硬件组成及输入输出接口系统测试信号的处理计算

17.1 硬件组成及输入输出接口硬件组成及输入输出接口7.2 系统测试信号的处理系统测试信号的处理7.3 计算机控制系统的实时软件设计计算机控制系统的实时软件设计7.4 控制算法的编排实现控制算法的编排实现7.5 量化效应分析量化效应分析7.6 采样频率的选取采样频率的选取7.7 计算机控制系统的抗干扰及可靠性技术计算机控制系统的抗干扰及可靠性技术2图图7-1 计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本组成31.对计算机主机的要求对计算机主机的要求 实时处理能力实时处理能力 比较完善的中断系统比较完善的中断系统 对指令系统的要求对指令系统的要求 对内存的要求对内存的要求 2.对过程输入输出通道的要求对过程输入输出通道的要求 有足够的输入通道数，并具有一定的扩充能力有足够的输入通道数，并具有一定的扩充能力有足够的精度和分辨率有足够的精度和分辨率 应有足够的变换速度应有足够的变换速度 43.对应用软件系统的要求对应用软件系统的要求 实时性强、可靠性好、具有在线修改能力、实时性强、可靠性好、具有在线修改能力、输入输出功能强等输入输出功能强等4.方便的人方便的人机联系机联系 显示屏显示屏、各种功能键、各种功能键、输入数据功能键等、输入数据功能键等5.系统的可靠性和可维护性系统的可靠性和可维护性可靠性指系统无故障运行能力，指标可靠性指系统无故障运行能力，指标平平均无故障间隔时间。均无故障间隔时间。51.运算速度运算速度 影响因素：系统计算工作量、采样周期、指令系统、影响因素：系统计算工作量、采样周期、指令系统、硬件支持硬件支持2.计算机字长计算机字长 影响因素：影响因素：量化误差量化误差 应与应与A/D的字长相协调的字长相协调 信号的动态范围信号的动态范围 与采样周期与采样周期T的关系的关系 若若T减小，但又希望量化误差保持不变，则所需的计算减小，但又希望量化误差保持不变，则所需的计算机的字长就要相应增加。机的字长就要相应增加。/4cpuA Dnnlg(1)lg2NnmaxminXNX61.D/A 转换器工作原理转换器工作原理数字量转换为模拟量或电流量的装置。数字量转换为模拟量或电流量的装置。2.D/A转换器的主要性能转换器的主要性能常用的主要指标：常用的主要指标：精度精度精度是反映实际输出与理想数学模型精度是反映实际输出与理想数学模型输出信号接近的程度。输出信号接近的程度。分辨率分辨率分辨率可定义为当输入数字量发生分辨率可定义为当输入数字量发生单位数码变化时输出模拟量的变化量。分辨率单位数码变化时输出模拟量的变化量。分辨率也常用数字量的位数来表示。也常用数字量的位数来表示。7 转换时间转换时间最小有效位常以最小有效位常以LSB表示，故转表示，故转换时间定义为换时间定义为D/A转换器中的输入代码有满刻度值转换器中的输入代码有满刻度值的变化时，其输出模拟信号达到满刻度值的变化时，其输出模拟信号达到满刻度值LSB时所需要的时间。时所需要的时间。输出电平输出电平电压型：电压型：5 10V，24 30V；电流输出型：电流输出型：20mA，3A等。等。输入代码形式输入代码形式D/A转换器单极性输出时，转换器单极性输出时，有二进制码、有二进制码、BCD码。当双极性输出时，有码。当双极性输出时，有符号符号+数值码，偏移二进制码等。数值码，偏移二进制码等。128 集成集成D/A转换器的输入方式：转换器的输入方式：不带缓冲寄存器（如不带缓冲寄存器（如8位的位的DAC0808）带缓冲寄存器（如带缓冲寄存器（如8位的位的DAC0832、12位的位的DAC1208等）。等）。选择选择D/A转换芯片转换芯片 主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。在性能上主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。在性能上必须满足必须满足D/A转换的技术要求，在结构和应用上满转换的技术要求，在结构和应用上满足接口方便，外围电路简单，价格低廉等要求。足接口方便，外围电路简单，价格低廉等要求。对于对于D/A转换器字长转换器字长n的选择，可以由其后的的选择，可以由其后的执行机构的动态范围来选定：执行机构的动态范围来选定：max21Rnuumaxlg1/lg2Runu执行机构的执行机构的死区电压死区电压 执行机构执行机构最大输入最大输入 9图图7-2 模拟量输出通道的两种实现结构图模拟量输出通道的两种实现结构图10(1)单极性二进制编码单极性二进制编码(2)双极性二进制编码双极性二进制编码 有符号的二进制可以用有符号的二进制可以用原码原码、补码补码、反码反码和和偏移二进制偏移二进制码码来表示。为了把双极性的信号表示成数字代码，就需来表示。为了把双极性的信号表示成数字代码，就需要增加一位要增加一位“符号位符号位”。增加一个符号位可以使量程增。增加一个符号位可以使量程增加一倍，但分辨率却要降低一倍。这几种编码与十进制加一倍，但分辨率却要降低一倍。这几种编码与十进制数的关系如表数的关系如表7-1所示。所示。注意：注意：计算机内信号的编码可能与计算机内信号的编码可能与D/A输入信号的编码不完输入信号的编码不完全一致。若一致，则可将计算机的运算输出直接作为全一致。若一致，则可将计算机的运算输出直接作为D/A转换器的输入。但若不一致（多数情况），则需转换器的输入。但若不一致（多数情况），则需要将计算得到的码制进行相应的转换后，方可作为要将计算得到的码制进行相应的转换后，方可作为D/A的输入信号。的输入信号。12(1,2,)niiiNain11图图7-4 模拟量输入通道一般结构图模拟量输入通道一般结构图121.采样保持器采样保持器孔径时间孔径时间实际的采样过程需要的时间。实际的采样过程需要的时间。为缩短孔径时间，采取的措施是将对模拟信号的采样和对为缩短孔径时间，采取的措施是将对模拟信号的采样和对采样的模拟电压的转换分开，分别由不同的电路完成。采样的模拟电压的转换分开，分别由不同的电路完成。采样保持器作用就是以较短的孔径时间对信号进行采样，采样保持器作用就是以较短的孔径时间对信号进行采样，然后将采得的模拟电压保持，供然后将采得的模拟电压保持，供A/D转换电路进行转换。转换电路进行转换。图图7-5 采样保持器原理图采样保持器原理图13 工作原理工作原理:将输入的模拟电压按比例地转化为二进制数字信号的装置。将输入的模拟电压按比例地转化为二进制数字信号的装置。图图7-7 双斜积分式双斜积分式A/D转换器转换器 图图7-6 逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器转换器 14(1)精度精度指对应一个给定的数字量的实际模拟量输指对应一个给定的数字量的实际模拟量输入与理论模拟量输入接近的程度。入与理论模拟量输入接近的程度。(2)分辨率分辨率指输出数字量对输入模拟量变化的分辨指输出数字量对输入模拟量变化的分辨能力。即设能力。即设A/D转换器的位数为转换器的位数为n，则，则A/D转换器的转换器的分辨率为分辨率为(3)转换时间转换时间从从A/D转换的启动信号加入时起，到转换的启动信号加入时起，到获得数字输出信号为止，所需的时间。获得数字输出信号为止，所需的时间。(4)量程量程 指测量的模拟量的变化范围。指测量的模拟量的变化范围。一般有单极性（如一般有单极性（如0 10V、0 20V）和）和 双极性（例如双极性（例如-5V+5V、-10V+10V）两种。）两种。nD2/1)12/(1nD或或15 除了要满足用户的各种技术要求外，还必须注意：除了要满足用户的各种技术要求外，还必须注意：A/D输出的方式输出的方式 A/D芯片对启动信号的要求芯片对启动信号的要求 A/D的转换精度和转换时间的转换精度和转换时间 它的稳定性及抗干扰能力等它的稳定性及抗干扰能力等 A/D转换器的精度与传感器的精度有关，一般比传感器转换器的精度与传感器的精度有关，一般比传感器的精度高一个数量级；的精度高一个数量级；A/D转换器的转换速率还与系统转换器的转换速率还与系统的频带有关。的频带有关。根据输入模拟信号的动态范围可选择根据输入模拟信号的动态范围可选择A/D转换器位数转换器位数n maxmin21nuumaxminlg1/lg2unu模入信号模入信号的最大值的最大值 模入信号模入信号的最小值的最小值 16图图7-8 单路检测通道结构类型单路检测通道结构类型17 A/D的二进制码制与极性的二进制码制与极性 类似于类似于D/A的二进制码制与极性，可同时参见表的二进制码制与极性，可同时参见表7-1（此时表中的（此时表中的VREF为为A/D的量程）和表的量程）和表7-2。在实际。在实际应用中，应用中，A/D输出的代码形式可能采用前面介绍的几输出的代码形式可能采用前面介绍的几种二进制编码中的一种。种二进制编码中的一种。注意：注意：计算机内信号的编码可能与计算机内信号的编码可能与A/D输出信号的编码不完输出信号的编码不完全一致。若一致，则可将全一致。若一致，则可将A/D输出信号的编码直接作输出信号的编码直接作为计算机的运算输入信号。但若不一致（多数情况），为计算机的运算输入信号。但若不一致（多数情况），则需要将则需要将A/D输出信号的编码进行相应的转换后，方输出信号的编码进行相应的转换后，方参与到算法的运算中。参与到算法的运算中。18(1)查询方式查询方式 由由CPU执行执行I/O指令启动并完成。每次传送数据之前，要先输入指令启动并完成。每次传送数据之前，要先输入A/D转换器状态，经过查询符合条件后才可以进行数据的转换器状态，经过查询符合条件后才可以进行数据的I/O。灵活，灵活，但在读写数据端口指令之前需要重复执行多次查询状态的但在读写数据端口指令之前需要重复执行多次查询状态的指令，当外设速度比较慢时，会造成指令，当外设速度比较慢时，会造成CPU效率的大大降低效率的大大降低。(2)中断方式中断方式 可以省掉重复繁琐的查询，并可及时响应外设的要求。在这种方可以省掉重复繁琐的查询，并可及时响应外设的要求。在这种方式下，式下，CPU和外设基本上实现了并行工作，当然由于增加了中断和外设基本上实现了并行工作，当然由于增加了中断管理功能，所以对应的接口电路和程序要比查询方式复杂。管理功能，所以对应的接口电路和程序要比查询方式复杂。(3)DMA方式方式 在高速数据采集系统中，不仅要选用高速在高速数据采集系统中，不仅要选用高速A/D转换电路，而且传转换电路，而且传送转换结果也要求非常及时迅速，可以考虑选用送转换结果也要求非常及时迅速，可以考虑选用DMA方式。方式。19 输入缓冲器的作用输入缓冲器的作用 对外部输入信号进行缓冲、加强和选通。输出锁存对外部输入信号进行缓冲、加强和选通。输出锁存器将器将CPU输出的数据或控制信号进行锁存，以便放输出的数据或控制信号进行锁存，以便放大驱动执行机构作用于被控对象。大驱动执行机构作用于被控对象。I/O电气转换部分的功能：电气转换部分的功能：滤波、电平转换、隔离、功率驱动等。滤波、电平转换、隔离、功率驱动等。图图7-9 开关量输入输出通道结构开关量输入输出通道结构201.直流电压信号的调整直流电压信号的调整 设计相应的调理电路（如分压、放大等），将直流信号转换成计设计相应的调理电路（如分压、放大等），将直流信号转换成计算机所能接受电压形式，再直接使用算机所能接受电压形式，再直接使用A/D转换器。转换器。2.直流电流信号的调理直流电流信号的调理 设计电流到电压的转换电路。设计电流到电压的转换电路。3.数字信号的调理数字信号的调理 主要是进行隔离、放大及限幅整形，将微弱的信号变成满足接口主要是进行隔离、放大及限幅整形，将微弱的信号变成满足接口要求的等幅脉冲序列。对于数字量的测量主要应用于对频率的测要求的等幅脉冲序列。对于数字量的测量主要应用于对频率的测量和对转速的测量。量和对转速的测量。图图7-13 有源有源I/V变换电路变换电路图图7-12 电流信号传输的典型电路电流信号传输的典型电路211.总线定义总线定义总线是一组信号线的集合。这些线是系统的各总线是一组信号线的集合。这些线是系统的各插件间（或插件内部各芯片间）、各系统之间插件间（或插件内部各芯片间）、各系统之间传送规定信息的公共通道，有时也称数据公路，传送规定信息的公共通道，有时也称数据公路，通过它们可以把各种数据和命令传送到各自要通过它们可以把各种数据和命令传送到各自要去的地方。去的地方。22(1）根据）根据总线不同的结构和用途总线不同的结构和用途的分类的分类 专用总线专用总线 只实现一对物理部件间连接的总线。只实现一对物理部件间连接的总线。非专用总线非专用总线 可以被多种功能或多个部件所共享。准确应称为分时共享总线。可以被多种功能或多个部件所共享。准确应称为分时共享总线。(2）根据）根据总线的用途和应用环境总线的用途和应用环境的分类的分类 局部总线局部总线（芯片或元件级总线）（芯片或元件级总线）构成中央处理机或子系统内所用的总线。构成中央处理机或子系统内所用的总线。系统总线系统总线（内总线和板级总线）（内总线和板级总线）用于各单微处理机之间、模块之间的通信，可用于构成分布式多机系用于各单微处理机之间、模块之间的通信，可用于构成分布式多机系统，如统，如 STD总线、总线、VME总线、总线、PC总线等。总线等。外总线外总线（通信总线）（通信总线）用于微处理机与其它智能仪器仪表间的通信，如用于微处理机与其它智能仪器仪表间的通信，如RS-232C等等(3）根据）根据总线传送信号的方式总线传送信号的方式的分类的分类 并行总线并行总线 用若干根信号线同时传递信号，就构成了并行总线。用若干根信号线同时传递信号，就构成了并行总线。串行总线串行总线 按照信息逐位的顺序传送信号。按照信息逐位的顺序传送信号。23(1)STD 总线总线 目前工业控制及工业检测系统中使用最广泛的总线，目前工业控制及工业检测系统中使用最广泛的总线，它兼容性好，能够支持任何它兼容性好，能够支持任何8位或位或16位微处理器，成位微处理器，成为一种通用标准总线。为一种通用标准总线。具有以下特点：具有以下特点：小板结构，高度模块化小板结构，高度模块化 严格的标准化，广泛的兼容性严格的标准化，广泛的兼容性 面向面向I/O的开放式设计，适合工业控制应用的开放式设计，适合工业控制应用 高可靠性高可靠性 STD是工业应用中十分有前途的通用标准总线。按此是工业应用中十分有前途的通用标准总线。按此标准设计系统，可使系统具有良好的适应性及组装灵标准设计系统，可使系统具有良好的适应性及组装灵活性。目前国内外许多厂家均按活性。目前国内外许多厂家均按STD标准来生产系统标准来生产系统和插件，因此，对应用者来说，按和插件，因此，对应用者来说，按STD标准来组成自标准来组成自己的应用系统将会大大缩短系统的硬件研制周期。己的应用系统将会大大缩短系统的硬件研制周期。24(2)IBM PC/AT 总线总线 由于由于IBM PC机有丰富的软、硬件支持，而且其价格机有丰富的软、硬件支持，而且其价格低廉，目前已成为国际上广泛使用的微型机之一。低廉，目前已成为国际上广泛使用的微型机之一。IBM PC机的主板上设计了供输入输出用的总线，这机的主板上设计了供输入输出用的总线，这些总线引至系统板上的些总线引至系统板上的5个或个或8个个62脚的插座上，这些脚的插座上，这些插座称为扩展插槽。插座称为扩展插槽。制造商提供的用作扩充制造商提供的用作扩充PC机的选件板有百余种之多，机的选件板有百余种之多，如同步通讯控制卡、异步通讯控制卡、如同步通讯控制卡、异步通讯控制卡、A/D及及D/A转转换板、数据采集板、各类存储器扩展板、打印机接口换板、数据采集板、各类存储器扩展板、打印机接口板、网络接口板等。用户可根据需要进行选购，也可板、网络接口板等。用户可根据需要进行选购，也可根据需要自行设计和开发新的功能板。根据需要自行设计和开发新的功能板。PC/AT总线对环境要求较高，无法保证在工业现场可总线对环境要求较高，无法保证在工业现场可靠运行。靠运行。PCAT总线都是主要采取将微处理器芯片总线经缓总线都是主要采取将微处理器芯片总线经缓冲直接映射到系统总线上，没有支持总线仲裁的硬件冲直接映射到系统总线上，没有支持总线仲裁的硬件逻辑，因而不支持多主系统。逻辑，因而不支持多主系统。25(3)RS232C 串行接口标准总线串行接口标准总线 由电子工业学会正式公布的串行总线标准，也由电子工业学会正式公布的串行总线标准，也是在微机系统中最常用的串行接口标准，用于是在微机系统中最常用的串行接口标准，用于实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的同步或异步通讯。的同步或异步通讯。采用采用RS232C作串行通讯时，传输数据的速作串行通讯时，传输数据的速率可任意调整，最大可达率可任意调整，最大可达20Kb。两种连接系统的方式：两种连接系统的方式：近程（传输距离小于近程（传输距离小于15m）通讯，这时可）通讯，这时可以用以用RS232C电缆直接连接。电缆直接连接。远程（远程（15m以上的长距离）通讯，需要采以上的长距离）通讯，需要采用调制解调器（用调制解调器（MODEM）经电话线进行。）经电话线进行。26(4)RS422 串行接口标准总线串行接口标准总线 采用了平衡驱动和差分接收器组合的双端接口方式。采用了平衡驱动和差分接收器组合的双端接口方式。传输距离可以达到传输距离可以达到1000米，传输波特率可以达到米，传输波特率可以达到10Mbit/s。图图7-17 RS-422发送驱动器发送驱动器277.1 硬件组成及输入输出接口硬件组成及输入输出接口7.2 系统测试信号的处理系统测试信号的处理7.3 计算机控制系统的实时软件设计计算机控制系统的实时软件设计7.4 控制算法的编排实现控制算法的编排实现7.5 量化效应分析量化效应分析7.6 采样频率的选取采样频率的选取7.7 计算机控制系统的抗干扰及可靠性技术计算机控制系统的抗干扰及可靠性技术281.模拟滤波器模拟滤波器在采样开关前加入适当的模拟滤波器（称为抗混迭在采样开关前加入适当的模拟滤波器（称为抗混迭滤波器或前置模拟低通滤波器），通常为简单的低滤波器或前置模拟低通滤波器），通常为简单的低通网络。通网络。1()(1)FnfGsT s1,2,3,n滤波器的转折频率滤波器的转折频率 选取滤波器参数时，应尽量保证：选取滤波器参数时，应尽量保证：在系统频带内信号幅值变化比较平坦，在该频带外，信在系统频带内信号幅值变化比较平坦，在该频带外，信号幅值有较大的衰减，成为较陡峭衰减的形状。号幅值有较大的衰减，成为较陡峭衰减的形状。29 利用程序实现的滤波。只需根据滤波算法编制相应的程序利用程序实现的滤波。只需根据滤波算法编制相应的程序即可达到目的。即可达到目的。(1)平均值滤波平均值滤波 在一个采样周期中，对信号在一个采样周期中，对信号y连续进行连续进行m次采样，并对次采样，并对其取算术平均值，作为本采样周期内的滤波器输出。其取算术平均值，作为本采样周期内的滤波器输出。还可以在平均算法中给各次采样值不同的权重系数，还可以在平均算法中给各次采样值不同的权重系数，此时滤波算法为：此时滤波算法为：101()miiyy im01i101mii011m满足满足通常取通常取30(2)中值滤波中值滤波 在一个采样周期中，将信号的连续次（一般取奇数在一个采样周期中，将信号的连续次（一般取奇数,）采样值进行排序，取其中间值作为本采样周期内的滤采样值进行排序，取其中间值作为本采样周期内的滤波器输出。一般波器输出。一般m越大滤波效果越好，越大滤波效果越好，但延滞增大。但延滞增大。中值滤波对缓变过程的脉冲干扰有良好的滤波效果。中值滤波对缓变过程的脉冲干扰有良好的滤波效果。(3)限幅滤波限幅滤波 根据对象的特点和系统的精度，对采样数据的正常范根据对象的特点和系统的精度，对采样数据的正常范围事先作一个估计。若某次采样受到强烈的干扰，使围事先作一个估计。若某次采样受到强烈的干扰，使数据明显超出正常范围，就应该将其剔除。数据明显超出正常范围，就应该将其剔除。|()(1)|()()|()(1)|()(1)oooy ky kYy ky ky ky kYy ky kY Y：相邻两次采样相邻两次采样值之差的最大可能值值之差的最大可能值 如果本次采样值如果本次采样值y(k)和上次采样值和上次采样值y(k-1)之差小于之差小于YY，表示，表示y(k)是是真实的，取本次采样值作为滤波器的输出值；反之，真实的，取本次采样值作为滤波器的输出值；反之，y(k)是不真实的，是不真实的，取前一次的滤波器输出为本次滤波器的输出。取前一次的滤波器输出为本次滤波器的输出。说说 明明对随机脉冲干扰和采样器不稳定引起的失真有良好的滤波效果。对随机脉冲干扰和采样器不稳定引起的失真有良好的滤波效果。31(4)惯性滤波惯性滤波 模拟模拟RC低通滤波器的数字实现。低通滤波器的数字实现。RC滤波器的传函滤波器的传函()1()1fY sX sT s后差分法后差分法()(1)()fffTTy ky kx kTTTT(1)(1)()y kx k适用于有用信号缓慢变化，干扰信号波动频繁的场合。适用于有用信号缓慢变化，干扰信号波动频繁的场合。32 通过模拟量输入通道采集到的数据与该数据所代表的被测通过模拟量输入通道采集到的数据与该数据所代表的被测参数不一定呈线性关系，常需要将它们进行非线性补偿，参数不一定呈线性关系，常需要将它们进行非线性补偿，将非线性关系转化为线性关系，才能用于显示和控制。将非线性关系转化为线性关系，才能用于显示和控制。例如，铜例如，铜康铜热电偶（康铜热电偶（T型）以冷端温度型）以冷端温度t0=0oC为条件下，在为条件下，在0 400 C的范围内计算温度的公式为的范围内计算温度的公式为8811()iiiiiitbeb kd计算量较大计算量较大程序较复杂程序较复杂 为了使计算简单，提高实时性，为了使计算简单，提高实时性，通常采用分段线性化的方法，即用多通常采用分段线性化的方法，即用多段折线代替曲线进行计算。段折线代替曲线进行计算。线性化过程是，首先判断测量数线性化过程是，首先判断测量数据处于哪一段折线内，然后按照相应据处于哪一段折线内，然后按照相应段的线性化公式计算出线性值。段的线性化公式计算出线性值。分段可以是等距的，也可以是非分段可以是等距的，也可以是非等距的；分段数越多，线性化精度越等距的；分段数越多，线性化精度越高，软件开销就越大。高，软件开销就越大。337.1 硬件组成及输入输出接口硬件组成及输入输出接口7.2 系统测试信号的处理系统测试信号的处理7.3 计算机控制系统的实时软件设计计算机控制系统的实时软件设计7.4 控制算法的编排实现控制算法的编排实现7.5 量化效应分析量化效应分析7.6 采样频率的选取采样频率的选取7.7 计算机控制系统的抗干扰及可靠性技术计算机控制系统的抗干扰及可靠性技术34图图7-19 计算机控制系统的软件组成计算机控制系统的软件组成351.机器语言（即机器指令）机器语言（即机器指令）2.汇编语言汇编语言3.高级语言高级语言4.高级语言和汇编语言的混合使用高级语言和汇编语言的混合使用361.实时控制软件实时控制软件(1)实时管理软件实时管理软件n实时时钟管理实时时钟管理 n输入输出信息管理输入输出信息管理 n中断管理功能中断管理功能 n任务调度任务调度 n人人机联系机联系 n设置系统的初始状态设置系统的初始状态(2)过程监视及控制算过程监视及控制算法计算软件法计算软件u数据变换处理程序数据变换处理程序u控制指令生成程序控制指令生成程序 u事故处理程序事故处理程序 u信息管理程序信息管理程序 u基本运算程序基本运算程序u码制及格式转换程序码制及格式转换程序 37图图7-20 典型的计算机实时控制系统的程序流程框图典型的计算机实时控制系统的程序流程框图38算法算法I：包括那些为了得到当前输出值而必须进行的计算。：包括那些为了得到当前输出值而必须进行的计算。算法算法II：包括那些为了得到下一时刻输出值而必须进行的计：包括那些为了得到下一时刻输出值而必须进行的计算，以及与当前输出无关的其它计算和管理算法。算，以及与当前输出无关的其它计算和管理算法。延时对控制系统有不好的影响！延时对控制系统有不好的影响！A/DD/AD(z)t1t2t3延时延时t图图7-21 数模混合系统计算延时的引入数模混合系统计算延时的引入39图图7-22 三种控制算法的输出时刻三种控制算法的输出时刻40图图7-22 三种控制算法的流程框图三种控制算法的流程框图417.1 硬件组成及输入输出接口硬件组成及输入输出接口7.2 系统测试信号的处理系统测试信号的处理7.3 计算机控制系统的实时软件设计计算机控制系统的实时软件设计7.4 控制算法的编排实现控制算法的编排实现7.5 量化效应分析量化效应分析7.6 采样频率的选取采样频率的选取7.7 计算机控制系统的抗干扰及可靠性技术计算机控制系统的抗干扰及可靠性技术42直接型结构的实现比较简单，不需要做任何变换。直接型结构的实现比较简单，不需要做任何变换。严重的缺陷：如果控制器中任一系数存在误差，则将使控制器所有的零极点严重的缺陷：如果控制器中任一系数存在误差，则将使控制器所有的零极点产生相应的变化产生相应的变化。10111.()()()1.mmnnbb zb zU zD zmnE za za z1.直接型结构直接型结构图图7-24 直接型结构直接型结构43 将将D(z)的分子分母因式分解，得一阶或二阶的环节乘积的分子分母因式分解，得一阶或二阶的环节乘积,可以用这些低阶环节的编排结构（采用直接型编排实现）可以用这些低阶环节的编排结构（采用直接型编排实现）进行串联而得。进行串联而得。012()()()lU zD zb D DDE z1111iizz1121212211iiiizzza z其中其中Di为为或或 如果低阶控制器中任一系数有误差，不会使控制器所如果低阶控制器中任一系数有误差，不会使控制器所有的零极点产生相应的变化。有的零极点产生相应的变化。图图7-25 串联型编排实现结构图串联型编排实现结构图44 将将D(z)进行部分分式展开进行部分分式展开，得一阶或二阶环节之和。可得一阶或二阶环节之和。可以用这些低阶环节的编排结以用这些低阶环节的编排结构（采用直接型编排实现）构（采用直接型编排实现）进行并联而得。进行并联而得。012()()()lU zD zDDDE z其中其中Di为为或或1()1iiz10112121iiiizzz 如果低阶控制器中如果低阶控制器中任一系数有误差，不会任一系数有误差，不会使控制器所有的零极点使控制器所有的零极点产生相应的变化。产生相应的变化。图图7-26 并联型编排实现结构图并联型编排实现结构图45 原因：定点数要求、原因：定点数要求、D/A前要求前要求 原则原则:(1)绝大多数情况下，使各支路信号不上溢绝大多数情况下，使各支路信号不上溢(2)尽量减少动态信号的下溢值，减小不灵敏区，提高尽量减少动态信号的下溢值，减小不灵敏区，提高分辨率分辨率(3)控制算法各支路的比例因子可以采用实际物理量的控制算法各支路的比例因子可以采用实际物理量的最大值与计算机代码的最大值之比来确定。采用最大值与计算机代码的最大值之比来确定。采用2的整的整次幂来缩放次幂来缩放.(4)要保证配置比例因子前后，支路的增益与总的传递要保证配置比例因子前后，支路的增益与总的传递特性保持不变特性保持不变(5)A/D和和D/A比例因子的计算比例因子的计算A/D的传递系数的传递系数KAD=1/uimax ，D/A具有传递系数具有传递系数KDA=uomax 故需要在计算机内应配置相应的比例因子故需要在计算机内应配置相应的比例因子1/KAD和和1/KDA。46|D(z)|=K*|D1(z)|1，(K 1且且|D1(z)|1)处理方法处理方法:计算机实现增益计算机实现增益小于小于1的控制器的控制器D1(z)，其余增益移到系统模拟其余增益移到系统模拟部分完成并设置限幅。部分完成并设置限幅。将大于将大于1的增益放到最的增益放到最后，并在该增益之前设置后，并在该增益之前设置数字限幅保护，防止输入数字限幅保护，防止输入信号较大时发生上溢。信号较大时发生上溢。图图7-27 数字控制系统控制器增益的分配数字控制系统控制器增益的分配47例例7-4 1212()2(0.7)(0.8)231.12()()(0.9)(0.2)1 1.10.18U zzzzzD zE zzzzz试画出实现该控制器的结构编排图。设实现控制律的主机采用试画出实现该控制器的结构编排图。设实现控制律的主机采用定点小数的补码来表示数据，进行适当的比例因子配置，写出定点小数的补码来表示数据，进行适当的比例因子配置，写出对应算法的差分方程，给出相应的算法实现流程图。对应算法的差分方程，给出相应的算法实现流程图。解：解：(1)直接编排实现直接编排实现()2()3(1)1.12(2)1.1(1)0.18(2)u ke ke ke ku ku k图图7-29 控制算法编排结构图控制算法编排结构图图图7-28 某控制器接口图某控制器接口图48 考虑系数的情况考虑系数的情况 注意到：由于主机用定点小数的补码来表示数据，大注意到：由于主机用定点小数的补码来表示数据，大于于1的数据无法在计算机内表示出来。又必须保证每个的数据无法在计算机内表示出来。又必须保证每个回路和支路的增益保持不变。回路和支路的增益保持不变。确定控制器中间变量的最大值，对整个环节进行配置。确定控制器中间变量的最大值，对整个环节进行配置。考虑考虑A/D和和D/A的量程的量程1()()|1.51ztD z1()()|2.68421ztD z选择比例因子为选择比例因子为22=4 3。A/D的量程为的量程为10V，A/D的传递系数的传递系数KAD=1/10D/A的量程为的量程为5 V，D/A的传递系数的传递系数KDA=5为了不改变信号的传递关系，应配置比例因子为了不改变信号的传递关系，应配置比例因子1/(KAD*KDA)=249稍加整理，得配置好比例因子的结构编排图。稍加整理，得配置好比例因子的结构编排图。算法算法I：11()0.25()(1)u ke kx k121111,()0.5()2*(),()0.51,()0.5 u ku ku ku ku k22221,()0.125()8*(),()0.1251,()0.125 u ku ku ku ku k算法算法II：122()0.375()0.55()(1)x ke ku kx k22()0.14()0.09()x ke ku k图图7-30 整个环节配置比例因子后的直接编排实现结构图整个环节配置比例因子后的直接编排实现结构图50特点：特点：无需进行数据传送，无需进行数据传送，而是依靠计算的先后顺序，而是依靠计算的先后顺序，间接得到和的历次值。间接得到和的历次值。图图7-31 算法流程图算法流程图517.1 硬件组成及输入输出接口硬件组成及输入输出接口7.2 系统测试信号的处理系统测试信号的处理7.3 计算机控制系统的实时软件设计计算机控制系统的实时软件设计7.4 控制算法的编排实现控制算法的编排实现7.5 量化效应分析量化效应分析7.6 采样频率的选取采样频率的选取7.7 计算机控制系统的抗干扰及可靠性技术计算机控制系统的抗干扰及可靠性技术521.量化特性量化特性有限位有限位(n)二进制所能表现的数据二进制所能表现的数据 2n个等间隔数个等间隔数q称为量化单位称为量化单位用用q表示表示字长为字长为N1位作符号位位作符号位 1121/2NNq一个任意值的真实数一个任意值的真实数x，只可以用，只可以用q的整倍数的整倍数xq来表示来表示qxL q即有即有qxx量化误差量化误差常用的量化方法常用的量化方法(1)舍入量化舍入量化将小于量化单位的尾数进行四舍五入整量化。将小于量化单位的尾数进行四舍五入整量化。(2)截尾量化截尾量化将小于量化单位的尾数全部截掉。将小于量化单位的尾数全部截掉。53(1)舍入量化舍入量化将小于量化单位的尾数进行四舍五入整量化。将小于量化单位的尾数进行四舍五入整量化。(2)截尾量化截尾量化将小于量化单位的尾数全部截掉。将小于量化单位的尾数全部截掉。截尾量化误差截尾量化误差 舍入量化误差舍入量化误差 R/2/2RqqT0,00,0 TTqxqx0Tq对于原码及反码对于原码及反码 对补码对补码 54图图7-34 两种量化特性及量化误差两种量化特性及量化误差55(1)舍入情况舍入情况(2)截尾情况截尾情况 均值均值 方差方差()()RRRRREPd22()()()RRRRRRDPd2/22/2112qRRqqdq均值均值 方差方差 01()()2qTTTTTTTqEPddq22201()()()()212qTTTTTTTTqqDPddq/2/210qRRqdq两种情况下的量化误差的方差相同，均值却不一样两种情况下的量化误差的方差相同，均值却不一样 图图7-35 量化误差的概率分布密度函数量化误差的概率分布密度函数 56图图7-36 二进制数码及其溢出特性二进制数码及其溢出特性 57溢出保护措施后的数据范围溢出保护措施后的数据范围图图7-37 修改后的溢出特性修改后的溢出特性 581.A/D的量化效应的量化效应（A/D字长的有限引起）字长的有限引起）2.控制器参数的量化效应控制器参数的量化效应（计算机字长有限引起）（计算机字长有限引起）3.控制规律计算中的量化效应控制规律计算中的量化效应（乘法除法运算、右移运算等）（乘法除法运算、右移运算等）4.D/A转换的量化效应转换的量化效应（D/A字长字长CPU字长）字长）图图7-38 计算机控制系统的典型结构图计算机控制系统的典型结构图 591.参数的量化误差分析参数的量化误差分析利用灵敏度分析法进行利用灵敏度分析法进行 1010121112()()()()()()()()()mmmmnnnnb zb zbb zzzzzzN zD zP zza zazpzpzp(1,)kakn()D z研究研究的变化对的变化对极点的影响极点的影响 1112()()()()nnnnP zza zazpzpzp极点多项式极点多项式 kakkaajpjjpp(,)0jkP p a(,)0jjkkP pp aa泰勒级数展开泰勒级数展开(,)(,)jjjjkkjkzpjzpkkPPP pp aaP p apaza高次项高次项=0 01()()jjnzpjizpiijPzpzpzz1()njiiijpp11()()()()jjnnjizpijzpiiijijzpzpzpzpzz()jjnn kn kzpknzpjkkPza zapaa011()n kjjnkjiiijppapp灵敏度公式灵敏度公式 060参数的量化误差分析分析结论：参数的量化误差分析分析结论：(1)灵敏度与灵敏度与 成正比成正比(2)灵敏度与各极点之间距离成反比灵敏度与各极点之间距离成反比(3)灵敏度与采样周期灵敏度与采样周期T有关有关1()n kjjnkjiiijppapp灵敏度公式灵敏度公式 n kjpk越大越大,a ak k对根的影响也越大对根的影响也越大 ak对根的影响最大对根的影响最大当极点越接近单位圆，则它受当极点越接近单位圆，则它受ak的影响就越大。的影响就越大。连续控制器极点连续控制器极点s1=-5离散控制器极点离散控制器极点11s TzeT=10.10.001z1=0.00670.60650.995结论：结论：T越小越小离散极点越靠近离散极点越靠近1参数量化影响更严重参数量化影响更严重()()njP zzP()()jjnnzpjjjzpjPpzpppz()nn kjjkppa若控制器有重极点，设若控制器有重极点，设灵敏度随重极点阶数的增高而增高灵敏度随重极点阶数的增高而增高 61例例7-5 直接型结构实现时，试求系数直接型结构实现时，试求系数a3变化多大，将使变化多大，将使D(z)有一极点处于有一极点处于单位圆上。用串联和并联结构实现时又如何？单位圆上。用串联和并联结构实现时又如何？332()()()(0.99)2.972.94030.970299N zN zD zzzzz解：若有一极点处于单位圆上，则解：若有一极点处于单位圆上，则1 0.990.01 jp333()0.010.000001 jap3 3(0.99)1n kjp()nn kjjkppa重极点灵敏度公式重极点灵敏度公式即即a3减少减少0.000001时，会有一极点位于单位圆上时，会有一极点位于单位圆上a3必须小于必须小于0.000001为防止这种情况出现为防止这种情况出现用定点数表示时，用定点数表示时，至少需要至少需要20位字长位字长1/2-19=0.00000191/2-20=0.00000095采用串联和并联结构实现时，环节系数为环节的极点。采用串联和并联结构实现时，环节系数为环节的极点。故故 系数误差系数误差就可以避免极点跑到单位圆上就可以避免极点跑到单位圆上.用定点数表示时，只需用定点数表示时，只需7位字长即可。位字长即可。1 0.990.01 jp在实现高阶控制器时，最好避免采用直接型结构。在实现高阶控制器时，最好避免采用直接型结构。62(1)变量量化误差的确定性分析变量量化误差的确定性分析 变量量化误差可视为外界的干扰变量量化误差可视为外界的干扰e(k)作用到线性系统上，从而可以利用线作用到线性系统上，从而可以利用线性系统的各种分析方法。性系统的各种分析方法。看作确定看作确定性干扰性干扰 量化误差的确定性分析中常假设量化误差的确定性分析中常假设:量化误差源为确定性常数，取其最大值量化误差源为确定性常数，取其最大值 各支路量化误差源对输出的影响是线性叠加；各支路量化误差源对输出的影响是线性叠加；各条支路量化误差源对输出的影响只考虑其稳态值。各条支路量化误差源对输出的影响只考虑其稳态值。max截尾量化误差变化范围截尾量化误差变化范围截尾量化误差截尾量化误差舍入量化误差变化范围舍入量化误差变化范围舍入量化误差舍入量化误差/2/2qq0 qmax/2qaxq图图7-39 乘法量化误差的线性处理乘法量化误差的线性处理63(2)量化的传播量化的传播 确定性量化误差通过一个环节确定性量化误差通过一个环节D(z)之后，得到环节输出的最大量化误之后，得到环节输出的最大量化误差值为差值为舍入量化误差舍入量化误差max/2q1lim()zuD z（终值定理）（终值定理）例例7-6 11()1aTaTzD zzeez求输出的量化误差（乘积按舍入处理）求输出的量化误差（乘积按舍入处理）aTe解：令解：令 11()1D zz乘积舍入乘积舍入 12 1qu结论：结论：(1)环节的极点对量化误差起放大作用环节的极点对量化误差起放大作用(2)T 1，量化噪声，量化噪声图图7-40 量化误差量化误差环节传播结构图环节传播结构图64量化效应的本质是如图量化效应的本质是如图7-34所示的非线性特性。所示的非线性特性。1()1()()1U zD zR zaz(1)()(1)u kau kr k0.9,a(0)10uq已知已知，输入为零。，输入为零。1乘积采用乘积采用舍入舍入量化处理量化处理 k()5u kq当当 时，环节输出时，环节输出死区死区2乘积采用乘积采用截尾截尾量化处理量化处理 k()0u k 当当 时，环节输出时，环节输出理想稳态值理想稳态值初值初值(0)10uq初值初值k()5u kq 当当 时，环节输出时，环节输出极限环极限环k()9u k 当当 时，环节输出时，环节输出负死带负死带(0)10uq 初值初值0.9,a(0)10uq0.9,a 0.9,a(0)10uq初值初值0.9,a 图图7-41 一阶环节一阶环节 的结构图的结构图11/(1)az65舍入量化时，死带和极限环产生的条件和一般式舍入量化时，死带和极限环产生的条件和一般式 输出存在死区和极限环的本质原因，输出存在死区和极限环的本质原因，是因为乘积尾数量化的非线性效应。是因为乘积尾数量化的非线性效应。(1)()(1)u kau kr k环节输出达到稳态时，有环节输出达到稳态时，有|()()|/2Q au ka u kq|()|()|/2Q au ka u kq|()|()|Q au ku k|()|()|/2u ka u kq/2()1|qu ka产生死区或极限环产生死区或极限环()/()D sbsb设设采用采用Tustin 变换变换 211(1)/(2)()()1/21/2zsT zbT zbTD zD sbTzbTa/211/2|()|()1/22 211/2qqqu kbTbTbTbT低频环节采用高采样频率，低频环节采用高采样频率，将导致死带幅值的增大。将导致死带幅值的增大。结论：为了避免量化非线性引起的控制器或系统的死区和极限环，结论：为了避免量化非线性引起的控制器或系统的死区和极限环，在进行设计时，应当尽量使控制器或闭环系统的极点远离单位圆。在进行设计时，应当尽量使控制器或闭环系统的极点远离单位圆。66变换的特点：在小采样周期下，变换的特点：在小采样周期下，离散模型近似于原连离散模型近似于原连续模型，克服了续模型，克服了z变换的不足；在数字算法实现时有更好变换的不足；在数字算法实现时有更好的数值特性。的数值特性。1.1.变换定义变换定义1zT 1zT或或1()()zTGG z 212zs TsT！2()12sTsTzesT！0T sG()与与G(s)形式相同，极点形式相同，极点位置及各种特性都相似位置及各种特性都相似 与与z的关系的关系 平移放大平移放大 1()F ssaz变换变换()aTTzF zze11()()(1)/zTaTTFF zeT 变换变换1()Fa0T 相同相同67 已知变量已知变量x(k)的的变换，需要将变换，需要将变换定义带入即可写变换定义带入即可写出相应的差分方程。出相应的差分方程。()()()C saG sU ssa1 e1 e()esTaTaTaG zZssaz-1(1 e)(1 e)/()()1 e(1 e)/aTaTz TaTaTTGG zTT(1 e)/()(1 e)()/aTaTT CUT(1 e)(1 e)(1)()()()aTaTc kc kTc ku kTT实现时有较实现时有较好数值特性好数值特性(1)e()(1 e)()aTaTc kc ku k实现时有较实现时有较差数值特性差数值特性()()xa y(1)()()zX za Y zT(1)()()x kx kT a y k687.1 硬件组成及输入输出接口硬件组成及输入输出接口7.2 系统测试信号的处理系统测试信号的处理7.3 计算机控制系统的实时软件设计计算机控制系统的实时软件设计7.4 控制算法的编排实现控制算法的编排实现7.5 量化效应分析量化效应分析7.6 采样频率的选取采样频率的选取7.7 计算机控制系统的抗干扰及可靠性技术计算机控制系统的抗干扰及可靠性技术691.对系统稳定性能的影响对系统稳定性能的影响采样周期采样周期T是系统的一个重要的参数，对闭环系统的是系统的一个重要的参数，对闭环系统的稳定性和性能有很大的影响。稳定性和性能有很大的影响。2.采样信息的影响采样信息的影响max2s采样定理采样定理 max(4 10)sR实际应用时：实际应用时：(4 10)sb被控对象全部被控对象全部特征根中的最特征根中的最高高频率频率系统闭环频系统闭环频带带 信号的信号的最大频最大频率率703.采样周期与系统抑制干扰能采样周期与系统抑制干扰能力的关系力的关系 4.系统输出平滑性与采样周期系统输出平滑性与采样周期(5 10)rrTNT(10 20)drTNT2(5 100.17 0.3557.3ooccT）阶跃响应阶跃响应升起时间升起时间振荡周期振荡周期采样点数采样点数开环截开环截止频率止频率经验规则：经验规则：阶跃响应非周期阶跃响应非周期 阶跃响应是振荡阶跃响应是振荡 考虑考虑ZOH影响影响 max2sf干扰信号干扰信号最高频率最高频率 715.计算机字长与与采样周期计算机字长与与采样周期 由于字长有限，当由于字长有限，当减小，所产生的量化误差会增大。减小，所产生的量化误差会增大。当采样周期过小时，将会增大控制算法对参数变化的灵当采样周期过小时，将会增大控制算法对参数变化的灵敏度，使控制算法参数不能准确表示敏度，使控制算法参数不能准确表示，从而使控制算法从而使控制算法的特性变化较大。的特性变化较大。6.计算机的工作负荷与采样周期计算机的工作负荷与采样周期 计算机的运算是串行的，系统管理、输入输出、控制算计算机的运算是串行的，系统管理、输入输出、控制算法计算等各项任务都要占用一定的时间，故当计算机的法计算等各项任务都要占用一定的时间，故当计算机的速度及计算任务确定后，采样间隔就要受到一定限制。速度及计算任务确定后，采样间隔就要受到一定限制。计算机速度计算机速度 T可以取得更小。可以取得更小。控制算法复杂性控制算法复杂性 计算工作量计算工作量 ，限制，限制T的降低。的降低。72对一个闭环控制系统，如果被控过程的主导极对一个闭环控制系统，如果被控过程的主导极点的时间常数为点的时间常数为Td，那么采样周期应取，那么采样周期应取被控过程具有纯延滞时间被控过程具有纯延滞时间 闭环系统的稳态调节时间有要求闭环系统的稳态调节时间有要求 闭环系统的闭环自然频率有要求闭环系统的闭环自然频率有要求/10dTT(1/4 1/10)T/10sTt10sn73 在能满足系统性能要求的前提下，应尽量选取在能满足系统性能要求的前提下，应尽量选取较大的采样周期（即较低的采样频率），以降较大的采样周期（即较低的采样频率），以降低系统成本。低系统成本。控制变量控制变量 流量流量 压力压力 液面液面 温度温度 采样周期采样周期 s工业过程控制典型变量的采样周期工业过程控制典型变量的采样周期 74 主要好处：主要好处：(1)可以有效地减少计算机的运算量，从而降低对计算机可以有效地减少计算机的运算量，从而降低对计算机的运算速度的要求；的运算速度的要求；(2)对宽频带回路的快变信号选择相应高的采样速率，可对宽频带回路的快变信号选择相应高的采样速率，可以减少高频控制器数字化带来的动态误差；根据低频以减少高频控制器数字化带来的动态误差；根据低频带回路的慢变信号选择相应低的采样速率，可以减少带回路的慢变信号选择相应低的采样速率，可以减少低频控制器数字化带来的量化误差。低频控制器数字化带来的量化误差。多采样速率配置的原则多采样速率配置的原则 根据每个回路或变量特性，按前面讨论的原则进行配根据每个回路或变量特性，按前面讨论的原则进行配置。就单个回路而言，采样频率的选择与单速率系统置。就单个回路而言，采样频率的选择与单速率系统是相同的。为使多采样速率在计算机中实现简单，除是相同的。为使多采样速率在计算机中实现简单，除保证同步采样的要求外，采样速率之比通常取整数倍，保证同步采样的要求外，采样速率之比通常取整数倍，如采样速率比如采样速率比n=2，4等。等。757.1 硬件组成及输入输出接口硬件组成及输入输出接口7.2 系统测试信号的处理系统测试信号的处理7.3 计算机控制系统的实时软件设计计算机控制系统的实时软件设计7.4 控制算法的编排实现控制算法的编排实现7.5 量化效应分析量化效应分析7.6 采样频率的选取采样频率的选取7.7 计算机控制系统的抗干扰及可靠性技术计算机控制系统的抗干扰及可靠性技术76 如果计算机控制系统不解决抗干扰的问题，不提如果计算机控制系统不解决抗干扰的问题，不提高其可靠性，就无法工作。高其可靠性，就无法工作。解决计算机控制系统的抗干扰问题的两种途径：解决计算机控制系统的抗干扰问题的两种途径：1）找到干扰源，寻找相应的办法抑制或消除干扰，尽可）找到干扰源，寻找相应的办法抑制或消除干扰，尽可能避免干扰串入系统，从外因解决问题；能避免干扰串入系统，从外因解决问题；2）提高计算机控制系统自身抵抗干扰的能力，从内因解）提高计算机控制系统自身抵抗干扰的能力，从内因解决问题。决问题。771.干扰源干扰源(1)电网噪声电网噪声 电网中大功率设备的启停、电网切换或各种故障的电网中大功率设备的启停、