第7章計算機控制系統(tǒng)組建以及實現(xiàn)技術(shù).ppt

1、1,7.1 硬件組成及輸入輸出接口 7.2 系統(tǒng)測試信號的處理 7.3 計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計 7.4 控制算法的編排實現(xiàn) 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(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù),2,圖7-1 計算機控制系統(tǒng)的基本組成,3,7.1.1 對控制用計算機系統(tǒng)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(tǒng) 對指令系統(tǒng)的要求 對內(nèi)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(shù)，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,4,7.1.1 對控制用計算機系統(tǒng)的硬件要求,3. 對應用軟件系統(tǒng)的要求 實時性強、可

2、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(lián)系 顯示屏 、各種功能鍵 、輸入數(shù)據(jù)功能鍵等 5. 系統(tǒng)的可靠性和可維護性 可靠性指系統(tǒng)無故障運行能力，指標平均無故障間隔時間。,5,7.1.2 對控制用計算機的選擇,1. 運算速度 影響因素：系統(tǒng)計算工作量、采樣周期、指令系統(tǒng)、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(xié)調(diào) 信號的動態(tài)范圍 與采樣周期T的關(guān)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。,6,7.1.3 計算機控制系統(tǒng)的模擬輸出通道,D/A 轉(zhuǎn)換器工作原理 數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量或電流量的裝置。 2. D/A轉(zhuǎn)換器的

3、主要性能 常用的主要指標： 精度精度是反映實際輸出與理想數(shù)學模型輸出信號接近的程度。 分辨率分辨率可定義為當輸入數(shù)字量發(fā)生單位數(shù)碼變化時輸出模擬量的變化量。分辨率也常用數(shù)字量的位數(shù)來表示。,7, 轉(zhuǎn)換時間最小有效位常以LSB表示，故轉(zhuǎn)換時間定義為D/A轉(zhuǎn)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。 輸出電平電壓型：510V，2430V； 電流輸出型：20mA，3A等。 輸入代碼形式D/A轉(zhuǎn)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(shù)值碼，偏移二進制碼等。,7.1.3 計算機控制系統(tǒng)的模擬輸出通道,8,3. D/A轉(zhuǎn)換器選擇的原

4、則,集成D/A轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換芯片 主要考慮芯片的性能、結(jié)構(gòu)及應用特性。在性能上必須滿足D/A轉(zhuǎn)換的技術(shù)要求，在結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換器字長n的選擇，可以由其后的執(zhí)行機構(gòu)的動態(tài)范圍來選定：,執(zhí)行機構(gòu)的死區(qū)電壓,執(zhí)行機構(gòu)最大輸入,9,4. 多路D/A輸出時的實現(xiàn)方式,圖7-2 模擬量輸出通道的兩種實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖,10,5. 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

5、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(shù)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(shù)的關(guān)系如表7-1所示。 注意： 計算機內(nèi)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(zhuǎn)換器的輸入。但若不一致（多數(shù)情況），則需要將計算得到的碼制進行相應的轉(zhuǎn)換后，方可作為D/A的輸入信號。,11,7.1.4 計算機控制系統(tǒng)的模擬輸入通道,圖7-4 模擬量輸入通道一般結(jié)構(gòu)圖,12,7.1.4 計算機控制系統(tǒng)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，

6、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(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路進行轉(zhuǎn)換。,圖7-5 采樣保持器原理圖,13,2. A/D 轉(zhuǎn)換器工作原理,工作原理: 將輸入的模擬電壓按比例地轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)字信號的裝置。,圖7-7 雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器,圖7-6 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器,14,3. A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標,(1) 精度指對應一個給定的數(shù)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(shù)字量對輸入模擬量變化的分辨能力。即設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為n，則A/D轉(zhuǎn)換

7、器的分辨率為 (3) 轉(zhuǎn)換時間從A/D轉(zhuǎn)換的啟動信號加入時起，到獲得數(shù)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,15,4. A/D轉(zhuǎn)換器的選擇,除了要滿足用戶的各種技術(shù)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(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換時間 它的穩(wěn)定性及抗干擾能力等 A/D轉(zhuǎn)換器的精度與傳感器的精度有關(guān)，一般比傳感器的精度高一個數(shù)量級；A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率還與系統(tǒng)的頻帶有關(guān)。 根據(jù)輸入模擬信號的動態(tài)范圍可選擇A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)n,模入信號的最大值,

8、模入信號的最小值,16,5. 檢測通道的數(shù)據(jù)采集,圖7-8 單路檢測通道結(jié)構(gòu)類型,17,6. 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(nèi)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(shù)情況），則需要將A/D輸出信號的編碼進行相應的轉(zhuǎn)換后，方參與到算法的運算中。,18,7. CPU和A/D轉(zhuǎn)換電路之間的I/O控制方式,

9、(1) 查詢方式 由CPU執(zhí)行I/O指令啟動并完成。每次傳送數(shù)據(jù)之前，要先輸入A/D轉(zhuǎn)換器狀態(tài)，經(jīng)過查詢符合條件后才可以進行數(shù)據(jù)的I/O。 靈活，但在讀寫數(shù)據(jù)端口指令之前需要重復執(zhí)行多次查詢狀態(tài)的指令，當外設(shè)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(shè)的要求。在這種方式下，CPU和外設(shè)基本上實現(xiàn)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，不僅要選用高速A/D轉(zhuǎn)換電路，而且傳送轉(zhuǎn)換結(jié)果也要求非常及時迅速，可以考慮選用DMA方式。,19,7.1.5 計算機控制

10、系統(tǒng)的數(shù)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(shù)據(jù)或控制信號進行鎖存，以便放大驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)作用于被控對象。 I/O電氣轉(zhuǎn)換部分的功能： 濾波、電平轉(zhuǎn)換、隔離、功率驅(qū)動等。,圖7-9 開關(guān)量輸入輸出通道結(jié)構(gòu),20,7.1.6 信號的調(diào)理,1. 直流電壓信號的調(diào)整 設(shè)計相應的調(diào)理電路（如分壓、放大等），將直流信號轉(zhuǎn)換成計算機所能接受電壓形式，再直接使用A/D轉(zhuǎn)換器。 2. 直流電流信號的調(diào)理 設(shè)計電流到電壓的轉(zhuǎn)換電路。,3. 數(shù)字信號的調(diào)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(shù)字量的測量主要應用于

11、對頻率的測量和對轉(zhuǎn)速的測量。,圖7-13 有源I/V變換電路,圖7-12 電流信號傳輸?shù)牡湫碗娐?21,7.1.7 總線技術(shù),1. 總線定義 總線是一組信號線的集合。這些線是系統(tǒng)的各插件間（或插件內(nèi)部各芯片間）、各系統(tǒng)之間傳送規(guī)定信息的公共通道，有時也稱數(shù)據(jù)公路，通過它們可以把各種數(shù)據(jù)和命令傳送到各自要去的地方。,22,2. 總線類型,(1）根據(jù)總線不同的結(jié)構(gòu)和用途的分類 專用總線 只實現(xiàn)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(jù)總線的用途和應用環(huán)境的分類 局部總線（芯片或元件級總線） 構(gòu)成中央處理機或子系統(tǒng)內(nèi)所用的總線。 系統(tǒng)

12、總線（內(nèi)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(gòu)成分布式多機系統(tǒng)，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(jù)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(gòu)成了并行總線。 串行總線 按照信息逐位的順序傳送信號。,23,3. 目前幾種通用總線介紹,(1) STD 總線 目前工業(yè)控制及工業(yè)檢測系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，高度模塊化 嚴格的標準化，廣泛的兼容性 面向I/O的開放

13、式設(shè)計，適合工業(yè)控制應用 高可靠性 STD是工業(yè)應用中十分有前途的通用標準總線。按此標準設(shè)計系統(tǒng)，可使系統(tǒng)具有良好的適應性及組裝靈活性。目前國內(nèi)外許多廠家均按STD標準來生產(chǎn)系統(tǒng)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(tǒng)將會大大縮短系統(tǒng)的硬件研制周期。,24,3. 目前幾種通用總線介紹,(2) IBM PC/AT 總線 由于IBM PC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。 IBM PC機的主板上設(shè)計了供輸入輸出用的總線，這些總線引至系統(tǒng)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

14、多，如同步通訊控制卡、異步通訊控制卡、A/D及D/A轉(zhuǎn)換板、數(shù)據(jù)采集板、各類存儲器擴展板、打印機接口板、網(wǎng)絡接口板等。用戶可根據(jù)需要進行選購，也可根據(jù)需要自行設(shè)計和開發(fā)新的功能板。 PC/AT總線對環(huán)境要求較高，無法保證在工業(yè)現(xiàn)場可靠運行。 PCAT總線都是主要采取將微處理器芯片總線經(jīng)緩沖直接映射到系統(tǒng)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(tǒng)。,25,3. 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(yè)學會正式公布的串行總線標準，也是在微機系統(tǒng)中最常用的串行接口標準，用于實現(xiàn)計算機與計算機之間、計算機與外設(shè)之間的同步或異步通訊。 采用RS232C作串行通訊

15、時，傳輸數(shù)據(jù)的速率可任意調(diào)整，最大可達20Kb。 兩種連接系統(tǒng)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(diào)制解調(diào)器（MODEM）經(jīng)電話線進行。,26,3. 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(qū)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7-17 RS-422發(fā)送驅(qū)動器,27,7.1 硬件組成及輸入輸出接口 7.2 系統(tǒng)測試信號的處理 7.3 計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計 7.4 控制算法的編排實現(xiàn) 7.5 量化效應分析 7

16、.6 采樣頻率的選取 7.7 計算機控制系統(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù),28,7.2.1 測試信號的濾波,模擬濾波器 在采樣開關(guān)前加入適當?shù)哪M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(wǎng)絡。,濾波器的轉(zhuǎn)折頻率,選取濾波器參數(shù)時，應盡量保證： 在系統(tǒng)頻帶內(nèi)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。,29,2. 數(shù)字濾波,利用程序?qū)崿F(xiàn)的濾波。只需根據(jù)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(xù)進行m次采樣，并對其取算術(shù)平均值，作為本采樣周期內(nèi)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(quán)重系數(shù)

17、，此時濾波算法為：,滿足,通常取,30,2. 數(shù)字濾波,(2) 中值濾波 在一個采樣周期中，將信號的連續(xù)次（一般取奇數(shù),）采樣值進行排序，取其中間值作為本采樣周期內(nèi)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(jù)對象的特點和系統(tǒng)的精度，對采樣數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)明顯超出正常范圍，就應該將其剔除。,Y：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Y，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

18、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(wěn)定引起的失真有良好的濾波效果。,31,2. 數(shù)字濾波,(4) 慣性濾波 模擬RC低通濾波器的數(shù)字實現(xiàn)。,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。,32,7.2.2 測試信號的線性化處理,通過模擬量輸入通道采集到的數(shù)據(jù)與該數(shù)據(jù)所代表的被測參數(shù)不一定呈線性關(guān)系，常需要將它們進行非線性補償，將非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為線性關(guān)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(nèi)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

19、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(shù)據(jù)處于哪一段折線內(nèi)，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(shù)越多，線性化精度越高，軟件開銷就越大。,33,7.1 硬件組成及輸入輸出接口 7.2 系統(tǒng)測試信號的處理 7.3 計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計 7.4 控制算法的編排實現(xiàn) 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(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù),34,7.3.1 軟件的分類,圖7-19 計算機控制系統(tǒng)的軟件組成,35,7.3.2 實時控制程序設(shè)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

20、語言和匯編語言的混合使用,36,7.3.3 實時控制軟件的設(shè)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(diào)度 人機聯(lián)系 設(shè)置系統(tǒng)的初始狀態(tài),(2) 過程監(jiān)視及控制算法計算軟件 數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換程序,37,圖7-20 典型的計算機實時控制系統(tǒng)的程序流程框圖,38,2. 控制算法設(shè)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(guān)的其它計算和管理算法。,延時對控制系統(tǒng)有

21、不好的影響！,t1,t2,t3,圖7-21 數(shù)?；旌舷到y(tǒng)計算延時的引入,39,圖7-22 三種控制算法的輸出時刻,40,圖7-22 三種控制算法的流程框圖,41,7.1 硬件組成及輸入輸出接口 7.2 系統(tǒng)測試信號的處理 7.3 計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計 7.4 控制算法的編排實現(xiàn) 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(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù),42,7.4.1 控制算法的編排結(jié)構(gòu),直接型結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)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(shù)存在誤差，則將使控制器所有的零極點產(chǎn)生相應的變化。,1. 直接型結(jié)構(gòu),圖7-24 直接型結(jié)構(gòu),43,2.

22、串聯(lián)型結(jié)構(gòu),將D(z)的分子分母因式分解，得一階或二階的環(huán)節(jié)乘積,可以用這些低階環(huán)節(jié)的編排結(jié)構(gòu)（采用直接型編排實現(xiàn)）進行串聯(lián)而得。,其中Di為,或,如果低階控制器中任一系數(shù)有誤差，不會使控制器所有的零極點產(chǎn)生相應的變化。,圖7-25 串聯(lián)型編排實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖,44,3. 并聯(lián)型結(jié)構(gòu),將D(z)進行部分分式展開 ，得一階或二階環(huán)節(jié)之和。可以用這些低階環(huán)節(jié)的編排結(jié)構(gòu)（采用直接型編排實現(xiàn)）進行并聯(lián)而得。,其中Di為,或,如果低階控制器中任一系數(shù)有誤差，不會使控制器所有的零極點產(chǎn)生相應的變化。,圖7-26 并聯(lián)型編排實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖,45,7.4.2 比例因子的配置,原因：定點數(shù)要求、D/A前要求 原則: (1

23、) 絕大多數(shù)情況下，使各支路信號不上溢 (2) 盡量減少動態(tài)信號的下溢值，減小不靈敏區(qū)，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(shù)KAD=1/uimax,，D/A具有傳遞系數(shù)KDA=uomax,故需要在計算機內(nèi)應配置相應的比例因子1/KAD和1/KDA。,46,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:, 計算機實現(xiàn)增益 小于1的控

24、制器D1(z)， 其余增益移到系統(tǒng)模擬 部分完成并設(shè)置限幅。, 將大于1的增益放到最后，并在該增益之前設(shè)置數(shù)字限幅保護，防止輸入信號較大時發(fā)生上溢。,圖7-27 數(shù)字控制系統(tǒng)控制器增益的分配,47,例7-4,試畫出實現(xiàn)該控制器的結(jié)構(gòu)編排圖。設(shè)實現(xiàn)控制律的主機采用定點小數(shù)的補碼來表示數(shù)據(jù)，進行適當?shù)谋壤蜃优渲?，寫出對應算法的差分方程，給出相應的算法實現(xiàn)流程圖。,解：(1) 直接編排實現(xiàn),圖7-29 控制算法編排結(jié)構(gòu)圖,圖7-28 某控制器接口圖,48,進行比例因子配置,考慮系數(shù)的情況 注意到：由于主機用定點小數(shù)的補碼來表示數(shù)據(jù)，大于1的數(shù)據(jù)無法在計算機內(nèi)表示出來。又必須保證每個回路和支路的增益

25、保持不變。 確定控制器中間變量的最大值，對整個環(huán)節(jié)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(shù)KAD=1/10,D/A的量程為5 V， D/A的傳遞系數(shù)KDA=5,為了不改變信號的傳遞關(guān)系，應配置比例因子1/(KAD*KDA)=2,49,稍加整理，得配置好比例因子的結(jié)構(gòu)編排圖。,算法I：,算法II：,圖7-30 整個環(huán)節(jié)配置比例因子后的直接編排實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖,50,特點： 無需進行數(shù)據(jù)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,51,7.1 硬件組成及輸入輸出接口 7.2 系統(tǒng)測試信號的處理 7.3 計算

26、機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計 7.4 控制算法的編排實現(xiàn) 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(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù),52,7.5.1 有限字長二進制特性,量化特性 有限位(n)二進制所能表現(xiàn)的數(shù)據(jù) 2n個等間隔數(shù),q稱為量化單位,用q表示,字長為N 1位作符號位,一個任意值的真實數(shù)x，只可以用q的整倍數(shù)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(shù)進行四舍五入整量化。 (2) 截尾量化 將小于量化單位的尾數(shù)全部截掉。,53,1. 量化特性,(1) 舍入量化將小于量化單位的尾數(shù)進行四舍五入整量化。 (2) 截尾量化將小于量化單位的尾

27、數(shù)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,54,圖7-34 兩種量化特性及量化誤差,55,2. 統(tǒng)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(shù),56,3. 溢出特性,圖7-36 二進制數(shù)碼及其溢出特性,57,溢出保護措施后的數(shù)據(jù)范圍,圖7-37 修改后的溢出特性,58,7.5.2 計算機控制系統(tǒng)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(shù)的量化效應 （計算機字長有限引起） 控制規(guī)律計算中的量化效應 （乘法除法運算、右移運算等） D/A轉(zhuǎn)換的量化

28、效應 （ D/A字長CPU字長）,圖7-38 計算機控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖,59,7.5.3 量化誤差分析,1. 參數(shù)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(shù)展開,高次項=0,0,0,1,靈敏度公式,0,60,參數(shù)的量化誤差分析分析結(jié)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(guān),靈敏度公式,k越大,ak對根的影響也越大 ak對根的影響最大,當極點越接近單位圓，則它受ak的影響就越大。,連續(xù)控制器極點s1=-5,離散控制器極點,結(jié)論：T越小,離散極點越靠近1,參數(shù)量化影響更嚴重,若控制器有重極點，設(shè)

29、,靈敏度隨重極點階數(shù)的增高而增高,61,例7-5,直接型結(jié)構(gòu)實現(xiàn)時，試求系數(shù)a3變化多大，將使D(z)有一極點處于單位圓上。用串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)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,a3必須小于0.000001,為防止這種情況出現(xiàn),用定點數(shù)表示時，至少需要20位字長,1/2-19=0.0000019,1/2-20=0.00000095,采用串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)時，環(huán)節(jié)系數(shù)為環(huán)節(jié)的極點。,故 系數(shù)誤差,就可以避免極點跑到單位圓上.,用定點數(shù)表示時，只需7位字長即可。,在實現(xiàn)高階控制器時，最好避免采用直接型結(jié)構(gòu)。,62,2

30、. 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(tǒng)上，從而可以利用線性系統(tǒng)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(shè):,量化誤差源為確定性常數(shù)，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(wěn)態(tài)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,63,2. 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(huán)節(jié)D(z)之后，得到環(huán)節(jié)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

31、的量化誤差（乘積按舍入處理）,解：令,乘積舍入,結(jié)論： (1) 環(huán)節(jié)的極點對量化誤差起放大作用 (2)T 1，量化噪聲,圖7-40 量化誤差環(huán)節(jié)傳播結(jié)構(gòu)圖,64,7.5.4 量化效應的非線性分析,量化效應的本質(zhì)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(huán)節(jié)輸出,死區(qū),2乘積采用截尾量化處理,當 時，環(huán)節(jié)輸出,理想穩(wěn)態(tài)值,初值,初值,當 時，環(huán)節(jié)輸出,極限環(huán),當 時，環(huán)節(jié)輸出,負死帶,初值,初值,圖7-41 一階環(huán)節(jié) 的結(jié)構(gòu)圖,65,舍入量化時，死帶和極限環(huán)產(chǎn)生的條件和一般式,輸出存在死區(qū)和極限環(huán)的本質(zhì)原因，是因為乘積尾數(shù)量化的非線性效應。,環(huán)節(jié)輸出達

32、到穩(wěn)態(tài)時，有,產(chǎn)生死區(qū)或極限環(huán),設(shè),采用Tustin 變換,低頻環(huán)節(jié)采用高采樣頻率，將導致死帶幅值的增大。,結(jié)論：為了避免量化非線性引起的控制器或系統(tǒng)的死區(qū)和極限環(huán)，在進行設(shè)計時，應當盡量使控制器或閉環(huán)系統(tǒng)的極點遠離單位圓。,66,7.5.5 控制算法變換描述,變換的特點：在小采樣周期下，離散模型近似于原連續(xù)模型，克服了z變換的不足；在數(shù)字算法實現(xiàn)時有更好的數(shù)值特性。 1.變換定義,或,G()與G(s)形式相同，極點位置及各種特性都相似,與z的關(guān)系,平移放大,z變換,變換,相同,67,2.變換的差分方程描述,已知變量x(k)的變換，需要將變換定義帶入即可寫出相應的差分方程。,實現(xiàn)時有較好數(shù)值特

33、性,實現(xiàn)時有較差數(shù)值特性,68,7.1 硬件組成及輸入輸出接口 7.2 系統(tǒng)測試信號的處理 7.3 計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計 7.4 控制算法的編排實現(xiàn) 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(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù),69,7.6.1 采樣頻率對系統(tǒng)性能的影響,1. 對系統(tǒng)穩(wěn)定性能的影響 采樣周期T是系統(tǒng)的一個重要的參數(shù)，對閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)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(tǒng)閉環(huán)頻帶,信號的最大頻率,70,3. 采樣周期與系統(tǒng)抑制干擾能力的關(guān)系 4. 系統(tǒng)輸出平滑性與采樣周期,階躍響應升起時間,振

34、蕩周期,采樣點數(shù),開環(huán)截止頻率,經(jīng)驗規(guī)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,71,5. 計算機字長與與采樣周期 由于字長有限，當減小，所產(chǎn)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(shù)變化的靈敏度，使控制算法參數(shù)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(tǒng)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。,72,7.6.2 選擇采樣頻率的經(jīng)驗

35、規(guī)則,對一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，如果被控過程的主導極點的時間常數(shù)為Td，那么采樣周期應取 被控過程具有純延滯時間 閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)時間有要求 閉環(huán)系統(tǒng)的閉環(huán)自然頻率有要求,73,采樣周期選取總原則：,在能滿足系統(tǒng)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(tǒng)成本。,工業(yè)過程控制典型變量的采樣周期,74,7.6.3 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(shù)字化帶來的動態(tài)誤差；根據(jù)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(shù)字化

36、帶來的量化誤差。 多采樣速率配置的原則 根據(jù)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(tǒng)是相同的。為使多采樣速率在計算機中實現(xiàn)簡單，除保證同步采樣的要求外，采樣速率之比通常取整數(shù)倍，如采樣速率比n=2，4等。,75,7.1 硬件組成及輸入輸出接口 7.2 系統(tǒng)測試信號的處理 7.3 計算機控制系統(tǒng)的實時軟件設(shè)計 7.4 控制算法的編排實現(xiàn) 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(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù),76,7.7 計算機控制系統(tǒng)的抗干擾及可靠性技術(shù),如果計算機控制系統(tǒng)不解決抗干擾的問題，不提高其可靠性，就無法工作。 解決計

37、算機控制系統(tǒng)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(tǒng)，從外因解決問題； 2）提高計算機控制系統(tǒng)自身抵抗干擾的能力，從內(nèi)因解決問題。,77,7.7.1 干擾源及抗干擾措施,1. 干擾源 (1)電網(wǎng)噪聲 電網(wǎng)中大功率設(shè)備的啟停、電網(wǎng)切換或各種故障的產(chǎn)生，都會使電網(wǎng)發(fā)生瞬變，產(chǎn)生脈沖型噪聲。 (2)內(nèi)部干擾 由于整個系統(tǒng)的接地系統(tǒng)不完善，信號被電磁感應和電容耦合，使系統(tǒng)內(nèi)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(fā)出的電磁波、周圍的電器設(shè)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。,

38、78,2. 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?shù)钠帘渭罢_的接地方法即可解決。 根據(jù)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。,79,3. 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

39、等傳輸形式，疊加到信號或引線上形成干擾。 模擬濾波,可使50Hz的干擾衰減到1/600左右。, 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(zhuǎn)換設(shè)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(wǎng)絡,80,3. 過程通道的抗干擾措施,(2) 共模干擾及其抑制 共模干擾產(chǎn)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(tǒng)對地存在漏阻抗。 采用差分放大器做信號前置放大, 采用隔離技術(shù)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