计算机控制系统 课件 刘爽 第01-05章 绪论、计算机控制系统信号分析-计算机控制系统的性能分析

第1章

绪论随着计算机技术的广泛应用及其高可靠性与成本效益的不断提升，计算机在工业自动化控制领域的应用日益增多，而自动控制、计算机、检测与传感器、显示、网络与通信、大数据、物联网及人工智能等技术的迅猛发展，更为计算机控制技术带来了深刻变革，使其成为现代自动化技术不可或缺的核心组成部分。在这样的系统中，计算机取代了传统自动控制系统中的标准控制设备，负责对动态系统进行调节与控制，这不仅标志着自动控制系统技术装备的革命性转变，也使得系统分析与设计相较于传统连续时间系统控制理论发生了显著变化。鉴于计算机控制的显著优势及其广阔的发展前景，掌握分析与设计这类系统的理论与方法以实现对实际对象或过程的精确控制，已成为高等教育相关专业学生的基本素养。本章将系统探讨计算机控制系统的起源与工作原理，阐述其组成结构与独特特性，讲述过程通道技术，讨论工业计算机选型及硬件设计要求（重点关注运行速度、字节及容量），介绍典型应用模式，梳理其发展历程与未来趋势，并概述解决相关问题的理论与方法，从而构建从基础理论到工程实践的完整知识体系。引言

1.1.1

模拟控制向计算机控制的发展测量元件（传感器）对被控对象的输出y(t)（如温度、压力、流量、转速、位移等）进行测量得到电信号，变送单元将该信号变成可与给定信号r(t)相比较的电压或电流信号，反馈给控制器。比较单元将给定信号r(t)与反馈信号比较得到偏差e(t)，控制器根据偏差e(t)产生控制信号u(t)去修正执行器的动作，使得被控对象的输出y(t)达到预定的要求。模拟控制系统中的控制器是由硬件电路构成的，如果控制器不能较好地控制被控量，必须改变控制器的硬件结构。1.1计算机控制系统的产生及原理

图1-1模拟控制系统闭环结构图被控对象的输出y(t)经测量元件和变送单元转换成统一的标准信号送到A/D转换器进行模拟量到数字量的转换，转换后的数字量y(kT)通过接口送入计算机，经计算机软件处理后得到反馈数字信号。计算机通过A/D接口电路采集给定信号r(t)得到给定数字信号r(kT)，并将该信号与反馈数字信号比较得到数字偏差e(kT)，然后计算机可以对偏差e(kT)用一定的控制规律（如数字PID算法）进行运算，得到控制信号u(kT)，再经D/A转换器将数字信号u(kT)转换成模拟控制信号u(t)输出到执行器，执行器动作使得被控对象的输出y(t)达到预定的要求。1.1计算机控制系统的产生及原理

图1-2计算机控制系统基本框图1.1计算机控制系统的产生及原理

以计算机为核心的自动控制系统即为计算机控制系统。具体而言，计算机控制就是对被控对象的有关输出参数进行采样并转换成统一的标准信号，通过输入通道将模拟量和数字量表示的各种参数信息传送给计算机，计算机将这些信息和期望的给定信息进行比较，按照预先规定的控制规律进行运算和处理，并通过输出通道输出运算结果，使运算结果以模拟量或数字量的形式去控制被控对象，进而使被控的参数达到预期的目标。从本质上来看，计算机控制系统的工作过程可以归纳为以下三个方面：

1）实时数据采集：对被控对象的瞬时输出值及时进行检测和采集，并经计算机软件处理后得到反映被控对象状态的反馈信息。

2）实时控制决策：首先，必要时计算机会根据实时采集的数据判断是否要进行越限报警和事故预报警；其次，计算机将采集到的给定信号与实时采集的反馈信号进行比较得到偏差，然后按照一定的控制规律产生控制信号，及时作出控制决策。

3）实时控制输出：根据控制决策，对执行机构发出控制信号，完成控制任务。

1.1.2

计算机控制系统的基本工作原理系统中的计算机要按顺序连续不断地重复以上几个步骤的操作，保证整个系统能按预定的性能指标要求正常运行。上述过程中的实时概念是指信号的输入、计算决策和输出都要在一定的时间（采样周期）内完成，控制系统应能在采样周期内及时地检测偏差、纠正偏差，达到规定的要求，若超出采样周期，系统就会失去控制的时机。但是，“实时”不等于“同时”，因为从被控参数的采集到控制输出作出反应，是需要经历一段时间的，即存在一个实时控制的延迟时间，该时间的长短反映实时控制的速度，称为采样周期。只要该时间足够短，不至于错过控制的时机，便可认为该系统具有实时性。不同的控制过程对实时控制速度的要求是不同的。例如，控制运动中的电动机转速和移动部件位移的暂态过程很短，一般要求采样周期较短；而热工、化工类的温度、流量等过程往往是一些慢变化的过程，对它们的控制采样周期往往可以适当长一些。1.1计算机控制系统的产生及原理

采样周期在正常情况下包含数据采集、控制决策和控制输出三个步骤所需时间之和，其中控制决策部分所花时间占的比例一般最大，因此要合理选择控制算法、优化控制程序结构和选用运算速度较高的计算机。在计算机硬件选型方面，一般应选配备有实时时钟和优先级中断处理电路的微型计算机；在软件编程方面，中断处理程序、中断优先级调度是保证微机控制系统实时性的常用手段。1.1计算机控制系统的产生及原理

1.2.1

计算机控制系统硬件的基本构成由于被控对象千差万别，控制任务不同，对控制系统使用的设备也会有不同的需求。各种计算机控制系统的具体组成是千差万别的，但从原理上说都具有共同的结构特点。典型的计算机控制系统的硬件结构如图1-3和图1-4所示。计算机控制系统一般由计算机主机单元、人机接口单元、被控对象和过程通道组成。1.2

计算机控制系统的构成

图1-3基于内部总线计算机控制系统硬件组成基本结构图1.主机单元主机单元由中央处理器、存储器和接口电路等组成，有的主机单元还会带外部存储器（如硬盘）。主机单元是整个系统的指挥部，通过接口和软件可以向系统的各个部分发出命令。其根据输入通道送来的被控对象的状态参数，进行巡回检测、信息处理、分析、计算，按照某种控制规律作出控制决策，通过输出通道发出控制命令等。1.2

计算机控制系统的构成

图1-4基于外部总线计算机控制系统硬件组成基本结构图1.2

计算机控制系统的构成

2.过程通道过程通道是位于计算机和被控对象之间的通道，用来实现控制计算机与被控对象之间的信号传输与转换。按照信号传输的形式，过程通道（I/O通道）可以分为模拟量通道和数字量通道；按照信号传输的方向，过程通道可以分为输入通道和输出通道。因此，过程通道有模拟量输入通道（AI通道）、数字量输入通道（DI通道）、模拟量输出通道（AO通道）和数字量输出通道（DO通道）。被控对象的被控参数一般为连续变化的非电物理量，在模拟量输入通道中先通过传感器把被控参数转换成连续变化的模拟电量信号，再通过变送器将传感器输出的电信号转换成标准的电信号送入AI单元进行A/D转换，把模拟信号转换成计算机能够接收的数字量送入计算机，该数字量经计算机软件处理后即可作为被控对象的输出反馈信号。1.2

计算机控制系统的构成

计算机通过接口电路采集给定信号（操作台信号或通信串口等信号），并将该信号与反馈数字信号进行比较，得到偏差信号，然后用一定的控制规律计算得到数字控制信号，经模拟量输出通道控制被控参数。模拟量输出通道首先通过AO单元的D/A转换器将数字控制信号转换成连续的模拟量控制信号，再经模拟量功放接口电路对信号功率放大去控制可连续动作的执行器动作，进而控制被控对象的参数变化。如果计算机控制系统中有多个被控参数，那么在硬件结构图中就对应有多路模拟量输入通道和模拟量输出通道。在模拟量输入通道中，AI单元一般有多路A/D转换开关，用于选择哪路信号送入A/D转换器进行转换。和模拟量输入通道类似，模拟量输出通道AO单元也可以加入多路开关，用来选择从D/A转换器输出的信号中哪一路驱动功放和执行器动作。数字量通道主要用来传送数字量信号，它的作用是：除了完成编码数字输入/输出以外，还可将各种继电器、限位开关等的状态通过数字量输入通道传送给计算机，或将计算机发出的开关动作逻辑信号经由数字量输出通道传送给运行装置中的各个电子开关或电磁开关等。1.2

计算机控制系统的构成

数字量通道主要用来传送数字量信号，它的作用是：除了完成编码数字输入/输出以外，还可将各种继电器、限位开关等的状态通过数字量输入通道传送给计算机，或将计算机发出的开关动作逻辑信号经由数字量输出通道传送给运行装置中的各个电子开关或电磁开关等。图1-3所示过程通道是插在计算机主机扩展槽之中的，图1-4所示过程通道是通过外部串行总线与计算机主机相连的，两者其他结构基本没有差别。3.人机接口单元人机接口单元主要包括显示器、打印机和操作台等。显示器和打印机等输出设备可以把各种信息和数据以曲线、字符、数字等形式提供给操作人员，以便及时了解控制过程。操作台是操作人员与计算机控制系统进行联系的平台，通过它可以向计算机输入程序、修改内存数据、显示被测参数和发出各种操作命令等。操作台一般至少包含下面三种装置：1）显示器：显示系统的运行状态；2）功能按钮：发出启动、暂停、停止、急停等基本指令；3）数字键盘：实现修改控制参数、制定生产计划等更为复杂。1.2

计算机控制系统的构成

1.2.2

计算机控制系统软件的基本组成软件是指计算机中使用程序的总称。软件通常可分为系统软件和应用软件。1.系统软件（1）操作系统操作系统就是对计算机本身进行管理和控制的一种软件。计算机自身系统中的所有硬件和软件统称为资源。从功能上讲，可把操作系统看成资源的管理系统，实现对CPU、内存、总线、外围设备以及信息的管理。例如，对上述资源的分配、控制、调度和回收等。（2）语言加工系统语言加工系统的功能就是将用户编写的源程序转换成计算机可以执行的机器代码（目标程序）。它主要由编辑器、编译器、链接器、调试器等组成。（3）诊断系统诊断系统是用于测试计算机硬件是否出现故障以及维修计算机的一套软件。1.2

计算机控制系统的构成

2.应用软件（1）控制程序控制程序主要实现对系统的调节和控制。它根据各种控制算法和被控对象的具体情况来编写，主要目标是使系统满足预定的性能指标。（2）数据采集及处理程序数据采集及处理程序包括数据可靠性检查程序（检查是可靠输入数据还是故障数据）、A/D转换及采样程序（完成模拟量到数字量的采样及转换功能）、数字滤波程序（滤除干扰造成的错误，得到真正的实际数据）和线性化处理程序（对检测元件或变送器的非线性进行线性补偿）等。1.2

计算机控制系统的构成

2.应用软件（3）巡回检测程序巡回检测程序包括数据采集程序（完成数据的采集与处理）、越限报警程序（用于在生产中某些物理量超过限定值时报警）、事故预报警程序（根据限定值，检查被控量的变化趋势，若有可能超过限定值则发出事故预告信号）和画面显示程序（用图、表在显示器上形象地反映被控对象的状况）等。（4）数据管理程序数据管理程序用于生产管理，主要包括统计报表程序、生产调度程序、产品销售程序、库存管理程序、产值利润预测程序等。1.2

计算机控制系统的构成

1.3.1

模拟量输入通道模拟量输入通道根据应用要求的不同可以有不同的结构形式。图1-5为多路模拟量输入通道的组成框图。由图1-5可以看出，模拟量输入通道一般由信号处理、模拟开关、放大器、采样-保持器和A/D转换器组成。根据需要，信号处理可选择的内容包括信号放大、信号滤波、信号衰减、阻抗匹配、电平变换、非线性补偿、电流/电压转换等。1.3

过程通道技术

图1-5多路模拟量输入通道的组成框图1.3.2

模拟量输出通道模拟量输出通道是计算机的数据分配系统，它的任务是把计算机输出的数字量转换成模拟量。这个任务主要是由D/A转换器来完成的。对该通道的要求，除了可靠性高、满足一定的精度要求外，输出还必须具有保持的功能，以保证被控对象可靠地工作。当模拟量输出通道为单路量输出通道的结构形式主要取决于输出保持器的构成方式。输出保持器的作用主要是在新的控制信号到来之前使本次控制信号维持不变。保持器一般有数字保持方案和模拟保持方案两种时，其组成较为简单，但在计算机控制系统中，通常采用多路模拟量输出通道。多路模拟，这就决定了模拟量输出通道的两种基本结构形式。1）一个通道设置一片D/A转换器。在这种结构形式下，微处理器和通路之间通过独立的接口缓冲器传送信息，这是一种数字保持的方案。它的优点是转换速度快，工作可靠，即使某一路D/A转换器有故障，也不会影响其他通道的工作；缺点是使用了较多的D/A转换器，但随着大规模集成电路技术的发展，这个缺点正在逐步得到克服。这种方案较易实现。1.3

过程通道技术

一个通道设置一片D/A转换器的形式如图1-6所示。1.3

过程通道技术

图1-6一个通道设置一片D/A转换器2）多个通道共用一片D/A转换器。由于共用一片D/A转换器，所以必须在计算机的控制下分时工作，即依次把D/A转换器转换成的模拟电压（或电流）通过多路模拟开关传送给输出采样-保持器。这种结构形式的优点是节省了D/A转换器，但因为分时工作，只适用于通路数量多且速度要求不高的场合。它还要用多路模拟开关，且要求输出采样-保持器的保持时间与采样时间之比较大。这种方案工作可靠性较差。共用D/A转换器的形式如图1-7所示。1.3

过程通道技术

图1-7共用D/A转换器1.3.3

数字量输入/输出通道1.光电耦合器光电耦合器是计算机控制系统中常用的器件，它能实现输入与输出之间的电隔离。光电耦合器的输入端为发光二极管，输出端为光电晶体管。发光二极管中通过一定值的电流时发出一定的光，被光电晶体管接收，使其导通，而当该电流撤去时，发光二极管熄灭，晶体管截止，利用这种特性即可达到开关控制的目的。不同的光电耦合器，其特性参数也有所不同。光电耦合器的优点是能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，从而使传输通道上的信噪比大大提高。2.数字量输入通道数字量输入通道将现场开关信号转换成计算机需要的电平信号，以二进制数字量的形式输入计算机，计算机通过三态缓冲器读取状态信息。数字量输入通道主要由三态缓冲器、输入调理电路、输入口地址译码器等组成，其结构如图1-8所示。1.3

过程通道技术

2.数字量输入通道数字量（开关量）输入通道接收的状态信号可能是电压、电流、开关的触点状态，容易引起瞬时高压、过电流、接触抖动现象。为了将外部开关量信号输入到计算机，必须将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑电平信号，此过程称为信号调理。三态缓冲器可以选用74HC244或74HC245等。1.3

过程通道技术

图1-8数字量输入通道结构2.数字量输入通道数字量输入实用电路如图1-9所示。当JP1跳线器1-2短路，跳线器JP2的1-2断开、2-3短路时，输入端DI+和DI-可以接干接点（无源开关）信号。当JP1跳线器1-2断开，跳线器JP2的1-2短路、2-3断开时，输入端DI+和DI-可以接湿接点（有源开关）信号。1.3

过程通道技术

图1-9数字量输入实用电路2.数字量输入通道交流输入信号检测电路如图1-10所示。在图1-10中，L1、L2为电感，一般取1000μH；RV为压敏电阻，当交流输入为110V时选标称电压为270V的RV，当交流输入为220V时选标称电压为470V的RV；电阻R1取510kΩ/0.5W，R2取68kΩ/3W，R3取2.4kΩ/0.25W，R4取100Ω/0.25W；电容C取10μF/25V；光电耦合器VLC可选TLP620或PS2505-1。L、N为交流输入端。当按钮SB按下时，IO输出0；当按钮SB未按下时，IO输出1。1.3

过程通道技术

图1-10交流输入信号检测电路3.数字量输出通道数字量输出通道将计算机的数字输出转换成现场各种开关设备所需要的信号。计算机通过锁存器输出控制信息。数字量输出通道主要由锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码器等组成，其结构如图1-11所示。锁存器可以选用74HC273、74HC373或74HC573等。1.3

过程通道技术

图1-11数字量输出通道结构3.数字量输出通道继电器方式的开关量输出是目前最常用的一种输出方式。一般在驱动大型设备时，往往利用继电器作为控制系统输出到输出驱动级之间的第一级执行机构，通过第一级继电器输出，可完成从低压直流到高压交流的过渡。继电器输出电路如图1-12所示，在经电光耦合器后，直流部分给继电器供电，而其输出部分则直接与220V市电相接。1.3

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图1-12继电器输出电路3.数字量输出通道继电器输出也可用于低压场合，与晶体管等低压输出驱动器相比，继电器输出时输入端与输出端有一定的隔离功能，但由于采用电磁吸合方式，在开关瞬间，触点容易产生火花，从而引起干扰。对于交流高压等场合的使用，触点还容易氧化。由于继电器的驱动线圈有一定的电感，在关断瞬间可能会产生较大的电压，因此在继电器的驱动电路上常常反接一个保护二极管用于反向放电。不同的继电器允许的驱动电流也不一样，在设计电路时可适当加一限流电阻，如图1-12中的电阻R3。当然，图1-12中是用达林顿晶体管输出的光电耦合器直接驱动继电器，而在某些需较大驱动电流的场合，则可在光电耦合器与继电器之间再接一级晶体管以增加驱动电流。图1-12中，VT可取9013晶体管，光电耦合器VLC可取达林顿晶体管输出的4N29或TIL113，加二极管VD的目的是消除继电器线圈产生的反电动势，R4、C为灭弧电路。1.3

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4.脉冲量输入/输出通道脉冲量输入/输出通道与数字量输入/输出通道没有什么本质的区别，实际上是数字量输入/输出通道的一种特殊形式。脉冲量往往有固定的周期或宽度固定、频率可变的高低电平，有时高低电平的宽度与频率均可变。脉冲量是工业测控领域较典型的一类信号，如工业电度表输出的电能脉冲信号，水泥、化肥等物品包装生产线上通过光电传感器发出的物品件数脉冲信号，档案库、图书馆、公共场所人员出入次数通过光电传感器发出的脉冲信号等，处理上述信号的过程称为脉冲量输入/输出通道。如果脉冲量的频率不高，其接口电路同数字量输入/输出通道的接口电路；如果脉冲量的频率较高，则应使用高速光电耦合器。1.3

过程通道技术

（1）脉冲量输入通道脉冲量输入通道应用电路如图1-13所示。其中，R1、C构成RC低通滤波电路，过零电压比较器LM311接成施密特电路，输出信号经光电耦合器VLC隔离后送往计算机脉冲测量IO端口。除可以采用8253对脉冲量进行计数外，还可以采用单片微控制器的捕获定时器对脉冲量进行计数。1.3

过程通道技术

图1-13脉冲量输入通道应用电（2）脉冲量输出通道脉冲量输出通道应用电路如图1-14所示。其中，IO为计算机的输出端口；VLC1可选光电耦合器PS2501-1，VLC,可选PS7341-1A或AQV214PhotoMOS继电器；RV为压敏电阻，其电压值由所带负载电压决定。由于采用了两次光电隔离，此电路具有很强的抗干扰能力。1.3

过程通道技术

图1-14脉冲量输出通道应用电路在控制系统设计中，工业计算机的选择至关重要。计算机的运算速度、内存大小及存储容量等关键参数，是决定控制系统性能的核心要素。1.4.1

控制用计算机的主要特点计算机是计算机控制系统的核心部件，应用于工业控制的计算机主要有工业控制计算机（IndustrialPersonalComputer，IPC）、可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicnController，PLC）和微控制器单元（MicrocontrollerUnit，MCU）等类型。根据计算机控制系统规模的大小和控制参数的复杂程度，可以选择不同的控制用计算机。一般小型系统选择微控制单元，中型或大型系统选择工业控制计算机、可编程逻辑控制器。微控制单元大多应用于便携式设备。计算机控制工程应用较多的还是工业控制计算机和可编程逻辑控制器。后两者都形成了系列产品，用户可根据需要进行模块选配，组成不同的计算机控制系统。下面以工业控制计算机为例介绍控制用计算机的主要特点。那么科学计算或办公室自动化所用的计算机与工业控制计算机主要有什么区别呢？任何一台可用的计算机都是由硬件和一些软件构成的，这是所有计算机的共性，控制用计算机主要有以下特点：1.4

工业计算机的选择1.较高的可靠性控制用计算机通常用于控制不间断的生产过程，在运行期间不允许停机检修，一旦发生故障将会导致质量事故，甚至生产事故。因此要求控制用计算机具有很高的可靠性，也就是说要有许多提高安全可靠性的措施，以确保平均无故障工作时间达到几万小时，同时尽量缩短故障修复时间，以达到很高的运行效率。在可靠性要求更高的场合，控制用计算机要有双机工作及冗余系统，包括双控制站、双操作站、双网通信、双供电系统、双电源等；具有双机切换功能、双机监视软件等，以确保系统长期不间断地运行。为使程序跑飞系统也能自动恢复正常，看门狗电路已成为控制用计算机设计中不可缺少的一部分。它能在系统出现故障时迅速报警，并在无人干预的情况下，使系统自动恢复运行。1.4

工业计算机的选择2.较完善的输入/输出通道对于使用图1-3所示结构的计算机控制系统来说，控制用计算机要能够安装多种功能的过程输入和输出配套模板，如模拟量、开关量、脉冲量、频率量等输入/输出模板。由于计算机控制系统具有多种类型的信号调理功能（如隔离型和非隔离型信号调理，各类热电偶、热电阻信号输入调理，电压（V）和电流（mA）信号输入和输出的调理等），因此要求控制用计算机具有灵活的扩展性，具有较完善的输入/输出通道可插入相关模板。3.较好的恶劣工作环境下的适应性工业现场环境恶劣，电磁干扰严重，供电系统也常受大负荷设备起、停的干扰，其接地系统复杂，共模及串模干扰大。因此要求控制用计算机具有很强的环境适应能力，如对温度、湿度变化适应性强，要有防尘、防腐蚀、防振动冲击的能力，要具有较好的电磁兼容性和高抗干扰能力以及高共模抑制的能力。1.4

工业计算机的选择4.较高的实时配置要求控制用计算机对生产过程进行实时控制与监测，因此要求它必须实时地响应控制对象各种参数的变化。当过程参数出现偏差或故障时，控制用计算机能及时响应，并能实时地进行报警和处理。为保证计算机控制系统具有实时性，控制用计算机常配备有实时时钟和优先级中断处理电路。5.较丰富的软件配置控制用计算机往往配置专用性很强的控制算法和控制策略软件对被控的生产过程进行控制，这些程序大部分写在Eprom中，并周而复始地工作。其控制软件包的功能一般较强，要具备人机交互方便、界面丰富、实时性好等性能，具有系统组态和系统生成功能，具有实时及历史的趋势记录与显示功能，具有实时报警及事故追忆功能等。此外，尚须具有丰富的控制算法。除了常规PID控制算法外，还应具有一些高级控制算法，如模糊控制、神经元网络、最优化、自适应、自整定等算法，并具有在线自诊断功能。目前一个优秀的控制1.4

工业计算机的选择5.较丰富的软件配置软件包往往将连续控制功能与断续控制功能相结合。目前制造业自动化生产线上广泛使用的可编程逻辑控制器和工业控制计算机都具有较丰富的软件配置，可供用户选用。6.较好的开放性要求控制用计算机具有开放性体系结构，也就是说在主机接口、网络通信、软件兼容及升级等方面遵守开放性原则，以便于系统扩展、异机连接、软件部署。1.4

工业计算机的选择1.4.2

计算机速度的选择在确定计算机的运行速度时，应考虑到下述几个方面的要求和限制条件：1）控制系统所需的计算工作量（包括完成控制算法及系统各种管理程序的计算）。2）系统采用的采样周期。为了减少在一个采样周期内的计算工作量，对不同的工作任务可以采用不同的采样周期，即实现多采样速率控制。3）计算机的指令系统和时钟频率。为提高运算速度，可提高计算机时钟的频率。4）硬件的支持。对于某些由软件实现的功能，若采用硬件实现可以减少运算时间，如采用硬件浮点乘法运算部件将会极大地提高计算机的运行速度。1.4

工业计算机的选择

1.4

工业计算机的选择

1.4

工业计算机的选择

1.4

工业计算机的选择1.4

工业计算机的选择

1.4

工业计算机的选择（4）与采样周期的关系计算机的字长还与采样周期有关。若采样周期减小，但又希望量化误差保持不变，则所需的计算机的字长就要相应增加。对于计算工作量小、计算精度要求不高的系统可选用8位机（如线切割机等普通机床的控制、温度控制等），对于计算精度高的系统可选用16位或32位机（如控制算法复杂的生产过程控制，特别是对大量的数据进行处理等场合）。选择计算机时，还应当考虑成本高低、程序编制难易以及扩充输入/输出接口是否方便等因素。目前，在计算机控制系统中常用的主机有微控制单元和微机（工控机）。微控制单元在一个集成电路中包括计算机四个基本组成部分（CPU、ROM、RAM和I/O接口），具有价格廉、体积小、功能全、面向控制的特点，可满足很多场合的应用，缺陷是需要用开发系统对其软硬件进行开发，编程平台过于简单。微机系统有丰富的系统软件，可用高级语言、汇编语言编程，程序的编制和调试都很方便，缺陷是体积较大，成本较高，当将其应用于控制小系统时，往往不能充分利用其全部功能。1.4

工业计算机的选择1.5.1

操作指导系统20世纪70年代，人们在测量、模拟和逻辑控制领域率先使用了数字计算机，从而产生了集中式控制。操作指导系统具有数据采集和处理功能，提供被控对象的各种工况数据，为操作人员提供操作参考。该系统是计算机应用于生产过程控制较早的一种类型。其把需要采集的过程参数经过模拟量输入（AI）通道和数字量输入（DI）通道送入计算机，计算机对这些输入量进行计算处理（如数字滤波、标度变换、越限报警等），并按需要进行显示和打印输出，操作人员根据计算机输出信息改变调节器的给定值或直接操作执行机构，如图1-15所示。1.5

计算机控制系统的基本类型图1-15操作指导系统由于计算机具有速度快、运算方便等特点，在过程参数的测量和记录中可以代替大量的常规显示和记录仪表，对整个生产过程进行集中监视。操作指导系统主要是对大量的过程参数进行巡回检测、数据记录、数据计算、数据统计和处理、参数的越限报警及对大量数据进行积累和实时分析。这种应用方式，结构简单，控制灵活安全，不足之处是人工操作速度受到限制。1.5

计算机控制系统的基本类型1.5.2

直接数字控制系统直接数字控制（DirectDigitalControl，DDC）系统是计算机在工业中应用最普遍的一种方式。它是用一台计算机对多个被控参数进行巡回检测，检测结果与给定值进行比较，并按预定的控制律[如比例积分微分（PID）控制律]进行运算，其输出直接控制被控对象，使被控参数稳定在给定值上，如图1-16所示。1.5

计算机控制系统的基本类型图1-16直接数字控制系统DDC系统有一个功能齐全的操作控制台，给定、显示、报警等集中在这个控制台上，操作方便。DDC系统中的计算机不仅能完全取代模拟调节器，实现多回路的PID调节，而且不需要改变硬件，只通过改变程序就能有效地实现较复杂的控制，如前馈控制、串级控制、自适应控制、最优控制、模糊控制等。DDC系统属于闭环自动控制系统，在给定输入并正常工作的情况下，其工作过程不需要人工参与，是一种最基本、最普遍的反馈控制系统。更重要的是，利用计算机可以构成多回路控制系统，同时控制不同的被控对象及参数，各控制回路的不同控制规律只需用不同的算法程序就能够实现，而且在不需要更多硬件投入的情况下就可以实现各种复杂的控制算法。1.5

计算机控制系统的基本类型DDC系统是计算机用于工业生产过程控制的一种典型系统，在热工、化工、机械、建材、冶金等工程领域已获得广泛应用。当然，面对庞大、复杂的被控对象，采用集中控制的方法可以解决这些变量之间的关联性问题，适当的集中也是必要的。但由于当时计算机的性能问题，一台计算机担当如此繁多的任务，使整个计算机控制系统的过程通道庞大复杂、造价昂贵，造成了整个系统的运行风险高度集中，系统运行过程中潜伏着极大的不安全因素。1.5

计算机控制系统的基本类型1.5.3

监督计算机控制系统在DDC系统中使用计算机代替模拟调节器进行控制，对生产过程产生直接影响的被控参数给定值是预先设定的，并存入计算机的内存中，这个给定值不能根据生产工艺信息的变化及时修改，故DDC系统无法使生产过程处于最优工况。在监督计算机控制（SupervisoryComputerControl，SCC）系统中，计算机按照描述生产过程的数学模型计算出最佳的给定值送给模拟调节器或DDC的计算机，模拟调节器或DDC计算机控制生产过程，从而使生产过程始终处于最优工况。SCC系统较DDC系统更接近生产变化的实际情况，它不仅可以进行给定值控制，而且可以进行顺序控制、自适应控制及最优控制等。SCC系统有两种结构形式：一种是SCC+模拟调节器；另一种是

SCC+DDC系统。1.5

计算机控制系统的基本类型在SCC+模拟调节器系统中，由计算机对各种物理量进行巡回检测，按一定的数学模型计算出最佳给定值并送给模拟调节器。此给定值在模拟调节器中与测量值进行比较后，其偏差值经模拟调节器计算后输出到执行机构，以达到调节生产过程的目的。当SCC的计算机出现故障时，可由模拟调节器独立完成操作。1.5

计算机控制系统的基本类型图1-17SCC+模拟调节器SCC+DDC系统是一个两级计算机控制系统，上级为监控级SCC，下级为DDC。监控级SCC的作用与SCC+模拟调节器系统中的SCC一样，完成车间或工段等高一级的最优化分析和计算，并给出最佳给定值，送给下级直接控制生产过程。两级计算机之间通过接口进行信息交流，可由SCC的计算机完成DDC的控制功能，因此提高了系统的可靠性。1.5

计算机控制系统的基本类型图1-18SCC+DDC系统总之，SCC系统比DCC系统具有更大的优越性，它能始终使生产过程在最优状态下运行，从而避免不同的操作者用各自的办法调节控制器的给定值造成控制差异。SCC系统的控制效果主要取决于数学模型，以及合适的控制算法和完善的应用程序。因此，SCC系统对软件的要求更高。SCC的计算机应有较强的计算能力和较大的内存容量及丰富的软件系统。由于SCC的计算机承担了先进控制、过程优化与部分管理任务，信息存储量大，计算任务重，故要求有较大的内存与外存和较为丰富的软件，所以一般选用高档微型机作为SCC的计算机。1.5

计算机控制系统的基本类型1.5.4

集散控制系统20世纪80年代，由于微计算机的出现而产生了集散控制系统（DistributedControl

System，DCS），又称为分布式控制系统。它以微处理器为核心，实现地理和功能上的控制，同时通过高速数据通道将各个分散点的信息进行集中监视和操作，并实现复杂的控制和优化。DCS的设计原则是分散控制、集中操作、综合管理，形成分级分布式控制，其一般组成结构如图1-19所示。1.5

计算机控制系统的基本类型图1-19集散控制系统DCS与过去的集中控制系统相比具有以下特点：1）控制分散，信息集中。采用大系统递阶控制的思想，生产过程的控制采用全分散的结构，而生产过程的信息则全部集中并存储于数据库，利用信息高速公路或通信网络输送到有关设备。这种结构使系统的危险性分散，提高了可靠性。2）系统模块化。在DCS中有许多不同功能的模块，如CPU模块、AI和AO模块、DI和DO模块、通信模块、显示模块、存储器模块等，选择不同数量和不同功能的模块可组成不同规模和不同要求的硬件环境。同样，系统的应用软件也采用模块化结构，用户只需借助于组态软件，即可方便地将所选硬件和软件模块连接起来组成控制系统。若要增加某些功能或扩大规模，只要在原有系统上增加一些模块再重新组态即可。显然，这种软、硬件的模块化结构提高了系统的灵活性和可扩展性。3）数据通信。利用高速数据通道连接各个模块或设备，并经通道接口与局域网络相连，从而保证各设备间的信息交换及数据库和系统资源的共享。1.5

计算机控制系统的基本类型4）人机接口。操作员可通过人机接口及时获取整个生产过程的信息，如流程画面、趋势显示、报警显示、数据表格等。同时，操作员还可以通过功能键直接改变操作量，干预生产过程、改变运行状况或进行事故处理。5）可靠性高。在DCS中采用了各种措施来提高系统的可靠性，如硬件自诊断系统、通信网络、电源以及输入/输出接口等关键部分的热备。并且，由于各个控制功能的分散，使得每台计算机的任务相应减少，同时多台同样功能的计算机之间有很大的冗余量，必要时可重新排列或调用备用机组。因此，DCS的可靠性相当高。总之，集散型计算机控制系统要解决的不是局部优化控制的问题，而是一个综合目标函数优化的问题。综合目标函数不仅包括产量、质量等技术效应指标，而且包括能耗、成本等经济效应指标，以及污染等环境效应指标和安全可靠性社会效应指标。1.5

计算机控制系统的基本类型1.5.5

现场总线控制系统现场总线控制系统（FieldbusControlSystem，FCS）是20世纪80年代中期在国际上发展起来的新一代分布式控制系统。它采用不同于DCS的“工作站、现场总线、智能仪表”结构模式，降低了系统总成本，提高了可靠性，且在统一的国际标准下可实现真正的开放式互连系统结构，因此是一种具有发展前途的真正的分散控制系统。其结构如图1-20所示。1.5

计算机控制系统的基本类型图1-20现场总线控制系统1946年2月15日，世界上第一台计算机

——

电子数字积分计算机（ElectronicNumerical

IntegratorandComputer，ENIAC）在美国宾夕法尼亚州立大学诞生，从此，计算机在世界各国得到极大重视和迅速发展。计算机控制技术是计算机技术与控制理论相结合的产物，因此，其产生和发展与计算机技术及控制理论的发展是密切相关的。1.6.1

计算机控制系统的发展概况1.计算机控制理论的发展过程采样系统理论是计算机控制系统的重要理论，为计算机控制技术的实现及应用奠定了重要的基础。1）采样理论：采样是将信号（如连续时间或空间的函数）转换为一系列值（如离散时间或空间的函数）的过程。由离散的序列值如何不失真地重现连续信号，这个问题是由美国学者奈奎斯特（HarryNyquist）解决的，他证明了要把正弦信号从它的采样值中复现出来，每个周期至少必须采样两次。香农（ClaudeShannon）于1949年基本完全解决了这个问题。1.6

计算机控制系统的发展与趋势1.计算机控制理论的发展过程2）z变换理论：拉普拉斯变换理论已经成功地应用于连续系统，人们自然想到为采样系统寻找一种类似的变换理论。德国学者赫尔维茨（Hurwitz）于1947年对序列引入一个变换：这种变换由美国学者拉格兹尼（Ragazzini）和扎德（Zadeh）于1952年定义为z变换。随后许多学者研究，建立了z变换理论。3）状态空间理论：状态空间理论的建立由许多学者共同完成，如苏联学者庞特里亚金（Pontryagin）、美国学者贝尔曼（Bellman）和美国数学家莱夫谢茨（Lefschetz）等。美国学者卡尔曼（Kalman）于1960年给出能控性和能观性概念，并证明和完善了相关理论。1.6

计算机控制系统的发展与趋势1.计算机控制理论的发展过程4）最优控制和随机控制：20世纪50年代后期，贝尔曼和庞特里亚金证明了许多设计问题可以形式化为最优化问题。随后，随机控制理论的发展引出线性二次高斯型优化理论。5）自适应控制理论：瑞典学者奥斯特隆姆（Aström）和威顿马克（Wittenmark）等在系统辨识和自适应控制方面做出了重要贡献，提出了模型参考自适应和自校正调节器理论。6）先进控制理论：随着科技的飞速发展，控制理论也得到快速发展，主要控制理论有预测控制、内模控制、鲁棒控制、学习控制、网络控制、模糊控制、神经网络控制理论等。先进控制理论主要解决传统的和经典控制理论难以解决的控制问题。最近深度学习、大数据理论等智能理论发展迅速，出现了许多智能控制算法和理论，与先进控制理论相互促进、相互融合，将加速先进控制理论的发展。1.6

计算机控制系统的发展与趋势2.计算机控制技术的发展过程在生产过程控制中采用数字计算机的思想出现在20世纪50年代中期，最重要工作始于1956年3月，美国得克萨斯州的一个炼油厂与美国TRW公司合作进行计算机控制研究，历时三年，设计出一个RW-300计算机控制的聚合装置系统，该系统控制26个流量，72个温度，3个压力，3个成分，控制目标是使反应器压力最小，确定对5个反应器供料的最佳分配，根据催化剂活性测量结果控制热水的流量并确定最优循环。计算机控制技术的发展一般可以分为以下4个阶段：1）开创时期（1955年—1962年）：采用电子管元件作为基本器件，用光屏管或汞延时电路作为存储器，输入与输出主要采用穿孔卡片或纸带，体积大、耗电量大、速度慢、存储容量小、可靠性差、维护困难且价格高。过程控制对计算机提出许多特殊要求，需要对各种过程命令作出快速响应，推动了中断技术的发明。1.6

计算机控制系统的发展与趋势2.计算机控制技术的发展过程2）直接数字控制时期（1962年—1967年）：早期的计算机控制属于操作指导或设定值控制,仍然需要模拟控制装置。1962年，英国的帝国化学工业公司利用计算机完全代替原来的模拟控制，该计算机控制224个变量和129个阀门。称作直接数字控制。直接数字控制的重要优点是其灵活性。3）小型计算机时期（1967年—1972年）：由晶体管代替电子管作为计算机的基础器件，用磁芯或磁鼓作为存储器，整体性能比第一代计算机有了很大提高，出现了各种类型的适合工业控制的小型计算机，对于较小的工程问题，也可以使用计算机控制，从而计算机控制系统得到迅速发展。4）微型计算机时期（1972年至今）：随着大规模集成电路的成功制作并用于计算机硬件生产过程，计算机的体积进一步缩小，性能进一步提高，出现了微型计算机，相应出现了各种计算机控制系统。1.6

计算机控制系统的发展与趋势1.6.2

计算机控制系统的发展趋势最初，人们研制电子计算机的根本目的是提高运算速度，解决一些复杂的计算问题。后来人们发现计算机不仅运算速度快，而且实时性能好，能够进行逻辑分析和逻辑判断，因此其产生后不久就被应用到控制系统中。计算机控制系统是测量技术、计算机技术、通信技术和控制理论的结合。由于计算机具有大量存储信息的能力、强大的逻辑判断能力及快速运算的能力，使计算机控制能够解决常规控制所不能解决的难题，达到常规控制达不到的优异性能指标，其发展前景是非常广阔的。1.先进的控制理论由于传统控制理论难以解决一些工业控制的问题，考虑采用先进的控制理论。下面简单描述4种主要先进控制理论。1.6

计算机控制系统的发展与趋势1.先进的控制理论（1）最优控制在生产过程中，为了提高产品的质量和产量，节约原材料、降低成本，常要求生产过程处于最佳工作状况。最优控制是恰当地选择控制规律，在控制系统的工作条件不变及某些物理条件的限制下，使系统的某种性能指标取得最大值或最小值，即获得最好的经济效益。（2）预测控制由于工业对象通常是多输入多输出的复杂关联系统，具有非线性、时变性、强耦合与不确定性等特点，难以得到精确的数学模型。面对理论发展和实际应用之间的不协调，20世纪70年代中期在美国、法国等国家的工业过程控制领域首先出现了一类新型计算机控制算法，如动态矩阵控制、模型算法控制。这类算法以对象的阶跃响应或脉冲响应直接作为模型，采用动态预测、滚动优化的策略，具有易于建模、鲁棒性强等显著优点，十分适合复杂工业过程的特点和要求。1.6

计算机控制系统的发展与趋势（3）自适应控制在最优控制系统中，当被控对象的工作条件发生变化时，就不再是最优状态了。若在系统本身工作条件变化的情况下，能自动地改变控制规律，使系统仍能处于最佳工作状态，其性能指标仍能取得最佳，这就是自适应控制。自适应控制包括性能估计（系统辨识）、决策和更新三部分。（4）模糊控制在自动控制领域中，对于难以建立数学模型、非线性和大滞后的控制对象，模糊控制技术具有很好的适应性。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。模糊控制是一种非线性控制，属于智能控制的范畴。1.6

计算机控制系统的发展与趋势2.先进的控制技术（1）使用智能检测仪表随着微电子技术、大规模集成电路技术等的快速发展，智能仪表得到飞速发展，容易构建规模灵活的分布式计算机控制系统。（2）PLCPLC是用于控制生产过程的新型自动控制装置。近年来，由于开发了具有智能I/O模块的PLC，它可以将顺序控制和过程控制结合起来，实现对生产过程的控制，并具有很高的可靠性。（3）使用新型的DCS和FCS发展以工业以太网和现场总线技术等先进网络通信技术为基础的DCS和FCS控制结构，采用先进的控制策略，实现计算机集成制造系统、计算机集成过程系统。1.6

计算机控制系统的发展与趋势3.网络化与智能化（1）控制系统网络化对网络化控制系统（NetworkedControlSystem，NCS）的研究已经成为当前自动化领域的前沿课题之一。通信网络作为一个系统环节嵌入控制系统，丰富了工业控制技术和手段，使自动化系统与工业控制系统在体系结构、控制方法及人机协作方法等方面都发生了较大变化，同时也带来了一些新的问题，如控制与通信的耦合、时间延迟、信息调度方法、分布式控制方式与故障诊断等。将现场总线、以太网、多种工业控制网络互联，嵌入式技术和无线通信技术融合到工业控制网络中，在保证控制系统原有的稳定性、实时性等要求的同时，又增强了系统的开放性和互操作性，提高了系统对不同环境的适应性。在经济全球化的今天，这一工业控制系统网络化及其构成模式使企业能够适应空前激烈的市场竞争，有助于加快新产品的开发、降低生产成本、完善信息服务，具有广阔的发展前景。1.6

计算机控制系统的发展与趋势3.网络化与智能化（2）控制系统智能化人工智能是用计算机模拟人工所从事的推理、学习、思考、规划等思维活动，从而解决需要人类专家才能处理的复杂问题。人工智能的产生与发展促进了自动控制向着当今最高层次智能控制发展。智能控制代表了自动控制的最新发展阶段，也是应用人工智能实现人类脑力劳动和体力劳动自动化的一个重要领域。自动控制在发展过程中既面临严峻挑战，又存在良好发展机遇。为了解决自动控制面临的难题，一方面要推进控制硬件、软件和智能技术的结合，实现控制系统的智能化；另一方面要实现自动控制科学与人工智能、计算机科学、信息科学、系统科学和生命科学等的结合，为自动控制提供新思想、新方法和新技术，创立自动控制的交叉新学科—智能控制，并推动智能控制的发展。1.6

计算机控制系统的发展与趋势4.综合生产与管理随着现代管理技术、制造技术、自动化技术、网络通信技术、冗余及自诊断技术、系统工程理论等的快速发展，计算机控制系统采用了多层分级结构，适应现代化生产的控制与管理需求，目前已成为工业过程控制的主流系统。其可以实现数据自动采集及处理、工艺画面显示、参数超限报警、设备故障报警和报表打印等功能，并对主要工艺参数形成历史趋势记录，方便随时查看，并设置了安全操作级别，方便了管理，又使系统运行更加安全可靠；还可以将企业生产过程中全部有关人员、技术、经营管理三要素及其信息流、物流有机地综合并优化运行，提升企业运行的经济效益。1.6

计算机控制系统的发展与趋势

1.7

计算机控制系统的性能与设计

1.7

计算机控制系统的性能与设计1.7.2

计算机控制系统的设计计算机控制系统是一种混合信号系统，连续控制系统理论比较成熟，所以一般计算机控制系统的设计方法分为以下两大类。1）基于连续域的设计方法：将计算机控制系统看成连续系统，在连续域上设计得到连续控制器，再采用不同方法将其离散化（数字化）。如图1-21所示，从A、A′两点来看，将计算机系统看作黑箱，则系统可以看成连续系统。这种离散化将会产生误差，并与采样周期大小有关，是目前常用的近似设计方法。由于连续域的设计方法已经比较成熟，该方法是比较常用的一种控制系统设计方法。1.7

计算机控制系统的性能与设计图1-21基于连续域的设计方法2）离散域直接设计方法：将计算机控制系统看成纯离散信号系统，首先将系统中连续部分离散化，然后直接在离散域进行设计，得到数字控制器。这种方法是一种准确的设计方法，日益受到重视。如图1-22所示，从D、D′两点来看，又可将计算机控制系统看成纯离散信号系统。总之，正确选择采样间隔时间是需要特别重视的问题。另外，从设计中使用的数学模型不同，可以分为基于z传递函数的经典设计方法和基于系统离散状态空间模型的状态空间设计法。1.7

计算机控制系统的性能与设计图1-22离散域直接设计方法本章深入探讨了计算机控制系统的核心概念、构成要素、应用形态、发展动态，以及计算机控制系统的理论与设计挑战，对涉及计算机控制系统的各项技术进行了全面阐述，构成了全书的框架。因此，读者需细致阅读并深入理解，特别应重点掌握以下内容：1）计算机控制系统采用计算机及其配套的输入/输出信号转换装置和控制算法，替代了传统的控制器，形成一类新型的控制系统。该系统通常由计算机、执行机构、被控对象以及测量与传输单元等组成，通过实时数据采集、实时数据处理与决策、实时控制输出这三个基本环节来实现控制目标。2）计算机控制系统的硬件是实现控制功能的物理基础。其硬件构成的核心在于过程输入/输出通道的设计，该通道是连接计算机与工业现场的关键环节，负责信号的转换与传递。输入通道分为模拟量输入与数字量（开关量）输入两类，用于检测现场状态；输出通道同样分为模拟量输出与数字量输出两类，用于实施控制动作。除过程通道外，硬件系统的设计还需综合考虑计算机主机的选型、人机接口的设计，以及保障系统可靠性与可维护性的基本要求。本章小结3）计算机控制系统的常见形式包括操作指导系统、直接数字控制系统、监督计算机控制系统、集散控制系统和现场总线控制系统等，每种系统类型均具有其独特的特性和适用场景，用户需根据具体的控制任务来选择合适的控制系统类型。4）计算机控制系统不仅能够实现反馈控制系统的功能，还能够承担其他多种自动化控制系统的任务。理解计算机控制系统的基本类型，有助于深化对计算机控制系统应用范围和功能特性的认识。5）随着计算机技术的持续进步，计算机控制系统亦经历了相应的发展阶段，通常可分为四个时期。近期，在网络通信技术、人工智能、大数据等领域的快速发展推动下，计算机控制系统正朝着网络化、智能化、综合自动化等方向演进。6）计算机控制系统的理论问题涉及信号转换、被控对象建模与性能分析、控制算法设计、控制系统仿真，以及系统的实现等关键领域。对这些问题的掌握，将有助于深入理解后续章节的内容。计算机控制系统的理论分析与设计呈现出诸多独特特征，其设计方法主要分为基于连续域的设计和离散域的直接设计两大类别。本章小结第2章计算机控制系统信号分析引言

计算机控制系统作为一种模拟与数字组件共存的混合系统，其信号传输与转换过程具有内在复杂性，由于计算机处理数字信号而实际系统多为连续系统，给定值、反馈量及被控对象均为连续时间函数，这种集成导致了信息表示与运算形式的不一致性，因此需要对两种形式的信息进行转换以实现系统设计与分析。本章将深入探讨计算机控制系统中的信号转换问题，系统阐述采样、量化和信号恢复过程对系统特性的显著影响；通过时域、复域和频域对采样信号进行详细分析，探讨D/A和A/D转换的技术指标与工程化技术，分析采样信号恢复与保持器的特性，阐述信号量化的具体影响，并介绍D/A和A/D转换的基本原理；最后基于新一代科学计算与系统建模仿真平台MWORKS的应用实例，展示正弦信号的理想采样与恢复过程，从而构建从理论分析到工程实践的完整研究框架。2.1计算机控制系统中的信号图2-1计算机控制系统框图及其信号表示2.1计算机控制系统中的信号在计算机控制系统中，每个采样周期都要进行一次控制信号反馈。因此，在每个采样周期内控制器都要完成3项工作：对连续信号进行采样、编码（A/D转换），然后进行必要的数码运算，最后将运算结果由输出寄存器经解码网络把数码转换成连续信号（D/A转换）。1.A/D转换

A/D转换器的作用是将连续的模拟信号转换成离散的数字信号，通常A/D转换包含采样/保持、量化和编码，如图2-2所示。将采样信号在数值上表示成二进制数的过程称为量化和编码。

图2-2A/D转换器功能描述框图2.1计算机控制系统中的信号如果采用四舍五入的整量化方法，A/D转换器的编码过程如图2-3所示，图中表示的数码是采用4位A/D转换所得的结果（其中q为量化单位）。由图可见，编码会使得信号失真，给系统带来误差。为了减少编码引起的不利影响，一般要求量化单位足够小，这样就要求计算机和A/D、D/A转换器有足够的字长。若采样编码过程可以近似瞬间完成，并用理想脉冲等效替代数字信号，则数字信号可以看成脉冲信号，A/D转换器可以用理想采样开关来替代。图2-3A/D转换的编码过程2.D/A转换D/A转换器的作用是将数字信号转换为模拟信号，D/A转换的过程包含解码和保持，如图2-4所示。D/A转换过程是将数字信号转换成连续的模拟信号的过程，如图2-5所示。2.1计算机控制系统中的信号图2-4D/A转换器功能描述框图图2-5D/A转换的信号恢复过程

D/A转换最简单的方法是利用计算机的输出寄存器，使得每个采样周期内保持数字信号为常值（即零阶保持器），然后再经过D/A转换器的解码网络，将数字信号转变为连续的模拟阶梯信号，这样计算机控制系统就被模拟化了。对于量化环节而言，当量化单位很小，即得到的数字量的字较长时，量化引起的误差基本可以忽略，在计算机控制系统的分析及设计过程中通常不考虑。如果忽略量化效应等因素，常将数字信号和离散模拟信号统称为离散信号（或采样信号），而模拟信号也可称为连续信号，模拟控制系统可称为连续控制系统，而计算机控制系统常称为数字控制系统，有时也称为离散控制系统。2.1计算机控制系统中的信号2.2

采样过程的数学描述及特性分析

图2-6采样过程的简要描述

2.2

采样过程的数学描述及特性分析图2-7理想采样开关的数学描述

2.2

采样过程的数学描述及特性分析图2-8采样器—脉冲幅度调制器

2.2

采样过程的数学描述及特性分析

2.2

采样过程的数学描述及特性分析

2.2

采样过程的数学描述及特性分析图2-10例2-1对应不同采样周期时的输出信号

2.2

采样过程的数学描述及特性分析

2.2

采样过程的数学描述及特性分析

2.2

采样过程的数学描述及特性分析

2.2

采样过程的数学描述及特性分析

2.2

采样过程的数学描述及特性分析

2.2

采样过程的数学描述及特性分析

2.2

采样过程的数学描述及特性分析

2.2

采样过程的数学描述及特性分析图2-11F(s)及F∗(s)极点分布图

2.2

采样过程的数学描述及特性分析

2.2

采样过程的数学描述及特性分析图2-12频谱图

2.2

采样过程的数学描述及特性分析图2-13采样信号频谱的两种情况

2.2

采样过程的数学描述及特性分析2.2.4采样周期T的选择采样周期T的选择是实现计算机控制系统的一个关键问题。采样周期取得大些，在计算工作量一定的情况下，对计算机运行速度、A/D及D/A转换速度的要求就可以低些，从而降低系统的成本，也可以有较充裕的时间允许系统采用更复杂的算法。但采样周期过大又会使系统的性能降低，导致系统动态品质恶化，甚至导致系统不稳定，前功尽弃。采样周期的选择与很多因素有关，比较明显的因素有控制系统的动态品质指标、被控对象的动态特性、扰动信号的频谱、控制算法与计算机性能等。目前采样周期的选择是在一般理论指导下，结合实际对象进行初步选择，然后再在实践中通过实验来确定的。对于惯性大、反应慢的生产过程，采样周期T要选长一些，不宜调节过于频繁。虽然T越小，复现原连续信号的精度越高，但是计算机的负担加重。因此，一般可根据被控对象的性质大致地选用采样周期，表2-1列出了某些经验数据。2.2

采样过程的数学描述及特性分析

2.2

采样过程的数学描述及特性分析图2-14频谱法分析系统2.2.4采样周期T的选择根据经验，用计算机来实现模拟校正环节功能时，选择采样角频率为在快速系统中，也可以根据系统上升时间来确定采样周期，即保证上升时间内2～4次采样。设Tr为上升时间，Nr为上升时间采样次数，则经验公式为2.2

采样过程的数学描述及特性分析2.3信号的恢复与重构

2.3信号的恢复与重构图2-15理想滤波器

2.3信号的恢复与重构2.3.2零阶保持器

零阶保持器的特点是把kT时刻的采样值，简单地、不增不减地保持到下一个采样时刻(k+1)T到来之前。零阶保持器的输入输出关系如图2-16所示。2.3信号的恢复与重构图2-16零阶保持器的输入输出关系

2.3信号的恢复与重构图2-17零阶保持器的时域特性

2.3信号的恢复与重构

2.3信号的恢复与重构图2-18零阶保持器的幅频特性和相频特性

2.3信号的恢复与重构图2-18零阶保持器的幅频特性和相频特性

2.3信号的恢复与重构图2-19一阶保持器工作情况

2.3信号的恢复与重构图2-20一阶保持器的脉冲响应2.3.3一阶保持器

一阶保持器的幅频特性与相频特性绘于图2-21中。可见一阶保持器的幅频特性比零阶保持器的要高,因此,离散频谱中的高频变量通过一阶保持器更容易些。另外,从相频特性上看,尽管在低频时一阶保持器相移比零阶保持器要小,但是在整个频率范围内，一阶保持器的相移要大得多,对系统稳定不利。一阶保持器结构复杂,所以,虽然一阶保持器对输入信号有较好的恢复能力,但是实际上较少采用。由图2-21可见,一阶保持器的信号复现精度要高于虚线表示的零价保持器,但是对高频信号的滤波性能不如零价保持器好,相位滞后也更大。因此从稳定性和动态性能考虑,在反馈控制系统中零价保持器更有利。2.3信号的恢复与重构图2-21一阶保持器的幅频与相频特性（虚线为零阶保持器频率特性）2.4信号的整量化

图2-22模拟量的整量化2.5信号变换实现原理2.5.1D/A转换原理数字/模拟转换器（DigitAnalogueConverter，DAC）是将二进制数字量转换成与其数值成正比的电流信号或电压信号的器件。控制系统中计算机输出的数字量需通过DAC转换为模拟量，才能驱动机床、自动驾驶设备等执行机构工作。DAC可按数字位数、数码形式、传输方式、转换速度、输出极性、工作原理及是否带有输入锁存器分为多种类型。其转换原理为将二进制每一位代码分别转换为对应模拟量并叠加求和，核心电路由参考电源、电阻网络、电子转换开关和运算放大器组成。从结构上主要分为T形电阻网络型和权电阻型，同等位数下，权电阻型DAC的转换速度是T形电阻网络型的5～10倍。

2.5信号变换实现原理图2-23T形电阻网络型DAC电路原理图

2.5信号变换实现原理

2.5信号变换实现原理

2.5信号变换实现原理图2-24权电阻型DAC的电路原理图

2.5信号变换实现原理

2.5信号变换实现原理图2-25双积分式ADC的结构原理图

2.5信号变换实现原理图2-26双积分式ADC电压波形图

图2-26双积分式ADC电压波形图2.5信号变换实现原理

2.5信号变换实现原理图2-26双积分式ADC电压波形图

2.5信号变换实现原理

2.5信号变换实现原理图2-27逐位逼近式A/D转换原理2.6.1A/D转换的基本工程化技术1.A/D转换的性能指标(1)A/D精度A/D精度是指转换后所得数字量相当于实际模拟量值的准确度,即指对应一个给定的数字量的实际模拟量输入与理论模拟量输入接近的程度。对应于同一个数字量,其模拟输入是一个范围,因此,对应一个已知数字量的输入模拟量,定义为模拟量输入范围的中间值。例如，一个A/D转换器理论上5V对应数字量800H,但实际上4.997～4.999V均产生数字量800H,那么绝对误差将为

|(4.997+4.999)/2-5|

V

=

2mV,或者相对误差将为

|(4.997+4.999)/2-5|

/5

=

0.04%。A/D转换器精度的数字部分由A/D转换器的位数决定,模拟部分由比较器、T形网络中的电阻以及基准电源的误差决定。2.6信号变换实现技术2.6.1A/D转换的基本工程化技术 (2)分辨率A/D转换器的分辨率是指输出数字量对输入模拟量变化的分辨能力，利用它可以决定使输出数码增加(或减少)一位所需要的输入信号最小变化量。分辨率也常用数字量的位数来表示，如ADC0809芯片能够输出8位数字量，则称它的分辨率为8位；有时也用最小有效位LSB所代表的模拟量来表示。设A/D转换器的位数为n，则A/D转换器的分辨率为例如，12位A/D芯片的分辨率为如果输入电压最大值为5V，则12位A/D芯片能够分辨的输入电压最小变化量为2.6信号变换实现技术2.6.1A/D转换的基本工程化技术(3)转换时间设A/D转换器已经处于就绪状态，从A/D转换的启动信号加入时起到获得数字输出信号(与输入信号对应之值)为止所需的时间称为A/D转换时间。该时间的倒数称为转换速率。A/D的转换速率与A/D的位数有关，一般来说，A/D的位数越大，则相应的转换速率就越慢。逐位逼近式A/D转换器转换时间为几微秒到几百微秒，双积分式A/D转换器的转换时间为几十毫秒到几百毫秒。(4)量程量程是指测量的模拟量的变化范围，一般有单极性(如0～10V、0～20V)和双极性(如-5～+5V、-10～+10V)两种。为了充分发挥A/D转换器的分辨率，应尽量通过调理环节使待转换信号的变化范围充满量程。2.6信号变换实现技术2.6.1A/D转换的基本工程化技术2.A/D转换的典型芯片ADC0809是一种采用逐位逼近式转换原理的8位8通道的A/D转换器芯片,通过外部控制,可从8路输入模拟量中选择1路进行A/D转换,输出8位数字量。以下是ADC0809的主要特性参数：分辨率：8位，零位误差和满量程误差均小于0.5LSB。量程：0～5V。通道：8个模拟量输入通道,有通道地址锁存、输出数据三态锁存功能。转换时间：约为100μs。工作温度范围：-40～85℃。功耗：15mW。电源：单一的+5V电源供电。AD574A是12位的A/D转换器芯片,转换时间约为25μs,采用逐位逼近式转换原理,内部含有脉冲时钟源和基准电压源,可以接收单极性和双极性模拟电压输入信号。2.6信号变换实现技术2.6.1A/D转换的基本工程化技术3.A/D转换的数据传输方式(1)查询方式查询传送依靠CPU执行输入指令启动传输，传输前需要读取ADC状态，确认就绪后读取数据。该方式灵活，可适配主机与外设工作速度，但外设低速时反复查询会占用CPU资源、降低运行效率，适用于CPU任务较少的场景。(2)中断方式需要及时读取转换数据、CPU任务繁多时适合使用中断方式。ADC转换结束后发起中断，CPU借助中断子程序读取数据。该方式无需反复查询，CPU可与外设并行运行，响应及时；缺点是接口硬件和程序复杂度高于查询方式。(3)DMA方式高速采集场景适配DMA传输，可快速传输ADC数据；使用时需确认DMA通道，连接相关应答信号，并完成DMA控制电路初始化编程。2.6信号变换实现技术

2.6信号变换实现技术图2-28ADC0809的功能框图与引脚图

2.6信号变换实现技术

2.6信号变换实现技术

2.6信号变换实现技术2.6信号变换实现技术2.6.2D/A转换的基本工程化技术1.D/A转换的性能指标(1)D/A精度D/A精度指实际输出模拟量值与理论值之间接近的程度。例如，一个D/A转换器，某二进制数码的理论输出为2.5V,实际输出为2.45V,则该D/A转换器的精度为2%。若已知D/A转换器的精度为±0.1%，则理论输出为2.5V时,其实际输出值可在2.4975～2.5025V变化。D/A转换器的精度与D/A转换器的字长、基准电压有关，主要由线性误差、增益误差及偏移误差的大小决定，如图2-29所示。图2-29D/A转换器的误差

2.6信号变换实现技术2.6.2D/A转换的基本工程化技术(3)转换时间对于D/A转换器来说，从接收