計算機控制技術(shù)ComputerControlTechnology計算機控制系統(tǒng)組建以及實現(xiàn)技術(shù)計算機控制系統(tǒng)組建以及實現(xiàn)技術(shù)硬件組成及輸入輸出接口系統(tǒng)測試信號的處理計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計010203控制算法的編排實現(xiàn)04量化效應(yīng)分析05采樣頻率的選取06計算機控制系統(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù)07硬件組成及輸入輸出接口圖7-1計算機控制系統(tǒng)的基本組成硬件組成及輸入輸出接口硬件組成及輸入輸出接口1.對控制用計算機系統(tǒng)的硬件要求計算機主機實時處理能力(分時串行，時鐘頻率);比較完善的中斷系統(tǒng)；對指令系統(tǒng)的要求；對內(nèi)存的要求

過程輸入輸出通道有足夠的輸入通道數(shù),并具有一定的擴充能力；應(yīng)用軟件系統(tǒng)

實時性強、可靠性好、具有在線修改能力、輸入輸出功能強等有足夠的精度和分辨率；應(yīng)有足夠的變換速度方便的人--機聯(lián)系顯示屏、各種功能鍵、輸入數(shù)據(jù)功能鍵等可靠性和可維護性可靠性指系統(tǒng)無故障運行能力,指標(biāo)——平均無故障間隔時間。硬件組成及輸入輸出接口2.對控制用計算機的選擇運算速度影響因素:--系統(tǒng)計算工作量、采樣周期、指令系統(tǒng)、硬件支持計算機字長影響因素：--量化誤差--應(yīng)與A/D的字長相協(xié)調(diào)--信號的動態(tài)范圍--與采樣周期T的關(guān)系

若T減小，但又希望量化誤差保持不變，則所需的計算機的字長就要相應(yīng)增加。

硬件組成及輸入輸出接口3.計算機控制系統(tǒng)的模擬輸出通道D/A轉(zhuǎn)換器工作原理數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量或電流量的裝置D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能常用的主要指標(biāo)：

①

精度——實際輸出與理想數(shù)學(xué)模型輸出信號接近的程度，D/A位數(shù)。

②

分辨率——輸入數(shù)字量發(fā)生單位數(shù)碼變化時輸出模擬量的變化量。常用數(shù)字量的位數(shù)表示。

③

轉(zhuǎn)換時間——最小有效位常以LSB表示，D/A轉(zhuǎn)換器中的輸入代碼有滿刻度值的變化時，其輸出模擬信號達到滿刻度值±1/2LSB時所需要的時間。

④

輸出電平——電壓型:5-10V,24-30V；電流輸出型:20mA,3A等。

⑤

輸入代碼形式——D/A轉(zhuǎn)換器單極性輸出時,有二進制碼、BCD碼。當(dāng)雙極性輸出時，有符號+數(shù)值碼，偏移二進制碼等。硬件組成及輸入輸出接口D/A轉(zhuǎn)換器選擇的原則輸入方式：--不帶緩沖寄存器（如8位的DAC0808）--帶緩沖寄存器(如8位的DAC0832、12位的DAC1208等)。D/A轉(zhuǎn)換芯片--考慮性能、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特性。性能上必須滿足D/A轉(zhuǎn)換的技術(shù)要求，結(jié)構(gòu)和應(yīng)用上滿足接口方便，外圍電路簡單，價格低廉等要求。字長n，可由執(zhí)行機構(gòu)的動態(tài)范圍來選定：執(zhí)行機構(gòu)最大輸入多路D/A輸出時的實現(xiàn)方式圖7-2模擬量輸出通道的兩種實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖執(zhí)行機構(gòu)的死區(qū)電壓3.計算機控制系統(tǒng)的模擬輸出通道硬件組成及輸入輸出接口D/A的二進制碼制與極性(1)單極性二進制編碼(2)雙極性二進制編碼--有符號的二進制可以用原碼、補碼、反碼和偏移二進制碼來表示。為了把雙極性的信號表示成數(shù)字代碼，需要增加一位“符號位”。增加一個符號位可使量程增加一倍，分辨率降低一倍。幾種編碼與十進制數(shù)的關(guān)系如表7-1所示。

注意：--計算機內(nèi)信號的編碼可能與D/A輸入信號的編碼不完全一致。若一致，則可將計機的運算輸出直接作為D/A轉(zhuǎn)換器的輸入。但若不一致（多數(shù)情況），則需要將計算得到的碼制進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換后，方可作為D/A的輸入信號。3.計算機控制系統(tǒng)的模擬輸出通道(1)采樣保持器孔徑時間——實際采樣過程需要的時間。為縮短孔徑時間，采取的措施是將對模擬信號的采樣和對采樣的模擬電壓的轉(zhuǎn)換分開，分別由不同的電路完成。

作用：以較短的孔徑時間對信號進行采樣，然后將采得的模擬電壓保持，供A/D轉(zhuǎn)換電路進行轉(zhuǎn)換。

圖7-4模擬量輸入通道一般結(jié)構(gòu)圖圖7-5采樣保持器原理圖硬件組成及輸入輸出接口4.計算機控制系統(tǒng)的模擬輸入通道(2)A/D轉(zhuǎn)換器工作原理

將輸入的模擬電壓按比例地轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)字信號的裝置。圖7-7雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器圖7-6逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器硬件組成及輸入輸出接口4.計算機控制系統(tǒng)的模擬輸入通道精度——對應(yīng)一個給定的數(shù)字量的實際模擬量輸入與理論模擬量輸入接近的程度.分辨率——輸出數(shù)字量對輸入模擬量變化的分辨能力。設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為n，分辨率D為：轉(zhuǎn)換時間——從A/D轉(zhuǎn)換的啟動信號加入時起，到獲得數(shù)字輸出信號為止，所需的時間。量程

——指測量的模擬量的變化范圍。

一般有單極性（如0

10V、0

20V）和雙極性（例如-5V

+5V、-10V

+10V）兩種?；蛴布M成及輸入輸出接口(3)A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)4.計算機控制系統(tǒng)的模擬輸入通道除了要滿足用戶的各種技術(shù)要求外，還必須注意：--A/D輸出的方式--A/D芯片對啟動信號的要求--A/D的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換時間--它的穩(wěn)定性及抗干擾能力等精度與傳感器的精度有關(guān)，一般比傳感器的精度高一個數(shù)量級；轉(zhuǎn)換速率還與系統(tǒng)的頻帶有關(guān)。根據(jù)輸入模擬信號的動態(tài)范圍可選擇A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)n模入信號的最大值模入信號的最小值硬件組成及輸入輸出接口(4)A/D轉(zhuǎn)換器的選擇4.計算機控制系統(tǒng)的模擬輸入通道硬件組成及輸入輸出接口(5)檢測通道的數(shù)據(jù)采集

圖7-8單路檢測通道結(jié)構(gòu)類型(6)A/D的二進制碼制與極性A/D的二進制碼制與極性類似D/A的二進制碼制與極性，參見表7-1(表中的VREF為A/D的量程)和表7-2。實際應(yīng)用中，A/D輸出的代碼形式可能采用幾種二進制編碼中的一種。注意：

--計算機內(nèi)信號的編碼可能與A/D輸出信號的編碼不完全一致。--若一致，則可將A/D輸出信號的編碼直接作為計算機的運算輸入信號。但若不一致，則需要將A/D輸出信號的編碼進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換后，方參與到算法的運算中。4.計算機控制系統(tǒng)的模擬輸入通道硬件組成及輸入輸出接口(7)CPU和A/D轉(zhuǎn)換電路之間的I/O控制方式

查詢方式--由CPU執(zhí)行I/O指令啟動并完成。每次傳送數(shù)據(jù)之前，要先輸入A/D轉(zhuǎn)換器狀態(tài)，經(jīng)過查詢符合條件后才可以進行數(shù)據(jù)的I/O。--靈活，但在讀寫數(shù)據(jù)端口指令之前需要重復(fù)執(zhí)行多次查詢狀態(tài)的指令，當(dāng)外設(shè)速度比較慢時，會造成CPU效率的大大降低。中斷方式--可以省掉重復(fù)繁瑣的查詢，并可及時響應(yīng)外設(shè)的要求。在這種方式下，CPU和外設(shè)基本上實現(xiàn)了并行工作，當(dāng)然由于增加了中斷管理功能，所以對應(yīng)的接口電路和程序要比查詢方式復(fù)雜。DMA方式--在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，不僅要選用高速A/D轉(zhuǎn)換電路，而且傳送轉(zhuǎn)換結(jié)果也要求非常及時迅速，可以考慮選用DMA方式。4.計算機控制系統(tǒng)的模擬輸入通道硬件組成及輸入輸出接口5.計算機控制系統(tǒng)的數(shù)字輸入輸出通道輸入緩沖器的作用--對外部輸入信號進行緩沖、加強和選通。輸出鎖存器將CPU輸出的數(shù)據(jù)或控制信號進行鎖存，以便放大驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)作用于被控對象。I/O電氣轉(zhuǎn)換部分的功能：--濾波、電平轉(zhuǎn)換、隔離、功率驅(qū)動等。圖7-9開關(guān)量輸入輸出通道結(jié)構(gòu)硬件組成及輸入輸出接口6.信號的調(diào)理直流電壓信號的調(diào)整--設(shè)計相應(yīng)的調(diào)理電路（如分壓、放大等），將直流信號轉(zhuǎn)換成計算機所能接受電壓形式，再直接使用A/D轉(zhuǎn)換器。直流電流信號的調(diào)理--設(shè)計電流到電壓的轉(zhuǎn)換電路。數(shù)字信號的調(diào)理--主要是進行隔離、放大及限幅整形，將微弱的信號變成滿足接口要求的等幅脈沖序列。對于數(shù)字量的測量主要應(yīng)用于對頻率的測量和對轉(zhuǎn)速的測量。圖7-13有源I/V變換電路圖7-12電流信號傳輸?shù)牡湫碗娐酚布M成及輸入輸出接口7.總線技術(shù)(1)總線定義--總線是一組信號線的集合。這些線是系統(tǒng)的各插件間（或插件內(nèi)部各芯片間）、各系統(tǒng)之間傳送規(guī)定信息的公共通道，有時也稱數(shù)據(jù)公路，通過它們可以把各種數(shù)據(jù)和命令傳送到各自要去的地方。(2)總線類型結(jié)構(gòu)和用途--專用總線。只實現(xiàn)一對物理部件間連接的總線。--非專用總線?？杀欢喾N功能或多個部件所共享。即分時共享總線。用途和應(yīng)用環(huán)境--局部總線(芯片或元件級總線)。構(gòu)成中央處理機或子系統(tǒng)內(nèi)所用的總線。如地址線、數(shù)據(jù)線等。--系統(tǒng)總線（內(nèi)總線和板級總線）。用于各單微處理機之間、模塊之間的通信，可用于構(gòu)成分布式多機系統(tǒng)，如STD總線、VME總線、PC總線等。--外總線（通信總線）。用于微處理機與其它智能儀器儀表間的通信，如RS-232C等。傳送信號的方式--并行總線。用若干根信號線同時傳遞信號，構(gòu)成了并行總線。--串行總線。按照信息逐位的順序傳送信號。硬件組成及輸入輸出接口7.總線技術(shù)(3)目前幾種通用總線介紹STD總線--目前工業(yè)控制及工業(yè)檢測系統(tǒng)中使用最廣泛的總線，兼容性好，成為一種通用標(biāo)準(zhǔn)總線。--特點:小板結(jié)構(gòu),高度模塊化;嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)化,廣泛兼容性;面向I/O的開放式設(shè)計,適合工業(yè)控制應(yīng)用;高可靠性

--使系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性及組裝靈活性。目前國內(nèi)外許多廠家均按STD標(biāo)準(zhǔn)來生產(chǎn)系統(tǒng)和插件，按STD標(biāo)準(zhǔn)來組成自己的應(yīng)用系統(tǒng)將會大大縮短系統(tǒng)的硬件研制周期。IBMPC/AT總線--由于IBMPC機有豐富的軟、硬件支持，而且其價格低廉，目前已成為國際上廣泛使用的微型機之一。--主板上設(shè)計供輸入輸出用的總線，引至系統(tǒng)板上的5個或8個62腳的插座上，即擴展插槽。--用作擴充PC機的選件板有百余種之多。可根據(jù)需要進行選購，也可根據(jù)自行設(shè)計和開發(fā)新的功能板。--PC/AT總線對環(huán)境要求較高，無法保證在工業(yè)現(xiàn)場可靠運行。--將微處理器芯片總線經(jīng)緩沖直接映射到系統(tǒng)總線上，沒有支持總線仲裁的硬件邏輯，不支持多主系統(tǒng)。硬件組成及輸入輸出接口7.總線技術(shù)(3)目前幾種通用總線介紹RS—232C串行接口標(biāo)準(zhǔn)總線

--由電子工業(yè)學(xué)會正式公布的串行總線標(biāo)準(zhǔn)，最常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，用于實現(xiàn)計算機與計算機之間、計算機與外設(shè)之間的同步或異步通訊。--作串行通訊時，傳輸數(shù)據(jù)的速率可任意調(diào)整，最大可達20Kb。--兩種連接系統(tǒng)的方式：

近程(傳輸距離小于15m)通訊，RS—232C電纜直接連接；

遠程(15m以上)通訊，采用調(diào)制解調(diào)器(MODEM)經(jīng)電話線進行。

RS

422串行接口標(biāo)準(zhǔn)總線

--采用平衡驅(qū)動和差分接收器組合的雙端接口方式--傳輸距離可達1000米，傳輸波特率可達10Mbit/s圖7-17RS-422發(fā)送驅(qū)動器計算機控制系統(tǒng)組建以及實現(xiàn)技術(shù)硬件組成及輸入輸出接口系統(tǒng)測試信號的處理計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計010203控制算法的編排實現(xiàn)04量化效應(yīng)分析05采樣頻率的選取06計算機控制系統(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù)07系統(tǒng)測試信號的處理濾波器的轉(zhuǎn)折頻率選取濾波器參數(shù)時，應(yīng)盡量保證：

在系統(tǒng)頻帶內(nèi)信號幅值變化比較平坦，在該頻帶外，信號幅值有較大的衰減，成為較陡峭衰減的形狀。測試信號的濾波1.模擬濾波器在采樣開關(guān)前加入適當(dāng)?shù)哪M濾波器（稱為抗混迭濾波器或前置模擬低通濾波器），通常為簡單的低通網(wǎng)絡(luò)。測試信號的濾波2.數(shù)字濾波利用程序?qū)崿F(xiàn)的濾波。只需根據(jù)濾波算法編制相應(yīng)的程序即可達到目的。(1)平均值濾波在一個采樣周期中，對信號y連續(xù)進行m次采樣，并對其取算術(shù)平均值，作為本采樣周期內(nèi)的濾波器輸出。還可以在平均算法中給各次采樣值不同的權(quán)重系數(shù)，此時濾波算法為：滿足通常取測試信號的濾波2.數(shù)字濾波(2)中值濾波在一個采樣周期中，將信號的連續(xù)次（一般取奇數(shù),）采樣值進行排序，取其中間值作為本采樣周期內(nèi)的濾波器輸出。一般m越大濾波效果越好，

但延滯增大。中值濾波對緩變過程的脈沖干擾有良好的濾波效果。測試信號的濾波2.數(shù)字濾波(3)限幅濾波根據(jù)對象的特點和系統(tǒng)的精度，對采樣數(shù)據(jù)的正常范圍事先作一個估計。若某次采樣受到強烈的干擾，使數(shù)據(jù)明顯超出正常范圍，就應(yīng)該將其剔除。

ΔY：相鄰兩次采樣值之差的最大可能值如果本次采樣值y(k)和上次采樣值y(k-1)之差小于ΔY，表示y(k)是真實的，取本次采樣值作為濾波器的輸出值；反之，y(k)是不真實的，取前一次的濾波器輸出為本次濾波器的輸出。說明對隨機脈沖干擾和采樣器不穩(wěn)定引起的失真有良好的濾波效果。測試信號的濾波2.數(shù)字濾波(4)慣性濾波模擬RC低通濾波器的數(shù)字實現(xiàn)。

RC濾波器的傳函后差分法適用于有用信號緩慢變化，干擾信號波動頻繁的場合。測試信號的線性化處理通過模擬量輸入通道采集到的數(shù)據(jù)與該數(shù)據(jù)所代表的被測參數(shù)不一定呈線性關(guān)系，常需要將它們進行非線性補償，將非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為線性關(guān)系，才能用于顯示和控制。如銅

康銅熱電偶（T型）以冷端溫度t0=0oC為條件下，0

400

C的范圍內(nèi)計算溫度的公式為計算量較大程序較復(fù)雜采用分段線性化的方法，即用多段折線代替曲線進行計算,計算簡單，提高實時性線性化過程：首先判斷測量數(shù)據(jù)處于哪一段折線內(nèi)，然后按照相應(yīng)段的線性化公式計算出線性值。分段可以是等距的，也可以是非等距的；

分段數(shù)越多，線性化精度越高，軟件開銷就越大。計算機控制系統(tǒng)組建以及實現(xiàn)技術(shù)硬件組成及輸入輸出接口系統(tǒng)測試信號的處理計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計010203控制算法的編排實現(xiàn)04量化效應(yīng)分析05采樣頻率的選取06計算機控制系統(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù)07計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計圖7-19計算機控制系統(tǒng)的軟件組成計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計1.軟件的分類機器語言（即機器指令）匯編語言高級語言高級語言和匯編語言的混合使用2.實時控制程序設(shè)計語言的選用計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計3.實時控制軟件的設(shè)計計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計(1)實時控制軟件實時管理軟件實時時鐘管理輸入／輸出信息管理中斷管理功能任務(wù)調(diào)度人

機聯(lián)系設(shè)置系統(tǒng)的初始狀態(tài)過程監(jiān)視及控制算法計算軟件數(shù)據(jù)變換處理程序控制指令生成程序事故處理程序信息管理程序基本運算程序碼制及格式轉(zhuǎn)換程序圖7-20典型的計算機實時控制系統(tǒng)的程序流程框圖3.實時控制軟件的設(shè)計計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計(2)控制算法設(shè)計中減少計算時延的方法算法I：包括那些為了得到當(dāng)前輸出值而必須進行的計算。算法II：包括那些為了得到下一時刻輸出值而必須進行的計算，以及與當(dāng)前輸出無關(guān)的其它計算和管理算法。延時對控制系統(tǒng)有不好的影響！A/DD/AD(z)t1t2t3延時t圖7-21數(shù)?；旌舷到y(tǒng)計算延時的引入圖7-22三種控制算法的輸出時刻3.實時控制軟件的設(shè)計計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計(2)控制算法設(shè)計中減少計算時延的方法圖7-22三種控制算法的流程框圖計算機控制系統(tǒng)組建以及實現(xiàn)技術(shù)硬件組成及輸入輸出接口系統(tǒng)測試信號的處理計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計010203控制算法的編排實現(xiàn)04量化效應(yīng)分析05采樣頻率的選取06計算機控制系統(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù)07控制算法的編排實現(xiàn)(1)直接型結(jié)構(gòu)圖7-24直接型結(jié)構(gòu)控制算法的編排實現(xiàn)1.控制算法的編排結(jié)構(gòu)直接型結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)比較簡單，不需要做任何變換。嚴(yán)重缺陷：控制器中任一系數(shù)存在誤差，將使控制器所有的零極點產(chǎn)生相應(yīng)的變化。將D(z)的分子分母因式分解，得一階或二階的環(huán)節(jié)乘積,可以用這些低階環(huán)節(jié)的編排結(jié)構(gòu)（采用直接型編排實現(xiàn)）進行串聯(lián)而得。其中Di為或圖7-25串聯(lián)型編排實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖控制算法的編排實現(xiàn)(2)串聯(lián)型結(jié)構(gòu)如果低階控制器中任一系數(shù)有誤差，不會使控制器所有的零極點產(chǎn)生相應(yīng)的變化。1.控制算法的編排結(jié)構(gòu)將D(z)進行部分分式展開，得一階或二階環(huán)節(jié)之和?？梢杂眠@些低階環(huán)節(jié)的編排結(jié)構(gòu)（采用直接型編排實現(xiàn)）進行并聯(lián)而得。其中Di為或圖7-26并聯(lián)型編排實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖控制算法的編排實現(xiàn)(3)并聯(lián)型結(jié)構(gòu)如果低階控制器中任一系數(shù)有誤差，不會使控制器所有的零極點產(chǎn)生相應(yīng)的變化。

1.控制算法的編排結(jié)構(gòu)(1)原因：定點數(shù)要求、D/A前要求A/D的傳遞系數(shù)KAD=1/uimax

，D/A具有傳遞系數(shù)KDA=uomax

故需要在計算機內(nèi)應(yīng)配置相應(yīng)的比例因子1/KAD和1/KDA?？刂扑惴ǖ木幣艑崿F(xiàn)2.比例因子的配置(2)原則:絕大多數(shù)情況下，使各支路信號不上溢盡量減少動態(tài)信號的下溢值，減小不靈敏區(qū)，提高分辨率控制算法各支路的比例因子可以采用實際物理量的最大值與計算機代碼的最大值之比來確定。采用2的整次冪來縮放.要保證配置比例因子前后，支路的增益與總的傳遞特性保持不變

A/D和D/A比例因子的計算當(dāng)控制器增益大于1的情況

|D(z)|=K*|D1(z)|

1，(K

1且|D1(z)|1)

處理方法:①計算機實現(xiàn)增益小于1的控制器D1(z)，其余增益移到系統(tǒng)模擬部分完成并設(shè)置限幅。②將大于1的增益放到最后，并在該增益之前設(shè)置數(shù)字限幅保護，防止輸入信號較大時發(fā)生上溢。圖7-27數(shù)字控制系統(tǒng)控制器增益的分配控制算法的編排實現(xiàn)2.比例因子的配置例7-4

練習(xí)：試畫出實現(xiàn)該控制器的結(jié)構(gòu)編排圖。設(shè)實現(xiàn)控制律的主機采用定點小數(shù)的補碼來表示數(shù)據(jù)，進行適當(dāng)?shù)谋壤蜃优渲茫瑢懗鰧?yīng)算法的差分方程，給出相應(yīng)的算法實現(xiàn)流程圖。解：(1)直接編排實現(xiàn)圖7-29控制算法編排結(jié)構(gòu)圖圖7-28某控制器接口圖控制算法的編排實現(xiàn)2.比例因子的配置考慮系數(shù)的情況--主機用定點小數(shù)的補碼來表示數(shù)據(jù)，大于1的數(shù)據(jù)無法在計算機內(nèi)表示出來。又必須保證每個回路和支路的增益保持不變。選擇比例因子為22=4

3。--A/D的量程為10V，A/D的傳遞系數(shù)KAD=1/10--D/A的量程為5V，D/A的傳遞系數(shù)KDA=5為不改變信號的傳遞關(guān)系,應(yīng)配置比例因子1/(KAD*KDA)=2例7-4

控制算法的編排實現(xiàn)2.比例因子的配置解：(2)進行比例因子配置確定控制器中間變量的最大值，對整個環(huán)節(jié)進行配置。考慮A/D和D/A的量程圖7-28某控制器接口圖繪制配置好比例因子的結(jié)構(gòu)編排圖。圖7-30整個環(huán)節(jié)配置比例因子后的直接編排實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖例7-4

控制算法的編排實現(xiàn)2.比例因子的配置解：算法I：算法II：圖7-28某控制器接口圖特點：

無需進行數(shù)據(jù)傳送，而是依靠計算的先后順序，間接得到和的歷次值。圖7-31算法流程圖控制算法的編排實現(xiàn)2.比例因子的配置計算機控制系統(tǒng)組建以及實現(xiàn)技術(shù)硬件組成及輸入輸出接口系統(tǒng)測試信號的處理計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計010203控制算法的編排實現(xiàn)04量化效應(yīng)分析05采樣頻率的選取06計算機控制系統(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù)07量化效應(yīng)分析——有限字長二進制特性q稱為量化單位用q表示字長為N1位作符號位一個任意值的真實數(shù)x，只可以用q的整倍數(shù)xq來表示即有量化誤差有限字長二進制特性1.量化特性2n個等間隔數(shù)有限位(n)二進制所能表現(xiàn)的數(shù)據(jù)截尾量化誤差對于原碼及反碼對補碼圖7-34兩種量化特性及量化誤差常用的量化方法舍入量化。將小于量化單位的尾數(shù)進行四舍五入整量化。截尾量化。將小于量化單位的尾數(shù)全部截掉。舍入量化誤差有限字長二進制特性1.量化特性舍入情況截尾情況均值方差均值方差兩種情況下的量化誤差的方差相同，均值卻不一樣圖7-35量化誤差的概率分布密度函數(shù)有限字長二進制特性2.統(tǒng)計特性溢出保護措施后的數(shù)據(jù)范圍圖7-36二進制數(shù)碼及其溢出特性圖7-37修改后的溢出特性有限字長二進制特性3.溢出特性計算機控制系統(tǒng)組建以及實現(xiàn)技術(shù)硬件組成及輸入輸出接口系統(tǒng)測試信號的處理計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計010203控制算法的編排實現(xiàn)04量化效應(yīng)分析05采樣頻率的選取06計算機控制系統(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù)07采樣頻率的選取(1)對系統(tǒng)穩(wěn)定性能的影響采樣周期T是系統(tǒng)的一個重要的參數(shù)，對閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能有很大的影響。采樣定理：實際應(yīng)用時：被控對象全部特征根中的最高頻率系統(tǒng)閉環(huán)頻帶信號的最大頻率采樣頻率的選取1.采樣頻率對系統(tǒng)性能的影響(2)采樣信息的影響階躍響應(yīng)升起時間振蕩周期采樣點數(shù)開環(huán)截止頻率經(jīng)驗規(guī)則：干擾信號最高頻率采樣頻率的選取1.采樣頻率對系統(tǒng)性能的影響(3)采樣周期與系統(tǒng)抑制干擾能力的關(guān)系

(4)系統(tǒng)輸出平滑性與采樣周期

階躍響應(yīng)非周期階躍響應(yīng)是振蕩考慮ZOH影響(6)計算機的工作負荷與采樣周期采樣頻率的選取1.采樣頻率對系統(tǒng)性能的影響(5)計算機字長與與采樣周期

由于字長有限，當(dāng)Ｔ減小，所產(chǎn)生的量化誤差會增大。當(dāng)采樣周期過小時，將會增大控制算法對參數(shù)變化的靈敏度，使控制算法參數(shù)不能準(zhǔn)確表示，

從而使控制算法的特性變化較大。計算機的運算是串行的，系統(tǒng)管理、輸入輸出、控制算法計算等各項任務(wù)都要占用一定的時間，

故當(dāng)計算機的速度及計算任務(wù)確定后，采樣間隔就要受到一定限制。計算機速度上升，T可以取得更小?？刂扑惴◤?fù)雜性增加，計算工作量上升，限制T的降低。對一個閉環(huán)控制系統(tǒng),如果被控過程的主導(dǎo)極點的時間常數(shù)為Td，采樣周期取被控過程具有純延滯時間閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)時間有要求閉環(huán)系統(tǒng)的閉環(huán)自然頻率有要求采樣頻率的選取2.選擇采樣頻率的經(jīng)驗規(guī)則采樣周期選取總原則：--在能滿足系統(tǒng)性能要求的前提下，應(yīng)盡量選取較大的采樣周期（即較低的采樣頻率），以降低系統(tǒng)成本?？刂谱兞苛髁繅毫σ好鏈囟炔蓸又芷趕１５１０２０工業(yè)過程控制典型變量的采樣周期多采樣速率配置的原則--根據(jù)每個回路或變量特性，按前面討論的原則進行配置。單個回路，采樣頻率的選擇與單速率系統(tǒng)是相同的。--為使多采樣速率在計算機中實現(xiàn)簡單，除保證同步采樣，采樣速率之比通常取整數(shù)倍，如采樣速率比n=2，4等。主要好處：--可有效地減少計算機的運算量，降低對計算機的運算速度的要求；--對寬頻帶回路的快變信號選擇相應(yīng)高的采樣速率，可減少高頻控制器數(shù)字化帶來的動態(tài)誤差；根據(jù)低頻帶回路的慢變信號選擇相應(yīng)低的采樣速率，可減少低頻控制器數(shù)字化帶來的量化誤差。采樣頻率的選取3.多采樣頻率配置計算機控制系統(tǒng)組建以及實現(xiàn)技術(shù)硬件組成及輸入輸出接口系統(tǒng)測試信號的處理計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計010203控制算法的編排實現(xiàn)04量化效應(yīng)分析05采樣頻率的選取06計算機控制系統(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù)07計算機控制系統(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù)如果計算機控制系統(tǒng)不解決抗干擾的問題，不提高其可靠性，就無法工作。解決計算機控制系統(tǒng)的抗干擾問題的兩種途徑：1）找到干擾源，尋找相應(yīng)的辦法抑制或消除干擾，盡可能避免干擾串入系統(tǒng)，從外因解決問題；2）提高計算機控制系統(tǒng)自身抵抗干擾的能力，從內(nèi)因解決問題。計算機控制系統(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù)1.干擾源及抗干擾措施計算機控制系統(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù)(1)干擾源電網(wǎng)噪聲。電網(wǎng)中大功率設(shè)備的啟停、電網(wǎng)切換或各種故障的產(chǎn)生，都會使電網(wǎng)發(fā)生瞬變，產(chǎn)生脈沖型噪聲。內(nèi)部干擾。整個系統(tǒng)的接地系統(tǒng)不完善，信號被電磁感應(yīng)和電容耦合，使系統(tǒng)內(nèi)部存在干擾。外部干擾。來自空間的干擾，如太陽及其它天體輻射的電磁波、電臺發(fā)出的電磁波、周圍的電器設(shè)備的電磁干擾，氣象條件、空中雷電，甚至地磁場的變化也會引起干擾。(2)克服空間感應(yīng)的抗干擾措施主要來源于電磁場在空間的傳播，一般只需采用適當(dāng)?shù)钠帘渭罢_的接地方法即可解決。屏蔽目的的不同，屏蔽及接地的方法也不一樣：--電場屏蔽解決分布電容問題，所以一般接大地。--電磁場屏蔽主要避免雷達、短波電臺等高頻電磁場輻射干擾，屏蔽層可以用低阻金屬材料做成，而且連接大地。--磁屏蔽用以防止磁鐵、電機、變壓器、線圈等磁感應(yīng)、磁耦合，屏蔽層用高導(dǎo)磁材料做成，一般接大地。(3)過程通道的抗干擾措施串模干擾及其抑制--串模干擾——疊加在被測信號上的干擾信號。--串模干擾信號的主要成份是50Hz的工頻和特殊的高次諧波，且通過電磁耦合和漏電等傳輸形式，疊加到信號或引線上形成干擾?？墒?0Hz的干擾衰減到1/600左右。②進行電磁屏蔽和良好的接地

從根本上切斷引起干擾的干擾源。例如選擇帶屏蔽層的雙絞線或同軸電纜連接一次儀表（如壓力變送器、熱電偶）和轉(zhuǎn)換設(shè)備，并配以良好的接地措施來解決。圖7-45串模干擾示意圖圖7-46二階阻容濾波器網(wǎng)絡(luò)1.干擾源及抗干擾措施計算機控制系統(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù)①模擬濾波產(chǎn)生原因：不同“地”之間存在共模電壓，以及模擬信號系統(tǒng)對地存在漏阻抗。②采用隔離技術(shù)將地電位隔開--使用變壓耦合或光電耦合的隔離方法。--若將光電耦合器與壓頻（V/F）變換器、頻壓（F/V）變換器組合起來，形成組合式模擬隔離器，不僅隔離方便，信號抗干擾性強，而且對模擬信號的遠距離傳送尤為有效。圖7-47共模干擾示意圖圖7-48差分輸入級示意圖(3)過程通道的抗干擾措施1.干擾源及抗干擾措施計算機控制系統(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù)共模干擾及其抑制①采用差分放大器做信號前置放大合理配置和使用低通濾波器和交流穩(wěn)壓裝置采用抗干擾能力強的開關(guān)電源采用分布式獨立供電采用備用電源或不間斷電源（UPS）(4)電源系統(tǒng)的抗干擾措施1.干擾源及抗干擾措施計算機控制系統(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù)接地是抑制干擾的主要方法，其目的：--清除各電路電流流經(jīng)公共地線阻抗時產(chǎn)生的噪聲電壓--