計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)ppt課件

1、 計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)第1章 緒論1.1 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)1.1.1 一般概念 模擬式自動(dòng)控制系統(tǒng)也已達(dá)到相當(dāng)完善的程度。但它的進(jìn)一步發(fā)展受到了限制，在復(fù)雜控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化、可靠性等方面已不能滿(mǎn)足更高的要求。 現(xiàn)代控制理論的發(fā)展給自動(dòng)控制系統(tǒng)增添了理論工具，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為新型控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)、構(gòu)造高性能的控制系統(tǒng)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，兩者的結(jié)合極大地推動(dòng)了自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展。 將模擬式自動(dòng)控制系統(tǒng)中的控制器的功能用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，就組成了一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，如圖1-1所示。因此，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是采用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的工業(yè)自動(dòng)控制(含管理)系統(tǒng)。l 在系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)只能

2、處理數(shù)字信號(hào)，因而給定值和反饋量要先經(jīng)過(guò)A/D。當(dāng)計(jì)算機(jī)接收了測(cè)量信號(hào)后，根據(jù)需要作分析處理；控制中，依給定量和反饋量的偏差值，按某種控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算(如PID運(yùn)算)，計(jì)算結(jié)果(數(shù)字信號(hào))再經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬控制信號(hào)輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成對(duì)系統(tǒng)的控制作用。1.1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 (1)傳感器和變送器：傳感器的主要功能是將被檢測(cè)的非電量參數(shù)轉(zhuǎn)變成電學(xué)量，如熱電偶把溫度變成電壓信號(hào)，壓力傳感器把壓力變成電信號(hào)等等。變送器的作用是將傳感器得到的電信號(hào)轉(zhuǎn)變成適用于計(jì)算機(jī)接口使用的標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)(如0-5V， 0-10mA)。(2)輸入通道：模擬量I：將經(jīng)由傳感器得到的工業(yè)對(duì)象

3、的生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)變換成二進(jìn)制代碼傳送給計(jì)算機(jī)(A/D)數(shù)字量I通道：除完成編碼數(shù)字輸入輸出外，還可將各種繼電器、限位開(kāi)關(guān)等的狀態(tài)通過(guò)輸入接口傳送給計(jì)算機(jī)。(3) 輸出通道：將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字控制量變換為控制操作拉行機(jī)構(gòu)的模擬信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制(D/A)?；?qū)⒂?jì)算機(jī)發(fā)出的開(kāi)關(guān)動(dòng)作邏輯信號(hào)經(jīng)由輸出接口傳送給生產(chǎn)機(jī)械中的各個(gè)電子開(kāi)關(guān)或電磁開(kāi)關(guān) 。(4)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：為了控制生產(chǎn)過(guò)程，還需有執(zhí)行機(jī)構(gòu)。常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有各種電動(dòng)、液動(dòng)、氣動(dòng)開(kāi)關(guān)，電液伺服閥，交、直流電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等等。 (5) 主機(jī)及操作臺(tái)：主機(jī)由中央處理器、時(shí)鐘電路、內(nèi)存儲(chǔ)器構(gòu)成的計(jì)算機(jī)主機(jī)是組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心部件，主要進(jìn)

4、行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、控制量計(jì)算、越限報(bào)警等，通過(guò)接口電路向系統(tǒng)發(fā)出各種控制命令，指揮全系統(tǒng)有條不紊地協(xié)調(diào)工作。 操作臺(tái)是人-機(jī)對(duì)話(huà)的聯(lián)系紐帶，操作人員可通過(guò)操作臺(tái)向計(jì)算機(jī)輸入和修改控制參數(shù)，發(fā)出各種操作命令，計(jì)算機(jī)可向操作人員顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀況，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。操作臺(tái)一般包括各種控制開(kāi)關(guān)、數(shù)字鍵、功能鍵、指示燈、聲訊器、數(shù)字顯示器或CRT顯示器等。(6)通用外圍設(shè)備：主要是為了擴(kuò)大計(jì)算機(jī)主機(jī)的功能而配置的。它們用來(lái)顯示、存儲(chǔ)、打印、記錄各種數(shù)據(jù)。常用的有打印機(jī)、記錄儀、圖形顯示器(CRT)、軟盤(pán)、硬盤(pán)及外存儲(chǔ)器等。二、軟件從功能區(qū)分，軟件可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。 (1) 系統(tǒng)軟件是由

5、計(jì)算機(jī)的制造廠商提供的用來(lái)管理計(jì)算機(jī)本身的資源、方便用戶(hù)使用計(jì)算機(jī)的軟件。常用的有操作系統(tǒng)、開(kāi)發(fā)系統(tǒng)等，它們一般不需用戶(hù)自行設(shè)計(jì)編程，只需掌握使用方法或根據(jù)實(shí)際需要加以適當(dāng)改造即可。(2) 應(yīng)用軟件是用戶(hù)根據(jù)要解決的控制問(wèn)題而編寫(xiě)的各種程序，比如各種數(shù)據(jù)采集、濾波程 序、信號(hào)分析、控制量計(jì)算程序、生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控程序等 。1.2 計(jì)算機(jī)在控制中的典型應(yīng)用方式 一、操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)(見(jiàn)圖1-3)在操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)的輸出不直接用來(lái)控制生產(chǎn)對(duì)象。計(jì)算機(jī)只是對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的參數(shù)進(jìn)行采集，然后根據(jù)一定的控制算法計(jì)算出供操作人員參考、選擇的操作方案、最佳設(shè)定值等，操作人員根據(jù)計(jì)算機(jī)的輸出信息去改變調(diào)節(jié)器

6、的設(shè)定值，或者根據(jù)計(jì)算機(jī)輸出的控制量執(zhí)行相應(yīng)的操作(如直接改變閥門(mén)開(kāi)度) 。l二、直接數(shù)字控制系統(tǒng)(見(jiàn)圖1-4) l 直接數(shù)字控制DDC(Direct Digital Contro1)系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)用于工業(yè)過(guò)程控制最普遍的種方式。計(jì)算機(jī)通過(guò)輸入通道對(duì)一個(gè)或多個(gè)物理量進(jìn)行巡回檢測(cè)，并根據(jù)規(guī)定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，然后發(fā)出控制信號(hào)，通過(guò)輸出通道直接控制調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。l 在DDC系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)參加閉環(huán)控制過(guò)程，它不僅能完全取代模擬調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)多回路的PID(比例、積分、微分)調(diào)理，而且不需改變硬件，只需通過(guò)改變程序就能實(shí)現(xiàn)多種較復(fù)雜的控制規(guī)律，如串級(jí)控制、前饋控制、非線性控制、自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制等

7、。 l三、監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) l監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制(SupervisoryComputerContro1)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)SCC系統(tǒng)。在SCC系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)根據(jù)工藝參數(shù)和過(guò)程參量檢測(cè)值，按照所設(shè)計(jì)的控制算法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出最佳設(shè)定值直接傳送給常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器或者DDC計(jì)算機(jī)，最后由模擬調(diào)節(jié)器或DDC計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)過(guò)程。SCC系統(tǒng)有兩種類(lèi)型，一種是SCC+模擬調(diào)節(jié)器，另一種是SCC+DDC控制系統(tǒng)。監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1-5所示。l1SCC加上模擬調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng) ： 這種類(lèi)型的系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)對(duì)各過(guò)程參量進(jìn)行巡回檢測(cè)，并按一定的數(shù)學(xué)模型對(duì)生產(chǎn)工況進(jìn)行分析、計(jì)算后得出被控對(duì)象各參數(shù)的最優(yōu)設(shè)定值送給調(diào)節(jié)

8、器，使工況保持在最優(yōu)狀態(tài)。當(dāng)SCC計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，可由模擬調(diào)節(jié)單獨(dú)立執(zhí)行控制任務(wù)。 l2SCC加上DDC控制系統(tǒng)：這是一種二級(jí)控制系統(tǒng)，SCC可采用較高擋的計(jì)算機(jī)，它與DDC之間通過(guò)接口進(jìn)行信息交換。SCC計(jì)算機(jī)完成工段、車(chē)間等高一級(jí)的最優(yōu)化分析和計(jì)算，然后給出最優(yōu)設(shè)定值，送給DDC計(jì)算機(jī)執(zhí)行控制。 四、分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 第2章 模擬量輸入輸出通道2.2 DAC及硬件電路 一、芯片內(nèi)設(shè)有數(shù)據(jù)鎖存器-直接相連。如：DAC0830,0831,0832, AD558, DAC 888, AD7522 二、芯片內(nèi)沒(méi)有有數(shù)據(jù)鎖存器-通過(guò)并行或串行口相連。如：DAC1020, DAC1220等2.2.

9、1 MCS-51與DAC0832的接口一、DAC0832的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)原理分辨率：8位穩(wěn)定時(shí)間：1us供電電源：+5v-+15vDAC0832是帶有兩級(jí)數(shù)據(jù)輸人緩沖鎖存器的8位DA轉(zhuǎn)換器。其引腳如圖所示。輸入寄存器地址：ILE為1，/CS為0, /WR1為0DAC寄存器地址： /WR2為0 ， /XFER為0二、二、 DAC0832應(yīng)用接口電路應(yīng)用接口電路單片機(jī)與單片機(jī)與DAC0832的接口，可根據(jù)需要按的接口，可根據(jù)需要按單級(jí)緩沖器方式、二級(jí)緩沖器方式聯(lián)接。單級(jí)緩沖器方式、二級(jí)緩沖器方式聯(lián)接。1、單緩沖器連接方式、單緩沖器連接方式DAC0832以單緩沖器方式與以單緩沖器方式與8051的接口電的

10、接口電路圖所示。路圖所示。輸入寄存器地址與DAC寄存器地址均為0FEFFH用該連接產(chǎn)生一個(gè)鋸齒波信號(hào)的程序如下： WAVE：MOV DPTR，#0FEFFH MOV A，#00H LOOP： MOVX DPTR，A INC A SJMP LOOP上述程序輸出的波形如下圖所示。l圖為二路模擬量同步輸出的8031系統(tǒng)。圖中，1#DAC0832輸入寄存器地址為ODFFFH，2#DAC0832輸入寄存器的地址為OBFFFH，1#和2#DAC0832的第二級(jí)寄存器地址同為7FFFH。兩片DAC0832的輸出分別接圖形顯示器的X、Y偏轉(zhuǎn)放大器的輸入端。l8031執(zhí)行下面的程序段，將使圖形顯示器的亮點(diǎn)移動(dòng)到

11、一個(gè)新的位置：l MOV DPTR，#0DFFFHl MOV A，#DATAXl MOVX DPTR，A ;數(shù)據(jù)X打入1#輸入寄存器l MOV DPTR，#0BFFFHl MOV A，#DATAY l MOVX DPTR，A ;數(shù)據(jù)Y打入2#輸入寄存器l MOV DPTR，#7FFFHl MOVX DPTR，A 1#2#輸入寄存器的內(nèi)容l 同時(shí)打人各自的DAC寄存器中2.3 ADC及硬件電路及硬件電路 ADC芯片型號(hào)很多，在精度、速度和價(jià)格方面千差萬(wàn)別，較為常見(jiàn)的ADC主要有逐次逼近型、雙積分型和電壓頻率變換型三種。 雙積分型ADC，一般精度高；對(duì)周期變化的干擾信號(hào)積分為零，因此抗干擾性好；價(jià)

12、格便宜，但轉(zhuǎn)換速度慢。 逐次逼近型ADC，在轉(zhuǎn)換速度上同雙積分型ADC相比要快得多。精度較高(12位及12位以上的)，價(jià)格較高。 電壓頻率(VF)變換型ADC，突出的優(yōu)點(diǎn)是高精度，其分辨率可達(dá)16位以上；價(jià)格低廉，但轉(zhuǎn)換速度不高。2.3.1 5G14433(雙積分型雙積分型)的應(yīng)用的應(yīng)用一、一、5G14433A/D轉(zhuǎn)換器的特性及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換器的特性及結(jié)構(gòu) 5G14433是上海元件五廠生產(chǎn)的三位半是上海元件五廠生產(chǎn)的三位半ADC，它是一種雙積分型，它是一種雙積分型ADC，具有精，具有精度高度高(精度相當(dāng)于精度相當(dāng)于11位二進(jìn)制位二進(jìn)制ADC)、抗干、抗干擾性能好等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度慢，擾性能好等

13、優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度慢，約約1-10次次s。在不要求高速轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合，。在不要求高速轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合，例如溫度測(cè)控系統(tǒng)中，被廣泛采用。例如溫度測(cè)控系統(tǒng)中，被廣泛采用。5G14433 ADC與與Motorola公司的產(chǎn)品公司的產(chǎn)品MCl4433可以互換?？梢曰Q。 5G14433ADC的被轉(zhuǎn)換電壓量程為的被轉(zhuǎn)換電壓量程為199.9mV或或1.999V。轉(zhuǎn)換結(jié)果以。轉(zhuǎn)換結(jié)果以BCD碼的碼的形式分形式分4次輸出。次輸出。l (1)VAG：模擬地。l (2)Vref：外接基準(zhǔn)電壓(2V或200mV)輸入端。l (3)Vx：被測(cè)電壓輸入端。l (4)Rl、RlC、C：外接積分阻容元件端。外接元件典型值：當(dāng)量程

14、為2V時(shí)，Cl=0.1luF，R1=470k；l 當(dāng)量程為200mV時(shí)，Cl=0.1uF，Rl=27kl (5)C01、C02：外接失調(diào)補(bǔ)償電容C0端，C0的典型值為0.1uF。l (6)DU：更新轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出的輸入端。當(dāng)DU與EOC連接時(shí)，每次轉(zhuǎn)換結(jié)果都被更新。l (7)CLKI、CLKO：時(shí)鐘振蕩器外接電阻Rc端。Rc的典型值為470k，時(shí)鐘頻率隨著Rc的增加而下降。當(dāng)CLKO為66kHz時(shí)，5G14433工作在最佳狀況，CLKO最高不超過(guò)300kHz。l (8)VEE：模擬部分的負(fù)電源端，接-5V。l (9)Vss：數(shù)字地。VDD：正電源端。 (10)EOC：轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標(biāo)志輸出。每當(dāng)轉(zhuǎn)

15、換周期結(jié) 束，EOC端輸出一個(gè)寬度為時(shí)鐘周期一半的正脈沖。 (11)/OR：過(guò)量稱(chēng)標(biāo)志輸出。當(dāng)1Vx1Vref時(shí)，/OR端輸出低電平。 (12)DSlDS4：多路選通脈沖輸出端。DSl對(duì)應(yīng)千位，DS4對(duì)應(yīng)個(gè)位。如下圖。 (13)Q0Q3：BCD碼數(shù)據(jù)輸出線。其中Q0為最低位，Q3為最高位。當(dāng)DS2、DS3、DS4選通期間，輸出三位完整的BCD碼(百位、十位、個(gè)位)；但在DSl選通期間，輸出端Q0-Q3除了表示千位為0或1外，還表示了轉(zhuǎn)換結(jié)果的正負(fù)極性和欠量程還是過(guò)量程，其含義： DS1 Q3 Q2 Q1 Q0 輸出結(jié)果狀態(tài) 1 1 x x 0 千位數(shù)為0 1 0 x x 0 千位數(shù)為1 1 x

16、 1 x 0 輸出結(jié)果為正 1 x 0 x 0 輸出結(jié)果為負(fù) 1 0 x x 1 輸入信號(hào)過(guò)量程 1 1 x x 1 輸入信號(hào)欠量程二、5G14433應(yīng)用接口電路 由于5G14433的結(jié)果輸出是動(dòng)態(tài)的，Q0Q3和DSlDS4都不是總線式的，因此必須通過(guò)并行接口和MCS51相連。圖為5G14433和8031P1口相連的接口邏輯。 例：將上述電路中AD轉(zhuǎn)換結(jié)果存入8031內(nèi)部RAM的20H、21H單元，按如下格式存放：設(shè)8031內(nèi)部RAM可尋址位10H設(shè)為量程錯(cuò)標(biāo)志位。讀取AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果。 程序清單如下：PINT1: MOV A，P1 ；讀P1口 JNB ACC4，PINTl ；查DSll JB

17、ACC.0，PERR ; 判超量程l JB ACC.2，PLl ; 判極性l SETB 07H ； 為負(fù)，符號(hào)位置1l AJMP PL2lPLl： CLR 07H ； 為正，符號(hào)位清0lPL2： JB ACC.3，PL3 ； 判千位l SETB 04H ； 千位為1l AJMP PL4lPL3： CLR 04H ； 千位為0lPL4： MOV A，P1l JNB ACC.5，PL4 ；查DS2l MOV R0，#20Hl XCHD A，R0 ； 保存百位PL5： MOV A，P1 JNB ACC.6，PL5 ；查DS3 SWAP A INC R0 MOV R0，A ； 保存十位PL6： MOV

18、 A，P1 JNB ACC.7，PL6 ； 查DS4 XCHD A，R0 ；保存?zhèn)€位 RETPERR： SETB l0H ； 置1量程錯(cuò)標(biāo)志 RET2.3.3 ADC0809(逐次逼近型逐次逼近型)的應(yīng)用的應(yīng)用一、ADC0809的性能指標(biāo)及結(jié)構(gòu)原理ADC0809是一種典型的AD轉(zhuǎn)換器，是8位8通道的AD轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間100us，輸入電壓范圍：0-5V。其引腳如下圖所示。l（1） Vcc: +5V工作電壓， GND: 數(shù)字地l（2REF(+），REF(-):參考電壓正負(fù)端l（3CLK: 時(shí)鐘信號(hào)輸入端 (內(nèi)部500KHZ)l (4) EOC: 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出端。開(kāi)始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電 平，轉(zhuǎn)換結(jié)束

19、時(shí)為高電平。 l (5) 數(shù)據(jù)輸出線：D0-D7l (6) 地址線：START:A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端l ALE: 地址鎖存允許信號(hào)輸入端l OE: 輸出允許控制端l A、B、C 通道選擇地址輸入線 lMOVX A，DPTR ；讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果lMOV R1，A ；結(jié)果轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)區(qū)l INC DPTR ；指向下一通道l INC R1 ；修改數(shù)據(jù)區(qū)指針l DJNZ R2，LOOP ；若8路未轉(zhuǎn)換完則繼續(xù)轉(zhuǎn)換l 初始化程序如下：l INT1：SETB IT1 ；外中斷1初始化l SETB EAl SETB EXll MOV DPTR ,#7FF8H ；啟動(dòng)0809對(duì)通道IN0轉(zhuǎn)換l MOV A，#0

20、0Hl MOVX DPTR，All中斷服務(wù)程序清單如下：lPRINTl：MOV DPTR，#7FF8H ；l 讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，送緩沖單元30Hl MOVX A，DPTRl MOV 30H,Al MOV A，#00H ；啟動(dòng)0809對(duì)通道IN0轉(zhuǎn)換l MOVX DPTR,Al RETI2.4 多路轉(zhuǎn)換器多路轉(zhuǎn)換器l一、多路轉(zhuǎn)換器的作用和要求l 多路轉(zhuǎn)換器又稱(chēng)多路開(kāi)關(guān)。在實(shí)際數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)或?qū)嶋H控制系統(tǒng)中，被測(cè)量或被控制量往往可能是幾路或幾十路。對(duì)這些回路的參量進(jìn)行采樣和A/D(或D/A)轉(zhuǎn)換時(shí)，為了共用A/D(或D/A)轉(zhuǎn)換器，以節(jié)省硬件，可以利用多路開(kāi)關(guān)，輪流切換各被測(cè)量與A/D轉(zhuǎn)換電路的通路

21、，達(dá)到分時(shí)轉(zhuǎn)換的目的。 l二、幾種常用的多路開(kāi)關(guān)集成電路芯片 l (一) AD7501和AD7503lAD7501和AD7503是具有8路輸入通道、一路公共輸出端的多路開(kāi)關(guān)CMOS集成芯片，由三個(gè)地址線(A0、A1、A2)及EN的狀態(tài)來(lái)選擇8個(gè)通道中的一路。l（二A/D7052lA/D7052是雙四選一的多路模擬開(kāi)關(guān)，由二個(gè)地址線(A0、A1)及EN的狀態(tài)來(lái)選擇8個(gè)通道中的二路。l （三） CD4051B l CD4051B和AD7501相類(lèi)似，有三位地址信號(hào)控制8路模擬信號(hào)的開(kāi)關(guān)。與AD7501不同之處是，AD7501是單向的，只能用于多到一。因此，常用于多路模擬量的輸入通道。 而CD405

22、1B是雙向的，既可用于“多到一”，也可用于“一到多的切換。因此它既常用于多路模擬量輸入通道共享A/D轉(zhuǎn)換器，也常用于多路模擬量輸出通道，作為D/A轉(zhuǎn)換器到多路模擬量輸出的切換開(kāi)關(guān)。 第第3章章 開(kāi)關(guān)量輸入輸出通道開(kāi)關(guān)量輸入輸出通道3.1 光電耦合器光電耦合器光電耦合器是一種半導(dǎo)體光電器件，因?yàn)樗w積小、壽命長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。 1. 原理：當(dāng)輸入端高電平時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光，光線照射到光敏三極管或光敏二極管上，產(chǎn)生相應(yīng)的電流，從輸出端輸出，完成了電光電的轉(zhuǎn)換。由于輸入電路與輸出電路是絕緣的，因此可起到對(duì)輸出通道的隔離作用。 2. 運(yùn)用：運(yùn)用： 當(dāng)單片機(jī)的當(dāng)單片機(jī)的P1.

23、0口輸出為高電平時(shí)，發(fā)光二極管口輸出為高電平時(shí)，發(fā)光二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，不發(fā)光，所以光電耦合器無(wú)電流輸處于截止?fàn)顟B(tài)，不發(fā)光，所以光電耦合器無(wú)電流輸出；當(dāng)出；當(dāng)P1.0口輸出為低電平時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通并口輸出為低電平時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通并發(fā)光，光信號(hào)使光敏三極管產(chǎn)生電流輸出。通過(guò)光發(fā)光，光信號(hào)使光敏三極管產(chǎn)生電流輸出。通過(guò)光電耦合器，可以間接地控制電路的開(kāi)與斷，達(dá)到了電耦合器，可以間接地控制電路的開(kāi)與斷，達(dá)到了隔離的目的。隔離的目的。 3. 2 繼電器繼電器 當(dāng)系統(tǒng)需要對(duì)負(fù)荷比較大的設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)或停止操作時(shí)，光電耦合器的負(fù)載能力就不能滿(mǎn)足要求了。此時(shí)便可以選擇使用繼電器來(lái)控制，這是因?yàn)槔^電器的負(fù)載

24、能力遠(yuǎn)大于光電耦合器。 繼電器是一種電子控制組件，通常用于自動(dòng)控制系統(tǒng)當(dāng)中。在工作時(shí)是利用較小的電流去控制較大的電流。一般在驅(qū)動(dòng)大型設(shè)備時(shí)，往往利用繼電氣作為測(cè)控系統(tǒng)輸出至輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)之間的第一級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過(guò)該級(jí)繼電器輸出，可完成從低壓電流到高壓電流的過(guò)渡。 1. 工作原理：繼電器主要由鐵芯、線圈、銜鐵、觸電、工作原理：繼電器主要由鐵芯、線圈、銜鐵、觸電、彈簧等組成。當(dāng)在線圈兩端加上一定的電壓使線圈中形彈簧等組成。當(dāng)在線圈兩端加上一定的電壓使線圈中形成一定方向的電流，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的磁成一定方向的電流，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)吸引銜鐵，使銜鐵克服彈簧的拉力與靜觸電場(chǎng)

25、，該磁場(chǎng)吸引銜鐵，使銜鐵克服彈簧的拉力與靜觸電吸合，使電路導(dǎo)通。當(dāng)線圈兩端電壓消失后，電流產(chǎn)生吸合，使電路導(dǎo)通。當(dāng)線圈兩端電壓消失后，電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)也隨之消失，由于沒(méi)有了吸引力，因此銜鐵在彈的磁場(chǎng)也隨之消失，由于沒(méi)有了吸引力，因此銜鐵在彈簧力的作用下將與觸電分開(kāi)，使電路斷開(kāi)?；闪Φ淖饔孟聦⑴c觸電分開(kāi)，使電路斷開(kāi)。 2. 運(yùn)用：運(yùn)用： 圖為帶有光電耦合器的繼電器接口電路。使圖為帶有光電耦合器的繼電器接口電路。使用光電耦合器可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力。在圖用光電耦合器可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力。在圖中，當(dāng)中，當(dāng)P1.0為低電平時(shí)，繼電器為低電平時(shí)，繼電器K吸合；而當(dāng)吸合；而當(dāng)P1.0輸出輸

26、出為高電平時(shí)，繼電器為高電平時(shí)，繼電器K釋放。釋放。帶有光電耦合器的繼電器接口電路 輸出的控制元件。輸出的控制元件。 固態(tài)繼電器的內(nèi)部邏輯圖如圖所示。固態(tài)繼電器由光電耦合電路、觸發(fā)電路、開(kāi)關(guān)電路、過(guò)零控制電路和吸收電路5部分構(gòu)成。這5部分被封裝在一個(gè)6面體外殼內(nèi)，成為一個(gè)整體，外面有4個(gè)引腳(圖中的A、B、C、D)。如果是過(guò)零型SSR，就包括“過(guò)零控制電路部分，而非過(guò)零型SSR則沒(méi)有這部分電路。3.3 晶閘管晶閘管 晶閘管又稱(chēng)可控硅，是一種大功晶閘管又稱(chēng)可控硅，是一種大功率半導(dǎo)體器件，不但具有整流功能，率半導(dǎo)體器件，不但具有整流功能，還具有開(kāi)關(guān)作用。利用晶閘管可以還具有開(kāi)關(guān)作用。利用晶閘管可以

27、使用較小的功率控制較大的功率。使用較小的功率控制較大的功率。同時(shí)，由于晶閘管的響應(yīng)時(shí)間很短，同時(shí)，由于晶閘管的響應(yīng)時(shí)間很短，遠(yuǎn)小于繼電器，所以比較適用于高遠(yuǎn)小于繼電器，所以比較適用于高速系統(tǒng)。速系統(tǒng)。 晶閘管本省體積小、重量輕、效晶閘管本省體積小、重量輕、效率高，使用十分廣泛。常用的晶閘率高，使用十分廣泛。常用的晶閘管有單向晶閘管與雙向晶閘管兩類(lèi)，管有單向晶閘管與雙向晶閘管兩類(lèi)，還有光控晶閘管等。還有光控晶閘管等。1. 單向晶閘管：?jiǎn)蜗蚓чl管： 單向晶閘管由單向晶閘管由3個(gè)個(gè)PN結(jié)組成。結(jié)組成。當(dāng)晶閘管的當(dāng)晶閘管的A、K兩端為反向電壓時(shí)，晶閘管本兩端為反向電壓時(shí)，晶閘管本身不會(huì)導(dǎo)通；當(dāng)晶閘管的

28、身不會(huì)導(dǎo)通；當(dāng)晶閘管的A、K兩端接正向電壓兩端接正向電壓時(shí)，如果時(shí)，如果G端出現(xiàn)信號(hào)使端出現(xiàn)信號(hào)使G、K兩端也為正向電兩端也為正向電壓時(shí)，單向晶閘管將導(dǎo)通。需要注意的是，由于壓時(shí)，單向晶閘管將導(dǎo)通。需要注意的是，由于單向晶閘管導(dǎo)通后，并不以單向晶閘管導(dǎo)通后，并不以G端電平作為維持條端電平作為維持條件，所以件，所以G端可以作為觸發(fā)信號(hào)。另外，單向晶端可以作為觸發(fā)信號(hào)。另外，單向晶閘管沒(méi)有自我關(guān)斷能力，在導(dǎo)通之后，只有當(dāng)閘管沒(méi)有自我關(guān)斷能力，在導(dǎo)通之后，只有當(dāng)A、K兩端的電壓下降到不足以使其導(dǎo)通時(shí)單向晶閘兩端的電壓下降到不足以使其導(dǎo)通時(shí)單向晶閘管才會(huì)回到截止?fàn)顟B(tài)。管才會(huì)回到截止?fàn)顟B(tài)。運(yùn)用：圖示驅(qū)動(dòng)

29、脈沖直流負(fù)載的光電耦合運(yùn)用：圖示驅(qū)動(dòng)脈沖直流負(fù)載的光電耦合單向晶閘管接口電路。單向晶閘管接口電路。當(dāng)當(dāng)P1.0=0時(shí)，光電耦合導(dǎo)通，三極管時(shí)，光電耦合導(dǎo)通，三極管T1截止，晶閘管截止，晶閘管T2導(dǎo)通，導(dǎo)通，直流負(fù)載加電；反之，直流負(fù)載加電；反之，P1.0=1時(shí)，由于工作電源是脈沖直流，所時(shí)，由于工作電源是脈沖直流，所以以T2關(guān)斷，直流負(fù)載斷電。關(guān)斷，直流負(fù)載斷電。LD為指示燈。為指示燈。2. 雙向晶閘管：如圖雙向晶閘管：如圖1所示。主電極所示。主電極T1、T2無(wú)論加正向電壓無(wú)論加正向電壓還是反向電壓，其控制還是反向電壓，其控制G的觸發(fā)信號(hào)無(wú)論是正向還是反向，的觸發(fā)信號(hào)無(wú)論是正向還是反向，它都能

30、被觸發(fā)導(dǎo)通。一般用于交流控制。它都能被觸發(fā)導(dǎo)通。一般用于交流控制。 圖圖2所示是驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載的光電耦合所示是驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載的光電耦合雙向晶閘管接口電雙向晶閘管接口電路。路。T2為雙向晶閘管。其工作原理同上。為雙向晶閘管。其工作原理同上。第4章 信號(hào)的測(cè)量與分析算法4.1 數(shù)字濾波4.1.1 一般概念數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足，它與模擬濾波器相比有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 1數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加設(shè)備，所以可靠性高、穩(wěn)定性好。 2數(shù)字濾波可以對(duì)頻率很低(如0.01Hz)的信號(hào)實(shí)行濾波，具有靈活、方便、功能強(qiáng)的特點(diǎn)。 由于數(shù)字濾波具有以上優(yōu)點(diǎn)，所以數(shù)字濾波在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。l（

31、一算術(shù)平均值法l 算術(shù)平均值法適用于對(duì)一般的具有隨機(jī)干擾的信號(hào)濾波。它特別適于信號(hào)本身在一數(shù)值范圍附近上下波動(dòng)的情況，如流量、液平面等信號(hào)的測(cè)量。l 算術(shù)平均值法是要按輸入的N個(gè)采樣數(shù)據(jù)xi(i=1-N)，尋找y，使y各采樣值間的偏差的平方和為最?。?l算術(shù)平均值法對(duì)信號(hào)的平滑濾波程度完全取決于N。當(dāng)N較大時(shí)，平滑度高，但靈敏度低，即外界信號(hào)的變化對(duì)測(cè)量計(jì)算結(jié)果y的影響小，當(dāng)N較小時(shí)，平滑度較低，但靈敏度高，應(yīng)按具體情況選取N，如對(duì)流量測(cè)量，N可取8-16，對(duì)壓力等測(cè)量，可取N=4。 （二滑動(dòng)平均值法 算術(shù)平均值法，每計(jì)算一次數(shù)據(jù)，需測(cè)量N次。對(duì)于測(cè)量速度較慢或要求數(shù)據(jù)計(jì)算速率較高的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，

32、該方法是無(wú)法使用的。例如A/D數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采樣速率為每秒10次，而要求每秒輸入4次數(shù)據(jù)時(shí)，則N不能大于2?；瑒?dòng)平均值法只需進(jìn)行一次測(cè)量，就能得到一個(gè)新的算術(shù)平均值。 滑動(dòng)平均值法采用隊(duì)列作為測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，隊(duì)列的長(zhǎng)度固定為N，每進(jìn)行一次新的測(cè)量，把測(cè)量結(jié)果放人對(duì)尾，而扔掉原來(lái)隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)，這樣在隊(duì)列中始終有N個(gè)“最新的數(shù)據(jù)。計(jì)算平均值時(shí)，只要把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，就可得到新的算術(shù)平均值。這樣每進(jìn)行一次測(cè)量，就可計(jì)算得到一個(gè)新的算術(shù)平均值。 l（三） 防脈沖干擾平均值法l 在工業(yè)控制等應(yīng)用場(chǎng)合中，經(jīng)常會(huì)遇到尖脈沖干擾的現(xiàn)象。干擾通常只影響個(gè)別采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)與其他采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)相差比

33、較大。如果采用一般的平均值法，則干擾將“平均到計(jì)算結(jié)果上去，故平均值法不易消除由于脈沖干擾而引起的采樣值的偏差。l為此，可采取先對(duì)N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，去掉其中最大值和最小值，然后計(jì)算余下的N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。即可以濾去脈沖干擾又可濾去小的隨機(jī)干擾。l 在實(shí)際應(yīng)用中，N可取任何值，但為了加快測(cè)量計(jì)算速度，一般N不能太大，常取為4，為四取二再取平均值法。它具有計(jì)算方便速度快，存儲(chǔ)量小等特點(diǎn)，故得到了廣泛的應(yīng)用。4.2 信號(hào)分析處理方法一、時(shí)間域分析： 1. 幅值域分析 :信號(hào)在幅值域上進(jìn)行一些指標(biāo)的 統(tǒng)計(jì)計(jì)算:最大值、最小值、平均值、有效值、均方值、標(biāo)準(zhǔn)差、偏態(tài)系數(shù)、峰態(tài)系數(shù)。 2. 相關(guān)域分

34、析: (1)自相關(guān)函數(shù) (2) 互相關(guān)函數(shù) (3) 波形分析 (4)參數(shù)模型分析二、頻域分析: (1) 自譜分析 (2) 互譜分析 (3) 最大熵分析 (4) 倒譜分析 (5)包絡(luò)譜分析 (6)三維譜陣分析三、時(shí)頻分析：小波變換一、時(shí)間域分析1. 幅值域分析: 是信號(hào)在幅值域上進(jìn)行一些指標(biāo)的計(jì)算。 (1) 最大值：信號(hào)中最大的幅值峰值）。(2) 最大值時(shí)間：信號(hào)中幅值最大處的時(shí)間位置。(3) 最小值：信號(hào)中最小的幅值谷值。(4) 最小值時(shí)間：信號(hào)中幅值最小處的時(shí)間位置。(5) 平均值: (6) 有效值: (7) 均方值: (8) 標(biāo)準(zhǔn)差:標(biāo)準(zhǔn)差表示隨機(jī)振動(dòng)圍繞均值“振蕩的強(qiáng)度，因而它是描述隨機(jī)

35、振動(dòng)的重要物理參數(shù)。(9) 偏態(tài)系數(shù)： 0，正偏態(tài)； 0，負(fù)偏態(tài)； 0，中心對(duì)稱(chēng)。(10) 峰態(tài)系數(shù)：NttxNx112)(xxRms NttxNx1221NttxxN12)(1NttkxNS13)(1kSkSkSNttuxNK14)(1l幅域分析中常用的分析方法是振幅概率密度分布,它描述的是數(shù)據(jù)在幅值域的分布情況。例如軸承摩擦產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng)。軸承平穩(wěn)和遍歷隨機(jī)振動(dòng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)序列概率密度函數(shù)呈現(xiàn)出正態(tài)分布的鐘形曲線 。四種軸承摩擦狀態(tài)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)字特征列于表中。l在正常工況下，無(wú)摩擦產(chǎn)生，測(cè)試值的概率密度函數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)的， ，它表示動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)集中在均值附近，并且變化范圍對(duì)稱(chēng)于均值分布，如4#軸承；

36、如果工況異常，分布狀態(tài)便將發(fā)生變化 。 越大，峰態(tài)越差，摩擦越嚴(yán)重，如1#軸承。 x22ksuk軸承號(hào)平均值 標(biāo)準(zhǔn)差 1#-0.0610.360.00272.502#0.143.23-0.0821.913#0.021.430.00921.364#0.000.56-0.0070.517kSuk0ukksuK2. 相關(guān)域分析l(1)自相關(guān)函數(shù) 自相關(guān)函數(shù)是描述信號(hào)x(t)一個(gè)時(shí)刻的取值與另一個(gè)時(shí)刻的取值之間的依賴(lài)關(guān)系計(jì)算公式為l其中R( ) 為相關(guān)函數(shù)，x(t) 為要分析的信號(hào)序列， 為時(shí)間延遲。l工程中通常使用相關(guān)系數(shù)來(lái)描述相關(guān)性，更具有對(duì)比性和方便性。相關(guān)系數(shù)函數(shù)定義：l l式中， 為均值，

37、為方差。l 根據(jù)自相關(guān)函數(shù)圖的形狀可以判斷原信號(hào)的性質(zhì)。比如周期信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)仍為周期相同的周期函數(shù)。因此，自相關(guān)函數(shù)可用于檢測(cè)混于隨機(jī)噪聲中的確定性信號(hào)。因?yàn)橹芷谛盘?hào)或任意確定性數(shù)據(jù)在所有時(shí)間上都有其自相關(guān)函數(shù)，而隨機(jī)信號(hào)則不是。 TTxdttxtxTR0)()(1)(lim22)()(xxxxRx2x(2) 互相關(guān)函數(shù) 互相關(guān)函數(shù)是對(duì)兩個(gè)信號(hào)x(t)和y(t)進(jìn)行分析的，描述x(t)一個(gè)時(shí)刻的取值與y(t)另一個(gè)時(shí)刻的取值之間的依賴(lài)關(guān)系，可以表示為：同樣互相關(guān)系數(shù)的定義如下:互相關(guān)函數(shù)利用同頻檢測(cè)技術(shù)把振動(dòng)信號(hào)中感興趣的特定頻率成分的振幅和相位檢測(cè)出來(lái)，而將非同頻信號(hào)濾掉。這在對(duì)研究平穩(wěn)

38、隨機(jī)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性和機(jī)械系統(tǒng)傳遞特性上起著十分重要的作用。TTxydttytxTR0)()(1)(limyxyxxyxyR)()( 二、頻域分析 l1. 功率譜分析 l(1) 自譜分析 就是對(duì)一個(gè)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，F(xiàn)FT 為快速傅立葉變換，定義為：l正變換： 逆變換：l其中： ， 為時(shí)域信號(hào)， F 為頻域的頻譜密度函數(shù)。l自譜分析能夠?qū)?shí)測(cè)的復(fù)雜工程信號(hào)分解成簡(jiǎn)單的諧波分量來(lái)研究，描述了信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)，因此，對(duì)設(shè)備的動(dòng)態(tài)信號(hào)做功率譜分析相當(dāng)于 “透視”，從而了解設(shè)備各個(gè)部分的工作狀況，功率譜分析在解決工程實(shí)際問(wèn)題中獲得了廣泛應(yīng)用。l例如，圖為某一大型航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)功率譜，在其功率譜圖上，每個(gè)頻

39、率分量譜線都對(duì)應(yīng)一定的零部件，利用這種對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)及故障的識(shí)別。dtetfFti)()(deFtftj)(21)(f2)(tf)(l(2) 互譜分析 對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行互功率譜計(jì)算。兩路時(shí)域信號(hào)序列、經(jīng)過(guò)FFT計(jì)算得到的幅值譜為X(k)、 Y(k)，其乘積X*(k) Y(k)稱(chēng)為互功率譜 。其數(shù)學(xué)定義為：l = X*(k) Y(k) l式中k為頻域序列號(hào)，X*(k)表示X(k)的共軛函數(shù)。l互功率譜函數(shù)一般和互相關(guān)函數(shù)具有同樣的作用，但它提供的結(jié)果是頻率的函數(shù)而不是時(shí)間的函數(shù)，并且具有相位信息，這就大大拓寬了其使用范圍。l(3) 最大熵分析 是一種現(xiàn)代譜分析方法，用這種方法可以觀測(cè)區(qū)

40、間以外的數(shù)據(jù)，以便填補(bǔ)出一個(gè)長(zhǎng)得多的時(shí)區(qū)。因此最大熵法具有適合分析短時(shí)信號(hào)的特點(diǎn)，可用于分析采樣點(diǎn)數(shù)較少的信號(hào)。信號(hào)的長(zhǎng)度可以小于128點(diǎn)，如64點(diǎn)、32點(diǎn)、20點(diǎn)甚至16 點(diǎn)，并且數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)可以不是2的冪次方，其熵譜理論上可以有任意精細(xì)的頻率分辨率。)(kpxy)(k)(kpxyl最大熵譜分析是利用已有的自相關(guān)函數(shù)，在保證最大熵的前提下構(gòu)造出自相關(guān)函數(shù)的相鄰值。重復(fù)這個(gè)步驟，把自相關(guān)函數(shù)向兩邊外推直至正負(fù)無(wú)窮處，最后作頻域變換求得連續(xù)的功率譜估計(jì)。l(4) 倒譜分析 是近代信號(hào)處理科學(xué)的一項(xiàng)新技術(shù)，它可以處理復(fù)雜頻譜圖上的周期結(jié)構(gòu)。倒譜分析也稱(chēng)為二次頻譜分析，是頻譜的再次譜分析。它對(duì)具有同族或

41、異族諧頻以及多成分邊頻等復(fù)雜信號(hào)，找出功率譜上不易發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，非常有效，因此常用于振動(dòng)噪聲源識(shí)別、機(jī)器故障診斷、語(yǔ)音分析、回聲剔除等方面的研究。l(5) 包絡(luò)譜分析 對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，確定信號(hào)中的共振頻率，以該共振頻率為中心進(jìn)行合適帶寬的帶通濾波，對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)線計(jì)算(通常使用Hilbert變換)，得到共振信號(hào)的包絡(luò)線，最后對(duì)包絡(luò)線進(jìn)行頻譜分析得到共振解調(diào)譜。由于包絡(luò)線的頻率一般較低，在進(jìn)行頻譜分析后可以再進(jìn)行細(xì)化分析。 (6) 三維譜陣分析 信號(hào)的傅里葉頻譜只能反映信號(hào)在整個(gè)時(shí)間過(guò)程中的平均頻率情況，使用三維譜陣分析則可以反映長(zhǎng)數(shù)據(jù)信號(hào)的頻率特性隨著時(shí)間變化而變化的情況。三維譜陣分析是

42、對(duì)一個(gè)長(zhǎng)信號(hào)在其不同時(shí)間位置上取一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)點(diǎn)(一般為1024點(diǎn))分別進(jìn)行傅里葉譜分析，然后將各次的譜分析結(jié)果在三維空間中依次排列起來(lái)以表現(xiàn)在不同時(shí)間位置上的信號(hào)頻譜特性。相鄰兩條譜線所取時(shí)間的間隔通常相等，并使各次分析的時(shí)間位置在整個(gè)時(shí)間軸上均勻分布。分析譜線條數(shù)越多，則時(shí)間間隔越小，越能精確反映信號(hào)頻率隨時(shí)間變化的特性，但計(jì)算量也越大。 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)加速度信號(hào) 概率密度函數(shù)分析結(jié)果 FFT功率譜分析 三維譜陣 三、時(shí)頻分析：小波變換第5章 數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)5.1.引言: 在微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，微型計(jì)算機(jī)作數(shù)字控制器。 生產(chǎn)過(guò)程中，在大多數(shù)情況下被控對(duì)象具有連續(xù)的特性，而計(jì)算

43、機(jī)的特性是離散的，由此組成了一個(gè)既有連續(xù)部分又有離散部分的混合系統(tǒng)。 對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)，可以從兩個(gè)不同的角度來(lái)看。 一方面，由于被控對(duì)象、AD、微型計(jì)算機(jī)、DA構(gòu)成的組合體的輸入和輸出都是模擬量，所以，該系統(tǒng)可以看成是一個(gè)連續(xù)變化的模擬系統(tǒng)，因而可以用拉氏變換來(lái)進(jìn)行分析 。 Gp(s)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)， D(s)校正裝置的傳遞函數(shù)。 模擬化設(shè)計(jì)方法 另一方面，由于微型計(jì)算機(jī)與DA、被控對(duì)象、AD構(gòu)成的組合體的輸入和輸出都是數(shù)字量，所以，這一系統(tǒng)又具有離散系統(tǒng)的特性，因而也可以用Z變換來(lái)進(jìn)行分析。 H (s)和 Gp(s)構(gòu)成了被控對(duì)象的廣義對(duì)象傳遞函數(shù)G (s) D(s)微機(jī)校正裝置的脈沖傳遞函

44、數(shù)， H (s)零階保持器的傳遞函數(shù)。離散系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。數(shù)字控制器的兩種設(shè)計(jì)途徑或兩類(lèi)設(shè)計(jì)方法。一種是在一定條下，把計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)近似地看成模擬系統(tǒng)，用連續(xù)系統(tǒng)的理論來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)，再將設(shè)計(jì)結(jié)果轉(zhuǎn)變成數(shù)字計(jì)算機(jī)的控制算法，這種方法稱(chēng)為模擬化的設(shè)計(jì)方法，又稱(chēng)間接設(shè)計(jì)法。另一種是，把計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)適當(dāng)變換，變成純粹的離散系統(tǒng)，用z變換等工具進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，直接設(shè)計(jì)出控制算法，該方法為離散化設(shè)計(jì)方法，又叫直接設(shè)計(jì)法。 模擬化設(shè)計(jì)方法的基本思路是當(dāng)系統(tǒng)的采樣頻率足夠高時(shí)，采樣系統(tǒng)的特性接近于連續(xù)變化的模擬系統(tǒng)，因而可以忽略采樣開(kāi)關(guān)和保持器，將整個(gè)系統(tǒng)看成是連續(xù)變化的模擬系統(tǒng)，從而用s域的方法

45、設(shè)計(jì)校正裝置D(z)，再使用s域到Z域的離散化方法求得離散傳遞函數(shù)D(z)。設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是將一個(gè)模擬調(diào)節(jié)器離散化，用數(shù)字控制器取代模擬調(diào)節(jié)器。設(shè)計(jì)的基本步驟是，根據(jù)系統(tǒng)已有的連續(xù)模型，按連續(xù)系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)模擬調(diào)節(jié)器，然后，按照一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系將模擬調(diào)節(jié)器離散化，得到等價(jià)的數(shù)字控制器，從而確定計(jì)算機(jī)的控制算法。 由于用經(jīng)典方法設(shè)計(jì)連續(xù)系統(tǒng)已為工程技術(shù)人員所熟悉，且積累有一定經(jīng)驗(yàn)，因此模擬化設(shè)計(jì)方法在實(shí)際中被廣泛采用。 5.2 離散化方法 模擬調(diào)節(jié)器的離散化方法有多種。由于數(shù)字控制器是在線進(jìn)行控制的，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，所以，必須采用簡(jiǎn)單、可靠和足夠精確的方法。下面介紹幾種常用的離散化方法。一、 差分變換

46、法 模擬調(diào)節(jié)器若用微分方程的形式來(lái)表示，其導(dǎo)數(shù)可用差分近似。其變換的基本做法是，把原始的連續(xù)校正裝置傳遞函數(shù)D(z)轉(zhuǎn)換成微分方程，再用差分方程近似該微分方程。常用的差分近似方法有兩種：后向差分和前向差分。為便于編程，離散化只采用后向差分法。 一階后向差分 一階導(dǎo)數(shù)采用近似式: (5-1)(2) 二階后向差分 二階導(dǎo)數(shù)采用近似式: (5-2)Tkukudttdu) 1()()(22)2() 1(2)()2() 1() 1()() 1()()(TkukukuTTkukuTkukuTkukudttud例例5-1 5-1 求慣性環(huán)節(jié)求慣性環(huán)節(jié) 的差分方程。的差分方程。 11)()()(1sTsEsU

47、sD解：由解：由 有)()() 1(1sEsUsT)()()(1tetudttduT)()()(1kTekTukTuT)()()(1kekukuT化成微分方程:以采樣周期T離散上述微分方程得： 即用一階后向差分近似代替微分得: Tkukutu) 1()()(代入上式得)()()1()(1kekukukuTT整理得)() 1()(111keTTTkuTTTku11)(1sTsD例例5-2 5-2 求環(huán)節(jié)求環(huán)節(jié) 的差分方程。的差分方程。) 1()(1sTsKsD)()()(sEsUsD解：由，有即化成微分方程代入式(3-1)和式(3-2)得最后得到)()2() 1(2)(121111keTTkTk

48、uTTTkuTTTTku)() 1()()2() 1(2)(21kKeTkukuTkukukuT)()()(1tketutuT )()()(21sKEssUsUsT)()() 1(1sKEsUsTs二、零階保持器法： 又稱(chēng)階躍響應(yīng)不變法，其基本思想是：離散近似后的數(shù)字控制器的階躍響應(yīng)序列，必須與模擬調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)的采樣值相等。 1)(11)(1ssDZzzD)()1 ()(1ssDZzzD或者 (5-3)()()(1)(sDsHZsDseZzDTS其中H(s)即式 稱(chēng)為零階保持器，T為采樣周期。 seTS1零階保持器法a)連續(xù)系統(tǒng) b)帶采樣和零階保持 c)等效離散系統(tǒng)例5-3 用零階保持器

49、法求慣性環(huán)節(jié) 的差分方程。 11)(1sTsD1/1/1/11/11/1111111111111)1 ()1)(1 ()1 ()1 (1111)1 (111)1 () 1(1)1 (111)(zezezezzezzezzTssZzsTsZzsTseZzDTTTTTTTTTTTs所以1/1/111)1 ()()()(ZeZeZEZUZDTTTT整理得 ) 1()1 () 1()(11/keekuekuTTTT三、雙線性變換法 雙線性變換法又稱(chēng)突斯汀變換法，它是將s域函數(shù)與Z域函數(shù)進(jìn)行 轉(zhuǎn)換的一種近似方法。 由Z變換定義，有 將 和 展開(kāi)成泰勒級(jí)數(shù)為：2/Tse2/Tse322/821sTsTeT

50、s322/821sTsTeTs對(duì)上兩式若只取前兩項(xiàng)則有：TsTssTsTsTsTz22222121即s近似為：11112112zzTzzTs所以，當(dāng)已知連續(xù)傳遞函數(shù)D(s)時(shí)，則可計(jì)算D(z)： (5-5) 112)()(zzTssDzD2/2/TsTsTseeez，例5-4 已知某連續(xù)控制器的傳遞函數(shù) ，試用雙線性變換法求出相應(yīng)的數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)，其中T=1s。 2) 1(5 . 0)(sssD212121212112111121111111. 0667. 016 . 04 . 010.278695 . 12.5)1 ()1 (2)1 (5 . 0)1)(1 (2) 1112

51、(5 . 0112)(zzzzzzzzzzzzzzzTzzTzDT）（5.3 PID數(shù)字控制器的設(shè)計(jì) 按偏差的比例(Proportional)、積分(Integral)和微分(Derivative)進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器。簡(jiǎn)稱(chēng)PID調(diào)節(jié)器，是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟，應(yīng)用最為廣泛的一種調(diào)節(jié)器。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)易于調(diào)整。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及理論分析證明，運(yùn)用PID調(diào)節(jié)器在對(duì)相當(dāng)多的工業(yè)對(duì)象進(jìn)行控制能取得滿(mǎn)意效果。一、PID位置式算式的遞推形式在模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，PID控制算法的模擬表達(dá)式為： (5-6) )()(1)()(0tDIpdttdeTdtteTteKtu式中，u(t)為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)；e(t)為偏差信

52、號(hào)，它等于給定量與輸出量之差；Kp為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。連續(xù)的時(shí)間離散化，即： ), 1 , 0(nKKTt積分用累加求和近似得：kjtkjjeTTjedtte000)()()(微分用一階后向差分近似得：Tkekedttde) 1()()(式中，T為采樣周期；e(k) 為系統(tǒng)第k次采樣時(shí)刻的偏差值；e(k-1)為系統(tǒng)第(k-1)次采樣時(shí)刻的偏差值；k為采樣序號(hào)，k=0,1,2將式(5-7)和式(5-8)代入式(5-6)，可得離散的PID表達(dá)式：)1()()()()(0kekeTTjeTTkeKkuDkjIp(5-7)(5-8)(5-9)如果在式(5-9)中，令I(lǐng)P

53、ITTKK (稱(chēng)為積分系數(shù)) TTKKDPD(稱(chēng)為微分系數(shù)) 那么)1()()()()(0kekeKjeKkeKkuDkjIp 此即為離散化的位置式PID控制算法的編程表達(dá)式。當(dāng)進(jìn)行控制時(shí)，KP、KI、KD可先分別求出并放在指定的內(nèi)存單之中，則可實(shí)現(xiàn)式 (5-9)。(5-10) 由式(5-9)可以看出，每次輸出與過(guò)去的所有狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算復(fù)雜，浪費(fèi)內(nèi)存。下面，我們來(lái)推導(dǎo)計(jì)算較為簡(jiǎn)單的遞推算式。為此，對(duì)式(5-9)作如下變動(dòng)考慮到第k-1次采樣時(shí)有)2() 1()() 1() 1(10kekeTTjeTTkeKkuDkjIp使式(5-9)兩邊對(duì)應(yīng)減去式(5-11)，得 (5-11)2() 1(2)

54、()() 1()() 1()(kekekeTTkeTTkekeKkukuDIP整理得： )2() 1()() 1()2() 1()21 ()()1 () 1()2() 1(2)()() 1()() 1()(210keakeakeakukeTTKkeTTKkeTTTTKkukekekeTTkeTTkekeKkukuDPDPDIPDIPTTKaTTKaTTTTKaDPDPDIP310),21 (),1 (式中， (5-12) 式(5-12)就是PID位置式算式的遞推形式，是編程時(shí)常用的形式之一。 如果令 u(k)=u(k)-u(k-1)， 那么 u(k)=a0e(k)-a1e(k-1)+a2e(k

55、-2) (5-13) 式中a0、a1、a2同式(5-12)中一樣。 因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)控制中，a0、a1、a2都可事先求出，所以，實(shí)際控制時(shí)只須獲得e(k)、e(k-1)、e(k-2)三個(gè)有限的偏差值即可求出控制增量。由于其控制輸出對(duì)應(yīng)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置的增量，故式(5-13)常被稱(chēng)為PID控制的增量式算式。實(shí)際中，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要用控制量的增量來(lái)進(jìn)行控制如控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，可按式(5-13)來(lái)計(jì)算，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中常用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)完成位置的累計(jì)。PID增量式控制的原理圖如圖。PID增量式控制的原理圖增量式PID控制算法程序框圖增量式PID控制算法與位置式PID控制算法相比較，有如下一些優(yōu)點(diǎn)：1)位置式算法

56、每次輸出與整個(gè)過(guò)去狀態(tài)有關(guān)，算式中要用到過(guò)去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的積累誤差。而增量式中只需計(jì)算增量，算式中不需要累加，控制增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)，當(dāng)存在計(jì)算誤差或精度不足時(shí)，對(duì)控制量計(jì)算的影響較小，且較容易通過(guò)加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。2)由于計(jì)算機(jī)只輸出控制增量，所以誤動(dòng)作時(shí)影響小，且必要時(shí)可用邏輯判慚的方法去掉，對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行有利。 3)手動(dòng)自動(dòng)切換時(shí)沖擊比較小。由于上述優(yōu)點(diǎn)，增量式PID控制算法得到了廣泛的應(yīng)用。 三、速度式的控制算法 它采用位置式的導(dǎo)數(shù)形式，也就是 即 由于在一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，采樣周期T是一個(gè)常數(shù)，所以，速度式與增量式在算法上沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。

57、在實(shí)際應(yīng)用中，PID數(shù)字控制各種算式形式的選擇視執(zhí)行器的形式、被控對(duì)象的特性而定。若執(zhí)行機(jī)構(gòu)不帶積分部件，其位置和計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量是一一對(duì)應(yīng)的話(huà)(如電液伺服閥)，就要采用位置式算式。若執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶積分部件(如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)閥門(mén)或帶動(dòng)多圈電位器)時(shí)，就可選用增量式算式。若執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求速度設(shè)定就可選用速度式算式，通常，速度式算式用得較少。TkudttdutV)()()()2() 1(21 )(1)()(1keTTkeTTkeTTTTTKTkukVDDDp第5章 數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)5.1.引言:前一章討論了數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)方法即間接設(shè)計(jì)法，它是立足于連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并在計(jì)算機(jī)上采

58、用數(shù)字模擬的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是可以充分運(yùn)用工程設(shè)計(jì)者熟悉的各種連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)，將它移植到數(shù)字計(jì)算機(jī)上予以實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到滿(mǎn)意的控制效果。但是，模擬化設(shè)計(jì)方法選定的采樣周期必須足夠小，除必須滿(mǎn)足采樣定理外，還要求采樣周期的變化對(duì)系統(tǒng)性能影響不大。當(dāng)所選擇的采樣周期較大或?qū)刂频馁|(zhì)量要求較高以及用一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)多回路控制時(shí)，很難滿(mǎn)足要求。因此，往往是從被控對(duì)象的特性出發(fā)，直接根據(jù)采樣系統(tǒng)理論來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)字控制器，這種方法稱(chēng)為直接設(shè)計(jì)法。 如圖所示的離散控制系統(tǒng)。 Gc(s)為被控對(duì)象，G(z)為廣義對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)，D(z) 代表被設(shè)計(jì)的數(shù)字控制器，(z)為系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)，其表達(dá)式。

59、 (1) zGzDzGzDzRzCz1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是要設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)，利用它來(lái)控制被控對(duì)象，達(dá)到期望的性能指標(biāo)。由式(1)可得: (2) 由式2可知，當(dāng)已知G(z)時(shí)，只要根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇好(z) 就可求得D(z)。因此，在已知對(duì)象特性的前提下，設(shè)計(jì)步驟為： 1)求得帶零階保持器的被控對(duì)象的廣義脈沖傳遞函數(shù)G(z)。 2)根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求以及實(shí)現(xiàn)的約束條件構(gòu)造閉環(huán)z傳遞函數(shù)(z) 。3)依據(jù)式(2)確定數(shù)字控制器的傳遞函數(shù)D(z)。4)由D(z)確定控制算法并編制程序 zzzGzD115.2. 最少拍無(wú)差系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 最少拍無(wú)差系統(tǒng)，是指在典型的控制輸入信號(hào)作用

60、下能在最少幾個(gè)采樣周期內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差的系統(tǒng)。 q最少拍數(shù) 123)(tr312111)()33(zzGzzz)( 1 tt221t)(zR31112)1 (2)1 (zzzT211)1 ( zTz111 z31)1 ( z21)1 ( z11 z ze32133zzz212 zz1z z21111)()2(zzGzz111)( zzGz)(zDT3T2T對(duì)最少拍控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體要求如下：1. 準(zhǔn)確性要求 對(duì)典型的參考輸入信號(hào)，在到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)在采樣點(diǎn)的輸出 值能準(zhǔn)確跟蹤輸入信號(hào)，不存在靜差。 2. 快速性要求 在各種使系統(tǒng)在有限拍內(nèi)到達(dá)穩(wěn)態(tài)的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)準(zhǔn)確跟蹤輸入信號(hào)所需的采樣周期數(shù)應(yīng)