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1、计算机控制系统是由计算机（工业控制计算机）和工业对象两大部分组成。图1.1给出了按偏差进行控制的闭环控制系统框图。,图1.1 闭环控制系统框图,1.1 计算机控制系统组成 1.1.1 计算机控制系统的一般概念,返回本章首页,1.1.2 计算机控制系统的组成,计算机控制系统由计算机、外部设备、操作台、输入通道、输出通道、检测装置、执行机构、被控对象以及相应的软件组成，如图1.4所示。,图1.4 计算机控制系统的组成,1.1.4 计算机控制系统的特点,(1)运算速度快，精度高。 (2)成本小，性能价格比高。 (3)软件功能丰富，编程方便和硬件体积小 (4)可靠性高。 (5) 可维护性强。 (6)技

2、术更新快、信息综合性强、操作便利。,数字量输入输出通道,在计算机控制系统中，有一类基本的输入输出信号，即数字量信号。这些信号包括各种开关信号，如开关的闭合与断开、继电器或接触器的吸合与释放、指示灯的亮与灭、电动机的启动与停止、阀门的打开与关闭等，它们都可以用逻辑值“1”和“0”表示。此外，还包括各类数字传感器、控制器产生的编码数据和脉冲量等。因此，计算机控制系统中设置数字量输入输出通道。,数字量输入通道 1.输入调理电路 来自控制装置或生产过程的各种开关量，首先要进行电平转换，将其通断状态转换成相应的高、低电平，同时还要考虑对信号进行保护、滤波、消除触点抖动，以及进行信号隔离等问题。,稳压管V

3、D2 把过电压和瞬态尖峰电压钳位在安全电平上二极管VD1 防止反向电压输入 电阻R1是输入限流电阻 电阻R1和电容C构成抗干扰的RC滤波器 R2为过流熔断保护保险丝。,开关和继电器触点等在闭合和断开时常存在抖动问题,解决这一问题的方法很多，双稳态消抖就是一个。该电路主要由两个RS触发器构成，当开关S处于常闭位置时，1端为低电平，输出端A则为高电平；此时3、4端均为高电平，输出端B则为低电平，2端被锁定。这样，开关触头即使在常闭端产生振颤，但只要不和常开端连接，B端(2端)电位不变，则输出端A始终处于高电平。同理，开关处于常开位置时也是如此。因此，该电路在开关闭合或断开时只产生一个脉冲，触点抖动

4、现象被消除。,双稳态消抖电路,防干扰隔离电路 现场开关与计算机输入接口之间一般有较长的传输线路，容易引入强电和干扰。因此信号输入端多采用具有安全保护和抗干扰双重作用的隔离电路，对此一般多采用光电耦合器。,光电耦合器是通过光传输信号，当输入端有电流输入时发光源会发光，由于光敏效应受光器会产生电流，使输出端产生相应的电信号。因为器件的输入和输出在电气上是绝缘的，故可以起到隔离干扰的作用。图示的输入电路采用了光电隔离器，其输入、输出之间通过光耦合。当开关S闭合时，发光二极管导通发光，光耦合作用使光敏三极管导通，对应“0”状态输入；反之，开关S打开，则发光二极管不发光，光敏三极管截止，对应“1”状态输

5、入。,光电隔离及电平转换电路,2 数字量输出通道 数字量输出通道的结构 数字量输出通道主要由输出锁存器、光电隔离器、输出驱动器、地址译码器等组成，如图所示。其中输出锁存器用于锁存CPU输出的数据；光电隔离器是为保证计算机安全、可靠地工作，将CPU与驱动电路的强电及干扰信号隔离；输出驱动器是用以驱动继电器或执行机构的功率放大器。,数字量输出通道结构,2. 输出驱动电路 输出驱动电路一般采用功率晶体管输出驱动继电器的电路，如图所示。因为继电器线圈是感性负载，所以继电器线圈J两端必须并联反电势保护用续流二极管VD。除此以外，目前还较多采用达林顿阵列输出驱动继电器的电路。,（b） 晶闸管输出型,（c）

6、 晶体管输出型 （NPN集电极开路）,（d） 晶体管输出型 （PNP集电极开路）,继电器输出型,1.A/D转换器的主要技术参数 1)分辨率 分辨率是指A/D转换器的最低输出位所具有的数值，通常用转换后数字量的位数表示，如8位、10位、12位、16位等。分辨率越高，转换时对输入模拟信号的反应就越灵敏。分辨率为8位表示它可以对满量程的1/281/256的增量作出反应。,A/D转换器,2)量程 量程是指所能转换的电压范围，如5V、10V等。,4)转换时间 转换时间是指启动A/D转换到转换结束所需的时间。不同型号、不同分辨率的器件，转换时间相差很大。一般是几s到几百ms，逐次逼近式A/D转换器的转换时

7、间为1200s。,3)转换精度 转换精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度，有绝对精度与相对精度两种表示。绝对精度常用数字量的位数表示，如绝对精度为(1/2)LSB。相对精度用相对于满量程的百分比表示。例如，满量程为10V的8位A/D转换器，其绝对精度为1/210/2819.5mV，而相对精度为1/2 81000.39。,2 模拟量输入通道的组成,信号处理: 电流/电压转换、信号放大、滤波、隔离、 阻抗匹配。,多路开关: 将输入信号按一定顺序接到放大器或采样保持器。,采样保持(S/H): 在A/D转换期间保持输入模拟信号不变。,模数转换(A/D): 实现采样和量化，将模拟量转换成数字量,模

8、拟量输出通道,模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、输出保持器、多路开关、低通滤波电路和功放电路等组成。,D/A转换器及其接口技术,(1)分辨率： 通常用D/A转换器输入二进制数的位数来表示，如8位、10位、12位等。分辨率为n位，表示D/A转换器输入二进制数的最低有效位LSB与满量程输出的1/2 n相对应。 (2)稳定时间： 是指输入数字信号的变化是满量程时，其输出达到稳定所需的时间，也称转换时间或建立时间，一般为几s。 (3)输出方式： 一般为电平输出，其值在510V之间；还有电流输出，其值在20mA3A之间。,2. 多个通路设置独立D/A转换器的结构形式,优点：转换速度快，精度高，

9、工作可靠，即使某一路D/A转换器有故障，也不会影响其他通路的工作。 缺点：如果输出通路数量很多，将使用较多的D/A转换器。但随着大规模集成电路技术的发展，这个缺点正在得到逐步克服，这种方案较易实现。,例如，已知某热处理炉温度测量仪表的量程为200800，设该仪表的量程是线性的，在某一时刻计算机经采样、数字滤波后得到的数字量为CDH,此时温度为多少？,在Y0=200时，N0为00H= (0)10 ； 在Ym=800时，Nm=FFH=(255)10 ；,在 Nx=CDH=(205)10 时的温度为：,.线性参数标度变换举例,1 采样周期T的选择原则 采样周期T在计算机控制系统中是一个重要参量，必须

10、根据具体情况来选择。 (1)必须满足采样定理的要求。从信号的保真度来看，采样周期必须满足香农(Shannon)采样定理，即采样角频率s2max，max是被采样信号的最高角频率，因为s =2/T，所以可以确定采样周期的上限值T/max。,采样周期T的合理选择,(2)从控制系统的随动和抗干扰性能来看，T小些好。干扰频率越高，则采样频率最好也越高，以便实现快速跟随和快速抑制干扰。 (3)根据被控对象的特性，快速系统的T应取小些，反之T可取大些。 (4)根据执行机构的类型，当执行机构动作惯性大时，T应取大些，否则执行机构来不及反应控制器输出值的变化。 (5)从计算机的工作量及每个调节回路的计算成本来看，T应选大些。T大，对每一个控制回路的计算工作量相对减