计算机控制及网络技术 龙志强 第2章 计算机控制系统的硬件基础

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1、第二章计算机控制系统的硬件基础1.过程通道技术2.采样过程及其数学描述3.采样定理及采样频率的选择4.信号的恢复及保持5.数字滤波1.过程通道技术计算机控制系统中，系统控制器设计实现之后，要将系统各种物理参数及控制信息传递给被控对象，同时工作现场的各类信息也要反馈给计算机，然后进行信息处理。在控制计算机和生产现场之间需要设置信息传递和转换的输入/输出连接通道，这就是过程通道。根据传递和转换的信号类型及传递方向的不同，过程通道可分为四类：模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道、数字量输出通道。模拟量输入通道模拟量输入通道是数据采集系统输入

2、通道中的一种，它的任务是把传感器转换后的电信号经过适当的处理，然后转换成数字量输入计算机。单路模拟量输入通道结构图模拟量输入通道多路模拟量输入通道结构图模拟量输入通道采样保持电路基本原理图输入过程通道中,A/D转换需要一定的时间来完成,为了对变换比较快的模拟信号进行有效地A/D转换,有必要在A/D转换之前加入采样保持电路。模拟量输入通道逐位反馈型A/D转换器电路原理图模拟输入通道中，A/D转换器是关键性的组成部分。A/D转换器是用于将连续变化的模拟信号转换为数字信号的装置，简称ADC，是模拟系统与计算机之间的接口部件。A/D转换器主要分为三类：计

3、数型A/D转换器；双积分型A/D转换器；逐位反馈型A/D转换器。模拟量输出通道多个D/A转换器结构模拟量输出通道是将控制计算机的信号输出到被控对象的环节，主要由D/A转换器及保持器组成，其结构形式有两种，一种是多个D/A转换器的模拟量输出，另一种是共用一个D/A转换器的模拟量输出结构形式。单个D/A转换器结构模拟量输出通道D/A转换器工作原理简易结构图模拟输出通道中，其核心环节是D/A转换器，D/A转换器的主要功能是将数字量转换为模拟量，其转换方式有并行和串行两种。数字量输入输出通道数字量输入输出通道组成结构数字量输入输出通道的任务是把生产现场的

4、两态信号转换为电平信号并通过I/O接口电路传送到控制器。其主要构成有:输入信号处理、输入缓冲器、地址译码、数据缓冲及逻辑控制、输出锁存器、输出驱动等。数字量输入输出通道数字量输入通道主要由输入信号处理、输入缓冲器、地址译码等组成。接收被控对象的数字信号是数字量输入通道的基本功能。数字量输出通道主要有地址译码器、输出锁存器及输出驱动器等组成。控制器通过I/O接口直接对执行机构输出控制命令，但是控制器输出的是微弱的数字量，因此，输出电路中要解决驱动问题。输出驱动器主要是把控制计算机输出的数字信号转换成能驱动执行机构的驱动信号。2.采样过程及其数学描述

5、把时间上连续的信号通过一种装置转换为离散的脉冲或者数字序列的过程，称为采样过程。实现信号转换的装置称为采样开关或者采样器。等时间间隔开关的采样被称为周期采样；若采样周期是随机的，则被称为随机采样或者非周期采样；有多个采样开关的系统，如果所有的采样器都是等周期开关，则称它们为同步采样。采样过程周期采样周期采样时刻表示为：其中T为采样周期。在采样中，当采样开关的闭合时间远远小于采样周期T时,采样器就可以用一个理想采样开关来代替。理想开关采样采样过程的数学描述理想采样器的闭合时间为零，连续函数采样过程可以表示为：采样信号的拉普拉斯变换对采样信号取拉普拉

6、斯变换，则：根据拉普拉斯变换的位移定理，有：所以：采样信号的频谱频率响应为：周期函数：连续函数及其离散后离散函数的相互关系：采样信号的频谱连续信号的频谱信号离散后的频谱3.采样定理及采样频率的选择No.1采样信号f*(t)能否完全反映连续信号f(t)的变化规律，或者说f*(t)能否包含f(t)中的全部信息？No.2采样信号f*(t)的信息损失和采样周期T有何关系？两个问题？采样定理:对于一个具有有限带宽()的连续信号,当采样频率满足条件时,连续信号就可以由采样信号无失真地复现。为信号的最高频率,为采样信号的采样频率。采样定理采样周期的选择采样周期

7、T在计算机控制系统中是一个重要参数。合理地选择采样周期T，是数字控制系统设计的关键问题之一。(1)对象的动态特性影响：采样周期应比对象的时间常数小很多，否则，采样信号无法反映瞬变过程。若被控对象的时间常数为Tp，纯滞后时间常数为，对象模型为,采样周期可按如下经验公式选择：采样周期的选择(2)扰动信号影响：在控制系统中，施加到系统的扰动包括两大类：一类是需要控制系统克服的频率较低的主要扰动；另一类是频率较高的随机高频干扰，如测量噪声等，这是采样时要忽略的。这样，采样频率应选择在这两类干扰的频率之间，从而使系统具有足够的抗干扰能力。一般地，若需要克服

8、的主要扰动频率为，采样应满足：采样周期的选择(3)控制品质的要求：在计算机运算速率允许情况下，采样周期短，控制品质高。当系统的给定频率较