1、2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系1計(jì)算機(jī)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)過(guò)程控制2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系2參考書(shū)目：參考書(shū)目：（1）李元春）李元春. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng). 北京：高等教育出北京：高等教育出版社，版社，2005（2）王錦標(biāo)）王錦標(biāo). 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng). 北京：清華大學(xué)出北京：清華大學(xué)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(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理. 北北京：化學(xué)工業(yè)出版社，京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002（4）戴忠達(dá)）戴忠達(dá). 自動(dòng)控制理論基礎(chǔ)自動(dòng)控制理論基礎(chǔ). 北京：清華大學(xué)北京：清華

2、大學(xué)出版社，出版社，19912022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系3第一章第一章 緒論；緒論；課程內(nèi)容：課程內(nèi)容：第二章第二章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)；第三章第三章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；第四章第四章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特性分析；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特性分析；第五章第五章 數(shù)字控制器的間接設(shè)計(jì)方法；數(shù)字控制器的間接設(shè)計(jì)方法；第六章第六章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟；第七章第七章 嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)控制。嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)控制。2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系4第一章第一章 緒論緒論1.

3、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般概念計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般概念 1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)也稱(chēng)為數(shù)字控制系統(tǒng)，又稱(chēng)采樣控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)也稱(chēng)為數(shù)字控制系統(tǒng)，又稱(chēng)采樣控制系統(tǒng)，是以計(jì)算機(jī)作為控制器的自動(dòng)控制系統(tǒng)。是以計(jì)算機(jī)作為控制器的自動(dòng)控制系統(tǒng)。控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象被控參數(shù)被控參數(shù)給定值給定值反反饋饋值值檢測(cè)裝置檢測(cè)裝置圖圖1.1 連續(xù)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)連續(xù)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過(guò)程通常可以歸結(jié)為以下兩個(gè)步計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過(guò)程通常可以歸結(jié)為以下兩個(gè)步驟：驟： （1）實(shí)時(shí)

4、數(shù)據(jù)采集及處理，即對(duì)被控對(duì)象的被控參數(shù)進(jìn)）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及處理，即對(duì)被控對(duì)象的被控參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理； （2）實(shí)時(shí)控制，即按照已經(jīng)設(shè)計(jì)好的控制規(guī)律計(jì)算出控實(shí)時(shí)控制，即按照已經(jīng)設(shè)計(jì)好的控制規(guī)律計(jì)算出控制量，并實(shí)時(shí)地向執(zhí)行器發(fā)出控制信號(hào)，以便對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)制量，并實(shí)時(shí)地向執(zhí)行器發(fā)出控制信號(hào)，以便對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制。行控制。計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器被控對(duì)象被控對(duì)象被控參數(shù)被控參數(shù)給定值給定值反反饋饋值值檢測(cè)裝置檢測(cè)裝置圖1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本框圖執(zhí)行器執(zhí)行器A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系62.計(jì)算

5、機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被控對(duì)象組成，如下圖所示。控對(duì)象組成，如下圖所示。外部設(shè)備外部設(shè)備操作臺(tái)操作臺(tái)計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)輸入通道輸入通道輸出通道輸出通道檢測(cè)裝置檢測(cè)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)被被控控對(duì)對(duì)象象圖1.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般由硬件和軟件兩大部分組成。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般由硬件和軟件兩大部分組成。（1）硬件）硬件 硬件包括計(jì)算機(jī)、過(guò)程輸入硬件包括計(jì)算機(jī)、過(guò)程輸入/輸出通道、外部設(shè)備和操作臺(tái)輸出通道、外部設(shè)備和操作臺(tái)等。等。2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程

6、系7計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 計(jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心，通過(guò)人機(jī)接口可以對(duì)被計(jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心，通過(guò)人機(jī)接口可以對(duì)被控對(duì)象的被控參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)及處理，并向系統(tǒng)發(fā)出各種控控對(duì)象的被控參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)及處理，并向系統(tǒng)發(fā)出各種控制指令。其具體功能包括完成程序存儲(chǔ)和執(zhí)行、數(shù)值計(jì)算、邏制指令。其具體功能包括完成程序存儲(chǔ)和執(zhí)行、數(shù)值計(jì)算、邏輯判斷、數(shù)據(jù)處理等。輯判斷、數(shù)據(jù)處理等。過(guò)程輸入過(guò)程輸入/輸出通道輸出通道 過(guò)程輸入過(guò)程輸入/ 輸出通道是指在計(jì)算機(jī)和檢測(cè)裝置（或執(zhí)行機(jī)輸出通道是指在計(jì)算機(jī)和檢測(cè)裝置（或執(zhí)行機(jī)構(gòu)）之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道。過(guò)程輸入通道把構(gòu)）之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通

7、道。過(guò)程輸入通道把被控對(duì)象（或生產(chǎn)過(guò)程）的被控參數(shù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的被控對(duì)象（或生產(chǎn)過(guò)程）的被控參數(shù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字代碼。過(guò)程輸出通道把計(jì)算機(jī)輸出的控制命令和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù)字代碼。過(guò)程輸出通道把計(jì)算機(jī)輸出的控制命令和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以接受的控制信號(hào)。成執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以接受的控制信號(hào)。 過(guò)程輸入過(guò)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(kāi)關(guān)量輸入通道、開(kāi)關(guān)量輸出通道。出通道、開(kāi)關(guān)量輸入通道、開(kāi)關(guān)量輸出通道。2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系8外部設(shè)備外部設(shè)備 實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和外界交換信息的設(shè)備稱(chēng)為外部設(shè)備（簡(jiǎn)

8、稱(chēng)外實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和外界交換信息的設(shè)備稱(chēng)為外部設(shè)備（簡(jiǎn)稱(chēng)外設(shè)）。外部設(shè)備主要包括輸入設(shè)）。外部設(shè)備主要包括輸入/輸出設(shè)備和外部存儲(chǔ)設(shè)備等。輸出設(shè)備和外部存儲(chǔ)設(shè)備等。操作臺(tái)操作臺(tái) 操作臺(tái)是操作人員與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行操作臺(tái)是操作人員與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行“對(duì)話(huà)對(duì)話(huà)”的設(shè)備，的設(shè)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(lái)顯示操作人員等，主要用來(lái)顯示操作人員要求顯示的內(nèi)容或報(bào)警信號(hào)。要求顯示的內(nèi)容或報(bào)警信號(hào)。 （b）一組或幾組功能鍵，通過(guò)功能鍵，可向主機(jī)申請(qǐng)中斷）一組或幾組功能鍵，通過(guò)功能鍵，可向主機(jī)申請(qǐng)中斷服務(wù)。功能鍵包括復(fù)位鍵、啟動(dòng)鍵、打

9、印鍵、顯示鍵等。服務(wù)。功能鍵包括復(fù)位鍵、啟動(dòng)鍵、打印鍵、顯示鍵等。 （c）一組或幾組數(shù)字鍵，用來(lái)輸入某些數(shù)據(jù)或修改控制系）一組或幾組數(shù)字鍵，用來(lái)輸入某些數(shù)據(jù)或修改控制系統(tǒng)的某些參數(shù)。統(tǒng)的某些參數(shù)。2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系93.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與連續(xù)控制系統(tǒng)相比，具有以下特點(diǎn)：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與連續(xù)控制系統(tǒng)相比，具有以下特點(diǎn)： 在連續(xù)控制系統(tǒng)中，各處的信號(hào)是模擬信號(hào)。而在計(jì)算在連續(xù)控制系統(tǒng)中，各處的信號(hào)是模擬信號(hào)。而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，除仍有模擬信號(hào)外，還有采樣信號(hào)、數(shù)字信號(hào)機(jī)控制系統(tǒng)中，除仍有模擬信號(hào)外，還有采樣信號(hào)、數(shù)字信

10、號(hào)等多種信號(hào)；等多種信號(hào)； 在連續(xù)控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是由模擬電路實(shí)現(xiàn)的，控在連續(xù)控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是由模擬電路實(shí)現(xiàn)的，控制規(guī)律越復(fù)雜，所需要的模擬電路往往越多。如果要修改控制制規(guī)律越復(fù)雜，所需要的模擬電路往往越多。如果要修改控制規(guī)律，一般要改變?cè)械碾娐方Y(jié)構(gòu)。而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，規(guī)律，一般要改變?cè)械碾娐方Y(jié)構(gòu)。而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是由計(jì)算機(jī)通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)的。修改一個(gè)控制規(guī)律，只控制規(guī)律是由計(jì)算機(jī)通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)的。修改一個(gè)控制規(guī)律，只需修改相應(yīng)的程序，一般不對(duì)硬件電路進(jìn)行改動(dòng)；需修改相應(yīng)的程序，一般不對(duì)硬件電路進(jìn)行改動(dòng)；（2）軟件）軟件 軟件是指計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中完成各種控制功能的程序

11、集合，軟件是指計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中完成各種控制功能的程序集合，它由系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件和專(zhuān)用軟件組成。它由系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件和專(zhuān)用軟件組成。2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系10 在連續(xù)控制系統(tǒng)中，一般是一個(gè)控制器控制一個(gè)回路。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，一般是一個(gè)控制器控制一個(gè)回路。而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，一個(gè)數(shù)字控制器經(jīng)常可以采用分時(shí)控而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，一個(gè)數(shù)字控制器經(jīng)常可以采用分時(shí)控制的方式同時(shí)控制多個(gè)回路；制的方式同時(shí)控制多個(gè)回路； 采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（如分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（如分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等）便于實(shí)現(xiàn)控制與管理的一體化，從而使

12、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等）便于實(shí)現(xiàn)控制與管理的一體化，從而使工業(yè)企業(yè)的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高。企業(yè)的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高。 在連續(xù)控制系統(tǒng)中，給定值與反饋值的比較是連續(xù)進(jìn)行在連續(xù)控制系統(tǒng)中，給定值與反饋值的比較是連續(xù)進(jìn)行的，控制器對(duì)產(chǎn)生的偏差也是連續(xù)調(diào)節(jié)的。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)并的，控制器對(duì)產(chǎn)生的偏差也是連續(xù)調(diào)節(jié)的。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)并不是連續(xù)控制的，而是離散控制的；不是連續(xù)控制的，而是離散控制的； 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有豐富的指令系統(tǒng)和很強(qiáng)的邏輯判斷計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有豐富的指令系統(tǒng)和很強(qiáng)的邏輯判斷功能，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬電路不能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜控制規(guī)律；功能，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬電路不能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜控制規(guī)律；2022-6-10北京科技

13、大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系11 1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的類(lèi)型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的類(lèi)型1.數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng) 它是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中出現(xiàn)最早的類(lèi)型，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖它是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中出現(xiàn)最早的類(lèi)型，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖如圖1.4所示。所示。報(bào)警報(bào)警打印打印顯示顯示微微型型計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)模擬量輸入通道模擬量輸入通道生生產(chǎn)產(chǎn)過(guò)過(guò)程程圖1.4 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)原理框圖開(kāi)關(guān)量輸入通道開(kāi)關(guān)量輸入通道 這種系統(tǒng)能夠幫助操作人員及時(shí)了解生產(chǎn)過(guò)程的狀況，提這種系統(tǒng)能夠幫助操作人員及時(shí)了解生產(chǎn)過(guò)程的狀況，提供系統(tǒng)的運(yùn)行資料，但它不直接控制生產(chǎn)過(guò)程。供系統(tǒng)的運(yùn)行資料，但它不直接控制生產(chǎn)過(guò)程。 隨著微型

14、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)已隨著微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)已很少單獨(dú)存在，它已成為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。很少單獨(dú)存在，它已成為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系122.操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) 所謂操作指導(dǎo)控制是指計(jì)算機(jī)的輸出不直接用來(lái)控制生產(chǎn)所謂操作指導(dǎo)控制是指計(jì)算機(jī)的輸出不直接用來(lái)控制生產(chǎn)過(guò)程，而只是對(duì)系統(tǒng)過(guò)程參數(shù)進(jìn)行收集，按預(yù)定的算法計(jì)算出過(guò)程，而只是對(duì)系統(tǒng)過(guò)程參數(shù)進(jìn)行收集，按預(yù)定的算法計(jì)算出被控參數(shù)的最佳被控參數(shù)的最佳設(shè)定值設(shè)定值，通過(guò)顯示或打印輸出數(shù)據(jù)，操作人員，通過(guò)顯示或打印輸出數(shù)據(jù)

15、，操作人員根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行必要操作的控制方式。根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行必要操作的控制方式。報(bào)警報(bào)警打印打印顯示顯示微微型型計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)輸入通道輸入通道設(shè)定值設(shè)定值模擬模擬調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器生生產(chǎn)產(chǎn)過(guò)過(guò)程程圖1.5 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)原理框圖2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系13優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活、安全性高。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活、安全性高。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 需要手工操作，速度受到限制，故不適合于快速過(guò)程的控需要手工操作，速度受到限制，故不適合于快速過(guò)程的控制和多回路的控制。制和多回路的控制。適用場(chǎng)合：適用場(chǎng)合： 這種系統(tǒng)主要用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)研制開(kāi)發(fā)的初級(jí)階段，這種系統(tǒng)主要用于計(jì)算機(jī)

16、控制系統(tǒng)研制開(kāi)發(fā)的初級(jí)階段，如試驗(yàn)新的數(shù)學(xué)模型和調(diào)試新的程序等。此外，對(duì)于化工、熱如試驗(yàn)新的數(shù)學(xué)模型和調(diào)試新的程序等。此外，對(duì)于化工、熱工等變化緩慢的過(guò)程，通常一天或幾個(gè)小時(shí)才需要計(jì)算一次設(shè)工等變化緩慢的過(guò)程，通常一天或幾個(gè)小時(shí)才需要計(jì)算一次設(shè)定值，操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)也比較適用。定值，操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)也比較適用。2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系143.直接數(shù)字控制系統(tǒng)（直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC系統(tǒng)）系統(tǒng)） 直接數(shù)字控制（直接數(shù)字控制（Direct Digital Control, DDC）系統(tǒng)根據(jù)檢）系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)裝置測(cè)得的輸入數(shù)據(jù)，按照預(yù)先確定的控制規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，測(cè)裝置測(cè)

17、得的輸入數(shù)據(jù)，按照預(yù)先確定的控制規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，得到并輸出控制量，并通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接控制生產(chǎn)過(guò)程，使被得到并輸出控制量，并通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接控制生產(chǎn)過(guò)程，使被控參數(shù)保持在設(shè)定值。控參數(shù)保持在設(shè)定值。報(bào)警報(bào)警打印打印顯示顯示微微型型計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)輸入通道輸入通道生生產(chǎn)產(chǎn)過(guò)過(guò)程程圖1.6 DDC控制系統(tǒng)原理框圖輸出通道輸出通道檢測(cè)裝置檢測(cè)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系15特點(diǎn)：特點(diǎn)： （1）廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程和家用電器行業(yè)；）廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程和家用電器行業(yè)； （2）能取代模擬調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)多回路調(diào)節(jié)；）能取代模擬調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)多回路調(diào)節(jié)； （3）只通過(guò)

18、改變程序就能有效地實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制，如）只通過(guò)改變程序就能有效地實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制，如前饋控制、非線性控制、自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制和智能控制等。前饋控制、非線性控制、自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制和智能控制等。4.監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（SCC系統(tǒng)）系統(tǒng)） 監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制（監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制（Supervisory Computer Control, SCC）是指計(jì)算機(jī)根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出被控參數(shù)的最佳給是指計(jì)算機(jī)根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出被控參數(shù)的最佳給定值，并自動(dòng)傳給模擬調(diào)節(jié)器或定值，并自動(dòng)傳給模擬調(diào)節(jié)器或DDC計(jì)算機(jī)，從而使生產(chǎn)過(guò)程計(jì)算機(jī)，從而使生產(chǎn)過(guò)程在最優(yōu)狀態(tài)下運(yùn)行的控制方式

19、。在最優(yōu)狀態(tài)下運(yùn)行的控制方式。 監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1.7所示。所示。2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系16鍵盤(pán)鍵盤(pán) 顯示顯示 打印打印SCC計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)DDC計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)輸入通道輸入通道輸出通道輸出通道工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程(b) SCC加DDC的控制系統(tǒng)鍵盤(pán)鍵盤(pán) 顯示顯示 打印打印SCC計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)輸出通道輸出通道輸入通道輸入通道模擬調(diào)節(jié)器模擬調(diào)節(jié)器工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程(a) SCC加模擬調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)圖1.7 監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖特點(diǎn)：特點(diǎn)： 可大大提高系統(tǒng)的可靠性。在可大大提高系統(tǒng)的可靠性。在(a)圖中，當(dāng)圖

20、中，當(dāng) SCC計(jì)算機(jī)出現(xiàn)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可由模擬調(diào)節(jié)器獨(dú)立完成操作；在故障時(shí)，可由模擬調(diào)節(jié)器獨(dú)立完成操作；在(b)圖中，當(dāng)圖中，當(dāng)SCC級(jí)級(jí)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可由計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可由DDC級(jí)計(jì)算機(jī)單獨(dú)進(jìn)行控制。級(jí)計(jì)算機(jī)單獨(dú)進(jìn)行控制。5.分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（集散控制系統(tǒng)分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（集散控制系統(tǒng)DCS） 分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（Distributed Control System, DCS）是隨著當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)的高度自動(dòng)化和過(guò)程控制的日益復(fù)雜化而是隨著當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)的高度自動(dòng)化和過(guò)程控制的日益復(fù)雜化而發(fā)展起來(lái)的，它是融合自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)為發(fā)展起來(lái)的，它是融合

21、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)為一體的高科技控制系統(tǒng)。一體的高科技控制系統(tǒng)。企業(yè)企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理級(jí)計(jì)算機(jī)經(jīng)營(yíng)管理級(jí)計(jì)算機(jī)工廠集中控工廠集中控制級(jí)計(jì)算機(jī)制級(jí)計(jì)算機(jī)車(chē)間監(jiān)督級(jí)計(jì)算機(jī)車(chē)間監(jiān)督級(jí)計(jì)算機(jī)車(chē)間監(jiān)督級(jí)計(jì)算機(jī)車(chē)間監(jiān)督級(jí)計(jì)算機(jī)裝置控制裝置控制級(jí)計(jì)算機(jī)級(jí)計(jì)算機(jī)裝置控制裝置控制級(jí)計(jì)算機(jī)級(jí)計(jì)算機(jī)裝置控制裝置控制級(jí)計(jì)算機(jī)級(jí)計(jì)算機(jī)裝置控制裝置控制級(jí)計(jì)算機(jī)級(jí)計(jì)算機(jī)工業(yè)對(duì)象工業(yè)對(duì)象A工業(yè)對(duì)象工業(yè)對(duì)象B工業(yè)對(duì)象工業(yè)對(duì)象C工業(yè)對(duì)象工業(yè)對(duì)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(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系18 （1）裝置控制級(jí)裝置控制級(jí)DDC （現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)現(xiàn)

22、場(chǎng)控制級(jí)FCS）：對(duì)某個(gè)生）：對(duì)某個(gè)生產(chǎn)過(guò)程或被控對(duì)象直接進(jìn)行控制。產(chǎn)過(guò)程或被控對(duì)象直接進(jìn)行控制。 各級(jí)計(jì)算機(jī)的任務(wù)如下所述。各級(jí)計(jì)算機(jī)的任務(wù)如下所述。 （2）車(chē)間監(jiān)督級(jí)車(chē)間監(jiān)督級(jí)SCC（過(guò)程控制級(jí)過(guò)程控制級(jí)PCS）：根據(jù)廠級(jí)下）：根據(jù)廠級(jí)下達(dá)的命令和從裝置控制級(jí)獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算最優(yōu)設(shè)定值；同時(shí)達(dá)的命令和從裝置控制級(jí)獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算最優(yōu)設(shè)定值；同時(shí)還擔(dān)負(fù)著車(chē)間內(nèi)各個(gè)工段的協(xié)調(diào)控制任務(wù)。還擔(dān)負(fù)著車(chē)間內(nèi)各個(gè)工段的協(xié)調(diào)控制任務(wù)。 （3）工廠集中控制級(jí)）工廠集中控制級(jí)（制造執(zhí)行系統(tǒng)制造執(zhí)行系統(tǒng)MES ，過(guò)程管理，過(guò)程管理級(jí)）：根據(jù)上級(jí)下達(dá)的任務(wù)和本廠情況，制定生產(chǎn)計(jì)劃，安級(jí)）：根據(jù)上級(jí)下達(dá)的任務(wù)和本廠情況

23、，制定生產(chǎn)計(jì)劃，安排本廠工作并及時(shí)將排本廠工作并及時(shí)將SCC級(jí)和級(jí)和DDC級(jí)的情況向上級(jí)反映。級(jí)的情況向上級(jí)反映。 （4）企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理級(jí)）企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理級(jí)（企業(yè)資源配置企業(yè)資源配置ERP，經(jīng)營(yíng)管理，經(jīng)營(yíng)管理級(jí)）：制定本企業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃、生產(chǎn)級(jí)）：制定本企業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃、生產(chǎn)計(jì)劃、銷(xiāo)售計(jì)劃，發(fā)計(jì)劃、銷(xiāo)售計(jì)劃，發(fā)命令至各工廠，并接收各工廠發(fā)回來(lái)的數(shù)據(jù)，實(shí)行整個(gè)企業(yè)命令至各工廠，并接收各工廠發(fā)回來(lái)的數(shù)據(jù)，實(shí)行整個(gè)企業(yè)的調(diào)度。的調(diào)度。特點(diǎn)：特點(diǎn)：既能進(jìn)行集中管理，又能實(shí)現(xiàn)分散控制，即將控制任既能進(jìn)行集中管理，又能實(shí)現(xiàn)分散控制，即將控制任務(wù)用多臺(tái)計(jì)算機(jī)分別加以執(zhí)行。務(wù)用多臺(tái)計(jì)算機(jī)分別加以執(zhí)行。2022-6

24、-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系19 1.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程和趨勢(shì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程和趨勢(shì)1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程大致分為三個(gè)階段：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程大致分為三個(gè)階段： （1）試驗(yàn)階段（）試驗(yàn)階段（1965年以前）年以前） 1952年首先在化工生產(chǎn)中采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和數(shù)據(jù)年首先在化工生產(chǎn)中采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理；處理； 1954年開(kāi)始用計(jì)算機(jī)組成開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)；年開(kāi)始用計(jì)算機(jī)組成開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)； 1957年在石油工業(yè)中實(shí)現(xiàn)了蒸餾過(guò)程的計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制；年在石油工業(yè)中實(shí)現(xiàn)了蒸餾過(guò)程的計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制；

25、 1960年實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制；年實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制； 1962年建成了第一個(gè)工業(yè)直接數(shù)字控制系統(tǒng)。年建成了第一個(gè)工業(yè)直接數(shù)字控制系統(tǒng)。2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系20 主要采用集中式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。主要采用集中式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。 （3）大量應(yīng)用和推廣階段（）大量應(yīng)用和推廣階段（1970年至今）年至今） 我國(guó)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的起步大約在我國(guó)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的起步大約在1965年開(kāi)始，國(guó)家在蘭年開(kāi)始，國(guó)家在蘭州化肥廠、北京京津唐電力系統(tǒng)、上海南市發(fā)電廠等處開(kāi)展應(yīng)州化肥廠、北京京津唐電力系統(tǒng)、上海南市發(fā)電廠等處開(kāi)展應(yīng)用試點(diǎn)。用試點(diǎn)。 （2）實(shí)際應(yīng)用和逐步普及階段（）實(shí)際

26、應(yīng)用和逐步普及階段（19651969年）年） 目前，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，尤其在工目前，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，尤其在工業(yè)領(lǐng)域和家電行業(yè)的應(yīng)用最為突出。業(yè)領(lǐng)域和家電行業(yè)的應(yīng)用最為突出。2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系212.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)（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(jiǎn)單、易于擴(kuò)展和價(jià)格低廉等）具有可靠性高、編程靈活簡(jiǎn)單、易于擴(kuò)展和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)。 近年來(lái)，隨

27、著智能近年來(lái)，隨著智能I/O模塊的開(kāi)發(fā)，使得模塊的開(kāi)發(fā)，使得PLC除了具有邏除了具有邏輯運(yùn)算、邏輯判斷等功能外，還具有數(shù)據(jù)處理、故障自診斷、輯運(yùn)算、邏輯判斷等功能外，還具有數(shù)據(jù)處理、故障自診斷、PID運(yùn)算及聯(lián)網(wǎng)等功能，從而進(jìn)一步擴(kuò)大了運(yùn)算及聯(lián)網(wǎng)等功能，從而進(jìn)一步擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用范圍。的應(yīng)用范圍。（2）集散控制系統(tǒng)）集散控制系統(tǒng) 由于集散控制系統(tǒng)同時(shí)具有分散控制和集中管理兩方面的由于集散控制系統(tǒng)同時(shí)具有分散控制和集中管理兩方面的特征，故在當(dāng)前過(guò)程控制領(lǐng)域，集散控制系統(tǒng)已成為主流應(yīng)用特征，故在當(dāng)前過(guò)程控制領(lǐng)域，集散控制系統(tǒng)已成為主流應(yīng)用產(chǎn)品。產(chǎn)品。2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)

28、與工程系22（3）計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer Integrated Manufactur-ing System, CIMS）是在自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)及制造技術(shù)的）是在自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)及制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)及其軟件，將制造業(yè)工廠全部環(huán)節(jié)（包括基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)及其軟件，將制造業(yè)工廠全部環(huán)節(jié)（包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程等）中所需使用的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程等）中所需使用的各種分散自動(dòng)化系統(tǒng)有機(jī)地集成起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)多品種、中小各種分散自動(dòng)化系統(tǒng)有機(jī)地集成起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)多品種、中小批量生產(chǎn)

29、、總體高效率、高柔性的智能制造系統(tǒng)。批量生產(chǎn)、總體高效率、高柔性的智能制造系統(tǒng)。（4）嵌入式系統(tǒng)）嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)（嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技）是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、語(yǔ)音圖像數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、傳感術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、語(yǔ)音圖像數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、傳感器技術(shù)和器技術(shù)和Internet技術(shù)與具體應(yīng)用對(duì)象相結(jié)合的產(chǎn)物。嵌入式技術(shù)與具體應(yīng)用對(duì)象相結(jié)合的產(chǎn)物。嵌入式系統(tǒng)的本質(zhì)是將一個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)嵌入到一個(gè)具體應(yīng)用對(duì)象系統(tǒng)的本質(zhì)是將一個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)嵌入到一個(gè)具體應(yīng)用對(duì)象中去。中去。（5）網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)）網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)控制（網(wǎng)絡(luò)控制（I

30、nternet Based Control）系統(tǒng)是一種新興的以網(wǎng)）系統(tǒng)是一種新興的以網(wǎng)絡(luò)為媒介對(duì)被控對(duì)象實(shí)施遠(yuǎn)程控制和操作的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。絡(luò)為媒介對(duì)被控對(duì)象實(shí)施遠(yuǎn)程控制和操作的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系23第二章第二章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ) 2.1 開(kāi)關(guān)量輸入開(kāi)關(guān)量輸入1.信號(hào)轉(zhuǎn)換處理信號(hào)轉(zhuǎn)換處理 從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)獲取的開(kāi)關(guān)量或數(shù)字量，在邏輯上表現(xiàn)為邏從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)獲取的開(kāi)關(guān)量或數(shù)字量，在邏輯上表現(xiàn)為邏輯輯1或邏輯或邏輯0，信號(hào)形式則可能是電壓信號(hào)、電流信號(hào)或是開(kāi)，信號(hào)形式則可能是電壓信號(hào)、電流信號(hào)或是開(kāi)關(guān)的通斷，其幅值范圍也往

31、往不符合數(shù)字電路的電平范圍要關(guān)的通斷，其幅值范圍也往往不符合數(shù)字電路的電平范圍要求，因此必須進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。求，因此必須進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。11R2R輸入輸出圖2.1 電壓或電流開(kāi)關(guān)量輸入的轉(zhuǎn)換電路12022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系241RS+5V輸出圖2.2 開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)信號(hào)輸入電路 2.安全保護(hù)措施安全保護(hù)措施 在設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，必須針對(duì)可能出現(xiàn)的故障在設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，必須針對(duì)可能出現(xiàn)的故障情況（如電壓極性接反、輸入過(guò)電壓等）預(yù)先采取安全保護(hù)措情況（如電壓極性接反、輸入過(guò)電壓等）預(yù)先采取安全保護(hù)措施。施。2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程

32、系25輸入輸出(b)采用穩(wěn)壓二極管抑制過(guò)電壓穩(wěn)壓二極管ZDR輸入輸出D(a)采用二極管進(jìn)行反極性保護(hù)圖2.3 輸入保護(hù)電路2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系263.消除機(jī)械抖動(dòng)影響消除機(jī)械抖動(dòng)影響 操作按鈕、繼電器觸點(diǎn)、行程開(kāi)關(guān)等機(jī)械裝置在接通或斷操作按鈕、繼電器觸點(diǎn)、行程開(kāi)關(guān)等機(jī)械裝置在接通或斷開(kāi)時(shí)均要產(chǎn)生機(jī)械抖動(dòng)，體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的輸入上就是輸入信號(hào)開(kāi)時(shí)均要產(chǎn)生機(jī)械抖動(dòng)，體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的輸入上就是輸入信號(hào)在邏輯在邏輯0和和1之間多次振蕩，如不適當(dāng)處理就會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)的錯(cuò)之間多次振蕩，如不適當(dāng)處理就會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)的錯(cuò)誤控制。下圖為消除開(kāi)關(guān)抖動(dòng)的電路。誤控制。下圖為消除開(kāi)關(guān)抖動(dòng)的電

33、路。&S1R2R5V圖2.4 RS觸發(fā)器消除開(kāi)關(guān)抖動(dòng)的電路YY2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系274.濾波處理濾波處理 由于長(zhǎng)線傳輸、電路內(nèi)部干擾影響，使得輸入信號(hào)帶有噪由于長(zhǎng)線傳輸、電路內(nèi)部干擾影響，使得輸入信號(hào)帶有噪聲，這有可能導(dǎo)致誤讀信號(hào)而出錯(cuò)。下圖為低通聲，這有可能導(dǎo)致誤讀信號(hào)而出錯(cuò)。下圖為低通RC濾波電路，濾波電路，它同時(shí)具有消除開(kāi)關(guān)抖動(dòng)的功能。它同時(shí)具有消除開(kāi)關(guān)抖動(dòng)的功能。&S1R2R3RCCCV圖2.5 RC濾波電路Y2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系285.隔離處理隔離處理 從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)獲取的開(kāi)關(guān)量或數(shù)字量的信號(hào)電平往

34、往高于計(jì)從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)獲取的開(kāi)關(guān)量或數(shù)字量的信號(hào)電平往往高于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的邏輯電平，即使輸入開(kāi)關(guān)量電壓本身不高，也有可算機(jī)系統(tǒng)的邏輯電平，即使輸入開(kāi)關(guān)量電壓本身不高，也有可能從現(xiàn)場(chǎng)引入意外的高壓信號(hào)，因此必須采取電隔離措施，以能從現(xiàn)場(chǎng)引入意外的高壓信號(hào)，因此必須采取電隔離措施，以保障計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全。下圖所示電路除了實(shí)現(xiàn)電氣隔離功能保障計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全。下圖所示電路除了實(shí)現(xiàn)電氣隔離功能之外，還具有電平轉(zhuǎn)換功能。之外，還具有電平轉(zhuǎn)換功能。圖2.6 開(kāi)關(guān)量光電耦合輸入電路至計(jì)算機(jī)輸入接口開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)1RCCV5V2R2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系29 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，開(kāi)關(guān)

35、量輸出信號(hào)用于控制各種現(xiàn)場(chǎng)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)用于控制各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，因此要考慮隔離保護(hù)、電平轉(zhuǎn)換及功率放大等問(wèn)題。設(shè)備，因此要考慮隔離保護(hù)、電平轉(zhuǎn)換及功率放大等問(wèn)題。 2.2 開(kāi)關(guān)量輸出開(kāi)關(guān)量輸出1.隔離處理隔離處理 當(dāng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量輸出用于控制較大功率的設(shè)備當(dāng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量輸出用于控制較大功率的設(shè)備時(shí)，為防止現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的強(qiáng)電磁干擾或高電壓通過(guò)輸出通道進(jìn)入時(shí)，為防止現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的強(qiáng)電磁干擾或高電壓通過(guò)輸出通道進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，一般需要采取光電隔離措施隔離現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和計(jì)算計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，一般需要采取光電隔離措施隔離現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。機(jī)系統(tǒng)。2.電平轉(zhuǎn)換和功率放大電平轉(zhuǎn)換和功率

36、放大 計(jì)算機(jī)通過(guò)并行接口電路輸出的開(kāi)關(guān)量，往往是低壓直流計(jì)算機(jī)通過(guò)并行接口電路輸出的開(kāi)關(guān)量，往往是低壓直流信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，這種信號(hào)無(wú)論是電壓等級(jí)、還是輸出功率，信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，這種信號(hào)無(wú)論是電壓等級(jí)、還是輸出功率，均無(wú)法滿(mǎn)足執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求，所以應(yīng)該進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和功率放均無(wú)法滿(mǎn)足執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求，所以應(yīng)該進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和功率放大，再送往執(zhí)行機(jī)構(gòu)。大，再送往執(zhí)行機(jī)構(gòu)。2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系30OC門(mén)CCV2R圖2.7 光電隔離的OC門(mén)輸出1R光電耦合器件開(kāi)關(guān)量輸出至執(zhí)行機(jī)構(gòu)（1）低壓小功率開(kāi)關(guān)量輸出）低壓小功率開(kāi)關(guān)量輸出 對(duì)于低壓小功率開(kāi)關(guān)量，可通過(guò)使用晶體管、對(duì)于低

37、壓小功率開(kāi)關(guān)量，可通過(guò)使用晶體管、OC（Open Collector）門(mén)或運(yùn)算放大器等放大器件的方式輸出。圖）門(mén)或運(yùn)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(qū)動(dòng)電流，可以驅(qū)動(dòng)低壓電電路一般僅能提供幾十毫安的輸出驅(qū)動(dòng)電流，可以驅(qū)動(dòng)低壓電磁閥、指示燈等。磁閥、指示燈等。2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系31（2）繼電器輸出）繼電器輸出 繼電器經(jīng)常被用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中開(kāi)關(guān)量輸出功率的放繼電器經(jīng)常被用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中開(kāi)關(guān)量輸出功率的放大，即利用繼電器作為計(jì)算機(jī)輸出的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)繼電器的大，即利用繼電器作為計(jì)算機(jī)輸出的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)繼電器的

38、觸點(diǎn)控制較大功率設(shè)備或控制接觸器的通斷，以驅(qū)動(dòng)更大功率觸點(diǎn)控制較大功率設(shè)備或控制接觸器的通斷，以驅(qū)動(dòng)更大功率的負(fù)載，從而完成從低壓到高壓、從小功率到大功率的轉(zhuǎn)換。的負(fù)載，從而完成從低壓到高壓、從小功率到大功率的轉(zhuǎn)換。DCCV圖2.8 帶光電隔離的繼電器輸出KR光電耦合器件開(kāi)關(guān)量輸出（3）晶閘管輸出）晶閘管輸出（4）功率場(chǎng)效應(yīng)管輸出）功率場(chǎng)效應(yīng)管輸出2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系32 生產(chǎn)過(guò)程中，隨時(shí)間連續(xù)變化的物理量稱(chēng)為模擬量，如溫生產(chǎn)過(guò)程中，隨時(shí)間連續(xù)變化的物理量稱(chēng)為模擬量，如溫度、壓力、流量、液位、濕度等。它們由傳感器檢測(cè)并轉(zhuǎn)換為度、壓力、流量、液位、濕度等。它們

39、由傳感器檢測(cè)并轉(zhuǎn)換為連續(xù)的電信號(hào)，然后通過(guò)模擬量輸入通道輸入，最后經(jīng)連續(xù)的電信號(hào)，然后通過(guò)模擬量輸入通道輸入，最后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，才能送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，才能送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。 2.3 模擬量輸入模擬量輸入 由傳感器或檢測(cè)儀表輸入的模擬信號(hào)，可能是電壓信號(hào)，由傳感器或檢測(cè)儀表輸入的模擬信號(hào)，可能是電壓信號(hào)，也可能是電流信號(hào)，幅值范圍往往和也可能是電流信號(hào)，幅值范圍往往和A/D轉(zhuǎn)換器的量程不匹配，轉(zhuǎn)換器的量程不匹配，而且一般含有噪聲信號(hào)，因此需要進(jìn)行隔離保護(hù)、濾波、放大而且一般含有噪聲信號(hào)，因此需要進(jìn)行隔離保護(hù)、濾波、放大處理。處理。1.模擬量輸入的隔離保護(hù)模擬

40、量輸入的隔離保護(hù)（1）光電隔離保護(hù)）光電隔離保護(hù)（2）共模電壓的隔離保護(hù)）共模電壓的隔離保護(hù)2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系332.模擬量輸入的濾波模擬量輸入的濾波 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境往往非常惡劣，致使由傳感器得到的模工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境往往非常惡劣，致使由傳感器得到的模擬輸入信號(hào)中經(jīng)常會(huì)混有噪聲，用長(zhǎng)線傳輸時(shí)尤為突出，嚴(yán)擬輸入信號(hào)中經(jīng)常會(huì)混有噪聲，用長(zhǎng)線傳輸時(shí)尤為突出，嚴(yán)重時(shí)噪聲信號(hào)可能淹沒(méi)真實(shí)信號(hào)，如不加處理，就會(huì)導(dǎo)致系重時(shí)噪聲信號(hào)可能淹沒(méi)真實(shí)信號(hào)，如不加處理，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)控制失敗。因此，必須進(jìn)行模擬輸入信號(hào)濾波處理以抑制統(tǒng)控制失敗。因此，必須進(jìn)行模擬輸入信號(hào)濾波處理以抑制噪

41、聲、提高信噪比。噪聲、提高信噪比。 濾波模擬輸入信號(hào)上的噪聲既可以采用硬件濾波，也可濾波模擬輸入信號(hào)上的噪聲既可以采用硬件濾波，也可以采用數(shù)字濾波（也稱(chēng)軟件濾波，具體參見(jiàn)以采用數(shù)字濾波（也稱(chēng)軟件濾波，具體參見(jiàn) 2.6） 。 硬件濾波是指在模擬輸入信號(hào)進(jìn)入硬件濾波是指在模擬輸入信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器前，用硬轉(zhuǎn)換器前，用硬件電路進(jìn)行濾波。通過(guò)合理的濾波電路的設(shè)計(jì)，可以濾除模件電路進(jìn)行濾波。通過(guò)合理的濾波電路的設(shè)計(jì)，可以濾除模擬輸入信號(hào)中特定頻段的噪聲信號(hào)。擬輸入信號(hào)中特定頻段的噪聲信號(hào)。 按是否采用有源器件（即放大器），濾波器可以分為按是否采用有源器件（即放大器），濾波器可以分為有有源源濾波器和濾波

42、器和無(wú)源無(wú)源濾波器兩大類(lèi)；按濾波的頻段，又可以分為濾波器兩大類(lèi)；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。2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)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(hào)通常都是微弱信號(hào)，一般需要放大后傳感器輸出的信號(hào)通常都是微弱信號(hào)，一般需要放大后才能進(jìn)行才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，信號(hào)放大是控制系統(tǒng)中不可缺少的環(huán)節(jié)。轉(zhuǎn)換，信號(hào)放大是控制系統(tǒng)中不可缺少的環(huán)節(jié)。（1）測(cè)量放大器）測(cè)量放大器 傳感器的輸出信號(hào)一般較弱，且其中含有各種共模干擾傳感器的輸出信號(hào)一般較弱，且其中含有各

43、種共模干擾成分，這就要求對(duì)其放大的電路應(yīng)當(dāng)具有高的共模抑制比、成分，這就要求對(duì)其放大的電路應(yīng)當(dāng)具有高的共模抑制比、高輸入阻抗以及大的放大倍數(shù)，習(xí)慣上這種放大器稱(chēng)為測(cè)量高輸入阻抗以及大的放大倍數(shù)，習(xí)慣上這種放大器稱(chēng)為測(cè)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(zhuǎn)換的誤差，應(yīng)使模擬輸入信號(hào)的幅值范轉(zhuǎn)換的誤差，應(yīng)使模擬輸入信號(hào)的幅值范圍盡可能接近圍盡可能接近A/D轉(zhuǎn)換器的量程。如果采用固定增益的放大轉(zhuǎn)換器的量程。如果采用固定增益的放大電路，當(dāng)輸入信號(hào)幅值波動(dòng)范圍較大時(shí)，無(wú)法在輸入信號(hào)的電路，當(dāng)輸入信號(hào)幅值波動(dòng)范圍較大時(shí)，無(wú)法在輸入信號(hào)的整個(gè)

44、變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)減少整個(gè)變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)減少A/D轉(zhuǎn)換誤差的目的。轉(zhuǎn)換誤差的目的。2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系354.采樣保持器采樣保持器 在進(jìn)行在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，如果模擬信號(hào)的頻率較高，就會(huì)由轉(zhuǎn)換時(shí)，如果模擬信號(hào)的頻率較高，就會(huì)由于于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間而造成較大的轉(zhuǎn)換誤差，克服的方轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間而造成較大的轉(zhuǎn)換誤差，克服的方法是在法是在A/D轉(zhuǎn)換器之前設(shè)置采樣保持電路。轉(zhuǎn)換器之前設(shè)置采樣保持電路。5.多路多路A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù) 每個(gè)模擬量輸入配置一個(gè)每個(gè)模擬量輸入配置一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器；轉(zhuǎn)換器； 采用集成多路采用集成多路A/D轉(zhuǎn)換器，如轉(zhuǎn)換器，如ADC080

45、9（8路、路、8位）、位）、MAX 186（8路、路、12位）等；位）等； 采取多路開(kāi)關(guān)和采樣保持器復(fù)用一個(gè)采取多路開(kāi)關(guān)和采樣保持器復(fù)用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 當(dāng)有多路模擬量輸入時(shí)，可采用以下三種方案進(jìn)行當(dāng)有多路模擬量輸入時(shí)，可采用以下三種方案進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換： 另外，當(dāng)有多路模擬輸入信號(hào)時(shí)，各信號(hào)的幅值也可能另外，當(dāng)有多路模擬輸入信號(hào)時(shí)，各信號(hào)的幅值也可能相差懸殊，采用固定增益的放大電路同樣會(huì)造成大信號(hào)轉(zhuǎn)換相差懸殊，采用固定增益的放大電路同樣會(huì)造成大信號(hào)轉(zhuǎn)換精度高而小信號(hào)轉(zhuǎn)換誤差大的后果。這時(shí)，可以采用程控增精度高而小信號(hào)轉(zhuǎn)換誤差大的后果。這時(shí)，可以采用程控增益放大器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

46、益放大器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系36 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，有些被控對(duì)象或執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要模擬在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，有些被控對(duì)象或執(zhí)行機(jī)構(gòu)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)換為模擬量。量輸入，這就要求計(jì)算機(jī)把輸出的數(shù)字控制量轉(zhuǎn)換為模擬量。從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換，一般采用集成從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換，一般采用集成D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。 2.4 模擬量輸出模擬量輸出 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)D/A轉(zhuǎn)換電路時(shí)，應(yīng)綜合考慮轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換電路時(shí)，應(yīng)綜合考慮轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度、接口設(shè)計(jì)的方便性以及價(jià)格等因素。接口設(shè)計(jì)的方便性以及價(jià)格等因素。1.多通道

47、多通道D/A轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）為每一個(gè)通道設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的）為每一個(gè)通道設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的D/A轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 轉(zhuǎn)換速度快、精度高、工作可靠，即使某一通道出現(xiàn)故障轉(zhuǎn)換速度快、精度高、工作可靠，即使某一通道出現(xiàn)故障也不會(huì)影響其它通道的工作，相應(yīng)軟件的編制也比較簡(jiǎn)單。也不會(huì)影響其它通道的工作，相應(yīng)軟件的編制也比較簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 如果模擬量輸出通道較多，就會(huì)使系統(tǒng)造價(jià)增加很多，尤如果模擬量輸出通道較多，就會(huì)使系統(tǒng)造價(jià)增加很多，尤其是采用高精度的其是采用高精度的D/A轉(zhuǎn)換器時(shí)，這一問(wèn)題更加突出。轉(zhuǎn)換器時(shí)，這一問(wèn)題更加突出。2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系

48、37（3）多通道復(fù)用一個(gè)）多通道復(fù)用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，并輔以多路模擬開(kāi)關(guān)和采轉(zhuǎn)換器，并輔以多路模擬開(kāi)關(guān)和采樣保持放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。樣保持放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：成本較低。成本較低。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 電路結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、精度低、可靠性差。電路結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)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(zhuǎn)換器，如轉(zhuǎn)換器，如DAC8800（8路、路、8位）、位）、MAX 529（8路、路、8位）位）等。等。2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系381.信號(hào)采樣信號(hào)采樣 2.5 信號(hào)采樣信號(hào)采樣 采樣（或采樣過(guò)程），就是

49、抽取連續(xù)信號(hào)在離散時(shí)間瞬時(shí)采樣（或采樣過(guò)程），就是抽取連續(xù)信號(hào)在離散時(shí)間瞬時(shí)值序列的過(guò)程，有時(shí)也稱(chēng)為離散化過(guò)程。對(duì)時(shí)間和幅值均連續(xù)值序列的過(guò)程，有時(shí)也稱(chēng)為離散化過(guò)程。對(duì)時(shí)間和幅值均連續(xù)的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣后即可得到在時(shí)間上離散、幅值上連續(xù)的的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣后即可得到在時(shí)間上離散、幅值上連續(xù)的采樣信號(hào)，由采樣信號(hào)，由A/D 轉(zhuǎn)換器量化后得到時(shí)間、幅值上均離散的數(shù)轉(zhuǎn)換器量化后得到時(shí)間、幅值上均離散的數(shù)字信號(hào)。完成采樣操作的裝置稱(chēng)為采樣器或采樣開(kāi)關(guān)。可以將字信號(hào)。完成采樣操作的裝置稱(chēng)為采樣器或采樣開(kāi)關(guān)。可以將實(shí)際采樣開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)化為理想采樣開(kāi)關(guān)（從閉合到斷開(kāi)以及從斷開(kāi)實(shí)際采樣開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)化為理想采樣開(kāi)關(guān)（從閉合

50、到斷開(kāi)以及從斷開(kāi)到閉合的時(shí)間均為零）。到閉合的時(shí)間均為零）。 采樣開(kāi)關(guān)平時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)，其輸入為連續(xù)信號(hào)采樣開(kāi)關(guān)平時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)，其輸入為連續(xù)信號(hào)f(t)，在，在采樣時(shí)刻采樣時(shí)刻tk（k = 0，1，2，）完成由斷開(kāi)到閉合、然后再）完成由斷開(kāi)到閉合、然后再斷開(kāi)的動(dòng)作，這樣就在采樣開(kāi)關(guān)輸出端得到采樣信號(hào)：斷開(kāi)的動(dòng)作，這樣就在采樣開(kāi)關(guān)輸出端得到采樣信號(hào)：k*k0( )( )ttftf ttt2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系39 根據(jù)采樣過(guò)程的特點(diǎn)，可以將采樣分為以下幾種類(lèi)型。根據(jù)采樣過(guò)程的特點(diǎn)，可以將采樣分為以下幾種類(lèi)型。（1）周期采樣）周期采樣 指相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔相

51、等，也稱(chēng)為普通采樣。相指相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔相等，也稱(chēng)為普通采樣。相鄰兩次采樣之間的時(shí)間間隔稱(chēng)為采樣周期，記為鄰兩次采樣之間的時(shí)間間隔稱(chēng)為采樣周期，記為T(mén)。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(shí)。其采樣時(shí)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(kāi)關(guān)的采樣過(guò)程( )f t2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系40（4）非同步采樣）非同步采樣 如果一個(gè)系統(tǒng)中有如果一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)多個(gè)采樣開(kāi)關(guān)，它們的采樣周期相同采樣開(kāi)

52、關(guān)，它們的采樣周期相同但不同時(shí)進(jìn)行采樣，則稱(chēng)為非同步采樣。但不同時(shí)進(jìn)行采樣，則稱(chēng)為非同步采樣。（5）多速采樣）多速采樣 如果一個(gè)系統(tǒng)中有如果一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)多個(gè)采樣開(kāi)關(guān)，每個(gè)采樣開(kāi)關(guān)都是周采樣開(kāi)關(guān)，每個(gè)采樣開(kāi)關(guān)都是周期采樣的，但它們的采樣周期不相同，則稱(chēng)多速采樣。期采樣的，但它們的采樣周期不相同，則稱(chēng)多速采樣。（2）隨機(jī)采樣）隨機(jī)采樣 若相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔不相等，則稱(chēng)為隨機(jī)采樣。若相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔不相等，則稱(chēng)為隨機(jī)采樣。 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，最常用的采樣方法是同步采樣。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，最常用的采樣方法是同步采樣。（3）同步采樣）同步采樣 如果一個(gè)系統(tǒng)中有如果一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)多個(gè)采

53、樣開(kāi)關(guān)，它們的采樣周期相同采樣開(kāi)關(guān)，它們的采樣周期相同且同時(shí)進(jìn)行采樣，則稱(chēng)為同步采樣。且同時(shí)進(jìn)行采樣，則稱(chēng)為同步采樣。2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)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(guò)大，采樣信號(hào)含有的原來(lái)連續(xù)信號(hào)的信選擇過(guò)大，采樣信號(hào)含有的原來(lái)連續(xù)信號(hào)的信息量過(guò)少，以至于無(wú)法從采樣信號(hào)看出連續(xù)信號(hào)的特征。息量過(guò)少，以至于無(wú)法從采樣信號(hào)看出連續(xù)信號(hào)的特征。 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣，是要用抽取的在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣，是要用抽取的離散信號(hào)序列代表相應(yīng)的連續(xù)信號(hào)來(lái)參與控制。只有采樣后得離散信號(hào)序列代表相應(yīng)的連續(xù)信號(hào)來(lái)參與控制。只有

54、采樣后得到的離散信號(hào)能夠表達(dá)相應(yīng)連續(xù)信號(hào)的基本特征，這種參與才到的離散信號(hào)能夠表達(dá)相應(yīng)連續(xù)信號(hào)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(guò)大對(duì)采樣效果的影響1T2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系42圖2.11 采樣周期較小時(shí)對(duì)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(hào)重構(gòu)出原來(lái)的連續(xù)信號(hào)，則可以用這些離散信號(hào)能從采樣信號(hào)重構(gòu)出原來(lái)的連續(xù)信號(hào)，則可以用這些離散信號(hào)實(shí)施有效的控制。實(shí)施

55、有效的控制。 采樣定理（香農(nóng)定理）采樣定理（香農(nóng)定理）：如果連續(xù)信號(hào)：如果連續(xù)信號(hào)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(duì)，則對(duì)f(t)進(jìn)行周期采樣且采樣角頻率進(jìn)行周期采樣且采樣角頻率maxmax2s*( )ft*( )ft 時(shí)，連續(xù)信號(hào)時(shí)，連續(xù)信號(hào)f(t)可以由采樣信號(hào)可以由采樣信號(hào) 唯一確定，唯一確定，即可以從即可以從 無(wú)失真地恢復(fù)無(wú)失真地恢復(fù)f(t)。2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系43 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，采樣頻率或采樣周期的選擇非常在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，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(tǒng)的穩(wěn)重

56、要，它不僅直接影響著控制效果，而且還影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性。從理論上講，采樣頻率越高就越能如實(shí)反映被采樣信定性。從理論上講，采樣頻率越高就越能如實(shí)反映被采樣信號(hào)的特征信息。但是，從計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)角度來(lái)講，選取過(guò)號(hào)的特征信息。但是，從計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)角度來(lái)講，選取過(guò)高的采樣頻率會(huì)使系統(tǒng)存在以下幾個(gè)問(wèn)題：高的采樣頻率會(huì)使系統(tǒng)存在以下幾個(gè)問(wèn)題：3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中采樣周期的選擇計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中采樣周期的選擇（4）使干擾對(duì)系統(tǒng)的影響明顯加大。）使干擾對(duì)系統(tǒng)的影響明顯加大。（1）要求模擬開(kāi)關(guān)、）要求模擬開(kāi)關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器等設(shè)備也具有較高的速度，轉(zhuǎn)換器等設(shè)備也具有較高的速度，使得硬件費(fèi)用過(guò)高；使得硬件費(fèi)用過(guò)高；

57、（2）增加計(jì)算機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的計(jì)算量，甚至可能超過(guò)計(jì)算機(jī)）增加計(jì)算機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的計(jì)算量，甚至可能超過(guò)計(jì)算機(jī)處理速度的極限；處理速度的極限；（3）控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能出現(xiàn)上一次控制輸出還未執(zhí)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能出現(xiàn)上一次控制輸出還未執(zhí)行、下一次控制輸出就已經(jīng)來(lái)到的情況，這反而降低了控制行、下一次控制輸出就已經(jīng)來(lái)到的情況，這反而降低了控制效果；而且頻繁的控制動(dòng)作會(huì)增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)的磨損；效果；而且頻繁的控制動(dòng)作會(huì)增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)的磨損；2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系44（1）按系統(tǒng)閉環(huán)頻帶選取）按系統(tǒng)閉環(huán)頻帶選取 系統(tǒng)閉環(huán)頻帶反映了系統(tǒng)中信號(hào)的頻率。如果系統(tǒng)的期系統(tǒng)閉環(huán)頻帶

58、反映了系統(tǒng)中信號(hào)的頻率。如果系統(tǒng)的期望閉環(huán)頻帶望閉環(huán)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(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)選取）按系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)選取 系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)可以表示為系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)可以表示為1202211( )( )11()()nnjijijN sG sssT2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系45 定義參數(shù)定義參數(shù)22(1,2,)jjjn 和和min121122122min( ,)nnnT TT 那么，

59、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(xiàng)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)實(shí)極點(diǎn)，二次項(xiàng)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)開(kāi)式中，分母的一次項(xiàng)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)實(shí)極點(diǎn)，二次項(xiàng)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)共軛復(fù)極點(diǎn)，分子表示系統(tǒng)開(kāi)環(huán)零點(diǎn)多項(xiàng)式。環(huán)共軛復(fù)極點(diǎn)，分子表示系統(tǒng)開(kāi)環(huán)零點(diǎn)多項(xiàng)式。 當(dāng)開(kāi)環(huán)傳遞當(dāng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)中存在積分因子時(shí)，由于積分因子可用大時(shí)間常數(shù)的慣性函數(shù)中存在積分因子時(shí)，由于積分因子可用大時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)逼近，故不作特殊考慮。環(huán)節(jié)逼近，故不作特殊考慮。1202211( )( )11()()nnjijijN sG sssT2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系46例例2.1：設(shè)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)如下，試確定閉環(huán)系

60、統(tǒng)的采樣周：設(shè)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)如下，試確定閉環(huán)系統(tǒng)的采樣周期范圍。期范圍。02( )(0.51)(8116)KG ssss解：將系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)寫(xiě)成解：將系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)寫(xiě)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 0.125s2022-6-10北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制科學(xué)與工程系47（3）按系統(tǒng)開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)的上升時(shí)間選取）按系統(tǒng)開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)的上升時(shí)間選取 對(duì)無(wú)超調(diào)的系統(tǒng)，其上升時(shí)間對(duì)無(wú)超調(diào)的系統(tǒng)，其上升時(shí)間tr是指響應(yīng)從