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本文由l i s a n h e 貢獻 d o c 文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳 建議您優(yōu)先選擇TXT 或下載源文件到本機 查看 電路或電網(wǎng)絡由以某種方式連接的電阻器 電感器和電容器等元件組成 如果網(wǎng) 絡不 包含能源 如電池或發(fā)電機 那么就被稱作無源網(wǎng)絡 換句話說 如果存在 一個或多個能源 那么組合的結(jié)果為有源網(wǎng)絡 在研究電網(wǎng)絡的特性時 我們感興 趣的是確定電路中的電壓和 電流 因為網(wǎng)絡由無源電路元件組成 所以必須首先定義 這些元件的電特性 就電阻來說 電壓 電流的關(guān)系由歐姆定律給出 歐姆定律指出 電阻兩端的電壓等于 電阻上流過的電流乘以電阻值 在數(shù)學上表達為 u i R 1 1A 1 式中 u 電壓 伏特 i 電流 安培 R 電阻 歐姆 純電感電壓由法拉第定 律定義 法拉第定律指出 電感兩端的電壓正比于流過電感的 電流隨時間的變化率 因此可得到 U Ld i d t 式中 d i d t 電流變化率 安培 秒 L 感應系數(shù) 享 利 電容兩端建立的電壓正比于電容兩極板上積累的電荷 q 因為電荷的積累可表 示為電 荷增量 d q 的和或積分 因此得到的等式為 u 式中電容量 C 是與電壓和 電荷相關(guān)的 比例常數(shù) 由定義可知 電流等于電荷隨時間的變化率 可表示為 i d q d t 因此電荷增 量 d q 等于電流乘以相應的時間增量 或 d q i d t 那么等式 1 1A 3 可寫為式中 C 電容量 法拉 歸納式 1 1A 1 1 1A 2 和 1 1A 4 描述的三種無源電路元件如圖 1 1A 1 所示 注意 圖中電流的參考方向為慣用 的參考方向 因此流過每一個元件的電流與電壓降的方向 一致 有源電氣元件涉及 將其它能量轉(zhuǎn)換為電能 例如 電池中的電能來自其儲存的化學能 發(fā)電機的電能 是旋轉(zhuǎn)電樞機械能轉(zhuǎn)換的結(jié)果 有源電氣元件存在兩種基本形式 電壓源和電流源 其理想狀態(tài)為 電壓源兩端的電 壓恒定 與從電壓源中流出的電流無關(guān) 因為負載變 化時電壓基本恒定 所以上述電池和發(fā) 電機被認為是電壓源 另一方面 電流源產(chǎn)生 電流 電流的大小與電源連接的負載無關(guān) 雖 然電流源在實際中不常見 但其概念 的確在表示借助于等值電路的放大器件 比如晶體管中 具有廣泛應用 電壓源和電 流源的符號表示如圖 1 1A 2 所示 分析電網(wǎng)絡的一般方法是網(wǎng)孔分析法或回路分析 法 應用于此方法的基本定律是基爾 霍夫第一定律 基爾霍夫第一定律指出 一個閉 合回路中的電壓代數(shù)和為 0 換句話說 任 一閉合回路中的電壓升等于電壓降 網(wǎng) 孔分析指的是 假設有一個電流 即所謂的回路電 流 流過電路中的每一個回 路 求每一個回路電壓降的代數(shù)和 并令其為零 考慮圖 1 1A 3a 所示的電路 其 由串聯(lián)到電壓源上的電感和電阻組成 假設回路電流 i 那么回路總的電壓降為 因 為在假定的電流方向上 輸入電壓代表電壓升的方向 所以 輸電壓在 1 1A 5 式中 為負 因為電流方向是電壓下降的方向 所以每一個無源元件的壓 降為正 利用電阻 和電感壓降公式 可得等式 1 1A 6 是電路電流的微分方程式 或許在電路中 人們 感興趣的變量是電感電壓而不是電感電流 正如圖 1 1A 1 指出的 用積分代替式 1 1A 6 中的 i 可得 1 1A 7 A 電力系統(tǒng)介紹 電力系統(tǒng)把其它形式的能源轉(zhuǎn)化為電能并輸送給用戶 盡管不 同于其它形式的能源 電能不容易儲存 一旦生產(chǎn)出來 必須得到使用 但是電力的 生產(chǎn)和傳輸相對高效 和廉價 電力系統(tǒng)的組成 電力系統(tǒng)的組成當今的電力系統(tǒng)由六 個主要部分組成 電站 升壓變壓器 電力系統(tǒng)的組成 將發(fā)出來的電升壓至傳輸線 所需高電壓 傳輸線 變電站 電壓降至配電線電 壓等級 配電線路和降壓變壓 器 將配電電壓降至用戶設備使用的電壓水平 1 電站 電力系統(tǒng)的電站包括原 動機 如由水 蒸汽驅(qū)動的渦輪 或者燃燒氣體操控 的電動機和發(fā)電機系統(tǒng) 世界上 大多數(shù)的電能由煤炭 石油 核能或者燃氣驅(qū)動的 蒸汽發(fā)電廠產(chǎn)生 少量電能由水力 柴油和內(nèi)燃機發(fā)電廠產(chǎn)生 2 變壓器 現(xiàn)代電 力系統(tǒng)使用變壓器把電能轉(zhuǎn)換為不 同的電壓 有了變壓器 系統(tǒng)的每個階段都能在 合適的電壓等級下運行 在典型的系 統(tǒng)中 電站發(fā)電機發(fā)出的電壓范圍是 1000 伏到 26000 伏 變壓器把電壓升至 1380 00 到 765000 伏后 送至主傳輸線上 因為對于 長距離傳輸 電壓越高 效率越高 在變電站 電壓被降至 69000 到 138000 伏 以 便在配電系統(tǒng)中傳輸 另外一組 變壓器把電壓進一步降至配電等級 2400 到 4160 如 伏 或者 15 27 33KV 最 終 在使用端 經(jīng)配電變壓器 電壓再次被降至 240V 或 120V 3 傳輸線 高壓傳 輸系統(tǒng)通常由銅線 鋁線或者鍍銅 鍍鋁的鋼線組成 它們懸掛在高大鋼格構(gòu)塔架上 p a g e 1 成串的瓷質(zhì)絕緣體上 由于含鍍層鋼線和鐵塔的使用 增大了塔與塔之間的距離 降低了傳輸線的成本 在當前的直線安裝中 每公里高 壓線只需建立 6 個鐵塔 在 一些地區(qū) 高壓線懸掛于距離較近的木質(zhì)電線桿上 對 于低壓配電線路 更多的使用 木質(zhì)電線桿 而不是鐵塔 在城市和一些地區(qū) 明線 存在安全危險或者被認為影響美 觀 所以使用絕緣地下電纜進行配電 一些電纜內(nèi) 核中空 供低壓油循環(huán) 油可以為 防止水對封閉線路的破壞提供臨時保護 通常使 用管式電纜 三根電纜放入線管中 并填滿高壓油 這些電纜用于傳輸高達 345KV 的電流 4 輔助設備 每個配電系統(tǒng) 包含大量輔助設備來保護發(fā)電機 變壓器和傳 輸線 系統(tǒng)通常還包括用來調(diào)整電壓或 用戶端其它電力特性的設備 為了保護電力 系統(tǒng)設施 防止短路和過載 對于正常的 開關(guān)操作 采用斷路器 斷路器是大型開 關(guān) 在短路時或者電流突然上升的情況下自 動切斷電源 由于電流斷開時 斷路器 觸點兩端會形成電流 一些大型斷路器 如那 些用來保護發(fā)電機和主輸電線的斷路 器 通常浸入絕緣液體里面 如油 以熄滅電流 在大型空氣開關(guān)和油斷路器中 使用磁場來削弱電流 小型空氣開關(guān)用于商場 工 廠和現(xiàn)代家庭設備的保護 在住 宅電氣布線中 以前普遍采用保險絲 保險絲由熔點 低的合金組成 安裝在電路中 當電流超過一定值 它會熔斷 切斷電路 現(xiàn)在絕大 多數(shù)住宅使用空氣斷路器 B 電力系統(tǒng)自動化概述 提高生產(chǎn)力 降低成本 是電力 供應商一直以來面對的問題 這就轉(zhuǎn)化為需要管理 者 工程師 操作員 計劃者 現(xiàn) 場人員和其它人員收集并執(zhí)行決策信息 電力系 統(tǒng)供應商遵從這一趨勢 使設備變得 智能化 這樣 它們就可以創(chuàng)造并交流信息 術(shù)語 電力系統(tǒng) 描述的是用來產(chǎn)生 傳輸和分配電能的物理系統(tǒng)的組成設備集合 術(shù)語 設備和控制系統(tǒng) 指的是用來 監(jiān)視 控制和保護電力系統(tǒng)的設備集合 電力 系統(tǒng)自動化指的是使用 I它們的工 作方式象人 而不是要把使用計算機的人類屈從計算機 支配的 死板的工作方式 在 類比的意義上 人類的智能被加到計算機程序上 它們就顯示 出更聰明的行為和更廣 泛的能力 例如 思維和推理 獲取知識并把知識用于解決今天的計 算機不能解決的 更復雜和更困難的問題 專家系統(tǒng)是人工智能最成功的例子 面向一種專業(yè)的專 家系統(tǒng)就象該專業(yè)領(lǐng)域的人類專 家那樣工作 對用戶提出的問題提供建議 從人類 專家 抽取來的專業(yè)知識被組織在它的知 識庫中 準備好讓使用者檢索 現(xiàn)在 許多 專家系統(tǒng)已可從市場購得 更多的專家系統(tǒng)正在 開發(fā)中 知識工程是人工智能的另一課題 知識工程是為了研究怎樣用程序模仿人類的的 頭腦 特別是 模擬人腦獲取知識和應用知識的能力 換句話說 知識工程是要創(chuàng)造 出能夠?qū)W習 也就是靠它自己能擴大其知識貯存量的計算機 計算機視覺是人工智 能的另一種應用 計算機視覺就是使用計算機去分析和評價視覺信 息 換句話說 計 算機能夠看見東西 計算機視覺系統(tǒng)能從 譬如說 照片 圖畫 影物等 等的視覺信 息中辨認或分辨那些在計算機程序中已確定地分類的物體 這種系統(tǒng)可以比人類 的 眼睛更有效地工作 例如 檢查空中攝影圖片以辨認特定的物體 例如 導彈 轟炸 p a g e 6 機 戰(zhàn)艦 可以幫助戰(zhàn)場上的總司令作出決定 教育可能是人工智能的另一種應用 與傳統(tǒng)的 CBT 計算機輔助訓練 不同 人工智能的 CBT 能根據(jù)學生的知識 經(jīng)驗 強點與弱點調(diào)整教學 結(jié)果 人工智能的 CBT 比常規(guī)的 CBT 有效得多 In t e l l i g e n t Ro b o t s Un i t 4 Co m p u t e r s t r u c t u r e a n d f u n c t i o n 這一節(jié)介紹計算機的內(nèi)部體系結(jié)構(gòu) 描述了指令如何存儲和譯碼 并解釋了指 令執(zhí)行周 期怎樣分解成不同的部分 從最基本的水平來講 計算機簡單執(zhí)行存儲在 存儲器中的二進制編碼指令 這些指令按 照二進制編碼數(shù)據(jù)來產(chǎn)生二進制編碼結(jié)果 對于通用可編程計算機 四個必要部件是存儲器 中央處理單元 CPU 或簡稱 處理器 外部處理器總線 輸入 輸出系統(tǒng) 存儲器儲存指令和數(shù)據(jù) CPU 讀取 和解釋指令 讀每條指令所需的數(shù)據(jù) 執(zhí)行指令所需的操作 將結(jié)果存回存 儲器 C PU 所需的操作之一是從外部設備讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù) 這利用輸入 輸出系統(tǒng)來實現(xiàn) 外 部處理器總線是一套能在其他計算機部件之間傳送數(shù)據(jù) 地址和控制信息的電導線 存儲器 計算機的存儲器是由一套連續(xù)編號的單元所組成 每個存儲單元是一個能存 二進制信息 的寄存器 單元的編號稱為地址 初始地址為 0 制造商定義處理器的一 個字長為單元的整 數(shù)長 在每個字中 各位表示數(shù)據(jù)或指令 對于英特爾 8086 87 和摩托羅拉 MC68000 微處 理器來說 一個字是 16 位長 但每個存儲單元僅為 8 位 因此兩個 8 位單元來存取獲得一 個數(shù)據(jù)字長 為了使用存儲器中的內(nèi)容 處理器 必須取來右邊的內(nèi)容 為了完成這一次讀取 處理器 把所需單元的二進制編碼地址放 到外部處理器地址總線的地址線上 然后 存儲器允許處理 器讀取所尋址的存儲單 元的內(nèi)容 讀取存儲單元的內(nèi)容的這一過程并不改變該單元的內(nèi)容 存儲器中的指令 存儲器中的指令由 CPU 取來 除非發(fā)生程序轉(zhuǎn)移 它們按在存儲器 中出現(xiàn)的順序來 執(zhí)行 用二進制形式所寫的指令叫做機器語言指令 一種得到 指令 有效 形式的方 法是將 這些 位分成段 如圖 3 4A 2 所示 每一段都包含一個不同類型信息的 代 碼 在簡單的計算機中 每條指令可分為四段 每段有四位 每條指令包括操作代碼 或操 作碼 每條指令有唯一的操作碼 操作數(shù)地址 立即數(shù) 轉(zhuǎn)換地址 在一 個實際的指令集中 有很多指令 也有大量的存儲單元來存儲指令和數(shù)據(jù) 為了增 加 存儲單元的數(shù)目 如果我們使用同樣的方法 地址段的指令一定長于 16 位 除了增 加指 令長度外 還有很多增加微處理器尋址范圍的方法 可變指令段 多字指令 多 尋址模式 可變指令長度 我們不將詳細討論它們 為了有效利用存儲空間和處理時間 大多 存儲數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)是存儲器中代表代碼的信息 數(shù)計算機提供了不同長度和表示 方法的處理數(shù)據(jù)能力 能被處理器識別的各種不同表示稱作 數(shù)據(jù)類型 常用的數(shù)據(jù) 類型有 位 二進制碼 十進制數(shù)字 4 位字節(jié) BCD 字節(jié) 8 位 字 2 個 字節(jié) 雙字 4 個字節(jié) 有一些處理器提供了可處理其他數(shù)據(jù)類型 例如單精 度浮點數(shù)據(jù)類 32 位 和雙精度 浮點數(shù)據(jù) 64 位 等的指令 還有另一類的數(shù)據(jù) 特征數(shù)據(jù) 通常也表示為 8 位 在標準 鍵盤上 每個計算機終端鍵和鍵的組合 例如 s h i f t 和 c o n t r o l 功能鍵 有定為美國信息交換 標準碼的 7 位碼 我們也 關(guān)注不同存儲技術(shù)的特征 對主存儲器 存儲器類型 在數(shù)字控制系統(tǒng)的應用中 來 說 我們需用它臨時存儲信息 并逐次地從不同單元寫入或獲得信息 這種類型的存 儲器 稱作隨機訪問存儲器 RAM 在某些情況下 我們不想讓存儲器中的信息丟失 因此我們 愿使用特殊技術(shù)寫入存儲器 如果寫入只在物理改變連接時才能實現(xiàn) 那么這種存儲器稱為 只讀存儲器 ROM 如果相互連接的模式可由程序設定 那 存儲器叫做可編程只讀存儲器 PROM 如果需要實現(xiàn)改寫的情況 我們有可擦的 可編程只讀存儲器 EPROM 電可 擦除的 PROM 縮寫為 EEPROM 中央處理單元 CPU CPU 的工作是從存儲器中取回指令并執(zhí)行 CPU 的結(jié)構(gòu)如圖 3 4A 3 它有四個主 要部 件 算術(shù) 邏輯單元 一系列存儲器 一個內(nèi)部處理器總線和控制器 CPU 的 這些及其其他部件和它們在指令周期的分享將在后面的章節(jié)中說明 算術(shù) 邏輯單元 算術(shù) 邏輯單元 ALU ALU 提供很廣泛的算術(shù)操作 包括加 減 乘 除 它也 完成布爾邏輯操作 例如 與 或 二進制算術(shù)求補 其他操作 例如字比較也 可達到 計 算機任務的主要部分包括 ALU 但為了利用 ALU 指令 需要大量的數(shù)據(jù) 移動 寄存器 CPU 內(nèi)的一系列寄存器是用于存儲信息的 p a g e 7 指令寄存器 當一條指令取回來 它被復制到指令寄存器內(nèi) 并被譯碼 譯碼意 味著檢 查操作代碼并用于確定執(zhí)行順序的各步 CPU 的編程器模型 可由編程器檢查或修 改的寄存器集稱為 CPU 的編程器模型 由 指令集操作或明顯受硬件輸入或數(shù)據(jù)操作 的結(jié)果影響的一類寄存器是模型中表示的寄存器 標志寄存器 執(zhí)行順序不僅由指令 而且也由前面指令的結(jié)果來確定 例如 如果在 ALU 中進行加法運算 加法的結(jié)果 不論結(jié)果是正 負或 0 存儲在稱為標志寄存器 狀態(tài)寄存 器或條件寄存器中 如果下一指令是一個條件轉(zhuǎn)移指令 標志字需要檢驗以確定是否需要轉(zhuǎn) 移 程序計數(shù)器 指令指針 下一指令的地址位于稱作程序計數(shù)器的寄存器中 數(shù) 據(jù)寄存器 當一指令用寄存器存儲數(shù)據(jù) 指令中的寄存器參考被稱作寄存器尋址 利 用內(nèi)部寄存器存數(shù)據(jù)的原因在于它們能使指令更短 執(zhí)行速度更快 地址寄存器 內(nèi)部寄存器也可用于儲存存儲器數(shù)據(jù)的地址 這種情況下 指令 字包含寄 存器數(shù) 例如一個寄存器地址 寄存器中包含用于指令中的存儲器數(shù)據(jù)的地 址 這種尋址 方式叫做寄存器直接尋址 寄存器的內(nèi)容指向存儲器中的數(shù)據(jù) 總線 是一套分組的電導 內(nèi)部處理器總線 內(nèi)部處理器總線使數(shù)據(jù)在內(nèi)部存儲器間移動 線 它能在 CPU 的功能塊間傳送數(shù)據(jù) 地址和控制信息 當兩個寄存器連到總 線上時 源 寄存器中的數(shù)據(jù)可傳到目的寄存器中 控制器 一個總 控制器 控制器提 供了程序周期內(nèi)取自寄存器每條指令的控制信號的適宜順序 程序周期是由許多指令 周期組成 每個指令周期可分為它部件的機器周期 每個機器周期由 許多時鐘周期 組成 例如圖 3 1A 4 為了取回一條指令 程序計數(shù)器中的地址放到在時鐘周期 C 1 上升沿的 外部總線的地址線上 同時 利用控制線上的一個代碼 CPU 通知所有連 接到總線上的設 備 即 CPU 正執(zhí)行一個 操作碼取回 的機器周期 存儲器允許存 儲器尋址去選擇包含指令 的存儲器單元 在 C2 段 控制器將 讀 命令放到控制總 線上 允許存儲器數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)線 上 然后在 C3 段 控制器將數(shù)據(jù)選通到指令寄 存器中 并從控制總線再移動讀命令 在 C4 段 控制器在地址總線上再移地址并開 始譯指令的操作代碼部分 來看一看執(zhí)行需要說 明步驟 譯碼操作或許會在 操作碼 取回 機器周期的末端花費幾個更多的時鐘周期 外部提示請求 停止正常的指令處 理順序往往是必要的 一種外部提示請求是復位 請求 在不可恢復故障的情況下 計 算機系統(tǒng)可要求自身復位 這帶來的影響是初始化系統(tǒng) 中所有重要寄存器 并從標志 存儲單元 通常是 0 單元開始執(zhí)行指令 在正常事件過程中更通常的啟動服務 是中斷請求 來自外部設備的一個中斷請求信號可 使 CPU 立即執(zhí)行實施必要動作的 服務子程序 當完成服務子程序后 處理器將從最初被中 斷的地方繼續(xù)執(zhí)行 第三 種類型的輸入是總線請求 或直接存儲器尋址請求 有一個終端接口來存儲正文的 所有特征 直到接到一個 回車 然后 接口請求使用系統(tǒng)總線 此時 數(shù)據(jù)以盡 可快的速 度被傳遞給存儲器 這種方式下 處理器僅變?yōu)橥Ｖ?直到傳遞完成 總 線 總線是計算機系統(tǒng)最重要的通信系統(tǒng) 在 CPU 控制下 一個數(shù)據(jù)源設備和一個數(shù) 據(jù)目 的設備被允許在短時傳輸下連接到總線上 外部處理器總線 內(nèi)部處理器總線通過位于微處理器集成電路上的一組總線緩沖 區(qū)連 接到外部處理器總線上 系統(tǒng)總線 微計算機板能夠通過一個連接器與外部系統(tǒng)總線相聯(lián)而能與其他板進 行通信 計算機輸入和輸出 CPU 外部的一組寄存器是與輸入 輸出系統(tǒng)有關(guān)的 I O 系統(tǒng)在接口處利用控制 地址 數(shù)據(jù)線通過 I O 寄存器來與外部處理器總線連接 有兩種方法用于尋址 I O 寄存器 第一種方法 稱為 I O 映射的輸入 輸出 操 作碼本身有專門的 I O 指令 尋址在接口中 稱為 I O 口的標號寄存器 第二種尋 址 I O 寄存器的方法給出了位于 CPU 尋址寄存器范圍內(nèi)的 I O 口地址 這叫 做存 儲器映射的 I O 當然 沒有任何存儲器單元在同一尋址下作 I O 單元 存儲器映 射方法的益處之一是存儲器尋址方式的全部范圍可用于 I O 寄存器尋址 Fu n d a m e n t a l s o f s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r s 單片機是本世紀兩大引起爭論的重大發(fā)明創(chuàng)新即數(shù)字計算機與集成電路發(fā)展的頂 p a g e 8 點 單片機有這樣兩種結(jié)構(gòu)類型 一些使用了哈佛結(jié)構(gòu)的分離的程 序 數(shù)據(jù)存儲器 另一 些被通用計算機和微處理器廣泛采用的是普林斯頓結(jié)構(gòu) 遵循在程序存儲器與 數(shù)據(jù)存儲器之 間沒有邏輯區(qū)別的原理 概括地講 單片機的特征是將計算機的所有 部件都合并到一個單一的裝置上 只讀存儲器 只讀存儲器 ROM ROM 通常用于 永久的 不易變的應用程序的存儲 許多微計算 機和微控制器要有大量應用場合 因此這些設備的生產(chǎn)要求在制造過程中 程序存儲器中的 內(nèi)容要保證長久不變 顯然 由于在生產(chǎn)后不能產(chǎn)生變化 因此這意味著要有一個 ROM 代 碼開發(fā)的嚴格的 方法 這一開發(fā)過程不僅包括利用其硬件仿真能力的復雜開發(fā)系統(tǒng)的仿真 還包括強 大的軟件工具的應用 一些生產(chǎn)商提供了包括帶用戶可編程存儲器范圍內(nèi)設備的附加 ROM 可選項 其中最簡 單的設備是在微處理器模式下運算 把一些輸入 輸出線用 作地址和數(shù)據(jù)總線來訪問外部存 儲器 雖然帶有限定 I O 和改進的外部電路 但這 種類型的設備能夠像單片機派生的功能那 樣工作 這些無 ROM 設備的應用在生產(chǎn)電 路中通常是偶數(shù) 其容量不能調(diào)整 定制的單片 ROM 的開發(fā)成本 但與傳統(tǒng)的基于電 路的微處理器相比 在 I O 和其他芯片上仍有很大的 節(jié)省 ROM 設備的更精確的替 代可通過不同形式的帶有背頁式 EPROM 可擦寫編程 ROM 插座或由 EPROM 取代 RO M 的設備而獲得 這些設備本質(zhì)上比相等的 ROM 設備要 昂貴 但確實提供了完全等 效的電路 帶 EPROM 的設備時少量的應用場合具很大誘惑 它 們可提供單片設備的 優(yōu)點 單片 I O 等等 以及靈活的用戶編程的方便性 寫存儲器 讀 寫存儲器 RAM RAM 是用于程序執(zhí)行過程中對對工作變量和數(shù)據(jù)的存儲 存儲 寫存儲器 器 的大小隨設備的類型而變 但它與處理器有相同的特征寬度 4 8 16 位等 特 殊功能 寄存器 例如棧指針或定時寄存器通常合并到 RAM 區(qū) 在哈佛類型的微計算 機中 RAM 和寄存器常常沒有實際分離 因此在一個微處理器系統(tǒng)情況下 沒有必要 把 RAM 和處理器 寄存器區(qū)分開 中央處理單元 中央處理單元 CPU CPU 更象 任何一種微處理器 微計算機和微控制器的許多應用 包括 BCD 碼的處理 例如 數(shù)據(jù)顯示 因此 普遍發(fā)現(xiàn) CPU 能很好地處理這一類型的數(shù) 據(jù) 由于許多控制器 的應用包括開或關(guān)單個輸出線或讀取單個線 因此對測試 設定和復位 存儲器或 I O 的獨立的位 它們通常也是很好的設備 這些線很容易與雙套設備來接口 例 如 開關(guān) 恒溫器 固態(tài)繼電器 閥 電動機 等等 串行輸入 輸出 輸出 串行輸入 輸出 串行輸入和輸出在不同的微處理器中策略有一些改變 大多數(shù)設備提 供允許 用戶選擇哪些針腳是輸入端哪些是輸出端 并行輸入 輸出 輸出 具有終端設備的串 行通信通用的方法是用少量的線進行連接 這種通信 并行輸入 輸出 業(yè)可開發(fā)用于連 接特殊功能的芯片或?qū)讉€微計算機連在一起 公用異步和同步通信系統(tǒng)要 求協(xié)議 能提供成幀 開始和停止 信息 這可由硬件設施或 U S ART 通用 同步 異步 接 收 發(fā)送器 來使處理器從低電平 占時 細目中解脫出來 僅需選擇一個波特率和其 他 可能的選項 停止位的數(shù)目 奇偶檢驗 等等 以及裝載 或讀取 串行發(fā)送器 或接收器 的緩沖區(qū) 相應格式的串行化再由硬件電路來完成 定時器 計數(shù)器設備 計數(shù)器設備 單片機的許多應用技術(shù)要求有精確估計所經(jīng)過的時間 這可經(jīng)仔細 定時 器 計數(shù)器設備 評定程序每一分支的執(zhí)行時間來確定 但這很快會變?yōu)槿繜o效 除 了最簡單的程序 較合 人意的方法是 用定時電路來精確獨立計算精確的時間增量 經(jīng)過一段預定時間后 產(chǎn)生一 個中斷 這種類型的定時器通常被安排去預載所要求 的計數(shù)值 然后 定時器減小這一數(shù)值 當計數(shù)器減小為 0 時 產(chǎn)生一中斷或設 置一個標志 較好的定時器有自動再加載初始計數(shù)值 的能力 這使程序員從再加載計數(shù)器和存取定時器再啟動前所經(jīng)過的時間的責任 中解脫出 來 如果需要連續(xù)精確的定時中斷 否則 這是必要的 例如 在一個時鐘 內(nèi) 有時與定 時器相關(guān)的是事件計數(shù)器 這一設備通常有一特殊輸入針 它可直 接驅(qū)動計數(shù)器 定時元件 大多數(shù)微計算機的時鐘電路只需要簡單的定時元件 若要 達到最大性能 必 定時元件 須用一個晶體來保證達到最大時鐘頻率 而不是超過 許多時鐘電路也把電阻和電容用作低 成本定時元件或由外部源來驅(qū)動 如果微計算 機的外部需要同步的話 這后一種方案是很有 用的 A p r o c e s s c o n t r o l s y s t e m 此部分的主要目的是滿足讀者對自動過程控制的需要和激勵讀者來學習 自動 過程控制 與持續(xù)過程變量 溫度 壓力 流量 成分和期望操作值一類的量有關(guān) 正 p a g e 9 如我們在后續(xù)的 章節(jié)中所看到的 過程本身是動態(tài)的 變化不斷發(fā)生 并且如果激勵 未加入 重要的過程變 量 與安全有關(guān)的變量 產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率 將不能獲得 期望值 為了強化概念 讓我們來考慮一個過程流通過濃縮流加熱的熱變換器 其 過程框圖如 圖 4 1A 1 此單元的目的是把一過程流從某一入口溫度 Ti t 加熱到某一 期望出口溫度 T t 如前所 述 熱介質(zhì)是濃縮流 只要對周圍環(huán)境沒有熱損失 過程流所獲得的能量等同于濃縮流釋放的熱量 也就是說 熱變換器和管子均絕緣 在這種情況下 釋放的熱量就是濃縮流濃縮的潛熱 在此過程中 有許多變量可變 化 從而造成出口溫度偏離期望值 如果發(fā)生此情況 激 勵必須加入以更正此偏差 也就是說 激勵將控制出口溫度以維持其期望值 完成此目的的一種方法是首先測量 溫度 T t 然后與期望值比較 基于此比較值 確定 以什么來更正偏差 濃縮流的 流量可用于更正偏差 也就是說 如果溫度高于期望值 那么 到熱變換器的濃縮流的 流量 能量 可調(diào)節(jié)減少 如果溫度低于期望值 那么到熱變換器的 濃縮流的流量 能量 可調(diào)節(jié)增加 所有這些均可由操作者人工完成 并且如果過程簡單明 了 這將 不成問題 然而 在大多數(shù)過程控制工廠中 均有數(shù)百個變量必須保持期望值 那 么 更正過程將需要大量的操作人員 因此 我們希望自動的完成此控制 這就是說 我 們需 要一些不用操作人員介入就可控制這些變量的設備 這就是我們所說的自動過程 控制 為完成此目的 必須設計和實現(xiàn)控制系統(tǒng) 一種可能的控制系統(tǒng)和其基本元件 如圖 5 1A 2 所示 首先是測量過程流的出口溫度 完成此任務的是傳感器 熱電偶 阻抗溫度儀 系統(tǒng) 溫度計 電熱調(diào)節(jié)器等 傳感器會與熱敏電偶相連 熱敏電 偶從傳感器采一輸出點 并把 其轉(zhuǎn)換為足夠強的信號傳遞給一控制器 控制器接受 與溫度相關(guān)的信號 并與期望值相比較 依賴于此比較值 控制器可確定怎樣保持 溫度在期望值 基于此決定 控制器給終端控制元 件傳送另一信號 其反過來操作流 量 前面的段落介紹了控制系統(tǒng)的四個基本元件 它們是 傳感器 通常稱為主 要元件 熱敏電偶 通常稱為次要元件 控制器 控制系統(tǒng)的 腦 終端控制系統(tǒng) 經(jīng)常為控制閥但不總是 一般其它終端控制元件為可變的 速度泵 傳 送機和電動機 這些元件的重要性在于它們執(zhí)行的是在每一個控制系統(tǒng)中所必須的三 個基本操作 這些 操作是 測量 M 傳感器和熱偶電阻的組合元件經(jīng)常測 量被控變量 設定 D 基于測量值 控制器決定怎樣維持變量在期望值 執(zhí)行 A 作為控制器決定后的結(jié)果 系統(tǒng)必須采取一定的措施 通常有終端控 制元件 完成 如上所述 在每一個控制系統(tǒng)中這三個基本操作 M D 和 A 都會存在 在某 些系統(tǒng) 中 決定 執(zhí)行操作相當簡單 而在另一些系統(tǒng)中操作很復雜 工程人員設計 控制系統(tǒng)時必 須確保采取的措施要影響控制變量 也就是說 采取的措施要影響測量 值 否則 系統(tǒng)是不 可控的且有可能弊大于利 Se n s o r s a n d Tr a n s m i t t e r s 在第一單元中 我們了解了控制系統(tǒng)的四個基本元件是傳感器 變送器 控制器 和終端 控制元件 我們也知道了這些元件執(zhí)行每一個控制系統(tǒng)的三個基本操作 測量 M 設定 D 和執(zhí)行 A 本部分隨著控制器較詳細的研究 簡單介紹一下 傳感器和變送器 傳感器和變送器執(zhí)行的是控制系統(tǒng)的測量 M 操作 傳感器產(chǎn)生 一個機械的或與測量 的過程變量相關(guān)的類似的現(xiàn)象 反過來 變送器把這一現(xiàn)象轉(zhuǎn)換 為可以傳遞的信號 因此 信號與過程變量相關(guān) 存在與傳感器 變送器組合元件相 關(guān)的三個重要術(shù)語 通過測量的過程變量的高低數(shù)值 來設定儀表的范圍 也就是說 可以考慮使用標有刻度的壓力傳感器 變送器來測量 20 表壓 到 50 表壓間的過程壓 力 我們可以說 傳感器 變送器組合元件的范圍是 20 50 表壓 儀表 的測量范圍與 高低壓數(shù)值間的范圍是不同的 上述的壓力儀表測量范圍是 30 表壓 總之 我們必 須明確高低數(shù)值來限定儀表的范圍 也就是說 兩個數(shù)值必須給出 儀表的測量范圍 與兩個數(shù)值間的范圍是不同的 最后確定 低壓數(shù)值作為儀表的零點 儀表的零點并 不一定 就是零 上述例子中 儀表的零點是 20 表壓 其他工業(yè)傳感器有 壓力 流量 溫度和水平面 有時候 獲得描述傳感器 熱敏電阻 動態(tài)性能的參數(shù)對于系統(tǒng) 分析是很重要的 一旦得知測量間隔 增益即可容易獲得 考慮一 個范圍為 0 200 表壓得電子壓力傳感器 變送器 增益被定義為輸入變化量除以輸出變化量 或激勵函 數(shù)變化量除以響應變化量 在這種情況下 輸出是電子信號 4 20 毫安 輸入是 p a g e 10 過程壓力 0 200 表壓 因此 KT 20 m A 4 m A 16 m A m A 0 08 200 p s i g 0 p s i g 200 p s i g p s i g 15 p s i g 3 p s i g 12 p s i g p s i g 0 06 300 F 100 F 200 F F 考慮的另一個例子是范圍在 100 300 F 的氣動溫度傳感器 熱敏電阻 增益為 KT 也就是說 傳感器 變送器的增益是輸出測量范圍與輸入測量范圍的比率 上述 的兩個例子表明傳感器 變送器的增益是超過其完全操作范圍的常量 大多數(shù)傳感 器 變送器都是這種情況 然而 也有一些象用于測量流的微分壓力 h 傳感器不是這種 情況 的例子 微分壓力傳感器冷處理孔處的微分壓力 微分壓力與測定體積流的速率 F 的平方 有關(guān) 即 F 2 a h 描述當測量范圍為 0 Fm a x g p m 的測定體積流時 輸出信 號形式為微分壓力熱敏電阻的 公式為 16 M F 4 F 2 F m a x 2 式中 M F 輸出信號 毫安 F 測定體積流 從等式中可知 變送器的增益獲得如下 KT 標稱增益為 d M F 2 16 F d F Fm a x 2 KT 16 Fm a x 0 1 0 2 0 5 1 0 0 75 1 50 1 0 2 0 此表達式說明增益不是常量 而是一個時間的函數(shù) 流量越大 增益越大 明確 的說 F At F m a x KT K T 0 0 因此 實際上增益在零到兩倍標稱增益間變化 在流體控制系統(tǒng)中這就造成了 非線性 目前 大多數(shù)生產(chǎn)廠家均提供產(chǎn)生潛入變送器的 嵌入式開方器的微分壓力 熱敏電阻 大多數(shù)傳感器 變送器的動態(tài)響應比過程快 因此 時間常數(shù)和空載時間 經(jīng)常被忽略 從而傳遞函數(shù)有純增益給出 然而 當考慮動態(tài)特性時 一次或二次系 統(tǒng)的儀表傳遞函數(shù)通 KT 常表示為 G s s 1 或 G s KT s 2 s 1 2 P Co n t r o l l e r s a n d PI Co n t r o l l e r s 為了維持參考點 反饋控制器做出決定的方法是通過在被控量與參考點差別的基 礎(chǔ)上 計算輸出 在本單元中 我們將通過描述其操作的公式著眼于最普通的控制器 比例控制器 P 比例控制器 除了在這里不考慮的開 斷控制器 比例控制器是最簡 單的控制器 描述其操作的方程 式如下 m t m K c r t c t 或 式中 m t m K c e t m t 控制器的輸出 p s i g 或 m A r t 參考點 p s i g 或 m A c t 被控量 p s i g 或 m A 這是熱敏電 阻的信號 e t 誤差信號 p s i g 或 m A 參考點與被控量的差別 K c 控制器增益 p s i m A 或 p s i m A m 偏差值 p s i g 或 m A 此值的意義在于它是誤差為零時的輸出 在中比例 的刻度 控制器中 此值通常被設定為 9 p s i g 或 12 m A 因為輸入與輸出范圍是相同 的 3 15 p s i g 或 4 20 m A 輸入信號和輸出信號以及 參考點有時候也可用分 數(shù)或百分數(shù)來表示 可以有趣的看到等式 5 3A 1 描述的是一個反作用控制器 如 果控制器變量 c t 超過參考點 r t 誤差變負 并且等式表明控制器的輸出 m t 下降 在數(shù)學上顯示正作用 控制器的一般方法是使控制器的增益 Kc 為負 然而 p a g e 11 必須牢記 在工業(yè)控制器中沒有負增 益 只有正增益 反 正開關(guān)可以做到這一點 當做正作用控制器的控制系統(tǒng)的數(shù)學分析時 負增益 Kc 被使用 等