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1、第二章 控制計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通道 概述計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通道輸入通道傳感器調(diào)理電路輸入接口輸出通道輸出接口驅(qū)動(dòng)電路執(zhí)行器 2.1 數(shù)字量通道1）、數(shù)字量輸入通道基本構(gòu)成被測(cè)量傳感 器傳輸線接插件調(diào)理電路并行接口CPU 2.1 數(shù)字量通道1）、數(shù)字量輸入通道被測(cè)量：開關(guān)量、編碼數(shù)字量傳感器： 開關(guān)觸點(diǎn)開關(guān)、無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)調(diào)理電路：濾波、去抖、鉗位、隔離、電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)類型轉(zhuǎn)換并行輸入接口 2.1 數(shù)字量通道2）、數(shù)字量輸出通道基本結(jié)構(gòu)被控機(jī)構(gòu)執(zhí)行 器傳輸線功率放大隔離與電平轉(zhuǎn)換并行接口CPU接插件 2.1 數(shù)字量通道2）、數(shù)字量輸出通道隔離與電平轉(zhuǎn)換：隔離器件/電平轉(zhuǎn)換器件光電隔離器功率放大：大功率半導(dǎo)體器件、繼
2、電器執(zhí)行機(jī)構(gòu)：電磁閥、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、 2.2 模擬量通道1）、模擬量輸入通道基本結(jié)構(gòu)被測(cè)量傳感 器傳輸線接插件調(diào)理電路多路開關(guān)CPUAD接口采樣保持器 2.2 模擬量通道1）、模擬量輸入通道被測(cè)量：可以轉(zhuǎn)換為模擬量的參數(shù)傳感器：原理：電位器、霍爾元件、熱/光敏電阻、電容式、電感式、磁電式、應(yīng)變片被測(cè)量：位移、壓力、溫度、力矩、變形數(shù)字控制系統(tǒng)中信號(hào)形式模擬信號(hào)采樣信號(hào)階梯模擬量 數(shù)字信號(hào) 2.2 模擬量通道1）、模擬量輸入通道調(diào)理電路：放大：幅值放大、隔離放大器、測(cè)量放大器濾波：帶通濾波、低通濾波非線性補(bǔ)償：使信號(hào)線性化整形：斯密特觸發(fā)器其他補(bǔ)償：溫漂、零漂 I/V轉(zhuǎn)換：電流/電壓轉(zhuǎn)換
3、V/F轉(zhuǎn)換：電壓/頻率轉(zhuǎn)換電橋：小變化量檢測(cè)接口： 多路開關(guān) A/D轉(zhuǎn)換 2.2 模擬量通道1）、模擬量輸入通道誤差分析誤差類型隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差、異常數(shù)據(jù)相對(duì)誤差、絕對(duì)誤差 A/D轉(zhuǎn)換器相對(duì)誤差/絕對(duì)誤差絕對(duì)誤差1LSB對(duì)應(yīng)的被測(cè)量相對(duì)誤差1/ 2 n , n為轉(zhuǎn)換器位數(shù)輸入通道總誤差估計(jì)傳感器、調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器引入誤差絕對(duì)值相加采樣保持及孔徑誤差 2.2 模擬量通道2）、模擬量輸出通道基本結(jié)構(gòu)被控機(jī)構(gòu)執(zhí)行 器傳輸線功率放大/VI變換輸出平滑濾波D/A接口CPU接插件極性轉(zhuǎn)換 2.2 模擬量通道2）、模擬量輸出通道 D/A接口模擬D/A、脈沖調(diào)制輸出輸出平滑濾波去掉階梯功率放大/VI變
4、換極性轉(zhuǎn)換 2.3 脈沖數(shù)字量通道1）、輸入通道基本結(jié)構(gòu)被測(cè)量傳感 器傳輸線接插件調(diào)理電路定時(shí)計(jì)數(shù)器接口CPU 2.3 脈沖數(shù)字量通道1）、輸入通道被測(cè)量：轉(zhuǎn)速、脈沖頻率、脈寬、計(jì)數(shù)傳感器：磁電、霍爾、光電調(diào)理電路：鉗位、濾波、放大、整形、隔離 2.3 脈沖數(shù)字量通道1）、輸入通道脈沖數(shù)字量測(cè)量方法測(cè)頻法單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)測(cè)量誤差絕對(duì)誤差：一個(gè)脈沖相對(duì)誤差：1/計(jì)數(shù)值測(cè)周期法一個(gè)脈沖時(shí)間內(nèi)時(shí)鐘計(jì)數(shù)測(cè)量誤差據(jù)對(duì)誤差：一個(gè)時(shí)鐘單位 相對(duì)誤差：1/時(shí)鐘計(jì)數(shù)孔徑誤差測(cè)量的是均值 2.3 脈沖數(shù)字量通道1）、輸入通道測(cè)量中的技術(shù)問題無(wú)脈沖情況（或周期過長(zhǎng)）測(cè)周期法定時(shí)計(jì)數(shù)溢出零值頻率過高情況測(cè)頻法計(jì)數(shù)器溢
5、出最大值測(cè)量方法的選擇低速（低頻）測(cè)周期相對(duì)誤差較小，高速測(cè)頻率相對(duì)誤差較小計(jì)算機(jī)中基本實(shí)現(xiàn)方法兩個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器：一個(gè)定時(shí)，一個(gè)計(jì)數(shù) 2.3 脈沖數(shù)字量通道2）、輸出通道基本結(jié)構(gòu)頻率發(fā)生器 PWM 2.4 數(shù)據(jù)處理1、誤差分析誤差類型：系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差、過失誤差（異常數(shù)據(jù)）有效性檢查：方差分析、極值分析、特征分析 2.4 數(shù)據(jù)處理2、數(shù)字濾波限幅濾波算術(shù)平均值加權(quán)濾波中值濾波3、標(biāo)度變換確定被測(cè)量與電量/數(shù)字量的對(duì)應(yīng)關(guān)系標(biāo)定：確定單位物理量與電量/數(shù)字量的關(guān)系 2.4 數(shù)據(jù)處理4、非線性處理/數(shù)據(jù)變換/函數(shù)計(jì)算功能：測(cè)量過程使用的數(shù)字量與被測(cè)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系基本方法：查表法公式法/計(jì)算法線性插值
6、2.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性技術(shù)1、概述解決的問題：可靠工作時(shí)間、故障檢測(cè)、故障處理、容錯(cuò)控制可靠性：在規(guī)定條件下，規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定任務(wù)的能力。故障率：失效次數(shù)/總工作時(shí)間平均無(wú)故障時(shí)間：總工作時(shí)間/失效次數(shù)可靠度： n fnnlim1 2.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性技術(shù)2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)中影響可靠性的因素結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化功能簡(jiǎn)化存儲(chǔ)與計(jì)算能力熱設(shè)計(jì)接插件機(jī)械特性氣候環(huán)境 2.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性技術(shù)3、信號(hào)接地安全地、工作地接地方式：?jiǎn)吸c(diǎn)接地、多點(diǎn)接地浮地系統(tǒng)：設(shè)備地線不與大地連接模擬地/數(shù)字地：模擬信號(hào)地線模擬地；數(shù)字信號(hào)地線數(shù)字地大功率信號(hào)地/小信號(hào)地：屏蔽地：屏蔽層的接地計(jì)算機(jī)系統(tǒng)地線連接基本原
7、則：盡量加寬、利用地線做屏蔽、板子周邊地線向內(nèi)擴(kuò)展 2.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性技術(shù)4、屏蔽技術(shù)電場(chǎng)屏蔽：抑制由于分布電容耦合產(chǎn)生的電場(chǎng)干擾，采用低電阻金屬屏蔽層。磁場(chǎng)屏蔽：低頻磁場(chǎng)干擾一般采用高導(dǎo)磁率材料作屏蔽，使磁路限定在屏蔽層中。電磁屏蔽：抑制高頻電磁場(chǎng)的影響，用低電阻金屬材料屏蔽層。 2.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性技術(shù)5、隔離技術(shù)抑制共地耦合引入的干擾。隔離原理6、長(zhǎng)線傳輸效應(yīng)長(zhǎng)線傳輸影響：滯后、波形畸變/衰減、外界干擾敏感、分布參數(shù)影響。長(zhǎng)線傳輸阻抗匹配線路阻抗：阻抗匹配 000 clR 2.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性技術(shù)7、直流電源抗干擾技術(shù)地線電源線間并接電容功率較大器件加隔離電容保
8、護(hù)電路8、軟件可靠性技術(shù) 2.6 故障自診斷1)故障自診斷基于計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)在完成控制功能同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)故障檢測(cè)和診斷2）硬件冗余/無(wú)硬件冗余的自診斷硬件冗余自診斷：除控制系統(tǒng)需要的硬件（傳感器）外，增加專用于診斷的硬件（傳感器）無(wú)硬件冗余的自診斷：不增加硬件，僅靠附加的軟件完成故障自診斷。 2.6 故障自診斷3）基于信號(hào)極值分析的故障診斷實(shí)際系統(tǒng)正常工作時(shí)，信號(hào)都有一個(gè)正常取值范圍，當(dāng)測(cè)量值超出范圍，可以判定傳感器通道故障，或相關(guān)總成故障為采用極值分析法應(yīng)當(dāng)使信號(hào)可讀值范圍在兩邊超過實(shí)際信號(hào)有效范圍，如節(jié)氣門傳感器有效范圍可取為：0.5V4.5V ；AD輸入為0V5V極值分析法優(yōu)
9、點(diǎn)：簡(jiǎn)單、有效，可與信號(hào)有效性檢驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行 2.6故障自診斷4）信號(hào)邏輯分析通過信號(hào)之間存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定是否出現(xiàn)故障和故障位置操縱/控制信號(hào)與反饋的被控裝置測(cè)量信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系如倒檔控制/狀態(tài)與倒車信號(hào)相連總成之間聯(lián)動(dòng)裝置測(cè)量信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如有檔時(shí)車速與輸入軸轉(zhuǎn)速邏輯分析與局部模型結(jié)合的方法如檔位值、換檔控制閥控制信號(hào)、輸入軸與車速結(jié)合診斷故障 2.6故障自診斷5）信號(hào)譜特性分析通過信號(hào)的譜特性是否符合正常信號(hào)范圍判定是否有故障信號(hào)的頻譜范圍信號(hào)的特定頻率幅值基于信號(hào)處理的故障診斷方法缺點(diǎn)計(jì)算量大，不太適合實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng) 2.6 故障自診斷6）基于模型的故障診斷基本思想控制系統(tǒng)存有系統(tǒng)模型
10、，在控制系統(tǒng)運(yùn)行中不斷測(cè)得系統(tǒng)的輸入和輸出，當(dāng)系統(tǒng)沒有異常時(shí)，同樣的輸入加到模型時(shí)，模型的計(jì)算輸出應(yīng)當(dāng)與測(cè)量的輸出值一至（只有隨機(jī)誤差）。通過檢驗(yàn)測(cè)量值與計(jì)算值的差別，可以判斷是否發(fā)上故障-故障檢測(cè)。如果根據(jù)測(cè)量值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行辨識(shí)，可以通過辨識(shí)的參數(shù)判斷故障原因（位置）-故障診斷 控制器系統(tǒng)模型測(cè)量值被控系統(tǒng)一致性檢驗(yàn) 計(jì)算值故障判斷給定值偏差控制 2.6 故障自診斷7）基于模型的AMT故障診斷汽車控制系統(tǒng)故障自診斷的優(yōu)點(diǎn)硬件增加少，效果好成本低汽車的一些結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)有利于模型診斷方法應(yīng)用（不利方面、有利方面）基于局部模型的故障診斷汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)在各種工作周期，總成的耦合和解耦 2.6 故障自診斷8）動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成與局部模型傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)空載模型離合器模型變速箱模型基于局部模型的診斷局部模型結(jié)果的校驗(yàn)：切斷時(shí)計(jì)算和局部校驗(yàn)、聯(lián)動(dòng)時(shí)的相互校驗(yàn) 2.6故障自診斷7）基于人工智能的故障檢測(cè)與診斷基于專家知識(shí)的診斷基于模糊邏輯的診斷基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷在線、離線結(jié)合的診斷 2.7 容錯(cuò)控制1）傳感器故障時(shí)的容錯(cuò)控制2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障時(shí)的容錯(cuò)控制
《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》PPT課件
