計算機控制技術(shù)-第8章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

1、第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 第第8章章 計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)設(shè)計與實現(xiàn) 第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 8.1 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計原則計算機控制系統(tǒng)設(shè)計原則 對于不同的控制對象，系統(tǒng)設(shè)計具體要求是不同的，但對于不同的控制對象，系統(tǒng)設(shè)計具體要求是不同的，但設(shè)計的基本要求是大體相同的。具體表現(xiàn)在：設(shè)計的基本要求是大體相同的。具體表現(xiàn)在：1系統(tǒng)應(yīng)具有優(yōu)良的操作性能系統(tǒng)應(yīng)具有優(yōu)良的操作性能操作性能好，包括兩個含義，即使用方便和維修容易。操作性能好，包括兩個含義，即使用方便和維修容易。硬件和軟件設(shè)計時都要考

2、慮這個問題。在配置軟件時，硬件和軟件設(shè)計時都要考慮這個問題。在配置軟件時，就應(yīng)考慮配置什么樣的軟件才能降低對操作人員專業(yè)知就應(yīng)考慮配置什么樣的軟件才能降低對操作人員專業(yè)知識的要求。硬件方面，零部件的配置應(yīng)便于操作人員維識的要求。硬件方面，零部件的配置應(yīng)便于操作人員維修。修。第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 2通用性好、便于擴充通用性好、便于擴充一個計算機控制系統(tǒng)，一般可以控制多個設(shè)備和不同的一個計算機控制系統(tǒng)，一般可以控制多個設(shè)備和不同的過程參數(shù)，但各個設(shè)備和控制對象的要求是不同的，而過程參數(shù)，但各個設(shè)備和控制對象的要求是不同的，而且控制設(shè)備還有更新，控制對

3、象還有增減。系統(tǒng)設(shè)計時且控制設(shè)備還有更新，控制對象還有增減。系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮能適應(yīng)各種不同設(shè)備和各種不同控制對象，使系應(yīng)考慮能適應(yīng)各種不同設(shè)備和各種不同控制對象，使系統(tǒng)不必大改動就能很快適應(yīng)新的情況。這就要求系統(tǒng)的統(tǒng)不必大改動就能很快適應(yīng)新的情況。這就要求系統(tǒng)的通用性要好，能靈活地進行擴充。通用性要好，能靈活地進行擴充。第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 3可靠性高可靠性高可靠性高是計算機控制系統(tǒng)設(shè)計最重要的一個基本要求?？煽啃愿呤怯嬎銠C控制系統(tǒng)設(shè)計最重要的一個基本要求。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障將造成整個生產(chǎn)過程的混亂，引起嚴一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障將造成整個生產(chǎn)過程的混亂，

4、引起嚴重后果。因此在計算機控制系統(tǒng)設(shè)計時，通常應(yīng)考慮后重后果。因此在計算機控制系統(tǒng)設(shè)計時，通常應(yīng)考慮后援手段，如配備常規(guī)控制裝置或手動控制裝置作后備。援手段，如配備常規(guī)控制裝置或手動控制裝置作后備。通?？芍苯硬捎枚嗯_計算機組成熱備份（備份機與控制通?？芍苯硬捎枚嗯_計算機組成熱備份（備份機與控制機同時工作但不介入控制，一旦主控制機有故障就切換機同時工作但不介入控制，一旦主控制機有故障就切換到備份機上）或冷備份（備份機處于待工作狀態(tài)，一旦到備份機上）或冷備份（備份機處于待工作狀態(tài)，一旦主控機有故障就啟動備份機投入工作）等工作方式來提主控機有故障就啟動備份機投入工作）等工作方式來提高系統(tǒng)的可靠性。高

5、系統(tǒng)的可靠性。第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 4實時性好實時性好工業(yè)控制機的實時性，表現(xiàn)在對內(nèi)部和外部的事件能及時工業(yè)控制機的實時性，表現(xiàn)在對內(nèi)部和外部的事件能及時地響應(yīng)，并做出相應(yīng)的處理，不丟失信息、不延誤操作。地響應(yīng)，并做出相應(yīng)的處理，不丟失信息、不延誤操作。5設(shè)計周期要短，價格要便宜設(shè)計周期要短，價格要便宜計算機應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速，各種新技術(shù)和產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，計算機應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速，各種新技術(shù)和產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，在滿足精度、速度和其它性能要求的前提下，應(yīng)縮短設(shè)計在滿足精度、速度和其它性能要求的前提下，應(yīng)縮短設(shè)計周期和盡可能采用價格低的元器件，以降低整個控制系

6、統(tǒng)周期和盡可能采用價格低的元器件，以降低整個控制系統(tǒng)的費用。的費用。第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 8.2 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計步驟計算機控制系統(tǒng)設(shè)計步驟 1研究被控對象、確定控制任務(wù)研究被控對象、確定控制任務(wù)2確定系統(tǒng)整體方案確定系統(tǒng)整體方案(1)確定系統(tǒng)的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)確定系統(tǒng)的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)(2)確定執(zhí)行機構(gòu)方案確定執(zhí)行機構(gòu)方案(3)控制系統(tǒng)總體控制系統(tǒng)總體“黑箱黑箱”設(shè)計設(shè)計(4)控制系統(tǒng)層次以及硬件、軟件功能劃分控制系統(tǒng)層次以及硬件、軟件功能劃分在總體方案設(shè)計完成后，形成了系統(tǒng)組成的粗線條框圖結(jié)在總體方案設(shè)計完成后，形成了系統(tǒng)組成的粗線條框圖結(jié)構(gòu)、硬件與軟

7、件劃分等文件，供詳細設(shè)計使用。以此作為構(gòu)、硬件與軟件劃分等文件，供詳細設(shè)計使用。以此作為進一步設(shè)計的依據(jù)。進一步設(shè)計的依據(jù)。第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 3建立數(shù)學模型，確定控制算法建立數(shù)學模型，確定控制算法4硬件的設(shè)計硬件的設(shè)計(1)確定過程的輸入、輸出通道及其處理方式確定過程的輸入、輸出通道及其處理方式(2)計算機系統(tǒng)選擇計算機系統(tǒng)選擇(3)過程通道及接口設(shè)計過程通道及接口設(shè)計(4)控制臺設(shè)計控制臺設(shè)計(5)可靠性設(shè)計可靠性設(shè)計(6)硬件調(diào)試硬件調(diào)試第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 5軟件的設(shè)計軟件的設(shè)計(1) 選

8、擇編程語言選擇編程語言匯編語言匯編語言高級語言高級語言混合語言混合語言(2) 軟件設(shè)計步驟軟件設(shè)計步驟問題定義問題定義 細化設(shè)計細化設(shè)計 編制源程序編制源程序 形成可執(zhí)行代碼形成可執(zhí)行代碼 調(diào)試調(diào)試 第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 6系統(tǒng)仿真與調(diào)試系統(tǒng)仿真與調(diào)試(1) 實驗室硬件聯(lián)調(diào)實驗室硬件聯(lián)調(diào)(2) 實驗室軟件聯(lián)調(diào)實驗室軟件聯(lián)調(diào)(3) 實驗室系統(tǒng)仿真實驗室系統(tǒng)仿真7現(xiàn)場安裝調(diào)試現(xiàn)場安裝調(diào)試第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 8.3 計算機控制系統(tǒng)輸入輸出通道設(shè)計計算機控制系統(tǒng)輸入輸出通道設(shè)計8.3.1 過程輸入輸出通道

9、的組成與功能過程輸入輸出通道的組成與功能 根據(jù)過程信息的性質(zhì)及傳送方向，過程通道包括模擬量輸入通道、模根據(jù)過程信息的性質(zhì)及傳送方向，過程通道包括模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道。擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道。 要對工業(yè)現(xiàn)場實現(xiàn)控制，就必須對它的運行狀態(tài)進行檢測。模擬要對工業(yè)現(xiàn)場實現(xiàn)控制，就必須對它的運行狀態(tài)進行檢測。模擬量輸入通道和數(shù)字量量輸入通道和數(shù)字量(開關(guān)量開關(guān)量)輸入通道就是為此而設(shè)置的兩種檢測通輸入通道就是為此而設(shè)置的兩種檢測通道。生產(chǎn)過程的被調(diào)參數(shù)道。生產(chǎn)過程的被調(diào)參數(shù)(一般包括壓力、流量、溫度、液面高度等等一般包括壓力、流量、溫度、液

10、面高度等等)一般都是隨時間變化的模擬量，通過檢測元件和傳感器，可以把它們一般都是隨時間變化的模擬量，通過檢測元件和傳感器，可以把它們轉(zhuǎn)換成模擬電流或電壓。由于計算機只能識別數(shù)字量，故模擬電信號轉(zhuǎn)換成模擬電流或電壓。由于計算機只能識別數(shù)字量，故模擬電信號必須通過模擬量輸入通道變換成相應(yīng)的數(shù)字信號，才能送入計算機；必須通過模擬量輸入通道變換成相應(yīng)的數(shù)字信號，才能送入計算機；而生產(chǎn)現(xiàn)場的兩態(tài)開關(guān)、電平的高低、脈沖量等數(shù)字或開關(guān)信號，則而生產(chǎn)現(xiàn)場的兩態(tài)開關(guān)、電平的高低、脈沖量等數(shù)字或開關(guān)信號，則須通過數(shù)字量輸入通道輸入計算機。須通過數(shù)字量輸入通道輸入計算機。第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

11、計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 計算機控制生產(chǎn)現(xiàn)場的控制通道也有兩種計算機控制生產(chǎn)現(xiàn)場的控制通道也有兩種:即模擬量輸出即模擬量輸出通道及數(shù)字量輸出通道。計算機輸出的控制信號是以數(shù)通道及數(shù)字量輸出通道。計算機輸出的控制信號是以數(shù)字形式給出的，有的生產(chǎn)過程的執(zhí)行元件要求提供模擬字形式給出的，有的生產(chǎn)過程的執(zhí)行元件要求提供模擬電流或電壓，故應(yīng)采用模擬量輸出通道實現(xiàn)；有的執(zhí)行電流或電壓，故應(yīng)采用模擬量輸出通道實現(xiàn)；有的執(zhí)行元件只要求提供數(shù)字量或開關(guān)量，故應(yīng)采用數(shù)字量輸出元件只要求提供數(shù)字量或開關(guān)量，故應(yīng)采用數(shù)字量輸出通道?？梢?，過程通道是計算機和工業(yè)生產(chǎn)過程通道?？梢姡^程通道是計算機和工業(yè)生產(chǎn)過程(控制對

12、控制對象象)相互交換信息的橋梁。相互交換信息的橋梁。第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 8.3.2 過程輸入輸出通道的控制方式過程輸入輸出通道的控制方式 1過程輸入輸出通道與過程輸入輸出通道與CPU交換就信息類型交換就信息類型過程輸入輸出通道與過程輸入輸出通道與CPU交換的信息類型有三種：交換的信息類型有三種：數(shù)據(jù)信息：反映生產(chǎn)現(xiàn)場的參數(shù)及狀態(tài)的信息，它包括數(shù)據(jù)信息：反映生產(chǎn)現(xiàn)場的參數(shù)及狀態(tài)的信息，它包括數(shù)字量、開關(guān)量和模擬量。數(shù)字量、開關(guān)量和模擬量。狀態(tài)信息：又叫做應(yīng)答信息、握手信息，它反映過程通狀態(tài)信息：又叫做應(yīng)答信息、握手信息，它反映過程通道的狀態(tài)，如準

13、備就緒信號等。道的狀態(tài)，如準備就緒信號等?？刂菩畔ⅲ河脕砜刂七^程通道的啟動和停止等信息，如控制信息：用來控制過程通道的啟動和停止等信息，如三態(tài)門的打開和關(guān)閉、觸發(fā)器的啟動等。三態(tài)門的打開和關(guān)閉、觸發(fā)器的啟動等。第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 2過程通道的編址方式過程通道的編址方式由于計算機控制系統(tǒng)一般都有多個過程輸入輸出通道，由于計算機控制系統(tǒng)一般都有多個過程輸入輸出通道，因此需對每一個過程輸入輸出通道安排地址。過程通道因此需對每一個過程輸入輸出通道安排地址。過程通道編址方式有兩種：編址方式有兩種：過程通道與存儲器獨立編址方式過程通道與存儲器獨立編址方式過

14、程通道與存儲器統(tǒng)一編址方式過程通道與存儲器統(tǒng)一編址方式第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 3CPU對過程通道的控制方式對過程通道的控制方式計算機的外圍設(shè)備及過程通道種類繁多，它們的傳送速計算機的外圍設(shè)備及過程通道種類繁多，它們的傳送速率又很不相同。因此輸入輸出產(chǎn)生復雜的定時問題，也率又很不相同。因此輸入輸出產(chǎn)生復雜的定時問題，也就是就是CPU采用什么控制方式向過程通道輸入和輸出數(shù)據(jù)。采用什么控制方式向過程通道輸入和輸出數(shù)據(jù)。常用的控制方式有三種：常用的控制方式有三種：程序查詢方式程序查詢方式中斷控制方式中斷控制方式直接存儲器存取直接存儲器存取(DMA)方式方式

15、第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 8.3.3 輸入通道輸入通道 1模擬量輸入通道模擬量輸入通道 模擬量輸入通道的任務(wù)是將模擬量輸入信號進行變換、模擬量輸入通道的任務(wù)是將模擬量輸入信號進行變換、采樣、放大、模采樣、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)字量輸入計算機。數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)字量輸入計算機。 模擬量輸入通道一般由信號處理、多路轉(zhuǎn)換器、放大器、模擬量輸入通道一般由信號處理、多路轉(zhuǎn)換器、放大器、采樣保持器和采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器組成轉(zhuǎn)換器組成 。2數(shù)字量輸入通道數(shù)字量輸入通道數(shù)字量輸入通道主要由兩態(tài)信息轉(zhuǎn)換電路和接口電路組成。數(shù)字量輸入通道主要由兩態(tài)信息

16、轉(zhuǎn)換電路和接口電路組成。兩態(tài)信息轉(zhuǎn)換電路的作用是將生產(chǎn)現(xiàn)場的兩態(tài)信息轉(zhuǎn)換成兩態(tài)信息轉(zhuǎn)換電路的作用是將生產(chǎn)現(xiàn)場的兩態(tài)信息轉(zhuǎn)換成TTL電平信號，通過電平信號，通過I/O接口電路傳送到計算機系統(tǒng)。接口電路傳送到計算機系統(tǒng)。第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 根據(jù)現(xiàn)場信號的不同，有的兩態(tài)信息轉(zhuǎn)換電路應(yīng)能消除根據(jù)現(xiàn)場信號的不同，有的兩態(tài)信息轉(zhuǎn)換電路應(yīng)能消除開關(guān)機械抖動的影響，有的應(yīng)能與強電信號隔離，防止開關(guān)機械抖動的影響，有的應(yīng)能與強電信號隔離，防止各種干擾。各種干擾。(1)開關(guān)量輸入通道開關(guān)量輸入通道(2)脈沖量輸入通道脈沖量輸入通道(3)中斷輸入通道中斷輸入通道(4

17、)數(shù)字編碼輸入數(shù)字編碼輸入第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 8.3.4 輸出通道輸出通道設(shè)立輸入通道的作用在于將被控對象的各種信息轉(zhuǎn)換成設(shè)立輸入通道的作用在于將被控對象的各種信息轉(zhuǎn)換成計算機可以接受的信息，以供計算機處理。而計算機處計算機可以接受的信息，以供計算機處理。而計算機處理后產(chǎn)生的相應(yīng)的控制命令或控制量，也必須轉(zhuǎn)換成相理后產(chǎn)生的相應(yīng)的控制命令或控制量，也必須轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的物理量才能對被控對象實施控制。這種由可將計算應(yīng)的物理量才能對被控對象實施控制。這種由可將計算機發(fā)出的控制指令機發(fā)出的控制指令(或控制量或控制量)進行轉(zhuǎn)換并能傳送給執(zhí)行機進行轉(zhuǎn)換并能傳送

18、給執(zhí)行機構(gòu)的裝置構(gòu)成的信號路徑，稱之為輸出通道。構(gòu)的裝置構(gòu)成的信號路徑，稱之為輸出通道。第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 1模擬量輸出通道模擬量輸出通道模擬量輸出通道的任務(wù)是把計算機輸出的數(shù)字量變換成模擬模擬量輸出通道的任務(wù)是把計算機輸出的數(shù)字量變換成模擬量，這個任務(wù)主要由數(shù)量，這個任務(wù)主要由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器來完成，對于模擬量輸出模轉(zhuǎn)換器來完成，對于模擬量輸出通道，要求可靠性高，滿足一定的精度，還必須具有保持的通道，要求可靠性高，滿足一定的精度，還必須具有保持的功能。保持器一般有數(shù)字保持和模擬保持兩種方案，這就決功能。保持器一般有數(shù)字保持和模擬保持兩種方案，這就

19、決定了模擬量輸出通道的兩種基本結(jié)構(gòu)形式。定了模擬量輸出通道的兩種基本結(jié)構(gòu)形式。(1)獨立數(shù)獨立數(shù)/模轉(zhuǎn)換器形式模轉(zhuǎn)換器形式圖8.2 獨立的多通道D/A轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)圖I/O接口電路D/AD/A第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) (2)共用數(shù)模轉(zhuǎn)換器的形式共用數(shù)模轉(zhuǎn)換器的形式圖8.3 多通道共享D/A的結(jié)構(gòu)框圖I/O接口電路D/A保持器多路開關(guān)保持器第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 2數(shù)字量輸出通道數(shù)字量輸出通道數(shù)字量輸出通道的任務(wù)是根據(jù)計算機輸出的數(shù)字信號去數(shù)字量輸出通道的任務(wù)是根據(jù)計算機輸出的數(shù)字信號去控制電接點的通、斷或數(shù)字式

20、執(zhí)行器的啟、停等，簡稱控制電接點的通、斷或數(shù)字式執(zhí)行器的啟、停等，簡稱DO(Digital Output)通道。根據(jù)被控對象的不同，其輸出通道。根據(jù)被控對象的不同，其輸出的數(shù)字控制信號的形態(tài)及相應(yīng)的配置也不相同。其中，的數(shù)字控制信號的形態(tài)及相應(yīng)的配置也不相同。其中，最為常用的數(shù)字控制信號是開關(guān)且和脈沖量信號。最為常用的數(shù)字控制信號是開關(guān)且和脈沖量信號。數(shù)字量輸出通道中，由于許多執(zhí)行機構(gòu)往往需要開關(guān)量數(shù)字量輸出通道中，由于許多執(zhí)行機構(gòu)往往需要開關(guān)量的控制信號。這時，的控制信號。這時，CPU可以通過可以通過I/O接口電路直接對執(zhí)接口電路直接對執(zhí)行機構(gòu)進行控制，也可以通過半導體開關(guān)或機械式繼電行機構(gòu)

21、進行控制，也可以通過半導體開關(guān)或機械式繼電器接點的開閉去控制。數(shù)字量輸出通道的關(guān)鍵往往是要器接點的開閉去控制。數(shù)字量輸出通道的關(guān)鍵往往是要解決執(zhí)行機構(gòu)的功率驅(qū)動問題。解決執(zhí)行機構(gòu)的功率驅(qū)動問題。第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 8.4 計算機控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù)計算機控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù) 計算機控制系統(tǒng)大多用于工業(yè)控制現(xiàn)場，條件復雜惡劣，計算機控制系統(tǒng)大多用于工業(yè)控制現(xiàn)場，條件復雜惡劣，干擾頻繁。干擾嚴重影響控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。干擾頻繁。干擾嚴重影響控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。環(huán)境的特殊，要求計算機控制系統(tǒng)必須有極高的抗干擾環(huán)境的特殊，要求計算機控制系統(tǒng)必須

22、有極高的抗干擾能力。為此，必須分析干擾的來源，研究對于不同的干能力。為此，必須分析干擾的來源，研究對于不同的干擾源采用哪些相應(yīng)的行之有效的抑制或消除干擾的措施，擾源采用哪些相應(yīng)的行之有效的抑制或消除干擾的措施，重視接地、布線和供電方面的抗干擾技術(shù)，重視重視接地、布線和供電方面的抗干擾技術(shù)，重視CPU可可靠運行的抗干擾技術(shù)相應(yīng)用軟件中對數(shù)字信號的數(shù)據(jù)處靠運行的抗干擾技術(shù)相應(yīng)用軟件中對數(shù)字信號的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。理技術(shù)。第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 8.4.1 干擾的來源干擾的來源 計算機控制系統(tǒng)運行環(huán)境的各種干擾主要表現(xiàn)在以下幾計算機控制系統(tǒng)運行環(huán)境的各種干擾

23、主要表現(xiàn)在以下幾個方面：個方面：1惡劣的供電條件惡劣的供電條件2嚴重的噪聲環(huán)境嚴重的噪聲環(huán)境此外，還有來自空間的干擾，如太陽及其它天體輻射的此外，還有來自空間的干擾，如太陽及其它天體輻射的電磁波，廣播電臺或通訊發(fā)射臺發(fā)出的電磁波，周圍電電磁波，廣播電臺或通訊發(fā)射臺發(fā)出的電磁波，周圍電氣設(shè)備如電機、變壓器、中頻爐、可控硅逆變電源等發(fā)氣設(shè)備如電機、變壓器、中頻爐、可控硅逆變電源等發(fā)出的電干擾和磁干擾，氣象條件、空中雷電、甚至地磁出的電干擾和磁干擾，氣象條件、空中雷電、甚至地磁場的變化也會引起干擾。這些空間輻射干擾有時會使計場的變化也會引起干擾。這些空間輻射干擾有時會使計算機不能正常工作。算機不能正

24、常工作。第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 8.4.2 干擾的抑制方法干擾的抑制方法1接地技術(shù)接地技術(shù)(1)接地方式接地方式“安全接地安全接地”一般均采用一點接地方式。一般均采用一點接地方式?！肮ぷ鹘拥毓ぷ鹘拥亍币拦ぷ麟娏黝l率不同而有一點接地和多點接地兩種。低依工作電流頻率不同而有一點接地和多點接地兩種。低頻時，因地線上的分布電感并不嚴重，故往往采用一點頻時，因地線上的分布電感并不嚴重，故往往采用一點按地；高頻情況下，由于電感分量大，為減少引線電感，按地；高頻情況下，由于電感分量大，為減少引線電感，故采用多點接地。頻帶很寬時，常采用一點接地和多點故采用多點接地

25、。頻帶很寬時，常采用一點接地和多點接地相結(jié)合的混合接地方式。接地相結(jié)合的混合接地方式。第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) (2)浮地系統(tǒng)和接地系統(tǒng)浮地系統(tǒng)和接地系統(tǒng)(3)交流地與直流地分開交流地與直流地分開(4)模擬地與數(shù)字地分開模擬地與數(shù)字地分開(5)印刷電路板的地線安排印刷電路板的地線安排(6)屏蔽地屏蔽地2屏蔽技術(shù)屏蔽技術(shù)(1)電場屏蔽電場屏蔽(2)電磁屏蔽電磁屏蔽(3)磁場屏蔽磁場屏蔽第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 3隔離技術(shù)隔離技術(shù)隔離的實質(zhì)是切斷共地耦合通道，抑制因地環(huán)路引入的隔離的實質(zhì)是切斷共地耦合通道，抑制

26、因地環(huán)路引入的干擾。隔離是將電氣信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡?、磁、光及其它物理干擾。隔離是將電氣信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡?、磁、光及其它物理量作為中間量，使兩側(cè)的電流回路相對隔離又能實現(xiàn)信量作為中間量，使兩側(cè)的電流回路相對隔離又能實現(xiàn)信號的傳遞。如圖號的傳遞。如圖8.4所示。所示。(a) 變壓器隔離 (b) 繼電器隔離 (c) 光電耦合器隔離圖8.4 隔離電路電路電路電路電路電路電路第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 4串模干擾的抑制串模干擾的抑制串模干擾串模干擾(又稱常態(tài)干擾、正相干擾又稱常態(tài)干擾、正相干擾)是干擾電壓和信號電是干擾電壓和信號電壓串聯(lián)疊加于負載或放大電路的輸入端，它常常表

27、現(xiàn)為壓串聯(lián)疊加于負載或放大電路的輸入端，它常常表現(xiàn)為通道一個輸入端對另一個輸入端電壓變化的干擾?？勾ǖ酪粋€輸入端對另一個輸入端電壓變化的干擾?？勾８蓴_的技術(shù)措施有：模干擾的技術(shù)措施有：(1)合理選用信號線合理選用信號線(2)在信號電路中加裝濾波器在信號電路中加裝濾波器(3)選擇合適的選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器(4)采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)(5)用光電耦合器隔離干擾用光電耦合器隔離干擾(6)配備高質(zhì)量的穩(wěn)壓電源配備高質(zhì)量的穩(wěn)壓電源第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 5共模干擾的抑制共模干擾的抑制共模干擾共模干擾(又稱共態(tài)干擾、同相干擾又稱共態(tài)干擾、

28、同相干擾)表現(xiàn)為通道兩信號端表現(xiàn)為通道兩信號端相對于零電位參考點所共有的干擾電壓，包括交流和直相對于零電位參考點所共有的干擾電壓，包括交流和直流的兩種電壓。共模干擾只有轉(zhuǎn)換成串模干擾才會影響流的兩種電壓。共模干擾只有轉(zhuǎn)換成串模干擾才會影響系統(tǒng)?？梢赃x擇隔離技術(shù)，使共模干擾不能構(gòu)成回路。系統(tǒng)。可以選擇隔離技術(shù)，使共模干擾不能構(gòu)成回路。對于由共模干擾轉(zhuǎn)換過來的，并且已疊加在有用信號上對于由共模干擾轉(zhuǎn)換過來的，并且已疊加在有用信號上的串模干擾，可用前面?zhèn)€紹的抗串模干擾的方法來濾除。的串模干擾，可用前面?zhèn)€紹的抗串模干擾的方法來濾除。6電源噪聲的抑制電源噪聲的抑制實踐說明，電源的干擾是計算機控制系統(tǒng)的主

29、要干擾，實踐說明，電源的干擾是計算機控制系統(tǒng)的主要干擾，抑制這種干擾的主要措施有以下幾個方面。抑制這種干擾的主要措施有以下幾個方面。(1)電源變壓器的屏蔽電源變壓器的屏蔽第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) (2)交流穩(wěn)壓器交流穩(wěn)壓器(3)隔離變壓器隔離變壓器(4)低通濾波器低通濾波器(5)采用分散獨立功能塊供電采用分散獨立功能塊供電7提高軟件可靠性提高軟件可靠性軟件可靠性技術(shù)，主要有以下兩個方面的內(nèi)容。軟件可靠性技術(shù)，主要有以下兩個方面的內(nèi)容。(1)通過軟件提高系統(tǒng)的可靠性通過軟件提高系統(tǒng)的可靠性(2)提高軟件自身的可靠性提高軟件自身的可靠性第第12 12章章

30、 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 8.5 計算機控制系統(tǒng)應(yīng)用實例計算機控制系統(tǒng)應(yīng)用實例 電阻爐爐溫的控制，根據(jù)工藝的要求不同而有所變化，但電阻爐爐溫的控制，根據(jù)工藝的要求不同而有所變化，但大體上可歸納為以下幾個過程：大體上可歸納為以下幾個過程：(1)自由升溫段，即根據(jù)電阻爐自身約條件對升溫速度沒有自由升溫段，即根據(jù)電阻爐自身約條件對升溫速度沒有控制的自然升溫過程?？刂频淖匀簧郎剡^程。(2)恒速升溫段，即要求爐溫上升的速度按某一斜率進行。恒速升溫段，即要求爐溫上升的速度按某一斜率進行。(3)保溫段，即要求在這一過程中爐溫基本保持不變。保溫段，即要求在這一過程中爐溫基本保持不變。

31、(4)慢速降溫段，即要求爐溫下降的速度按某一斜率進行。慢速降溫段，即要求爐溫下降的速度按某一斜率進行。(5)自由降溫段。自由降溫段。第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 1工藝要求工藝要求要求電阻爐爐內(nèi)的溫度，應(yīng)按圖要求電阻爐爐內(nèi)的溫度，應(yīng)按圖8.6所示的規(guī)律變化；所示的規(guī)律變化；從室溫從室溫t0開始到開始到a點為自由升溫段，當溫度一旦到達點為自由升溫段，當溫度一旦到達a點點(即即Ta點點)，就進入系統(tǒng)調(diào)節(jié)。從，就進入系統(tǒng)調(diào)節(jié)。從b點到點到c點為保溫段，要始點為保溫段，要始終在系統(tǒng)控制之下，以保證所需的爐內(nèi)溫度的精度。加終在系統(tǒng)控制之下，以保證所需的爐內(nèi)溫度的精

32、度。加工結(jié)束，即由工結(jié)束，即由c到到d點為自然降溫段。保溫段的時間為點為自然降溫段。保溫段的時間為50100分鐘。爐溫變化曲線對各項品質(zhì)指標的要求如下：分鐘。爐溫變化曲線對各項品質(zhì)指標的要求如下：abcdTa圖8.6 爐溫控制要求T00 t0 t1 t2 t3 t 第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 過渡過程時間：即從升溫開始到進入保溫段的時間過渡過程時間：即從升溫開始到進入保溫段的時間t1100分鐘分鐘超調(diào)量：即升溫過程的溫度最大值超調(diào)量：即升溫過程的溫度最大值(TM)與保溫值與保溫值(T0)之差之差與保溫值之比；與保溫值之比；靜態(tài)誤差：即當溫度進入保溫段后

33、的實際溫度值靜態(tài)誤差：即當溫度進入保溫段后的實際溫度值(T)與保與保溫值溫值(T0)之差與保溫值之比。之差與保溫值之比。溫度保溫值的變化范圍：溫度保溫值的變化范圍：50100。設(shè)保溫值為。設(shè)保溫值為100。 0010%MTTT002%VTTeT 第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 2系統(tǒng)的組成和基本工作原理系統(tǒng)的組成和基本工作原理本電阻爐爐溫自動控制系統(tǒng)方塊圖如圖本電阻爐爐溫自動控制系統(tǒng)方塊圖如圖8.7所示。所示。計算機D/A變送器1可控硅電阻爐檢測元件A/D變送器2圖8.7 電阻爐爐溫自動控制系統(tǒng)第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計

34、與實現(xiàn) 控制過程：計算機定時控制過程：計算機定時(即采樣周期即采樣周期)對爐溫進行測量和控對爐溫進行測量和控制一次，爐內(nèi)溫度是由一鉑電阻溫度計來進行測量，其信制一次，爐內(nèi)溫度是由一鉑電阻溫度計來進行測量，其信號經(jīng)放大送到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片換算成相應(yīng)的數(shù)字量后，再送號經(jīng)放大送到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片換算成相應(yīng)的數(shù)字量后，再送入計算機中進行判別和運算，得到應(yīng)有的電功率數(shù)入計算機中進行判別和運算，得到應(yīng)有的電功率數(shù)(增量增量值值)，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成模擬量信號，供給可控硅功，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成模擬量信號，供給可控硅功率調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，使其達到爐溫變化曲線的要求。率調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，使其達到爐溫變化曲線的要求。

35、第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 3對象特性的測量和識別對象特性的測量和識別(1)對象模型的歸納對象模型的歸納根據(jù)描述對象特性需用微分方程的階數(shù)不同，對象可分根據(jù)描述對象特性需用微分方程的階數(shù)不同，對象可分一階或二階。至于階數(shù)高于二階的由于實際計算，分析一階或二階。至于階數(shù)高于二階的由于實際計算，分析參數(shù)有困難而用純滯后的一、二階方程來近似代替，因參數(shù)有困難而用純滯后的一、二階方程來近似代替，因此實用上對象模型的基本形式常取如下幾種：此實用上對象模型的基本形式常取如下幾種：一階對象一階對象對象的微分方程為對象的微分方程為則它的傳遞函數(shù)為則它的傳遞函數(shù)為( )

36、( )( )Ty ty tKu t( )1KW sTs第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 它的飛升曲線如圖它的飛升曲線如圖8.8所示。一般幅值的階躍信號輸入時，所示。一般幅值的階躍信號輸入時，輸出穩(wěn)態(tài)值除以輸入幅度值即為放大倍數(shù)輸出穩(wěn)態(tài)值除以輸入幅度值即為放大倍數(shù)K，輸出從起始輸出從起始值到達值到達0.632穩(wěn)態(tài)值的時間即為時間常數(shù)穩(wěn)態(tài)值的時間即為時間常數(shù)T。Typ0.632yp0y(t)t圖8.8 飛升曲線一第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 純滯后的一階對象純滯后的一階對象這種對象的微分方程為這種對象的微分方程為則它的傳遞

37、函數(shù)為則它的傳遞函數(shù)為 它的飛升曲線如圖它的飛升曲線如圖8.9所示。它與圖所示。它與圖8.8的唯一區(qū)別在于起的唯一區(qū)別在于起始有一段純滯后。始有一段純滯后。( )( )()Ty ty tKu t( )1sKeW sTsT+yp0.632yp0y(t)t圖8.9 飛升曲線二第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) (2)飛升曲線的測量飛升曲線的測量測量的方法：它在穩(wěn)定控制信號作用下系統(tǒng)有一個穩(wěn)定測量的方法：它在穩(wěn)定控制信號作用下系統(tǒng)有一個穩(wěn)定的輸出，然后突然在輸入端加一幅度適宜的階躍控制信的輸出，然后突然在輸入端加一幅度適宜的階躍控制信號。輸出對應(yīng)也有一個變化部分，此

38、即為輸出的飛升曲號。輸出對應(yīng)也有一個變化部分，此即為輸出的飛升曲線，如圖線，如圖8.10所示。所示。y1y00y(t)t圖8.10 飛升曲線三第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 若將飛升曲線單獨畫出，即為圖若將飛升曲線單獨畫出，即為圖8.8所示。利用上述同樣所示。利用上述同樣的方法測得的電阻爐爐溫的飛升曲線如圖的方法測得的電阻爐爐溫的飛升曲線如圖8.11所示。所示。T+yp0y(t)t圖8.11 飛升曲線四第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 將上述所測得的飛升曲線與典型傳遞函數(shù)的飛升曲線比較，將上述所測得的飛升曲線與典型傳遞函

39、數(shù)的飛升曲線比較，可知圖可知圖8.10是一階對象的飛升曲線，而圖是一階對象的飛升曲線，而圖8.11是帶純滯后是帶純滯后的一階對象。其傳遞函數(shù)是：的一階對象。其傳遞函數(shù)是：式中：式中：K放大系數(shù)放大系數(shù) T對象時間常數(shù)對象時間常數(shù) 對象滯后時間對象滯后時間(3)一階對象參數(shù)的求取一階對象參數(shù)的求取對于一階對象的放大倍數(shù)對于一階對象的放大倍數(shù)K可由輸出穩(wěn)態(tài)值和輸入階躍信可由輸出穩(wěn)態(tài)值和輸入階躍信號幅值的比值求得。輸出從起始值到達號幅值的比值求得。輸出從起始值到達0.632倍穩(wěn)態(tài)值的時倍穩(wěn)態(tài)值的時間即為對象時間常數(shù)。而對象滯后時間間即為對象時間常數(shù)。而對象滯后時間可直接從圖中測可直接從圖中測量。量。

40、( )1sKeW sTs第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 但實測的飛升曲線起始部分有彎曲，不易找到確切的位但實測的飛升曲線起始部分有彎曲，不易找到確切的位置來定滯后時間，這時可用一階加純滯后的虛線曲線來置來定滯后時間，這時可用一階加純滯后的虛線曲線來迫近，使后面大部分重合，而起始部分則可定出一個等迫近，使后面大部分重合，而起始部分則可定出一個等效的滯后時間效的滯后時間，這時可在曲線斜率的轉(zhuǎn)折點這時可在曲線斜率的轉(zhuǎn)折點(即拐點即拐點)處處作一切線，如圖作一切線，如圖8.11所示。該切線與時間軸的交點認為是所示。該切線與時間軸的交點認為是一階的起點，即純滯后時間

41、一階的起點，即純滯后時間，而切線與穩(wěn)態(tài)值的交點時而切線與穩(wěn)態(tài)值的交點時間應(yīng)為間應(yīng)為T，加上純滯后時間則實測為加上純滯后時間則實測為+T。這樣就求出了這樣就求出了一階對象的三個參數(shù)一階對象的三個參數(shù)K、T、。設(shè)所得的飛升曲線求得本電阻爐的參數(shù)為設(shè)所得的飛升曲線求得本電阻爐的參數(shù)為T=72（分鐘）分鐘）=8 （分鐘）分鐘）K=330第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 4控制規(guī)律的選擇和參數(shù)的計算控制規(guī)律的選擇和參數(shù)的計算計算機參與控制的形式是多種多樣的，它取決于控制規(guī)計算機參與控制的形式是多種多樣的，它取決于控制規(guī)律的選擇以及受控對象的特性，現(xiàn)僅結(jié)合本電阻爐的要律

42、的選擇以及受控對象的特性，現(xiàn)僅結(jié)合本電阻爐的要求，作如下的分析：求，作如下的分析：根據(jù)爐溫變化曲線的要求，可將其分為三段來進行控制；根據(jù)爐溫變化曲線的要求，可將其分為三段來進行控制；自由升溫段，保溫段和自然降溫段。而真正需要電氣控自由升溫段，保溫段和自然降溫段。而真正需要電氣控制的是前面二個階段，即自由升溫段和保溫段。為避免制的是前面二個階段，即自由升溫段和保溫段。為避免過沖，從室溫到過沖，從室溫到80%額定溫度為自由升溫段，在額定溫度為自由升溫段，在20額定溫度時為保溫段。在自由升溫段中，希望升溫越快額定溫度時為保溫段。在自由升溫段中，希望升溫越快越好，總是將加熱功率全開足，因此得自由升溫段控制越好，總是將加熱功率全開足，因此得自由升溫段控制規(guī)律為：當規(guī)律為：當T0.8T0時，選時，選Pk=1；第第12 12章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 在在T0.8T0后，已較接近需要保溫的值后，已較接近需要保溫的值T0，為此采用保溫為此采用保溫段控制方程。保溫控制方法有多種，如用比例控制，因段控制方程。保溫控制方法有多種，如用比例控制，因爐絲所加功率爐絲所加功率P的變化和爐溫變化之間存在一段時間延遲，的