【正文】 (b)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣。 CAN 已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO 11898 標(biāo)準(zhǔn)。所以現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)既是通信網(wǎng)絡(luò)，又是自控網(wǎng)絡(luò)。通訊距離可達(dá) 15m，傳輸數(shù)據(jù)的速率可任意調(diào)整，最大可達(dá) 20Kb/s。 RS— 232C 總線(xiàn)的特點(diǎn)。 (3)面向 I/O 的開(kāi)放式設(shè)計(jì)，適合工業(yè)控制應(yīng)用。 STD 總線(xiàn)在工業(yè)控制中廣泛采用，是因?yàn)樗幸韵绿攸c(diǎn)： (1)小板結(jié)構(gòu)，高度模塊化。其特點(diǎn)是可以用幾根信號(hào)線(xiàn)在遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)傳遞數(shù)據(jù)或信息，主要用 于數(shù)據(jù)通信。并行總線(xiàn)的特點(diǎn)是能以簡(jiǎn)單的硬件來(lái)運(yùn)行高速的數(shù)據(jù)傳輸和處理。外總線(xiàn)通常通過(guò)總 常用的外總線(xiàn)有：連接智能儀器儀表的 IEEE488 通用接口總線(xiàn)； RS232C 和 RS422 串行通信總線(xiàn)等。一般微型機(jī)系統(tǒng)總線(xiàn)如圖所示。它是構(gòu)成中央處理機(jī)或子系統(tǒng)內(nèi)所用的總線(xiàn)。每個(gè)部件都能通過(guò)共享總線(xiàn)與接在總線(xiàn)上的其他部件相連，但在同一時(shí)刻，卻只允許 2 個(gè)部件共享通信， （ 1 局部總線(xiàn)又稱(chēng)為芯片總線(xiàn)。在全互連或部分互連以及環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中使用的總線(xiàn)就是專(zhuān)用總線(xiàn)。 途，總線(xiàn)有如下的幾種類(lèi)型： （ 1 我們將只實(shí)現(xiàn)一對(duì)物理部件間連接的總線(xiàn)稱(chēng)為專(zhuān)用總線(xiàn)。因此，采用同一總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的不同廠家的插件模塊，就可以組成可正常工作的系統(tǒng)。這種兼容是指插件的尺寸、插座的針數(shù)及類(lèi)型、插針的邏輯定義、控制插件工作的時(shí)序及電氣特性等相同。 在微型計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中，許多廠 商設(shè)計(jì)和提供了許多具有不同功能的插件 (亦稱(chēng)“模板” )。 第七章 總線(xiàn)技術(shù) 習(xí)題及參考答案 ？總線(xiàn)有什么功能？總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)是怎樣形成的？ 總線(xiàn)是一組信號(hào)線(xiàn)的集合。作為直流穩(wěn)壓器件，現(xiàn)在常用的就是三端穩(wěn)壓器 78XX 和 79XX 系列芯片，這類(lèi)穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，負(fù)載穩(wěn)定度為 15mV，具有過(guò)電流和輸出短路保護(hù)，可用于一般微機(jī)系統(tǒng)。圖中 C1 為平滑濾波電容，常選用幾百～幾千μ F 的電解電容，用以減輕整流橋輸出電壓的脈動(dòng)。 （ 5）直流穩(wěn)壓系統(tǒng) 直流穩(wěn)壓系統(tǒng)包括整流器、濾波器、直流穩(wěn)壓器和高頻濾波器等幾部分，常用的直流穩(wěn)壓電路如圖 6— 2 所示。 （ 4） 電源變壓器是為直流穩(wěn)壓電源提供必要的電壓而設(shè)置的。 （ 2）低通濾波器 各種干擾信號(hào)一般都有很強(qiáng)的高頻分量，低通濾波器是有效的抗干擾器件，它允許工頻 50Hz電源通過(guò)，而濾掉高次諧波，從而改善供電質(zhì)量。該電源采用了雙隔離、雙濾波和雙穩(wěn)壓措施，具10nn i n iiY a X????? 100 1 1niiiaa??? ? ??有較強(qiáng)的抗干擾能力，可用于一般工業(yè)控制場(chǎng)合。 滑動(dòng)平均值濾波法，依次存放 N 次采樣值，每采進(jìn)一個(gè)新數(shù)據(jù)，就將最早采集的那個(gè)數(shù)據(jù)丟掉，然后求包含新值在內(nèi)的 N 個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值或加權(quán)平均值。其算法為 其中。但有時(shí)為了提高濾波效果，往往對(duì)不同時(shí)刻的采樣值賦以不同的加權(quán)因子。對(duì)于一般流量，通常取 N=12；若為壓力，則取 N=4。 （ 4）加權(quán)平均值濾波：可以提高濾波效果 （ 5）滑動(dòng)平均值濾波法：采樣時(shí)間短，可以提高檢測(cè)速度 （ 6）慣性濾波法：適用于慢速隨機(jī)變量的濾波 （ 7）復(fù)合數(shù)字濾波：比單純的平均值濾波的效果要好 、加權(quán)平均值濾波以及滑動(dòng)平均濾波三者的區(qū)別是什么？ 算術(shù)平均值法適用于對(duì)壓力、流量等周期脈動(dòng)信號(hào)的平滑，這種信號(hào)的特點(diǎn)是往往在某一數(shù)值范圍附近作上、下波動(dòng)，有一個(gè)平均值。 （ 3）算術(shù)平均值濾波法：它適用于一般的 具有隨機(jī)干擾信號(hào)的濾波。 （ 1）程序判斷濾波法：是根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定出相鄰兩次采樣信號(hào)之間可能出現(xiàn)得最大偏差。消除串模干擾的方法有以下幾種：在輸入回路中接入模擬濾波器；使用雙積分式 A/D轉(zhuǎn)換器；采用雙絞線(xiàn)作為信號(hào)線(xiàn)；電流傳送， ？ 數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足，它與模擬濾波器相比，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： N 采樣時(shí)刻到？ A/D采樣 前臺(tái)算法 D/A輸出 Y 后臺(tái)算法 (1)數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加硬設(shè)備，所以 可靠性高，穩(wěn)定性好； (2)數(shù)字濾波可以對(duì)頻率很低 (如 )的信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷； (3)數(shù)字濾波器可根據(jù)信號(hào)的不同，采用不同的濾波方法或?yàn)V波參數(shù)，具有靈活、方便、功能強(qiáng)的特點(diǎn)。消除共模干擾的方法有以下幾種 :變壓器隔離；光電隔離；浮地屏蔽；采用具有高共模抑制比的的儀表放大器作為輸入放大器。 (1) 傳導(dǎo)耦合 (2) 靜電耦合 (3) 電磁耦合 (4) 公共阻抗耦合 ？如何抑制？ 共模干擾是在電路輸入端相對(duì)公共接地點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)的干擾，也稱(chēng)為共態(tài)干擾、對(duì)地干擾、縱向干擾、同向干擾等。標(biāo)度變換有各種不同類(lèi)型，它取決 于被測(cè)參數(shù)測(cè)量傳感器的類(lèi)型，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)度變換方法，常用線(xiàn)性參數(shù)標(biāo)度變換。這些參數(shù) A/D 轉(zhuǎn)換后得到一系列的數(shù)碼，這些數(shù)碼的值并不一定等于原來(lái)帶有量綱的參數(shù)值，它僅代表參數(shù)值的大小，故必須把它轉(zhuǎn)換成帶有量綱的數(shù)值后才能運(yùn)算、顯示或打印輸出。這是因?yàn)樯a(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種工藝參數(shù)量綱不同。 后臺(tái)運(yùn)算：為得到下一時(shí)刻輸出值 U(k +1)以及與當(dāng)前輸出無(wú)關(guān)的其他計(jì)算和管理算法。 ？ 在應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，為減少計(jì)算延時(shí)，通常將運(yùn)算分為前臺(tái)運(yùn)算和后臺(tái)運(yùn)算。 圖 5— 1 給出了應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的流程圖，它描述了應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的基本任務(wù)和設(shè)計(jì)過(guò)程。 本章作業(yè) 用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)數(shù)字 PID 算法、大林算法、施密斯算法通用子程序。 （ 4）模糊控制是以人的控制經(jīng)驗(yàn)作為控制的知識(shí)模型，以模糊集合、模糊語(yǔ)言變量以及模糊邏輯推理作 為控制算法。 （ 2）模糊控制不用建立對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型。主要擾動(dòng)引起的誤差，由前饋控制 進(jìn)行補(bǔ)償；次要擾動(dòng)引起的誤差，由反饋控制予以抑制，這樣在不提高開(kāi)環(huán)增益的情況下，各種擾動(dòng)引起的誤差均可得到補(bǔ)償，從而有利于同時(shí)兼顧提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的要求。若參數(shù)選擇得合適，前饋控制可取得良好的控制效果。 如果能將擾動(dòng)因素測(cè)量出來(lái)，預(yù)先將其變化量送到系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)整，這樣在被調(diào)量改變之前就能克服這些擾動(dòng)的影響。根據(jù)終值定理，這樣做不影響輸出的穩(wěn)態(tài)值，但卻改變了數(shù)字控 制器的動(dòng)態(tài)特性，從而將影響閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。即使不能使 RA≤ 0，也可以把 RA 減到最小，最大程度地抑制振鈴。它對(duì)系統(tǒng)的輸出幾乎是沒(méi)有影響的，但會(huì)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)因磨損而造成損壞。 (1)最少拍控制器 可以寫(xiě)出系統(tǒng)的廣義對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù) ? ? ? ? ? ?? ? 21 11232 z12 z1zT1111 ? ?? ? ???????? ?????????? ??? sessezG Ts T sc ZΖ 將 T=1S 代入，有 ? ? ? ?? ?21 11 z12 z1z ? ????zGc 由于輸入 r(t)=t，則 ? ? ? ?211 e zzG ?? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?211 11 ?? ???? zzzGzG zGzD e e (2)系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù) ? ? 212 zzzΦ ?? ? 則當(dāng)輸入為單位速度信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)輸出序列 Z 變換為 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??????????? ??????? 43221121 4 T z3 T z2 T z12 zTzzzzΦz(mì)RzY y(0)=0,y(1)=0,y(2)=2T,y(3)=3T,… ? ? sc essG ??? 11 采樣周期 T=1s，要求： (1)采用 Smith 補(bǔ)償控制，求取控制器的輸出 ??ku ； (2)采用大林算法設(shè)計(jì)數(shù)字控制器 ??zD ，并求取 ??ku 的遞推形式。 (4)根據(jù) D(z)求取控制算法的遞推計(jì)算公式。 (2)求廣義對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù) G(z)。 圖 4— 1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖 由廣義對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)可得閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)，可求得控制器的脈沖傳遞函數(shù) D(z)。 (4)由τ、 Tc、 Tc/τ值，查表，求出數(shù)字控制器的 T、 Kp、 Ti 和 Td。 (2)用儀表記錄被控參數(shù)在階躍輸入下的整個(gè)變化過(guò)程曲線(xiàn)，如圖所示。 擴(kuò)充響應(yīng)曲線(xiàn)法整定 PID 參數(shù)的步驟： (1)斷開(kāi)數(shù)字調(diào)節(jié)器，讓系統(tǒng)處于手動(dòng)操作狀態(tài)。 (4)根據(jù)控制度，查表求出 T、 Kp、 Ti 和 Td 值。此時(shí)的比例度為臨界比例度，記作 ss K1??。 (2)逐漸加大比例系數(shù) Kp，使控制系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩。 、擴(kuò)充響應(yīng)曲線(xiàn)法整定 PID 參數(shù)的步驟。 (4)從計(jì)算精度方面考慮，采樣周期 T不應(yīng)過(guò)短，當(dāng)主機(jī)字長(zhǎng)較小時(shí)，若 T過(guò)短，將使前后兩次采樣值差別小，調(diào)節(jié)作用因此會(huì)減弱。 (2)從快速性和抗擾性方面考慮，希望采樣周期盡量短，這樣給定值的改變可以迅速地通過(guò)采樣得到反映，而不致產(chǎn)生過(guò)大的延時(shí)。 ? ? ? ?? ? s. sUsD 08501 1701???? 則 ? ? ? ? ? ? ? ? 1700850 ??? ? ? ? ? ? ? ? ?dt 1700850 ???? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?T 117010850 ???????? 把 T= 代入得 ? ? ? ? ? ? ? ?15354142504251 . ???? 位置型 ? ? ? ? ? ? ? ? ????? kukekeku 增量型 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ????????? kukekekukuku PID 控制器？ 有四種： （ 1）積分分離 PID 控制 算法 （ 2）不完全微分 PID 控制算法 （ 3）帶死區(qū)的 PID 控制算法 （ 4）消除積分不靈敏區(qū)的 PID 控制 ？ (1)從調(diào)節(jié)品質(zhì)上看，希望采樣周期短，以減小系統(tǒng)純滯后的影響，提高控制精度。 (3)采用增量型算法時(shí)所用的執(zhí)行器本身都具有寄存作用，所以即使計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，執(zhí)行器仍能保持在原位，不會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成惡劣影響。 )]}2()1(2)([)()]1()({[)( ?????????? kekekeTTkeTTkekeKku dip 與位置算法相比，增量型 PID 算法有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)位置型算式每次輸出與整個(gè)過(guò)去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算式中要用到過(guò)去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累積計(jì)算誤差；而在增量型算式中由于消去了積分項(xiàng)，從 而可消除調(diào)節(jié)器的積分飽和，在精度不足時(shí)，計(jì)算誤差對(duì)控制量的影響較小，容易取得較好的控制效果。所以實(shí)際中當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)值，而是其增量時(shí)，可以采用增量型 PID 算法。 為了實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制生產(chǎn)過(guò)程變量，必須將模擬 PID 算式離散化，變?yōu)閿?shù)字 PID 算式，為此，在采樣周期 T 遠(yuǎn)小于信號(hào)變化周期時(shí)，作如下近似 (T足夠小時(shí)，如下逼近相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過(guò)程與連續(xù)系統(tǒng)十分接近 )： TkekedtdejeTedt kjt)1()()(00???? ??? 于是有： )]}1()([)()({)( 0 ????? ?? kekeTTjeTTkeKku kj dip u(k)是全量值輸出，每次的輸出值都與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置 (如控制閥門(mén)的開(kāi)度 )一一對(duì)應(yīng)，所以稱(chēng)之為位置型 PID 算法。微分調(diào)節(jié)主要用來(lái)加快系統(tǒng)的相應(yīng)速 度，減小超調(diào)，克服振蕩，消除系統(tǒng)慣性的影響。積分調(diào)節(jié)可以消除靜差，提高控制精度。在被調(diào)量的偏差消除后，由于積分規(guī)律的特點(diǎn)，輸出將停留在新的位置而不回復(fù)原位，因而能保持靜差為零。比例調(diào)節(jié)可以保證系統(tǒng)的快速性。 ? ? sT sTsD 2111??? 試用雙線(xiàn)形變換法、前向差分法、后向差分法分別 求取數(shù)字控制器 D(Z)。圓弧起點(diǎn) A（ 4， 6），終點(diǎn) A（ 6， 10）要求： (1)按逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)進(jìn)行列表計(jì)算； (2)作出走步軌跡圖，并標(biāo)明進(jìn)給方向和步數(shù)。 圖 8. 采用三相六拍方式控制 X 軸走向步進(jìn)電機(jī)。各相通電的電壓波形如圖 圖 雙三拍工作的電壓波形圖 （ 3）三相六拍工作方式 在反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)控制中，把單三拍和雙三拍工作方式結(jié)合起來(lái)，就產(chǎn)生了六拍工作方式，其通電順序?yàn)?A→ AB→ B→ BC→ C→ CA。 有三種工作方式： （ 1）三相單三拍工作方式 各相的通電順序?yàn)?A→ B→ C,各相通電的電壓波形如圖 所示。下圖為插補(bǔ)過(guò)程中的走步軌跡。 解：插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程如表 3— 2 所示。 表 3— 1 步數(shù) 偏差判別 坐標(biāo)進(jìn)給 偏差計(jì)算 終點(diǎn)判別 起點(diǎn) F0=0 Nxy=10 1 F0=0 X F1=F0ye=6 Nxy=9 2 F10 +Y F2=F1+xe=2 Nxy=8 3 F20 +Y F3=F2+xe=2 Nxy=7 1023456123456yxE(4,6)4 F30 X F4=F3ye=4 Nxy=6 5 F40 +Y F5=F4+xe=0 Nxy=5 6 F5=0 X F6=F5ye=6 Nxy=4 7 F60 +Y F7=F6+xe=2 Nxy=3 8 F70 +Y F8