第九章-计算机控制系统设计与实现课件.ppt

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1、第九章第九章 计算机控制系统设计与实现计算机控制系统设计与实现1oo 9.1 抗干扰技术抗干扰技术oo 9.2 系统设计的原则与步骤系统设计的原则与步骤29.1 抗干扰技术抗干扰技术3硬件抗干扰：硬件抗干扰：效率高，但要增加成本和体积效率高，但要增加成本和体积软件抗干扰：软件抗干扰：投资低，但要降低系统的工作效率投资低，但要降低系统的工作效率4内部干扰：内部干扰：分布电容、分布电感引起的耦合感应，电分布电容、分布电感引起的耦合感应，电 磁场辐射感应，长线传输的波反射，多点磁场辐射感应，长线传输的波反射，多点 接地造成的电位差引起的干扰，寄生振荡接地造成的电位差引起的干扰，寄生振荡 引起的干扰，

2、甚至元器件产生的噪声也属引起的干扰，甚至元器件产生的噪声也属 于内部干扰于内部干扰外部干扰：外部干扰：空间电或磁的影响，环境温度、湿度等气空间电或磁的影响，环境温度、湿度等气 象条件象条件51、串模干扰及其抑制方法、串模干扰及其抑制方法一、硬件抗干扰技术一、硬件抗干扰技术6a、滤波器、滤波器b、当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用、当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用 双积分式双积分式A/D 转换器可以削弱串模干扰的转换器可以削弱串模干扰的 影响影响c、采用双绞线作为信号线，进行电磁屏蔽、采用双绞线作为信号线，进行电磁屏蔽d、电流传送、电流传送7 2、共模干扰及其抑制方法、共模干扰及其抑制方法

3、 共模干扰主要是由电源的地、放大器的地以共模干扰主要是由电源的地、放大器的地以及信号源的地之间的传输线上电压降造成的。及信号源的地之间的传输线上电压降造成的。8 抑制共模干扰的主要方法是设法消除不同接抑制共模干扰的主要方法是设法消除不同接地点之间的电位差。地点之间的电位差。a、变压器隔离、变压器隔离 b、光电隔离、光电隔离 c、采用具有高共模抑制比的仪表放大器、采用具有高共模抑制比的仪表放大器9 一一些些干干扰扰是是从从电电源源系系统统窜窜入入的的，影影响响直直流流电电源源的的稳稳压压性性，最最终终影影响响系系统统的的稳稳定定性性和和测测量量的精度。的精度。3、电源系统的抗干扰技术、电源系统的

4、抗干扰技术10a、抗干扰稳压电源的设计、抗干扰稳压电源的设计11（1）隔离变压器）隔离变压器 隔离变压器的作用有两个：隔离变压器的作用有两个：其一是防止浪涌电压和尖峰电压直接窜入而损坏系统其一是防止浪涌电压和尖峰电压直接窜入而损坏系统 其二是利用其屏蔽层阻止高频干扰信号窜入。其二是利用其屏蔽层阻止高频干扰信号窜入。（2）低通滤波器）低通滤波器 各各种种干干扰扰信信号号一一般般都都有有很很强强的的高高频频分分量量，低低通通滤滤波波器器是是有有效效的的抗抗干干扰扰器器件件，它它允允许许工工频频50Hz电电源源通通过过，而滤掉高次谐波，从而改善供电质量。而滤掉高次谐波，从而改善供电质量。12 （3）

5、交流稳压器）交流稳压器 交流稳压器的作用是保证供电的稳定性，防止电交流稳压器的作用是保证供电的稳定性，防止电 源电压波动对系统的影响。源电压波动对系统的影响。（4）电源变压器）电源变压器 电源变压器是为直流稳压电源提供必要的电压而电源变压器是为直流稳压电源提供必要的电压而 设置的设置的,为了增加系统的抗干扰能力，电源变压器做成为了增加系统的抗干扰能力，电源变压器做成 双屏蔽形式。双屏蔽形式。13（5）直流稳压系统）直流稳压系统 包括整流器、滤波器、直流稳压器和高频滤波包括整流器、滤波器、直流稳压器和高频滤波 器等几部分。器等几部分。14简易直流稳压电源结构为：简易直流稳压电源结构为：15b、电

6、源系统的异常保护、电源系统的异常保护（1）不间断电源）不间断电源UPS 在在正正常常情情况况下下，由由交交流流电电网网向向微微机机系系统统供供电电，并并同同时时给给UPS的的电电池池组组充充电电。一一旦旦交交流流电电网网出出现现断断电电，则则不不间间断断电电源源UPS自自动动切切换换到到逆逆变变器器供供电电，逆逆变变器器将将电电池池组组的的直直流流电电压压逆逆变变成成为为与与工工频频电电网网同同频频的的交交流流电电压，此电压送给直流稳压器后继续保持对系统的供电。压，此电压送给直流稳压器后继续保持对系统的供电。16 连续备用供电系统是由柴油发电机供电，在两种连续备用供电系统是由柴油发电机供电，在

7、两种供电系统转换期间，由电池完成平稳过渡，以避免电供电系统转换期间，由电池完成平稳过渡，以避免电源更换对系统的冲击。源更换对系统的冲击。（2）连续备用供电系统）连续备用供电系统17c、微机系统的掉电保护、微机系统的掉电保护 RAM一一旦旦停停电电，其其内内部部的的信信息息将将全全部部丢丢失失，因因而而影影响响系系统统的的正正常常工工作作。为为此此，在在微微机机控控制制系系统统中中，经经常使用镍电池，对常使用镍电池，对RAM数据进行掉电保护。数据进行掉电保护。184、接地技术接地技术a、微机控制系统中的地线微机控制系统中的地线(7)直流地直流地(6)交流地交流地(5)屏蔽地屏蔽地(机壳地机壳地)

8、:为了防止静电感应和磁场感应而设置为了防止静电感应和磁场感应而设置(4)功率地功率地:功率放大器和执行部件的地功率放大器和执行部件的地(3)信号地信号地:传感器和变送器的地传感器和变送器的地(2)模拟地模拟地:放大器，放大器，A/D，D/A转换器中的模拟电路零电转换器中的模拟电路零电位位(1)数字地数字地:各种各种TTL/CMOS芯片及其它数字电路的零电芯片及其它数字电路的零电位位19(1)一点接地和多点接地一点接地和多点接地 对对于于信信号号频频率率小小于于1MHz的的低低频频电电路路，其其布布线线和和元元器器件件间间的的电电感感影影响响较较小小，而而接接地地电电路路形形成成的的环环流流有有

9、较较大大的的干扰作用，因而应采用一点接地，防止地环流的产生干扰作用，因而应采用一点接地，防止地环流的产生 当当信信号号频频率率大大于于10MHz时时，布布线线与与元元器器件件间间的的电电感感使使得得地地线线阻阻抗抗变变得得很很大大。为为了了降降低低地地线线阻阻抗抗，应应采采用用就就近多点接地。近多点接地。如如果果信信号号频频率率在在110MHz之之间间，当当地地线线长长度度不不超超过过信信号号波波长长的的1/20时时，可可以以采采用用一一点点接接地地，否否则则就就要要多多点点接地。接地。b、常用的接地方法常用的接地方法20(2)、模拟地和数字地的连接、模拟地和数字地的连接 在微机控制系统中，数

10、字地和模拟地必须分别接地，然在微机控制系统中，数字地和模拟地必须分别接地，然后仅在一点处把两种地连接起来。否则，数字回路通过模后仅在一点处把两种地连接起来。否则，数字回路通过模拟电路的地线再返回到数字电源，将会对模拟信号产生影拟电路的地线再返回到数字电源，将会对模拟信号产生影响。响。(3)、主机外壳接地、主机外壳接地 为了提高计算机的抗干扰能力，将主机外壳作为屏蔽罩为了提高计算机的抗干扰能力，将主机外壳作为屏蔽罩接地。而把机内器件架与外壳绝缘，绝缘电阻大于接地。而把机内器件架与外壳绝缘，绝缘电阻大于50M，即机内信号地浮空。即机内信号地浮空。(4)、多机系统的接地、多机系统的接地 在在计计算算

11、机机网网络络系系统统中中，多多台台计计算算机机之之间间相相互互通通信信，资资源源共共享享。如如果果接接地地不不合合理理，将将使使整整个个网网络络无无法法正正常常运运行行。近近距离的可以采用多机一点接地方法。距离的可以采用多机一点接地方法。21 二、软件抗干扰技术二、软件抗干扰技术1、软件出错对系统的危害、软件出错对系统的危害(1)数据采集不可靠数据采集不可靠(2)控制失灵控制失灵(3)程序运行失常程序运行失常程序计数器程序计数器PC的值可能被改变的值可能被改变222、数字滤波方法、数字滤波方法 所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信

12、号中的比重。故实质上它是一种程序减少干扰在有用信号中的比重。故实质上它是一种程序滤波。滤波。b、数字滤波可以对频率很低的信号实现滤波、数字滤波可以对频率很低的信号实现滤波 优点：优点：a、程序实现、程序实现,可靠性高，稳定性好；可靠性高，稳定性好；c、灵活、方便、功能强、灵活、方便、功能强23(1).程序判断滤波法程序判断滤波法a.限幅滤波法限幅滤波法Y取决于采样周期取决于采样周期T及及Y值的动态响应。值的动态响应。b.限速滤波法限速滤波法当当时时当当24优点：优点：能有效克服因偶然因素引起的波动干扰能有效克服因偶然因素引起的波动干扰 对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果对温度、液

13、位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果(2).中值滤波法中值滤波法采样采样N次，把采样值按大小顺序排列，再取中间值次，把采样值按大小顺序排列，再取中间值 优点：优点：能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰缺点：缺点：无法抑制那种周期性的干扰无法抑制那种周期性的干扰 平滑度差平滑度差 25(3).算术平均值滤波法算术平均值滤波法缺点：缺点：对流量、速度等快速变化的参数不宜对流量、速度等快速变化的参数不宜N值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低N值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高N值的选取

14、：一般流量，值的选取：一般流量，N=12；压力：；压力：N=4 26(4).加权平均值滤波优点：优点：适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波缺点：对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时缺点：对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时 控制不适用，比较浪费控制不适用，比较浪费RAM27(5).滑动平均值滤波法滑动平均值滤波法 依次存放依次存放N次采样值，每采进一个新数据，就将最早采次采样值，每采进一个新数据，就将最早采集的那个数据丢掉，然后求包含新值在内的集的那个数据丢掉，然后求包含新值在内的N个数据的算个数据的算术平均值或加权平均值。术平均值或加权

15、平均值。优点：优点：对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高缺点：缺点：对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差 不适用于脉冲干扰比较严重的场合不适用于脉冲干扰比较严重的场合 比较浪费比较浪费RAM28(6).惯性滤波法一阶RC滤波器的传递函数为滤波时间常数整理可得：离散化为：29(7).复合数字滤波复合数字滤波例如把中值滤波的思想与算术平均的方法结合起来，例如把中值滤波的思想与算术平均的方法结合起来，303、输入、输入/输出软件抗干扰措施输出软件抗干扰措施(1).开关量开关量(数字量数字量)信号输入抗干扰信号输入抗干扰31(

16、2).开关量开关量(数字量数字量)信号输出抗干扰信号输出抗干扰在应用程序中每隔一段时间在应用程序中每隔一段时间(比如几个比如几个ms)发出一次输出命发出一次输出命令，不断地关闭闸门或者开闸门。令，不断地关闭闸门或者开闸门。4、软件冗余技术、软件冗余技术(1).数据冗余数据冗余 RAM数据冗余就是将要保护的原始数据在另外两个数据冗余就是将要保护的原始数据在另外两个区域同时存放，建立两个备份，当原始数据块被破坏区域同时存放，建立两个备份，当原始数据块被破坏时，用备份数据块去修复。时，用备份数据块去修复。32(2).程序冗余程序冗余5、程序运行失常的软件抗干扰、程序运行失常的软件抗干扰(1).设置软

17、件陷阱设置软件陷阱 所谓软件陷阱，就是一条引导指令，强行将捕获的所谓软件陷阱，就是一条引导指令，强行将捕获的“跑跑飞飞”程序程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错处理的程序程序出错处理的程序 在关键的地方人为地插入一些单字节指令在关键的地方人为地插入一些单字节指令(NOP)或将有或将有效单字节指令重复书写，这便是软件冗余。效单字节指令重复书写，这便是软件冗余。当当CPU受到干扰后，往往将一些操作数当作指令码来执受到干扰后，往往将一些操作数当作指令码来执行，引起程序混乱。行，引起程序混乱。33NOPNOPJMP ERR软件陷阱安排在以下软

18、件陷阱安排在以下4种地方：种地方：(d)程序区。程序区。（a）未使用的中断向量区；未使用的中断向量区；(b)未使用的大片未使用的大片ROM空间；空间；(c)表格；表格；(2).设置监视跟踪定时器设置监视跟踪定时器 也称为看门狗定时器也称为看门狗定时器(Watchdog)，可以使陷入可以使陷入“死机死机”的系统产生复位，重新启动程序运行。的系统产生复位，重新启动程序运行。349.2系统设计的原则与步骤35一、系统设计的原则1安全可靠2操作维护方便 3实时性强4通用性好5经济效益高对内部和外部事件能及时地响应，并做出相应的处理，不丢失信息，不延误操作系统设计时应考虑能适应各种不同设备和各种不同控制

19、对象，按照控制要求灵活构成系统36二、系统设计的步骤 1、了解工艺要求，明确控制任务 包括系统信息来源和种类，被控对象和被控参数的特性，控制对象的工作环境，对人机通道的要求，各项技术经济指标等。撰写设计任务说明书，以作为整个控制系统设计的依据。2、确定系统总体设计方案最重要、最关键的一步通常从以下几个方面着手设计：37(1).控制系统方案的确定 系统是采用开环控制还是闭环控制，或者是采用数据处理系统。如果采用闭环控制系统，则还要确定整个系统的类型，即是采用 DDC方式，还是 SCC 方式，或者是采用分布式控制系统结构形式。若采用分布式控制，近年来出现的位总线控制系统和现场总线控制系统是新一代的

20、分布式控制结构 38(2).测量元件的选择(3).执行机构的选择 实际中被测量有温度、流量、压力、液位、成分、位移、重量、速度等，所以相应的传感器种类也很多，而且规格各异，因此，必须正确合理地选择测量元件。（集成化传感器）常用的执行机构有电动执行机构、气动薄膜调节阀、伺服电机、步进电机等。39(4).选择输入输出通道及外设(5).画出整个控制系统原理图 (a)输入输出通道数；(b)串行操作还是并行操作；(c)确定A/D和D/A转换的位数。(d)通道连接方式的选择(e)对显示、打印有无要求；是否需要配备LED或CRT，是否配置打印机等。403、微机接口的选择a.选用现成的微型机系统(1).主机方

21、案的选择 选用什么样的微型机系统?系统应有多大的内存容量?怎样配置过程输入输出通道?应配置多少外部设备?应该购买哪 些现成的系统软件?怎样配置应用软件?优点是针对性强，灵活方便，所用元器件最少、投资少等，缺点是硬件和软件都由用户从头设计，工作量大，且周期长。b.利用单片机芯片自行设计41(2).微机功能的选择4、建立数学模型，确定控制算法 微机确定后，应根据控制任务和要求，对系统的硬件做出估计和选择，以明确微型机的主要功能。数学模型是系统动态特性的数学表达式，表示了系统输入输出及其内部状态之间的关系 哪些控制算法需要数学模型？42 5、系统硬件和软件的具体设计(1).硬件设计包括接口电路设计、逻辑电路的选择、功放及报警电路设计、I/V与V/I转换电路、操作面板、电源电路设计等。(2).软件设计a.系统对应用软件的要求实时性针对性在对象允许的时间间隔内实现控制和处理，所以一般用汇编语言编程。436、微机控制系统的调试灵活性和通用性模块结构可靠性诊断程序b.确定运算数据类型与长度定点数和浮点数44(1)、硬件调试(2).软件调试(3).硬件、软件联调 脱机检查分模块调试(4).考机在连续不停机运行中暴露问题45