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第二章 计算机控制系统基础,2.1计算机控制系统的采样及信号特点2.2计算机控制系统的数学模型 2.3计算机控制系统的总线技术,2.1计算机控制系统的采样及信号特点,计算机控制系统的信号形式信号的采样、采样周期和采样定理信号的保持,2.1计算机控制系统的采样及信号特点,计算机控制系统的信号形式连续模拟信号：如传感器输出信号、D/A变换后保持器的输出信号等。离散模拟信号：采样器的输出信号及D/A输出信号等。连续数字信号：计算机存储和正在处理的数据等。离散数字信号：A/D输出信号、计算机总线上的输出信号等。,2.1计算机控制系统的采样及信号特点,离散模拟信号离散数字信号（量化）量化单位：量化误差：例：满量程信号幅值M=10V，A/D位数分别为8位、12位。则：,2.1计算机控制系统的采样及信号特点,信号的采样、采样周期和采样定理（连续模拟信号离散模拟信号）,2.1计算机控制系统的采样及信号特点3,信号的采样、采样周期和采样定理（连续模拟信号离散模拟信号）采样开关、理想采样开关和理想采样脉冲采样开关：、T理想采样开关：0理想采样脉冲：,2.1计算机控制系统的采样及信号特点,信号的采样、采样周期和采样定理（连续模拟信号离散模拟信号）采样信号：采样周期：过大信号产生失真，过小增加计算机数据处理和存储的负担。采样定理（香农定理）：若或 则采样信号y*(t)能无失真地恢复到原信号y(t)。实际应用时，常取,2.1计算机控制系统的采样及信号特点,信号的保持（离散模拟信号连续模拟信号）零阶保持器：kT 时刻的y(kT)延续一个周期，即保持到kTT 时刻。,yh(kT t)=y(kT),0 t T,1(t),1(t-T),1(t-T),h 0(t)1(t)1(tT),H0(s),h0(t),(t),2.1计算机控制系统的采样及信号特点,信号的保持（离散模拟信号连续模拟信号）注意：D/A转换器通常带有零阶保持器的功能。无需另设。一阶保持器和高阶保持器：一阶保持器，斜直线，近似程度好，相位滞后更甚，一般不用。,2.2计算机控制系统的数学模型,Z变换Z变换的定义,连续系统,采样,差分方程,Z变换,Z传递函数,分析离散系统特性,离散系统,建模,2.2计算机控制系统的数学模型,Z变换为了运算和书写方便，引入一个新变量z 或,注意：只能用于将Y*(s)转变为Y(z)，而不能将Y(S)直接进行转变(只有采样函数才有Z变换)。y（kT）决定了采样函数的幅值，z的幂次表示采样脉冲出现的时刻。一个函数的Z变换只有在采样时刻才有意义，两个不同的连续函数的采样信号可以有相同的Z变换。,2.2计算机控制系统的数学模型,Z变换Z变换的基本定理,(t-kT)形式的差分方程 Z变换比较简单,运算有用，超前环节实际不存在,2.2计算机控制系统的数学模型,Z变换Z变换的计算无穷级数求和法：按定义展开，等比数列求和。部分分式法：Y(s)y(t)Y(z)查表法：由y(kT)或Y(s)求Y(z)留数计算法：由Y(s)求Y(z)，常见一阶极点和二阶极点情况。,pi(i=1,2n)：极点n：全部不相等极点的数目ri：s=pi时的重数,单极点：,二重极点：,2.2计算机控制系统的数学模型,Z变换Z变换的计算例：单位脉冲函数(t)单位阶跃函数,2.2计算机控制系统的数学模型,Z变换例：单位速度函数指数函数,例：已知连续函数 y(t)的拉氏变换,，求Y(z),解：单极点 p1=2，二重极点p2=4,将 Y(s)展开成部分分式形式,求待定系数A1、A2、A3,由复位移定理：,查表：,得：,例：已知连续函数 y(t)的拉氏变换,，求Y(z),解：单极点 p1=2，二重极点p2=4,用留数法：,2.2计算机控制系统的数学模型,Z变换Z反变换长除法：可得y(kT)的时间序列值，难以得到解析式部分分式法：展开成部分分式，再查表写出和式，一般先把Y(z)除以z再展开，使得展开后的分子上都有z。查表法：可查出常见的y(t)或 y(kT)留数计算法：确定极点和阶数后，用公式求出y(kT),2.2计算机控制系统的数学模型,Z变换Z反变换留数计算法：,设y(Z)有n个极点P1 P2 Pi Pn则,=,pri(i=1,2n)：极点n：全部不相等极点的数目Mi：s=pri时的重数,单极点：,二重极点：,2.2计算机控制系统的数学模型,Z变换Z反变换例用长除法：,2.2计算机控制系统的数学模型,Z变换Z反变换例,部分分式展开法：,2.2计算机控制系统的数学模型,Z变换Z反变换例,用留数计算法求Y(z)=,的Z反变换,+,=,+,=1-,解：n=2,P1=1,P2=0.4,y(kT)=,+,2.2计算机控制系统的数学模型4,计算机控制系统的数学模型差分方程脉冲（Z）传递函数脉冲传递函数定义：在零初始条件下，系统的输出采样函数的Z变换和输入采样函数的Z变换之比。,2.2计算机控制系统的数学模型,计算机控制系统的数学模型脉冲（Z）传递函数脉冲传递函数代数运算法则串联并联反馈回路运算,2.2计算机控制系统的数学模型,计算机控制系统的数学模型串联离散环节串联连续环节串联（中间有采样开关）连续环节串联（中间无采样开关）,分离不出G1(z)和G2(z),带有零阶保持器的开环 Z传递函数,推广的滞后定理,线性性质,2.2计算机控制系统的数学模型,计算机控制系统的数学模型并联离散环节并联连续环节并联连续环节并联（有采样开关）,2.2计算机控制系统的数学模型,计算机控制系统的数学模型反馈回路前向通路影响分子，回路影响分母，采样开关的位置同时影响分子和分母。没有统一的计算公式，只能根据系统的实际结构来求解。,(1)反馈取样Y(s),(A),(B),以E(z)处为推导Gc(z)的基准点,(A)：前向通道上，从R到基准处传递的信号,(B)：闭环回路上，从基准点循环到基准点的信号,(A)(B),G(s)与 F(s)之间无采样开关,反馈通道取的信号是Y(s),(2)反馈取样Y(z),(A),(B),G(s)与 F(s)之间有采样开关,反馈通道取的信号是Y(z),以Y(z)处为推导Gc(z)的基准点,(A)：前向通道上，从R 到基准处传递的信号,(B)：闭环回路上，从基准点循环到基准点的信号,(A)(B),(3)无法分离R(z)的情况,之间无采样开关,以E2(z)处为推导Gc(z)的基准点,反馈通道取的信号是Y(s),有,但分离不出,分离不出,所以得不到闭环Z传递函数Gc(z)，,但可以求出系统输出的,(4)单位反馈闭环 Z传递函数,实际的计算机控制系统框图,执行机构,测量变送装置,Y f(s)与R(s)同量纲,将执行机构和反馈环节并入控制对象，,即把乘积V(s)G(s)F(s)作为 新的G(s),此时的系统输出就是反馈到比较器的输出Yf(s),框图可等效化,单位反馈等效框图,先求出带零阶保持器的连续对象Z传递函数HG(z),再以Y(z)处为基准点，推出传递函数,2.2计算机控制系统的数学模型,离散控制系统的稳定性离散控制系统的性能类同于连续系统。,系统特性,稳,快,准,系统稳定，抗干扰,过渡时间短，响应快,输出等于或接近期望值,p,tr,ts,ess,2.2计算机控制系统的数学模型,离散控制系统的稳定性离散控制系统的性能类同于连续系统。离散控制系统的稳定性从s域到z域的映射,S平面上的虚轴,Z平面上单位圆(以原点为圆心),S平面的左半平面,Z平面上单位圆内部,S平面的右半平面,Z平面上单位圆外部,sz的映射是唯一的zs的映射不是唯一的,2.2计算机控制系统的数学模型,离散控制系统的稳定性离散控制系统的性能类同于连续系统。线性离散控制系统的稳定性系统稳定的条件稳定性判断方法：通过复数双线性变换后，采用与连续线性系统同样的方法进行判断。,线性连续系统稳定条件：,闭环,的极点在 S 平面的左半平面,线性离散系统稳定条件：,闭环,的极点均在 Z 平面的单位圆内,2.2计算机控制系统的数学模型,离散控制系统的稳定性复数双线性变换,w平面上的虚轴,Z平面上单位圆(以原点为圆心),w平面的左半平面,Z平面上单位圆内部,w平面的右半平面,Z平面上单位圆外部,2.3计算机控制系统的总线技术,工业控制计算机的体系结构要求可靠性高。平均无故障工作时间(MTBF)达到几万小时，同时尽量缩短（几分钟）故障修复时间(MTTR)实时性好。环境适应性强。温度、湿度变化范围；防尘、防腐蚀、防振动冲击；电磁兼容性和抗干扰能力及共模抑制的能力。过程输入和输出配套较好。多种功能的输入和输出配套模板，多种类型的信号调理功能系统扩充性好。系统开放性。控制软件包功能强。系统通信功能强后备措施齐全。供电后备、存储器信息保护、手动自动操作切换、紧急事故处理装置等具有冗余性,2.3计算机控制系统的总线技术,工业控制计算机的体系结构IPCDCS工控机即“现场工作站”PLC智能调节器嵌入式工控机PC/104总线工控机ARM嵌入式单片机单片机,工控机的实物,2.3计算机控制系统的总线技术,工控机(IPC)是以PC总线(ISA、VESA、PCI总线)为基础构成的工业计算机。其总线结构便于维护、扩充和模块化。,2.3计算机控制系统的总线技术,工业控制计算机的体系结构DCS工控机即“现场工作站”,现场工作站的机械结构,1、主控制板2、I/O模板3、机箱P20NS电源插件 4、机箱P40NS电源插件5、风机单元F016、I/O端子板7、P30NS端子板电源箱8、系统电源开关9、机柜,现场工作站的机箱（机笼）,2.3计算机控制系统的总线技术6,工业控制计算机的体系结构PLC开关量逻辑控制运动控制闭环过程控制数据处理通讯联网,2.3计算机控制系统的总线技术,工业控制计算机的体系结构PLC,中央处理单元CPU,存储器,I/O接口,智能模块,接口和扩展接口模块,电源模块,编程工具,2.3计算机控制系统的总线技术,工业控制计算机的体系结构PLC分类,按地域范围,美国流派：GE、Modicon、AB欧洲流派：SIEMENS、日本流派：OMRON、三菱、日立、松下,2.3计算机控制系统的总线技术,工业控制计算机的体系结构PLC,S7-300 PLC简介,S7-300 PLC的硬件构成：CPU模块 接口模块（IM）I/O模块（SM）功能模块（FM）电源模块（PS）导轨（RACK）等,松下FP0系列PLC产品介绍,2.3计算机控制系统的总线技术,工业控制计算机的体系结构智能调节器,2.3计算机控制系统的总线技术,工业控制计算机的体系结构嵌入式工控机PC/104总线工控机这种工控机是基于PC/104总线的微型计算机，PC/104总线是采用自堆（叠）式的总线结构，取消了底板和插槽，从而构成小体积、低功耗、高性能的计算机。PC/104总线工控机有各种接口模块：CPU模块、显示模块、网络模块、CRT接口模块、A/D转换模块、I/O输入/输出模块，串口、并口、IDE、软驱接口、EL/LCD、多功能口接口模块、SSD固态盘扩展模块等。,PC/104总线工控机的实物,PC/I04,PC/104总线工控机的主控板,2.3计算机控制系统的总线技术,工业控制计算机的体系结构嵌入式工控机ARM（Advanced RISC Machines）嵌入式单片机低功耗、低成本、高性能采用RISC（Reduced Instruction Set Computer）指令集使用大量的寄存器三/五级流水线采用RISC架构的ARM处理器,2.3计算机控制系统的总线技术,工业控制计算机的体系结构嵌入式工控机ARM（Advanced RISC Machines）嵌入式单片机ARM微处理器系列ARM7系列ARM9系列ARM9E系列ARM10E系列SecurCore系列Intel的Xscale,2.3计算机控制系统的总线技术,工业控制计算机的体系结构单片机：51系列8位机、96系列16位机、960系列32位机等。DSP系列（数字信号处理器）,2.3计算机控制系统的总线技术,工业控制计算机的体系结构单片机：,2.3计算机控制系统的总线技术,工业控制计算机的结构体系总线技术总线的概念和类型总线的体系结构内部总线,2.3计算机控制系统的总线技术,总线的定义：一组公用线的集合规定了各引线的信号、时序、电气和机械特性为计算机系统内部各部件、各模块之间或计算机各系统之间提供了标准的公共信息通路(起到桥梁作用)任何系统的研制和外围模块的开发都必须符合某种总线的标准实际上是计算机系统真正的核心总线技术通道控制功能、使用方法、仲裁方法和传输方式等总线的标准、结构不同，性能差异很大随着VLSI(超大规模集成电路)技术的迅速发展,微处理器的性能迅速提高,计算机总线得到进一步发展,其能力越来越强,速度也越来越快。,2.3计算机控制系统的总线技术,总线的概念,总线与总线接口一起便称之为总线结构,2.3计算机控制系统的总线技术,总线结构的优点：使结构由面向CPU变为面向总线,简化了系统结构；可做到硬件、软件的模块化设计与生产：按功能划分计算机的各个部件，并按总线标准设计成由总线连接的模板结构：CPU主板、RAM/ROM存储板、A/D、D/A、DI、DO等增加计算机系统的通用性、灵活性、开放性、扩展性和可靠性系统结构清晰明了,便于灵活组态、扩充、改进与升级；为系统的维修提供了方便符合同一总线标准的产品兼容性强：用户可以根据自己的需要将不同生产厂家生产的各种型号的模块或模板方便地用标准总线连接起来,2.3计算机控制系统的总线技术,总线的分类根据总线的功能和应用场合内部总线（Internal Bus)：又称系统总线或模板级总线用于计算机内部模块（板）之间通信数据总线D：用于传递数据信息地址总线A：用于传递地址信息控制总线C：包括控制、时序和中断信号线，用于传递各种控制信息电源总线P：向总线提供电源常用的有PCI、STD、VME、MULTIBUS等外部总线（External Bus)：又称通讯总线用于计算机之间或计算机与设备之间通信如：IEEE-488、RS-232C、RS-485等根据总线的结构并行总线：每个信号都有自己的信号线串行总线：所有信号复用一对信号线,2.3计算机控制系统的总线技术,2.3计算机控制系统的总线技术,内部总线结构示意图,2.3计算机控制系统的总线技术,总线性能总线时钟频率(即总线工作频率，单位MHz)；总线宽度即数据总线的位数，单位为bit；总线传输速率即总线带宽，在总线上每秒钟传输的最大字节数MB/s，每秒处理多少兆字节。它们之间的相关计算公式：传输速率=总线时钟频率*总线宽度/8,2.3计算机控制系统的总线技术,体系结构指由总线本身定义地址空间、数据长度、操作定时信号以及传输协议等，以保证CPU的性能得到充分发挥而与CPU无关。主控模块（Master,主模块)可以控制总线并启动数据传送的任何模块受控模块（Slave,从模块)能够响应总线主模块发出命令的任何模块,2.3计算机控制系统的总线技术,单总线体系结构(Single Bus Architecture)微机中所有模块都连到单一总线上。在整个系统中只有一个数据通路,故名单总线。这类总线适合于慢速的CPU。目前一些简单的单片机和单板机中仍采用这类总线。,2.3计算机控制系统的总线技术,并发总线体系结构(Concurrent Bus Architecture)将存储器和I/O 的数据通路分开，以解决CPU与存储器、I/O之间数据传输的速度不一的矛盾。这种总线结构中,CPU对存储器的访问和对I/O的控制同时进行,即“并发”,故称之为并发总线。并发体系结构中,关键技术是总线控制器(Bus Controller),它使CPU脱离了对I/O的直接控制,使CPU能以较快的速度、较宽的数据通路与存储器进行信息交换,提高了系统的性能,总线控制器(Bus Controller)则负责处理各种I/O请求,以832位的数据宽度与I/O设备进行数据交换,保证系统的兼容性,成功地解决了瓶颈问题。,2.3计算机控制系统的总线技术,并发总线体系结构(Concurrent Bus Architecture),2.3计算机控制系统的总线技术,带cache的并发总线体系结构(Concurrent Bus Architecture With cache)类似于并发总线体系结构,只是在CPU和存储器的数据通路上多了一个高速缓冲存储器cache及高速缓冲存储器cache控制器。,2.3计算机控制系统的总线技术,总线的控制方式由于多个模块连接到共用总线上,必须对每个发送的信息规定其信息类型和接收信息的部件,协调信息的传送。当多个模块同时申请总线时,必须通过选择判优,决定把总线交给哪个模块；对信息的传送需要控制,防止信息的丢失,这就需要设置总线控制线路。通常,总线上信息的传输由主模块启动。总线上可以挂接有多个具有主模块功能的设备,但在同一时刻只能有一个主模块控制总线的传输操作。总线控制线路包括总线判优或仲裁逻辑、总线控制驱动器和中断逻辑等。,2.3计算机控制系统的总线技术,用硬件进行总线裁决（控制）的方式串行链接式总线裁决定时查询方式独立请求式总线裁决,串行链接式总线裁决,图中，请求线是公共的，图中部件0的优先级最高。,2.3计算机控制系统的总线技术,定时查询方式,这种方式中，优先级可以用程序控制，灵活性较强。计数值有2种方式。,2.3计算机控制系统的总线技术,独立请求式总线裁决,这种方式中，总线控制器根据某种算法对同时来的请求进行裁决。,2.3计算机控制系统的总线技术,总线裁决采用的主要算法静态优先级算法（又称作菊花链算法）固定时间算法动态优先级算法先来先服务算法,2.3计算机控制系统的总线技术,总线的通信方式(1)同步式通信(Synchronous Transfer)数据的传输在一个共同的时钟信号控制下进行优点是模块间的配合简单一致,缺点是对所有模块都强求一致的同一时限,设计缺乏灵活性(2)异步式传输(Asynchronous Transfer)利用数据发送部件和接收部件之间的“握手(Handshaking)”信号线来实现总线数据传送可以实现不同速度的设备之间的数据传送,2.3计算机控制系统的总线技术,内部总线PC系列总线IBM公司1981年推出基于8位机的PC/XT总线，PC总线1984年推出基于16位机的PC/AT总线，AT总线 但从未公开过AT总线的技术规格Intel公司、IEEE和EISA集团联合推出与IBM/AT原装机总线意义相近的ISA(Industry Standard Architecture)总线，即8/16位的“工业标准结构”：数据传输率最高8MB/s,寻址空间为224=16MB由Intel公司于1992年发表外围部件互连总线PCI(Peripheral Component Interconnect),2.3计算机控制系统的总线技术,ISA总线总线的元老特点：CPU为唯一主模块，插卡数量亦有限 缺少中枢寄存器，不能动态分配资源已接近淘汰但因许多老设备如声卡、Modem等仍离不开它，故许多主板芯片给依然提供对其的支持(如下页的主板示意图等),2.3计算机控制系统的总线技术,用到ISA总线的声卡示意图,外围部件互连总线PCI(Peripheral Component Interconnect)（局部总线）现在是主板上最常见的插槽不依附于某个具体的处理器结构上是带cache的并发总线体系结构数据总线32/64位，最大传输速率达132MB/s可同时支持多组外围设备,2.3计算机控制系统的总线技术,ISA总线插槽,PCI总线插槽,采用PCI的显卡,2.3计算机控制系统的总线技术,PCI总线(Peripheral Component Interconnect)：PCI局部总线采用的数据线为32位，可支持多组外围部件及附加卡。传送数据的最高速度为132MB/S。支持64位地址/数据多路复用，其64位设计中的数据传输速率为264MB/S。PCI插槽能同时接插32位和64位插卡，所以，32位与64位外围设备之间的通信是在用户不知不觉间进行的。PCI总线支持一种称为线性猝发的数据传输模式，可确保总线不断满载数据。外围设备一般会由内存某个地址顺序接收数据，这种线性或顺序的寻址方式，意味着可以由某一个地址自动加1，便可接收数据流内下一个字节的数据。线性猝发传输能够更有效地运用总线的带宽去传送数据，以减少无谓的地址操作。,2.3计算机控制系统的总线技术,PCI总线(Peripheral Component Interconnect)：采用总线主控和同步操作：PCI的总线主控和同步操作功能有利于PCI性能的改善。总线主控目的是让任何一个具有处理能力的外围设备暂时接管总线，以加速执行高吞吐量、高优先级的任务。PCI独特的同步操作功能可保证微处理器能够与这些总线主控同时操作，不必等待后者的完成。具有即插即用(Plug Play)功能：PCI总线的规范保证了自动配置的实现,用户在安装扩展卡时,一旦PCI插卡插入PCI槽,系统BIOS将根据读到的关于该扩展卡的信息,结合系统实际情况,自动为插卡分配存储地址、端口地址、中断和某些定时信息,从根本上免除人工操作。,2.3计算机控制系统的总线技术,PCI总线(Peripheral Component Interconnect)：PCI总线与CPU异步工作：PCI总线的工作频率固定为33MHz,与CPU的工作频率无关,可适合各种不同类型和频率的CPU。因此,PCI总线不受处理器的限制。PCI支持3.3V电压操作,使PCI总线不但可用于台式机,也可用于便携机、服务器和一些工作站中。PCI独立于处理器的结构独特的中间缓冲器设计,将中央处理器子系统与外围设备分开。用户可随意增设多种外围设备。低成本、高效益：PCI的芯片将大量系统功能高度集成，节省了逻辑电路，耗用较小的线路板空间，使成本降低。PCI部件采用地址/数据线复用，从而使引脚数减少。,2.3计算机控制系统的总线技术,PCI总线,Cache控制器,协处理器,主存储器,Cache存储器,CPU,PCI桥路控制器,图形显示卡,磁盘控制器,网络适配器,ISA/EISA总线控制器,PCI局部总线体系结构,CPU总线,PCI局部总线,扫描仪,打印机,打印机,Modem,其它I/O卡,ISA/EISA扩展I/O总线,另外的一些总线STD总线PC/104和PC/104plusAGP(Accelerated Graphics Port)USB(Universal Serial Bus)IEEE 1394总线IDE总线SCSI总线,2.3计算机控制系统的总线技术,