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1、微机测控技术微机测控技术侯敬巍第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 微机测试系统概况微机测试系统概况 1.1.1 1.1.1 测试技术作用及其发展测试技术作用及其发展 1.1.2 1.1.2 测试系统的分类及特点测试系统的分类及特点n n 1.1.测试系统的分类测试系统从不同的角度出发可以分为不测试系统的分类测试系统从不同的角度出发可以分为不同的类型。从所用程控设备来分，可分为程控器控制型和同的类型。从所用程控设备来分，可分为程控器控制型和微机控制型两类从系统的结构形式分，可分为专门接口微机控制型两类从系统的结构形式分，可分为专门接口型和通用接口型。从系统用途的适应程度分，可分为专用型和通用接
2、口型。从系统用途的适应程度分，可分为专用系统和通用系统。系统和通用系统。n n2.2.微机测试系统的特点微机测试系统的特点 n n 1 1）通道多）通道多 n n2 2）精度高）精度高 n n3 3）速度快）速度快 n n4 4）功能强）功能强 n n典型的功能归结为以下几个方面：典型的功能归结为以下几个方面：n n选择功能选择功能量程选择、信号通道选择、通道扫描方式选量程选择、信号通道选择、通道扫描方式选择、采样频率选择等。择、采样频率选择等。n n信号分析与处理信号分析与处理FFTFFT、相关分析、统计分析、平滑滤、相关分析、统计分析、平滑滤波。波。n n波形显示波形显示实时显示多个被测信
3、号的时域波形，即具有实时显示多个被测信号的时域波形，即具有存储示波器功能。存储示波器功能。n n自诊断自诊断系统越复杂，自身故障的诊断越显得重要。目系统越复杂，自身故障的诊断越显得重要。目前计算机都具有自诊断能力，一般可诊断到插件板一级。前计算机都具有自诊断能力，一般可诊断到插件板一级。一些通用性较强的测试系统，可以诊断到关键部位。自校一些通用性较强的测试系统，可以诊断到关键部位。自校准一准一高精度的自动测试系统都配有标准信号源。测试时，高精度的自动测试系统都配有标准信号源。测试时，对标准信号和被测信号对标准信号和被测信号 1.1.3 1.1.3 现代测试系统的基本结构现代测试系统的基本结构
4、1.1.非电量的特征非电量的特征n n1)1)从时域特性来看，非电信号有模拟信号和离散信号之别。从时域特性来看，非电信号有模拟信号和离散信号之别。n n2)2)从频域特性来看，国防试验和机械工艺中信号的频率有从频域特性来看，国防试验和机械工艺中信号的频率有高有低，但大多数属低频范围，有的近于直流量。高有低，但大多数属低频范围，有的近于直流量。n n3)3)非电信号并非独立存在，它们都处于环境的干扰和噪音非电信号并非独立存在，它们都处于环境的干扰和噪音的包围之中。的包围之中。n n4)4)非电信号能量强弱悬殊，其中强信号的测试指标容易达非电信号能量强弱悬殊，其中强信号的测试指标容易达到，而弱信号
5、的测试较之要难得多。到，而弱信号的测试较之要难得多。n n5)5)理论和实践证明，大多数非电信号通过一定形式的变换，理论和实践证明，大多数非电信号通过一定形式的变换，可变成相应的电量。可变成相应的电量。微机测试系统微机测试系统1）典型的微机测试系统传感器传感器传感器 数字传感器信号调理电路信号调理电路信号调理电路多路开关采样/保持器A/D微机绘图仪 显示器 打印机接口图1.1 微机测试系统基本结构图微机测试系统在系统中作用：n n(1)使测试自动化n n(2)提高测试精度n n(3)通过数据变换实现多功能(4)降低了测试系统成本n n(5)提高了系统的可靠性独立式微机测试系统独立式微机测试系统
6、 传感器传感器传感器信号调理电路信号调理电路信号调理电路多路开关 采样/保持器微机绘图仪 显示器 打印机图1.2 独立式微机测试系统结构图A/D 采样/保持器 采样/保持器A/DA/D1.2 微机控制系统概况微机控制系统概况 1.2.1 微机控制系统的分类n n1.按控制方式分按照控制方式的不同，计算机控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。微机执行机构被控对象传感器信号调理电路接口微 机接口执行机构被控对象(a)(b)图1.3微机控制的闭环与开环系统框图(a)微机控制的闭环系统框图(b)微机控制的系统框图微机控制系统，从本质上来看，它的控制过程可以归结为以下三个步骤：n n 实时数据检测:
7、对被控参数的瞬时值进行检测，并输入。n n实时决策:对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定进一步的控制过程。n n 实时控制:根据决策，适时地对控制机构发出控制信号。2.按照功能分n n1)操作指导控制系统:微机A/D打印机CRT采样保持器传感器工业对象人工调节器图1.4 操作指导微机控制系统n n2)直接数字控制系统：微机A/D报警采样保持器传感器工业对象图1.5 直接数字控制系统人机接口执行机构D/A 调理电路n n3)监督控制系统图1.6 监督控制系统(a)SCC+模拟调节器(b)SCC+DDC控制系统监 督 计 算 机A/D采样器传感器工 业 对 象执行机构D
8、/A 多路开关模拟调节器监 督 计 算 机A/D采样器传感器工 业 对 象执行机构D/A 多路开关信号调节器 DDC用微机(a)(b)n n4)分级计算机控制系统：工厂级集中监督计算机图1.7 分级计算机控制系统信息网络企业级管理计算机工 业 对 象车间监督级计算机SCC组级计算机DDC输出通道输入通道检测工 业 对 象车间监督级计算机组级计算机输出通道输入通道检测3.按控制规律分 n n1）程序和顺序控制 n n2）比例积分微分控制 n n 3)最小拍控制 n n4）复杂规律的控制 n n 5）智能控制1.2.2 微机控制系统的发展概况目前，微机控制系统的发展趋势有如下几个方面：n n1.工
9、业用可编程序控制器(Programmable Logic ControllerPLC)的应用：n n2.提高控制性能、采用新型的控制系统：n n3.用微机实现最优控制和自适应控制：n n4.智能机器人：1.3 微机测控系统概况微机测控系统概况工 业 对 象系 统 总 线 接 口人机对话设备主机A/D转换 接 口D/A转换采样设备开关量输入开关量输出多路开关传感元件图1.8 微机测控系统基本硬件组成1.3.1 测控系统硬件组成n n1.主机n n2.输入输出通道n n3.外部设备n n4.接口电路n n5.运行操作台n n6.系统总线1.3.2 测控系统软件组成n n1.系统软件n n2.应用软
10、件第二章第二章 微机测控系统接口电路设计微机测控系统接口电路设计n n2.1 概述n n1.人机对话接口：n n2.过程通道接口：n n3通用外设接口：2.2 人机接口设计人机接口设计n n2.2.1 输入接口设计n n1.拨盘输入接口设计n n2.键盘接口设计 n n 1）线性键盘接口图2.5线性键盘接口 微 机并 行 接 口n n 2）矩阵键盘接口图2.7 矩阵键盘接口n n2.2.2 七段LED显示器及其驱动2.2.3 点阵式LED显示器驱动接口n n点阵式LED显示器通常由7行5列共35个LED组成。单个点阵式LED显示器能够显示各种字母，数字和常用的符号。用多个点阵式LED显示器可以
11、组成大屏幕LED显示屏，用于显示汉字，图形及表格，因此在大屏幕显示牌，智能化仪器及家用电器中有着较广泛的应用。n n2.2.4 2.2.4 液晶显示器液晶显示器n n2.2.4.1 LCD2.2.4.1 LCD的机构及工作原理的机构及工作原理n nLCDLCD的结构液晶材料上偏振片上电极基板上电极基板下偏的结构液晶材料上偏振片上电极基板上电极基板下偏振片反射板封接剂电极液晶显示器的结构如图振片反射板封接剂电极液晶显示器的结构如图2.122.12所示。所示。在上、下玻璃电极之间封入行列型液晶材料，液光通过平在上、下玻璃电极之间封入行列型液晶材料，液光通过平行排列的液晶材料被旋转行排列的液晶材料被
12、旋转9090，再通过与上偏振片面相垂直，再通过与上偏振片面相垂直的下偏振片，被反射板反射回来，呈透明状态；当上，下的下偏振片，被反射板反射回来，呈透明状态；当上，下电极加上电极加上定的电压后，电极部分的液晶分子转成垂直排定的电压后，电极部分的液晶分子转成垂直排列，失去旋光性，从上偏振片入射的偏振光不被旋转，光列，失去旋光性，从上偏振片入射的偏振光不被旋转，光无法通过下偏振片返回，因而呈黑色根据需要，将电极无法通过下偏振片返回，因而呈黑色根据需要，将电极做成各种文字、数字、图形，就可以获得各种状态显示。做成各种文字、数字、图形，就可以获得各种状态显示。2.2.4.2 YM12864X图形点阵液晶
13、显示器 n n 1.是一种图形点阵液晶显示器 n n 2.特性 n n3.管脚介绍 n n 4.原理简图 n n5.软件说明 n n6.写显示数据2.3 A/D转换器与微机接口设计转换器与微机接口设计n n2.3.1 8位A/D转换器与微机接口设计n n2.3.1.1 ADC0809管脚图2.18 ADC0809的管脚图n n2.3.1.2 ADC08092.3.1.2 ADC0809转换器与微机接口硬件电路设计转换器与微机接口硬件电路设计n nADC0809ADC0809带有三态锁存器，可以与带有三态锁存器，可以与80318031单片机的总线直接单片机的总线直接连接。图连接。图2.202.2
14、0给出了给出了ADC0809ADC0809的接口电路。从图的接口电路。从图2.202.20和结合和结合图图2.192.19的时序图可以看出，当的时序图可以看出，当P2.3P2.3和信号均为低电平时，和信号均为低电平时，使启动脉冲使启动脉冲STARTSTART及地址锁存允许脉冲及地址锁存允许脉冲ALEALE信号有效，将信号有效，将地址送到地址总线，模拟量经地址送到地址总线，模拟量经C C、B B、A A选择开关所指定的选择开关所指定的通道送到通道送到A/DA/D转换器。在转换器。在STARTSTART下降沿的作用下，一位一下降沿的作用下，一位一位的逼近，此时，转换结束信号位的逼近，此时，转换结束
15、信号EOCEOC变低电平。由于逐次变低电平。由于逐次逼近需要一定的过程，所以在此期间，模拟量输入不变，逼近需要一定的过程，所以在此期间，模拟量输入不变，比较器也一直在工作，直到转换结束，发出一个转换结束比较器也一直在工作，直到转换结束，发出一个转换结束信号信号EOCEOC（高电平有效）经反向器后可向（高电平有效）经反向器后可向CPUCPU申请中断，申请中断，使使P3.3=0P3.3=0，表示已结束。此时，单片机发出一个输出允许，表示已结束。此时，单片机发出一个输出允许信号，即信号，即P2.3P2.3与均为低电平，使与均为低电平，使OEOE高电平有效，允许从高电平有效，允许从A/DA/D转换器锁
16、存器读取数字量转换器锁存器读取数字量.2.3.1.3 82.3.1.3 8位位A/DA/D转换程序设计方法转换程序设计方法 n n目前常用的控制方式：目前常用的控制方式：n n1)1)程序查询方式程序查询方式 n n2 2）定时采样方式）定时采样方式 n n3 3）中断方式）中断方式2.3.2 122.3.2 12位位A/DA/D转换器接口设计转换器接口设计 n n1.AD5741.AD574的管脚的管脚 n n2.AD5742.AD574的技术指标的技术指标 n n3.AD5743.AD574的应用的应用 n n4.AD5744.AD574与单片机的接口及程序设计与单片机的接口及程序设计 2
17、.4 D/A转换器和微机的接口设转换器和微机的接口设计计2.4.1 不带输入数据寄存器的D/A转换器接口图2.29 12位D/A转换器与CPU的接口 2.4.2 微机总线兼容型D/A转换器接口图2.30 微机总线兼容型D/A转换器基本结构n n2.4.3 双极性模拟量输出的实现VOUT1I1I2VOUT2图2.32 DAC0832双极性输出电路2.5 通用电路及功率接口通用电路及功率接口2.5.1 波形整形电路波形整形电路n n通常作为波形的转换与信号调理，其组成方式可以通过比较器组成的电路实现或通过光电耦合器实现，但比较器可实现微信号的转换。电压比较器通常用来判断输入信号的相对大小，对信号幅
18、度进行控制或根据输入信号的幅度决定输出信号的极性。2.5.2 V/F2.5.2 V/F电路设计电路设计采用采用V VF F转换器与计算机接口有下列优点：转换器与计算机接口有下列优点：n n(1)(1)接口简单、占用计算机资源少。对于一路模拟信号只要接口简单、占用计算机资源少。对于一路模拟信号只要占用一个输入通道。占用一个输入通道。n n(2)(2)频率信号输入灵活。可以输入单片机或微处理器的任频率信号输入灵活。可以输入单片机或微处理器的任何一根何一根I IOO口线或作为中断源输入计数输入等。口线或作为中断源输入计数输入等。n n(3)(3)抗干扰性能好。频率测量本身是一个计数过程。抗干扰性能好
19、。频率测量本身是一个计数过程。V VF F转换过程是对输入信号的不断积分，因而能对噪声或变化转换过程是对输入信号的不断积分，因而能对噪声或变化的输入信号进行平滑。另外，的输入信号进行平滑。另外，V VF F转换与计算机接口很容转换与计算机接口很容易采用光电隔离。易采用光电隔离。n n(4)(4)便于远距离传输。它还可以调制在射频信号上，进行便于远距离传输。它还可以调制在射频信号上，进行无线传播无线传播,实现遥测。调制成光脉冲，可用光纤传送，不实现遥测。调制成光脉冲，可用光纤传送，不受电磁干扰。受电磁干扰。2.5.3 继电器，接触器的功率接口n n1.直流电磁式继电器，接触器功率接口图2.39
20、直流继电器接口n n2.交流电磁式接触器的功率接口图2.40 交流接触器接口2.5.4 2.5.4 光电器件功率接口电光型功率接口光电器件功率接口电光型功率接口n n主要用于各类照明以及闪光指示器等的驱动。电主要用于各类照明以及闪光指示器等的驱动。电热型功率接口主要用于各种电炉和加热器等的驱热型功率接口主要用于各种电炉和加热器等的驱动。电光型功率接口采用连续方式控制，电热型动。电光型功率接口采用连续方式控制，电热型功率接口采用连续或断续方式控制。功率接口采用连续或断续方式控制。2.5.4.1 2.5.4.1 电光，电热型器件电光，电热型器件 n n1.1.电光型器件电光型器件 n n 2.2.
21、电热型器件常用的电热器件有：电阻丝电热器电热型器件常用的电热器件有：电阻丝电热器件；多孔玻璃态碳电热器件；电热膜；硅钼棒电件；多孔玻璃态碳电热器件；电热膜；硅钼棒电热器件和热器件和PTCPTC半导体电热器件。半导体电热器件。2.5.4.2 电光型功率接口2.5.4.3 电热型功率接口图2.42 采用双向晶闸管控制的电热型功率接口 第三章第三章 微机测控系统设计微机测控系统设计n n3.1 概述3.1.1 微机测试系统的性能指标 微机测试系统的性能指标，主要包括分辨率、采集精度、采集速度、采集信号的数量和种类，n n1.分辨率及信号放大倍数的确定 n n2.精度分配 n n3.采样频率fs的选择
22、n n首先要确定工程实际需要的采样频率fS，通常有两条依据，n n一是根据信号最高频率fimax进行计算的经验公式 n n其中n为采集点数。n n二是根据工业参数的采样时间Ts的经验值。3.1.2 采集测量方案的设计 n n1.采集信号桢格式的编排 n n2.采集字的编码 D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0控制增益 备 用 信 号 地 址 码 次帧开关 副帧开关 主帧开关图 3.2 采集字编码图例3.1.3 系统的连接与匹配n n这里讲的系统的联接与匹配是指：n n系统的输入电路与系统外部电路的联接与匹配；n n系统的输出
23、电路与系统外部电路的联接与匹配；n n系统内部各级电路之间的联接与匹配。3.2 微机测试系统的信号微机测试系统的信号n n3.2.1 信号的形式n n1.模拟信号n n2.开关量或脉冲频率信号n n3.2.2 模拟信号的幅值，精度与分辨率3.2.2.1 信号的幅值按照信号的幅值可以分为大信号（伏级）、小信号（毫伏级）、弱信号（微伏级）n n3.2.2.2 精度与分辨率3.2.3 信号的传输 n n1.模拟信号的传输 电压和电流传输关系分别由（3-11）式和(3-12)式表示 （3-113-11）（3-123-12）图3.12 分布电容造成数字信号失真波形图2.2.数字信号的传输数字信号的传输
24、1 1）电平匹配）电平匹配 2 2）驱动能力）驱动能力 3 3）传输线传输线的分布电容将使数字信号失真，见图）传输线传输线的分布电容将使数字信号失真，见图3.123.12。3.3 多路切换开关多路切换开关 3.3.1 切换开关器件及其选择 n n1.不同类型的切换开关通常选用的器件主要有干簧继电器、干触点电继电器、水银触点继电器和CMOS模拟开关。n n2.CMOS模拟开关 3.3.2 切换开关在信号选择和量程变换中的应用 1.信号选择_+KV1V2Vn.(a)_+V1V2Vn.(b)Ron10K10KRf_+V1V2Vn.(c)Ron10KRfRif图3.13 模拟开关在信号选择中的应用n
25、n2.量程变换 Vi_+(a)Vi_+(b)图3.14 模拟开关在量程切换中的应用 3.3.3 泄漏电流的影响及其克服 n n1.单端单级切换n n2.单端两级切换3.3.4 CMOS模拟开关的保护与路数切换控制 n n1.输入端的过压保护 n n2.路数切换控制3.4 模拟信号调理电路模拟信号调理电路 模拟信号调理电路主要有以下几种功能：模拟信号调理电路主要有以下几种功能：n n(1)(1)将目前工业仪表通用的将目前工业仪表通用的0 010mA10mA，4 420mA20mA标准信号，标准信号，转变成转变成0 02V2V或或l l5V5V电压信号，以便满足电压信号，以便满足A/DA/D转换器
26、的要转换器的要求。求。n n（2 2）某些测量信号可能是非电压信号，如热电阻等，需）某些测量信号可能是非电压信号，如热电阻等，需要将这些非电压信号变换为电压信号。对于某些弱电压信要将这些非电压信号变换为电压信号。对于某些弱电压信号，如热电偶信号，必须放大、滤波，这些处理包括信号号，如热电偶信号，必须放大、滤波，这些处理包括信号形式的变换，量程调整，环境补偿，线性化等等。形式的变换，量程调整，环境补偿，线性化等等。n n（3 3）在某些恶劣环境下，共模电压干扰很强，甚至高达）在某些恶劣环境下，共模电压干扰很强，甚至高达几百伏，不采用隔离的办法就无法完成数据采集的任务。几百伏，不采用隔离的办法就无
27、法完成数据采集的任务。因此，必须根据现场环境，考虑共模干扰的抑制，甚至采因此，必须根据现场环境，考虑共模干扰的抑制，甚至采用隔离措施等等；用隔离措施等等；3.4.1 滤波和限幅电路RRC1C2VinVoutDAG(a)单端输入R/2R/2C1C2VinVoutD2AGC3C4R/2R/2D1D3+_图3.19 限幅滤波电路(b)双端输入n n3.4.1.1 3.4.1.1 单端输入的限幅滤波电路单端输入的限幅滤波电路n n3.4.1.2 3.4.1.2 双端输入的限幅滤波电路双端输入的限幅滤波电路n n3.4.1.3 3.4.1.3 滤波电路中的滤波电路中的R,CR,C数值的选择数值的选择 对
28、于相同的对于相同的RCRC值，应尽量减小值，应尽量减小C C值，加大值，加大R R值，因值，因为电阻的体积和价格不会因为电阻的体积和价格不会因R R值加大而增大，而减值加大而增大，而减小小C C值，将减小电容的体积和价格。但是值，将减小电容的体积和价格。但是R R值的增值的增大受下列因素所限制：一是滤波电容的漏阻、多大受下列因素所限制：一是滤波电容的漏阻、多路切换开关的漏阻或者是印刷线路板的漏阻。另路切换开关的漏阻或者是印刷线路板的漏阻。另外，外，RCRC数值的选择，和滤波器在多路切换开关前数值的选择，和滤波器在多路切换开关前或后，以及输入信号是否是热阻信号有关。或后，以及输入信号是否是热阻信
29、号有关。3.4.2 隔离技术n n3.4.2.1 光电隔离+_IoI1 I2E2E1R1R2VoVi+_23456TIL300图3.20 模拟信号光电隔离工作原理 3.4.2.2“飞电容”技术K11C1K21V1K12C2K22V2K1NCNK2NVN.AVout图3.21 “飞电容”原理图3.4.2.3 隔离放大器 4 5 1 2 3 6 7 8 9 10 2500V 300Vmaxmax Vin RS Rg隔离电源公 共 端电源输出25mA隔离LHL同步入/出直流电源输入 12.525V+_输出10V+15V图3.22 隔离放大器结构图3.4.3 运算放大电路n n1.关于理想运放和实际运
30、放 n n2.运算电阻的选择 n n3.运算放大电路的输入阻抗 n n4.失调电压，失调电流对运算精度的影响 n n5.关于运算放大器的其他参数 n n6.闭环原理n n3.4.4 微机测试系统中运算放大电路应用实例3.5 模拟信号的数据处理模拟信号的数据处理3.5.1 随机误差的处理n n3.5.1.1 总体平均法n n3.5.1.2 移动平均法n n3.5.1.3 数字滤波器n n3.5.2 系统误差的处理n n3.5.2.1 建立误差模型修正系统误差n n3.5.2.2 分段曲线拟合法修正系统误差n n目前，曲线分段拟合用的比较多的是线性插值法和二次插值法（抛物线插值法）。线性插值：n
31、n二次插值：3.6 开关量及频率信号的采集开关量及频率信号的采集 3.6.1 3.6.1 开关量和频率信号的隔离开关量和频率信号的隔离 在很多场合对开关量的信号规定不同，有些场合规定继电在很多场合对开关量的信号规定不同，有些场合规定继电器的断开和闭合为器的断开和闭合为”1”1”和和”0”0”，有些场合把，有些场合把TTLTTL的高低的高低电平作为电平作为”1”1”和和”0”0”，而国外有些仪表把，而国外有些仪表把15V15V和和0V0V作为作为开关量的开关量的”1”1”和和”0”0”等。正是由于以上对开关量的规定等。正是由于以上对开关量的规定方法不同，在开关量的测量中，为了保证测量电路能接受方
32、法不同，在开关量的测量中，为了保证测量电路能接受不同规定的开关信号，必须在开关电路中加隔离保护措施。不同规定的开关信号，必须在开关电路中加隔离保护措施。开关量和频率信号的处理方法开关量和频率信号的处理方法 开关量经隔离整形后可以直接送到微机测试系统的开关量经隔离整形后可以直接送到微机测试系统的I/OI/O子子系统，微机通过指令读入后根据逻辑需要产生相应操作，系统，微机通过指令读入后根据逻辑需要产生相应操作，对于开关量的处理只是逻辑判断或运算，在微机测试系统对于开关量的处理只是逻辑判断或运算，在微机测试系统中尤其是以单片机为核心的测试系统实现起来非常简单，中尤其是以单片机为核心的测试系统实现起来
33、非常简单，在此不做详细介绍。在此不做详细介绍。第四章第四章 微机控制系统设计微机控制系统设计4.1 概述n n4.1.1 微机控制系统的组成控制装置控制转换器被控对象执行机构检测装置给定被控参数图4.1 微机控制系统基本组成4.1.2 4.1.2 微机控制系统的特点优点：微机控制系统的特点优点：n n1 1）对外部环境的低灵敏性，如温度、湿度、元器件的使）对外部环境的低灵敏性，如温度、湿度、元器件的使用时间等。用时间等。n n2 2）数字信号的抗干扰性及传输信号的低成本性。）数字信号的抗干扰性及传输信号的低成本性。n n3 3）无参数漂移现象。）无参数漂移现象。n n4 4）可靠性高）可靠性高
34、 。n n5 5）具有很高的柔性，在不需要改动硬件的情况下，可以）具有很高的柔性，在不需要改动硬件的情况下，可以通过软件改变系统的功能。通过软件改变系统的功能。n n6 6）多系统的协调工作及多任务的共同执行。）多系统的协调工作及多任务的共同执行。n n7 7）具有计算复杂算法的能力。）具有计算复杂算法的能力。n n8 8）能实现复杂的控制，如前馈控制、自适应控制、边结）能实现复杂的控制，如前馈控制、自适应控制、边结构控制、智能控制。构控制、智能控制。缺点：n n1）微机的精度引入的误差。n n2）由于计算机控制的离散时间特性，其控制变化陡峭。n n3）高性能控制算法的工程实现较复杂。n n4
35、）微机控制系统的频带要比实现同样功能的模拟控制系统窄。4.1.3 4.1.3 控制系统设计的一般方法和步骤控制系统设计的一般方法和步骤控制系统设计可参考下述一般步骤进行：控制系统设计可参考下述一般步骤进行：n n1 1列写设计大纲列写设计大纲n n2 2建立被控对象的数学模型建立被控对象的数学模型n n3 3控制方案选择控制方案选择n n4 4控制系统性能分析控制系统性能分析n n5 5控制系统的详细设计控制系统的详细设计n n6 6拟定现场调试大纲拟定现场调试大纲n n7 7整理并编写技术文件整理并编写技术文件4.1.4 控制系统的微机选择选择微型机时应综合考虑下面一些因素：n n1计算精度
36、n n2计算速度n n3控制方法n n4系统规模n n5成本、批量及设计周期4.1.5 4.1.5 以工控机为主控机的控制装置设计以工控机为主控机的控制装置设计4.1.6 4.1.6 专用控制装置设计专用控制装置设计4.1.7 4.1.7 提高控制装置的可靠性提高控制装置的可靠性 1 1.提高控制装置可靠性的硬件方法提高控制装置可靠性的硬件方法n n1 1）通过元、器件的合理选择提高可靠性）通过元、器件的合理选择提高可靠性n n2 2）对功率接口采用降额设计提高可靠性）对功率接口采用降额设计提高可靠性n n3 3）采用监视定时器提高可靠性）采用监视定时器提高可靠性n n4 4）采用冗余技术提高
37、可靠性）采用冗余技术提高可靠性 冗余技术又称储备冗余技术又称储备技术，常用的冗余结构有并联和后备两种。技术，常用的冗余结构有并联和后备两种。n n5 5）采取抗干扰措施提高可靠性）采取抗干扰措施提高可靠性4.2 数字控制系统的数字控制系统的Z变换变换4.2.1 Z变换的定义4.2.2 连续信号Z变换方法n n 1.从连续时间信号求Z变换例4-1 试利用定义公式(4-1)，求单位阶跃信号1(t)的z变换。解：n n 2.有拉普拉斯变换求Z变换n n例4-3 已知F(s)=，求F(z)。解：将F(s)展开成部分分式得 查表4-1得于是4.2.3 Z变换的性质 n n1.线性定理 n n2.滞后定理
38、 n n3.超前定理 n n4.初值定理 n n5.终值定理 n n4.2.4 Z反变换 n n1.幂级数展开法n n例4-4 求的反变换F(kT)，其中 。解：将F(z)展开成幂级数，得 2.部分分式法 n n例4-5 试用部分分式法求的z反变换。解：首先将F(z)展开成部分分式。则 查表4-1得于是即 4.2.5 用Z变换解差分方程4.2.6 Z传递函数 n n1.Z传递函数的定义 n n2.Z传递函数的联接方法与拉氏传递函数一样，Z传递函数也可用方框图表示，并且也具有串联、并联和反馈联接三种联接方式，如图4.5所示。在三种联接方式下，系统的Z传递函分别为y(z)x(z)Gh(z)G2(z
39、)a)Gh(z)G2(z)b)y(z)x(z)G0(z)H(z)c)图4.5 Z传递函数环节连接n n串联 n n并联 n n反馈联接 4.3 微机控制系统的离散化设计微机控制系统的离散化设计n n离散化设计的概念与进行步骤n n1.离散化设计的概念 n n2.离散化设计的进行步骤D(z)G(z)xy图4.10 离散控制系统4.3.2 连续环节的离散化设计 连续信号的Z变换方法 n n1.差分近似变换法 n n2.双线性变换法 n n3.匹配Z变换法 4.3.3 4.3.3 典型环节的离散化设计典型环节的离散化设计n n一阶惯性环节一阶惯性环节 二阶环节二阶环节 超前环节超前环节 积分环节积分
40、环节 微微分环节分环节4.3.4 4.3.4 采样器对连续装置离散化的影响采样器对连续装置离散化的影响 n n1.1.采样器位置的影响采样器位置的影响 n n2.2.对闭环系统的影响对闭环系统的影响 4.3.5 4.3.5 微机控制装置设计示例微机控制装置设计示例n n1 1.确定采样频率并校核零阶保持器的影响确定采样频率并校核零阶保持器的影响n n2 2.数字控制装置的实现数字控制装置的实现4.4 数字数字PID控制器设计控制器设计4.4.1 PID 4.4.1 PID 控制器的特点控制器的特点4.4.2 PID4.4.2 PID数字控制器的基本结构及算法数字控制器的基本结构及算法n n1.
41、PID1.PID数字控制器的基本结构数字控制器的基本结构n nPIDPID控制控制 PID PID控制兼有比例、积分和微分三种基本控制规控制兼有比例、积分和微分三种基本控制规律的优点，可使系统的稳态和动态性能以及系统的稳定性律的优点，可使系统的稳态和动态性能以及系统的稳定性都得到改善，因而应用最为广泛。其控制规律如下：都得到改善，因而应用最为广泛。其控制规律如下：n n2.PID2.PID数字控制器的程序算法数字控制器的程序算法n n3.PID3.PID控制规律的脉冲传递函数形式控制规律的脉冲传递函数形式4.4.3 PID数字控制器的参数设定 常用参数确定方法：1.用逐步逼近法确定PID参数
42、n n1）首先只整定比例部分。n n2）如果在比例控制的情况下静差达不到设计要求，则需加进积分环节。n n3）若使用PI调节器控制消除了静差，而动态性能反复调整仍不能满意，则可加入微分环节，构成PID控制。n n 2.2.简易工程法确定简易工程法确定PIDPID参数参数n n1 1）扩充临界比例度法）扩充临界比例度法n n2)2)扩充响应曲线法扩充响应曲线法 4.4.4 4.4.4 采样周期的选择采样周期的选择 n n1.1.系统给定值变化频率较高时，采样频率也应取得较高，系统给定值变化频率较高时，采样频率也应取得较高，以使给定值的变化得到迅速响应。以使给定值的变化得到迅速响应。n n2.2.
43、如果被控对象是缓慢变化的热工或化工过程时，采样周如果被控对象是缓慢变化的热工或化工过程时，采样周期可以取得大些，当被控对象是快速系统时，采样周期可期可以取得大些，当被控对象是快速系统时，采样周期可以取得较小。以取得较小。n n3.3.当执行机构惯性较大时，采样周期可取得大些。当执行机构惯性较大时，采样周期可取得大些。n n4.4.系统中控制回路数较多时，考虑到控制程序的执行时间，系统中控制回路数较多时，考虑到控制程序的执行时间，应取较大的采样周期。应取较大的采样周期。4.5 微机控制系统设计微机控制系统设计 4.5.1 炉温控制系统设计图4.26 炉温控制系统硬件框图 8051打印显示D/AA
44、/D放大光电隔离SCR整流电阻炉放大炉温检测 4.5.2 4.5.2 步进电机的控制系统设计步进电机的控制系统设计1.1.基本电路基本电路2.2.双功率放大电路双功率放大电路 4.5.3 4.5.3 直流电机的控制直流电机的控制方法：直流电机的控制直流电机的控制方法：1.1.直流电机的直流电机的PWMPWM控制控制n n 2.直流电机专用控制芯片目前已有专供电机控制用的大功率集成电路出售。如：L293L293EL298等，每块这样的芯片包含4个带推挽输出级的功率放大器及其相应的控制电路。第五章第五章 微机测控系统中的常用总线微机测控系统中的常用总线 5.1 IEEE-488并行标准总线接口技术
45、 5.1.1 微机控制系统的组成 IEEE488总线由16根信号线和7条地线及一条机壳接地线组成，共24条线。16根信号线中，8根为数据总线，3根用于数据字节传送的控制总线(握手线)，5根管理线。5.1.2 微机控制系统的特点5.1.3 5.1.3 控制系统设计的一般方法和步骤控制系统设计的一般方法和步骤n n1 1SH(SOURCE HANDSHAKE)SH(SOURCE HANDSHAKE)源握手功能源握手功能n n2 2AH(ACCEPTERHANDSHAKE)AH(ACCEPTERHANDSHAKE)接收握手功能接收握手功能n n3 3T(TALKER)T(TALKER)讲者功能讲者功
46、能n n4 4L(LISTENER)L(LISTENER)听者功能听者功能n n 5 5SR(SERVICEREQUEST)SR(SERVICEREQUEST)服务请求功能服务请求功能 n n6 6RL(REMOTELOCAL)RL(REMOTELOCAL)远程本地功能远程本地功能n n7 7PP(PARALLELPOLL)PP(PARALLELPOLL)并行查询功能并行查询功能n n8 8DC(DEVICECLEAR)DC(DEVICECLEAR)设备清除功能设备清除功能n n9 9DT(DEVICETRIGGER)DT(DEVICETRIGGER)设备触发功能设备触发功能n n1010C(
47、CONTROLLER)C(CONTROLLER)控制者功能控制者功能n n1111TE(EXTENDEDTALKER)TE(EXTENDEDTALKER)扩充讲者的功能扩充讲者的功能n n1212LE(EXTENDEDLISTENER)LE(EXTENDEDLISTENER)扩充听者的功能扩充听者的功能n n1313E(BUSDRIVERTYPE)E(BUSDRIVERTYPE)总线驱动器类型，常用集电极开路驱动器或三态门总线驱动器类型，常用集电极开路驱动器或三态门驱动器。驱动器。n n5.1.4 5.1.4 控制系统的微机选择控制系统的微机选择IEEE488IEEE488总线总线8 8位数据
48、的传送是位数据的传送是采用三线握手信号的联络方式进行，图采用三线握手信号的联络方式进行，图5.15.1示出了传送数据示出了传送数据的时序图的时序图。5.1.5 5.1.5 以工控机为主控机控制装置设计以工控机为主控机控制装置设计 由于由于IEEE-488IEEE-488总线没有地址总线和完全的控制总线，所以总线没有地址总线和完全的控制总线，所以数据总线既用语传输数据（设备信息）又用语传输地址和数据总线既用语传输数据（设备信息）又用语传输地址和命令（接口信息），区分数据总线上是设备信息还是接口命令（接口信息），区分数据总线上是设备信息还是接口信息是由注意线信息是由注意线ATNATN的状态来决定的
49、。的状态来决定的。n n1.1.重新规划总线的工作方式重新规划总线的工作方式 当控制者需要重新规划总线时，当控制者需要重新规划总线时，就使就使ATNATN1 1，此时当前的讲者马上让出，此时当前的讲者马上让出DAVDAV线，控制者线，控制者成为唯一的讲者，总线上的所有没备，不论原来是否有效、成为唯一的讲者，总线上的所有没备，不论原来是否有效、是讲者还是听者，都必须收听数据总线上的接口信息。当是讲者还是听者，都必须收听数据总线上的接口信息。当设备收到此类字节的低设备收到此类字节的低5 5位正好是自己的地址号时，它就位正好是自己的地址号时，它就变成一个有效的听者或讲者，当原为听者的设备收到不是变成
50、一个有效的听者或讲者，当原为听者的设备收到不是自己的听者地址时，就改变原状态，一个原为讲者的设备，自己的听者地址时，就改变原状态，一个原为讲者的设备，收到不是自己讲者的地址时，讲者权利就被取消。收到不是自己讲者的地址时，讲者权利就被取消。2.GPIB2.GPIB的命令及对应的代码的命令及对应的代码 n nUNLUNL&H3F&H3F，GPIB unlisten command GPIB unlisten command 不听命令不听命令n nUNTUNT&H5F&H5F，GPIB untalk command GPIB untalk command 不讲命令不讲命令 n nGTLGTL&H 1