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1、 第第1111章章 计算机控制系统的设计计算机控制系统的设计 与工程实现与工程实现 1 1 计算机控制系统设计的原则与步骤计算机控制系统设计的原则与步骤 2 2 计算机控制系统抗干扰技术计算机控制系统抗干扰技术3 3 计算机控制系统设计实例计算机控制系统设计实例本章主要内容本章主要内容9/9/2024111.1 11.1 计算机控制系统设计的原则与步骤计算机控制系统设计的原则与步骤 1 1 系统设计的原则系统设计的原则 安全可靠安全可靠 实时性强实时性强 操作维护方便操作维护方便通用性好、便于扩充通用性好、便于扩充 系统具有开放性系统具有开放性 经济效益高经济效益高 9/9/202422 2
2、系统设计的步骤系统设计的步骤 计算机控制系统的设计分为开发设计和应用设计。计算机控制系统的设计分为开发设计和应用设计。 开发设计的任务是生产出满足用户所需的硬件开发设计的任务是生产出满足用户所需的硬件和软件。首先要进行充分地市场调查，了解用户的和软件。首先要进行充分地市场调查，了解用户的需求；然后进行系统设计，落实具体的技术指标；需求；然后进行系统设计，落实具体的技术指标；最后进行制造调试，检验合格，市场销售。最后进行制造调试，检验合格，市场销售。 开发设计应遵循标准化、模板化、模块化和系开发设计应遵循标准化、模板化、模块化和系列化的原则。列化的原则。 开发设计开发设计9/9/20243应用设
3、计应用设计 应用设计的任务是选择和开发满足控制对象应用设计的任务是选择和开发满足控制对象所需的硬件和软件，设计控制方案，并根据系统所需的硬件和软件，设计控制方案，并根据系统性能指标要求设计系统硬件和软件，以实现系统性能指标要求设计系统硬件和软件，以实现系统功能。功能。 应用设计或工程设计按顺序可分为应用设计或工程设计按顺序可分为5 5个阶段。个阶段。 可行性研究可行性研究系统总体方案设计系统总体方案设计 硬件和软件的细化设计硬件和软件的细化设计 系统调试系统调试 现场安装、投运现场安装、投运 9/9/20244图图11111 1 控制系统设计示意图控制系统设计示意图 9/9/202451111
4、2 2 计算机控制系统抗干扰技术计算机控制系统抗干扰技术 1 1 干扰的来源与种类干扰的来源与种类 外部干扰是指那些与系统结构无关，由使外部干扰是指那些与系统结构无关，由使用条件和外界环境因素所决定的干扰。它主要用条件和外界环境因素所决定的干扰。它主要来自自然界以及周围的电气设备。来自自然界以及周围的电气设备。外部干扰外部干扰内部干扰内部干扰 内部干扰是指计算机控制系统内部的各种元内部干扰是指计算机控制系统内部的各种元器件引起的各种干扰器件引起的各种干扰 9/9/202462 2 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 电源系统抗干扰方法电源系统抗干扰方法 采用低通滤波器采用低通滤波器 图图11112
5、2 双双型滤波器型滤波器 采用低通滤波采用低通滤波器抑制电网侵器抑制电网侵入的外部高频入的外部高频干扰是常用的干扰是常用的一种方案。低一种方案。低通滤波器可让通滤波器可让50HZ50HZ的工频的工频几乎无衰减地几乎无衰减地通过，而滤去通过，而滤去高于高于50Hz50Hz的的高次谐波。高次谐波。 9/9/20247 采用隔离变压器采用隔离变压器 图图11113 3 三相隔离变压器抑制电源干扰三相隔离变压器抑制电源干扰变压器的一次变压器的一次侧按三角形接侧按三角形接法联结。二次法联结。二次侧按星型接法侧按星型接法联结。有利于联结。有利于抑制工频抑制工频3 3次次以上谐波对控以上谐波对控制系统的干扰
6、。制系统的干扰。 9/9/20248采用能抑制交流电源干扰的计算机系统电源采用能抑制交流电源干扰的计算机系统电源 图图11115 5 计算机系统电源计算机系统电源 抑制交流电源线抑制交流电源线上引入的高频干上引入的高频干扰扰抑制进入交流电源抑制进入交流电源线上的瞬时干扰线上的瞬时干扰原、副边之间原、副边之间加有静电屏蔽加有静电屏蔽层层9/9/20249电源分组供电电源分组供电 图116 电源分组供电 将输入通道电源和其他设备电源分开，以防止将输入通道电源和其他设备电源分开，以防止设备间的干扰。设备间的干扰。 9/9/202410直流电源的抗干扰措施直流电源的抗干扰措施 u直流电源一般带有各种频
7、率的信号。为消除这种干扰，直流电源一般带有各种频率的信号。为消除这种干扰，每块集成芯片的电源与地线引入端应接一片的无感瓷片电每块集成芯片的电源与地线引入端应接一片的无感瓷片电容。容。u若一个装置中有多块逻辑印刷线路板时，一般应在每块若一个装置中有多块逻辑印刷线路板时，一般应在每块板的电源和地线的引入处并接一个板的电源和地线的引入处并接一个1010100100的电解电容和一的电解电容和一个的无感瓷片电容，以防止板间的相互干扰。个的无感瓷片电容，以防止板间的相互干扰。u最好是每块印刷电路板都装一片或几片最好是每块印刷电路板都装一片或几片“稳压块稳压块”（如（如78157815、LM317LM317
8、、78057805）形成独立的供电系统，这样能较好）形成独立的供电系统，这样能较好防止板间的相互干扰。防止板间的相互干扰。u逻辑电路板上的直流电源线与地线的布线也要注意合理逻辑电路板上的直流电源线与地线的布线也要注意合理布线，不要使电源形成环路。布线，不要使电源形成环路。 9/9/202411 过程通道抗干扰方法过程通道抗干扰方法 串模干扰及其抑制方法串模干扰及其抑制方法 被测信号指有用的被测信号指有用的直流信号或缓慢变直流信号或缓慢变化的交变信号化的交变信号干扰噪声指无用干扰噪声指无用的变化较快的杂的变化较快的杂乱交变信号乱交变信号串模干扰是指叠加串模干扰是指叠加在被测信号上的干在被测信号上
9、的干扰噪声。扰噪声。 图图11117 7 串模干扰示意图串模干扰示意图 （a a）干扰情况）干扰情况 (b) (b) 干扰的一种形式干扰的一种形式 (c) (c) 干扰的另一种形式干扰的另一种形式 9/9/202412串模干扰的抑制串模干扰的抑制 a. a. 如果串模干扰频率比被测信号频率高，采用输如果串模干扰频率比被测信号频率高，采用输入低通滤波器；如果串模干扰频率比被测信号频率入低通滤波器；如果串模干扰频率比被测信号频率低，则采用高通滤波器；如果串模干扰频率落在被低，则采用高通滤波器；如果串模干扰频率落在被测信号频谱的两侧，则采用带通滤波器。测信号频谱的两侧，则采用带通滤波器。 图图111
10、18 8 二级阻容滤波网络二级阻容滤波网络 采用二级阻容采用二级阻容滤波网络可使滤波网络可使50Hz50Hz的串模的串模干扰信号衰减干扰信号衰减600600倍左右。倍左右。 9/9/202413 b. b. 当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双 积分式积分式A AD D转换器可以削弱串模干扰的影响。转换器可以削弱串模干扰的影响。 c. c. 对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对 被测信号应尽可能早地进行前置放大，或者尽被测信号应尽可能早地进行前置放大，或者尽 可能早的完成模可能早的完成模/ /数转换或采取隔离和
11、屏蔽等数转换或采取隔离和屏蔽等 措施。措施。d. d. 对于主要由元器件内部的热扰动产生的随机噪对于主要由元器件内部的热扰动产生的随机噪 声所形成的串模干扰，或在数字信号的传送过声所形成的串模干扰，或在数字信号的传送过 程中夹带的低噪声或窄脉冲干扰时，可采用高程中夹带的低噪声或窄脉冲干扰时，可采用高 抗扰度逻辑器件；抗扰度逻辑器件； e. e. 采用双绞线作信号引线减少电磁感应，并且使采用双绞线作信号引线减少电磁感应，并且使 各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。9/9/202414共模干扰及其抑制方法共模干扰及其抑制方法 共模干扰是指模数共模干扰是指模数转换
12、器两个输入端上转换器两个输入端上公有的干扰电压。公有的干扰电压。图图11119 9 共模干扰示意图共模干扰示意图这种干扰可能这种干扰可能是直流电压，是直流电压，也可能是交流也可能是交流电压，其幅值电压，其幅值可达几伏甚至可达几伏甚至更高，取决于更高，取决于现场产生干扰现场产生干扰的环境条件和的环境条件和计算机等设备计算机等设备的接地情况。的接地情况。9/9/202415 在计算机控制系统中，被测信号有单端对地在计算机控制系统中，被测信号有单端对地输入和双端不对地输入两种输入方式，如图。对输入和双端不对地输入两种输入方式，如图。对于存在共模干扰的场合，不能采用单端对地输入于存在共模干扰的场合，不
13、能采用单端对地输入方式，必须采用双端不对地输入方式。方式，必须采用双端不对地输入方式。 图图11111010被测信号的输入方式被测信号的输入方式(a) (a) 单端对地单端对地 （b b） 双端不对地双端不对地9/9/202416 共模干扰的抑制共模干扰的抑制 a. a. 变压器隔离变压器隔离 利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来，以使共模干扰电压不成回路，从而抑制离开来，以使共模干扰电压不成回路，从而抑制共模干扰。共模干扰。 图图11111111变压器隔离变压器隔离 9/9/202417b. b. 光电隔离光电隔离 发光二极管和光敏三极管之间
14、的信号是靠发光发光二极管和光敏三极管之间的信号是靠发光二极管在信号电压的控制下发光，二极管在信号电压的控制下发光，传给光敏三极管来完成的。传给光敏三极管来完成的。 图图111112 12 光电隔离光电隔离 容易实现，成本容易实现，成本低，体积小。广低，体积小。广泛的应用。泛的应用。9/9/202418 c. c. 浮地屏蔽浮地屏蔽 利用屏蔽方法使输入信号的利用屏蔽方法使输入信号的“模拟地模拟地”浮空，浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。从而达到抑制共模干扰的目的。 图图111113 13 浮地输入双层屏蔽放大器浮地输入双层屏蔽放大器 9/9/202419 长线传输的干扰及其抑制方法长线传输的干扰
15、及其抑制方法 计算机控制系统中，当所传输的信号波长可与计算机控制系统中，当所传输的信号波长可与传输线的长度相比拟时，或当传输线长度远远超过传输线的长度相比拟时，或当传输线长度远远超过传输信号波长时，就构成长线传输。传输信号波长时，就构成长线传输。 传输线路对于有用信号的不利作用：传输线路对于有用信号的不利作用： 信号滞后作用；信号滞后作用； 波形畸变衰减作用；波形畸变衰减作用； 外界电磁波、电磁场、静电场和其它传输线外界电磁波、电磁场、静电场和其它传输线的干扰作用；的干扰作用； 由于分布电容和分布电感的影响，可能会产由于分布电容和分布电感的影响，可能会产生生 “ “长线效应长线效应”。 9/9
16、/202420长线传输干扰的抑制长线传输干扰的抑制 长线传输一般选用同轴电缆或双绞线，在电场干长线传输一般选用同轴电缆或双绞线，在电场干扰较强时可采用屏蔽双绞线。扰较强时可采用屏蔽双绞线。 采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除长采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除长线传输中的波反射或者把它抑制到最低限度。线传输中的波反射或者把它抑制到最低限度。 图图1114 1114 测量传输线波阻抗测量传输线波阻抗 传输线波阻抗的测量传输线波阻抗的测量 时，门时，门A输出的输出的波形不畸变，反射波完波形不畸变，反射波完全消失，这时的全消失，这时的R值就值就是该传输线的波阻抗。是该传输线的波阻抗。无损
17、耗导线的波阻抗无损耗导线的波阻抗 、 分别为单位长度的电感和电容。分别为单位长度的电感和电容。 9/9/202421图图1115 1115 终端匹配终端匹配 (b)(b)改进后的终端匹配改进后的终端匹配 (a)(a)简单的终端匹配简单的终端匹配（a)a)当当 时，消时，消除了波反射。降低除了波反射。降低了高电平的抗干扰了高电平的抗干扰能力能力 。（b)b)适当调整适当调整 和和 的阻值，可使的阻值，可使 终端匹配终端匹配 9/9/202422在传输线始端串入电阻，也能消除反射。在传输线始端串入电阻，也能消除反射。始端匹配始端匹配选选图图1116 1116 始端匹配始端匹配为门为门A A输出低电
18、平时的输出阻抗。输出低电平时的输出阻抗。 这种匹配方这种匹配方法的优点是法的优点是波形的高电波形的高电平不变，缺平不变，缺点是波形低点是波形低电平会抬高。电平会抬高。 9/9/202423 接地技术接地技术 模拟地作为传感器、模拟地作为传感器、变送器、放大器、变送器、放大器、AD和和DA转换转换器中模拟电路的零器中模拟电路的零电位。电位。数字地作为数字地作为计算机中各计算机中各种数字电路种数字电路的零电位，的零电位，应该与模拟应该与模拟地分开。地分开。 安全地使设备机安全地使设备机壳与大地等电位，壳与大地等电位，以避免机壳带电以避免机壳带电而影响人身及设而影响人身及设备安全。备安全。系统地是上
19、述几种地的系统地是上述几种地的最终回流点，直接与大最终回流点，直接与大地相连地相连 。9/9/202424图图111118 SGP18 SGP接地系统示意图接地系统示意图 计算机控制系计算机控制系统中采用公共统中采用公共接地点接地点(SGP)(SGP)系统。选中一系统。选中一点作为系统接点作为系统接地点，系统中地点，系统中各个参考接地各个参考接地点均与点均与SGPSGP点点连接，防止接连接，防止接地回路的形成。地回路的形成。通常把铜网埋通常把铜网埋入地面深处，入地面深处，然后用铜排接然后用铜排接到到SGPSGP点上。点上。 9/9/2024253 3 软件抗干扰技术软件抗干扰技术 数字滤波数字
20、滤波 设立软件陷阱设立软件陷阱 数字滤波技术是在干扰通过输入通道进入计算机数字滤波技术是在干扰通过输入通道进入计算机后的一种软件抗干扰的补救办法。后的一种软件抗干扰的补救办法。 为防止为防止“程序失控程序失控”现象，在软件中设立陷阱。现象，在软件中设立陷阱。在在ROMROM或或RAMRAM中，每隔一些指令，把连续的几个中，每隔一些指令，把连续的几个单元置成单元置成“空操作空操作”。当出现程序失控时，只要失。当出现程序失控时，只要失控的微机进入这众多的软件陷阱中的任何一个，都控的微机进入这众多的软件陷阱中的任何一个，都会被捕获。执行空操作后，程序自动恢复正常，继会被捕获。执行空操作后，程序自动恢
21、复正常，继续执行后面的程序。续执行后面的程序。9/9/202426 时间监视器时间监视器 图图1119 1119 看门狗及软件复位电路看门狗及软件复位电路 如图看门狗电路。如图看门狗电路。有看门狗、软件复有看门狗、软件复位、上电复位和开位、上电复位和开关复位等功，关复位等功， 、 决定上电复位时间决定上电复位时间常数，常数， 、 决定看决定看门狗电路的检测时门狗电路的检测时间，间， 、 决定复决定复位脉冲的宽度，为位脉冲的宽度，为软件复位输入端，软件复位输入端，为看门狗电路监测为看门狗电路监测输入端。输入端。 9/9/202427 故障自诊断技术故障自诊断技术 计算机控制系统从元件到部件、到整
22、机，从计算机控制系统从元件到部件、到整机，从主机到外设，在运行的过程中均可能发生故障。主机到外设，在运行的过程中均可能发生故障。为了迅速准确的确定系统内部是否发生故障，以为了迅速准确的确定系统内部是否发生故障，以及故障发生的部位，一个高性能的计算机控制系及故障发生的部位，一个高性能的计算机控制系统必须具有故障自诊断功能。统必须具有故障自诊断功能。 自诊断功能主要具备：检查自诊断功能主要具备：检查CPUCPU、RAMRAM、输入、输入输出通道、控制软件及寄存器等数据的有效性输出通道、控制软件及寄存器等数据的有效性 ；设定软件模块出入口标志；设定软件模块出入口标志 和和 程序存储区的写保程序存储区的写保护；对于护；对于DCSDCS系统，给每个直接控制器设置一个监系统，给每个直接控制器设置一个监视定时器等功能。视定时器等功能。 9/9/202428
