第二章-计算机控制系统过程通道设计方法(第四讲)PPT课件

1 2 1数字量过程通道的设计方法2 2模拟量输入通道设计方法2 3模拟量输出通道设计方法2 4电气控制器与执行器2 5小结 第四讲 2 2 3模拟量输出通道设计方法 模拟量输出通道的任务 将计算机处理后的数字量转换为模拟量 转换输出的模拟信号可能是电压或电流信号 这些转换后的信号送入执行机构 引起执行机构动作从而达到系统对被控对象调节的目的 2 3 1模拟量输出通道的组成2 3 2模拟量输出通道的设计 3 2 3 1模拟量输出通道的组成 AO通道的任务是把经过计算机或控制器处理得到的某些数据送回物理系统 对系统物理量进行调节和控制 AO通道一般由接口电路 数 模 D A 转换器 输出保持器 多路开关和电压 电流 V I 变换器等构成 4 1 每个通道单独设置D A转换器结构 模拟量输出通道结构图 特点 1 一路输出通道使用一个D A转换器2 D A转换器芯片内部一般都带有数据锁存器3 D A转换器具有数字信号转换模拟信号 信号保持作用4 结构简单 转换速度快 工作可靠 精度较高 通道独立5 缺点是所需D A转换器芯片较多 为何不需要多路开关 5 2 多通道共享D A转换器结构 特点 1 多路输出通道共用一个D A转换器2 每一路通道都配有一个采样保持放大器3 D A转换器只起数字到模拟信号的转换作用4 采样保持器实现模拟信号保持功能5 节省D A转换器 但电路复杂 精度差 可靠性低 占用主机时间 6 2 3 2模拟量输出通道的设计 关键问题 D A转换器与计算机的接口 硬件设计 及其程序设计 软件设计 1 D A转换器 将数字量转换成模拟量输出有电流和电压两种方式电压输出又有单极性和双极性两种方式 7 1 D A转换器的原理D A转换器一般由基准电压 解码网络 运算放大器和模拟电子开关组成 其中核心是 解码网络 常见有 权电阻解码网络 和 T型电阻解码网络 8 权电阻解码网络 4位D A转换器 可以把数字0000 1111B转换成大小不同的电流 从而在运算放大器输出端得到大小不同的电压 权电阻解码网络4位D A转换器的原理图 权电阻 9 T型电阻解码网络 T型电阻解码网络4位D A转换器的原理图 运放输出端的电压通式为 10 2 D A转换器的主要技术指标 分辨率精度线性度转换时间输出方式 5 10V或20mA 3A 11 2 D A转换器接口及程序设计 一个D A转换器接口 必须根据系统的需要选择合适的D A转换芯片 通过外围接口电路及器件 完成D A转换的信号处理 1 D A转换器的接口技术计算机与D A转换器一般是通过接口电路完成连接的 接口电路主要完成地址译码 产生控制信号等功能 需要考虑的问题如下 D A转换器中是否包含寄存器 D A转换器控制信号的连接 片选信号 写信号 启动信号 12 2 D A转换器的程序设计 并行D A转换器的典型应用 DAC0832 8位D A转换器带两个输入锁存 可直接与CPU或8031单片机相连以电流形式输出 当转换为电压输出时 应外接运算放大器数据输入可采用双缓冲 单缓冲或直通方式三种方法多芯片工作时 同步信号实现各模拟量的同时输出同系列芯片还有DAC0830 DAC0831 13 a 单缓冲方式 单缓冲方式是控制输入寄存器和DAC寄存器同时接收资料 或者只用输入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式 此方式适用于只有一路模拟量输出或几路模拟量异步输出的情形 b 双缓冲方式 双缓冲方式是先使输入寄存器接收资料 再控制输入寄存器的输出资料到DAC寄存器 即分两次锁存输入资料 此方式适用于多个D A转换同步输出的情形 c 直通方式 直通方式是资料不经两级锁存器锁存 即CS XFER WR1 WR2均接地 ILE接高电平 此方式适用于连续反馈控制线路和不带微机的控制系统 不过在使用时 必须通过另加I O接口与CPU连接 以匹配CPU与D A转换 14 DAC0832结构图及引脚 选通逻辑控制 15 各引脚功能如下 DI0 DI7 数据输入 其中DI0为最低有效位LSB DI7为最高有效位MSB CS 片选信号 输入 低电平有效 WR1 写信号1 输入 低电平有效 ILE 输入允许锁存信号 输入 高电平有效WR2 写信号2 输入 低电平有效 XFER TransferControlSignal 传送控制信号 输入 低电平有效 Iout1 DAC电流输出端1 一般作为运算放大器差动输入信号之一 Iout2 DAC电流输出端2 一般作为运算放大器另一个差动输入信号 Rfb 固化在芯片内的反馈电阻连接端 用于连接运算放大器的输出端 Vref 基准电压源端 输入 10VDC 10VDC VCC 工作电压源端 输入 5VDC 15VDC AGND 模拟电路地DGND 数字电路地 16 当ILE CS和WR1同时有效时 8位输入寄存器端为高电平 1 此时寄存器的输出端Q跟随输入端D的电平变化 反之 当LE1端为低电平 0 时 原D端输入数据被锁存于Q端 在此期间D端电平的变化不影响Q端 当WR2和XFER同时有效时 8位DAC寄存器端为高电平 1 此时DAC寄存器的输出端Q跟随输入端D也就是输入寄存器Q端的电平变化 反之 当LE2端为低电平 0 时 第一级8位输入寄存器Q端的状态则锁存到第二级8位DAC寄存器中 以便第三级8位DAC转换器进行D A转换 一般情况下为了简化接口电路 可以把WR2和XFER直接接地 使第二级8位DAC寄存器的输入端到输出端直通 只有第一级8位输入寄存器置成可选通 可锁存的单缓冲输入方式 特殊情况下可采用双缓冲输入方式 即把两个寄存器都分别接成受控方式 17 DAC0832时序图 18 DAC0832与8031单片机接口电路图 单缓冲方式 0 19 电流输出时的应用电路 20 ORG3000HSTART MOVDPTR 7FFFH 建立DAC0832地址MOVA nnH 待转换数字量送入ALOOP MOVX DPTR A 将数字量送至DAC0832并启动转换 21 D A转换器的单极性输出方式 补充 22 D A转换器的双极性输出方式 A2的作用是将A1的单向输出变为双向输出 23 串行D A转换器的典型应用 TLC5628 TLC5628是TI公司生产的可输出8路模拟电压信号的串行D A转换器 4个输入端子 采用 5V电源供电 接口电路 TLC5628与8031单片机接口原理图 24 3 模拟量输出模块 ADAM 4024 4路模拟输出 12位分辨率输出误差小 低输出电阻输入信号使用RS 485串行总线传送输出信号可以是电压 0V 10V 或电流信号 0mA 20mA或4mA 20mA 支持Modbus协议 25 2 1数字量过程通道的设计方法2 2模拟量输入通道设计方法2 3模拟量输出通道设计方法2 4电气控制器与执行器2 5小结 26 2 4电气控制器与执行器 2 4 1接触器 接触器主要用于控制电动机 电热设备 电焊机 电容器组等 能频繁地接通或断开交直流主电路 实现远距离自动控制 它具有低电压释放保护功能 在电力拖动自动控制线路中被广泛应用 27 2 4 2电磁阀 电磁阀是受电磁力控制开 闭的阀体 主要应用于液体或气体构成的液路 气路控制场合 属于开关量执行机构 是DO控制 大量应用于液压 气压系统中 尤其在自动化生产线中使用广泛 电磁阀相当于开关的作用 28 2 4 3三相异步交流电机与变频器 异步电动机具有结构简单 制造 使用 维护方便 运行可靠 成本低的优点 在各种电动机中应用最广 需求量最大 变频调速 VariableVelocityVariableFrequency 是一项集现代电力电子和计算机于一体的高效节能技术 其基本原理是通过改变电源的频率达到改变交流异步电机转速的目的 可以节约能源 29 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置 即通过改变电机工作电源频率方式控制交流电动机 变频器的主电路大体上可分为两类 电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器 直流回路的滤波是电容 电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器 其直流回路滤波是电感 变频器分为交 交和交 直 交两种形式 交 交变频器可将工频交流直接变换成频率 电压均可控制的交流 又称直接式变频器 而交 直 交变频器则是先把工频交流通过整流器变成直流 然后再把直流变换成频率 电压均可控制的交流 又称间接式变频器 目前常用的通用变频器即属于交 直 交变频器 以下简称变频器 30 图2 41交 直 交变频器结构框图 变频器的工作可以分为两个基本过程 1 先将电源的三相或单项交流电经整流桥整流成直流电 交 直变换 这方面的技术已经解决 2 再把直流电 逆变 成频率任意可调的三相交流电 直 交变换 这是长期以来要解决和不断完善的核心问题 31 2 4 4执行器的作用 工业生产过程自动调节系统一般都是由检测 调节 执行等部分和调节对象所组成 生产过程的被控变量从变送器引入 经CPU运算处理后输出操作指令给执行器控制生产过程 执行器将操作指令进行功率放大 并转换为输出轴相应的转角或直线位移 连续地或断续地去推动各种控制机构 如控制阀门 挡板 控制操纵变量变化 以完成对各种被控参量的控制 执行器主要由执行机构和调节机构两部分组成 将调节控制信号转换成为力或力矩的部分叫做电动执行机构 而各种类型的调节阀或其他类似作用的调节设备则统称为调节机构 调节机构也称为控制机构 调节阀或控制阀 32 表2 4气 电 液执行器特点比较 33 2 4 5执行器的构成 1 气动执行器构成 气动执行器 俗称气动调节阀 是以压缩空气为动力能源的一种自动执行器 它接受调节仪表送来的压力信号直接改变被调介质 如液体 气体 蒸汽等 的流量 使生产过程按预定的要求正常进行 实现生产过程自动化 气动执行器主要有二种构成 开环和闭环 开环气动执行器只能用在控制精度要求不高的场合 闭环气动执行器用在控制精度要求较高的场合 34 2 电动执行器构成 电动执行器 俗称电动调节阀 是把来自调节仪表的输出电信号 或其他调节 控制信号 用电动执行机构将其转换成为适当的力或力矩以推动各种类型的调节阀 或其他调节机构 从而达到连续调节生产过程中有关管路内流体的流量 或简单地开启和关闭阀门以控制流体的通断 电动执行器的结构原理 35 2 4 6执行机构 1 分类及特点 电动执行机构 气动执行机构 液动执行机构 优点 体积小 信号传输速度快 灵敏度和精度高 安装接线简单 信号便于远传 缺点 是应用结构复杂 输出力矩小 不能变速 指未采用变频器的执行机构 流量特性由控制机构确定等 优点 结构简单 安全可靠 输出力矩大 可以连续进行控制 价格便宜 本质安全防爆等缺点 配合气动控制器 准确度较低 优点 输出扭矩最大 也不怕执行机构的频繁动作 往往用于主汽门和蒸汽控制门的控制缺点 结构复杂 体积庞大 成本较高 36 2 技术特性 1 气动执行机构 环境恶劣易燃易爆 要求 气源设备运行安全可靠 气压稳定 压缩空气无水 无灰 无油 应是干净的气体 2 电动执行机构 要求 要有足够的转 力 矩 要有自锁特性 能手动操作 应有阀位信号 具有阀位与力 转 矩限制 37 2 4 7调节机构 控制阀 1 快开 2 直线 3 抛物线 4 等分比理想流量特性 调节阀的流量特性是指介质流过调节阀的相对流量q qmax与相对位移 即阀芯的相对开度 l L之间的关系 38 控制阀结构 39 2 1数字量过程通道的设计方法2 2模拟量输入通道设计方法2 3模拟量输出通道设计方法