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低位D0D1D2高位D3000Rf0U001S001S101S201S32R2R2R2R2RAI0RI1BRI2C+VrefRI3DI
图4-3倒T型电阻网络连接图
4.1.2 A\\D转换器的简介
A/D转换器的任务是将模拟信号转换为数字信号，我们都知道，模拟信号在时间和幅度上都是连续变化的，而数字信号则在时间和幅度上都是离散的，所以要将连续的模拟信号转换为离散的数字信号一般可通过图4-4所示的四个部分来完成。
Ut D 采样 保持 量化 编码 图4-4 A\\D转换原理图
(1)采样保持
将一个在时间上连续变化的模拟信号变成完全对应的数字信号是不可能的，因为这个模拟信号的瞬时值有无数个。采样的概念就是在连续变化的信号上选出
可供转换成数字量的有限个点，根据采样定理，只要采样频率大于二倍的模拟信号频谱中的最高频率，则就不会丢失模拟信号所携带的信息。这样就把一个在时间上连续变化的模拟量变成了在时间上离散的电信号。由于每次把采样电压转换成数字量都需要一定的时间，所以在每次采样后必须将所采得的电压保持一段时间，完成这种功能的便是采样保持电路，图4-5示出了采样保持电路的原理电路。 电路中场效应管V是采样开关，受控于采样脉冲，C是保持电容。当采样脉冲到来时，模拟开关闭合，模拟信号经V向C充电，C上的电压跟随输入信号变化。当采样脉冲消失，模拟开关便断开，C上的电压会保持一段时间。电路中的A是
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用运放构成的缓冲放大器。
00u（t）V00U0模拟输入信号C保持电容S（t）取样脉冲
图4-5 原理电路
(2)量化编码
采样保持后的信号已成为在时间上离散的阶梯状信号，但这个信号的每个阶梯值是取决于输入模拟信号的，可能有无限多个值。这无限多个值不可能与n位有限的2n个数字量相对应，因此，必须将采样后的值限定在2n个数字量所对应的离散电平上，凡介于两个离散电平之间的采样值就用某种方式整理归并到这两个电平之一上，这种将幅值取整归并的方式及过程称为量化。量化后，有限个量化值可用n位一组的某种二进制代码对应描述，这种用数字代码表示量化幅值的过程称为编码。图4-6示出了一个用三位二进制数来量化编码模拟信号的示意图。在图中，三位二进制数可产生八个量化电平，而经过采样保持后的阶梯信号在t1、t2段刚好与量化电平相符，所以可直接进行编码，而在t3～t8段则需要量化，采用四舍五入法按图中箭头的方向归并阶梯信号到就近的量化电平上，再编码得数字量输出如下：
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D t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8010 011 101 111 110 100 100 110U011111010110001101000100012345678T图4-6 量化编码波形
控制系统的硬件配置
在加热炉温度控制系统中PLC硬件采用模块化设计，配合了多种特殊功能模可实现模拟量控制、位置控制等功能。该系列PLC我们选择4-7、表4-1所示。
图4-7 与外部设备链接图
4.2 PLC块及功能扩展模块，PLC可靠性高，抗干扰强、配置灵活、性价比高。本温度控制系统中FX2N-48MR-001型，它与外部设备的连接如图
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表4-1 PLC I/O地址分配表
IN 系统开 系统关 编号 X10 X15 OUT 高温指示灯 数据显示 数据显示片选 编号 Y1 Y2~Y5 Y6~Y9 其中X10、X15分别为控制PLC系统的开关，Y1为高温显示灯用来显示温度是否过高，Y2~Y5用来接温度数据显示，及时传递温度的信息情况，Y6~Y9接数据显示片选。
4.3 模糊控制器的设计
本控制系统主要完成数据采集、温度显示、炉温控制、故障检测以及报警等功能，智能模糊控制器[5]由PLC完成，采用规则自寻优的控制算法进行过程控制。加热炉采用双向可控硅控制，由PLC输出通断率控制信号，产生可控硅的过零触发脉冲。
简单的加热炉温度控制思路如下图4-7:
电源 控制装置 炉温信号 控制量 输入功率 温度 晶闸管控制模块 加热炉被控对象 A\\D转换模块 热电偶 图4-7 加热炉温度控制系统
设计温度控制算法时还需要将上述的原理图简化成模型图（如图4-8），以便于系统进行分析。模型中的控制器就是广义的加载到计算机或微处理器上的控制算法，晶闸管模块、电加热炉、加热对象一起归为控制对象，而A/D转换器、热电偶[6]则构成反馈回路。控制器给定的温度作为系统输入信号r，传感器检测到的温度作为输出信号y，误差e、控制信号u均在控制装置里通过计算得到，最后经过一系列转换实现对热工对象温度的控制，这就形成了一个典型的反馈控制系统。
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r - e 控制装置 u 控制对象 y 图4-8 系统简化模型
4.3.1 温度数据滤波
由于采样精度、A/D转化精度的限制，以及电子线路干扰的影响，计算机接受到温度信号后一般都需要进行数字滤波[7]，消除低频干扰分量的影响，提高数据的可靠性。工业控制中，对温度信号一般采用以下几种数字滤波的方法： (1)算术平均滤波：对于作用时间较短的快速干扰，可以通过数字平均滤波技术，也就是采用连续多次采样，然后求平均值的办法予以滤波。其算式为： y ?k? ? x k ?nii?11n （4-2）
其中，y(k)为第k次的滤波器输出值，为第k次滤波输入值，n为采样值个数。平均滤波的不足之处在于若测量次数过少，则精度较差；而增加测量次数的话，又会占用较长的时间。实际上应用时可对其进行改进，将N个采样值中去掉最大的N/3个和最小的N/3个，再用剩下的采样值进行数字平均，它适合参数变化缓慢的过程，对强脉冲干扰及小随机干扰较为有效。
(2)递推平均滤波：周期性干扰的消除通常采用递推平均滤波法，它是始终取最新的输入信号的平均值作为滤波器的输出，其递推计算公式如下：
? y（k）?y（k?1）?/m ??x（k）?y（k?i）i?1m（4-3）
(3)一阶递推滤波：为了抑制现场输入线路带来的电磁干扰及测量变送器存
在的交流噪声，通常采用一阶递推滤波方法，也就是以数字形式实现低通滤波器的动态滤波方法，在滤波常数要求较大的场合这种方法尤为适用。其形式为：
y（k）?y（k?1）?a（1?a）x（k）
（4-4）
其中a?e?T/?为滤波系数，?为滤波时间常数。
(4)滑动平均滤波：这是算术平均滤波的一种改进方式，即每采样一次与最近的N－1次的历史采样值相加，然后用n去除，商就当作当前值。其特点是：当前值总与历史值有关，削弱了瞬态干扰的影响，对频繁振荡的干扰抑制能力强，和算术平均滤波法相比，反应速度更快。其表达式为：
y（k）?x（k?i） ?ni?01n?1 （4-5）