計算機控制系統(tǒng)--系統(tǒng)組建實現(xiàn)

1、2 依依審定的教材大綱編寫。審定的教材大綱編寫。 主編人：高金源主編人：高金源 夏潔夏潔 出版發(fā)行：清華大學(xué)出版社出版發(fā)行：清華大學(xué)出版社37.1 硬件組成及輸入輸出接口硬件組成及輸入輸出接口7.2 系統(tǒng)測試信號的處理系統(tǒng)測試信號的處理7.3 計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計7.4 控制算法的編排實現(xiàn)控制算法的編排實現(xiàn)7.5 量化效應(yīng)分析量化效應(yīng)分析7.6 采樣頻率的選取采樣頻率的選取7.7 計算機控制系統(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù)計算機控制系統(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù)北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社4圖圖7-1 計算機控制系統(tǒng)的基本組成計算機控制系統(tǒng)的基本組成北京航空航天大學(xué)

2、清華大學(xué)出版社51. 對計算機主機的要求對計算機主機的要求 實時處理能力實時處理能力 比較完善的中斷系統(tǒng)比較完善的中斷系統(tǒng) 對指令系統(tǒng)的要求對指令系統(tǒng)的要求 對內(nèi)存的要求對內(nèi)存的要求 2. 對過程輸入輸出通道的要求對過程輸入輸出通道的要求 有足夠的輸入通道數(shù)，并具有一定的擴充能力有足夠的輸入通道數(shù)，并具有一定的擴充能力有足夠的精度和分辨率有足夠的精度和分辨率 應(yīng)有足夠的變換速度應(yīng)有足夠的變換速度 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社63. 對應(yīng)用軟件系統(tǒng)的要求對應(yīng)用軟件系統(tǒng)的要求 實時性強、可靠性好、具有在線修改能力、實時性強、可靠性好、具有在線修改能力、輸入輸出功能強等輸入輸出功能強等4. 方便

3、的人方便的人機聯(lián)系機聯(lián)系 顯示屏顯示屏 、各種功能鍵、各種功能鍵 、輸入數(shù)據(jù)功能鍵等、輸入數(shù)據(jù)功能鍵等5. 系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性可靠性指系統(tǒng)無故障運行能力，指標(biāo)可靠性指系統(tǒng)無故障運行能力，指標(biāo)平平均無故障間隔時間。均無故障間隔時間。 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社71. 運算速度運算速度 影響因素：系統(tǒng)計算工作量、采樣周期、指令系統(tǒng)、影響因素：系統(tǒng)計算工作量、采樣周期、指令系統(tǒng)、硬件支持硬件支持2. 計算機字長計算機字長 影響因素：影響因素： 量化誤差量化誤差 應(yīng)與應(yīng)與A/D的字長相協(xié)調(diào)的字長相協(xié)調(diào) 信號的動態(tài)范圍信號的動態(tài)范圍 與采樣周期與采樣周期T的關(guān)系的關(guān)系 若

4、若T減小，但又希望量化誤差保持不變，則所需的計算減小，但又希望量化誤差保持不變，則所需的計算機的字長就要相應(yīng)增加。機的字長就要相應(yīng)增加。 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社8D/A 轉(zhuǎn)換器工作原理轉(zhuǎn)換器工作原理數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量或電流量的裝置。數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量或電流量的裝置。2. D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能轉(zhuǎn)換器的主要性能常用的主要指標(biāo)：常用的主要指標(biāo)： 精度精度精度是反映實際輸出與理想數(shù)學(xué)模型輸出信號接近精度是反映實際輸出與理想數(shù)學(xué)模型輸出信號接近的程度。的程度。 分辨率分辨率分辨率可定義為當(dāng)輸入數(shù)字量發(fā)生單位數(shù)碼變化分辨率可定義為當(dāng)輸入數(shù)字量發(fā)生單位數(shù)碼變化時輸出模擬量的變化量。分辨率也常用數(shù)

5、字量的位數(shù)來表時輸出模擬量的變化量。分辨率也常用數(shù)字量的位數(shù)來表示。示。 轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間最小有效位常以最小有效位常以LSB表示，故轉(zhuǎn)換時間定義為表示，故轉(zhuǎn)換時間定義為D/A轉(zhuǎn)換器中的輸入代碼有滿刻度值的變化時，其輸出模轉(zhuǎn)換器中的輸入代碼有滿刻度值的變化時，其輸出模擬信號達(dá)到滿刻度值擬信號達(dá)到滿刻度值 LSB時所需要的時間。時所需要的時間。 輸出電平輸出電平電壓型：電壓型：5 10V，24 30V；電流輸出型：；電流輸出型：20mA，3A等。等。 輸入代碼形式輸入代碼形式D/A轉(zhuǎn)換器單極性輸出時，有二進(jìn)制碼、轉(zhuǎn)換器單極性輸出時，有二進(jìn)制碼、BCD碼。當(dāng)雙極性輸出時，有符號碼。當(dāng)雙極性輸出時，有

6、符號+數(shù)值碼，偏移二進(jìn)制數(shù)值碼，偏移二進(jìn)制碼等。碼等。12北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社9 集成集成D/A轉(zhuǎn)換器的輸入方式：轉(zhuǎn)換器的輸入方式： 不帶緩沖寄存器（如不帶緩沖寄存器（如8位的位的DAC0808） 帶緩沖寄存器（如帶緩沖寄存器（如8位的位的DAC0832、12位的位的DAC1208等）。等）。 選擇選擇D/A轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換芯片 主要考慮芯片的性能、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特性。在性能上主要考慮芯片的性能、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特性。在性能上必須滿足必須滿足D/A轉(zhuǎn)換的技術(shù)要求，在結(jié)構(gòu)和應(yīng)用上滿轉(zhuǎn)換的技術(shù)要求，在結(jié)構(gòu)和應(yīng)用上滿足接口方便，外圍電路簡單，價格低廉等要求。足接口方便，外圍電路簡單，價格低廉等要求。

7、對于對于D/A轉(zhuǎn)換器字長轉(zhuǎn)換器字長n的選擇，可以由其后的的選擇，可以由其后的執(zhí)行機構(gòu)的動態(tài)范圍來選定：執(zhí)行機構(gòu)的動態(tài)范圍來選定：max21Rnuu執(zhí)行機構(gòu)的執(zhí)行機構(gòu)的死區(qū)電壓死區(qū)電壓 執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)最大輸入最大輸入 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社10圖圖7-2 模擬量輸出通道的兩種實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖模擬量輸出通道的兩種實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社11(1)單極性二進(jìn)制編碼單極性二進(jìn)制編碼(2)雙極性二進(jìn)制編碼雙極性二進(jìn)制編碼 有符號的二進(jìn)制可以用有符號的二進(jìn)制可以用原碼原碼、補碼補碼、反碼反碼和和偏移二進(jìn)制偏移二進(jìn)制碼碼來表示。為了把雙極性的信號表示成數(shù)字代碼，就需來表示。為了把雙極

8、性的信號表示成數(shù)字代碼，就需要增加一位要增加一位“符號位符號位”。增加一個符號位可以使量程增。增加一個符號位可以使量程增加一倍，但分辨率卻要降低一倍。這幾種編碼與十進(jìn)制加一倍，但分辨率卻要降低一倍。這幾種編碼與十進(jìn)制數(shù)的關(guān)系如表數(shù)的關(guān)系如表7-1所示。所示。 注意：注意： 計算機內(nèi)信號的編碼可能與計算機內(nèi)信號的編碼可能與D/A輸入信號的編碼不完輸入信號的編碼不完全一致。若一致，則可將計算機的運算輸出直接作為全一致。若一致，則可將計算機的運算輸出直接作為D/A轉(zhuǎn)換器的輸入。但若不一致（多數(shù)情況），則需轉(zhuǎn)換器的輸入。但若不一致（多數(shù)情況），則需要將計算得到的碼制進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換后，方可作為要將計算得

9、到的碼制進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換后，方可作為D/A的輸入信號。的輸入信號。12(1,2, )niiiNain北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社12采樣保持器采樣保持器孔徑時間孔徑時間實際的采樣過程需要的時間。實際的采樣過程需要的時間。為縮短孔徑時間，采取的措施是將對模擬信號的采樣和對為縮短孔徑時間，采取的措施是將對模擬信號的采樣和對采樣的模擬電壓的轉(zhuǎn)換分開，分別由不同的電路完成。采樣的模擬電壓的轉(zhuǎn)換分開，分別由不同的電路完成。 采樣保持器作用就是以較短的孔徑時間對信號進(jìn)行采樣，采樣保持器作用就是以較短的孔徑時間對信號進(jìn)行采樣，然后將采得的模擬電壓保持，供然后將采得的模擬電壓保持，供A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

10、轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 圖圖7-4 模擬量輸入通道一般結(jié)構(gòu)圖模擬量輸入通道一般結(jié)構(gòu)圖圖圖7-5 采樣保持器原理圖采樣保持器原理圖北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社13 工作原理工作原理: 將將輸入的模擬電壓按比例地轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)字輸入的模擬電壓按比例地轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)字信號的裝置。信號的裝置。圖圖7-7 雙斜積分式雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 圖圖7-6 逐次逼近式逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社14(1) 精度精度指對應(yīng)一個給定的數(shù)字量的實際模擬量輸指對應(yīng)一個給定的數(shù)字量的實際模擬量輸入與理論模擬量輸入接近的程度。入與理論模擬量輸入接近的程度。(2) 分辨率分辨率指輸出

11、數(shù)字量對輸入模擬量變化的分辨指輸出數(shù)字量對輸入模擬量變化的分辨能力。即設(shè)能力。即設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為n，則，則A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器的分辨率為分辨率為(3) 轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間從從A/D轉(zhuǎn)換的啟動信號加入時起，到轉(zhuǎn)換的啟動信號加入時起，到獲得數(shù)字輸出信號為止，所需的時間。獲得數(shù)字輸出信號為止，所需的時間。(4) 量程量程 指測量的模擬量的變化范圍。指測量的模擬量的變化范圍。一般有單極性（如一般有單極性（如0 10V、0 20V）和）和雙極性（例如雙極性（例如-5V +5V、-10V +10V）兩種。）兩種。 nD2/1) 12/(1nD或或北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社15 除了

12、要滿足用戶的各種技術(shù)要求外，還必須注意：除了要滿足用戶的各種技術(shù)要求外，還必須注意： A/D輸出的方式輸出的方式 A/D芯片對啟動信號的要求芯片對啟動信號的要求 A/D的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換時間的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換時間 它的穩(wěn)定性及抗干擾能力等它的穩(wěn)定性及抗干擾能力等 A/D轉(zhuǎn)換器的精度與傳感器的精度有關(guān)，一般比傳感器轉(zhuǎn)換器的精度與傳感器的精度有關(guān)，一般比傳感器的精度高一個數(shù)量級；的精度高一個數(shù)量級；A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率還與系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率還與系統(tǒng)的頻帶有關(guān)。的頻帶有關(guān)。 根據(jù)輸入模擬信號的動態(tài)范圍可選擇根據(jù)輸入模擬信號的動態(tài)范圍可選擇A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)轉(zhuǎn)換器位數(shù)n maxmin21nuu模入信號模

13、入信號的最大值的最大值 模入信號模入信號的最小值的最小值 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社16圖圖7-8 單路檢測通道結(jié)構(gòu)類型單路檢測通道結(jié)構(gòu)類型北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社17 A/D的二進(jìn)制碼制與極性的二進(jìn)制碼制與極性 類似于類似于D/A的二進(jìn)制碼制與極性，可同時參見表的二進(jìn)制碼制與極性，可同時參見表7-1（此時表中的（此時表中的VREF為為A/D的量程）和表的量程）和表7-2。在實際。在實際應(yīng)用中，應(yīng)用中，A/D輸出的代碼形式可能采用前面介紹的幾輸出的代碼形式可能采用前面介紹的幾種二進(jìn)制編碼中的一種。種二進(jìn)制編碼中的一種。 注意：注意： 計算機內(nèi)信號的編碼可能與計算機內(nèi)信號的編碼可能

14、與A/D輸出信號的編碼不完輸出信號的編碼不完全一致。若一致，則可將全一致。若一致，則可將A/D輸出信號的編碼直接作輸出信號的編碼直接作為計算機的運算輸入信號。但若不一致（多數(shù)情況），為計算機的運算輸入信號。但若不一致（多數(shù)情況），則需要將則需要將A/D輸出信號的編碼進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換后，方輸出信號的編碼進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換后，方參與到算法的運算中。參與到算法的運算中。 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社18(1) 查詢方式查詢方式 由由CPU執(zhí)行執(zhí)行I/O指令啟動并完成。每次傳送數(shù)據(jù)之前，要先輸入指令啟動并完成。每次傳送數(shù)據(jù)之前，要先輸入A/D轉(zhuǎn)換器狀態(tài)，經(jīng)過查詢符合條件后才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換器狀態(tài)，經(jīng)過

15、查詢符合條件后才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的I/O。 靈活，靈活，但在讀寫數(shù)據(jù)端口指令之前需要重復(fù)執(zhí)行多次查詢狀態(tài)的但在讀寫數(shù)據(jù)端口指令之前需要重復(fù)執(zhí)行多次查詢狀態(tài)的指令，當(dāng)外設(shè)速度比較慢時，會造成指令，當(dāng)外設(shè)速度比較慢時，會造成CPU效率的大大降低效率的大大降低。(2) 中斷方式中斷方式 可以省掉重復(fù)繁瑣的查詢，并可及時響應(yīng)外設(shè)的要求。在這種方可以省掉重復(fù)繁瑣的查詢，并可及時響應(yīng)外設(shè)的要求。在這種方式下，式下，CPU和外設(shè)基本上實現(xiàn)了并行工作，當(dāng)然由于增加了中斷和外設(shè)基本上實現(xiàn)了并行工作，當(dāng)然由于增加了中斷管理功能，所以對應(yīng)的接口電路和程序要比查詢方式復(fù)雜。管理功能，所以對應(yīng)的接口電路和程序要比查詢方式復(fù)

16、雜。(3) DMA方式方式 在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，不僅要選用高速在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，不僅要選用高速A/D轉(zhuǎn)換電路，而且傳轉(zhuǎn)換電路，而且傳送轉(zhuǎn)換結(jié)果也要求非常及時迅速，可以考慮選用送轉(zhuǎn)換結(jié)果也要求非常及時迅速，可以考慮選用DMA方式。方式。 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社19 輸入緩沖器的作用輸入緩沖器的作用 對外部輸入信號進(jìn)行緩沖、加強和選通。輸出鎖存對外部輸入信號進(jìn)行緩沖、加強和選通。輸出鎖存器將器將CPU輸出的數(shù)據(jù)或控制信號進(jìn)行鎖存，以便放輸出的數(shù)據(jù)或控制信號進(jìn)行鎖存，以便放大驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)作用于被控對象。大驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)作用于被控對象。 I/O電氣轉(zhuǎn)換部分的功能：電氣轉(zhuǎn)換部分的功能： 濾

17、波、電平轉(zhuǎn)換、隔離、功率驅(qū)動等。濾波、電平轉(zhuǎn)換、隔離、功率驅(qū)動等。圖圖7-9 開關(guān)量輸入輸出通道結(jié)構(gòu)開關(guān)量輸入輸出通道結(jié)構(gòu)北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社201. 直流電壓信號的調(diào)整直流電壓信號的調(diào)整 設(shè)計相應(yīng)的調(diào)理電路（如分壓、放大等），將直流信號轉(zhuǎn)換成計設(shè)計相應(yīng)的調(diào)理電路（如分壓、放大等），將直流信號轉(zhuǎn)換成計算機所能接受電壓形式，再直接使用算機所能接受電壓形式，再直接使用A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。2. 直流電流信號的調(diào)理直流電流信號的調(diào)理 設(shè)計電流到電壓的轉(zhuǎn)換電路。設(shè)計電流到電壓的轉(zhuǎn)換電路。3. 數(shù)字信號的調(diào)理數(shù)字信號的調(diào)理 主要是進(jìn)行隔離、放大及限幅整形，將微弱的信號變成滿足接口主要是進(jìn)行隔

18、離、放大及限幅整形，將微弱的信號變成滿足接口要求的等幅脈沖序列。對于數(shù)字量的測量主要應(yīng)用于對頻率的測要求的等幅脈沖序列。對于數(shù)字量的測量主要應(yīng)用于對頻率的測量和對轉(zhuǎn)速的測量。量和對轉(zhuǎn)速的測量。圖圖7-13 有源有源I/V變換電路變換電路圖圖7-12 電流信號傳輸?shù)牡湫碗娐冯娏餍盘杺鬏數(shù)牡湫碗娐繁本┖娇蘸教齑髮W(xué) 清華大學(xué)出版社211. 總線定義總線定義總線是一組信號線的集合。這些線是系統(tǒng)的各總線是一組信號線的集合。這些線是系統(tǒng)的各插件間（或插件內(nèi)部各芯片間）、各系統(tǒng)之間插件間（或插件內(nèi)部各芯片間）、各系統(tǒng)之間傳送規(guī)定信息的公共通道，有時也稱數(shù)據(jù)公路，傳送規(guī)定信息的公共通道，有時也稱數(shù)據(jù)公路，通過

19、它們可以把各種數(shù)據(jù)和命令傳送到各自要通過它們可以把各種數(shù)據(jù)和命令傳送到各自要去的地方。去的地方。北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社22(1）根據(jù)）根據(jù)總線不同的結(jié)構(gòu)和用途總線不同的結(jié)構(gòu)和用途的分類的分類 專用總線專用總線 只實現(xiàn)一對物理部件間連接的總線。只實現(xiàn)一對物理部件間連接的總線。 非專用總線非專用總線 可以被多種功能或多個部件所共享。準(zhǔn)確應(yīng)稱為分時共享總線?？梢员欢喾N功能或多個部件所共享。準(zhǔn)確應(yīng)稱為分時共享總線。(2）根據(jù)）根據(jù)總線的用途和應(yīng)用環(huán)境總線的用途和應(yīng)用環(huán)境的分類的分類 局部總線局部總線（芯片或元件級總線）（芯片或元件級總線） 構(gòu)成中央處理機或子系統(tǒng)內(nèi)所用的總線。構(gòu)成中央處理機或

20、子系統(tǒng)內(nèi)所用的總線。 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線（內(nèi)總線和板級總線）（內(nèi)總線和板級總線） 用于各單微處理機之間、模塊之間的通信，可用于構(gòu)成分布式多機系用于各單微處理機之間、模塊之間的通信，可用于構(gòu)成分布式多機系統(tǒng)，如統(tǒng)，如 STD總線、總線、VME總線、總線、PC總線等。總線等。 外總線外總線（通信總線）（通信總線） 用于微處理機與其它智能儀器儀表間的通信，如用于微處理機與其它智能儀器儀表間的通信，如RS-232C等等(3）根據(jù)）根據(jù)總線傳送信號的方式總線傳送信號的方式的分類的分類 并行總線并行總線 用若干根信號線同時傳遞信號，就構(gòu)成了并行總線。用若干根信號線同時傳遞信號，就構(gòu)成了并行總線。 串行總線串

21、行總線 按照信息逐位的順序傳送信號。按照信息逐位的順序傳送信號。北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社23(1) STD 總線總線 目前工業(yè)控制及工業(yè)檢測系統(tǒng)中使用最廣泛的總線，目前工業(yè)控制及工業(yè)檢測系統(tǒng)中使用最廣泛的總線，它兼容性好，能夠支持任何它兼容性好，能夠支持任何8位或位或16位微處理器，成位微處理器，成為一種通用標(biāo)準(zhǔn)總線。為一種通用標(biāo)準(zhǔn)總線。 具有以下特點：具有以下特點： 小板結(jié)構(gòu)，高度模塊化小板結(jié)構(gòu)，高度模塊化 嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)化，廣泛的兼容性嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)化，廣泛的兼容性 面向面向I/O的開放式設(shè)計，適合工業(yè)控制應(yīng)用的開放式設(shè)計，適合工業(yè)控制應(yīng)用 高可靠性高可靠性 STD是工業(yè)應(yīng)用中十分有前途的

22、通用標(biāo)準(zhǔn)總線。按此是工業(yè)應(yīng)用中十分有前途的通用標(biāo)準(zhǔn)總線。按此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計系統(tǒng)，可使系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性及組裝靈標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計系統(tǒng)，可使系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性及組裝靈活性。目前國內(nèi)外許多廠家均按活性。目前國內(nèi)外許多廠家均按STD標(biāo)準(zhǔn)來生產(chǎn)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)來生產(chǎn)系統(tǒng)和插件，因此，對應(yīng)用者來說，按和插件，因此，對應(yīng)用者來說，按STD標(biāo)準(zhǔn)來組成自標(biāo)準(zhǔn)來組成自己的應(yīng)用系統(tǒng)將會大大縮短系統(tǒng)的硬件研制周期。己的應(yīng)用系統(tǒng)將會大大縮短系統(tǒng)的硬件研制周期。北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社24(2) IBM PC/AT 總線總線 由于由于IBM PC機有豐富的軟、硬件支持，而且其價格機有豐富的軟、硬件支持，而且其價格低廉，目前已成為國

23、際上廣泛使用的微型機之一。低廉，目前已成為國際上廣泛使用的微型機之一。 IBM PC機的主板上設(shè)計了供輸入輸出用的總線，這機的主板上設(shè)計了供輸入輸出用的總線，這些總線引至系統(tǒng)板上的些總線引至系統(tǒng)板上的5個或個或8個個62腳的插座上，這些腳的插座上，這些插座稱為擴展插槽。插座稱為擴展插槽。 制造商提供的用作擴充制造商提供的用作擴充PC機的選件板有百余種之多，機的選件板有百余種之多，如同步通訊控制卡、異步通訊控制卡、如同步通訊控制卡、異步通訊控制卡、A/D及及D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換板、數(shù)據(jù)采集板、各類存儲器擴展板、打印機接口換板、數(shù)據(jù)采集板、各類存儲器擴展板、打印機接口板、網(wǎng)絡(luò)接口板等。用戶可根據(jù)需要進(jìn)行選

24、購，也可板、網(wǎng)絡(luò)接口板等。用戶可根據(jù)需要進(jìn)行選購，也可根據(jù)需要自行設(shè)計和開發(fā)新的功能板。根據(jù)需要自行設(shè)計和開發(fā)新的功能板。 PC/AT總線對環(huán)境要求較高，無法保證在工業(yè)現(xiàn)場可總線對環(huán)境要求較高，無法保證在工業(yè)現(xiàn)場可靠運行?？窟\行。 PCAT總線都是主要采取將微處理器芯片總線經(jīng)緩總線都是主要采取將微處理器芯片總線經(jīng)緩沖直接映射到系統(tǒng)總線上，沒有支持總線仲裁的硬件沖直接映射到系統(tǒng)總線上，沒有支持總線仲裁的硬件邏輯，因而不支持多主系統(tǒng)。邏輯，因而不支持多主系統(tǒng)。北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社25(3)RS232C 串行接口標(biāo)準(zhǔn)總線串行接口標(biāo)準(zhǔn)總線 由電子工業(yè)學(xué)會正式公布的串行總線標(biāo)準(zhǔn)，也由電子工業(yè)

25、學(xué)會正式公布的串行總線標(biāo)準(zhǔn)，也是在微機系統(tǒng)中最常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，用于是在微機系統(tǒng)中最常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，用于實現(xiàn)計算機與計算機之間、計算機與外設(shè)之間實現(xiàn)計算機與計算機之間、計算機與外設(shè)之間的同步或異步通訊。的同步或異步通訊。采用采用RS232C作串行通訊時，傳輸數(shù)據(jù)的速作串行通訊時，傳輸數(shù)據(jù)的速率可任意調(diào)整，最大可達(dá)率可任意調(diào)整，最大可達(dá)20Kb。兩種連接系統(tǒng)的方式：兩種連接系統(tǒng)的方式：近程（傳輸距離小于近程（傳輸距離小于15m）通訊，這時可）通訊，這時可以用以用RS232C電纜直接連接。電纜直接連接。遠(yuǎn)程（遠(yuǎn)程（15m以上的長距離）通訊，需要采以上的長距離）通訊，需要采用調(diào)制解調(diào)器（用調(diào)制

26、解調(diào)器（MODEM）經(jīng)電話線進(jìn)行。）經(jīng)電話線進(jìn)行。 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社26(4) RS422 串行接口標(biāo)準(zhǔn)總線串行接口標(biāo)準(zhǔn)總線 采用了平衡驅(qū)動和差分接收器組合的雙端接口方式。采用了平衡驅(qū)動和差分接收器組合的雙端接口方式。 傳輸距離可以達(dá)到傳輸距離可以達(dá)到1000米，傳輸波特率可以達(dá)到米，傳輸波特率可以達(dá)到10Mbit/s。 圖圖7-17 RS-422發(fā)送驅(qū)動器發(fā)送驅(qū)動器北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社277.1 硬件組成及輸入輸出接口硬件組成及輸入輸出接口7.2 系統(tǒng)測試信號的處理系統(tǒng)測試信號的處理7.3 計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計7.4 控制算法的

27、編排實現(xiàn)控制算法的編排實現(xiàn)7.5 量化效應(yīng)分析量化效應(yīng)分析7.6 采樣頻率的選取采樣頻率的選取7.7 計算機控制系統(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù)計算機控制系統(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù)北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社28模擬濾波器模擬濾波器在采樣開關(guān)前加入適當(dāng)?shù)哪M濾波器（稱為抗混迭在采樣開關(guān)前加入適當(dāng)?shù)哪M濾波器（稱為抗混迭濾波器或前置模擬低通濾波器），通常為簡單的低濾波器或前置模擬低通濾波器），通常為簡單的低通網(wǎng)絡(luò)。通網(wǎng)絡(luò)。1( )(1)FnfGsT s1,2,3,n濾波器的轉(zhuǎn)折頻率濾波器的轉(zhuǎn)折頻率 選取濾波器參數(shù)時，應(yīng)盡量保證：選取濾波器參數(shù)時，應(yīng)盡量保證： 在系統(tǒng)頻帶內(nèi)信號幅值變化比較平坦，在該頻帶

28、外，信在系統(tǒng)頻帶內(nèi)信號幅值變化比較平坦，在該頻帶外，信號幅值有較大的衰減，成為較陡峭衰減的形狀。號幅值有較大的衰減，成為較陡峭衰減的形狀。 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社29 利用程序?qū)崿F(xiàn)的濾波。只需根據(jù)濾波算法編制相應(yīng)的程序利用程序?qū)崿F(xiàn)的濾波。只需根據(jù)濾波算法編制相應(yīng)的程序即可達(dá)到目的。即可達(dá)到目的。(1) 平均值濾波平均值濾波 在一個采樣周期中，對信號在一個采樣周期中，對信號y連續(xù)進(jìn)行連續(xù)進(jìn)行m次采樣，并對次采樣，并對其取算術(shù)平均值，作為本采樣周期內(nèi)的濾波器輸出。其取算術(shù)平均值，作為本采樣周期內(nèi)的濾波器輸出。 還可以在平均算法中給各次采樣值不同的權(quán)重系數(shù)，還可以在平均算法中給各次采樣值不

29、同的權(quán)重系數(shù)，此時濾波算法為：此時濾波算法為： 01i101mii011m滿足滿足通常取通常取北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社30(2) 中值濾波中值濾波 在一個采樣周期中，將信號的連續(xù)次（一般取奇數(shù)在一個采樣周期中，將信號的連續(xù)次（一般取奇數(shù),）采樣值進(jìn)行排序，取其中間值作為本采樣周期內(nèi)的濾采樣值進(jìn)行排序，取其中間值作為本采樣周期內(nèi)的濾波器輸出。一般波器輸出。一般m越大濾波效果越好，越大濾波效果越好， 但延滯增大。但延滯增大。 中值濾波對緩變過程的脈沖干擾有良好的濾波效果。中值濾波對緩變過程的脈沖干擾有良好的濾波效果。(3) 限幅濾波限幅濾波 根據(jù)對象的特點和系統(tǒng)的精度，對采樣數(shù)據(jù)的正常范根

30、據(jù)對象的特點和系統(tǒng)的精度，對采樣數(shù)據(jù)的正常范圍事先作一個估計。若某次采樣受到強烈的干擾，使圍事先作一個估計。若某次采樣受到強烈的干擾，使數(shù)據(jù)明顯超出正常范圍，就應(yīng)該將其剔除。數(shù)據(jù)明顯超出正常范圍，就應(yīng)該將其剔除。 | ( )(1)|( )( )| ( )(1)|( )(1) oooy ky kYy ky ky ky kYy ky kY Y：相鄰兩次采相鄰兩次采樣值之差的最大可樣值之差的最大可能值能值 如果本次采樣值如果本次采樣值y(k)和上次采樣值和上次采樣值y(k-1)之差小于之差小于YY，表示，表示y(k)是是真實的，取本次采樣值作為濾波器的輸出值；反之，真實的，取本次采樣值作為濾波器的輸

31、出值；反之，y(k)是不真實的，是不真實的，取前一次的濾波器輸出為本次濾波器的輸出。取前一次的濾波器輸出為本次濾波器的輸出。 說說 明明對隨機脈沖干擾和采樣器不穩(wěn)定引起的失真有良好的濾波效果。對隨機脈沖干擾和采樣器不穩(wěn)定引起的失真有良好的濾波效果。 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社31(4) 慣性濾波慣性濾波 模擬模擬RC低通濾波器的數(shù)字實現(xiàn)。低通濾波器的數(shù)字實現(xiàn)。 RC濾波器的傳函濾波器的傳函 ( )1( )1fY sX sT s后差分法后差分法 ( )(1)( )fffTTy ky kx kTTTT(1)(1) ( )y kx k適用于有用信號緩慢變化，干擾信號波動頻繁的場合。適用于有用信

32、號緩慢變化，干擾信號波動頻繁的場合。北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社32 通過模擬量輸入通道采集到的數(shù)據(jù)與該數(shù)據(jù)所代表的被測通過模擬量輸入通道采集到的數(shù)據(jù)與該數(shù)據(jù)所代表的被測參數(shù)不一定呈線性關(guān)系，常需要將它們進(jìn)行非線性補償，參數(shù)不一定呈線性關(guān)系，常需要將它們進(jìn)行非線性補償，將非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為線性關(guān)系，才能用于顯示和控制。將非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為線性關(guān)系，才能用于顯示和控制。例如，銅例如，銅康銅熱電偶（康銅熱電偶（T型）以冷端溫度型）以冷端溫度t0=0oC為條件下，在為條件下，在0 400 C的范圍內(nèi)計算溫度的公式為的范圍內(nèi)計算溫度的公式為8811()iiiiiitbeb kd計算量較大計算量較大程序

33、較復(fù)雜程序較復(fù)雜 為了使計算簡單，提高實時性，通常采為了使計算簡單，提高實時性，通常采用分段線性化的方法，即用多段折線代替曲用分段線性化的方法，即用多段折線代替曲線進(jìn)行計算。線進(jìn)行計算。 線性化過程是，首先判斷測量數(shù)據(jù)處于線性化過程是，首先判斷測量數(shù)據(jù)處于哪一段折線內(nèi)，然后按照相應(yīng)段的線性化公哪一段折線內(nèi)，然后按照相應(yīng)段的線性化公式計算出線性值。式計算出線性值。 分段可以是等距的，也可以是非等距的；分段可以是等距的，也可以是非等距的；分段數(shù)越多，線性化精度越高，軟件開銷就分段數(shù)越多，線性化精度越高，軟件開銷就越大。越大。北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社337.1 硬件組成及輸入輸出接口硬件組成

34、及輸入輸出接口7.2 系統(tǒng)測試信號的處理系統(tǒng)測試信號的處理7.3 計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計7.4 控制算法的編排實現(xiàn)控制算法的編排實現(xiàn)7.5 量化效應(yīng)分析量化效應(yīng)分析7.6 采樣頻率的選取采樣頻率的選取7.7 計算機控制系統(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù)計算機控制系統(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù)北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社34圖圖7-19 計算機控制系統(tǒng)的軟件組成計算機控制系統(tǒng)的軟件組成北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社35機器語言（即機器指令）機器語言（即機器指令）匯編語言匯編語言高級語言高級語言高級語言和匯編語言的混合使用高級語言和匯編語言的混合使用北京航空航天大學(xué) 清華大

35、學(xué)出版社361. 實時控制軟件實時控制軟件(1) 實時管理軟件實時管理軟件n實時時鐘管理實時時鐘管理 n輸入輸出信息管理輸入輸出信息管理 n中斷管理功能中斷管理功能 n任務(wù)調(diào)度任務(wù)調(diào)度 n人人機聯(lián)系機聯(lián)系 n設(shè)置系統(tǒng)的初始狀態(tài)設(shè)置系統(tǒng)的初始狀態(tài)(2) 過程監(jiān)視及控制算過程監(jiān)視及控制算法計算軟件法計算軟件u數(shù)據(jù)變換處理程序數(shù)據(jù)變換處理程序u控制指令生成程序控制指令生成程序 u事故處理程序事故處理程序 u信息管理程序信息管理程序 u基本運算程序基本運算程序u碼制及格式轉(zhuǎn)換程序碼制及格式轉(zhuǎn)換程序 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社37圖圖7-20 典型的計算機實時控制系統(tǒng)的程序流程框圖典型的計算機實時

36、控制系統(tǒng)的程序流程框圖北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社38算法算法I：包括那些為了得到當(dāng)前輸出值而必須進(jìn)行的計算。：包括那些為了得到當(dāng)前輸出值而必須進(jìn)行的計算。算法算法II：包括那些為了得到下一時刻輸出值而必須進(jìn)行的計：包括那些為了得到下一時刻輸出值而必須進(jìn)行的計算，以及與當(dāng)前輸出無關(guān)的其它計算和管理算法。算，以及與當(dāng)前輸出無關(guān)的其它計算和管理算法。 延時對控制系統(tǒng)有不好的影響！延時對控制系統(tǒng)有不好的影響！A/DD/AD(z)t1t2t3延時延時t圖圖7-21 數(shù)?；旌舷到y(tǒng)計算延時的引入數(shù)?；旌舷到y(tǒng)計算延時的引入北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社39圖圖7-22 三種控制算法的輸出時刻三種控制算

37、法的輸出時刻北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社40圖圖7-22 三種控制算法的流程框圖三種控制算法的流程框圖北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社417.1 硬件組成及輸入輸出接口硬件組成及輸入輸出接口7.2 系統(tǒng)測試信號的處理系統(tǒng)測試信號的處理7.3 計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計7.4 控制算法的編排實現(xiàn)控制算法的編排實現(xiàn)7.5 量化效應(yīng)分析量化效應(yīng)分析7.6 采樣頻率的選取采樣頻率的選取7.7 計算機控制系統(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù)計算機控制系統(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù)北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社42 直接型結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)比較簡單，不需要做任何變換。直接型結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)比較簡單，不

38、需要做任何變換。 嚴(yán)重的缺陷：如果控制器中任一系數(shù)存在誤差，則將使控嚴(yán)重的缺陷：如果控制器中任一系數(shù)存在誤差，則將使控制器所有的零極點產(chǎn)生相應(yīng)的變化制器所有的零極點產(chǎn)生相應(yīng)的變化。1. 直接型結(jié)構(gòu)直接型結(jié)構(gòu)圖圖7-24 直接型結(jié)構(gòu)直接型結(jié)構(gòu)北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社43 將將D(z)的分子分母因式分解，得一階或二階的環(huán)節(jié)乘積的分子分母因式分解，得一階或二階的環(huán)節(jié)乘積,可以用這些低階環(huán)節(jié)的編排結(jié)構(gòu)（采用直接型編排實現(xiàn)）可以用這些低階環(huán)節(jié)的編排結(jié)構(gòu)（采用直接型編排實現(xiàn)）進(jìn)行串聯(lián)而得。進(jìn)行串聯(lián)而得。 012( )( )( )lU zD zb D DDE z其中其中Di為為或或 如果低階控制器中

39、任一系數(shù)有誤差，不會使控制器所如果低階控制器中任一系數(shù)有誤差，不會使控制器所有的零極點產(chǎn)生相應(yīng)的變化。有的零極點產(chǎn)生相應(yīng)的變化。 圖圖7-25 串聯(lián)型編排實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖串聯(lián)型編排實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社44 將將D(z)進(jìn)行部分分式展進(jìn)行部分分式展開開 ，得一階或二階環(huán)節(jié)之，得一階或二階環(huán)節(jié)之和。可以用這些低階環(huán)節(jié)和?？梢杂眠@些低階環(huán)節(jié)的編排結(jié)構(gòu)（采用直接型的編排結(jié)構(gòu)（采用直接型編排實現(xiàn)）進(jìn)行并聯(lián)而得。編排實現(xiàn)）進(jìn)行并聯(lián)而得。012( )( )( )lU zD zDDDE z其中其中Di為為或或 如果低階控制器中如果低階控制器中任一系數(shù)有誤差，不會任一系數(shù)有誤差，不會使控制器所有

40、的零極點使控制器所有的零極點產(chǎn)生相應(yīng)的變化。產(chǎn)生相應(yīng)的變化。 圖圖7-26 并聯(lián)型編排實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖并聯(lián)型編排實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社45 原因：定點數(shù)要求、原因：定點數(shù)要求、D/A前要求前要求 原則原則:(1) 絕大多數(shù)情況下，使各支路信號不上溢絕大多數(shù)情況下，使各支路信號不上溢(2) 盡量減少動態(tài)信號的下溢值，減小不靈敏區(qū)，提高盡量減少動態(tài)信號的下溢值，減小不靈敏區(qū)，提高分辨率分辨率 (3) 控制算法各支路的比例因子可以采用實際物理量的控制算法各支路的比例因子可以采用實際物理量的最大值與計算機代碼的最大值之比來確定。采用最大值與計算機代碼的最大值之比來確定。采用2的整的整次冪

41、來縮放次冪來縮放.(4) 要保證配置比例因子前后，支路的增益與總的傳遞要保證配置比例因子前后，支路的增益與總的傳遞特性保持不變特性保持不變 (5) A/D和和D/A比例因子的計算比例因子的計算A/D的傳遞系數(shù)的傳遞系數(shù)KAD=1/uimax ，D/A具有傳遞系數(shù)具有傳遞系數(shù)KDA=uomax 故需要在計算機內(nèi)應(yīng)配置相應(yīng)的比例因子故需要在計算機內(nèi)應(yīng)配置相應(yīng)的比例因子1/KAD和和1/KDA。北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社46 |D(z)|=K*|D1(z)| 1，( K 1且且|D1(z)| 1) 處理方法處理方法: 計算機實現(xiàn)增益計算機實現(xiàn)增益小于小于1的控制器的控制器D1(z)，其余增益移

42、到系統(tǒng)模擬其余增益移到系統(tǒng)模擬部分完成并設(shè)置限幅。部分完成并設(shè)置限幅。 將大于將大于1的增益放到最的增益放到最后，并在該增益之前設(shè)置后，并在該增益之前設(shè)置數(shù)字限幅保護(hù)，防止輸入數(shù)字限幅保護(hù)，防止輸入信號較大時發(fā)生上溢。信號較大時發(fā)生上溢。圖圖7-27 數(shù)字控制系統(tǒng)控制器增益的分配數(shù)字控制系統(tǒng)控制器增益的分配北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社471212( )2(0.7)(0.8)231.12( )( )(0.9)(0.2)1 1.10.18U zzzzzD zE zzzzz試畫出實現(xiàn)該控制器的結(jié)構(gòu)編排圖。設(shè)實現(xiàn)控制律的主機采用試畫出實現(xiàn)該控制器的結(jié)構(gòu)編排圖。設(shè)實現(xiàn)控制律的主機采用定點小數(shù)的補碼來

43、表示數(shù)據(jù)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋壤蜃优渲茫瑢懗龆c小數(shù)的補碼來表示數(shù)據(jù)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋壤蜃优渲?，寫出對?yīng)算法的差分方程，給出相應(yīng)的算法實現(xiàn)流程圖。對應(yīng)算法的差分方程，給出相應(yīng)的算法實現(xiàn)流程圖。解：解：(1) 直接編排實現(xiàn)直接編排實現(xiàn)( )2 ( )3 (1) 1.12 (2)1.1 (1)0.18 (2)u ke ke ke ku ku k圖圖7-29 控制算法編排結(jié)構(gòu)圖控制算法編排結(jié)構(gòu)圖圖圖7-28 某控制器接口圖某控制器接口圖北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社48 考慮系數(shù)的情況考慮系數(shù)的情況 注意到：由于主機用定點小數(shù)的補碼來表示數(shù)據(jù)，大注意到：由于主機用定點小數(shù)的補碼來表示數(shù)據(jù)，大于于1的數(shù)據(jù)無

44、法在計算機內(nèi)表示出來。又必須保證每個的數(shù)據(jù)無法在計算機內(nèi)表示出來。又必須保證每個回路和支路的增益保持不變?；芈泛椭返脑鲆姹３植蛔儭?確定控制器中間變量的最大值，對整個環(huán)節(jié)進(jìn)行配置。確定控制器中間變量的最大值，對整個環(huán)節(jié)進(jìn)行配置。 考慮考慮A/D和和D/A的量程的量程選擇比例因子為選擇比例因子為22=4 3。 A/D的量程為的量程為10V， A/D的傳遞系數(shù)的傳遞系數(shù)KAD=1/10D/A的量程為的量程為5 V， D/A的傳遞系數(shù)的傳遞系數(shù)KDA=5為了不改變信號的傳遞關(guān)系，應(yīng)配置比例因子為了不改變信號的傳遞關(guān)系，應(yīng)配置比例因子1/(KAD*KDA)=2北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社49算法

45、算法I： 11( )0.25 ( )(1)u ke kx k121111,( )0.5( )2*( ),( )0.51,( )0.5 u ku ku ku ku k22221,( )0.125( )8*( ),( )0.1251,( )0.125 u ku ku ku ku k算法算法II：122( )0.375 ( )0.55( )(1) x ke ku kx k22( )0.14 ( )0.09( )x ke ku k圖圖7-30 整個環(huán)節(jié)配置比例因子后的直接編排實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖整個環(huán)節(jié)配置比例因子后的直接編排實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社50圖圖7-31 算法流程圖算法流程圖北京航

46、空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社517.1 硬件組成及輸入輸出接口硬件組成及輸入輸出接口7.2 系統(tǒng)測試信號的處理系統(tǒng)測試信號的處理7.3 計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計7.4 控制算法的編排實現(xiàn)控制算法的編排實現(xiàn)7.5 量化效應(yīng)分析量化效應(yīng)分析7.6 采樣頻率的選取采樣頻率的選取7.7 計算機控制系統(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù)計算機控制系統(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù)北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社52量化特性量化特性有限位有限位(n)二進(jìn)制所能表現(xiàn)的數(shù)據(jù)二進(jìn)制所能表現(xiàn)的數(shù)據(jù) 2n個等間隔數(shù)個等間隔數(shù)q稱為量化單位稱為量化單位用用q表示表示字長為字長為N1位作符號位位作符號位 1121

47、/2NNq一個任意值的真實數(shù)一個任意值的真實數(shù)x，只可以用，只可以用q的整倍數(shù)的整倍數(shù)xq來表示來表示qxL q即有即有qxx量化誤差量化誤差常用的量化方法常用的量化方法(1) 舍入量化舍入量化將小于量化單位的尾數(shù)進(jìn)行四舍五入整量化。將小于量化單位的尾數(shù)進(jìn)行四舍五入整量化。 (2) 截尾量化截尾量化將小于量化單位的尾數(shù)全部截掉。將小于量化單位的尾數(shù)全部截掉。 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社53(1) 舍入量化舍入量化將小于量化單位的尾數(shù)進(jìn)行四舍五入整量化。將小于量化單位的尾數(shù)進(jìn)行四舍五入整量化。 (2) 截尾量化截尾量化將小于量化單位的尾數(shù)全部截掉。將小于量化單位的尾數(shù)全部截掉。截尾量化誤差

48、截尾量化誤差 舍入量化誤差舍入量化誤差 R/2/2RqqT0,00,0 TTqxqx0Tq對于原碼及反碼對于原碼及反碼 對補碼對補碼 圖圖7-34 兩種量化特性及量化誤差兩種量化特性及量化誤差北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社54(1) 舍入情況舍入情況(2) 截尾情況截尾情況 均值均值 方差方差 ()()RRRRREPd22()()()RRRRRRDPd2/22/2112qRRqqdq均值均值 方差方差 01()()2qTTTTTTTqEPddq22201()()()()212qTTTTTTTTqqDPddq/2/210qRRqdq兩種情況下的量化誤差的方差相同，均值卻不一樣兩種情況下的量化誤

49、差的方差相同，均值卻不一樣 圖圖7-35 量化誤差的概率分布密度函數(shù)量化誤差的概率分布密度函數(shù) 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社55溢出保護(hù)措施后的數(shù)據(jù)范圍溢出保護(hù)措施后的數(shù)據(jù)范圍圖圖7-36 二進(jìn)制數(shù)碼及其溢出特性二進(jìn)制數(shù)碼及其溢出特性 圖圖7-37 修改后的溢出特性修改后的溢出特性 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社56A/D的量化效應(yīng)的量化效應(yīng)（A/D字長的有限引起）字長的有限引起）控制器參數(shù)的量化效應(yīng)控制器參數(shù)的量化效應(yīng)（計算機字長有限引起）（計算機字長有限引起）控制規(guī)律計算中的量化效應(yīng)控制規(guī)律計算中的量化效應(yīng)（乘法除法運算、右移運算等）（乘法除法運算、右移運算等）D/A轉(zhuǎn)換的量化效應(yīng)轉(zhuǎn)

50、換的量化效應(yīng)（ D/A字長字長CPU字長）字長）圖圖7-38 計算機控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖計算機控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社571. 參數(shù)的量化誤差分析參數(shù)的量化誤差分析利用靈敏度分析法進(jìn)行利用靈敏度分析法進(jìn)行 1010121112()()()( )( )( )()()()mmmmnnnnb zb zbb zzzzzzN zD zP zza zazpzpzp(1, ) kakn( )D z研究研究的變化對的變化對極點的影響極點的影響 1112( )()()()nnnnP zza zazpzpzp極點多項式極點多項式 kakkaajp jjpp(,)0jkP p a(,)

51、0 jjkkP pp aa泰勒級數(shù)展開泰勒級數(shù)展開 (,)(,)jjjjkkjkzpjzpkkPPP pp aaP p apaza高次項高次項=0 01()()jjnzpjizpiijPzpzpzz1()njiiijpp11()()()()jjnnjizpijzpiiijijzpzpzpzpzz()jjnn kn kzpknzpjkkPza zapaa011() n kjjnkjiiijppapp靈敏度公式靈敏度公式 0北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社58(1) 靈敏度與靈敏度與 成正比成正比(2) 靈敏度與各極點之間距離成反比靈敏度與各極點之間距離成反比(3) 靈敏度與采樣周期靈敏度與采樣周

52、期T有關(guān)有關(guān)1() n kjjnkjiiijppapp靈敏度公式靈敏度公式 n kjpk越大越大,a ak k對根的影響也越大對根的影響也越大 ak對根的影響最大對根的影響最大當(dāng)極點越接近單位圓，則它受當(dāng)極點越接近單位圓，則它受ak的影響就越大。的影響就越大。 連續(xù)控制器極點連續(xù)控制器極點s1=-5離散控制器極點離散控制器極點11s TzeT=10.10.001z1=0.00670.60650.995結(jié)論：結(jié)論：T越小越小離散極點越靠近離散極點越靠近1參數(shù)量化影響更嚴(yán)重參數(shù)量化影響更嚴(yán)重( )()njP zzP()() jjnnzpjjjzpjPpzpppz() nn kjjkppa若控制器有

53、重極點，設(shè)若控制器有重極點，設(shè)靈敏度隨重極點階數(shù)的增高而增高靈敏度隨重極點階數(shù)的增高而增高 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社59直接型結(jié)構(gòu)實現(xiàn)時，試求系數(shù)直接型結(jié)構(gòu)實現(xiàn)時，試求系數(shù)a3變化多大，將使變化多大，將使D(z)有一極點處于有一極點處于單位圓上。用串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)時又如何？單位圓上。用串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)時又如何？332( )( )( )(0.99)2.972.94030.970299N zN zD zzzzz解：若有一極點處于單位圓上，則解：若有一極點處于單位圓上，則1 0.990.01 jp333()0.010.000001 jap3 3(0.99)1n kjp() nn kjjk

54、ppa重極點靈敏度公式重極點靈敏度公式即即a3減少減少0.000001時，會有一極點位于單位圓上時，會有一極點位于單位圓上a3必須小于必須小于0.000001為防止這種情況出現(xiàn)為防止這種情況出現(xiàn)用定點數(shù)表示時，用定點數(shù)表示時，至少需要至少需要20位字長位字長1/2-19=0.00000191/2-20=0.00000095采用串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)時，環(huán)節(jié)系數(shù)為環(huán)節(jié)的極點。采用串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)時，環(huán)節(jié)系數(shù)為環(huán)節(jié)的極點。故故 系數(shù)誤差系數(shù)誤差就可以避免極點跑到單位圓上就可以避免極點跑到單位圓上. 用定點數(shù)表示時，只需用定點數(shù)表示時，只需7位字長即可。位字長即可。1 0.990.01 jp在實現(xiàn)高階

55、控制器時，最好避免采用直接型結(jié)構(gòu)。在實現(xiàn)高階控制器時，最好避免采用直接型結(jié)構(gòu)。 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社60(1) 變量量化誤差的確定性分析變量量化誤差的確定性分析 變量量化誤差可視為外界的干擾變量量化誤差可視為外界的干擾e(k)作用到線性系統(tǒng)上，從而可以利用線作用到線性系統(tǒng)上，從而可以利用線性系統(tǒng)的各種分析方法。性系統(tǒng)的各種分析方法?？醋鞔_定看作確定性干擾性干擾 量化誤差的確定性分析中常假設(shè)量化誤差的確定性分析中常假設(shè): 量化誤差源為確定性常數(shù)，取其最大值量化誤差源為確定性常數(shù)，取其最大值 各支路量化誤差源對輸出的影響是線性疊加；各支路量化誤差源對輸出的影響是線性疊加； 各條支路量化

56、誤差源對輸出的影響只考慮其穩(wěn)態(tài)值。各條支路量化誤差源對輸出的影響只考慮其穩(wěn)態(tài)值。max截尾量化誤差變化范圍截尾量化誤差變化范圍截尾量化誤差截尾量化誤差舍入量化誤差變化范圍舍入量化誤差變化范圍舍入量化誤差舍入量化誤差/2 /2qq0 qmax/2qaxq圖圖7-39 乘法量化誤差的線性處理乘法量化誤差的線性處理北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社61(2) 量化的傳播量化的傳播 確定性量化誤差通過一個環(huán)節(jié)確定性量化誤差通過一個環(huán)節(jié)D(z)之后，得到環(huán)節(jié)輸出的最大量化誤之后，得到環(huán)節(jié)輸出的最大量化誤差值為差值為舍入量化誤差舍入量化誤差max/2q1lim( )zuD z（終值定理）（終值定理） 例例7

57、-6 11( )1aTaTzD zzeez求輸出的量化誤差（乘積按舍入處理）求輸出的量化誤差（乘積按舍入處理）aTe解：令解：令 11( )1D zz乘積舍入乘積舍入 12 1qu結(jié)論：結(jié)論：(1) 環(huán)節(jié)的極點對量化誤差起放大作用環(huán)節(jié)的極點對量化誤差起放大作用(2)T 1，量化噪聲，量化噪聲圖圖7-40 量化誤差量化誤差環(huán)節(jié)傳播結(jié)構(gòu)圖環(huán)節(jié)傳播結(jié)構(gòu)圖北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社62量化效應(yīng)的本質(zhì)是如圖量化效應(yīng)的本質(zhì)是如圖7-34所示的非線性特性。所示的非線性特性。1( )1( )( )1U zD zR zaz(1)( )(1)u kau kr k0.9,a (0)10uq已知已知，輸入為零。

58、，輸入為零。1乘積采用乘積采用舍入舍入量化處理量化處理 k ( )5u kq當(dāng)當(dāng) 時，環(huán)節(jié)輸出時，環(huán)節(jié)輸出死區(qū)死區(qū)2乘積采用乘積采用截尾截尾量化處理量化處理 k ( )0u k 當(dāng)當(dāng) 時，環(huán)節(jié)輸出時，環(huán)節(jié)輸出理想穩(wěn)態(tài)值理想穩(wěn)態(tài)值初值初值(0)10uq初值初值k ( )5u kq 當(dāng)當(dāng) 時，環(huán)節(jié)輸出時，環(huán)節(jié)輸出極限環(huán)極限環(huán)k ( )9u k 當(dāng)當(dāng) 時，環(huán)節(jié)輸出時，環(huán)節(jié)輸出負(fù)死帶負(fù)死帶(0)10uq 初值初值0.9,a (0)10uq0.9,a 0.9,a (0)10uq初值初值0.9,a 圖圖7-41 一階環(huán)節(jié)一階環(huán)節(jié) 的結(jié)構(gòu)圖的結(jié)構(gòu)圖11/(1)az北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社63 輸出存

59、在死區(qū)和極限環(huán)的本質(zhì)原因，輸出存在死區(qū)和極限環(huán)的本質(zhì)原因，是因為乘積尾數(shù)量化的非線性效應(yīng)。是因為乘積尾數(shù)量化的非線性效應(yīng)。 (1)( )(1)u kau kr k環(huán)節(jié)輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，有環(huán)節(jié)輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，有 |( )( )|/2Q au ka u kq |( )| ( )|/2Q au ka u kq|( )| | ( )|Q au ku k| ( )| ( )|/2u ka u kq/2( )1 |qu ka產(chǎn)生死區(qū)或極限環(huán)產(chǎn)生死區(qū)或極限環(huán) ( )/()D sbsb設(shè)設(shè)采用采用Tustin 變換變換 211(1)/(2)( )( )1/21/2zsT zbT zbTD zD sbTzbTa/

60、211/2| ( )|()1/22 211/2qqqu kbTbTbTbT低頻環(huán)節(jié)采用高采樣頻率，低頻環(huán)節(jié)采用高采樣頻率，將導(dǎo)致死帶幅值的增大。將導(dǎo)致死帶幅值的增大。 結(jié)論：為了避免量化非線性引起的控制器或系統(tǒng)的死區(qū)和極限環(huán)，結(jié)論：為了避免量化非線性引起的控制器或系統(tǒng)的死區(qū)和極限環(huán)，在進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)盡量使控制器或閉環(huán)系統(tǒng)的極點遠(yuǎn)離單位圓。在進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)盡量使控制器或閉環(huán)系統(tǒng)的極點遠(yuǎn)離單位圓。 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社64變換的特點：在小采樣周期下，變換的特點：在小采樣周期下，離散模型近似于原連離散模型近似于原連續(xù)模型，克服了續(xù)模型，克服了z變換的不足；在數(shù)字算法實現(xiàn)時有更好變換的