1、2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系1計算機過程控制計算機過程控制2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系2參考書目：參考書目：（1）李元春）李元春. 計算機控制系統計算機控制系統. 北京：高等教育出北京：高等教育出版社，版社，2005（2）王錦標）王錦標. 計算機控制系統計算機控制系統. 北京：清華大學出北京：清華大學出版社，版社，2004（3）孫德寶，王永驥，王金城）孫德寶，王永驥，王金城. 自動控制原理自動控制原理. 北北京：化學工業出版社，京：化學工業出版社，2002（4）戴忠達）戴忠達. 自動控制理論基礎自動控制理論基礎. 北京：清華大學北京：

2、清華大學出版社，出版社，19912021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系3第一章第一章 緒論；緒論；課程內容：課程內容：第二章第二章 計算機控制系統的硬件基礎；計算機控制系統的硬件基礎；第三章第三章 計算機控制系統的數學模型；計算機控制系統的數學模型；第四章第四章 計算機控制系統的特性分析；計算機控制系統的特性分析；第五章第五章 數字控制器的間接設計方法；數字控制器的間接設計方法；第六章第六章 計算機控制系統設計步驟；計算機控制系統設計步驟；第七章第七章 嵌入式系統與網絡控制。嵌入式系統與網絡控制。2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系4第一章第一章 緒論

3、緒論1.計算機控制系統的一般概念計算機控制系統的一般概念 1.1 計算機控制系統概述計算機控制系統概述 計算機控制系統也稱為數字控制系統，又稱采樣控制系統，計算機控制系統也稱為數字控制系統，又稱采樣控制系統，是以計算機作為控制器的自動控制系統。是以計算機作為控制器的自動控制系統?？刂破骺刂破鲌绦衅鲌绦衅鞅豢貙ο蟊豢貙ο蟊豢貐当豢貐到o定值給定值反反饋饋值值檢測裝置檢測裝置圖圖1.1 連續控制系統的典型結構連續控制系統的典型結構2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系5 計算機控制系統的控制過程通?？梢詺w結為以下兩個步計算機控制系統的控制過程通?？梢詺w結為以下兩個步驟：驟：

4、（1）實時數據采集及處理，即對被控對象的被控參數進）實時數據采集及處理，即對被控對象的被控參數進行實時檢測，并輸入計算機進行處理；行實時檢測，并輸入計算機進行處理； （2）實時控制，即按照已經設計好的控制規律計算出控實時控制，即按照已經設計好的控制規律計算出控制量，并實時地向執行器發出控制信號，以便對生產過程進制量，并實時地向執行器發出控制信號，以便對生產過程進行控制。行控制。計算機計算機D/A轉換器轉換器被控對象被控對象被控參數被控參數給定值給定值反反饋饋值值檢測裝置檢測裝置圖1.2 計算機控制系統基本框圖執行器執行器A/D轉換器轉換器2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程

5、系62.計算機控制系統的組成計算機控制系統的組成 計算機控制系統由計算機系統、檢測裝置、執行機構和被計算機控制系統由計算機系統、檢測裝置、執行機構和被控對象組成，如下圖所示?？貙ο蠼M成，如下圖所示。外部設備外部設備操作臺操作臺計計算算機機輸入通道輸入通道輸出通道輸出通道檢測裝置檢測裝置執行機構執行機構被被控控對對象象圖1.3 計算機控制系統的組成 計算機系統一般由硬件和軟件兩大部分組成。計算機系統一般由硬件和軟件兩大部分組成。（1）硬件）硬件 硬件包括計算機、過程輸入硬件包括計算機、過程輸入/輸出通道、外部設備和操作臺輸出通道、外部設備和操作臺等。等。2021-10-31北京科技大學自動化學院

6、控制科學與工程系7計算機計算機 計算機是計算機控制系統的核心，通過人機接口可以對被計算機是計算機控制系統的核心，通過人機接口可以對被控對象的被控參數進行實時檢測及處理，并向系統發出各種控控對象的被控參數進行實時檢測及處理，并向系統發出各種控制指令。其具體功能包括完成程序存儲和執行、數值計算、邏制指令。其具體功能包括完成程序存儲和執行、數值計算、邏輯判斷、數據處理等。輯判斷、數據處理等。過程輸入過程輸入/輸出通道輸出通道 過程輸入過程輸入/ 輸出通道是指在計算機和檢測裝置（或執行機輸出通道是指在計算機和檢測裝置（或執行機構）之間設置的信息傳送和轉換的連接通道。過程輸入通道把構）之間設置的信息傳送

7、和轉換的連接通道。過程輸入通道把被控對象（或生產過程）的被控參數轉換成計算機可以處理的被控對象（或生產過程）的被控參數轉換成計算機可以處理的數字代碼。過程輸出通道把計算機輸出的控制命令和數據轉換數字代碼。過程輸出通道把計算機輸出的控制命令和數據轉換成執行機構可以接受的控制信號。成執行機構可以接受的控制信號。 過程輸入過程輸入/輸出通道一般分為：模擬量輸入通道、模擬量輸輸出通道一般分為：模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、開關量輸入通道、開關量輸出通道。出通道、開關量輸入通道、開關量輸出通道。2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系8外部設備外部設備 實現計算機和外界交換信息的設備

8、稱為外部設備（簡稱外實現計算機和外界交換信息的設備稱為外部設備（簡稱外設）。外部設備主要包括輸入設）。外部設備主要包括輸入/輸出設備和外部存儲設備等。輸出設備和外部存儲設備等。操作臺操作臺 操作臺是操作人員與計算機控制系統進行操作臺是操作人員與計算機控制系統進行“對話對話”的設備，的設備，主要包括如下幾部分：主要包括如下幾部分： （a）顯示裝置，如）顯示裝置，如LED或或LCD等，主要用來顯示操作人員等，主要用來顯示操作人員要求顯示的內容或報警信號。要求顯示的內容或報警信號。 （b）一組或幾組功能鍵，通過功能鍵，可向主機申請中斷）一組或幾組功能鍵，通過功能鍵，可向主機申請中斷服務。功能鍵包括復

9、位鍵、啟動鍵、打印鍵、顯示鍵等。服務。功能鍵包括復位鍵、啟動鍵、打印鍵、顯示鍵等。 （c）一組或幾組數字鍵，用來輸入某些數據或修改控制系）一組或幾組數字鍵，用來輸入某些數據或修改控制系統的某些參數。統的某些參數。2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系93.計算機控制系統的特點計算機控制系統的特點 計算機控制系統與連續控制系統相比，具有以下特點：計算機控制系統與連續控制系統相比，具有以下特點： 在連續控制系統中，各處的信號是模擬信號。而在計算在連續控制系統中，各處的信號是模擬信號。而在計算機控制系統中，除仍有模擬信號外，還有采樣信號、數字信號機控制系統中，除仍有模擬信號外，還

10、有采樣信號、數字信號等多種信號；等多種信號； 在連續控制系統中，控制規律是由模擬電路實現的，控在連續控制系統中，控制規律是由模擬電路實現的，控制規律越復雜，所需要的模擬電路往往越多。如果要修改控制制規律越復雜，所需要的模擬電路往往越多。如果要修改控制規律，一般要改變原有的電路結構。而在計算機控制系統中，規律，一般要改變原有的電路結構。而在計算機控制系統中，控制規律是由計算機通過程序實現的。修改一個控制規律，只控制規律是由計算機通過程序實現的。修改一個控制規律，只需修改相應的程序，一般不對硬件電路進行改動；需修改相應的程序，一般不對硬件電路進行改動；（2）軟件）軟件 軟件是指計算機控制系統中完成

11、各種控制功能的程序集合，軟件是指計算機控制系統中完成各種控制功能的程序集合，它由系統軟件、應用軟件和專用軟件組成。它由系統軟件、應用軟件和專用軟件組成。2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系10 在連續控制系統中，一般是一個控制器控制一個回路。在連續控制系統中，一般是一個控制器控制一個回路。而在計算機控制系統中，一個數字控制器經?？梢圆捎梅謺r控而在計算機控制系統中，一個數字控制器經?？梢圆捎梅謺r控制的方式同時控制多個回路；制的方式同時控制多個回路； 采用計算機控制系統（如分級計算機控制系統、計算機采用計算機控制系統（如分級計算機控制系統、計算機網絡控制系統等）便于實現控制與

12、管理的一體化，從而使工業網絡控制系統等）便于實現控制與管理的一體化，從而使工業企業的自動化程度進一步提高。企業的自動化程度進一步提高。 在連續控制系統中，給定值與反饋值的比較是連續進行在連續控制系統中，給定值與反饋值的比較是連續進行的，控制器對產生的偏差也是連續調節的。計算機控制系統并的，控制器對產生的偏差也是連續調節的。計算機控制系統并不是連續控制的，而是離散控制的；不是連續控制的，而是離散控制的； 計算機控制系統具有豐富的指令系統和很強的邏輯判斷計算機控制系統具有豐富的指令系統和很強的邏輯判斷功能，能夠實現模擬電路不能實現的復雜控制規律；功能，能夠實現模擬電路不能實現的復雜控制規律；202

13、1-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系11 1.2 計算機控制系統的類型計算機控制系統的類型1.數據采集與處理系統數據采集與處理系統 它是計算機控制系統中出現最早的類型，系統的結構框圖它是計算機控制系統中出現最早的類型，系統的結構框圖如圖如圖1.4所示。所示。報警報警打印打印顯示顯示微微型型計計算算機機模擬量輸入通道模擬量輸入通道生生產產過過程程圖1.4 數據采集與處理系統原理框圖開關量輸入通道開關量輸入通道 這種系統能夠幫助操作人員及時了解生產過程的狀況，提這種系統能夠幫助操作人員及時了解生產過程的狀況，提供系統的運行資料，但它不直接控制生產過程。供系統的運行資料，但它不直接控

14、制生產過程。 隨著微型計算機控制技術的發展，數據采集與處理系統已隨著微型計算機控制技術的發展，數據采集與處理系統已很少單獨存在，它已成為計算機控制系統的一個組成部分。很少單獨存在，它已成為計算機控制系統的一個組成部分。2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系122.操作指導控制系統操作指導控制系統 所謂操作指導控制是指計算機的輸出不直接用來控制生產所謂操作指導控制是指計算機的輸出不直接用來控制生產過程，而只是對系統過程參數進行收集，按預定的算法計算出過程，而只是對系統過程參數進行收集，按預定的算法計算出被控參數的最佳被控參數的最佳設定值設定值，通過顯示或打印輸出數據，操作人員

15、，通過顯示或打印輸出數據，操作人員根據這些數據進行必要操作的控制方式。根據這些數據進行必要操作的控制方式。報警報警打印打印顯示顯示微微型型計計算算機機輸入通道輸入通道設定值設定值模擬模擬調節器調節器生生產產過過程程圖1.5 操作指導控制系統原理框圖2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系13優點：優點：結構簡單、控制靈活、安全性高。結構簡單、控制靈活、安全性高。缺點：缺點： 需要手工操作，速度受到限制，故不適合于快速過程的控需要手工操作，速度受到限制，故不適合于快速過程的控制和多回路的控制。制和多回路的控制。適用場合：適用場合： 這種系統主要用于計算機控制系統研制開發的初級階

16、段，這種系統主要用于計算機控制系統研制開發的初級階段，如試驗新的數學模型和調試新的程序等。此外，對于化工、熱如試驗新的數學模型和調試新的程序等。此外，對于化工、熱工等變化緩慢的過程，通常一天或幾個小時才需要計算一次設工等變化緩慢的過程，通常一天或幾個小時才需要計算一次設定值，操作指導控制系統也比較適用。定值，操作指導控制系統也比較適用。2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系143.直接數字控制系統（直接數字控制系統（DDC系統）系統） 直接數字控制（直接數字控制（Direct Digital Control, DDC）系統根據檢）系統根據檢測裝置測得的輸入數據，按照預先確定

17、的控制規律進行計算，測裝置測得的輸入數據，按照預先確定的控制規律進行計算，得到并輸出控制量，并通過執行機構直接控制生產過程，使被得到并輸出控制量，并通過執行機構直接控制生產過程，使被控參數保持在設定值。控參數保持在設定值。報警報警打印打印顯示顯示微微型型計計算算機機輸入通道輸入通道生生產產過過程程圖1.6 DDC控制系統原理框圖輸出通道輸出通道檢測裝置檢測裝置執行機構執行機構2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系15特點：特點： （1）廣泛應用于工業生產過程和家用電器行業；）廣泛應用于工業生產過程和家用電器行業； （2）能取代模擬調節器，實現多回路調節；）能取代模擬調節器，

18、實現多回路調節； （3）只通過改變程序就能有效地實現較復雜的控制，如）只通過改變程序就能有效地實現較復雜的控制，如前饋控制、非線性控制、自適應控制、最優控制和智能控制等。前饋控制、非線性控制、自適應控制、最優控制和智能控制等。4.監督計算機控制系統（監督計算機控制系統（SCC系統）系統） 監督計算機控制（監督計算機控制（Supervisory Computer Control, SCC）是指計算機根據生產過程的數學模型計算出被控參數的最佳給是指計算機根據生產過程的數學模型計算出被控參數的最佳給定值，并自動傳給模擬調節器或定值，并自動傳給模擬調節器或DDC計算機，從而使生產過程計算機，從而使生產

19、過程在最優狀態下運行的控制方式。在最優狀態下運行的控制方式。 監督計算機控制系統的結構框圖如圖監督計算機控制系統的結構框圖如圖1.7所示。所示。2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系16鍵盤鍵盤 顯示顯示 打印打印SCC計算機計算機DDC計算機計算機輸入通道輸入通道輸出通道輸出通道工業生產過程工業生產過程(b) SCC加DDC的控制系統鍵盤鍵盤 顯示顯示 打印打印SCC計算機計算機輸出通道輸出通道輸入通道輸入通道模擬調節器模擬調節器工業生產過程工業生產過程(a) SCC加模擬調節器的控制系統圖1.7 監督計算機控制系統結構圖特點：特點： 可大大提高系統的可靠性。在可大大提高

20、系統的可靠性。在(a)圖中，當圖中，當 SCC計算機出現計算機出現故障時，可由模擬調節器獨立完成操作；在故障時，可由模擬調節器獨立完成操作；在(b)圖中，當圖中，當SCC級級計算機出現故障時，可由計算機出現故障時，可由DDC級計算機單獨進行控制。級計算機單獨進行控制。5.分級計算機控制系統（集散控制系統分級計算機控制系統（集散控制系統DCS） 分級計算機控制系統（分級計算機控制系統（Distributed Control System, DCS）是隨著當代工業生產的高度自動化和過程控制的日益復雜化而是隨著當代工業生產的高度自動化和過程控制的日益復雜化而發展起來的，它是融合自動化技術、計算機技術

21、和通訊技術為發展起來的，它是融合自動化技術、計算機技術和通訊技術為一體的高科技控制系統。一體的高科技控制系統。企業企業經營管理級計算機經營管理級計算機工廠集中控工廠集中控制級計算機制級計算機車間監督級計算機車間監督級計算機車間監督級計算機車間監督級計算機裝置控制裝置控制級計算機級計算機裝置控制裝置控制級計算機級計算機裝置控制裝置控制級計算機級計算機裝置控制裝置控制級計算機級計算機工業對象工業對象A工業對象工業對象B工業對象工業對象C工業對象工業對象D至其它工廠至其它工廠至其它工廠至其它工廠圖1.8 分級計算機控制系統2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系18 （1）裝置控制

22、級裝置控制級DDC （現場控制級現場控制級FCS）：對某個生）：對某個生產過程或被控對象直接進行控制。產過程或被控對象直接進行控制。 各級計算機的任務如下所述。各級計算機的任務如下所述。 （2）車間監督級車間監督級SCC（過程控制級過程控制級PCS）：根據廠級下）：根據廠級下達的命令和從裝置控制級獲得的數據計算最優設定值；同時達的命令和從裝置控制級獲得的數據計算最優設定值；同時還擔負著車間內各個工段的協調控制任務。還擔負著車間內各個工段的協調控制任務。 （3）工廠集中控制級）工廠集中控制級（制造執行系統制造執行系統MES ，過程管理，過程管理級）：根據上級下達的任務和本廠情況，制定生產計劃，安

23、級）：根據上級下達的任務和本廠情況，制定生產計劃，安排本廠工作并及時將排本廠工作并及時將SCC級和級和DDC級的情況向上級反映。級的情況向上級反映。 （4）企業經營管理級）企業經營管理級（企業資源配置企業資源配置ERP，經營管理，經營管理級）：制定本企業長期發展規劃、生產級）：制定本企業長期發展規劃、生產計劃、銷售計劃，發計劃、銷售計劃，發命令至各工廠，并接收各工廠發回來的數據，實行整個企業命令至各工廠，并接收各工廠發回來的數據，實行整個企業的調度。的調度。特點：特點：既能進行集中管理，又能實現分散控制，即將控制任既能進行集中管理，又能實現分散控制，即將控制任務用多臺計算機分別加以執行。務用多

24、臺計算機分別加以執行。2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系19 1.3 計算機控制系統的發展過程和趨勢計算機控制系統的發展過程和趨勢1.計算機控制系統的發展過程計算機控制系統的發展過程 計算機控制系統的發展過程大致分為三個階段：計算機控制系統的發展過程大致分為三個階段： （1）試驗階段（）試驗階段（1965年以前）年以前） 1952年首先在化工生產中采用計算機進行自動檢測和數據年首先在化工生產中采用計算機進行自動檢測和數據處理；處理； 1954年開始用計算機組成開環控制系統；年開始用計算機組成開環控制系統； 1957年在石油工業中實現了蒸餾過程的計算機閉環控制；年在石油工

25、業中實現了蒸餾過程的計算機閉環控制； 1960年實現了計算機監督控制；年實現了計算機監督控制； 1962年建成了第一個工業直接數字控制系統。年建成了第一個工業直接數字控制系統。2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系20 主要采用集中式計算機控制系統。主要采用集中式計算機控制系統。 （3）大量應用和推廣階段（）大量應用和推廣階段（1970年至今）年至今） 我國計算機控制技術的起步大約在我國計算機控制技術的起步大約在1965年開始，國家在蘭年開始，國家在蘭州化肥廠、北京京津唐電力系統、上海南市發電廠等處開展應州化肥廠、北京京津唐電力系統、上海南市發電廠等處開展應用試點。用試點。

26、 （2）實際應用和逐步普及階段（）實際應用和逐步普及階段（19651969年）年） 目前，計算機控制系統已廣泛應用于各行各業，尤其在工目前，計算機控制系統已廣泛應用于各行各業，尤其在工業領域和家電行業的應用最為突出。業領域和家電行業的應用最為突出。2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系212.計算機控制系統的發展趨勢計算機控制系統的發展趨勢（1）可編程序邏輯控制器）可編程序邏輯控制器 可編程序邏輯控制器（可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）具有可靠性高、編程靈活簡單、易于擴展和價格低廉等）具有可靠性高、編程靈活簡單、易于

27、擴展和價格低廉等優點。優點。 近年來，隨著智能近年來，隨著智能I/O模塊的開發，使得模塊的開發，使得PLC除了具有邏除了具有邏輯運算、邏輯判斷等功能外，還具有數據處理、故障自診斷、輯運算、邏輯判斷等功能外，還具有數據處理、故障自診斷、PID運算及聯網等功能，從而進一步擴大了運算及聯網等功能，從而進一步擴大了PLC的應用范圍。的應用范圍。（2）集散控制系統）集散控制系統 由于集散控制系統同時具有分散控制和集中管理兩方面的由于集散控制系統同時具有分散控制和集中管理兩方面的特征，故在當前過程控制領域，集散控制系統已成為主流應用特征，故在當前過程控制領域，集散控制系統已成為主流應用產品。產品。2021

28、-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系22（3）計算機集成制造系統）計算機集成制造系統 計算機集成制造系統（計算機集成制造系統（Computer Integrated Manufactur-ing System, CIMS）是在自動化技術、信息技術及制造技術的）是在自動化技術、信息技術及制造技術的基礎上，通過計算機及其軟件，將制造業工廠全部環節（包括基礎上，通過計算機及其軟件，將制造業工廠全部環節（包括產品設計、生產規劃、生產設備、生產過程等）中所需使用的產品設計、生產規劃、生產設備、生產過程等）中所需使用的各種分散自動化系統有機地集成起來，從而實現多品種、中小各種分散自動化系統有

29、機地集成起來，從而實現多品種、中小批量生產、總體高效率、高柔性的智能制造系統。批量生產、總體高效率、高柔性的智能制造系統。（4）嵌入式系統）嵌入式系統 嵌入式系統（嵌入式系統（Embedded System）是計算機技術、通信技）是計算機技術、通信技術、半導體技術、微電子技術、語音圖像數據傳輸技術、傳感術、半導體技術、微電子技術、語音圖像數據傳輸技術、傳感器技術和器技術和Internet技術與具體應用對象相結合的產物。嵌入式技術與具體應用對象相結合的產物。嵌入式系統的本質是將一個微型計算機系統嵌入到一個具體應用對象系統的本質是將一個微型計算機系統嵌入到一個具體應用對象中去。中去。（5）網絡控制

30、系統）網絡控制系統 網絡控制（網絡控制（Internet Based Control）系統是一種新興的以網）系統是一種新興的以網絡為媒介對被控對象實施遠程控制和操作的計算機控制系統。絡為媒介對被控對象實施遠程控制和操作的計算機控制系統。2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系23第二章第二章 計算機控制系統的硬件基礎計算機控制系統的硬件基礎 2.1 開關量輸入開關量輸入1.信號轉換處理信號轉換處理 從工業現場獲取的開關量或數字量，在邏輯上表現為邏從工業現場獲取的開關量或數字量，在邏輯上表現為邏輯輯1或邏輯或邏輯0，信號形式則可能是電壓信號、電流信號或是開，信號形式則可能是電壓

31、信號、電流信號或是開關的通斷，其幅值范圍也往往不符合數字電路的電平范圍要關的通斷，其幅值范圍也往往不符合數字電路的電平范圍要求，因此必須進行轉換處理。求，因此必須進行轉換處理。11R2R輸入輸出圖2.1 電壓或電流開關量輸入的轉換電路12021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系241RS+5V輸出圖2.2 開關觸點信號輸入電路 2.安全保護措施安全保護措施 在設計一個計算機控制系統時，必須針對可能出現的故障在設計一個計算機控制系統時，必須針對可能出現的故障情況（如電壓極性接反、輸入過電壓等）預先采取安全保護措情況（如電壓極性接反、輸入過電壓等）預先采取安全保護措施。施。2021

32、-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系25輸入輸出(b)采用穩壓二極管抑制過電壓穩壓二極管ZDR輸入輸出D(a)采用二極管進行反極性保護圖2.3 輸入保護電路2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系263.消除機械抖動影響消除機械抖動影響 操作按鈕、繼電器觸點、行程開關等機械裝置在接通或斷操作按鈕、繼電器觸點、行程開關等機械裝置在接通或斷開時均要產生機械抖動，體現在計算機的輸入上就是輸入信號開時均要產生機械抖動，體現在計算機的輸入上就是輸入信號在邏輯在邏輯0和和1之間多次振蕩，如不適當處理就會導致計算機的錯之間多次振蕩，如不適當處理就會導致計算機的錯誤控制。下圖為

33、消除開關抖動的電路。誤控制。下圖為消除開關抖動的電路。&S1R2R5V圖2.4 RS觸發器消除開關抖動的電路YY2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系274.濾波處理濾波處理 由于長線傳輸、電路內部干擾影響，使得輸入信號帶有噪由于長線傳輸、電路內部干擾影響，使得輸入信號帶有噪聲，這有可能導致誤讀信號而出錯。下圖為低通聲，這有可能導致誤讀信號而出錯。下圖為低通RC濾波電路，濾波電路，它同時具有消除開關抖動的功能。它同時具有消除開關抖動的功能。&S1R2R3RCCCV圖2.5 RC濾波電路Y2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系285.隔離處

34、理隔離處理 從工業現場獲取的開關量或數字量的信號電平往往高于計從工業現場獲取的開關量或數字量的信號電平往往高于計算機系統的邏輯電平，即使輸入開關量電壓本身不高，也有可算機系統的邏輯電平，即使輸入開關量電壓本身不高，也有可能從現場引入意外的高壓信號，因此必須采取電隔離措施，以能從現場引入意外的高壓信號，因此必須采取電隔離措施，以保障計算機系統的安全。下圖所示電路除了實現電氣隔離功能保障計算機系統的安全。下圖所示電路除了實現電氣隔離功能之外，還具有電平轉換功能。之外，還具有電平轉換功能。圖2.6 開關量光電耦合輸入電路至計算機輸入接口開關量輸入信號1RCCV5V2R2021-10-31北京科技大學

35、自動化學院控制科學與工程系29 在計算機控制系統中，開關量輸出信號用于控制各種現場在計算機控制系統中，開關量輸出信號用于控制各種現場設備，因此要考慮隔離保護、電平轉換及功率放大等問題。設備，因此要考慮隔離保護、電平轉換及功率放大等問題。 2.2 開關量輸出開關量輸出1.隔離處理隔離處理 當計算機控制系統的開關量輸出用于控制較大功率的設備當計算機控制系統的開關量輸出用于控制較大功率的設備時，為防止現場設備的強電磁干擾或高電壓通過輸出通道進入時，為防止現場設備的強電磁干擾或高電壓通過輸出通道進入計算機系統，一般需要采取光電隔離措施隔離現場設備和計算計算機系統，一般需要采取光電隔離措施隔離現場設備和

36、計算機系統。機系統。2.電平轉換和功率放大電平轉換和功率放大 計算機通過并行接口電路輸出的開關量，往往是低壓直流計算機通過并行接口電路輸出的開關量，往往是低壓直流信號。一般來說，這種信號無論是電壓等級、還是輸出功率，信號。一般來說，這種信號無論是電壓等級、還是輸出功率，均無法滿足執行機構的要求，所以應該進行電平轉換和功率放均無法滿足執行機構的要求，所以應該進行電平轉換和功率放大，再送往執行機構。大，再送往執行機構。2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系30OC門CCV2R圖2.7 光電隔離的OC門輸出1R光電耦合器件開關量輸出至執行機構（1）低壓小功率開關量輸出）低壓小功率

37、開關量輸出 對于低壓小功率開關量，可通過使用晶體管、對于低壓小功率開關量，可通過使用晶體管、OC（Open Collector）門或運算放大器等放大器件的方式輸出。圖）門或運算放大器等放大器件的方式輸出。圖2.7所示所示電路一般僅能提供幾十毫安的輸出驅動電流，可以驅動低壓電電路一般僅能提供幾十毫安的輸出驅動電流，可以驅動低壓電磁閥、指示燈等。磁閥、指示燈等。2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系31（2）繼電器輸出）繼電器輸出 繼電器經常被用于計算機控制系統中開關量輸出功率的放繼電器經常被用于計算機控制系統中開關量輸出功率的放大，即利用繼電器作為計算機輸出的執行機構，通過繼

38、電器的大，即利用繼電器作為計算機輸出的執行機構，通過繼電器的觸點控制較大功率設備或控制接觸器的通斷，以驅動更大功率觸點控制較大功率設備或控制接觸器的通斷，以驅動更大功率的負載，從而完成從低壓到高壓、從小功率到大功率的轉換。的負載，從而完成從低壓到高壓、從小功率到大功率的轉換。DCCV圖2.8 帶光電隔離的繼電器輸出KR光電耦合器件開關量輸出（3）晶閘管輸出）晶閘管輸出（4）功率場效應管輸出）功率場效應管輸出2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系32 生產過程中，隨時間連續變化的物理量稱為模擬量，如溫生產過程中，隨時間連續變化的物理量稱為模擬量，如溫度、壓力、流量、液位、濕度

39、等。它們由傳感器檢測并轉換為度、壓力、流量、液位、濕度等。它們由傳感器檢測并轉換為連續的電信號，然后通過模擬量輸入通道輸入，最后經連續的電信號，然后通過模擬量輸入通道輸入，最后經A/D轉轉換器轉化為數字量，才能送給計算機進行處理。換器轉化為數字量，才能送給計算機進行處理。 2.3 模擬量輸入模擬量輸入 由傳感器或檢測儀表輸入的模擬信號，可能是電壓信號，由傳感器或檢測儀表輸入的模擬信號，可能是電壓信號，也可能是電流信號，幅值范圍往往和也可能是電流信號，幅值范圍往往和A/D轉換器的量程不匹配，轉換器的量程不匹配，而且一般含有噪聲信號，因此需要進行隔離保護、濾波、放大而且一般含有噪聲信號，因此需要進

40、行隔離保護、濾波、放大處理。處理。1.模擬量輸入的隔離保護模擬量輸入的隔離保護（1）光電隔離保護）光電隔離保護（2）共模電壓的隔離保護）共模電壓的隔離保護2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系332.模擬量輸入的濾波模擬量輸入的濾波 工業現場的環境往往非常惡劣，致使由傳感器得到的模工業現場的環境往往非常惡劣，致使由傳感器得到的模擬輸入信號中經常會混有噪聲，用長線傳輸時尤為突出，嚴擬輸入信號中經常會混有噪聲，用長線傳輸時尤為突出，嚴重時噪聲信號可能淹沒真實信號，如不加處理，就會導致系重時噪聲信號可能淹沒真實信號，如不加處理，就會導致系統控制失敗。因此，必須進行模擬輸入信號濾波

41、處理以抑制統控制失敗。因此，必須進行模擬輸入信號濾波處理以抑制噪聲、提高信噪比。噪聲、提高信噪比。 濾波模擬輸入信號上的噪聲既可以采用硬件濾波，也可濾波模擬輸入信號上的噪聲既可以采用硬件濾波，也可以采用數字濾波（也稱軟件濾波，具體參見以采用數字濾波（也稱軟件濾波，具體參見 2.6） 。 硬件濾波是指在模擬輸入信號進入硬件濾波是指在模擬輸入信號進入A/D轉換器前，用硬轉換器前，用硬件電路進行濾波。通過合理的濾波電路的設計，可以濾除模件電路進行濾波。通過合理的濾波電路的設計，可以濾除模擬輸入信號中特定頻段的噪聲信號。擬輸入信號中特定頻段的噪聲信號。 按是否采用有源器件（即放大器），濾波器可以分為按

42、是否采用有源器件（即放大器），濾波器可以分為有有源源濾波器和濾波器和無源無源濾波器兩大類；按濾波的頻段，又可以分為濾波器兩大類；按濾波的頻段，又可以分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系343.模擬量輸入的放大模擬量輸入的放大 傳感器輸出的信號通常都是微弱信號，一般需要放大后傳感器輸出的信號通常都是微弱信號，一般需要放大后才能進行才能進行A/D轉換，信號放大是控制系統中不可缺少的環節。轉換，信號放大是控制系統中不可缺少的環節。（1）測量放大器）測量放大器 傳感器的輸出信號一般

43、較弱，且其中含有各種共模干擾傳感器的輸出信號一般較弱，且其中含有各種共模干擾成分，這就要求對其放大的電路應當具有高的共模抑制比、成分，這就要求對其放大的電路應當具有高的共模抑制比、高輸入阻抗以及大的放大倍數，習慣上這種放大器稱為測量高輸入阻抗以及大的放大倍數，習慣上這種放大器稱為測量放大器或儀表放大器。放大器或儀表放大器。（2）程控增益放大器）程控增益放大器 為了減少為了減少A/D轉換的誤差，應使模擬輸入信號的幅值范轉換的誤差，應使模擬輸入信號的幅值范圍盡可能接近圍盡可能接近A/D轉換器的量程。如果采用固定增益的放大轉換器的量程。如果采用固定增益的放大電路，當輸入信號幅值波動范圍較大時，無法在

44、輸入信號的電路，當輸入信號幅值波動范圍較大時，無法在輸入信號的整個變化范圍內實現減少整個變化范圍內實現減少A/D轉換誤差的目的。轉換誤差的目的。2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系354.采樣保持器采樣保持器 在進行在進行A/D轉換時，如果模擬信號的頻率較高，就會由轉換時，如果模擬信號的頻率較高，就會由于于A/D轉換器的轉換時間而造成較大的轉換誤差，克服的方轉換器的轉換時間而造成較大的轉換誤差，克服的方法是在法是在A/D轉換器之前設置采樣保持電路。轉換器之前設置采樣保持電路。5.多路多路A/D轉換技術轉換技術 每個模擬量輸入配置一個每個模擬量輸入配置一個A/D轉換器；轉換

45、器； 采用集成多路采用集成多路A/D轉換器，如轉換器，如ADC0809（8路、路、8位）、位）、MAX 186（8路、路、12位）等；位）等； 采取多路開關和采樣保持器復用一個采取多路開關和采樣保持器復用一個A/D轉換器。轉換器。 當有多路模擬量輸入時，可采用以下三種方案進行當有多路模擬量輸入時，可采用以下三種方案進行A/D轉換：轉換： 另外，當有多路模擬輸入信號時，各信號的幅值也可能另外，當有多路模擬輸入信號時，各信號的幅值也可能相差懸殊，采用固定增益的放大電路同樣會造成大信號轉換相差懸殊，采用固定增益的放大電路同樣會造成大信號轉換精度高而小信號轉換誤差大的后果。這時，可以采用程控增精度高而

46、小信號轉換誤差大的后果。這時，可以采用程控增益放大器來解決這個問題。益放大器來解決這個問題。2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系36 在計算機控制系統中，有些被控對象或執行機構需要模擬在計算機控制系統中，有些被控對象或執行機構需要模擬量輸入，這就要求計算機把輸出的數字控制量轉換為模擬量。量輸入，這就要求計算機把輸出的數字控制量轉換為模擬量。從數字量到模擬量的轉換，一般采用集成從數字量到模擬量的轉換，一般采用集成D/A轉換器實現。轉換器實現。 2.4 模擬量輸出模擬量輸出 設計設計D/A轉換電路時，應綜合考慮轉換精度、轉換速度、轉換電路時，應綜合考慮轉換精度、轉換速度、接口

47、設計的方便性以及價格等因素。接口設計的方便性以及價格等因素。1.多通道多通道D/A轉換系統設計轉換系統設計（1）為每一個通道設置一個獨立的）為每一個通道設置一個獨立的D/A轉換器。轉換器。優點：優點： 轉換速度快、精度高、工作可靠，即使某一通道出現故障轉換速度快、精度高、工作可靠，即使某一通道出現故障也不會影響其它通道的工作，相應軟件的編制也比較簡單。也不會影響其它通道的工作，相應軟件的編制也比較簡單。缺點：缺點： 如果模擬量輸出通道較多，就會使系統造價增加很多，尤如果模擬量輸出通道較多，就會使系統造價增加很多，尤其是采用高精度的其是采用高精度的D/A轉換器時，這一問題更加突出。轉換器時，這一

48、問題更加突出。2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系37（3）多通道復用一個）多通道復用一個D/A轉換器，并輔以多路模擬開關和采轉換器，并輔以多路模擬開關和采樣保持放大器來實現。樣保持放大器來實現。優點：優點：成本較低。成本較低。缺點：缺點： 電路結構相對復雜、精度低、可靠性差。電路結構相對復雜、精度低、可靠性差。2.模擬量輸出的光電隔離模擬量輸出的光電隔離3.功率放大功率放大（2）采用集成多路采用集成多路D/A轉換器，如轉換器，如DAC8800（8路、路、8位）、位）、MAX 529（8路、路、8位）位）等。等。2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系3

49、81.信號采樣信號采樣 2.5 信號采樣信號采樣 采樣（或采樣過程），就是抽取連續信號在離散時間瞬時采樣（或采樣過程），就是抽取連續信號在離散時間瞬時值序列的過程，有時也稱為離散化過程。對時間和幅值均連續值序列的過程，有時也稱為離散化過程。對時間和幅值均連續的模擬信號經過采樣后即可得到在時間上離散、幅值上連續的的模擬信號經過采樣后即可得到在時間上離散、幅值上連續的采樣信號，由采樣信號，由A/D 轉換器量化后得到時間、幅值上均離散的數轉換器量化后得到時間、幅值上均離散的數字信號。完成采樣操作的裝置稱為采樣器或采樣開關?？梢詫⒆中盘?。完成采樣操作的裝置稱為采樣器或采樣開關?？梢詫嶋H采樣開關簡化為

50、理想采樣開關（從閉合到斷開以及從斷開實際采樣開關簡化為理想采樣開關（從閉合到斷開以及從斷開到閉合的時間均為零）。到閉合的時間均為零）。 采樣開關平時處于斷開狀態，其輸入為連續信號采樣開關平時處于斷開狀態，其輸入為連續信號f(t)，在，在采樣時刻采樣時刻tk（k = 0，1，2，）完成由斷開到閉合、然后再）完成由斷開到閉合、然后再斷開的動作，這樣就在采樣開關輸出端得到采樣信號：斷開的動作，這樣就在采樣開關輸出端得到采樣信號：k*k0( )( )ttftf ttt2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系39 根據采樣過程的特點，可以將采樣分為以下幾種類型。根據采樣過程的特點，可以

51、將采樣分為以下幾種類型。（1）周期采樣）周期采樣 指相鄰兩次采樣的時間間隔相等，也稱為普通采樣。相指相鄰兩次采樣的時間間隔相等，也稱為普通采樣。相鄰兩次采樣之間的時間間隔稱為采樣周期，記為鄰兩次采樣之間的時間間隔稱為采樣周期，記為T。采樣頻率。采樣頻率定義為定義為fs=1/T；采樣角頻率定義為；采樣角頻率定義為 。其采樣時。其采樣時刻為刻為0、T、2T、3T、。22ssfT( )f tt0( )f t*( )f tT*( )f tt0*( )f tT 2T 3T 圖2.9 理想采樣開關的采樣過程( )f t2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系40（4）非同步采樣）非同步采

52、樣 如果一個系統中有如果一個系統中有多個多個采樣開關，它們的采樣周期相同采樣開關，它們的采樣周期相同但不同時進行采樣，則稱為非同步采樣。但不同時進行采樣，則稱為非同步采樣。（5）多速采樣）多速采樣 如果一個系統中有如果一個系統中有多個多個采樣開關，每個采樣開關都是周采樣開關，每個采樣開關都是周期采樣的，但它們的采樣周期不相同，則稱多速采樣。期采樣的，但它們的采樣周期不相同，則稱多速采樣。（2）隨機采樣）隨機采樣 若相鄰兩次采樣的時間間隔不相等，則稱為隨機采樣。若相鄰兩次采樣的時間間隔不相等，則稱為隨機采樣。 在計算機控制系統中，最常用的采樣方法是同步采樣。在計算機控制系統中，最常用的采樣方法是

53、同步采樣。（3）同步采樣）同步采樣 如果一個系統中有如果一個系統中有多個多個采樣開關，它們的采樣周期相同采樣開關，它們的采樣周期相同且同時進行采樣，則稱為同步采樣。且同時進行采樣，則稱為同步采樣。2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系412.采樣定理采樣定理 采樣周期采樣周期T選擇過大，采樣信號含有的原來連續信號的信選擇過大，采樣信號含有的原來連續信號的信息量過少，以至于無法從采樣信號看出連續信號的特征。息量過少，以至于無法從采樣信號看出連續信號的特征。 在計算機控制系統中對連續信號進行采樣，是要用抽取的在計算機控制系統中對連續信號進行采樣，是要用抽取的離散信號序列代表相應

54、的連續信號來參與控制。只有采樣后得離散信號序列代表相應的連續信號來參與控制。只有采樣后得到的離散信號能夠表達相應連續信號的基本特征，這種參與才到的離散信號能夠表達相應連續信號的基本特征，這種參與才是合理有效的。是合理有效的。( )f tt0*( )f tt01T圖2.10 采樣周期過大對采樣效果的影響1T2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系42圖2.11 采樣周期較小時對采樣效果的影響( )f tt0*( )f tt02T2T 如果采樣周期比較小，則損失的信息也比較少，從而有可如果采樣周期比較小，則損失的信息也比較少，從而有可能從采樣信號重構出原來的連續信號，則可以用這些

55、離散信號能從采樣信號重構出原來的連續信號，則可以用這些離散信號實施有效的控制。實施有效的控制。 采樣定理（香農定理）采樣定理（香農定理）：如果連續信號：如果連續信號f(t)具有有限頻譜，具有有限頻譜，其最高頻率為其最高頻率為 ，則對，則對f(t)進行周期采樣且采樣角頻率進行周期采樣且采樣角頻率maxmax2s*( )ft*( )ft 時，連續信號時，連續信號f(t)可以由采樣信號可以由采樣信號 唯一確定，唯一確定，即可以從即可以從 無失真地恢復無失真地恢復f(t)。2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系43 在計算機控制系統中，采樣頻率或采樣周期的選擇非常在計算機控制系統中

56、，采樣頻率或采樣周期的選擇非常重要，它不僅直接影響著控制效果，而且還影響著系統的穩重要，它不僅直接影響著控制效果，而且還影響著系統的穩定性。從理論上講，采樣頻率越高就越能如實反映被采樣信定性。從理論上講，采樣頻率越高就越能如實反映被采樣信號的特征信息。但是，從計算機控制系統角度來講，選取過號的特征信息。但是，從計算機控制系統角度來講，選取過高的采樣頻率會使系統存在以下幾個問題：高的采樣頻率會使系統存在以下幾個問題：3.計算機控制系統中采樣周期的選擇計算機控制系統中采樣周期的選擇（4）使干擾對系統的影響明顯加大。）使干擾對系統的影響明顯加大。（1）要求模擬開關、）要求模擬開關、A/D轉換器等設備

57、也具有較高的速度，轉換器等設備也具有較高的速度，使得硬件費用過高；使得硬件費用過高；（2）增加計算機單位時間內的計算量，甚至可能超過計算機）增加計算機單位時間內的計算量，甚至可能超過計算機處理速度的極限；處理速度的極限；（3）控制系統中的執行機構可能出現上一次控制輸出還未執控制系統中的執行機構可能出現上一次控制輸出還未執行、下一次控制輸出就已經來到的情況，這反而降低了控制行、下一次控制輸出就已經來到的情況，這反而降低了控制效果；而且頻繁的控制動作會增加執行機構的磨損；效果；而且頻繁的控制動作會增加執行機構的磨損；2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系44（1）按系統閉環頻帶

58、選取）按系統閉環頻帶選取 系統閉環頻帶反映了系統中信號的頻率。如果系統的期系統閉環頻帶反映了系統中信號的頻率。如果系統的期望閉環頻帶望閉環頻帶 給定，則可取采樣角頻率給定，則可取采樣角頻率 ，即選，即選取采樣周期為取采樣周期為 。c(6 10)sc2(6 10)cT 常用的確定采樣周期常用的確定采樣周期T的方法有以下幾種。的方法有以下幾種。（2）按系統開環傳遞函數選取）按系統開環傳遞函數選取 系統開環傳遞函數可以表示為系統開環傳遞函數可以表示為1202211( )( )11()()nnjijijN sG sssT2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系45 定義參數定義參數2

59、2(1,2,)jjjn 和和min121122122min( ,)nnnT TT 那么，采樣周期可選為那么，采樣周期可選為min2 4T式中，分母的一次項對應系統開環實極點，二次項對應系統開式中，分母的一次項對應系統開環實極點，二次項對應系統開環共軛復極點，分子表示系統開環零點多項式。環共軛復極點，分子表示系統開環零點多項式。 當開環傳遞當開環傳遞函數中存在積分因子時，由于積分因子可用大時間常數的慣性函數中存在積分因子時，由于積分因子可用大時間常數的慣性環節逼近，故不作特殊考慮。環節逼近，故不作特殊考慮。1202211( )( )11()()nnjijijN sG sssT2021-10-31

60、北京科技大學自動化學院控制科學與工程系46例例2.1：設系統開環傳遞函數如下，試確定閉環系統的采樣周：設系統開環傳遞函數如下，試確定閉環系統的采樣周期范圍。期范圍。02( )(0.51)(8116)KG ssss解：將系統的開環傳遞函數寫成解：將系統的開環傳遞函數寫成0222( )11()()10 0.50.25KG sss從而：從而： ，得，得 。1110.5 ,0.25 ,2100.628Tsssmin0.25s可以確定采樣周期可以確定采樣周期T的范圍為：的范圍為： 。 0.0625 0.125s2021-10-31北京科技大學自動化學院控制科學與工程系47（3）按系統開環階躍響應的上升時間選取）按系統開