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1、控制计算机数据通道及可靠性技术,概述,计算机数据通道 输入通道 传感器 调理电路 输入接口 输出通道 输出接口 驱动电路 执行器,2.1 数字量通道,1）、数字量输入通道 基本构成,2.1 数字量通道,1）、数字量输入通道 被测量： 开关量、编码数字量 传感器： 开关触点开关、无触点开关 调理电路： 滤波、去抖、钳位、隔离、电平转换、信号类型转换 并行输入接口,2.1 数字量通道,2）、数字量输出通道 基本结构,2.1 数字量通道,2）、数字量输出通道 隔离与电平转换： 隔离器件/电平转换器件光电隔离器 功率放大： 大功率半导体器件、继电器 执行机构： 电磁阀、直流电机、步进电机、,2.2 模
2、拟量通道,1）、模拟量输入通道 基本结构,2.2 模拟量通道,1）、模拟量输入通道(讲一点测量、传感器) 被测量： 可以转换为模拟量的参数 传感器： 原理： 电位器、霍尔元件、热/光敏电阻、电容式、电感式、磁电式、应变片 被测量：位移、压力、温度、力矩、变形 数字控制系统中信号形式 模拟信号 采样信号 阶梯模拟量 数字信号,2.2 模拟量通道,1）、模拟量输入通道 调理电路： 放大：幅值放大、隔离放大器、测量放大器 滤波：带通滤波、低通滤波 非线性补偿：使信号线性化 整形：斯密特触发器 其他补偿：温漂、零漂 I/V转换：电流/电压转换 V/F转换：电压/频率转换 电桥：小变化量检测 接口： 多
3、路开关 A/D转换,2.2 模拟量通道,1）、模拟量输入通道 误差分析 误差类型 随机误差、系统误差、异常数据 相对误差、绝对误差 A/D转换器相对误差/绝对误差 绝对误差1LSB对应的被测量 相对误差1/ 2n , n为转换器位数 输入通道总误差估计 传感器、调理电路、A/D转换器引入误差绝对值相加 采用保持及孔径误差,2.2 模拟量通道,2）、模拟量输出通道 基本结构,2.2 模拟量通道,2）、模拟量输出通道 D/A接口 模拟D/A、脉冲调制输出 输出平滑滤波 去掉阶梯 功率放大/VI变换 极性转换,2.3 脉冲数字量通道,1）、输入通道 基本结构,2.3 脉冲数字量通道,1）、输入通道
4、被测量： 转速、脉冲频率、脉宽、计数 传感器： 磁电、霍尔、光电 调理电路： 钳位、滤波、放大、整形、隔离,2.3 脉冲数字量通道,1）、输入通道 脉冲数字量测量方法 测频法 单位时间内脉冲数 测量误差 绝对误差：一个脉冲 相对误差：1/计数值 测周期法 一个脉冲时间内时钟计数 测量误差 据对误差：一个时钟单位 相对误差：1/时钟计数 孔径误差 测量的是均值,2.3 脉冲数字量通道,1）、输入通道 测量中的技术问题 无脉冲情况（或周期过长） 测周期法定时计数溢出零值 频率过高情况 测频法计数器溢出最大值 测量方法的选择 低速（低频）测周期相对误差较小，高速测频率相对误差较小 计算机中基本实现方
5、法 两个定时计数器：一个定时，一个计数,2.3 脉冲数字量通道,2）、输出通道 基本结构 频率发生器 PWM,2.4 数据处理,1、误差分析 误差类型：系统误差、随即误差、过失误差（异常数据） 有效性检查：方差分析、极值分析、特征分析,2.4 数据处理,2、数字滤波 限幅滤波 算术平均值 加权滤波 中值滤波 3、标度变换 确定被测量与电量/数字量的对应关系 标定：确定单位物理量与电量/数字量的关系,2.4 数据处理,4、非线性处理/数据变换/函数计算 功能：测量过程使用的数字量与被测量的对应关系 基本方法： 查表法 公式法/计算法 线性插值,2.5 计算机控制系统可靠性技术,1、概述 解决的问
6、题：可靠工作时间、故障检测、故障处理、容错控制 可靠性：在规定条件下，规定时间内完成规定任务的能力。 故障率：失效次数/总工作时间 平均无故障时间：总工作时间/失效次数 可靠度：,2.5 计算机控制系统可靠性技术,2、系统设计中影响可靠性的因素 结构简化 功能简化 存储与计算能力 热设计 接插件 机械特性 气候环境,2.5 计算机控制系统可靠性技术,3、信号接地 安全地、工作地 接地方式：单点接地、多点接地 浮地系统：设备地线不与大地连接 模拟地/数字地：模拟信号地线模拟地；数字信号地线数字地 大功率信号地/小信号地： 屏蔽地：屏蔽层的接地 计算机系统地线连接基本原则：尽量加宽、利用地线做屏蔽
7、、板子周边地线向内扩展,2.5 计算机控制系统可靠性技术,4、屏蔽技术 电场屏蔽：抑制由于分布电容耦合产生的电场干扰，采用低电阻金属屏蔽层。 磁场屏蔽：低频磁场干扰一般采用高导磁率材料作屏蔽，使磁路限定在屏蔽层中。 电磁屏蔽：抑制高频电磁场的影响，用低电阻金属材料屏蔽层。,2.5 计算机控制系统可靠性技术,5、隔离技术 抑制共地耦合引入的干扰。 隔离原理 6、长线传输效应 长线传输影响：滞后、波形畸变/衰减、外界干扰敏感、分布参数影响。 长线传输阻抗匹配 线路阻抗： 阻抗匹配,2.5 计算机控制系统可靠性技术,7、直流电源抗干扰技术 地线电源线间并接电容 功率较大器件加隔离电容 保护电路 8、
8、软件可靠性技术,2.6 故障自诊断,1)故障自诊断 基于计算机的控制系统在完成控制功能同时，对系统进行在线实时故障检测和诊断 2）硬件冗余/无硬件冗余的自诊断 硬件冗余自诊断：除控制系统需要的硬件（传感器）外，增加专用于诊断的硬件（传感器） 无硬件冗余的自诊断：不增加硬件，仅靠附加的软件完成故障自诊断。,2.6 故障自诊断,3）基于信号极值分析的故障诊断 实际系统正常工作时，信号都有一个正常取值范围，当测量值超出范围，可以判定传感器通道故障，或相关总成故障 为采用极值分析法应当使信号可读值范围在两边超过实际信号有效范围，如节气门传感器有效范围可取为：0.5V4.5V ；AD输入为0V5V 极值
9、分析法优点： 简单、有效，可与信号有效性检验同时进行,2.6故障自诊断,4）信号逻辑分析 通过信号之间存在的对应关系，确定是否出现故障和故障位置 操纵/控制信号与反馈的被控装置测量信号对应关系 如倒档控制/状态与倒车信号 相连总成之间联动装置测量信号之间的对应关系 如有档时车速与输入轴转速 逻辑分析与局部模型结合的方法 如档位值、换档控制阀控制信号、输入轴与车速结合诊断故障,2.6故障自诊断,5）信号谱特性分析 通过信号的谱特性是否符合正常信号范围判定是否有故障 信号的频谱范围 信号的特定频率幅值 基于信号处理的故障诊断方法缺点 计算量大，不太适合实时嵌入式系统,2.6 故障自诊断,6）基于模
10、型的故障诊断 基本思想 控制系统存有系统模型，在控制系统运行中不断测得系统的输入和输出，当系统没有异常时，同样的输入加到模型时，模型的计算输出应当与测量的输出值一至（只有随机误差）。通过检验测量值与计算值的差别，可以判断是否发上故障-故障检测。 如果根据测量值对系统进行辨识，可以通过辨识的参数判断故障原因（位置）-故障诊断,2.6 故障自诊断,7）基于模型的AMT故障诊断 汽车控制系统故障自诊断的优点 硬件增加少，效果好成本低 汽车的一些结构和工作特点有利于模型诊断方法应用（不利方面、有利方面） 基于局部模型的故障诊断 汽车动力传动系统在各种工作周期，总成的耦合和解耦,2.6 故障自诊断,8）动力传动系统构成与局部模型 传动系统 发动机空载模型 离合器模型 变速箱模型 基于局部模型的诊断 局部模型结果的校验：切断时计算和局部校验、联动时的相互校验,2.6故障自诊断,7）基于人工智能的故障检测与诊断 基于专家知识的诊断 基于模糊逻辑的诊断 基于神经网络的诊断 在线、离线结合的诊断,2.7 容错控制,1）传感器故障时的容错控制 2）执行机构故障时的容错控制,
