《計算機控制技術(shù)》課件

開課目的和任務(wù)工業(yè)控制是計算機的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，計算機控制正是為了適應(yīng)這一領(lǐng)域的需要而發(fā)展起來的一門專業(yè)技術(shù)。它主要研究如何將計算機技術(shù)和自動控制理論應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程，并設(shè)計出所需要的計算機控制系統(tǒng)。目的在于使學(xué)生了解和掌握以微型機為核心組成的控制系統(tǒng)的硬件、軟件基礎(chǔ)知識和基本應(yīng)用技術(shù)?！队嬎銠C控制技術(shù)》開課目的和任務(wù)工業(yè)控制是計算機的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，計算機控制1課程總目錄緒論輸入輸出接口與過程通道數(shù)字控制技術(shù)計算機控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)常規(guī)及復(fù)雜控制技術(shù)現(xiàn)代控制技術(shù)應(yīng)用程序設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)《計算機控制技術(shù)》課程總目錄緒論《計算機控制技術(shù)》2課程總目標(biāo)學(xué)完本課程后，你應(yīng)具有以下能力：熟悉計算機控制系統(tǒng)的組成原則了解計算機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)掌握計算機控制系統(tǒng)設(shè)計的方法把握計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展方向靈活應(yīng)用計算機控制技術(shù)解決一些實際應(yīng)用問題《計算機控制技術(shù)》課程總目標(biāo)學(xué)完本課程后，你應(yīng)具有以下能力：《計算機控制技術(shù)》3課程安排理論教學(xué)26學(xué)時實驗單獨設(shè)課，6學(xué)時，共3個實驗考核辦法平時成績：20%期末考試成績：80%《計算機控制技術(shù)》課程安排理論教學(xué)26學(xué)時考核辦法平時成績：20%《計算機控制4參考書目1.

《計算機控制系統(tǒng)》，李元春等編著，高等教育出版社2.

《計算機控制技術(shù)》，姜學(xué)軍編著，清華大學(xué)出版社3.《微型計算機控制技術(shù)》，潘新民等編著，電子工業(yè)出版社4.《計算機控制技術(shù)》，馮培悌編著，浙江大學(xué)出版社5.期刊－－工業(yè)控制機（技術(shù)性比較強）、測控技術(shù)、電氣自動化、自動化儀表、工業(yè)儀表與自動化裝置，化工自動化及儀表等等。《計算機控制技術(shù)》參考書目1.

《計算機控制系統(tǒng)》，李元春等編著，高等教育出5

第1章緒論

內(nèi)容提要計算機控制系統(tǒng)概述計算機控制系統(tǒng)的典型形式工業(yè)控制機的組成結(jié)構(gòu)及特點計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢《計算機控制技術(shù)》第1章緒論內(nèi)容提要《計算機控制技術(shù)》6本章要求、重難點基本要求：了解計算機控制系統(tǒng)及其基本組成。教學(xué)重點：計算機控制系統(tǒng)的典型形式。教學(xué)難點：計算機控制系統(tǒng)的工作原理?！队嬎銠C控制技術(shù)》本章要求、重難點基本要求：了解計算機控制系統(tǒng)及其基本組成。《71.1計算機控制系統(tǒng)概述自動控制在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行?？刂破鞅豢貙ο蟊豢亓俊队嬎銠C控制技術(shù)》1.1計算機控制系統(tǒng)概述自動控制控制器被控對象被控量《計算8自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)自動控制系統(tǒng)的基本功能是進(jìn)行信號的傳遞、加工、比較和控制。這些功能是由檢測裝置、控制器和執(zhí)行機構(gòu)來完成的。其中控制器是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它決定了控制系統(tǒng)的控制性能和應(yīng)用范圍。給定量+控制器執(zhí)行機構(gòu)被控對象被控量檢測裝置-《計算機控制技術(shù)》自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)自動控制系統(tǒng)的基本功能是進(jìn)行信號的傳遞、加91.1.1計算機控制系統(tǒng)及其組成1.計算機控制系統(tǒng)（1）計算機控制系統(tǒng)的工作原理給定量+控制器eD/Au執(zhí)行機構(gòu)被控對象被控量y測量變送A/D-工控機被控對象《計算機控制技術(shù)》1.1.1計算機控制系統(tǒng)及其組成1.計算機控制系統(tǒng)給定量10工作原理

實時數(shù)據(jù)采集：實時控制決策：實時控制輸出：對來自測量變送裝置的被控變量的瞬時值進(jìn)行檢測和輸入。對采集到的被控變量進(jìn)行分析和處理，并按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。根據(jù)控制決策，適時地對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)?！队嬎銠C控制技術(shù)》工作原理實時數(shù)據(jù)采集：對來自測量變送裝置的被控變量的瞬時值11（2）在線方式和離線方式★在線方式或聯(lián)機方式：生產(chǎn)過程和計算機直接連接，并受計算機控制的方式?！镫x線方式或脫機方式：生產(chǎn)過程不和計算機相連，且不受計算機控制，而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式。（3）實時的含義★實時：是指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范圍內(nèi)完成。而且這個時間范圍的大小跟被控對象聯(lián)系非常的緊密！★實時控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。《計算機控制技術(shù)》（2）在線方式和離線方式《計算機控制技術(shù)》121.1.2.

計算機控制系統(tǒng)的組成硬件部分：主機、接口電路、過程輸入/輸出通道、外部設(shè)備、操作臺《計算機控制技術(shù)》1.1.2.計算機控制系統(tǒng)的組成硬件部分：主機、接口電路、13★主機中央處理器（CPU）內(nèi)存儲器(RAM和ROM)★接口電路:

主機與外部設(shè)備、輸入輸出通道進(jìn)行信息交換的橋梁★過程輸入/輸出通道模擬量輸入通道模擬量輸出通道開關(guān)量輸入通道開關(guān)量輸出通道★外部設(shè)備★操作臺輸入設(shè)備輸出設(shè)備外存儲器（CRT）顯示器或(LED)數(shù)碼顯示器鍵盤（功能鍵和數(shù)字鍵）《計算機控制技術(shù)》★主機中央處理器（CPU）★接口電路:主機與外部設(shè)備、輸14軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)語言加工系統(tǒng)診斷系統(tǒng)控制程序數(shù)據(jù)采集及處理程序巡回檢測程序數(shù)據(jù)管理程序編輯程序編譯程序連接、裝配程序調(diào)試程序子程序庫軟件部分：數(shù)據(jù)可靠性檢查程序A／D轉(zhuǎn)換及采樣程序數(shù)字濾波程序線性化處理程序

數(shù)據(jù)采集程序越限報警程序事故預(yù)告程序畫面顯示程序《計算機控制技術(shù)》軟件系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)控制程序編輯程序軟件部分：數(shù)據(jù)可靠性檢查151.1.3.

常用的計算機控制系統(tǒng)主機1)可編程控制器2)工控機3)嵌入式系統(tǒng)

(1)嵌入式微處理器ARM(2)嵌入式微控制器單片機

(3)嵌入式DSP處理器

(4)嵌入式片上系統(tǒng)SoC4)智能調(diào)節(jié)器《計算機控制技術(shù)》1.1.3.常用的計算機控制系統(tǒng)主機1)可編程控制器《計算161.1.4.

計算機控制系統(tǒng)的特點

計算機控制系統(tǒng)同連續(xù)控制系統(tǒng)相比，具有以下特點：1）連續(xù)控制系統(tǒng)中，各處信號是模擬信號；計算機控制系統(tǒng)是含有模擬信號和數(shù)字信號的混合系統(tǒng)。2）連續(xù)控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律由模擬電路實現(xiàn)。計算機控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律由計算機通過程序?qū)崿F(xiàn)，具有很大的靈活性和適應(yīng)性。3）計算機控制系統(tǒng)具有豐富的指令系統(tǒng)和很強的邏輯判斷功能，能實現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律。《計算機控制技術(shù)》1.1.4.計算機控制系統(tǒng)的特點計算機控制系統(tǒng)同連續(xù)174）連續(xù)控制系統(tǒng)中，給定值與反饋值的比較是連續(xù)進(jìn)行的，控制器對產(chǎn)生的偏差也是連續(xù)調(diào)節(jié)的。計算機控制系統(tǒng)不是連續(xù)控制的，而是離散控制的。5）連續(xù)控制系統(tǒng)中，一般是一個控制器控制一個回路。計算機控制系統(tǒng)中，一個控制器分時控制多個回路。6）采用計算機控制系統(tǒng)，如分級計算機控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等，便于實現(xiàn)控制與管理的一體化，是工業(yè)企業(yè)的自動化程度進(jìn)一步提高。《計算機控制技術(shù)》4）連續(xù)控制系統(tǒng)中，給定值與反饋值的比較是連續(xù)進(jìn)行的，控制器181.2計算機控制系統(tǒng)的典型形式

1．操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活和安全。缺點：要由人工操作，速度受到限制，不能控制多個對象。《計算機控制技術(shù)》1.2計算機控制系統(tǒng)的典型形式優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活和安19

2．直接數(shù)字控制系統(tǒng)

（DirectDigitalControl—DDC）★要求：實時性好、可靠性高和適應(yīng)性強★一臺計算機通常要控制幾個或幾十個回路輸入通道(AI.DI）輸出通道(AO.DO)打印機報警操作臺CRT計算機生產(chǎn)過程《計算機控制技術(shù)》2．直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DirectDigitalCo20

3．監(jiān)督控制系統(tǒng)（SupervisoryComputerControl—SCC）DDC計算機生產(chǎn)過程SSC計算機記錄顯示打印調(diào)節(jié)測量設(shè)定值(b)工藝數(shù)據(jù)模擬調(diào)節(jié)器生產(chǎn)過程SSC計算機記錄顯示打印調(diào)節(jié)測量設(shè)定值(a)工藝數(shù)據(jù)《計算機控制技術(shù)》3．監(jiān)督控制系統(tǒng)（SupervisoryComputer214．集散型控制系統(tǒng)

（DistributedControlSystem－DCS）《計算機控制技術(shù)》4．集散型控制系統(tǒng)（DistributedControl225．現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem—FCS）《計算機控制技術(shù)》5．現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSy236.綜合自動化系統(tǒng)

由企業(yè)資源信息管理系統(tǒng)ERP（EnterpriseResourcesPlanning）、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES（ManufacturingExecutionSystem）和生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)PCS（ProcessControlSystem）構(gòu)成的三層結(jié)構(gòu)，已成為綜合自動化系統(tǒng)的整體解決方案。

綜合自動化系統(tǒng)主要包括制造業(yè)的計算機集成制造系統(tǒng)和流程工業(yè)的計算機集成過程系統(tǒng)。計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS-ComputerIntegratedManufactureSystem)

計算機集成過程系統(tǒng)（CIPS-ComputerIntegratedProcessSystem）《計算機控制技術(shù)》6.綜合自動化系統(tǒng)

由企業(yè)資源信息管理系統(tǒng)ERP（Ente24(1)程序和順序控制(2)比例積分微分控制(PID控制)(3)最小拍控制(4)復(fù)雜規(guī)律的控制(5)智能控制二.按照控制規(guī)律分類《計算機控制技術(shù)》(1)程序和順序控制二.按照控制規(guī)律分類《計算機控制技術(shù)》25(1)程序和順序控制定義：程序控制是被控制量按照一定的、預(yù)先規(guī)定的時間函數(shù)變化，被控制量是時間函數(shù)的變化。順序控制是程序控制的擴(kuò)展，在各個時期所給出設(shè)定值可以是不同的物理量，而且每次設(shè)定值的給出，不僅取決于時間，還取決于對以前的控制結(jié)果的邏輯判斷?！队嬎銠C控制技術(shù)》(1)程序和順序控制定義：程序控制是被控制量按照一定的、預(yù)26(2)比例積分微分控制(PID控制)定義：調(diào)節(jié)器的輸出是調(diào)節(jié)器輸入的比例、積分和微分的函數(shù)。PID控制是現(xiàn)在應(yīng)用最廣、最為廣大工程技術(shù)人員熟悉的技術(shù)。PID控制結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)容易調(diào)整，因此，無論模擬調(diào)節(jié)器或者數(shù)字調(diào)節(jié)器，多數(shù)使用PID調(diào)節(jié)規(guī)律。這同樣是我們學(xué)習(xí)的一個重點內(nèi)容?！队嬎銠C控制技術(shù)》(2)比例積分微分控制(PID控制)定義：調(diào)節(jié)器的輸出是調(diào)節(jié)27(3)最小拍控制最小拍控制的性能指標(biāo)是要求設(shè)計的系統(tǒng)在盡可能短的時間內(nèi)完成調(diào)節(jié)過程。最小拍控制通常用在數(shù)字隨動系統(tǒng)的設(shè)計中。最小拍控制是我們本書內(nèi)容的重點和難點，是直接離散控制系統(tǒng)設(shè)計！《計算機控制技術(shù)》(3)最小拍控制最小拍控制的性能指標(biāo)是要求設(shè)計的系統(tǒng)在盡可能28(4)復(fù)雜規(guī)律的控制在PID控制的基礎(chǔ)上，引進(jìn)了各種復(fù)雜規(guī)律的控制，比如串級控制、前饋控制、純滯后補償、解耦控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等，組成復(fù)雜控制系統(tǒng)。目的：是為了解決隨機擾動問題，使系統(tǒng)控制達(dá)到滿意的性能指標(biāo)?！队嬎銠C控制技術(shù)》(4)復(fù)雜規(guī)律的控制在PID控制的基礎(chǔ)上，引進(jìn)了各種復(fù)雜規(guī)29(5)智能控制

智能控制把先進(jìn)的方法學(xué)理論與解決當(dāng)前技術(shù)問題所需要的系統(tǒng)理論結(jié)合起來的學(xué)科?？梢钥闯扇齻€主要理論領(lǐng)域的交叉或會合，即：人工智能運籌學(xué)控制理論《計算機控制技術(shù)》(5)智能控制智能控制把先進(jìn)的方法學(xué)301.3工業(yè)控制機的組成結(jié)構(gòu)及特點1.工業(yè)控制機的硬件組成

主機板、內(nèi)部總線和外部總線、人-機接口、系統(tǒng)支持功能（監(jiān)控定時器、電源掉電檢測、保護(hù)重要數(shù)據(jù)的后備存儲器體、實時日歷時鐘）、磁盤系統(tǒng)、通信接口、輸入輸出通道。2.工業(yè)控制機的軟件組成系統(tǒng)軟件、支持軟件、應(yīng)用軟件。1.3.1工業(yè)控制機的組成《計算機控制技術(shù)》1.3工業(yè)控制機的組成結(jié)構(gòu)及特點1.工業(yè)控制機的硬件組成311.3.2工業(yè)控制機的總線結(jié)構(gòu)

總線：就是一組信號線的集合，它定義了各引線的信號、電氣、機械特性，使計算機內(nèi)部各組成部分之間以及不同的計算機之間建立信號聯(lián)系，進(jìn)行信息傳送和通信。1.內(nèi)部總線

內(nèi)部總線：就是計算機內(nèi)部功能模板之間進(jìn)行通信的總線，它是構(gòu)成完整的計算機系統(tǒng)的內(nèi)部信息樞紐。按功能可以分為數(shù)據(jù)總線(DB)、地址總線(AB)、控制總線(CB)和電源總線(PB)四部分。《計算機控制技術(shù)》1.3.2工業(yè)控制機的總線結(jié)構(gòu)總線：就是一組信號線的集32ISA(AT)總線：對XT總線的擴(kuò)充，98線，16位，尋址空間16MB，數(shù)據(jù)傳輸率16Mbps。PCI總線：在CPU和外設(shè)間插入?yún)f(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓芾韺?，提供一致的總線接口，形成了開放的局部總線標(biāo)準(zhǔn)，而不依賴于CPU芯片。工作頻率33MHz，PCI總線的數(shù)據(jù)寬度為32位和64兩種，數(shù)據(jù)傳輸率分別為133Mbps和266Mbps，PCIExpress數(shù)據(jù)傳輸率可以達(dá)到8Gbps。1.內(nèi)部總線《計算機控制技術(shù)》ISA(AT)總線：對XT總線的擴(kuò)充，98線，16位，尋33外部總線：計算機與計算機之間或計算機與其它智能設(shè)備之間進(jìn)行通信的連線。。1）RS-232C串行通信總線2）USB串行總線?具有熱插拔功能?采用“級聯(lián)”方式連接各個外部設(shè)備?適用于低速外設(shè)連接2.外部總線《計算機控制技術(shù)》外部總線：計算機與計算機之間或計算機與其它智能設(shè)備之間進(jìn)行通34?可靠性高和可維修性好?環(huán)境適應(yīng)性強?控制實時性好?完善的輸入輸出通道?豐富的軟件?適當(dāng)?shù)挠嬎憔群瓦\算速度1.3.3工業(yè)控制機的特點《計算機控制技術(shù)》?可靠性高和可維修性好1.3.3工業(yè)控制機的特點《計算機351946年世界上第一臺電子計算機ENICA問世

1．計算機控制技術(shù)的發(fā)展過程

?開創(chuàng)時期（1955～1962年）

?直接數(shù)字控制時期（1962～1967年）

?小型計算機時期（1967～1972年）

?微型計算機時期（1972年～至今）

1.4計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢1.4.1計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況《計算機控制技術(shù)》1946年世界上第一臺電子計算機ENICA問世1.4計算機36軟件的發(fā)展：

50年代至70年代軟件發(fā)展緩慢

70年代末至今已采用各種高級語言進(jìn)行實時控制2．計算機控制理論的發(fā)展過程

?采樣定理

?差分方程

《計算機控制技術(shù)》軟件的發(fā)展：《計算機控制技術(shù)》37

?Z變換法

?

狀態(tài)空間理論?最優(yōu)控制與隨機控制?代數(shù)系統(tǒng)理論?系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制?先進(jìn)控制技術(shù)《計算機控制技術(shù)》?Z變換法?狀態(tài)空間理論《計算38

1．推廣應(yīng)用成熟的先進(jìn)技術(shù)

?普及應(yīng)用可編程序控制器（PLC）

?廣泛使用智能調(diào)節(jié)器

?采用新型的DCS和FCS2．大力研究和發(fā)展先進(jìn)控制技術(shù)?分級遞階智能控制系統(tǒng)?模糊控制系統(tǒng)?專家控制系統(tǒng)?學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)?神經(jīng)控制系統(tǒng)

1.4.2計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢《計算機控制技術(shù)》1．推廣應(yīng)用成熟的先進(jìn)技術(shù)1.4.2計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展393.計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

?控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化

?控制系統(tǒng)的扁平化

?控制系統(tǒng)的智能化

?控制系統(tǒng)的綜合化

《計算機控制技術(shù)》3.計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢《計算機控制技術(shù)》401.5計算機控制系統(tǒng)的研究內(nèi)容和對系統(tǒng)的基本要求一.研究內(nèi)容

1.系統(tǒng)建模：自動控制系統(tǒng)研究的基本內(nèi)容是對控制系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，簡稱系統(tǒng)建模。數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，對連續(xù)系統(tǒng)為微分方程，對離散系統(tǒng)為差分方程，在現(xiàn)代控制理論中，要建立狀態(tài)方程。建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的方法有分析方法和實驗方法。分析法是根據(jù)物理和化學(xué)定律，建立系統(tǒng)的動態(tài)方程。實驗法是用系統(tǒng)辨識方法，即對系統(tǒng)加入已知信號，記錄系統(tǒng)的輸出，然后用數(shù)學(xué)模型近似，從而得到系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（著名的“黑箱”建模方法）?！队嬎銠C控制技術(shù)》1.5計算機控制系統(tǒng)的研究內(nèi)容和對系統(tǒng)的基本要求一.研究內(nèi)412.系統(tǒng)分析：系統(tǒng)分析是在系統(tǒng)給定的情況下，研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)性能指標(biāo)和穩(wěn)態(tài)誤差的問題，并且討論系統(tǒng)的性能指標(biāo)與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。一般采用時域分析和頻域分析兩種方法。3.系統(tǒng)設(shè)計：建立一個能夠完成設(shè)定的控制任務(wù)，滿足一定的控制要求的系統(tǒng)。系統(tǒng)控制器的設(shè)計稱為校正?？刂破饕卜Q為校正裝置。所謂校正指在系統(tǒng)中加入一些可調(diào)的裝置（機構(gòu)），使系統(tǒng)的性能指標(biāo)發(fā)生變化，滿足設(shè)計的要求。通常講的控制系統(tǒng)設(shè)計，是指控制器（校正裝置）設(shè)計?！队嬎銠C控制技術(shù)》2.系統(tǒng)分析：系統(tǒng)分析是在系統(tǒng)給定的情況下，研究系統(tǒng)的穩(wěn)42二.對計算機控制系統(tǒng)的基本要求1.系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的。

穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，是當(dāng)被控變量偏離期望時，其偏差隨時間的增長逐漸減小或趨于零。穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作必須的條件。2.動態(tài)過程必須滿足動態(tài)性能指標(biāo)的要求

調(diào)節(jié)時間，超調(diào)量，震蕩次數(shù)等3.系統(tǒng)必須滿足穩(wěn)態(tài)誤差的要求

穩(wěn)態(tài)誤差就是穩(wěn)態(tài)值與期望值之間存在的誤差。由于外界結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等因素的影響，不可能完全避免。但是一定要滿足被控對象的要求?！队嬎銠C控制技術(shù)》二.對計算機控制系統(tǒng)的基本要求1.系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的?！队嬎銠C43本章結(jié)束謝謝大家《計算機控制技術(shù)》本章結(jié)束《計算機控制技術(shù)》44輸入輸出接口與過程通道第二章《計算機控制技術(shù)》輸入輸出接口與過程通道第二章《計算機控制技術(shù)》45基本概念

輸入輸出接口——簡稱“接口”輸入輸出接口技術(shù)——研究微處理器和外部設(shè)備之間信息交換的技術(shù)。接口電路：是主機和外圍設(shè)備之間交換信息的連接部件。使主機和外設(shè)能夠協(xié)調(diào)工作，有效地完成信息交換。通道：也稱為過程通道。它是計算機和控制對象之間信息傳送和變換的連接通道?！队嬎銠C控制技術(shù)》基本概念輸入輸出接口——簡稱“接口”《計算機控制技術(shù)》46

通常有三類信息：CPU外部設(shè)備數(shù)據(jù)狀態(tài)控制數(shù)據(jù)信息數(shù)字量模擬量開關(guān)量狀態(tài)信息控制信息過程通道與CPU交換信息的種類《計算機控制技術(shù)》CPU外部設(shè)備數(shù)據(jù)狀態(tài)控制數(shù)據(jù)信息數(shù)字量狀態(tài)信息控制信息過程47內(nèi)容提要2.1總線擴(kuò)展技術(shù)2.2數(shù)字量輸入輸出接口與過程通道2.3模擬量輸入接口與過程通道2.4模擬量輸出接口與過程通道2.5硬件抗干擾技術(shù)《計算機控制技術(shù)》內(nèi)容提要2.1總線擴(kuò)展技術(shù)《計算機控制技術(shù)》48本章重難點基本要求：掌握輸入輸出接口及過程通道的設(shè)計方法。教學(xué)重點：輸入輸出接口與過程通道的硬件和軟件的設(shè)計。教學(xué)難點：硬件抗干擾技術(shù)?！队嬎銠C控制技術(shù)》本章重難點基本要求：掌握輸入輸出接口及過程通道的設(shè)計方法。《49本章學(xué)習(xí)目的:解決微型計算機和外部的連接問題，使計算機和外部構(gòu)成一個整體，能正確、可靠、高效率的交換信息，這是設(shè)計一個微機控制系統(tǒng)必須解決的基本問題?！队嬎銠C控制技術(shù)》本章學(xué)習(xí)目的:解決微型計算機和外部的連接問題，使計算機和502.2.1數(shù)字量輸入輸出接口技術(shù)1.

數(shù)字量輸入接口三態(tài)門緩沖器74LS244MOVDX,portINAL,DX

2.2

數(shù)字量輸入輸出通道與過程通道圖2.1數(shù)字量輸入接口《計算機控制技術(shù)》2.2.1數(shù)字量輸入輸出接口技術(shù)1.數(shù)字量輸入接口2.2512.

數(shù)字量輸出接口鎖存器74LS273MOVAL,DATAMOVDX,portOUTDX,DL

圖2.2數(shù)字量輸出接口《計算機控制技術(shù)》2.數(shù)字量輸出接口鎖存器74LS273圖2.2數(shù)字量輸出522.1.2

數(shù)字量輸入通道1.

數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)輸入調(diào)理電路輸入緩沖器地址譯碼器PC總線生產(chǎn)過程圖2.3數(shù)字量輸入通道結(jié)構(gòu)《計算機控制技術(shù)》2.1.2數(shù)字量輸入通道1.數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)輸入532.

輸入調(diào)理電路

把現(xiàn)場信號經(jīng)轉(zhuǎn)換、保護(hù)、濾波、隔離轉(zhuǎn)換成計算機能夠接收的邏輯信號。（1）小功率輸入調(diào)理電路圖2.4小功率輸入調(diào)理電路《計算機控制技術(shù)》2.輸入調(diào)理電路把現(xiàn)場信號經(jīng)轉(zhuǎn)換、保護(hù)、濾波、54（2）大功率輸入調(diào)理電路用光電耦合器進(jìn)行隔離圖2.5大功率輸入調(diào)理電路《計算機控制技術(shù)》（2）大功率輸入調(diào)理電路用光電耦合器進(jìn)行隔離圖2.5大功率552.1.2

數(shù)字量輸出通道1.

數(shù)字量輸出通道的結(jié)構(gòu)圖2.6數(shù)字量輸出通道結(jié)構(gòu)框圖輸出驅(qū)動器輸出鎖存器地址譯碼器生產(chǎn)過程PC總線《計算機控制技術(shù)》2.1.2數(shù)字量輸出通道1.數(shù)字量輸出通道的結(jié)構(gòu)圖2.6562.

輸出驅(qū)動電路（1）小功率直流驅(qū)動電路①功率晶體管輸出驅(qū)動繼電器電路②達(dá)林頓陣列輸出驅(qū)動繼電器電路《計算機控制技術(shù)》2.輸出驅(qū)動電路（1）小功率直流驅(qū)動電路《計算機控制技術(shù)》57繼電器輸出驅(qū)動電路電磁繼電器主要由線圈、鐵心、銜鐵和觸點等部件組成，簡稱為繼電器，它分為電壓繼電器、電流繼電器、中間繼電器等幾種類型。繼電器方式的開關(guān)量輸出是一種最常用的輸出方式，通過弱電控制外界交流或直流的高電壓、大電流設(shè)備?！队嬎銠C控制技術(shù)》繼電器輸出驅(qū)動電路電磁繼電器主要由線圈、鐵心、銜鐵和觸點等部58（2）大功率交流驅(qū)動電路固態(tài)繼電器(solidstaterelay)是一種既有放大作用，又有隔離作用，很適合于驅(qū)動大功率開關(guān)式執(zhí)行器件。SSR是一種四端有源器件，其中的兩端為輸入端，另外兩端是輸出端，內(nèi)部設(shè)有輸出保護(hù)電路?！队嬎銠C控制技術(shù)》（2）大功率交流驅(qū)動電路固態(tài)繼電器(solidstate59固態(tài)繼電器的結(jié)構(gòu)《計算機控制技術(shù)》固態(tài)繼電器的結(jié)構(gòu)《計算機控制技術(shù)》602.3模擬量輸入通道模擬量輸入通道的任務(wù)：把傳感器檢測并經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換的模擬電信號轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號，經(jīng)過接口送至計算機?！队嬎銠C控制技術(shù)》2.3模擬量輸入通道模擬量輸入通道的任務(wù)：《計算機控制技術(shù)612.3.1

模擬量輸入通道的組成圖2.17模擬量輸入通道的組成結(jié)構(gòu)《計算機控制技術(shù)》2.3.1模擬量輸入通道的組成圖2.17模擬量輸入通道的62模擬量輸入通道的組成信號調(diào)理與I/V變換多路轉(zhuǎn)換器采樣保持器采樣/保持器A/D轉(zhuǎn)換器《計算機控制技術(shù)》模擬量輸入通道的組成信號調(diào)理與I/V變換《計算機控制技術(shù)》632.3.2信號調(diào)理和I/V變換1.信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路主要通過非電量的轉(zhuǎn)換、信號的變換、放大、濾波、線性化、共模抑制及隔離等方法，將非電量和非標(biāo)準(zhǔn)的電信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號。信號調(diào)理電路是傳感器和A/D之間以及D/A和執(zhí)行機構(gòu)之間的橋梁，也是測控系統(tǒng)中重要的組成部分?！队嬎銠C控制技術(shù)》2.3.2信號調(diào)理和I/V變換1.信號調(diào)理電路《計算機控制64（1）非電信號的檢測-不平衡電橋《計算機控制技術(shù)》（1）非電信號的檢測-不平衡電橋《計算機控制技術(shù)》65放大器的任務(wù)是將模擬輸入小信號放大到A/D轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi)，如0-5VDC;對單純的微弱信號，可用一個運算放大器進(jìn)行單端同相放大或單端反相放大。若信號源的一端接放大器的負(fù)端為反相放大。當(dāng)然，這兩種電路都是單端放大，所以信號源的另一端是與放大器的另一個輸入端共地。（2）信號放大電路

《計算機控制技術(shù)》放大器的任務(wù)是將模擬輸入小信號放大到A/D轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi)661)基于ILC7650的前置放大電路《計算機控制技術(shù)》1)基于ILC7650的前置放大電路《計算機控制技術(shù)》672)AD526可編程儀用放大器

AD526是可通過軟件對增益進(jìn)行編程的單端輸入的儀用放大器，器件本身所提供的增益是xl、x2、x4、x8、x16等五擋。它是一個完整的包括放大器、電阻網(wǎng)絡(luò)和TTL數(shù)字邏輯電路的器件，使用時不需外加任何元件就可工作。

《計算機控制技術(shù)》2)AD526可編程儀用放大器《計算機控制682.I/V變換將變送器輸出的電流信號變換成適于A/D轉(zhuǎn)換器適用的電壓信號。

無源I/V變換

有源I/V變換《計算機控制技術(shù)》2.I/V變換將變送器輸出的電流信號變換成適于A/D轉(zhuǎn)換器692.3.3多路轉(zhuǎn)換器

多路轉(zhuǎn)換器又稱多路開關(guān)，是用來切換模擬電壓信號的關(guān)鍵元件。理想的多路轉(zhuǎn)換器其開路電阻為無窮大，其接通時的導(dǎo)通電阻為零。常用的多路開關(guān)有CD4051(或MC14051)，AD7501，LF13508等。《計算機控制技術(shù)》2.3.3多路轉(zhuǎn)換器多路轉(zhuǎn)換器又稱多路開關(guān)，是用70結(jié)構(gòu)原理（CD4051）《計算機控制技術(shù)》結(jié)構(gòu)原理（CD4051）《計算機控制技術(shù)》71CD4051的真值表《計算機控制技術(shù)》CD4051的真值表《計算機控制技術(shù)》722.3.4采樣、量化及常用的采樣保持器1.

信號的采樣

采樣過程：用采樣開關(guān)將模擬信號按一定時間間隔抽樣成離散模擬信號的過程。f(t)Kf*(t)T《計算機控制技術(shù)》2.3.4采樣、量化及常用的采樣保持器1.信號的采樣f(73香農(nóng)(Shannon)定理：如果隨時間變化的模擬信號的最高頻率為ωmax，只要按照采樣頻率ωS≥2ωmax進(jìn)行采樣，那么取出的樣品系列(f1*(t)，f2*(t)，…)就足以代表(或恢復(fù))f(t)。《計算機控制技術(shù)》香農(nóng)(Shannon)定理：如果隨時間變化的模擬信號的最高頻74ymax：轉(zhuǎn)換信號的最大值；ymin：轉(zhuǎn)換信號的最小值；n：轉(zhuǎn)換后二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。

量化單位為：2．量化量化：是用一組數(shù)碼(如二進(jìn)制碼)來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號?！队嬎銠C控制技術(shù)》ymax：轉(zhuǎn)換信號的最大值；ymin：轉(zhuǎn)換信號的最753.

采樣保持器

如果直接將模擬量送入A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，則應(yīng)考慮到任何一種A／D轉(zhuǎn)換器都需要用一定的時間來完成量化與編碼的操作。在轉(zhuǎn)換過程中，如果模擬量產(chǎn)生變化，將直接影響轉(zhuǎn)換精度。特別是在同步系統(tǒng)中，幾個并聯(lián)的參量需取自同一瞬時，而各參數(shù)的A／D轉(zhuǎn)換又共享一個芯片，所得到的幾個量就不是同一時刻的值，無法進(jìn)行計算和比較。所以要求輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量在整個轉(zhuǎn)換過程中保持不變，但轉(zhuǎn)換之后，又要求A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號能夠跟隨模擬量變化。能夠完成上述任務(wù)的器件叫做采樣——保持器(Sample/Hold),簡寫為S/H。

《計算機控制技術(shù)》3.采樣保持器如果直接將模擬量送入A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行76（1）孔徑時間和孔徑誤差的消除A/D轉(zhuǎn)換器完成一次完整的轉(zhuǎn)換過程所需的時間稱孔徑時間，對隨時間變化的模擬信號來說，轉(zhuǎn)換期間將引起轉(zhuǎn)換誤差，這個誤差叫做孔徑誤差。《計算機控制技術(shù)》（1）孔徑時間和孔徑誤差的消除A/D轉(zhuǎn)換器完成一次完整的轉(zhuǎn)換77設(shè)模擬信號為：它的微分為：最大變化率為：在信號與橫座標(biāo)交點處，信號變化率最大，可能引起最大的信號誤差，設(shè)孔徑時間為，這時最大誤差為：《計算機控制技術(shù)》設(shè)模擬信號為：它的微分為：最大變化率為：在信號與橫座標(biāo)交點處78

誤差的百分?jǐn)?shù)：由此可知，為了確保A/D轉(zhuǎn)換的精度，不得不限制信號的頻率范圍。為了提高模擬量輸入信號的頻率范圍，以適應(yīng)某些隨時間變化較快信號的要求，可采用帶有保持電路的采樣器，即采樣保持器。

《計算機控制技術(shù)》誤差的百分?jǐn)?shù)：《計算機控制技術(shù)》79（2）采樣保持原理

采樣保持器又叫做采樣保持放大器（SHA），它的原理如圖所示。它由采樣開關(guān)S、保持電容C和緩沖放大器組成。其工作原理如下：

S／H有兩種工作方式，一種是采樣方式，另一種是保持方式。

采樣保持器一旦進(jìn)入保持期，便應(yīng)立即啟動A/D轉(zhuǎn)換器，保證A/D轉(zhuǎn)換期間輸入恒定?！队嬎銠C控制技術(shù)》（2）采樣保持原理采樣保持器又叫做采樣保持放大器（S80（3）常用的采樣保持器常用的零階集成采樣保持器有AD582、LF198/298/398等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳如圖《計算機控制技術(shù)》（3）常用的采樣保持器常用的零階集成采樣保持器有AD582、812.3.5

A/D轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)常用的A／D轉(zhuǎn)換器有：計數(shù)器式雙積分式逐次逼近式《計算機控制技術(shù)》2.3.5A/D轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)常用的A／D轉(zhuǎn)換器有：計82A／D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)

分辯率是指能使轉(zhuǎn)換后數(shù)字量變化1的最小模擬輸入量。

n位二進(jìn)制數(shù)最低位具有的權(quán)值就是它的分辨率。2．量程

量程是指所能轉(zhuǎn)換的輸入電壓范圍。l．分辨率《計算機控制技術(shù)》A／D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)分辯率是指能使轉(zhuǎn)換后數(shù)字量833．轉(zhuǎn)換時間

轉(zhuǎn)換時間是指啟動A／D到轉(zhuǎn)換結(jié)束所需的時間。4．對基準(zhǔn)電源的要求

設(shè)計時應(yīng)該考慮外界精密基準(zhǔn)電源。5．線性誤差

在滿量程輸入范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差定義為線性誤差。

線性誤差常用LSB的分?jǐn)?shù)表示，如1/2LSB或1LSB?！队嬎銠C控制技術(shù)》3．轉(zhuǎn)換時間5．線性誤差《計算機控制技術(shù)》841.8位A／D轉(zhuǎn)換器ADC0809主要特點：分辨率8位；轉(zhuǎn)換時間100s；溫度范圍-40～+85℃；可使用單一的+5V電源；可直接與CPU連接；輸出帶鎖存器；邏輯電平與TTL兼容?！队嬎銠C控制技術(shù)》1.8位A／D轉(zhuǎn)換器ADC0809《計算機控制技術(shù)》85電路組成及引腳功能

ADC0809有28條引腳。OE《計算機控制技術(shù)》電路組成及引腳功能OE《計算機控制技術(shù)》862.12位A／D轉(zhuǎn)換器AD574

芯片特性：采用原理——逐次逼近式內(nèi)部結(jié)構(gòu)——三態(tài)緩沖器、時鐘脈沖源和基準(zhǔn)電源輸入電壓——單通道單極性或雙極性分辨率——12位轉(zhuǎn)換時間——25S

封裝形式——28腳雙列直插式《計算機控制技術(shù)》2.12位A／D轉(zhuǎn)換器AD574《計算機控制技術(shù)》87

芯片各引腳功能《計算機控制技術(shù)》芯片各引腳功能《計算機控制技術(shù)》88AD574真值表《計算機控制技術(shù)》AD574真值表《計算機控制技術(shù)》89AD574模擬量輸入電路外部連線

AD574可實現(xiàn)單極性輸入和雙極性輸入《計算機控制技術(shù)》AD574模擬量輸入電路外部連線《計算機控制技術(shù)》903.ADC574與PC總線工業(yè)控制機接口《計算機控制技術(shù)》3.ADC574與PC總線工業(yè)控制機接口《計算機控制技術(shù)》912.3.6模擬量輸入通道模板應(yīng)用舉例《計算機控制技術(shù)》2.3.6模擬量輸入通道模板應(yīng)用舉例《計算機控制技術(shù)》922.4模擬量輸出接口與過程通道模擬量輸出通道的作用：模擬量輸出通道是計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)控制輸出的關(guān)鍵，它的任務(wù)是將CPU輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號去驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，以達(dá)到控制的目的?！队嬎銠C控制技術(shù)》2.4模擬量輸出接口與過程通道模擬量輸出通道的作用：《計算93模擬量輸出通道的組成微型計算機D/A轉(zhuǎn)換接口電路功率放大V/I變換《計算機控制技術(shù)》模擬量輸出通道的組成微D/A接功V/I《計算機控制技術(shù)》942.4.1模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式輸出保持器的作用：在新的控制信號來到之前，使本次控制信號維持不變。輸出保持方案：數(shù)字量保持方案；模擬量保持方案。1.

一個通道設(shè)置一個數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的形式圖2.31一個通路一個D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)《計算機控制技術(shù)》2.4.1模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式輸出保持器的作用：在新的952.多個輸出通路共用一個D／A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式圖2.32共用D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)《計算機控制技術(shù)》2.多個輸出通路共用一個D／A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式圖2.32共962.4.2D/A轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)

D/A轉(zhuǎn)換器是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的元件或裝置。常用的D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率有8位、10位、12位等。主要技術(shù)指標(biāo)有分辨率、建立時間、線性誤差等。基本上與A/D轉(zhuǎn)換器的指標(biāo)相一致?！队嬎銠C控制技術(shù)》2.4.2D/A轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)D/A轉(zhuǎn)換器97D／A轉(zhuǎn)換器的工作原理1.

權(quán)電阻解碼型《計算機控制技術(shù)》D／A轉(zhuǎn)換器的工作原理1.權(quán)電阻解碼型《計算機控制技術(shù)》982.

R/2RT型《計算機控制技術(shù)》2.R/2RT型《計算機控制技術(shù)》99a)各順序節(jié)點都是等值的b)每一節(jié)點都有兩條通過2R電阻與地相連的支路c)二進(jìn)制電流分配器《計算機控制技術(shù)》a)各順序節(jié)點都是等值的b)每一節(jié)點都有兩條通過2R電1001.

8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832

外部結(jié)構(gòu)特征

采用20引腳、雙列直插式集成電路芯片。分辨率8位；電流穩(wěn)定時間1μs；電流輸出；與TTL電平兼容；功耗20mW?！队嬎銠C控制技術(shù)》1.8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832外部結(jié)構(gòu)特征《計算機1012.12位D／A轉(zhuǎn)換器DAC1210DAC1210的主要性能及特點DAC1210是雙列直插式24引腳集成電路芯片。★主要技術(shù)指標(biāo)：?輸入數(shù)字為12位二進(jìn)制數(shù)字；

?分辨率12位；

?電流建立時間1μs；

?供電電源+5～+15V(單電源供電)；

?基準(zhǔn)電壓VREF范圍-10～+10V?！队嬎銠C控制技術(shù)》2.12位D／A轉(zhuǎn)換器DAC1210《計算機控制技術(shù)》102DAC1210引腳說明圖2.30DAC1210內(nèi)部原理圖《計算機控制技術(shù)》DAC1210引腳說明圖2.30DAC1210內(nèi)部原理1032.4.3

單極性與雙極性電壓輸出電路《計算機控制技術(shù)》2.4.3單極性與雙極性電壓輸出電路《計算機控制技術(shù)》1042.4.4V/I變換1.

集成V/I轉(zhuǎn)換器ZF2B20圖2.35V/I轉(zhuǎn)換電路《計算機控制技術(shù)》2.4.4V/I變換1.集成V/I轉(zhuǎn)換器ZF2B20圖21052.

集成V/I轉(zhuǎn)換器AD694圖2.36AD694引腳圖《計算機控制技術(shù)》2.集成V/I轉(zhuǎn)換器AD694圖2.36AD694引106AD694引腳接線表表2.1AD694引腳接線表《計算機控制技術(shù)》AD694引腳接線表表2.1AD694引腳接線表《計算機107AD694的基本應(yīng)用圖2.37AD694的基本應(yīng)用《計算機控制技術(shù)》AD694的基本應(yīng)用圖2.37AD694的基本應(yīng)用《計算108與D/A轉(zhuǎn)換器的接口《計算機控制技術(shù)》與D/A轉(zhuǎn)換器的接口《計算機控制技術(shù)》1092.4.5模擬量輸出通道模板應(yīng)用舉例圖2-41PCL-726板卡組成框圖《計算機控制技術(shù)》2.4.5模擬量輸出通道模板應(yīng)用舉例圖2-41PCL-1101.寄存器格式2.D/A轉(zhuǎn)換程序流程D/A轉(zhuǎn)換程序流程如下（以通道1為例）：（1）選擇通道地址n=1（n=1～6）。（2）確定D/A高4位數(shù)據(jù)地址（基地址+00）。（3）置D/A高4位數(shù)據(jù)(D3～D0有效)。（4）確定D/A低8位數(shù)據(jù)地址（基地址+01）。（5）置D/A低8位數(shù)據(jù)并啟動轉(zhuǎn)換。《計算機控制技術(shù)》1.寄存器格式2.D/A轉(zhuǎn)換程序流程《計算機控制技術(shù)》1113.程序設(shè)計舉例PCL-726的D/A輸出、數(shù)字量輸入等操作均不需要狀態(tài)查詢，分辨率為12位，

000H～0FFFH分別對應(yīng)輸出0%～100%，若輸出50%，則對應(yīng)的輸出數(shù)字量為7FFH，設(shè)基地址為220H，D/A通道l輸出50%的程序如下：

C語言參考程序段如教材：匯編語言參考程序如教材：《計算機控制技術(shù)》3.程序設(shè)計舉例PCL-726的D1122.6硬件抗干擾技術(shù)干擾：有用信號以外的噪聲或造成計算機設(shè)備不能正常工作的破壞因素。干擾的來源:外部干擾和內(nèi)部干擾外部干擾：電源電網(wǎng)的波動、大型用電設(shè)備(如天車、電爐、大電機、電焊機等)的啟停、高壓設(shè)備和電磁開關(guān)的電磁輻射、傳輸電纜的共模干擾等。

內(nèi)部干擾：系統(tǒng)的軟件干擾、分布電容或分布電感產(chǎn)生的干擾、多點接地造成的電位差給系統(tǒng)帶來的影響等。系統(tǒng)抗干擾的措施：硬件抗干擾和軟件抗干擾《計算機控制技術(shù)》2.6硬件抗干擾技術(shù)干擾：有用信號以外的噪聲或造成計算機設(shè)1132.6.1過程通道抗干擾技術(shù)1.串模干擾及其抑制方法（1）串模干擾

串模干擾是疊加在被測信號上的干擾信號，也稱橫向干擾或常態(tài)干擾。圖2.41串模干擾示意圖《計算機控制技術(shù)》2.6.1過程通道抗干擾技術(shù)1.串模干擾及其抑制方法圖2114（2）串模干擾的抑制方法加輸入濾波器串模干擾信號頻率大于被測信號頻率——低通輸入濾波器串模干擾信號頻率小于被測信號頻率——高通輸入濾波器串模干擾信號在被測信號頻率兩側(cè)——帶通濾波器?！队嬎銠C控制技術(shù)》（2）串模干擾的抑制方法加輸入濾波器《計算機控制技術(shù)》115

使用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器

雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的平均值而不是瞬時值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以對尖峰干擾具有抑制能力。前置放大

——減少電磁感應(yīng)利用器件特性克服干擾

——提高閾值電平可抑制低噪聲干擾；采用低速邏輯器件或加電容器降低速度，可以抑制高頻干擾。采用帶屏蔽層的雙絞線

——減少電磁感應(yīng)，使每個小回路的感應(yīng)電勢互相反相抵消。屏蔽層良好接地，就可避免干擾從傳輸導(dǎo)線竄入檢測回路?！队嬎銠C控制技術(shù)》使用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器對輸入1162.共模干擾及其抑制方法（1）共模干擾

共模干擾是指同時加到計算機控制系統(tǒng)兩個輸入端上的公有的干擾電壓，也稱共態(tài)干擾。圖2.43共模干擾示意圖《計算機控制技術(shù)》2.共模干擾及其抑制方法（1）共模干擾圖2.43共模干117

在計算機控制系統(tǒng)中，被測信號有單端對地輸入和雙端不對地輸入兩種輸入方式，如下圖：

對于存在共模干擾的場合，不能采用單端對地輸入方式，因為此時的共模干擾電壓將全部成為串模干擾電壓，所以必須采用雙端不對地輸入方式如圖(b)所示。圖2.44被測信號的輸入方式《計算機控制技術(shù)》在計算機控制系統(tǒng)中，被測信號有單端對地輸入和雙端118

上圖中，Zs

、Zs1

、Zs2為信號源

Us

的內(nèi)阻抗，Zc

、Zc1

、Zc2為輸入電路的輸入阻抗。由圖(b)可見，共模干擾電壓對兩個輸入端形成兩個電流回路，每個輸入端A和B的共模電壓分別為兩個輸入端的共模電壓為一般情況下，共模干擾電壓總是轉(zhuǎn)化成一定的串模干擾電壓出現(xiàn)在兩個輸入端之間?！队嬎銠C控制技術(shù)》上圖中，Zs、Zs1、Zs2為信119

為了衡量一個輸入電路抑制干擾的能力，常用共模抑制比CMRR(CommonModeRejectionRate)來表示：式中Ucm

是共模干擾電壓，Un是由Ucm轉(zhuǎn)化成的常態(tài)干擾電壓。CMRR越大，表明抗共模干擾能力《計算機控制技術(shù)》為了衡量一個輸入電路抑制干擾的能力，常用共模120（2）共模干擾的抑制方法抑制共模干擾的主要措施：?

變壓器隔離:利用變壓器把各種模擬負(fù)載與數(shù)字信息源隔離開來，也就是把“模擬地”與“數(shù)字地”斷開.圖2.45變壓器隔離《計算機控制技術(shù)》（2）共模干擾的抑制方法抑制共模干擾的主要措施：圖2.45121?

光電隔離。光電耦合器能隔離干擾的原因

—光耦在封閉狀態(tài)下工作

—靠光傳送信號，切斷了各部件電路之間地線的聯(lián)系

—輸入阻抗小

—干擾形式一般為大電壓、小電流，而光電耦輸入發(fā)光管在電流狀態(tài)下工作，故可被抑制《計算機控制技術(shù)》?光電隔離。光電耦合器能隔離干擾的原因《計算機控制技術(shù)》122

光電隔離與變壓器隔離相比，實現(xiàn)起來比較容易，成本低，體積也小。因此在計算機控制系統(tǒng)中光電隔離得到了廣泛的應(yīng)用。?

浮地屏蔽

所謂浮地，就是利用屏蔽方法使信號的“模擬地”浮空，從而達(dá)到抑制共模干擾的目的?！队嬎銠C控制技術(shù)》光電隔離與變壓器隔離相比，實現(xiàn)起來比較容易，成本123?采用儀表放大器提高共模抑制比儀表放大器具有共模抑制能力強、輸入阻抗高、飄移低、增益可調(diào)等優(yōu)點，是一種專門用來分離共模干擾與有用信號的器件。儀表放大器將兩個信號的差值放大。抑制共模分量是使用儀表放大器的唯一原因。

AD620（低功耗，低成本，集成儀表放大器），還有AD623等等.《計算機控制技術(shù)》?采用儀表放大器提高共模抑制比《計算機控制技術(shù)》1243.

長線傳輸干擾及其抑制方法（1）長線傳輸干擾信號在長線中傳輸時會遇到三個問題：一是長線傳輸易受到外界干擾；二是具有信號延時；三是高速度變化的信號在長線中傳輸時，還會出現(xiàn)波反射現(xiàn)象。（2）長線傳輸干擾的抑制方法

長線傳輸干擾抑制的主要措施：?

終端匹配波阻抗RP的求解《計算機控制技術(shù)》3.長線傳輸干擾及其抑制方法（1）長線傳輸干擾《計算機控制125匹配方法圖2.48終端匹配《計算機控制技術(shù)》匹配方法圖2.48終端匹配《計算機控制技術(shù)》126

?

始端匹配

圖2.50始端匹配Rsc為門A輸出低電平時的輸出阻抗《計算機控制技術(shù)》

?始端匹配

圖2.50始端匹配Rsc為門A輸出低電1272.6.2CPU抗干擾技術(shù)計算機控制系統(tǒng)CPU抗干擾措施：

Watchdog(俗稱看門狗)

電源監(jiān)控(掉電檢測與保護(hù))

復(fù)位主要是采用監(jiān)控電路MAX1232實現(xiàn)?！队嬎銠C控制技術(shù)》2.6.2CPU抗干擾技術(shù)計算機控制系統(tǒng)CPU抗干擾措施：1281.MAX1232的結(jié)構(gòu)原理MAX1232通過監(jiān)控微處理器系統(tǒng)供電及監(jiān)控軟件的執(zhí)行，來增強電路的可靠性，它提供一個反彈的（無鎖的）手動復(fù)位輸入。下圖給出了MAX1232的引腳圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖?！队嬎銠C控制技術(shù)》1.MAX1232的結(jié)構(gòu)原理MAX1232通過監(jiān)控微處理器129引角描述《計算機控制技術(shù)》引角描述《計算機控制技術(shù)》1302.MAX1232的主要功能（1）電源監(jiān)控電壓檢測器監(jiān)控Vcc。每當(dāng)Vcc低于所選擇的容限時(5%容限時的電壓典型時為4．62V，10%容限時的電壓典型時為4．37V)就輸出并保持復(fù)位信號。選擇5%的容許極限時，TOL端接地；選擇10%的容許極限時，TOL端接Vcc。當(dāng)Vcc恢復(fù)到容許極限內(nèi)，復(fù)位輸出信號至少保持250ms的寬度，才允許電源供電并使微處理器穩(wěn)定工作?！队嬎銠C控制技術(shù)》2.MAX1232的主要功能（1）電源監(jiān)控《計算機控制技術(shù)131（2）按鈕復(fù)位輸入

MAX1232的PBRST端靠手動強制復(fù)位輸出，該端保持tPBD是按鈕復(fù)位延遲時間，當(dāng)PBRST升高到大于一定的電壓值后，復(fù)位輸出保持至少250ms的寬度。

一個機械按鈕或一個有效的邏輯信號都能驅(qū)動PBRST，無鎖按鈕輸入至少忽略了1ms的輸入抖動，并且被保證能識別出20ms或更大的脈沖寬度。該PBRST在芯片內(nèi)部被上拉到大約100μA的Vcc上，因而不需要附加的上拉電阻。《計算機控制技術(shù)》（2）按鈕復(fù)位輸入《計算機控制技術(shù)》132（3）監(jiān)控定時器(Watchdog)

看門狗定時器最主要的應(yīng)用是用于因干擾引起的“飛程序”等出錯的檢測和自動恢復(fù)。下圖是一個典型啟動微處理器的例子。《計算機控制技術(shù)》（3）監(jiān)控定時器(Watchdog)《計算機控制技術(shù)》1333.掉電保護(hù)和恢復(fù)運行掉電信號由MAX1232監(jiān)控電路檢測得到，加到微處器的外部中斷端。掉電檢測電路必須在電源電壓下降到CPU最低工作電壓之前就提出中斷申請，提前時間為幾百微秒至數(shù)毫秒。當(dāng)電源恢復(fù)正常時，復(fù)位信號首先檢查是否有掉電標(biāo)記，如果沒有，按一般開機程序執(zhí)行。如果有掉電標(biāo)記，不應(yīng)將系統(tǒng)初始化，而應(yīng)按掉電中斷服務(wù)程序相反的方式恢復(fù)現(xiàn)場，以一種合理的安全方式使系統(tǒng)繼續(xù)未完成的工作。

《計算機控制技術(shù)》3.掉電保護(hù)和恢復(fù)運行掉電信號由MAX1232監(jiān)控電路檢測1342.5.3系統(tǒng)供電與接地技術(shù)1.供電技術(shù)（1）供電系統(tǒng)的一般保護(hù)措施計算機控制系統(tǒng)的一般供電結(jié)構(gòu)如下圖所示。建議采用開關(guān)電源。交流穩(wěn)壓器低通濾波器直流穩(wěn)壓器計算機220VAC《計算機控制技術(shù)》2.5.3系統(tǒng)供電與接地技術(shù)1.供電技術(shù)交流低通直流計算135

（2）電源異常的保護(hù)措施

可以采用不間斷電源UPS，其原理如下圖所示。如果外界交流電中斷時間長，就需要大容量的蓄電池組。控制器計算機電池充電器電池組220VAC逆變器直流穩(wěn)壓器交流穩(wěn)壓器《計算機控制技術(shù)》

（2）電源異常的保護(hù)措施可以采用不間斷電源UPS1362.接地技術(shù)（1）地線系統(tǒng)分析在計算機控制系統(tǒng)中，一般有以下幾種地線：模擬地、數(shù)字地、安全地、系統(tǒng)地、交流地。注意：交流地絕對不允許分別與上述幾種地相連，而且交流電源變壓器的絕緣性能要好，絕對避免漏電現(xiàn)象。在過程控制計算機中，對上述各種地的處理一般是采用分別回流法單點接地?；亓骶€往往采用匯流條而不是一般的導(dǎo)線。這些地之間只在最后匯集一點，并且常常通過銅接地板交匯，然后用線徑不小于300mm2的多股銅軟線焊接在接地極上后深埋地下。《計算機控制技術(shù)》2.接地技術(shù)（1）地線系統(tǒng)分析《計算機控制技術(shù)》137（2）低頻接地技術(shù)一點接地技術(shù)

接地措施：信號線的接地方式采用一點接地。

兩種接地方法：串聯(lián)接地《計算機控制技術(shù)》（2）低頻接地技術(shù)一點接地技術(shù)《計算機控制技術(shù)》138并聯(lián)接地《計算機控制技術(shù)》并聯(lián)接地《計算機控制技術(shù)》139

實用的低頻接地

在一般的系統(tǒng)中至少要有3條分開的地線。一條是低電平電路地線；一條是繼電器、電動機等的地線（稱為“噪聲”地線）；一條是設(shè)備機殼地線（稱為“金屬件”地線）。若設(shè)備使用交流電源，則電源地線應(yīng)和金屬件地線相連。這三條線應(yīng)在一點連接接地。使用這種方法接地時，可以解決計算機控制系統(tǒng)的大部分接地問題。《計算機控制技術(shù)》實用的低頻接地在一般的系統(tǒng)中至少要有3條分140（3）通道饋線的接地技術(shù)電路一點地基準(zhǔn)一個實際的模擬量輸入通道，總可以簡化為由信號源、輸入饋線和輸入放大器3部分組成。為了克服雙端接地的缺點，輸入回路改為單端接地方式。當(dāng)單端接地點位于信號源端時，放大器電源不接地；當(dāng)單端接地點位于放大器端時，信號源不接地?！队嬎銠C控制技術(shù)》（3）通道饋線的接地技術(shù)電路一點地基準(zhǔn)《計算機控制技術(shù)》141電纜屏蔽層的接地當(dāng)一個電路有一個不接地的信號源與一個接地的（即使不是放大器）放大器相連時，輸入線的屏蔽應(yīng)接至放大器的公共端；當(dāng)接地信號源與不接地放大器相連時，即使信號源端接的不是大地，輸入線的屏蔽層也應(yīng)接到信號源的公共端?！队嬎銠C控制技術(shù)》電纜屏蔽層的接地《計算機控制技術(shù)》142（4）主機外殼接地但機芯浮空

這種方法安全可靠，抗干擾能力強，但制造工藝復(fù)雜一旦絕緣電阻降低就會引入干擾。

《計算機控制技術(shù)》（4）主機外殼接地但機芯浮空這種方法安全可靠，抗143（5）多機系統(tǒng)的接地近距離的幾臺計算機安裝在同一機房內(nèi)，可采用多機一點方法。對于遠(yuǎn)距離的計算機網(wǎng)絡(luò)，多臺計算機之間的數(shù)據(jù)通信，通過隔離的辦法把地分開。例如：采用變壓器隔離技術(shù)、光電隔離技術(shù)和無線電通信技術(shù)?！队嬎銠C控制技術(shù)》（5）多機系統(tǒng)的接地《計算機控制技術(shù)》144A/D與D/A數(shù)據(jù)手冊《計算機控制技術(shù)》A/D與D/A數(shù)據(jù)手冊《計算機控制技術(shù)》145Z變換及Z傳遞函數(shù)第三章《計算機控制技術(shù)》Z變換及Z傳遞函數(shù)第三章《計算機控制技術(shù)》1461Z變換定義與常用函數(shù)Z變換

1.1Z變換的定義

已知連續(xù)信號f(t)經(jīng)過采樣周期為T的采樣開關(guān)后，變成離散的脈沖序列函數(shù)f*(t)即采樣信號。對上式進(jìn)行拉氏變換，則《計算機控制技術(shù)》1Z變換定義與常用函數(shù)Z變換1.1Z變換的定義對上147根據(jù)廣義脈沖函數(shù)的性質(zhì)，可得對上式進(jìn)行拉氏變換，則《計算機控制技術(shù)》根據(jù)廣義脈沖函數(shù)的性質(zhì)，可得對上式進(jìn)行拉氏變換，則《計算機控148上式中，F(xiàn)*(s)是離散時間函數(shù)f*(t)的拉氏變換，因復(fù)變量s含在指數(shù)e-kTs中是超越函數(shù)不便于計算，故引一個新變量z=eTs，設(shè)

并將F*(s)記為F(z)則

式中F(z)就稱為離散函數(shù)f*(t)的Z變換。

《計算機控制技術(shù)》上式中，F(xiàn)*(s)是離散時間函數(shù)f*(t)的拉氏變換，因復(fù)149在Z變換的過程中，由于僅僅考慮的是f(t)在采樣瞬間的狀態(tài)，所以上式只能表征連續(xù)時間函數(shù)f(t)在采樣時刻上的特性，而不能反映兩個采樣時刻之間的特性，從這個意義上來說，連續(xù)時間函數(shù)f(t)與相應(yīng)的離散時間函數(shù)f*(t)具有相同的Z變換。即

《計算機控制技術(shù)》在Z變換的過程中，由于僅僅考慮的是f(t)在采樣瞬間的狀態(tài)，150求取離散時間函數(shù)的Z變換有多種方法，常用的有兩種。

1．級數(shù)求和法將離散時間函數(shù)寫成展開式的形式對上式取拉氏變換，得

《計算機控制技術(shù)》求取離散時間函數(shù)的Z變換有多種方法，常用的有兩種。對上式取151例1求f(t)=at/T函數(shù)（a為常數(shù)）的Z變換。

解：根據(jù)Z變換定義有《計算機控制技術(shù)》例1求f(t)=at/T函數(shù)（a為常數(shù)）的Z變換?！队?522．部分分式法設(shè)連續(xù)時間函數(shù)的拉氏變換為有理函數(shù)，將展開成部分分式的形式為因此，連續(xù)函數(shù)的Z變換可以由有理函數(shù)求出《計算機控制技術(shù)》2．部分分式法因此，連續(xù)函數(shù)的Z變換可以由有理函數(shù)求出《計算153例2已知（a為常數(shù)）

求F(Z)

解：將F(s)寫成部分分式之和的形式《計算機控制技術(shù)》例2已知（a為常數(shù)）1541.2常用信號的Z變換

1．單位脈沖信號2．單位階躍信號

《計算機控制技術(shù)》1.2常用信號的Z變換1．單位脈沖信號2．單位階躍信1553．單位速度信號

《計算機控制技術(shù)》3．單位速度信號《計算機控制技術(shù)》1564．指數(shù)信號

《計算機控制技術(shù)》4．指數(shù)信號《計算機控制技術(shù)》1575．正弦信號

《計算機控制技術(shù)》5．正弦信號《計算機控制技術(shù)》1582Z變換的性質(zhì)和定理

1．線性定理設(shè)a,a1,a2為任意常數(shù)，連續(xù)時間函數(shù)f(t),f1(t),f2(t)的Z變換分別為F(z),F1(z),F2(z)，則有《計算機控制技術(shù)》2Z變換的性質(zhì)和定理1．線性定理《計算機控制技術(shù)》1592．滯后定理設(shè)連續(xù)時間函數(shù)在t＜0時，f(t)=0，且f(t)的Z變換為F(z)，則有證明：《計算機控制技術(shù)》2．滯后定理證明：《計算機控制技術(shù)》1603．超前定理設(shè)連續(xù)時間函數(shù)f(t)的Z變換為F(z)，則有證明：《計算機控制技術(shù)》3．超前定理證明：《計算機控制技術(shù)》1614．初值定理設(shè)連續(xù)時間函數(shù)f(t)的Z變換為F(z)，則有所以證明：《計算機控制技術(shù)》4．初值定理所以證明：《計算機控制技術(shù)》1625．終值定理設(shè)連續(xù)時間函數(shù)f(t)的Z變換為F(z)，則有證明：《計算機控制技術(shù)》5．終值定理《計算機控制技術(shù)》1636．卷積和定理設(shè)連續(xù)時間函數(shù)f(t)和g(t)的Z變換分別為F(z)及G(z)，若定義則《計算機控制技術(shù)》6．卷積和定理《計算機控制技術(shù)》164證明：由于當(dāng)i>k時

《計算機控制技術(shù)》證明：《計算機控制技術(shù)》1657．求和定理設(shè)連續(xù)時間函數(shù)f(t)和g(t)的Z變換分別為F(z)及G(z)，若有則

《計算機控制技術(shù)》7．求和定理《計算機控制技術(shù)》166證明：

《計算機控制技術(shù)》證明：《計算機控制技術(shù)》1678．位移定理設(shè)a為任意常數(shù)，連續(xù)時間函數(shù)f(t)的Z變換為F(z)，則有

證明：

《計算機控制技術(shù)》8．位移定理《計算機控制技術(shù)》1689．微分定理設(shè)連續(xù)時間函數(shù)f(t)的Z變換為F(z)，則有

證明：

《計算機控制技術(shù)》9．微分定理《計算機控制技術(shù)》1693Z反變換

所謂Z反變換，是已知Z變換表達(dá)式F(z)，求相應(yīng)離散序列f(kT)或f*(t)的過程，表示為

求Z反變換主要有三種方法，即長除法、部分分式法和留數(shù)計算法

《計算機控制技術(shù)》3Z反變換所謂Z反變換，是已知Z變換表達(dá)式F1701．長除法設(shè)

用長除法展開得：由Z變換定義得：比較兩式得：則：

《計算機控制技術(shù)》1．長除法《計算機控制技術(shù)》1712．部分分式法又稱查表法，設(shè)已知的Z變換函數(shù)F(z)無重極點，先求出F(z)的極點，再將F(z)展開成如下分式之和

然后逐項查Z變換表，得到

則：《計算機控制技術(shù)》2．部分分式法《計算機控制技術(shù)》1723．留數(shù)法設(shè)已知Z變換函數(shù)F(z)，則可證明，F(xiàn)(z)的Z反變換f(kT)值，可由下式計算

根據(jù)柯西留數(shù)定理，上式可以表示為

n表示極點個數(shù)，pi表示第i個極點。即f(kT)等于F(z)zk-1的全部極點的留數(shù)之和。

《計算機控制技術(shù)》3．留數(shù)法《計算機控制技術(shù)》173即：《計算機控制技術(shù)》即：《計算機控制技術(shù)》1744

線性定常離散系統(tǒng)的差分方程及其解

對于單輸入、單輸出的計算機控制系統(tǒng)，設(shè)在某一采樣時刻的輸出為y(kT)，

輸入為u(kT)，為了書寫方便，用y(k)表示y(kT)，用u(k)表示u(kT)。

在某一采樣時刻的輸出值y(k)不但與該時刻的輸入u(k)及該時刻以前的輸入值u(k-1)，u(k-2)，…，u(k-m)有關(guān)，且與該時刻以前的輸出值y(k-1)，y(k-2)，…，y(k-n)有關(guān)，即：

或《計算機控制技術(shù)》4線性定常離散系統(tǒng)的差分方程及其解對于單輸入、單175上式稱為n階線性定常離散系統(tǒng)的差分方程，其中ai、bi由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，它是描述計算機控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的一般表達(dá)式，對于實際的應(yīng)用系統(tǒng)，根據(jù)物理可實現(xiàn)條件，應(yīng)有k≥0。當(dāng)k＜0時，y(k)=u(k)=0。用Z變換解常系數(shù)線性差分方程和用拉氏變換解微分方程是類似的。先將差分方程變換為以z為變量的代數(shù)方程，最后用查表法或其它方法，求出Z反變換。

《計算機控制技術(shù)》上式稱為n階線性定常離散系統(tǒng)的差分方程，其中ai、bi176若當(dāng)k＜0時，f(k)=0，設(shè)f(k)的Z變換為F(z)，則根據(jù)滯后定理關(guān)系可推導(dǎo)出

《計算機控制技術(shù)》若當(dāng)k＜0時，f(k)=0，設(shè)f(k)的Z變換為F(177例8若某二階離散系統(tǒng)的差分方程為：設(shè)輸入為單位階躍序列。

解：對差分方程求Z變換得

《計算機控制技術(shù)》例8若某二階離散系統(tǒng)的差分方程為：《計算機控制技術(shù)》178取Z反變換得

《計算機控制技術(shù)》取Z反變換得《計算機控制技術(shù)》1795

Z傳遞函數(shù)

5.1Z傳遞函數(shù)的定義

設(shè)n階定常離散系統(tǒng)的差分方程為：在零初始條件下，取Z變換

則G(z)就稱為線性定常離散系統(tǒng)的Z傳遞函數(shù)。即：在零初始條件下離散系統(tǒng)的輸出與輸入序列的Z變換之比。

《計算機控制技術(shù)》5Z傳遞函數(shù)

5.1Z傳遞函數(shù)的定義設(shè)n階定常離1805.2

Z傳遞函數(shù)的求法

1．用拉氏反變換求脈沖過渡函數(shù)2．將g(t)按采樣周期T離散化，得g(kT)3．應(yīng)用定義求出Z傳遞函數(shù)，即

G(z)不能由G(s)簡單地令s=z代換得到。G(s)是g(t)的拉氏變換，G(z)是g(t)的Z變換。G(s)只與連續(xù)環(huán)節(jié)本身有關(guān)，