計算機控制第1章

1、計算機控制計算機控制Computer Control課程安排課程安排講課講課32學時學時實驗實驗8學時學時上機上機6學時學時成績記載方法成績記載方法閉卷考試閉卷考試 70%作業(yè)和出勤作業(yè)和出勤 10%實驗實驗 20%參考書參考書盛珣華，李潤梅編著盛珣華，李潤梅編著. 計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng). 清華大學出版社清華大學出版社. 2007 緒方勝彥著，劉君華譯緒方勝彥著，劉君華譯. 離散時間控制系統(tǒng)離散時間控制系統(tǒng). 西安交通大西安交通大學出版社，學出版社，1990.袁本恕編著袁本恕編著. 計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng). 中國科學技術(shù)大學出版社，中國科學技術(shù)大學出版社，1988.Katsuhi

2、ko Ogata . 現(xiàn)代控制工程現(xiàn)代控制工程. 電子工業(yè)出版社，電子工業(yè)出版社，2000. 施保華施保華, 楊三青楊三青, 周鳳星周鳳星. 計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù). 華中科技大學華中科技大學出版社出版社. 2007. 教材教材數(shù)字控制徐麗娜編著，科學出版社數(shù)字控制徐麗娜編著，科學出版社計算機控制實驗指導書王艷主編，教材科印刷計算機控制實驗指導書王艷主編，教材科印刷第第1章章 緒言緒言 數(shù)字控制（又稱計算機控制）課程為自動控制及相關(guān)數(shù)字控制（又稱計算機控制）課程為自動控制及相關(guān)專業(yè)學生講授線性定常數(shù)字控制系統(tǒng)分析與綜合的一些基專業(yè)學生講授線性定常數(shù)字控制系統(tǒng)分析與綜合的一些基本方法，其理

3、論基礎(chǔ)為線性離散時間系統(tǒng)理論。本方法，其理論基礎(chǔ)為線性離散時間系統(tǒng)理論。控制理論發(fā)展歷史控制理論發(fā)展歷史w 20世紀世紀4060年代，年代，“古典控制理論古典控制理論”時代。時代。 主要針對線性定常系統(tǒng)，解決單輸入單輸出問題。采用主要針對線性定常系統(tǒng)，解決單輸入單輸出問題。采用傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡為基礎(chǔ)的頻域分析方法。對非傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡為基礎(chǔ)的頻域分析方法。對非線性系統(tǒng)，分析采用的相平面法一般不超過兩個變量。線性系統(tǒng)，分析采用的相平面法一般不超過兩個變量。w 20世紀世紀6070年代，年代，“現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論”。 隨著計算機的飛速發(fā)展，推動了狀態(tài)空間法的應用，其隨著計

4、算機的飛速發(fā)展，推動了狀態(tài)空間法的應用，其可以解決多輸入多輸出問題。系統(tǒng)可以是線性的、定常的，可以解決多輸入多輸出問題。系統(tǒng)可以是線性的、定常的，也可以是非線性的、時變的。也可以是非線性的、時變的。w 20世紀世紀70年代至今，向年代至今，向“大系統(tǒng)理論大系統(tǒng)理論”和和“智能控制智能控制”方向方向發(fā)展。發(fā)展。 “大系統(tǒng)理論大系統(tǒng)理論”是用控制和信息的觀點，研究各種大系是用控制和信息的觀點，研究各種大系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、控制方法；統(tǒng)的協(xié)調(diào)、控制方法；“智能控制智能控制”是研究與模擬人類智能是研究與模擬人類智能活動及其控制與信息傳遞過程的規(guī)律，研制仿人智能控制?；顒蛹捌淇刂婆c信息傳遞過程的規(guī)律，研制仿人智

5、能控制。動力學系統(tǒng)動力學系統(tǒng) 連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)確定性系統(tǒng)確定性系統(tǒng)隨機系統(tǒng)隨機系統(tǒng)正常系統(tǒng)正常系統(tǒng)奇異系統(tǒng)奇異系統(tǒng)單變量系統(tǒng)單變量系統(tǒng)多變量系統(tǒng)多變量系統(tǒng)定常系統(tǒng)定常系統(tǒng)時變系統(tǒng)時變系統(tǒng)確知系統(tǒng)確知系統(tǒng)不確知系統(tǒng)不確知系統(tǒng)動力學系統(tǒng)分類圖動力學系統(tǒng)分類圖計算機控制的發(fā)展歷史計算機控制的發(fā)展歷史（一）（一）數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)DA&SCS（Data Acquision and Supervisory Control System） 計算機控制系統(tǒng)在計算機控制系統(tǒng)在20世紀世紀50年代開始出現(xiàn)，由年代開始出現(xiàn)，由于

6、當時計算機硬件條件的限制，控制系統(tǒng)是基于模于當時計算機硬件條件的限制，控制系統(tǒng)是基于模擬控制器實現(xiàn)的，計算機只是作為控制系統(tǒng)的監(jiān)控擬控制器實現(xiàn)的，計算機只是作為控制系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備，負責對控制系統(tǒng)的參數(shù)進行采集、加工和分設(shè)備，負責對控制系統(tǒng)的參數(shù)進行采集、加工和分析處理，此時的計算機控制系統(tǒng)稱為析處理，此時的計算機控制系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或監(jiān)視控制系統(tǒng)或監(jiān)視控制系統(tǒng)。 由于這種系統(tǒng)中計算機并不直接參與系統(tǒng)控制，由于這種系統(tǒng)中計算機并不直接參與系統(tǒng)控制，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠。因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠。 （二）直接數(shù)字控制系統(tǒng)（二）直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC （Direct Digi

7、tal Control） 隨著計算機硬件技術(shù)的日益提高，出現(xiàn)了隨著計算機硬件技術(shù)的日益提高，出現(xiàn)了直接數(shù)字控制直接數(shù)字控制系統(tǒng)系統(tǒng)，傳統(tǒng)的模擬控制器被計算機構(gòu)成的數(shù)字控制器所取代。傳統(tǒng)的模擬控制器被計算機構(gòu)成的數(shù)字控制器所取代。在在DDC控制系統(tǒng)里，傳感器和執(zhí)行機構(gòu)與計算機是點對點的控制系統(tǒng)里，傳感器和執(zhí)行機構(gòu)與計算機是點對點的連接方式，傳感器和執(zhí)行機構(gòu)通過模擬輸入連接方式，傳感器和執(zhí)行機構(gòu)通過模擬輸入/輸出通道與計算輸出通道與計算機構(gòu)成的數(shù)字控制器之間進行模擬機構(gòu)成的數(shù)字控制器之間進行模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，計算機直數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，計算機直接參與系統(tǒng)的控制及信息處理。接參與系統(tǒng)的控制及信息處理。D

8、DC是計算機控制技術(shù)中最是計算機控制技術(shù)中最常用的方法之一，其優(yōu)點是靈活性大、可靠性高，可以實現(xiàn)常用的方法之一，其優(yōu)點是靈活性大、可靠性高，可以實現(xiàn)較復雜的控制規(guī)律，如最優(yōu)控制、魯棒控制、模糊控制等。較復雜的控制規(guī)律，如最優(yōu)控制、魯棒控制、模糊控制等。生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程模擬輸入通道模擬輸入通道模擬輸出通道模擬輸出通道數(shù)控計算機數(shù)控計算機鍵盤、顯示器鍵盤、顯示器打印機等打印機等外部設(shè)備外部設(shè)備直接數(shù)字（直接數(shù)字（DDC）控制系統(tǒng)示意圖控制系統(tǒng)示意圖 具有兩級計算機控制系統(tǒng)的具有兩級計算機控制系統(tǒng)的計算機監(jiān)督系統(tǒng)計算機監(jiān)督系統(tǒng)SCC，其其底層計算機控制系統(tǒng)為執(zhí)行實時控制任務的底層計算機控制系統(tǒng)為執(zhí)行

9、實時控制任務的DDC系統(tǒng)，系統(tǒng)，高層計算機控制系統(tǒng)為具有強大數(shù)據(jù)處理能力的計算機高層計算機控制系統(tǒng)為具有強大數(shù)據(jù)處理能力的計算機監(jiān)督系統(tǒng)。監(jiān)督系統(tǒng)。（三）計算機監(jiān)督系統(tǒng)（三）計算機監(jiān)督系統(tǒng)SCC（Supervisory Computer Control）計算機監(jiān)督系統(tǒng)計算機監(jiān)督系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)（四）分布式控制系統(tǒng)（四）分布式控制系統(tǒng)DCS (Distributed Control Systems) 隨著控制系統(tǒng)規(guī)模的日益擴大，在隨著控制系統(tǒng)規(guī)模的日益擴大，在20世紀世紀70年代又出現(xiàn)了年代又出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)分布式控制系統(tǒng)DCS ，又稱集又稱集散控制系統(tǒng)。散控制系統(tǒng)。 其

10、特點是采用層次化的多級計算機系統(tǒng)進行其特點是采用層次化的多級計算機系統(tǒng)進行分散控制、管理集中。分散控制、管理集中。 分布式控制系統(tǒng)是在計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)是在計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)和計算機多級控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)直接數(shù)字控制系統(tǒng)和計算機多級控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是應用于大規(guī)模復雜系統(tǒng)或生產(chǎn)上發(fā)展起來的，是應用于大規(guī)模復雜系統(tǒng)或生產(chǎn)過程的一種比較完善的控制與管理系統(tǒng)。過程的一種比較完善的控制與管理系統(tǒng)。分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖局域網(wǎng)局域網(wǎng)LAN操作員操作員工作站工作站1#過程過程控制站控制站N#過程過程控制站控制站傳感器傳感器執(zhí)行器執(zhí)行器傳感器

11、傳感器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對象被控對象/生產(chǎn)工程生產(chǎn)工程工程師工程師工作站工作站監(jiān)控監(jiān)控工作站工作站網(wǎng)間連接器網(wǎng)間連接器第一代第一代DCS或或PLC等等（五）網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（五）網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Networked Control Systems，NCS) “Networked Control Systems，NCSs” 最早于最早于1998年出現(xiàn)在年出現(xiàn)在馬里蘭大學馬里蘭大學G. C. Walsh的論著中的論著中 。 隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和控制科學的日益發(fā)展與隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和控制科學的日益發(fā)展與交叉滲透，控制系統(tǒng)已由封閉的集中體系逐漸向開放分布式體交叉滲透，控制系統(tǒng)已由封閉的集中

12、體系逐漸向開放分布式體系發(fā)展。很多復雜的控制系統(tǒng)如無線網(wǎng)絡(luò)機器人、遠程遙控操系發(fā)展。很多復雜的控制系統(tǒng)如無線網(wǎng)絡(luò)機器人、遠程遙控操作、基于作、基于Internet的遠程教學和實驗、遠程醫(yī)療、航空航天系統(tǒng)的遠程教學和實驗、遠程醫(yī)療、航空航天系統(tǒng)以及現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)等，其本質(zhì)上都可歸結(jié)為基于以及現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)等，其本質(zhì)上都可歸結(jié)為基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)，或者稱為網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)，或者稱為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)強調(diào)在通信網(wǎng)絡(luò)上建立閉環(huán)控制回路，因此網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)強調(diào)在通信網(wǎng)絡(luò)上建立閉環(huán)控制回路，因此NCS中的網(wǎng)絡(luò)是一個廣義的范疇，包括了現(xiàn)場總線，工業(yè)以太中的網(wǎng)絡(luò)是一個廣義

13、的范疇，包括了現(xiàn)場總線，工業(yè)以太網(wǎng)、無線通信網(wǎng)絡(luò)、甚至網(wǎng)、無線通信網(wǎng)絡(luò)、甚至Internet等。等。 1.1 數(shù)字控制系統(tǒng)概述數(shù)字控制系統(tǒng)概述 數(shù)字控制系統(tǒng)是以數(shù)字計算機作為數(shù)字控制器，實現(xiàn)數(shù)字控制系統(tǒng)是以數(shù)字計算機作為數(shù)字控制器，實現(xiàn)對連續(xù)對象（或過程）的閉環(huán)控制，因此也稱為計算機對連續(xù)對象（或過程）的閉環(huán)控制，因此也稱為計算機控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。 本書闡述如下幾部分內(nèi)容本書闡述如下幾部分內(nèi)容：數(shù)字控制數(shù)字控制系統(tǒng)建模與分析；系統(tǒng)建模與分析；數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計（或稱綜合）數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計（或稱綜合）；數(shù)字控制系統(tǒng)的實現(xiàn)數(shù)字控制系統(tǒng)的實現(xiàn)；高速采樣數(shù)字控制系統(tǒng)的建模與分析、設(shè)計與實現(xiàn)。高速采

14、樣數(shù)字控制系統(tǒng)的建模與分析、設(shè)計與實現(xiàn)。 傳統(tǒng)的模擬閉環(huán)控制系統(tǒng)如下圖所示，其控制傳統(tǒng)的模擬閉環(huán)控制系統(tǒng)如下圖所示，其控制器由模擬器件構(gòu)成。器由模擬器件構(gòu)成。模擬模擬 控制器控制器 執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu) 被控對象被控對象 或過程或過程 測量元件測量元件 （傳感器）（傳感器） 期望輸入期望輸入 r(t) _ 誤差誤差 e(t) 控制量控制量 u(t) 輸出輸出 y(t) 反饋量反饋量 b(t) 數(shù)字控制系統(tǒng)是以數(shù)字計算機作為數(shù)字控制器，數(shù)字控制系統(tǒng)是以數(shù)字計算機作為數(shù)字控制器，單回路計算機控制系統(tǒng)如下圖所示。單回路計算機控制系統(tǒng)如下圖所示。 數(shù)數(shù)字字 控控制制器器 執(zhí)執(zhí)行行機機構(gòu)構(gòu) 被被控控對對象象

15、 或或過過程程 測測量量元元件件 （傳傳感感器器） 期期望望輸輸入入 r(t) _ 誤誤差差 e(t) 控控制制量量 u(t) 輸輸出出 y(t) 反反饋饋量量 b(t) A/D 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換 D/A 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換 e(kT) u(kT) 1.1.1 系統(tǒng)組成與功能系統(tǒng)組成與功能 數(shù)字控制系統(tǒng)由硬件與軟件兩大部分組成。如果將執(zhí)行機構(gòu)數(shù)字控制系統(tǒng)由硬件與軟件兩大部分組成。如果將執(zhí)行機構(gòu)和測量元件的對象特性并入被控對象或過程，則單輸入單輸出單和測量元件的對象特性并入被控對象或過程，則單輸入單輸出單位反饋數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件框圖如圖位反饋數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件框圖如圖1-1-1所示。所示。A - Analogue

16、D - Digital采樣采樣開關(guān)開關(guān)A/D數(shù)字數(shù)字控制器控制器D/A保持器保持器對象對象或過程或過程r(t) e(t)u(t)y(t)實時時鐘實時時鐘模擬輸入通道模擬輸入通道模擬輸出通道模擬輸出通道離散狀態(tài)離散狀態(tài)連續(xù)狀態(tài)連續(xù)狀態(tài)產(chǎn)生脈沖序列產(chǎn)生脈沖序列作采樣信號作采樣信號連續(xù)信號連續(xù)信號離散信號離散信號離散離散信號信號連續(xù)信號連續(xù)信號圖圖1-1-1 單位反饋數(shù)字控制系統(tǒng)硬件框圖單位反饋數(shù)字控制系統(tǒng)硬件框圖e*(t)e(kT)u(kT)u*(t)1 硬件部分硬件部分 數(shù)字控制系統(tǒng)硬件部分由五部分組成：數(shù)字控制系統(tǒng)硬件部分由五部分組成： （1）連續(xù)被控對象（或過程）：工作于連續(xù)狀態(tài)，輸入輸）連

17、續(xù)被控對象（或過程）：工作于連續(xù)狀態(tài)，輸入輸出是連續(xù)量。出是連續(xù)量。 （2）數(shù)字控制器：工作于離散狀態(tài)，輸入輸出是數(shù)字量，）數(shù)字控制器：工作于離散狀態(tài)，輸入輸出是數(shù)字量，由數(shù)字計算機實現(xiàn)。由數(shù)字計算機實現(xiàn)。 （3）模擬輸入通道：由采樣開關(guān)、）模擬輸入通道：由采樣開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器兩個環(huán)節(jié)組轉(zhuǎn)換器兩個環(huán)節(jié)組成，完成由連續(xù)量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。成，完成由連續(xù)量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。 （4）模擬輸出通道：由）模擬輸出通道：由D/A轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)換器、 保持器兩個環(huán)節(jié)組成，保持器兩個環(huán)節(jié)組成，完成完成 由數(shù)字量到連續(xù)量的轉(zhuǎn)換。由數(shù)字量到連續(xù)量的轉(zhuǎn)換。 （5）實時時鐘：產(chǎn)生脈沖序列，定時控制采樣開關(guān)的閉合，）實時時鐘

18、：產(chǎn)生脈沖序列，定時控制采樣開關(guān)的閉合，控制控制A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的輸出。轉(zhuǎn)換器的輸出。 需要說明的是：需要說明的是：數(shù)字控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制與連續(xù)系統(tǒng)的閉環(huán)控制相同點是數(shù)字控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制與連續(xù)系統(tǒng)的閉環(huán)控制相同點是數(shù)字控制系統(tǒng)也采用反饋控制，可以使系統(tǒng)的響應對外部數(shù)字控制系統(tǒng)也采用反饋控制，可以使系統(tǒng)的響應對外部干擾和系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)變化不敏感，這一點與連續(xù)系統(tǒng)閉環(huán)干擾和系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)變化不敏感，這一點與連續(xù)系統(tǒng)閉環(huán)反饋控制相同；反饋控制相同；不同的是：系統(tǒng)只根據(jù)采樣時刻，即離散時間點上的過程不同的是：系統(tǒng)只根據(jù)采樣時刻，即離散時間點上的過程變量值進行工作，也就是說數(shù)控系統(tǒng)只是在采樣時刻處為變

19、量值進行工作，也就是說數(shù)控系統(tǒng)只是在采樣時刻處為閉環(huán)控制；在采樣時刻之間，數(shù)控系統(tǒng)處于開環(huán)控制。閉環(huán)控制；在采樣時刻之間，數(shù)控系統(tǒng)處于開環(huán)控制。由于數(shù)控計算機的離散時間性質(zhì)，故采樣是數(shù)字控制系統(tǒng)由于數(shù)控計算機的離散時間性質(zhì)，故采樣是數(shù)字控制系統(tǒng)的基本特征。數(shù)字（計算機）控制系統(tǒng)又稱為采樣數(shù)據(jù)系的基本特征。數(shù)字（計算機）控制系統(tǒng)又稱為采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)。統(tǒng)。2 軟件部分軟件部分（在計算機上實現(xiàn)控制規(guī)律）（在計算機上實現(xiàn)控制規(guī)律）主程序：系統(tǒng)初始化設(shè)置；主程序：系統(tǒng)初始化設(shè)置；控制子程序：實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制算法、控制量的輸出控制子程序：實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制算法、控制量的輸出和存儲。和存儲。 數(shù)控系統(tǒng)的功能

20、為：在數(shù)字計算機控制下，每隔一個數(shù)控系統(tǒng)的功能為：在數(shù)字計算機控制下，每隔一個采樣周期采樣周期 T，對對連續(xù)連續(xù)偏差信號偏差信號e(t)進行采樣，經(jīng)由進行采樣，經(jīng)由模擬輸入模擬輸入通道轉(zhuǎn)換通道轉(zhuǎn)換成成數(shù)字量送入計算機中，計算機數(shù)字量送入計算機中，計算機（數(shù)字控制器）（數(shù)字控制器）根據(jù)控制規(guī)律進行運算，求得控制量輸出，根據(jù)控制規(guī)律進行運算，求得控制量輸出，由模擬輸出通由模擬輸出通道轉(zhuǎn)換成連續(xù)量道轉(zhuǎn)換成連續(xù)量去控制被控對象去控制被控對象（或過程）（或過程） ，使系統(tǒng)的動使系統(tǒng)的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)特性達到預期的指標態(tài)、穩(wěn)態(tài)特性達到預期的指標。 控控制制子子程程序序控制量的輸出和存儲控制量的輸出和存儲YN開開

21、 始始主程序：初始化設(shè)置主程序：初始化設(shè)置數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集控制算法控制算法采樣采樣? 圖圖1-1-2 數(shù)字控制系統(tǒng)軟件流程數(shù)字控制系統(tǒng)軟件流程1.1.2 數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點程序控制：易于修改，改變控制規(guī)律不需修改硬件，通程序控制：易于修改，改變控制規(guī)律不需修改硬件，通過修改控制子程序就可以滿足不同的控制要求。因此相過修改控制子程序就可以滿足不同的控制要求。因此相對于連續(xù)控制系統(tǒng)更具有靈活性。對于連續(xù)控制系統(tǒng)更具有靈活性。精度高：模擬控制器的精度由硬件決定，同一批次的元精度高：模擬控制器的精度由硬件決定，同一批次的元器件可能具有不同的性能，例如電阻、電容的標稱值和器件可能具有不同的性能

22、，例如電阻、電容的標稱值和實際測量值會有不同，達到高精度很實際測量值會有不同，達到高精度很不容易，元器件的不容易，元器件的價格隨精度不同變化很大；而數(shù)字控制器的精度與計算價格隨精度不同變化很大；而數(shù)字控制器的精度與計算機的控制算法和字長有關(guān)，在系統(tǒng)設(shè)計時就已經(jīng)決定了。機的控制算法和字長有關(guān)，在系統(tǒng)設(shè)計時就已經(jīng)決定了。穩(wěn)定性好：數(shù)控計算機只有穩(wěn)定性好：數(shù)控計算機只有 “0”、 “1” 狀態(tài)，抗干狀態(tài)，抗干擾能力強，不象電阻、電容等受外界環(huán)境影響較大。擾能力強，不象電阻、電容等受外界環(huán)境影響較大。軟件復用：硬件不能復用，子程序卻可以，所以具有可軟件復用：硬件不能復用，子程序卻可以，所以具有可重復性

23、。而且計算機系統(tǒng)和軟件都可以更新?lián)Q代。重復性。而且計算機系統(tǒng)和軟件都可以更新?lián)Q代。分時控制：可同時控制多系統(tǒng)、多通道。而模擬控制器分時控制：可同時控制多系統(tǒng)、多通道。而模擬控制器只能完成單通道控制。只能完成單通道控制。圖圖1-1-4 多路模擬輸入多路模擬輸入/輸出通道示意圖輸出通道示意圖模模 擬擬 輸輸 出出模模 擬擬 輸輸 入入多多 路路 開開 關(guān)關(guān)反反 多多 路路 開開 關(guān)關(guān)A/DD/A數(shù)字數(shù)字計算機計算機控控 制制數(shù)控系統(tǒng)的缺點、局限性數(shù)控系統(tǒng)的缺點、局限性實時性：數(shù)控系統(tǒng)由計算機運行速度、實時性：數(shù)控系統(tǒng)由計算機運行速度、A/D與與D/A采樣速采樣速度、控制算法等多種因素決定其采樣頻率

24、上限度、控制算法等多種因素決定其采樣頻率上限。信號的處理：離散系統(tǒng)的采樣頻率下限受到采樣定理的信號的處理：離散系統(tǒng)的采樣頻率下限受到采樣定理的限制，在輸入信號頻率不滿足采樣定理時得到的采樣信限制，在輸入信號頻率不滿足采樣定理時得到的采樣信號會產(chǎn)生頻率混迭現(xiàn)象。號會產(chǎn)生頻率混迭現(xiàn)象。數(shù)控系統(tǒng)一般需要進行連續(xù)信號與數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換，數(shù)控系統(tǒng)一般需要進行連續(xù)信號與數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換，因此系統(tǒng)性能受到因此系統(tǒng)性能受到 A/D與與 D/A性能的影響，包括實時性、性能的影響，包括實時性、精度等。精度等。 最后需要指出的是，連續(xù)控制系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)各有優(yōu)最后需要指出的是，連續(xù)控制系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，應

25、用時采用何種控制方式需考慮價格比、使用環(huán)境、缺點，應用時采用何種控制方式需考慮價格比、使用環(huán)境、可靠性、體積等多種實際情況?？煽啃浴Ⅲw積等多種實際情況。 可作為數(shù)控系統(tǒng)實時控制器的微計算機種類越來越可作為數(shù)控系統(tǒng)實時控制器的微計算機種類越來越多，如：多，如：臺式機、臺式機、PLC、單片機、嵌入式計算機、單片機、嵌入式計算機、ARM、PLD、DSP等等 。 設(shè)計和實現(xiàn)實時系統(tǒng)，需要從以下幾個指標來選擇設(shè)計和實現(xiàn)實時系統(tǒng)，需要從以下幾個指標來選擇微型機：速度、字長、指令系統(tǒng)、輸入微型機：速度、字長、指令系統(tǒng)、輸入/輸出控制方式及輸出控制方式及容量等等；在實際應用中，還要考慮高可靠性、可維護容量等等

26、；在實際應用中，還要考慮高可靠性、可維護性、微型化要求等等。性、微型化要求等等。多種多種微計算機微計算機舉例舉例（一）通用計算機（臺式機（一）通用計算機（臺式機） 軟、硬件通用，多種軟、硬件支持，配套設(shè)備完善。但軟、硬件通用，多種軟、硬件支持，配套設(shè)備完善。但作為數(shù)字控制器整體的實時處理速度不是很快，決定于所有作為數(shù)字控制器整體的實時處理速度不是很快，決定于所有部件的速度。部件的速度。（二二）單片機）單片機 單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。盡管它的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一盡管它的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是

27、它具有一個完整計算機所需要的大部分部件：個完整計算機所需要的大部分部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強大通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強大的單片機系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復雜的輸入的單片機系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。 當前使用的單片機種類繁多，有當前使用的單片機種類繁多，有Zilog公司的公司的Z8系列單系列單片機，片機，Intel公司的公司的51系列單片機

28、，系列單片機，Atmel公司的公司的AVR單片單片機，機，Motorola公司的公司的M68系列單片機、系列單片機、Cygnal公司的公司的C8051F系列單片機等。系列單片機等。 單片機比專用處理器更適合應用于嵌入式系統(tǒng)，因此單片機比專用處理器更適合應用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應用。事實上單片機是世界上數(shù)量最多的它得到了最多的應用。事實上單片機是世界上數(shù)量最多的微機。微機。 單片機誕生于單片機誕生于20世紀世紀70年代末，年代末，經(jīng)歷了經(jīng)歷了SCM、MCU、SoC三大階段。三大階段。SCM即即單片微型計算機單片微型計算機（Single Chip Microcomputer）階段，主要

29、是為尋求單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)階段，主要是為尋求單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)；構(gòu)；MCU即即微控制器微控制器（Micro Controller Unit）階段，為了滿階段，為了滿足嵌入式應用，擴展了對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與足嵌入式應用，擴展了對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力；接口電路，突顯其對象的智能化控制能力；專用單片機的發(fā)展自然形成了專用單片機的發(fā)展自然形成了片上系統(tǒng)片上系統(tǒng)SoC（ System on Chip）化趨勢，就是尋求將應用系統(tǒng)研制在一塊芯片上?；厔?，就是尋求將應用系統(tǒng)研制在一塊芯片上。隨著微電子技術(shù)、隨著微電子技術(shù)、IC設(shè)計、

30、設(shè)計、EDA工具的發(fā)展，基于工具的發(fā)展，基于SoC的單片機應用系統(tǒng)設(shè)計將會有更大的發(fā)展。的單片機應用系統(tǒng)設(shè)計將會有更大的發(fā)展。（三）三）PLC可編程序控制器可編程序控制器 適用于工業(yè)自動化控制，安全可靠，比較完善，但價格適用于工業(yè)自動化控制，安全可靠，比較完善，但價格較貴，體積較大。較貴，體積較大。（四）四）DSP芯片芯片專門的可編程數(shù)字信號處理芯片專門的可編程數(shù)字信號處理芯片 DSP芯片是專門的可編程數(shù)字信號處理芯片，采用哈芯片是專門的可編程數(shù)字信號處理芯片，采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)具有獨立的存儲空間，有著各佛總線結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)具有獨立的存儲空間，有著各自獨立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，結(jié)構(gòu)

31、復雜，但數(shù)據(jù)處理自獨立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，結(jié)構(gòu)復雜，但數(shù)據(jù)處理能力大大提高，有可以實現(xiàn)特處用途（如能力大大提高，有可以實現(xiàn)特處用途（如FFT、FIR濾波、濾波、卷積）的專門卷積）的專門DSP芯片。芯片。 它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。 它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色，所以的兩大特色，所以DSP多

32、用于需高速實時數(shù)據(jù)處理的場合多用于需高速實時數(shù)據(jù)處理的場合（如圖形處理，大規(guī)模數(shù)據(jù)實時運算）。（如圖形處理，大規(guī)模數(shù)據(jù)實時運算）。（五）嵌入式計算機（五）嵌入式計算機 嵌入式計算機一般指非嵌入式計算機一般指非PC機系統(tǒng)，它是以應用為中心，機系統(tǒng)，它是以應用為中心，軟硬件可裁減，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、軟硬件可裁減，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。功耗等綜合性嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。 具有軟件代碼小、高度自動化、響應速度快等特點，特別具有軟件代碼小、高度自動化、響應速度快等特點，特別適合于要求實時和多任務的體系。適合于要求實時和多任

33、務的體系。 嵌入式計算機系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式計算機系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應用軟件系統(tǒng)等組成，它是可獨立工作的微嵌入式操作系統(tǒng)及應用軟件系統(tǒng)等組成，它是可獨立工作的微型計算機。型計算機。 如如PC/104計算機，高度模塊化設(shè)計，通過棧接的方式可以計算機，高度模塊化設(shè)計，通過棧接的方式可以為嵌入式應用提供高集成度的為嵌入式應用提供高集成度的CPU模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)采集、模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊等模塊。因為可以自主選擇需要的模塊棧接入系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通訊等模塊。因為可以自主選擇需要的模塊棧接入系統(tǒng)，因此系統(tǒng)搭建具有很大的靈活性；雖然整體體

34、積比因此系統(tǒng)搭建具有很大的靈活性；雖然整體體積比PC機小得機小得多，但軟件結(jié)構(gòu)可以與多，但軟件結(jié)構(gòu)可以與IBM PC/AT體系完全兼容。體系完全兼容。 嵌入式計算機嵌入式計算機PC/104液晶顯示器液晶顯示器 PC/104 標準提供與標準提供與 PC總線在體系結(jié)構(gòu)、硬件和軟件總線在體系結(jié)構(gòu)、硬件和軟件上的完全兼容。采用上的完全兼容。采用CMOS器件，功耗低；棧接結(jié)構(gòu)，非器件，功耗低；棧接結(jié)構(gòu)，非常緊湊堅固。已有的常緊湊堅固。已有的PC/104模塊為構(gòu)造嵌入式系統(tǒng)提供了模塊為構(gòu)造嵌入式系統(tǒng)提供了種類繁多的各種構(gòu)件，它的高集成性和可模塊化的結(jié)構(gòu)適種類繁多的各種構(gòu)件，它的高集成性和可模塊化的結(jié)構(gòu)適用

35、于多種應用。用于多種應用。 （六）可編程邏輯器件（六）可編程邏輯器件PLD （Programmable logic device） PLD是做為一種通用集成電路生產(chǎn)的，它的邏輯功能按照用是做為一種通用集成電路生產(chǎn)的，它的邏輯功能按照用戶對器件編程來確定。一般的戶對器件編程來確定。一般的PLD的集成度很高，足以滿足設(shè)計的集成度很高，足以滿足設(shè)計一般的數(shù)字系統(tǒng)的需要。這樣就可以由設(shè)計人員自行編程而把一一般的數(shù)字系統(tǒng)的需要。這樣就可以由設(shè)計人員自行編程而把一個數(shù)字系統(tǒng)個數(shù)字系統(tǒng)“集成集成”在一片在一片PLD上，而不必去請芯片制造廠商設(shè)上，而不必去請芯片制造廠商設(shè)計和制作專用的集成電路芯片。計和制作專

36、用的集成電路芯片。 目前常用的目前常用的PLD產(chǎn)品主要有：產(chǎn)品主要有： 1、現(xiàn)場可編程邏輯陣列、現(xiàn)場可編程邏輯陣列FPLA（Field programmable logic array） 2、可編程陣列邏輯可編程陣列邏輯PAL（Programmable array logic）；）； 3、通用陣列邏輯通用陣列邏輯GAL（Generic array logic）；）； 4、復雜可編程邏輯器件復雜可編程邏輯器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）；）； 5、現(xiàn)場可編程門陣列現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（field programmable gate array

37、）。）。 其中其中CPLD和和FPGA的集成度比較高，有時又把這兩種器件稱的集成度比較高，有時又把這兩種器件稱為高密度為高密度PLD。 FPGA是在是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。 FPGA的基本特點主要有：的基本特點主要有： 1）采用）采用FPGA設(shè)計設(shè)計ASIC電路，用戶不

38、需要投片生產(chǎn)，就能電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。得到合用的芯片。 2）FPGA可做其它全定制或半定制可做其它全定制或半定制ASIC電路中的試樣片。電路中的試樣片。 3）FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和IO引腳。引腳。 4）FPGA是是ASIC電路中設(shè)計周期最短、開發(fā)費用最低、風電路中設(shè)計周期最短、開發(fā)費用最低、風險最小的器件之一。險最小的器件之一。 5）FPGA采用高速采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。電平兼容。 可以說，可以說，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的

39、最佳選擇之一。性的最佳選擇之一。 1.2 數(shù)字控制對計算機（系統(tǒng)）的要求數(shù)字控制對計算機（系統(tǒng)）的要求1.2.1 實時控制實時控制 在一個采樣周期在一個采樣周期 T 內(nèi)必須完成如下操作：內(nèi)必須完成如下操作：1. 數(shù)據(jù)采集：采樣，數(shù)據(jù)采集：采樣，A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)輸入的時間轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)輸入的時間t1 ；2. 程序運行求出控制量的時間程序運行求出控制量的時間t2 ；3. 控制量的輸出和存儲控制量的輸出和存儲時間時間t3 。 則為了實現(xiàn)實時控制，必須有則為了實現(xiàn)實時控制，必須有輸出多通道系統(tǒng)。輸出多通道系統(tǒng)。輸入輸入代表代表式中式中nnntttTniiii 1321)(1.2.2 對計算機（系統(tǒng)）的要求對計算機（系統(tǒng)）的要求硬件支持硬件支持1. CPU、內(nèi)存、中斷、指令系統(tǒng)等；內(nèi)存、中斷、指令系統(tǒng)等；2. 實時時鐘；實時時鐘；3. 輸入輸出通道；輸入輸出通道；4. 外設(shè)。外設(shè)。軟件支持軟件支持人機對話功能人機對話功能圖圖1-2-1 數(shù)字控制系統(tǒng)硬件框圖數(shù)字控制系統(tǒng)硬件框圖數(shù)字計