05第五章机电一体化系统设计工业控制计算机及其接口技术.ppt

机电一体化机电一体化MechatronicsMechatronics第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术传感器计算机执行件操作执行元件动力源机构计测控制执 行 件操作执行动力结构机电一体化系统的五大要素与功能机电一体化系统的五大要素与功能第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术 工业控制计算机系统工业控制计算机系统是机电一体化系是机电一体化系统的中枢，其主要作用是按编制好的程统的中枢，其主要作用是按编制好的程序完成系统信息采集、加工处理、分析序完成系统信息采集、加工处理、分析和判断，作出相应的调节和控制决策，和判断，作出相应的调节和控制决策，发出数字形式或模拟形式的控制信号，发出数字形式或模拟形式的控制信号，控制执行机构的动作，实现机电一体化控制执行机构的动作，实现机电一体化系统的目的功能系统的目的功能第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术第第5 5章章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术5.1 5.1 5.1 5.1 工业控制计算机工业控制计算机工业控制计算机工业控制计算机5.25.25.25.2计算机控制接口技术计算机控制接口技术计算机控制接口技术计算机控制接口技术5.35.35.35.3可编程控制器可编程控制器可编程控制器可编程控制器5.45.45.45.4数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术5.1 5.1 5.1 5.1 工业控制计算机工业控制计算机工业控制计算机工业控制计算机一、工业控制计算机系统的组成一、工业控制计算机系统的组成一、工业控制计算机系统的组成一、工业控制计算机系统的组成第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术5.1 5.1 5.1 5.1 工业控制计算机工业控制计算机工业控制计算机工业控制计算机二、工业控制计算机系统的基本要求二、工业控制计算机系统的基本要求二、工业控制计算机系统的基本要求二、工业控制计算机系统的基本要求1.具有完善的过程输入具有完善的过程输入/输出功能输出功能2.具有实时控制功能具有实时控制功能3.具有可靠性具有可靠性4.具有较强的环境适应性和抗干扰能力具有较强的环境适应性和抗干扰能力5.具有丰富的软件具有丰富的软件第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术5.1 5.1 5.1 5.1 工业控制计算机工业控制计算机工业控制计算机工业控制计算机三、工业控制计算机的分类及其应用特点三、工业控制计算机的分类及其应用特点三、工业控制计算机的分类及其应用特点三、工业控制计算机的分类及其应用特点 在设计机电一体化系统时，必须根在设计机电一体化系统时，必须根据控制方案、体系结构、复杂程度、据控制方案、体系结构、复杂程度、系统功能等，正确地选用工业控制计系统功能等，正确地选用工业控制计算机系统。

根据计算机系统软硬件及算机系统根据计算机系统软硬件及其应用特点，常将工业控制计算机分其应用特点，常将工业控制计算机分为：为：可编程序控制器可编程序控制器、、总线型工业控总线型工业控制计算机制计算机以及以及单片机单片机三类第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术5.2 5.2 5.2 5.2 计算机控制接口技术计算机控制接口技术计算机控制接口技术计算机控制接口技术机电一体化系统通常都由许多要素和子机电一体化系统通常都由许多要素和子系统构成，为了确保各个要素与系统之系统构成，为了确保各个要素与系统之间能够顺利的进行信息、物质、能量的间能够顺利的进行信息、物质、能量的传输和转换，在它们之间必须具备有一传输和转换，在它们之间必须具备有一定的联系条件，这些联系条件都统称为定的联系条件，这些联系条件都统称为接口接口简单地说就是各子系统之间以及简单地说就是各子系统之间以及子系统内各模块之间相互联接的子系统内各模块之间相互联接的硬件硬件及及相关协议相关协议软件软件第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术•从某种意义上讲，机电一体化产品的设计，从某种意义上讲，机电一体化产品的设计， 就就是在根据功能要求选择了各要素后，所进行的是在根据功能要求选择了各要素后，所进行的接口设计。

从这一观点出发，机电一体化产品接口设计从这一观点出发，机电一体化产品的性能很大程度上取决于接口的性能，即各要的性能很大程度上取决于接口的性能，即各要素和各子系统之间的接口性能是机电一体化系素和各子系统之间的接口性能是机电一体化系统性能好坏的决定性因素因此，接口设计是统性能好坏的决定性因素因此，接口设计是机电一体化产品设计的关键环节机电一体化产品设计的关键环节5.2 5.2 5.2 5.2 计算机控制接口技术计算机控制接口技术计算机控制接口技术计算机控制接口技术第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术•从不同的角度及工作特点出发，机电一体化从不同的角度及工作特点出发，机电一体化系统的接口有多种分类方法，根据与外部传系统的接口有多种分类方法，根据与外部传递信息的不同，将接口分为：递信息的不同，将接口分为：•1）人机接口；）人机接口；•2）信息采集接口；）信息采集接口；•3）控制输出接口；）控制输出接口；•4）系统间接口）系统间接口接口的分类和特点第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术人人机机接接口口 人人机机对对话话设设备备 计计算算机机信息信息采集采集接口接口控制控制输出输出接口接口机电接口机电接口传传感感器器执执行行元元件件 机机械械分分系系统统 •机电一体化系统的基本组成机电一体化系统的基本组成第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术•1. 人机接口人机接口• 人机接口实现人与机电一体化系统的信息交人机接口实现人与机电一体化系统的信息交流、信息反馈，保证对机电一体化系统的实时流、信息反馈，保证对机电一体化系统的实时监测、有效控制；监测、有效控制；• 人机接口又包括人机接口又包括输入接口输入接口与与输出接口输出接口两类。

两类通过输入接口，操作者向系统输入各种命令及通过输入接口，操作者向系统输入各种命令及控制参数，对系统运行进行控制；通过输出接控制参数，对系统运行进行控制；通过输出接口，操作者对系统的运行状态、各种参数进行口，操作者对系统的运行状态、各种参数进行监测 第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术•2.信息采集接口和控制输出接口信息采集接口和控制输出接口•信息处理系统通过信息采集接口接受传感器信息处理系统通过信息采集接口接受传感器输出的信号，检测机械系统运行参数，经过输出的信号，检测机械系统运行参数，经过运算处理后，发出有关控制信号，经过控制运算处理后，发出有关控制信号，经过控制输出接口的匹配、转换、功率放大，驱动执输出接口的匹配、转换、功率放大，驱动执行元件，以调节机械系统的运行状态，使其行元件，以调节机械系统的运行状态，使其按要求动作按要求动作•信息采集接口和控制输出接口是计算机和外信息采集接口和控制输出接口是计算机和外部设备相互交换信息的桥梁部设备相互交换信息的桥梁第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术•总体来讲，机电一体化系统对接口的要求是：总体来讲，机电一体化系统对接口的要求是：•1）能够输入有关的状态信息，并能够可靠地）能够输入有关的状态信息，并能够可靠地传送相应的控制信息；传送相应的控制信息；•2）能够进行信息转换，以满足系统对输入与）能够进行信息转换，以满足系统对输入与输出的要求；输出的要求；•3）具有较强的阻断干扰信号的能力，以提高）具有较强的阻断干扰信号的能力，以提高系统工作的可靠性。

系统工作的可靠性第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术一、人机接口一、人机接口•人机接口是操作者与机电系统之间进行信息人机接口是操作者与机电系统之间进行信息交换的接口按照信息的传递方向，可以分交换的接口按照信息的传递方向，可以分为两大类：为两大类：输入接口输入接口与与输出接口输出接口 •常用的输入设备有控制开关、常用的输入设备有控制开关、 BCD 二～十二～十进制码拨盘、键盘、触摸屏等，进制码拨盘、键盘、触摸屏等，•常用的输出设备有状态指示灯、发光二极管常用的输出设备有状态指示灯、发光二极管显示器、液晶显示器、微型打印机、扬声器显示器、液晶显示器、微型打印机、扬声器等等第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术•1. 开关输入接口开关输入接口• 对于一些二值型控制命对于一些二值型控制命令和参数，常采用简单的令和参数，常采用简单的开关作为输入设备开关作为输入设备输入接口输入接口第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术•控制微机通过控制微机通过 I/O 口或扩展口或扩展 I/O 口对开关点电位口对开关点电位进行检测，从而判断开关的状态。

由于这类开关进行检测，从而判断开关的状态由于这类开关都是机械开关，机械触点的弹性作用使开关在闭都是机械开关，机械触点的弹性作用使开关在闭合及断开瞬间产生抖动，造成开关点点电位产生合及断开瞬间产生抖动，造成开关点点电位产生一系列脉冲，电压抖动时间的长短，与机械特性一系列脉冲，电压抖动时间的长短，与机械特性有关，一般为有关，一般为 5～～10ms按钮的稳定闭合期由按钮的稳定闭合期由操作员的按键动作决定，一般在几百微秒至几秒操作员的按键动作决定，一般在几百微秒至几秒之间所以，在进行接口设计时需要采取软件或之间所以，在进行接口设计时需要采取软件或硬件措施进行硬件措施进行消抖处理消抖处理 第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术• 软件消抖是在检测到开关状态后，延时一段时软件消抖是在检测到开关状态后，延时一段时间再进行检测，若两次检测到的开关状态相同则间再进行检测，若两次检测到的开关状态相同则认为有效延时时间应大于抖动时间认为有效延时时间应大于抖动时间•硬件消抖常采用下图所示电路硬件消抖常采用下图所示电路第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术•2. 拨盘输入接口拨盘输入接口(1).BCD (1).BCD 码拨盘结构码拨盘结构 拨盘种类很多，作为人机拨盘种类很多，作为人机接口使用最方便的是十进制接口使用最方便的是十进制输入、输入、BCDBCD码输出的码输出的BCDBCD码码拨盘，其结构如右图所示。

拨盘，其结构如右图所示第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术 拨盘内部有一可转动圆盘，拨盘内部有一可转动圆盘，具有具有“ “0 0～～9 9” ”十个位置，可以通十个位置，可以通过前面两个过前面两个“ “+ +、、- -” ”按钮进行位按钮进行位置选择，对应每个位置，前面置选择，对应每个位置，前面窗口有数字提示，拨盘后面有窗口有数字提示，拨盘后面有五根引出线，分别定义为五根引出线，分别定义为 A A、、1 1、、2 2、、4 4、、8 8当拨盘在不同位当拨盘在不同位置时，置时，1 1、、2 2、、4 4、、8 8线的通断关线的通断关系如下表所示系如下表所示•2. 拨盘输入接口拨盘输入接口第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术位位置置线线 号号 权权 值值1 12 24 48 80 01 12 23 34 45 56 67 78 89 90 01 10 01 10 01 10 01 10 01 10 00 01 11 10 00 01 11 10 00 00 00 00 00 01 11 11 11 10 00 00 00 00 00 00 00 00 00 01 11 1n 从表中可以看出，若将从表中可以看出，若将A线线作为控制线，将作为控制线，将 1、、2、、4、、8 线作为数据线，当线作为数据线，当A线接到控线接到控制电平时，数据线输出的即是制电平时，数据线输出的即是与拨盘位置相对应的与拨盘位置相对应的BCD码。

码n 一片拨盘可以输入一位十一片拨盘可以输入一位十进制数，当需要输入多位十进进制数，当需要输入多位十进制数时，可以选用多片拨盘拼制数时，可以选用多片拨盘拼接，并通过相应的接口设计给接，并通过相应的接口设计给每片拨码盘赋予相应的十进制每片拨码盘赋予相应的十进制权值第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术•(2) BCD码拨盘的接口码拨盘的接口•(a) 静态接口静态接口 由上述可知，由上述可知，BCD 码拨盘码拨盘可以直接与控制微机的并行口可以直接与控制微机的并行口或扩展并行口相连，以或扩展并行口相连，以BCD码码形式输入信息右图示出了形式输入信息右图示出了BCD码拨盘与码拨盘与8031的的P1口的口的接口电路从图中可以看出，接口电路从图中可以看出，每一片拨盘占用每一片拨盘占用4根根I/0口线口线，，8031可以通过可以通过P1口直接读取口直接读取拨盘数据拨盘数据 第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术•(b) 动态接口动态接口当进行读码盘操作时当进行读码盘操作时，，将将P1.7P1.7置置为为低电平低电平，， P1.4P1.4、、P1.5P1.5、、Pl.6Pl.6置置为为高电平高电平，，此时从此时从P1.0P1.0～～P1.3P1.3读取的即读取的即为第四位码盘为第四位码盘( (千位千位) )的值。

同理的值同理，，分别将分别将P1.6P1.6、、P1.5P1.5、、P1.4P1.4中中的一位置的一位置为为低电平低电平，，而将其它输出口线置而将其它输出口线置为为高电平高电平，，即可从即可从P1.0P1.0～～P1.3P1.3读取百位、读取百位、十位和个位的输入值十位和个位的输入值第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术•3. 键盘输入接口键盘输入接口•(1). 矩阵式键盘工作矩阵式键盘工作原理原理•　矩阵式键盘由一　矩阵式键盘由一组行线组行线 (Xi) 与一组与一组列线列线 (Yi) 交叉构成交叉构成，，按键位于交叉点上，按键位于交叉点上，为对各个键进行区为对各个键进行区别别，，可以按一定规可以按一定规律分别为各个键命律分别为各个键命名键号名键号，，如如右右图所图所示示第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术• 将将列列线通过上拉电阻接至线通过上拉电阻接至+5V+5V电源电源，，当无键当无键按下时按下时，，行线与列线断开行线与列线断开，列，列线呈高电平当线呈高电平当键盘上某键按下时键盘上某键按下时，，则该键对应的行线与列线则该键对应的行线与列线被短路。

例如被短路例如，，7 7号键被按下闭合时号键被按下闭合时，，行线行线X X3 3与与列线列线Y Yl l被短路被短路，，此时此时Y Yl l的电平由的电平由X X3 3电位决定如电位决定如果将果将列列线接至控制微机的输入口线接至控制微机的输入口，行，行线接至控线接至控制微机的输出口制微机的输出口，，则在微机控制下依次从则在微机控制下依次从X X0 0～～X X3 3输出低电平输出低电平，，并使其它线保持高电平并使其它线保持高电平，，则通过则通过对对Y YO O～～Y Y3 3的读取即可判断有无键闭合、哪一个键的读取即可判断有无键闭合、哪一个键闭合 第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术•(2) 键盘接口电路键盘接口电路 • 右右图示出了图示出了8031通过通过 P1口口与与一个一个4×4键盘的接键盘的接口电路口电路，，其中其中P1.0～～P1.3作作行行扫描扫描输输出出线线，，P1.4～～P1.7作作列列检测检测输输入入线第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术•(3) 键输入程序键输入程序　　•键输入程序键输入程序具有具有下面四项功能下面四项功能：：• (a) 判断键盘上有无键闭合判断键盘上有无键闭合 其方法为在扫描线其方法为在扫描线P1.0～～P1.3上全部送上全部送“0”，，然后读取然后读取P1.4～～P1.7状态状态，，若全若全部为部为“1”，，则无键闭合则无键闭合，，若不全为若不全为“1”，，则有键闭合则有键闭合；；• (b) 判别闭合键的键号判别闭合键的键号 其方法为对键盘其方法为对键盘行行线进行扫线进行扫描描，，依次从依次从P1.0、、P1.1、、Pl.2、、P1.3 送出低电平送出低电平，，并并从其它从其它行行线送出高电平线送出高电平，，相应地顺序读入相应地顺序读入P1.4～～P1.7的状态的状态 ，， 若若P1.4～～P1.7全为全为“1”，，则则行行线输出为线输出为“0”的这一列上没有键闭合的这一列上没有键闭合；；若若P1.4～～P1.7不全为不全为“1”，，则说明有键闭合。

则说明有键闭合行列交叉点即为行列交叉点即为该键键号该键键号，，例如例如P1.0～～P1.3输出为输出为1101，，读回读回P1.4～～P1.7为为1011，， 则说明位于第则说明位于第3行与第行与第2列相交处的键处于闭合状态列相交处的键处于闭合状态，，键号为键号为6；；第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术• (c) 去除键的机械抖动去除键的机械抖动 其方法是读得键号其方法是读得键号后延时后延时10ms，，再次读键盘再次读键盘，，若此键仍闭合则若此键仍闭合则认为有效认为有效，，否则认为前述键的闭合是由于机否则认为前述键的闭合是由于机械抖动或干扰所引起的械抖动或干扰所引起的；；•(d) 使控制微机对键的一次闭合仅作一次使控制微机对键的一次闭合仅作一次处理处理，，采用的方法是等待闭合键释放后再做采用的方法是等待闭合键释放后再做处理第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术• 目前常用的数码显示器有目前常用的数码显示器有发光管的发光管的 LED 和液晶的和液晶的 LCD 两种两种，显示方式可以是，显示方式可以是静态静态显示显示或或动态显示。

动态显示输出接口第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术静态显示：显示器显示某一字符时，相应的发光二静态显示：显示器显示某一字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止极管恒定的导通或截止 LED 显示器工作在静态显示器工作在静态显示方式时显示方式时，，其阴极其阴极(或阳极或阳极)点连接在一起接地点连接在一起接地(或或+5V)，，每一个的段选线每一个的段选线（（a ，，b，，c，，d，，e，，f，，g，，dp）也）也分别与一个分别与一个8位口相连位口相连第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术适用位数较小时适用位数较小时第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术动态显示：动态显示：一位一位的轮流点亮各位显示器一位一位的轮流点亮各位显示器位数很多时，一般采用动态显示方法位数很多时，一般采用动态显示方法 第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术•8155 控制的动态控制的动态 LED 显示显示如下图所示如下图所示PA口为扫描口，PB口为段数据口第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术二、信息采集接口二、信息采集接口人人机机接接口口 人人机机对对话话设设备备 计计算算机机信息信息采集采集接口接口控制控制输出输出接口接口机电接口机电接口传传感感器器执执行行元元件件 机机械械分分系系统统 第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术二、信息采集接口二、信息采集接口 在模拟量信息采集通道中，先利用传感器将从信号源在模拟量信息采集通道中，先利用传感器将从信号源检测到的非电量转换为电量，并进行信号处理（包括检测到的非电量转换为电量，并进行信号处理（包括放大、滤波、线性补偿等），再经采样放大、滤波、线性补偿等），再经采样-保持器，将模保持器，将模拟信号变换成时间上离散的采样保持信号后，送拟信号变换成时间上离散的采样保持信号后，送A/D转换器将模拟保持信号转换成数字信号，送入计算机。

转换器将模拟保持信号转换成数字信号，送入计算机第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术二、信息采集接口二、信息采集接口1.常用数据采集的结构形式常用数据采集的结构形式2.常用的常用的A/D转换器转换器第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术二、信息采集接口二、信息采集接口1.常用数据采集的结构形式常用数据采集的结构形式多路多路A/D通道通道每个信号源检测的信号都有各自独立的每个信号源检测的信号都有各自独立的采集通道，该结构形式使用了较多数量的采样采集通道，该结构形式使用了较多数量的采样-保持器、保持器、A/D转换器，成本高，但转换速度高转换器，成本高，但转换速度高第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术二、信息采集接口二、信息采集接口1.常用数据采集的结构形式常用数据采集的结构形式多路同时采样、分时转换通道多路同时采样、分时转换通道多路信号源来的数据经多路信号源来的数据经各自的采样各自的采样-保持器后，经模拟多路转换开关控制，共用保持器后，经模拟多路转换开关控制，共用一个一个A/D转换器，此结构使用模拟多路开关进行多路选转换器，此结构使用模拟多路开关进行多路选择，使多路信号按一定的顺序切换到共用的择，使多路信号按一定的顺序切换到共用的A/D转换器转换器上转换。

这种通道结构节省硬件，但转换速度比较慢这种通道结构节省硬件，但转换速度比较慢第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术二、信息采集接口二、信息采集接口1.常用数据采集的结构形式常用数据采集的结构形式多路信号源共享采样多路信号源共享采样-保持器和保持器和A/D转换器转换器多路信号多路信号源的数据先经多路开关，然后按某种顺序切换到具有源的数据先经多路开关，然后按某种顺序切换到具有采样采样-保持器和保持器和A/D转换器的通道上，此结构共用一套转换器的通道上，此结构共用一套采样一保持器和采样一保持器和A/D转换器，节省硬件成本，但转换转换器，节省硬件成本，但转换速度更慢速度更慢第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术三、控制输出接口三、控制输出接口人人机机接接口口 人人机机对对话话设设备备 计计算算机机信息信息采集采集接口接口控制控制输出输出接口接口机电接口机电接口传传感感器器执执行行元元件件 机机械械分分系系统统 第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术控制输出接口设计任务和特点 对控制信号进行匹配、转换、功率放大，对控制信号进行匹配、转换、功率放大，驱动执行元件去调节机械系统的运行状态，驱动执行元件去调节机械系统的运行状态，使之按照设计要求运行。

使之按照设计要求运行 不同的元件需要的驱动信号不同，同时不同的元件需要的驱动信号不同，同时由于执行元件多为大功率设备，需要考虑抗由于执行元件多为大功率设备，需要考虑抗干扰性能干扰性能三、控制输出接口三、控制输出接口第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术1.模拟量输出接口2.开关型功率接口3.直流伺服电机的功率接口4.交流电机变频调速功率接口5.步进电机功率驱动接口三、控制输出接口三、控制输出接口第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术1.模拟量输出接口 在机电一体化产品中，很多被控对象要求用在机电一体化产品中，很多被控对象要求用模拟量模拟量作控作控制信号，如交流电动机变频调速、直流电动机调速器等，制信号，如交流电动机变频调速、直流电动机调速器等，而计算机系统是而计算机系统是数字系统数字系统，不能输出模拟量，这就要求，不能输出模拟量，这就要求控制输出接口能完成控制输出接口能完成D/A转换，且必须具有转换，且必须具有输出保持输出保持功功能，这是因为计算机控制是分时的，每个输出回路只能能，这是因为计算机控制是分时的，每个输出回路只能周期地在一个时间段内得到输出信号，即这时执行部件周期地在一个时间段内得到输出信号，即这时执行部件得到的是时间上离散的模拟信号，而实际的执行部件却得到的是时间上离散的模拟信号，而实际的执行部件却要求连续的模拟信号，因此为了使执行部件在两个输出要求连续的模拟信号，因此为了使执行部件在两个输出信号的间隔时间内能得到输出信号，就必须有信号的间隔时间内能得到输出信号，就必须有输出保持输出保持器器。

第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术 将数字量转换为模拟量将数字量转换为模拟量 通过通过D/AD/A转换器转换器完成完成 要求：要求：可靠性、精度、保持性可靠性、精度、保持性1.模拟量输出接口第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术（1）D/A转换通道的结构形式 D/A D/A转换通道依据转换通道依据输出保持器输出保持器与与D/AD/A转换器转换器的位置关系的位置关系有两种结构形式有两种结构形式1.模拟量输出接口这种结构的通道转换速度快、工作可靠，能满足各路这种结构的通道转换速度快、工作可靠，能满足各路同时进行同时进行D/A转换输出的要求，即使其中有一路转换输出的要求，即使其中有一路D/A转换出故障，其他几路仍可继续正常工作但该结构转换出故障，其他几路仍可继续正常工作但该结构D/A转换器的个数较多，成本较高，一般用于需要同转换器的个数较多，成本较高，一般用于需要同一时刻进行一时刻进行D/A转换的场合转换的场合第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术（1）D/A转换通道的结构形式 D/A D/A转换通道依据转换通道依据输出保持器输出保持器与与D/AD/A转换器转换器的位置关系的位置关系有两种结构形式。

有两种结构形式1.模拟量输出接口多路通道共用一个多路通道共用一个D/A转换器，在转换器，在CPU的控制下，的控制下，D/A转换器转换器分时工作分时工作，依次把，依次把D/A转换器转换成的模拟电压转换器转换成的模拟电压或电流，通过多路切换开关，传送给各路模拟量输出保或电流，通过多路切换开关，传送给各路模拟量输出保持器，由于保持的是模拟量，故是一种模拟量保持方式持器，由于保持的是模拟量，故是一种模拟量保持方式多应用于速度要求不高的场合多应用于速度要求不高的场合第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术2.开关型功率接口什么是什么是TTL电平、电平、CMOS电平、电平、RS232电平？它们有什么区别呢？电平？它们有什么区别呢？第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术2.开关型功率接口（一）、（一）、TTL电平标准电平标准 输出输出 L：： <0.8V ；； H：：>2.4V 输入输入 L：： <1.2V ；； H：：>2.0V TTL器件输出低电平要小于器件输出低电平要小于0.8V，高电平要大，高电平要大于于2.4V输入，低于输入，低于1.2V就认为是就认为是0，高于，高于2.0就认为是就认为是1。

于是于是TTL电平的输入低电平的电平的输入低电平的噪声容限就只有噪声容限就只有(0.8-0)/2=0.4V，高电平的，高电平的噪声容限为噪声容限为(5-2.4)/2=1.3V第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术2.开关型功率接口（二）、（二）、CMOS电平标准电平标准 输出输出 L：： <0.1*Vcc ；； H：：>0.9*Vcc 输入输入 L：： <0.3*Vcc ；； H：：>0.7*Vcc. 由于由于CMOS电源采用电源采用12V，则输入低于，则输入低于3.6V为低电平，噪声容限为为低电平，噪声容限为1.8V，高于，高于3.5V为为高电平，噪声容限高为高电平，噪声容限高为1.8V比TTL有更高有更高的噪声容限的噪声容限第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术2.开关型功率接口（三）、（三）、RS232标准标准逻辑逻辑1的电平为的电平为-3～～-15V，逻辑，逻辑0的电平为的电平为+3～～+15V，注意电平的定义反相了一次注意电平的定义反相了一次第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术2.开关型功率接口1））光电隔离技术光电隔离技术2）晶闸管接口）晶闸管接口3）继电器输出接口）继电器输出接口第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术2.开关型功率接口1））光电隔离技术光电隔离技术 在开关量控制中，最常用的器件是在开关量控制中，最常用的器件是光电隔离器光电隔离器，光电，光电隔离器是把发光元件与受光元件封装在一起，当发光隔离器是把发光元件与受光元件封装在一起，当发光二极管有正向电流通过时，即产生人眼看不见的红外二极管有正向电流通过时，即产生人眼看不见的红外光，其光谱范围为光，其光谱范围为700~1000nm，受光元件接收光照，受光元件接收光照以后便导通。

而当该电流撤去时，发光二极管熄灭，以后便导通而当该电流撤去时，发光二极管熄灭，受光元件随即截止利用这种特性即可达到开关控制受光元件随即截止利用这种特性即可达到开关控制的目的第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术2.开关型功率接口1））光电隔离技术光电隔离技术第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术2.开关型功率接口1））光电隔离技术光电隔离技术第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术2.开关型功率接口2）晶闸管接口）晶闸管接口• 可控硅器件可控硅器件(晶闸管，晶闸管，SCR) 是一种三端点（阳极、阴极、控制极也称栅极或门极）器件第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术 可控硅器件可控硅器件(晶闸管，晶闸管，SCR) 是一种三端点（阳极、阴极、控制极也称栅极或门极）器件根据内部结构不同可分为： 单向可控硅——只能在阳极电位只能在阳极电位相对阴极为正时才能触发导通相对阴极为正时才能触发导通双向可控硅——只要阳极和阴极只要阳极和阴极间的电压大于某一个值时而不管间的电压大于某一个值时而不管其极性如何都能触发导通其极性如何都能触发导通栅极可关断可控硅——当栅极加当栅极加正脉冲时导通，加负脉冲时关断正脉冲时导通，加负脉冲时关断一旦触发导通一旦触发导通后控制极就失后控制极就失去控制作用，去控制作用，只有当阳极电只有当阳极电流小于维持电流小于维持电流时才能关断流时才能关断第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术2.开关型功率接口2）晶闸管接口第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术第第5 5章章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术5.1 5.1 5.1 5.1 工业控制计算机工业控制计算机工业控制计算机工业控制计算机5.25.25.25.2计算机控制接口技术计算机控制接口技术计算机控制接口技术计算机控制接口技术5.35.35.35.3可编程控制器可编程控制器可编程控制器可编程控制器5.45.45.45.4数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术5.45.45.45.4数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计在模拟系统中，其过程控制方式就是将在模拟系统中，其过程控制方式就是将被测参数（如位移、速度等）由传感器被测参数（如位移、速度等）由传感器变换成统一的标准信号送人调节器，在变换成统一的标准信号送人调节器，在调节器中与给定值进行比较，然后把比调节器中与给定值进行比较，然后把比较出的差值经运算后送到执行机构，改较出的差值经运算后送到执行机构，改变进给控制量，以达到自动调节之目的。

变进给控制量，以达到自动调节之目的第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术5.45.45.45.4数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计在数字控制系统中，则使用数字调节器来模拟在数字控制系统中，则使用数字调节器来模拟模拟调节器其调节过程是首先把过程参数进模拟调节器其调节过程是首先把过程参数进行采样，并通过模拟量输入通道将模拟量变成行采样，并通过模拟量输入通道将模拟量变成数字量，根据这些数字量由计算机按一定控制数字量，根据这些数字量由计算机按一定控制算法进行运算处理，运算结果由模拟量输出通算法进行运算处理，运算结果由模拟量输出通道输出，并通过执行机构去控制生产，以达到道输出，并通过执行机构去控制生产，以达到调节的目的这里计算机执行按某种算法编写调节的目的这里计算机执行按某种算法编写的程序，实现对被控制对象的控制和调节，称的程序，实现对被控制对象的控制和调节，称为为数字调节器数字调节器第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术5.45.45.45.4数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计 数字调节器与模拟调节器相比，具有如下优点：数字调节器与模拟调节器相比，具有如下优点： 1)模拟调节器调节能力有限，当控制规律较为复杂时，模拟调节器调节能力有限，当控制规律较为复杂时，就难以甚至无法实现。

而数字调节器能实现复杂控制就难以甚至无法实现而数字调节器能实现复杂控制规律的控制规律的控制 2)计算机具有分时控制能力，可实现多回路控制计算机具有分时控制能力，可实现多回路控制 3)数字调节器具有灵活性其控制规律灵活多样，可数字调节器具有灵活性其控制规律灵活多样，可用一台计算机对不同的回路实现不同的控制方式，并用一台计算机对不同的回路实现不同的控制方式，并且改变控制程序或控制参数即可，使用起来简单且改变控制程序或控制参数即可，使用起来简单方便 4)可靠性高由于计算机的控制算法是用软件实现，可靠性高由于计算机的控制算法是用软件实现，因此比用硬件组成的调节器具有较高的可靠性，且系因此比用硬件组成的调节器具有较高的可靠性，且系统维护简单统维护简单第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术5.45.45.45.4数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计•计算机取代连续时间控制系统中的控制器，再加计算机取代连续时间控制系统中的控制器，再加上必要的附加装置即组成数字控制系统上必要的附加装置即组成数字控制系统•数字控制系统中的信号转化问题：采样、数字控制系统中的信号转化问题：采样、 量化、量化、转换以及保持转换以及保持第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术5.45.45.45.4数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计一、控制信号的采样与复原一、控制信号的采样与复原二、二、Z Z变换变换三、数字控制器的连续设计法（间接设计法）三、数字控制器的连续设计法（间接设计法）四四、数字控制器的离散设计法（直接设计法）、数字控制器的离散设计法（直接设计法）五、五、PIDPID数字控制器的设计数字控制器的设计第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术信号的采样：信号的采样：把时间上连续的信号变成时间上离散的把时间上连续的信号变成时间上离散的采样信号或数字信号的过程。

采样信号或数字信号的过程一、控制信号的采样与复原一、控制信号的采样与复原第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术•若采样周期若采样周期T T保持不变则称为保持不变则称为周期采样周期采样•对于有多个采样器的系统，若采样器的对于有多个采样器的系统，若采样器的采样周期采样周期都相等都相等且为常数，且采样器的开关且为常数，且采样器的开关同时开闭同时开闭，则，则称为称为同步周期采样同步周期采样•若多个采样器的开关以各自若多个采样器的开关以各自不同的采样周期不同的采样周期进行进行采样，则称为采样，则称为多速率采样多速率采样，如果，如果采样周期随机变采样周期随机变化化，则称为，则称为随机采样随机采样第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术•可用脉冲函数可用脉冲函数δδ来描述采样过程：若来描述采样过程：若f(t)f(t)为连续函为连续函数，对于数，对于δδ，可得：，可得： k=0,1,2,3k=0,1,2,3……采样过程可以看成是理想开关闭合一次，在该时刻作采样过程可以看成是理想开关闭合一次，在该时刻作用一个单位脉冲函数。

用一个单位脉冲函数第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术•若单位脉冲函数：若单位脉冲函数：则则f f* *(t)(t)可以看成是可以看成是δδT T(t)(t)被连续信号被连续信号f(t)f(t)调幅的结果调幅的结果此时采样此时采样第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术2 2、信号的、信号的复原：复原： 由采样信号由采样信号f f* *(t)(t)不失真的还原不失真的还原出连续信号出连续信号f(t)f(t)的过程第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术•香农采样定理：香农采样定理：若若f(t)f(t)是一个带宽为是一个带宽为2 2 ω ωmaxmax的有的有限带宽信号，则起采样信号限带宽信号，则起采样信号f f* *(t)(t)能够无失真地恢能够无失真地恢复到原信号的条件为复到原信号的条件为ωωs s ≥ ≥ ωωmaxmax 。

•将离散信号恢复为连续信号的装置称为保持器将离散信号恢复为连续信号的装置称为保持器第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术•最常用的近似保持器是零阶保持器其原理是：最常用的近似保持器是零阶保持器其原理是：将前一个时刻的采样值保持到下一个采样时刻将前一个时刻的采样值保持到下一个采样时刻•可以将其看成是两个信号的合成：可以将其看成是两个信号的合成：h(t)=1(t)-h(t)=1(t)-1(t-1(t-kTkT) )第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术•其传递函数：其传递函数：•频域特性为：频域特性为：第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术二、二、Z Z变换变换•Z Z变换是用来分析和综合离散时间系统的一种数学变换是用来分析和综合离散时间系统的一种数学工具•（一）（一）Z Z变换：变换：•1 1、定义、定义•假设离散信号假设离散信号f f* *(t)(t)为：为：•对其进行拉普拉斯变换，可得：对其进行拉普拉斯变换，可得：第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术•令令Z=Z=e esTsT，可得：，可得：•2 2、连续信号的、连续信号的z z变换方法：变换方法：（（1 1）从连续时间信号求）从连续时间信号求z z变换：变换： 直接由直接由z z变换变换定义定义确定确定z z变换变换 查表查表求取求取z z变换变换第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术•例：求下列信号的例：求下列信号的z z变换：变换：第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术（（2 2）从拉普拉斯求）从拉普拉斯求z z变换：变换： 反变换反变换成时域信号，再采用前面的方法确定成时域信号，再采用前面的方法确定z z变换变换 将其将其展开展开成简单的部分分式，然后成简单的部分分式，然后查表查表求取求取z z变换变换•例：已知例：已知F(s),F(s),求求F(z)F(z)。

第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术3 3、、z z变换的性质变换的性质•（（1 1）线形定理：若）线形定理：若f f1 1 (t)(t)、、 f f 2 2(t)(t)的的z z变换为：变换为： F F1 1(z) (z) 、、F F2 2(z)(z)，且有，且有f f (t)= af(t)= af1 1 (t)+ bf(t)+ bf 2 2(t)(t)，则：，则：F F (z) =aF(z) =aF1 1(z) +bF(z) +bF2 2(z)(z)•（（2 2）滞后定理：若）滞后定理：若z[f(t)]=F(z),z[f(t)]=F(z),且且t<0t<0时，时，f(t)=0f(t)=0，则有，则有: :Z[f(t-Z[f(t-mTmT)]=z)]=z-m-mF(z)F(z)第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术•（（3 3）超前定理：若）超前定理：若z[f(t)]=F(z)z[f(t)]=F(z) ，则有，则有: : 若若f(f(kTkT)=0)=0，则，则Z[f(Z[f(t+mTt+mT)]=)]=z zm mF F(z)(z)•（（4 4）初值定理：若）初值定理：若z[f(t)]=F(z)z[f(t)]=F(z) ，且，且 存在存在 则有则有: :•（（5 5）终值定理：若）终值定理：若z[f(t)]=F(z)z[f(t)]=F(z) ，且，且f(t)f(t)具有固定的具有固定的有限终值，则有有限终值，则有: :第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术（二）（二） Z Z反变换：反变换：•根据根据z z变换函数变换函数F(z)F(z)反求出原来的采样函数反求出原来的采样函数f f* *(t)(t)或或者者f f ( (kTkT),),记为：记为：•采用采用z z变换的方法对控制系统进行分析求解并设计变换的方法对控制系统进行分析求解并设计控制器以后，通过反变换将控制器以后，通过反变换将z z平面上的解转换回时平面上的解转换回时域内，一个脉冲序列或差分方程。

域内，一个脉冲序列或差分方程第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术1、幂级数展开法：•将将 z z变换表达式展开成幂级数形式，然后根据变换表达式展开成幂级数形式，然后根据z z变变换的定义，幂级数中各项换的定义，幂级数中各项z z-k-k的系数就是在各个采的系数就是在各个采样时刻的原函数值样时刻的原函数值f f ( (kTkT) )•例：求例：求 的反变换的反变换f f ( (kTkT) )，其中，其中|az|az-1-1|<1.|<1.•与定义式比较可得，与定义式比较可得， f f (0)=1(0)=1，， f f (T)=a, f(T)=a, f (2T)=a(2T)=a2 2, , ……第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术2、部分分式法：•z z变换表达式具有有理分式时，先将其分解成简单变换表达式具有有理分式时，先将其分解成简单的部分分式，然后根据的部分分式，然后根据z z变换定理以及查表方式获变换定理以及查表方式获得其反变换得其反变换•例：求例：求 的反变换的反变换•f f (0)=1(0)=1，， f f (T)=10, f(T)=10, f (2T)=30, (2T)=30, ……第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术（三）脉冲传递函数（三）脉冲传递函数1 1）定义：）定义：•在输入和输出的初始条件均为零的情况下，一个在输入和输出的初始条件均为零的情况下，一个环节或系统的环节或系统的输出脉冲序列的输出脉冲序列的z z变换变换与与输入脉冲序输入脉冲序列的列的z z变换之比变换之比称为该环节或系统的称为该环节或系统的z z脉冲传递函脉冲传递函数。

数•脉冲传递函数用来描述离散系统的特性和结构脉冲传递函数用来描述离散系统的特性和结构第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术2 2）如何计算脉冲传递函数）如何计算脉冲传递函数•方法：方法：1 1、已知连续系统的传递函数、已知连续系统的传递函数G(s)G(s)，则可将，则可将其分解为部分分式，由其分解为部分分式，由G(s)G(s)求出求出G(z)G(z)；； 2 2、若已知采样系统的差分方程，则可将差、若已知采样系统的差分方程，则可将差分方程作变换以后由脉冲传递函数定义取得分方程作变换以后由脉冲传递函数定义取得G(z)G(z)•注意：注意： 计算计算G(z)G(z)虽然只用到了虽然只用到了G(s)G(s)，但是，但是G(z)G(z)包包含了采样器的性质含了采样器的性质 G(z)=z[g(t)]=z{L G(z)=z[g(t)]=z{L-1-1[G(s)]}[G(s)]}第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术例：求系统的脉冲传递函数例：求系统的脉冲传递函数解：将连续传递函数分解因式：解：将连续传递函数分解因式：第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术3）z传递函数的连接方式•脉冲传递函数同样有串联、并联、反馈等连接方脉冲传递函数同样有串联、并联、反馈等连接方式。

在求系统传递函数时，对于串联环节要注意式在求系统传递函数时，对于串联环节要注意两个环节间是否有采样器两个环节间是否有采样器•有采样器时：有采样器时：第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术•串联环节无采样器时：两个环节间无采样器，串联环节无采样器时：两个环节间无采样器，则可合并为一个连续环节则可合并为一个连续环节第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术•并联环节中，无论采样器处于什么位置，其脉冲并联环节中，无论采样器处于什么位置，其脉冲传递函数结构形式与并联环节的拉氏传递函数相传递函数结构形式与并联环节的拉氏传递函数相同同第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术4）闭环系统的脉冲传递函数•若为单位反馈闭环系统，若为单位反馈闭环系统，H(s)=1H(s)=1，则有：，则有：第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术求闭环传递函数：•被控对象为：被控对象为：•作作z z变换：变换：第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术5.45.45.45.4数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计一、控制信号的采样与复原一、控制信号的采样与复原二、二、Z Z变换变换三、数字控制器的连续设计法（间接设计法）三、数字控制器的连续设计法（间接设计法）四四、数字控制器的离散设计法（直接设计法）、数字控制器的离散设计法（直接设计法）五、五、PIDPID数字控制器的设计数字控制器的设计第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术•计算机取代连续时间控制系统中的控制器，再加计算机取代连续时间控制系统中的控制器，再加上必要的附加装置即组成数字控制系统。

上必要的附加装置即组成数字控制系统5.45.45.45.4数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术5.45.45.45.4数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计 设计数字控制器设计数字控制器D(z)有几种方法从设计思路有几种方法从设计思路来看，可归纳为来看，可归纳为连续化设计法连续化设计法和和离散化设计法离散化设计法连续化设计法又称间接设计法，该设计方法的基连续化设计法又称间接设计法，该设计方法的基本思路是，当系统的采样频率足够高时，系统的本思路是，当系统的采样频率足够高时，系统的特性接近于连续变化的模拟系统，因而可以忽略特性接近于连续变化的模拟系统，因而可以忽略采样开关和保持器，将整个系统看成是连续变化采样开关和保持器，将整个系统看成是连续变化的模拟系统，从而用的模拟系统，从而用s域的方法设计校正装置域的方法设计校正装置D(z)，再使用，再使用s域到域到z域的离散化方法求得离散传递函域的离散化方法求得离散传递函数数D (z)设计的实质是将一个模拟调节器离散化，设计的实质是将一个模拟调节器离散化，用数字调节器取代模拟调节器。

用数字调节器取代模拟调节器第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术5.45.45.45.4数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计 设计的基本步骤是，根据系统已有的连续模型，设计的基本步骤是，根据系统已有的连续模型，按连续系统理论设计模拟调节器，然后按照一定按连续系统理论设计模拟调节器，然后按照一定的对应关系将模拟调节器离散化，得到等价的数的对应关系将模拟调节器离散化，得到等价的数字调节器，从而确定计算机的控制算法字调节器，从而确定计算机的控制算法 离散化设计法又称直接设计法，这种方法可直离散化设计法又称直接设计法，这种方法可直接在离散域用接在离散域用z域根轨迹设计法、域根轨迹设计法、W域频率特性设域频率特性设计法和解析设计法等设计数字调节器计法和解析设计法等设计数字调节器D (z)第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术5.45.45.45.4数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计三、数字控制器的连续设计法（间接设计法）三、数字控制器的连续设计法（间接设计法）连续设计法是数字控制器设计的一种经典方连续设计法是数字控制器设计的一种经典方法。

该方法把数字控制器法该方法把数字控制器D (z) 及其与计算及其与计算机外部进行信息交换的机外部进行信息交换的A/D转换器、转换器、D/A转转换器看成一个整体，首先针对被控对象在换器看成一个整体，首先针对被控对象在S域设计出满足要求的连续控制器域设计出满足要求的连续控制器D(s)，再，再由由D(s)经过离散化求出所需的数字控制器经过离散化求出所需的数字控制器D(z)这种设计方法要求采样周期这种设计方法要求采样周期T足够短，足够短，以避免产生较大的模型误差以避免产生较大的模型误差第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术5.45.45.45.4数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计三、数字控制器的连续设计法（间接设计法）三、数字控制器的连续设计法（间接设计法） （（1））设计连续控制器设计连续控制器首先假定所研究的系统为连续首先假定所研究的系统为连续系统，并考虑计算机控制器信号输出保持器的影响，在系统，并考虑计算机控制器信号输出保持器的影响，在控制器输出和被控对象之间插人保持器环节，然后按照控制器输出和被控对象之间插人保持器环节，然后按照连续控制系统的设计方法，在、域设计针对被控对象的连续控制系统的设计方法，在、域设计针对被控对象的满足要求的连续控制器满足要求的连续控制器D(s)。

2））离散化处理离散化处理选择合适的采样频率和离散化力一选择合适的采样频率和离散化力一法，通过将连续控制器法，通过将连续控制器D(s)离散化得到数字控制器离散化得到数字控制器D(z)编制的正确性编制的正确性第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术5.45.45.45.4数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计三、数字控制器的连续设计法（间接设计法）三、数字控制器的连续设计法（间接设计法）（（3））控制系统性能检验控制系统性能检验检验数字控制系统的性能，检验数字控制系统的性能，对因离散化处理而引起的相位滞后等予以数字补偿，若对因离散化处理而引起的相位滞后等予以数字补偿，若系统性能未能满足设计一要求，则返回由系统性能未能满足设计一要求，则返回由D(s)开始重新开始重新设计，直至满足设计要求设计，直至满足设计要求4））实现数字控制算法实现数字控制算法根据根据D(z)编制计算机程序编制计算机程序5））试验性验证试验性验证通过仿真技术或其他方法，进一步通过仿真技术或其他方法，进一步验证系统设计和程序编制的正确性验证系统设计和程序编制的正确性第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术5.45.45.45.4数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计四、数字控制器的离散设计法（直接设计法）四、数字控制器的离散设计法（直接设计法）第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术直接设计方法的原理直接设计方法的原理根据对控制系统性能要求，应用离散控制理论，根据对控制系统性能要求，应用离散控制理论，直接设计数字控制系统。

直接设计数字控制系统第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术系统的闭环脉冲传递函数：系统的闭环脉冲传递函数：数字控制器的脉冲传递函数：数字控制器的脉冲传递函数：广义对象的传递函数：广义对象的传递函数：步骤：步骤：1）根据控制系统性能指标和其他约束条件，确定）根据控制系统性能指标和其他约束条件，确定2）确定）确定3）编程实现）编程实现第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术5.45.45.45.4数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计四、数字控制器的离散设计法（直接设计法）四、数字控制器的离散设计法（直接设计法）1）最少拍数字控制器设计）最少拍数字控制器设计2）最少拍无波纹数字控制器设计）最少拍无波纹数字控制器设计3）大林数字控制器设计）大林数字控制器设计……第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术5.45.45.45.4数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计数字控制器设计五、五、PIDPID数字控制器的设计数字控制器的设计 PID数字控制器是按偏差、积分和微分的比例进行控数字控制器是按偏差、积分和微分的比例进行控制的调节器（简称制的调节器（简称PID调节器），是连续系统中技术成调节器），是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。

它的结构简单，参数熟、应用最为广泛的一种调节器它的结构简单，参数易于调整实际运行经验及理论分析证明，运用易于调整实际运行经验及理论分析证明，运用PID调节调节器在对相当多的工业对象进行控制时能够取得满意的效器在对相当多的工业对象进行控制时能够取得满意的效果随着计算机技术的发展，采用计算机系统来实现果随着计算机技术的发展，采用计算机系统来实现PID控制时，其软件系统灵活、易修改的优点得以发挥，控制时，其软件系统灵活、易修改的优点得以发挥，所以所以PID数字控制器被越来越广泛地应用数字控制器被越来越广泛地应用 第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术1. PID控制器的离散化在模拟系统中，在模拟系统中，PID算法的表达式为：算法的表达式为：第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术1. PID控制器的离散化离散式的离散式的PID表达式为：表达式为：第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术2. PID算法的程序设计（（1）位置式）位置式位置式位置式PID调节器的输出是全量输出，是执调节器的输出是全量输出，是执行机构所达到的位置。

行机构所达到的位置2）增量式）增量式增量式增量式PID就是对位置式就是对位置式PID取增量，数字取增量，数字调节器的输出值是增量调节器的输出值是增量3）速度式）速度式PID运算后的输出是位置相对于时间的变量运算后的输出是位置相对于时间的变量第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术3.几种改进的PID数字控制器：（（1 1）积分分离式）积分分离式PIDPID控制器控制器 适合被控对象适合被控对象不允许有过大超调不允许有过大超调的场合的场合 原理：给定最大允许偏差原理：给定最大允许偏差E E0 0 当当|E(k)|≤E|E(k)|≤E0 0，采用正常的，采用正常的PIDPID控制控制 当当|E(k)|>E|E(k)|>E0 0，去掉积分环节以减小超调量，去掉积分环节以减小超调量108第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术•（（2 2）带死区的）带死区的PIDPID控制器控制器 被控对象稳定，但不希望执行机构过于频繁的动作。

被控对象稳定，但不希望执行机构过于频繁的动作 原理：原理： 给定误差死区宽度给定误差死区宽度E E0 0 当当|E(k)|≤E|E(k)|≤E0 0，取，取E(k)=0E(k)=0，以使得，以使得P(k)=0P(k)=0 当当|E(k)|>E|E(k)|>E0 0，采用正常的，采用正常的PIDPID控制控制 结果：系统输出量相对与给定值的误差较小时，执行机结果：系统输出量相对与给定值的误差较小时，执行机构没有动作，误差较大时控制器按照构没有动作，误差较大时控制器按照PIDPID规律进行控制规律进行控制109第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术（（3 3）不完全微分的）不完全微分的PIDPID算法算法（（4 4）具有纯滞后补偿的）具有纯滞后补偿的PIDPID算法算法  …………第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术方法：方法： 理论计算：理论计算：参数作用直观、机理清楚、易于参数作用直观、机理清楚、易于优化。

但是难于精确，需要在实际应用时进优化但是难于精确，需要在实际应用时进行调整 工程整定：工程整定：以实验为基础，不依赖被控对象以实验为基础，不依赖被控对象的数学模型的数学模型1 1）按扩充临界比例度法整定）按扩充临界比例度法整定T T和和K Kp p、、T TI I、、T TD D（（2 2）按扩充响应曲线法整定）按扩充响应曲线法整定T T和和K Kp p、、T TI I、、T TD D 1114.PID数字控制器参数确定：第五章第五章 工业控制计算机及其接口技术工业控制计算机及其接口技术。