第1章數(shù)字控制徐麗娜

1、計(jì)算機(jī)控制計(jì)算機(jī)控制Computer Control航天學(xué)院航天學(xué)院控制科學(xué)與工程系控制科學(xué)與工程系金金 晶晶主樓主樓602 139364451921課程安排課程安排講課講課32學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) 金晶金晶實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)6學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)上機(jī)上機(jī)6學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) 上機(jī)、實(shí)驗(yàn)如下：上機(jī)、實(shí)驗(yàn)如下：實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)一 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與仿真數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與仿真 實(shí)驗(yàn)二實(shí)驗(yàn)二 數(shù)字?jǐn)?shù)字PID控制器設(shè)計(jì)與仿真控制器設(shè)計(jì)與仿真 實(shí)驗(yàn)三實(shí)驗(yàn)三 數(shù)字輸入數(shù)字輸入/輸出實(shí)驗(yàn)輸出實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)四實(shí)驗(yàn)四 模擬濾波與數(shù)字濾波實(shí)驗(yàn)?zāi)M濾波與數(shù)字濾波實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)五實(shí)驗(yàn)五 數(shù)字?jǐn)?shù)字PID控制實(shí)驗(yàn)控制實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)六實(shí)驗(yàn)六 直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速實(shí)驗(yàn)直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速實(shí)驗(yàn)2 王艷

2、王艷參考書參考書盛珣華，李潤梅編著盛珣華，李潤梅編著. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng). 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)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(shí)間控制系統(tǒng)離散時(shí)間控制系統(tǒng). 西安交通大西安交通大學(xué)出版社，學(xué)出版社，1990.袁本恕編著袁本恕編著. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng). 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1988.Katsuhiko 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(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù). 華中科技大學(xué)華中科技大學(xué)出版社出版社.

3、 2007. 教材教材數(shù)字控制徐麗娜編著，科學(xué)出版社數(shù)字控制徐麗娜編著，科學(xué)出版社計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書王艷主編，教材科印刷計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書王艷主編，教材科印刷3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(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn) 20%4第第1章章 緒言緒言 數(shù)字控制（又稱計(jì)算機(jī)控制）課程為自動控制及相關(guān)數(shù)字控制（又稱計(jì)算機(jī)控制）課程為自動控制及相關(guān)專業(yè)學(xué)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(xué)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，其理論基礎(chǔ)為本方法，其理論基礎(chǔ)為線性離散時(shí)間系統(tǒng)線性離散時(shí)間系統(tǒng)理論。理論。 數(shù)字控制系統(tǒng)是以數(shù)字控制系統(tǒng)是以數(shù)字計(jì)算機(jī)

4、數(shù)字計(jì)算機(jī)作為作為數(shù)字控制器數(shù)字控制器，實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對連續(xù)對象（或過程）的對連續(xù)對象（或過程）的閉環(huán)控制閉環(huán)控制，也稱為計(jì)算機(jī)控制系，也稱為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。統(tǒng)。5控制理論發(fā)展歷史控制理論發(fā)展歷史w20世紀(jì)世紀(jì)4060年代，年代，“古典控制理論古典控制理論”時(shí)代。時(shí)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(gè)變量。線性系統(tǒng)，分析采用的相平面法一般不超過兩個(gè)變量。w20世紀(jì)世紀(jì)6070年代，年代，“

5、現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論”。 隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，推動了狀態(tài)空間法的應(yīng)用，其隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，推動了狀態(tài)空間法的應(yīng)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(shí)變的。也可以是非線性的、時(shí)變的。集中控制理論階段集中控制理論階段6w20世紀(jì)世紀(jì)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(diǎn)，研究各種大系統(tǒng)的是用控制和信息的觀點(diǎn)，研究各種大系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、控制方法，包括大系統(tǒng)的建模、模型降階、遞階控制、協(xié)調(diào)、控制方法，包

6、括大系統(tǒng)的建模、模型降階、遞階控制、分散控制和穩(wěn)定性等內(nèi)容；大系統(tǒng)的特征是：規(guī)模龐大、結(jié)分散控制和穩(wěn)定性等內(nèi)容；大系統(tǒng)的特征是：規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜（環(huán)節(jié)較多、層次較多或關(guān)系復(fù)雜）、目標(biāo)多樣、影構(gòu)復(fù)雜（環(huán)節(jié)較多、層次較多或關(guān)系復(fù)雜）、目標(biāo)多樣、影響因素眾多，且常帶有隨機(jī)性的系統(tǒng)。響因素眾多，且常帶有隨機(jī)性的系統(tǒng)。 “智能控制智能控制”是研究與模擬人類智能活動及其控制與信息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。傳遞過程的規(guī)律，研制仿人智能控制。分散控制理論階段分散控制理論階段7動力學(xué)系統(tǒng)動力學(xué)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

7、統(tǒng)確定性系統(tǒng)確定性系統(tǒng)隨機(jī)系統(tǒng)隨機(jī)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(shí)變系統(tǒng)時(shí)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(xué)系統(tǒng)分類圖動力學(xué)系統(tǒng)分類圖8計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展歷史計(jì)算機(jī)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 Acquisition and Supervisory Control System） 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在20世紀(jì)世紀(jì)50年代開始出現(xiàn)，由年代開始出現(xiàn)，由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)硬件條件的限制，控制系統(tǒng)是基于模于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)硬件條件的限制，控制系統(tǒng)是基于模擬控

8、制器實(shí)現(xiàn)的，計(jì)算機(jī)只是作為控制系統(tǒng)的監(jiān)控?cái)M控制器實(shí)現(xiàn)的，計(jì)算機(jī)只是作為控制系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備，負(fù)責(zé)對控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行采集、加工和分設(shè)備，負(fù)責(zé)對控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行采集、加工和分析處理，此時(shí)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)稱為析處理，此時(shí)的計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)并不直接參與系統(tǒng)控制，由于這種系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)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。 9（二）直接數(shù)字控制系統(tǒng)（二）直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC （Direct Digital Control） 隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的日益提高，出現(xiàn)了隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的日益提

9、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(jì)算機(jī)構(gòu)成的傳統(tǒng)的模擬控制器被計(jì)算機(jī)構(gòu)成的數(shù)字控制器數(shù)字控制器所取代。所取代。在在DDC控制系統(tǒng)里，傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)與計(jì)算機(jī)是點(diǎn)對點(diǎn)的控制系統(tǒng)里，傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)與計(jì)算機(jī)是點(diǎn)對點(diǎn)的連接方式，傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過模擬輸入連接方式，傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過模擬輸入/輸出通道與計(jì)算輸出通道與計(jì)算機(jī)構(gòu)成的數(shù)字控制器之間進(jìn)行模擬機(jī)構(gòu)成的數(shù)字控制器之間進(jìn)行模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，計(jì)算機(jī)直數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，計(jì)算機(jī)直接接參與系統(tǒng)的控制及信息處理參與系統(tǒng)的控制及信息處理。DDC是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)中最是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)中最常用的方法之一，其優(yōu)點(diǎn)是靈活性大、可靠性高，可

10、以實(shí)現(xiàn)常用的方法之一，其優(yōu)點(diǎn)是靈活性大、可靠性高，可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制規(guī)律，如最優(yōu)控制、魯棒控制、模糊控制等。較復(fù)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(jì)算機(jī)數(shù)控計(jì)算機(jī)鍵盤、顯示器鍵盤、顯示器打印機(jī)等打印機(jī)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10 具有兩級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的具有兩級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)監(jiān)督系統(tǒng)計(jì)算機(jī)監(jiān)督系統(tǒng)SCC，其其底層計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為執(zhí)行實(shí)時(shí)控制任務(wù)的底層計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為執(zhí)行實(shí)時(shí)控制任務(wù)的DDC系統(tǒng)，系統(tǒng)，高層計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力的計(jì)算機(jī)高層計(jì)

11、算機(jī)控制系統(tǒng)為具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力的計(jì)算機(jī)監(jiān)督系統(tǒng)。監(jiān)督系統(tǒng)。（三）計(jì)算機(jī)監(jiān)督系統(tǒng)（三）計(jì)算機(jī)監(jiān)督系統(tǒng)SCC（Supervisory Computer Control）計(jì)算機(jī)監(jiān)督系統(tǒng)計(jì)算機(jī)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)11（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(kuò)大，在隨著控制系統(tǒng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，在20世紀(jì)世紀(jì)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)。 其特點(diǎn)是采用層次化的多級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行其特點(diǎn)是采用層次化的多級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分散控制

12、、管理集中。分散控制、管理集中。 分布式控制系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)多級控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)直接數(shù)字控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)多級控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是應(yīng)用于大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)或生產(chǎn)上發(fā)展起來的，是應(yīng)用于大規(guī)模復(fù)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)。12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)

13、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13（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(xué)馬里蘭大學(xué)G. C. Walsh的論著中的論著中 。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和控制科學(xué)的日益發(fā)展與隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和控制科學(xué)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)已由封閉的集中體系逐漸向開放分布式體系發(fā)展。很多復(fù)雜的控制系統(tǒng)如系發(fā)展。很多復(fù)雜的控制系

14、統(tǒng)如無線網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人無線網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人、遠(yuǎn)程遙控操遠(yuǎn)程遙控操作作、基于、基于Internet的的遠(yuǎn)程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程醫(yī)療遠(yuǎn)程醫(yī)療、航空航天系統(tǒng)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(qiáng)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(qiáng)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(gè)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(gè)廣義的范疇，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In

15、ternet等。等。 141.1 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(jì)算機(jī)作為數(shù)字控制器，實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制系統(tǒng)是以數(shù)字計(jì)算機(jī)作為數(shù)字控制器，實(shí)現(xiàn)對連續(xù)對象（或過程）的閉環(huán)控制，因此也稱為計(jì)算機(jī)對連續(xù)對象（或過程）的閉環(huán)控制，因此也稱為計(jì)算機(jī)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(jì)（或稱綜合）數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（或稱綜合）；數(shù)字控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)；高速采樣數(shù)字控制系統(tǒng)的建模與分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。高速采樣數(shù)字控制系統(tǒng)的建模與分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 15 傳統(tǒng)的模擬閉環(huán)控制系統(tǒng)如下圖

16、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。模模擬擬 控控制制器器 執(zhí)執(zhí)行行機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu) 被被控控對對象象 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) 數(shù)字控制系統(tǒng)是以數(shù)字計(jì)算機(jī)作為數(shù)字控制器，數(shù)字控制系統(tǒng)是以數(shù)字計(jì)算機(jī)作為數(shù)字控制器，單回路計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)如下圖所示。單回路計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)如下圖所示。 數(shù)字?jǐn)?shù)字 控制器控制器 執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)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

17、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) A/D 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 D/A 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 e(kT) u(kT) 16 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(jī)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(jī)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 - AnalogueD - Digital采樣采樣開關(guān)開關(guān)A/D數(shù)字?jǐn)?shù)字控制器控制器

18、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(shí)時(shí)時(shí)鐘實(shí)時(shí)時(shí)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)171 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

19、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(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。由數(shù)字計(jì)算機(jī)實(shí)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(gè)環(huán)節(jié)組轉(zhuǎn)換器兩個(gè)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(gè)環(huán)節(jié)組成，保持器兩個(gè)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(shí)時(shí)時(shí)鐘：產(chǎn)生脈沖序列，定時(shí)控制采樣開關(guān)的閉合，）實(shí)時(shí)時(shí)鐘：產(chǎn)生脈沖序列，定時(shí)控制采樣開關(guān)的閉合，控制控制A/D、D/

20、A轉(zhuǎn)換器的輸出。轉(zhuǎn)換器的輸出。 18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(diǎn)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(diǎn)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(yīng)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(yīng)對外部干擾和系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)變化不敏感，這一點(diǎn)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(diǎn)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(shí)刻，即離散時(shí)間點(diǎn)上的過程不同的是：系統(tǒng)只根據(jù)采樣時(shí)刻，即離散時(shí)間點(diǎn)上的過程變量值進(jìn)行工作，也就是說數(shù)控系統(tǒng)只是在采樣時(shí)刻處為變量值進(jìn)行工作，也就是說數(shù)控系統(tǒng)只是在采樣時(shí)刻處為閉環(huán)控制

21、；在采樣時(shí)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(shí)刻之間，數(shù)控系統(tǒng)處于開環(huán)控制。由于數(shù)控計(jì)算機(jī)的離散時(shí)間性質(zhì)，故采樣是數(shù)字控制系統(tǒng)由于數(shù)控計(jì)算機(jī)的離散時(shí)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(jì)算機(jī)）控制系統(tǒng)又稱為采樣數(shù)據(jù)系的基本特征。數(shù)字（計(jì)算機(jī)）控制系統(tǒng)又稱為采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)。統(tǒng)。192 軟件部分軟件部分（在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)控制規(guī)律）（在計(jì)算機(jī)上實(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制算法、控制量的輸出控制子程序：實(shí)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)的功能為：在數(shù)字計(jì)算機(jī)控制下，每隔一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的功能為：在

22、數(shù)字計(jì)算機(jī)控制下，每隔一個(gè)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(jìn)行進(jìn)行采樣采樣，經(jīng)由，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(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)（數(shù)字控制器）（數(shù)字控制器）根據(jù)控制規(guī)律進(jìn)行根據(jù)控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算運(yùn)算，求得控制量輸出，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)量去去控制控制被控對象被控對象（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(dá)到預(yù)期的指標(biāo)態(tài)、穩(wěn)態(tài)特性達(dá)到預(yù)期的指標(biāo)。 20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 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

23、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211.1.2 數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)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(biāo)稱值和器件可能具有不同的性能，例如電阻、電容的標(biāo)稱值和實(shí)際測量值會有不同，

24、達(dá)到高精度很不容易，元器件的實(shí)際測量值會有不同，達(dá)到高精度很不容易，元器件的價(jià)格隨精度不同變化很大；而數(shù)字控制器的精度與計(jì)算價(jià)格隨精度不同變化很大；而數(shù)字控制器的精度與計(jì)算機(jī)的控制算法和字長有關(guān)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)決定了。機(jī)的控制算法和字長有關(guān)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)決定了。穩(wěn)定性好：數(shù)控計(jì)算機(jī)只有穩(wěn)定性好：數(shù)控計(jì)算機(jī)只有 “0”、 “1” 狀態(tài)，抗干狀態(tài)，抗干擾能力強(qiáng)，不象電阻、電容等受外界環(huán)境影響較大。擾能力強(qiáng)，不象電阻、電容等受外界環(huán)境影響較大。22軟件復(fù)用：硬件不能復(fù)用，子程序卻可以，所以具有可軟件復(fù)用：硬件不能復(fù)用，子程序卻可以，所以具有可重復(fù)性。而且計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和軟件都可以更新?lián)Q代。重復(fù)

25、性。而且計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和軟件都可以更新?lián)Q代。分時(shí)控制：可同時(shí)控制多系統(tǒng)、多通道。而模擬控制器分時(shí)控制：可同時(shí)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?jǐn)?shù)字計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)控控 制制23數(shù)控系統(tǒng)的缺點(diǎn)、局限性數(shù)控系統(tǒng)的缺點(diǎn)、局限性實(shí)時(shí)性：數(shù)控系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度、實(shí)時(shí)性：數(shù)控系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)運(yùn)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上限度、控制算法等多種因素決定其采樣頻

26、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(shí)得到的采樣信限制，在輸入信號頻率不滿足采樣定理時(shí)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(jìn)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(jìn)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(shí)時(shí)性、性能的影響，包括實(shí)時(shí)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(diǎn)，應(yīng)用時(shí)采用何種控制方式需考慮價(jià)格比、使用

27、環(huán)境、缺點(diǎn)，應(yīng)用時(shí)采用何種控制方式需考慮價(jià)格比、使用環(huán)境、可靠性、體積等多種實(shí)際情況。可靠性、體積等多種實(shí)際情況。24 可作為數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制器的微計(jì)算機(jī)種類越來越可作為數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制器的微計(jì)算機(jī)種類越來越多，如：多，如：臺式機(jī)、臺式機(jī)、PLC、單片機(jī)、嵌入式計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、嵌入式計(jì)算機(jī)、ARM、PLD、DSP等等 。 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，需要從以下幾個(gè)指標(biāo)來選擇設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，需要從以下幾個(gè)指標(biāo)來選擇微型機(jī)：速度、字長、指令系統(tǒng)、輸入微型機(jī)：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(shí)際應(yīng)用中，還要考慮高可靠性、可維護(hù)容量等等；在實(shí)際應(yīng)用中，還要考慮高可靠性、

28、可維護(hù)性、微型化要求等等。性、微型化要求等等。多種多種微計(jì)算機(jī)微計(jì)算機(jī)舉例舉例25（一）通用計(jì)算機(jī)（臺式機(jī)（一）通用計(jì)算機(jī)（臺式機(jī)） 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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)處理速度不是很快，決定于所有部件的速度。部件的速度。26（二二）單片機(jī)）單片機(jī) 單片機(jī)是指一個(gè)單片機(jī)是指一個(gè)集成集成在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)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，但是它具有一個(gè)完整計(jì)算機(jī)所需要

29、的大部分部件：個(gè)完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件：CPU、內(nèi)存內(nèi)存、內(nèi)部和內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有，目前大部分還會具有外存外存。同時(shí)集成諸如。同時(shí)集成諸如通訊接口、定時(shí)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強(qiáng)大通訊接口、定時(shí)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入的單片機(jī)系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)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(dāng)前使用的單片機(jī)種類繁多，如當(dāng)前使用的單片機(jī)種類繁多，如Intel公司的公司的51系列單系列單片機(jī)；早期的單片機(jī)都是片機(jī)；早期的單片機(jī)都是8位或位或4位的位的,隨著技術(shù)的

30、發(fā)展，單隨著技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)從片機(jī)從16位增加到目前的位增加到目前的32位，目前高端的位，目前高端的32位單片機(jī)主位單片機(jī)主頻已經(jīng)超過頻已經(jīng)超過300MHz。 單片機(jī)比專用處理器更適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此單片機(jī)比專用處理器更適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應(yīng)用。事實(shí)上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的它得到了最多的應(yīng)用。事實(shí)上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的微機(jī)。微機(jī)。 27（三）三）PLC可編程序控制器可編程序控制器（Programmable logic controller） 適用于工業(yè)自動化控制，安全可靠，比較完善，但價(jià)格適用于工業(yè)自動化控制，安全可靠，比較完善，但價(jià)格較貴，體積較大。較貴，體

31、積較大。28（四）四）DSP芯片（芯片（Digital signal processor）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)，佛總線結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)具有獨(dú)立的存儲空間程序和數(shù)據(jù)具有獨(dú)立的存儲空間，有著各，有著各自獨(dú)立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但自獨(dú)立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理能力大大提高能力大大提高，有可以實(shí)現(xiàn)特處用途（如，有可以實(shí)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(shí)

32、時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色，所以的兩大特色，所以DSP多用于需高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的場合多用于需高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的場合（如（如圖形處理圖形處理，大規(guī)模數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)算大規(guī)模數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)算）。）。29（五）嵌入式計(jì)算機(jī)（五）嵌入式計(jì)算機(jī) 嵌入式計(jì)算機(jī)一般指非嵌入式計(jì)算機(jī)一般指非PC機(jī)系統(tǒng)，它是以機(jī)系統(tǒng)

33、，它是以應(yīng)用為中心應(yīng)用為中心，軟硬件軟硬件可裁減可裁減，適應(yīng)應(yīng)用，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格要求功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 具有軟件代碼小、高度自動化、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，特別具有軟件代碼小、高度自動化、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，特別適合于要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)的體系。適合于要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)的體系。 嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要由嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要由嵌入式處理器嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)及及應(yīng)用軟件系統(tǒng)應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成，它是可獨(dú)立工作的微等組成，它是可獨(dú)立工作的微型計(jì)算機(jī)。型計(jì)算機(jī)

34、。 嵌入式計(jì)算機(jī)的開發(fā)不同于單片機(jī)，由于有了操作系統(tǒng)，嵌入式計(jì)算機(jī)的開發(fā)不同于單片機(jī)，由于有了操作系統(tǒng)，因此可以利用因此可以利用交叉編譯交叉編譯的方式對該計(jì)算機(jī)進(jìn)行開發(fā)更加復(fù)雜的的方式對該計(jì)算機(jī)進(jìn)行開發(fā)更加復(fù)雜的程序，包括計(jì)算、顯示、數(shù)據(jù)處理、輸入輸出等。功能更加突程序，包括計(jì)算、顯示、數(shù)據(jù)處理、輸入輸出等。功能更加突出定制化思想。出定制化思想。 支持的開發(fā)語言也都是高級語言。支持的開發(fā)語言也都是高級語言。 30（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)

35、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(jì)的集成度很高，足以滿足設(shè)計(jì)一般的數(shù)字系統(tǒng)的需要。這樣就可以由設(shè)計(jì)人員一般的數(shù)字系統(tǒng)的需要。這樣就可以由設(shè)計(jì)人員自行編程自行編程而把一而把一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)個(gè)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(jì)和制作專用的集成電路芯片。計(jì)和制作專用的集成電路芯片。 FPGA是可編程器件的進(jìn)一步發(fā)展產(chǎn)物。它是作為是可編程器件的進(jìn)一步發(fā)展產(chǎn)物。它是作為專用集成專用集成電路電路（ASIC, Application Specific Integrated Cir

36、cuit）領(lǐng)域中的領(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，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。用戶不需要投片生產(chǎn)，就用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片能得到合用的芯片。 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，功耗低，系統(tǒng)集成引腳，功耗低，系統(tǒng)集成度、可靠性高。度、可靠性高。311.2 數(shù)字控制對計(jì)算機(jī)（系統(tǒng)）的要求數(shù)字控制對計(jì)算機(jī)（系統(tǒng)）的要求1.2.1 實(shí)時(shí)控制實(shí)時(shí)控制 在一個(gè)采樣周期在一個(gè)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

37、：采樣，數(shù)據(jù)采集：采樣，A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)輸入的時(shí)間轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)輸入的時(shí)間t1 ；2. 程序運(yùn)行求出控制量的時(shí)間程序運(yùn)行求出控制量的時(shí)間t2 ；3. 控制量的輸出和存儲控制量的輸出和存儲時(shí)間時(shí)間t3 。 則為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，必須有則為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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)(321.2.2 對計(jì)算機(jī)（系統(tǒng)）的要求對計(jì)算機(jī)（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(shí)時(shí)時(shí)鐘；實(shí)時(shí)時(shí)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(jī)對話功能人機(jī)對話功能33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(jì)算機(jī)（系統(tǒng)）硬件數(shù)字計(jì)算機(jī)（系統(tǒng)）硬件內(nèi)存內(nèi)存顯示器顯示器CPUROM鍵盤鍵盤打印機(jī)打印機(jī)外存外存RAM實(shí)時(shí)時(shí)鐘實(shí)時(shí)時(shí)鐘模擬輸入模擬輸入通道通道模擬輸出模擬輸出