朱玉璽ch08章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

第8章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)8.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟與方法8.1.1總體方案的確定8.1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸入部分的設(shè)計(jì)8.1.3確定控制算法8.1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸出部分的設(shè)計(jì)8.1.5計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)試計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)8.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)8.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)8.3.1硬件抗干擾技術(shù)8.3.2軟件抗干擾技術(shù)8.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例8.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟與方法1．系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟?1）系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)?2）系統(tǒng)的實(shí)施?3）系統(tǒng)調(diào)試與投入2．系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法從系統(tǒng)構(gòu)成上看，除被控對(duì)象外，其余部分都要由設(shè)計(jì)者進(jìn)行設(shè)計(jì)。從功能上分，可分為總體部分、輸入部分、控制器部分和輸出部分。8.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟與方法8.1.1

總體方案的確定1．確定被控對(duì)象的被控量和控制量2．建立數(shù)學(xué)模型3．選用檢測(cè)元件（傳感器）4．選用執(zhí)行機(jī)構(gòu)5．選定輸入/輸出通道6．選用計(jì)算機(jī)和選定外部設(shè)備8.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟與方法8.1.1總體方案的確定1．確定對(duì)象的被控量和控制量被控量的選擇原則如下：?①選擇對(duì)控制目標(biāo)起關(guān)鍵影響作用的量作為被控量；?②為提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，選擇與控制目標(biāo)有密切關(guān)系的量作為輔助被控量。控制量的選擇原則如下。?①選對(duì)被控量有重大影響的對(duì)象輸入變量作為控制量；?②若對(duì)象存在多個(gè)輸入量，選擇對(duì)被控量響應(yīng)較快、變化范圍較大的量作為控制量；?③所選控制量之間的相互依賴關(guān)系越小越好。8.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟與方法·

【例8-1】設(shè)計(jì)燃油輥道窯溫度控制系統(tǒng)。輥道窯溫度控制系統(tǒng)示意圖和窯道理想燒成溫度曲線如圖8-1所示。圖8-1例8-1圖8.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟與方法2．建立數(shù)學(xué)模型為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，使計(jì)算機(jī)能按設(shè)計(jì)出的控制算法對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，必須事先知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，也就是指前面所說的控制量與被控量的關(guān)系。?可用如下3種方法建模：①理論分析法。②實(shí)驗(yàn)測(cè)試法。③經(jīng)驗(yàn)公式法。3．選用檢測(cè)元件（傳感器）8.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟與方法4．選用執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是控制器與被控對(duì)象之間的連接部件，根據(jù)不同的生產(chǎn)對(duì)象、不同的物理量，可以選用適當(dāng)?shù)膱?zhí)行機(jī)構(gòu)如下。①步進(jìn)電機(jī)。②電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。③氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥。④液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。5．選定輸入/輸出通道一條完整的模擬量輸入通道應(yīng)包含信號(hào)測(cè)量、信號(hào)調(diào)理電路、模擬多路開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)控制接口等模塊。8.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟與方法6．選用計(jì)算機(jī)和選定外部設(shè)備對(duì)計(jì)算機(jī)有多種選擇，可以視設(shè)計(jì)任務(wù)、對(duì)象復(fù)雜性、運(yùn)行條件和發(fā)展前景等情況而定。提出如下選機(jī)原則：?①實(shí)時(shí)性。?②可靠性。?③可擴(kuò)充性。?④可維護(hù)性。根據(jù)上述選機(jī)原則，可給出如下3種選擇方案：?1）工業(yè)控制機(jī)（或工業(yè)PC）?2）單片機(jī)?3）自行設(shè)計(jì)系統(tǒng)8.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟與方法8.1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸入部分的設(shè)計(jì)1．A/D轉(zhuǎn)換器字長的確定?1）確定采集數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)形式（共享S/H,A/D或A/D)?2）量化誤差量化必定存在誤差。設(shè)量化器的輸入為x(t)，輸出為x*

(t)，則量化誤差為式中，ε為量化誤差，是q、x、t

的函數(shù)。?3）求A/D轉(zhuǎn)換器的字長求得A/D轉(zhuǎn)換器的字長為8.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟與方法分辨率定義為求得A/D轉(zhuǎn)換器的字長為4）校核校核原則：計(jì)算機(jī)的字長應(yīng)大于A/D轉(zhuǎn)換器的字長。除上面提及的輸入量化誤差外，還有如下誤差。①D/A轉(zhuǎn)換器引入的輸出誤差。②存儲(chǔ)器存儲(chǔ)系數(shù)、數(shù)據(jù)時(shí)，因舍入或截尾而產(chǎn)生的存儲(chǔ)誤差。③運(yùn)算器運(yùn)算時(shí)（特別是乘法、遞歸運(yùn)算等）帶來的運(yùn)算誤差。因此，為了提高精度，機(jī)內(nèi)CPU的字長必須比求得的A/D轉(zhuǎn)換器字長要長得多。8.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟與方法2．多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的設(shè)計(jì)①對(duì)于單片機(jī)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)每一路輸入端口的外部接口電路，其周圍環(huán)境的好壞直接影響A/D轉(zhuǎn)換器的性能。②A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電源是否穩(wěn)定對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)精度影響很大。3．開關(guān)量輸入通道的設(shè)計(jì)輸入緩沖器、輸入調(diào)理電路、輸入地址譯碼電路8.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟與方法8.1.3確定控制算法有了數(shù)學(xué)模型，就可以據(jù)此推算（設(shè)計(jì)）出控制器算法。純滯后是個(gè)超越函數(shù)，工程上常用有理公式近似法（Pade展開法）進(jìn)行近似處理。指數(shù)e

τs可以展開成級(jí)數(shù)為也可以用一個(gè)分母為n

階，分子為m

階（m<n）的有理分式來近似。表8-1給出了m=n=2的近似式，可使有理分式系數(shù)在n,m一定的情況下，與上面展開式的系數(shù)相同。8.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟與方法表8-1

e

τs的近似式8.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟與方法8.1.4

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸出部分的設(shè)計(jì)1．結(jié)構(gòu)形式的確定(共享D/A或多D/A)2．D/A轉(zhuǎn)換器字長的確定設(shè)執(zhí)行器的最大輸入值為Umax

，最小輸入值為Umin。，參照前面關(guān)于A/D轉(zhuǎn)換器敘述，可給出D/A轉(zhuǎn)換器的字長是：3．開關(guān)量輸出通道的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸出設(shè)備往往是高電壓大電流設(shè)備，大功率設(shè)備運(yùn)作時(shí)，常常會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾，須加入隔離措施，轉(zhuǎn)換和隔離兩種措施都不可少。8.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟與方法8.1.5計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)試調(diào)試工作分為硬件、軟件調(diào)試和聯(lián)合調(diào)試。?1）硬件調(diào)試首先是部件的單獨(dú)檢查，另外要核對(duì)數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線的走線序號(hào)是否正確。接下來是聯(lián)合調(diào)試。?2）軟件調(diào)試類似于硬件調(diào)試，軟件調(diào)試時(shí)首先對(duì)各模塊單獨(dú)調(diào)試，然后進(jìn)行軟件聯(lián)調(diào)。?3）軟、硬件聯(lián)調(diào)主要解決硬、軟件不協(xié)調(diào)的地方。8.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)1．幾個(gè)基本概念?1）可靠性、可靠度和可靠度函數(shù)系統(tǒng)可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力?？煽啃允且粋€(gè)定性概念，很難用一個(gè)特征量來表示，它帶有隨機(jī)性。系統(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率，稱為系統(tǒng)的可靠度（又稱為可靠率）。系統(tǒng)的可靠度是個(gè)時(shí)間函數(shù)，稱為可靠度函數(shù)R(t)。式中P為概率,ξ為產(chǎn)生故障前的工作時(shí)間，t

為規(guī)定時(shí)間。8.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)·

可靠度函數(shù)可用一個(gè)數(shù)值、分?jǐn)?shù)、百分?jǐn)?shù)來表示。式中，N0

為當(dāng)t

=0時(shí)在規(guī)定條件下進(jìn)行工作的系統(tǒng)個(gè)數(shù)，r(t)為在0～t時(shí)刻的工作時(shí)間內(nèi)累計(jì)故障系統(tǒng)數(shù)（產(chǎn)生故障后不修復(fù)）。?2）故障率函數(shù)工作到某時(shí)刻尚未發(fā)生故障的產(chǎn)品，在該時(shí)刻后的dt時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率，稱為產(chǎn)品的故障率（失效率）λ(t)。·

式中，dr(t)為t時(shí)刻后dt

時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的產(chǎn)品數(shù)，d為微分算符，Δ為增量符，NS(t)為到t時(shí)刻尚未發(fā)生故障的產(chǎn)品數(shù)，有NS(t)=N0

–r(t)＝R(t)。8.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)：經(jīng)過計(jì)算，求得結(jié)果說明可靠度具有指數(shù)分布規(guī)律。?3）平均故障前時(shí)間（Mean

Time

to

Failure，MTTF）設(shè)N0個(gè)不可修復(fù)系統(tǒng)在同樣條件下進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得其各故障前時(shí)間為t1,t2,…,tN0

，其平均故障前時(shí)間為?4）平均故障間隔時(shí)間（Mean

Time

Between

Failure，MTBF）一個(gè)可修復(fù)系統(tǒng)在使用過程中發(fā)生了N0

次故障，每次故障修復(fù)后又再使用。測(cè)得其每次工作持續(xù)時(shí)間為t1,t2,…,tN0，其平均故障間隔時(shí)間為式(8-3)。式中，T為系統(tǒng)總的工作時(shí)

間。tMTBF

與維修效果有關(guān)。8.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)·

2．系統(tǒng)可靠性模型·

常用的模型有串聯(lián)系統(tǒng)模型、并聯(lián)系統(tǒng)模型和混聯(lián)系統(tǒng)模型3種，如圖8-2所示?！?/p>

式中，n為組成系統(tǒng)的單元數(shù)，Ri為第i

個(gè)單元的可靠度，Rs為系統(tǒng)的可靠度。圖8-2

3種結(jié)構(gòu)的可靠性模型?1）串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性模型·

串聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：8.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)的可靠·當(dāng)各個(gè)單元部件的壽命為指數(shù)分布度為式中系統(tǒng)中每種部件都有一定的失效率和一定的數(shù)量，則該部件的失效率為?2）并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性模型這是最簡單的冗余系統(tǒng)，如圖8-2（b）所示。圖8-2

3種結(jié)構(gòu)的可靠性模型8.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)·

并聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：·并聯(lián)單元越多，系統(tǒng)的可靠度越高。當(dāng)各單元的壽命為指數(shù)分布時(shí)，并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度為·

若系統(tǒng)所有單元均相同，失效率均為，則系統(tǒng)的可靠度為·

對(duì)于常用的二單元并聯(lián)系統(tǒng)，由上式得8.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)?3）混聯(lián)系統(tǒng)的可靠性模型·一般工程系統(tǒng)往往不單純是串聯(lián)或并聯(lián)的，還有串并、并串等混合模型，如圖8-2（c）所示。圖8-2

3種結(jié)構(gòu)的可靠性模型·

對(duì)于不太復(fù)雜的系統(tǒng)，可以用串聯(lián)或并聯(lián)的基本公式，用等效模型法便能求出系統(tǒng)的可靠度。對(duì)圖8-2（c）的系統(tǒng)，得系統(tǒng)結(jié)果，如圖8-3（b）所示。圖8-3混聯(lián)系統(tǒng)的等效模型8.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)3．提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性的途徑?1）系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)是指在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，在各個(gè)環(huán)節(jié)上采取必要的提高可靠性的設(shè)計(jì)措施。（1）總體設(shè)計(jì)（2）電路設(shè)計(jì)（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（4）熱設(shè)計(jì)（5）三防設(shè)計(jì)(防潮、防霉菌、防鹽霧）（6）抗沖擊、振動(dòng)設(shè)計(jì)（7）電磁兼容性設(shè)計(jì)（8）安全設(shè)計(jì)8.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)?2）容錯(cuò)設(shè)計(jì)容錯(cuò)設(shè)計(jì)是指在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，通過增加冗余資源的方法來掩蓋故障造成的影響，使得即使出錯(cuò)發(fā)生故障，系統(tǒng)功能仍不受影響。（1）硬件冗余（2）軟件冗余（3）信息冗余（4）時(shí)間冗余?3）加固設(shè)計(jì)為減弱或消除有害應(yīng)力的影響，可采用加固設(shè)計(jì)技術(shù)。（1）熱設(shè)計(jì)（2）機(jī)箱設(shè)計(jì)（3）抗干擾和防泄漏8.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)頻率范圍/MHz準(zhǔn)峰值/(dB/

V)平均值/(dB/

V)0.15～0.5066～5656～460.5～556465～306050·規(guī)定在各設(shè)備電源接線端口測(cè)得的干擾電壓不得超過表8-3所列的極限值。各設(shè)備輻射的電波場(chǎng)強(qiáng)（測(cè)量距離為10m）不得超過表8-4所列的極限值。表8-3設(shè)備電源接線端口的干擾電壓極限值頻率范圍/MHz準(zhǔn)峰值dB/(mV/m)30～23030230～100037表8-4設(shè)備輻射的電波場(chǎng)強(qiáng)極限值8.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)4．軟件的可靠性設(shè)計(jì)1）軟件可靠性概念軟件可靠性是指軟件在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能而不引起系統(tǒng)故障的能力。軟件可靠性是一個(gè)綜合性的指標(biāo)，它與多個(gè)因素有關(guān)。通常用下述的6個(gè)方面來評(píng)價(jià)軟件質(zhì)量。①功能性:實(shí)用性、準(zhǔn)確性、互操作性、一致性和安全性。②可靠性。包括容錯(cuò)性和可恢復(fù)性。③易用性。包括易理解性和易操作性。④效率。包括時(shí)間性、資源性。⑤可維性。包括易分析性、易修改性、穩(wěn)定性和易測(cè)試性。⑥可移植性。包括適應(yīng)性、易安裝性、規(guī)范性和可換性。8.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)?2）軟件可靠性設(shè)計(jì)的階段與方法（1）軟件開發(fā)過程的6個(gè)階段①要求/規(guī)格說明階段。②系統(tǒng)分析階段。③編碼調(diào)試階段。④測(cè)試驗(yàn)證階段。⑤文檔整理階段。⑥維護(hù)和再完善階段。（2）軟件可靠性設(shè)計(jì)方法軟件可靠性設(shè)計(jì)的方法有很多種。這些方法的共同特點(diǎn)是要求程序具有既易于理解、編寫方便，又便于驗(yàn)證、減少出錯(cuò)的良好結(jié)構(gòu)。8.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)?3）軟件正確性驗(yàn)證對(duì)較復(fù)雜軟件的正確性驗(yàn)證，需要有專門的技術(shù)和設(shè)備。對(duì)較簡單的軟件，可以用多組各種情況的模擬數(shù)據(jù)輸入軟件運(yùn)行，如果均能通過，則認(rèn)為軟件正確。?4）軟件容錯(cuò)設(shè)計(jì)技術(shù)軟件容錯(cuò)是指在軟件故障的情況下，系統(tǒng)仍能在預(yù)定條件下和預(yù)定時(shí)間內(nèi)正確運(yùn)行的能力。圖8-5是容錯(cuò)基本原理圖。圖8-5容錯(cuò)基本原理8.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)?5）信息保護(hù)技術(shù)信息保護(hù)是指為防止信息被非法竊取、篡改、非法使用或破壞而采取的保護(hù)措施?；镜男畔⒈Ｗo(hù)技術(shù)有以下幾種：（1）內(nèi)存保護(hù)區(qū)域保護(hù)。訪問方式保護(hù)。·

（2）外存保護(hù)利用目錄保護(hù)。利用“允許存取口令”保護(hù)。利用文件二重化保護(hù)。8.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)（3）身份識(shí)別與口令?為防止非法用戶使用系統(tǒng)和合法用戶非法使用系統(tǒng)信息，需要對(duì)用戶身份進(jìn)行識(shí)別和驗(yàn)證。?識(shí)別用戶是公開的，而驗(yàn)證身份是秘密的。（4）信息編碼與加密?可靠性信息編碼的目的是防止硬件故障、軟件錯(cuò)誤和人為因素等原因引起的信息破壞。?加密旨在防止信息泄密，是保護(hù)信息的最基本方法。8.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)8.3.1

硬件抗干擾技術(shù)1．無源濾波器和有源濾波器濾波器只允許電源整個(gè)頻譜中的一段或多段一定的頻率幅度通到負(fù)載去。濾波器由無源元件（如電阻R、電容C

和電感L）組成時(shí)，稱為無源濾波器。濾波器由R、L、C

和有源元件（如晶體管、運(yùn)放等）組成時(shí)，稱為有源濾波器。這兩種濾波器主要用來濾除從電源端來的尖峰電流和瞬時(shí)噪聲電壓干擾，以及信號(hào)線上的雜波干擾。8.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)?1）電容濾波器和電感濾波器·

式中，ZC(s)稱為電容濾波器的阻抗函數(shù)，簡稱容抗。以s

=j 代入，得到頻率特性為圖8-6無源濾波器原理圖·

圖8-6（a）為電容濾波器電路原理圖。輸入量為電流IC(s)，輸出量為電壓UC(s)，濾波器的傳遞函數(shù)為8.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)·

電感L的電抗也與頻率有關(guān)，也可用來構(gòu)成濾波器，如圖8-6（b）所示。設(shè)輸入量為IL(s),輸出量為UL(s)，傳遞函數(shù)和頻率特性分別為ZL(s)簡稱為感抗，它與L

和 均成正比。對(duì)C、L

進(jìn)行不同的組合，可以構(gòu)成各種濾波特性的濾波器。圖8-6（c）為倒L型濾波器，圖8-6（d）為π型濾波器。8.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)?2）阻容濾波器LC濾波器在對(duì)信號(hào)濾波的同時(shí)，對(duì)有用信號(hào)的衰減很少。但電感線圈制作麻煩，并不像阻容那樣有系列產(chǎn)品可供選用。?3）有源濾波器（1）一階有源濾波器圖8-9（a）所示為一階有源濾波器原理圖。按運(yùn)算放大器的原理立即可以推出其傳遞函數(shù)和頻率特性為：在頻率特性的表示式中，R2/R1是個(gè)常數(shù)，稱為放大系數(shù)。8.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)圖8-9一階和二階有源濾波器原理圖（2）二階有源濾波器圖8-9（b）所示為二階有源濾波器原理圖。在此不加推導(dǎo)地直接寫出其傳遞函數(shù)為8.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)，上式的分母是特征多項(xiàng)式，?令特征方程為以T1T2

除全式，得兩個(gè)根（系統(tǒng)兩極點(diǎn)）為取各種R、C值，可得由阻尼系數(shù)表示的各種振蕩特性。為與典型的二階振蕩系統(tǒng)一致，再令8.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)ωn稱為固有振蕩頻率，ζ稱為阻尼系數(shù)，可以求得ωn就是所求的轉(zhuǎn)折頻率。2．屏蔽技術(shù)把電磁能量限制在一定的空間范圍內(nèi)的技術(shù)稱為屏蔽技術(shù)。通常采用某種可能的辦法阻止電磁能量傳播。?1）電場(chǎng)屏蔽通過電容耦合而引起的感應(yīng)稱為靜電感應(yīng)或靜電耦合，這是一種電壓感應(yīng)，如圖8-10（a）所示。B點(diǎn)感應(yīng)出的耦合干

擾電壓為:8.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)·靜電屏蔽的屏蔽效果依賴于對(duì)地連接的質(zhì)量。如果與機(jī)殼相連，機(jī)殼要用粗線接地，因?yàn)榧?xì)線有感抗，干擾頻率高時(shí)感抗很大，效果會(huì)變壞。圖8-10靜電感應(yīng)及其屏蔽·為了減少耦合，即減小UB，CM要小，CB要大。若A、B間放一塊金屬片D，對(duì)地電容為CD，如圖8-10（b）所示，還有不大的邊緣剩余電容可以忽略。B點(diǎn)上感應(yīng)干擾電壓為8.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)?2）磁場(chǎng)屏蔽·寄生電感耦合的原理依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律。設(shè)A為產(chǎn)生交變干擾電磁場(chǎng)的源，在相隔一定距離的B上感生出交變干擾電動(dòng)勢(shì)。則受感部分的感應(yīng)干擾電壓UK為：·屏蔽的任務(wù)就是減小或消除A、B間的磁耦合，即削弱EB或IB。式（8-7）表明，元件受感干擾電壓大小與干擾頻率成正比。因此，屏蔽方法分為以下兩個(gè)方面。8.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)?（1）對(duì)低頻干擾磁場(chǎng)或變化緩慢干擾磁場(chǎng)的屏蔽·屏蔽物采用高磁導(dǎo)率的金屬材料制成，，當(dāng)空間的干擾磁力線進(jìn)入屏蔽物，屏蔽物將為磁力線提供一條低磁阻的通路通過，然后進(jìn)入空間再回到干擾源閉合，如圖8-11（a）所示。圖8-11磁場(chǎng)的屏蔽·若要屏蔽直流干擾磁場(chǎng)，就非要用坡莫合金高磁導(dǎo)率材料不可了。同樣，可以屏蔽內(nèi)部元件產(chǎn)生的干擾，使之不會(huì)影響外部空間，如圖8-11（b）所示。8.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)（2）對(duì)高頻干擾磁場(chǎng)的屏蔽因?yàn)楦哳l時(shí)集膚效應(yīng)很強(qiáng)，干擾磁力線只集中作用在屏蔽材料的表層。高頻屏蔽機(jī)理與低頻屏蔽機(jī)理不同，為便于說明，假設(shè)屏蔽物是一筒套，如圖8-12所示。干擾磁力線作用在屏蔽物上時(shí)，將激勵(lì)出交變電動(dòng)勢(shì)，并產(chǎn)生交變感應(yīng)渦流。渦流的方向是力圖使其產(chǎn)生的磁場(chǎng)與干擾磁場(chǎng)相反，渦流磁力線的方向與外干擾磁力線的方向相反而互相抵消。圖8-12高頻磁場(chǎng)的屏蔽8.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)?3）電磁場(chǎng)屏蔽一個(gè)載有高頻交變電流的導(dǎo)體，在其周圍空間會(huì)產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)。由空間傳播的干擾稱為輻射干擾。抗干擾的方法主要是屏蔽加濾波。在受干擾設(shè)備的輸入端處加入L、C組合的一階或二階濾波器。?4）導(dǎo)線屏蔽現(xiàn)在來研究未加屏蔽的一條導(dǎo)線的情況。如圖8-13所示。當(dāng)通過微弱信號(hào)的信號(hào)導(dǎo)線處在干擾場(chǎng)中時(shí),由于導(dǎo)線與干擾源之間、導(dǎo)線與地之間存在寄生電容，會(huì)感應(yīng)出圖靜8-電13干導(dǎo)擾線電電壓磁屏，蔽其圖值如式（8-6）所示。8.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)如果在信號(hào)線上加一個(gè)金屬編織的網(wǎng)狀屏蔽套，如圖8-13中虛線所示。將屏蔽線兩端a、b分別與機(jī)殼相接。ID將經(jīng)導(dǎo)線→負(fù)載→屏蔽套→信號(hào)源回路形成流經(jīng)屏蔽套的在空間上的反向電流，并產(chǎn)生一個(gè)大小相等的反向磁場(chǎng)，與原磁場(chǎng)相抵消，從而實(shí)現(xiàn)磁屏蔽。·

3．接地技術(shù)·電氣、電子設(shè)備的良好接地是抑制系統(tǒng)內(nèi)部干擾耦合和防止外部干擾侵入的重要手段。1）接地方式·

（1）直接接地直接接地是指將各電子電路的接地接到一條公共接地母線上。這是用得最多的一種接地方式。直接接地可分為多點(diǎn)接地和單點(diǎn)接地兩種。8.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)·

（2）浮動(dòng)接地浮動(dòng)接地是指電路的整個(gè)地線系統(tǒng)與大地之間無導(dǎo)體連接，以一個(gè)懸浮的“地”作為系統(tǒng)的參考電位。·

（3）電容接地電容接地是指通過電容器把系統(tǒng)地與大地連起來。主要用接地電容器給干擾的高頻分量提供一條低阻抗通路。?2）屏蔽接地·有兩種接地方案可供選擇。一種是接地點(diǎn)選在儀器側(cè)，另一種是接地點(diǎn)選在信號(hào)源側(cè)，如圖8-14所示。8.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)圖8-14（a）中信號(hào)源的地（大地）與儀器的系統(tǒng)地之間有一共模干擾電壓ECM。圖8-14（b）中把接地點(diǎn)接在信號(hào)源側(cè)。圖8-14屏蔽套接地點(diǎn)的選擇方案8.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)4．電源干擾的抑制電源方面的干擾主要來自兩個(gè)方面。第一，系統(tǒng)的供電電源是從電網(wǎng)經(jīng)變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓而得到的，來自電網(wǎng)的各種干擾便引入到內(nèi)部。第二，多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或多臺(tái)外部設(shè)備公用同一個(gè)電源，通過電源線路產(chǎn)生相互干擾。?1）交流穩(wěn)壓器交流穩(wěn)壓器適用于電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大的場(chǎng)合。常用的是電磁式交流穩(wěn)壓器，具有較好的穩(wěn)壓及抗電網(wǎng)干擾的性能。8.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)2）壓敏電阻的應(yīng)用·壓敏電阻是一種非線性電阻元件。其伏安特性如圖8-15所示。可利用這種特性達(dá)到吸收過壓和消除瞬變尖峰的目的。圖8-15

壓敏電阻器的伏安特性

圖8-16

壓敏電阻的接線方式舉例3）瞬態(tài)電壓抑制二極管·瞬態(tài)電壓抑制二極管簡稱為TVS。當(dāng)TVS兩端受到高能瞬間沖擊時(shí)，利用反向擊穿特性，能瞬即將自身阻抗從高阻抗變?yōu)榈妥杩?，通過

大電流，而將兩端電壓保持在一個(gè)數(shù)值上，這樣就保護(hù)了電路器件。8.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)圖8-17

TVS接線方式舉例?4）交流線間濾波器在電網(wǎng)來的交流電源的進(jìn)線端接入一個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)的濾波器，此濾波器應(yīng)能讓50Hz的正弦波順利通過，從而有效抑制高

頻干擾。圖8-18為平衡式交流線間濾波器的原理圖。圖8-18中，L1、L2是兩個(gè)電感相等的線圈，匝數(shù)W和線徑相同，密繞在一個(gè)磁心上，但繞向相反，這點(diǎn)在圖上用黑點(diǎn)標(biāo)志的同名端來表示。8.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)·

兩個(gè)線圈的耦合系數(shù)定義為·

設(shè)耦合是理想的，k

=1，代入式（8-8）得

L0

=0。圖8-18交流線間濾波器原理圖·

經(jīng)過計(jì)算，電路總的電感為8.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)?5）電源變壓器的靜電屏蔽]本部分是前面電場(chǎng)屏蔽原理在電源變壓器中的應(yīng)用。變壓器的原邊和副邊都是由金屬導(dǎo)線繞制成的，原副邊的各個(gè)線匝間都構(gòu)成一個(gè)寄生電容，如圖8-19所示。這樣，原、副邊之間就有兩條通道。一條是正常通道，原、副邊間的電磁耦合；另一條是繞組間的寄生電容。在原、副邊間加入靜電屏蔽層M，并將其接大地，此時(shí)干擾從原邊經(jīng)C1到M入地，便可很好地將干擾濾掉，而不耦合到副邊去。圖8-19電源變壓器的靜電屏蔽8.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)8.3.2

軟件抗干擾技術(shù)·軟件抗干擾是一種被動(dòng)措施，可節(jié)省資源，運(yùn)用靈活，不失為一種重要的抗干擾手段。1．?dāng)?shù)字濾波數(shù)字濾波是指用某種方法對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理，減小干擾占有用信號(hào)的比重，提高信號(hào)的真實(shí)性。2．指令冗余技術(shù)如果PC因干擾而出現(xiàn)錯(cuò)誤，程序的執(zhí)行便會(huì)脫離正常軌道，俗稱程序亂飛。克服程序亂飛的辦法有以下3種：8.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)①多用單字節(jié)指令；②在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令之后插入兩條NOP指令，模擬操作數(shù)；③重復(fù)書寫對(duì)程序的流向起決定作用的指令和對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)起決定作用的指令。也可在這些指令前面插入兩條NOP指令。·

3．軟件陷阱技術(shù)·軟件陷阱是一條引導(dǎo)指令，可以攔截亂飛的程序并將其引導(dǎo)到指定位置，在該處用專門的處理程序進(jìn)行出錯(cuò)處理，從而使程序納入正常軌道。8.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)4．看門狗技術(shù)程序因受干擾而出現(xiàn)死循環(huán)時(shí)，可以用程序監(jiān)視技術(shù)來監(jiān)測(cè)，并使程序脫離死循環(huán)，這就是“看門狗”技術(shù)?？撮T狗技術(shù)可由硬件實(shí)現(xiàn)，也可由軟件實(shí)現(xiàn)，也可由硬、軟件結(jié)合實(shí)現(xiàn)。8.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例·過程控制系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)控制重要的應(yīng)用領(lǐng)域。下面以一個(gè)儲(chǔ)罐液位控制系統(tǒng)為例來介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。1．控制系統(tǒng)的總體描述儲(chǔ)罐液位控制系統(tǒng)示意圖如圖8-20所示。?1）性能指標(biāo)要求①靜差：不超過給定值的2％。②超調(diào)量：不超過穩(wěn)態(tài)值的5％。③上升時(shí)間：從0上升到穩(wěn)態(tài)值95％的時(shí)間不超過550s。④調(diào)節(jié)時(shí)間：在2％穩(wěn)定帶內(nèi)調(diào)節(jié)時(shí)間不超過700s。圖8-20儲(chǔ)罐液位控制系統(tǒng)示意圖8.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例?2）控制系統(tǒng)的組成部分·

單回路液位控制系統(tǒng)組成框圖如圖8-21所示。圖8-21單回路液位控制系統(tǒng)組成框圖?3）控制系統(tǒng)的參量①被控量：即輸出量，液位。②控制量：閥門開度，是控制器的輸出值。8.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例③調(diào)節(jié)介質(zhì)：對(duì)被控量起調(diào)節(jié)作用的物理介質(zhì)，為液體。④給定值：即輸入量，對(duì)應(yīng)于被控量的穩(wěn)態(tài)值。⑤偏差：被控量與給定值之間的差值。⑥干擾量：所有引起被控量波動(dòng)的量。2．被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型下面用兩種方法建立儲(chǔ)罐過程的數(shù)學(xué)模型。?1）機(jī)理建模法本過程只有一個(gè)儲(chǔ)蓄容量，稱為單容過程。已知儲(chǔ)罐的流入量為q1，儲(chǔ)罐的流出量為q2，液位h的變化反映了由于q1與q2不相等而引起的液體在罐內(nèi)的積累。8.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例設(shè)儲(chǔ)罐的截面積為A，高度為h，水體積為Ah，根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系有系統(tǒng)研究更關(guān)心的是在某平衡狀態(tài)下的增量式，設(shè)各參數(shù)分別為q10、q20、h0，則增量為式(8-9)為由流體力學(xué)知式中，ρ2、v2和A2分別是出口流體的密度、速度和截面積。根據(jù)伯努利方程有·式中，p1、p2為流體在閥2前后的壓力；v1、v2為閥2前后的流速；ρ1、ρ2為閥2前后的密度。8.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例·

認(rèn)為v1≈0，p2≈0，，ρ1=ρ2=ρ1、ρ代入式（8-12）得因?yàn)樗源胧剑?-10）得式中，Kc為系數(shù)?？梢姡何慌c流量呈非線性關(guān)系。對(duì)曲線進(jìn)行線性化處理，可近似認(rèn)為

q2與

h成正比。與電學(xué)中電阻的概念類比，定義液阻為8.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例·

在式（8-10）和式（8-13）中消去中間變量，得·這是被控對(duì)象以微分方程式表示的數(shù)學(xué)模型。對(duì)上式進(jìn)行拉氏變換，得數(shù)學(xué)模型的傳遞函數(shù)表達(dá)式為·考慮到調(diào)節(jié)閥1與實(shí)際儲(chǔ)罐的入口有一段距離，滯后時(shí)間為

，故數(shù)學(xué)模型寫為·這樣就將過程數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)確定了，是含純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。8.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例·

用MATLAB語言描點(diǎn)畫出響應(yīng)曲線，響應(yīng)曲線如圖8-22所示。t/s01020406080100140h/cm002.18.320.136.553.988.4t/s180250300400500600700h/cm113.6149.1165.7184.0192.3196.5196.5?2）實(shí)驗(yàn)建模法以圖8-21的結(jié)構(gòu)連成系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)在開環(huán)狀態(tài)下進(jìn)行。在某穩(wěn)定狀態(tài)下，突然斷開功率放大器的輸出，手動(dòng)外接一個(gè)階躍輸入信號(hào)，在液位計(jì)的輸出端采樣記錄液位的數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的電壓值，畫出變化曲線。其中一組時(shí)間與液位的數(shù)據(jù)見表8-5。表8-5單位階躍響應(yīng)曲線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)8.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例圖8-22對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線·

從表8-5及圖8-22（b）可見，系統(tǒng)有一純滯后，穩(wěn)態(tài)值為y()=196.5。在曲線的最大斜率處（拐點(diǎn)處）作切線，則得到純滯后時(shí)間為8.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例這是含純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。上升時(shí)間為調(diào)節(jié)時(shí)間為顯然，性能指標(biāo)不符合要求。為了使系統(tǒng)的響應(yīng)達(dá)到期望性能指標(biāo)的要求，必須加控制器，構(gòu)成閉環(huán)反饋系統(tǒng)。8.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例3．?dāng)?shù)字控制器的設(shè)計(jì)?1）離散PID算法控制器根據(jù)5.2.4節(jié)用擴(kuò)充響應(yīng)曲線法進(jìn)行數(shù)字調(diào)節(jié)器PID參數(shù)整定的方法，可選擇PID的3個(gè)參數(shù)和采樣時(shí)間。查表5-6，選控制度為1.05時(shí)的PID調(diào)節(jié)器，參數(shù)為·

代入式（5-60）得位置PID算法的控制量遞推式8.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例·構(gòu)成離散的PID調(diào)節(jié)器后加入到圖8-21中，當(dāng)輸入為階躍信號(hào)時(shí)，得到輸出響應(yīng)的仿真曲線，如圖8-23所示。圖8-23離散PID算法輸出曲線圖·圖8-23中顯示，性能指標(biāo)不滿足要求。對(duì)所選參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，波形有所改善，但仍然達(dá)不到性能要求。8.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例2）最少拍算法控制器·

式中，·

廣義對(duì)象滿足無紋波的條件，且m=d，n=q=1，則解得由則8.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例則控制量選擇采樣周期，應(yīng)使d為整數(shù)。初選T＝25s，d＝3，數(shù)據(jù)代入式（8-17）并仿真得到一條連續(xù)階躍響應(yīng)輸出曲線，如圖

8-24所示。圖8-2