计算机控制系统

第五章计算机控制系统本章主要内容●计算机控制系统的一般概念●计算机控制系统的分类●计算机测试系统●直接数字控制系统DDC及其PID算法●计算机控制系统的设计与实现●提高计算机控制系统可靠性的措施5.1概述1、计算机控制的必要性在20世纪50～60年代，模拟反馈控制作为过程控制的主要手段，基本上能解决各类简单控制问题。

(1)随着设备大型化和工艺的复杂化，如系统间相互耦合的多变量系统和大滞后时间系统等复杂系统，对控制技术的要求越来越高。(2)提高大型设备的安全性和可靠性，对运行最优化、集中监视等功能的要求也就更加突出。(3)大量的运行数据要实时连续收集，要进行运行工况的判断和设备的保护，反馈控制、前馈控制、顺序控制、多变量控制等各种控制方式都会经常出现，需要综合运用。(4)还有系统仿真、数理统计、概率论、模糊数学、人工智能等各种先进学科知识所构成的模型需要实时运行，以指导生产。这样多的问题是原有模拟技术所无法解决的，迫使人们去采用更先进的计算机和计算机控制方式。当前，计算机控制已遍布生产、能源、交通等一切社会生产部门，产生了巨大的社会效益和经济效益。由于计算机控制的普及，现今控制的含义已经不是单指温度、流量、压力等物理量的自动调整，而是指包括对象在内的整个系统的安全保护、有效管理和稳定运转，是一个系统工程。计算机控制的含义：在控制装置中采用电子计算机，并利用其高度功能进行控制。2计算机控制系统的发展现代科学技术领域中，计算机技术和自动化技术是发展最迅速的两个分支，计算机控制技术是这两个分支相结合的产物，是工业自动化的重要支柱。其大致经历了：

1946年，电子数字计算机问世；

20世纪50年代末，第一台计算机应用于控制，开始了轰轰烈烈的计算机工业应用的时代。计算机造价很高，可靠性和稳定性差；

1965-1969年间由于小型、微型计算机的出现，计算机用于过程控制进入实用和普及阶段；

1975年美国HONEYWELL公司和日本横河电机株式会社分别推出新型的集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）。这类系统实现控制分散，危险分散，操作、监测和管理集中，采用分级递阶的分布式结构，使当时陷入困境的计算机集中控制和直接数字控制（DirectDigitalControl—DDC）得到新生，并在全球迅速推广应用。

80年代中后期，开始有了开放式的通讯系统，即现场总线网络控制系统(FCS-FieldbusControlSystem)，可以实现多层次计算机网络构成的管理—控制一体化。可见，计算机控制系统大体上经历了三个阶段。（1）1965年以前是试验阶段。（2）1965一1969年是计算机控制进入实用和开始逐步普及的阶段。（3）1970年以后计算机控制进入了大量推广和分级控制阶段。3、模拟控制系统与计算机控制系统的比较

（1）模拟控制系统◆控制原理：检测偏差，按偏差进行控制，减少或消除偏差。模拟调节器执行器被控对象测量变送器设定值reu被控参数y图a

单回路常规模拟控制系统方框图ym（2）计算机控制系统◆控制原理：检测偏差，按偏差进行控制，减少或消除偏差。u计算机保持器执行器＋被控对象测量变送器e(kT)u(kT)被控参数y图b

单回路计算机控制系统方框图ym采样器A/DD/A计算机系统设定值r计算机控制系统与模拟控制系统相同之处：1）两者基本结构相同。都有被控对象、测量元件和变送器、执行器和控制器组成；2）调节原理和调节过程相同。都是基于“检测偏差，纠正偏差”的控制原理；3）在系统的对象、执行元件、检测元件等环节内部的运动规律与模拟控制系统相同。计算机控制系统与模拟控制系统不同之处：◆在计算机控制系统中，计算机代替了模拟控制器；对控制对象的参数、状态信息的检测和控制结果的输出在时间上是断续（离散）的；对检测信号的分析计算是数字化的，而在模拟控制系统中则是连续的。◆在常规控制系统中，系统的控制规律是用硬件电路实现的，改变控制规律就要改变硬件；而在微型计算机控制系统中，控制规律是用程序实现的，改变控制规律只需改变程序。（3）计算机控制系统的控制过程计算机控制系统的控制过程分为以下三个步骤：

1)实时数据采样对被控参数的瞬时值进行检测，并输入。

2)实时判断，判断被控参数当前值与给定值的偏差。

3)实时控制根据偏差，作出控制决策，适时适量地向控制机构发出控制信号。注：

对微处理器来讲，控制过程的三个步骤，实际上只是执行算术和逻辑运算、输入操作、输出操作。这是一种不断重复的过程，目的是使整个系统能够按照一定动态品质进行工作。

所谓“实时”是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，超出这个时间，就失去了控制的时机。实时的概念不能脱离具体过程。（在线、原位）（4）计算机控制系统的优点1）程序控制，组成方式灵活。任何一种控制规律的实现，都可以程序化，而控制规律的改变，只不过是程序的改变而已。2）综合控制，能实现复杂的控制规律。计算机是控制系统的中心，可以充分发挥它的软件功能与分时本领（断续采样、处理和控制），以实现多变量、多回路、多对象、多工况、变参数和自适应的综合控制。3）能实现硬件难以完成的功能，既简化了硬件线路又提高了可靠性。4）能获取更大的经济和社会效益。5.2计算机控制系统的组成及分类软件部分计算机控制系统硬件部分控制计算机主机、外设、系统总线过程输入输出通道(外围设备)人—机联系设备、通信设备

现场仪表（测量传感器、执行机构等）

操作系统汇编或高级语言、过程控制语言通信网络软件、诊断程序等

系统软件

应用软件

过程输入/输出程序、过程控制程序人机接口程序、打印显示程序各种公共子程序历史数据库、实时数据库一、计算机控制系统的组成二、计算机控制系统的分类

1、数据采集和数据处理系统（DAS）

DAS(DataAcquisitionSystem)结构如下图：

……数

字计算机CRT打印机报警过程输入通道

测量变送测量变送被控生产过程执行机构

人

……DAS作用：数据采集系统的工作是对大量的过程状态参数实现巡回检测、数据存贮记录、数据处理(计算、统计、整理)、进行实时数据分析以及数据越限报警等功能。严格讲，它不属于计算机控制，因为在这种应用方式中，计算机不直接参与过程控制，对生产过程不产生直接影响，但对指导生产操作具有积极作用。2、直接数字控制系统(DDC)

DDC(DirectDigitalControl)结构如下图：直接数字控制(DDC)计算机CRT打印机报警操作台过程输入通道

测量变送测量变送被控生产过程过程输出通道执行机构执行机构

……

……作用：直接数字控制系统DDC分时地对被控对象的状态参数进行测试，并根据测试的结果与给定值的差值，按照预先制定的控制算法进行数字分析、运算后，输出控制量直接作用在调节阀等执行机构上，使各个被控参数保持在给定值上，实现对被控对象的自动调节。与测试系统相比，DDC具有自身所特有的功能：即“执行能够反映控制规律的控制算法”和“把计算结果以一定形式送到执行器”

优点：计算机可代替模拟调节器，实现几十个甚至更多的单回路PID控制；通过改变程序，而不必改变硬件，就能有效地实现新型控制规律和较复杂的控制，如串级控制、前馈控制、自适应控制、最优控制等；此外还能集中显示和控制。3、监督控制系统（SCC）SCC级计算机CRT打印机报警DDC级计算机或模拟调节器输入通道输出通道被控生产过程操作台输入通道给定值作用：

监督控制系统是一种两级计算机控制系统。SCC级计算机按照描述生产过程的数学模型，进行最优化分析，计算出最佳给定值，送给模拟调节器或者DDC计算机。由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程，从而使生产过程始终处于最优工况。

SCC系统较DDC系统更接近生产变化实际情况，它不仅可以进行给定值控制，同时还可以进行顺序控制、最优控制等。优点：实现最优化控制，达到省料、高产、低耗目的；生产安全性高。例子：实验者对烘箱飞温的控制。4、分级计算机控制系统分级控制一般分三级，即生产管理级MIS、监督控制级（SCC）和直接数字控制级（DDC）。生产管理级MIS又分为企业级和厂级。该系统将控制功能分散，用多台计算机分别执行不同的控制功能，既能进行控制，又能实现管理。图5-7所示为一个四级系统，各级功能如下：分级计算机控制：

过程控制级；监督控制级；生产管理级等

经营决策企业管理厂级管理监督控制过程控制第五级：企业决策，生产规划第四级：供销,财务,计划,管理等第三级：厂级生产调度，优化第二级：先进控制，过程优化第一级：单元自动化,简单控制生产过程

5、集散型控制系统（TDCS）集散型控制系统以微机为核心，把微机、工业PC机、数据通讯系统、显示操作装置、输出通道等有机地结合起来，实现地理上和功能上的分散控制，又通过高速数据通道把各个分散点的信息集中监视和操作，并实现高级复杂规律的控制。三部分组成：集中管理部分，分散控制检测部分和通信部分。集中管理部分可分为工程师站、操作站和管理计算机。工程师站主要用于组态和维护；操作站则用于监视和操作；管理计算机用于全系统的信息管理和优化控制。分散控制检测部分按功能可分为监测站和现场控制站，它用于控制和监测。通信部分连接集散型控制系统的各个分布部分，完成数据、指令及其它信息的传递。

“管理集中、控制分散”设计原则：

采用分散控制（分级分布式控制）、集中管理、分而自治和综合协调的设计原则。特点：◆硬件组装积木化。易实现复杂的控制规律◆软件模块化；

◆可靠性高；◆有方便的组态软件，丰富的控制算法；◆先进的通讯网络，开放的联网能力；◆电缆和敷缆成本低，施工周期短。

DCS系统已成为过程控制系统，特别是大中型流程工业企业中控制系统的主流。集散型控制系统（相关文献介绍）DCS是分散控制系统的简称，国内一般习惯称为集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（Computer）、通讯（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。DCS的结构

DCS系统主要有现场控制站（I/O站）、数据通讯系统、人机接口单元（操作员站OPS、工程师站ENS）、机柜、电源等组成。从结构上划分，DCS包括过程级、操作级和管理级。过程级主要由过程控制站、I/O单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。操作级包括：操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。管理级主要是指工厂管理信息系统（MIS系统）。

实现“管理集中、控制分散”6、现场总线控制系统（FCS）

上世纪九十年代走向实用化的现场总线控制系统，正以迅猛的势头快速发展，是目前世界上最新型的控制系统。定义：是指将现场智能设备（如数字传感器、变送器、仪表与执行机构等）与工业过程控制单元、现场操作站等互连而成的计算机网络（局域网）。作用：主要用于现场的智能化仪表、控制器、执行机构、I/O模块等现场设备间的信息传递。特点：◆具有全数字化、分散、双向传输和多分支的特点，是工业控制网络向现场级发展的产物。◆采用现场总线技术进行数字通信，而不再用模拟信号通过电线、电缆互连，信号传递方式发生了根本性变化，信号传递更加可靠、经济、各个仪表及装置之间的互连更加方便灵活。◆采用现场总线技术构成的分散控制系统，其控制功能将更加分散，系统构成将更加灵活、可靠性更高。现场总线(FieldBus)的层次可以分为三个层次：◆SensorBus：面向的是简单的数字传感器和执行机构，主要传输状态信息，网上交换的数据单元是位（bit）；◆

DeviceBus：面向的是模拟传感器和执行器，主要传输模拟信号的采集转换值、校正与维护信息等，网上交换的数据单元是字节（Byte）；◆

FieldBus：面向的是控制过程，除了传输数字与模拟信号的直接信息外，还可传输控制信息，即FieldBus上的结点可以是过程控制单元（PCU），FieldBus网络交换的数据单元是帧（Frame）。★FCS根据计算机的硬件不同分类

FCS可以由PLC发展而来的，也可由DCS发展而来，所以FCS与PLC及DCS之间既有联系，又有本质差异。◆基于单片机的简单控制系统◆基于IPC（工业PC机）◆基于PLC（可编程序控制器

）◆基于各种类型DCS◆基于现场总线仪表的FCS

PLC是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件，控制各种机械或工作程序。

PLC、DCS及FCS系统的区别◆

PLC主要用于工业过程中的顺序控制，新型PLC也兼有闭环控制功能。PLC对于顺序控制有其独特的优势。PLC既可作为独立DCS，也可作为DCS的子系统。

◆DCS是集4C（Communication，Computer，

Control、CRT）技术于一身的监控技术。DCS系统的关键是通信（数据公路）。各公司产品不能互换，不能互操作，大DCS系统是各家不同的。◆FCS全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置；多变量、多节点、串行、数字通信系统取代单变量、单点、并行、模拟系统；用两根线联接分散的现场仪表、控制装置、PID与控制中心，取代每台仪器两根线。

FCS系统的核心是总线协议，即总线标准；FCS系统的基础是数字智能现场装置；FCS系统的本质是信息处理现场化。◆

PLC能以毫秒级的速度扫描；DCS则只能以秒级速度（每秒2~5次）扫描；FCS的每秒10~20次。◆

DCS系统是封闭式系统，各公司产品基本不兼容。而FCS系统是开放式系统，兼容各种设备连入现场总线，达到最佳的系统集成。◆

DCS系统的信息全都是二进制或模拟信号形成的，必须有D/A与A/D转换。而FCS系统是全数字化，就免去了D/A与A/D变换，高集成化高性能。◆

DCS可以控制和监视工艺全过程，对自身进行诊断、维护和组态。但无法进行远方诊断、维护和组态。FCS采用全数字化技术（双向数字通信现场总线信号制），可以对现场装置（含变送器、执行机构等）进行远方诊断、维护和组态。◆

FCS由于信息处理现场化，与DCS相比可以省去相当数量的隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，同时也节省了I/O装置及装置室的空间与占地面积。有专家认为可以省去60%。

◆

FCS相对于DCS组态简单，由于结构、性能标准化，便于安装、运行、维护。5.3A/D和D/A转换器

1、计算机控制系统的信号形式计算机内信号的处理和传递过程如下图：上图显示计算机内信号的处理过程：采样、量化、计算和保持，该过程包括的信号类型有：连续模拟信号:时间与幅值上均连续，如y(t)、u(t)离散模拟信号:时间上离散，幅值上连续，如y*(t)、u*(t)连续数字信号:时间是连续的，幅值上已是数字量离散数字信号:时间离散的，幅值为数字量，如y(kT)、u(kT)采样器S

A/D计算机D/A保持器Hy(t)y*(t)

y(kT)

u(kT)

u*(kT)

u(t)在对工业现场进行控制时，一般测量变送器和执行器采用模拟量参数，要实现计算机与控制器件的联系就要通过模/数转换器（ADC）和数/模转换器(DAC)进行连接。模/数转换器是能将模拟量转换为数字量的装置，简称A/D转换器或ADC

数/模转换器是能将数字量转换为模拟量的装置，简称D/A转换器或DAC2、

D/A转换器

D/A转换器是一种把数字量转换成模拟量的器件。一个n位二进制数，具有2n个二进制数的组合，因此要有2n个分立的模拟电压或电流，以与不同的数字一一对应，这些模拟电信号可由特定的电网络产生。该网络由电阻网络、模拟切换开关、基准电源和运算放大器等基本部分组成。电阻网络是D/A的主要部分。

（1）D/A转换器原理4位倒R-2R型D/A转换器简介。电路结构原理图如下，整个电路由相同的电路环节组成，每个环节有两个电阻和一个模拟开关。图中模拟开关S0-S3投向1，表示此电流流过反馈电阻Rf；投向0电流不流过反馈电阻Rf。Ur是基准电压,U0是模拟输出电压。倒R-2R型转换器电阻网络中，不管模拟开关状态如何，各支路电流大小不变，开关状态仅决定电流是流向运算放大器的虚地端还是流向地端。因此此电阻网络可等效为如下电路：从电路各节点向左看，各节点对地的等效电阻均为R，故基准电压UR输出的电流恒为IR＝UR/R；因此从输入数字信号的高位到低位。流过4个2R电阻的电流分别为：可见，模拟输出电压与输入数码(d0、d1、d2…)成正比。倒R-2R型D/A转换器的特点：无论电子开关是开或关（数字输入为1或0），流过电阻2R的电流不变，因此电阻分布电容没有充放电问题，转换速度快；电路结构的电阻只有两种，易于集成并保证电阻的公差和温度跟踪，可得到较高的转换精度；从参考电压端向电阻网络看，等效电阻不随开关位置的变化而变化，始终为R，这对参考电压的负载能力要求可大大降低。（2）选择原则◆分辨率（D/A的最小输出电压与最大输出电压之比）或精度◆转换时间（转换频率）◆数字输入输出特性◆性能价格比3、A/D转换器

A／D转换器是一种能在规定精度和分辨率内，把连续变化的模拟量转换成与之成正比的数字信号的器件。●类型◆双积分式A/D◆计数器式A/D◆逐次逼近式A/D◆快速A/D●选择原则◆采样频率采样转换频率与采样时间成反比，其与A/D的位数、形式及输入信号大小有关。信号频域分析时，最小采样频率必须大于或等于信号中最高频率的2倍；时域分析时为10倍。一般测试对象为动态参数，采样频率选择尽可能高一些；测试对象为静态参数，则采样频率可选低一些。

◆分辨率A/D的分辨率是指输出数字量最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。利用它可以决定使输出数码增加(或减少)一位所需要的输入信号最小变化量。即有：分辨率D＝1/2n。其中n为A/D的位数，n愈高，测量误差愈小，转换精度高，但是成本也高。国内外的A/D芯片多为8位、10位和12位等。◆精度为输入模拟信号的实际电压值与被转成数字信号的理论电压值之间的差值。分辨率决定转换器的精度，甚至整个测试系统的精度。◆采样点数进行时域分析时，采样点数尽可能多一些。进行频域分析时，采样点数一般取2的幂数。◆性能价格比5.4计算机测试系统一、

计算机测试系统的基本结构计算机测试系统可以用于智能仪表、工业过程测试和智能测试，从而构成不同的计算机测试系统。这些系统尽管形式不同，但其工作过程是相同的，都是首先通过传感器将非电量变换成模拟量，然后再进行采集并变成数字量，再送到计算机去进行处理、传输、显示、存储或打印。测试系统一般由输入通道、主机算机和输出通道构成。其硬件包括传感器、A/D转换器、输入/输出接口电路、计算机等。测试系统的工作过程可归纳为：

数据采集是将被测量相对应的信号转换为计算机能够识别的信号并输入给计算机；

数据处理是由计算机执行以测试为目的的算法程序后，得到与被测参数相对应的测量值（过程测试），或形成相应的决策与判断（智能测试），或者作出决定性的预测预报（专家智能型测试）；

数据输出是将处理结果送给输出设备，显示、打印或绘制成图形。根据“所测信号的特性、测试系统的性能要求和性能价格比最优”原则，可以把计算机测试系统分为以下几种结构。（1）单通道数据采集被测的模拟信号只有一个。

（2）多通道数据采集

被测的模拟信号有两个或两个以上。常用以下几种结构形式。A）多路A/D转换方式：优点：通道数增加时，最高采样频率不受影响；可同时采集多路信号，能保持各信号的同步关系。缺点：成本较高，体积较大。用于高速数据采集和同时采集多路数据的系统。

B）多路共享A/D转换方式：优点：采样保持电路用同一信号控制时，可采集多路信号，能同时保证各信号间同步关系；成本和体积较A）转换方式为小。缺点：通道数增加时，最高采样频率受影响；转换速度较慢，各通道得到的信号是断续的。主要用于采集频率要求不高的多路信号采集系统。

C）多路开关方式：优点：节省硬件，成本低。缺点：采集多通道信号时，不能采得同一时刻的各种参数；转换速度最慢，各通道得到的信号是断续的。主要用于采集多路变化缓慢的信号。

二、数据采集

1、计算机控制系统的信号形式计算机内信号的处理和传递过程如下图：上图显示计算机内信号的处理过程：采样、量化、计算和保持，该过程包括的信号类型有：连续模拟信号:时间与幅值上均连续，如y(t)、u(t)离散模拟信号:时间上离散，幅值上连续，如y*(t)、u*(t)连续数字信号:时间是连续的，幅值上已是数字量离散数字信号:时间离散的，幅值为数字量，如y(kT)、u(kT)采样器S

A/D计算机D/A保持器Hy(t)y*(t)

y(kT)

u(kT)

u*(kT)

u(t)2、采样：采样是每隔一定时间间隔把连续信号抽样成时间上离散信号的过程。采样周期T：两次采样之间的时间间隔；采样时间：采样保持时间称为采样时间；其远小于T。理论上采样不需要保持操作，但由于A/D转换需要时间，为了减少在转换过程中信号变化带来的影响，采样后的信号在时间内将保持幅值不变，直到完成变换。相应电路称采样保持电路（S/H）y(t)t采样器y(t)y*(t)采样周期长，信号不能复现T短，信号可以复现香农采样定理：

一个带宽有限(0～fm）的信号e(t)，可用相隔时间为T≤1/2fm的若干个采样值来代表。反之，若想得到原来的信号e(t)，只要将该信号的各采样值通过一个截止频率为fm的理想低通滤波器。即无失真采样频率应满足fs≥2fm

。3、数据采集1）模拟信号的采集对采集到的模拟信号，首先要转换为数字信号，即模/数转换，然后送入计算机或专用设备进行处理。模/数转换包括采样、量化和编码三个步骤。

采样是对已知模拟信号按一定间隔抽出一个样本数据。常用等时间间隔采样。

量化是用有限字长的数字量逼进模拟量的过程，即模拟量数字化的过程。

编码将量化的数字变为二进制数码，以便计算机接受并处理。经此三步，模拟信号变成时间上离散、幅值量化的数字信号，A/D转换器是完成这三步的主要器件。2）脉冲信号的采集脉冲信号检测包括脉冲个数的检测、脉冲频率与周期或脉宽的检测。

脉冲个数检测一般由数字计数器完成。例子：电动机或压缩机转速测量；产品个数的计量。数字计数器测量脉冲频率的原理脉冲频率测量原理如图所示：被测信号为正弦波a，经脉冲形成电路后形成一系列脉冲b加在闸门的输入端，闸门启闭由门控信号控制。脉冲信号只有在闸门打开的时间内通过闸门进入计数器计数。fx=N/T，这种方法称为测频法。数字计数器测量脉冲宽度的原理脉冲宽度测量原理如图所示：这种方法称为测周法，与测频法使用的电路类似，只需要将被测信号和标准信号位置互换即可。测周法用被测信号的宽度去控制闸门的启闭，振荡器的标准信号经闸门进入计数器计数。TS＝Tb×N三、计算机测试系统设计

1、设计任务根据测试系统的要求（测试参数和技术指标），按照计算机测试系统的三个组成部分来论证系统总体结构和电路。1）主机选型2）输入通道结构按照测试参数多少，采样频率高低来确定输入通道的数目。3）输出通道结构根据测试系统功能要求，确定打印机、绘图仪和超限报警等。2、输入通道电路的设计分析1）传感器选型2）A/D转换器的设计按被测参数的精度要求高低，计算转换器的分辨率，确定量化误差。3）放大电路设计按A/D转换器的工作电压来设计放大电路的放大倍数，根据放大倍数确定电路中各元器件的参数。4）其他电路设计如采样/保持电路设计，多路转换开关的选择等。3、软件程序设计测试系统软件具备两项基本功能：对输入/输出通道的控制管理功能和测试数据的处理功能。此外系统本身的自检测和自诊断功能、软件开发和调试修改用的监控操作功能等。因此设计内容包括：数据采集控制方式的设计采样工作模式设计采样周期的确定其他程序设计，如人机界面、信号采集、分析计算和结果处理等。5.5直接数字控制（DDC）系统一、

DDC系统概述直接数字控制系统DDC是分时地对被控对象的状态参数进行测试，并根据测试的结果与给定值的差值，按照预先制定的控制算法进行数字分析、运算，然后输出控制量直接作用在调节阀等执行机构上，使各个被控参数保持在给定值上，实现对被控对象的自动调节。

DDC系统的操作功能：从被控对象获取各种信息；执行能够反映控制规律的控制算法；把计算结果以一定形式送到执行器或显示报警装置；实现人机之间的联系等。

DDC优点：计算机可完全代替模拟调节器，实现几十个甚至更多的单回路PID控制；通过改变程序而不需要改变硬件就能有效地实现新型控制规律和较复杂的控制，如串级控制、前馈控制、自适应控制、最优控制等；此外能集中显示和控制。

图5-11表示了DDC系统构成的方框图。DDC是利用计算机的分时处理功能对多个回路完成多种控制的一种计算机控制方式。其与模拟调节过程的比较如下：

DDC系统的各种功能都可以归结到其控制程序的应用软件中，如直接控制程序、数据处理程序、控制模型程序、报警程序、数据记录程序和人机联系程序等。其主要应用于下列场合：过程回路很多的大规模生产过程被控参数需要进行一些计算的生产过程各参数间相互关联的生产过程原料、产品和产量经常变更的生产过程具有较大滞后时间的工业对象二、DDC控制系统的基本算法在连续量控制中，模拟调节器的理想PID算法为：式中：Kp、TI、TD

分别为模拟调节器的比例增益、积分时间和微分时间。其传递函数形式为：相应方框图如下图。

直接数字控制系统DDC的基本算法一般是指计算机对生产过程中进行PID控制时的几种控制方程。与连续控制相似，有理想PID和实际PID两种，其中理想算法表达式又分位置式、增量式和速度式。1、位置式PID算法

在计算机控制系统中，因为是采样控制，要根据采样时刻的偏差值计算控制量，所以连续PID算法中积分和微分项不能准确求取，只能用数值方法逼近。这时，用数字形式的差分方程来代替连续系统的微分方程，即积分项和微分项可用求和及增量式来表示，来实现模拟PID调节规律的离散化。◆在控制器的采样时刻t=kT时，积分和微分项为：因此，位置式PID算法为用上式来控制阀门的开度，其输出值恰与阀门开度的位置一一对应。如果令Kp＝KP,Ki=TKP/TI,Kd=KPTD/T，称为数字PID调节器的放大系数、积分系数和微分系数，则由Z变换定理，可得：代人u(K)式子中，得到：由此得到数字PID的Z变换传递函数为数字PID控制系统图如下：2、增量式PID算法

输入经计算机PID运算，其输出为调节阀开度的增量时，称为增量式PID算法。其输出增量为前后两次采样所计算的位置值之差，即：根据位置式PID算法可得增量式PID算法或其输出Δu(k)

表示阀位在第k-1次采样时刻输出基础上的增量。将增量式作简单运算，可得到增量算法表示式将上式进行Z变换，可以得到PID增量式的传递函数为：数字PID位置算式与增量式的比较：◆PID位置算式由积分项的存在会产生累积误差，发生积分饱和和丢失现象，对控制调节不利。增量式无这种缺点。◆PID增量算式在系统进行手动和自动切换时，由于执行元件保存了过去的位置，因此冲击较小。即使发生故障时，也由于执行元件的寄存作用，仍可保存原位，对被控过程的影响较小。◆PID增量算法编程简单,数据可以递推使用,占用内存少,运算快。◆PID增量算法得到k采样时刻计算机的实际输出控制量为3、速度式PID算法

计算机经PID运算，其输出为直流伺服电动机的转动速度时，称为速度式PID算法。即：由于T为常数，故速度式和增量式并无本质区别。4、实际PID控制算法标准PID控制算法，在有些工业过程中难以得到满意的控制效果，主要有两个方面的原因：一是理想PID算法本身存在不足，如位置式PID积分饱和现象严重，增量式PID算法在给定值发生跃变时，可能出现比例和微分的饱和，动态过程慢；另外理想PID算法无法满足具体工业过程控制的特殊性，如有的过程希望控制动作不要过于频繁，有的对象具有大纯滞后特性，有的过程运行环境恶劣，希望PID算法有较强的干扰抑制能力等。这些原因都促使对理想PID算法进行改进。实际PID控制算法参见教材199页的内容。如微分先行PID算法。三、改进的PID算法1、带有死区的PID控制为了消除控制作用频繁动作，要求控制偏差在某个域值以内时，系统不进行调节，超出此域值进行PID调节，可选择带有死区