微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課件

微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)自動(dòng)控制技術(shù)檢測(cè)與傳感技術(shù)CRT顯示技術(shù)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)微電子技術(shù)?計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及其組成?計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式?計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢(shì)微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第一章:緒論

§1．1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述★自動(dòng)控制：在沒(méi)有人直接參與的情況下，通過(guò)控制器使生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行?！?.1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及其組成

1．計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)★計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

————

利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的系統(tǒng)。輸出通道

D/A輸入通道

A/D對(duì)象被控變量y輸入通道計(jì)算機(jī)給定1）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：實(shí)時(shí)控制決策：實(shí)時(shí)控制輸出：工作原理：對(duì)來(lái)自測(cè)量變送裝置的被控變量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)和輸入。對(duì)采集到的被控變量進(jìn)行分析和處理，并按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。根據(jù)控制決策，適時(shí)地對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制任務(wù)。2）在線方式和離線方式★在線方式或聯(lián)機(jī)方式：生產(chǎn)過(guò)程和計(jì)算機(jī)直接連接，并受計(jì)算機(jī)控制的方式。★

離線方式或脫機(jī)方式：生產(chǎn)過(guò)程不和計(jì)算機(jī)相連，且不受計(jì)算機(jī)控制，而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式。3）實(shí)時(shí)的含義★實(shí)時(shí)：是指信號(hào)的輸入、計(jì)算和輸出都要在一定的時(shí)間范圍內(nèi)完成?！?/p>

實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成硬件部分：主機(jī)、接口電路、過(guò)程輸入/輸出通道、外部設(shè)備、操作臺(tái)★主機(jī)中央處理器（CPU）內(nèi)存儲(chǔ)器(RAM和ROM)★接口電路:

主機(jī)與外部設(shè)備、輸入輸出通道進(jìn)行信息交換的橋梁★過(guò)程輸入/輸出通道模擬量輸入通道模擬量輸出通道開(kāi)關(guān)量輸入通道開(kāi)關(guān)量輸出通道★外部設(shè)備★

操作臺(tái)輸入設(shè)備輸出設(shè)備外存儲(chǔ)器（CRT）顯示器或(LED)數(shù)碼顯示器鍵盤(pán)（功能鍵和數(shù)字鍵）軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)語(yǔ)言加工系統(tǒng)診斷系統(tǒng)控制程序數(shù)據(jù)采集及處理程序巡回檢測(cè)程序數(shù)據(jù)管理程序編輯程序編譯程序連接、裝配程序調(diào)試程序子程序庫(kù)軟件部分：數(shù)據(jù)可靠性檢查程序A／D轉(zhuǎn)換及采樣程序數(shù)字濾波程序線性化處理程序

數(shù)據(jù)采集程序越限報(bào)警程序事故預(yù)告程序畫(huà)面顯示程序3.工業(yè)控制機(jī)的特點(diǎn)?

可靠性高和可維修性好?

環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)?

控制實(shí)時(shí)性好?

完善的輸入輸出通道?

豐富的軟件?

適當(dāng)?shù)挠?jì)算精度和運(yùn)算速度§1·1·2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式

1．操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活和安全。缺點(diǎn)：要由人工操作，速度受到限制，不能控制多個(gè)對(duì)象。

2．直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DirectDigitalControl—DDC）★要求：實(shí)時(shí)性好、可靠性高和適應(yīng)性強(qiáng)★一臺(tái)計(jì)算機(jī)通常要控制幾個(gè)或幾十個(gè)回路輸入通道(AI.DI）輸出通道(AO.DO)打印機(jī)報(bào)警操作臺(tái)CRT計(jì)算機(jī)生產(chǎn)過(guò)程

3．監(jiān)督控制系統(tǒng)（SupervisoryComputerControl—SCC）DDC計(jì)算機(jī)生產(chǎn)過(guò)程SSC計(jì)算機(jī)記錄顯示打印調(diào)節(jié)測(cè)量設(shè)定值(b)工藝數(shù)據(jù)模擬調(diào)節(jié)器生產(chǎn)過(guò)程SSC計(jì)算機(jī)記錄顯示打印調(diào)節(jié)測(cè)量設(shè)定值(a)工藝數(shù)據(jù)4．集散型控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem－DCS）5．現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem—FCS）操作站模擬量輸出功能塊控制功能塊H1現(xiàn)場(chǎng)總線差壓變送器模擬量輸入功能塊PIDI10

…...AOI10AI110H1H1網(wǎng)橋H2現(xiàn)場(chǎng)總線

…….

現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器LAN（局域網(wǎng)）

§1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢(shì)

1946年世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENICA問(wèn)世§1·2·1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況

1．計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展過(guò)程

?開(kāi)創(chuàng)時(shí)期（1955～1962年）

?

直接數(shù)字控制時(shí)期（1962～1967年）

?小型計(jì)算機(jī)時(shí)期（1967～1972年）

?

微型計(jì)算機(jī)時(shí)期（1972年～至今）

軟件的發(fā)展：

50年代至70年代軟件發(fā)展緩慢

70年代末至今已采用各種高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行實(shí)時(shí)控制2．計(jì)算機(jī)控制理論的發(fā)展過(guò)程

?采樣定理

?

差分方程

?Z變換法?

狀態(tài)空間理論?

最優(yōu)控制與隨機(jī)控制?

代數(shù)系統(tǒng)理論?

系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制

2)I／O通道I／O通道：也稱(chēng)為過(guò)程通道。它是計(jì)算機(jī)和控制對(duì)象之間信息傳送和變換的連接通道。信號(hào)的輸入通路。信號(hào)的輸出通路。輸入和輸出通路的主要功能

———

實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的信號(hào)變換。本章學(xué)習(xí)目的:解決微型計(jì)算機(jī)和外部的連接問(wèn)題，使計(jì)算機(jī)和外部構(gòu)成一個(gè)整體，能正確、可靠、高效率的交換信息，這是設(shè)計(jì)一個(gè)微機(jī)控制系統(tǒng)必須解決的基本問(wèn)題。2、I／O信號(hào)的種類(lèi)CPU外部設(shè)備數(shù)據(jù)狀態(tài)控制通常有三類(lèi)信息：數(shù)據(jù)信息數(shù)字量模擬量開(kāi)關(guān)量狀態(tài)信息控制信息3、計(jì)算機(jī)和外部的通信方式并行通信：串行通信：把一個(gè)字符的各數(shù)位用幾條線同時(shí)進(jìn)行傳輸

數(shù)據(jù)按位進(jìn)行傳送的

串行通信全雙工方式半雙工方式同步通信異步通信發(fā)送AK1K2B

接收接收發(fā)送發(fā)送A接收數(shù)據(jù)應(yīng)答數(shù)據(jù)應(yīng)答接收B發(fā)送全雙工方式:數(shù)據(jù)信息能沿相反兩個(gè)方向傳送。

半雙工方式:數(shù)據(jù)信息可沿?cái)?shù)據(jù)傳輸線的兩個(gè)方向傳送，但同一時(shí)刻只能沿一個(gè)方向傳送。

SYNSYN控制字符控制字符數(shù)據(jù)字符...SYN同步通信：在一組字符前后加同步字符，標(biāo)志一組數(shù)據(jù)塊的開(kāi)始與結(jié)束，接收裝置接收到同步字符而開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，直到接收后同步字符，一幀數(shù)據(jù)接收結(jié)束。

異步通信：要傳送的字符代碼前加一起始位，以示該字符代碼開(kāi)始，在字符代碼后面加一停止位，以示該字符代碼結(jié)束?！?.2輸人／輸出的控制方式§2.21．程序控制方式1.無(wú)條件傳送方式2.查詢(xún)傳送方式（條件傳送方式）查詢(xún)式輸入的接口電路查詢(xún)式輸出接口電路§2.22．中斷控制I/O方式

1.中斷控制I/O時(shí)應(yīng)解決的問(wèn)題外部中斷：是通過(guò)I／O接口硬件向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，從而引起一個(gè)中斷處理過(guò)程。多重中斷處理時(shí)必須解決的四個(gè)問(wèn)題：

?

保存現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。

?

正確判斷中斷源。

?

實(shí)時(shí)響應(yīng)。

?

按優(yōu)先權(quán)順序處理。2.中斷優(yōu)先級(jí)問(wèn)題的解決軟件查詢(xún)方式雛菊鏈法專(zhuān)用硬件方式1)軟件查詢(xún)方式2)雛菊鏈法3)專(zhuān)用硬件方式3、DMA控制方式DMA控制方式：是一種成塊傳送數(shù)據(jù)的方式。8237A的數(shù)據(jù)傳送速率可達(dá)1.6M字節(jié)/s；8257A的數(shù)據(jù)傳送速率可達(dá)1．25M字節(jié)/s?！?.3I/O接口設(shè)計(jì)§2.3.1I／0接口的編址方式I／0接口與存儲(chǔ)器獨(dú)立編址方式I／0接口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址方式Inel8086+8288/MRDC/MWTCAB/IORC/IOWC譯碼器譯碼器去存儲(chǔ)器去I/O接口......1.I／0接口與存儲(chǔ)器獨(dú)立編址方式獨(dú)立編址方式的優(yōu)點(diǎn)：?可尋址256個(gè)端口，執(zhí)行I／O指令時(shí)間短，譯碼電路簡(jiǎn)單?程序清晰易讀?硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單獨(dú)立編址方式的缺點(diǎn)：?專(zhuān)門(mén)I／O指令的功能有限，不如訪問(wèn)內(nèi)存指令豐富；?增加了微處理器本身控制邏輯的復(fù)雜性。2．I／0接口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址方式

又稱(chēng)存儲(chǔ)器映像方式:把所有的I／0端口作為存儲(chǔ)單元，每個(gè)外圍設(shè)備的端口都給予相應(yīng)的一個(gè)或幾個(gè)16位地址號(hào)。Inel8086+8288AB/MRDC/MWTC/IORC/IOWC譯碼器不用…去存儲(chǔ)器去I/O接口統(tǒng)一編址方式的優(yōu)點(diǎn)：?

數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)?

輸入輸出部分可以和存儲(chǔ)器部分共用譯碼和控制電路?

CPU不需區(qū)分訪內(nèi)操作及訪問(wèn)輸入輸出操作的控制信號(hào)，可以相應(yīng)減少引腳?

I／O端口數(shù)目不受限制統(tǒng)一編址方式的缺點(diǎn)：?

每個(gè)I／O操作需全字長(zhǎng)地址譯碼，整個(gè)指令執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)?

程序中較難區(qū)分I／O操作

?

I／O端口占用了存儲(chǔ)空間地址§2.3.2I／O接口與系統(tǒng)的連接(a)通過(guò)I／O接口芯片與CPU和外圍設(shè)備的連接(b)通過(guò)I／O接口芯片與CPU和外圍設(shè)備的連接接口芯片和CPU之間必須連接的信號(hào)有下列4類(lèi)：數(shù)據(jù)信號(hào)D0~D7讀／寫(xiě)控制信號(hào)片選信號(hào)和地址線時(shí)鐘、復(fù)位、中斷控制、聯(lián)絡(luò)信號(hào)

§2.3.3I／O接口擴(kuò)展1.地址譯碼器的擴(kuò)展?使用譯碼器的目的?譯碼器常用的譯碼器有：四中選一、八中選一、十六中選一。74LSl38擴(kuò)展地址譯碼器

例：采用74LSl38作地址譯碼器設(shè)計(jì)的微機(jī)主機(jī)板接口子系統(tǒng)地址譯碼電路。/Y0/Y1/Y2/Y3/Y4/Y5/Y67輸出

2.負(fù)載能力的擴(kuò)展1)應(yīng)用總線收發(fā)器提高總線驅(qū)動(dòng)能力總線收發(fā)器——Intel8286－A0B0－－A1B1－－A2B2－－A3B3－－A4B4－－A5B5－－A6B6－－A7B7－－/OET

－82862)應(yīng)用接口芯片常用的：74LS244單向三態(tài)門(mén)74LS373(74LS273)三態(tài)輸出鎖存器74LS245三態(tài)輸出八總線收發(fā)器74LS245：

使能端/G方向控制端DIR操作LLB數(shù)據(jù)至A總線LHA數(shù)據(jù)至B總線H隔開(kāi)§2.3.3

I／O接口設(shè)計(jì)的方法、步驟及設(shè)計(jì)舉例

1.I／O接口設(shè)計(jì)的方法、步驟★I／O接口設(shè)計(jì)步驟?了解常用外圍設(shè)備或被控設(shè)備與CPU之間信息交換的要求；?

考慮硬件和軟件的功能分配；?

進(jìn)行I／O端口的數(shù)量統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)流向安排和端口地址號(hào)分配；?I／O接口硬件電路的擴(kuò)展設(shè)計(jì)；?I／O接口控制軟件設(shè)計(jì)；?

進(jìn)行接口硬件和軟件聯(lián)調(diào)。

★I／O接口擴(kuò)展的方案選擇:

?購(gòu)置多功能I／O接口板

?

自行設(shè)計(jì)I／O接口電路

?采用通用的大規(guī)模集成電路接口芯片擴(kuò)展I／O接口電路

?采用普通的緩沖器、鎖存器和譯碼器等集成電路擴(kuò)展I／O接口

2.I／O接口設(shè)計(jì)舉例一

設(shè)計(jì)8088CPU微機(jī)系統(tǒng)I／O接口電路，有8組8位的數(shù)字量外部輸入，8組8位的控制和顯示數(shù)據(jù)輸出到外部。8個(gè)輸入端口地址號(hào)為E8H～EFH，8個(gè)輸出端口地址為F0H～F7H。設(shè)計(jì)要求：

設(shè)計(jì)：A7A6A5A4A3A2A1A011101ΧΧΧINAL,0E8H11110XXXOUT0F0H,AL3.I／O接口設(shè)計(jì)舉例二設(shè)計(jì)要求：

設(shè)計(jì)8086最小模式系統(tǒng)接口電路，采用8255A作為連接打印機(jī)的接口，指定8255A的A、B、C和控制端口的地址號(hào)分別為FFF8H、FFFAH、FFFCH和FFFEH。設(shè)計(jì)：以程序控制方式設(shè)計(jì)A7A6A5A4A3A2A1A011111XXX0FFF8H、FFFAH、FFFCH、FFFEH§2.4I／O通道

模擬量輸入通道模擬量輸出通道數(shù)字量輸入通道數(shù)字量輸出通道

I／O通道分為：

§2.4.1模擬量輸入通道主要組成：

信號(hào)處理裝置、采樣單元、采樣保持器、數(shù)據(jù)放大器、A／D轉(zhuǎn)換器控制電路。任務(wù)：完成模擬量的采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)。

1、信號(hào)處理裝置組成：標(biāo)度變換器、濾波電路、線性化處理及電參量間的轉(zhuǎn)換電路等?！飿?biāo)度變換器：作用：把經(jīng)由各種傳感器所得到的不同種類(lèi)和不同電平的被測(cè)模擬信號(hào)變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)?！餅V波電路：作用：濾掉或消除干擾信號(hào)，保留或增強(qiáng)有用信號(hào)?！锞€性化處理：有些電信號(hào)轉(zhuǎn)換后與被測(cè)參量呈現(xiàn)非線性。所以必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行線性化處理，使它接近線性化。

★電參量間的轉(zhuǎn)換電路：

主要進(jìn)行電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。

2、采樣單元

作用：把各路模擬量分時(shí)接到A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)CPU對(duì)各路模擬量分時(shí)采樣。

組成：開(kāi)關(guān)矩陣及邏輯控制電路。開(kāi)關(guān)矩陣——模擬開(kāi)關(guān)的組合邏輯控制電路——在軟件或通道控制電路的控制下，以一定速度，按順序輸入被測(cè)模擬信號(hào)。CD405l組成：邏輯電平轉(zhuǎn)換、二進(jìn)制譯碼器及8個(gè)開(kāi)關(guān)電路。主要特性：直流供電電源：VDD＝+5V～+15V，數(shù)字信號(hào)電位變化范圍：3～15V

輸入電壓：UIN＝0～VDD，模擬信號(hào)峰峰值：15VCD405l的應(yīng)用：3、采樣保持采樣保持電路：對(duì)變化的模擬信號(hào)快速采樣，并在轉(zhuǎn)換過(guò)程中保持模擬信號(hào)。

兩個(gè)工作狀態(tài)：

★

采樣狀態(tài)

★

保持狀態(tài)采樣保持集成芯片LFl98主要特性：供電電源：±5V～±18V；信號(hào)獲取時(shí)間：<10／as；可以和TTL、PMOS、CMOS邏輯輸入兼容；典型保持電容：1000pF、0.01μF。4、數(shù)據(jù)放大器——把傳感器的信號(hào)從毫伏電平按比例放大到典型的A／D轉(zhuǎn)換器輸入電平。5、A／D轉(zhuǎn)換器——把通道輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過(guò)I/O接口電路送入CPU。f(t)Kf*(t)T§2.4.2

采樣與量化1．采樣過(guò)程采樣過(guò)程：用采樣開(kāi)關(guān)將模擬信號(hào)按一定時(shí)間間隔抽樣成離散模擬信號(hào)的過(guò)程。香農(nóng)(Shannon)定理：如果隨時(shí)間變化的模擬信號(hào)的最高頻率為ωmax，只要按照采樣頻率ωS≥2ωmax進(jìn)行采樣，那么取出的樣品系列(f1*(t)，f2*(t)，…)就足以代表(或恢復(fù))f(t)。2．量化過(guò)程量化過(guò)程：是用一組數(shù)碼(如二進(jìn)制碼)來(lái)逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

fmax：轉(zhuǎn)換信號(hào)的最大值；fmin：轉(zhuǎn)換信號(hào)的最小值；i：轉(zhuǎn)換后二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。

量化單位為：§2.4.3模擬量輸出通道功能：把計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬量，并輸出到被選中的某一控制回路上，完成對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制動(dòng)作。組成：D／A轉(zhuǎn)換器、輸出保持器、多路切換開(kāi)關(guān)、低通濾波電路和功放電路。輸出保持器的作用：將前一采樣時(shí)刻的輸出信號(hào)保持到下一個(gè)采樣時(shí)刻，重新得到新的輸出信號(hào)。

輸出保持方案：數(shù)字量保持方案；模擬量保持方案。1、一個(gè)輸出通路設(shè)置一個(gè)D／A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式

2、多個(gè)輸出通路共用一個(gè)D／A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式§2.4.4數(shù)字量輸入通道

數(shù)字輸入信號(hào)分三類(lèi)：

編碼數(shù)字開(kāi)關(guān)量脈沖列常用的電平轉(zhuǎn)換電路：

數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)：?

直接和并行接口電路的輸入口連接。

?

加光電隔離電路。?

采用軟件計(jì)數(shù)法。?

接口電路外加硬件計(jì)數(shù)器。(a)§2.4.5數(shù)字量輸出通道★編碼數(shù)字

——二進(jìn)制數(shù)?！镩_(kāi)關(guān)量

——“1”、“0”的形式。輸出電路的形式：(b)(c)★脈沖信號(hào)

——輸出脈沖的頻率及個(gè)數(shù)都可通過(guò)程序設(shè)置來(lái)控制?！?.5D／A轉(zhuǎn)換器

作用：把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。按工作方式可分成：并行和串行兩種?！?.5.1并行D／A轉(zhuǎn)換器的工作原理D／A轉(zhuǎn)換器由電阻網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器組成。T型電阻網(wǎng)絡(luò)的D／A轉(zhuǎn)換器：反相端作輸入電壓：電路工作過(guò)程：輸入信號(hào)為0…01輸入的信號(hào)為0…10I流經(jīng)負(fù)載電阻的電流表達(dá)式為：§2.5.2串行D／A轉(zhuǎn)換器的工作原理采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的D／A轉(zhuǎn)換器§2.5.3D／A轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)1．分辨率定義：當(dāng)輸入數(shù)字量變化1時(shí)，輸出模擬量變化的大小。對(duì)于一個(gè)N位的D／A轉(zhuǎn)換器其分辨率為：

例如：對(duì)于滿(mǎn)刻度值5.12V，單極性輸出，8位D／A轉(zhuǎn)換器的分辨率為：5.12V/28＝20mVl0位D／A轉(zhuǎn)換器的分辨率為：5.12V/210=5.12V/1024＝5mV12位D／A轉(zhuǎn)換器的分辨率為：5.12V/212=5.12V/4096＝1.25mV2.穩(wěn)定時(shí)間定義：數(shù)據(jù)變化量是滿(mǎn)刻度時(shí)，達(dá)到終值±1/2LSB時(shí)所需要的時(shí)間。3．輸入編碼

一般為二進(jìn)制編碼、BCD碼、符號(hào)-數(shù)值碼等。定義：在滿(mǎn)刻度范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差。一般用最低有效位LSB的分?jǐn)?shù)來(lái)表示。為0.01％～0.8％。5．工作溫度范圍

較好的D／A轉(zhuǎn)換器工作溫度范圍為一40～85℃，較差的為0～70℃。4．線性誤差數(shù)字量輸入模擬量輸出

理想特性實(shí)際滿(mǎn)刻度

線性誤差§2.5.4D/A轉(zhuǎn)換器芯片及其接口電路例如：滿(mǎn)足速度、精度、分辨率及經(jīng)濟(jì)性能要求的有：?

通用、廉價(jià)的D/A轉(zhuǎn)換器：AD1408、AD7524、AD558。?

高速、高精度D/A：AD562、AD7541。?

高速D/A：AD561、DAC-08。?

高分辨率D/A：DAC1136、DAC1137等。為了應(yīng)用的靈活性，有：?

可選擇輸出電壓雙極性的：AD7524、AD7542。?

芯片內(nèi)帶有數(shù)字寄存器可與CPU數(shù)字總線直接相連的AD558、AD7524。功能管腳共同之處包括以下方面：

?它包括數(shù)字量的輸入端和模擬量的輸出端，芯片的模擬信號(hào)輸出端又有單端輸出和差動(dòng)輸出兩種。

?D/A轉(zhuǎn)換器所需參考電壓由芯片以外的電源提供。

?

許多芯片內(nèi)設(shè)置了輸入數(shù)據(jù)寄存器。

?

芯片都具有片選信號(hào)和寫(xiě)信號(hào)管腳1、8位DAC0832及接口電路1）外部結(jié)構(gòu)特征

采用20引腳、雙列直插式集成電路芯片。主要參數(shù)：分辨率8位，電流穩(wěn)定時(shí)間1μs，電流輸出，與TTL電平兼容；功耗20mW。2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理兩種情況轉(zhuǎn)換：?/WR2=0，/XFER=0，DAC寄存器為不鎖存狀態(tài)，ILE=1時(shí)，/CS=/WR1=0。?/WR1=0，/CS=0，ILE=1輸入寄存器為不鎖存狀態(tài)，而/WR2=/XFER=0。

∴若不鎖存，直接轉(zhuǎn)換，/WR1、/WR2、/CS和/XFER為0，ILE接高電平，稱(chēng)為直通工作方式。3）DAC0832輸出方式?電壓輸出方式?電流輸出方式

★電壓輸出方式?單極性電壓輸出方式?雙極性電壓輸出電路★電流輸出方式

量程選擇：0～10mA直流電流

4～20mA直流電流4）接口電路?用鎖存器連接?

用可編程并行口8255連接?

直接連接8088CPUA9-A0IOW1D1Q2D2Q3D3Q4D4Q5D5Q6D6Q7D7Q

8D8Q

CP74LS273+5V

A0A1A2A3A4A5A6

A7

DAC0808

AVOUT-+譯碼器Y0DoD1D2D3D4D5D6

D7RESET+5VVRE用鎖存器連接★用可編程并行口8255連接

DAC:MOVDX,0383HMOVAL,80HOUTDX,ALMOVAL,[DATA]MOVDX,0381HOUTDX,ALXORAL,ALMOVDX,0380HOUTDX,ALORAL,01HOUTDX,ALHLT匯編程序：A9-A28088CPU

A1Ao

PB7CS

8255A1AoPAo譯碼器D7D0

NE5018VoutCED7-DoYoPB0控制線

★D/A與CPU直接連接+5DAC0832+5VRAVOUT譯碼器VccILRVREFCSRfbWR1Iout1WR2Iout2XFERDGNDA1AoIOWGND8088CPUA9-A2-+AGND2、12位D／A轉(zhuǎn)換器DAC12101）DAC1210的主要性能及特點(diǎn)DACl210是雙列直插式24引腳集成電路芯片。★主要技術(shù)指標(biāo)：

?輸入數(shù)字為12位二進(jìn)制數(shù)字；

?分辨率12位；

?電流建立時(shí)間1μs；

?供電電源+5～+15V(單電源供電)；

?基準(zhǔn)電壓VREF范圍-10～+10V?！锾攸c(diǎn)：

?

線性規(guī)范只有零位和滿(mǎn)量程調(diào)節(jié)；

?和所有的通用微處理機(jī)直接接口；

?

單緩沖、雙緩沖或直通數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸入；

?與TTL邏輯電平兼容。2）DAC1210引腳說(shuō)明與DAC0832的兩點(diǎn)區(qū)別：?它有12條數(shù)據(jù)輸入線?可用BYTEl／BYTE2控制數(shù)據(jù)的輸入3)DACl210與CPU的連接§2.6A／D轉(zhuǎn)換器常用的A／D轉(zhuǎn)換器有：計(jì)數(shù)器式雙積分式逐次逼近式組成：計(jì)數(shù)器、D／A轉(zhuǎn)換器及比較器工作過(guò)程：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但轉(zhuǎn)換速度比較慢。§2.6.1A／D轉(zhuǎn)換器原理

1.計(jì)數(shù)器式A／D轉(zhuǎn)換器組成：逐次逼近寄存器SARD／A轉(zhuǎn)換器比較器時(shí)序（時(shí)鐘）置數(shù)選擇邏輯工作過(guò)程：如果Ui≥UO，應(yīng)予保留；如果Ui<UO，應(yīng)予清除。2.逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器例：設(shè)：數(shù)碼寄存器為4位，滿(mǎn)刻度值1v，Vi=0.65v，用逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。V0Vin0.5V(1000)0.75V(1100)0.625V(1010)0.6875V(1011)量化單位3.雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器方法：測(cè)量模擬輸入電壓向電容充電的固定時(shí)間及測(cè)量在已知標(biāo)準(zhǔn)電壓下放電所需的時(shí)間。工作過(guò)程：優(yōu)點(diǎn)：

消除干擾和電源噪聲的能力強(qiáng)，精度高。缺點(diǎn)：

轉(zhuǎn)換速度慢?！?.6.2A／D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)分辯率是指能使轉(zhuǎn)換后數(shù)字量變化1的最小模擬輸入量。n位二進(jìn)制數(shù)最低位具有的權(quán)值就是它的分辨率。2．量程

量程是指所能轉(zhuǎn)換的電壓范圍。l．分辨率4．轉(zhuǎn)換時(shí)間

轉(zhuǎn)換時(shí)間是指啟動(dòng)A／D到轉(zhuǎn)換結(jié)束所需的時(shí)間。5．工作溫度范圍

較好的轉(zhuǎn)換器件工作溫度為-40～

85℃，差的只有0～

70℃。3．轉(zhuǎn)換精度

?絕對(duì)精度常用數(shù)字量的位數(shù)表示。

?相對(duì)精度用相對(duì)于滿(mǎn)量程的百分比表示。

如10位A／D轉(zhuǎn)換器，滿(mǎn)量程為10V。

?絕對(duì)精度為1/2×10/210=±4.88mV，

?相對(duì)精度為l／210×100％≈0.1％。

§2.6.3常用A／D轉(zhuǎn)換器1.8位A／D轉(zhuǎn)換器ADC809主要特點(diǎn)：分辨率8位；轉(zhuǎn)換時(shí)間100

s；溫度范圍-40～

+85℃；可使用單一的+5V電源；可直接與CPU連接；輸出帶鎖存器；邏輯電平與TTL兼容。1)電路組成及引腳功能ADC0809有28條引腳。OE2)工作原理OE3)A/D轉(zhuǎn)換器接口★A/D轉(zhuǎn)換器的接口設(shè)計(jì)?

輸入模擬電壓的連接A／D的輸入模擬電壓?jiǎn)味溯斎腚p端差動(dòng)輸入正向信號(hào)：把VIN(-)接地，信號(hào)加到VIN(+)端；負(fù)向信號(hào)：把VIN(+)接地，信號(hào)加到VIN(-)端。單端輸入差動(dòng)輸入:模擬信號(hào)加在VIN(-)端和VIN(+)端之間。ADC0804ADC0808/0809單端、單極性輸入：VREF(+)=5v,VREF(-)=0v

雙極性輸入：

VREF(+)和VREF(-)接+、-極性參考電源?

數(shù)據(jù)輸出的方式A／D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)輸出方式

具有可控的三態(tài)輸出門(mén)不帶三態(tài)輸出門(mén)，或雖有三態(tài)輸出門(mén)，但它不受外部信號(hào)控制。?

片選、啟動(dòng)、讀寫(xiě)信號(hào)的設(shè)置啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)由CPU發(fā)出，有電平啟動(dòng)和脈沖啟動(dòng)兩種方式。片選、、讀寫(xiě)信號(hào)一般由3-8譯碼器的通道號(hào)以及微處理器的/IOR、/IOW經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)倪壿嬰娐穪?lái)連接。?

轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)及轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取CPU讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)程序查詢(xún)方式中斷方式延遲程序方式★連接方式

?

直接連接?用8255連接

PA7

┇

PA0/STBAPB0PC68255DB7┇AINACDC

DB0

/DRAD570B//C8086CPUD7│D0?程序查詢(xún)方式開(kāi)始置A口為輸入方式B口為輸出方式送啟動(dòng)脈沖讀入PB0線使A/D復(fù)位讀入數(shù)據(jù)暫停轉(zhuǎn)換結(jié)束嗎？YNADC：MOV DX，0383H MOV AL，0B2H OUT DX，ALMOV AL，40H MOV DX，0382H OUT DX，AL XOR AL，AL OUT DX，AL ADC1：MOV DX，0381H IN AL，DXTEST AL，01H JNZ ADC1 ADC2：IN AL，DX TEST AL，01H JZ ADC2 MOV DX，0382HMOV AL，40H OUT DX，ALMOV DX，0380H IN AL，DXMOV [DATA]，AL HLT 開(kāi)始置A口為輸入方式B口為輸出方式送啟動(dòng)脈沖讀入PB0線使A/D復(fù)位讀入數(shù)據(jù)暫停轉(zhuǎn)換結(jié)束嗎？YN?中斷方式讀取數(shù)據(jù)

PA7

┇┇PA0PB0

/STBA8255DB7┇ADC0809DB0

STARTALEEOC8086CPUD7│D074LS048259INTRAINTRIR3VX主程序關(guān)中斷8259初始化8255A，B口初始化開(kāi)中斷啟動(dòng)A/D執(zhí)行主程序

中斷服務(wù)程序入口保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)讀入數(shù)據(jù)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)返回主程序和中斷服務(wù)程序流程圖START：CLI MOV AX，0 MOV ES，AX MOV DI，0BH*4 MOV AX,OFFSETINTRCLD STOSW MOV AX,CS STOSW MOV AL,34H OUT 21H,AL MOV DX,0383H MOV AL,OBOH OUT DX,AL MOV AL,09H OUT DX,ALSTIMOV DX,0381HMOV AL,00HOUT DX,ALHERE：HLT JMP HERE主程序關(guān)中斷8259初始化8255A，B口初始化開(kāi)中斷啟動(dòng)A/D執(zhí)行主程序INTR：PROC NEARPUSH AXPUSH DXPUSH DSMOVDX，0380HIN AL，DXMOV [DATA]，ALPOP DSPOP DXPOP AX STI IRET ENDP

中斷服務(wù)程序入口保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)讀入數(shù)據(jù)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)返回2.12位A／D轉(zhuǎn)換器AD5741)芯片特性

采用原理——逐次逼近式內(nèi)部結(jié)構(gòu)——三態(tài)緩沖器、時(shí)鐘脈沖源和基準(zhǔn)電源輸入電壓——單路單極性或雙極性分辨率——12位轉(zhuǎn)換時(shí)間——25

S

封裝形式——28腳雙列直插式2)芯片各引腳功能AD574真值表3)AD574模擬量輸入電路外部連線AD574可實(shí)現(xiàn)單極性輸入和雙極性輸入4)AD574的接口電路1、干擾的來(lái)源和干擾的分類(lèi)

外部干擾：內(nèi)部干擾：串模干擾：共模干擾：§2．7I／O通道的抗干擾措施2、串模干擾及其抑制方法

串模干擾是疊加在被測(cè)信號(hào)上的干擾信號(hào)，也稱(chēng)橫向干擾或正態(tài)干擾。C1C2AIaVs

抑制串模干擾的措施：?

加輸入濾波器串模干擾信號(hào)頻率大于被測(cè)信號(hào)頻率——低通輸入濾波器串模干擾信號(hào)頻率小于被測(cè)信號(hào)頻率——高通輸入濾波器串模干擾信號(hào)在被測(cè)信號(hào)頻率兩側(cè)——帶通濾波器。

?

采用帶屏蔽層的雙絞線或同軸電纜連接一次儀表和轉(zhuǎn)換設(shè)備——

減少電磁感應(yīng)，使每個(gè)小回路的感應(yīng)電勢(shì)互相反相抵消。屏蔽層良好接地，就可避免干擾從傳輸導(dǎo)線竄入檢測(cè)回路。

?

利用器件特性克服干擾——

提高閾值電平可抑制低噪聲干擾；采用低速邏輯器件或加電容器降低速度，可以抑制高頻干擾。?

采用數(shù)字濾波技術(shù)

平均值法、中值法、一階濾波法等3、共模干擾及其抑制方法

共模干擾是指同時(shí)加到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)兩個(gè)輸入端上的公有的干擾電壓。

抑制共模干擾的主要措施：?

采用共模抑制比高的、雙端輸入運(yùn)算放大器.?

采用光耦合器或變壓器隔離?

采用隔離放大器同相輸入方式：增益最高可達(dá)2萬(wàn)倍，直流漂移低于0.1

s/℃，直流共模抑制比為160dB，采用帶屏蔽層的雙絞線，可抑制串模干擾，可為共模電壓提供共模電流通路。DDC系統(tǒng)的特點(diǎn)：

?計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快。

?可分時(shí)處理多個(gè)控制回路

?計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力強(qiáng)§3-1-2DDC系統(tǒng)的PID控制算式Kc——比例增益Ti——積分時(shí)間Td——微分時(shí)間P——PID調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)e——給定值與測(cè)量值之差離散化方法：Ts——采樣周期●

位置型PID控制算式Pn——第n次采樣時(shí)計(jì)算機(jī)輸出值en——第n次采樣時(shí)的偏差值●

增量型PID控制算式第(n-1)次采樣有：兩次采樣計(jì)算機(jī)輸出的增量為：

KI——積分系數(shù)KD——微分系數(shù)●

實(shí)用遞推算式(偏差系數(shù)控制算式)將增量型PID控制算式改寫(xiě)為：令三個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)為中間變量：則有：●

特殊形式的PID算式

?積分分離PID算式設(shè)邏輯系數(shù)：對(duì)增量型PID算式改進(jìn)為：?帶有死區(qū)的PID算式

控制算式為：?不完全微分的PID算式不完全微分的PID傳遞函數(shù)為：將微分部分化成微分方程：

將微分項(xiàng)化成差分項(xiàng)：令：

不完全微分的PID位置算式為：不完全微分的PID增量算式為：

?消除隨機(jī)干擾的措施

對(duì)于不同的隨機(jī)干擾，可采取如下措施：

?

平均值法

在nT時(shí)刻附近連續(xù)采樣8次，計(jì)算機(jī)求取平均值為：?幾個(gè)采樣時(shí)刻的采樣值求平均代替當(dāng)次的采樣值?四點(diǎn)中心差分法

微分項(xiàng)：1.5T0.5Tee(n-3)ee(n-1)e(n-2)e(n)t(nT)?將矩形積分改為梯形積分§4-2DDC系統(tǒng)PID控制參數(shù)的選擇及整定●

采樣周期的選擇?對(duì)于響應(yīng)快、波動(dòng)大、容易受干擾影響的過(guò)程，應(yīng)該選取較短的采樣周期；反之，則長(zhǎng)一些。

?過(guò)程純滯后較明顯，采樣周期可與純滯后時(shí)間大致相等。選取采樣周期時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)因素：

?采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于對(duì)象的擾動(dòng)信號(hào)周期

?采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對(duì)象時(shí)間常數(shù)

?考慮執(zhí)行器的響應(yīng)速度

?考慮對(duì)象所要求的調(diào)節(jié)品質(zhì)

?考慮控制系統(tǒng)的性能價(jià)格比

?考慮計(jì)算機(jī)所承擔(dān)的工作量●量化問(wèn)題如果要求分辨率為D0，則字長(zhǎng)為：例：某溫度控制系統(tǒng)的溫度范圍為0～200℃，要求分辨率為0.005，求A/D轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)。解：取C為8位。一般D/A的字長(zhǎng)可選小于或等于A/D字長(zhǎng)。數(shù)字量的精度與字長(zhǎng)有關(guān)。字長(zhǎng)又和轉(zhuǎn)換器的分辨率有關(guān)。●數(shù)字濾波常用的幾種方法：?算術(shù)平均值法?中位值法

在三個(gè)采樣周期內(nèi)，對(duì)被測(cè)參數(shù)連續(xù)采樣讀入三個(gè)檢測(cè)信號(hào)，舍去最大和最小的信號(hào)，從中選擇居中的那個(gè)數(shù)據(jù)作為有效檢測(cè)信號(hào)。?慣性濾波法濾波器傳遞函數(shù)為一階慣性環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)改寫(xiě)為微分方程：差分化：整理得：Tf——

濾波器時(shí)間常數(shù)?！獮V波平滑系數(shù)4．PID程序的實(shí)現(xiàn)在編程的過(guò)程中，必須考慮的問(wèn)題：

●操作特征的設(shè)置

?每個(gè)回路手動(dòng)/自動(dòng)特征位

?每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)置正向/反向特征位

●執(zhí)行機(jī)構(gòu)極限保護(hù)

目的：防止執(zhí)行機(jī)構(gòu)過(guò)開(kāi)或過(guò)關(guān)。方法：計(jì)算ΔPn(n)-ΔU(n)，檢查輸出余量。

●防止極限環(huán)

解決方法：對(duì)計(jì)算機(jī)輸出規(guī)定一個(gè)不靈敏區(qū)ε，如果|ΔPn(n)|<ε則計(jì)算機(jī)不輸出。入口回路處于自動(dòng)?NY調(diào)內(nèi)存Kp.KI.Kd.X.e(k-1).△e(k-1)形成采樣指令,并采樣e(k)計(jì)算增量輸出△Pne(k)→e(k-1),△e(k)→△e(k-1)形成輸出采樣指令,并采樣閥位u△u≥0?計(jì)算閥位正向余量△u計(jì)算閥位反向余量△u△Pn≥|△u|?|△u|≥△Pn?△u→(△u)△Pn→(△u)△u→(△u)(△u)|<ε?形成輸出指令,并輸出e(k-1),△e(k-1)記入內(nèi)存YYYYNNNN出口系統(tǒng)鑒別

帶有系統(tǒng)輸出鑒別子程序的增量型PID控制算式的程序框圖

5．PID參數(shù)整定數(shù)字PID控制算法的參數(shù)選擇一般根據(jù)

?

被控過(guò)程的特性

?采樣周期的大小

?工程上其它具體要求

?選取一個(gè)很小的采樣周期?

使計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)為純比例控制，改變比例系數(shù)，使其出現(xiàn)等幅振蕩，得到臨界比例系數(shù)和臨界周期。?計(jì)算控制度控制度控制算法1．05PIPID0．030．0140．550．630．880．49—0．141．2PI

PID0．050．0430．490．470．910．47—0．161．5PIPID0．140．090．420．340．990．43—0．22．0PIPID0．220．160．360．271．050．40—0．22常規(guī)控制器PIPID——0．570．70．830．5—0．13擴(kuò)充臨界比例度的計(jì)算表§3-3復(fù)雜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)§3-3-1串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)例：煤氣加熱爐串級(jí)溫度控制系統(tǒng)煤氣空氣PCTC加熱爐溫度壓力主控制器付控制器保持器付對(duì)象主對(duì)象R1(t)R1(n)e1(n)R2(n)e2(n)Δu2(n)C2(t)C1(t)--C2(n)C1(n)雙回路串級(jí)控制系統(tǒng)計(jì)算順序?計(jì)算主回路的偏差?主控制器的計(jì)算（位置PID）?計(jì)算付回路的偏差?付控制器的計(jì)算（增量PID）§3-3-2前饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)前饋控制系統(tǒng)：當(dāng)被測(cè)的干擾進(jìn)入控制對(duì)象時(shí)，前饋控制預(yù)先調(diào)整控制作用，使被控變量保持在給定值上。Ffff設(shè)：u1=0，并設(shè)輸出的干擾為0，則有完全補(bǔ)償?shù)臈l件Ffff若:前饋控制器為:Fffnnn離散化:前饋-反饋計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算順序?yàn)椋?計(jì)算反饋控制的偏差?反饋控制器輸出（PID）?計(jì)算前饋補(bǔ)償器輸出?總控制量輸出§4-3-3大純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)預(yù)估器的傳遞函數(shù)為閉環(huán)傳遞函數(shù)為史密斯預(yù)估器計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算順序?yàn)?計(jì)算反饋控制的偏差nnnnnnm?計(jì)算史密斯預(yù)估器中間值q(n)nnq(n-m)q(n)m?計(jì)算史密斯預(yù)估器輸出Cτ(n)?計(jì)算PID控制器輸入偏差ec(n)?計(jì)算PID控制算式§3-3-4多變量解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)D(z)Ho(s)Gc(s)e*(t)u*(t)E(z)U(z)r(t)+_R(z)Φ(z)G(z)c(t)C(z)開(kāi)環(huán)沖傳遞函數(shù)：閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)：誤差脈沖傳遞函數(shù)：數(shù)字控制器輸出閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：已知Φ(z)，可計(jì)算出D(z)：已知Φe(z)，可計(jì)算出D(z)：已知ΦU(z)，可計(jì)算出D(z)：D(z)必須滿(mǎn)足以下條件：?由此而得到的D(z)是物理可實(shí)現(xiàn)的?D(z)也必須是穩(wěn)定的?！?-2最少拍無(wú)差系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

最少拍無(wú)差系統(tǒng)是指在典型的控制輸入信號(hào)作用下能在最少幾個(gè)采樣周期內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定無(wú)靜差的系統(tǒng)。典型控制輸入時(shí)間序列脈沖傳遞函數(shù)單位階躍輸入：?jiǎn)挝凰俣容斎耄簡(jiǎn)挝患铀俣容斎耄?/p>

通式：§4-2-1典型輸入下最少拍系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

假設(shè)被控對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)G(z)是穩(wěn)定的，它在單位園上和單位園外沒(méi)有零、極點(diǎn)，并且沒(méi)有純滯后。若：通常m=1、2、3。若取F(z)=1,M=m，可以得到形式最簡(jiǎn)單，階數(shù)最低的數(shù)字控制器。單位階躍輸入時(shí)：?jiǎn)挝凰俣容斎霑r(shí)：?jiǎn)挝患铀俣容斎霑r(shí)：系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差級(jí)數(shù)：?jiǎn)挝浑A躍輸入時(shí)：T2T3T4T5TtC（t）10單位速度輸入時(shí)：?jiǎn)挝患铀俣容斎霑r(shí)：?對(duì)應(yīng)于不同典型輸入，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)T，2T，3T，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。?對(duì)應(yīng)不同典型輸入，為得到最少拍響應(yīng)，應(yīng)選擇合適的Φe(z)。?

對(duì)應(yīng)于典型輸入，選定Φe(z)后，可根據(jù)G(z)得到D(z)。例：設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)單位反饋控制系統(tǒng)，T=1秒，單位速度輸入時(shí)，按最少拍法設(shè)計(jì)D(z)。解：?單位階躍輸入時(shí)：?單位加速度輸入時(shí)：nTC(nT)1284§4-2-2最少拍快速有紋波系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)廣義被控對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)G(z)加了三個(gè)假設(shè)條件時(shí)：為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，討論以下三個(gè)問(wèn)題：

?G(z)有不穩(wěn)定極點(diǎn)

?G(z)有位于單位園上或園外的零點(diǎn)

?G(z)中包含有純延遲環(huán)節(jié)最少拍快速有紋波系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：

?D(z)是在物理上可實(shí)現(xiàn)的有理多項(xiàng)式

?Φe(z)應(yīng)把G(z)的不穩(wěn)定極點(diǎn)作為自己的零點(diǎn)。?Φ(z)應(yīng)把G(z)的單位園上和單位園外的零點(diǎn)作為Φ(z)的零點(diǎn)。

?Φ(z)應(yīng)包含G(z)中z-1的因子，其方次相同。例：D(z)Ho(s)Gc(s)e*(t)u*(t)E(z)U(z)r(t)+_R(z)Φ(z)G(z)c(t)C(z)已知：T=0.2秒試設(shè)計(jì)單位階躍輸入時(shí)，最少拍控制器D(z)。解：得：解得：1.00.5T2T3T4T5TnTC(nT)0§4-2-3最少拍控制系統(tǒng)的局限性?

在采樣點(diǎn)之間存在紋波?

系統(tǒng)的適應(yīng)性差?

對(duì)參數(shù)變化過(guò)于靈敏?

控制作用易超過(guò)限定范圍例如§4-3最少拍無(wú)紋波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

最少拍無(wú)紋波設(shè)計(jì)的要求：在典型輸入作用下，經(jīng)過(guò)盡可能少的采樣周期以后，輸出跟隨輸入，而且在非采樣點(diǎn)上也沒(méi)有紋波。●紋波產(chǎn)生的原因C(nT)nTnTnTnTe(nT)u(nT)v(nT)D(z)H0(s)GC(s)R(s)E(z)U(z)V(z)C(s)-●設(shè)計(jì)原理系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：要使u(nT)穩(wěn)定，就要使是z-1的有限多項(xiàng)式。問(wèn)題歸結(jié)為：設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)在典型輸入作用下，u(nT)經(jīng)過(guò)有限個(gè)周期以后，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定?！裨O(shè)計(jì)方法Φ(z)應(yīng)包含G(z)的所有零點(diǎn)。例：?jiǎn)挝环答佊?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)廣義對(duì)象脈沖傳遞函數(shù)為T(mén)=1秒，在單位速度輸入下，設(shè)計(jì)最少拍無(wú)紋波控制器D(z)。解：解聯(lián)立方程解得：a0=1.407,a1=-0.826,b=0.592T2T3T4T5Tt

u0.40.30.20.10T2T3T4T5T

tc543210§4-4純滯后對(duì)象的控制算法——大林(Dahlin)算法§4-4-1大林算法設(shè)：τ=NT，N為正整數(shù)大林算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)：設(shè)計(jì)合適的數(shù)字控制器，使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為具有時(shí)間純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，而且要求閉環(huán)系統(tǒng)的純滯后時(shí)間等于對(duì)象的純滯后時(shí)間。大林算法的設(shè)計(jì)思路：假設(shè)：采用零階保持器，且采樣周期T。?被控對(duì)象為帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)?被控對(duì)象為帶有純滯后的二階慣性環(huán)節(jié)§4-4-2振鈴現(xiàn)象及其抑制例：?jiǎn)挝环答佊?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，已知被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為T(mén)=1s，試用大林算法，求數(shù)字控制器的D(z)。解：振鈴幅度RA的定義：

控制器在單位階躍輸入作用下，第0次輸出幅度減去第1次輸出幅度所得的差值。*1234****RAU(nT)

nT大林算法的數(shù)字控制器D(z)的基本形式可寫(xiě)成：其中：幾個(gè)有代表性的例子：*1234****RAU(nT)nTRA=1*1234****RAU(nT)nTRA=0.5*1234****RAU(nT)nTRA=0.3*1234****RAU(nT)nTRA=0.8消除振鈴的方法：先找出數(shù)字控制器中產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象的極點(diǎn)，令其中z=1。例：一階近似控制系統(tǒng)大林控制器為1.00-1.0-10.00.010.020.0tC(t)2.00-2.0-10.00.010.020.0tU(t)控制器組成：

?狀態(tài)觀測(cè)器

?控制規(guī)律§5-1-1按極點(diǎn)配置設(shè)計(jì)控制規(guī)律設(shè)：連續(xù)控制對(duì)象的狀態(tài)方程相應(yīng)的離散狀態(tài)方程假設(shè)控制規(guī)律是線性狀態(tài)反饋閉環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)方程閉環(huán)特征方程設(shè)計(jì)反饋控制規(guī)律L，使得閉環(huán)系統(tǒng)具有所需要的極點(diǎn)配置。閉環(huán)控制極點(diǎn)：求得閉環(huán)特征方程為：反饋控制矩陣L應(yīng)滿(mǎn)足方程：狀態(tài)完全可控的充要條件是：系統(tǒng)滿(mǎn)足秩的要求，L就有唯一的解。例：設(shè)被控對(duì)象完全能控，且對(duì)象離散狀態(tài)方程為：

假設(shè)采樣周期T=0.1s,要求閉環(huán)系統(tǒng)的的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能相當(dāng)于阻尼系數(shù)ξ=0.5

和無(wú)阻尼自然振蕩頻率ωn=3.6的二階連續(xù)系統(tǒng)，用極點(diǎn)配置的方法設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋控制規(guī)律L。解：根據(jù)已知ξ和ωn，求S平面的極點(diǎn)特征方程：設(shè)狀態(tài)反饋矩陣§5-1-2按極點(diǎn)配置設(shè)計(jì)觀測(cè)器觀測(cè)器的設(shè)計(jì)思想：根據(jù)能夠測(cè)量的系統(tǒng)輸出量和輸入量，重構(gòu)出全部狀態(tài)。預(yù)測(cè)觀測(cè)器、現(xiàn)時(shí)觀測(cè)器和降階觀測(cè)器。預(yù)測(cè)觀測(cè)器：在求現(xiàn)時(shí)重構(gòu)狀態(tài)時(shí)，只用到前一時(shí)刻的輸出量的測(cè)量值。現(xiàn)時(shí)觀測(cè)器：在求現(xiàn)時(shí)重構(gòu)狀態(tài)時(shí)，用到現(xiàn)時(shí)刻的輸出量的測(cè)量值。降階觀測(cè)器：根據(jù)系統(tǒng)可測(cè)狀態(tài)，重構(gòu)出其余那些不能測(cè)量的狀態(tài)。把原狀態(tài)向量分成兩部分：原控制對(duì)象分塊控制對(duì)象降階觀測(cè)器的特征方程§5-1-3按極點(diǎn)配置設(shè)計(jì)控制器控制器的設(shè)計(jì)分兩步：第一步：(r(k)=0）設(shè)計(jì)觀測(cè)器和控制規(guī)律第二步：加入給定值(r(k)≠0)引入積分控制器，使系統(tǒng)具有滿(mǎn)意的跟蹤性能及穩(wěn)態(tài)精度。設(shè)：被控對(duì)象的離散狀態(tài)方程為設(shè)計(jì)引入積分作用控制器設(shè)：r(k)=0，擾動(dòng)為階躍擾動(dòng)V(k)為階躍函數(shù)，令：利用極點(diǎn)配置的方法對(duì)上式設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋控制規(guī)律為：按極點(diǎn)配置設(shè)計(jì)的PI控制器[r(k)=0]跟蹤系統(tǒng)的PI控制器[r(k)≠0)]PI控制器的輸出方程

基于非參數(shù)模型的兩種預(yù)測(cè)控制算法:

§5-1-1模型算法控制

模型算法控制(ModelAlgorithmicControl)簡(jiǎn)稱(chēng)為MAC，是一類(lèi)基于系統(tǒng)脈沖響應(yīng)的控制算法。

模型算法控制適用于漸近穩(wěn)定系統(tǒng)，對(duì)于開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)，可先使用常規(guī)調(diào)節(jié)器使之穩(wěn)定，然后再使用MAC?！?-2基于系統(tǒng)非參數(shù)模型的控制算法基于非參數(shù)模型的預(yù)測(cè)控制，通常選用系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)模型或階躍響應(yīng)模型來(lái)描述被控對(duì)象，并采用滾動(dòng)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)求解最優(yōu)預(yù)測(cè)控制律。

由于實(shí)際可使用的只能是經(jīng)測(cè)量得到的脈沖響應(yīng)，它與實(shí)際系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)是有差別的。

由系統(tǒng)控制量u(k)和~gT的離散卷積可得出系統(tǒng)在t＝(k+1)T時(shí)刻輸出量的預(yù)測(cè)值

要達(dá)到控制目的設(shè)法使系統(tǒng)輸出量y(t)沿著一條希望的曲線到達(dá)預(yù)期的給定值——參考軌跡。參考軌跡在kT以后各時(shí)刻的值為：Tr為參考軌跡的時(shí)間常數(shù)。若記a＝exp(-T/Tr)，則有常用的指標(biāo)函數(shù)：

Wi為非負(fù)的權(quán)系數(shù)，它決定各采樣時(shí)刻的誤差在jz中占的比重；z≤N，稱(chēng)為預(yù)測(cè)時(shí)域，或最優(yōu)化時(shí)域。MAC分為開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種形式：

1、開(kāi)環(huán)控制在開(kāi)環(huán)MAC控制中，令z＝1時(shí)令：2、閉環(huán)控制式中采用一步預(yù)測(cè)時(shí)：令：一步預(yù)測(cè)的閉環(huán)模型算法控制流程§5-1-2動(dòng)態(tài)矩陣控制1、預(yù)測(cè)模型根據(jù)線性系統(tǒng)的性質(zhì)，階躍輸入為式中：式中：2、開(kāi)環(huán)控制二次型指標(biāo)函數(shù)：3、閉環(huán)控制——?jiǎng)討B(tài)向量設(shè)：t=kT移位矩陣一、確定系統(tǒng)總體控制方案

構(gòu)思系統(tǒng)的整體方案，應(yīng)從以下幾方面入手：

?考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

?執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用什么方案

?

有否特殊控制要求？特殊要求應(yīng)采取那些措施。

?確定計(jì)算機(jī)在整個(gè)控制系統(tǒng)中所起的作用二、確定控制算法三、選擇計(jì)算機(jī)所選計(jì)算機(jī)應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：

?完善的中斷系統(tǒng)

?足夠的存儲(chǔ)容量

?

完備的I/O通道和實(shí)時(shí)時(shí)鐘四、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

★硬件軟件功能分配與協(xié)調(diào)大量使用硬件會(huì)增加成本，影響系統(tǒng)可靠性；增加軟件，系統(tǒng)速度相應(yīng)降低。★接口設(shè)計(jì)接口設(shè)計(jì)內(nèi)容：

?擴(kuò)充接口

?安排接口電路的I/O信號(hào)及交換方式。常用的擴(kuò)充方法：

?選用專(zhuān)門(mén)的功能接口板

?選用通用接口電路

?

用集成電路自行設(shè)計(jì)接口電路

接口電路I/O信號(hào)的交換方式：

?中斷控制讀取I／O方式

?

直接存儲(chǔ)器存取方式★通道設(shè)計(jì)系統(tǒng)I/O通道：

?數(shù)字量I/O通道

?

開(kāi)關(guān)量I/O通道

?

模擬量I/O通道

?

脈沖量I/O通道在總體設(shè)計(jì)中，應(yīng)確定本系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置什么樣的通道、每個(gè)通道由幾部分組成，各部分選用什么器件等?！锊僮鲉T控制臺(tái)設(shè)計(jì)包括：各種轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、按鈕、鍵盤(pán)、數(shù)字顯示器、狀態(tài)故障指示燈等。★可靠性設(shè)計(jì)五、硬件設(shè)計(jì)任務(wù)：根據(jù)系統(tǒng)總體框圖，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的電氣原理圖，再按照電氣原理圖選購(gòu)元件和進(jìn)行施工設(shè)計(jì)。包括：

?接口電路和I/O通道的擴(kuò)充

?

組合邏輯或時(shí)序邏輯電路

?供電電源

?

光電隔離

?

電平轉(zhuǎn)換

?

驅(qū)動(dòng)放大電路等六、軟件設(shè)計(jì)軟件

系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件組織應(yīng)用軟件的內(nèi)容及步驟：

?確定具體要求

?

軟件規(guī)劃

?

程序編制

?

軟件調(diào)試

?善后工作★確定具體要求

?管理要求

?

輸入輸出要求

?

語(yǔ)言加工要求

?功能處理要求

★軟件規(guī)劃

?模式選擇

?語(yǔ)言選擇

?匯編語(yǔ)言

?高級(jí)語(yǔ)言

?確定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

?劃分程序塊

?確定程序編制順序

?內(nèi)存安排

?用符號(hào)來(lái)代替某部分程序的首址。

?粗略估算各部分容量

?根據(jù)具體情況對(duì)內(nèi)存作精確安排★程序編排和分配

★軟件裝配和總調(diào)

★軟件設(shè)計(jì)的善后工作

§6.2微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件

一、軟件的分類(lèi)軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)語(yǔ)言加工系統(tǒng)診斷系統(tǒng)控制程序數(shù)據(jù)采集及處理程序巡回檢測(cè)程序數(shù)據(jù)管理程序編輯程序編譯程序連接、裝配程序調(diào)試程序子程序庫(kù)數(shù)據(jù)可靠性檢查程序A／D轉(zhuǎn)換及采樣程序數(shù)字濾波程序線性化處理程序

數(shù)據(jù)采集程序越限報(bào)警程序事故預(yù)告程序畫(huà)面顯示程序二、應(yīng)用程序的語(yǔ)言選擇及設(shè)計(jì)步驟

1、語(yǔ)言選擇

?機(jī)器語(yǔ)言

?

匯編語(yǔ)言

?

高級(jí)語(yǔ)言

2、應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)步驟和方法應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的五個(gè)步驟：

?問(wèn)題定義

?

程序設(shè)計(jì)

?編碼

?

調(diào)試

?

改進(jìn)和再設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)通常采用模塊程序設(shè)計(jì)法和結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)法結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)基本思想的三種基本結(jié)構(gòu)表示：

順序結(jié)構(gòu)選擇結(jié)構(gòu)循環(huán)結(jié)構(gòu)三、高級(jí)語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的混合編程1、混合語(yǔ)言編程的基本概念

1）程序接口在一種語(yǔ)言程序中調(diào)用由其他語(yǔ)言編寫(xiě)的程序模塊。

2）命名約定為了解決不同語(yǔ)言對(duì)名稱(chēng)標(biāo)識(shí)符的不同處理，對(duì)目標(biāo)文件名長(zhǎng)度的不同限制的約定。

3）調(diào)用約定在兩種程序語(yǔ)言中為實(shí)現(xiàn)彼此調(diào)用而建立的一種協(xié)定，它具體對(duì)應(yīng)了一個(gè)函數(shù)、一個(gè)過(guò)程或者