東北大學(xué)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)第1章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述

第1章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述信息學(xué)院·周瑋zhouwei@二○○九年五月計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程教學(xué)內(nèi)容:一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述二、信號(hào)轉(zhuǎn)換與z變換

三、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述與性能分析

四、數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)方法

五、數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法

六、基于狀態(tài)空間模型的極點(diǎn)配置設(shè)計(jì)方法

七、先進(jìn)控制規(guī)律的設(shè)計(jì)方法八、基于網(wǎng)絡(luò)的控制技術(shù)

九、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)十、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

本章內(nèi)容:

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念過(guò)程通道與總線接口技術(shù)模擬與數(shù)字信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論問(wèn)題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)1.1引言1、概述

計(jì)算機(jī)控制是以控制理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的一門(mén)新的工程科學(xué)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、農(nóng)業(yè)、軍事等領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)參與的控制系統(tǒng)，也稱數(shù)字控制系統(tǒng)，產(chǎn)生了一系列新的基本理論和分析、設(shè)計(jì)方法。2、發(fā)展歷程

1946年世界第一臺(tái)數(shù)字計(jì)算機(jī)誕生

20世紀(jì)50年代初產(chǎn)生了將數(shù)字計(jì)算機(jī)用于控制的思想，1955年美國(guó)TRW航空公司與美國(guó)一個(gè)煉油廠合作，開(kāi)始進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制的研究

1962年英國(guó)的帝國(guó)化學(xué)工業(yè)公司應(yīng)用計(jì)算機(jī)直接控制（DDC）被控過(guò)程的變量

1972年開(kāi)始，微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，推動(dòng)計(jì)算機(jī)控制進(jìn)入了嶄新的發(fā)展階段，并逐步取代模擬系統(tǒng)而成為主流控制系統(tǒng)

20世紀(jì)80年代以后，微型處理器件的迅速發(fā)展對(duì)計(jì)算機(jī)控制產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，計(jì)算機(jī)控制得到更為普及的應(yīng)用，并快速向集散型、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展3、課程講述的內(nèi)容

本書(shū)將從信號(hào)變換、對(duì)象建模與性能分析、控制算法設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等4個(gè)方面系統(tǒng)講述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的基本理論和方法，其中在信號(hào)變換的工程化，控制算法的工程化，以及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的工程化部分進(jìn)行了重點(diǎn)闡述。1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成圖1.1爐溫計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)將類(lèi)似上述爐溫計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的各類(lèi)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)抽象化，得到圖1.2所示的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)。圖1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)離散模擬信號(hào)量化模擬信號(hào)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與常規(guī)的連續(xù)（模擬）控制系統(tǒng)相比，通常具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）設(shè)計(jì)和控制靈活（2）能實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)視和操作（3）能實(shí)現(xiàn)綜合控制（4）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)2、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求（1）可靠性高（2）實(shí)時(shí)性好（3）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)（4）過(guò)程輸入和輸出配套較好（5）系統(tǒng)擴(kuò)充性好（6）系統(tǒng)開(kāi)放性（7）控制軟件包功能強(qiáng)3、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)1、穩(wěn)定性：閉環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)2、穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)誤差3、動(dòng)態(tài)指標(biāo)：過(guò)程過(guò)程時(shí)間，超調(diào)量等4、綜合指標(biāo)：既要考慮到能對(duì)系統(tǒng)的性能做出正確的評(píng)價(jià)，又要考慮到數(shù)學(xué)上容易處理或工程上便于實(shí)現(xiàn)。如積分型指標(biāo)：1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的過(guò)程通道和總線接口技術(shù)圖1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成示意圖計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成：（1）過(guò)程裝置：包括被控對(duì)象，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和測(cè)量變送裝置（2）輸入輸出通道：包括過(guò)程通道和總線接口（3）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：包括計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備。外部設(shè)備包括人機(jī)聯(lián)系設(shè)備（如鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等）和通用外部設(shè)備（如顯示器、打印機(jī)等）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件構(gòu)成：（1）系統(tǒng)軟件：指為提高計(jì)算機(jī)使用效率和擴(kuò)大功能、為用戶使用和維護(hù)計(jì)算機(jī)提供方便的程序的總稱，一般包括操作系統(tǒng)、程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)和公共程序與診斷系統(tǒng)（2）應(yīng)用軟件：用戶為解決實(shí)時(shí)控制問(wèn)題、完成特定功能而設(shè)計(jì)和編寫(xiě)的各種程序的總稱，一般包括過(guò)程監(jiān)控程序、過(guò)程控制程序和信息管理程序（3）數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)：用于支持?jǐn)?shù)據(jù)管理、存取的軟件，它包括數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等1.3.1過(guò)程通道過(guò)程輸入/輸出通道分為模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、開(kāi)關(guān)量輸入通道和開(kāi)關(guān)量輸出通道。過(guò)程輸入通道：把生產(chǎn)對(duì)象的被控參數(shù)變換成計(jì)算機(jī)可以接收的數(shù)字代碼過(guò)程輸出通道：把計(jì)算機(jī)輸出的控制命令和數(shù)據(jù)，變換成可以對(duì)工業(yè)對(duì)象進(jìn)行控制的信號(hào)1、模擬量輸入通道圖1.4模擬量輸入通道組成與結(jié)構(gòu)圖2、模擬量輸出通道圖1.5模擬量輸出通道組成與結(jié)構(gòu)圖3、數(shù)字量輸入通道圖1.6數(shù)字量輸入通道示意圖4、數(shù)字量輸出通道圖1.7數(shù)字量輸出通道示意圖1.3.2總線接口技術(shù)為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，常用一組線路，配置以適當(dāng)?shù)慕涌陔娐罚c各部件和外圍設(shè)備連接，這組共用的連接線路被稱為總線。總線是計(jì)算機(jī)各模塊之間、計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間的公共通道。1、內(nèi)部總線

圖1.8內(nèi)部并行總線及組成指計(jì)算機(jī)內(nèi)部各外圍芯片與處理器之間的總線，用于芯片一級(jí)的互連。通常包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線三類(lèi)。圖1.9內(nèi)部串行總線SPI的組成2、系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線指計(jì)算機(jī)中各插件板與系統(tǒng)板之間的總線（如Multibus總線、STD總線、PC總線），用于插件板一級(jí)的互連，為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所特有，是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的總線。系統(tǒng)總線通常為50-100根信號(hào)線，分為5個(gè)主要類(lèi)型：（1）數(shù)據(jù)線：決定數(shù)據(jù)寬度；（2）地址線：決定直接選址范圍；（3）控制線：包括控制、時(shí)序和中斷線，決定總線功能和適應(yīng)性的好壞；（4）電源線和地線：決定電源的種類(lèi)及地線的分布和用法；（5）備用線：留給廠家或用戶自己定義。圖1.10系統(tǒng)總線及組成3、外部總線圖1.11外部總線及組成外部總線指計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與外部其他儀表或設(shè)備之間進(jìn)行連接通信的總線。外部總線通常通過(guò)總線控制器掛接在系統(tǒng)總線上。1.4模擬與數(shù)字信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換1.4.1D/A轉(zhuǎn)換及其誤差1、D/A轉(zhuǎn)換器原理D/A轉(zhuǎn)換器是按照規(guī)定的時(shí)間間隔T對(duì)控制器輸出的數(shù)字量進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換的。D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理，可以歸結(jié)為“按權(quán)展開(kāi)求和”的基本原則，對(duì)輸入數(shù)字量中的每一位，按權(quán)值分別轉(zhuǎn)換為模擬量，然后通過(guò)運(yùn)算放大器求和，得到相應(yīng)模擬量輸出。按與微機(jī)的接口形式分類(lèi)DAC： 并行接口DAC;

串行接口DAC; PWM形式DAC.按DAC的輸出形式分類(lèi)： 電流輸出型DAC;

電壓輸出型DAC.

串行接口DAC:

芯片體積小,轉(zhuǎn)換速度低,與CPU連線少.

并行接口DAC:

芯片體積大,轉(zhuǎn)換速度高,與CPU連線多.

PWM形式DAC

硬件接口簡(jiǎn)單，精度低，速度慢.不同種類(lèi)DAC的特點(diǎn)D/ADAVref數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器示意圖信號(hào)說(shuō)明:D—數(shù)字量輸入信號(hào)(8位.10位.12位.16位等)A---模擬量輸出信號(hào)(5V

10V等)Vref—參考電壓

DAC原理:電流源的DAC概念圖DAC原理:權(quán)電阻法的DAC原理圖D/A的組成框圖電子開(kāi)關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)輸入寄存器基準(zhǔn)電壓求和放大模擬量輸出數(shù)字量輸入T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器當(dāng)D=0時(shí)S

接地；當(dāng)D=1時(shí)S

接“地”（虛地）。

T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

梯形電阻網(wǎng)絡(luò)A、B、C、D任意一點(diǎn)，其右邊的電阻網(wǎng)絡(luò)等效電阻均等于R

。

S為電子開(kāi)關(guān)。

當(dāng)D=0時(shí)S

接地；當(dāng)D=1時(shí)S

接“地”（虛地）?；鶞?zhǔn)電源并行數(shù)字輸入電子開(kāi)關(guān)模擬信號(hào)輸出RRR2R2R2R2R2RI0I1I2I3S0S1S2S3D0D1D2D3UREFIRfUO－＋△8＋ABCDIo1Io2++_RRR2R2R2R2R2RI0I1I2I3S0S1S2S3D0D1D2D3UREFIUO－＋△8＋ABCDIo1Io2_++當(dāng)D=0時(shí)S接地；當(dāng)D=1時(shí)S接“地”（虛地），T型電阻網(wǎng)絡(luò)的等效電路即不論模擬開(kāi)關(guān)接到左邊還是右邊，電阻2R一端總是零電位。其等效電路如圖：RRUREFII=UREFR

梯形電阻網(wǎng)絡(luò)A、B、C、D任意一點(diǎn)，其右邊的電阻網(wǎng)絡(luò)等效電阻均等于R

。I=UREFR

RRR2R2R2R2RI0I1I2I3UREFIABCDI0I1I2I32RRRR2R2R2R2R2RI0I1I2I3S0S1S2S3D0D1D2D3UREFIRfUO－＋△8＋ABCDIo1Io2++_Io1=I3I2I1I0+++=（D323+D222+D12124I+D020）UO=–Rf

I01=–（D323+D222+D12124Rf

I+D020）UO=–

(D323+D222+D121+D020)UREFRf24RUO=–

(Dn-12n-1+Dn-22n-2+…+D121+D020)UREFRf2nR2、D/A轉(zhuǎn)換的誤差D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字編碼信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的時(shí)間連續(xù)模擬信號(hào)，包括解碼器和信號(hào)保持器。D/A轉(zhuǎn)換的誤差主要應(yīng)由解碼器精度（轉(zhuǎn)換器字長(zhǎng)）和保持器（采樣點(diǎn)之間插值）的形式以及規(guī)定的時(shí)間間隔T來(lái)決定。1.4.2A/D轉(zhuǎn)換及其誤差

返回在數(shù)據(jù)采集和過(guò)程控制中，被采集對(duì)象往往是連續(xù)變化的物理量（如溫度、壓力、聲波等），由于計(jì)算機(jī)只能處理離散的數(shù)字量，需要對(duì)連續(xù)變化的物理轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,這一操作過(guò)程就是A/D轉(zhuǎn)換。AnalogyDATAA/DCPUI/OA/D轉(zhuǎn)換器的作用是將輸入的模擬量數(shù)字化。主要分為兩大類(lèi)：直接轉(zhuǎn)換器：逐次逼近型、并聯(lián)比較型等間接轉(zhuǎn)換器：?jiǎn)畏e分型、雙積分型等順序砝碼重量

比較判斷砝碼去留18g8g<13g

留

128g+4g12g<13g

留

1

38g+4g+2g14g>13g

去

048g+4g+1g

13g=13g

留

1逐次逼近的基本思想：類(lèi)似于用天平稱物

結(jié)果表示1、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖電壓比較器輸出數(shù)字量模擬信號(hào)輸入?yún)⒖茧妷褐鸫伪平拇嫫鱀/A

轉(zhuǎn)換器節(jié)拍脈沖發(fā)生器輸出寄存器CP四位D/A轉(zhuǎn)換器1DQCDQCDQCDQC+C4C3C2C1C0SDJKRDCQ0SDJKRDCQ1SDJKRDCQ2SDJKRDCQ3+Ui=5.52V比較器節(jié)拍脈沖發(fā)生器?????????????時(shí)鐘脈沖數(shù)碼寄存器d3d2d1d0??????逐次比較寄存器U0U+U+JKU0=(d323+d222+d121+d020)24URCC0C2C1C3C401000UR=8VU0=4V10000010111011U0=5VU0=6V01U0=5.5V四位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器D/A順序d3d2d1d0UA/V比較該位1的去留11

0

0

04UA<UI1

1

0

026UA>UI1

0

1

035UA<UI1

0

1

145.5UA≈UI留去留留UA逼近UI的波形四位逐次逼近型ADC的轉(zhuǎn)換過(guò)程UA逼近U1的波形5.52O512346UA/V2341脈沖順序2、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器原理圖1.15雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器原理及波形圖3、A/D轉(zhuǎn)換的誤差通常A/D轉(zhuǎn)換器要完成采樣、量化和編碼3個(gè)變換：采樣保持器：對(duì)連續(xù)的模擬輸入信號(hào)，按一定的時(shí)間間隔T進(jìn)行采樣，變成時(shí)間離散、幅值等于采樣時(shí)刻輸入信號(hào)值的序列信號(hào)。量化：將采樣時(shí)刻的信號(hào)幅值按最小量化單位取整的過(guò)程。量化單位越小，采樣時(shí)刻信號(hào)的信號(hào)幅值與變換成的有限位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)碼的差異也越小。編碼：將整量化的分層信號(hào)變換為二進(jìn)制數(shù)碼形式，編碼只是信號(hào)表示形式的改變，是一個(gè)無(wú)誤差的等效變換過(guò)程。A/D轉(zhuǎn)換的誤差：主要應(yīng)由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率（孔徑時(shí)間）和轉(zhuǎn)換精度（量化誤差）來(lái)決定。采樣保持電路：對(duì)變化較慢的模擬信號(hào)(即所謂低頻信號(hào))在A/D芯片之前可不加采樣保持電路。確切的說(shuō),若A/D轉(zhuǎn)換器的速度比模擬信號(hào)變化速度高很多倍,我們可將模擬信號(hào)直接加到A/D轉(zhuǎn)換器上。如果模擬信號(hào)變化比較快,為了保證轉(zhuǎn)換精度,就要在A/D之前加上采樣保持電路,使得在轉(zhuǎn)換期間保持模入信號(hào)不變。采樣-保持（S/H）電路uoA2CuiA1uc（t）（t）（t）

輸入緩沖放大器模擬開(kāi)關(guān)

輸出緩沖放大器保持電容采樣-保持電路波形圖采樣采樣采樣保持保持uiucuo（t）（t）（t）000ttt1.5計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論問(wèn)題1、信號(hào)變換問(wèn)題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)除有連續(xù)模擬信號(hào)外，還有離散模擬、離散數(shù)字等信號(hào)形式，是一種混合信號(hào)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號(hào)形式上的特點(diǎn)，使信號(hào)