计算机控制系统课件
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计算机控制系统(清华大学出版社)课件_嵌入式PLC
10
8.1.2 软硬件协同设计技术
1．硬件体系结构
图8-2 嵌入式系统硬件体系结构的功能部件
11
2． 传统设计技术
设计过程的基本特征是：系统在一开始就被划分为软件和硬件两 大部分，软件和硬件是独立地进行开发设计，通常采用的是“硬 件先行”的设计方法。
问题： (1)软硬件之间的交互受到很大限 制，造成系统集成相对滞后，因此 传统嵌入式系统设计的结果往往是 设计质量差、设计修改难，同时研 制周期不能得到有效保障。 (2) 随着设计复杂程度的提高， 软硬件设计中的一些错误将会使开 发过程付出昂贵的代价。 (3)“硬件先行”的做法常常需要 由软件来补偿由于硬件选择的不适 合造成系统的缺陷，从而增加软件 的代价。
(2) 嵌入式微处理器(Embedded Micro Processor Unit, EMPU)
基础是通用计算机中的CPU。只保留与嵌入式应用密切相关的功 能硬件，去掉其他冗余的功能部分。目前的主要类型有ARM 、 PowerPC系列等。 专用于信号处理方面的处理器，其可进行向量运算、指针线性寻 址等运算量很大的数据处理，具有很高编译效率和指令执行速度
16
3-2
pSOS
pSOS原属ISI公司的产品，但ISI已经被 WinRiver公司兼并，现在pSOS属于 WindRiver公司的产品。 该系统是一个模块化、高性能的实时操作系 统。 开发者可以利用它来实现从简单的单个独立 设备到复杂的、网络化的多处理器系统功能。
17
3-2
Palm OS
多数实时内核是基于优先级调度的多种方法 的复合。
22
⑸ 其他重要概念
互斥（Mutex）机制 信号量（Semaphore）机制 代码临界区（Critical Section）临界资源
8.1.2 软硬件协同设计技术
1．硬件体系结构
图8-2 嵌入式系统硬件体系结构的功能部件
11
2． 传统设计技术
设计过程的基本特征是：系统在一开始就被划分为软件和硬件两 大部分，软件和硬件是独立地进行开发设计，通常采用的是“硬 件先行”的设计方法。
问题： (1)软硬件之间的交互受到很大限 制，造成系统集成相对滞后，因此 传统嵌入式系统设计的结果往往是 设计质量差、设计修改难，同时研 制周期不能得到有效保障。 (2) 随着设计复杂程度的提高， 软硬件设计中的一些错误将会使开 发过程付出昂贵的代价。 (3)“硬件先行”的做法常常需要 由软件来补偿由于硬件选择的不适 合造成系统的缺陷，从而增加软件 的代价。
(2) 嵌入式微处理器(Embedded Micro Processor Unit, EMPU)
基础是通用计算机中的CPU。只保留与嵌入式应用密切相关的功 能硬件，去掉其他冗余的功能部分。目前的主要类型有ARM 、 PowerPC系列等。 专用于信号处理方面的处理器，其可进行向量运算、指针线性寻 址等运算量很大的数据处理，具有很高编译效率和指令执行速度
16
3-2
pSOS
pSOS原属ISI公司的产品，但ISI已经被 WinRiver公司兼并，现在pSOS属于 WindRiver公司的产品。 该系统是一个模块化、高性能的实时操作系 统。 开发者可以利用它来实现从简单的单个独立 设备到复杂的、网络化的多处理器系统功能。
17
3-2
Palm OS
多数实时内核是基于优先级调度的多种方法 的复合。
22
⑸ 其他重要概念
互斥（Mutex）机制 信号量（Semaphore）机制 代码临界区（Critical Section）临界资源
《计算机控制技术》课件
《计算机控制技术》ppt课件
contents
目录
• 计算机控制技术概述 • 计算机控制系统组成 • 计算机控制系统的基本原理 • 计算机控制系统的设计方法 • 计算机控制系统的实现技术 • 计算机控制系统的应用实例
01
计算机控制技术概述
定义与特点
总结词
计算机控制技术的定义和特点
详细描述
计算机控制技术是指利用计算机对工业生产过程进行自动控制的技术。它具有 高精度、高效率、高可靠性的特点，能够实现生产过程的自动化、智能化和信 息化。
动控制。
监控软件
用于实时监控系统的运行状态 ，显示各种参数和数据，以及
进行故障诊断和报警等。
数据库软件
用于存储和管理各种数据，如 历史数据、实时数据等。
操作系统
提供计算机控制系统的运行环 境和基础服务。
人机接口
01
02
03
界面设计
设计易于操作的人机界面 ，包括图形界面和文本界 面等。
交互方式
提供多种交互方式，如鼠 标操作、键盘输入等，方 便用户进行操作和控制。
常见的开环控制系统有步进电机 控制系统、温度控制系统等。
闭环控制系统
闭环控制系统是一种包含反馈环节的控制系统，通过检测系统输出结果，将检测结 果反馈给输入端，与输入信号进行比较，根据比较结果调整输入信号。
闭环控制系统的优点是能够实时调整系统输出，提高控制精度和稳定性，但结构相 对复杂。
常见的闭环控制系统有伺服电机控制系统、数控机床控制系统等。
自适应控制
通过调整控制器参数，使系统能够自动适应环境变化和不确定性， 保持最优性能。
鲁棒控制
设计具有鲁棒性的控制系统，使系统在存在不确定性和干扰的情况 下仍能保持稳定和良好的性能。
contents
目录
• 计算机控制技术概述 • 计算机控制系统组成 • 计算机控制系统的基本原理 • 计算机控制系统的设计方法 • 计算机控制系统的实现技术 • 计算机控制系统的应用实例
01
计算机控制技术概述
定义与特点
总结词
计算机控制技术的定义和特点
详细描述
计算机控制技术是指利用计算机对工业生产过程进行自动控制的技术。它具有 高精度、高效率、高可靠性的特点，能够实现生产过程的自动化、智能化和信 息化。
动控制。
监控软件
用于实时监控系统的运行状态 ，显示各种参数和数据，以及
进行故障诊断和报警等。
数据库软件
用于存储和管理各种数据，如 历史数据、实时数据等。
操作系统
提供计算机控制系统的运行环 境和基础服务。
人机接口
01
02
03
界面设计
设计易于操作的人机界面 ，包括图形界面和文本界 面等。
交互方式
提供多种交互方式，如鼠 标操作、键盘输入等，方 便用户进行操作和控制。
常见的开环控制系统有步进电机 控制系统、温度控制系统等。
闭环控制系统
闭环控制系统是一种包含反馈环节的控制系统，通过检测系统输出结果，将检测结 果反馈给输入端，与输入信号进行比较，根据比较结果调整输入信号。
闭环控制系统的优点是能够实时调整系统输出，提高控制精度和稳定性，但结构相 对复杂。
常见的闭环控制系统有伺服电机控制系统、数控机床控制系统等。
自适应控制
通过调整控制器参数，使系统能够自动适应环境变化和不确定性， 保持最优性能。
鲁棒控制
设计具有鲁棒性的控制系统，使系统在存在不确定性和干扰的情况 下仍能保持稳定和良好的性能。
《计算机控制系统教学课件》5.传递函数及方框图
T2s 116（来自）振荡环节振荡环节的传递函数为：
G(s)
s2
wn2 2wns
wn2
式中wn———无阻尼自然振荡频率，wn=1/T； z ——阻尼比，0＜z＜1。
下图所示为单位阶跃函数作用下的响应曲线。
RLC串联电路、弹簧质量 阻尼器串联系统都是二阶 系统。只要满足0＜z＜1， 则它们都是振荡环节。
G(s) C(s) G1(s) R(s) 1 G1(s) G2 (s)
G1(s) G2(s)
G1(s) G2(s)
C (s) C (s)
26
4、分支点移位：
（1）前移
R (s) C (s)
G1(s)
（2）后移
C (s)
R (s)
C (s) G1(s)
C (s) G1(s)
R (s)
G1(s)
C (s) R (s)
6
a0c(n) a1c(n1) anc b0r(m) b1r(m1) bmr
在零初始条件下:
c(0) c(0) c(n1) (0) 0
n个
r(0) r(0) r(m1) (0) 0
m个
拉氏变换:
单输入单输出 线性定常系统
r(t) 输入量 c(t) 输出量
[a0sn a1sn1 an1s an ]C(s) [b0sm b1sm1 bm1s bm]R(s)
17
（六）延滞环节
延滞环节是线性环节， 称为延滞时间（又称死时）。
具有延滞环节的系统叫做延滞系统。
如下图所示，当输入为阶跃信号，输出要隔一定时间 后才出现阶跃信号，在0＜1＜ 内，输出为零。
延滞环节的传递函数为: G(s) es 系统具有延滞环节对系统的稳定性不利，延滞越大，影响越大。
计算机控制系统第7章总线技术课件
2024/8/6
19
二、SPI总线的时序
在实际应用中，各I/O芯片只能在收到CPU发出的使能命令后，才能 向CPU传送数据或从CPU接收数据，并遵循“高位(MSB)在前，低位(LSB) 在后”的数据传输格式。
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20
三、SPI模式
CPHA=0时，SPI时序
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21
CPH=1时，SPI时序
现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性
产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较好的发 展。
HART通信模型由3层组成 ：物理层、数据链路层和应用层。物理层采
用FSK(Frequency Shift Keying）技术在4～20mA模拟信号上迭加一个
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25
二、OSI参考模型与现场总线通信模型
典型的现场总线协议模型
如图所示。它采用OSI模型中的
三个典型层：物理层、数据链
路层和应用层，并增加一个现
场总线访问子层，以取代OSI模
型中第3～6层的部分功能，以
满足工业现场应用的要求。它
是OSI模型的简化形式，其流量
与差错控制在数据链路层中进
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2
（2）根据总线的用途和应用环境，总线可以有如下3种类型
①局部总线
②系统总线
③外总线
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3
（3）根据总线传送信号的形式，总线又可分为2种
①并行总线 如果用若干根信号线同时传递信号，就构成了并行总线。并行总线 的特点是能以简单的硬件来运行高速的数据传输和处理。 ②串行总线 串行总线是按照信息逐位的顺序传送信号。其特点是可以用几根信 号线在远距离范围内传递数据或信息，主要用于数据通信。 显然，上面提到的总线和局部总线均属于并行总线范畴。而现场总 线(Fieldbus)则是连接工业过程现场仪表和控制系统之间的全数字化、 双向、多站点的串行通信网络。
微型计算机控制技术PPT课件
优点是结构简单，控制灵活和安全。 缺点是要由人工操作，开环结构，控制的实时性差，不能 控制多个对象。
主要用于生产初期实验，过程模型获取
1.2.2 直接数字控制（DDC）系统
计算机通过检测单元对过程参数进行巡回检测，并经过输入 通道将检测数据输入计算机，计算机按照一定的控制规律进行 运算，得到相应的控制信息，并通过输出通道去控制执行机构， 从而使系统的被控参数达到期望的要求
地址
译码
C
DB
数据
P
缓冲
U
CB
控制
电路
数据端口
外
状态端口
控制端口
设
(1)从编程角度看,接口内部主要包括一个或多个CPU可 以进行读/写操作的有地址的寄存器,又称为I/O端口. (2)数据端口:双向的数据端口具有锁存和三态缓冲功能. 状态端口:只读端口,包含三态缓冲器. 控制端口:只写端口,包含锁存器.
接口的必要性： 外设是用来实现人机交互的一些机电设备.外设处理信息的类
型、速度、通信方式与CPU不匹配,不能直接挂在总线上,必须 通过接口和系统相连.
CPU与外设之间交换信息的种类
通常有三类信息：
数据信息
状态信息 控制信息
数字量 模拟量 开关量
数据
CPU
状态
外部 设备
控制
接口的构成
AB
第2章 输入输出接口与过程通道
2.1 IO端口及地址译码技术 2.2 数字量输入输出接口与过程通道 2.3 模拟量输入接口与过程通道 2.4 模拟量输出接口与过程通道 2.5 硬件抗干扰技术
第2章 输入输出接口与过程通道
接口：接口是计算机与外部设备（部件与部件之间）交换信 息的桥梁，它包括输入接口和输出接口。 接口的含义： 狭义上：连接计算机和I/O设备的部件； 广义上：还包括接口电路的管理驱动程序； 接口技术：接口技术是研究计算机与外部设备之间如何交换 信息的技术。
《计算机控制系统教学课件》6.脉冲传递函数
G(z)
r(t)
r*(t)
实际采样系统
G(s)
T
y*(t) T
y(t)
等价离散系统
R(z)
Y(z) G(z)
25
3. 脉冲传递函数的代数运算规则
闭环系统的脉冲传递函数
R(s) E(z)
R(z)
T
E*(z) G(z) Y(s)
B(z)
H (z)
Y *(z)
Y (z)
误差为： E(z) R(z) B(z) Y(z) G(z)E(z)
G1
s
1 eTs
G1 s
s
最后得 G z Z 1 eTs G2 s 1 z1 G2 z
29
例:上页结构图中设
解：
G
s
1 eTs s
1
s s 1
G1
s
s
1 s
1，T
1s
，求G(z)。
G2
s
s2
1
s 1
G2
z
Z
s2
1
s
1
Z
1 s2
1 s
1 s 1
z
z
12
z
z 1
z
z e1
G(z)
Y (z) R(z)
输出脉冲序列的 输入脉冲序列的
Z Z
变换 变换
单输入单输出离散系统方框图
r(k)
y(k)
G(z)
R(z)
Y(z)
23
脉冲传递函数与差分方程
是不同的数学描述，虽然形式不同，但本质一样，可互相转换
1. 离散系统的脉冲传递函数：
一个线性离散系统的差分方程通式为：
yk a1 yk1 a2 yk2 ... an ykn b0rk b1rk1 b2rk2 ... bmrkm ( y : 输出，r : 输入)
r(t)
r*(t)
实际采样系统
G(s)
T
y*(t) T
y(t)
等价离散系统
R(z)
Y(z) G(z)
25
3. 脉冲传递函数的代数运算规则
闭环系统的脉冲传递函数
R(s) E(z)
R(z)
T
E*(z) G(z) Y(s)
B(z)
H (z)
Y *(z)
Y (z)
误差为： E(z) R(z) B(z) Y(z) G(z)E(z)
G1
s
1 eTs
G1 s
s
最后得 G z Z 1 eTs G2 s 1 z1 G2 z
29
例:上页结构图中设
解：
G
s
1 eTs s
1
s s 1
G1
s
s
1 s
1，T
1s
，求G(z)。
G2
s
s2
1
s 1
G2
z
Z
s2
1
s
1
Z
1 s2
1 s
1 s 1
z
z
12
z
z 1
z
z e1
G(z)
Y (z) R(z)
输出脉冲序列的 输入脉冲序列的
Z Z
变换 变换
单输入单输出离散系统方框图
r(k)
y(k)
G(z)
R(z)
Y(z)
23
脉冲传递函数与差分方程
是不同的数学描述，虽然形式不同，但本质一样，可互相转换
1. 离散系统的脉冲传递函数：
一个线性离散系统的差分方程通式为：
yk a1 yk1 a2 yk2 ... an ykn b0rk b1rk1 b2rk2 ... bmrkm ( y : 输出，r : 输入)
第七节计算机控制系统的稳定性课件
详细描述
目前，非线性控制已经在许 多领域得到了初步应用，如 航天器姿态控制、机器人运 动控制等，未来随着非线性 系统的广泛应用，非线性控 制在计算机控制系统稳定性 方面的研究将更加深入。
THANKS
软件算法设计
软件算法设计不合理， 如控制算法的参数调整 不当，也可能影响系统
的稳定性。
02 计算机控制系统稳定性 分析方法
频域分析法
定义
频域分析法是一种通过分析系 统的频率响应来评估系统稳定
性的方法。
原理
将系统的动态特性表示为频率 域中的复数函数，通过分析这 些函数的极点和零点来评估系 统的稳定性。
优点
可以提供系统在整个频率范围 内的稳定性信息，适用于分析 多输入多输出系统。
缺点
计算较为复杂，需要求解高阶 线性方程组。
时域分析法
定义
原理
时域分析法是一种通过直接分析系统在时 间域内的响应来评估系统稳定性的方法。
通过求解系统的差分方程或微分方程，得 到系统在时间域内的响应，然后根据这些 响应判断系统的稳定性。
实例二：智能家居控制系统的稳定性分析
总结词
智能家居控制系统的稳定性对于家庭生活的舒适性和便利性至关重要。
详细描述
智能家居控制系统的稳定性分析主要关注系统对各种家庭环境的适应性，以及系 统在面对各种干扰和变化时的表现。这包括对网络通信的稳定性分析、对控制设 备的响应速度和准确性的评估以及对系统容错能力的评估。
系统参数优化
系统参数的优化是提高计算机 控制系统稳定性的重要手段。
通过调整系统参数，可以改善 系统的动态特性和稳态特性， 从而提高系统的稳定性。
在进行系统参数优化时，应采 用科学的方法，如遗传算法、 粒子群算法等，以实现最优参 数的自动寻优。
计算机控制系统课件第一章(10下)
1.1.1 计算机控制系统的基本组成
—计算机控制技术—
常规控制系统和计算机控制系统的比 前者连续不断地测量， 较：前者连续不断地测量，经过反馈及 补偿后对生产过程产生连续不断的控制。 补偿后对生产过程产生连续不断的控制。 后者是采样控制系统， 后者是采样控制系统，微机每隔一个采 样周期T才对被控参数进行一次测量， 样周期T才对被控参数进行一次测量，根 据一定控制规律计算出控制量后， 据一定控制规律计算出控制量后，去控 制生产过程。在两次采样时刻之间， 制生产过程。在两次采样时刻之间，微 机对被控制参数不测量， 机对被控制参数不测量，其输出控制量 自然也保持不变。 自然也保持不变。
1.1.1 计算机控制系统的基本组成
—计算机控制技术—
上述过程不断重复， 上述过程不断重复，使系统能够按 一定的动态品质指标进行工作， 一定的动态品质指标进行工作，并对被 控参数和设备是否出现异常情况进行监 以便作出迅速处理。 督，以便作出迅速处理。 所谓“实时”是指信号的输入、 所谓“实时”是指信号的输入、运 算处理和输出能在一定的时间内完成。 算处理和输出能在一定的时间内完成。 即要求微机对输入信号要以足够快的速 度进行测量和处理， 度进行测量和处理，并在一定的时间内 作出反应或产生相应的控制。 作出反应或产生相应的控制。超出了这 个时间就会失去控制时机。 个时间就会失去控制时机。
第一章 绪论 本章的主要内容： 本章的主要内容： 1.1 计算机控制系统概述 1.2 计算机控制系统的分类 1.3 计算机控制系统的发展方向 1.4 计算机控制理论
—计算机控制技术—
1.1 计算机控制系统概述 本节的主要内容： 本节的主要内容： 1.1.1 计算机控制系统的基本组成
—计算机控制技术—
它与闭环控制系统不同， 它的控制器直 它与闭环控制系统不同 ， 接根据给定信号去控制被控对象工作。 接根据给定信号去控制被控对象工作 。 被控制量在整个控制过程中对控制量不 产生影响。 与闭环控制系统相比， 产生影响 。 与闭环控制系统相比 ， 它的 控制性能较差。 控制性能较差。
计算机控制系统(第2版)课件第10章
块化结构，便于以后系统稍做改动就能适应新的要求。
5．经济性高
经济性主要体现在两个方面：一方面是系统的性能价格
比要尽可能高，另一方面还要从提高产品质量与产量、节能
降耗、减少污染、改善劳动条件等经济、社会效益各方面进
行综合评估。
2021/7/16
3
第二节 计算机控制系统设计步骤
1．工程项目与控制任务的确定阶段 （1）甲方提出任务委托书:有明确的系统技术性能指标要求， 还要包含经费、计划进度、合作方式等内容。
（2）乙方研究任务委托书 （3）双方对委托书进行确认修改 （4）乙方初步进行系统总体方案设计:由于任务和经费尚未 落实，这时的总体方案设计只能是粗线条的。如果条件允许，
应多做几种方案以便比较。
（5）乙方进行方案可行性论证:论证的主要内容是技术可行 性、经费可行性、进度可行性。
（6）签订合同书
2021/7/16
第10章 计算机控制系统设计原则与步骤
学习目标： 了解计算机控制系统的设计原则 掌握计算机控制系统的设计步骤 熟悉计算机控制系统的设计具体过程
2021/7/16
1
第一节 计算机控制系统设计原则
1．安全可靠 对工业控制计算机系统最基本的要求是安全性和可靠性高。
在计算机控制系统的整个设计过程中，务必将安全可靠性放 在首位。
果关系，相互之间要进行各种信息的传递。各模块之间的关系
体现在程序的流程上。
2．资源分配 资源分配主要是RAM资源的分配。RAM资源分配好以后，
应列出一张RAM资源的详细分配清单，作为编程的依据。 3．实时控制软件设计
实时控制软件是软件设计中的主体部分，包括数据采集及
数据处理、实时时钟与中断处理、控制算法、控制量输出、生
计算机控制系统第1章课件
因此过程通道起到了CPU和被控对象之间 的信息传送和变换的桥梁作用。
1.1.2 计算机控制系统的组成
1．计算机控制系统硬件
2．计算机控制系统软件
(1) 系统软件 (2) 应用软件
1.1.3 计算机控制系统的典型结构
1．操作指导控制系统
2．直接数字控制系统
3．计算机监督控制系统
4. 集散控制系统
5. 现场总线控制系统
6. 工业过程计算机集成制造系统
1.2 计算机控制系统性能 及其指标
1.2.1 计算机控制系统性能指标
计算机控制系统的性能分析和要求与连续 控征， 衡量系统优劣的指标通常用稳定裕量、动态指 标、稳态指标和综合指标等。
1.2.2 控制对象对控制性能的影响
1.3 计算机控制系统的发展 概况与趋势
1.3.1 计算机控制系统的发展概况
1.3.2 计算机控制系统的发展趋势
1.先进计算机控制系统得到大力推广与普及 2.智能控制系统得到深入研究与开发 3.大力加强企业综合自动化系统的研究、开
发与应用
第1章完
如今计算机控制系统已经广泛地用于工 业、国防和民用的各个领域。
1.1 计算机控制系统概述
1.1.1 计算机控制系统一般概念
过程通道的主要任务是将生产过程中的各 种参量和状态通过检测器件转换成计算机所能 接收的信息送入计算机，计算机按确定算法计 算后，又将计算结果以数字量或转换成模拟量 的形式输出给执行机构，从而对被控对象进行 自动控制。
计算机控制系统是当前自动控制系统的 主流方向。
计算机控制系统是利用计算机的硬件和 软件代替了自动控制系统的控制器，以自动 控制技术、计算机技术、检测技术、计算机 通信与网络技术为基础，利用计算机快速强 大的数值计算、逻辑判断等信息加工能力， 使得计算机控制系统可以实现常规控制以外 更复杂、更全面的控制方案。
1.1.2 计算机控制系统的组成
1．计算机控制系统硬件
2．计算机控制系统软件
(1) 系统软件 (2) 应用软件
1.1.3 计算机控制系统的典型结构
1．操作指导控制系统
2．直接数字控制系统
3．计算机监督控制系统
4. 集散控制系统
5. 现场总线控制系统
6. 工业过程计算机集成制造系统
1.2 计算机控制系统性能 及其指标
1.2.1 计算机控制系统性能指标
计算机控制系统的性能分析和要求与连续 控征， 衡量系统优劣的指标通常用稳定裕量、动态指 标、稳态指标和综合指标等。
1.2.2 控制对象对控制性能的影响
1.3 计算机控制系统的发展 概况与趋势
1.3.1 计算机控制系统的发展概况
1.3.2 计算机控制系统的发展趋势
1.先进计算机控制系统得到大力推广与普及 2.智能控制系统得到深入研究与开发 3.大力加强企业综合自动化系统的研究、开
发与应用
第1章完
如今计算机控制系统已经广泛地用于工 业、国防和民用的各个领域。
1.1 计算机控制系统概述
1.1.1 计算机控制系统一般概念
过程通道的主要任务是将生产过程中的各 种参量和状态通过检测器件转换成计算机所能 接收的信息送入计算机，计算机按确定算法计 算后，又将计算结果以数字量或转换成模拟量 的形式输出给执行机构，从而对被控对象进行 自动控制。
计算机控制系统是当前自动控制系统的 主流方向。
计算机控制系统是利用计算机的硬件和 软件代替了自动控制系统的控制器，以自动 控制技术、计算机技术、检测技术、计算机 通信与网络技术为基础，利用计算机快速强 大的数值计算、逻辑判断等信息加工能力， 使得计算机控制系统可以实现常规控制以外 更复杂、更全面的控制方案。
相关主题
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➢ 几种常用的预处理方法
图2.1 开关量输入通道的典型结构
开关量输入的常用预处理方法
信号转换处理 安全保护措施 消除机械抖动影响 滤波处理 隔离处理 光电耦合器件原理与使用
信号转换处理
从工业现场获取的开关量或数字量，在逻辑上表现 为逻辑“1”或逻辑“0”，信号形式则可能是电压、电流 信号或开关的通断，其幅值范围也往往不符合数字电路 的电平范围要求，因此必须进行转换处理。
图2.5 消除开关抖动的电路
滤波处理
由于长线传输、电路内部干扰影响，使得输入信号 带有噪声信号，这有可能导致误读信号而出错。图2.6给 出一种用RC滤波电路去除接口噪声的方法，它同样可以 消除开关的抖动信号。
图2.6 RC滤波电路
隔离处理
从工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往往 高于计算机系统的逻辑电平，即使输入开关量电压本身 不高，也有可能从现场引入意外的高压信号，因此必须 采取电隔离措施，以保障计算机系统的安全。常用的隔 离措施是采用光电耦合器件实现的。图2.7给出了两种开 关量光电耦合输入电路，它们除了实现电气隔离之外， 还具有电平转换功能。
图2.7 开关量光电耦合输入电路
光电耦合器件原理与使用
光电耦合器件是一种常用且非常有效的电隔离手段，由于它价
格低廉、可靠性好，被广泛地用于现场设备与计算机系统之间的隔 离保护。根据输入级的不同，用于开关量隔离的光电隔离器件可分 为三极管型、可控硅型等几种，但其工作原理都是采用光作为传输 信号的媒介，实现电气隔离。
图2.9 典型的开关量输出通道结构
常用措施
隔离处理 电平转换和功率放大
隔离处理
当计算机控制系统的开关量输出信号用于控制较大功 率的设备时，为防止现场设备上的强电磁干扰或高电压通 过输出控制通道进入计算机系统，一般需要采取光电隔离 措施隔离现场设备和计算机系统。图2.10和图2.11(a)均是 采用了光电隔离的开关量输出电路。
输出端工作电流
光电隔离器输出端的灌电流不能超过额定值，否则 就会使元件发生损坏。一般输出端额定电流在 mA量级， 不能直接驱动大功率外部设备，因此通常从光电隔离器 至外设之间还需设置驱动电路。
输出端暗电流
这是指光电隔离器处于截止状态时，流经输出端元 件的电流，此值越小越好。在设计接口电路时，应考虑 由于输出端暗电流而可能引起的误触发，并予以处理。
第二章 计算机控制系统设计的 硬件基础
2.1 开关量输入 2.2 开关量输出 2.3 模拟量输入 2.4 模拟量输出 2.5 计算机控制系统中的电源 2.6 信号采样与重构 2.7 数字滤波
2.1 开关量输入
在计算机控制系统中,为了获取系统的运行状态或设 定信息,经常需要进行开关量信号的输入。开关量的共同 特征是幅值离散，可以用一位或多位二进制码表示。
隔离电压
它是光电隔离器的一பைடு நூலகம்重要参数，表示了其电压隔 离的能力。
电源隔离
输出光隔两侧的供电电源必须完全隔离。无论是输 入隔离还是输出隔离，只要采取光电隔离措施，就必须 保证被隔离部分之间电气完全隔离，否则就起不到隔离 作用了。
2.2 开关量输出
在计算机控制系统中，经常需要控制执行机构的开/关或启/停， 某些控制算法也需要控制执行机构在一定时间T内的全负荷工作时间 t(0≤t≤T)，这些控制是通过计算机开关量输出通道来实现的。 ✓ 在计算机控制系统中，开关量输出信号用于控制各种现场设备， 因此要考虑电平转换、功率放大、抗干扰及安全等问题。针对具体 情况，往往采取一些措施。
开关量输入信号的类型 开关量信号输入通道
1. 开关量输入信号的类型
开关量输入信号有以下基本类型
✓ 一位的状态信号。如阀门的闭合与开启、电机的启 动与停止、触点的接通与断开。
✓ 成组的开关信号。如用于设定系统参数的拨码开关 组等。
✓ 数字脉冲信号。许多数字式传感器(如转速、位移、 流量的数字传感器)将被测物理量值转换为数字脉冲信 号，这些信号也可归结为开关量。
输出端工作电流
光电隔离器输出端的灌电流不能超过额定值，否则 就会使元件发生损坏。一般输出端额定电流在mA量级， 不能直接驱动大功率外部设备，因此通常从光电隔离器 至外设之间还需设置驱动电路。
输出端暗电流
这是指光电隔离器处于截止状态时,流经输出端元 件的电流，此值越小越好。在设计接口电路时，应考 虑由于输出端暗电流而可能引起的误触发，并予以处 理。
输入侧导通电流 频率特性 输出端工作电流 输出端暗电流 隔离电压 电源隔离
输入侧导通电流
要使光电隔离器件的导通，必须在其输入侧提供足 够大的导通电流，以使发光二极管发光。不同的光电隔 离器件的导通电流也不同，典型的导通电流 IF=10mA。
频率特性
受发光二极管和光敏元件响应时间的影响，光电隔 离器件只能通过一定频率以下的脉冲信号。因此，在传 送高频信号时，应该考虑光电隔器件的频率特性，选择 通过频率较高的光电隔离器。
➢ 使用光电隔离器件的注意事项 图2.8 三极管输出型光电隔离器件原理
当输入侧流过一定的 电流IF 时，发光二极管开 始发光，它触发光敏三极 管使其导通；当撤去该电 流时，发光二极管熄灭、 三极管截止。这样，就实 现了以光路来传递信号， 保证了两侧电路没有电气 联系，从而达到了隔离的
目的。
使用光电隔离器件的注意事项
图2.2 电压或电流输入电路 图2.3 开关触点输入电路
安全保护措施
在设计一个计算机控制系统时，必须针对可能出现 的输入过电压、瞬间尖峰或极性接反的情况，预先采取 安全保护措施。
图2.4 输入保护电路
消除机械抖动影响
操作按钮、继电器触点、行程开关等机械装置在接 通或断开时均要产生机械抖动，体现在计算机的输入上 就是输入信号在逻辑0和1之间多次振荡，如不适当处理 就会导致计算机的错误控制。
2. 开关量信号输入通道
针对不同性质的开关量输入信号，可以采取不同的方法输入计 算机进行处理。一般的系统设定信息和状态信息可以采用并行接口 输入；极限报警信号采用中断方式处理；数字脉冲信号可以使用系 统的定时/计数器来测量其脉冲宽度、周期或脉冲个数。
出于安全或抗干扰等方面的考虑，现场的开关量输入至计算机 接口前，一般需要进行预处理，然后再送至接口。
图2.1 开关量输入通道的典型结构
开关量输入的常用预处理方法
信号转换处理 安全保护措施 消除机械抖动影响 滤波处理 隔离处理 光电耦合器件原理与使用
信号转换处理
从工业现场获取的开关量或数字量，在逻辑上表现 为逻辑“1”或逻辑“0”，信号形式则可能是电压、电流 信号或开关的通断，其幅值范围也往往不符合数字电路 的电平范围要求，因此必须进行转换处理。
图2.5 消除开关抖动的电路
滤波处理
由于长线传输、电路内部干扰影响，使得输入信号 带有噪声信号，这有可能导致误读信号而出错。图2.6给 出一种用RC滤波电路去除接口噪声的方法，它同样可以 消除开关的抖动信号。
图2.6 RC滤波电路
隔离处理
从工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往往 高于计算机系统的逻辑电平，即使输入开关量电压本身 不高，也有可能从现场引入意外的高压信号，因此必须 采取电隔离措施，以保障计算机系统的安全。常用的隔 离措施是采用光电耦合器件实现的。图2.7给出了两种开 关量光电耦合输入电路，它们除了实现电气隔离之外， 还具有电平转换功能。
图2.7 开关量光电耦合输入电路
光电耦合器件原理与使用
光电耦合器件是一种常用且非常有效的电隔离手段，由于它价
格低廉、可靠性好，被广泛地用于现场设备与计算机系统之间的隔 离保护。根据输入级的不同，用于开关量隔离的光电隔离器件可分 为三极管型、可控硅型等几种，但其工作原理都是采用光作为传输 信号的媒介，实现电气隔离。
图2.9 典型的开关量输出通道结构
常用措施
隔离处理 电平转换和功率放大
隔离处理
当计算机控制系统的开关量输出信号用于控制较大功 率的设备时，为防止现场设备上的强电磁干扰或高电压通 过输出控制通道进入计算机系统，一般需要采取光电隔离 措施隔离现场设备和计算机系统。图2.10和图2.11(a)均是 采用了光电隔离的开关量输出电路。
输出端工作电流
光电隔离器输出端的灌电流不能超过额定值，否则 就会使元件发生损坏。一般输出端额定电流在 mA量级， 不能直接驱动大功率外部设备，因此通常从光电隔离器 至外设之间还需设置驱动电路。
输出端暗电流
这是指光电隔离器处于截止状态时，流经输出端元 件的电流，此值越小越好。在设计接口电路时，应考虑 由于输出端暗电流而可能引起的误触发，并予以处理。
第二章 计算机控制系统设计的 硬件基础
2.1 开关量输入 2.2 开关量输出 2.3 模拟量输入 2.4 模拟量输出 2.5 计算机控制系统中的电源 2.6 信号采样与重构 2.7 数字滤波
2.1 开关量输入
在计算机控制系统中,为了获取系统的运行状态或设 定信息,经常需要进行开关量信号的输入。开关量的共同 特征是幅值离散，可以用一位或多位二进制码表示。
隔离电压
它是光电隔离器的一பைடு நூலகம்重要参数，表示了其电压隔 离的能力。
电源隔离
输出光隔两侧的供电电源必须完全隔离。无论是输 入隔离还是输出隔离，只要采取光电隔离措施，就必须 保证被隔离部分之间电气完全隔离，否则就起不到隔离 作用了。
2.2 开关量输出
在计算机控制系统中，经常需要控制执行机构的开/关或启/停， 某些控制算法也需要控制执行机构在一定时间T内的全负荷工作时间 t(0≤t≤T)，这些控制是通过计算机开关量输出通道来实现的。 ✓ 在计算机控制系统中，开关量输出信号用于控制各种现场设备， 因此要考虑电平转换、功率放大、抗干扰及安全等问题。针对具体 情况，往往采取一些措施。
开关量输入信号的类型 开关量信号输入通道
1. 开关量输入信号的类型
开关量输入信号有以下基本类型
✓ 一位的状态信号。如阀门的闭合与开启、电机的启 动与停止、触点的接通与断开。
✓ 成组的开关信号。如用于设定系统参数的拨码开关 组等。
✓ 数字脉冲信号。许多数字式传感器(如转速、位移、 流量的数字传感器)将被测物理量值转换为数字脉冲信 号，这些信号也可归结为开关量。
输出端工作电流
光电隔离器输出端的灌电流不能超过额定值，否则 就会使元件发生损坏。一般输出端额定电流在mA量级， 不能直接驱动大功率外部设备，因此通常从光电隔离器 至外设之间还需设置驱动电路。
输出端暗电流
这是指光电隔离器处于截止状态时,流经输出端元 件的电流，此值越小越好。在设计接口电路时，应考 虑由于输出端暗电流而可能引起的误触发，并予以处 理。
输入侧导通电流 频率特性 输出端工作电流 输出端暗电流 隔离电压 电源隔离
输入侧导通电流
要使光电隔离器件的导通，必须在其输入侧提供足 够大的导通电流，以使发光二极管发光。不同的光电隔 离器件的导通电流也不同，典型的导通电流 IF=10mA。
频率特性
受发光二极管和光敏元件响应时间的影响，光电隔 离器件只能通过一定频率以下的脉冲信号。因此，在传 送高频信号时，应该考虑光电隔器件的频率特性，选择 通过频率较高的光电隔离器。
➢ 使用光电隔离器件的注意事项 图2.8 三极管输出型光电隔离器件原理
当输入侧流过一定的 电流IF 时，发光二极管开 始发光，它触发光敏三极 管使其导通；当撤去该电 流时，发光二极管熄灭、 三极管截止。这样，就实 现了以光路来传递信号， 保证了两侧电路没有电气 联系，从而达到了隔离的
目的。
使用光电隔离器件的注意事项
图2.2 电压或电流输入电路 图2.3 开关触点输入电路
安全保护措施
在设计一个计算机控制系统时，必须针对可能出现 的输入过电压、瞬间尖峰或极性接反的情况，预先采取 安全保护措施。
图2.4 输入保护电路
消除机械抖动影响
操作按钮、继电器触点、行程开关等机械装置在接 通或断开时均要产生机械抖动，体现在计算机的输入上 就是输入信号在逻辑0和1之间多次振荡，如不适当处理 就会导致计算机的错误控制。
2. 开关量信号输入通道
针对不同性质的开关量输入信号，可以采取不同的方法输入计 算机进行处理。一般的系统设定信息和状态信息可以采用并行接口 输入；极限报警信号采用中断方式处理；数字脉冲信号可以使用系 统的定时/计数器来测量其脉冲宽度、周期或脉冲个数。
出于安全或抗干扰等方面的考虑，现场的开关量输入至计算机 接口前，一般需要进行预处理，然后再送至接口。