第二章-计算机控制系统设计的硬件基础课件

第二章计算机控制系统设计的硬件基础一、计算机控制系统输入、输出接口简介(一)开关量输入输出(2.1、2.2)(二)模拟量输入输出(2.3、2.4)(三)计算机控制系统中的电源(2.5)二、信号的采样与重构（2.6）三、数字滤波简介（2.7）概述在计算机控制系统中，计算机是信息处理的核心，它不断的从外部获取关于被控制对象或过程的状态信息，按照某种策略加工、处理后，再向外发出控制信息，从而达到调节、控制的目的。本章节介绍计算机控制系统中的信号输入/输出通道的一般设计方法及信息采样、重构的方法并简单地介绍了数字滤波的基本知识。计算机控制系统结构

（一）模拟量输入经由传感器或检测仪表输入的模拟信号，可能是电压或电流信号，幅值范围往往和A/D转换器的量程不匹配，而且通常含有噪音信号，因此需放大、滤波、隔离保护处理；对于多路模拟量输入，应当考虑适当的输入结构。一、计算机控制系统输入、输出接口简介

多路复用方式A/D转换器原理图在计算机控制系统中，有些控制对象需要模拟量输入，这就要求计算机把输出的数字控制量转化为模拟量，此步转换采用Ｄ/A转换器来实现，即计算机输出的离散控制信号，必须经过重构处理成连续信号后，才能控制需要连续信号输出的被控对象或过程。（二）模拟量输出二、信号采样与重构

信号采样与重构计算是机控制系统不可缺少的环节：计算机只能接受、处理数字信号，因此从工业现场检测来的连续信号必须经过采样、保持、量化处理变为数字信号后，才能有计算机进行处理和运算。计算机输出的离散控制信号，也必须经过重构处理成连续信号后，才能控制需要连续信号输出的被控对象或过程。

本节主要包括下面几部分:信号的采样信号的重构信号处理的基本知识（一）、信号处理的基本知识1、信号类型2、信号分析中的常用函数3、信号分析中的常用数学定理（欧拉公式）4、信号的频谱分析1、信号类型

连续信号模拟信号离散信号采样信号数字信号2、信号分析中的常用函数

(1)单位冲激信号δ(t)

、δ(t-t0)单位脉冲序列δ(t)

、δ(t-KT)(2)单位阶跃函数1(t)

、1(t-t0)

单位阶跃序列u(n)、u(n-KT)(3)复指数函数复指数序列(4)sinc(t)函数（闸门函数、滤波函数）3、信号分析中的常用数学定理（欧拉公式）

4、信号的频谱分析

周期函数x(t)=x(t+T)的傅里叶级数及其频谱函数的傅里叶变换及其主要性质信号的频谱周期函数x(t)=x(t+T)的傅里叶级数及其频谱

周期函数x(t)=x(t+T)的傅里叶级数三角展开式：T为基本周期为基波角频率周期函数x(t)=x(t+T)的傅里叶级数的复指数展开式实例：周期性矩形信号（方波）傅氏级数展开及频谱T为基本周期为基波角频率MATLAB程序n=100;t=0:0.01:2*pi;f=0;fori=1:2:nf=f+4*sin(i*t)/(i*pi);end;plot(t,f),gridon函数的傅里叶变换及其主要性质函数f(t)的傅里叶变换为与函数关系为幅频谱与函数关系为相频谱函数的傅里叶变换的主要性质实移性频移性(二)、信号的采样采样信号的数学表示采样信号的频谱分析香农(Shannon)采样定理采样周期T的选取原则图2―2采样过程1、采样机理描述

采样过程可以用单位脉冲序列来描述。数学表达式如下：2、采样信号的频谱分析)(1)(*skjkjFTjFwww-=å¥-¥=3、香农(Shannon)采样定理为了使采样信号f*(t)能反映连续信号f(t)的变化规律，采样频率ωs(ωs=2πfs=2π/T)至少应该是信号f(t)频谱最高频率ωmax

的两倍，即

ωs≥2ωmax

当采样周期满足采样定理时，上图中的采样信号频谱就不会发生重叠效应，这时就可以通过理想的低通滤波器从采样信号f*(t)中完全恢复出f(t)来。注意：理想低通滤波器的截止频率计算机控制系统中采样周期的选择在计算机控制系统中，采样频率或采样周期的选择非常重要，它直接影响控制效果，而且还影响着系统的稳定性。

1、按系统闭环频带选取

2、按系统的开环传递函数选取

3、按系统开环阶跃响应的上升时间选取

4、根据生产过程控的控制的经验选取按系统闭环频带选取

按系统的开环传递函数选取按系统开环阶跃响应的上升时间选取若测得系统的开环阶跃响应上升时间根据生产过程控的控制的经验选取:若测得过程对象中主导时间常数为经验数据：流量1～3s，温度10~20s液位5~10s压力1~5s1、信号的恢复

信号的频谱必须是有限带宽

满足采样定律

采用理想低通滤波器或零节保持器

2、理想低通滤波器

3、零阶保持器

数学描述

传递函数

频谱

(三)、信号的重构零阶保持器1、零阶保持器的工作过程

2、零阶保持后信号的数学表达式3、零阶保持器的传递函数[]))1((1)(1)(00TktkTtkTffkh+---=å¥=4、零阶保持器的频率特性分析（频率响应分析）理想低通滤波器的截止频率数字滤波在计算机控制系统中除了甬道硬件模拟滤波以外，还常常采用数字滤波。数字滤波是把A/D转换得到的数据通过软件按照一定的算法进行平滑加工等处理，再送给控制程序运算，来增强其有效信号、消除或减小各种干扰和噪声，从而提高控制精度和系统的可靠性和稳定性。结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。WhenYouDoYourBest,Fai