西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育系列課程

西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育系列課程計算機(jī)工業(yè)控制

主講：周紅燕

郵箱：zhousonghy@

1內(nèi)容簡介

本課程的主要內(nèi)容包括三部分：第一部分主要介紹微機(jī)自動控制基礎(chǔ)知識、微機(jī)控制系統(tǒng)分類及發(fā)展簡介、微機(jī)接口技術(shù)等，包含1、2、3章；第二部分是主要的控制技術(shù)，包含第四章的數(shù)字PID控制技術(shù)和第五章的開環(huán)控制；第三部分是微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計，包含硬件和軟件設(shè)計，其中第八章對一般工業(yè)微機(jī)控制系統(tǒng)可能碰到的問題作了全面系統(tǒng)的介紹，而第九章則從微機(jī)工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的整體設(shè)計出發(fā)，從硬件和軟件的角度全面介紹了如何設(shè)計微機(jī)控制系統(tǒng)。其學(xué)習(xí)目的在于使學(xué)生了解微機(jī)控制系統(tǒng)的基本知識，掌握常用的接口技術(shù)和控制算法，掌握微機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方法。

2第一章

自動控制基本理論知識

本章主要介紹微機(jī)自動控制系統(tǒng)中自動控制系統(tǒng)、自動控制理論的基本概念及連續(xù)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。31.1微機(jī)自動控制系統(tǒng)的基本概念一、自動控制系統(tǒng)（一）自動控制控制系統(tǒng)的控制分人工控制和自動控制。自動控制是指在沒有人直接參與下，利用控制器（如機(jī)械裝置、電子裝置或電子計算機(jī)）使生產(chǎn)過程或被控對象的某一物理量（溫度、壓力、液面、流量、速度、位移、成分等）準(zhǔn)確地按照規(guī)定的規(guī)律運行，使其具有所希望的狀態(tài)和性能。能夠?qū)崿F(xiàn)這種自動控制的裝置稱為控制器。

（二）系統(tǒng)定義：若干元素為了某一目的有機(jī)的相互結(jié)成的一個總體?；緦傩裕赫w性、各元素之間的關(guān)聯(lián)性、人所以把它當(dāng)作系統(tǒng)的目的性。

4（三）自動控制系統(tǒng)定義：由控制器、被控對象等部件為了一定的目的有機(jī)地聯(lián)結(jié)的一個進(jìn)行自動控制的總體。屬性：除了具有系統(tǒng)的三種基本屬性外，還具有一定的個性，即它是一個動態(tài)系統(tǒng)，并在其中存在著自動控制作用。

二、自動控制理論（一）定義：以自動控制系統(tǒng)為研究對象，用動力學(xué)的方法在運動和發(fā)展中考察系統(tǒng)，揭示出所有類型或某些類型系統(tǒng)所共有的普遍規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上指出將理論用于工程的途徑。（二）任務(wù)：采用數(shù)學(xué)方法對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和綜合。分析：在給出數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上確定系統(tǒng)的性能。綜合：在對系統(tǒng)性能提出要求的基礎(chǔ)上，確定一個滿足要求的系統(tǒng)模型。5（三）分類1.

經(jīng)典控制理論：以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入—單輸出控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計。2.現(xiàn)代控制理論：以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入—多輸出、變系數(shù)、非線性等控制系統(tǒng)的分析和綜合。

三、

自動控制系統(tǒng)的分類（一）按信號的傳遞路徑分類（按控制系統(tǒng)有無反饋來分）1.開環(huán)控制系統(tǒng)（1）定義：系統(tǒng)的被控制量對系統(tǒng)的控制量沒有影響，即被控制量只能受控于控制量，而對控制量無反作用，也稱為前饋控制系統(tǒng)。如圖1.1所示。6圖1.1爐溫控制系統(tǒng)（2）方框圖：控制器被控對象控制量被控制量7

（3）

特點

①：作用信號由輸出單方向傳遞，不對輸出量進(jìn)行檢測，或雖進(jìn)行檢測但不對系統(tǒng)工作起控制作用；②：外部條件和系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)保持不變時，對于一個確定的輸入量，總存在一個與之對應(yīng)的輸出量；③：控制精度取決于控制器及被控對象的參數(shù)穩(wěn)定性，易受干擾影響，缺乏精確性和適應(yīng)性。2.閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)）（1）反饋：輸出量通過適當(dāng)?shù)臏y量裝置將檢測信號的全部或一部分返回輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較。（2）反饋控制系統(tǒng)在負(fù)反饋（輸入量與反饋量相減）的基礎(chǔ)上，用“檢測偏差以糾正偏差”的這一控制原理組成的系統(tǒng)，因為此類系統(tǒng)信息的傳遞途徑有一個自動的閉合環(huán)路，所以也稱閉環(huán)控制系統(tǒng)。

8圖1.2閉環(huán)爐溫控制系統(tǒng)9圖1.3爐溫控制系統(tǒng)原理框圖10（3）特點①：由負(fù)反饋構(gòu)成閉環(huán)，利用偏差信號進(jìn)行控制；②：對于外界擾動和系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的變化等引起的誤差能自動糾正；③：系統(tǒng)元件參數(shù)配合不當(dāng)，容易產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)不能正常工作，存在穩(wěn)定性問題。

3.開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別

開環(huán)系統(tǒng)：沒有反饋通道，結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn)；

閉環(huán)系統(tǒng)：有反饋通道，抗干擾能力強(qiáng)，對外擾動和內(nèi)擾動引起的偏差能自動糾正，精度高，存在穩(wěn)定性問題，設(shè)計與制造困難。

11（二）按控制作用的特點（即給定量的運動規(guī)律）分類1.

恒值控制系統(tǒng)（自動整定系統(tǒng)）任務(wù)：保證系統(tǒng)在任何擾動作用下，輸出量以一定精度接近給定量，而給定量一般不變或緩慢變化，如溫度、壓力、流量、濕度、液位等參量的恒值控制。分析設(shè)計的重點：研究各種擾動對被控對象的影響，從克服擾動影響的角度進(jìn)行分析設(shè)計、計算。

2.

隨動系統(tǒng)（自動跟蹤系統(tǒng)）任務(wù)：在各種情況下，輸出量以一定精度跟隨給定量的變化（給定量的變化是隨機(jī)的），如雷達(dá)自動跟蹤系統(tǒng)、火炮瞄準(zhǔn)控制。分析設(shè)計的重點：系統(tǒng)跟蹤的快速性和準(zhǔn)確性。

3.

程序控制系統(tǒng)任務(wù)：被控量按照事先給定的規(guī)律或程序進(jìn)行變化。分析設(shè)計的重點：系統(tǒng)工作可靠，滿足控制精度要求。

12（三）其它分類方法

1.

按系統(tǒng)內(nèi)部的信號類型分：連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)；2.

按系統(tǒng)的元部件特性分：線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)；3.

按執(zhí)行機(jī)構(gòu)類型分：直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)；機(jī)電、液壓和氣動系統(tǒng)；4.

按執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出功率分：大功率系統(tǒng)和小功率系統(tǒng)。

三、

反饋控制系統(tǒng)的基本組成反饋控制系統(tǒng)的組成如圖1.4所示：

13輸入變換元件串聯(lián)校正放大變換元件執(zhí)行元件控制對象控制指令參數(shù)輸入比較元件誤差信號+-+-擾動并聯(lián)校正反饋元件主反饋信號輸出信號圖1.4反饋控制系統(tǒng)組成14（一）各組成元件的作用1.輸入變換元件：（也稱控制元件）用于產(chǎn)生參考輸入信號（控制信號），是進(jìn)行物理量大小和性質(zhì)變換的元件；2.反饋元件：是測量元件，用于測量被控制量的實際值，同時起著物理量大小和性質(zhì)變換的作用，也叫檢測變換元件；3.比較元件：是用來比較參考輸入信號和主反饋信號，并產(chǎn)生反映兩者偏差的信號；4.放大變換元件：把誤差信號放大并進(jìn)行能量形式轉(zhuǎn)換，使之達(dá)到足夠幅值和功率的元件；5.執(zhí)行元件：根據(jù)控制信號直接對控制對象進(jìn)行操縱的元件，如調(diào)節(jié)閥；6.被控對象：是控制系統(tǒng)所要操縱的對象，其輸出量即為系統(tǒng)的被控制量。7.校正元件：是為改善系統(tǒng)的控制性能而加入系統(tǒng)的元件，可分為串聯(lián)校正元件和并聯(lián)校正元件。（1）串聯(lián)校正元件：是串聯(lián)在系統(tǒng)前向通道內(nèi)的校正裝置；（2）并聯(lián)校正元件：是與系統(tǒng)部分元件接成局部反饋形式的校正裝置。

15（二）各種信號1.

輸入信號：（輸入量、控制量、給定量）廣義上指輸入到系統(tǒng)中的各種信號，包括擾動信號，一般指控制輸出量變化規(guī)律的信號；2.

輸出信號：（輸出量、被控制量、被調(diào)節(jié)量）是其變化規(guī)律要加以控制的信號，應(yīng)與輸入給定信號保持一定的函數(shù)關(guān)系。3.

反饋信號：輸出端反饋到輸入端的信號，可分為正、負(fù)反饋兩種。正反饋：有利于加強(qiáng)輸入信號，會加劇偏差，導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定；負(fù)反饋：抵消輸入信號的部分作用；局部反饋：對系統(tǒng)進(jìn)行校正，以滿足控制某些性能要求。4.偏差信號：輸入信號與主反饋信號之差。

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四、

對控制系統(tǒng)的基本要求

控制對象不同、手段不同、目的和任務(wù)不同，對系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)和要求也不相同，主要歸結(jié)為穩(wěn)定性、動態(tài)特性（快速性）和穩(wěn)態(tài)特性（準(zhǔn)確性）。穩(wěn)定性：一個處于靜止或平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，當(dāng)受到任何輸入的激勵，就有可能偏離以來的平衡狀態(tài)，當(dāng)激勵消失后，經(jīng)過一段暫態(tài)過程后，系統(tǒng)的狀態(tài)和輸出都能恢復(fù)到原先的平衡狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。動態(tài)特性：指反映在系統(tǒng)狀態(tài)隨時間變化的過程中，系統(tǒng)響應(yīng)過程的振蕩大小及平穩(wěn)、均勻的程度等。一個動態(tài)特性好的系統(tǒng)既要過渡時間短，又要過渡平穩(wěn)，振蕩幅度小。穩(wěn)態(tài)特性：指過渡過程結(jié)束后，主反饋量與參考輸入量的誤差值，反映了系統(tǒng)控制的精確程度。聯(lián)系：三者相互制約，提高快速性，則會使系統(tǒng)振蕩性加強(qiáng)；改善系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，則又有可能使控制過程延長，反映遲鈍；提高穩(wěn)態(tài)特性則回引起動態(tài)性能的變化。

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五、

控制系統(tǒng)常用的典型測試信號（一）使用典型測試信號的原因1.

實際系統(tǒng)的輸入信號常具有隨機(jī)性質(zhì)，而且其瞬時函數(shù)關(guān)系往往不能以解析法表示；2.

分析和設(shè)計控制系統(tǒng)需要有一個對各種系統(tǒng)性能進(jìn)行比較的基礎(chǔ)；3.

系統(tǒng)對典型信號的響應(yīng)特性與對實際輸入信號的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，實際輸入信號往往是一種或多種典型測試信號的組合；4.

典型測試信號是簡單的時間函數(shù)，便于對控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理和實驗分析。

（二）選取原則1.

選取測試信號的典型形式應(yīng)大致反應(yīng)系統(tǒng)的實際工作情況；2.

要從系統(tǒng)工作最不利的情況出發(fā)來選取測試信號；3.選取的測試信號應(yīng)盡可能簡單。

18（三）典型測試信號1.階躍輸入函數(shù)（Stepinputfunction）

該函數(shù)表示參考輸入量的一種瞬變。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

R為恒值；

u(t)為單位階躍函數(shù)，即R=1；

則表示一個經(jīng)延滯時間的單位階躍函數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：19r(t)Rt0階躍輸入函數(shù)r(t)1t0t帶延滯的單位階躍函數(shù)202.斜坡（速度）函數(shù)（Rampinputfunction）

該函數(shù)表示一勻速信號，該信號對時間t的變化率是一常數(shù)。斜坡函數(shù)等于階躍函數(shù)對t的積分。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：R為恒值，為單位速度函數(shù)。

t0斜坡函數(shù)tgφ=RRtr(t)21３.拋物線（加速度）函數(shù)（Ｐarabolicinputfunction）該函數(shù)表示勻加速信號，由等速函數(shù)對t積分而得。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：R為恒值，為單位加速度函數(shù)。t0r(t)22４.脈沖函數(shù)其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中h為脈沖高度，一般工程要求h<0.1T，Ｔ為系統(tǒng)時間常數(shù)；Ａ為恒值。當(dāng)Ａ＝１， ,時，稱理想單位脈沖，其表達(dá)式為：

23單位脈沖函數(shù)可以看作單位階躍函數(shù)對時間t的導(dǎo)數(shù)，u(t)只有在t=0時有突跳，故u(t)在t=0時的導(dǎo)數(shù)為，而在其它處為０。５.正弦函數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 式中Ａ為振幅；為相位移；為振蕩角頻率。

r(t)A/hh0t241.2連續(xù)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

一、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（一）

定義

控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是對實際物理系統(tǒng)的一種數(shù)學(xué)抽象。狹義：是一種描述系統(tǒng)各變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式；廣義：一切揭示控制系統(tǒng)各變量內(nèi)在聯(lián)系及關(guān)系的解析式或圖形表示。

（二）分類

1.靜態(tài)模型：在靜態(tài)條件下（即變量的各階導(dǎo)數(shù)為0），描述各變量間關(guān)系的數(shù)學(xué)方程；2.動態(tài)模型：在動態(tài)條件下，用微分方程描述的各變量在動態(tài)過程中的關(guān)系。

25（三）表示形式1.

圖形表示：信號流圖、方塊圖及頻率特性圖等；2.

數(shù)學(xué)表示：(1)

微分方程（差分）：最基本的形式，但求解困難；(2)

傳遞函數(shù)或頻率特性：適用于單輸入-單輸出系統(tǒng)；(3)

狀態(tài)變量表達(dá)式：用于多變量系統(tǒng)及最優(yōu)控制問題較方便。3.

數(shù)字計算機(jī)上的程序綜合

（四）建立數(shù)學(xué)模型的原則1.

分清主次，合理簡化，建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型；2.

由選定的系統(tǒng)分析方法建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；經(jīng)典控制理論：傳遞函數(shù)、頻率特性、微分方程；現(xiàn)代控制理論：狀態(tài)變量表達(dá)式。

26（五）建立的方法1.

分析法：從元件或系統(tǒng)所依據(jù)的物理或化學(xué)規(guī)律除非，通過分析和推導(dǎo)，建立數(shù)學(xué)模型，并經(jīng)過實驗驗證；2.實驗法：對實際加入一定形式的輸入信號，求取系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，經(jīng)過分析建立數(shù)學(xué)模型。二、控制系統(tǒng)微分方程式的建立步驟1.分析系統(tǒng)工作原理和系統(tǒng)中各變量之間的關(guān)系，將系統(tǒng)劃分為若干個環(huán)節(jié)，確定系統(tǒng)和每一環(huán)節(jié)的輸入量和輸出量；2.通過反映環(huán)節(jié)內(nèi)在運動規(guī)律的基本物理或化學(xué)規(guī)律，依次寫出各環(huán)節(jié)的原始運動方程式，在保證分析精度的條件下進(jìn)行適當(dāng)簡化；3.

消去中間變量，得到只含有輸入量和輸出量的方程式。

27三、傳遞函數(shù)（一）定義在線性定常系統(tǒng)中初始條件為零時，系統(tǒng)或部件的拉氏變換與輸入的拉氏變換之比成為系統(tǒng)或部件的傳遞函數(shù)。

（二）

求取方法1.

根據(jù)微分方程（1）列出元件或系統(tǒng)的微分方程；（2）在零初始條件下對方程進(jìn)行拉氏變換；（3）取輸出與輸入的復(fù)變量之比。2.

根據(jù)系統(tǒng)的沖激響應(yīng)求系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（1）測量系統(tǒng)的沖激響應(yīng)（即輸入為脈沖信號時系統(tǒng)的輸出）；（2）根據(jù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)與沖激響應(yīng)的關(guān)系（傳遞函數(shù)為系統(tǒng)沖激響應(yīng)的拉氏變換）求取系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。3.利用頻率測定法，以實驗進(jìn)行測定。

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（三）

性質(zhì)1.

傳遞函數(shù)是無論系統(tǒng)在復(fù)域的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，其系數(shù)及階次均為實數(shù)，只與系統(tǒng)或元件本身內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，與輸入量、初始條件等外部條件無關(guān)；2.

實際系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是復(fù)變數(shù)s的有理分式，即其分母的階次大于等于分子的階次；3.

傳遞函數(shù)不能反映系統(tǒng)或元件的物理組成；4.

傳遞函數(shù)的拉氏反變換就是系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)；5.

傳遞函數(shù)僅適用于線性定常系統(tǒng)或元件。

（四）、典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù)

1.比例環(huán)節(jié)G(s)=KK為增益；特點：輸入輸出量成比例，無失真和時間延遲。

292.慣性環(huán)節(jié)T為時間常數(shù)；特點：含有一個儲能元件，對突變的輸入，輸出不能立即復(fù)現(xiàn)，輸出無振蕩。3.微分環(huán)節(jié)G(s)=Ks特點：輸出量正比于輸入量的變化速度，能預(yù)示輸入信號的變化趨勢。4.積分環(huán)節(jié)特點：輸出量與輸入量的積分成比例，當(dāng)輸入消失，輸出具有記憶功能。5.振蕩環(huán)節(jié)

式中為阻尼比（）；為自然振蕩角頻率（無阻尼振蕩角頻率）；；30特點：環(huán)節(jié)中有兩個獨立的儲能元件，并可進(jìn)行能量交換，其輸出出現(xiàn)振蕩。6.純時間延遲環(huán)節(jié)為延遲時間；特點：輸出量能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)輸入量，但需延遲一固定的時間間隔。

四、方塊圖控制系統(tǒng)的方塊圖是系統(tǒng)各元件特性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號流向的圖解表示，在每一個方塊中寫入該環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，以箭頭和字母標(biāo)明其輸入量和輸出量，按照信號的傳輸方向把各方塊連接起來，就構(gòu)成了方塊圖，也稱結(jié)構(gòu)圖。（一）方塊圖元素

1.

方塊：是指表示輸入到輸出單向傳輸間的函數(shù)關(guān)系；2.

比較點（合成點）：指兩個或兩個以上的輸入信號進(jìn)行加減比較的元件；3.分支點：指信號測量或引出的位置。

31+++-元部件傳遞函數(shù)Y(sX(s)Y(s)方塊X2X2X1-X2X1X