1、第6章 计算机控制系统工程实现,6.1 硬件组成及输入输出接口,图6-1 计算机控制系统的基本组成,6.1.1 对控制用计算机系统的硬件要求,1. 对计算机主机的要求 实时处理能力 比较完善的中断系统 对指令系统的要求 对内存的要求 2. 对过程输入输出通道的要求 有足够的输入通道数，并具有一定的扩充能力 有足够的精度和分辨率 应有足够的变换速度,6.1.1 对控制用计算机系统的硬件要求,3. 对应用软件系统的要求 实时性强、可靠性好、具有在线修改能力、输入输出功能强等 4. 方便的人机联系 显示屏 、各种功能键 、输入数据功能键等 5. 系统的可靠性和可维护性 可靠性指系统无故障运行能力，指
2、标平均无故障间隔时间。,6.1.2 对控制用计算机的选择,1. 运算速度 影响因素：系统计算工作量、采样周期、指令系统、硬件支持 2. 计算机字长 影响因素： 量化误差 应与A/D的字长相协调 信号的动态范围 与采样周期T的关系 若T减小，但又希望量化误差保持不变，则所需的计算机的字长就要相应增加。,6.1.3 计算机控制系统的模拟输出通道,D/A 转换器工作原理 数字量转换为模拟量或电流量的装置。 2. D/A转换器的主要性能 常用的主要指标： 精度精度是反映实际输出与理想数学模型输出信号接近的程度。 分辨率分辨率可定义为当输入数字量发生单位数码变化时输出模拟量的变化量。分辨率也常用数字量的
3、位数来表示。 转换时间最小有效位常以LSB表示，故转换时间定义为D/A转换器中的输入代码有满刻度值的变化时，其输出模拟信号达到满刻度值 LSB时所需要的时间。 输出电平电压型：510V，2430V；电流输出型：20mA，3A等。 输入代码形式D/A转换器单极性输出时，有二进制码、BCD码。当双极性输出时，有符号+数值码，偏移二进制码等。,3. D/A转换器选择的原则,集成D/A转换器的输入方式： 不带缓冲寄存器（如8位的DAC0808） 带缓冲寄存器（如8位的DAC0832、12位的DAC1208等）。 选择D/A转换芯片 主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。在性能上必须满足D/A转换的技术要
4、求，在结构和应用上满足接口方便，外围电路简单，价格低廉等要求。 对于D/A转换器字长n的选择，可以由其后的执行机构的动态范围来选定：,执行机构的死区电压,执行机构最大输入,4. 多路D/A输出时的实现方式,图6-2 模拟量输出通道的两种实现结构图,5. D/A的二进制码制与极性,(1)单极性二进制编码,(2)双极性二进制编码 有符号的二进制可以用原码、补码、反码和偏移二进制码来表示。为了把双极性的信号表示成数字代码，就需要增加一位“符号位”。增加一个符号位可以使量程增加一倍，但分辨率却要降低一倍。这几种编码与十进制数的关系如表7-1所示。 注意： 计算机内信号的编码可能与D/A输入信号的编码不
5、完全一致。若一致，则可将计算机的运算输出直接作为D/A转换器的输入。但若不一致（多数情况），则需要将计算得到的码制进行相应的转换后，方可作为D/A的输入信号。,6.1.4 计算机控制系统的模拟输入通道,采样保持器 孔径时间实际的采样过程需要的时间。 为缩短孔径时间，采取的措施是将对模拟信号的采样和对采样的模拟电压的转换分开，分别由不同的电路完成。 采样保持器作用就是以较短的孔径时间对信号进行采样，然后将采得的模拟电压保持，供A/D转换电路进行转换。,图6-4 模拟量输入通道一般结构图,图6-5 采样保持器原理图,2. A/D 转换器工作原理,工作原理: 将输入的模拟电压按比例地转化为二进制数字
6、信号的装置。,图6-7 双斜积分式A/D转换器,图6-6 逐次逼近式A/D转换器,3. A/D转换器的主要性能指标,(1) 精度指对应一个给定的数字量的实际模拟量输入与理论模拟量输入接近的程度。(2) 分辨率指输出数字量对输入模拟量变化的分辨能力。即设A/D转换器的位数为n，则A/D转换器的分辨率为(3) 转换时间从A/D转换的启动信号加入时起，到获得数字输出信号为止，所需的时间。(4) 量程 指测量的模拟量的变化范围。 一般有单极性（如010V、020V）和 双极性（例如-5V+5V、-10V+10V）两种。,或,4. A/D转换器的选择,除了要满足用户的各种技术要求外，还必须注意： A/D
7、输出的方式 A/D芯片对启动信号的要求 A/D的转换精度和转换时间 它的稳定性及抗干扰能力等 A/D转换器的精度与传感器的精度有关，一般比传感器的精度高一个数量级；A/D转换器的转换速率还与系统的频带有关。 根据输入模拟信号的动态范围可选择A/D转换器位数n,模入信号的最大值,模入信号的最小值,5. 检测通道的数据采集,图6-8 单路检测通道结构类型,6. A/D的二进制码制与极性,A/D的二进制码制与极性 类似于D/A的二进制码制与极性，可同时参见表7-1（此时表中的VREF为A/D的量程）和表7-2。在实际应用中，A/D输出的代码形式可能采用前面介绍的几种二进制编码中的一种。注意： 计算机
8、内信号的编码可能与A/D输出信号的编码不完全一致。若一致，则可将A/D输出信号的编码直接作为计算机的运算输入信号。但若不一致（多数情况），则需要将A/D输出信号的编码进行相应的转换后，方参与到算法的运算中。,7. CPU和A/D转换电路之间的I/O控制方式,(1) 查询方式 由CPU执行I/O指令启动并完成。每次传送数据之前，要先输入A/D转换器状态，经过查询符合条件后才可以进行数据的I/O。 灵活，但在读写数据端口指令之前需要重复执行多次查询状态的指令，当外设速度比较慢时，会造成CPU效率的大大降低。 (2) 中断方式 可以省掉重复繁琐的查询，并可及时响应外设的要求。在这种方式下，CPU和外
9、设基本上实现了并行工作，当然由于增加了中断管理功能，所以对应的接口电路和程序要比查询方式复杂。 (3) DMA方式 在高速数据采集系统中，不仅要选用高速A/D转换电路，而且传送转换结果也要求非常及时迅速，可以考虑选用DMA方式。,6.1.5 计算机控制系统的数字输入输出通道,输入缓冲器的作用 对外部输入信号进行缓冲、加强和选通。输出锁存器将CPU输出的数据或控制信号进行锁存，以便放大驱动执行机构作用于被控对象。 I/O电气转换部分的功能： 滤波、电平转换、隔离、功率驱动等。,图6-9 开关量输入输出通道结构,6.1.6 信号的调理,1. 直流电压信号的调整 设计相应的调理电路（如分压、放大等）
10、，将直流信号转换成计算机所能接受电压形式，再直接使用A/D转换器。 2. 直流电流信号的调理 设计电流到电压的转换电路。,3. 数字信号的调理 主要是进行隔离、放大及限幅整形，将微弱的信号变成满足接口要求的等幅脉冲序列。对于数字量的测量主要应用于对频率的测量和对转速的测量。,图6-13 有源I/V变换电路,图6-12 电流信号传输的典型电路,7.1.7 总线技术,1. 总线定义 总线是一组信号线的集合。这些线是系统的各插件间（或插件内部各芯片间）、各系统之间传送规定信息的公共通道，有时也称数据公路，通过它们可以把各种数据和命令传送到各自要去的地方。,2. 总线类型,(1）根据总线不同的结构和用
11、途的分类 专用总线 只实现一对物理部件间连接的总线。 非专用总线 可以被多种功能或多个部件所共享。准确应称为分时共享总线。 (2）根据总线的用途和应用环境的分类 局部总线（芯片或元件级总线） 构成中央处理机或子系统内所用的总线。 系统总线（内总线和板级总线） 用于各单微处理机之间、模块之间的通信，可用于构成分布式多机系统，如 STD总线、VME总线、PC总线等。 外总线（通信总线） 用于微处理机与其它智能仪器仪表间的通信，如RS-232C等 (3）根据总线传送信号的方式的分类 并行总线 用若干根信号线同时传递信号，就构成了并行总线。 串行总线 按照信息逐位的顺序传送信号。,3. 目前几种通用总
12、线介绍,(1) STD 总线 目前工业控制及工业检测系统中使用最广泛的总线，它兼容性好，能够支持任何8位或16位微处理器，成为一种通用标准总线。 具有以下特点： 小板结构，高度模块化 严格的标准化，广泛的兼容性 面向I/O的开放式设计，适合工业控制应用 高可靠性 STD是工业应用中十分有前途的通用标准总线。按此标准设计系统，可使系统具有良好的适应性及组装灵活性。目前国内外许多厂家均按STD标准来生产系统和插件，因此，对应用者来说，按STD标准来组成自己的应用系统将会大大缩短系统的硬件研制周期。,3. 目前几种通用总线介绍,(2) IBM PC/AT 总线 由于IBM PC机有丰富的软、硬件支持
13、，而且其价格低廉，目前已成为国际上广泛使用的微型机之一。 IBM PC机的主板上设计了供输入输出用的总线，这些总线引至系统板上的5个或8个62脚的插座上，这些插座称为扩展插槽。 制造商提供的用作扩充PC机的选件板有百余种之多，如同步通讯控制卡、异步通讯控制卡、A/D及D/A转换板、数据采集板、各类存储器扩展板、打印机接口板、网络接口板等。用户可根据需要进行选购，也可根据需要自行设计和开发新的功能板。 PC/AT总线对环境要求较高，无法保证在工业现场可靠运行。 PCAT总线都是主要采取将微处理器芯片总线经缓冲直接映射到系统总线上，没有支持总线仲裁的硬件逻辑，因而不支持多主系统。,3. 目前几种通
14、用总线介绍,(3)RS232C 串行接口标准总线 由电子工业学会正式公布的串行总线标准，也是在微机系统中最常用的串行接口标准，用于实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的同步或异步通讯。 采用RS232C作串行通讯时，传输数据的速率可任意调整，最大可达20Kb。 两种连接系统的方式： 近程（传输距离小于15m）通讯，这时可以用RS232C电缆直接连接。 远程（15m以上的长距离）通讯，需要采用调制解调器（MODEM）经电话线进行。,3. 目前几种通用总线介绍,(4) RS422 串行接口标准总线 采用了平衡驱动和差分接收器组合的双端接口方式。 传输距离可以达到1000米，传输波特率可以达到1
15、0Mbit/s。,图6-17 RS-422发送驱动器,6.2 系统测试信号的处理,6.2.1 测试信号的滤波,模拟滤波器 在采样开关前加入适当的模拟滤波器（称为抗混迭滤波器或前置模拟低通滤波器），通常为简单的低通网络。,滤波器的转折频率,选取滤波器参数时，应尽量保证：在系统频带内信号幅值变化比较平坦，在该频带外，信号幅值有较大的衰减，成为较陡峭衰减的形状。,2. 数字滤波,利用程序实现的滤波。只需根据滤波算法编制相应的程序即可达到目的。 (1) 平均值滤波 在一个采样周期中，对信号y连续进行m次采样，并对其取算术平均值，作为本采样周期内的滤波器输出。 还可以在平均算法中给各次采样值不同的权重系
16、数，此时滤波算法为：,满足,通常取,2. 数字滤波,(2) 中值滤波 在一个采样周期中，将信号的连续次（一般取奇数,）采样值进行排序，取其中间值作为本采样周期内的滤波器输出。一般m越大滤波效果越好， 但延滞增大。 中值滤波对缓变过程的脉冲干扰有良好的滤波效果。 (3) 限幅滤波 根据对象的特点和系统的精度，对采样数据的正常范围事先作一个估计。若某次采样受到强烈的干扰，使数据明显超出正常范围，就应该将其剔除。,Y：相邻两次采样值之差的最大可能值,如果本次采样值y(k)和上次采样值y(k-1)之差小于Y，表示y(k)是真实的，取本次采样值作为滤波器的输出值；反之，y(k)是不真实的，取前一次的滤波
17、器输出为本次滤波器的输出。,说 明,对随机脉冲干扰和采样器不稳定引起的失真有良好的滤波效果。,2. 数字滤波,(4) 惯性滤波 模拟RC低通滤波器的数字实现。,RC滤波器的传函,后差分法,适用于有用信号缓慢变化，干扰信号波动频繁的场合。,6.2.2 测试信号的线性化处理,通过模拟量输入通道采集到的数据与该数据所代表的被测参数不一定呈线性关系，常需要将它们进行非线性补偿，将非线性关系转化为线性关系，才能用于显示和控制。 例如，铜康铜热电偶（T型）以冷端温度t0=0oC为条件下，在0400C的范围内计算温度的公式为,计算量较大 程序较复杂,为了使计算简单，提高实时性，通常采用分段线性化的方法，即用
18、多段折线代替曲线进行计算。线性化过程是，首先判断测量数据处于哪一段折线内，然后按照相应段的线性化公式计算出线性值。分段可以是等距的，也可以是非等距的；分段数越多，线性化精度越高，软件开销就越大。,6.3 计算机控制系统的实时软件设计,6.3.1 软件的分类,图7-19 计算机控制系统的软件组成,6.3.2 实时控制程序设计语言的选用,机器语言（即机器指令） 汇编语言 高级语言 高级语言和汇编语言的混合使用,6.3.3 实时控制软件的设计,1. 实时控制软件,(1) 实时管理软件 实时时钟管理 输入输出信息管理 中断管理功能 任务调度 人机联系 设置系统的初始状态,(2) 过程监视及控制算法计算
19、软件 数据变换处理程序 控制指令生成程序 事故处理程序 信息管理程序 基本运算程序 码制及格式转换程序,图6-20 典型的计算机实时控制系统的程序流程框图,2. 控制算法设计中减少计算时延的方法,算法I：包括那些为了得到当前输出值而必须进行的计算。 算法II：包括那些为了得到下一时刻输出值而必须进行的计算，以及与当前输出无关的其它计算和管理算法。,延时对控制系统有不好的影响！,t1,t2,t3,图6-21 数模混合系统计算延时的引入,6.4 采样频率的选取,6.4.1 采样频率对系统性能的影响,1. 对系统稳定性能的影响 采样周期T是系统的一个重要的参数，对闭环系统的稳定性和性能有很大的影响。
20、 2. 采样信息的影响,采样定理,实际应用时：,被控对象全部特征根中的最高频率,系统闭环频带,信号的最大频率,3. 采样周期与系统抑制干扰能力的关系 4. 系统输出平滑性与采样周期,阶跃响应升起时间,振荡周期,采样点数,开环截止频率,经验规则： 阶跃响应非周期 阶跃响应是振荡 考虑ZOH影响,干扰信号最高频率,5. 计算机字长与与采样周期 由于字长有限，当减小，所产生的量化误差会增大。 当采样周期过小时，将会增大控制算法对参数变化的灵敏度，使控制算法参数不能准确表示，从而使控制算法的特性变化较大。6. 计算机的工作负荷与采样周期 计算机的运算是串行的，系统管理、输入输出、控制算法计算等各项任务
21、都要占用一定的时间，故当计算机的速度及计算任务确定后，采样间隔就要受到一定限制。 计算机速度 T可以取得更小。 控制算法复杂性 计算工作量 ，限制T的降低。,6.4.2 选择采样频率的经验规则,对一个闭环控制系统，如果被控过程的主导极点的时间常数为Td，那么采样周期应取被控过程具有纯延滞时间 闭环系统的稳态调节时间有要求 闭环系统的闭环自然频率有要求,采样周期选取总原则：,在能满足系统性能要求的前提下，应尽量选取较大的采样周期（即较低的采样频率），以降低系统成本。,工业过程控制典型变量的采样周期,6.5 计算机控制系统的抗干扰及可靠性技术,如果计算机控制系统不解决抗干扰的问题，不提高其可靠性，
22、就无法工作。解决计算机控制系统的抗干扰问题的两种途径： 1）找到干扰源，寻找相应的办法抑制或消除干扰，尽可能避免干扰串入系统，从外因解决问题； 2）提高计算机控制系统自身抵抗干扰的能力，从内因解决问题。,6.5.1 干扰源及抗干扰措施,1. 干扰源 (1)电网噪声 电网中大功率设备的启停、电网切换或各种故障的产生，都会使电网发生瞬变，产生脉冲型噪声。 (2)内部干扰 由于整个系统的接地系统不完善，信号被电磁感应和电容耦合，使系统内部存在干扰。 (3)外部干扰 主要指来自空间的干扰，如太阳及其它天体辐射的电磁波、电台发出的电磁波、周围的电器设备的电磁干扰，气象条件、空中雷电，甚至地磁场的变化也会
23、引起干扰。,2. 克服空间感应的抗干扰措施,空间感应的干扰主要来源于电磁场在空间的传播，一般只需采用适当的屏蔽及正确的接地方法即可解决。 根据屏蔽目的的不同，屏蔽及接地的方法也不一样： 电场屏蔽解决分布电容问题，所以一般接大地。 电磁场屏蔽主要避免雷达、短波电台等高频电磁场辐射干扰，屏蔽层可以用低阻金属材料做成，而且连接大地。 磁屏蔽用以防止磁铁、电机、变压器、线圈等磁感应、磁耦合，屏蔽层用高导磁材料做成，一般也以接大地为好。,3. 过程通道的抗干扰措施,(1) 串模干扰及其抑制 串模干扰叠加在被测信号上的干扰信号。 串模干扰信号的主要成份是50Hz的工频和特殊的高次谐波，且通过电磁耦合和漏电
24、等传输形式，叠加到信号或引线上形成干扰。 模拟滤波,可使50Hz的干扰衰减到1/600左右。, 进行电磁屏蔽和良好的接地 从根本上切断引起干扰的干扰源。例如选择带屏蔽层的双绞线或同轴电缆连接一次仪表（如压力变送器、热电偶）和转换设备，并配以良好的接地措施来解决。,串模干扰示意图,二阶阻容滤波器网络,3. 过程通道的抗干扰措施,(2) 共模干扰及其抑制 共模干扰产生的主要原因是不同“地”之间存在共模电压，以及模拟信号系统对地存在漏阻抗。 采用差分放大器做信号前置放大, 采用隔离技术将地电位隔开 使用变压耦合或光电耦合的隔离方法。 若将光电耦合器与压频（V/F）变换器、频压（F/V）变换器组合起来
25、，形成组合式模拟隔离器，不仅隔离方便，信号抗干扰性强，而且对模拟信号的远距离传送尤为有效。,共模干扰示意图,差分输入级示意图,4. 电源系统的抗干扰措施,(1) 合理配置和使用低通滤波器和交流稳压装置 (2) 采用抗干扰能力强的开关电源 (3) 采用分布式独立供电 (4) 采用备用电源或不间断电源（UPS）,5. 地线配置的抗干扰措施,接地是抑制干扰的主要方法，其目的： 清除各电路电流流经公共地线阻抗时产生的噪声电压 避免磁场及地电位差的影响，不使其形成地回路。 针对几种地线的处理措施： 高频电路就近多点接地的多点接地原则和低频电路一点接地的一点接地原则； 交流地与信号地分开； 数字地与模拟地
26、分开走线，只在一点汇在一起； 功率地的地线应粗，且与小信号地线分开，而与直流地相连； 信号地以5导体一点入地。,6. 看门狗电路（Watchdog）,应用场合 (1) 对系统“飞程序”自动恢复 可用于检测由于干扰引起的系统出错并自动恢复运行，提高控制系统的可靠性。 只能实现任务的恢复，不可能实现断点的恢复。 (2) 对硬件的故障进行检测 表现在Watchdog可能连续产生溢出脉冲，频繁进入中断处理程序。,Watchdog的每一次溢出输出将引起系统复位，使系统重新初始化或产生中断使系统进入故障处理程序，进行必要的处理，自动恢复正常的运行程序。程序正常运行时，CPU每隔TS Tmax，设置定时器，
27、使定时器不能达到Tmax，故不会发出故障中断或故障复位的信号。,Watchdog的构成,6.5.2 提高计算机控制系统可靠性措施,1. 提高单机系统可靠性的方法 (1) 对元部件严格筛选，使用可靠的单个元件，并对元件进行多道老化和严格检验； (2) 充分重视元部件安装的机械强度，以使机械运动（如振动）不会引起导线或焊接区的断裂。此外，对必要的元部件应机械加固； (3) 对组件采取涂漆和浇注处理可进一步提高机械紧固性； (4) 插座是发生故障的最常见因素，因此，应尽量少用插座，并采用大的插座； (5) 抗温升保护，多数电子器件对温度变化比较敏感，因此需要设计足够的通风系统，采用温度补偿措施。,常
28、用方法：采用可靠性高的元部件进行完善的设计，获得一个高可靠性的单机系统； 采用容错技术，获得一个高可靠的系统。,2. 容错技术,冗余技术包括： (1) 硬件冗余 硬件堆积冗余（静态冗余） 待命贮备冗余（动态冗余） 混合冗余（动静冗余结合） (2) 软件容错 实现软件容错的基本活动： 故障检测 损坏估计 故障恢复 缺陷处理,容错技术：在容忍和承认错误的前提下，考虑如何消除、抑制和减少错误影响的技术。常用的方法是利用各种冗余技术将可靠性较低的元件组成一个可靠性较高的系统，其实质是利用资源来换取高的可靠性。,(3) 指令冗余 利用消耗时间资源来达到对系统的容错目的。 多采用单字节指令，并在关键的地方人为地插入单字节指令。 (4) 信息冗余 利用增加信息的多余度来提高可靠性 在数据中附加检错码或纠错码，以检查数据是否发生偏差，并在有偏差时纠正偏差,
