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1、第二章 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)开关量输入输出(2.1、2.2) (二)模拟量输入输出(2.3、2.4) (三)计算机控制系统中的电源(2.5) 二、信号的采样与重构（ 2.6） 三、数字滤波简介（2.7）,概述,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、控制的目的。 本章节介绍计算机控制系统中的信号输入/输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。,计算机控制系统结构,（一）模拟量输入,经由传感器或
2、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A/D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、隔离保护处理； 对于多路模拟量输入，应当考虑适当的输入结构。,一、计算机控制系统输入、输出接口简介,多路复用方式A/D转换器原理图,在计算机控制系统中，有些控制对象需要模拟量输入，这就要求计算机把输出的数字控制量转化为模拟量，此步转换采用/A转换器来实现，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，才能控制需要连续信号输出的被控对象或过程。,（二）模拟量输出,二 、 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少的环节： 计算机只能接受、处理数字信
3、号，因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，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。,本节主要包括下面几部分:,信号的采样,信号的重构,信号处理的基本知识,（一）、信号处理的基本知识,1、信号类型 2、信号分析中的常用函数 3、信号分析中的常用数学定理 （欧拉 公式） 4、信号的频谱分析,1、信号类型 连续信号 模拟信号 离散信号 采样信号 数字信号,2、信号分析中的常用函数,(1)单位冲激信号(t) 、(t-t0) 单位脉冲序列(t) 、(t-KT) (2)单位阶跃函数
4、1(t) 、1(t-t0) 单位阶跃序列u(n)、 u(n-KT) (3)复指数函数 复指数序列 (4) sinc(t)函数（闸门函数、滤波函数）,3、信号分析中的常用数学定理（欧拉 公式）,4、信号的频谱分析,周期函数x(t)=x(t+T)的傅里叶级数及其频谱 函数的傅里叶变换及其主要性质 信号的频谱,周期函数x(t)=x(t+T)的傅里叶级数及其频谱,周期函数x(t)=x(t+T)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x(t)=x(t+T)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,T为基本周期 为基波角频率,MATLAB程序,n=1
5、00; 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f(t)的傅里叶变换为,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,实移性,频移性,(二)、信号的采样,采样信号的数学表示 采样信号的频谱分析 香农(Shannon)采样定理 采样周期T的选取原则,图22 采样过程,1、采样机理描述,采样过程可以用单位脉冲序列来描述。数学表达式如下：,2、采样信号的频谱分析,3、香农(Shannon)采样定理,为了使采样信号f*(t)能反
6、映连续信号f(t)的变化规律，采样频率s(s=2fs=2/T) 至少应该是信号f(t)频谱最高频率max 的两倍，即 s2max 当采样周期满足采样定理时，上图中的采样信号频谱就不会发生重叠效应，这时就可以通过理想的低通滤波器从采样信号f*(t)中完全恢复出f(t)来。,注意： 理想低通滤波器的截止频率,计算机控制系统中采样周期的选择,在计算机控制系统中，采样频率或采样周期的选择非常重要，它直接影响控制效果，而且还影响着系统的稳定性。 1、按系统闭环频带选取 2、按系统的开环传递函数选取 3、按系统开环阶跃响应的上升时间选取 4、根据生产过程控的控制的经验选取,按系统闭环频带选取,按系统的开环
7、传递函数选取,按系统开环阶跃响应的上升时间选取,若测得系统的开环阶跃响应上升时间,根据生产过程控的控制的经验选取: 若测得过程对象中主导时间常数为 经验数据：流量13s，温度1020s 液位510s压力15s,1、信号的恢复 信号的频谱必须是有限带宽 满足采样定律 采用理想低通滤波器或零节保持器 2、理想低通滤波器 3、零阶保持器 数学描述 传递函数 频谱,(三)、信号的重构,零阶保持器,1、零阶保持器的工作过程,2、零阶保持后信号的数学表达式,3、零阶保持器的传递函数,4、零阶保持器的频率特性分析（频率响应分析）,理想低通滤波器的截止频率,数字滤波,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。 数字滤波是把A/D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，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，从而提高控制精度和系统的可靠性和稳定性。,数字滤波,数字滤波，是把A/D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，再送给控制程序运算，以增强其有效信号、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与稳定性。 限幅滤波方法 中值滤波方法 算术平均滤波方法 一阶滞后滤波方法 复合滤波方法,
