计算机控制技术 第4章 数据采集系统设计
计算机控制技术(曹立学)1-4章 (1)
第1章 绪论
2. (1) 串级调节。 在简单调节回路中， 选取干扰影响特别 明显的一个中间变量， 附加一个调节器， 组成内调节回路 (或副调节回路) ， 用来初步克服干扰的影响， 同时用原回 路(称主回路) 中的调节器(主调节器) 的输出作为副调节器的 给定值， 使副调节器跟随此值达到进一步的精细调节。 这是 用一个内回路对主要干扰影响进行初调的控制系统。
第1章 绪论
3. 设备管理系统可以提供设备自身及过程的诊断信息、 管 理信息、 设备(包括智能仪表)运行状态信息、 厂商提供的设 备制造信息。 例如， Fisher Rosemoune公司推出的AMS管理 系统， 它安装在主计算机内并完成管理功能， 可以构成一个 现场设备的综合管理系统信息库， 在此基础上实现设备的可 靠性分析以及预测性维护， 将被动的管理模式改变为可预测 的管理维护模式。 AMS软件是以现场服务器为平台的T型结构， 在现场服务器上支撑模块化， 功能丰富， 为用户提供一个图 形化界面。
第1章 绪论
DDC控制系统中常使用小型计算机或微型机的分时系统来 实现多个点的控制功能。 实际上属于用控制机离散采样， 实 现离散多点控制。 这种DDC计算机控制系统已成为当前计算机 控制系统中的主要控制形式之一, DDC系统原理图如图1.2所示。
第1章 绪论 图 1.2 DDC系统原理图
第1章 绪论
第1章 绪论
(4) 分程调节。在需用不同的手段分阶段地控制一个参数 时， 采用这种调节。 例如:一个反应器的温度调节， 在正常 温度范围内用水冷却即可， 但温度达高限后需用冷冻水冷却， 低于低限时需用蒸汽加热， 方能保持正常反应。 满足这种需 要的调节称分程调节。 在分程调节中， 由一个测量元件、 一 个调节器及三个调节阀组成系统， 由三个调节阀分别控制冷水、 冷冻水和蒸汽的流量。 冷水阀通常调整到当温度在低限时全关， 高限时全开； 冷冻水阀在温度高限时全关， 温度超过高限时 开启； 蒸汽阀在温度低限时全关， 再低时开启。 为了避免冷 水阀及冷冻水阀在超高限时同时开启， 还要增加一个冷水阀超 高限自动关闭装置， 这样就可以进行分程调节了。 分程调节 系统的调节质量类似简单调节， 若需提高， 宜采用串级调节、 前馈调节等改进措施。
《计算机控制技术》课件
contents
目录
• 计算机控制技术概述 • 计算机控制系统组成 • 计算机控制系统的基本原理 • 计算机控制系统的设计方法 • 计算机控制系统的实现技术 • 计算机控制系统的应用实例
01
计算机控制技术概述
定义与特点
总结词
计算机控制技术的定义和特点
详细描述
计算机控制技术是指利用计算机对工业生产过程进行自动控制的技术。它具有 高精度、高效率、高可靠性的特点，能够实现生产过程的自动化、智能化和信 息化。
动控制。
监控软件
用于实时监控系统的运行状态 ，显示各种参数和数据，以及
进行故障诊断和报警等。
数据库软件
用于存储和管理各种数据，如 历史数据、实时数据等。
操作系统
提供计算机控制系统的运行环 境和基础服务。
人机接口
01
02
03
界面设计
设计易于操作的人机界面 ，包括图形界面和文本界 面等。
交互方式
提供多种交互方式，如鼠 标操作、键盘输入等，方 便用户进行操作和控制。
常见的开环控制系统有步进电机 控制系统、温度控制系统等。
闭环控制系统
闭环控制系统是一种包含反馈环节的控制系统，通过检测系统输出结果，将检测结 果反馈给输入端，与输入信号进行比较，根据比较结果调整输入信号。
闭环控制系统的优点是能够实时调整系统输出，提高控制精度和稳定性，但结构相 对复杂。
常见的闭环控制系统有伺服电机控制系统、数控机床控制系统等。
自适应控制
通过调整控制器参数，使系统能够自动适应环境变化和不确定性， 保持最优性能。
鲁棒控制
设计具有鲁棒性的控制系统，使系统在存在不确定性和干扰的情况 下仍能保持稳定和良好的性能。
微型计算机控制技术课后习题答案
第一章计算机控制系统概述习题及参考答案1.计算机控制系统的控制过程是怎样的?计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：(1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。
(2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。
(3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？(1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。
(2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。
(3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。
3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？由四部分组成。
图1.1微机控制系统组成框图(1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。
主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。
(2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。
过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。
过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。
过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。
微型计算机控制技术
微型计算机控制系统课后题答案第一章微型计算机控制系统的概述puter在微型控制中的作用？他的信息从何处来？其输入信息有用于何处？答：1）完成数据的采集把生产过程参数采集，供人为控制和其他控制系统作用2）将生产过程参数转换为数字量，引进控制程序进行计算把控制经过转换输入计算机。
I从生产过程中来，O都作为控制命令。
2.什么是微机控制的实时性？为什么要强调微机控制的实时性？怎样才能保证微机实时控制作用？答：1）时间越短越好，不影响控制2）因为要求用微机能够在规定的时间范围内完成规定操作要使微机控制具有实时性3）在微机方面还是配备具有实时时钟和优先级中断信息处理电路，在软件方面应具备有完善的时钟管理，中断处理的程序，实时时钟和优先级中断系统这保证微机系统实时的必要性，3.微机在控制系统中的在线操作和离线操作的区别是什么?答：在线是直接交换信息离线是不直接对生产装置进行控制。
4.微机控制系统的硬件一般有哪几个主要部分组成？各部分是怎样互相联系的？其中过程通道和系统中起什么作用？他有那几种类型？答：1）生产过程，过程通道，微型计算机，人机联系设备，控制操作台。
2）各部分通道和计算机相连3）过程通道将生产过程参数转换并传输到计算机中去，将计算机的控制传输到被控对象中。
4）过程输入(模拟量，开关量)过程输出（模拟量，开关量）5..直接控制数字控制系统的硬件由哪几部分组成？他们的基本功能是什么？直接数字控制系统和监督控制系统的区别在哪里？答：1）生产过程，过程通道，计算机接口。
2）过程通道：将生产过程的参数取进来，控制程序计算，结果送给控制对象。
计算机：信息优化将模拟控制器的给定值。
借口：连接输入端与计算机3）一个直接参与控制，一个不直接参与控制。
6.微机控制系统按功能分类主要有哪几种？按使用的控制规律分类有主要有哪几种？答：1）按功能：数据采集和数据处理直接数字控制系统监督控制系统集散控制系统现场总线控制系统2）按控制规律：程序和顺序控制PID控制复杂规律控制智能控制第二章过程输入输出通道1.微型计算机的对存储器和I/O接口是如何寻址的？它们各用哪些控制信号线和地址信号线？答：1）用mov X访问外部接口和RAM 用,mov指令取RAM信号2）读、写信号线2.试用两个CD4051扩展成16路的多路开关，并说明其工作原理。
《计算机控制技术》课后习题答案(于海生)
课 (3)采样保持器：A/D 转换器完成一次 A/D 转换总需要一定的时间。在进行 A/D 转换时间内，希望输入信号不再变化，以免
造成转换误差。这样，就需要在 A/D 转换器之前加入采样保持器。 (4)A/D 转换器：模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量，能够完成这一任务的器件，称为之模 /数转换器 (Analog/Digital Converter，简称 A/D 转换器或 ADC)。
图 1.2 操作指导控制系统原理框图 (2)直接数字控制系统(DDC 系统)：DDC(Direct Digital Control)系统就是通过检测元件对一个或多个被控参数进行巡回检测， 经输入通道送给微机，微机将检测结果与设定值进行比较，再进行控制运算，然后通过输出通道控制执行机构，使系统的被 控参数达到预定的要求。DDC 系统是闭环系统，是微机在工业生产过程中最普遍的一种应用形式。其原理框图如图 1.3 所 示。
1
可以接收的数字代码。过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。过程输入输出
通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。
(3)外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动 器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要 求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。
网图 2.1 光电耦合器电路图 案 5.模拟量输入通道由哪些部分组成？各部分的作用是什么？ 答 模拟量输入通道一般由 I/V 变换、多路转换器、采样保持器、A/D 转换器、接口及控制逻辑电路组成。 后 (1)I/V 变换：提高了信号远距离传递过程中的抗干扰能力，减少了信号的衰减，为与标准化仪表和执行机构匹配提供了方便。
计算机控制技术课后题答案整理版（1到5章基本都有了）
第一章1、计算机控制系统是由哪几部分组成的？画出方框图并说明各部分的作用。
答:计算机控制系统由工业控制机、过程输入输出设备和生产过程三部分组成；框图P3。
1）工业控制机主要用于工业过程测量、控制、数据采集、DCS操作员站等方面。
2）PIO设备是计算机与生产过程之间的信息传递通道，在两者之间起到纽带和桥梁的作用。
3）生产过程就是整个系统工作的各种对象和各个环节之间的工作连接。
2、计算机控制系统中的实时性、在线方式与离线方式的含义是什么？为什么在计算机控制系统中要考虑实时性？（1）实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定时间内对外来事件做出反应的特性；在线方式是生产过程和计算机直接相连，并受计算机控制的方式；离线方式是生产过程不和计算机相连，并不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式。
（2）实时性一般要求计算机具有多任务处理能力，以便将测控任务分解成若干并行执行的多个任务，加快程序执行速度；在一定的周期时间对所有事件进行巡查扫描的同时，可以随时响应事件的中断请求。
3.计算机控制系统有哪几种典型形式？各有什么主要特点？（1）操作指导控制系统（OIS）优点：结构简单、控制灵活和安全。
缺点：由人工控制，速度受到限制，不能控制对象。
（2）直接数字控制系统(DDC) （属于计算机闭环控制系统）优点：实时性好、可靠性高和适应性强。
（3）监督控制系统（SCC）优点：生产过程始终处于最有工况。
（4）集散控制系统优点：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。
（5）现场总线控制系统优点：与DOS相比降低了成本，提高了可靠性。
（6）PLC+上位系统优点：通过预先编制控制程序实现顺序控制，用PLC代替电器逻辑，提高了控制是现代灵活性、功能及可靠性。
附加：计算机控制系统的发展趋势是什么？大规模及超大规模集成电路的发展，提高了计算机的可靠性和性能价格比，从而使计算机控制系统的应用也越来越广泛。
为更好地适应生产力的发展，扩大生产规模，以满足对计算机控制系统提出的越来越高的要求，目前计算机控制系统的发展趋势有以下几个方面。
(计算机控制技术)第4章计算机过程输入输出通道
03
输出通道技术
模拟量输出通道
模拟量输出通道的作用是将计 算机输出的数字信号转换为模 拟信号，以驱动各种执行机构
。
常见的模拟量输出通道有电压 输出型和电流输出型两种，它 们通过不同的方式将数字信号
转换为模拟信号。
电压输出型模拟量输出通道的 优点是电路简单、成本低，适 用于输出信号较小、对精度要 求不高的场合。
03
输出通道的驱动能力是指其能够驱动执行机构或控制设备的能力，包 括最大输出电压、最大输出电流等参数。
04
选择具有足够驱动能力的输出通道可以保证系统的正常运行和稳定性。
04
输入输出通道的信号处 理与接口技术
信号的预处理技术
信号的放大与衰减
根据信号的幅度调整，确 保信号在传输过程中保持 稳定。
信号的滤波
去除噪声和其他干扰，提 高信号质量。
信号的整形
将不规则或非标准信号转 换为适合传输和处理的信 号。
信号的转换技术
A/D转换将模拟信号转换为数字信号，源自 于计算机处理。D/A转换
将数字信号转换为模拟信号，便于 实际应用。
光电转换
将光信号转换为电信号，或反之。
信号的传输与接口技术
总线技术
实现多个设备之间的数据传输和通信。
数字量输出通道的作用是将计算机输出的数字 信号转换为控制信号，以驱动各种控制设备。
晶体管输出型数字量输出通道的优点是响应速度 快、驱动能力强，适用于需要快速响应的场合。
输出通道的负载特性与驱动能力
01
输出通道的负载特性是指执行机构或控制设备的输入阻抗、输入电压、 输入电流等参数。
02
了解负载特性有助于选择合适的输出通道类型和规格，以确保系统的 稳定性和可靠性。
计算机控制技术第4章数据处理方法
可视化分析与解释性探究
通过可视化分析，可以深入探索数据的内在结构 和关系，发现隐藏的模式和趋势。
可视化分析有助于理解数据中的异常值、识别数 据中的类别和集群，以及探索变量之间的关系。
解释性探究是可视化分析的重要部分，通过解释 性探究可以深入理解数据的含义和背后的原因。
THANKS
感谢观看
性。
1. 收集数据
02
从各种来源收集相关数据。
2. 数据清洗
03
去除异常值、缺失值和重复值。
特征选择的准则与流程
3. 特征提取
运用适当的算法和技术从数据中提取特征。
4. 特征选择
根据设选特征进行评估和优化，确保其能够满 足后续分析的需求。
特征评估与优化
数据处理在计算机控制技术中的应用还包括故障诊断、预测维护等领域。通过对 设备运行数据的分析，可以及时发现设备的异常情况，预测设备的维护需求，提 高设备的使用寿命和可靠性。
02
数据的采集与预处理
数据采集的方法与设备
数据采集方法
数据采集频率
传感器法、网络爬虫法、日志法等。
根据实际需求和设备性能确定，一般 以秒为单位。
数据处理的重要性在于它能够将无序、杂乱的数据转化为有 序、有用的信息，提高数据的使用价值。通过数据处理，人 们可以更好地理解数据，发现其中的规律和趋势，为决策提 供支持。
数据处理方法的分类
按照处理方式分类
数据处理方法可分为批处理和流处理。批处理是将数据分批进行处理，适合于大 规模数据的处理；流处理则是实时处理数据流，适用于需要快速响应的应用场景 。
Excel、Python、R、Tableau等数据分析 工具广泛应用于数据分析与挖掘领域，提 供了丰富的数据处理和分析功能。
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2) 采样定理
从信号的采样过程可知，采样后得到的离散模拟
信号没有包括全部时间上的信号值，而只是取了某些
时间点上的值。这样处理后的信号会造成信号的丢失
吗？显然，采样周期T的合理选取是重要的，采样周期 T越短，采样信号f*(t)就越接近连续信号f(t)。
采样后得到的离散模拟信号f*(t)，可以用下述数学 表达式来描述：
量化就是用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟 信号的幅值，将其转换为数字信号的。将离散采样信 号转换为数字信号的过程称为量化过程，其中进行量 化处理的装置为模/数(A/D)转换器。
模拟信号的特点是具有无穷多的数值，而一组数 码的值却是有限的，因此用一定位数的数码来逼近模 拟信号是一种近似的表示。如果用一个有n位的二进制 数来逼近在fmin ~fmax 范围内变化的采样信号，得到的 数字量在0～2 n-1之间，其最低有效位(LSB)所对应的 模拟量q称为量化单位，
第4章 数据采集系统设计
4.1 概述 4.2 模拟量输入通道 4.3 模拟量输出通道 4.4 数字量输入输出通道 4.5 数据处理与滤波
4.1 概 述
4.1.1 数据采集系统的构成 数据采集与处理是每个计算机控制系统都必须具
备的基本功能。对于数据采集系统而言，它的主要任 务是把生产过程中反映生产状态的各种工艺参数(如温 度、压力、流量等)送入计算机进行计算、处理。所得 结果不仅作为操作指导信息输出显示，还可进行打印、 存储、传送等操作。此外，数据采集系统还可以根据 计算结果判断生产状态是否正常，如果发现异常，还 会自动进行报警。
4―3所示。
F*(j)
－ 2s
－s
0
s
s
Hale Waihona Puke 图4―3 离散信号F*(jω)的频谱图
香农(Shannon)采样定理：为了使采样信号f*(t)能反
映连续信号f(t)的变化规律，采样频率ωs(ωs=2πfs=2π/T) 至少应该是信号f(t)频谱最高频率ωmax
ωs≥2ωmax
(4―3)
当采样周期满足采样定理时，图4―3中的采样信
过程通道根据信息的来源和类型不同，可以分为 模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道、 数字量输出通道四种。
过程输入通道是为了检测生产过程的状态而设置 的检测通道。一般，反映生产过程状态的各种参数(如 压力、流量、温度、速度、位置等)都是随时间变化的 模拟量，它们可以过检测元件和变送器转换成相应的 模拟电流或电压信号。
4.2 模拟量输入通道
4.2.1 信号的采样和量化 在计算机控制系统中，要将各种模拟信号输入计
算机，就必须先将其转换为数字信号。将模拟信号转 换成数字信号的过程，是通过信号采样和量化实现的。
1.信号采样 1)采样过程 信号采样就是将连续的模拟信号，通过采样开关 按一定时间间隔的闭合和断开，将其抽样成一连串离 散脉冲信号的过程，如图4―2所示。这一过程也称为 离散化过程。
q
fmax fmin 2n 1
(4―4)
量化过程实际上是一个用q去度量采样值幅值大小 的小数归整过程，采用的是四舍五入，因而存在量化 误差，量化误差的最大值为±q/2。
生 产 过 程
数字量输入通道
显示
接
计
口 电
算
打印
路
机
报警
图4―1 计算机数据采集与处理系统
4.1.2 过程通道的作用与分类 在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控
制，需要及时对被控对象的各种参数进行检测，并将 其转换成计算机可以接收的数据形式送入计算机进行 处理；处理后的结果还需变换成合适的控制信号输出 至被控对象，以控制执行机构的动作。因此在计算机 和被控对象之间，必须设置进行信息传递和转换的连 接通道，即过程通道。
号频谱就不会发生重叠效应，这时就可以通过理想的
低通滤波器从采样信号f*(t)中完全恢复出f(t)来。
事实上，由于理想滤波器不存在，所以要完全恢 复出原来的信号是不可能的，工程上只要满足一定的 要求即可。实际应用中，常取ωs≥(4～10)ωmax ，过程惯 性越大，倍数可取得越大。
2. 量化 因为采样后得到的离散模拟信号本质上还是模拟 信号，不能直接送入计算机，故还需经过量化，变成 数字信号后才能被计算机接收和处理。
数据采集系统根据其任务，一般应由以下几个部 分组成：用于系统控制的计算机，完成数据输入输出 任务的过程通道，连接计算机与过程通道的接口电路， 实现数据显示、打印、存储等功能的输出与报警装置， 用于系统控制与数据处理的应用软件等。计算机数据 采集与处理系统的一般结构框图如图4―1所示。
模拟量输入通道
f (t) f (nT ) (t nT ) f (t) (t nT )
n0
n
(4―1)
式中，δ(t-nT)为t=nT处的单位脉冲函数(即δ函数)。
F ( j ) 1
T n
F[ j( ns )]
其中,ωs为采样角频率，ωs=2πfs=2π/T。这就是说
离散信号的频谱以采样频率ωs为周期无限重复，如图
但是由于计算机只能输入数字量，不能直接输入 模拟量，所以它们必须通过模拟量输入通道转换成相 应的数字信号后才能送入计算机。至于生产过程中的 一些开关量、电平信号、脉冲量，以及一些数字传感 器等产生的数字信号等，则应通过数字量输入通道。
过程输出通道是控制信号的输出通道。由于计算 机输出的控制信号是数字量，而很多生产过程的执行 机构却要求提供模拟电压或电流，这就必须采用模拟 量输出通道，将数字量转换成模拟电压或电流。如果 执行机构只要求提供数字量(如开关量、脉冲量或其他 形式的数字量)，则应采用数字量输出通道。
f (t)
f * (t)
f (t)
S
f * (t)
O
t
(a) 被采样信号
(b) 采样开关
0 T 2T 4T 6T t (c) 采样信号
图4―2 采样过程
图4―2中f(t)是被采样的模拟信号，它是时间和幅值 都连续的函数。采样后的f(t)被以时间间隔T为周期闭合、 断开的采样开关S分割成图中所示的时间上离散而幅值 上连续的离散模拟信号f*(t)。离散模拟信号f*(t)是一连串 的脉冲信号，又称为采样信号。采样开关两次采样(闭 合)的间隔时间T称为采样周期，采样开关的闭合时间τ称 为采样时间，0、T、2T…各时间点称为采样时刻。