計算機控制教案

計算機控制技術(shù)教案電工程學(xué)院邊 疆22/7511/75課程性質(zhì)和任務(wù)60學(xué)時,一學(xué)期學(xué)完。本課程教學(xué)的基本任務(wù)是使學(xué)生在掌握和了解自動控制及計算機控制工作件編制以及系統(tǒng)調(diào)試維護(hù)的基本知識和能力，為畢業(yè)后參與計算機控制系統(tǒng)開發(fā)、調(diào)試和維護(hù)打下初步基礎(chǔ)。教學(xué)方法與教學(xué)手段向全體與個別指導(dǎo)相結(jié)合、課程教學(xué)與日常管理相結(jié)合的原則。的創(chuàng)新，提高課堂教學(xué)實效。教學(xué)過程中采用多媒體等教學(xué)手段。教學(xué)目的簡單計算機控制系統(tǒng)設(shè)計的能力。教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)要求（一）緒論1、知識要點和教學(xué)要求計算機控制系統(tǒng)的組成及特點計算機在控制中的典型應(yīng)用方式典型計算機控制系統(tǒng)簡介工業(yè)控制機計算機控制系統(tǒng)的研究課題和發(fā)展方向2、能力培養(yǎng)要求發(fā)展。（二）輸入輸出接口技術(shù)和輸入輸出通道1、知識要點和教學(xué)要求概述I/O控制方式I/O接口設(shè)計I/O通道D/A轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器I/O通道的抗干擾措施2、能力培養(yǎng)要求22/75掌握各類I/O接口和I/O通道的構(gòu)成、工作原理、典型電路及與系統(tǒng)連接的基本知識和應(yīng)用。（三）數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計1、知識要點和教學(xué)要求引言離散化方法PID數(shù)字控制器的設(shè)計PID控制算法的改進(jìn)PID數(shù)字控制器的參數(shù)整定和設(shè)計舉例2、能力培養(yǎng)要求PID控制器及其改進(jìn)算法設(shè)計的原理、參數(shù)整定、程序?qū)崿F(xiàn)及舉例。（四）數(shù)字控制器的直接設(shè)計1、知識要點和教學(xué)要求最少拍無差系統(tǒng)的設(shè)計最少拍無波紋系統(tǒng)的設(shè)計3）W變換法設(shè)計4）純滯后對象的控制算法——大林算法2、能力培養(yǎng)要求波紋數(shù)字控制器設(shè)計以及大林算法。（六）微型計算機控制系統(tǒng)設(shè)計1、知識要點和教學(xué)要求控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟微型計算機控制系統(tǒng)的軟件常用應(yīng)用程序設(shè)計設(shè)計舉例一——微型計算機控制直流伺服系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計舉例二——微型計算機溫度控制系統(tǒng)設(shè)計2、能力培養(yǎng)要求掌握兩個實例。（七）多微機控制系統(tǒng)1、知識要點和教學(xué)要求概述多微處理機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式多微處理機系統(tǒng)的通信多微處理機控制系統(tǒng)的軟件和控制集散控制系統(tǒng)簡介多微處理機控制系統(tǒng)舉例2、能力培養(yǎng)要求制系統(tǒng)。（八）計算機控制系統(tǒng)的可靠性保證1、知識要點和教學(xué)要求PAGEPAGE10/75控制系統(tǒng)可靠性的基本概念提高硬件可靠性的措施提高軟件可靠性的措施電磁干擾的屏蔽與濾除控制系統(tǒng)的故障診斷2、能力培養(yǎng)要求了解計算機控制系統(tǒng)的可靠性概念以及抗干擾措施。學(xué)時分配建議序號教學(xué)內(nèi)容學(xué)時分配1緒論22輸入輸出接口技術(shù)和輸入輸出通道83數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計84數(shù)字控制器的直接設(shè)計106微型計算機控制系統(tǒng)設(shè)計167多微處理機控制系統(tǒng)88計算機控制系統(tǒng)的可靠性保證8合計60適用專業(yè)4年的自動化專業(yè)的學(xué)生。與其它課程的銜接和分工D/A;A/D；總線等?？荚嚪绞脚c成績評定標(biāo)準(zhǔn)考試方式考試形式采用筆試，題型有：填空、選擇、計算題成績評定標(biāo)準(zhǔn)80%+10%+10%。教學(xué)過程設(shè)計第一講電子計算機的發(fā)明是本世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的卓越成就之一，它的出現(xiàn)使科學(xué)技的組成、分類、特點及其典型應(yīng)用和發(fā)展。計算機控制的一般概念計算機控制系統(tǒng)是在自動控制技術(shù)和計算機技術(shù)飛速發(fā)展的基礎(chǔ)上產(chǎn)生已達(dá)到相當(dāng)完善的程度。將模擬式自動控制系統(tǒng)中的控制器的功能用計算機來實現(xiàn)，就組成了一個用計算機來實現(xiàn)的工業(yè)自動控制系統(tǒng)。備中也得到了廣泛應(yīng)用。那么下面我們來看看計算機控制系統(tǒng)的組成。計算機控制系統(tǒng)的組成典型的計算機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它可分為硬件和軟件兩大部分。硬件是指計算機本身及其外圍設(shè)備，一般包括中央處理器、內(nèi)存儲存、磁盤驅(qū)動器、各種接口電路、以A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換為核心的模擬量I/O通道、I/O通道以及各種顯示、記錄設(shè)備、運行操作臺等。由中央處理器、時鐘電路、內(nèi)存儲存構(gòu)成的計算機主機是組成計算不紊地協(xié)調(diào)工作。操作臺是人-入和修改控制參數(shù)，發(fā)出各種操作指令。、儲存、打印、記錄各種數(shù)據(jù)。常用的有打印機、記錄儀、圖形顯示器、軟盤、硬盤及外存儲器等。I/OI/OI/O接口有并行接口、串行接口等。I/OI/OI/O通道。傳感器的主要功能是將被檢測的非電學(xué)量參數(shù)轉(zhuǎn)變成電學(xué)量，如熱電傳感器得到的電信號轉(zhuǎn)變成適用于計算機接口使用的標(biāo)準(zhǔn)的電信號。軟件是指計算機控制系統(tǒng)中具有各種功能的計算機程序的總和。系統(tǒng)軟件程序、生產(chǎn)過程監(jiān)控程序等。計算機控制系統(tǒng)的特點計算機控制系統(tǒng)相對于連續(xù)控制系統(tǒng)，其主要特點是：在結(jié)構(gòu)上。 計算機控制系統(tǒng)是模擬和數(shù)字部件的混合系統(tǒng)。有連續(xù)模擬信號之外，還有離散模擬、離散數(shù)學(xué)等多種信號形式。由于計算機控制系統(tǒng)中除了包含連續(xù)信號外，還包含有數(shù)字信號，法和直接設(shè)計法。復(fù)雜。方式而同時控制多個回路。通常，它利用依次巡回的方式實現(xiàn)多路分時控制。(6)采用計算機控制，如分級計算機控制、聚散控制系統(tǒng)、微機網(wǎng)絡(luò)等，便于實現(xiàn)控制與管理一體化，使工業(yè)企業(yè)的自動化程序進(jìn)一步提高。算機控制系統(tǒng)。操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)在操作指導(dǎo)系統(tǒng)中，計算機的輸出不直接用來控制生產(chǎn)對象?？刂埔?guī)律的系統(tǒng)。直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC系統(tǒng)是計算機用于工業(yè)過程控制最普遍的一種方式。在DDC系統(tǒng)中的計算機參加閉環(huán)控制過程，它不僅能完全取代模擬調(diào)制器，實現(xiàn)多回路的PID調(diào)節(jié)，而且不需要改變硬件，只需要通過改變程序就能最優(yōu)控制等。監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)SCC系統(tǒng)。SCCSCC+模擬調(diào)節(jié)器，另一種SCC+DCC控制系統(tǒng)。SCC加上模擬調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)這種類型的系統(tǒng)中，計算機對各過程參量進(jìn)行巡回測，并按一定的數(shù)學(xué)模使工況保持在最優(yōu)狀態(tài)。SCCDCC的控制系統(tǒng)這是一種二級控制系統(tǒng)。SCC計算機完成工段、車間等高一級的最優(yōu)化分DCC計算機執(zhí)行控制。分級計算機控制系統(tǒng)用多臺計算機分別執(zhí)行不同的控制功能，既能進(jìn)行控制又能實現(xiàn)管理。典型計算機控制系統(tǒng)簡介系統(tǒng)稱為計算機過程控制系統(tǒng)。力，電動機調(diào)速系統(tǒng)中的許多控制要求很容易在計算機中實現(xiàn)。的一個重要方面。作的自動控制系統(tǒng)。目前這類系統(tǒng)中多采用微處理器構(gòu)成的可編程程序控制器，簡稱為PC或PCL.1632按運動軌跡可以分為點位控制系統(tǒng)和輪廓控制系統(tǒng)。工業(yè)機器人是一種應(yīng)用計算機進(jìn)行控制的替代人進(jìn)行工作的高度自動化系統(tǒng)。最近，聯(lián)合國際標(biāo)準(zhǔn)化組織采用的機器人的定義是：“一種可以反復(fù)編程的有可改變的和可編程的動作的專門系統(tǒng)”。進(jìn)行反饋的能力，諸如力覺、觸覺、視覺等。第三代機器人是智能機器人，目前還沒有一個統(tǒng)一和完善的智能機器人定義。工業(yè)控制機性，決定了工業(yè)控制機主要有以下一些特點和要求。實時性 是指計算機控制系統(tǒng)能在限定的時間內(nèi)對外來時間作出反應(yīng)的能力。高可靠性 制機具有高質(zhì)量和很強的抗干擾能力，并且具有較長的平均故障間隔時間。硬件配置的可裝配可擴充性硬件模板功能單一化，模板品種多樣板級產(chǎn)品，使硬件配置有最靈活的裝配性和可擴充性，硬件開發(fā)周期降到最小?？删S護(hù)性 工業(yè)控制機應(yīng)有很好的可維護(hù)性，這要求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)，便于維修，系統(tǒng)使用的板級產(chǎn)品一致性好，更換模板后，系統(tǒng)的運行狀地定位。下面介紹兩類在工業(yè)現(xiàn)場得到廣泛使用的工業(yè)控制機。STDSTD總線工業(yè)控即可配置成適用于不同工業(yè)對象。16PC總36AT總線。近幾年來許多公司推出了PC/AT總線工業(yè)控制機，一般對原有微機作了一下改進(jìn)整機結(jié)構(gòu)，用CPU模板取代原有的大底板，使引腳構(gòu)成積木化，便于維修3）加系統(tǒng)抗粉塵的能力。4）采用電子軟盤取代普通的軟磁盤，使之能適于在惡劣的工業(yè)環(huán)境下工作。5）根據(jù)工業(yè)控制的特點，常采用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)的研究課題和發(fā)展方向集散控制系統(tǒng)又稱為以微處理器為基礎(chǔ)的分散型信息綜合控制系統(tǒng)，集散控制在其發(fā)展初期以實現(xiàn)分散控制為主，因而國外一般沿用分散控制系統(tǒng)的名稱，即DCS系統(tǒng)DistributedControlSystePID運算、聯(lián)網(wǎng)PC.通過計算機及其軟件，將制造工廠全部生產(chǎn)環(huán)節(jié)，包括產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)過程等所需使用的各種分散的自動化系統(tǒng)有機的集成起來，清除”自動化孤島“，實現(xiàn)多品種、中小批量生產(chǎn)的總體高效益、高柔性的智能制造系統(tǒng)。它是一種以現(xiàn)代技術(shù)實現(xiàn)常規(guī)自動化系統(tǒng)中的主要的、關(guān)鍵的功能，而投用軟件等技術(shù)手段，以較低的投資獲得良好的控制效果。干預(yù)的自動控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)必須具有智能調(diào)節(jié)和執(zhí)行等能力。第二講CPUI/O接口I/O通道相連。總線按使用位置可為分內(nèi)部總線和外部總線。接口、通道及其功能I/O接口電路？其必要性可歸納成如下幾點。解決主機CPU和外圍設(shè)備之間的時序配合和通信聯(lián)絡(luò)問題I/O接口電路為完成時序配合和通信聯(lián)絡(luò)功能，通常都設(shè)有數(shù)據(jù)鎖存器、緩沖器、狀態(tài)寄存器以及中斷控制電路等。解決CUP和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)格式裝換和匹配問題。解決CUP的負(fù)載能力和外圍設(shè)備端口選址問題。所謂鎖存器，就是輸出端的狀態(tài)不會隨輸入端的狀態(tài)變化而變化，僅在有的鎖存器邏輯電路是D觸發(fā)器電路。在數(shù)據(jù)傳輸中，用來彌補不同數(shù)據(jù)處理速率速度差距的存儲裝置叫做緩沖器。I/O通道也稱為過程通道。它是計算機和同起來，除了需要I/O接口電路外，還需要I/O通道，由它將從被控制對象采集的參量變換成計算機所要求的數(shù)字量的形式，送入計算機。I/O接口和I/O通道都是為實現(xiàn)主機和外圍設(shè)備之間信息交換而設(shè)的器件，接口和通道緊密相連，在電路上往往結(jié)合在一起。I/O信號的種類信息、狀態(tài)信息和控制信息三類。（一）數(shù)據(jù)信息 分為數(shù)字量、模擬量、開關(guān)量和脈沖量。（二）狀態(tài)信息 狀態(tài)信息是外圍設(shè)備通過接口向CPU提供的反映外圍設(shè)備所處的工作狀態(tài)的信息。它作為兩者交換信息的聯(lián)絡(luò)信號。（三）控制信息 控制信息是CPU通過接口傳送給外圍設(shè)備的。計算機和外部的通信方式通信兩種基本方式。（一）并行通信并行通信就是把傳送數(shù)據(jù)的n位數(shù)用n條傳輸線同時傳送。其優(yōu)點是傳送速度快、信息率高。其缺點是傳輸線多，成本高。（二）串行通信串行通信是數(shù)據(jù)按位進(jìn)行傳送的。全雙工方式CUP收數(shù)據(jù)，這種串行傳送方式就成為全雙工方式，信息傳輸效率較高。半雙工方式CUP也通過串行接口和外圍設(shè)備相接。但是串行接口和外圍設(shè)備間除公共式，信息傳輸效率低些。同步通信采用同步通信時，將許多字符組成一個信息組，通常稱為信息幀。異步通信標(biāo)準(zhǔn)的異步通信格式如圖起始位與停止位由于異步串行傳輸中并沒有使用同步脈沖作基準(zhǔn)，故接收端完全不知道傳的字符前后分別加上高電位的起始位（邏輯0）及低電位的停止位（邏輯1，它（因電壓由低電位升至高電位）而開始接收數(shù)據(jù)；并因停止位的通知（因電壓維持在低電位）而明確數(shù)據(jù)的字符信號已經(jīng)結(jié)束；當(dāng)加入了起始位及停止位也才比較容易達(dá)到多字符的接收能力。起始位固定為1位，而停止位則有1、1.5、2位等多種選擇，如何選擇呢？只要通信雙方協(xié)議通過即可，沒有強制規(guī)定。校驗位為了預(yù)防錯誤的產(chǎn)生，使用校驗位作為檢查的機制。校驗位即是用來檢查1的數(shù)目是奇數(shù)或偶數(shù)。以偶校驗為例，ASCII41（16進(jìn)制2010000011201的數(shù)目保持偶數(shù)；同樣的，校驗位是奇校驗時，“A”的校驗位便是1，使1的數(shù)目為3而保持在奇數(shù)。新的計算值錯誤，那么接收端就會收到一些指示，表示此次接收的數(shù)據(jù)有誤。程序控制方式I/OCPU和外圍設(shè)備之間的信息傳送，是在程序控制下進(jìn)行的。（一）I/O方式所謂為條件I/O方式是指不必查詢外圍設(shè)備的狀態(tài)即可進(jìn)行信息傳送的I/O無條件傳送方式的工作原理如圖（二）I/O方式I/O方式，也稱為條件傳送方式。按查詢式傳送，CUP和外圍設(shè)備I/OI/O接口電路原理（四）I/O方式的優(yōu)缺點及使用條件工作的生產(chǎn)機械或生產(chǎn)過程的控制。在查詢式I/O方式下，CPU必須不斷的讀取狀態(tài)字和檢測狀態(tài)字。需要大量的重復(fù)查詢，效率底下。I/O方式的選擇必須符合實時控制的要求。對于查詢式I/O方式，滿足實時控制要求的使用條件是：“所有外圍設(shè)備的服務(wù)時間的總和必須小于或等于任一外圍設(shè)備的最短響應(yīng)時間”。I/O方式（一）I/O時應(yīng)解決的問題在8086系統(tǒng)中，有兩類中斷，即外部中斷和內(nèi)部中斷，對I/O處理一般都I/OCPU發(fā)出中斷求救信號，從而引起一個中斷處理過程。復(fù)現(xiàn)場。第二，正確判斷中斷源。第三，實時響應(yīng)。第四，按優(yōu)先權(quán)順序處理（二）中斷優(yōu)先級問題的解決辦法來解決。軟件查詢方式使用軟件查詢方式時要借助于簡單的硬件接口電路。如下圖雛菊鏈法雛菊鏈法是得到中斷優(yōu)先級的一個簡單硬件方法。其作法是在每個外圍設(shè)鏈，由雛菊鏈來控制中斷回答信號的通路。專用硬件方式——中斷控制器來進(jìn)行中斷優(yōu)先級管理的。n個中斷控制的外圍設(shè)備，按最短響應(yīng)時間由小到大的排列為1，2，3，···，n。各外圍設(shè)備的最短響應(yīng)時間為C1，C2，C3，···，Cn。各外圍設(shè)備實際服務(wù)時間為S1，S2，S3，···，Sn。第i令Si=Smax則必須滿足1C1

S Smax 12C2···

Smax

SS1 2i：Ci

Smaxj Skk1直接儲存器存取方式——DMA方式CPU，而在外設(shè)和儲存器之間直接高速交換數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)這種交換，需增加一種硬件設(shè)備DMAC，把通常要執(zhí)行一段程序來完成速度。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳送，DMAC要同時占據(jù)數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。DMADMAC發(fā)出DMADMACCPUCPU接受DMAC控制下，DMA過程結(jié)束，DMACPU發(fā)出CPU。第三講I/O接口設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)生產(chǎn)過程和生產(chǎn)機械控制或管理的要求及外圍設(shè)備的特性，選定各被控設(shè)備的I/O控制方式，設(shè)計出合適的I/O接口硬件電路和相應(yīng)的接口控制程序，使CPU和被控制設(shè)備之間能適時、可靠的交換信息。I/O接口的編址方式I/O接口的編址方式，通常有兩種編址方式，一種是I/O接口與儲存器統(tǒng)一I/O接口獨立編址。(一）I/O接口獨立編址方式這種編址方式是將存儲器地址空間和I/O接口地址空間分開設(shè)置，互不影(IN)和輸出指令(OUT)I/O操作。8086I/O接口也是屬于獨立編址方式的。8086輸入輸出指令可以分為兩大類：一類是直接的輸入輸出指令，(如ININDX，AL)(二)I/O接口與存儲器統(tǒng)一編址方式。I/OI/O接口占一個存儲單元地址。兩種方式各有優(yōu)缺點。I/O指令，程序清晰易讀，執(zhí)行時間短，快速性好。其缺點是：I/OI/O接口，功能有限，沒有訪問存儲器的指令豐使微處理器復(fù)雜化。統(tǒng)一編址方式的優(yōu)點是：不需要專門的I/O指令，數(shù)據(jù)處理功能強；I/OI/O程序的設(shè)計。其缺點是：I/O接口占用一部分存儲器的地址空間；不設(shè)置專門的I/O哪些指令是訪問外設(shè)，所以程序不易閱讀。I/OI/O接口地址譯碼器。I/O接口與系統(tǒng)的連接I／O接口和外部的連接如下圖8255A是一種通用可編程并行I/OPC中常用于傳遞鍵盤信息、揚聲器信息等。8255A0、方式1、方式2方式0：基本輸入輸出方式8255A3個端口都可以工8255A00也稱為無條件的輸入/輸出方式。方式1：選通輸入輸出方式8位的輸入或輸出端口，C口主要作為A、B兩個端口輸入/輸出時的聯(lián)絡(luò)信號。且A口和B口無論輸入或輸出都有數(shù)據(jù)鎖存功能。該方式下CPU8255A間可以用中斷方式或查詢方式進(jìn)行信息交換。I/O接口擴展I/OI/O接口及內(nèi)存容量。(一)地址譯碼器的擴展I/OI/O接口的端口(寄存器)的編址、選址問題。I/O端口(寄存器)尋址。74LS13874LS1383線－8線譯碼器，其工作原理如下：當(dāng)一個選通端（G1）為高電平，另兩個選通端（/(G2A)和/(G2B)）低電平（A、B、C）的二進(jìn)制編碼在一個對應(yīng)的輸出端以低電平譯出。(二)負(fù)載能力的擴展CUP的數(shù)據(jù)總線上，地址都掛到地址總線上，控制線都掛到控制總線上。特別是當(dāng)設(shè)計者自己設(shè)計微機控制系統(tǒng)時，更有必要考慮CPU各總線的負(fù)載能力。TTLMOS器件。其中，TTLTTL74TTL74LS＊＊＊。I/O接口設(shè)計的方法、步驟及設(shè)計舉例（一）I/O接口設(shè)計的方法、步驟接口設(shè)計的任務(wù)包括確定各外圍設(shè)備的控制方式，接口硬件電路設(shè)計和接口控制軟件設(shè)計，如果一個微機控制系統(tǒng)比較小，I/O接口少，I/O接口設(shè)計可能比較簡單。如果系統(tǒng)較大，所帶常規(guī)外圍設(shè)備和被控設(shè)備較多時，I/O接口的設(shè)計就可能比較復(fù)雜。對于這類系統(tǒng)可按下述步驟進(jìn)行設(shè)計。首先，了解分析常用外圍設(shè)備或被控設(shè)備與CPU之間信息交換的要求，如要求什么聯(lián)絡(luò)信號、I/O數(shù)據(jù)格式、I/O線數(shù)量、最短響應(yīng)時間和服務(wù)時間估算、I/O控制方式。易程度等因素，合理印分．配硬件和軟件完成功能第三，進(jìn)行I/O端口的數(shù)量統(tǒng)計、數(shù)據(jù)流向安排和端口地址號分配。和負(fù)載能力擴展等。第五，I/O接口控制軟件設(shè)計。最后，進(jìn)行接口硬件和軟件聯(lián)調(diào)，如發(fā)現(xiàn)問CPU和備外圍設(shè)備之間的信息交換要求為止。GAL在接口電路中的應(yīng)用(GenericArrayLogic，縮寫GAL)是可編程邏輯器件(ProgrammableLogicDevice縮寫PLD)之一種，除GAL外，PLD器件還包括PROM、FPLA(現(xiàn)場可編程邏輯陣列)、PAL(可編程陣列邏輯電路)、EPLD(能擦寫編程邏輯器件)。（一)GAL的主要性能和優(yōu)點。GAL方便、快速，使用GAL電路都方便，可使電路結(jié)構(gòu)做到更加合理、緊湊、可靠性高。(12~40ns)和低功耗(CMOS電路相當(dāng))性能，可減輕電源負(fù)荷，降低溫升，提高可靠性。的保密性。GAL器件在功能上可替代4～12個中小規(guī)模集成器件，從而可使系統(tǒng)體積縮小，簡化印刷電路板設(shè)計，提高系統(tǒng)可靠性?？蓪懭腚娮訕?biāo)簽，便于文檔管理和復(fù)制電路。(二)GAL16V8的基本結(jié)構(gòu)和簡單工作原理GAL16V8器件有88個輸入/輸出引出端也16個輸入端，輸出端最多8個。這也是器件型號中兩個數(shù)字的含義。8個輸入緩沖器，8個三態(tài)輸出緩沖器，8個輸出反饋/輸1CP1OE輸入緩沖器；8×8個與門構(gòu)成，共形成64個乘積項，每個乘積項有32個輸入；8OLMC（OLMC中33OLMC。I/O通道在計算機控制系統(tǒng)中，I/O通道是連接計算機和工業(yè)對象(生產(chǎn)過程或生產(chǎn)機械等)I/O通道的主要任務(wù)是將由檢測器件測取的各種參量變換成計算機所能接收的信息形式送入計算機。I/O通道分為模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道四種，如下圖。模擬量輸入通道模擬量輸入通道完成模擬量的采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入計算機的任務(wù)。依模擬量輸入通道主要由以下幾部分組成：的轉(zhuǎn)換電路等。號變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號。采用有源濾波器或無源濾波器，進(jìn)行信號濾波，消除干擾信號。轉(zhuǎn)換后的電信號與被測參量呈現(xiàn)非線性，應(yīng)作適當(dāng)處理，使之接近線性化。(二)采樣單元電壓信號(0～40mV)的測量信號按序或隨機的接到采樣保持器或直接接到數(shù)據(jù)放大器上。采樣單元一般由開關(guān)矩陣及其邏輯控制電路組成。邏輯控制電路是在軟件某種方式接通或斷開模擬信號的元件或電路。模擬開關(guān)分兩類，一類為機械式觸點或開關(guān)，如干簧(或濕簧)繼電器、開關(guān)。（三）采樣保持A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換總需要一定時間，完成量化與A／D轉(zhuǎn)所需要的時間為孔徑時間。在轉(zhuǎn)換過程中，如果模擬量產(chǎn)生變化，將直接影響轉(zhuǎn)換比較。所以要求輸A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號能夠跟隨模擬量變化。(四)數(shù)據(jù)放大器0～40mV的弱信號，A/D轉(zhuǎn)換器。采樣后的信號是一系列近似平頂?shù)拿}沖波，既含有直流成分又含有交流成放大器。(五)A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器是模擬量輸入通道的核心部分。采樣與量化(一)采樣過程所謂采樣過程(簡稱采樣)是用采樣開關(guān)(或采樣單元)將模擬信號按一定時間間隔抽樣成離散模擬信號的過程。T，為采樣周期。（二）量化過程信號。第四講（數(shù)字量）轉(zhuǎn)換成模擬量，并輸出到被選中的某一控制回路上，完成對執(zhí)行機構(gòu)的控制動作。波電路和功放電路所組成。方案，從而決定模擬量輸出通道也有兩種基本結(jié)構(gòu)形式。（一）一個輸出通路設(shè)置一個D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式(二)D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式的工作過程基本上是模擬量輸入通道工作過程的逆過程。數(shù)字量輸入輸出通道（一）數(shù)字量輸入通道這些輸入信號分為編碼數(shù)字(二進(jìn)制數(shù)或十進(jìn)制數(shù))、開關(guān)量和脈沖列等三隨輸入數(shù)字信號的類型不同，數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)也不同。編碼數(shù)字，可以直接接到并行接口電路的輸入端上。脈沖列，使用軟件計數(shù)法，或加硬件計數(shù)器，后接到并行端口上。后接到并行端口上。(二)數(shù)字量輸出通道(二進(jìn)制或二一十進(jìn)制)、“1”或“0”的開關(guān)信號和脈沖信號。要求輸出脈沖列的對象，輸出通道加脈沖產(chǎn)生及其控制電路。開關(guān)量輸出有：TTL電平邏輯信號輸出、電子無觸電開關(guān)輸出和繼電器輸出。D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器是把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的器件，是模擬量輸出通道的重要組成部分。D/A轉(zhuǎn)換器又可分成電流相加型和電壓相加型。并行D／A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快，應(yīng)用較多。串行D／A轉(zhuǎn)換有特殊用途，在某些情況下必須采用它，如步進(jìn)電動機的控制。數(shù)字量是由一位一位的數(shù)位構(gòu)成的，每個數(shù)位都代表一定的權(quán)。為了把一個數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須把每一位上的代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)成正比.D/A轉(zhuǎn)換器主要由電阻網(wǎng)絡(luò)和運算放大器兩部分組成。型電阻網(wǎng)絡(luò)。D／A轉(zhuǎn)換器的基本工作原理是先把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成一系列的脈沖，一單位模擬量相加，從而得到和數(shù)字量成正比的總的模擬量輸出。D/ACPU的連接DAC083220引腳集成電路芯片。高電平：寄存器直通低電平：寄存器鎖存DAC0832寄存器工作在鎖存狀態(tài)，而DAC寄存器工作在不鎖存狀態(tài)。第二種方法是使輸入寄存器工作在不鎖存狀態(tài)，而使DAC寄存器工作在鎖存狀態(tài)，就是將ILE輸入寄存器的輸出跟隨輸入而變化。DAC083212D/A轉(zhuǎn)DAC0832的輸出端接一運算放大器，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。按應(yīng)用要求的不同，DAC0832可以接成單極性電壓輸出方式，也可以接成雙極性電壓輸出方式。DAC1209是一個系列)24引腳集成寄存器兩個緩沖輸入寄存器；一個精密硅R-2RT12CMOSD/A轉(zhuǎn)換器。DAC1210具有以下特點：線性規(guī)范只有零位和滿量程調(diào)節(jié)；與所有的通用微處理機直接接口；單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸入；TTL邏輯電平兼容；全四象限相乘輸出。DAC1210是電流相加型D/A轉(zhuǎn)換器有IOUT1和IOUT2兩個電流輸出端，通常要求轉(zhuǎn)換后的模擬量輸出為電壓信號因此外部應(yīng)加運算放大器將其輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓輸出。DAC1210 與DAC0832 的差別在于分辨率。DAC1210具有12位分辨率，DAC0832具有8位。DACl210128CPU輸出數(shù)據(jù)是按字節(jié)操作的，那么送出12位數(shù)據(jù)需要執(zhí)行兩次輸出指令，比如第一次執(zhí)行輸出指令送出數(shù)據(jù)的低8位，第二次執(zhí)行輸出指令再送出數(shù)據(jù)的高4位。與8DAC0832接口電路不同的是，除了數(shù)據(jù)總線D7~D0DAC12108位DI0~DI7直接相連，D3~D0DAC12104DI8~DI11復(fù)用，因而控制電路也略為復(fù)雜。88DAC121012位輸入寄存器，需用兩級數(shù)據(jù)緩沖結(jié)構(gòu)。D／A轉(zhuǎn)換器電流輸出方式D／A轉(zhuǎn)換器輸出方式一般分為電壓輸出和電流輸出兩種。0～10mA或4～20mA電流輸出，D/A轉(zhuǎn)換的電流輸出電路。D／A轉(zhuǎn)換器選擇和使用D/A轉(zhuǎn)換器是模擬量輸出通道的核心部分，在設(shè)計時應(yīng)慎重選擇。首先在總體方案上，應(yīng)先確定是采用多通路共有一個D/A轉(zhuǎn)換器的方案，還是一個通D/A轉(zhuǎn)換器的方案。在具體選擇D/A轉(zhuǎn)換器時，主要應(yīng)考慮下列幾個問題。分辨率D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率表示當(dāng)輸入數(shù)字量變化1時，輸出模擬量變化的大小。ND/A轉(zhuǎn)換器其分辨率為滿刻度值分辨率= 2N穩(wěn)定時間穩(wěn)定時間是D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率的量度，是指D/A轉(zhuǎn)換器代碼有滿刻度值幾十納秒到幾微秒。輸入編碼輸入編碼為二進(jìn)制編碼、BCD碼、符號一數(shù)值碼等。線性誤差直線。輸出方式和極性溫度范圍7·使用調(diào)整第五講D/AA/D轉(zhuǎn)化器。（一）A/D轉(zhuǎn)換器計數(shù)器式A/D轉(zhuǎn)換器由計數(shù)器、D/A轉(zhuǎn)換器及比較器組成。其原理框圖如圖(二)A/D轉(zhuǎn)換器標(biāo)準(zhǔn)電壓源。在轉(zhuǎn)換開始信號控制下，開關(guān)接通模擬輸入端，輸入的模擬電壓在固定時TC充電（正向積分到與極性相反的基準(zhǔn)電源上，此時電容C開始放電（反向積分，同時計數(shù)器開C放電完畢時就輸出信號，由控制邏輯停止計數(shù)器的計數(shù)，并發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。這時計數(shù)器所記的脈沖個數(shù)正比于放電時間。T1T2又正比于輸入電壓，即輸入電壓大，則放電時間長，計V在固定積分T內(nèi)的平均值。(三)A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器電路原理框圖如圖下所示。它主要由N位逐次逼SAR、D/A轉(zhuǎn)換器、比較器、置數(shù)選擇邏輯電路等部分所組成。4A/D91001A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理。當(dāng)啟動信號作用后，時鐘信號在控制邏輯作用下，01000D/A轉(zhuǎn)換器8Ui=9進(jìn)行比UiUoD3=1；D21D31100D/AUo12Ui9UiUo，D20；D111010D/AUo=10，再與9UiUoD10；最后一位D01,1001經(jīng)D/AUUi9UD0110019的轉(zhuǎn)換結(jié)果，存在輸出鎖存器中等待輸出。A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)分辨率1的最小模擬輸入量。NA/D轉(zhuǎn)換器其分辨率為分辨率=2N量程量程是指所能裝換的電壓范圍。轉(zhuǎn)換精度精度兩種表示法。轉(zhuǎn)換時間器件，轉(zhuǎn)換時間相差很大。工作溫度范圍0～70℃。A/D轉(zhuǎn)換器88A／D轉(zhuǎn)換器。1．電路組成及轉(zhuǎn)換原理8位轉(zhuǎn)換器、8位多路切換開關(guān)以及與微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。8位A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換方法為逐次逼近法。ADC0808／0809無需調(diào)零和滿量程調(diào)整，又由于多路開關(guān)的地址輸入能夠TTL輸出也可以鎖存，所以易于與微處理機進(jìn)行接口。A/D轉(zhuǎn)換器，它可以直接與8位或6位微型機總線進(jìn)行接口。AD574是由兩個大規(guī)模集成電路組成的。A/D轉(zhuǎn)換器對外的連接信號，有下列幾類：模擬輸入信號、數(shù)據(jù)輸出信號、A/D慮這些信號的連接問題。I/O通道的抗干擾措施的來自內(nèi)部。外部干擾由使用條件和外部環(huán)境因素決定。外部干擾環(huán)境有天電干擾，如頻干擾也可視為外部干擾。內(nèi)部干擾則是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局、制造工藝所引入的。內(nèi)部干擾環(huán)境有分熱噪聲、閃變噪聲、尖峰噪聲等引入的干擾；甚至元器件產(chǎn)生的噪聲等。串模干擾及其抑制方法串模干擾是疊加在被測信號上的干擾信號，也稱橫向干擾或正態(tài)干擾。不同的措施。1）加輸入濾波器。采用硬件濾波器抑制串模干擾是一種常用的方法。根據(jù)串模干擾頻率與被濾波器?；A(chǔ)的有源濾波器，它不僅可以達(dá)到濾波效果，而且能夠提高信號的增益。纜連接一次儀表和轉(zhuǎn)換設(shè)備，屏蔽層應(yīng)良好接地。在靠近傳感器位置將被測信號進(jìn)行前置放大，從而提高回路的信號噪聲低速邏輯器件或加電容器降低速度，可以抑制高頻干擾。去干擾信號，更可靠的獲取有效信息。共模干擾及其抑制方法抑制共模干擾的主要措施有：采用共模抑制比(CMRR)高的、雙端輸入的運算放大器作被測信號的前置放大器，可以將有用的測量信號放大，使干擾信號受到抑制。就是把模擬地和數(shù)字地斷開。，廣泛采用光耦合器。I／O接口和通道還應(yīng)采取下述幾種措施：1)盡量縮短信號線的長度。不用的輸入端子不能懸空，必須通過負(fù)載電阻接到電源線上。為防止電磁感應(yīng)，信號線應(yīng)采用屏蔽線。第六講而在數(shù)字控制系統(tǒng)中，則用數(shù)字控制器來代替模擬調(diào)節(jié)器。rr(t)e(t)e*(t)u*(t)A/D數(shù)字控制器數(shù)字計算機D/A被控對象c(t)_測量元件計算機控制系統(tǒng)典型原理圖有了模擬調(diào)節(jié)器，為什么還要用計算機來實現(xiàn)數(shù)字控制呢？這是因為：現(xiàn)。而數(shù)字控制器能實現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律的控制。計算機具有分時控制能力，可實現(xiàn)多回3路控制。數(shù)字控制器具有靈活性。采用計算機除實現(xiàn)PID數(shù)字控制外，還能實現(xiàn)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字顯示等其他功能。數(shù)字控制器的特點可實現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律，且可以在運行中實時改變響應(yīng)參數(shù)?？捎靡慌_計算機分時控制若干個系統(tǒng)，提高設(shè)備利用率?？刂旗`活。干擾能力。被控對象：其輸入輸出均為模擬量，是系統(tǒng)的連續(xù)部分?？刂葡到y(tǒng)中多數(shù)上也常稱為“離散系統(tǒng)”。式呈現(xiàn)。計算機控制系統(tǒng)即為離散系統(tǒng)的一種。并不是量化，離散信號還不是數(shù)字信號。離散信號的電壓幅值，如果采用二進(jìn)制編碼組來表示，這就使得離散信號近似代表采樣點的信號實際幅值電平。的過程。A/D轉(zhuǎn)換是模擬信號經(jīng)采樣，量化并轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制的過程。數(shù)字控制器的設(shè)計方法模擬化設(shè)計方法D(s)，然后采用某種離散化方法，將它變成計算機算法。離散化設(shè)計方法控制器。把整個控制系統(tǒng)看成是模擬系統(tǒng)，利用模擬系統(tǒng)的理論和方法進(jìn)行分析和并由計算機來實現(xiàn)。離散化方法模擬化設(shè)計方法的假設(shè)是認(rèn)為采樣頻率足夠高（相對于系統(tǒng)的工作頻率來代替。模擬化設(shè)計方法一般可按以下五步進(jìn)行：D(S)；第三步：檢查系統(tǒng)性能是否符合設(shè)計要求；需要時尚可采取。第五步：用混合仿真的方法檢查系統(tǒng)的設(shè)計與程序編制是否正確。只采用后向差分法。下面介紹一階后向差分法和二階后向差分法。一階后向差分一階導(dǎo)數(shù)采用近似式：二階后向差分二階導(dǎo)數(shù)采用近似式：控制器的階躍響應(yīng)序列，必須與模擬調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)的采樣值相等，即sZ域函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的一種近似方法。雙線性變換的特點：(2)雙線性變換不會引起高頻混迭現(xiàn)象。D(z)亦穩(wěn)定。D(s)的脈沖響應(yīng)和頻率響應(yīng)。第七講在模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，PID控制算法的模擬表達(dá)式為：其控制的簡化框圖如下圖：PID調(diào)節(jié)器之所以經(jīng)久不衰，主要有以下優(yōu)點。1.2.易被人們熟3.不需要建立數(shù)學(xué)模型4.控制效果好PID調(diào)節(jié)器的作用在PID控制器中，比例環(huán)節(jié)對偏差是即時反映的，偏差一旦產(chǎn)生，控制器微分環(huán)節(jié)反映了偏差信號的變化趨勢（變化速率，從而能在偏差信號值變得太小調(diào)節(jié)時間。1PID控制算法kTt，以和式代替積分，以增量代替微分，t=kT，則可作如下近似變換：tet)dtTkejTTk0

e(j)j0 j0de(t)

e(k)e(k1)dt T TPID控制算法是全量輸出，故每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對e(k)進(jìn)行累加，計算機運算工作量大。而且，因為計算機輸出u(k)對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如果計算機出現(xiàn)故障，u(k)大幅度變化，會引起執(zhí)PID控制的控制算法。2PID控制算法PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量u(k1)K

e(k1)Kk1e(j)Kjj

e(k1)e(k2)u(k)KP

e(k)e(k1)KI

e(k)K e(k)2e(k1)e(k2)DPIDPID控制具有許多優(yōu)點：PID算法每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)，計算式中要用到過去誤差PID只需計算增量，掉?？刂剖謩?自動時，位置式PID算法必須先將計算機的輸出值置為原始閥門開時，才能保證無沖擊切換。采用增量算法，與原始值無關(guān)，易于實現(xiàn)手動/自動的鎖存作用，故仍能保持原值。算式中不需要累加?？刂圃隽縰(k)的確定，僅與最近k次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。增量型算法不足之處：①積分截斷效應(yīng)大，有靜態(tài)誤差；②溢出的影響大。因此，應(yīng)該根據(jù)被控對象的實際情況加以選擇。一般認(rèn)為，在以晶閘管或而在以步進(jìn)電機或多圈電位器做執(zhí)行器件的系統(tǒng)中，則應(yīng)采用增量式算法。第八講PID控制算法的改進(jìn)防止積分整量化誤差的方法防止積分整量化誤差的方法主要有兩種：擴大計算機運算的字長，提高計算精度。K

e(k)時，積分項單獨累加，直到產(chǎn)生溢出。IT Tu(k)u(k1)k(1 D)e(k)ae(k1)ae(k2)k e(k)p T 1 2 pTu(k)u(k1)a0

e(k)a1

e(k1)a2

e(k2)e(k)m(kIe(k)積分飽和及其防止方法積分飽和的原因和影響PID運算的“飽和”，因此，這種飽和積分飽和”。積分飽和增加了系統(tǒng)的調(diào)整時間和超調(diào)量，稱為“飽和效應(yīng)”，顯然，它對控制系統(tǒng)是不利的。下面是兩種常用方法：積分分離法遇限消弱積分法項的累加，而不進(jìn)行增大積分項的累加。不完全微分的PID算法服完全微分的缺點。該算法的傳遞函數(shù)表達(dá)式為：U(s)UPI

(s)UD

(s)U (s)K

1

1E(s)PI P TsU (s)K

D

E(s)D P T1 DsKT DDK TKu (k) DD T

u (k1) D P [e(k)e(k1)]D TTKD

DTT KDu (k)au (k1)KD D

D[e(k)e(k1)]TsTk Tu (k)KD

{e(k)P

TT

e(j)]auDT

(k1)KP

D[e(k)e(k1)]Tsu KD

[e(k)e(k1)]KP PTI

e(k)KP

D[e(k)2e(k1)e(k2)]a[uT Ds

(k1)uD

(k2)]純滯后的補償算法史密斯純滯后補償原理G(s)

KesPTs1PPID控制B,PID控制。第九講在工業(yè)過程中，傳統(tǒng)的PID控制器，很難做到既能最佳的跟蹤設(shè)定值，又能有效的抑制各種干擾。其原因在于傳統(tǒng)的PID控制，只能設(shè)定一套PID即所謂抑制一自由度PIDPID參數(shù)的整定只能是兼顧目標(biāo)跟蹤特性和外擾抑制特性的一種折衷處理方法。二自由度PID算法是在傳統(tǒng)的一自由度PID控制中設(shè)法整定兩套可以彼此獨立整定的PID參數(shù)，從而使受控系統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤特性和外擾抑制特性能同時達(dá)到最優(yōu)。所謂二自由度PID控制，就是使目標(biāo)值跟蹤特性為最優(yōu)的PID參數(shù)和使外（一）PID的構(gòu)成方法作為實用構(gòu)成法，必須考慮下述因素加以選定：①必須易懂； ②結(jié)構(gòu)簡單；③與傳統(tǒng)技術(shù)的結(jié)合性； ④能繼承傳統(tǒng)的技術(shù)成果。（二）基本型二自由度PID有各種實現(xiàn)二自由度PID的方法，下圖示出的是在傳統(tǒng)的測定值微分先行PID。它具有幾個特點：1）2）可以很容易地適H（s）的推導(dǎo)（s。當(dāng)過程測量值PV變化時，按傳統(tǒng)的PID控制規(guī)律進(jìn)行控制，而當(dāng)目標(biāo)值H（s）為：PID控制器參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響KPTITD分別能對系統(tǒng)性能產(chǎn)生不同的影響。(一)KP對系統(tǒng)性能的影響對動態(tài)特性的影響PPPKPPP

偏大，則振蕩次數(shù)P加熱調(diào)節(jié)時間加長。當(dāng)K的動作緩慢.P

太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。若K

太小，又會使系統(tǒng)對穩(wěn)態(tài)特性的影響KP，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差ess，提高控制KPess，卻不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。(二)TI對系統(tǒng)性能的影響對動態(tài)特性的影響TITITI太大，對系統(tǒng)性能的影響減少。對穩(wěn)態(tài)誤差的影響積分控制能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。但是，若TI太大時，積分作用太弱，以至不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。(三)TD對系統(tǒng)性能的影響TD偏大時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較長；偏小時，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時間也較長；TD合適時，可以得到比較滿意的過渡過程。T的選擇原則必須滿足采樣定理的要求。從控制系統(tǒng)的隨動和抗干擾的性能來看，則T小些好。T應(yīng)取小，反之，T可取大些。T應(yīng)取大些。T應(yīng)選大些。T應(yīng)選大些。下表列出了幾種常見的對象，選擇采樣周期的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。被控參數(shù)采樣周期/s備注流量1~5優(yōu)先用(1~2)s壓力3~10優(yōu)先用(6~8)s液位6~87s溫度15~20取純滯后時間常數(shù)成分15~20優(yōu)先用用擴充臨界比例度法選擇PID參數(shù)擴充臨界比例度法是以模擬調(diào)節(jié)器中使用的臨界比例度法為基礎(chǔ)的一種PID數(shù)字控制器參數(shù)的整定方法。此法是模擬調(diào)節(jié)器中所用的臨界比例度法的擴充，其整定步驟如下：TKP的閉環(huán)控制。KP，使控制過程出現(xiàn)臨界振蕩。由臨界振蕩求得臨界振蕩周期TsKsKp值。程的誤差平方的積分之比，即mine2dt 控制度 2min e

dtA實際應(yīng)用中并不需要計算出兩個誤差平方積分，控制度僅表示控制效果的1.05時，數(shù)字調(diào)節(jié)器的效果和模擬調(diào)節(jié)器相同，2時，數(shù)字控制較模擬控制的質(zhì)量差一倍。T，KP，TI，TD值。效果為止。用擴充響應(yīng)曲線法選擇PID參數(shù)模擬調(diào)節(jié)器的響應(yīng)曲線法來進(jìn)行，稱為擴充響應(yīng)曲線法。其步驟如下：衡后，給一階躍輸入。（即廣義對象的飛升特性曲線。③在曲線最大斜率處，求得滯后時間T，以及它們mTm/。ITTKPT、IT和 。DPID歸一參數(shù)整定法乃至數(shù)百個控制回路時，整定參數(shù)是十分浩繁的工作，一種簡易的整定方法——PID歸一參數(shù)整定法。PID的增量式為T u(kT)Ke(kT) e(kT) D[e(kT)e(kTT)]T p T TIT TK{[e(kT)e(kTT)] p TT T T T T T

D[e(kT)2e(kTT)e(kT2T)]}TK[(1 D)e(kT)(12 D)e(kTT) De(kT2T)]p T T T TIK[ap 0

e(kT)ae(kTT)a1

)]按二階工程設(shè)計法設(shè)計數(shù)字控制器二階系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常見的一種系統(tǒng)，在實際生活中許多高階系(j) 1 11T(j)T(j)2 (1T2)jT1 2 2 1(1T2)2(T)22 1(1T2)2(T)22 1G(s)

12Ts(112

2Ts)2第十講從結(jié)構(gòu)上說，計算機系統(tǒng)是模擬和數(shù)字部件的混合系統(tǒng)。因此計算機控制接設(shè)計數(shù)字控制器。擇的采樣周期比較大或者是對控制的質(zhì)量要求較高以及一臺計算機實現(xiàn)多回路控制的時候，我們就很難滿足這些要求。因此，我們會采用另一種方法，從被控方法稱為直接設(shè)計法。采用直接設(shè)計法我們可以完全根據(jù)系統(tǒng)的特點進(jìn)行分析與綜合，并導(dǎo)出相規(guī)律，大幅提高我們控制系統(tǒng)的性能。直接設(shè)計法的基本原理和設(shè)計步驟下面闡述直接設(shè)計法的基本原理和設(shè)計步驟：G(sG(s)Z[H(s)G(s為廣義對象的脈沖c cH(s)1eTss

為零階保持器。D(z)就是我們所設(shè)計的數(shù)字控制器。我們把這整個成為系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞脈沖函數(shù)，其中制被控制對象，達(dá)到期望的性能指標(biāo)。由上一表達(dá)式可得：那我們可以知道，當(dāng)已知G(z)時，只要根據(jù)我們的設(shè)計要求選擇合適的(z)，就可以得到我們要設(shè)計的D(z)。因此，我們可以知道，在已知被控對象的前提下，設(shè)計的步驟為：G(z)根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求以及實現(xiàn)的約束條件構(gòu)造閉環(huán)傳遞函數(shù)(z)依據(jù)上式確定數(shù)字控制器的傳遞函數(shù)D(z)由確定控制算法并編制程序。紹一下設(shè)計方法。最少拍無差系統(tǒng)設(shè)計化，最少拍控制就是適應(yīng)這種要求的一種直接離散化設(shè)計法。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，通常把一個采樣周期稱為一拍。所謂最少拍控制，就是要求設(shè)計的數(shù)字調(diào)節(jié)器能使閉環(huán)系統(tǒng)在典型輸入作要求是快速性和準(zhǔn)確性。期內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)無靜差的系統(tǒng)。（或盡可能地短。其閉環(huán)z傳遞函數(shù)具有如下形式：對最少拍控制系統(tǒng)設(shè)計的具體要求如下：準(zhǔn)確性要求蹤輸入信號，不存在靜差?？焖傩砸蟮牟蓸又芷跀?shù)應(yīng)為最少。穩(wěn)定性要求數(shù)字控制器D(z)必須在物理上是可以實現(xiàn)并且閉環(huán)系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的。典型輸入下最少拍系統(tǒng)的設(shè)計方法系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)(z)e根據(jù)準(zhǔn)確性要求，系統(tǒng)沒有穩(wěn)態(tài)誤差，所以同時我們根據(jù)終值定理，可以得到t為冪函數(shù)的典型輸入函數(shù)Z變換我們可以得到其一般形式為A(z)是不包括（1-z-1）z-1的多項式。所以我們可以知道為了是穩(wěn)態(tài)誤差為零， (z)必須含有因子（1-z-1）q，也就是ez=1z-1的多項式。根據(jù)快速性要求，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差盡快為零，則必然有所以，對于典型的輸入來說，有對于單位階躍輸入來說說明系統(tǒng)只需一拍，輸出就能跟隨輸入。此時用長除法可得這樣我們就可以得到輸出序列對于單位速度輸入來說說明系統(tǒng)只需要兩拍，在采樣點上偏差即為零，輸出就跟隨輸入。此時，輸出為這樣我們就可以得到輸出序列對于單位加速度輸入那么這個就說明系統(tǒng)的過渡過程共需三拍，此時，輸出為最少拍控制器的可實現(xiàn)性和穩(wěn)定性要求可實現(xiàn)性要求z傳遞函數(shù)L[f(t)]esF(s)因此D(z)的表達(dá)式我們可以得到

E(z)z[esF(s)]zF(z)穩(wěn)定性要求要保證控制變量收斂，方能使閉環(huán)系統(tǒng)在物理上真正穩(wěn)定。D(z)

(z)R(z)

(z)

C(z) D(z)G(z)G(z)

R(z) 1D(z)G(z)函數(shù)(z增加附加條件。G(z)D(z)零極點抵消，就必須滿足下面這兩個條件。第一個，當(dāng)G(z)有單位圓上或者圓外的零點時，在(z)的表達(dá)式中應(yīng)該把這些零點作為其零點保留。第二個，當(dāng)G(z)有單位圓上或者圓外的極點時，在e(z)的表達(dá)式中應(yīng)該把這些極點作為其零點保留。好，那么我們這次課就上到這里。最少拍快速有波紋系統(tǒng)設(shè)計的一般方法設(shè)廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)為綜合考慮系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、快速性和穩(wěn)定性要求，閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)(z)必須選擇為第十一講最少拍控制系統(tǒng)的局限性系統(tǒng)的適應(yīng)性差D(z)的設(shè)計是根據(jù)某類典型輸入信號設(shè)計的，對其他類型的輸入信號不一定是最少拍，甚至?xí)a(chǎn)生很大的超調(diào)和靜差。入：1100%超調(diào)，2拍后穩(wěn)定，并達(dá)到設(shè)定值。2拍后穩(wěn)定，并達(dá)到設(shè)定值，與分析結(jié)果一致。對于單位加速度輸入來說其輸出結(jié)果：2拍后系統(tǒng)出現(xiàn)穩(wěn)定的靜差。對參數(shù)變化的靈敏度大當(dāng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)發(fā)生變化時，系統(tǒng)的性能指標(biāo)將受到嚴(yán)重影響?？刂谱饔靡壮鱿薅ǚ秶驗楫?dāng)采樣周期很小時，往往對系統(tǒng)的控制作用的要求超出限定范圍，而合理選擇采樣周期的大小。在采樣點之間有波紋 最少拍設(shè)計只在采樣點上保證穩(wěn)態(tài)誤差為零。以改進(jìn)和完善。最少拍無波紋系統(tǒng)的設(shè)計在上述最少拍系統(tǒng)設(shè)計中，實際上只能保證系統(tǒng)在采樣點上的穩(wěn)態(tài)誤差為“波紋”。波紋不僅造成采樣點之間存在有偏差，而且消耗功率，浪費能量，增加機械磨損。采樣周期以后達(dá)到穩(wěn)態(tài)，且輸出在采樣點之間沒有波紋。波紋產(chǎn)生的原因及設(shè)計要求z變換進(jìn)行的，僅在采樣點處是閉環(huán)反饋控制，在采樣存在紋波。系統(tǒng)輸出在采樣點之間存在著波紋，是由控制量輸出序列的波動引起的。u(k)經(jīng)過若干拍后，不為常值或零，而是振蕩收斂。求以外，還須使得(zG(Z)所有的零點。設(shè)計無波紋系統(tǒng)的必要條件針對特定輸入函數(shù)來設(shè)計無波紋系統(tǒng)，其必要條件是被控對象Gc(s)中必須含有無波紋系統(tǒng)所必需的積分環(huán)節(jié)數(shù)。為使被控對象在穩(wěn)態(tài)時的輸出與輸入同步，要求被控對象必須具有相應(yīng)的Gp(s)的穩(wěn)態(tài)輸出也應(yīng)為等速函Gp(s)中至少有一個積分環(huán)節(jié)。最少拍無波紋系統(tǒng)的一般確定方法最少拍無波紋系統(tǒng)設(shè)計的必要條件是：被控對象中含有無波紋系統(tǒng)所必需使(z)G(Z)所有的零點。綜上，無紋波系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)Φ(z)必須選擇為w(z)zmw

(1bz1)(c

cz1

zqv1)m

i 0 1i1

qv1G(z)的瞬變滯后；qR(z)分母的(1-z-1)G(z)w個零點；vG(z)z平面單位圓外的極點數(shù)(z=1的極點不計在內(nèi))。c0,c1,…,cq+v-1，由下列方程確定d(z)dzd(z)dz0q1)(1)

dqdq1(z)dzq1(aj

)1 第十二講s平面的頻域設(shè)計法。對于離散系統(tǒng)的設(shè)計，zzejt，所以，必須有一定的變換。數(shù)字控制器的頻率特性D（W）的一般形式為在研究系統(tǒng)校正裝置時,為了方便,將系統(tǒng)中除了校正裝置以外的部分,包括被控對象及控制器的基本組成部分一起,稱為“原有部分”。因此,控制系統(tǒng)的校正,就是按給定的原有部分和性能指標(biāo),設(shè)計校正裝置。校正中常用的性能指標(biāo)包括穩(wěn)態(tài)精度、穩(wěn)定裕量以及響應(yīng)速度等。穩(wěn)態(tài)精度指標(biāo):Kp,Kv和加速度誤差系數(shù)Ka。:,阻尼比。響應(yīng)速度指標(biāo):trtsωc,BW,諧ωr。,可以很容易地設(shè)計出系統(tǒng)的校正裝置使系統(tǒng)滿足給定要求。校正裝置接入系統(tǒng)的形式主要有兩種:（1）校正裝置與系統(tǒng)原有部分相串聯(lián)，稱為串聯(lián)校正；（2）從系統(tǒng)原有部分引出反饋信號,與原有部分或其一部分構(gòu)成局部反饋回路,并在局部反饋回路內(nèi)設(shè)置校正裝置，稱為反饋校正或并聯(lián)校正。選擇何種校正方式,主要取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點、采用的元件、信號的性質(zhì)、經(jīng)濟條件及設(shè)計者的經(jīng)驗等。串聯(lián)校正簡單,較易實現(xiàn)。,抑制這些環(huán)節(jié)參數(shù)波動或非線性因素對系統(tǒng)性能的不良影響。,同時又要求暫態(tài)響應(yīng)平穩(wěn)快速的系統(tǒng)尤為適用。綜上所述,,也就是說,滿足性能指標(biāo)要求的校正方案不是唯一的。常用校正裝置及其特性相位超前校正裝置可用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn),號源的內(nèi)阻為零,輸出端的負(fù)載阻抗為無窮大,則此相位超前校正裝置的傳遞函數(shù)將是U(s) 1 1TsG(s) o c U(s) 1Ts在采用相i 超前校正裝置時,系統(tǒng)的開環(huán)增益會有倍的衰減，為此，用放大倍數(shù)的附加放大器予以補償。,而噪聲的一個重要特點是其頻率要高于控制信號的頻率,一般實際中選用的14,此時m≈60。,可以用它部分地補償被校正對象在截ωc附近的相角遲后,以提高系統(tǒng)的相角裕度,改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。二、相位遲后校正裝置相位遲后校正裝置可用如圖所示的電氣網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn),假設(shè)輸入信號源的內(nèi)阻為零,輸出負(fù)載阻抗為無窮大,則此相位遲后校正裝置的傳遞函數(shù)為U(s) 1TsG(s) o c U(s) 1Tsi相位遲后校正網(wǎng)絡(luò)實際是一低通濾波器,它對低頻信號基本沒有衰減作用,,β＝10較為適宜。,主要是利用其高頻幅值衰減特性,以降低系統(tǒng)的開環(huán)剪切頻率,提高系統(tǒng)的相角裕度。W變換法的設(shè)計步驟脈沖傳遞函數(shù)。TW變換（。D（W）z平面的脈沖傳遞函數(shù)D(z)即D(z)。第十三講前面介紹的最少拍系統(tǒng)的設(shè)計方法只適合于某些隨動系統(tǒng)，對系統(tǒng)輸出的對于這樣的系統(tǒng)，用一般的隨動系統(tǒng)設(shè)計方法是不行的，用PID算法效果也欠佳。(Dahlin)1968年提出了一種針對工業(yè)生產(chǎn)過程中含有純滯后對象的控制算法。其目標(biāo)就是使整個閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。該算法具有良好的控制效果。在工業(yè)生產(chǎn)中，大多數(shù)過程對象含有較大的純滯后特性。被控對象的純滯對象的純滯后特性給控制器的設(shè)計帶來困難。對此引入史密斯預(yù)估器。史密斯預(yù)估補償原理主要是預(yù)先估計出被控過程的動態(tài)模型．然后將預(yù)估程時間，有效地改善控制品質(zhì)。史密斯(Smith)預(yù)估器設(shè)被控對象傳遞函數(shù)為G(s)G(s)es0τT帶零階保持器的廣義對象傳遞函數(shù)為G(z)zNG(z)0閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為(z)

D(z)zNG(z)01D(z)zNG(z)0分母中包含有純時間滯后環(huán)節(jié)，它會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性象進(jìn)行改造。大林算法是按照過程的特性，設(shè)想出一種模型加到反饋控制系統(tǒng)中，以補因而控制質(zhì)量可以得到很大的提高。含了史密斯預(yù)估器，因而它對純遲延有一定的補償作用。大林算法是運用于自動控制領(lǐng)域中的一種算法，是一種先設(shè)計好閉環(huán)系統(tǒng)（算法算法具有消除余差、對純滯后有補償作用等特點。純帶后對象的控制算法——大林算法如下：設(shè)連續(xù)系統(tǒng)中，被控對象Gc(s)具有一階或二階性環(huán)節(jié)，即或ττ=NT，Nτ為采樣周期的整數(shù)倍。大林算法的設(shè)計原則大林算法的設(shè)計準(zhǔn)則是，以大林算法為模型的數(shù)字控制器，使閉環(huán)系統(tǒng)的此時，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為因此，數(shù)字控制器的傳遞函數(shù)為當(dāng)被控對象為帶純帶后的一階慣性環(huán)節(jié)時當(dāng)被控對象為帶純帶后的二階慣性環(huán)節(jié)時所以得到數(shù)字控制器D(z)的形式設(shè)計目標(biāo)：不論是對一階慣性對象還是對二階慣性對象，大林算法的設(shè)計目標(biāo)都是使閉環(huán)傳遞函數(shù)使系統(tǒng)不產(chǎn)生超調(diào)，同時保證其穩(wěn)定性。因此1(s)

esTs1Tτ為理想閉環(huán)系統(tǒng)的一階慣性時間常數(shù)對上式用零階保持器法離散化，得到1eTs escc(z)Z[ ]z(N1)cc

1eT/Ts T由于

s1 1eT/T

z1cD(z)c

(z) 1

z(N1)(1eT/T) 1ccc1(z)G(z) [1eT/Tc

z1(1eT/T

)z(N1)]G(z)振鈴現(xiàn)象及其消除所謂振鈴(Ringing)現(xiàn)象，是指數(shù)字控制器的輸出以二分之一采樣頻率大幅度衰減的振蕩。振鈴現(xiàn)象中的振蕩是衰減的。由于被控對象中慣性環(huán)節(jié)的低通的穩(wěn)定性。系統(tǒng)的輸出C(z)和數(shù)字控制器的輸出U(z)間有下列關(guān)系C(z)G(z)U(z)系統(tǒng)的輸出C(z)和輸入函數(shù)R(z)之間有下列關(guān)系C(z)(z)R(z)由上面兩式得到數(shù)字控制器的輸出U(z)與輸入函數(shù)的R(z)之間的關(guān)系為U(z)(z)R(z) G(z)K(z)

(z)

D(z)u G(z) 1D(z)G(z)U(z)Ku

R(z)

D(z)R(z)1D(z)G(z)表達(dá)了數(shù)字控制器的輸出與輸入函數(shù)在閉環(huán)時的關(guān)系，是分析振鈴現(xiàn)對于單位階躍輸入函數(shù)R(z)=1/(1-z-1)，含有極點z=1，如果Ku(z)的極點在z平面的負(fù)實軸上，且與z=－1點相近，那么數(shù)字控制器的輸出序列u(k)中將含有從而造成數(shù)字控制器的輸出序列大幅度波動。分析Ku(z)在z平面負(fù)實軸上的極點分布情況，就可得出振鈴現(xiàn)象的有關(guān)結(jié)論。振鈴現(xiàn)象雖然對系統(tǒng)的輸出幾乎沒有影響．但它會使執(zhí)行機構(gòu)磨損；甚至的穩(wěn)定性，因此在系統(tǒng)設(shè)計時，必須將它消除。有兩種方法可用來消除振鈴現(xiàn)象找出D(z)中引起振鈴現(xiàn)象的因子(z=-1附近的極點)，然后令其中的z=1，根據(jù)終值定理，這樣處理不影響輸出量的穩(wěn)態(tài)值。TT避免產(chǎn)生強烈的振鈴現(xiàn)象。具有純滯后系統(tǒng)的大林?jǐn)?shù)字控制器直接設(shè)計的步驟用直接設(shè)計法設(shè)計具有純滯后系統(tǒng)的數(shù)字控制器，主要考慮的性能指標(biāo)是中應(yīng)注意的問題是振鈴現(xiàn)象。根據(jù)系統(tǒng)的性能，確定閉環(huán)系統(tǒng)的參數(shù)Tτ，給出振鈴幅度RA的指標(biāo)。τN。求廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)G(z)及閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)Φ(z)求數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)。第十四講了解了計算機控制系統(tǒng)各部分的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、硬件和軟件技術(shù)、現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。由于控制對象多種多樣，要求控制系統(tǒng)達(dá)到的功能也各不相同，這使得計統(tǒng)的設(shè)計原則。制系統(tǒng)的設(shè)計原則是相同的。這就是：滿足工藝要求在設(shè)計計算機控制系統(tǒng)時，首先應(yīng)滿足生產(chǎn)過程所提出的各種要求及性能出符合生產(chǎn)工藝要求和性能指標(biāo)的控制系統(tǒng)。高的性能指標(biāo)而忽視設(shè)計成本和實現(xiàn)上的可能性也是不可取的?？煽啃砸邔ξ⑿陀嬎銠C控制系統(tǒng)最基本的要求是可靠性高。否則，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故程的企業(yè)中，是不允許故障率高的設(shè)備存在的。系統(tǒng)的可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。在計算機控制系統(tǒng)中，可靠性指標(biāo)一般用系統(tǒng)的平均無故障時間（MTBF）間要大于某個規(guī)定值，而平均維修時間值越短越好。在系統(tǒng)設(shè)計時，首先要選用高性能的工業(yè)控制計算機，保證在惡劣的工業(yè)比如報警、事故預(yù)測、事故處理、不間斷電源等。為了預(yù)防計算機故障，還須設(shè)計后備裝置。對于一般的控制回路，選用手總線控制系統(tǒng)。操作性要好操作性能好包括兩個含義，即使用方便和維護(hù)容易。首先是使用方便。系統(tǒng)設(shè)計時要盡量考慮用戶的需求，使用戶使用上盡可們能在較短時間內(nèi)熟悉和掌握操作。其次是維修容易，即一旦發(fā)生故障，易于查找和排除。在硬件方面，從零查找故障發(fā)生的部位，從而縮短排除故障的時間。實時性要強出相應(yīng)的處理，不丟失信息，不延誤操作。計算機處理的事件一般分為兩類。保證定時處理；輕重緩急預(yù)先分配中斷級別，一旦事故發(fā)生，保證優(yōu)先處理緊急故障。通用性要好工業(yè)控制的對象千差萬別，而計算機控制系統(tǒng)的研制開發(fā)又需要有一定的常常是設(shè)計或選用通用性好的計算機控制裝置靈活地構(gòu)成系統(tǒng)。的系統(tǒng)一般稍作更改或擴充就可適應(yīng)。計算機控制系統(tǒng)的通用靈活性體現(xiàn)在兩方面：一是硬件設(shè)計方面，首先應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，配置各種通用的功能模板或功能模塊，以便在需要擴充時，只要增加相應(yīng)板、塊就能實現(xiàn)，即便當(dāng)CPU存容量、電源功率等。求選擇各種軟件功能模塊，靈活地進(jìn)行控制系統(tǒng)的組態(tài)。經(jīng)濟效益要高兩方面：量采用物美廉價的元器件；能耗、消除污染、改善勞動條件等方面進(jìn)行綜合評估。設(shè)計特點在進(jìn)行微機控制系統(tǒng)設(shè)計時，系統(tǒng)設(shè)計人員必須把系統(tǒng)要執(zhí)行的任務(wù)和應(yīng)并盡量節(jié)省機器時間和內(nèi)存空間。硬件設(shè)計主要采用大規(guī)模集成電路。4個階段：準(zhǔn)備階段、設(shè)計階段、仿真及調(diào)試階段和現(xiàn)場調(diào)試運行階段。系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計總體設(shè)計就是要了解控制對象、熟悉控制要求，確定總的技術(shù)性能指標(biāo)，殊功能要求。（一）確定控制任務(wù)這一步?jīng)Q定了系統(tǒng)整體控制方案，即設(shè)計方案應(yīng)滿足性能指標(biāo)先進(jìn)、方案合理、可行、可靠性高、性能/價格比好的要求，并且盡可能做到具有一定的通用性、可移植性和便于擴充等。第一：要從系統(tǒng)構(gòu)成上考慮，是采用開環(huán)控制還是閉環(huán)控制。方式驅(qū)動，比較各種方案，擇優(yōu)而用。第三：考慮是否有特殊控制要求。（二）硬件軟件功能分配與協(xié)調(diào)微型計算機控制系統(tǒng)是由硬件和軟件共同組成的，對于某些既可用硬件實理地進(jìn)行功能分配與協(xié)調(diào)。軟件與硬件功能分配要根據(jù)各自的特點和實際應(yīng)用的具體情況來決定。（三）接口設(shè)計方便程度來確定，通常有下述三種方法可供選用：選用專門的功能接口板選用通用接口電路用集成電路自行設(shè)計接口電路輸入輸出端的輸入輸出信號，選定各信號輸入輸出時采用何種控制方式。（四）通道設(shè)計輸入輸出通道是計算機與被控對象相互交換信息的部件。的輸入輸出通道以及脈沖量的輸入輸出通道。分組成，各部分選用什么器件等。其他必要的數(shù)據(jù)。運行或完成某種特定的系統(tǒng)操作功能。有一個顯示裝置或顯示屏，用于顯示狀態(tài)、參數(shù)及故障指示等。緊急停止”接鈕，用于在緊急事故時停止系統(tǒng)運行，轉(zhuǎn)入故障處理。微型計算機選擇以及性能指標(biāo)選擇。（一）微型計算機系統(tǒng)構(gòu)成方案選擇組裝方案備、機器效率高，特別適合于專用控制系統(tǒng)。要編寫全部軟件，研制周期長。所以，這種方式?jīng)Q不是優(yōu)先考慮的方案，特別在需要量不大的情況下，就更應(yīng)當(dāng)避免采用這種方案。單板機或單片機方案要求也比較低。因此在微型計算機應(yīng)用的初期用得較多。通用微型計算機系統(tǒng)方案點也比較明顯。通用工業(yè)控制計算機系統(tǒng)方案它是當(dāng)前乃至今后微型計算機控制系統(tǒng)的優(yōu)選方案之一。第十五講下述基本要求：完善的中斷系統(tǒng)；足夠的存儲容量；完備的輸入輸出通道和實時時鐘；微處理器有足夠的數(shù)據(jù)處理能力?？刂扑惴ㄔO(shè)計控制算法設(shè)計必須以系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，數(shù)學(xué)模型是系統(tǒng)運動規(guī)律的控制算法就是可程序化設(shè)計的系統(tǒng)控制規(guī)律。計算機對數(shù)據(jù)的處理能力來進(jìn)行。在設(shè)計中要注意以下幾個問題：必須滿足控制速度、控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。第二，各種控制算法提供了一套通用的計算公式，是對一般性的問題而言要進(jìn)行必要的修改和補充。相應(yīng)的控制算法的實現(xiàn)就比較困難?？刂扑惴ㄔO(shè)計要充分考慮其可實現(xiàn)性。直到獲得最好的控制效果。硬件設(shè)計作和焊接調(diào)試，每一環(huán)節(jié)都必須認(rèn)真做好，才能保證硬件的質(zhì)量。IPCPLC裝置，以加快設(shè)計研制進(jìn)程，使系統(tǒng)硬件設(shè)計的工作量減到最小。例如STD總線、PC總線IPC有數(shù)十種國內(nèi)外的品牌，PLC的產(chǎn)品，否則絕不要隨意決定自行研制。軟件設(shè)計IPCPLC來組建計算機控制系統(tǒng)不僅能減小系統(tǒng)硬件設(shè)計工作量，而出應(yīng)用軟件。如果從選擇單片機入手來研制控制系統(tǒng)，那系統(tǒng)的全部硬件、軟件均需自應(yīng)考慮以下幾個方面。（1）編程語言的選擇（2）數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃（3）資源分配（4）控制軟件的設(shè)計（5）程序設(shè)計的方法系統(tǒng)聯(lián)調(diào)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)是要把已調(diào)好的各程序功能塊按照總體設(shè)計要求連成一個完整的試運行后，即可投入正式運行。聯(lián)調(diào)通常分兩步進(jìn)行：控制系統(tǒng)，在調(diào)試時應(yīng)采取一些必要的測量監(jiān)視和保護(hù)措施?？垢蓴_等問題。微型計算機控制系統(tǒng)的軟件（一）系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)語言加工系統(tǒng)診斷系統(tǒng)（二）應(yīng)用軟件控制程序控制程序主要實現(xiàn)對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制，它根據(jù)各種各樣的控制算法和千標(biāo)。數(shù)據(jù)采集及處理程序A/D的數(shù)據(jù)；線性化處理程序，對檢測元件或變送器的非線性特性用軟件進(jìn)行補償。巡回檢測程序除包括數(shù)據(jù)采集程序之外，還包括越限報警程序，用于在生產(chǎn)中某些量超CRT上形象地反映生產(chǎn)狀況。數(shù)據(jù)管理程序這部分程序用于生產(chǎn)管理部分，主要包括統(tǒng)計報表程序，按生產(chǎn)管理部門程序等。要求：控制信息到被控對象。②靈活性：整個程序結(jié)構(gòu)不作改變的情況下，能對程序方便的修改或補充。存單元被沖。第十六講應(yīng)用程序的語言選擇及設(shè)計步驟（一）語言選擇機器語言匯編語言高級語言（二）應(yīng)用程序的設(shè)計步驟和方法改進(jìn)和再設(shè)計。入/輸出的形式，決定與接口硬件電路的連接配合以及出錯處理方法。程序設(shè)計是利用程序?qū)θ蝿?wù)作出描述，即編寫源程序。程序進(jìn)行改進(jìn)和補充。程序設(shè)計通常采用模塊程序設(shè)計法和結(jié)構(gòu)程序設(shè)計法。計、調(diào)試成功之后再安裝配在一起，成為一個完整的程序。明，邏輯上彼此獨立；三、使模塊具有通用性；四、簡單任務(wù)不必模塊化。序結(jié)構(gòu)，選擇結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖所示：高級語言和匯編語言的混合編程（一）混合語言編程的基本概念程序接口命名約定調(diào)用約定參數(shù)傳遞約定（二）C語言程序?qū)R編語言程序的調(diào)用語言和匯編語言的混合編程方法。C語言是目前最流行且廣泛應(yīng)用于微型計算機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計的一種高級語言。1.C語言程序中的接口處理2.匯編語言中的接口處理C8個字符。如果CC語言調(diào)用far?？紤]調(diào)用約定，C語言程序向匯編過程傳送參數(shù)是通過堆棧進(jìn)行的，而C語言參數(shù)壓棧的順序與參數(shù)在調(diào)用時參數(shù)表中出現(xiàn)的順序相反。CRETBASIC等其他語RETn返回。根據(jù)缺省默認(rèn)，C語言的參數(shù)傳遞方式是傳值，但數(shù)組總是采用傳址方式。綜上所述，用C語言調(diào)用匯編程序的步驟為：按各種約定編寫并匯編語言源程序，得到可重新定位的目標(biāo)文件，注意下劃線、PUBLICBP的使用。extern和參數(shù)的類型的使用。將兩種語言程序的目標(biāo)文件連接成一個可執(zhí)行的文件。運行該執(zhí)行文件。首先是命名約定其次是調(diào)用約定第三、參數(shù)傳遞方式是保證正常調(diào)用的關(guān)鍵。第十七講（四）C語言程序調(diào)用匯編程序舉例/*C語言程序:CAC.C*//*CAC.C-MSC CallsMASMroutine*/externintpower2(int,int);main(){printf(“3times2tothepowerof5is%d\n”,power2(3,5));};匯編語言程序:CAA.ASM;CAA.ASM-MASMroutineCalledbyMSC.MODELSMALL.CODEPUBLIC_Power2_Power2procnearPUSHBP ; SAVE BPMOVBP,SP ; POINTTOSTACKMOVAX,[BP+4] ; LOADARG1MOVCX,[BP+6] ; LOADARG2SHL AX,CX ; CALCULATEPOPBP ;RET_Power2ENDPEND微型計算機控制系統(tǒng)的研制工具以及單板機、交叉匯編程序、模擬仿真程序等。器可以很方便地實現(xiàn)以下開發(fā)手段：系統(tǒng)實時仿真資源借調(diào)數(shù)字濾波與模擬濾波器相比有以下優(yōu)點：“共用”一個濾波程序。在阻抗匹配等問題。數(shù)字濾波可以對頻率很低的信號濾波修改模擬濾波器的硬件靈活、方便。（一）算術(shù)平均值濾波YXk之間誤差的平方和和E為最小，即，其中N為采樣次數(shù)。根據(jù)極值原理得該方法是把n次采樣值進(jìn)行相加，然后取其算術(shù)平均值為本次采樣值。（二）中值濾波（三）一階滯后濾波一階滯后濾波方法，其表達(dá)式為：（四）程序判斷濾波程序判斷濾波分為限幅濾波和限速濾波兩種。第十八講在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計時總希望系統(tǒng)的輸出和輸入呈簡單的線性關(guān)系。在計性關(guān)系轉(zhuǎn)化為線性關(guān)系。線性化方法：計算法；查表法；插值法。計算法達(dá)式。查表法傳感器的特性是非線性，且測量數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)換的電信號之間無明確、簡便的行線性化處理。中，通過查表程序根據(jù)測量數(shù)據(jù)查出所需的結(jié)果。表格分為無序表和有序表。查表方法有順序查表法、計算查表法、對分查表法。直到找到要找的數(shù)據(jù)為止。計算查表法：要求表格有序且為線性，即要求各數(shù)據(jù)元素在表格中的排列元素所對應(yīng)的地址，從相應(yīng)的存貯單元中取出所需要的數(shù)據(jù)。對分查表法：用于有序表的查找。對一個字節(jié)長度為N的有序表（從小到大排列，先取N/2X比較，若XN/2N/2N3N/4處的值進(jìn)行比較；反之下一次取0N/2的中間值N/4X。(局部線性化方法)擬合該段曲線。在此折線內(nèi)的關(guān)系用直線方程表示：y y

yyn

n1(xx )x n1

xxn n1

x n1曲線分段的方法：等距分段法、不等距分段法。等距分段法：函數(shù)曲線的曲率和斜率變化不大時適用。這種方法精度較高，但編程較麻煩。數(shù)碼顯示LED數(shù)碼管，LED數(shù)碼管顯示器件的特點是：體積小，功耗低，響應(yīng)速度快，易于匹配，壽命長，可靠性高。用數(shù)碼管顯示數(shù)字和字符的基本形式有軟件查表顯示和硬件譯碼顯示兩種。越限報警處理程序下限報警及上下限報警。PID控制算法程序PID控制算法，在微型計算機控制系統(tǒng)中已被廣泛應(yīng)用，是微型計算機控制系統(tǒng)的常用程序之一。（一）位置式PID控制算法程序位PID控制算法的表達(dá)式為：（二）增量型PID控制算法程序增PID控制算法的表達(dá)式為：第十九講設(shè)計舉例一——微型計算機控制直流伺服系統(tǒng)設(shè)計調(diào)速比大，起制動性能好，定位精度高。一、總體控制方案設(shè)計（一）確定系統(tǒng)的控制任務(wù)PWM信號，則PWM信號發(fā)生器和PWM功率放大器形成的數(shù)字控制量到模擬電壓輸出量之間的增益為：（二）輸入輸出通道及其接口設(shè)計電流反饋通道電流反饋通道由霍爾元件、兩級運算放大器和A/D 轉(zhuǎn)換器組成。轉(zhuǎn)速反饋通道轉(zhuǎn)速反饋通道由光速電脈沖發(fā)生器，光電隔離器PC900、可編程門陣列GAL16V8和計數(shù)器、定時器等組成。位置反饋通道位置反饋通道由光電脈沖發(fā)生器、光電隔離器 PC900、可編程門陣列GAL16V8以及計數(shù)器T1和計數(shù)器T2組成?？刂戚敵鐾ǖ揽刂戚敵鐾ǖ烙?254計數(shù)器的兩個計數(shù)通道#0計數(shù)器和#1計數(shù)器構(gòu)成。伺服系統(tǒng)給定輸入通道給定輸入通道由上位微型計算機、電平轉(zhuǎn)換電路MC1488、MC1489和串行通信接口電路組成。二、微型計算機選擇Intel8086微處理器構(gòu)成全數(shù)字式三環(huán)直流伺服系統(tǒng)的控制方案。M法測速M法是一種脈沖直接計數(shù)法，工作原理：由計數(shù)器記錄PLG發(fā)出的脈沖信CPUINTt；CPU響應(yīng)中斷后，讀出計M1Mn。計算公式n 60Mn60 1 1T ZTc c式中 Z為PLG每轉(zhuǎn)輸出的脈沖個數(shù)；M法測速的分辨率60(MQ

1)60M1

60cccZT ZT ZTcccM法測速誤差率60M1

60(M1

1)c ZTcmax

ZTc60Mc

100% 1100%M 1 1ZT在上式中，Z和cTc均為常值，因此轉(zhuǎn)速n正比于脈沖個數(shù)。高速時Z大，量化誤差較小，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差增大，轉(zhuǎn)速過低時將小于1，測速裝置便不能正常工作。所以，M法測速只適用于高速段。T法測速T法是一種脈沖時間計數(shù)法。工作原理：計數(shù)器記錄來自CPU的高頻脈沖CPU響應(yīng)中斷，從計數(shù)器中讀出計數(shù)值M2，并立即清零，重新計數(shù)。計算公式n60

1ZMT

60f 0ZM20 2式中 Z為PLG每轉(zhuǎn)輸出的脈沖個數(shù)；T法測速的分辨率60fQ

60f0

60f0Z(M2

1) ZM2

ZM(M2

1)60f0

60f0 max

Z(M 1) ZM2 60f2 0

100%

1M 12

100%ZM2M2T法測速適用于低速段。M法是測量單位時間內(nèi)的脈數(shù)換算成頻率，因存在測量時間內(nèi)首尾的半個誤差所占的比例會變大，所以M法宜測量高速。如要降低測量的速度下限，可以提高編碼器線數(shù)或加大測量的單位時間，使用一次采集的脈沖數(shù)盡可能多。T誤差所占的比例變大，所以T法宜測量低速。如要增加速度測量的上限，可以大。M法、T法各且優(yōu)劣和適應(yīng)范圍，編碼器線數(shù)不能無限增加、測量時間也不能太長(得考慮實時性)、計時單位也不能無限小，所以往往候M法、T法都無MT法結(jié)合的M/T時測周期、高速時測頻率。兩種測速