《《计算机控制及网络技术》-龙志强-电子教案 第2章 计算机控制系统的硬件基础》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《计算机控制及网络技术》-龙志强-电子教案 第2章 计算机控制系统的硬件基础（36页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章 计算机控制系统的硬件 基础,1. 过程通道技术 2. 采样过程及其数学描述 3. 采样定理及采样频率的选择 4. 信号的恢复及保持 5. 数字滤波,1. 过程通道技术,计算机控制系统中，系统控制器设计实现之后，要将系统各种物理参数及控制信息传递给被控对象，同时工作现场的各类信息也要反馈给计算机，然后进行信息处理。在控制计算机和生产现场之间需要设置信息传递和转换的输入/输出连接通道，这就是过程通道。 根据传递和转换的信号类型及传递方向的不同，过程通道可分为四类：模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道、数字量输出通道。,模拟量输入通道,模拟量输入通道是数据采集系统输入通道中的一种，
2、它的任务是把传感器转换后的电信号经过适当的处理，然后转换成数字量输入计算机。,单路模拟量输入通道结构图,模拟量输入通道,多路模拟量输入通道结构图,模拟量输入通道,采样保持电路基本原理图,输入过程通道中,A/D转换需要一定的时间来完成, 为了对变换比较快的模拟信号进行有效地A/D转换,有必要在A/D转换之前加入采样保持电路。,模拟量输入通道,逐位反馈型A/D转换器电路原理图,模拟输入通道中，A/D转换器是关键性的组成部分。A/D转换器是用于将连续变化的模拟信号转换为数字信号的装置，简称ADC，是模拟系统与计算机之间的接口部件。A/D转换器主要分为三类：计数型A/D转换器；双积分型A/D转换器；逐
3、位反馈型A/D转换器。,模拟量输出通道,多个D/A转换器结构,模拟量输出通道是将控制计算机的信号输出到被控对象的环节，主要由D/A转换器及保持器组成，其结构形式有两种，一种是多个D/A转换器的模拟量输出，另一种是共用一个D/A转换器的模拟量输出结构形式。,单个D/A转换器结构,模拟量输出通道,D/A转换器工作原理简易结构图,模拟输出通道中，其核心环节是D/A转换器，D/A转换器的主要功能是将数字量转换为模拟量，其转换方式有并行和串行两种。,数字量输入输出通道,数字量输入输出通道组成结构,数字量输入输出通道的任务是把生产现场的两态信号转换为电平信号并通过I/O接口电路传送到控制器。其主要构成有:
4、输入信号处理、输入缓冲器、地址译码、数据缓冲及逻辑控制、输出锁存器、输出驱动等。,数字量输入输出通道,数字量输入通道主要由输入信号处理、输入缓冲器、地址译码等组成。接收被控对象的数字信号是数字量输入通道的基本功能。 数字量输出通道主要有地址译码器、输出锁存器及输出驱动器等组成。控制器通过I/O接口直接对执行机构输出控制命令，但是控制器输出的是微弱的数字量，因此，输出电路中要解决驱动问题。输出驱动器主要是把控制计算机输出的数字信号转换成能驱动执行机构的驱动信号。,2.采样过程及其数学描述,把时间上连续的信号通过一种装置转换为离散的脉冲或者数字序列的过程，称为采样过程。实现信号转换的装置称为采样开
5、关或者采样器。等时间间隔开关的采样被称为周期采样；若采样周期是随机的，则被称为随机采样或者非周期采样；有多个采样开关的系统，如果所有的采样器都是等周期开关，则称它们为同步采样。,采样过程,周期采样,周期采样时刻表示为： 其中T为采样周期。在采样中，当采样开关的闭合时间远远小于采样周期T时 ,采样器就可以用一个理想采样开关来代替。,理想开关采样,采样过程的数学描述,理想采样器的闭合时间为零，连续函数,采样过程可以表示为：,采样信号的拉普拉斯变换,对采样信号取拉普拉斯变换，则：,根据拉普拉斯变换的位移定理，有：,所以：,采样信号的频谱,频率响应为：,周期函数：,连续函数及其离散后离散函数的相互关系
6、 ：,采样信号的频谱,连续信号的频谱 信号离散后的频谱,3.采样定理及采样频率的选择,No.1 采样信号f*(t)能否完全反映连续信号f(t)的变化规律，或者说f *(t)能否包含f(t)中的全部信息？ No.2 采样信号f*(t)的信息损失和采样周期T有何关系？,两个问题？,采样定理:对于一个具有有限带宽( )的连续信号 ,当采样频率满足 条件时,连续信号 就可以由采样信号 无失真地复现。 为信号 的最高频率, 为采样信号的采样频率。,采样定理,采样周期的选择,采样周期T在计算机控制系统中是一个重要参数。合理地选择采样周期T，是数字控制系统设计的关键问题之一。,(1)对象的动态特性影响：采样
7、周期应比对象的时间常数小很多，否则，采样信号无法反映瞬变过程。若被控对象的时间常数为Tp，纯滞后时间常数为 ，对象模型为 ,采样周期可按如下经验公式选择：,采样周期的选择,(2)扰动信号影响：在控制系统中，施加到系统的扰动包括两大类：一类是需要控制系统克服的频率较低的主要扰动；另一类是频率较高的随机高频干扰，如测量噪声等，这是采样时要忽略的。这样，采样频率应选择在这两类干扰的频率之间，从而使系统具有足够的抗干扰能力。一般地，若需要克服的主要扰动频率为 ，采样应满足：,采样周期的选择,(3)控制品质的要求：在计算机运算速率允许情况下，采样周期短，控制品质高。当系统的给定频率较高时，采样周期T相应
8、减少，以使给定的改变能迅速地得到反映。另外，当采用数字PID控制器时，积分作用和微分作用都与采样周期T有关，选择T太小时，积分和微分作用都将不明显。,(4)控制算法的要求：不同的控制算法对采样周期有不同的要求。例如，设计数字控制器时，若忽略零阶保持器，就要求系统具有足够高的采样频率，以使采样控制系统更接近于连续系统。,采样周期的选择,(5)计算机及A/D、D/A转换器性能的影响：计算机字长越长，计算速度越快，A/D、D/A转换器的速度越快，则采样周期可减小，控制性能也较高。 (6)执行机构的响应速度的影响：通常执行机构惯性较大，采样周期T应能与之相适应。考虑到执行机构的响应速度都是有限的，过高
9、的采样频率对控制来说不仅无意义，有时还起了不好的作用。 (7)控制回路多少的影响：一般来说，控制回路越多，为了保证每个回路都有足够的时间完成必要运算，系统的控制周期就要越长，自然采样周期也就越长。,4.信号的恢复及保持,在计算机控制系统中,执行机构大都是连续信号控制的，所以采样信号在输入到执行机构之前必须恢复为相应的连续信号。,信号恢复,连续信号经过采样,在时域上由时间上连续的信号变换成时间上离散的脉冲序列, 在频域上将一个信号的有限频谱变换成无限多的周期频谱。所以信号的恢复实际上就是由 求得 ，或者从频率特性上通过一低通滤波器把采样信号脉冲的高频部分滤除掉。,理想低通滤波器频率特性,信号恢复
10、,在实际应用中,理想滤波器是不易实现的，而通常用的滤波器就是保持电路,即把数字信号 转换成模拟信号 的装置，称为保持器。如果用数学来描述,保持器的任务就是完成各采样点之间的插值。保持器根据过去时刻的离散脉冲值来外推出采样点之间的函数值，其外推公式为：,零阶保持器,零阶保持器,零阶保持器幅频特性,零阶保持器,零阶保持器相频特性,零阶保持器,一阶保持器,一阶保持器的脉冲响应,一阶保持器幅频特性,一阶保持器,一阶保持器相频特性,一阶保持器,5. 数字滤波,在计算机控制系统中，除了从硬件上用模拟滤波器对信号进行抗干扰处理外，还常在软件中对信号进行数字滤波的处理，以进一步消除附加在数据中的各式各样的干扰
11、，增强有效信号，提高控制精度以及系统的可靠性。数字滤波的实现通过数字滤波器的设计完成。,死区处理方法,由于随机干扰或系统不稳定而造成工业现场采集到的信号会在一定的范围内不断的波动，如A/D采样的最后一位或最后几位不停的波动，难以稳定。这种情况可以采取死区处理方法，把波动的值进行死区处理，即根据生产经验，确定两次采样值的最小变换量 ，只有当两次采样值变化超出 时才认为该值发生了变化。,算数平均滤波,采用算术平均滤波方法时，在采样周期内的不同时间点取样，然后求其平均值，并将平均值作为在时刻的采样值送给控制程序。采用以下公式计算采样值：,中值滤波方法,中值滤波方法的原理是在一个周期内将连续采集到的若干个变量值进行排序，然后在排好顺序的序列中取中间的值。采用这种方法可以有效的防止突发性脉冲干扰。假定在 时刻进行N(一般为奇数)次采样，则取样值为：,一阶低通滤波方法,一阶低通滤波方法相当于采集的信号通过一次低通滤波器，其描述公式为：,
