微型计算机控制技术周少武.docx
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微型计算机控制技术周少武
微型计算机控制
复习大纲
主编：
王慧芳
第一节计算机控制系统的分类
运动控制——主要是一种对执行机构的控制
Ø按控制对象分类:
过程控制——是一种大系统控制，控制对象比较多
计算机模拟数据采集与调节系统
Ø按控制方式分类:
计算机顺序逻辑控制系统
数字程序控制系统
第二节计算机控制系统的组成
控制计算机（主机、人机接口设备和过程输入输出通道）
Ø硬件：
生产过程（控制对象）
现场仪表（传感器、变送器和执行器）
Ø软件：
1）与IBMPC兼容工业控制计算机及分散型控制系统DCS监控计算机的软件
a）系统软件:
包括操作系统、数据库，以及各种语言的汇编、解释和编译软件等。
b）应用软件：
是面向生产过程的程序，核心任务是完成数据采集、显示报警和控制，主要包括控制程序、数据采集及处理程序、巡回检测程序和数据管理程序。
应用软件的优劣，将给控制系统的功能、精度和效率带来很大的影响，它的设计是非常重要的。
2）工控单板计算机、单回路调节器及DCS现场控制站的软件
a）数据采集
b）报警与控制程序
c）显示程序
d）键盘管理程序
e）自诊断程序等
第三节基本接口技术
Ø过程通道:
计算机与生产过程或被控设备之间的信息传输与转换的连接通道。
Ø输入通道:
把模拟量或开关量信号转换成计算机能接受的数字量信号
Ø输出通道:
把输出的数字量转换成执行机构能接受的信号
地址线——20条地址线
数据线——8条数据线
ØISA总线：
控制与状态线
时钟
电源与地
ØPC/XT总线:
62条线
ØAT扩展:
36条线
总线驱动
数据缓冲与锁存
中断管理或提供状态信息
Ø接口电路基本功能：
设备选择（I/O地址译码）
电平转换
数据位宽度变换以及并串行变换
可编程
第四节I/O口地址译码
Ø按所用地址线多少分：
1）全译码：
指将地址总线中除片内地址以外的全部高位地址接到译码器的输入端参与译码。
采用全译码法，每个存储单元的地址都是唯一的，不存在地址重叠，但译码电路较复杂，连线也较多。
全译码法可以提供对全部存储空间的寻址能力。
2）部分译码：
是将高位地址线中的一部分（而不是全部）进行译码，产生片选信号。
该方法常用于不需要全部地址空间的寻址能力，但采用线选法地址线又不够用的情况。
3）线译码（线选）：
是将单根的高位地址线连接到外围接口芯片的片选端，以获得一确定的地址信号，由此选通该芯片。
门电路译码
Ø按译码电路所用元器件分：
译码器译码
数据比较器译码
固定地址译码
Ø按I/O地址能否在使用时改变分：
可变地址译码
第五节数字量输入输出通道
Ø输入信号调理电路（RC滤波器）：
1）针对输入过程中可能引入的过电压、反极性电压、瞬态尖峰等干扰以及开关触点抖动而出现的振荡进行消除。
2）光耦隔离能有效去除共模干扰。
3）RC低通滤波消除差模干扰并去抖动。
Ø输出驱动电路
脉冲变压器隔离
1）常用隔离技术：
光耦隔离
2）过零检测电路：
正弦波电压过零及电压绝对值低于二极管正向导通电压期间，两个光耦均不导通，输出高电平；其余时刻输出低电平。
直流继电器
Ø固态继电器：
交流继电器
第六节模拟量输入通道
Ø信号测量:
主要通过敏感元件、传感器或测量仪表等实现。
CPU或PC总线
AD转换
IO接口
采样保持
放大
多路开关
变送器
过程参数
Ø多路开关：
对多路信号轮流进行处理以简化电路，降低成本。
导通电阻
关断漏电流
Ø多路开关典型参数:
开关时间
电源
输入阻抗高
Ø前置放大器要求：
漂移低
共模抑制比大
Ø采样/保持电路：
a）最基本采样保持电路由模拟开关、保持电容和缓冲放大器组成。
b）保持电容的大小由采样频率和采样精度来决定,频率越高,保持电容值越小,但输出衰减速度加快,采样精度下降
c）主要参数：
1.孔径时间:
由于模拟开关动作滞后,在保持命令发出后到模拟开关完全断开所需的时间，孔径时间会造成采样时间延迟。
2.捕捉时间:
控制信号由保持电平转为采样电平后,其输出电压将从原保持值过渡到跟随输出信号值，这段过渡时间称为捕捉时间,包括道统延时时间和建立跟踪的稳定时间。
3.保持电压衰减率:
在保持状态下,由于保持电容的漏电流使保持电压发生的变化率。
直接A/D转换器——特点:
转换速度较快;
转换时间固定,不随输入信号变化;
一般需要采样/保持电路;
抗干扰能力差;
Ø模数转换器：
间接A/D转换器——特点:
电路简单,转换精度高；
有较强的抗差模干扰的能力；
转换速度较慢；
Ø模数转换器主要性能参数：
1.分辨率：
对模拟信号的分辨能力，确定能被A/D转换器分辨的最小模拟量，如8位A/D转换器可以对满量程模拟信号的1/256变化值作出反应。
2.转换精度：
是指转换器的实际输出函数与理想变换函数的近似程度。
3.零点偏移误差、满刻度误差的温度漂移：
在规定温度范围内，温度每变化1摄氏度，两误差的变化量。
4.量程：
输入电压的范围。
5.转换时间：
在规定的时钟频率下完成一次转换所需要的时间。
6.对基准电源（参考电源）的要求：
稳压精度、温度稳定性、时漂等。
发送启动转换信号：
电平启动/脉冲启动
读取“转换结束”状态信号
ØADC接口电路功能：
读取转换结果：
查询法、中断法、DMA法等
通道寻址
发送S/H控制信号
Ø电压/频率转换器优点：
1.精度高，线性好，输入信号范围大，应用电路简单，对外围原件性能要求不高，价格较低
2.转换速度不低于一般的双积分型A/D器件，但V/F信号建立时间比较长，不适用于高速数据采集系统
3.接口简单，串行输出，只占用一位I/O口线
4.输入方式灵活；抗干扰性能强；易于远距离传输
第七节模拟量输出通道
Ø模拟量输出通道：
由输出接口电路、数据锁存器、数模转换器、电压/电流转换部件、零点和满度调节部件等构成。
ØD/A转换器主要参数
1.分辨率：
当输入数字量发生单位数码变化时，所对应输出的是模拟量相对满量程的变化量。
实际使用中，常直接用输入数字量的位数表示分辨率高低。
2.绝对精度和相对精度
3.零码误差、满刻度误差的温度系数
4.建立时间：
指输入数字量变化后，输出模拟量稳定到一定数值范围内所经历的时间，是描述模数转换器转换速率的重要参数。
电流输出型的D/A转换器的建立时间短，电压输出型D/A转换器的建立时间主要取决于运算放大器的过渡过程。
Ø电压/电流转换电路（V/I）
◆原因：
在工业控制和许多传感器的应用电路中,模拟信号输出时,一般是以电压输出。
在以电压方式长距离传输模拟信号时,信号源电阻或传输线路的直流电阻等会引起电压衰减,信号接收端的输入电阻越低,电压衰减越大。
为了避免信号在传输过程中的衰减,只有增加信号接收端的输入电阻,但信号接收端输入电阻的增加,使传输线路抗干扰性能降低,易受外界干扰,信号传输不稳定,这样在长距离传输模拟信号时,不能用电压输出方式,而把电压输出转换成电流输出。
◆主要功能：
将ADC输出的电压转换成电流输出,同时还有恒流作用，即使输出的电流大小不受负载变化（在一定范围内）的影响。
◆用途：
适合长距离传输。
第八节人机接口技术
非编码键盘：
通过软件识别按键
Ø键盘：
编码键盘：
通过硬件识别按键
滤波防抖
硬件防抖技术
双稳态防抖
Ø按键防抖技术：
软件防抖技术
Ø软件防抖：
当第一次检测到有键按下时，用软件延时一段时间后，再确认该键是否仍维持闭合状态，若仍保持闭合状态电平，则确认此键按下。
编程扫描法
Ø键盘的工作方式：
中断扫描法
定时扫描法
ØLED数码管分类
共阳极
按连接方式的不同：
共阴极
静态显示方式
按显示方式的不同：
动态显示方式
第九节顺序控制与数字程序控制
硬件:
中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、电源等。
ØPLC的基本组成：
软件：
系统程序和用户程序。
ØPLC的工作原理：
可编程序控制器采用的是周期性循环扫描的工作方式。
扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行执行程序，直到程序结束。
然后再从头开始扫描执行，并周而复始地重复进行。
内部处理
通信服务
ØPLC工作过程：
输入处理
程序执行
输出处理
集中采样
ØPLC扫描工作方式的特点:
集中输出
ØPLC扫描方式优点：
提高了抗干扰能力，增强了系统可靠性
ØPLC扫描方式缺点：
降低了系统的响应速度
第十节数字程序控制原理
数控计算机
伺服系统
Ø数控系统的组成：
加工机械
检测装置
Ø数字程序控制方式：
1）点位控制:
点位控制系统中，只要求控制刀具行程终点的坐标值，即工件加工点准确定位。
刀具从一个加工点移到下一个加工点走什么路径、移动的速度、沿哪个方向趋近都无需规定，并且在移动过程中不做任何加工，只是在准确到达指定位置后才开始加工。
2）直线切削控制
1.控制行程的终点坐标值
2.刀具相对于工件平行某一坐标轴作直线运动
3.运动过程中进行切削加工。
3）轮廓（连续轨迹）切削控制
特点：
控制刀具沿工件轮廓曲线不断地运动，并在运动过程中将工件加工成某一形状。
这种方式是借助于插补器进行的，插补器根据加工的工件轮廓，计算图纸坐标点之间的中间点，向每一坐标轴发出运动指令。
Ø三种控制方式比较：
•点位控制：
最简单。
运动轨迹无特别要求，运动时又不作加工，不需要插补计算。
•直线切削控制：
进行直线加工，其控制电路要复杂一些。
•轮廓切削控制：
要控制刀具准确地完成复杂的曲线运动，所以控制电路复杂，且需要进行一系列的插补计算和判断。
Ø插补运算
机械加工零件图形中,其零件外形轮廓大部分由直线和圆弧组成,且其他曲线轮廓亦可由直线和圆弧来逼近.
•直线插补
•圆弧插补
◆实现方法:
•数字脉冲相乘法
•数字积分法
•逐点比较法:
“一点一比较，一步步逼近”
A.是以直线或折线（阶梯状的）来逼近直线或圆弧等曲线的。
B.只要把运动步距取得足够小，便可精确地跟随给定轨迹，以达到精度的要求。
C.逐点比较法的四个工作节拍:
偏差判断;进给;偏差计算;终点判断；
Ø逐点比较法直线插补
◆偏差计算公式
◆进给与偏差计算
•当Fm≥0表明m点在直线段A上或OA上方，应沿+x方向走一步至m+1该点的坐标值为
该点的偏差为：
•当Fm≥0表明m点在直线段A上或OA上方，应沿+x方向走一步至m+1该点的坐标值为
该点的偏差为：
◆终点判别方法
•每走一步比较一次直至两者相等为止
•取终点坐标中的较大者作为终点判别的依据
•用一个终点判别计数器，存放两个坐标的总步数
Ø第一象限直线插补计算流程：
◆偏差判别，判断上一步进给后的偏差值F≥0还是F<0；
◆坐标进给，根据偏差判别的结果和所在象限决定在哪个方向上进给一步；
◆偏差计算，计算出进给一步后的新偏差值，作为下一步进给的判别依据。
◆终点判别，终点判别计数器减1，判断是否到达终点，
Ø四个象限的直线插补
◆凡F<0时，向y方向进给，在第一、二象限向+y方向进给；在第三、四象限，向-y方向进给。
◆凡F≥0时，向x方向进给，在第一、四象限向+x方向进给；在第二、三象限，向-x方向进给；
Ø四象限的进给脉冲和偏差计算
偏差判别
F≥0
F<0
进给
A1
+Δx
+Δy
A2
-Δx
+Δy
A3
-Δx
-Δy
A4
+Δx
-Δy
偏差计算
F´=F-|ye|
F´=F+|xe|
单三拍工作方式：
通电顺序为：
A→B→C→A
双三拍工作方式：
Ø步进电机的工作方式：
通电顺序为：
AB→BC→CA→AB
三相六拍工作方式：
通电顺序为:
A→AB→B→BC→C→CA→A
Ø步进电机：
是一种能将电脉冲信号直接转变成与脉冲数成正比的角位移或直线位移量的执行元件。
其速度与脉冲频率成正比。
算术平均值滤波
加权平均值滤波
滑动平均值滤波
Ø数字滤波的方法：
中值滤波
复合数字滤波
RC低通数字滤波
程序判断滤波
Ø数字滤波：
通过一定的计算程序对采样信号进行去伪存真的处理，消除或减少各种干扰和噪声，以提高检测的准确性。
◆优点
•无需增加任何硬设备。
•系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题。
•可多通道共享，从而降低了成本。
•可以对频率很低（如0.01Hz）的信号进行滤波。
•使用灵活、方便，可根据需要选择不同的滤波方法，或改变滤波器的参数。
在计算机控制系统中得到广泛的应用。
•具有模拟滤波器难以实现的一些滤波办法。
Ø算术平均值滤波：
连续采样N次，把N个采样值相加，然后取其算术平均值作为本次有效的采样信号。
Ø加权平均值滤波：
Ø滑动平均值滤波：
在RAM中建立一个数据缓冲区，依顺序存放N次采样数据，每采集进一个新数据就将最早采集的那个数据丢掉，而后求包括新数据在内的N个数据的算术平均值或加权平均值。
N次采样值在最后的结果中所占的比重是相等的。
Ø中值滤波：
所谓中值滤波法就是对某一被测参数连续采样N次（N一般取奇数），然后把N次采样值按顺序排列，取其中间值做为本次采样值。
Ø复合数字滤波：
可以把两种或两种以上不同滤波功能的数字滤波器组合起来。
ØRC低通数字滤波：
仿照模拟系统RC低通滤波器的方法，用数字形式实现低通滤波。
Ø程序判断滤波：
根据生产经验，确定出相邻两次采样信号之间可能出现的最大允许偏差△Y。
若两次采样信号之间的偏差超过△Y：
则表明该输入信号是干扰信号，去掉。
小于△Y：
将信号作为本次采样值。
Ø标度变换：
当系统在进行显示、记录、打印以及报警等操作，必须把这些测得的数字量还原为相应量纲的物理量，以便操作人员对生产过程进行监视和管理，这就是所谓的标度变换。
第十一节数字PID控制算法
ØPID四个参数及其作用
◆调节器的比例系数KP：
增大KP有利于加快系统的响应，过大则会产生震荡。
◆调节器的积分时间TI：
TI太大，影响较小；减少TI加快静差的消除，使系统不稳定。
◆调节器的微分时间TD：
改善动态特性，增大TD会加快系统响应，增强稳定性，但是易受到干扰。
◆采样周期T:
T越小，计算机运算速度越快。
Ø积分饱和现象：
在数字PID控制系统中，当系统启动、停止或大幅度改变给定值时，系统输出会出现较大的偏差，经过积分项累积后，可能使控制量u（k）>umax或u（k）此时，控制量不能真正取得计算值，而只能取umax或umin，从而影响控制效果。
这种情况主要是由于积分项的存在，引起了PID运算的“饱和”，因此将它称为“积分饱和”。
Ø积分饱和影响：
积分饱和作用使系统的超调增大，从而使系统的调整时间加长。
这种情况在温度、液面等缓慢变化过程中影响尤为严重。
Ø积分饱和抑制方法：
积分分离法和遇限削弱积分法。
Ø微分作用的缺点：
当给定值频繁升降时，通过微分造成控制量u的频繁升降，使系统产生剧烈的超调和振荡，对系统产生较大的冲击，即所谓的微分冲击。
微分冲击可以发生饱和，当系统受到高频噪声干扰时，甚至会使执行机构被卡死。
第十二节数字控制器的设计原理
Ø最小拍系统：
是指系统对典型输入如单位阶跃，单位斜坡或单位加速度输入具有最快的响应，且系统的稳态误差为0。
Ø数字控制器基本设计方法的步骤
◆根据式（equ.1）求广义对象的脉冲传递函数G（z）。
◆根据控制系统的性能指标要求和其他约束条件，确定闭环脉冲传递函数Φ（z）。
◆根据式（equ.3）求取数字控制器的脉冲传递函数D（z）。
◆根据D（z）导出控制器的输出U（k）。
实时性和时间确定性
信息多为短帧结构，且交换频繁
可靠性和安全性高
Ø工业控制网络特点：
网络协议简单实用
网络结构具有分散性
易于实现与信息网络的集成
Ø工业网络与信息网络的区别
◆控制网络以传递测量控制信息，实现监控现场设备为目的；信息网络则以传输信息和资源共享为目的
◆控制网络具有较高的数据传输实时性和系统的响应实时性
◆控制网络具有较强的环境适应性和较高的可靠性
◆控制网络必须解决多家公司产品和系统在同一网络中的相互兼容问题，即互相操作性问题
第十三节电磁干扰与电磁骚扰
Ø自然界中，电磁干扰源普遍存在，电磁骚扰现象大量出现。
Ø电磁干扰：
电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能下降。
Ø电磁骚扰：
任何可能引起装置、设备或系统性能降低，或者对有生命物质或无生命物质产生损害作用的电磁现象。
功能型干扰源
Ø从电磁干扰属性来分:
非功能性干扰源
电磁干扰源
Ø电磁干扰三要素:
干扰传播途径
敏感设备
Ø耦合途径有两种方式：
◆传导耦合：
通过电路耦合的干扰。
（例如导线传输、电容耦合、电感耦合。
）
◆辐射耦合：
通过空间传输的干扰。
Ø传导耦合是骚扰源与敏感设备之间的主要耦合途径之一。
传导耦合必须在骚扰源与敏感设备之间存在有完整的电路连接。
Ø辐射耦合是电磁骚扰通过其周围的媒介以电磁波的形式向外传播，骚扰电磁能量按电磁场的规律向周围空间发射。
Ø电磁干扰影响：
◆干扰作用于模拟量输入通道,使数据采集产生误差;
◆外部干扰或内部间的干扰会破坏电路的正常工作状态;
◆当CPU的程序计数器受干扰使数据改变时,会使程序执行混乱,导致死机
电路性耦合
Ø传导耦合按其耦合方式可以划分为三种基本方式：
电容性耦合
电感性耦合
Ø电容性耦合：
也称为电耦合，它是由两电路间的电场相互作用所引起。
Ø电阻性耦合：
公共阻抗Z中不含电抗元件时为共电阻耦合，简称为电阻性耦合。
Ø电感性耦合：
也称为磁耦合，它是由两电路间的磁场相互作用所引起。
第十四节共/差模干扰
Ø共模干扰：
一般指在两根信号线上产生的幅度相等，相位相同的噪声。
共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的同方向电压迭加所形成。
Ø差模干扰：
一般指在两根信号线上产生的幅度想等，相位相反的噪声。
差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压。
主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压。
Ø共模抑制比：
差模信号电压增益与共模信号电压增益的比值，说明差分放大电路对共模信号的抑制能力，因此共模抑制比越大越好，说明电路的性能优良。
Ø差模干扰的特点：
差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小.
Ø共模干扰特点：
幅度大、频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。
Ø消除共模干扰的方法：
采用屏蔽双绞线并有效接地、强电场的地方采用镀锌管屏蔽、布线时远离高压线，不能将高压电源线和信号线捆在一起走线、采用线性稳压电源或高品质的开关电源。
Ø消除差模干扰的方法：
消除差模干扰的方法是在电路中增加一个偏值电阻,并采用双绞线。
第十五节PID补充内容
Ø增量式PID算法只需保持当前时刻以前三个时刻的误差即可。
它与位置式PID相比，有下列优点：
◆位置式PID算法每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去误差的累加值，因此，容易产生较大的累积计算误差。
而增量式PID只需计算增量，计算误差或精度不足时对控制量的计算影响较小。
◆控制从手动切换到自动时，位置式PID算法必须先将计算机的输出值置为原始阀门开时，才能保证无冲击切换。
若采用增量算法，与原始值无关，易于实现手动到自动的无冲击切换。
Ø缺点：
◆有静态误差
◆溢出影响大
第十六节屏蔽与抗干扰
消除或抑制干扰源
提高系统本身的抗干扰能力
Ø系统抗干扰措施:
切断干扰传递的途径
吸收从而降低进入系统的干扰信号能量
Ø屏蔽：
屏蔽是防止辐射干扰的主要手段。
所谓屏蔽（Shielding）就是采用一定的技术手段，把电磁骚扰源限制在一定的空间范围内，使骚扰源从屏蔽体的一面耦合或当其辐射到另一面时受到抑制或衰减。
Ø屏蔽的目的是：
防止干扰电磁场进入电子系统。
Ø接地技术：
指的是大地，在中心点接地的三相四线系统中，由于零线（即接地的中心线）是接地的，通常把保护接零也称接地。
Ø接地技术是任何电子、电气设备或系统正常工作时必须采取的重要技术。
Ø接地不仅是保护设施和人身安全的必要手段，也是抑制电磁干扰、保障设备或系统电磁兼容性、提高设备或系统可靠性的重要技术措施。
为了人身和设备的安全
Ø接地技术的目的：
为了电磁兼容性或者抗干扰
电屏蔽
Ø屏蔽技术的分类：
磁屏蔽
电磁屏蔽。
浪涌（冲击）
Ø瞬态干扰:
电快速脉冲群
静电放电
Ø浪涌（冲击）
◆概念：
持续时间几微秒到几百微秒的单个脉冲，产生于雷电瞬态或电力系统的开关状态。
◆特点：
能量大、导体周围产生强磁场、一般小于75kA最大可达300kA。
Ø电快速瞬变脉冲群
◆概念：
持续时间几十个纳秒的多个脉冲，脉冲的重复频率为几千赫兹到几兆赫兹，脉冲产生于切断感性负载、继电器触点弹跳等瞬态。
◆特点：
脉冲串
第十五节长线传输干扰及阻抗匹配
Ø长线传输：
当脉宽为T的矩形脉冲在导线上传播时，由于反射，将在矩形脉冲上迭加或正或负的、脉宽为2td（td为波从导线始端传到终端的时间）的脉冲，使传播的矩形脉冲产生正的、负的或者正负相间的台阶。
当导线较短，td远小于T时，这些台阶集中在脉冲的边缘上，影响不大。
但是当td较大时，且反射较严重时，将会使脉冲的逻辑值发生错误。
当td＞T╱16，或者导线长度大于波长的十六分之一时，称为长线传输
Ø阻抗匹配：
导线的端点接入与特性阻抗相等的阻抗。
用于消除长线传输干扰。
Ø自诊断技术：
计算机系统对自身硬件、软件进行检测诊断，及时发现故障进行报警并作出适当的反应。
上电自诊断
键控自诊断
Ø自诊断分类：
定时自诊断
在线自诊断
系统总体方案设计
微型计算机的选择
控制算法设计
Ø计算机控制系统设计的一般步骤：
硬件设计
软件设计
系统调试
变压器隔离
Ø隔离技术:
光电隔离
磁隔离与电容隔离器件
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