计算机控制第7章1

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1、计算机控制系统 哈尔滨工业大学（威海） 控制科学与工程系 Computer Control System 第七章 计算机控制系统的实现技术 7.1 硬件组成与输入输出接口 7.2 计算机控制系统的软件设计 7.3 量化效应分析 7.4 采样频率的选取 7.5 抗干扰与可靠性技术 7.6 数字控制插补原理 第七章 计算机控制系统的实现技术 7.1 硬件组成与输入输出接口 7.2 计算机控制系统的软件设计 7.3 量化效应分析 7.4 采样频率的选取 7.5 抗干扰与可靠性技术 7.6 数字控制插补原理 7.1 硬件组成与输入输出接口 一、计算机控制系统的基本组成 7.1 硬件组成与输入输出接口

2、一、计算机控制系统的基本组成 对控制用计算机系统的硬件要求 1. 对计算机主机的要求 实时处理能力 比较完善的中断系统 对指令系统的要求 对内存的要求 2. 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 有足够的精度和分辨率 应有足够的变换速度 7.1 硬件组成与输入输出接口 一、计算机控制系统的基本组成 对控制用计算机系统的硬件要求 3. 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、输入输出 功能强等 4. 方便的人机联系 显示屏 、各种功能键 、输入数据功能键等 5. 系统的可靠性和可维护性 可靠性指系统无故障运行能力 指标平均无故障间隔时间。 7.1

3、 硬件组成与输入输出接口 一、计算机控制系统的基本组成 对控制用计算机的选择 1. 运算速度 影响因素：系统计算工作量、采样周期、指令系 统、硬件支持 2. 计算机字长 量化误差 应与A/D的字长相协调 信号的动态范围 与采样周期T的关系 若T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 7.1 硬件组成与输入输出接口 二、计算机控制系统的模拟输出通道 1. D/A的主要指标 精度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。 分辨率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。分辨率也常用数字量的 位数来表示。 转换时间最小有效位常以LSB表

4、示，故转换时间 定义为D/A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LSB时所需要的时间。 7.1 硬件组成与输入输出接口 二、计算机控制系统的模拟输出通道 2. D/A的选择原则 在性能上必须满足D/A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 对于D/A转换器字长n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 死区电压 执行机构 最大输入 7.1 硬件组成与输入输出接口 二、计算机控制系统的模拟输出通道 3. 多路D/A输出时的实现方式 7.1 硬件组成与输入输出接口 三、计算机控制系统的模拟输入通道 7.1 硬件组成

5、与输入输出接口 三、计算机控制系统的模拟输入通道 1. A/D的主要指标 (1) 精度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。 (2) 分辨率指输出数字量对输入模拟量变化的分辨能 力。即设A/D转换器的位数为n，则A/D转换器的分辨率 为 (3) 转换时间从A/D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。 (4) 量程 指测量的模拟量的变化范围。 单极性（如0-10V）和双极性（例如-5V-+5V） 7.1 硬件组成与输入输出接口 三、计算机控制系统的模拟输入通道 2. A/D的选择 (1) A/D输出的方式、对启动信号的要求、A/D的转换精 度

6、和转换时间、稳定性及抗干扰能力等 (2) A/D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；A/D转换器的转换速率还与系 统的频带有关 (3) 根据输入模拟信号的动态范围可选择A/D转换器位数 n 模入信号 的最大值 模入信号 的最小值 7.1 硬件组成与输入输出接口 三、计算机控制系统的模拟输入通道 3. CPU和A/D转换电路之间的I/O控制方式 (1) 查询方式 由CPU执行I/O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I/O。 应用灵活，但在读写数据端口指令之前需要重复执 行多次查询状态的指令，当外设速度比

7、较慢时，会造成 CPU效率的大大降低。 7.1 硬件组成与输入输出接口 三、计算机控制系统的模拟输入通道 3. CPU和A/D转换电路之间的I/O控制方式 (2) 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。 在这种方式下，CPU和外设基本上实现了并行工作 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。 7.1 硬件组成与输入输出接口 三、计算机控制系统的模拟输入通道 3. CPU和A/D转换电路之间的I/O控制方式 (3) DMA方式 在高速数据采集系统中，不仅要选用高速A/D转换电路， 而且传送转换结果也要求非常及时迅速，可以考虑选用 DMA方式 7.

8、1 硬件组成与输入输出接口 四、计算机控制系统的数字输入输出通道 输入缓冲器 对外部输入信号进行缓冲、加强和选通 输出锁存器将CPU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 I/O电气转换部分的功能 滤波、电平转换、隔离、功率驱动等 7.1 硬件组成与输入输出接口 四、计算机控制系统的数字输入输出通道 7.1 硬件组成与输入输出接口 四、计算机控制系统的数字输入输出通道 信号调理 1. 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 流信号转换成计算机所能接受电压形式，再直接使 用A/D转换器。 2. 直流电流信号的调理 设计电流到电压的转换电路 3.

9、 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。 7.1 硬件组成与输入输出接口 五、总线 总线概念 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去的地方。 7.1 硬件组成与输入输出接口 五、总线 (1) STD 总线 l目前工业控制及工业检测系统中使用广泛 l兼容性好，能够支持任何8位或16位微处理器 l具有以下特点： 小板结构，高度模块化 严格的标准化，广泛的兼容

10、性 面向I/O的开放式设计，适合工业控制应用 高可靠性 7.1 硬件组成与输入输出接口 五、总线 (2) IBM PC/AT 总线 lPC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5个或8个62脚的插座上，这些插座称为 扩展插槽 lPC/AT总线对环境要求较高，无法保证在工业现场可 靠运行。 lPCAT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逻辑 ，因而不支持多主系统 lISA / EASA / PCI / PCIE / AGP 7.1 硬件组成与输入输出接口 五、总线 (3) RS-232C 串行接口标准总线 l采用RS232C

11、作串行通讯时，传输数据的速率可调， 一般可达几十Kb。 l两种连接系统的方式： 近程（传输距离小于15m）通讯，这时可以用 RS232C电缆直接连接 远程（15m以上的长距离）通讯，需要采用调制 解调器（MODEM）经电话线进行 7.1 硬件组成与输入输出接口 五、总线 (4) 其它总线 lRS-422 / RS-485 lUSB lI2C （IIC） lVXI l现场总线 第七章 计算机控制系统的实现技术 7.1 硬件组成与输入输出接口 7.2 计算机控制系统的软件设计 7.3 量化效应分析 7.4 采样频率的选取 7.5 抗干扰与可靠性技术 7.6 数字控制插补原理 7.2 计算机控制系统

12、的软件设计 一、软件分类 7.2 计算机控制系统的软件设计 二、实时控制程序设计语言的选用 l机器语言（即机器指令） l汇编语言 l高级语言 l高级语言和汇编语言的混合使用 7.2 计算机控制系统的软件设计 三、实时控制软件 (1) 实时管理软件 n实时时钟管理 n输入输出信息管理 n中断管理功能 n任务调度 n人机联系 n设置系统的初始状态 (2) 过程监视及控制算 法计算软件 u数据变换处理程序 u控制指令生成程序 u事故处理程序 u信息管理程序 u基本运算程序 u码制及格式转换程序 7.2 计算机控制系统的软件设计 四、减少计算时延 A/DD/AD(z) t1t2t3 延时t 算法I：

13、包括那些为了得到当前输出值而必须进行的计算。 算法II： 包括那些为了得到下一时刻输出值而必须进行的 计算，以及与当前输出无关的其它计算和管理算法。 控制算法的输出时刻1 控制算法的输出时刻2 控制算法的输出时刻3 7.2 计算机控制系统的软件设计 五、控制算法的编排结构 1. 直接型结构 7.2 计算机控制系统的软件设计 五、控制算法的编排结构 1. 直接型结构 l直接型结构的实现比较简单，不需要做任何变 换。 l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。 7.2 计算机控制系统的软件设计 五、控制算法的编排结构 2. 串联型结构 Di为 或 l将D

14、(z)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）进行串联而得。 7.2 计算机控制系统的软件设计 五、控制算法的编排结构 2. 串联型结构 Di为 或 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。 7.2 计算机控制系统的软件设计 五、控制算法的编排结构 3. 并联型结构 Di为 或 将D(z)进行部分分式展开 ，得一阶或二阶环节之和。 可以用这些低阶环节的编排结构（采用直接型编排实 现）进行并联而得。 7.2 计算机控制系统的软件设计 五、控制算法的编排结构 3. 并联型结构 如果低阶控制 器中任一系数有误

15、 差，不会使控制器 所有的零极点产生 相应的变化。 7.2 计算机控制系统的软件设计 六、比例因子的配置 l原因：定点数要求、D/A前要求 l原则: (1) 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 理量的最大值与计算机代码的最大值之比来确定， 采用2的整次幂来缩放 (4) 要保证配置比例因子前后，支路的增益与总 的传递特性保持不变 7.2 计算机控制系统的软件设计 六、比例因子的配置 l原则: (5) A/D和D/A比例因子的计算 A/D的传递系数 KAD=1/uimax D/A具有传递系

16、数 KDA=uomax 为了不改变信号的传递关系，需要 在计算机内配置相应的比例因子 1/KAD和1/KDA。 7.2 计算机控制系统的软件设计 五、比例因子的配置 控制器增益大于1的情况: |D(z)|=K*|D1(z)|1，( K1且|D1(z)| 1) 处理方法: 计算机实现增益 小于1的控制器D1(z)， 其余增益移到系统模拟 部分完成并设置限幅。 将大于1的增益放到最 后，并在该增益之前设置 数字限幅保护，防止输入 信号较大时发生上溢。 7.2 计算机控制系统的软件设计 七、嵌入式实现技术 l1. 概念与分类 概念 IEEE定义 ：“嵌入式系统是控制、监视或辅助 设备、机器甚至工厂操作的装置。” 一般定义：“以应用为中心、以计算机技术为基础 、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠 性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系 统。” 7.2 计