基于PLC的液位控制系统的设计（论文+外文翻译+开题报告+文献综述）
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术概况 一、 来源 1、在制造工业（以改变几何形状和机械性能为特征）和过程工业（以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征）中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。 1968年美国 用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，使得电气控制功能实现的程序化，这就是第一代可编程序控制器，英文名字叫 2、随着电子技术和计算机技术的发生， 功能越来越强大，其概念和内涵也不断扩展。 3、上世纪 80 年代，个人计算机发展起来，也简称为 了方便，也为了反映或可编程控制器的功能特点，美国 司将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器 并将 “为其产品的注册商标。现在，仍常常将 称 4、上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 展最快的时期，年增长率一 直保持为 3040%。在这时期， 处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高， 渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 统 . 5、近年，工业计算机技术（ 现场总线技术（ 展迅速，挤占了一部分 场， 长速度出现渐缓的趋势，但其在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。 6、目前，世界上有 200 多厂家生产 300 多品种 品，主要应用在汽车（ 23%）、粮食加工（ 、化 学 /制药（ 、金属 /矿山（ 、纸浆 /造纸（ 等行业。 二、典型的 品 1、国外 施耐德公司， ； 罗克韦尔（ 司）， ； 西门子公司， 700/200 系列； 日本欧姆龙、三菱、富士、松下等。 2、国内 产厂约 30 家，但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，还有一部分是以仿制、来件组装或 “贴牌 ”方式生产 . 三、 我国的应用 虽然我国在 产方面非常弱，但在 用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入 10 万台套 品，年销售额 30 亿人民币，应用的行业也很广。 在我国，一般按 I/O 点数将 为以下级别（但不绝对，国外分类有些区别）： 微型： 小型： 256 I/O 中型： 1024 I/O 大型： 4096 I/O 巨型： 8192 I/O 在我国应用的 统中， I/O 64 点以下 售额占整个 47%，64 点 256 点的占 31%，合计占整个 售额的 78%。 在我国应用的 乎涵盖了世界所有的品牌，呈现八国联军的态势，但从行业上分，有各自的势力范围。大中型集控系统采用欧美 多，小型控制系统、机床、设备单体自动化及 品采用日本的 多。欧美 日本 灵活性和价位方面占优势。 我国的 应渠道，主要有制造商、分销商（代理商）、系统集成商、 终用户。其中，大部分 通过分销商和系统集成商达到最终用户的。 四、 展的重点 1、人机界面更加友好 造商纷纷通过收购或联合软件企业、或发展软件产业，大大提高了其软件水平，多数 牌拥有与之相应的开发平台和组态软件，软件和硬件的结合，提高了系统的性能，同时，为用户的开发和维护降低了成本，使更易形成人机友好的控制系统，目前， 络 模式被广泛应用。 2、网络通讯能力大大加强 家在原来 板上提供物理层 22/485 接口的基础上，逐渐 增加了各种通讯接口，而且提供完整的通讯网络。由于近来数据通讯技术发展很快，用户对开放性要求很强烈，现场总线技术及以太网技术也同步发展。如罗克韦尔 A B 公司主推的三层网络结构体系，即 门子公司在 络等。 3、开放性和互操作性大大发展 发展过程中，各 造商为了垄断和扩大各自市场，处于群雄割据的局面，各自发展自己的标准，兼容性很差，这给用户使用带来不便，并增加了维护成本。开放是发展的趋 势，这已被各厂商所认识，形成了长时期妥协与竞争的过程，并且这一过程还在继续。开放的进程，可以从以下方面反映： 1） 成了现场总线标准，这一标准包含 8 种标准，虽然有人说，多种标准就是没有标准，但必竟是一个经过困难的争论与妥协的成果。标准推出后，各厂商纷纷将自己的产品适应这些标准，或者开发与之相应的新产品。 2） 订了基于 编程语言标准 规定了指令表（ 梯形图（ 顺序功能图（ 功能块图（ 结构化文本（ 种编程语言。这是以数 字技术为基础的可编程序逻辑控制装置在高层次上走向开放性的标准化文件。虽然 发上各工具仍不兼容，但基于这些标准的开发系统，使用户在应用过程中，可以较方便地适不同品牌的产品。 3） 金会推出了 准，这进一步增强了软硬件的互操作性，通过 致性测试的产品，可以实现方便的和无缝隙数据交换。目前，多数 件产品和相当一部分仪表、执行机构及其它设备具有了 能。 现场总线技术的结合，是未来控制系统向 术发展的趋势。 4、 功能进一步增强，应用范围越来越广泛。 网络能力、模拟量处理能力、运算速度、内存、复杂运算能力均大大增强，不再局限于逻辑控制的应用，而越来越应用于过程控制方面，有人统计，除石化过程等个别领域， 相当多的应用取代了昂贵的 而使原来 序控制） 程控制）的模式变成 式。 5、工业以太网的发展对 重要影响。以太网应用非常广泛，与工业网络相比，其成本非常低，为此，人们致力于将以太网引进控制领域。目前的挑战在于 1）硬件上如合适应工 业恶劣环境； 2）通讯机制如何提高其可靠。以太网能否顺利进入工控领域，还存在争论。但以太网在工控系统的应用却日益增多，适应这一过程，各 商纷纷推出适应以太网的产品或中间产品。 6、 软 术 的发展， 进入 90 年代后期 , 人们逐渐认识到 , 传统 称硬 自身存在着这样那样的缺点 :由于传统 生产厂商之间的产品互相不兼容 ,缺少明确一致的标准 ,造成难以构建开放的硬件体系结构 ;各厂商产品的编程方法差别很大 ,技术专有性较强 ,工作人员必须经过较长时间的专业培训才能掌握某一种产品的编程 方法 ; 传统 生产被几家厂商所垄断 ,造成 性价比增长很缓慢。这些问题都成了制约传统 工控领域的研究人员也一直在寻求解决这些问题的途径。近年来 ,随着计算机技术的迅猛发展以及 面的国际标准的制定 ,一项打破传统 限性的新兴技术发展起来了 ,这项技术就是软 术。于是 入了其发展的第 4 阶段。其特征是 :在保留 能的前提下 ,采用面向现场总线网络的体系结构 ;采用开放的通信接口 ,如以太网、高速串口等 ;采用各种相关的国际工业标准和一系列的事实上的标准 ;全部 用软件来实现传统 功能 ,这就是国际上出现的高新技术 软 术。 毕业设计 (论文 )开题报告 信息与电子工程系 工业电气自动化技术 专业 03 级（ 1）班 课题名称： 基于 液位控制系统的设计 学生姓名： 徐胜祥 学号 : 20030210128 指导教师： 陈国定 报告日期： 2006 年 03 月 19 日 1、 文献综述 “过程控制”是一门与工业生产过程联系十分密切的科目。随着科学技术的 飞速发展，过程控制也在日新月异的发展。它不仅在传统工业改造中，起到了提高质量，节约原材料和能 源，减少环境污染等十分重要的作用，而且正在成为新建的规模大，结构复杂的工业生产过程中不可缺少的组成部分 (1) 在工业生产过程中 ,液位变量是一个常见而广泛的过程参数之一。 液位控制装置具有非线性、滞后、耦合等特点 ,难以对其进行精确控制 模糊控制是行之有效的控制方法之一 。 但在模糊控制系统的设计过程中 ,存在大量繁琐的工作 ,如控制器结构的确定 ,隶属函数的选取、各种规则的获取 ,参数的调整等 糊控制 。 信号处理是过程控制中的重要组成部分。 步入 21 世纪之后 ,社会进入数字化的时代 ,而数字信 号处理器 (是这场数字化革命的核心 。 数字信号处理是利用专用或通用数字信号处理芯片 ,通过数字计算的方法对信号进行处理 与模拟信号处理相比数字信号处理具有精确 ,灵活 ,抗干扰能力强 ,可靠性好和易于大规模集成等特点 。 目前，集成电路的设计由于电流模式电路技术的发展和应用而获得了新的生长点，模拟 最新进展使得开发和实现电流模式信号处理成为可能 换器、 A/D 和 D/A、采样数据和连续时间滤波器、自校正系统，编程系统、 工 神经网络 )和神经计算机等许多问题提供了最有吸引力的途径，并将对微电子学与信息科学、计算机科学与 制与机器人等领域的发展产生重要的影响 。 信号的获取需要传感器， 适用于测液位的传感器有很多种， 主要有 热敏电阻传感器、电容式液位传感器、电感式液位传感器 等。它们各有特点，可根据液面特性选择。 模拟量输入通道因检测系统本身的特点、实际应用的要求等因素的不同，可以有不同的形式。比 如，对于高速系统，特别是需要同时得到系数众多数据的系统， 可采用 并行转换结构。 但通道越多，成本越高， 而且会使系统体积大，也给系统较准带来困难 ， 通常采用的结构是多路通道共享采样 /保持和模数转换电路。信号处理器的功能是对来现场的多路模拟信号滤波、隔离、电平转换、非线性补偿、电流电压转换等。多路开关将多路信号按一定顺序要求切换到放大器的输入端。放大器是将传感器输出的弱信号放大到 A/D 转换器所需电平。采样保持器的作用 ，一是保证 A/D 转换过程中被转换的模拟量保持不变，以提高转换精度；二是可将多个相关的检测点在同一时刻的状态量保持下来，以供分时转换和处理，确保每个检测量在时间上的一致性。若模拟输入电压信号变化缓慢， A/D 转换精度能够满足要求，则 S/H 可省不 用。 A/D 将模拟信号转换成数字信号，以使计算机能够接收 。 A/D 转换器的种类很多，按工作原理可分为比较式和积分式两大类 。 比较式 A/而将模拟量转换成 数字量。积分式 A/D 转换通过对被测量进行积分，将被测量转化成中间量（时间或频率），然后再将中间量转换成数字量。积分式 A/D 转换测量的平均值，它的抗干扰能力强，准确度高，但速度较慢。逐次逼近式属于闭环比较式，速度快，准确度高，应用广泛。 积分式 A/D 转换通过对被测量进行积分，将被测量转化 成中间量（时间或频率），然后再将中间量转换成数字量。积分式 A/D 转换测量的平均值，它的抗干扰能力强，准确度高，但速度较慢。积分式 A/D 转换器可分电压 换式和电压 换式，每一种根据转换的特点又分为若干类。 模拟量输出通道有以下两种基本结构 （ 1） 多通道独立 D/A 转换形式 。 由于目前 D/A 转换器芯片内部一般带来数据锁存器，所以这种连接方式的不需要采样保持器。一旦数据送入 D/A 转换器只要没有新的数据输入，它就保持原来的输出值。这种结构的组成包括 I/O 接口 、 D/A 转换器 、 隔离级 、 输出级 、 执行器 。 多通道独立 D/A 转换器结构的优点是转换速度快，工作可靠、精度高且各个通道互相独立而互不影响。缺点是使用较多 D/A 转换器，投资较高。工业控制中多采用此种形式。 （ 2） 多通道共享 D/A 转换形式 。 这种形式由于 D/A 转换器是共用的，所以每一个模拟量输出通道都需要一个采样保持器 S/H, 采样保持器的作用是将 D/A 转换器输出的离散模拟量转换成执行器件能接受的连接信号，即把上一时输出的采样值保持到下一次输出。这种结构的优点是节省 D/A 转换器。由于公用一个 D/A，在 制下分时工作， D/A 转换器依次把数字量转换成模拟电压或电流，通过多路开关给各路输出采样保持器，而保持器不能长久保持信号不变，因此这种结构精度较差，只适用转换数字要求不高、通路较多的情况 。 D/A 转换器中包含由电阻（或电容）和开关组成的网络。模拟参考电压在网络的输入端。被转换的数字信号控制网络中开关的闭合，改变网络的参数，从而使网络输出与数字量相对应的模拟电流或电压。这样就实现了数 大多数 为电流输出，有的兼有电流和电压输出；输出模拟量和输入数字量之间的函数关系既有线性的，也有非线性的；数字信号 输入方式有并行的，也有串行的；多数 D/A 转换器既可对普通二进制数码进行单极性转换，又可以通过改变外部接线，对补码、反码、偏移二进制码或符号 际产品的结构不一定包括图中所有部分，但虚线中的部分则应是必备的。 2、 研究内容 基于 液位控制系统在实际的生产应用中非常广泛。 本项目要使用浙大中控设计生产的 过程控制实验对象系统、 过程控制实验仪表控制台和西门子 列）控制系统等 。 本项目要求学生 以 核心， 整定 液位系统的 制参数，并应 用 列是紧凑型可编程序控制器 ， 设计要求给出 位控制系统的梯形图和程序，这就要求学生在规定的时间内完成数的计算和 统的设计，最后要求给出一套设计图和设计说明书。 3、 初步方案 这里采用的是 水箱 液位 的 节，有两级水箱。控制一个水箱的是单回路反馈 制。单 回路系统是指在一个调节对象上用一个 节器来保持参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号 ， 其输出也只控制一个执行机构。 两个水箱的液位通过串级反馈回路来控制。 系统具体装置如下图所示。 系统运行前要把需要控制液位的水箱水路上的手动阀门全部打开，打开水箱的出水阀至适当位置。系统 通过 制液位的高度，实现方法是，通过液位传感器 把检测到的信号变成相应的电信号传到 模拟量输入通道 中，由 法计算得出输出信号， 经过信号处理 输出到 执行器 电动调节阀中控制阀门的开度，使液位达到指定的 高度 ，这个过程需要一定的时间 。 输出的信号和电动调节阀的开度成正比。控制要选择控制参数，合适的控制参数可以带来满意的控制效果， 反之，控制器参数选择不合适，则会使控制质量变坏 ， 达不到预期效果。 所以 数的选择是很重要的，要很好地去整定。系统可以设定比例、积分、微分的参数，观察控制的效果，使用比例控制、比例积分控制和比例积分微分控制进行实验，将它们得到的结果进行比较，就可以知道三个控制环节分别的作用。 系统的控制框图如图 2 所示 图 2：液位控制系统控制框图 其中 给定信号，由用户通过计算机设定， 控制变量，它们的差是 节器的输入偏差信号，经过 算后输出，调节器的输出信号经过 D/A 转换成 420模拟电信号后输出到电动调节阀中调节调节阀的开度，以控制水的流量，使 水箱的液位保持设定值 。水箱的液位经过压力变送器检测转换成相关的电信号输入到 输入接口，再经过 A/D 转换成控制量 定值 控制量 过 减法运算成了偏差信号 e ,又输入到 节器中，又开始了新的调节。所以系统能实时地调节水箱的液位。 4、工作安排 周 完成文献检索、文献综述和英文翻译 周 完成开题报告，熟悉实验装置等 周 完成 制器设计与计算、学习 完成编程等 周 完成实验调试 周 毕业实习 周 完成毕业论文 周 毕业答辩 毕 业 设 计 论 文 文 献 综 述 学院： 系别： 班级： 学生： 指导老师： 日期： 摘要 ： 本文讨论 信号处理的最新发展情况， 包括数字信号处理和电流模式模拟信号处理的发展，信号处理所涉及到的个部分：传感器，模拟量输入通道 出量输出通道 中 为信号处理器，多路开关，采样保持器（ S/H） ,信号放大器和 A/D 转换器和 I/O 接口电路。 为 I/O 接口电路， D/A 转换器 隔离级，输出级和执行级 。 关键词 ： 信号处理的发展；传感 器；模拟量输入通道； 模拟 量输出通道 1、 引言 “过程控制”是一门与工业生产过程联系十分密切的科目。随着科学技术的 飞速发展，过程控制也在日新月异的发展。它不仅在传统工业改造中，起到了提高质量，节约原材料和能源，减少环境污染等十分重要的作用，而且正在成为新建的规模大 ，结构复杂的工业生产过程中不可缺少的组成部分 (1) 在工业生产过程中 ,液位变量是一个常见而广泛的过程参数之一。 液位控制装置具有非线性、滞后、耦合等特点 ,难以对其进行精确控制 模糊控制是行之有效的控制方法之一 。 但在模糊控制系统的设 计过程中 ,存在大量繁琐的工作 ,如控制器结构的确定 ,隶属函数的选取、各种规则的获取 ,参数的调整等 糊控制 。 信号处理 是过程控制中的重要组成部分。本文讨论信号处理的最新发展情况， 包括数字信号处理和电流模式模拟信号处理的发展，信号处理所涉及到的个部分：传感器 ，模拟量输入通道 模拟 量输出通道 其中 为信号处理器，多路开关，采样保持器（ S/H） ,信号放大器和A/D 转换器和 I/O 接口电路。 为 I/O 接口电路， D/A 转换器隔离级，输出级和执行级。 2、 信号处理的发展 字信号 处理器的发展 步入 21 世纪之后 ,社会进入数字化的时代 ,而数字信号处理器 (是这场数字化革命的核心从 20 世纪 60 年代数字信号处理理论的崛起 ,到 20 世纪 8 年代世界上第一个单片可编程 片产生以来 ,数字信号处理器的发展迅猛异常 应用范围也越来越广 ,从运算速度来看 ,间已经从 20 世纪 80 年代初的 400n 降低到 40部关键的乘法器部件从 1980 年的占模区的 40%左右下降到 5%以下 ,片内 从制造工艺上来看 ,80 年代 采用 4L 的 艺 ,而现在普遍采用微米 艺 980 年的最多 64 个增加到现在的 200 个以上 ,引脚数量的增加意味着结构灵活性的增加 ,此外随着 片的发展 统的成本 ,体积 ,重量和功耗都有很大程度上的下降 。 数字信号处理是利用专用或通用数字信号处理芯片 ,通过数字计算的方法对信号进行处理 与模拟信号处理相比数字信号处理具有精确 ,灵活 ,抗干扰能力强 ,可靠性好和易于大规模集成等特点 统以数字信号处理为基础 ,与模拟信号处理系统相比 ,其优点 : 方便 由于数字 信号的电气特性简单 ,不同的 统相互连接时 ,在硬件接口上容易实现 稳定性好 数字信号处理仅受量化误差和有限字长的影响 ,处理过程不引入其他噪声 ,因此有较高的信噪比 另外模拟系统的性能受元器件参数性能影响较大 ,而数字系统基本不变 ,因此数字系统更便于测试 ,调试 ,及批量生产 容易实现复杂的算法 在 统中 ,片提供了一个高速计算平台 ,系统功能依赖于软件编程实现 当其与现代信号处理理论和计算数学相结合时 ,可以实现复杂的信号处理功能 现代 及其外围电路综合集成在单一芯片上 这种结构便于设计便携式高集成度的数字产品 现代 片作为可编程超大规模集成 (件 ,通过可下载的软件或固件来实现数字信号处理功能 片除具有普通微处理器的高速运算和控制功能外 ,还针对高数据传输速率 ,数值运算密集的实时数字信号处理 ,在处理器结构 ,指令系统 ,和指令流程设计上做了较大改动 其结构特点有 : 片普遍采用改进的哈佛结构 ,即数据总线和程序总线相互分离 ,这使得处理指令和数据可以同时进行 ,提高了处理效率 片大多采用流水线技术 ,即 每条指令的执行划分为取指 ,译码 ,取数等若干步骤 ,由片内多个功能单元分别完成 这相当于多条指令并行执行 ,从而大大提高了运行速度 加法器和特殊指令 ,适用于需要大量乘累加器操作的矩阵运算 ,滤波 ,码和相关的专用信号处理运算 片一般都带有 制器 ,外部存储器 ,外部存储器扩展接口 ,串行通信 ,配合片内多总线结构可以实现大吞吐量数据传送 片一般配有中断 处理器 ,定时器 ,片内存储器和锁相环 (片内集成外设 ,可以方便的实现一个嵌入式自封闭控制的处理系统 适于便携式数字终端设备 发展趋势 : 核结构进一步完善 ; 微处理器的融合 ; 低成本的 ,主要执行智能定向控制任务的通用微处理器 ,但其数字信号处理能力很差 ,能正好与其 相互补充 ; 高档 融合 ; 融合 ; 融合 ; 实时操作系统 合 (2) 流模式模拟信 号处理的发展 多年来，电子工程师似乎总是认为世界是由电压所支配，安培只是从属于伏特，微电子技术 和 飞速发展，使得象运算放大器这样的压控 本积木块及其电路得到广泛地研究 和使用 ，从而加 大 了人们电压主宰世界的认识，以至认为象跨导放大器这样的流控器件用处 不大。然而，双级型晶体管和 现有的 本积木块和压控技术可很方便地实现电压控制信号处理如 路，但并不容易构成电流放大器及其有关电路实现如 有良好的电流信号处理能力，许多宽带电路的功能把电流而不是电压作为有谅参数，以这种方式实现的电路常常比用传统的电压模式处理具有更多的优点 标准的电压运算放大器综合的电流模式电路比用同样的器件以电压模式综合实现的电路性能好得多，跨导运放极有希望发展成为模拟 的模拟门阵列最基本的积木块， 术使得全集成连续时间信号处理器的单片集成化成为可能，用电流模式方法设计的 成电路克服了电压模式 成电路的缺陷，可实现编程闭值的突触阵列，从而为神经计算机的 现提供了新的途径 。 目前，集成电路的设计由于电流模式电路技术的发展和应用而获得了新的生长点，模拟 最新进展使得开发和实现电流模式信号处理成为可能 换器、 A/D 和 D/A、采样数据和连续时间滤波器、自校正系统，编程系统、 工神经网络 )和神经计算机等许多问题提供了最有吸引力的途径，并将对微电子学与信息科学、计算机科学与 制与机器人等领域的发展产生重要的影响 88 年 授等人介绍了电流模式信号处理的一些新近进展 s， 引起了人们的广泛兴趣， 1988 年和 1990 年 路与系统国际会议上开辟了“电流模式信号处理”专门小组报告和大会前的专题学术付论会，并把其作为 模拟信号处理的重点前沿方向，一场“电流模式信号处 理的热潮正在国际上迅速兴起。人们预计电流模式模拟信号处理与 计技术的发展将会改变目前电压模式模拟信号处理统治 局面，形成与其共同发展、互为补充、互相兼容的新格局 十年前就有人在此领域作过努力与尝试 于电压模式术的迅速发展而淹没了这些工作，也正是由于电压模式信号处理 技术和展到今天，给电流模式信号处理的实现提供了技术上的可能性，同时随着现有模拟 术的迅速发展和广泛应用，使得人们得以认识电压模式信 号处理和 术的局限性，从而开始考虑电流模式信号处理的能力，促进了电流模式信号处理的诞生和发展 电优模式信号处理的发展现状作一评述，讨论电流模式信号处理与集成电路设计的基本方法，展望其发展前景并指出有关前沿研究课题，以期促进我国在这一新领城的研究和发展 .（ 3） 3、 液位传感器 适用于测液位的传感器有很多种，现在简要介绍几 种： 敏电阻传感器 热敏电阻 是一种利用半导体制成的敏感元件，其特点是电阻率随温度而易变化。热敏电阻因其电阻温度系数大，灵活度高；热惯性小，反应速度快；体积小，结构简单；使用方便，寿命长，易实现远距离测量等特点得到广泛地应用。 作液面位置传感器用的热敏电阻通以电流将引起自身发热，当处于两种不同介质中，电阻的散热条件不同，流过的电流也不同。通过电流表的指示可以反映液面的水平位置，如图 3（ 4） 容式液位传感器 电容式液位传感器是利用被测介质液面变化为电容变化的一种介质变化型电容式传感器。 图 3用于被测介质是非导电物质时的电容式传感器。当被测液面变化时，两电极间的介质常数将发生变化，从而导致电容的变化。 图 3容式液位传感器 1 2 3图 3用于测量导电液体的液位。液面变化时相当于外电级的面积在改变，这是一种变面积型电容传感器 （ 5） 感式液位传感器 电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感的改变这一物理现象来实现 测量的。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为 自感式和互感式两大类。图 3于液位的变化，沉筒所受浮力也将产生变化，这一变化转变的位移，从而改变了差动变压器的输出电压，这个输出值反映了液位的变化值 。 （ 6） 4、 过程通道 过程通道是在微机和生产过程之间设置的信息传递和转换的连接通道 ，它包括数字量输入通道，模拟量输入通道，数字量输出通道，模拟量输出通道。生产过程的各种参数通过数字量输入通道或模拟量输入通道送入微机，微机经过计算机和处理后所得结果通过数字量输出通道或模拟量输出通 道送到生产过程，从而实现生产过程的控制。液位控制的过程通道是由模拟量输入通道和 模拟 量输出通道组成。 拟量输入通道 1. 道的一般结构 模拟量输入通道因检测系统本身的特点、实际应用的要求等因素的不同，可以有不同 的 形式。比如，对于高速系统，特别是需要同时得到系数众多数据的系统，可系统，可采用图 4示结构。其特点是速度快，工作可靠。即使某一通路有故障，也会影响其他通路正常工作。 但通道越多，成本越高，而且会使系统体积大，也给系统较准带来困难。如对几百路 信 号巡检采集数据，采用这种结构很难实现。因此，通 常采用的结构是多路通道共享采样 /保持和模数转换电路。 图 4示为多路模拟输入通道的一般结构。由图可见，多路 信号处理、多路开关、放大器、采样保持器和模数转换组成。 信号处理器的功能是对来现场的多路模拟信号滤波、隔离、电平转换、非线性补偿、电流电压转换等。多路开关将多路信号按一定顺序要求切换到放大器的输入端。放大器是将传感器输出的弱信号放大到 A/D 转换器所 需电平。采样保持器的作用 ，一是保证 A/提高转换精度； 二是可将多个相关的检测点在同一时刻的状态量保持下来，以 供分时转换和处理，确保每个检测量在时间上的一致性。若模拟输入电压信号变化缓慢， A/ S/A/D 将模拟信号转换成数字信号，以使计算机能够接收 。 2. 道中的信号变换 1） 信号的采样 信号的采样过程如图 4行采样动作的是采样器 S, 闭合一个时间 r。 T 称为采样周期， r 称为宽度。时间和幅值上均连续的模拟信号 Y(t)通过采样器后，被变换为时间上离散的采样信号 Y*(t)。模拟信号到 采样信号的变换过程称为采样过程或离散过程。 采样信号 Y*(t)是否能如实的反映 模拟信号 Y(t)的所有变化与特征呢？香农采样定理指出：如果模拟信号（包括噪声干扰在内）频谱的最高频率为要按照采样频率进行采样，那么采样信号 Y*(t)就能唯一地复现 Y(t)。采样定理给出了 Y*(t)唯一地复现 Y(t)所需的最底采样频率。实现 应用中，常取05( 。 2） 量化 采样信号在时间轴上是离散的，但在函数轴上仍然是连续的，因为连续信号Y(t) 幅值上的变化，也反映在采样信号 Y*(t)上。所以，采样信号仍然不能进入微机。微机只能接受在时间上的离散，幅值上变化也不是连续的数字信号。 将采样信号 转换为数字的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是 A/字长为 n 的 A/D 转换器把围内变化的采样信号，变换为数字 012 n ，其最低有效位所对应的模拟量 )12/()(m i nm a x 在 的量化误差。例如， q=20化误差为 ， 量化结果是相同的，都是数字 50。 在 A/化误差足够小，可以认为数字信号近似于采样信号，在这种条件下，数字信号系统可沿用采样系统的理论和方法进行分析、设计。 （ 7） 3. A/A/工作原理可分为比较式和积分式两 大类。 比较式 A/而将模拟量转换成数字量。由于是准电压的产生及比较方法不同，比较式 A/中斜坡比较式属于开环比较式，结构简单，转换的是被测量的瞬间值，但抗干扰能力差，准确度低 。逐次逼近式属于闭环比较式，速度快，准确度高，应用广泛。 积分式 A/被测量转化成中间量（时间或频率），然后再将中间量转换成数字量。积分式 A/D 转换测量的平均值，它的抗干扰能力强，准确度高，但速度较慢。积分式 A/时间（ 换式和电压 换式，每一种根据转换的特点又分为若干类。 （ 8） 拟 量输出通道 1. 一般 结构 模拟 量输出通道 有以下两种基本结构形式。 1） 多通道独立 D/这种形式的结构如图 4于目前 D/以这种连接方式的不需要采样保持器。一旦数据送入 D/A 转换器只要没有新的数据输入，它就保持原来的输出值。这种结构的组成包括： I/受来自 址及控制信号，并向 体器件如 8155。 D/作用是数字量转换成相应的模拟量，下面会讲到。 隔离级：将计算机与被控对象隔离开来，以防止来自现场的干扰。图 4外可将隔离移到 D/A 转换器之前，构成数字式隔离。 输出级：由运算放大器， V/提供不同形式的输出信号。 执行器：其作用是接受微机通过 来的控制信号，并转换成执行机构的动作，使生产过程按照预先规定的要求正常进行。她包括电动、气动和液压执行器械。 多通道独立 D/A 转换器结构的优点 是转换速度快，工作可靠、精度高且各个通道互相独立而互不影响。缺点是 使用较多 D/资较高。工业控制中多采用此种形式。 2） 多通道共享 D/这种形式由于 D/以每一个模拟量输出通道都需要一个采样保持器 S/H, 如图 4 图中的采样保持器的作用是将 D/A 转换器输出的离散模拟量转换成执行器件能接受的连接信号，即把上一时输出的采样值保持到下一次输出。 这种结构的优点是节省 D/于公用一个 D/A，在 制下分时工作， D/过多路开关给各路输出采样保持器，而保持器不能长久保持信号不变，因此 这种结构精度较差，只适用转换数字要求不高、通路较多的情况 （ 9） 2. D/D/ D/A 转换器 中包含由电阻（或电容）和开关组成的网络。模拟参考电压在网络的输入端。被转换的数字信号控制网络中开关的闭合，改变网络的参数，从而使网络输出与数字量相对应的模拟电流或电压。这样就实现了数 种类很多，绝大多数 为电流输出，有的兼有电流和电压输出；输出模拟量和输入数字量之间的函数关系既有线性的，也有非线性的；数字信号输入方式有 并行的，也有串行的；多数 D/可以通过改变外部接线，对补码 、反码、偏移二进制码或符号 际产品的结构不一定包括图中所有部分，但虚线中的部分则应是必备的。 5、 参考文献 1. 金以慧 过程控制 清华大学出版社 （ 第 3页） 2. 程翔等 字信号处理器发展及应用简介 山东电子 第 1期 3. 焦李成 电流模式模拟信号处理的进展与展望 电子学报 第 7期 4. 马西秦 自动检测技术 机械工业出版社 第 2版 （ 3233 页） 5. 马西秦 自动检测 技术 机械工业出版社 第 2版 （ 5152 页） 6. 马西秦 自动检测技术 机械工业出版社 第 2版 （ 6162 页） 7. 杨宁 微 机控制技术 高等教育出版社 （ 1113页） 8. 陶时澎 电气测量 哈尔滨工业大学出版社 （ 8687页） 9. 杨宁 微机控制技术 高等教育出版社 （ 4142页） 电气测量 哈尔滨工业大学出版社 （ 8283页） 毕业设计论文 信息与电子工程系 课题名称： 基于 液位控制系统的设计 学生姓名： 学号 : 指导教师： 报告日期： 第一章 绪 论 定义及现状 可编程控制器出现前，继电器控制在工业控制领域占据主导地位。但是继电器控制系统具有明显的缺点：设备体积大、可靠性低、故障查找困难以及维修不方便。由于接线复杂，当生产工艺和流程改变时必须改变接线，因此，其通用性和灵活 性较差。 20 世纪 60 年代，计算机技术开始应用于工业控制领域，但由于价格高、输入输出电路不匹配、编程难度大以及难以适应恶劣工业环境等原因，未能在工业控制领域获得推广。 20世纪 60年代末，美国汽车制造工业竞争激烈，为适应生产工艺不断更新的需要， 1968 年美国通用汽车公司（ 出了研制新型逻辑顺序控制装置的十项招标指标。主要内容是： 1) 编程方便，可现场修改程序。 2) 维修方便，采用插件式结构。 3) 可靠性高于继电器控制装置。 4) 体积小于继电器控制盘。 5) 数据可直接送入管理计算机。 6) 成本可与继电器控制盘竞争。 7) 输入可为市电 8) 输出可为市电，容量要求在 2直接驱动接触器等。 9) 扩展时原系统改变最小。 10) 用户存储器大于 4 这些实际上提出了将继电器控制的简单移动、使用方便、价格低的优点与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电接触器控制的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。美国数字设备公司（ 标，并于 1969年研制出第一台可编程控制器 美国通用汽车公司的生产线上试用成功，并取得了满意的效果，可编程控制器自此诞生。 随着电子技术的发展 ， 可编程控制器 (原来简单的逻辑量控制 ， 逐步具备了计算机控制系统的功能 ， 同时 ， 还具有抗干扰性强 、 可靠性强 、 体积小 、 编程方便 、 修改容易 、 网络功能强大等显著优点 ， 它可以与计算机一起组成功能完备的控制系统 。 般由上、下位微机组成主从式控制系统。 成数据采集、状态判别、输入输出控制等，上位机（微型计算机、工业控制机），完成采集数据信息的存储、分析处理、复杂运算、状态显示以及打印输出，以实现对系统的 实时监控。微型计算机与 够充分发挥各自的优点和功能，实现优势互补。 可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原理设计。 编程十分方便 。 采用 克服了以往仪表控制的单回路调节器的缺点 ， 可以由用户自己定义控温曲线 ， 同时利用 与输入 、 输出信号通过简单的编程实现连锁 ， 可以对各种故障情况及时做出反应 ， 使控制系统更加安全可靠 。 信号处理的现状和发展 (1) 步入 21 世纪之后 ,社会进入数字化的时代 ,而数字信号处理器 (是这场数字化革命的核心从 20 世纪 60 年代数字信号处理理论的崛起，到 20 世纪 80 年代世界上第一个单片可编程 片产生以来 ,数字信号处理器的发展迅猛异常 应用范围也越来越广。 现代 片作为可编程超大规模集成 (件 ,通过可下载的软件或固件来实现数字信号处理功能 片除具有普通微处理器的高速运算和控制功能外 ,还针对高数据传输速率 ,数值运算密集的实时数字信号处理 ,在处理器结构 ,指令系统 ,和指令流程设计上做了较大改动 其结构特点有 : 片普遍采用改进的哈佛结构 ,即数据总线和程序总线相互分离 ,这使得处理指令和数据可以同时进行 ,提高了处理效率 片大多采用流水线技术 ,即每条指 令的执行划分为取指 ,译码 ,取数等若干步骤 ,由片内多个功能单元分别完成 这相当于多条指令并行执行 ,从而大大提高了运行速度 加法器和特殊指令 ,适用于需要大量乘累加器操作的矩阵运算 ,滤波 ,码和相关的专用信号处理运算 片一般都带有 制器 ,外部存储器 ,外部存储器扩展接口 ,串行通信 ,配合片内多总线结构可以实现大吞吐量数据传送 片一般配有中断处理器 ,定时器 ,片内存储器和锁相环 (片内集成外设 ,可以方便的实现一个嵌入式自封闭控制的处理系统 适于便携式数字终端设备 发展趋势 : 核结构进一步完善 ; 微处理器的融合 ; 低成本的 ,主要执行智能定向控制任务的通用微处理器 ,但其数字信号处理能力很差 ,能正好与其相互补充 ; 高档 融合 ; 融合 ; 融合 ; 实时操作系统 合 (2) （ 2）电流模式模拟信号处理的 发展 多年来，电子工程师似乎总是认为世界是由电压所支配，安培只是从属于伏特，新近的研究表明，由标准的电压运算放大器综合的电流模式电路比用同样的器件以电压模式综合实现的电路性能好得多，跨导运放极有希望发展成为模拟的模拟门阵列最基本的积木块， 术使得全集成连续时间信号处理器的单片集成化成为可能，用电流模式方法设计的 成电路克服了电压模式 成电路的缺陷，可实现编程闭值的突触阵列，从而为神经计算机的现提供了新的途径。 目前，集成电路的设计由于电流模式电路技术的发展和应用而获得了 新的生长点，模拟 最新进展使得开发和实现电流模式信号处理成为可能 换器、 A/D 和 D/A、采样数据和连续时间滤波器、自校正系统，编程系统、 工神经网络 )和神经计算机等许多问题提供了最有吸引力的途径，并将对微电子学与信息科学、计算机科学与 制与机器人等领域的发展产生重要的影响 88 年 授等人介绍了电流模式信号处理的一些新近进展 s，引起了人们的广泛兴趣， 1988 年和 1990 年 路与系统国际会议 上开辟了“电流模式信号处理”专门小组报告和大会前的专题学术付论会，并把其作为 模拟信号处理的重点前沿方向，一场“电流模式信号处理的热潮正在国际上迅速兴起。人们预计电流模式模拟信号处理与 计技术的发展将会改变目前电压模式模拟信号处理统治 局面，形成与其共同发展、互为补充、互相兼容的新格局 十年前就有人在此领域作过努力与尝试 于电压模式术的迅速发展而淹没了这些工作，也正是由于电压模式信号处理技术和展到今天，给电流模式信号处理的实现提供了技术上的可能性 ，同时随着现有模拟 术的迅速发展和广泛应用，使得人们得以认识电压模式信 号处理和 术的局限性，从而开始考虑电流模式信号处理的能力，促进了电流模式信号处理的诞生和发展 电优模式信号处理的发展现状作一评述，讨论电流模式信号处理与集成电路设计的基本方法，展望其发展前景并指出有关前沿研究课题，以期促进我国在这一新领城的研究和发展 . （ 3） 现场总线 现场总线 (是通讯总线一直延伸的现场仪表，使得许多现场仪表，如变送器、调节阀、基地式控 制器、记录仪、显示器、 象一点，可以把现场总线看成是用全数字化、多向、多变量的通信方式来替代目前使用的 49。 现场总线的功能特点及趋势如下： 现场总线的互操性是指允许现场总线中集成不同厂家的产品。并允许用不同厂家的设备来更换故障设备。现场总线设备的互操性由功能块和设备描述两个基本部分来保证。功能块提供了通用的结构 ,适用于定义的输入、输出、控制算法、事件、报警和块控制图。各厂家的 相同等级的设备的功能块是通用的 ,这样就保证了系统的完整性。功能块还允许功能的转移 ,尤其是将控制策略转移到现场设备上去。例如 :通过现场总线的数据通信 ,将 随着生产的发展 ,人们对生产过程和生产过程设备的管理水平不断提高 ,对质量管理 ,法规执行情况的监督要求也不断提高。这要求过程控制系统不仅能传送生产过程的控制信息 ,还要能传送大量的非控制信息。现行的生产过程控制系统中所传送的信息 ,大部分为与生产过程控制有关的控制信息。今后的 生产过程中 ,总的信息量是会有较大的增加，其中控制信息量所占的比重要小于非控制信息量所占的比重。现场各种智能化设备的广泛使用和非控制信息量的加大为在线管理生产过程的现场设备提供了可能。使过程控制变化为过程管理 ,即 :过程管理 =过程控制 +设备管理。 论文内容的研究工作 本文的主要内容包括：水箱的特性确定与实验曲线分析；应用 句编程来控制水箱水位； 编程控制器的硬件掌握； 数的整定及各个参数的控制性能的比较和应用 制算法所得到的实验曲线分析以及在过程控制中遇到的问题分析。 第二章 液位控制技术基础和控制对象 本次设计是基于 列中小型 计的，运用 法实现水箱液位的控制。本章将主要介绍液位控制系统的设计的技术基础和控制对象的特性。 门子 制系统 大、中型 如西门子的 7般采用模块式结构，用搭积木的方法来组成系统，模块式 机架和模块组成， 模块化的中小型 用于中等性能的控制要求。品种繁多的 户可以根据系统的具体情况选择合适 的模块，维修时更换模块也很方便。当系统规模扩大和更为复杂的时候，可以增加模块，对 单实用的分布式结构和强大的通信联网能力，使其应用十分灵活。 块集成了过程控制功能，用于执行用户程序。每个 有一个编程用的 以和计算机连接， 现在使用的实验系统装置带有了集成的现场总线 口， 需要附加任何硬件、软件和编程，就可以建立一个 点接口）网络，这套实验 装置由 口，可以建立一个 络。 为下位机，利用计算机作为上位机进行编程。功能强大的 12 8192个存储器位， 512 个定时器和 512个计数器，数字量通道最大为 65536 点，模拟量通道最大为 4096 个，由于使用 为完全无维护的控制设备。 主要特点是： （ 1） 功能强 极强的计算性能，完善的指令集， 口和通过 网的网络功能，使 强劲的内部集成功能，全面的故障诊断 功能、口令保护，便利的连接系统和无槽位限制的模块化结构。 （ 2） 快速 极其快速的指令处理大大地缩短了循环周期。 （ 3） 通用，着眼未来 满足各种要求的高性能模块和三种 模块可扩展至最多三个扩展机架，相当高的安装密度。 用于与 他产品相连的接口，集成了 机界面）设备，用户友好的 程，使得 为对未来的安全投资。 控制策略的介绍 毕业设计控制的是上下水箱的液位。只控制上水箱液位，采用单闭环 节，控制上水箱下水箱的液位，采用双闭环的 串级 采用 制调节器参数的整定，下面就介绍 制算法 典型的 拟控制系统如图 3中 给定值， 反馈量， 系统输出量， i n i t i a /10（ 3 即输出 =比例项 +积分项 +微分项 +输出初始值，式中， )(控制器的输出，误差信号 , 回路输出的初始值， 路的增益， 别是积分时间和微分时间常数。 式（ 3等号右边前 3项分别是比例、积分、微分部分，它们分别与误差、误差的积分和微 分成正比。如果取其中的一项或两项，可以组成 P、 制器。 图 3模拟量闭环控制系统 如 :温度、流量、压力和速度。 一个具有 过程控制中某个变量出现偏差时， 变量保持在设定值上。 需要较好的动态品质和较高的稳态精度时，可以选用 制方式；控制对象的惯性滞后较大时，应选择 2突变到比例（ P）作用、比 例积分（ 用和比例积分微分（ 用下，被调量 以看出比例积分微分作用效果为最佳，能迅速地使y 达到设定值 x。比例积分作用则需要稍长的时间。比例作用则最终达不到设定值，而有余差。 图 2制特性 为了方便计算机实现 须把微分方程式（ 2写成差分，作如下的近似，即 （ 2 T 1()( （ 2 其中 n=0， 1， 2，）， e（ e（ n）分别为第（ 第 式（ 2式（ 2 9）代入式（ 2 7）中可得差分方程 i n i t i a )1()()()()(0（ 2 10） 其中 M(n)为第 果控制周期 么这种近似是合理的，并与连续控制十分接近。式（ 2 5）即是理想微分 数整定 调节器参数的整定是过程控制系统设计的核心内容，它的任务是：根据被控过程对象的特性确定 节器的比例度 ，积分时间 及 微分时间 大小。 调节器参数整定的方法很多，概括起来可以分为两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，采用控制理论种根轨迹法、频率特性法等，经过理论计算确定调节器参数的数值，这种方法计算复杂，而且过依赖数学模型，所得到的计算数据未必可直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定法，它 主要依赖工程经验，直接在过程控制系统的实验中进行，方法简单，易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 调节器参数的工程整定方法，主要有临界比例度法、反应曲线法和衰减曲线法。 对于温度控制系统来说，反应时间比较长，采用临界比例度法是不适合的。在过程控制实验过程中采用的是反应曲线法来对控制调节器进行参数的整定。 数性能 制器参数，比例系数 (增益 )分时间常数 分时间常数 2。 比例系数对系统性 能的影响： 对动态性能的影响： 比例系数加大，系统动作迅速， 振荡次数加多，调节时间加长，太大的时候，系统会趋于不 稳定， 小，由会使系统的动作缓慢。 对稳态性能的影响： 加大比例系数，在系统稳定的情况下，可以减小稳态误差，提高控制精度；但是只是较小稳态误差，不能完全消除稳态误差 积分时间常数 对动态性能的影响： 小时，系统将不稳定，偏小时，则系统振荡次数较多。 大，对系统性能的影响减少。当 渡过程的特性则比较理想 对稳态性能 的影响： 积分控制能消除系统的稳态误差，控制系统的控制精度，。但是若 大时，积分太弱，以至不能减小稳态误差。 微分时间常数 系统性能的影响： 微分控制可以改善动态特性，如超调量减小，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。 当 调量较大，调节时间较长 当 调量也较大，调节时间也较长 只有 以得到比较满意的过渡过程 信号处理 信号处理所涉及到的个部分：传感器，模拟量输入通道 出量输出通道 中 为信号处理器，多路开关，采样保持器（ S/H） ,信号放大器和 A/D 转换器和 I/O 接口电路。 为 I/O 接口电路， D/A 转换器隔离级，输出 级和执行级 。 位传感器 适用于测液位的传感器有很多种，现在简要介绍几种： （ 1） 热敏电阻传感器 热敏电阻是一种利用半导体制成的敏感元件，其特点是电阻率随温度而易变化。热敏电阻因其电阻温度系数大，灵活度高；热惯性小，反应速度快；体积小，结构简单；使用方便，寿命长，易实现远距离测量等特点得到广泛地应用。 作液面位置传感器用的热敏电阻通以电流将引起自身发热，当处于两种不同介质中，电阻的散热条件不同，流过的电流也不同。通过电流表的指示可以反映液面的水平位置，如图 3 4） （ 2） 电容式液位传感器 电容式液位传感器是利用被测介质液面变化为电容变化的一种介质变化型电容式传感器。 图 3电容式传感器。当被测液面变化时，两电极间的介质常数将发生变化，从而 导致电容的变化。 图 3容式液位传感器 1 2 3图 3用于测量导电液体的液位。液面变化时相当于外电级的面 积在改变，这是一种变面积型电容传感器 （ 5） （ 3） 电感式液位传感器 电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感的改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为自感式和互感式两大类。图 3于液位的变化，沉筒所受浮力也将产生变化，这一变化转变的位移，从而改变了差动变压器的输出电压，这个输出值反映了液位的变化值。 （ 6） 程通道 过程通道是在微机和生产过程之间设置的信息传递和转换的连接通道，它包括数字量 输入通道，模拟量输入通道，数字量输出通道，模拟量输出通道。生产过程的各种参数通过数字量输入通道或模拟量输入通道送入微机，微机经过计算机和处理后所得结果通过数字量输出通道或模拟量输出通道送到生产过程，从而实现生产过程的控制。液位控制的过程通道是由模拟量输入通道和模拟量输出通道组成。 拟量输入通道 1. 道的一般结构 模拟量输入通道因检测系统本身的特点、实际应用的要求等因素的不同，可以有不同的形式。比如，对于高速系统，特别是需要同时得到系数众多数据的系统，可系统，可采用图 4示结构。其特点是 速度快，工作可靠。即使某一通路有故障，也会影响其他通路正常工作。 但通道越多，成本越高，而且会使系统体积大，也给系统较准带来困难。如对几百路信号巡检采集数据，采用这种结构很难实现。因此，通常采用的结构是多路通道共享采样 /保持和模数转换电路。 图 4示为多路模拟输入通道的一般结构。由图可见，多路 信号处理、多路开关、放大器、采样保持器和模数转换组成。 信号处理器的功能是对来现场的多路模拟信号滤波、隔离、电平转换、非线性补偿、电流电压转换等。多路开关将多路信号按一定顺序要求切换到放大器的输入端。 放大器是将传感器输出的弱信号放大到 A/D 转换器所需电平。采样保持器的作用 ，一是保证 A/提高转换精度；二是可将多个相关的检测点在同一时刻的状态量保持下来，以供分时转换和处理，确保每个检测量在时间上的一致性。若模拟输入电压信号变化缓慢， A/ S/A/D 将模拟信号转换成数字信号，以使计算机能够接收 。 2. 道中的信号变换 1） 信号的采样 信号的采样过程如图 4行采样动作的是采 样器 S, 闭合一个时间 r。 T 称为采样周期， r 称为宽度。时间和幅值上均连续的模拟信号 Y(t)通过采样器后，被变换为时间上离散的采样信号 Y*(t)。模拟信号到采样信号的变换过程称为采样过程或离散过程。 采样信号 Y*(t)是否能如实的反映模拟信号 Y(t)的所有变化与特征呢？香农采样定理指出：如果模拟信号（包括噪声干扰在内）频谱的最高频率为要按照采样频率进行采样，那么采样信号 Y*(t)就能唯一地复现 Y(t)。采样定理给出了 Y*(t)唯一地复现 Y(t)所需的最底采样频率。实现应用中，常取05( 。 2） 量化 采样信号在时间轴上是离散的，但在函数轴上仍然是连续的，因为连续信号Y(t) 幅值上的变化，也反映在采样信号 Y*(t)上。所以，采样信号仍然不能进入微机。微机只能接受在时间上的离散，幅值上变化也不是连续的数字信号。 将采样信号转换为数字的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是 A/长为 n 的 A/D 转换器把围内变化的采样信号，变换为数字 012 n ，其最低有效位所对应的模拟量 )12/()(m i nm a x 在 的量化误差。例如， q=20化误差为 ， 量化结果 是相同的，都是数字 50。 在 A/化误差足够小，可以认为数字信号近似于采样信号，在这种条件下，数字信号系统可沿用采样系统的理论和方法进行分析、设计。 （ 7） 3. A/A/工作原理可分为比较式和积分式两大类。 比较式 A/而将模拟量转换成数字量。由于是准电压的产生及比较方法不同，比较式 A/中斜坡比较式属于开环比较式，结构简单，转换的是被测量的瞬间值，但抗干扰能力 差，准确度低。逐次逼近式属于闭环比较式，速度快，准确度高，应用广泛。 积分式 A/被测量转化成中间量（时间或频率），然后再将中间量转换成数字量。积分式 A/D 转换测量的平均值，它的抗干扰能力强，准确度高，但速度较慢。积分式 A/时间（ 换式和电压 换式，每一种根据转换的特点又分为若干类。 （ 8） 拟量输出通道 1. 模拟量输出通道有以下两种基本结构形式。 1） 多通道独立 D/这种形式的结构如图 4于目 前 D/以这种连接方式的不需要采样保持器。一旦数据送入 D/A 转换器只要没有新的数据输入，它就保持原来的输出值。这种结构的组成包括： I/受来自 址及控制信号，并向 体器件如 8155。 D/作用是数字量转换成相应的模拟量，下面会讲到。 隔离级：将计算机与被控对象隔离开来，以防止来自现场的干扰。图 4外可将隔离移到 D/A 转换器之前，构成数字式隔离。 输出级：由运算放大器， V/提供不同 形式的输出信号。 执行器：其作用是接受微机通过 来的控制信号，并转换成执行机构的动作，使生产过程按照预先规定的要求正常进行。她包括电动、气动和液压执行器械。 多通道独立 D/A 转换器结构的优点是转换速度快，工作可靠、精度高且各个通道互相独立而互不影响。缺点是使用较多 D/资较高。工业控制中多采用此种形式。 2） 多通道共享 D/这种形式由于 D/以每一个模拟量输出通道都需要一个采样保持器 S/H, 如图 4 图中的采样保持器的作用是将 D/A 转换器输出的离散模拟量转换成 执行器件能接受的连接信号，即把上一时输出的采样值保持到下一次输出。 这种结构的优点是节省 D/于公用一个 D/A，在 制下分时工作， D/过多路开关给各路输出采样保持器，而保持器不能长久保持信号不变，因此这种结构精度较差，只适用转换数字要求不高、通路较多的情况 （ 9） 2. D/D/ D/A 转换器中包含由电阻（或电容）和开关组成的网络。模拟参考电压在网络的输入端。被转换的数字信 号控制网络中开关的闭合，改变网络的参数，从而使网络输出与数字量相对应的模拟电流或电压。这样就实现了数 种类很多，绝大多数 为电流输出，有的兼有电流和电压输出；输出模拟量和输入数字量之间的函数关系既有线性的，也有非线性的；数字信号输入方式有并行的，也有串行的；多数 D/可以通过改变外部接线，对补码、反码、偏移二进制码或符号 际产品的结构不一定包括图中所有部分，但虚线中的部分则应是必备的。 程控制实验对象系统 在 毕业设计中用到 过程控制实验对象系统、 过程控制实验仪表控制台和西门子 制系统。 液位控制系统的原理图如图 2 阀 17为手动阀 压力变送器送出 420 单向泵 1：家用型单向泵 压力表：测量范围： 0 能型电动调节阀：输出电流 420制对象特性 阶单容上水箱特性 单容水箱系统结构图如图 2示，电动调节阀由 动输出，通 图 2水箱液位控制系统原理图 过阶跃响 应测试确定系统的对象模型的各参数。阶跃响应响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号）。同时，记录对象的输出数据或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象没模型的结构形式，对实验数据进行处理，决定模型中各参数。 由阶跃响应确定一阶过程参数有两种方法，一种是直角坐标图解法，一种是半对数坐标图解法。毕业设计运用直角坐标图解法确定系统一阶系统的参数。系统的阶跃响应曲线如图 2示， t=0 时曲线斜率最大，之后斜率减小，逐渐上升到稳态值 h( )，该曲线可用一阶无 时延环节来近似。 图 2阶系统阶跃响应曲线 如图 2示，设水箱进水口的进水量为 水口出水量 箱液面高度为 h。出水阀 4 固定于某一开度值。 根据物料动态平衡的关系，求得： 122 （ 2 在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得： 11)( )()( 2 21 2 式中， T 为水箱的 时间常数（阀 4 的开度大小会影响到水箱的时间常数）， T=，K=过程放大倍数， 阀 4 的液阻， C 为水箱的容量系数。令输入量 s） =R0/s， 常量，则输出液位的高度为 1)1()( 000 （ 2 根据上式，需要确定的参数是过程放大系数 K 和水箱的时间常数 T。 当 t=T 时， 有 ）（）（）（ 3 206 3 201010（ 2 即 )1()(0 （ 2 当 t时， h（） =而有 K=h（） /出稳态值 /阶跃输入。 过 t=0 作曲线切线，该切线与 h（）线交于 A 点，则 时间轴上的投影即为时间常数 T，见图 2 在一阶单容上水箱对象特性测试实验中，先设定输出值的大小，这个值根据出水阀门的开度大小来设定，初次设定的值为 ，开启单向泵电源开关，启动动力支路，将被控参数液位高度控制在（ 15上水箱 的水位趋于平衡，平衡后输出值、水箱水位高度和测量显示值如表 2示。 表 2一次稳定后的纪录值 出值 水箱水位高度 态显示值 0100 cm 速增加 动输出值，增加 5%的输出量，此引起的阶跃响应的过程参数如表 2示。，由此得到的变化曲线如图 2示。 表 2加 动输出后的过程参数 t（秒） 水箱水位 组态读数（ 图 2加输出值后的变化曲线 进入新的平衡状态，这时的数据如表 2示。 表 2的平衡状态的数据 出值 水箱水位高度 态显示值 0100 m 再将输出仪表调回到系统第一次平衡前的位置，纪录阶跃响应过程参数的曲线如图 2示。 图 2到新的平衡的曲线 由上述的实验可以根据前面所说的方法求出一阶环节的参数 T 和 K。 T=） 00)0()()( R 阶双容下水箱对象特性 二阶双容水箱的系 统结构图如图 2是由两个一阶非周期惯性环节串联 图 2水箱下水箱系统图 起来的，被调量是第二水槽的水位 输入量有一个阶跃增加 。被调量变化的反应曲线如图 2示的 线。它不再是简单的指数曲线，而是呈 图 2S 型的一条曲线。由于多了一个容器，就使调节对象的飞升特性在时间上更加落后一步。在图中 S 型曲线的拐角 P 上作切线，它在时间轴上截出一段时间 段时间可以近似地衡量由于多了一个容量而使飞升过程向后推迟的程度，因此称容量滞后，通常以 c 代表之。 设上水箱进水口的流量为双容水箱的输入量，下水箱的高度 输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为H )1)(1()()( )(2112（ 2 式中 K=23别为阀 5 和阀 6 的液阻， 2分别为上水箱和下水箱的容量系数。由式中的 K、 从由实验求得的阶跃响应曲线上求出。 开启单向泵电源开关，启动动力支路，将 输出值迅速上升到小于等于 60，将被控参数液位 高度控制在 15。系统的被调量 水箱的水位趋于平衡后，纪录 输出值、水箱液位 测量显示值如表 2示。 表 2阶双容下水箱对象特性实验第一次稳定后的纪录值 出值 水箱水位高度 态显示值 0100 m 迅速增加 动输出值，增加 10%的输出量，这时的阶跃响应过程参数如表 2的过程变化曲线如图 2 表 2出增加后的阶跃响应参数 t（秒） 水箱水位 组态读数（ 图 2出值增加后的二阶系统的过程变化曲线 进入新的平衡状态，这时的数据如表 2示。 表 2的平衡状态的数据 出值 水箱水位高度 态显示值 0100 m 再将输出仪表调回到系统第一次平衡前的位置，纪录阶跃响应过程参数的曲线如图 2示。 图 2到新的平衡的曲线 由曲线 2得出 t）的稳态值的渐近线 ）为 ，)( 212 曲线上的点 ， )( 222 和对应的时间 。利用近似公式计算式 2 6 中的参数 K、2，具体如下： 02h （阶跃输入值输入稳态值 16.2 121 ）（）（ T = ， ， 。对于式 2示的二阶过程，t1/ t1/一阶环节；当 t1/程的传递函 数 2)1()( 此时 2121 。 串级控制系统 在大多数情况下，单回路控制系统能够满足工艺生产的基本要求。但是在有些情况下，例如有些被控过程的动态特性决定了它很难控制，又例如
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