计算机控制技术1新 (2)

1、计算机控制技术基础（硕士研究生课程）（硕士研究生课程）同济大学汽车学院同济大学汽车学院孙泽昌孙泽昌一、计算机控制系统的组成与分类一、计算机控制系统的组成与分类1.1计算机控制系统的构成一、计算机控制系统的组成与分类一、计算机控制系统的组成与分类计算机控制系统举例：节气门开度位置控制系统计算机控制系统举例：节气门开度位置控制系统系统输入模拟量系统输入模拟量驱动电机驱动电机位置传感器位置传感器节气门体节气门体模拟量输出模拟量输出控制器一、计算机控制系统的组成与分类数字控制器D传感器一、计算机控制系统的组成与分类一、计算机控制系统的组成与分类计算机计算机( (数字控制器）通过测量元件对被控制量进行检

2、测。经采样，数字控制器）通过测量元件对被控制量进行检测。经采样，A/DA/D转换转换为数字量，并与数字化的参考输入量进行比较，再根据由负反馈原理设计的为数字量，并与数字化的参考输入量进行比较，再根据由负反馈原理设计的控制规律进行数字量运算，从而得到数字量控制信号，再经过控制规律进行数字量运算，从而得到数字量控制信号，再经过D/AD/A转换器转换转换器转换成模拟控制信号去控制执行机构，最后通过执行机构的调节使各被控制量达成模拟控制信号去控制执行机构，最后通过执行机构的调节使各被控制量达到期望的要求。到期望的要求。控制过程：控制过程：1)1)、实时数据采集；、实时数据采集；2)2)、实时决策；、实

3、时决策；3)3)、实时控制、实时控制当输入、输出通道仅有一个时，称为单回路的当输入、输出通道仅有一个时，称为单回路的DDCDDC系统。当输入、输出具有两系统。当输入、输出具有两个和两个以上时，称为多回路个和两个以上时，称为多回路DDCDDC系统。系统。DDCDDC系统是一种最典型的计算机控制系统。在系统是一种最典型的计算机控制系统。在DDCDDC系统中计算机主要起数字控系统中计算机主要起数字控制器的作用。制器的作用。直接数字控制(DDC)一、计算机控制系统的组成与分类1.2.1 数/模(D/A)转换器的原理两种基本型式：权电阻 和 R2R以四位数/模转换器(权电阻)为例介绍数/模转换器的原理一

4、个十进制整数D可由对应的二进制数表示为Di为二进制数每位的取值，“0”或“1”。2i为二进制数每位的权值1.2 数/模（D/A)与模/数(A/D)转换110100222nniniiDDDD一、计算机控制系统的组成与分类一、计算机控制系统的组成与分类转换控制信号四位权电阻式数/模转换器原理电路图若被进行转换的二进制数为“D3D2D1D0”0001112223332222RefRefRefRefVIDRVIDRVIDRVIDR一、计算机控制系统的组成与分类根据运算放大器的工作原理根据运算放大器的工作原理，012332103210(2222 )RefIIIIIVDDDDR32103210(2222

5、)FoutFffoutRefIIVIRRVVDDDDR一、计算机控制系统的组成与分类若5 ,15ReffRVV R1111,550001,0.33150000,0outoutoutDVVDVVDV 则二进制数二进制数00010001对应的模拟电压值称作该数对应的模拟电压值称作该数/ /模转换器的最小分模转换器的最小分辨电压辨电压一、计算机控制系统的组成与分类衡量一个数衡量一个数/ /模转换器品质的主要指标参数有模转换器品质的主要指标参数有：1)分辨率：最小输出电压（非零）与最大输出电压之比 通常用数/模转换器的位数表示分辨率，如8、10、12、 16位。(min)11(max)212outnn

6、outVV一、计算机控制系统的组成与分类2) 线性度：满刻度范围内转换误差最大值与满刻度电压值之比。3) 转换精度：满刻度数字量下转换器实际输出电压与理论值之间的误差。4) 建立时间：数据变化量为满刻度时，从原来输出电压跳转到新的数字量对应的输出电压的时间延迟。（这一时间主要取决于运算放大器的响应时间。）一、计算机控制系统的组成与分类数数/ /模转换过程有两点需加注意：模转换过程有两点需加注意：1) 一个新的二进制数转换为对应的模拟电压的时刻受转换控制信号控制。2) 前后两次转换之间输出模拟电压保持不变，数值与前一次二进制数转换的模拟电压相同。例：有以下一组二进制数，每隔T周期转换一次D=00

7、11 （0）D=0111 （1T）D=1111 （2T）D=1100 （3T）D=0000 （4T）一、计算机控制系统的组成与分类00110111111111000000整量化的整量化的二进制电压值二进制电压值一、计算机控制系统的组成与分类1.2.2 1.2.2 模模/ /数（数（A/D)A/D)转换器的原理转换器的原理实现模/数转换的方法有多种：计数法、双积分法、逐次逼近法等。一、计算机控制系统的组成与分类例：1微秒一个节拍，D/A转换器为权电阻式数/模转换器，仍令Rf/R=1/15，VRef=5v81000,2.61540100,1.331520010,0.671510001,0.3315

8、fReffReffReffRefDVVvDVVvDVVvDVVvxRefVV对以上的逐次逼近A/D转换器，要求以Vx=2.5v为例，分析逐次逼近A/D转换器的工作过程.一、计算机控制系统的组成与分类一、计算机控制系统的组成与分类模/数转换器指标参数一、计算机控制系统的组成与分类 分辨率分辨率：输出数字量变化一个相邻数字所对应的模拟电压变化量。通常用数字量的位数表示，如8、10、12、16。分辨率为8位，表示它可以对1/28=1/256满量程电压的输入模拟信号增量作出反映。 量程量程：能转换的电压范围，取决于参考电压VRef，通常有10v，5v。 转换时间转换时间： 完成一次转换的时间。转换时间

9、的倒数为转换率。(计算机控制系统中通常使用低、中速A/D转换器，转换时间通常在1.0200us之间)。 需注意的是：在转换时间内，被转换的模拟电压必须保持稳定。需注意的是：在转换时间内，被转换的模拟电压必须保持稳定。一、计算机控制系统的组成与分类 转换精度转换精度： 任一数字量对应的实际模拟电压与其理想电压值之差不是零，而是一个常量。 这个差值的最大值为绝对精度。绝对精度表示成满量程模拟电压的百分数时为相对精度。 绝对精度常用数字量的位数作为单位，如绝对精度1/2LSB。意思是，对于满量程10v的器件，若转换器为10位，最低位LSB对应的模拟电压为9.76mv，则该转换器精度为1/2LSB=4

10、.88mv。1.2.3 采样保持器一、计算机控制系统的组成与分类 对于快速变化的模拟电压Vx，为了在转换期间保持稳定，必须先对Vx进行采样，并将采样得到的值保持到A/D转换结束。以下是一个采样保持器的基本电路形式。一、计算机控制系统的组成与分类采样阶段： 控制信号高电平，开关K闭合，输入信号Vs经电阻R向电容C充电，使电容电压很快达到Vs值。这段时间通常很短(该时间也称为获取时间)保持阶段： 控制信号变为低电平，K断开，C上的电压得到保持。ADC对该保持电压进行转换。计算机控制技术采样保持芯片LF398简介一、计算机控制系统的组成与分类 当CH0.01F时，信号达到0.01%精度，获取时间为2

11、5 s(即Vx=0.9999 Vs只需25 s)，保持电压下降率为3mv/s(若转换时间为100us，则保持电压下降约0.3uv)。 当输入信号电压变化缓慢时，且A/D转换较快时，也可考虑不采用采样保持器。获取时间：一、计算机控制系统的组成与分类信号获取时间转换时间一、计算机控制系统的组成与分类 从上面的过程可知，采样后保持的Vs信号值，只在c时间内是有用的。在一个采样周期内，采样保持器与A/D转换器大部分时间处于空闲状态。当被控制参数有多个时，可用同一个采样保持器和A/D转换器对其它控制量分时进行采样及A/D转换。1.2.5 多路模拟转换开关一、计算机控制系统的组成与分类以下用CD4051(

12、8选1多路模拟开关)为例介绍其原理与特性。通道禁止信号通道选通信号一、计算机控制系统的组成与分类理想的多路模拟开关应有以下特性：1、开路电阻无穷大2、接通电阻为零3、转换瞬间完成CD4051的指标参数为：1、模拟信号峰峰值VDD-VEE2、导通电阻80欧3、 VDD-VEE 10V时，断路漏电流为10PA1.3 计算机控制系统中数字调节器(控制器)的信号处理过程一、计算机控制系统的组成与分类一、计算机控制系统的组成与分类数字控制器的作用如下：数字控制器的作用如下：1、将模拟量的偏差信号将模拟量的偏差信号e (t)在时间上进行离散化在时间上进行离散化(采样采样)，得到离散模拟信，得到离散模拟信号

13、号(脉冲采样信号脉冲采样信号)e*(t)。2、将离散化后的脉冲采样信号、将离散化后的脉冲采样信号e*(t)进行模进行模/数变换，得到整量化的二进制数变换，得到整量化的二进制数字信号数字信号e (kT)。3、对、对e (kT)按已确定的控制规律进行运算，运算结果是离散的整量化二进按已确定的控制规律进行运算，运算结果是离散的整量化二进制数字控制信号制数字控制信号u (kT)。4、将数字控制信号、将数字控制信号u (kT)转换成连续的整量化模拟控制信号转换成连续的整量化模拟控制信号u (t)。该信号。该信号（或通过执行单元）对被控对象施加控制作用。（或通过执行单元）对被控对象施加控制作用。(在理论分

14、析时，可将以上在理论分析时，可将以上u (kT)转换成转换成u (t)的过程，看成由的过程，看成由u (kT)u*(t)和由和由u*(t) u (t)两个依次完成的过程两个依次完成的过程)。一、计算机控制系统的组成与分类1.4 计算机控制系统输入输出接口方案一、计算机控制系统的组成与分类 当计算机运算速度很高，而被控量又变化较慢时，可使一个计算机同时作为几个被控制量的数字控制器，以充分利用计算机的高速运算能力。 以下是一个一台计算机控制N个闭环离散数字控制系统的多回路DDC计算机控制系统。一、计算机控制系统的组成与分类多回路DDC系统一、计算机控制系统的组成与分类多路输入信号采集接口方案一、计

15、算机控制系统的组成与分类多路输入信号采集接口方案一、计算机控制系统的组成与分类 多路控制信号输出接口方案一、计算机控制系统的组成与分类 多路控制信号输出接口方案计算机控制系统的分类一、计算机控制系统的组成与分类 按照结构和功能，计算机控制系统可分为三种基本类型1、直接数字控制(DDC)2、监督控制(SCC)3、分布式控制系统(Distributed Control System) 或称为集散控制系统被控制对象（过程）执行机构测量元件直接数字控制计算机监督控制计算机（scc)A/D转换器采样保持器D/A转换器输出扫描保持输出扫描地址采样扫描地址SCC+DDC控制系统一、计算机控制系统的组成与分类

16、监督控制系统结构与组成一、计算机控制系统的组成与分类监督控制系统的基本特点：l 两级控制（上一级为监控级SCC，下一级为DDC)。l 两级计算机之间通过接口进行信息通信，当DDC级计算机发生故障时控制功能可有SCC级计算机取代，具有较高的可靠性性。l 监控计算机对过程中各物理量进行检测，并按一定的数学模型计算出各个独立的DDC系统被控制量的最佳设定值（参考输入量），再由DDC系统对被控制量进行独立调节。一、计算机控制系统的组成与分类 分布式控制系统分布式控制系统 分布式控制系统出现于上世纪七十年代中期，是集计算机(computer)、控制器(controller)、通信(communicati

17、on)和CRT显示技术于一体的综合系统技术，代表着计算机控制技术的发展趋势。 以微处理器（单片机)为核心的基本控制器完成对工业过程中某个被控制量的DDC控制或某些逻辑顺序控制。其指令值(给定值)由处于更高控制级的监控计算机设定，并经现场总线传递至基本控制器。一、计算机控制系统的组成与分类分布式计算机控制系统结构与组成计算机控制技术 专门用于过程运行参数检测和预处理的数据采集器将采集的数据通过总线传输至监控计算机运算处理，同时传输至CRT操作台输出显示。 监控计算机根据现场参数和过程优化控制的数学模型计算各基本控制器DDC控制的指令值(给定值)经现场总线传输至基本控制器，综合协调各基本控制器的工作。 CRT操作台作为人机交互的界面实现人与系统的信息交换和对系统的干预。计算机控制技术 这种系统结构是一种分级分布式的控制系统。监控计算机位于系统的上一级，实现对基本控制器的协调管理； 基本控制器处于系统的下一级，实现对现场被控制量的直接数字控制。实现了物理上的分散结构，基本控制器和数据采集器安装在工业过程现场，大大节省了控制器与控制对象的电缆连接，减少了线路干扰，增加了系统可靠性，即使系统中某个控制器发生故障，不至