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第二章第二章 计算机控制系统设计的硬件基础计算机控制系统设计的硬件基础一、计算机控制系统输入、输出接口简介一、计算机控制系统输入、输出接口简介(一一)开关量输入输出开关量输入输出(2.12.1、2.22.2)(二二)模拟量输入输出模拟量输入输出(2.32.3、2.42.4)(三三)计算机控制系统中的电源计算机控制系统中的电源(2.5)(2.5)二、信号的采样与重构（二、信号的采样与重构（2.6 2.6）三、数字滤波简介（三、数字滤波简介（2.72.7）概述概述在计算机控制系统中，计算机是信息处理的核在计算机控制系统中，计算机是信息处理的核心，它不断的从外部获取关于被控制对象或过心，它不断的从外部获取关于被控制对象或过程的状态信息，按照某种策略加工、处理后，程的状态信息，按照某种策略加工、处理后，再向外发出控制信息，从而达到调节、控制的再向外发出控制信息，从而达到调节、控制的目的。目的。本章节介绍计算机控制系统中的信号输入本章节介绍计算机控制系统中的信号输入/输输出通道的一般设计方法及信息采样、重构的方出通道的一般设计方法及信息采样、重构的方法并简单地介绍了数字滤波的基本知识。法并简单地介绍了数字滤波的基本知识。计算机控制系统结构计算机控制系统结构检测装检测装置置空调温度计算机控制系统空调温度计算机控制系统高频疲劳试验机控制系统高频疲劳试验机控制系统（一）模拟量输入（一）模拟量输入经由传感器或检测仪表输入的模拟信号，经由传感器或检测仪表输入的模拟信号，可能是电压或电流信号，幅值范围往往和可能是电压或电流信号，幅值范围往往和A/D转换器的量程不匹配，而且通常含有转换器的量程不匹配，而且通常含有噪音信号，因此需放大、滤波、隔离保护噪音信号，因此需放大、滤波、隔离保护处理；处理；对于多路模拟量输入，应当考虑适当的输对于多路模拟量输入，应当考虑适当的输入结构。入结构。一、一、计算机控制系统输入、输出接口简介计算机控制系统输入、输出接口简介 多路复用方式多路复用方式A/D转换器原理图转换器原理图在计算机控制系统中，有些控制对在计算机控制系统中，有些控制对象需要模拟量输入，这就要求计算象需要模拟量输入，这就要求计算机把输出的数字控制量转化为模拟机把输出的数字控制量转化为模拟量，此步转换采用量，此步转换采用/A转换器来实转换器来实现，即计算机输出的离散控制信号，现，即计算机输出的离散控制信号，必须经过重构处理成连续信号后，必须经过重构处理成连续信号后，才能控制需要连续信号输出的被控才能控制需要连续信号输出的被控对象或过程。对象或过程。（二）模拟量输出（二）模拟量输出二二、信号采样与重构信号采样与重构 信号采样与重构计算是机控制系统不可缺信号采样与重构计算是机控制系统不可缺少的环节：少的环节：计算机只能接受、处理数字信号，因计算机只能接受、处理数字信号，因此从工业现场检测来的连续信号必须经过此从工业现场检测来的连续信号必须经过采样、保持、量化处理变为数字信号后，采样、保持、量化处理变为数字信号后，才能有计算机进行处理和运算。才能有计算机进行处理和运算。计算机输出的离散控制信号，也必须计算机输出的离散控制信号，也必须经过重构处理成连续信号后，才能控制需经过重构处理成连续信号后，才能控制需要连续信号输出的被控对象或过程。要连续信号输出的被控对象或过程。本节主要包括下面几部分本节主要包括下面几部分:信号的采样信号的采样 信号的重构信号的重构 信号处理的基本知识信号处理的基本知识（一）、信号处理的基本知识（一）、信号处理的基本知识1、信号类型信号类型2、信号分析中的常用函数、信号分析中的常用函数3、信号分析中的常用数学定理、信号分析中的常用数学定理 （欧拉（欧拉 公式公式）4、信号的频谱分析、信号的频谱分析1、信号类型信号类型 连续信号连续信号 模拟信号模拟信号 离散信号离散信号 采样信号采样信号 数字信号数字信号2、信号分析中的常用函数、信号分析中的常用函数(1)单位冲激信号单位冲激信号(t)(t)、(t-t0)(t-t0)单位采样序列单位采样序列(t)(t)、(t-KT)(t-KT)(2)(2)单位阶跃函数单位阶跃函数1 1(t)(t)、1(t-t0)1(t-t0)单位阶跃序列单位阶跃序列u(n)u(n)、u(n-KT)u(n-KT)(3)(3)复指数函数复指数函数 复指数序列复指数序列(4)(4)sinc(t)sinc(t)函数（闸门函数、滤波函数）函数（闸门函数、滤波函数）3、信号分析中的常用数学定理信号分析中的常用数学定理（欧拉（欧拉 公式公式）4、信号的频谱分析、信号的频谱分析周期函数周期函数x(t)=x(t+T)的傅里叶级数及其频谱的傅里叶级数及其频谱函数的傅里叶变换及其主要性质函数的傅里叶变换及其主要性质 信号的频谱信号的频谱周期函数周期函数x(t)=x(t+T)的傅里叶级数及其频谱的傅里叶级数及其频谱周期函数周期函数x(t)=x(t+T)的傅里叶级数三角展开式：的傅里叶级数三角展开式：T为基本周期为基波角频率周期函数周期函数x(t)=x(t+T)的傅里叶级数的复指数展开式的傅里叶级数的复指数展开式实例：周期性矩形信号（方波）傅氏级数展开及频谱实例：周期性矩形信号（方波）傅氏级数展开及频谱T为基本周期为基波角频率MATLAB程序n=100;t=0:0.01:2*pi;f=0;for i=1:2:n f=f+4*sin(i*t)/(i*pi);end;plot(t,f),grid on函数的傅里叶变换及其主要性质函数的傅里叶变换及其主要性质函数函数f(t)的的傅里叶变换为傅里叶变换为与函数关系为幅频谱与函数关系为相频谱函数的傅里叶变换的主要性质函数的傅里叶变换的主要性质实移性实移性频移性频移性(二二)、信号的采样信号的采样采样信号的数学表示采样信号的数学表示采样信号的频谱分析采样信号的频谱分析香农香农(Shannon)采样定理采样定理采样周期采样周期T的选取原则的选取原则图22 采样过程 1、采样机理描述采样机理描述 采样过程可以用单位脉冲函数来描述。数采样过程可以用单位脉冲函数来描述。数学表达式如下：学表达式如下：2、采样信号的频谱分析采样信号的频谱分析)(1)(*skjkjFTjFwww-=-=3、香农香农(Shannon)采样定理采样定理 为了使采样信号为了使采样信号f*(t)能反映连续信号能反映连续信号f(t)的的变化规律，采样频率变化规律，采样频率s(s=2fs=2/T)至少应该是信号至少应该是信号f(t)频谱最高频率频谱最高频率max 的的两倍，即两倍，即 s2max 当当采采样样周周期期满满足足采采样样定定理理时时，上上图图中中的的采采样样信信号号频频谱谱就就不不会会发发生生重重叠叠效效应应，这这时时就就可可以以通通过过理理想想的的低低通通滤滤波波器器从从采采样样信号信号f*(t)中完全恢复出中完全恢复出f(t)来。来。注意：滤波器的截止频率滤波器的截止频率计算机控制系统中采样周期的选择计算机控制系统中采样周期的选择遵从采样定律遵从采样定律经验经验其它其它1、信号的恢复、信号的恢复 信号的频谱必须是有限带宽信号的频谱必须是有限带宽 满足采样定律满足采样定律 采用理想低通滤波器或零节保持器采用理想低通滤波器或零节保持器 2、理想低通滤波器、理想低通滤波器 3、零阶保持器、零阶保持器 数学描述数学描述 传递函数传递函数 频谱频谱 (三三)、信号的重构、信号的重构数学表达式数学表达式传递函数传递函数)1(1)(1)(00TktkTtkTffkh+-=零阶保持器零阶保持器频谱分析频谱分析数字滤波数字滤波在计算机控制系统中除了甬道硬件模拟在计算机控制系统中除了甬道硬件模拟滤波以外，还常常采用数字滤波。滤波以外，还常常采用数字滤波。数字滤波是把数字滤波是把A/D转换得到的数据通过软转换得到的数据通过软件按照一定的算法进行平滑加工等处理，件按照一定的算法进行平滑加工等处理，再送给控制程序运算，来增强其有效信再送给控制程序运算，来增强其有效信号、消除或减小各种干扰和噪声，从而号、消除或减小各种干扰和噪声，从而提高控制精度和系统的可靠性和稳定性。提高控制精度和系统的可靠性和稳定性。p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后Thank You在别人的演说中思考，在自己的故事里成长Thinking In Other PeopleS Speeches，Growing Up In Your Own Story讲师：XXXXXX XX年XX月XX日
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