第二章-計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件基礎(chǔ)1課件

第二章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件基礎(chǔ)一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸入、輸出接口簡(jiǎn)介(一)開(kāi)關(guān)量輸入輸出(2.1、2.2)(二)模擬量輸入輸出(2.3、2.4)(三)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的電源(2.5)二、信號(hào)的采樣與重構(gòu)（2.6）三、數(shù)字濾波簡(jiǎn)介（2.7）概述在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)是信息處理的核心，它不斷的從外部獲取關(guān)于被控制對(duì)象或過(guò)程的狀態(tài)信息，按照某種策略加工、處理后，再向外發(fā)出控制信息，從而達(dá)到調(diào)節(jié)、控制的目的。本章節(jié)介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的信號(hào)輸入/輸出通道的一般設(shè)計(jì)方法及信息采樣、重構(gòu)的方法并簡(jiǎn)單地介紹了數(shù)字濾波的基本知識(shí)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)檢測(cè)裝置空調(diào)溫度計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)

（一）模擬量輸入經(jīng)由傳感器或檢測(cè)儀表輸入的模擬信號(hào)，可能是電壓或電流信號(hào)，幅值范圍往往和A/D轉(zhuǎn)換器的量程不匹配，而且通常含有噪音信號(hào)，因此需放大、濾波、隔離保護(hù)處理；對(duì)于多路模擬量輸入，應(yīng)當(dāng)考慮適當(dāng)?shù)妮斎虢Y(jié)構(gòu)。一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸入、輸出接口簡(jiǎn)介

多路復(fù)用方式A/D轉(zhuǎn)換器原理圖在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，有些控制對(duì)象需要模擬量輸入，這就要求計(jì)算機(jī)把輸出的數(shù)字控制量轉(zhuǎn)化為模擬量，此步轉(zhuǎn)換采用Ｄ/A轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)，即計(jì)算機(jī)輸出的離散控制信號(hào)，必須經(jīng)過(guò)重構(gòu)處理成連續(xù)信號(hào)后，才能控制需要連續(xù)信號(hào)輸出的被控對(duì)象或過(guò)程。（二）模擬量輸出二、信號(hào)采樣與重構(gòu)

信號(hào)采樣與重構(gòu)計(jì)算是機(jī)控制系統(tǒng)不可缺少的環(huán)節(jié)：計(jì)算機(jī)只能接受、處理數(shù)字信號(hào)，因此從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)來(lái)的連續(xù)信號(hào)必須經(jīng)過(guò)采樣、保持、量化處理變?yōu)閿?shù)字信號(hào)后，才能有計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和運(yùn)算。計(jì)算機(jī)輸出的離散控制信號(hào)，也必須經(jīng)過(guò)重構(gòu)處理成連續(xù)信號(hào)后，才能控制需要連續(xù)信號(hào)輸出的被控對(duì)象或過(guò)程。

本節(jié)主要包括下面幾部分:信號(hào)的采樣信號(hào)的重構(gòu)信號(hào)處理的基本知識(shí)（一）、信號(hào)處理的基本知識(shí)1、信號(hào)類型2、信號(hào)分析中的常用函數(shù)3、信號(hào)分析中的常用數(shù)學(xué)定理（歐拉公式）4、信號(hào)的頻譜分析1、信號(hào)類型

連續(xù)信號(hào)模擬信號(hào)離散信號(hào)采樣信號(hào)數(shù)字信號(hào)2、信號(hào)分析中的常用函數(shù)

(1)單位沖激信號(hào)δ(t)、δ(t-t0)單位采樣序列δ(t)、δ(t-KT)(2)單位階躍函數(shù)1(t)、1(t-t0)單位階躍序列u(n)、u(n-KT)(3)復(fù)指數(shù)函數(shù)復(fù)指數(shù)序列(4)sinc(t)函數(shù)（閘門(mén)函數(shù)、濾波函數(shù)）3、信號(hào)分析中的常用數(shù)學(xué)定理（歐拉公式）

4、信號(hào)的頻譜分析

周期函數(shù)x(t)=x(t+T)的傅里葉級(jí)數(shù)及其頻譜函數(shù)的傅里葉變換及其主要性質(zhì)信號(hào)的頻譜周期函數(shù)x(t)=x(t+T)的傅里葉級(jí)數(shù)及其頻譜

周期函數(shù)x(t)=x(t+T)的傅里葉級(jí)數(shù)三角展開(kāi)式：T為基本周期為基波角頻率周期函數(shù)x(t)=x(t+T)的傅里葉級(jí)數(shù)的復(fù)指數(shù)展開(kāi)式實(shí)例：周期性矩形信號(hào)（方波）傅氏級(jí)數(shù)展開(kāi)及頻譜T為基本周期為基波角頻率MATLAB程序n=100;t=0:0.01:2*pi;f=0;fori=1:2:nf=f+4*sin(i*t)/(i*pi);end;plot(t,f),gridon函數(shù)的傅里葉變換及其主要性質(zhì)函數(shù)f(t)的傅里葉變換為與函數(shù)關(guān)系為幅頻譜與函數(shù)關(guān)系為相頻譜函數(shù)的傅里葉變換的主要性質(zhì)實(shí)移性頻移性(二)、信號(hào)的采樣采樣信號(hào)的數(shù)學(xué)表示采樣信號(hào)的頻譜分析香農(nóng)(Shannon)采樣定理采樣周期T的選取原則圖2―2采樣過(guò)程1、采樣機(jī)理描述

采樣過(guò)程可以用單位脈沖函數(shù)來(lái)描述。數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：2、采樣信號(hào)的頻譜分析)(1)(*skjkjFTjFwww-=?￥-￥=3、香農(nóng)(Shannon)采樣定理為了使采樣信號(hào)f*(t)能反映連續(xù)信號(hào)f(t)的變化規(guī)律，采樣頻率ωs(ωs=2πfs=2π/T)至少應(yīng)該是信號(hào)f(t)頻譜最高頻率ωmax

的兩倍，即

ωs≥2ωmax

當(dāng)采樣周期滿足采樣定理時(shí)，上圖中的采樣信號(hào)頻譜就不會(huì)發(fā)生重疊效應(yīng)，這時(shí)就可以通過(guò)理想的低通濾波器從采樣信號(hào)f*(t)中完全恢復(fù)出f(t)來(lái)。注意：濾波器的截止頻率計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中采樣周期的選擇遵從采樣定律經(jīng)驗(yàn)其它1、信號(hào)的恢復(fù)

信號(hào)的頻譜必須是有限帶寬

滿足采樣定律

采用理想低通濾波器或零節(jié)保持器

2、理想低通濾波器

3、零階保持器

數(shù)學(xué)描述

傳遞函數(shù)

頻譜

(三)、信號(hào)的重構(gòu)數(shù)學(xué)表達(dá)式傳遞函數(shù)[]))1((1)(1)(00TktkTtkTffkh+---=?￥=零階保持器頻譜分析數(shù)字濾波在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中除了甬道硬件模擬濾波以外，還常常采用數(shù)字濾波。數(shù)字濾波是把A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)通過(guò)軟件按照一定的算法進(jìn)行平滑加工等處理，再送給控制程序運(yùn)算，來(lái)增強(qiáng)其有效信號(hào)、消除或減小各種干擾和噪聲，從而提高控制精度和系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。經(jīng)常不斷地學(xué)習(xí),你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量StudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWill