发展等 平 时 模拟 招标 可编程控制器 基本工作原理、简要编程组态、集成应用 主要针对：OMRON和SIEMENS PLC 15 % DCS简介 针对实际对象的PLC系统设计 包括：工艺流程分析、仪表选型、系统 集成、控制柜设计等 可靠性及防雷设计简介 点评交流 开卷考试，带一张A4纸 60% —计算机控制装置— 25% 6 上课之前…… 进 料 口 进 料 口 玻璃管液位计 变 送 器 显示 仪表 H 出 料 口 “我”来控制 —计算机控制装置— 调 节 器 执 行 器 仪表控制 7 上课之前…… 控制室仪表 现场仪表 + SP － 控制器 (调节器) 执行器 显示仪表 检测仪表 对象 安装在哪里？ 进 料 口 变 送 器 Optional 执行器有哪些？ 电动调节阀、气动调节阀 阀 电动开关阀（电磁）、气动开关阀 门 泵（电机） 变频 开关 执 行 器 检测仪表有哪些？ 显示 仪表 调 节 器 仪表控制 连续信号：变送器（如T、P、L、F、A，通常输出4~20mA、1～5V等标准信号） 传感器（热电阻、热电偶） 开关信号：液位开关、料位开关、接近开关 (通常输出on/off信号) …… —计算机控制装置— 8 上课之前…… 控制室仪表 现场仪表 + SP － 控制器 (调节器) 执行器 显示仪表 检测仪表 对象 安装在哪里？ 进 料 口 变 送 器 Optional 显示 仪表 调 节 器 现场仪表选型要注意哪些因素？ ***检测仪表*** ***执行器*** 量程 口径 安装方式 流量特性 材质(耐压/防腐） 安装方式 供电和防爆 材质(耐压/防腐） 信号类型 供电和防爆 …… 信号类型 …… —计算机控制装置— 执 行 器 仪表控制 9 上课之前…… IPC、PLC、数字调节器…… 可以广义地理解为带有CPU的 各种控制设备 进 料 口 变 送 器 进 料 口 控 制 站 变 送 器 执 行 器 —计算机控制装置— 计算机控制 执 行 器 调 节 器 仪表控制 10 上课之前…… ？？？ + SP － 控制站 (计算机) 执行器 对象 + SP － 控制器 (调节器) 检测仪表 检测仪表 进 料 口 变 送 器 进 料 口 控 制 站 变 送 器 执 行 器 —计算机控制装置— 计算机控制 对象 执行器 执 行 器 调 节 器 仪表控制 11 上课之前…… 现场 仪表 AI(A/D) DI 4~20mA等信号 IO接口 ？？？ AO(D/A) DO 二进制信号 计算机 控制站 最常见的IO接口： AI——模/数转换(模拟量输入) DI—— 开关量输入(数字量输入) AO——数/模转换(模拟量输出) DO—— 开关量输出(数字量输出) —计算机控制装置— 12 上课之前…… 输入 子系统 输入 子系统 一体 输入、输出系统 Controller/Gateway Fieldbus —计算机控制装置— 13 典型的计算机控制系统结构示意图 Internet/Intranet 管理计算机 互联网 服务器 Ethernet 管理层 操作站 高级控制器 数据服务器 WEB 服务器 Ethernet/专用总线 控制层 网关 控制站 I/O系统 FF、ProfiBus 等现场总线 现场设备层 —计算机控制装置— 14 上课之前…… 作 用：是实现安全、高效、优质、低耗生产的前提 是现代工业生产不可缺少的神经中枢 内 涵：工业（自动）化 ＋ 信息化 两化融合 相关技术：自动控制技术、检测和传感技术、计算机技术、网络 通信技术、先进控制技术、智能仪表技术…… 发展过程：直接数字量控制（DDC） 集中型计算机控制 分布式计算机控制（DCS） 总线（工业以太网）控制 —计算机控制装置— ？？？？ 15 一. 计算机控制的基本知识 1.1 计算机控制概述 1.2 计算机控制系统的基本组成 1.3 计算机控制系统的主要设计思想 1.4 计算机控制系统的发展过程 1.5 网络通信基础 1.6 PID离散化和信号滤波简介 —计算机控制装置— 16 1.1 计算机控制概述 + 设 定 值 控制器 调节器 0010101100 1100 D/A 0101010101 01100 A/D 4～20mA 执行器 被控对象 － 4～20mA 被 控 变 量 测量变送装置 工作过程 ①数据采集：实时检测来自于测量变送装置的被控变量瞬时值； ②控制决策：根据采集到的被控变量按一定的控制规律进行分析 和处理，决定控制行为，产生控制信号；如PID运算 ③控制输出：根据控制决策实时地向执行机构发出控制信号，完 成控制任务。 —计算机控制装置— 17 1.2 计算机控制系统的基本组成 硬件组成 主 机 系 统 外 CPU RAM 系 ROM 统 通讯接口 部 设 备 人机接口 模拟量输入（AI） 测量变送器 模拟量输出（AO） 执行器 开关量输入（DI） 电气开关 开关量输入（DO） 电气开关 总 线 被 控 生 产 对 象 打印机 CRT 其它 常规计算机系统 —计算机控制装置— 过程输入输出设备 I/O系统 （模块或卡件） 现场仪表 被控 对象 18 1.2 计算机控制系统的基本组成 软件组成 系统软件 支持软件 系统开发最主要的两个方面： 根据控制要求，开发硬件系统 基于支持软件，开发应用软件 操作系统 用于开发应用软件的软件。例如：汇编语言、高级语言、组 态软件等。对于设计人员来说，需要了解并学会使用相应的 支持软件，能够根据系统要求编制开发所需要应用软件。不 同系统的支持软件会有所不同 应用软件 针对特定要求而编制的控制和管理程序。 不同控制设备的应用软件所具备的功能是不同的。 —计算机控制装置— 19 1.3 计算机控制系统的主要设计思想 —计算机控制装置— 1. 可靠性 2. 可维护性 3. 实时性 4. 性能价格比 20 1.可靠性 产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。 衡量可靠性的几个指标： ①可靠度 ②平均无故障工作时间 (Mean Time Between Failures，简称MTBF) 平均故障修复时间 (Mean Time To Repair，简称MTTR ) （本质上这是一个可维护性指标） 无维修使用期 (Maintenance Free Operating Period ，简称MFOP) —计算机控制装置— 21 (1)可靠度 R 可靠度通常用于表示单个零件、设备的可靠程度 在规定的环境温度、湿度、振动和使用方法及维护措施等条件下，在规定的 工作期限内，设备无故障地发挥规定功能的概率。 系统的可靠度：除了与构成系统的子系统或元器件的可靠度有关，还与系 统的构成方式有关。 The reliability of every unit of the specific equipment is 90%, the reliability of this equipment is 90%。 误差、可靠度都是会传递的 —计算机控制装置— 22 (1)可靠度 R 常规的可靠性理论：著名的浴盆曲线（本质） 故 障 率 时间 结构对可靠度的影响 R1 Rn R串 R1 R2 Rn 一个失效，系统失效 R1 …… 全部故障，系统故障 系统冗余的概念 R并 1 (1 R1 ) (1 R2 )(1 Rn ) Rn —计算机控制装置— 23 R1=R2=0.9， R并＝0.99 R1=R2=0.99，R并＝0.9999 ★串联系统中，可靠性最差的单 元对系统可靠性影响最大。 ★并联系统中，1:1系统的冗余 对系统可靠性的贡献最显著。 —计算机控制装置— 24 (2) MTBF(*) 和 MFOP MTBF指设备在相邻两次故障的间隔内正常工作的平均时间 n MTBF t i 1 i n 无维修使用期MFOP(Maintenance Free Operating Period ) 1995年国际上开始对传统可靠性定义提出了质疑，在欧洲开始提出了 无维修使用期(MFOP)的概念。MTBF认为随机故障是不可避免的， 只要仍低于许可数是可接受的。MFOP认为“要设计出不存在随机失 效的产品是有可能”。 MFOP在本质上就是可靠性设计思路的改变，是指产品能完成所有规 定任务的工作期，在该期间内不需要对其进行任何维修。每个MFOP 之后就有一个维修修复期(Maintenance Recovery Period，MRP)，在 此期间通过适当的计划性或修复性维修使系统完全恢复到可使用状态 ，以使其能完成下一个MFOP期间的工作。 —计算机控制装置— 25 提高系统可靠性的主要措施 ① 选用高性能的控制设备，重视自控设备的自诊断功能。 ② 设计可靠的控制方案，提供各种安全保护措施，如报警、故 障诊断和处理等。 ③ 采用分散控制思想/增加后备手操或后备仪表控制系统/设计 冗余系统。 ④ 采用安全可靠的屏蔽、隔离、接地等抗干扰技术。 ⑤ 提高软件可靠性【要求应用软件的结构合理、稳定性好、抗干扰 能力强，具有自诊断功能，并面对任何异常操作不影响系统主要 功能的正常运行】 —计算机控制装置— 26 2.可维护性 故障发生后通过维修使系统恢复的能力。 本质：易于查找故障，易于排除故障。 平均故障修复时间MTTR (mean time to repair ) MTTR指设备出现故障以后经过维修恢 复并重新投入运行所需要的平均时间 MTTR n t i 1 i n ①设计合理的系统结构。例如，采用模块化结构，便于更换故障模块。 ②选择系列化、标准化、通用化、一致性好的硬件设备。 ③系统最好能带电插拔维修，降低子系统的故障对整个系统产生的影响。 ④软硬件具有自诊断功能，便于快速定位、快速排除故障。 —计算机控制装置— 27 3.实时性 实时性是指被控信号的输入、运算和输出都要在一定的时间内完成， 并能根据生产工况的变化进行及时的处理，亦即系统对被控信号的 变化具有足够快的响应速度，不丢失信息，不延误操作。 为了满足实时性要求，需要从硬件和软件两方面来考虑。 4.性能价格比 —计算机控制装置— 28 1.4 计算机控制系统的简要发展过程 传统DCS PLC Based DCS 工业以太 网 IPC Based DCS DDC控制 始于50末期 里程碑意义 集中型计 算机控制 DCS控制 控制集中 信息集中 危险集中 始于70年代 控制分散 信息集中 半数字，半分散 分布式IO DCS FCS 现 场 信 号 与 IO 全数字通讯 站点模拟信号一 全分散控制 对一连接，站站 之间总线连接。 过渡型结构 —计算机控制装置— 29 1.直接数字量控制（Direct Digital Control－DDC） SP 起始于50年代末期 开辟了一个轰轰烈烈 的计算机工业应用时 代 过程控制计算机 AI、DI 检测仪表 AO、DO 执行器 被控过程（对象） 本质: 用一台计算机取代一组模拟调节器，构成闭环控制回路， 用数字控制技术简单地取代模拟控制技术。 优点 : 计算灵活，精度高，可分时处理多个控制回路，DDC也很 快发展到PID以外的多种复杂控制。 问题 :价格昂贵，功能极其有限，可靠性低 —计算机控制装置— 30 2.集中型计算机控制 出发点： 昂贵 和仪表系统竞争 企图用一台计算机来控制尽可能多的回路 外 设 AI/DI 输入子系统 过程控制 计算机 操作变量 被控变量 被控过程（对象） …… …… { AO/DO 输出子系统 } 优越性： （从表面上看）信息集中，便于实现各种更复杂控制、优化控制功能 问 由于当时计算机总体性能低，容易出现负荷过载，控制集中直接导 致危险集中，高度集中使系统变得十分“脆弱”。 题 ： —计算机控制装置— 31 3.集散控制系统（Distributed Control System, DCS） 出发点（2个方面）： (1) 把控制功能分散到若干个控制站实现，以提高系统的可靠性； (2) 各控制系统（回路）的运行应当服从工业生产管理的总体目标。 根本特征:控制的分散性和管理的集中性 DCS的两种含义：是一种分布式计算机控制系统结构 是一种具有分布式结构的特定计算机控制系统 —计算机控制装置— 32 分布式计算机控制的分解示意 操作站/管理计算机 信息集中、管理集中 控制站1 控制站2 控制站…… 控制站n Part 1 …… 被控过程（对象） Part 2 Part n —计算机控制装置— 控制分散、危险分散 33 DCS的物理层次示意 Web服务器 Internet 远程节点 管理层网络 操作站 OS 工程师 站ES 控制管理层 网络冗余 现场控制层 —计算机控制装置— 34 DCS的功能层次示意 从“上级”获取指示，从“下级”获取信息，产生对“下级”的控制。 居于系统最高层，负责广 泛的工程、经济、商务、 人事以及其它工作。 主要包括回路组态、 优化、监控、故障诊 断、记录、报警…… 经营 管理 生产管理 过程管理 根据订单、库存、能耗 约束等进行生产规划、 调度。通常为最高层。 现场数据采集、控制 、 安 全 性 能 和冗 余 性 能的实施…… 直接控制 连续过程 间歇过程 离散过程 常常将2个或多个功能层上的(部分)任务压缩到一个物理层上实现，简化DCS。 最常见的为2级DCS —计算机控制装置— 35 DCS的发展过程 划分 起始时间 主要特征 1 1975 2 80年代初 3 80年代末期 技术特征是管控一体化 4 90年代中期 强调开放性，特别是通信机制的开放性和标准化。 Honeywell推出首套DCS TDC-2000，技术特征是集散 技术特征是引入局域网LAN 总结：早期DCS重点在于控制，以“分散”作为关键字。 现代DCS重于信息管理，“综合”为其关键字。 向实现控制、计划体系、管理体系的综合自动化方向发展，实施从 最底层的实时控制、优化控制上升到生产调度、经营管理，以至最高 层的战略决策，形成一个具有高度自动化的管控一体化系统。 —计算机控制装置— 36 4.总线控制系统（Fieldbus Control System－FCS） 输入子 系统 控制站1 输出子 系统 …… 输入子 系统 控制站n 输出子 系统 …… …… 传统计算机控制系统的结构示意图 半数字、半分散 —计算机控制装置— 朴素意义上的 FCS结构示意图 全数字、全分散 37 1.5 网络通信基础 1. 网络通信的基本概念 (1) 模拟信号与数字信号 模拟信号是一个连续的物理量 Tc Tc 0 1 时 钟 I/V t —计算机控制装置— 数字信号是利用不连续的物理状 态来表示，例如：通过高/低电平 来表示二进制数“1”和“0”。 数 据 1 1 0 0 38 1. 网络通信的基本概念 (2) 并行传输与串行传输 并行传输：以字或字节为单位一起传输（多个位同时传输） 速度快、通信线多、成本高，不宜远距离通信 串行传输：数据逐位传输 速度较并行传输慢、通信线少（一般2～4根）、成本低 适宜远距离通信 几乎所有的计算机控制系统均采用串行数据通信 —计算机控制装置— 39 1. 网络通信的基本概念 (3) 通信双方的交互方式 单工通信：只向一个方向传输，没有反方向交互（如键盘通信） 控制系统中应用极少 半双工通信：双方可以交互数据，但不在同时 控制简单、可靠、成本低，应用广泛(只需2根通信线) 全双工通信：双方可以在同时交互数据 控制相对复杂、效率高、成本较高，需要2个信道 应用较广泛，至少3根通信线(1根为共用地)，或4根 —计算机控制装置— 40 (4) 通信波特率、误码率 波特率： 指单位时间内传输的信息量，单位通常用“位/秒”表示 例如：Profibus－PA的波特率位31.25kbps Profibus－DP的最大波特率位12Mbps 误码率：错误码元（1个二进制位）数与传送码元数之比 工业用通信网络一般要求误码率在10－5～10－9，甚至更小 —计算机控制装置— 41 (5) 基带传输与频带传输 基带传输：按数字波形原样、以“位”流为基本形式直接在信道上传输 基带网介质便宜（双绞线、同轴电缆、光线等），速度较高， 距离不宜过远（容易因信号衰减发生畸变）。 数字信号的数字传输 绝大多数局域网（包括控制局域网）都采用基带传输。 基带传输需要对数字信号进行编码，常用的数据编码手段有： 非归零码NRZ、曼彻斯特编码、差动曼彻斯特编码…… 频带传输：也称为载波传输，采用调制、解调技术。 在发送端，将二进制数据，调制变换成一定频带范围的模拟信 数字信号的模拟传输 号；在接收方，通过解调进行反变换。采用模拟信号传送数据 （如正弦信号） 时，通常只占有限的频带宽度。数字信号调制称为“键控” 调制方式主要有：幅度键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控 (PSK)…… 宽带传输：适用于传输影像、语音信息(一般不用于工控网络) —计算机控制装置— 42 各为什么调制方式？ —计算机控制装置— 43 载 波 “1” “1” “0” “1” “0” “0” “1” “0” ASK 相当于模拟信号的调幅 “1”：传输载波 “0”：不传输载波 —计算机控制装置— 44 载波1-1 载波2-0 “1” “0” “0” “0” “1” “1” “0” FSK 应用最早的调制方式，容易实现，抗噪、抗干扰性能好，中低速传输 上图是2FSK，还有M—FSK，即M个频率代表M的信号 —计算机控制装置— 45 载波1-1 载波2-0 “0” “1” “1” “0” “0” PSK 有很好的抗干扰性，适于中高速数传 上图为二进制PSK，还有多进制PSK，如四相位、八相位等 —计算机控制装置— 46 (6)RS－232/RS－422/RS－485 本质上是相同的 项目 RS－232 RS－422 RS－485 接口电路 单端 差动 差动 抗干扰能力 弱 强 强 标准最大传输距离 15m 1200m 1200m 通信双方交互方式 全双工 全双工 半双工 标准最大传输速率 19200bps 10Mbps 10Mbps 工业控制网络的首选标准 —计算机控制装置— 47 2. 计算机网络的拓扑结构 HUB 总线型 星型 环型 树型 大型网络多采样网状拓扑。 —计算机控制装置— 48 3. 网络传输介质 网络传输介质是指通信网络中数据发送方与接收方之间的物理通路， 常用的传输介质有：双绞线、同轴电缆、光纤和无线传输介质等。 控制系统多用：带屏蔽的双绞线STP、光纤 —计算机控制装置— 49 4. 开放系统互联参考模型 Open System Interconnection/Reference Model —— OSI/RM 目的是建立标准化的网络机制，1983年 层次编号 名称 英文名称 用户层 Users Layer 7 应用层 Application Layer 6 表示层 Presentation Layer 5 会话层 Session Layer 4 传输层 Transport Layer 3 网络层 Network Layer 2 数据链路层 Datalink Layer 1 物理层 Physical Layer —计算机控制装置— 50 OSI/RM信息流动过程 数据 主机 HA 用户 主机HB 用户 应用层网络协议 H7 数据 应用层 报文 H6 H7 数据 表示层 报文 H5 H6 H7 数据 会话层 报文 H4 H5 H6 H7 数据 传输层 报文 H3 H4 H5 H6 H7 数据 网络层 分组 网络层 H2 H3 H4 H5 H6 H7 数据 T2 数据链路层 帧 数据链路层 物理层 bit 物理层 通信线路 —计算机控制装置— 表示层网络协议 会话层网络协议 传输层网络协议 报文 应用层 报文 表示层 报文 会话层 报文 传输层 分组 网络层 帧 数据链路层 bit 物理层 中继 环节 通信线路 51 A公司 B公司 A经理(写信 ) B经理 A秘书(盖章/写地址) B秘书(核对) A收发员(到邮局投递) B收发员(分发) 邮政系统(按地址投递信件) —计算机控制装置— 52 部分层主要功能 (1) 物理层 最低一层，也是唯一在二台设备同级层之间直接进行数据交 换的一层,负责传输bit位流。 界定：数字信号(0/1)的表示电压、传输速率、最大传输距离、通信 方式（单、半、全）、连接插头，各针作用的定义…… 形象地说，物理层的设计就是要确保在一侧发出的一个逻辑“l”，另一 侧收到的也是一个逻辑“1”，而不是“0”。 (2) 数据链路层 把一条可能出错的物理链路，转变成让网络层（高层） 看起来就像是一条不出差错的理想链路。 为网络层提供服务/帧化处理/差错检测和流量控制 来自 高层 数据 —计算机控制装置— 加工 成帧 物理通道 检查校验信 数据 息和头尾控 送往 确认 制信息 高层 无误 53 从理论上讲，OSI/RM是开放特性网络体系结构的典 范，它严格遵循层次化的描述方法把计算机网络通 信体系划分为七个层次，各层协议的内容也考虑得 十分周全。由于OSI模型本身并没有对每层的数据 传输标准作出严格的规定，因而它只是一种提供了 概念性和功能性的网络体系框架或蓝本，对计算机 网络起到了规范和指导作用。 —计算机控制装置— 54 5. TCP/IP协议简介 三句话： ★ TCP/IP体系是涉及面最广、影响最大的网络体系。 ★ TCP/IP这个术语并不是单指一个协议，而是由100多个与之相 关的协议和应用程序组成的一个协议族， 其中包括3个核心协 议：IP、TCP、UDP ★各种计算机控制系统的(高各)各层网络有着向Ethernet 统一 的趋势发展。 MAIL 应用层 应用层 表示层 * 会话层 * 传输层 传输层 TCP、UDP 网络层 互联网层 IP 数据链路层 网络接口层 网络接口层 物理层 * OSI/RM —计算机控制装置— 各种应用层协议 例如：HTTP、 TELNET、FTP等 TCP/IP SMTP WWW FTP TELNET HTTP TCP TFTP UDP IP Hardware Interface 55 网间协议IP 它的功能是使主机可以把分组数据包发往任何网络，并使数据包独立地 传向目标，也就是IP数据报传送及IP路由选择。 IP协议采用无连接的数据报传输机制，即只管对数据进行“尽力传 递”，将分组数据包传往目的地，不保证分组的正确顺序，一切可靠 性工作均交由上层协议负责，如验证、确认等都由TCP协议处理。 用户数据报协议 UDP UDP建立在IP协议之上 提供无连接的数据报传输 是一个不可 靠的传输层协议。除可通过校验和来判断数据的完整性之外，它不进行任 何其它检查，甚至不能保证数据包是否全部到达，基于UDP的通信进程必 须自己解决诸如报文丢失、报文重复、报文失序、流量控制等可靠性问题。 UDP适用于传输报文较少的交互式服务。如果为此建立面向连接的数据传 输服务，则网络资源的开销太大，利用不可靠的UDP进行数据传输，即使 因报文出错而重传一次，也比面向连接的数据传输更为有效。 —计算机控制装置— 56 传输控制协议 TCP 传输控制协议TCP是一种面向连接的、点对点的、高可靠性的数据传输 层协议，数据传输的可靠性完全由TCP自己保证。 我们可以把TCP和IP形象地理解为有两个信封，要传递的信息被划分成 若干段，每一段塞入一个TCP信封，并在该信封面上记录有分段号的信 息，外层再套上IP大信封，发送上网。在接收端，TCP软件包收集信封， 抽出数据，按发送前的顺序还原，并加以校验，若发现差错，TCP将会 要求重发。因此，TCP/IP几乎可以无差错地传送数据。 思考：TCP和UDP传输在控制系统中各有什么作用？ —计算机控制装置— 57 讨论——控制系统中通常使用无连接还是有连接的数据传输方式？ 通过UDP发送 …… 操作站 控制站 —计算机控制装置— …… 58 1.6离散化PID控制算法和数字滤波算法 —计算机控制装置— 59 ——离散化PID控制算法 e3 e 4 e 5 e2 模拟PID调节规律的表达式 1 u (t ) K P [e(t ) Ti de(t ) e ( t ) dt T ] d 0 dt e(t) e1 t e0 t Ts 为便于计算机实现，必须把PID模拟表达式变换成差分方程。当采样周期相 当短时，积分可以用“求和” 来近似、微分可以用“后向差分”来代替: t nTs，Ts为采样周期 e(t ) de(t ) dt e(t )dt t 0 e(n) r (n) y(n) e(n)相当于e(nTs )的简写 e(n) e(n 1) Ts n Ts e(i ) i 0 把上式代入模拟PID表达式，即可实现离散化 —计算机控制装置— 60 位置式PID控制算法 t nTs e(t ) e(n) r (n) y (n) 1 u (t ) K P [e(t ) Ti de(t ) e ( t ) dt T ] d 0 dt t de(t ) e(n) e(n 1) dt Ts t 0 Ts u(n) K p {e(n) Ti n e(t )dt Ts e(i ) i 0 n Td e(i) [e(n) e(n 1)]} Ts i 0 上式计算结果即等于执行机构的位置，如阀门位，称为位置式PID控制算法 但要生成一个u(n),需要保存e(0)、e(1) 、e(2) 、……、e(n)个偏差信息 随着n的增大，计算量也随之增大 而且一旦发生故障，阀位可能发生急剧的变化 —计算机控制装置— 61 增量式PID控制算法 Ts 第 n 次的计算结果： u (n) K p {e(n) Ti n e(i) i 0 Ts 第n－1次的计算结果： u (n 1) K p {e(n 1) Ti n 1 Td [e(n) e(n 1)]} Ts e(i) i 0 Td [e(n 1) e(n 2)]} Ts 二者相减： u (n) u (n) u (n 1) n 1 Ts n T T K p {[e(n) e(n 1)] [ e(i ) e(i )] d [e(n) e(n 1)] d [e(n 1) e(n 2)]} Ti i 0 Ts Ts i 0 u (n) K p {[e(n) e(n 1)] Ts T e(n) d [e(n) 2e(n 1) e(n 2)]} Ti Ts u (n) u (n) u (n 1) ① 控制量的增量Δu(n)仅与最近3次偏差值e(n)、e(n-1)、e(n-2)有关 ② 得出是控制量增量，例如阀门开度的变化量，即使误动作也不会产生严重影响。 ③ 工业现场最常用 —计算机控制装置— 62 还有各种改进的PID控制算法 作业： 求 G(s)=2[1+1/(2s)] 算法(采样时间Ts=0.5）的增量表达式 【下次一并交】 —计算机控制装置— 63 ——常用数字滤波算法 二大类干扰：周期性的干扰，典型代表为50Hz的工频干扰； 随机干扰，大小和符号无规则变化，符合统计规律的 咋个办办？ 硬件滤波、数字滤波两道防线 所谓数字滤波，就是按统计规律通过一定的计算或判断程序，程序滤波。 中位值滤波 连续采样n次（一般取大于3的奇数），将结果从大到小排列取中间值作 为本次采样的有效数据。主要用以克服偶然因素引起的干扰，对于温度、 液位等缓慢变化的参数，其滤波效果较好； 但不适用于流量、压力等快 速变化的参数。 —计算机控制装置— 64 算术平均滤波 连续采样n次，取其平均值 1 n y xi n i 1 适用于随机干扰信号的滤波，滤波效果取决于每次滤波的样本数n，当 n ↑，平滑度↑，灵敏度↓【n值应按计算量和滤波效果等具体确定】 该方法对于测量速度较慢或响应速度要求较高的系统是无法接受的。 递推平均滤波 把n个数据看成一队列，每次新滤波前，采样一个新数据，去掉最早 的那个数据，求其均值(每次滤波只需进行一次测量) 1 n x1去掉，x2→x1…… xn→xn-1，新采样x→xn： y xi n i 1 该算法对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，灵敏度低，但对偶 然出现的脉冲性干扰的抑制作用差。n 值的选取与算术平均滤波相似， 其工程经验值为： 流量n∈(8～16)，压力n可取4，液位n∈(4～12)，温度n∈(2～4) 65 —计算机控制装置— 加权递推平均滤波 前述两种滤波法中n个数据样本的权重是相等的，会引入测量滞后，n越大滞后越严重。 为了提高系统对当前采样值的灵敏度，可以采用加权递推平均滤波算法，即不同时刻 的数据加以不同的权，通常越接近当前时刻的数据，权越大。 n y ci xi i 1 ci为数据样本xi的权，且满足: 一阶惯性滤波 RC滤波器传递函数为： 其差分方程为： (采样周期Ts) Tf cn 1 c1 c2 cn 实质上是硬件RC滤波器的数字实现 Y ( s) 1 X (s) X ( s) 1 T f s Y ( s) y (n) y (n 1) y ( n) x ( n) Ts y ( n) —计算机控制装置— c1 c2 Tf Ts x ( n) y (n 1) T f Ts T f Ts 66 y(n) (1 ) x(n) y(n 1) 称为滤波系数。 需要根据实际情况进行取值，取值依据是不产生明显的波纹。 一阶惯性滤波算法对周期性干扰具有良好的抑制作用，适用于信号波动 频繁的滤波，其不足之处是带来了相位滞后，滞后的程度取决于 值的 大小。 —计算机控制装置— 67 总结 以上几种数字滤波算法各具特点，在实际应用中，究竟选取哪一种 数字滤波方法，应视具体情况而定： 中位值滤波法适用于偶然的脉冲干扰 算术平均值滤波法适用于随机干扰 递推平均滤波算法对周期性干扰有良好的抑制作用 加权递推平均滤波算法适用于大纯滞后对象和采样周期较短的系统 惯性滤波法适用于高频的干扰信号（但不能太大） —计算机控制装置— 68