.,微型計算機控制技術主講:戴永,教材:戴永等,微型計算機控制技術,湘潭大學出版社,2009年參考資料:1戴永.微機控制技術.長沙:湖南大學出版社，20042張艷兵.計算機控制技術.北京:國防工業出版社,20063楊恢先.單片機原理及應用.北京：人民郵電出版社,20064曹承志.微型計算機控制新技術.北京:機械工業出版社，2001,.,課程教學說明,一.課程特性1）地位本課程是計算機科學與技術專業的選修課、網絡專業必修課2）關系,專業硬件基礎課,專業軟件基礎課,微機控制技術,3）目的使同學們了解、掌握微機控制技術的基礎知識、微機控制系統原理及相應的設計方法,達到計算機學科、通信學科本科層次知識結構的基本完整。,.,二.學習要求,（1)微機控制的基本理論與方法達到記識層；（2)學生利用基本理論與方法可設計簡單的微機控制系統，分析較復雜的微機控制系統；（3)對微機控制技術的現狀與發展方向有一定程度的了解。,.,三、本課程的重點、難點,1)微機控制技術的基本概念與思考方法;2)微型計算機控制理論基礎;3)面向微機控制系統的接口原理與設計；通道配置原理及方法、通道電路原理與設計、通道操控算法與程序設計；4)數據采集原理及處理方法；5)間接、直接數字控制器設計理論與實現方法；6）順序與數字程序控制概念、原理和方法；7)模糊、神經網絡控制原理及實現方法；8）總線技術。,.,實驗及其要求,實驗教學是本課程教學內容的組成部分實驗教材：單片機原理及應用實驗指導書(胡洪波王霞玲,編號03016)實驗內容：實驗1：D/A轉換：程控電子波形產生原理及方法(計算,通信)實驗2：A/D轉換：模擬信號2進制采樣原理與方法(計算,通信)實驗3：步進電機:步進電機的程控電流換相、調速、調向原理與方法(計算)實驗4：直流電機：直流電機的程控調速、調向及測控原理與方法(計算)實驗5：LED點陣顯示:顯示圖形或漢字(計算,通信).實驗6:LCD液晶顯示:顯示圖形或漢字(計算,通信).實驗7:IC卡實驗:IC卡信息讀寫(計算,通信).,.,實驗要求：獨立完成，教師驗收，創新獎勵考核方法與成績(1)現場驗收，現場問答，現場打分(2)撰寫綜合性、設計性實驗報告特別聲明：因為此課實驗內容要求高，實驗過程抓得緊，成績評定嚴格，所以不提供非計劃時間的教學實驗補課，有正當理由者在下一級的本課程實驗課補做。,.,成績評定,實驗：30%閉卷考試：70%特別申明：不參加實驗或實驗考核不及格者不提供理論考試試卷，強行參考者不予成績評定。,.,第1章緒論,本章學習提要（1）計算機控制技術經歷的發展階段；（2）控制系統基本概念：1.常用概念術語，2常見系統術語。（3）控制系統5種典型工作特性。（4）微機控制系統體系結構：控制器和比較環節由微型計算機取代，這是劃時代的進步；。（5）與模擬控制系統比較微型機控制系統5個特征。（6）微型計算機控制系統有4種經典結構和4種新型結構,.,1.1控制系統基礎,111控制系統基本概念1.常用概念術語對象:為完成特定動作,由機械、電氣、電子等零部件有機組成的裝置或設備。過程：過程:被控制的運行狀態.兩種不同的描述如下（1）自然過程指一種自然的逐漸進行地運轉或發展，其特征是在運轉和發展狀態中以相對固定的方法相繼發生一系列的漸進變化,并最后導致一個特定的結果或狀態。(2)人為或隨意連續進行的運行狀態，這種運行狀態由一系列被控制的動作和一直進行到某一特定結果或狀態的有規則的運動構成。過程特征表現為以相對固定的方式導致一個特定結果或狀態。系統：為完成相應任務，一些元件、部件等按一定規則的組合。系統是動態現象的抽象，不同的領域有不同的組合內容。擾動：對系統輸出量產生相反作用的信號。擾動分為內擾和外擾兩大類，內擾產生在系統內部，外擾來自系統外部，和輸入量疊加在一起而進入系統。,.,控制過程：通過消除擾動因素影響保持被控制量按預期要求變化的過程。自動控制：不需要人直接參與，而使被控量自動地按預定的規律變化的控制過程。控制量：被控系統的輸入量或給定量，用r（t）表示。被控量：被控系統的輸出量，用y（t）表示，如被控電機的轉速，溫控系統的溫度等。反饋量：與被控制量成比例的反饋信號，用yCF（t）表示。偏差量：控制量與反饋量之間的差值,用e（t）表示,e（t）=r(t)-yCF（t）。,.,2常見系統術語,開環控制系統被控制量只能受控于控制量，而對控制量不能反施任何影響的系統。閉環控制系統利用負反饋，將被控制量影響控制量作用的系統，又叫反饋控制系統。隨動系統是一種反饋系統，隨著r(t)的變化，被控制量在前一r(t)對應的位置進行變化，其特性如圖1-1所示。隨動系統多出現于機械位移、速度、加速度等對象的控制，所以常稱之為位置控制系統。,.,穩定系統又稱自動調整系統，是一種反饋系統，當r()為常量時，也要求被控量保持在常量上，如圖1-2所示。常見的穩定系統有恒溫、電壓、電流、頻率、壓力等控制系統。,過程控制系統以變化過程作為控制對象的控制系統，在控制過程中，給定量按照預先制定的規律，在程序運行中變化，所以又叫程序控制。這類系統多見于溫度、壓力、流量等控制系統。,.,112控制系統工作特性,1.控制系統的一般結構及其工作特性,實際控制系統除存在內外擾動外，還有系統自身存在的邏輯死區、響應慣性等影響系統的控制效果。當輸入信號作用到系統之后，在系統的輸出端并不能馬上得到響應，而只有當偏差信號大到一定程度時，系統才有輸出。輸出結果根據各環節的品質狀況及系統所處環境有多種多樣。,.,系統工作狀態過渡過程的測試是通過系統響應特定輸入信號（或叫試驗信號）來進行的。階躍信號常用的測試信號，如圖1-4所示。系統進入穩態的過渡過程及其工作特性如圖1-5所示。,r(t),1(t),圖1-4單位階躍輸入信號,圖1-5,.,tr：啟動時間。超調：y(t)|y()|稱為超調，在0tr不算P：表示超調信號的嚴重程度。,有時也直接用,ymax(t)通常處于第一個峰值。P越小，過渡過程越平穩。,tP：從t0到第一個峰值的時間，tP表征反饋控制系統反應輸入信號的快速性能或控制靈敏度，越小靈敏度越高。,t,.,ts：系統的過渡過程時間，當t=ts，應有：一般0.020.05;ts越小，說明系統以一個穩態過渡到另一個穩態所需時間越短，反之越長。,振蕩次數：y(t)以大于0的變化幅度超越y()水平線的次數的一半為系統過渡過程的振蕩次數，用N表示，N越小，過程越短。ts，tp，p，N：動態參數。當系統完成過渡過程后，|y(t)-y()|為穩態誤差。穩態誤差是表征系統控制精度的一項性能指標。,.,2.幾種典型控制系統過渡過程曲線,1）單調逐漸逼近(見圖1-6特性曲線),過度過程曲線單調逼近y()：P0，N=0，y(t)=y(),2）等幅振蕩(見圖1-6特性曲線),等幅振蕩，N（自激振蕩）。,.,3.振蕩發散(見圖1-6特性曲線),振蕩發散，N；振幅系統無平衡狀態,4.單調發散(見圖1-6特性曲線,),“過”單調發散，這類系統無穩定狀態，不能使用：P；N=0；y(t)？,.,5.欠阻尼振蕩,阻尼振蕩：一般可工作系統均為此曲線。y()與預期r()之差，稱為穩態誤差，表征系統控制精度的參數之一。阻尼系統的過渡過程分為三種工作狀態,即欠阻尼、臨界阻尼和過阻尼。過阻尼工作狀態相似于單調逐漸逼近或一階系統工作狀態，啟動速度變慢。臨界阻尼工作狀態使系統特性處于等幅振蕩特性。關于二階系統的阻尼特性討論請讀者參閱相關論著。,.,1.2微型計算機控制系統體系結構與特征,121微機控制系統體系結構1.微型計算機控制系統一般結構,與模擬閉環控制系統抽象結構(圖1-3)比較,微機閉環控制系統體系結構信號傳輸的路徑結構沒有發生變化，控制裝置即大虛線框外以右的內容相同。,不同的地方是控制裝置的四個環節均有重大變化，即（1）控制器和比較環節由微型計算機取代，這是劃時代的進步；,（2）執行環節在模擬控制系統中只有執行機構，而在微機控制系統中于執行機構前增加D/A轉換；,（3）反饋環節在模擬控制系統中只有檢測裝置，而在微機控制系統中于檢測裝置后設置A/D轉換。由于微型計算機處理的是離散信息，因此微型機控制系統中控制裝置內的時間變量均采用人們公認的離散時間變量符號K。,.,2.微型計算機控制系統硬件組成,.,（1）工業生產過程工業生產過程是指在生產現場把原材料變成成品或半成品，或通過原材料獲得某些所需參數的工序實現。參與工序實現的內容包括工藝規則、技術范疇、參與設備、人員數量與作用、結果指標、質量檢驗、安全保證等。,（2）過程通道主機與工業生產過程之間需要傳遞三類信息，即互傳數據，主機向工業生產過程發布控制信息，主機從工業生產過程接受狀態信息。互傳數據有模擬、開關量兩種數據形式，而控制、狀態信息均為開關量。因此，過程通道包括模擬過程輸入、輸出通道、開關量過程輸入、輸出通道。過程通道處于工業生產過程與主機接口之間，擔負著生產過程與主機交換信息的任務。（3）接口在微型計算機控制系統中一般存在三類不同功能的接口，一類介于主機與過程通道之間，用于主機與過程通道交換數字信息；二類介于主機與交互通道之間，用于主機與交互通道交換數字信息；三類介于主機與微機I/O設備之間，用于主機與微機I/O設備交換數字信息，在多微機互聯的微型計算機控制系統中，多微機可互按I/O設備管理。,.,（4）主機,核心內容控制程序，其反映輸入輸出之間的數學關系。在工業生產過程中，處于在線的主機又稱為工業控制計算機，簡稱工業控制機或工控機，其特點表現在可靠性高、可維修性好、環境適用性強、控制實時性好、輸入輸出通道完善及軟件豐富等。本書中的主機均指工控機。（5）人機交互通道與操作控制臺人機交互通道與操作控制臺是相互依存的，操作控制臺因人機交互通道而設置，人機交互通道通過操作控制臺使得人機交互更方便。就一般而言操作控制臺應具有以下功能操作鍵盤，鼠標，按鍵，板鍵等.顯示CRT或LED，LCD，打印機，記錄儀,指示燈，喇叭等：狀態指示，聲光報警等.數據保存外存，磁存儲器，光存儲器，半導體存儲器,IC卡等.遠程信息交換,.,3.微型計算機控制系統軟件,注意：程序的運行時間以不影響系統實時性為前提,.,1.2.2微型計算機控制系統特征,1.結構特征微機控制系統：將控制器用微機來代替，便構成了微機控制系統。開環系統：,.,2.信號特征,模擬控制系統中所有環節的工作信號全為模擬信號，而微型計算機控制系統中主機的工作信號全為數字信號，前、后向模擬過程通道模擬、數字信號兼有，前、后向開關量過程通道是全數字信號，但無全模擬信號。3.功能特征（1）以軟件代替硬件。（2）數據保存。（3）顯示設備、方法與內容。（4）多系統互聯。,.,4.時限特征,“實時”，是指在規定的時間內完成規定的任務。（1）實時數據采集。（2）實時決策運算。（3）實時控制輸出。數據采樣、運算決策、輸出控制三個階段占用時間之和滿足實時性要求，則該系統具有實時性。5.控制器工作方式特征控制器在控制系統中的工作方式有在線、離線兩種。,.,微型計算機在線工作方式：又稱“聯機”工作方式。微型計算機在控制系統中直接參與控制或交換信息，而不通過其它中間記錄介質，如磁盤、U盤、光盤、磁帶等。微型計算機離線工作方式：又稱“脫機”工作方式。微型計算機不直接參與對被控對象的控制，或不直接與被控對象交換信息，而僅是將有關控制信息記錄或打印出來，再由人來聯系，按照微機提供的信息完成相應的控制操作。離線工作方式無實時性可談。要使系統具有實時性，微型計算機必須按在線方式工作。,.,1.3微型計算機控制系統分類,1.3.1經典微型計算機控制系統1.數據采集與處理系統,2.操作指導控制系統,.,3.直接式數字控制系統,4.監督式計算機控制系統,.,1.3.2新型微型計算機控制系統1.基于智能控制算法的微機控制系統,智能控制是自動控制和人工智能相結合的學科,即具有摸仿人的學習、推理等功能；能適用不斷變化的環境；能處理多種信息以減少不確定性；能以安全和可靠的方式進行規劃，產生和執行的動作，獲取系統總體上最優或次優的性能指標。智能控制技術有三大基本內容：模糊控制技術，神經網絡控制技術，遺傳控制技術。在硬件上智能控制系統與傳統的微機控制系統結構無重大區別；在軟件上，智能控制系統的驅動量由智能控制算法產生。微機智能控制系統的命名一般借用智能控制算法的名稱。圖1-13為模糊控制系統的一般結構圖。,.,2.集散式微型計算機控制系統,集散式微型計算機控制系統(DistributedControlSystem，DCS)是基于微型計算機總線通信技術的多系統分層分散控制、集中管理微型計算機控制系統，已成為大工業現場普遍使用的生產過程控制、子系統管理的方案。DCS也稱為分級分布式控制系統，簡稱集散系統，它是計算機、自動化、通信、網絡和顯示等多種技術相結合的產物。,.,3.現場總線微型計算機控制系統,現場總線微型計算機控制系統（FieldbusControlSistem，FCS）是DCS的換代產品，與傳統的DCS相比，具有數字化的信息傳播、分散的系統結構、方便的互操作性、開放的互聯網絡及多種傳輸媒介、拓撲結構等特點。FCS的核心是現場總線，具體表現于適用工業控制領域的網絡通信與管理協議。4.管控一體綜合集成系統將制造、過程控制、辦公室和經營管理等的自動化系統進行集成，即構成計算機集成制造系統（ComputerIntegratedManufacturingSystem）或計算機集成過程系統（ComputerIntegratedProcessSystem），簡稱CIMS或CIPS。CIMS代表著工業控制系統的未來，它的研究開發不是以某個區域或某項活動為對象，而是以企業的全部活動為對象。除上述四種常見新型系統外，還有嵌入式微機控制系統、虛擬控制系統、開放式控制系統等，請參閱有關資料。,.,1.4微型計算機控制技術的發展,1.裝置技術的發展裝置技術是發展基礎.隨著專用功能電路的標準化與集成電路設計、制作技術的發展，標準模塊電路的種類越來越多，功能越來越強。2.微型計算機技術的發展微型計算機技術是發展的保障.微型計算機技術的發展主要指微型計算機的系統結構、軟件技術、應用技術等的發展。3.決策理論的發展決策理論是發展的動力順序控制、插補控制、PID控制、最小拍控制、純滯后控制等一批傳統控制方法和理論將進一步得到改善、充實。具有重要意義的濾波技術、能控能觀性技術、極大值原理、動態規劃、穩定性技術等仍是人們研究的重要內容。在解決模型不確定性、高度非線性、分布式采樣和執行、動態突變、多時間標度、復雜的信息模式等被控對象的控制問題上，智能控制技術有其特殊優勢，而將成為人們研究的熱門內容，解決問題的新選手段。,.,4.微型計算機控制系統結構的發展,（1）用可編程控制器代替DDC級微機（2）新一代CIMS（3）用智能控制芯片作為控制器,.,第2章微型計算機控制理論基礎,2.1連續系統數學基礎211拉普拉斯變換用表示時間的函數，而且當，以表示的拉普拉斯變換，記之為,復變量,對時域函數進行拉氏變換,拉氏積分,是的原函數，是的象函數。,2.拉普拉斯變換的性質,線性,（位移性質）,.,令,.,（3）相似性質（比例變換）,令,則,.,（4）微分性質(原函數導數的象函數),f(0)為t=0時f(t)的值，一般控制系統中f(0)=0,同樣，對于的階導數，可以得到,.,（5）積分性質(原函數導數的象函數),f(0)為t=0時f(t)的值，一般控制系統中f(0)=0,.,(6)初值定理,其中f(0),F(s)可拉,存在證明：由拉普拉斯變換的微分性質可知,有,(7)終值定理,證明自閱,.,3.拉普拉斯反變換,由復變函數表達式推導成為時間函數表達式的數學運算叫做反變換，拉普拉斯反變換的符號是，記作,具體的拉普拉斯反變換計算公式為,.,212傳遞函數與方塊圖1傳遞函數,傳遞函數是描述線性定常系統或線性元件的輸入-輸出關系的一種最常用的數學模型。傳遞函數全面地反應了線性定常系統或線性元件的內在固有特性。傳遞函數(G(s)：線性定常系統的傳遞函數，定義為初始條件為0，輸出量（響應函數）的拉氏變換與輸入函數（量）拉氏變換之比。,傳遞函數的定義適用于輸入輸出信號呈線性關系的元件或系統，既適用于開環系統，也適用于閉環系統。傳遞函數的形式完全取決于系統或元件自身的結構與參數，而與外加的輸入信號形式無關。,.,傳遞函數有如下基本性質（1）系統和元件的傳遞函數是描述其動態特性的一種關系式，它和系統或元件的運動方程式一一對應。（2）傳遞函數表征系統或元件本身的特性，而與輸入信號無關。（3）傳遞函數不能反映系統或元件的物理結構，即不同物理性質的系統或元件可以具有相同的傳遞函數。（4）傳遞函數是復變量的有理分式，均為多項式，每一項的系數都是實數。,.,2方塊圖,方塊圖是系統中每個元件的功能和信號流向的圖解表示，它表明系統中各元件或各環節間的相互關系，信號流動情況。方塊圖輸出信號的拉普拉斯變換式等于其輸入信號的拉普拉斯變換式與方塊內傳遞函數的乘積。信號通過方塊的流向以箭頭來表示，使輸入信號的箭頭指向方塊，輸出信號的箭頭背向方塊。方塊圖中只包含與系統動態性能有關的信息，并不包含與系統物理結構有關的一切信息。許多物理結構上完全不同的系統，可以用相同的方塊圖來表示。,.,3.典型系統的方塊圖與傳遞函數,1)開環控制系統方塊圖與傳遞函數開環控制系統的抽象結構包含控制、執行與對象三個環節，方塊圖結構見圖2-3。,對應的傳遞函數,.,2)閉環控制系統方塊圖與傳遞函數閉環控制系統的抽象結構由執行(含對象)、反饋及偏差計算（符號表示）等環節構成，方塊圖結構見圖2-4所示。,稱為系統中的開環傳遞函數。,閉環控制系統的傳遞函數為,.,3）含擾動量的閉環控制系統方塊圖與傳遞函數,當,；擾動項0;擾動被抑制；,及,此時控制系統的傳遞函數,.,例2.1：如圖所示，R,C低通網絡,I(s),UI(s),(b),Uc(s),圖2-6RC電路方塊圖,(c),Ui(s),.,4方塊圖等效法則,1)分支點移動規則,.,（2）相加點移動規則,根據代數運算法則，還可實現其它類型方塊圖的簡化或等效，相關內容請參閱自動控制方面的專業書籍。在簡化或等效處理過程中應注意兩條原則(1)前向通道中傳遞函數的乘積必須不變。(2)各反饋回路中傳遞函數的乘積必須保持不變。,.,例2.2,(1)進行拉普拉斯變換；（2）畫方塊圖；,.,213線性定常系統的脈沖響應,線性定常系統的脈沖響應是指線性定常系統在穩定的前提下在輸入端加入理想單位脈沖信號得到的輸出響應。假定系統的傳遞函數為,于是,如果,則有,稱為單位脈沖響應函數,稱為理想單位脈沖信號,例2.3假設某二階系統的傳遞函數為,則,.,2.2離散系統數學基礎,離散系統亦稱采樣控制系統，是一種動態系統，在這種系統中，有一個或多個變量僅在離散的瞬時變化，這些瞬時時刻以或表示。離散系統與連續系統的區別在于離散系統的信號或數據是采樣形式。2.2.1離散時間信號與采樣信號的表示1.采樣過程及數學描述采樣過程可以視為信號調制過程，即連續信號經過采樣開關后變為斷續信號,如圖2-10所示。,e*(t),圖2-10采樣開關,T,e(t),e(t),e*(t),載波信號,(a),(b),載波器,脈沖調制器,為了簡化分析，對采樣過程做如下三點假設：1）采樣開關的動作是瞬間完成的；2）采樣開關閉合的時間遠小于采樣周期；3）采樣為等周期采樣。,.,2.2.2差分與差商1.差分的概念,設函數在等距節點上的值為，函數在自變量兩個離散值處函數值的差,或,f(x)在xk處一皆前向差分,f(x)在xk處一皆后向差分,類似有二階前向差分,類似有二階后向差分,階前向、后向差分定義公式可類推。,.,2.差商的概念,稱比值,n=1為1階差商,n=k為k階差商.xk為節點.利用差商的定義，差商的計算可以遞推進行，列差商表如表2-1所示.,2.2.3Z變換,Z變換是應用于線性定常離散系統的重要數學工具，它的作用等同于線性定常連續系統的拉普拉斯變換數學工具。,信號采樣方式有周期采樣、多階采樣、隨機采樣。周期采樣是一種最普通的采樣方式，其采樣瞬時是等間隔。,Z變換是針對周期采樣信號進行拉氏變換后的簡化變量處理關系的一種數學方法。,.,1.Z變換的定義,對于連續信號的周期采樣時間序列信號可表示為,或,對以上兩式兩邊取拉普拉斯變換，得,.,令,或,則有,在z變換中，我們只考慮采樣瞬時的信號值，因此，X（t）的z變換與X*（t）的z變換具有相同的結果，即,2.Z變換的性質,1）線性性質,2）滯后性質,3）超前性質,4）復位移定理,.,5）初值定理6）終值定理,7)卷積定理,.,3.Z反變換的定義,Z變換的定義可知，連續時間函數的Z變換函數僅僅包含了連續時間函數在各個采樣時刻上的數值。Z反變換僅能求出連續時間函數在采樣時刻的數值(f(k),k=1,2,3,.).或者說一個Z變換函數F(Z)可以與無窮多個連續函數對應（只要這些函數f(k)在采樣時刻上的函數值相等）4.Z反變換的求法1）冪級數法例2.5求的Z反變換，寫出前五項。解：于是,.,2）部分分式法,部分分式法是將關于復變量的有理分式函數F(Z)分解成最簡單的分式形式，然后通過查Z變換對照表而求得各個簡單因子的反Z變換，從而求得F(Z)的反Z變換表示式。,式中，為待定系數。,（1）共軛復根對應系數的確定,（2）重根對應系數的確定,（3）單根對應系數的確定,.,例2.6設,試用部分分式法求,解將部分分式中的每一項乘上因子后，得,查Z變換對照表可得,最后可得,3）反演積分法(留數法),.,兩邊得,注意到,是一個具體的數值，且,在上式中，,，所以有,離散函數的Z反變換可表示為,可根據,所具有根的分布情況分別計算其相應的留數。,（1）根據單根,（2）根據p個重根,.,（1）根據單、重根,例2.7求,的Z反變換,解由,的分母可知，存在單根,及二重根,.,5.利用Z變換求解差分方程,根據Z變換的超前定理，有,例2.8用Z變換求解三階差分方程,解對上面差分方程兩邊進行Z變換，并利用Z變換的超前定理有,將初始條件代入并化簡、整理得,于是有,查閱Z反變換對照表，有,.,2.2.4離散系統傳遞函數,1.脈沖傳遞函數的定義,在理想脈沖串的作用下，輸出的拉斯變換為,。,在零初始條件下，線性系統（或環節）輸出脈沖序列的Z變換與輸入脈沖序列的Z變換之比，稱為系統（或環節）的脈沖傳遞函數（或z傳遞函數），即,。,而采樣系統的離散輸出,.,單位脈沖響應來推導脈沖傳遞函數,當輸入信號為如下的脈沖序列時,根據疊加原理，輸出信號為一系列脈沖響應之和，即,在,時刻，輸出的脈沖值為,根據卷積定理，可得上式的Z變換為,和,分別為c(t)g(t)和r(t)的Z變換。,.,2開環系統的脈沖傳遞函數,1）串聯環節之間有采樣開關設開環離散系統如圖2-15（a）所示，在兩個串聯連續環節和之間，有理想采樣開關隔開。開環系統脈沖傳遞函數,2)串聯環節之間無采樣開關,設開環離散系統如圖2-15（b）所示，,沒有理想采樣開關隔開的兩個線性連續環節串聯時的脈沖傳遞函數，等于這兩個環節傳遞函數乘積后的相應Z變換。這一結論同樣可推廣到類似的n個環節相串聯時的情況。,.,3.閉環系統的脈沖傳遞函數,一般地，閉環脈沖傳遞函數是閉環離散控制系統輸出信號的Z變換與輸入信號的Z變換之比，即,典型的閉環離散系統及其輸出的Z變換函數如表2-2所示。,例2.10求圖2-17所示采樣系統的輸出,的表達式。,解,而,因此,所以,即,.,2.3采樣周期的一般選擇方法,2.3.1香濃（Shannon）采樣定理,設連續信號,的頻帶為有限寬度，且信號的最高角頻率為,（或最高頻率為,），如果以采樣角頻率,對信號,采樣得到離散信號,，則連續信號,可以由,無失真地復現出來的條件是,，或,香農采樣定理說明為了使得連續信號經采樣保持后能不失真的復現出來應滿足對最高頻率范圍內的任一連續信號在一個周期內的采樣不少于兩次。,。,.,2.3.2采樣周期的選擇,采樣周期的選擇受多方面因素的影響,主要考慮的因素分析如下（1）香農采樣定理給出了采樣周期的上限，即為被采樣信號的上限角頻率。若滿足香農采樣定理，采樣信號可恢復或近似地恢復為原模擬信號，而不丟失主要信息。在這個限制范圍內，采樣周期越小，采樣-數字控制系統的性能越接近于連續-時間控制系統。（2）閉環系統對給定信號的跟蹤，要求采樣周期要小。（3）從抑制擾動的要求來說，采樣周期應該選擇得小些。（4）從執行元件的要求來看，有時要求輸入控制信號要保持一定的寬度。（5）從計算機精度考慮，采樣周期不宜過短。（6）從系統成本上考慮，希望采樣周期越長越好。綜合上述各因素，選擇采樣周期，應在滿足控制系統的性能要求的條件下，盡可能地選擇低的采樣速率。,.,1.以復現連續信號精度要求選擇采樣周期,設N為一個周期內對信號的采樣次數保持器的復現信號的誤差與采樣頻率或采樣次數有關，N越大，采樣保持誤差越小。2.根據被控參數的性質選擇采樣周期,3.根據輸出信號呈現的形式選擇采樣周期,.,4.根據被控對象的時間常數選擇采樣周期,設被控對象由多個環節組成，其傳遞函數可以表示為,可取,而實際應用時通常選擇采樣周期為其最大采樣周期的1/2，即有,5.以相角穩定裕度選擇采樣周期,為系統的閉環截止頻率。,6.以控制算法選擇采樣周期,使用PI算法和使用PID算法在選擇采樣周期時存在明顯的差異。,.,第3章接口與過程通道配置技術,3.1概述過程通道的基本任務是信號獲取、轉換及傳遞；接口的基本任務是數字信號傳遞。計算機控制系統中的接口電路特點：除了基本任務外還擔負控制過程通道各環節協調工作的任務。一般來說計算機無法直接接收和處理生產過程的實際信息，這些實際信息由輸入過程通道獲取、轉換，傳遞給接口，再由接口送入計算機；計算機傳送到生產過程的控制信息通過接口進入輸出過程通道，由輸出過程通道轉換為生產過程所能接受的信號形式.面向過程通道的接口電路的結構、編程方法等與過程通道的功能、結構、信息傳遞方式密切相關。（1）根據主機獲取、發送信息的要求及過程通道傳送、接收信息的狀態，接口電路傳遞數據的方式分為無條件、查詢、中斷等。（2）為適應過程通道轉換環節的技術變化，面向過程通道的接口電路同樣也應具備數據格式轉換、數制轉換、實時中斷管理等接口的一般功能；（3）面向過程通道的接口電路的明顯特征是它必須深入過程通道內部對過程通道中各子環節，如多路轉換、可編程放大、采樣/保持、A/D轉換、D/A轉換等進行關系上、功能上、時間上等的有序控制。,.,設計過程通道與面向過程通道的接口時必須注意和解決如下基本問題：,（1）輸入輸出信號形式的轉換，尤其是不同能量形式的信號轉換；（2）微機與控制對象兩個異步工作的系統實現同步和通信聯絡；（3）高速的微機與低速的控制對象實現速度匹配；（4）數據格式轉換、數制轉換、A/D轉換、D/A轉換、電平轉換、功率轉換等；（5）微弱信號放大、濾波、整型，強電信號幅度衰減、濾波、整型，信號幅度規范；（6）數據通道與子環節工作控制的端口分配；（7）接口電路中的端口觸發、時序及負載能力。研制接口和過程通道電路使用的器件有三大類，一類是利用基本的小規模集成電路功能器件（如一片多組的運算放大器等）、邏輯器件（如各類TTL器件）、分立元件等，當控制內容單一，過程通道和接口比較簡單時采用此類器件設計可避免浪費；二類是通用器件，如通用的各類并行、串行I/O接口器件，中斷管理、定時/計數、鍵盤/顯示等接口器件；三類是專用器件，主要有A/D轉換器、D/A轉換器、集成多路轉換電子開關、可編程放大器等等。,.,3.2面向過程通道的接口技術,3.2.1接口的基本結構、任務和功能1.接口的基本結構,2.接口電路的基本任務,（1）控制信息的傳遞路徑。即根據控制的任務在眾多的信息源中進行選擇，以確定該信息傳送的路徑和目的地。（2）控制信息傳送的順序。計算機控制的過程就是執行程序的過程，為確保進程正確無誤，接口電路應根據控制程序的要求，適時地發出一組有序的選通信號。,為保證基本任務完成，接口電路應解決以下問題：（1）觸發方式。（2）時序。（3）負載能力。,.,3接口的功能作為主機與過程通道之間的信息傳遞渠道，與一般接口電路相同，應具備尋址、輸入輸出、數據轉換、聯接、中斷管理、復位及可編程等基本功能。,4端口及其編址方法1）端口:一個I/O接口一般包括若干個端口，通常可分為數據端口、狀態端口以及控制端口，而每個端口都有一個端口地址號，所以一個接口電路一般占用多個端口地址。2）端口編址:有通道端口與存儲器統一編址和通道端口獨立編址兩種方式，工作原理及優缺點同一般端口編址相同。3.2.2接口數據傳送方式（1）直接傳送方式。（2）查詢傳送方式。（3）中斷傳送方式。3.2.3接口擴展1）地址線選擴展.,.,2）地址譯碼擴展,A4A3=00時，1#74LS138被允許譯碼；A4A3=01時，2#74LS138被允許譯碼；A4A3=10時，3#74LS138被允許譯碼；A4A3=11時，4#74LS138被允許譯碼。因此，32個I/O接口端口地址分配號為：0000H001FH。3）混合擴展:地址線選、地址譯碼用于同一個系統的接口擴展稱為混合擴展。,.,2端口負載能力擴展,單向負載能力擴展器件有74LS244、74LS240、74LS06、74LS07等，主要用于ABUS和CBUS負載能力擴展；雙向負載能力擴展器件有74LS245等，主要用于DBUS負載能力擴展。3端口的功能擴展（1）單向數據傳送選通；（2）雙向數據傳送選通；（3）非數據傳送單點控制信號；（4）非數據傳送雙點、多點控制信號；（5）數據傳送選通與非數據傳送控制功能兼顧。3.2.4接口實例18255A在微機控制系統中的接口實現,.,例3.1設圖33中PA口通過輸入數字過程通道聯接工業生產過程的一組狀態點，PB口通過輸出數字過程通道聯接系統控制臺的一組生產過程狀態指示燈，將MCS51工作寄存器R7的內容送指示燈，將生產過程的相應狀態讀入工作寄存器R2。試編寫其操作程序。,直接傳送方式使8255A的PA口為方式0輸入，PB口為方式0輸出。PC口的輸入/輸出方式沒有要求，可任意設定。將8255A的4個端口視1組端口，P2。7連接為線選組地址，A1A0的組合用于選擇組內端口地址，即PA口、PB口、CW的端口地址分別對應#7FFCH、#7FFDH和#7FFFH。,.,參考程序如下：INIT8255：MOVDPTR，#7FFFH；控制口地址送數據指針MOVA，#90H；PA輸入，PB輸出，PC任意，控制字可為100100BMOVXDPTR，A；方式控制字寫入8255A控制口，PA輸入，PB輸出MOVDPTR，#7FFDH；PB口地址送數據指針MOVA，R7MOVXDPTR，A；將R7的內容輸出到PB口MOVDPTR，#7FFCH；PA口地址送數據指針MOVXA，DPTR；讀PA口開關的狀態MOVR2，A；RET,.,當需要對工業生產過程中的模擬量進行測控時，以8255作為并行接口，MCS-51單片機作為主機的微機控制系統的常見結構如圖3-4所示。,通過編程使8255-PA口工作在方式1（單向選通）輸入，8255-PB口工作在方式1輸出，允許中斷。在程序控制下，PC7輸出一個正脈沖啟動模擬過程輸入通道進行模擬/數字轉換，此次模擬/數字轉換完畢，輸入通道通過PC4向8255-PA口發出選通信號，將模擬/數字轉換結果打入PA口，同時通過INTRA向主機發出中斷請求。,.,主機響應后將PA口數據讀入采樣數據存儲區，判采樣次數是否滿，未滿則重復向PC7發正脈沖及其以后的工作過程。滿了則進入系統決策,將決策結果通過PB口送模擬過程輸出通道。如果只有一個被控對象，模擬過程輸出通道設置數字/模擬轉換環節便可，若為多對象，而又不想增加數字/模擬轉換器，則須增加多路轉換和采樣/保持兩個環節。PB口按單向選通輸出時，PC1為選通信號，PC2作為模擬過程輸出通道的回答信號。8255接到回答信號后，通過INTRB向主機發出中斷請求，表示所送數據已接收，可送下一個數據了。2多組數據輸入輸出接口例3.2.設以MCS-51系列機為主機的微機控制系統中，過程通道需8路8位數據的輸入，4路8位數據的輸出，4個通道環節可編程控制信號。試采用74LS244作為輸入數據端口、74LS273作為輸出數據端口、可編程控制信號為無數據端口設計接口電路。,.,.,解：接口電路邏輯如圖3-5所示，8個輸入端口由一片38譯碼器74LS138進行端口地址譯碼，4個輸出端口與4個可編程控制信號合由一片74LS138進行端口地址譯碼。高位地址線A15A14A13A12A11=11110時選通1#74LS138譯碼器，即選通輸入端口。若A10A9A8=000，則其譯碼輸出Y0為低電平，將來自1#74LS244的數據讀入主機總線，其余類推。當A15A14A13A12A11=11111時選通2#74LS138譯碼器，即選通4個輸出端口，并提供4個編程控制信號。各端口的地址分配如表3-1所示。,.,3.3模擬輸入過程通道配置,3.3.1通道基本結構,.,模擬量輸入通道各部分電路作用說明如下：1傳感器：將過程量轉換為電信號。2放大電路：對微弱的電信號進行放大。3多路轉換開關：將多路模擬信號按要求分時輸出。4采樣保持：對模擬信號進行采樣，在模數轉換期間對采樣信號進行保持。5A/D轉換：即模數轉換，將模擬信號轉換為二進制數字量。6控制器：實現通道各環節在邏輯和時序上的協調。,.,3.3.2信號的拾取方式,模擬輸入通道中，首先要將外界非電參量，如溫度、濕度、流量、應力、壓力、速度、位移等物理量轉換為電量，這個環節可采用敏感元件、傳感器或測量儀器來實現。1通過敏感元件拾取被測信號:敏感元件將測的物理量變換為電流、電壓或R.L.C參量的變化2.通過傳感器拾取被測信號:用敏感元件及相應的測量電路、信號傳遞機構配以適當外形可以制成各類傳感器。3通過測量儀表拾取被測信號:通過調節測量儀表直接輸出用于A/D轉換的標準電壓或標準電流(但要轉換為標準電壓).3.3.3通道放大技術1微弱信號放大器原理對經傳感器變換后得到的微弱模擬信號進入前置處理環節,前置處理的重要手段是將微弱模擬信號放大處理。由于通用運算放大器具有較大的失調電壓和溫度漂移,一般不能用作微弱信號的放大器。在模擬輸入通道中一般采用測量放大器來完成信號放大任務。,.,根據圖3-8有,由于,，并取,，有,而,.,于是,即測量放大器的放大倍數由式（3.7）給出，該式表明僅需調整RG就可方便、有效地調整K，而由于電路對稱，調整RG不會降低共模抑制比。,AD620是與該原理對應的器件。引腳結構見圖3-9，應用電路連接示意見圖3-10。,.,AD620具有體積小、功耗低、精度高、噪聲低和輸入偏置電流低的特點。其最大輸入偏置電流為20nA，表明輸入阻抗高。外聯可調RG可實現11000范圍的放大倍數調節。工作電壓范圍為2.318V,最大電源電流為1.3mA.最大輸入失調電壓為125V,頻帶寬度為120kHz（K=100時）圖3-11是AD620用于電橋測量的連接電路。除AD620之外，同類原理器件有AD626、LH0036、LH0038、LM363及較前出現的AD521/AD522、INA102等等。,.,2可編程放大器原理,可編程放大器實現的理論依據是式（3.7），即改變RG可以有效地改變增益值。可編程放大器原理電路見圖3-12所示。,.,以一個輸入運算放大器的反相端作為公共端，圖3-12中為COM2，n個阻值不同的RG均連接于COM端，形成n條電阻支路或電阻網絡,記為x1，x2，xn。另一個輸入運算放大器的反相端（例圖為COM1）引出純導線支路，用X表示。當X與xi（i1，2，n）條電阻支路連通時，K=Ki。實現程序控制X與xi連通的硬件條件是在X與x1，x2，xn之間設置單端多路模擬轉換開關，該開關由X連通代碼寄存器提供分支選擇代碼和選通信號。每一個xi建立一個連通代碼并存儲在一個固定區域，當主機將xi的連通代碼送入X連通代碼寄存器時，X與xi連通，使K=Ki。n條分支可產生n個K值。也可選擇分支并聯，產生所需K值。AD612/614是這一原理的典型器件，其n=10，不同之處是輸入信號從其兩個輸入運算放大器的反相端輸入，而增益的調整電阻從兩個輸入運算放大器的正相端接入。此器件可實現以下三種基本使用方法為（1）利用片內的RG1RGn調節K，稱為程序控制增益方法。具體使用時，RG1RG8分別對應Ki=2128；將RG8、RG9并聯，即將x8、x9兩端合為一端，則K=29；將x8、x9、x10三端合為一端，則K=210；當不接入RG時，K=1。（2）利用RG的兩個外置連接端子，建立外置RG1RGn（按要求的增益）電阻網絡，程控調節原理與效果和內置電阻網絡的調節原理與效果完全相同。（3）在RG的兩個外置連接端子之間接入可變電阻器也可實現增益調整。類似的器件有PGA100及PGA200/201、PGA102等。,.,3.3.4模擬多路切換技術(模擬多路開關),1模擬多路切換器的類型模擬多路切換器有兩類：一類是機械觸點式，如干簧繼電器、水銀繼電器和機械振子式繼電器。另一類是電子式開關，如晶體管、場效應管及集成電路開關等。2模擬多路切換器的連接方式1）單端連接法;2）差動連接法;3）偽差動連法.,.,3集成多路模擬切換器,常用的CMOS集成多路轉換器有單端和差分兩種類型，一般情況下，它們分別用于單端接法和差動接法應用場合。1）單端集成多路模擬切換器,i1,2,，8，Z表示高阻抗或不接通，fi為模擬開關的連通控制信號，fi=1，對應的模擬開關連通，X=xi，如果信息只能xiX稱為單向多路模擬開關；X、xi可以互送稱為雙向多路模擬開關。,fi=0,第i路模擬模擬開關斷開。fi(A0,A1,A2,EN)是EN控制下的A0A1A2的38譯碼函數。,典型8通道芯片有CD4051、AD7501、MAX354、DG407等。典型16通道芯片有CC4067、AD7506、MAX396等。,.,2）差動集成多路模擬切換器,差動集成多路轉換器有4通道、8通道兩種。基于圖3-15原理的差動4通道器件有MAX355、AD7502、MAX384、MAX399等。典型8通道差動多路轉換器有AD7507、MAX397、MAX359、DG409等。,.,3.3.5采樣保持技術,模/數轉換器完成一次完整的轉換過程所需的時間稱為轉換時間.在轉換時間t內產生的誤差稱為孔徑誤差V.,設模擬信號為：,最大變化率為：,所以,從t=0開始采樣，采樣的孔徑時間為t，則采樣的最大誤差為,.,為滿足模/數轉換精度要求，希望在t時間內，信號變化最大幅度應小于模/數轉換器的量化誤差。對于ADS1211的12位A/D轉換器，轉換時間為100us，基準電壓為10.24V，其量化誤差為：,若Vf=5V，由此要求輸入信號的最高變化頻率：,因此,當轉換時間越長時，不影響轉換精度所允許的信號最高頻率就越低，這就大大限制了模/數轉換器的工作頻率范圍。,.,如圖為S/H器原理圖：,基本結構由MUX，CH兩個接成跟隨器的運放組成，工作過程如下：（1）控制信號：HK合上，VA1經MUX給CH充電（條樣期），由于A1接成跟隨器（K1），VA1Vi，A2也是跟隨器，V0VCH。注：為減小轉換誤差，對CH的充電常數越小越好。即盡可能快的使VCHVi（采樣期不轉換）。,2采樣保持原理分析,.,（2）控制信號由HL，K斷開，CH將K斷時（令其為t1）的值，即Ui(t1)=Uc(t1)保持下來，經A2輸出。（3）啟動A/D轉換，進入t，在t內，Uc(t1)Ui(t1)的時間越長越好。（保持期也就是轉換期）注：為使H期間UCH基本不變，A2的輸入電阻要極大，MUX的反向漏電流極小，總之要使CH趨近于無放電回路，而接近理想的條樣保持器。3典型器件常用的模擬集成化S/H器有LFX98系列，該系列特點：條樣速度高，保持電壓下降速度慢，精度高。除LFX98外，還有SHAXA系列,AD583，HTS系列等.注意S/H的4個性能參數:1)采樣時間.2)孔徑時間.3)輸出電壓衰減率.4)直通饋入.,.,3.3.6模/數轉換技術,模/數轉換器是將模擬量轉換成數字量的裝置。兩大類：（1）直接：計數，逐行，并行；（2）間接：VTD（V/T），VFD（V/F）1逐次逼近式轉換：方案1：取值逼近法設有n位A/D器；（1）將Dn-1MSB置1，其余為0；（2）將n位SAR進行D/A轉換，用轉換所得Vf與Vi（被轉模擬電壓）比較；,.,（3）若VfVi，此次此位1取消改為0，若Vf|UREF|）111欠程量（|UX|0V的模擬電壓，小于中間值的則對應0V的模擬電壓。,.,表3-7DAC0832的工作方式與控制信號例狀態組合的對應關系,、,、,.,由P2.2(A10)和P2.1(A9)作為地址選擇，DAC0832的口地址為0600H。89S51運行如下程序，Vout輸出正的鋸齒波（見表3-6自然碼欄）。MOVDPTR，#0600H；0832的口地址MOVA，#00HLOOP：MOVXDPTR，A；輸出到0832INCAAJMPLOOP,圖3-41DAC0832與89S51的接口,89S51,.,2）12位D/A轉換器及其接口設計,以主機對外數據總線寬度是8位為例，12位D/A轉換器的分辨率大于8位，要使12位數據同步進入D/A轉換器必須采取具有并聯機制的數位匹配方法。數據同步刷新是D/A轉換的基本要求，否則會出現中間量，給控制對象造成危害。,.,執行以下程序，可實現12位數據的D/A轉換。MOVDPTR，#0BFFFH；設置低8位預置寄存器地址MOVA，#LDATA；取低8位數據MOVXDPTR,A；送低8位數據至預置寄存器MOVDPTR，#07FFFH；設置高4位、低8位同時刷新地址MOVA，#HDATA；取高4位數據MOVXDPTR,A；DAC12位數據被同時刷新為適用高分辨率、多方式輸入控制的要求，各內置寄存器按并聯、串聯相結合的方式互聯。DAC1230是典型鎖存器內置的12位D/A轉換器，內部結構見圖3-43。,.,圖3-43DAC1230結構框圖,.,接口程序如下：MOVDPIR，#8001HMOVA,#DAH;DAC數字量高8位MOVDPTR，AMOVDPTR，#8000HMOVA，#DAL；DAC數字低四位，其中最低四位為0MOVXDPTR,AMOVDPT