7.1硬件組成及輸入輸出接口7.2系統測試信號的處理7.3計算機控制系統的實時軟件設計7.4控制算法的編排實現7.5量化效應分析7.6采樣頻率的選取7.7計算機控制系統的抗干擾及可靠性技術17.1硬件組成及輸入輸出接口1圖7-1計算機控制系統的基本組成2圖7-1計算機控制系統的基本組成27.1.1對控制用計算機系統的硬件要求1.對計算機主機的要求

實時處理能力比較完善的中斷系統對指令系統的要求對內存的要求2.對過程輸入輸出通道的要求

有足夠的輸入通道數，并具有一定的擴充能力有足夠的精度和分辨率應有足夠的變換速度37.1.1對控制用計算機系統的硬件要求1.對計算機主機7.1.1對控制用計算機系統的硬件要求3.對應用軟件系統的要求實時性強、可靠性好、具有在線修改能力、輸入輸出功能強等4.方便的人機聯系顯示屏、各種功能鍵、輸入數據功能鍵等5.系統的可靠性和可維護性可靠性指系統無故障運行能力，指標——平均無故障間隔時間。47.1.1對控制用計算機系統的硬件要求3.對應用軟件系7.1.2對控制用計算機的選擇1.運算速度影響因素：系統計算工作量、采樣周期、指令系統、硬件支持2.計算機字長影響因素：量化誤差應與A/D的字長相協調信號的動態范圍與采樣周期T的關系若T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增加。

57.1.2對控制用計算機的選擇1.運算速度57.1.3計算機控制系統的模擬輸出通道D/A轉換器工作原理數字量轉換為模擬量或電流量的裝置。2.D/A轉換器的主要性能常用的主要指標：①精度——精度是反映實際輸出與理想數學模型輸出信號接近的程度。②分辨率——分辨率可定義為當輸入數字量發生單位數碼變化時輸出模擬量的變化量。分辨率也常用數字量的位數來表示。67.1.3計算機控制系統的模擬輸出通道D/A轉換器工作③轉換時間——最小有效位常以LSB表示，故轉換時間定義為D/A轉換器中的輸入代碼有滿刻度值的變化時，其輸出模擬信號達到滿刻度值LSB時所需要的時間。④輸出電平——電壓型：510V，2430V；電流輸出型：20mA，3A等。⑤輸入代碼形式——D/A轉換器單極性輸出時，有二進制碼、BCD碼。當雙極性輸出時，有符號+數值碼，偏移二進制碼等。7.1.3計算機控制系統的模擬輸出通道7③轉換時間——最小有效位常以LSB表示，故轉換時間3.D/A轉換器選擇的原則

集成D/A轉換器的輸入方式：不帶緩沖寄存器（如8位的DAC0808）帶緩沖寄存器（如8位的DAC0832、12位的DAC1208等）。選擇D/A轉換芯片主要考慮芯片的性能、結構及應用特性。在性能上必須滿足D/A轉換的技術要求，在結構和應用上滿足接口方便，外圍電路簡單，價格低廉等要求。對于D/A轉換器字長n的選擇，可以由其后的執行機構的動態范圍來選定：執行機構的死區電壓執行機構最大輸入83.D/A轉換器選擇的原則集成D/A轉換器的輸入方式：執4.多路D/A輸出時的實現方式圖7-2模擬量輸出通道的兩種實現結構圖94.多路D/A輸出時的實現方式圖7-2模擬量輸出通道的兩5.D/A的二進制碼制與極性(1)單極性二進制編碼(2)雙極性二進制編碼有符號的二進制可以用原碼、補碼、反碼和偏移二進制碼來表示。為了把雙極性的信號表示成數字代碼，就需要增加一位“符號位”。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。這幾種編碼與十進制數的關系如表7-1所示。

注意：計算機內信號的編碼可能與D/A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D/A轉換器的輸入。但若不一致（多數情況），則需要將計算得到的碼制進行相應的轉換后，方可作為D/A的輸入信號。105.D/A的二進制碼制與極性(1)單極性二進制編碼(2)7.1.4計算機控制系統的模擬輸入通道圖7-4模擬量輸入通道一般結構圖117.1.4計算機控制系統的模擬輸入通道圖7-4模擬量輸7.1.4計算機控制系統的模擬輸入通道采樣保持器孔徑時間——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采樣的模擬電壓的轉換分開，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行采樣，然后將采得的模擬電壓保持，供A/D轉換電路進行轉換。

圖7-5采樣保持器原理圖127.1.4計算機控制系統的模擬輸入通道采樣保持器圖7-52.A/D轉換器工作原理

工作原理:將輸入的模擬電壓按比例地轉化為二進制數字信號的裝置。圖7-7雙斜積分式A/D轉換器圖7-6逐次逼近式A/D轉換器

132.A/D轉換器工作原理工作原理:圖7-7雙斜積分式3.A/D轉換器的主要性能指標(1)精度——指對應一個給定的數字量的實際模擬量輸入與理論模擬量輸入接近的程度。(2)分辨率——指輸出數字量對輸入模擬量變化的分辨能力。即設A/D轉換器的位數為n，則A/D轉換器的分辨率為(3)轉換時間——從A/D轉換的啟動信號加入時起，到獲得數字輸出信號為止，所需的時間。(4)量程——指測量的模擬量的變化范圍。一般有單極性（如010V、020V）和雙極性（例如-5V+5V、-10V+10V）兩種。

或143.A/D轉換器的主要性能指標(1)精度——指對應一個4.A/D轉換器的選擇除了要滿足用戶的各種技術要求外，還必須注意：A/D輸出的方式A/D芯片對啟動信號的要求A/D的轉換精度和轉換時間它的穩定性及抗干擾能力等A/D轉換器的精度與傳感器的精度有關，一般比傳感器的精度高一個數量級；A/D轉換器的轉換速率還與系統的頻帶有關。根據輸入模擬信號的動態范圍可選擇A/D轉換器位數n

模入信號的最大值模入信號的最小值154.A/D轉換器的選擇除了要滿足用戶的各種技術要求外，5.檢測通道的數據采集圖7-8單路檢測通道結構類型165.檢測通道的數據采集圖7-8單路檢測通道結構類型166.A/D的二進制碼制與極性A/D的二進制碼制與極性類似于D/A的二進制碼制與極性，可同時參見表7-1（此時表中的VREF為A/D的量程）和表7-2。在實際應用中，A/D輸出的代碼形式可能采用前面介紹的幾種二進制編碼中的一種。注意：計算機內信號的編碼可能與A/D輸出信號的編碼不完全一致。若一致，則可將A/D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（多數情況），則需要將A/D輸出信號的編碼進行相應的轉換后，方參與到算法的運算中。176.A/D的二進制碼制與極性A/D的二進制碼制與極性177.CPU和A/D轉換電路之間的I/O控制方式(1)查詢方式由CPU執行I/O指令啟動并完成。每次傳送數據之前，要先輸入A/D轉換器狀態，經過查詢符合條件后才可以進行數據的I/O。靈活，但在讀寫數據端口指令之前需要重復執行多次查詢狀態的指令，當外設速度比較慢時，會造成CPU效率的大大降低。(2)中斷方式可以省掉重復繁瑣的查詢，并可及時響應外設的要求。在這種方式下，CPU和外設基本上實現了并行工作，當然由于增加了中斷管理功能，所以對應的接口電路和程序要比查詢方式復雜。(3)DMA方式在高速數據采集系統中，不僅要選用高速A/D轉換電路，而且傳送轉換結果也要求非常及時迅速，可以考慮選用DMA方式。

187.CPU和A/D轉換電路之間的I/O控制方式(1)查詢7.1.5計算機控制系統的數字輸入輸出通道輸入緩沖器的作用對外部輸入信號進行緩沖、加強和選通。輸出鎖存器將CPU輸出的數據或控制信號進行鎖存，以便放大驅動執行機構作用于被控對象。I/O電氣轉換部分的功能：濾波、電平轉換、隔離、功率驅動等。圖7-9開關量輸入輸出通道結構197.1.5計算機控制系統的數字輸入輸出通道輸入緩沖器的作7.1.6信號的調理1.直流電壓信號的調整設計相應的調理電路（如分壓、放大等），將直流信號轉換成計算機所能接受電壓形式，再直接使用A/D轉換器。2.直流電流信號的調理設計電流到電壓的轉換電路。3.數字信號的調理主要是進行隔離、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。對于數字量的測量主要應用于對頻率的測量和對轉速的測量。圖7-13有源I/V變換電路圖7-12電流信號傳輸的典型電路207.1.6信號的調理1.直流電壓信號的調整3.數字信7.1.7總線技術1.總線定義總線是一組信號線的集合。這些線是系統的各插件間（或插件內部各芯片間）、各系統之間傳送規定信息的公共通道，有時也稱數據公路，通過它們可以把各種數據和命令傳送到各自要去的地方。217.1.7總線技術1.總線定義212.總線類型(1）根據總線不同的結構和用途的分類專用總線只實現一對物理部件間連接的總線。非專用總線可以被多種功能或多個部件所共享。準確應稱為分時共享總線。(2）根據總線的用途和應用環境的分類局部總線（芯片或元件級總線）構成中央處理機或子系統內所用的總線。系統總線（內總線和板級總線）用于各單微處理機之間、模塊之間的通信，可用于構成分布式多機系統，如STD總線、VME總線、PC總線等。外總線（通信總線）用于微處理機與其它智能儀器儀表間的通信，如RS-232C等(3）根據總線傳送信號的方式的分類并行總線用若干根信號線同時傳遞信號，就構成了并行總線。串行總線按照信息逐位的順序傳送信號。222.總線類型(1）根據總線不同的結構和用途的分類223.目前幾種通用總線介紹(1)STD總線目前工業控制及工業檢測系統中使用最廣泛的總線，它兼容性好，能夠支持任何8位或16位微處理器，成為一種通用標準總線。具有以下特點：小板結構，高度模塊化嚴格的標準化，廣泛的兼容性面向I/O的開放式設計，適合工業控制應用高可靠性

STD是工業應用中十分有前途的通用標準總線。按此標準設計系統，可使系統具有良好的適應性及組裝靈活性。目前國內外許多廠家均按STD標準來生產系統和插件，因此，對應用者來說，按STD標準來組成自己的應用系統將會大大縮短系統的硬件研制周期。233.目前幾種通用總線介紹(1)STD總線233.目前幾種通用總線介紹(2)IBMPC/AT總線

由于IBMPC機有豐富的軟、硬件支持，而且其價格低廉，目前已成為國際上廣泛使用的微型機之一。IBMPC機的主板上設計了供輸入輸出用的總線，這些總線引至系統板上的5個或8個62腳的插座上，這些插座稱為擴展插槽。制造商提供的用作擴充PC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、A/D及D/A轉換板、數據采集板、各類存儲器擴展板、打印機接口板、網絡接口板等。用戶可根據需要進行選購，也可根據需要自行設計和開發新的功能板。PC/AT總線對環境要求較高，無法保證在工業現場可靠運行。PC／AT總線都是主要采取將微處理器芯片總線經緩沖直接映射到系統總線上，沒有支持總線仲裁的硬件邏輯，因而不支持多主系統。243.目前幾種通用總線介紹(2)IBMPC/AT總線3.目前幾種通用總線介紹(3)RS232C串行接口標準總線

由電子工業學會正式公布的串行總線標準，也是在微機系統中最常用的串行接口標準，用于實現計算機與計算機之間、計算機與外設之間的同步或異步通訊。采用RS232C作串行通訊時，傳輸數據的速率可任意調整，最大可達20Kb。兩種連接系統的方式：近程（傳輸距離小于15m）通訊，這時可以用RS232C電纜直接連接。遠程（15m以上的長距離）通訊，需要采用調制解調器（MODEM）經電話線進行。

253.目前幾種通用總線介紹(3)RS232C串行接口標準3.目前幾種通用總線介紹(4)RS422串行接口標準總線

采用了平衡驅動和差分接收器組合的雙端接口方式。傳輸距離可以達到1000米，傳輸波特率可以達到10Mbit/s。

圖7-17RS-422發送驅動器263.目前幾種通用總線介紹(4)RS422串行接口標準7.1硬件組成及輸入輸出接口7.2系統測試信號的處理7.3計算機控制系統的實時軟件設計7.4控制算法的編排實現7.5量化效應分析7.6采樣頻率的選取7.7計算機控制系統的抗干擾及可靠性技術277.1硬件組成及輸入輸出接口277.2.1測試信號的濾波模擬濾波器在采樣開關前加入適當的模擬濾波器（稱為抗混迭濾波器或前置模擬低通濾波器），通常為簡單的低通網絡。濾波器的轉折頻率選取濾波器參數時，應盡量保證：在系統頻帶內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。287.2.1測試信號的濾波模擬濾波器濾波器的轉折頻率選取2.數字濾波利用程序實現的濾波。只需根據濾波算法編制相應的程序即可達到目的。(1)平均值濾波在一個采樣周期中，對信號y連續進行m次采樣，并對其取算術平均值，作為本采樣周期內的濾波器輸出。還可以在平均算法中給各次采樣值不同的權重系數，此時濾波算法為：滿足通常取292.數字濾波利用程序實現的濾波。只需根據濾波算法編制相應2.數字濾波(2)中值濾波在一個采樣周期中，將信號的連續次（一般取奇數,）采樣值進行排序，取其中間值作為本采樣周期內的濾波器輸出。一般m越大濾波效果越好，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。(3)限幅濾波根據對象的特點和系統的精度，對采樣數據的正常范圍事先作一個估計。若某次采樣受到強烈的干擾，使數據明顯超出正常范圍，就應該將其剔除。

ΔY：相鄰兩次采樣值之差的最大可能值如果本次采樣值y(k)和上次采樣值y(k-1)之差小于ΔY，表示y(k)是真實的，取本次采樣值作為濾波器的輸出值；反之，y(k)是不真實的，取前一次的濾波器輸出為本次濾波器的輸出。說明對隨機脈沖干擾和采樣器不穩定引起的失真有良好的濾波效果。302.數字濾波(2)中值濾波ΔY：相鄰兩次采樣值之差的最2.數字濾波(4)慣性濾波模擬RC低通濾波器的數字實現。RC濾波器的傳函后差分法適用于有用信號緩慢變化，干擾信號波動頻繁的場合。312.數字濾波(4)慣性濾波RC濾波器的傳函后差分法7.2.2測試信號的線性化處理通過模擬量輸入通道采集到的數據與該數據所代表的被測參數不一定呈線性關系，常需要將它們進行非線性補償，將非線性關系轉化為線性關系，才能用于顯示和控制。例如，銅康銅熱電偶（T型）以冷端溫度t0=0oC為條件下，在0400C的范圍內計算溫度的公式為計算量較大程序較復雜為了使計算簡單，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線進行計算。線性化過程是，首先判斷測量數據處于哪一段折線內，然后按照相應段的線性化公式計算出線性值。分段可以是等距的，也可以是非等距的；分段數越多，線性化精度越高，軟件開銷就越大。327.2.2測試信號的線性化處理通過模擬量輸入通道采集到的7.1硬件組成及輸入輸出接口7.2系統測試信號的處理7.3計算機控制系統的實時軟件設計7.4控制算法的編排實現7.5量化效應分析7.6采樣頻率的選取7.7計算機控制系統的抗干擾及可靠性技術337.1硬件組成及輸入輸出接口337.3.1

軟件的分類圖7-19計算機控制系統的軟件組成347.3.1

軟件的分類圖7-19計算機控制系統的軟件組7.3.2實時控制程序設計語言的選用機器語言（即機器指令）匯編語言高級語言高級語言和匯編語言的混合使用357.3.2實時控制程序設計語言的選用機器語言（即機器指令7.3.3實時控制軟件的設計1.實時控制軟件(1)實時管理軟件實時時鐘管理

輸入／輸出信息管理

中斷管理功能

任務調度

人機聯系

設置系統的初始狀態(2)過程監視及控制算法計算軟件數據變換處理程序控制指令生成程序

事故處理程序

信息管理程序

基本運算程序碼制及格式轉換程序

367.3.3實時控制軟件的設計1.實時控制軟件(1)實圖7-20典型的計算機實時控制系統的程序流程框圖37圖7-20典型的計算機實時控制系統的程序流程框圖372.控制算法設計中減少計算時延的方法算法I：包括那些為了得到當前輸出值而必須進行的計算。算法II：包括那些為了得到下一時刻輸出值而必須進行的計算，以及與當前輸出無關的其它計算和管理算法。延時對控制系統有不好的影響！A/DD/AD(z)t1t2t3延時t圖7-21數模混合系統計算延時的引入382.控制算法設計中減少計算時延的方法算法I：包括那些為圖7-22三種控制算法的輸出時刻39圖7-22三種控制算法的輸出時刻39圖7-22三種控制算法的流程框圖40圖7-22三種控制算法的流程框圖407.1硬件組成及輸入輸出接口7.2系統測試信號的處理7.3計算機控制系統的實時軟件設計7.4控制算法的編排實現7.5量化效應分析7.6采樣頻率的選取7.7計算機控制系統的抗干擾及可靠性技術417.1硬件組成及輸入輸出接口417.4.1控制算法的編排結構直接型結構的實現比較簡單，不需要做任何變換。嚴重的缺陷：如果控制器中任一系數存在誤差，則將使控制器所有的零極點產生相應的變化。1.直接型結構圖7-24直接型結構427.4.1控制算法的編排結構直接型結構的實現比較簡單，不2.串聯型結構將D(z)的分子分母因式分解，得一階或二階的環節乘積,可以用這些低階環節的編排結構（采用直接型編排實現）進行串聯而得。

其中Di為或如果低階控制器中任一系數有誤差，不會使控制器所有的零極點產生相應的變化。

圖7-25串聯型編排實現結構圖432.串聯型結構將D(z)的分子分母因式分解，得一階或二階的3.并聯型結構將D(z)進行部分分式展開

，得一階或二階環節之和。可以用這些低階環節的編排結構（采用直接型編排實現）進行并聯而得。其中Di為或如果低階控制器中任一系數有誤差，不會使控制器所有的零極點產生相應的變化。

圖7-26并聯型編排實現結構圖443.并聯型結構將D(z)進行部分分式展開，得一階或二階環7.4.2比例因子的配置原因：定點數要求、D/A前要求原則:(1)絕大多數情況下，使各支路信號不上溢(2)盡量減少動態信號的下溢值，減小不靈敏區，提高分辨率

(3)控制算法各支路的比例因子可以采用實際物理量的最大值與計算機代碼的最大值之比來確定。采用2的整次冪來縮放.(4)要保證配置比例因子前后，支路的增益與總的傳遞特性保持不變

(5)A/D和D/A比例因子的計算A/D的傳遞系數KAD=1/uimax

，D/A具有傳遞系數KDA=uomax

故需要在計算機內應配置相應的比例因子1/KAD和1/KDA。457.4.2比例因子的配置原因：定點數要求、D/A前要求A當控制器增益大于1的情況

|D(z)|=K*|D1(z)|1，(K1且|D1(z)|1)

處理方法:①計算機實現增益小于1的控制器D1(z)，其余增益移到系統模擬部分完成并設置限幅。②將大于1的增益放到最后，并在該增益之前設置數字限幅保護，防止輸入信號較大時發生上溢。圖7-27數字控制系統控制器增益的分配46當控制器增益大于1的情況|D(z)|=K*|D1(z)|例7-4

試畫出實現該控制器的結構編排圖。設實現控制律的主機采用定點小數的補碼來表示數據，進行適當的比例因子配置，寫出對應算法的差分方程，給出相應的算法實現流程圖。解：(1)直接編排實現圖7-29控制算法編排結構圖圖7-28某控制器接口圖47例7-4試畫出實現該控制器的結構編排圖。設實現控制律的主機進行比例因子配置考慮系數的情況注意到：由于主機用定點小數的補碼來表示數據，大于1的數據無法在計算機內表示出來。又必須保證每個回路和支路的增益保持不變。確定控制器中間變量的最大值，對整個環節進行配置。考慮A/D和D/A的量程選擇比例因子為22=43。A/D的量程為10V，A/D的傳遞系數KAD=1/10D/A的量程為5V，D/A的傳遞系數KDA=5為了不改變信號的傳遞關系，應配置比例因子1/(KAD*KDA)=248進行比例因子配置考慮系數的情況選擇比例因子為22=43。稍加整理，得配置好比例因子的結構編排圖。

算法I：算法II：圖7-30整個環節配置比例因子后的直接編排實現結構圖49稍加整理，得配置好比例因子的結構編排圖。算法I：算法II特點：

無需進行數據傳送，而是依靠計算的先后順序，間接得到和的歷次值。

圖7-31算法流程圖50特點：

無需進行數據傳送，而是依靠計算的先后順序7.1硬件組成及輸入輸出接口7.2系統測試信號的處理7.3計算機控制系統的實時軟件設計7.4控制算法的編排實現7.5量化效應分析7.6采樣頻率的選取7.7計算機控制系統的抗干擾及可靠性技術517.1硬件組成及輸入輸出接口517.5.1有限字長二進制特性量化特性有限位(n)二進制所能表現的數據2n個等間隔數q稱為量化單位用q表示字長為N1位作符號位一個任意值的真實數x，只可以用q的整倍數xq來表示即有量化誤差常用的量化方法(1)舍入量化將小于量化單位的尾數進行四舍五入整量化。

(2)截尾量化將小于量化單位的尾數全部截掉。

527.5.1有限字長二進制特性量化特性q稱為量化單位用q表1.量化特性(1)舍入量化——將小于量化單位的尾數進行四舍五入整量化。

(2)截尾量化——將小于量化單位的尾數全部截掉。截尾量化誤差舍入量化誤差對于原碼及反碼對補碼531.量化特性(1)舍入量化——將小于量化單位的尾數進行四圖7-34兩種量化特性及量化誤差54圖7-34兩種量化特性及量化誤差542.統計特性(1)舍入情況(2)截尾情況

均值方差均值方差兩種情況下的量化誤差的方差相同，均值卻不一樣圖7-35量化誤差的概率分布密度函數552.統計特性(1)舍入情況(2)截尾情況均值方差3.溢出特性圖7-36二進制數碼及其溢出特性563.溢出特性圖7-36二進制數碼及其溢出特性56溢出保護措施后的數據范圍圖7-37修改后的溢出特性57溢出保護措施后的數據范圍圖7-37修改后的溢出特性577.5.2計算機控制系統中的量化A/D的量化效應（A/D字長的有限引起）控制器參數的量化效應（計算機字長有限引起）控制規律計算中的量化效應（乘法除法運算、右移運算等）D/A轉換的量化效應（D/A字長<CPU字長）圖7-38計算機控制系統的典型結構圖587.5.2計算機控制系統中的量化A/D的量化效應圖7-37.5.3量化誤差分析1.參數的量化誤差分析——利用靈敏度分析法進行

研究的變化對極點的影響

極點多項式泰勒級數展開高次項=0

001靈敏度公式0597.5.3量化誤差分析1.參數的量化誤差分析——利用靈參數的量化誤差分析分析結論：(1)靈敏度與成正比(2)靈敏度與各極點之間距離成反比(3)靈敏度與采樣周期T有關靈敏度公式k越大,Δak對根的影響也越大Δak對根的影響最大當極點越接近單位圓，則它受Δak的影響就越大。連續控制器極點s1=-5離散控制器極點T=10.10.001z1=0.00670.60650.995結論：T越小離散極點越靠近1參數量化影響更嚴重若控制器有重極點，設靈敏度隨重極點階數的增高而增高

60參數的量化誤差分析分析結論：(1)靈敏度與成正例7-5

直接型結構實現時，試求系數a3變化多大，將使D(z)有一極點處于單位圓上。用串聯和并聯結構實現時又如何？解：若有一極點處于單位圓上，則重極點靈敏度公式即a3減少0.000001時，會有一極點位于單位圓上Δa3必須小于0.000001為防止這種情況出現用定點數表示時，至少需要20位字長1/2-19=0.00000191/2-20=0.00000095采用串聯和并聯結構實現時，環節系數為環節的極點。故系數誤差<就可以避免極點跑到單位圓上.用定點數表示時，只需7位字長即可。在實現高階控制器時，最好避免采用直接型結構。61例7-5直接型結構實現時，試求系數a3變化多大，將使D(z2.變量的量化誤差分析(1)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e(k)作用到線性系統上，從而可以利用線性系統的各種分析方法。看作確定性干擾量化誤差的確定性分析中常假設:量化誤差源為確定性常數，取其最大值各支路量化誤差源對輸出的影響是線性疊加；各條支路量化誤差源對輸出的影響只考慮其穩態值。截尾量化誤差變化范圍截尾量化誤差舍入量化誤差變化范圍舍入量化誤差圖7-39乘法量化誤差的線性處理622.變量的量化誤差分析(1)變量量化誤差的確定性分析看作2.變量的量化誤差分析(2)量化的傳播確定性量化誤差通過一個環節D(z)之后，得到環節輸出的最大量化誤差值為舍入量化誤差（終值定理）例7-6求輸出的量化誤差（乘積按舍入處理）解：令乘積舍入結論：(1)環節的極點對量化誤差起放大作用(2)Tβ1，量化噪聲圖7-40量化誤差環節傳播結構圖632.變量的量化誤差分析(2)量化的傳播舍入量化誤差（終值7.5.4量化效應的非線性分析量化效應的本質是如圖7-34所示的非線性特性。已知，輸入為零。1．乘積采用舍入量化處理當時，環節輸出死區2．乘積采用截尾量化處理當時，環節輸出理想穩態值初值初值當時，環節輸出極限環當時，環節輸出負死帶初值初值圖7-41一階環節的結構圖647.5.4量化效應的非線性分析量化效應的本質是如圖7-3舍入量化時，死帶和極限環產生的條件和一般式輸出存在死區和極限環的本質原因，是因為乘積尾數量化的非線性效應。環節輸出達到穩態時，有產生死區或極限環設采用Tustin變換低頻環節采用高采樣頻率，將導致死帶幅值的增大。結論：為了避免量化非線性引起的控制器或系統的死區和極限環，在進行設計時，應當盡量使控制器或閉環系統的極點遠離單位圓。65舍入量化時，死帶和極限環產生的條件和一般式輸出7.5.5控制算法δ變換描述δ變換的特點：在小采樣周期下，δ離散模型近似于原連續模型，克服了z變換的不足；在數字算法實現時有更好的數值特性。1.δ變換定義或G(δ)與G(s)形式相同，極點位置及各種特性都相似

δ與z的關系平移放大

z變換δ變換相同667.5.5控制算法δ變換描述δ變換的特點：在小采樣周期下2.δ變換的差分方程描述已知變量x(k)的δ變換，需要將δ變換定義帶入即可寫出相應的差分方程。實現時有較好數值特性實現時有較差數值特性672.δ變換的差分方程描述已知變量x(k)的δ變換，需要將δ變7.1硬件組成及輸入輸出接口7.2系統測試信號的處理7.3計算機控制系統的實時軟件設計7.4控制算法的編排實現7.5量化效應分析7.6采樣頻率的選取7.7計算機控制系統的抗干擾及可靠性技術687.1硬件組成及輸入輸出接口687.6.1采樣頻率對系統性能的影響1.對系統穩定性能的影響采樣周期T是系統的一個重要的參數，對閉環系統的穩定性和性能有很大的影響。2.采樣信息的影響采樣定理實際應用時：被控對象全部特征根中的最高頻率系統閉環頻帶信號的最大頻率697.6.1采樣頻率對系統性能的影響1.對系統穩定性能的3.采樣周期與系統抑制干擾能力的關系

4.系統輸出平滑性與采樣周期階躍響應升起時間振蕩周期采樣點數開環截止頻率經驗規則：階躍響應非周期階躍響應是振蕩考慮ZOH影響

干擾信號最高頻率703.采樣周期與系統抑制干擾能力的關系階躍響應升起時間振蕩5.計算機字長與與采樣周期由于字長有限，當Ｔ減小，所產生的量化誤差會增大。當采樣周期過小時，將會增大控制算法對參數變化的靈敏度，使控制算法參數不能準確表示，從而使控制算法的特性變化較大。6.計算機的工作負荷與采樣周期計算機的運算是串行的，系統管理、輸入輸出、控制算法計算等各項任務都要占用一定的時間，故當計算機的速度及計算任務確定后，采樣間隔就要受到一定限制。計算機速度T可以取得更小。控制算法復雜性計算工作量，限制T的降低。715.計算機字長與與采樣周期717.6.2選擇采樣頻率的經驗規則對一個閉環控制系統，如果被控過程的主導極點的時間常數為Td，那么采樣周期應取被控過程具有純延滯時間

閉環系統的穩態調節時間有要求

閉環系統的閉環自然頻率有要求727.6.2選擇采樣頻率的經驗規則對一個閉環控制系統，如果采樣周期選取總原則：在能滿足系統性能要求的前提下，應盡量選取較大的采樣周期（即較低的采樣頻率），以降低系統成本。控制變量流量壓力液面溫度采樣周期s１５１０２０工業過程控制典型變量的采樣周期73采樣周期選取總原則：在能滿足系統性能要求的前提下，應盡量選取7.6.3多采樣頻率配置主要好處：(1)可以有效地減少計算機的運算量，從而降低對計算機的運算速度的要求；(2)對寬頻帶回路的快變信號選擇相應高的采樣速率，可以減少高頻控制器數字化帶來的動態誤差；根據低頻帶回路的慢變信號選擇相應低的采樣速率，可以減少低頻控制器數字化帶來的量化誤差。多采樣速率配置的原則根據每個回路或變量特性，按前面討論的原則進行配置。就單個回路而言，采樣頻率的選擇與單速率系統是相同的。為使多采樣速率在計算機中實現簡單，除保證同步采樣的要求外，采樣速率之比通常取整數倍，如采樣速率比n=2，4等。747.6.3多采樣頻率配置主要好處：747.1硬件組成及輸入輸出接口7.2系統測試信號的處理7.3計算機控制系統的實時軟件設計7.4控制算法的編排實現7.5量化效應分析7.6采樣頻率的選取7.7計算機控制系統的抗干擾及可靠性技術757.1硬件組成及輸入輸出接口757.7計算機控制系統的抗干擾及可靠性技術如果計算機控制系統不解決抗干擾的問題，不提高其可靠性，就無法工作。解決計算機控制系統的抗干擾問題的兩種途徑：1）找到干擾源，尋找相應的辦法抑制或消除干擾，盡可能避免干擾串入系統，從外因解決問題；2）提高計算機控制系統自身抵抗干擾的能力，從內因解決問題。

767.7計算機控制系統的抗干擾及可靠性技術如果計算機控制系統7.7.1干擾源及抗干擾措施1.干擾源(1)電網噪聲電網中大功率設備的啟停、電網切換或各種故障的產生，都會使電網發生瞬變，產生脈沖型噪聲。(2)內部干擾由于整個系統的接地系統不完善，信號被電磁感應和電容耦合，使系統內部存在干擾。(3)外部干擾主要指來自空間的干擾，如太陽及其它天體輻射的電磁波、電臺發出的電磁波、周圍的電器設備的電磁干擾，氣象條件、空中雷電，甚至地磁場的變化也會引起干擾。777.7.1干擾源及抗干擾措施1.干擾源772.克服空間感應的抗干擾措施空間感應的干擾主要來源于電磁場在空間的傳播，一般只需采用適當的屏蔽及正確的接地方法即可解決。根據屏蔽目的的不同，屏蔽及接地的方法也不一樣：電場屏蔽解決分布電容問題，所以一般接大地。電磁場屏蔽主要避免雷達、短波電臺等高頻電磁場輻射干擾，屏蔽層可以用低阻金屬材料做成，而且連接大地。磁屏蔽用以防止磁鐵、電機、變壓器、線圈等磁感應、磁耦合，屏蔽層用高導磁材料做成，一般也以接大地為好。782.克服空間感應的抗干擾措施空間感應的干擾主要來源于電磁場3.過程通道的抗干擾措施(1)串模干擾及其抑制串模干擾——疊加在被測信號上的干擾信號。串模干擾信號的主要成份是50Hz的工頻和特殊的高次諧波，且通過電磁耦合和漏電等傳輸形式，疊加到信號或引線上形成干擾。

①模擬濾波可使50Hz的干擾衰減到1/600左右。②進行電磁屏蔽和良好的接地從根本上切斷引起干擾的干擾源。例如選擇帶屏蔽層的雙絞線或同軸電纜連接一次儀表（如壓力變送器、熱電偶）和轉換設備，并配以良好的接地措施來解決。圖7-45串模干擾示意圖圖7-46二階阻容濾波器網絡793.過程通道的抗干擾措施(1)串模干擾及其抑制可使50H3.過程通道的抗干擾措施(2)共模干擾及其抑制共模干擾產生的主要原因是不同“地”之間存在共模電壓，以及模擬信號系統對地存在漏阻抗。

①采用差分放大器做信號前置放大②采用隔離技術將地電位隔開使用變壓耦合或光電耦合的隔離方法。若將光電耦合器與壓頻（V/F）變換器、頻壓（F/V）變換器組合起來，形成組合式模擬隔離器，不僅隔離方便，信號抗干擾性強，而且對模擬信號的遠距離傳送尤為有效。圖7-47共模干擾示意圖圖7-48差分輸入級示意圖803.過程通道的抗干擾措施(2)共模干擾及其抑制②采用隔4.電源系統的抗干擾措施(1)合理配置和使用低通濾波器和交流穩壓裝置(2)采用抗干擾能力強的開關電源(3)采用分布式獨立供電(4)采用備用電源或不間斷電源（UPS）814.電源系統的抗干擾措施(1)合理配置和使用低通濾波器5.地線配置的抗干擾措施接地是抑制干擾的主要方法，其目的：清除各電路電流流經公共地線阻抗時產生的噪聲電壓避免磁場及地電位差的影響，不使其形成地回路。針對幾種地線的處理措施：高頻電路就近多點接地的多點接地原則和低頻電路一點接地的一點接地原則；交流地與信號地分開；數字地與模擬地分開走線，只在一點匯在一起；功率地的地線應粗，且與小信號地線分開，而與直流地相連；信號地以5導體一點入地。

825.地線配置的抗干擾措施接地是抑制干擾的主要方法，其目的6.看門狗電路（Watchdog）應用場合(1)對系統“飛程序”自動恢復可用于檢測由于干擾引起的系統出錯并自動恢復運行，提高控制系統的可靠性。只能實現任務的恢復，不可能實現斷點的恢復。

(2)對硬件的故障進行檢測表現在Watchdog可能連續產生溢出脈沖，頻繁進入中斷處理程序。

Watchdog的每一次溢出輸出將引起系統復位，使系統重新初始化或產生中斷使系統進入故障處理程序，進行必要的處理，自動恢復正常的運行程序。程序正常運行時，CPU每隔TS

Tmax，設置定時器，使定時器不能達到Tmax，故不會發出故障中斷或故障復位的信號。圖7-49Watchdog的構成836.看門狗電路（Watchdog）應用場合7.7.2提高計算機控制系統可靠性措施1.提高單機系統可靠性的方法(1)對元部件嚴格篩選，使用可靠的單個元件，并對元件進行多道老化和嚴格檢驗；(2)充分重視元部件安裝的機械強度，以使機械運動（如振動）不會引起導線或焊接區的斷裂。此外，對必要的元部件應機械加固；(3)對組件采取涂漆和澆注處理可進一步提高機械緊固性；(4)插座是發生故障的最常見因素，因此，應盡量少用插座，并采用大的插座；(5)抗溫升保護，多數電子器件對溫度變化比較敏感，因此需要設計足夠的通風系統，采用溫度補償措施。

常用方法：①采用可靠性高的元部件進行完善的設計，獲得一個高可靠性的單機系統；②采用容錯技術，獲得一個高可靠的系統。847.7.2提高計算機控制系統可靠性措施1.提高單機系統2.容錯技術冗余技術包括：

(1)硬件冗余硬件堆積冗余（靜態冗余）待命貯備冗余（動態冗余）混合冗余（動靜冗余結合）(2)軟件容錯實現軟件容錯的基本活動：故障檢測損壞估計故障恢復缺陷處理容錯技術：在容忍和承認錯誤的前提下，考慮如何消除、抑制和減少錯誤影響的技術。常用的方法是利用各種冗余技術將可靠性較低的元件組成一個可靠性較高的系統，其實質是利用資源來換取高的可靠性。(3)指令冗余利用消耗時間資源來達到對系統的容錯目的。多采用單字節指令，并在關鍵的地方人為地插入單字節指令。(4)信息冗余利用增加信息的多余度來提高可靠性在數據中附加檢錯碼或糾錯碼，以檢查數據是否發生偏差，并在有偏差時糾正偏差

852.容錯技術冗余技術包括：容錯技術：在容忍和第7章內容結束！

86第7章內容結束！867.1硬件組成及輸入輸出接口7.2系統測試信號的處理7.3計算機控制系統的實時軟件設計7.4控制算法的編排實現7.5量化效應分析7.6采樣頻率的選取7.7計算機控制系統的抗干擾及可靠性技術877.1硬件組成及輸入輸出接口1圖7-1計算機控制系統的基本組成88圖7-1計算機控制系統的基本組成27.1.1對控制用計算機系統的硬件要求1.對計算機主機的要求

實時處理能力比較完善的中斷系統對指令系統的要求對內存的要求2.對過程輸入輸出通道的要求

有足夠的輸入通道數，并具有一定的擴充能力有足夠的精度和分辨率應有足夠的變換速度897.1.1對控制用計算機系統的硬件要求1.對計算機主機7.1.1對控制用計算機系統的硬件要求3.對應用軟件系統的要求實時性強、可靠性好、具有在線修改能力、輸入輸出功能強等4.方便的人機聯系顯示屏、各種功能鍵、輸入數據功能鍵等5.系統的可靠性和可維護性可靠性指系統無故障運行能力，指標——平均無故障間隔時間。907.1.1對控制用計算機系統的硬件要求3.對應用軟件系7.1.2對控制用計算機的選擇1.運算速度影響因素：系統計算工作量、采樣周期、指令系統、硬件支持2.計算機字長影響因素：量化誤差應與A/D的字長相協調信號的動態范圍與采樣周期T的關系若T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增加。

917.1.2對控制用計算機的選擇1.運算速度57.1.3計算機控制系統的模擬輸出通道D/A轉換器工作原理數字量轉換為模擬量或電流量的裝置。2.D/A轉換器的主要性能常用的主要指標：①精度——精度是反映實際輸出與理想數學模型輸出信號接近的程度。②分辨率——分辨率可定義為當輸入數字量發生單位數碼變化時輸出模擬量的變化量。分辨率也常用數字量的位數來表示。927.1.3計算機控制系統的模擬輸出通道D/A轉換器工作③轉換時間——最小有效位常以LSB表示，故轉換時間定義為D/A轉換器中的輸入代碼有滿刻度值的變化時，其輸出模擬信號達到滿刻度值LSB時所需要的時間。④輸出電平——電壓型：510V，2430V；電流輸出型：20mA，3A等。⑤輸入代碼形式——D/A轉換器單極性輸出時，有二進制碼、BCD碼。當雙極性輸出時，有符號+數值碼，偏移二進制碼等。7.1.3計算機控制系統的模擬輸出通道93③轉換時間——最小有效位常以LSB表示，故轉換時間3.D/A轉換器選擇的原則

集成D/A轉換器的輸入方式：不帶緩沖寄存器（如8位的DAC0808）帶緩沖寄存器（如8位的DAC0832、12位的DAC1208等）。選擇D/A轉換芯片主要考慮芯片的性能、結構及應用特性。在性能上必須滿足D/A轉換的技術要求，在結構和應用上滿足接口方便，外圍電路簡單，價格低廉等要求。對于D/A轉換器字長n的選擇，可以由其后的執行機構的動態范圍來選定：執行機構的死區電壓執行機構最大輸入943.D/A轉換器選擇的原則集成D/A轉換器的輸入方式：執4.多路D/A輸出時的實現方式圖7-2模擬量輸出通道的兩種實現結構圖954.多路D/A輸出時的實現方式圖7-2模擬量輸出通道的兩5.D/A的二進制碼制與極性(1)單極性二進制編碼(2)雙極性二進制編碼有符號的二進制可以用原碼、補碼、反碼和偏移二進制碼來表示。為了把雙極性的信號表示成數字代碼，就需要增加一位“符號位”。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。這幾種編碼與十進制數的關系如表7-1所示。

注意：計算機內信號的編碼可能與D/A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D/A轉換器的輸入。但若不一致（多數情況），則需要將計算得到的碼制進行相應的轉換后，方可作為D/A的輸入信號。965.D/A的二進制碼制與極性(1)單極性二進制編碼(2)7.1.4計算機控制系統的模擬輸入通道圖7-4模擬量輸入通道一般結構圖977.1.4計算機控制系統的模擬輸入通道圖7-4模擬量輸7.1.4計算機控制系統的模擬輸入通道采樣保持器孔徑時間——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采樣的模擬電壓的轉換分開，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行采樣，然后將采得的模擬電壓保持，供A/D轉換電路進行轉換。

圖7-5采樣保持器原理圖987.1.4計算機控制系統的模擬輸入通道采樣保持器圖7-52.A/D轉換器工作原理

工作原理:將輸入的模擬電壓按比例地轉化為二進制數字信號的裝置。圖7-7雙斜積分式A/D轉換器圖7-6逐次逼近式A/D轉換器

992.A/D轉換器工作原理工作原理:圖7-7雙斜積分式3.A/D轉換器的主要性能指標(1)精度——指對應一個給定的數字量的實際模擬量輸入與理論模擬量輸入接近的程度。(2)分辨率——指輸出數字量對輸入模擬量變化的分辨能力。即設A/D轉換器的位數為n，則A/D轉換器的分辨率為(3)轉換時間——從A/D轉換的啟動信號加入時起，到獲得數字輸出信號為止，所需的時間。(4)量程——指測量的模擬量的變化范圍。一般有單極性（如010V、020V）和雙極性（例如-5V+5V、-10V+10V）兩種。

或1003.A/D轉換器的主要性能指標(1)精度——指對應一個4.A/D轉換器的選擇除了要滿足用戶的各種技術要求外，還必須注意：A/D輸出的方式A/D芯片對啟動信號的要求A/D的轉換精度和轉換時間它的穩定性及抗干擾能力等A/D轉換器的精度與傳感器的精度有關，一般比傳感器的精度高一個數量級；A/D轉換器的轉換速率還與系統的頻帶有關。根據輸入模擬信號的動態范圍可選擇A/D轉換器位數n

模入信號的最大值模入信號的最小值1014.A/D轉換器的選擇除了要滿足用戶的各種技術要求外，5.檢測通道的數據采集圖7-8單路檢測通道結構類型1025.檢測通道的數據采集圖7-8單路檢測通道結構類型166.A/D的二進制碼制與極性A/D的二進制碼制與極性類似于D/A的二進制碼制與極性，可同時參見表7-1（此時表中的VREF為A/D的量程）和表7-2。在實際應用中，A/D輸出的代碼形式可能采用前面介紹的幾種二進制編碼中的一種。注意：計算機內信號的編碼可能與A/D輸出信號的編碼不完全一致。若一致，則可將A/D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（多數情況），則需要將A/D輸出信號的編碼進行相應的轉換后，方參與到算法的運算中。1036.A/D的二進制碼制與極性A/D的二進制碼制與極性177.CPU和A/D轉換電路之間的I/O控制方式(1)查詢方式由CPU執行I/O指令啟動并完成。每次傳送數據之前，要先輸入A/D轉換器狀態，經過查詢符合條件后才可以進行數據的I/O。靈活，但在讀寫數據端口指令之前需要重復執行多次查詢狀態的指令，當外設速度比較慢時，會造成CPU效率的大大降低。(2)中斷方式可以省掉重復繁瑣的查詢，并可及時響應外設的要求。在這種方式下，CPU和外設基本上實現了并行工作，當然由于增加了中斷管理功能，所以對應的接口電路和程序要比查詢方式復雜。(3)DMA方式在高速數據采集系統中，不僅要選用高速A/D轉換電路，而且傳送轉換結果也要求非常及時迅速，可以考慮選用DMA方式。

1047.CPU和A/D轉換電路之間的I/O控制方式(1)查詢7.1.5計算機控制系統的數字輸入輸出通道輸入緩沖器的作用對外部輸入信號進行緩沖、加強和選通。輸出鎖存器將CPU輸出的數據或控制信號進行鎖存，以便放大驅動執行機構作用于被控對象。I/O電氣轉換部分的功能：濾波、電平轉換、隔離、功率驅動等。圖7-9開關量輸入輸出通道結構1057.1.5計算機控制系統的數字輸入輸出通道輸入緩沖器的作7.1.6信號的調理1.直流電壓信號的調整設計相應的調理電路（如分壓、放大等），將直流信號轉換成計算機所能接受電壓形式，再直接使用A/D轉換器。2.直流電流信號的調理設計電流到電壓的轉換電路。3.數字信號的調理主要是進行隔離、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。對于數字量的測量主要應用于對頻率的測量和對轉速的測量。圖7-13有源I/V變換電路圖7-12電流信號傳輸的典型電路1067.1.6信號的調理1.直流電壓信號的調整3.數字信7.1.7總線技術1.總線定義總線是一組信號線的集合。這些線是系統的各插件間（或插件內部各芯片間）、各系統之間傳送規定信息的公共通道，有時也稱數據公路，通過它們可以把各種數據和命令傳送到各自要去的地方。1077.1.7總線技術1.總線定義212.總線類型(1）根據總線不同的結構和用途的分類專用總線只實現一對物理部件間連接的總線。非專用總線可以被多種功能或多個部件所共享。準確應稱為分時共享總線。(2）根據總線的用途和應用環境的分類局部總線（芯片或元件級總線）構成中央處理機或子系統內所用的總線。系統總線（內總線和板級總線）用于各單微處理機之間、模塊之間的通信，可用于構成分布式多機系統，如STD總線、VME總線、PC總線等。外總線（通信總線）用于微處理機與其它智能儀器儀表間的通信，如RS-232C等(3）根據總線傳送信號的方式的分類并行總線用若干根信號線同時傳遞信號，就構成了并行總線。串行總線按照信息逐位的順序傳送信號。1082.總線類型(1）根據總線不同的結構和用途的分類223.目前幾種通用總線介紹(1)STD總線目前工業控制及工業檢測系統中使用最廣泛的總線，它兼容性好，能夠支持任何8位或16位微處理器，成為一種通用標準總線。具有以下特點：小板結構，高度模塊化嚴格的標準化，廣泛的兼容性面向I/O的開放式設計，適合工業控制應用高可靠性

STD是工業應用中十分有前途的通用標準總線。按此標準設計系統，可使系統具有良好的適應性及組裝靈活性。目前國內外許多廠家均按STD標準來生產系統和插件，因此，對應用者來說，按STD標準來組成自己的應用系統將會大大縮短系統的硬件研制周期。1093.目前幾種通用總線介紹(1)STD總線233.目前幾種通用總線介紹(2)IBMPC/AT總線

由于IBMPC機有豐富的軟、硬件支持，而且其價格低廉，目前已成為國際上廣泛使用的微型機之一。IBMPC機的主板上設計了供輸入輸出用的總線，這些總線引至系統板上的5個或8個62腳的插座上，這些插座稱為擴展插槽。制造商提供的用作擴充PC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、A/D及D/A轉換板、數據采集板、各類存儲器擴展板、打印機接口板、網絡接口板等。用戶可根據需要進行選購，也可根據需要自行設計和開發新的功能板。PC/AT總線對環境要求較高，無法保證在工業現場可靠運行。PC／AT總線都是主要采取將微處理器芯片總線經緩沖直接映射到系統總線上，沒有支持總線仲裁的硬件邏輯，因而不支持多主系統。1103.目前幾種通用總線介紹(2)IBMPC/AT總線3.目前幾種通用總線介紹(3)RS232C串行接口標準總線

由電子工業學會正式公布的串行總線標準，也是在微機系統中最常用的串行接口標準，用于實現計算機與計算機之間、計算機與外設之間的同步或異步通訊。采用RS232C作串行通訊時，傳輸數據的速率可任意調整，最大可達20Kb。兩種連接系統的方式：近程（傳輸距離小于15m）通訊，這時可以用RS232C電纜直接連接。遠程（15m以上的長距離）通訊，需要采用調制解調器（MODEM）經電話線進行。

1113.目前幾種通用總線介紹(3)RS232C串行接口標準3.目前幾種通用總線介紹(4)RS422串行接口標準總線

采用了平衡驅動和差分接收器組合的雙端接口方式。傳輸距離可以達到1000米，傳輸波特率可以達到10Mbit/s。

圖7-17RS-422發送驅動器1123.目前幾種通用總線介紹(4)RS422串行接口標準7.1硬件組成及輸入輸出接口7.2系統測試信號的處理7.3計算機控制系統的實時軟件設計7.4控制算法的編排實現7.5量化效應分析7.6采樣頻率的選取7.7計算機控制系統的抗干擾及可靠性技術1137.1硬件組成及輸入輸出接口277.2.1測試信號的濾波模擬濾波器在采樣開關前加入適當的模擬濾波器（稱為抗混迭濾波器或前置模擬低通濾波器），通常為簡單的低通網絡。濾波器的轉折頻率選取濾波器參數時，應盡量保證：在系統頻帶內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。1147.2.1測試信號的濾波模擬濾波器濾波器的轉折頻率選取2.數字濾波利用程序實現的濾波。只需根據濾波算法編制相應的程序即可達到目的。(1)平均值濾波在一個采樣周期中，對信號y連續進行m次采樣，并對其取算術平均值，作為本采樣周期內的濾波器輸出。還可以在平均算法中給各次采樣值不同的權重系數，此時濾波算法為：滿足通常取1152.數字濾波利用程序實現的濾波。只需根據濾波算法編制相應2.數字濾波(2)中值濾波在一個采樣周期中，將信號的連續次（一般取奇數,）采樣值進行排序，取其中間值作為本采樣周期內的濾波器輸出。一般m越大濾波效果越好，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。(3)限幅濾波根據對象的特點和系統的精度，對采樣數據的正常范圍事先作一個估計。若某次采樣受到強烈的干擾，使數據明顯超出正常范圍，就應該將其剔除。

ΔY：相鄰兩次采樣值之差的最大可能值如果本次采樣值y(k)和上次采樣值y(k-1)之差小于ΔY，表示y(k)是真實的，取本次采樣值作為濾波器的輸出值；反之，y(k)是不真實的，取前一次的濾波器輸出為本次濾波器的輸出。說明對隨機脈沖干擾和采樣器不穩定引起的失真有良好的濾波效果。1162.數字濾波(2)中值濾波ΔY：相鄰兩次采樣值之差的最2.數字濾波(4)慣性濾波模擬RC低通濾波器的數字實現。RC濾波器的傳函后差分法適用于有用信號緩慢變化，干擾信號波動頻繁的場合。1172.數字濾波(4)慣性濾波RC濾波器的傳函后差分法7.2.2測試信號的線性化處理通過模擬量輸入通道采集到的數據與該數據所代表的被測參數不一定呈線性關系，常需要將它們進行非線性補償，將非線性關系轉化為線性關系，才能用于顯示和控制。例如，銅康銅熱電偶（T型）以冷端溫度t0=0oC為條件下，在0400C的范圍內計算溫度的公式為計算量較大程序較復雜為了使計算簡單，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線進行計算。線性化過程是，首先判斷測量數據處于哪一段折線內，然后按照相應段的線性化公式計算出線性值。分段可以是等距的，也可以是非等距的；分段數越多，線性化精度越高，軟件開銷就越大。1187.2.2測試信號的線性化處理通過模擬量輸入通道采集到的7.1硬件組成及輸入輸出接口7.2系統測試信號的處理7.3計算機控制系統的實時軟件設計7.4控制算法的編排實現7.5量化效應分析7.6采樣頻率的選取7.7計算機控制系統的抗干擾及可靠性技術1197.1硬件組成及輸入輸出接口337.3.1

軟件的分類圖7-19計算機控制系統的軟件組成1207.3.1

軟件的分類圖7-19計算機控制系統的軟件組7.3.2實時控制程序設計語言的選用機器語言（即機器指令）匯編語言高級語言高級語言和匯編語言的混合使用1217.3.2實時控制程序設計語言的選用機器語言（即機器指令7.3.3實時控制軟件的設計1.實時控制軟件(1)實時管理軟件實時時鐘管理

輸入／輸出信息管理

中斷管理功能

任務調度

人機聯系

設置系統的初始狀態(2)過程監視及控制算法計算軟件數據變換處理程序控制指令生成程序

事故處理程序

信息管理程序

基本運算程序碼制及格式轉換程序

1227.3.3實時控制軟件的設計1.實時控制軟件(1)實圖7-20典型的計算機實時控制系統的程序流程框圖123圖7-20典型的計算機實時控制系統的程序流程框圖372.控制算法設計中減少計算時延的方法算法I：包括那些為了得到當前輸出值而必須進行的計算。算法II：包括那些為了得到下一時刻輸出值而必須進行的計算，以及與當前輸出無關的其它計算和管理算法。延時對控制系統有不好的影響！A/DD/AD(z)t1t2t3延時t圖7-21數模混合系統計算延時的引入1242.控制算法設計中減少計算時延的方法算法I：包括那些為圖7-22三種控制算法的輸出時刻125圖7-22三種控制算法的輸出時刻39圖7-22三種控制算法的流程框圖126圖7-22三種控制算法的流程框圖407.1硬件組成及輸入輸出接口7.2系統測試信號的處理7.3計算機控制系統的實時軟件設計7.4控制算法的編排實現7.5量化效應分析7.6采樣頻率的選取7.7計算機控制系統的抗干擾及可靠性技術1277.1硬件組成及輸入輸出接口417.4.1控制算法的編排結構直接型結構的實現比較簡單，不需要做任何變換。嚴重的缺陷：如果控制器中任一系數存在誤差，則將使控制器所有的零極點產生相應的變化。1.直接型結構圖7-24直接型結構1287.4.1控制算法的編排結構直接型結構的實現比較簡單，不2.串聯型結構將D(z)的分子分母因式分解，得一階或二階的環節乘積,可以用這些低階環節的編排結構（采用直接型編排實現）進行串聯而得。

其中Di為或如果低階控制器中任一系數有誤差，不會使控制器所有的零極點產生相應的變化。

圖7-25串聯型編排實現結構圖1292.串聯型結構將D(z)的分子分母因式分解，得一階或二階的3.并聯型結構將D(z)進行部分分式展開

，得一階或二階環節之和。可以用這些低階環節的編排結構（采用直接型編排實現）進行并聯而得。其中Di為或如果低階控制器中任一系數有誤差，不會使控制器所有的零極點產生相應的變化。

圖7-26并聯型編排實現結構圖1303.并聯型結構將D(z)進行部分分式展開，得一階或二階環7.4.2比例因子的配置原因：定點數要求、D/A前要求原則:(1)絕大多數情況下，使各支路信號不上溢(2)盡量減少動態信號的下溢值，減小不靈敏區，提高分辨率

(3)控制算法各支路的比例因子可以采用實際物理量的最大值與計算機代碼的最大值之比來確定。采用2的整次冪來縮放.(4)要保證配置比例因子前后，支路的增益與總的傳遞特性保持不變

(5)A/D和D/A比例因子的計算A/D的傳遞系數KAD=1/uimax

，D/A具有傳遞系數KDA=uomax

故需要在計算機內應配置相應的比例因子1/KAD和1/KDA。1317.4.2比例因子的配置原因：定點數要求、D/A前要求A當控制器增益大于1的情況

|D(z)|=K*|D1(z)|1，(K1且|D1(z)|1)

處理方法:①計算機實現增益小于1的控制器D1(z)，其余增益移到系統模擬部分完成并設置限幅。②將大于1的增益放到最后，并在該增益之前設置數字限幅保護，防止輸入信號較大時發生上溢。圖7-27數字控制系統控制器增益的分配132當控制器增益大于1的情況|D(z)|=K*|D1(z)|例7-4

試畫出實現該控制器的結構編排圖。設實現控制律的主機采用定點小數的補碼來表示數據，進行適當的比例因子配置，寫出對應算法的差分方程，給出相應的算法實現流程圖。解：(1)直接編排實現圖7-29控制算法編排結構圖圖7-28某控制器接口圖133例7-4試畫出實現該控制器的結構編排圖。設實現控制律的主機進行比例因子配置考慮系數的情況注意到：由于主機用定點小數的補碼來表示數據，大于1的數據無法在計算機內表示出來。又必須保證每個回路和支路的增益保持不變。確定控制器中間變量的最大值，對整個環節進行配置。考慮A/D和D/A的量程選擇比例因子為22=43。A/D的量程為10V，A/D的傳遞系數KAD=1/10D/A的量程為5V，D/A的傳遞系數KDA=5為了不改變信號的傳遞關系，應配置比例因子1/(KAD*KDA)=2134進行比例因子配置考慮系數的情況選擇比例因子為22=43。稍加整理，得配置好比例因子的結構編排圖。

算法I：算法II：圖7-30整個環節配置比例因子后的直接編排實現結構圖135稍加整理，得配置好比例因子的結構編排圖。算法I：算法II特點：

無需進行數據傳送，而是依靠計算的先后順序，間接得到和的歷次值。

圖7-31算法流程圖136特點：

無需進行數據傳送，而是依靠計算的先后順序7.1硬件組成及輸入輸出接口7.2系統測試信號的處理7.3計算機控制系統的實時軟件設計7.4控制算法的編排實現7.5量化效應分析7.6采樣頻率的選取7.7計算機控制系統的抗干擾及可靠性技術1377.1硬件組成及輸入輸出接口517.5.1有限字長二進制特性量化特性有限位(n)二進制所能表現的數據2n個等間隔數q稱為量化單位用q表示字長為N1位作符號位一個任意值的真實數x，只可以用q的整倍數xq來表示即有量化誤差常用的量化方法(1)舍入量化將小于量化單位的尾數進行四舍五入整量化。

(2)截尾量化將小于量化單位的尾數全部截掉。

1387.5.1有限字長二進制特性量化特性q稱為量化單位用q表1.量化特性(1)舍入量化——將小于量化單位的尾數進行四舍五入整量化。

(2)截尾量化——將小于量化單位的尾數全部截掉。截尾量化誤差舍入量化誤差對于原碼及反碼對補碼1391.量化特性(1)舍入量化——將小于量化單位的尾數進行四圖7-34兩種量化特性及量化誤差140圖7-34兩種量化特性及量化誤差542.統計特性(1)舍入情況(2)截尾情況

均值方差均值方差兩種情況下的量化誤差的方差相同，均值卻不一樣圖7-35量化誤差的概率分布密度函數1412.統計特性(1)舍入情況(2)截尾情況均值方差3.溢出特性圖7-36二進制數碼及其溢出特性1423.溢出特性圖7-36二進制數碼及其溢出特性56溢出保護措施后的數據范圍圖7-37修改后的溢出特性143溢出保護措施后的數據范圍圖7-37修改后的溢出特性577.5.2計算機控制系統中的量化A/D的量化效應（A/D字長的有限引起）控制器參數的量化效應（計算機字長有限引起）控制規律計算中的量化效應（乘法除法運算、右移運算等）D/A轉換的量化效應（D/A字長<CPU字長）圖7-38計算機控制系統的典型結構圖1447.5.2計算機控制系統中的量化A/D的量化效應圖7-37.5.3量化誤差分析1.參數的量化誤差分析——利用靈敏度分析法進行

研究的變化對極點的影響

極點多項式泰勒級數展開高次項=0

001靈敏度公式01457.5.3量化誤差分析1.參數的量化誤差分析