計(jì)算機(jī)控制技術(shù)1新 (2)

1、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ)（碩士研究生課程）（碩士研究生課程）同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院孫澤昌孫澤昌一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)舉例：節(jié)氣門開度位置控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)舉例：節(jié)氣門開度位置控制系統(tǒng)系統(tǒng)輸入模擬量系統(tǒng)輸入模擬量驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)位置傳感器位置傳感器節(jié)氣門體節(jié)氣門體模擬量輸出模擬量輸出控制器一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類數(shù)字控制器D傳感器一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)( (數(shù)字控制器）通過測(cè)量元件對(duì)被控制量進(jìn)行檢

2、測(cè)。經(jīng)采樣，數(shù)字控制器）通過測(cè)量元件對(duì)被控制量進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)采樣，A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并與數(shù)字化的參考輸入量進(jìn)行比較，再根據(jù)由負(fù)反饋原理設(shè)計(jì)的為數(shù)字量，并與數(shù)字化的參考輸入量進(jìn)行比較，再根據(jù)由負(fù)反饋原理設(shè)計(jì)的控制規(guī)律進(jìn)行數(shù)字量運(yùn)算，從而得到數(shù)字量控制信號(hào)，再經(jīng)過控制規(guī)律進(jìn)行數(shù)字量運(yùn)算，從而得到數(shù)字量控制信號(hào)，再經(jīng)過D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬控制信號(hào)去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最后通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)使各被控制量達(dá)成模擬控制信號(hào)去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最后通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)使各被控制量達(dá)到期望的要求。到期望的要求?？刂七^程：控制過程：1)1)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集；、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集；2)2)、實(shí)時(shí)決策；、實(shí)

3、時(shí)決策；3)3)、實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)控制當(dāng)輸入、輸出通道僅有一個(gè)時(shí)，稱為單回路的當(dāng)輸入、輸出通道僅有一個(gè)時(shí)，稱為單回路的DDCDDC系統(tǒng)。當(dāng)輸入、輸出具有兩系統(tǒng)。當(dāng)輸入、輸出具有兩個(gè)和兩個(gè)以上時(shí)，稱為多回路個(gè)和兩個(gè)以上時(shí)，稱為多回路DDCDDC系統(tǒng)。系統(tǒng)。DDCDDC系統(tǒng)是一種最典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)是一種最典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。在DDCDDC系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)主要起數(shù)字控系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)主要起數(shù)字控制器的作用。制器的作用。直接數(shù)字控制(DDC)一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類1.2.1 數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器的原理兩種基本型式：權(quán)電阻 和 R2R以四位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(權(quán)電阻)為例介紹數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的原理一

4、個(gè)十進(jìn)制整數(shù)D可由對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)表示為Di為二進(jìn)制數(shù)每位的取值，“0”或“1”。2i為二進(jìn)制數(shù)每位的權(quán)值1.2 數(shù)/模（D/A)與模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換110100222nniniiDDDD一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類轉(zhuǎn)換控制信號(hào)四位權(quán)電阻式數(shù)/模轉(zhuǎn)換器原理電路圖若被進(jìn)行轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)為“D3D2D1D0”0001112223332222RefRefRefRefVIDRVIDRVIDRVIDR一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類根據(jù)運(yùn)算放大器的工作原理根據(jù)運(yùn)算放大器的工作原理，012332103210(2222 )RefIIIIIVDDDDR32103210(2222

5、)FoutFffoutRefIIVIRRVVDDDDR一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類若5 ,15ReffRVV R1111,550001,0.33150000,0outoutoutDVVDVVDV 則二進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)00010001對(duì)應(yīng)的模擬電壓值稱作該數(shù)對(duì)應(yīng)的模擬電壓值稱作該數(shù)/ /模轉(zhuǎn)換器的最小分模轉(zhuǎn)換器的最小分辨電壓辨電壓一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類衡量一個(gè)數(shù)衡量一個(gè)數(shù)/ /模轉(zhuǎn)換器品質(zhì)的主要指標(biāo)參數(shù)有模轉(zhuǎn)換器品質(zhì)的主要指標(biāo)參數(shù)有：1)分辨率：最小輸出電壓（非零）與最大輸出電壓之比 通常用數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的位數(shù)表示分辨率，如8、10、12、 16位。(min)11(max)212outnn

6、outVV一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類2) 線性度：滿刻度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換誤差最大值與滿刻度電壓值之比。3) 轉(zhuǎn)換精度：滿刻度數(shù)字量下轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出電壓與理論值之間的誤差。4) 建立時(shí)間：數(shù)據(jù)變化量為滿刻度時(shí)，從原來輸出電壓跳轉(zhuǎn)到新的數(shù)字量對(duì)應(yīng)的輸出電壓的時(shí)間延遲。（這一時(shí)間主要取決于運(yùn)算放大器的響應(yīng)時(shí)間。）一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類數(shù)數(shù)/ /模轉(zhuǎn)換過程有兩點(diǎn)需加注意：模轉(zhuǎn)換過程有兩點(diǎn)需加注意：1) 一個(gè)新的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的模擬電壓的時(shí)刻受轉(zhuǎn)換控制信號(hào)控制。2) 前后兩次轉(zhuǎn)換之間輸出模擬電壓保持不變，數(shù)值與前一次二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換的模擬電壓相同。例：有以下一組二進(jìn)制數(shù)，每隔T周期轉(zhuǎn)換一次D=00

7、11 （0）D=0111 （1T）D=1111 （2T）D=1100 （3T）D=0000 （4T）一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類00110111111111000000整量化的整量化的二進(jìn)制電壓值二進(jìn)制電壓值一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類1.2.2 1.2.2 模模/ /數(shù)（數(shù)（A/D)A/D)轉(zhuǎn)換器的原理轉(zhuǎn)換器的原理實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的方法有多種：計(jì)數(shù)法、雙積分法、逐次逼近法等。一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類例：1微秒一個(gè)節(jié)拍，D/A轉(zhuǎn)換器為權(quán)電阻式數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，仍令Rf/R=1/15，VRef=5v81000,2.61540100,1.331520010,0.671510001,0.3315

8、fReffReffReffRefDVVvDVVvDVVvDVVvxRefVV對(duì)以上的逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器，要求以Vx=2.5v為例，分析逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器的工作過程.一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類模/數(shù)轉(zhuǎn)換器指標(biāo)參數(shù)一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類 分辨率分辨率：輸出數(shù)字量變化一個(gè)相鄰數(shù)字所對(duì)應(yīng)的模擬電壓變化量。通常用數(shù)字量的位數(shù)表示，如8、10、12、16。分辨率為8位，表示它可以對(duì)1/28=1/256滿量程電壓的輸入模擬信號(hào)增量作出反映。 量程量程：能轉(zhuǎn)換的電壓范圍，取決于參考電壓VRef，通常有10v，5v。 轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間： 完成一次轉(zhuǎn)換的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間

9、的倒數(shù)為轉(zhuǎn)換率。(計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中通常使用低、中速A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間通常在1.0200us之間)。 需注意的是：在轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，被轉(zhuǎn)換的模擬電壓必須保持穩(wěn)定。需注意的是：在轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，被轉(zhuǎn)換的模擬電壓必須保持穩(wěn)定。一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度： 任一數(shù)字量對(duì)應(yīng)的實(shí)際模擬電壓與其理想電壓值之差不是零，而是一個(gè)常量。 這個(gè)差值的最大值為絕對(duì)精度。絕對(duì)精度表示成滿量程模擬電壓的百分?jǐn)?shù)時(shí)為相對(duì)精度。 絕對(duì)精度常用數(shù)字量的位數(shù)作為單位，如絕對(duì)精度1/2LSB。意思是，對(duì)于滿量程10v的器件，若轉(zhuǎn)換器為10位，最低位LSB對(duì)應(yīng)的模擬電壓為9.76mv，則該轉(zhuǎn)換器精度為1/2LSB=4

10、.88mv。1.2.3 采樣保持器一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類 對(duì)于快速變化的模擬電壓Vx，為了在轉(zhuǎn)換期間保持穩(wěn)定，必須先對(duì)Vx進(jìn)行采樣，并將采樣得到的值保持到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。以下是一個(gè)采樣保持器的基本電路形式。一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類采樣階段： 控制信號(hào)高電平，開關(guān)K閉合，輸入信號(hào)Vs經(jīng)電阻R向電容C充電，使電容電壓很快達(dá)到Vs值。這段時(shí)間通常很短(該時(shí)間也稱為獲取時(shí)間)保持階段： 控制信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，K斷開，C上的電壓得到保持。ADC對(duì)該保持電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)采樣保持芯片LF398簡(jiǎn)介一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類 當(dāng)CH0.01F時(shí)，信號(hào)達(dá)到0.01%精度，獲取時(shí)間為2

11、5 s(即Vx=0.9999 Vs只需25 s)，保持電壓下降率為3mv/s(若轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us，則保持電壓下降約0.3uv)。 當(dāng)輸入信號(hào)電壓變化緩慢時(shí)，且A/D轉(zhuǎn)換較快時(shí)，也可考慮不采用采樣保持器。獲取時(shí)間：一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類信號(hào)獲取時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類 從上面的過程可知，采樣后保持的Vs信號(hào)值，只在c時(shí)間內(nèi)是有用的。在一個(gè)采樣周期內(nèi)，采樣保持器與A/D轉(zhuǎn)換器大部分時(shí)間處于空閑狀態(tài)。當(dāng)被控制參數(shù)有多個(gè)時(shí)，可用同一個(gè)采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)其它控制量分時(shí)進(jìn)行采樣及A/D轉(zhuǎn)換。1.2.5 多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類以下用CD4051(

12、8選1多路模擬開關(guān))為例介紹其原理與特性。通道禁止信號(hào)通道選通信號(hào)一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類理想的多路模擬開關(guān)應(yīng)有以下特性：1、開路電阻無窮大2、接通電阻為零3、轉(zhuǎn)換瞬間完成CD4051的指標(biāo)參數(shù)為：1、模擬信號(hào)峰峰值VDD-VEE2、導(dǎo)通電阻80歐3、 VDD-VEE 10V時(shí)，斷路漏電流為10PA1.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中數(shù)字調(diào)節(jié)器(控制器)的信號(hào)處理過程一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類數(shù)字控制器的作用如下：數(shù)字控制器的作用如下：1、將模擬量的偏差信號(hào)將模擬量的偏差信號(hào)e (t)在時(shí)間上進(jìn)行離散化在時(shí)間上進(jìn)行離散化(采樣采樣)，得到離散模擬信，得到離散模擬信號(hào)

13、號(hào)(脈沖采樣信號(hào)脈沖采樣信號(hào))e*(t)。2、將離散化后的脈沖采樣信號(hào)、將離散化后的脈沖采樣信號(hào)e*(t)進(jìn)行模進(jìn)行模/數(shù)變換，得到整量化的二進(jìn)制數(shù)變換，得到整量化的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)e (kT)。3、對(duì)、對(duì)e (kT)按已確定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果是離散的整量化二進(jìn)按已確定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果是離散的整量化二進(jìn)制數(shù)字控制信號(hào)制數(shù)字控制信號(hào)u (kT)。4、將數(shù)字控制信號(hào)、將數(shù)字控制信號(hào)u (kT)轉(zhuǎn)換成連續(xù)的整量化模擬控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成連續(xù)的整量化模擬控制信號(hào)u (t)。該信號(hào)。該信號(hào)（或通過執(zhí)行單元）對(duì)被控對(duì)象施加控制作用。（或通過執(zhí)行單元）對(duì)被控對(duì)象施加控制作用。(在理論分

14、析時(shí)，可將以上在理論分析時(shí)，可將以上u (kT)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成u (t)的過程，看成由的過程，看成由u (kT)u*(t)和由和由u*(t) u (t)兩個(gè)依次完成的過程兩個(gè)依次完成的過程)。一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類1.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸入輸出接口方案一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類 當(dāng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度很高，而被控量又變化較慢時(shí)，可使一個(gè)計(jì)算機(jī)同時(shí)作為幾個(gè)被控制量的數(shù)字控制器，以充分利用計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算能力。 以下是一個(gè)一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制N個(gè)閉環(huán)離散數(shù)字控制系統(tǒng)的多回路DDC計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類多回路DDC系統(tǒng)一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類多路輸入信號(hào)采集接口方案一、計(jì)

15、算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類多路輸入信號(hào)采集接口方案一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類 多路控制信號(hào)輸出接口方案一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類 多路控制信號(hào)輸出接口方案計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類 按照結(jié)構(gòu)和功能，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可分為三種基本類型1、直接數(shù)字控制(DDC)2、監(jiān)督控制(SCC)3、分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System) 或稱為集散控制系統(tǒng)被控制對(duì)象（過程）執(zhí)行機(jī)構(gòu)測(cè)量元件直接數(shù)字控制計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)（scc)A/D轉(zhuǎn)換器采樣保持器D/A轉(zhuǎn)換器輸出掃描保持輸出掃描地址采樣掃描地址SCC+DDC控制系統(tǒng)一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類

16、監(jiān)督控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類監(jiān)督控制系統(tǒng)的基本特點(diǎn)：l 兩級(jí)控制（上一級(jí)為監(jiān)控級(jí)SCC，下一級(jí)為DDC)。l 兩級(jí)計(jì)算機(jī)之間通過接口進(jìn)行信息通信，當(dāng)DDC級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)控制功能可有SCC級(jí)計(jì)算機(jī)取代，具有較高的可靠性性。l 監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)過程中各物理量進(jìn)行檢測(cè)，并按一定的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出各個(gè)獨(dú)立的DDC系統(tǒng)被控制量的最佳設(shè)定值（參考輸入量），再由DDC系統(tǒng)對(duì)被控制量進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)。一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類 分布式控制系統(tǒng)分布式控制系統(tǒng) 分布式控制系統(tǒng)出現(xiàn)于上世紀(jì)七十年代中期，是集計(jì)算機(jī)(computer)、控制器(controller)、通信(communicati

17、on)和CRT顯示技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)技術(shù)，代表著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。 以微處理器（單片機(jī))為核心的基本控制器完成對(duì)工業(yè)過程中某個(gè)被控制量的DDC控制或某些邏輯順序控制。其指令值(給定值)由處于更高控制級(jí)的監(jiān)控計(jì)算機(jī)設(shè)定，并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線傳遞至基本控制器。一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與分類分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 專門用于過程運(yùn)行參數(shù)檢測(cè)和預(yù)處理的數(shù)據(jù)采集器將采集的數(shù)據(jù)通過總線傳輸至監(jiān)控計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理，同時(shí)傳輸至CRT操作臺(tái)輸出顯示。 監(jiān)控計(jì)算機(jī)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)和過程優(yōu)化控制的數(shù)學(xué)模型計(jì)算各基本控制器DDC控制的指令值(給定值)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸至基本控制器，綜合協(xié)調(diào)各基本控制器的工作。 CRT操作臺(tái)作為人機(jī)交互的界面實(shí)現(xiàn)人與系統(tǒng)的信息交換和對(duì)系統(tǒng)的干預(yù)。計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是一種分級(jí)分布式的控制系統(tǒng)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)位于系統(tǒng)的上一級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)基本控制器的協(xié)調(diào)管理； 基本控制器處于系統(tǒng)的下一級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)被控制量的直接數(shù)字控制。實(shí)現(xiàn)了物理上的分散結(jié)構(gòu)，基本控制器和數(shù)據(jù)采集器安裝在工業(yè)過程現(xiàn)場(chǎng)，大大節(jié)省了控制器與控制對(duì)象的電纜連接，減少了線路干擾，增加了系統(tǒng)可靠性，即使系統(tǒng)中某個(gè)控制器發(fā)生故障，不至