第二章計算機控制系統基礎2.1計算機控制系統的采樣及信號特點2.2計算機控制系統的數學模型2.3計算機控制系統的總線技術2.1計算機控制系統的采樣及信號特點計算機控制系統的信號形式信號的采樣、采樣周期和采樣定理信號的保持2.1計算機控制系統的采樣及信號特點計算機控制系統的信號形式連續模擬信號：如傳感器輸出信號、D/A變換后保持器的輸出信號等。離散模擬信號：采樣器的輸出信號及D/A輸出信號等。連續數字信號：計算機存儲和正在處理的數據等。離散數字信號：A/D輸出信號、計算機總線上的輸出信號等。2.1計算機控制系統的采樣及信號特點離散模擬信號→離散數字信號（量化）量化單位：量化誤差：例：滿量程信號幅值M=10V，A/D位數分別為8位、12位。則：2.1計算機控制系統的采樣及信號特點信號的采樣、采樣周期和采樣定理（連續模擬信號→離散模擬信號）2.1計算機控制系統的采樣及信號特點3信號的采樣、采樣周期和采樣定理（連續模擬信號→離散模擬信號）采樣開關、理想采樣開關和理想采樣脈沖采樣開關：τ、T理想采樣開關：τ→0理想采樣脈沖：2.1計算機控制系統的采樣及信號特點信號的采樣、采樣周期和采樣定理（連續模擬信號→離散模擬信號）采樣信號：采樣周期：過大信號產生失真，過小增加計算機數據處理和存儲的負擔。采樣定理（香農定理）：若 或 則采樣信號y*(t)能無失真地恢復到原信號y(t)。 實際應用時，常取2.1計算機控制系統的采樣及信號特點信號的保持（離散模擬信號→連續模擬信號）零階保持器：kT時刻的y(kT)延續一個周期，即保持到kT＋T時刻。yh(kT＋t)=y(kT)0≤t≤T1(t)1(t-T)1(t-T)h

0

(t)

＝1(t)－1(t－T)1h0(t)0TtH0(s)h0(t)δ(t)原信號y(t)恢復信號y(t)采樣信號y(t)ty2.1計算機控制系統的采樣及信號特點信號的保持（離散模擬信號→連續模擬信號）注意：D/A轉換器通常帶有零階保持器的功能。無需另設。一階保持器和高階保持器：一階保持器，斜直線，近似程度好，相位滯后更甚，一般不用。2.2計算機控制系統的數學模型Z變換Z變換的定義連續系統采樣差分方程Z變換Z傳遞函數分析離散系統特性離散系統建模2.2計算機控制系統的數學模型Z變換為了運算和書寫方便，引入一個新變量z

或注意：只能用于將Y*(s)轉變為Y(z)，而不能將Y(S)直接進行轉變(只有采樣函數才有Z變換)。y（kT）決定了采樣函數的幅值，z的冪次表示采樣脈沖出現的時刻。一個函數的Z變換只有在采樣時刻才有意義，兩個不同的連續函數的采樣信號可以有相同的Z變換。2.2計算機控制系統的數學模型Z變換Z變換的基本定理序性質和定理時域Z變換說明1線性定理2滯后(右移)定理3超前(左移)定理

4復數平移5初值定理6終值定理(t-kT)形式的差分方程Z變換比較簡單運算有用，超前環節實際不存在2.2計算機控制系統的數學模型Z變換Z變換的計算無窮級數求和法：按定義展開，等比數列求和。部分分式法：Y(s)→y(t)

→Y(z)查表法：由y(kT)或Y(s)求Y(z)留數計算法：由Y(s)求Y(z)，常見一階極點和二階極點情況。pi(i=1,2…n)：極點n：全部不相等極點的數目ri：s=pi時的重數單極點：二重極點：2.2計算機控制系統的數學模型Z變換Z變換的計算例：單位脈沖函數δ(t)單位階躍函數2.2計算機控制系統的數學模型Z變換例：單位速度函數指數函數例：已知連續函數y(t)的拉氏變換，求Y(z)解：單極點p1=2，二重極點p2=－4將Y(s)展開成部分分式形式求待定系數A1

、A2

、A3

由復位移定理：查表：得：例：已知連續函數y(t)的拉氏變換，求Y(z)解：單極點p1=2，二重極點p2=－4用留數法：2.2計算機控制系統的數學模型Z變換Z反變換長除法：可得y(kT)的時間序列值，難以得到解析式部分分式法：展開成部分分式，再查表寫出和式，一般先把Y(z)除以z再展開，使得展開后的分子上都有z。查表法：可查出常見的y(t)或y(kT)留數計算法：確定極點和階數后，用公式求出y(kT)2.2計算機控制系統的數學模型Z變換Z反變換留數計算法：設y(Z)有n個極點P1P2

…Pi

…Pn則=pri(i=1,2…n)：極點n：全部不相等極點的數目Mi：s=pri時的重數單極點：二重極點：2.2計算機控制系統的數學模型Z變換Z反變換例用長除法：2.2計算機控制系統的數學模型Z變換Z反變換例部分分式展開法：2.2計算機控制系統的數學模型Z變換Z反變換例用留數計算法求Y(z)=

的Z反變換+

=

+

=1-解：n=2,P1=1,P2=0.4y(kT)=+2.2計算機控制系統的數學模型4計算機控制系統的數學模型差分方程脈沖（Z）傳遞函數脈沖傳遞函數定義：在零初始條件下，系統的輸出采樣函數的Z變換和輸入采樣函數的Z變換之比。

2.2計算機控制系統的數學模型計算機控制系統的數學模型脈沖（Z）傳遞函數脈沖傳遞函數代數運算法則串聯并聯反饋回路運算2.2計算機控制系統的數學模型計算機控制系統的數學模型串聯離散環節串聯連續環節串聯（中間有采樣開關）連續環節串聯（中間無采樣開關）分離不出G1(z)和G2(z)帶有零階保持器的開環Z傳遞函數推廣的滯后定理線性性質2.2計算機控制系統的數學模型計算機控制系統的數學模型并聯離散環節并聯連續環節并聯連續環節并聯（有采樣開關）2.2計算機控制系統的數學模型計算機控制系統的數學模型反饋回路前向通路影響分子，回路影響分母，采樣開關的位置同時影響分子和分母。沒有統一的計算公式，只能根據系統的實際結構來求解。(1)反饋取樣Y(s)(A)(B)以E(z)處為推導Gc(z)的基準點(A)：前向通道上，從R到基準處傳遞的信號(B)：閉環回路上，從基準點循環到基準點的信號(A)

－

(B)G(s)與F(s)之間無采樣開關反饋通道取的信號是Y(s)(2)反饋取樣Y(z)(A)(B)G(s)與F(s)之間有采樣開關反饋通道取的信號是Y(z)以Y

(z)處為推導Gc(z)的基準點(A)：前向通道上，從R

到基準處傳遞的信號(B)：閉環回路上，從基準點循環到基準點的信號(A)

－

(B)(3)無法分離R(z)的情況之間無采樣開關以E2(z)處為推導Gc(z)的基準點反饋通道取的信號是Y(s)有

但分離不出

分離不出所以得不到閉環Z傳遞函數Gc(z)，但可以求出系統輸出的(4)單位反饋閉環

Z傳遞函數實際的計算機控制系統框圖執行機構測量變送裝置Y

f(s)與R

(s)同量綱將執行機構和反饋環節并入控制對象，即把乘積V

(s)G

(s)F

(s)作為新的G

(s)此時的系統輸出就是反饋到比較器的輸出Yf(s)框圖可等效化單位反饋等效框圖先求出帶零階保持器的連續對象Z傳遞函數HG

(z)再以Y

(z)處為基準點，推出傳遞函數2.2計算機控制系統的數學模型離散控制系統的穩定性離散控制系統的性能類同于連續系統。系統特性穩快準系統穩定，抗干擾過渡時間短，響應快輸出等于或接近期望值σptrtsess2.2計算機控制系統的數學模型離散控制系統的穩定性離散控制系統的性能類同于連續系統。離散控制系統的穩定性從s域到z域的映射S平面上的虛軸Z平面上單位圓(以原點為圓心)S平面的左半平面Z平面上單位圓內部S平面的右半平面Z平面上單位圓外部s→z的映射是唯一的z→s的映射不是唯一的2.2計算機控制系統的數學模型離散控制系統的穩定性離散控制系統的性能類同于連續系統。線性離散控制系統的穩定性系統穩定的條件穩定性判斷方法：通過復數雙線性變換后，采用與連續線性系統同樣的方法進行判斷。線性連續系統穩定條件：閉環的極點在

S平面的左半平面線性離散系統穩定條件：閉環的極點均在Z

平面的單位圓內2.2計算機控制系統的數學模型離散控制系統的穩定性復數雙線性變換w平面上的虛軸Z平面上單位圓(以原點為圓心)w平面的左半平面Z平面上單位圓內部w平面的右半平面Z平面上單位圓外部2.3計算機控制系統的總線技術工業控制計算機的體系結構要求可靠性高。平均無故障工作時間(MTBF)達到幾萬小時，同時盡量縮短（幾分鐘）故障修復時間(MTTR)實時性好。環境適應性強。溫度、濕度變化范圍；防塵、防腐蝕、防振動沖擊；電磁兼容性和抗干擾能力及共模抑制的能力。過程輸入和輸出配套較好。多種功能的輸入和輸出配套模板，多種類型的信號調理功能系統擴充性好。系統開放性。控制軟件包功能強。系統通信功能強后備措施齊全。供電后備、存儲器信息保護、手動／自動操作切換、緊急事故處理裝置等具有冗余性2.3計算機控制系統的總線技術工業控制計算機的體系結構IPCDCS工控機——即“現場工作站”PLC智能調節器嵌入式工控機PC/104總線工控機ARM嵌入式單片機單片機工控機的實物2.3計算機控制系統的總線技術

工控機(IPC)是以PC總線(ISA、VESA、PCI總線)為基礎構成的工業計算機。其總線結構便于維護、擴充和模塊化。2.3計算機控制系統的總線技術工業控制計算機的體系結構DCS工控機——即“現場工作站”現場工作站的機械結構1、主控制板2、I/O模板3、機箱P20NS電源插件4、機箱P40NS電源插件5、風機單元F016、I/O端子板7、P30NS端子板電源箱8、系統電源開關9、機柜現場工作站的機箱（機籠）2.3計算機控制系統的總線技術6工業控制計算機的體系結構PLC開關量邏輯控制運動控制閉環過程控制數據處理通訊聯網2.3計算機控制系統的總線技術工業控制計算機的體系結構PLC中央處理單元CPU

存儲器I/O接口模擬量輸入模塊模擬量輸出模塊開關量輸入模塊開關量輸出模塊智能模塊接口和擴展接口模塊電源模塊編程工具專用編程器專用編程軟件2.3計算機控制系統的總線技術工業控制計算機的體系結構PLC分類

按地域范圍美國流派：GE、Modicon、AB歐洲流派：SIEMENS、日本流派：OMRON、三菱、日立、松下按I/O點數超小型<64小型65-128中型128-512大型>512按結構一體化模塊化總線連接器電源模塊CPU模塊通信模塊I/O模塊DIN導軌模塊DIN導軌電源輸入接地輸入端6個輸入指示狀態指示4個輸出指示輸出端24VDC電源輸出（AC型PLC）外設端口2.3計算機控制系統的總線技術工業控制計算機的體系結構PLC

擴展IO連接電纜擴展連接器S7-300PLC簡介S7-300PLC的硬件構成： CPU模塊 接口模塊（IM）

I/O模塊（SM） 功能模塊（FM） 電源模塊（PS） 導軌（RACK）等總線連接器電源模塊CPU模塊通信模塊I/O模塊DIN導軌模塊DIN導軌松下FP0系列PLC產品介紹2.3計算機控制系統的總線技術工業控制計算機的體系結構智能調節器2.3計算機控制系統的總線技術工業控制計算機的體系結構嵌入式工控機PC/104總線工控機這種工控機是基于PC/104總線的微型計算機，PC/104總線是采用自堆（疊）式的總線結構，取消了底板和插槽，從而構成小體積、低功耗、高性能的計算機。PC/104總線工控機有各種接口模塊：CPU模塊、顯示模塊、網絡模塊、CRT接口模塊、A/D轉換模塊、I/O輸入/輸出模塊，串口、并口、IDE、軟驅接口、EL/LCD、多功能口接口模塊、SSD固態盤擴展模塊等。PC/104總線工控機的實物PC/I04PC/104總線工控機的主控板A組32個引腳B組32個引腳C組20個引腳D組20個引腳386SX-40CPU

板載4MBEDORAMALiM6117芯片組

HM86508顯示集成芯片2個RS-232串行口

并行口

IDE通道

FDD接口

2.3計算機控制系統的總線技術工業控制計算機的體系結構嵌入式工控機ARM（AdvancedRISCMachines）嵌入式單片機低功耗、低成本、高性能采用RISC（ReducedInstructionSetComputer）指令集使用大量的寄存器三/五級流水線采用RISC架構的ARM處理器2.3計算機控制系統的總線技術工業控制計算機的體系結構嵌入式工控機ARM（AdvancedRISCMachines）嵌入式單片機ARM微處理器系列ARM7系列ARM9系列ARM9E系列ARM10E系列SecurCore系列Intel的Xscale2.3計算機控制系統的總線技術工業控制計算機的體系結構單片機：51系列8位機、96系列16位機、960系列32位機等。DSP系列（數字信號處理器）2.3計算機控制系統的總線技術工業控制計算機的體系結構單片機：2.3計算機控制系統的總線技術工業控制計算機的結構體系總線技術總線的概念和類型總線的體系結構內部總線2.3計算機控制系統的總線技術總線的定義：一組公用線的集合規定了各引線的信號、時序、電氣和機械特性為計算機系統內部各部件、各模塊之間或計算機各系統之間提供了標準的公共信息通路(起到橋梁作用)任何系統的研制和外圍模塊的開發都必須符合某種總線的標準實際上是計算機系統真正的核心總線技術通道控制功能、使用方法、仲裁方法和傳輸方式等總線的標準、結構不同，性能差異很大隨著VLSI(超大規模集成電路)技術的迅速發展,微處理器的性能迅速提高,計算機總線得到進一步發展,其能力越來越強,速度也越來越快。2.3計算機控制系統的總線技術總線的概念總線1#總線接口2#3#4#5#6#總線與總線接口一起便稱之為總線結構2.3計算機控制系統的總線技術總線結構的優點：使結構由面向CPU變為面向總線,簡化了系統結構；可做到硬件、軟件的模塊化設計與生產：按功能劃分計算機的各個部件，并按總線標準設計成由總線連接的模板結構：CPU主板、RAM/ROM存儲板、A/D、D/A、DI、DO等增加計算機系統的通用性、靈活性、開放性、擴展性和可靠性系統結構清晰明了,便于靈活組態、擴充、改進與升級；為系統的維修提供了方便符合同一總線標準的產品兼容性強：用戶可以根據自己的需要將不同生產廠家生產的各種型號的模塊或模板方便地用標準總線連接起來2.3計算機控制系統的總線技術總線的分類根據總線的功能和應用場合內部總線（InternalBus)：又稱系統總線或模板級總線用于計算機內部模塊（板）之間通信數據總線D：用于傳遞數據信息地址總線A：用于傳遞地址信息控制總線C：包括控制、時序和中斷信號線，用于傳遞各種控制信息電源總線P：向總線提供電源常用的有PCI、STD、VME、MULTIBUS等外部總線（ExternalBus)：又稱通訊總線用于計算機之間或計算機與設備之間通信如：IEEE-488、RS-232C、RS-485等根據總線的結構并行總線：每個信號都有自己的信號線串行總線：所有信號復用一對信號線2.3計算機控制系統的總線技術2.3計算機控制系統的總線技術……CPU總線母板RAMROMA/DD/A外部總線接口數據總線D地址總線A控制總線C電源總線P內部總線結構示意圖2.3計算機控制系統的總線技術總線性能總線時鐘頻率(即總線工作頻率，單位MHz)；總線寬度即數據總線的位數，單位為bit；總線傳輸速率即總線帶寬，在總線上每秒鐘傳輸的最大字節數MB/s，每秒處理多少兆字節。它們之間的相關計算公式：傳輸速率=總線時鐘頻率*總線寬度/82.3計算機控制系統的總線技術體系結構指由總線本身定義地址空間、數據長度、操作定時信號以及傳輸協議等，以保證CPU的性能得到充分發揮而與CPU無關。主控模塊（Master,主模塊)可以控制總線并啟動數據傳送的任何模塊受控模塊（Slave,從模塊)能夠響應總線主模塊發出命令的任何模塊2.3計算機控制系統的總線技術單總線體系結構(SingleBusArchitecture)微機中所有模塊都連到單一總線上。在整個系統中只有一個數據通路,故名單總線。這類總線適合于慢速的CPU。目前一些簡單的單片機和單板機中仍采用這類總線。CPU協處理器Modem顯示器硬驅打印機打印機存儲器2.3計算機控制系統的總線技術并發總線體系結構(ConcurrentBusArchitecture)將存儲器和I/O的數據通路分開，以解決CPU與存儲器、I/O之間數據傳輸的速度不一的矛盾。這種總線結構中,CPU對存儲器的訪問和對I/O的控制同時進行,即“并發”,故稱之為并發總線。并發體系結構中,關鍵技術是總線控制器(BusController),它使CPU脫離了對I/O的直接控制,使CPU能以較快的速度、較寬的數據通路與存儲器進行信息交換,提高了系統的性能,總線控制器(BusController)則負責處理各種I/O請求,以8～32位的數據寬度與I/O設備進行數據交換,保證系統的兼容性,成功地解決了瓶頸問題。2.3計算機控制系統的總線技術并發總線體系結構(ConcurrentBusArchitecture)CPU協處理器Modem顯示器硬驅打印機打印機存儲器總線控制器2.3計算機控制系統的總線技術帶cache的并發總線體系結構(ConcurrentBusArchitectureWithcache)類似于并發總線體系結構,只是在CPU和存儲器的數據通路上多了一個高速緩沖存儲器cache及高速緩沖存儲器cache控制器。Cache控制器協處理器Modem顯示器硬驅打印機打印機主存儲器總線控制器光盤驅動器其它I/O卡Cache存儲器CPU2.3計算機控制系統的總線技術總線的控制方式由于多個模塊連接到共用總線上,必須對每個發送的信息規定其信息類型和接收信息的部件,協調信息的傳送。當多個模塊同時申請總線時,必須通過選擇判優,決定把總線交給哪個模塊；對信息的傳送需要控制,防止信息的丟失,這就需要設置總線控制線路。通常,總線上信息的傳輸由主模塊啟動。總線上可以掛接有多個具有主模塊功能的設備,但在同一時刻只能有一個主模塊控制總線的傳輸操作。總線控制線路包括總線判優或仲裁邏輯、總線控制驅動器和中斷邏輯等。2.3計算機控制系統的總線技術用硬件進行總線裁決（控制）的方式串行鏈接式總線裁決定時查詢方式獨立請求式總線裁決串行鏈接式總線裁決總線可用部件0總線控制器

部件1部件N-1總線請求總線總線忙圖中，請求線是公共的，圖中部件0的優先級最高。2.3計算機控制系統的總線技術定時查詢方式這種方式中，優先級可以用程序控制，靈活性較強。計數值有2種方式。總線忙部件0總線控制器部件1部件N-1總線請求總線計數值2.3計算機控制系統的總線技術獨立請求式總線裁決這種方式中，總線控制器根據某種算法對同時來的請求進行裁決。部件0總線控制器

部件1部件N-1總線BR0BG0BR1BG1BRN-1BGN-1總線忙信號SACK2.3計算機控制系統的總線技術總線裁決采用的主要算法靜態優先級算法（又稱作菊花鏈算法）固定時間算法動態優先級算法先來先服務算法2.3計算機控制系統的總線技術總線的通信方式(1)同步式通信(SynchronousTransfer)數據的傳輸在一個共同的時鐘信號控制下進行優點是模塊間的配合簡單一致,缺點是對所有模塊都強求一致的同一時限,設計缺乏靈活性(2)異步式傳輸(AsynchronousTransfer)利用數據發送部件和接收部件之間的“握手(Handshaking)”信號線來實現總線數據傳送可以實現不同速度的設備之間的數據傳送2.3計算機控制系統的總線技術內部總線PC系列總線IBM公司1981年推出基于8位機的PC/XT總線，PC總線1984年推出基于16位機的PC/AT總線，AT總線

但從未公開過AT總線的技術規格Intel公司、IEEE和EISA集團聯合推出與IBM/AT原裝機總線意義相近的ISA(IndustryStandardArchitecture)總線，即8/16位的“工業標準結構”：數據傳輸率最高8MB/s,尋址空間為224=16MB由Intel公司于1992年發表外圍部件互連總線PCI(PeripheralComponentInterconnect)2.3計算機控制系統的總線技術ISA總線總線的元老特點：CPU為唯一主模塊，插卡數量亦有限缺少中樞寄存器，不能動態分配資源已接近淘汰但因許多老設備如聲卡、Modem等仍離不開它，故許多主板芯片給依然提供對其的支持(如下頁的主板示意圖等)2.3計算機控制系統的總線技術用到ISA總線的聲卡示意圖外圍部件互連總線PCI

(PeripheralComponentInterconnect)（局部總線）現在是主板上最常見的插槽不依附于某個具體的處理器結構上是帶cache的并發總線體系結構數據總線32/64位，最大傳輸速率達132MB/s可同時支持多組外圍設備2.3計算機控制系統的總線技術ISA總線插槽PCI總線插槽采用PCI的顯卡2.3計算機控制系統的總線技術PCI總線(PeripheralComponentInterconnect)：PCI局部總線采用的數據線為32位，可支持多組外圍部件及附加卡。傳送數據的最高速度為132MB/S。支持64位地址/數據多路復用，其64位設計中的數據傳輸速率為264MB/S。PCI插槽能同時接插32位和64位插卡，所以，32位與6