微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)(第2版)

1、11/7/2022整理課件 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 主講: 戴永 教 材:戴 永等,微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù),湘潭大學(xué)出版社,2009年參考資料:1戴永.微機(jī)控制技術(shù).長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)出版社，2004 2張艷兵. 計(jì)算機(jī)控制技術(shù). 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社,2006 3楊恢先.單片機(jī)原理及應(yīng)用. 北京：人民郵電出版社,2006 4曹承志.微型計(jì)算機(jī)控制新技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001 21/7/2022整理課件課 程 教 學(xué) 說(shuō) 明一.課程特性專業(yè)硬件基礎(chǔ)課專業(yè)軟件基礎(chǔ)課微機(jī)控制技術(shù)3）目的 使同學(xué)們了解、掌握使同學(xué)們了解、掌握微機(jī)控制技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)、微機(jī)控制系統(tǒng)原理及相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法原理及相應(yīng)的設(shè)計(jì)方

2、法,達(dá)到計(jì)算機(jī)學(xué)科、達(dá)到計(jì)算機(jī)學(xué)科、通信學(xué)科本科層次知識(shí)結(jié)構(gòu)的基本完整。通信學(xué)科本科層次知識(shí)結(jié)構(gòu)的基本完整。31/7/2022整理課件二. 學(xué) 習(xí) 要 求n（1)微機(jī)控制的基本理論與方法達(dá)到記識(shí)層；n（2) 學(xué)生利用基本理論與方法可設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的微機(jī)控制系統(tǒng)，分析較復(fù)雜的微機(jī)控制系統(tǒng)；n（3) 對(duì)微機(jī)控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展方向有一定程度的了解。 41/7/2022整理課件三、本課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)n1) 微機(jī)控制技術(shù)的基本概念與思考方法;n2) 微型計(jì)算機(jī)控制理論基礎(chǔ); n3) 面向微機(jī)控制系統(tǒng)的接口原理與設(shè)計(jì)；通道配置原理及方法、通道電路原理與設(shè)計(jì)、通道操控算法與程序設(shè)計(jì)；n4) 數(shù)據(jù)采集原理及處理方

3、法；n5) 間接、直接數(shù)字控制器設(shè)計(jì)理論與實(shí)現(xiàn)方法；n6）順序與數(shù)字程序控制概念、原理和方法；n7) 模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制原理及實(shí)現(xiàn)方法；n8）總線技術(shù)。 51/7/2022整理課件實(shí) 驗(yàn) 及 其 要 求n實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本課程教學(xué)內(nèi)容的組成部分n實(shí)驗(yàn)教材：?jiǎn)纹瑱C(jī)原理及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)(胡洪波 王霞玲,編號(hào)03016)n實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：n實(shí)驗(yàn)1：D/A轉(zhuǎn)換：程控電子波形產(chǎn)生原理及方法(計(jì)算,通信)n實(shí)驗(yàn)2：A/D轉(zhuǎn)換：模擬信號(hào)2進(jìn)制采樣原理與方法(計(jì)算,通信)n實(shí)驗(yàn)3：步進(jìn)電機(jī) :步進(jìn)電機(jī)的程控電流換相、調(diào)速、調(diào)向原理與方法(計(jì)算)n實(shí)驗(yàn)4：直流電機(jī) ：直流電機(jī)的程控調(diào)速、調(diào)向及測(cè)控原理與方法(計(jì)算) n實(shí)驗(yàn)

4、5：LED點(diǎn)陣顯示:顯示圖形或漢字(計(jì)算,通信).n實(shí)驗(yàn)6: LCD液晶顯示:顯示圖形或漢字(計(jì)算,通信).n實(shí)驗(yàn)7: IC卡實(shí)驗(yàn):IC卡信息讀寫(計(jì)算,通信).61/7/2022整理課件n實(shí)驗(yàn)要求：獨(dú)立完成，教師驗(yàn)收，創(chuàng)新獎(jiǎng)勵(lì)n考核方法與成績(jī)n(1)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收，現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)答，現(xiàn)場(chǎng)打分n(2)撰寫綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告n 特別聲明：因?yàn)榇苏n實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求高，實(shí)驗(yàn)過(guò)特別聲明：因?yàn)榇苏n實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求高，實(shí)驗(yàn)過(guò)程抓得緊，成績(jī)?cè)u(píng)定嚴(yán)格，所以不提供非計(jì)劃程抓得緊，成績(jī)?cè)u(píng)定嚴(yán)格，所以不提供非計(jì)劃時(shí)間的教學(xué)實(shí)驗(yàn)補(bǔ)課，有正當(dāng)理由者在下一級(jí)時(shí)間的教學(xué)實(shí)驗(yàn)補(bǔ)課，有正當(dāng)理由者在下一級(jí)的本課程實(shí)驗(yàn)課補(bǔ)做。的本課程實(shí)驗(yàn)課補(bǔ)做。7

5、1/7/2022整理課件成 績(jī) 評(píng) 定n實(shí)驗(yàn)：30%n閉卷考試：70%n特別申明：不參加實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)考核不及特別申明：不參加實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)考核不及n 格者不提供理論考試試卷，格者不提供理論考試試卷，n 強(qiáng)行參考者不予成績(jī)?cè)u(píng)定強(qiáng)行參考者不予成績(jī)?cè)u(píng)定。81/7/2022整理課件第第1章章 緒緒 論論n本章學(xué)習(xí)提要n（1）計(jì)算機(jī)控制技術(shù)經(jīng)歷的發(fā)展階段；n（2）控制系統(tǒng)基本概念：控制系統(tǒng)基本概念： 1. 常用概念術(shù)語(yǔ)，2常見(jiàn)系統(tǒng)術(shù)語(yǔ) 。n（3）控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)5種典型工作特性種典型工作特性 。n（4）微機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)：控制器和比較環(huán)微機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)：控制器和比較環(huán)節(jié)由微型計(jì)算機(jī)取代，這是劃時(shí)代的進(jìn)步

6、；節(jié)由微型計(jì)算機(jī)取代，這是劃時(shí)代的進(jìn)步；。n（5）與模擬控制系統(tǒng)比較微型機(jī)控制系統(tǒng)與模擬控制系統(tǒng)比較微型機(jī)控制系統(tǒng)5個(gè)個(gè)特征。特征。n（6）微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有4種經(jīng)典結(jié)構(gòu)和種經(jīng)典結(jié)構(gòu)和4種種新型結(jié)構(gòu)新型結(jié)構(gòu)91/7/2022整理課件1.1 控制系統(tǒng)基礎(chǔ)n111 控制系統(tǒng)基本概念控制系統(tǒng)基本概念n1. 常用概念術(shù)語(yǔ)常用概念術(shù)語(yǔ)n對(duì)象對(duì)象:為完成特定動(dòng)作為完成特定動(dòng)作,由機(jī)械、電氣、電子等零部件有機(jī)組成的由機(jī)械、電氣、電子等零部件有機(jī)組成的裝置或設(shè)備。裝置或設(shè)備。n過(guò)程：過(guò)程：過(guò)程:被控制的運(yùn)行狀態(tài).兩種不同的描述如下n（1）自然過(guò)程指一種自然的逐漸進(jìn)行地運(yùn)轉(zhuǎn)或發(fā)展，其特征是

7、在運(yùn)轉(zhuǎn)和發(fā)展?fàn)顟B(tài)中以相對(duì)固定的方法相繼發(fā)生一系列的漸進(jìn)變化,并最后導(dǎo)致一個(gè)特定的結(jié)果或狀態(tài)。n(2)人為或隨意連續(xù)進(jìn)行的運(yùn)行狀態(tài)，這種運(yùn)行狀態(tài)由一系列被控制的動(dòng)作和一直進(jìn)行到某一特定結(jié)果或狀態(tài)的有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)構(gòu)成。n過(guò)程特征過(guò)程特征表現(xiàn)為以相對(duì)固定的方式導(dǎo)致一個(gè)特定結(jié)果或狀態(tài)。n系統(tǒng)：為完成相應(yīng)任務(wù)，一些元件、部件等按一定規(guī)則的組合。系統(tǒng)：為完成相應(yīng)任務(wù)，一些元件、部件等按一定規(guī)則的組合。系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)現(xiàn)象的抽象，不同的領(lǐng)域有不同的組合內(nèi)容。系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)現(xiàn)象的抽象，不同的領(lǐng)域有不同的組合內(nèi)容。n擾動(dòng)：對(duì)系統(tǒng)輸出量產(chǎn)生相反作用的信號(hào)。擾動(dòng)分為內(nèi)擾和外擾動(dòng)：對(duì)系統(tǒng)輸出量產(chǎn)生相反作用的信號(hào)。擾動(dòng)分為內(nèi)擾和外

8、擾兩大類，內(nèi)擾產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部，外擾來(lái)自系統(tǒng)外部，和輸入擾兩大類，內(nèi)擾產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部，外擾來(lái)自系統(tǒng)外部，和輸入量疊加在一起而進(jìn)入系統(tǒng)。量疊加在一起而進(jìn)入系統(tǒng)。101/7/2022整理課件n控制過(guò)程：通過(guò)消除擾動(dòng)因素影響保持被控制量按控制過(guò)程：通過(guò)消除擾動(dòng)因素影響保持被控制量按預(yù)期要求變化的過(guò)程。預(yù)期要求變化的過(guò)程。n自動(dòng)控制：不需要人直接參與，而使被控量自動(dòng)地自動(dòng)控制：不需要人直接參與，而使被控量自動(dòng)地按預(yù)定的規(guī)律變化的控制過(guò)程。按預(yù)定的規(guī)律變化的控制過(guò)程。n控制量：被控系統(tǒng)的輸入量或給定量，用控制量：被控系統(tǒng)的輸入量或給定量，用r（t）表）表示。示。n被控量：被控系統(tǒng)的輸出量，用被控量：被控系

9、統(tǒng)的輸出量，用y（t）表示，如被）表示，如被控電機(jī)的轉(zhuǎn)速，溫控系統(tǒng)的溫度等?？仉姍C(jī)的轉(zhuǎn)速，溫控系統(tǒng)的溫度等。n反饋量：與被控制量成比例的反饋信號(hào)，用反饋量：與被控制量成比例的反饋信號(hào)，用yCF（t）表示。表示。n偏差量：控制量與反饋量之間的差值偏差量：控制量與反饋量之間的差值,用用e（t）表）表示示,e（t）= r(t)- yCF（t）。）。111/7/2022整理課件2常見(jiàn)系統(tǒng)術(shù)語(yǔ) n開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 被控制量只能受控于控制量，而對(duì)控制量不能反施任何影響的系統(tǒng)。n閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) 利用負(fù)反饋，將被控制量影響控制量作用的系統(tǒng)，又叫反饋控制系統(tǒng)。n隨動(dòng)系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng) 是一種反饋系統(tǒng)

10、，隨著r(t)的變化，被控制量在前一r(t)對(duì)應(yīng)的位置進(jìn)行變化，其特性如圖1-1所示。隨動(dòng)系統(tǒng)多出現(xiàn)于機(jī)械位移、速度、加速度等對(duì)象的控制，所以常稱之為位置控制系統(tǒng)。 r2(t)y2(t)y（t）r1(t)y1(t)t圖1-1 隨動(dòng)系統(tǒng)特性示意圖121/7/2022整理課件穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定系統(tǒng) 又稱自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)，是一種反饋系統(tǒng)，當(dāng)r()為常量時(shí)，也要求被控量保持在常量上，如圖1-2所示。常見(jiàn)的穩(wěn)定系統(tǒng)有恒溫、電壓、電流、頻率、壓力等控制系統(tǒng)。n過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 以變化過(guò)程作為控制對(duì)象的控制系統(tǒng)，在控制過(guò)程中，給定量按照預(yù)先制定的規(guī)律，在程序運(yùn)行中變化，所以又叫程序控制。n這類系統(tǒng)多見(jiàn)于溫度、

11、壓力、流量等控制系統(tǒng)。y（t）r（）t圖1-2 穩(wěn)定系統(tǒng)特性示意圖131/7/2022整理課件112 控制系統(tǒng)工作特性控制系統(tǒng)工作特性 n1. 控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)及其工作特性 y（t）校正環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)r（t）比較環(huán)節(jié)e（t）擾動(dòng)信號(hào)yCF（t）+-圖1-3 閉環(huán)控制系統(tǒng)抽象結(jié)構(gòu)圖執(zhí)行環(huán)節(jié)被控對(duì)象u（t）實(shí)際控制系統(tǒng)除存在內(nèi)外擾動(dòng)外，還有系統(tǒng)自身存在的邏輯死區(qū)、響應(yīng)慣性等影響系統(tǒng)的控制效果。當(dāng)輸入信號(hào)作用到系統(tǒng)之后，在系統(tǒng)的輸出端并不能馬上得到響應(yīng)，而只有當(dāng)偏差信號(hào)大到一定程度時(shí)，系統(tǒng)才有輸出。輸出結(jié)果根據(jù)各環(huán)節(jié)的品質(zhì)狀況及系統(tǒng)所處環(huán)境有多種多樣。141/7/2022整理課件系統(tǒng)工作狀態(tài)過(guò)渡過(guò)程

12、的測(cè)試是通過(guò)系統(tǒng)響應(yīng)特定輸入信號(hào)（或叫試驗(yàn)信號(hào)）來(lái)進(jìn)行的。階躍信號(hào)常用的測(cè)試信號(hào)，如圖1-4所示。系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的過(guò)渡過(guò)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(hào)P y(t)y()trtstP圖1-5151/7/2022整理課件ntr：?jiǎn)?dòng)時(shí)間。n超調(diào)：y(t) |y()|稱為超調(diào)，在0tr不算nP：表示超調(diào)信號(hào)的嚴(yán)重程度。n有時(shí)也直接用 ymax(t)通常處于第一個(gè)峰值。P越小，過(guò)渡過(guò)程越平穩(wěn)。 tP：從t0到第一個(gè)峰值的時(shí)間，tP表征反饋控制系統(tǒng)反應(yīng)輸入信號(hào)的快速性能或控制靈敏度，越小靈敏度越高。 t0)(|)(|maxyfypt|)(|sup)(maxfyf

13、ytt)()(|)(|maxyytyp161/7/2022整理課件ts：系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，當(dāng)t=ts，應(yīng)有：一般0.020.05;ts越小，說(shuō)明系統(tǒng)以一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間越短，反之越長(zhǎng)。n振蕩次數(shù)：y(t)以大于0的變化幅度超越y(tǒng)()水平線的次數(shù)的一半為系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的振蕩次數(shù)，用N表示，N越小，過(guò)程越短。nts，tp，p，N：動(dòng)態(tài)參數(shù)。n當(dāng)系統(tǒng)完成過(guò)渡過(guò)程后，| y(t) -y()|為穩(wěn)態(tài)誤差。n穩(wěn)態(tài)誤差是表征系統(tǒng)控制精度的一項(xiàng)性能指標(biāo)。 |)()(|yty171/7/2022整理課件2.幾種典型控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程曲線n1）單調(diào)逐漸逼近 (見(jiàn)圖1-6特性曲線)y()過(guò)度過(guò)程曲線單調(diào)

14、逼近y()：P0，N=0，y(t) =y() 2）等幅振蕩(見(jiàn)圖1-6特性曲線 )y()n等幅振蕩，N n（自激振蕩）。 181/7/2022整理課件3.振蕩發(fā)散 (見(jiàn)圖1-6特性曲線)n振蕩發(fā)散，N ；振幅系統(tǒng)無(wú)平衡狀態(tài)y()4.單調(diào)發(fā)散 (見(jiàn)圖1-6特性曲線, )y()n“過(guò)”單調(diào)發(fā)散，這類系統(tǒng)無(wú)穩(wěn)定狀態(tài)，不能使用：P ；N=0；y(t) ？ 191/7/2022整理課件5.欠阻尼振蕩 n阻尼振蕩：一般可工作系統(tǒng)均為此曲線。ny()與預(yù)期r()之差，稱為穩(wěn)態(tài)誤差，表征系統(tǒng)控制精度的參數(shù)之一。n阻尼系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程分為三種工作狀態(tài),即欠阻尼、臨界阻尼和過(guò)阻尼。n過(guò)阻尼工作狀態(tài)相似于單調(diào)逐漸逼近

15、或一階系統(tǒng)工作狀態(tài)，啟動(dòng)速度變慢。n臨界阻尼工作狀態(tài)使系統(tǒng)特性處于等幅振蕩特性。n關(guān)于二階系統(tǒng)的阻尼特性討論請(qǐng)讀者參閱相關(guān)論著。 y()201/7/2022整理課件1.2 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與特征n121 微機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)微機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)n1. 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)擾動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)A/DR (k)y(t)圖1-7 微機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)抽象圖控制器 微型計(jì)算機(jī)D/A被控對(duì)象檢測(cè)裝置 E (k) YCF (k) U (k)與模擬閉環(huán)控制系統(tǒng)抽象結(jié)構(gòu)(圖1-3)比較,微機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)信號(hào)傳輸?shù)穆窂浇Y(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生變化，控制裝置即大虛線框外以右的內(nèi)容相同。不同的地方是控制裝置

16、的四個(gè)環(huán)節(jié)均有重大變化，即（1）控制器和比較環(huán)節(jié)由微型計(jì)算機(jī)取代，這是劃時(shí)代的進(jìn)步控制器和比較環(huán)節(jié)由微型計(jì)算機(jī)取代，這是劃時(shí)代的進(jìn)步；（2）執(zhí)行環(huán)節(jié)在模擬控制系統(tǒng)中只有執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而在微機(jī)控制系統(tǒng)中于執(zhí)行機(jī)構(gòu)前增加D/A轉(zhuǎn)換；（3）反饋環(huán)節(jié)在模擬控制系統(tǒng)中只有檢測(cè)裝置，而在微機(jī)控制系統(tǒng)中于檢測(cè)裝置后設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換。 由于微型計(jì)算機(jī)處理的是離散信息，因此微型機(jī)控制系統(tǒng)中控制裝置內(nèi)的時(shí)間變量均采用人們公認(rèn)的離散時(shí)間變量符號(hào)K。211/7/2022整理課件2. 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程D/A多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)量輸入微 型計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)主機(jī)采樣裝置A/D變送保持開(kāi)關(guān)量輸出操作控制臺(tái)過(guò)程通道保持變送

17、人機(jī)交互通道接口微機(jī)I/O設(shè)備微機(jī)外設(shè)接口圖1-8 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件典型結(jié)構(gòu)圖面向過(guò)程通道的接口人機(jī)交互通道221/7/2022整理課件（1）工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程 工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程是指在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)把原材料變成成品或半成品，或通過(guò)原材料獲得某些所需參數(shù)的工序?qū)崿F(xiàn)。參與工序?qū)崿F(xiàn)的內(nèi)容包括工藝規(guī)則、技術(shù)范疇、參與設(shè)備、人員數(shù)量與作用、結(jié)果指標(biāo)、質(zhì)量檢驗(yàn)、安全保證等。 n（2）過(guò)程通道n主機(jī)與工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程之間需要傳遞三類信息，即互傳數(shù)據(jù)，主機(jī)向工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程發(fā)布控制信息，主機(jī)從工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程接受狀態(tài)信息?；鲾?shù)據(jù)有模擬、開(kāi)關(guān)量?jī)煞N數(shù)據(jù)形式，而控制、狀態(tài)信息均為開(kāi)關(guān)量。n因此，過(guò)程通道包括模擬過(guò)程輸入、輸出通道、開(kāi)

18、關(guān)量過(guò)程輸入、輸出通道。n過(guò)程通道處于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程與主機(jī)接口之間，擔(dān)負(fù)著生產(chǎn)過(guò)程與主機(jī)交換信息的任務(wù)。n（3）接口 n在微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中一般存在三類不同功能的接口，n一類介于主機(jī)與過(guò)程通道之間，用于主機(jī)與過(guò)程通道交換數(shù)字信息；n二類介于主機(jī)與交互通道之間，用于主機(jī)與交互通道交換數(shù)字信息；n三類介于主機(jī)與微機(jī)I/O設(shè)備之間，用于主機(jī)與微機(jī)I/O設(shè)備交換數(shù)字信息，在多微機(jī)互聯(lián)的微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，多微機(jī)可互按I/O設(shè)備管理。 231/7/2022整理課件（4）主機(jī) n核心內(nèi)容控制程序，其反映輸入輸出之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。n在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，處于在線的主機(jī)又稱為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱工業(yè)控制機(jī)或工控機(jī)

19、，其特點(diǎn)表現(xiàn)在可靠性高、可維修性好、環(huán)境適用性強(qiáng)、控制實(shí)時(shí)性好、輸入輸出通道完善及軟件豐富等。本書(shū)中的主機(jī)均指工控機(jī)。n（5）人機(jī)交互通道與操作控制臺(tái)n人機(jī)交互通道與操作控制臺(tái)是相互依存的，操作控制臺(tái)因人機(jī)交互通道而設(shè)置，人機(jī)交互通道通過(guò)操作控制臺(tái)使得人機(jī)交互更方便。 n就一般而言操作控制臺(tái)應(yīng)具有以下功能 n操作 鍵盤，鼠標(biāo)，按鍵，板鍵等.n顯示 CRT或LED，LCD，打印機(jī)，記錄儀,指示燈，喇叭等：狀態(tài)指示，聲光報(bào)警等.n數(shù)據(jù)保存 外存，磁存儲(chǔ)器，光存儲(chǔ)器，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器,IC卡等.n遠(yuǎn)程信息交換 241/7/2022整理課件3. 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟件BIOS監(jiān)測(cè)軟件外設(shè)管

20、理程序人機(jī)對(duì)話程序控制算法程序自控程序等控制軟件l注意注意：程序的運(yùn)行時(shí)間以不影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)性為前提251/7/2022整理課件1.2.2 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)特征微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)特征n1.結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特征n微機(jī)控制系統(tǒng)：將控制器用微機(jī)來(lái)代替，便構(gòu)成了微機(jī)控制系統(tǒng)。n開(kāi)環(huán)系統(tǒng)：控制器被控對(duì)象執(zhí)行器被控參數(shù)R(t)用微機(jī)取代閉環(huán)系統(tǒng)： 執(zhí)行機(jī)構(gòu)A/Dr (t)y(t)圖1-20 微機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)抽象結(jié)構(gòu)圖控制器微型機(jī)D/A被控對(duì)象檢測(cè)裝置261/7/2022整理課件2. 信號(hào)特征 n模擬控制系統(tǒng)中所有環(huán)節(jié)的工作信號(hào)全為模擬信號(hào)，而微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中主機(jī)的工作信號(hào)全為數(shù)字信號(hào)，前、后向模擬過(guò)程通道

21、模擬、數(shù)字信號(hào)兼有，前、后向開(kāi)關(guān)量過(guò)程通道是全數(shù)字信號(hào)，但無(wú)全模擬信號(hào)。n3. 功能特征n（1）以軟件代替硬件。 n（2）數(shù)據(jù)保存。 n（3）顯示設(shè)備、方法與內(nèi)容。 n（4）多系統(tǒng)互聯(lián)。 271/7/2022整理課件4. 時(shí)限特征n“實(shí)時(shí)”，是指在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的任務(wù)。n（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。 n（2）實(shí)時(shí)決策運(yùn)算。 n（3）實(shí)時(shí)控制輸出。 n數(shù)據(jù)采樣、運(yùn)算決策、輸出控制三個(gè)階段占用時(shí)間之和滿足實(shí)時(shí)性要求，則該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性。 n5. 控制器工作方式特征n控制器在控制系統(tǒng)中的工作方式有在線、離線兩種。 281/7/2022整理課件n微型計(jì)算機(jī)在線工作方式：又稱“聯(lián)機(jī)”工作方式。n微型計(jì)算機(jī)

22、在控制系統(tǒng)中直接參與控制或交換信息，而不通過(guò)其它中間記錄介質(zhì)，如磁盤、U盤、光盤、磁帶等。n微型計(jì)算機(jī)離線工作方式：又稱“脫機(jī)”工作方式。n微型計(jì)算機(jī)不直接參與對(duì)被控對(duì)象的控制，或不直接與被控對(duì)象交換信息，而僅是將有關(guān)控制信息記錄或打印出來(lái)，再由人來(lái)聯(lián)系，按照微機(jī)提供的信息完成相應(yīng)的控制操作。n離線工作方式無(wú)實(shí)時(shí)性可談。要使系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性，微型計(jì)算機(jī)必須按在線方式工作。291/7/2022整理課件1.3 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類n1.3.1 經(jīng)典微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)典微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)n1. 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng) 現(xiàn)場(chǎng)輸入通道顯示設(shè)備主機(jī)接口圖1-9 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)2. 操作指導(dǎo)控制系

23、統(tǒng) 生 產(chǎn) 過(guò) 程輸入通道顯示設(shè)備主機(jī)通道接口圖1-10 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)操作人員301/7/2022整理課件3. 直接式數(shù)字控制系統(tǒng)n4. 監(jiān)督式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程接口控制操作臺(tái)主機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接口輸出通道輸入通道檢測(cè)圖1-11 DDC系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程DDC計(jì)算機(jī)SCC計(jì)算機(jī)模擬輸入通道模擬輸出通道給定值控制操作臺(tái)圖1-12 SCC系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)311/7/2022整理課件1.3.2 新型微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)新型微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)1. 基于智能控制算法的微機(jī)控制系統(tǒng) n智能控制是自動(dòng)控制和人工智能相結(jié)合的學(xué)科,即具有摸仿人的學(xué)習(xí)、推理等功能；能適用不斷變化的環(huán)境；能處理多種信息以

24、減少不確定性；能以安全和可靠的方式進(jìn)行規(guī)劃，產(chǎn)生和執(zhí)行的動(dòng)作，獲取系統(tǒng)總體上最優(yōu)或次優(yōu)的性能指標(biāo)。 n智能控制技術(shù)有三大基本內(nèi)容：模糊控制技術(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，遺傳控制技術(shù)。n在硬件上智能控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無(wú)重大區(qū)別；在軟件上，智能控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)量由智能控制算法產(chǎn)生。n微機(jī)智能控制系統(tǒng)的命名一般借用智能控制算法的名稱。n圖1-13為模糊控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)圖。 模糊化模糊決策反模糊化圖1-13 一般模糊控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)控制量YUkXk被控對(duì)象321/7/2022整理課件2. 集散式微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) n集散式微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(Distributed Control System

25、，DCS)是基于微型計(jì)算機(jī)總線通信技術(shù)的多系統(tǒng)分層分散控制、集中管理微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，已成為大工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)普遍使用的生產(chǎn)過(guò)程控制、子系統(tǒng)管理的方案。nDCS也稱為分級(jí)分布式控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱集散系統(tǒng)，它是計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、通信、網(wǎng)絡(luò)和顯示等多種技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。 過(guò)程控制系統(tǒng)1網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)站任務(wù)管理站過(guò)程管理站網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)站過(guò)程控制系統(tǒng)nLAN總線通信圖1-14 DCS結(jié)構(gòu)圖其他LAN331/7/2022整理課件3. 現(xiàn)場(chǎng)總線微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)n現(xiàn)場(chǎng)總線微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（Fieldbus Control Sistem，F(xiàn)CS）是DCS的換代產(chǎn)品，與傳統(tǒng)的DCS相比，具有數(shù)字化的信息傳播、分散的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、方便

26、的互操作性、開(kāi)放的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及多種傳輸媒介、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。nFCS的核心是現(xiàn)場(chǎng)總線，具體表現(xiàn)于適用工業(yè)控制領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)通信與管理協(xié)議。n4. 管控一體綜合集成系統(tǒng)n將制造、過(guò)程控制、辦公室和經(jīng)營(yíng)管理等的自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行集成，即構(gòu)成計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer Integrated Manufacturing System）或計(jì)算機(jī)集成過(guò)程系統(tǒng)（Computer Integrated Process System），簡(jiǎn)稱CIMS或CIPS。nCIMS代表著工業(yè)控制系統(tǒng)的未來(lái)，它的研究開(kāi)發(fā)不是以某個(gè)區(qū)域或某項(xiàng)活動(dòng)為對(duì)象，而是以企業(yè)的全部活動(dòng)為對(duì)象。n除上述四種常見(jiàn)新型系統(tǒng)外，還有嵌入式微機(jī)控制

27、系統(tǒng)、虛擬控制系統(tǒng)、開(kāi)放式控制系統(tǒng)等，請(qǐng)參閱有關(guān)資料。 341/7/2022整理課件1.4 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展n1. 裝置技術(shù)的發(fā)展n裝置技術(shù)是發(fā)展基礎(chǔ) .n隨著專用功能電路的標(biāo)準(zhǔn)化與集成電路設(shè)計(jì)、制作技術(shù)的發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)模塊電路的種類越來(lái)越多，功能越來(lái)越強(qiáng)。 n2. 微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展n微型計(jì)算機(jī)技術(shù)是發(fā)展的保障 .n微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展主要指微型計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、軟件技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)等的發(fā)展。n3. 決策理論的發(fā)展n決策理論是發(fā)展的動(dòng)力 n順序控制、插補(bǔ)控制、PID控制、最小拍控制、純滯后控制等一批傳統(tǒng)控制方法和理論將進(jìn)一步得到改善、充實(shí)。n具有重要意義的濾波技術(shù)、能控能觀性技術(shù)、極大值

28、原理、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、穩(wěn)定性技術(shù)等仍是人們研究的重要內(nèi)容。n在解決模型不確定性、高度非線性、分布式采樣和執(zhí)行、動(dòng)態(tài)突變、多時(shí)間標(biāo)度、復(fù)雜的信息模式等被控對(duì)象的控制問(wèn)題上，智能控制技術(shù)有其特殊優(yōu)勢(shì)，而將成為人們研究的熱門內(nèi)容，解決問(wèn)題的新選手段。 351/7/2022整理課件4. 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 n（1）用可編程控制器代替DDC級(jí)微機(jī)n（2）新一代CIMS n（3）用智能控制芯片作為控制器361/7/2022整理課件第2章 微型計(jì)算機(jī)控制理論基礎(chǔ)n2.1 連續(xù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)n211 拉普拉斯變換n用表示時(shí)間的函數(shù)，而且當(dāng) ， ，以 表示 的拉普拉斯變換，記之為 0( )( ) ( )stF

29、 sL f tedt f tdtetfst0)(復(fù)變量 s對(duì)時(shí)域函數(shù)進(jìn)行拉氏變換 拉氏積分 是 的原函數(shù)， 是 的象函數(shù)。 ()f t( )F s()f t( )F s0t ( )0f t ( )F s()f t2. 拉普拉斯變換的性質(zhì))()()3()()()2()()()()()1(2121sFetfLsAFtAfLsFsFtftfLss線性 （位移性質(zhì)）371/7/2022整理課件 t0令0)(tf則, 當(dāng) tdtetfsFtfLst0)()()(令 ttddt )()()(0sFedeefsFsss0t f (t)圖2-1 平移性質(zhì)曲線示意 f (t)t()f t 381/7/2022整

30、理課件（3）相似性質(zhì)（比例變換） 00)(atdeatfadteatfasaFatfLatasstatt 令ass )()()(0asaFsaFtdetfats則391/7/2022整理課件（4）微分性質(zhì)(原函數(shù)導(dǎo)數(shù)的象函數(shù)) )0()()(fssFdttdfLf(0)為t=0時(shí)f(t)的值，一般控制系統(tǒng)中f(0)=0 000000)0()()()0()()()0()()()()()(fssFdtetfsfdtsetffdtsetftfetdfedtedttdfstststststst同樣，對(duì)于的階導(dǎo)數(shù)，可以得到1(2)(1)( )( )(0)(0)(0)nnnnnndLf ts F ssfs

31、ffdt401/7/2022整理課件（5）積分性質(zhì)(原函數(shù)導(dǎo)數(shù)的象函數(shù)) )0()()(fssFdttdfLf(0)為t=0時(shí)f(t)的值，一般控制系統(tǒng)中f(0)=0 000000)0()()()0()()()0()()()()()(fssFdtetfsfdtsetffdtsetftfetdfedtedttdfstststststst411/7/2022整理課件(6)初值定理n其中f(0),F(s)可拉, 存在n證明：由拉普拉斯變換的微分性質(zhì)可知(0)lim( )sfsF slim( )ssFs 0()()( 0 )s td fted ts Fsfd t0( )lim0lim( )(0)sts

32、sdf tedtsF sfdt(0)lim( )sfsF s有(7)終值定理0( )lim ( )lim( )tsff tsF s 證明自閱421/7/2022整理課件3. 拉普拉斯反變換n由復(fù)變函數(shù)表達(dá)式推導(dǎo)成為時(shí)間函數(shù)表達(dá)式的數(shù)學(xué)運(yùn)算叫做反變換，拉普拉斯反變換的符號(hào)是 ，記作1L1( )( )LF sf t具體的拉普拉斯反變換計(jì)算公式為1( )( )(0)2cjstcjf tF s e dstj 431/7/2022整理課件212 傳遞函數(shù)與方塊圖1傳遞函數(shù) n傳遞函數(shù)是描述線性定常系統(tǒng)或線性元件的輸入-輸出關(guān)系的一種最常用的數(shù)學(xué)模型。n傳遞函數(shù)全面地反應(yīng)了線性定常系統(tǒng)或線性元件的內(nèi)在固有

33、特性。n傳遞函數(shù)(G(s)：線性定常系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，定義為初始條件為0，輸出量（響應(yīng)函數(shù)）的拉氏變換與輸入函數(shù)（量）拉氏變換之比。 )()()(sXsYsG)()()(sXsGsY 傳遞函數(shù)的定義適用于輸入輸出信號(hào)呈線性關(guān)系的元件或系統(tǒng)，既適用于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，也適用于閉環(huán)系統(tǒng)。 傳遞函數(shù)的形式完全取決于系統(tǒng)或元件自身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，而與外加的輸入信號(hào)形式無(wú)關(guān)。 441/7/2022整理課件n傳遞函數(shù)有如下基本性質(zhì)n（1）系統(tǒng)和元件的傳遞函數(shù)是描述其動(dòng)態(tài)特性的一種關(guān)系式，它和系統(tǒng)或元件的運(yùn)動(dòng)方程式一一對(duì)應(yīng)。n（2）傳遞函數(shù)表征系統(tǒng)或元件本身的特性，而與輸入信號(hào)無(wú)關(guān)。n（3）傳遞函數(shù)不能反映系統(tǒng)或元件的

34、物理結(jié)構(gòu)，即不同物理性質(zhì)的系統(tǒng)或元件可以具有相同的傳遞函數(shù)。n（4）傳遞函數(shù)是復(fù)變量的有理分式，均為多項(xiàng)式，每一項(xiàng)的系數(shù)都是實(shí)數(shù)。 451/7/2022整理課件2方塊圖n方塊圖是系統(tǒng)中每個(gè)元件的功能和信號(hào)流向的圖解表示，它表明系統(tǒng)中各元件或各環(huán)節(jié)間的相互關(guān)系，信號(hào)流動(dòng)情況。n方塊圖輸出信號(hào)的拉普拉斯變換式等于其輸入信號(hào)的拉普拉斯變換式與方塊內(nèi)傳遞函數(shù)的乘積。 n信號(hào)通過(guò)方塊的流向以箭頭來(lái)表示，使輸入信號(hào)的箭頭指向方塊，輸出信號(hào)的箭頭背向方塊。n方塊圖中只包含與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能有關(guān)的信息，并不包含與系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)有關(guān)的一切信息。n許多物理結(jié)構(gòu)上完全不同的系統(tǒng)，可以用相同的方塊圖來(lái)表示。 G（s）X（s

35、）Y（s）圖2-2 傳遞函數(shù)方塊圖461/7/2022整理課件3.典型系統(tǒng)的方塊圖與傳遞函數(shù)n1)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖與傳遞函數(shù)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的抽象結(jié)構(gòu)包含控制、執(zhí)行與對(duì)象三個(gè)環(huán)節(jié)，方塊圖結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2-3。 控制G1(s)執(zhí)行G2(s)對(duì)象G3(s)R(s)Y（s）圖2-3 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖)()()()()()(321sGsGsGsRsYsG對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)471/7/2022整理課件n2)閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖與傳遞函數(shù)閉環(huán)控制系統(tǒng)的抽象結(jié)構(gòu)由執(zhí)行(含對(duì)象)、反饋及偏差計(jì)算（ 符號(hào)表示）等環(huán)節(jié)構(gòu)成，方塊圖結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2-4所示。 執(zhí)行G(s)反饋H(s)R (s)Y (s)E (s)B (s)圖2.4

36、閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖( )( )( )( )B sG s H s E s( )( )( )( )B sH s G sE s稱為系統(tǒng)中的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)。 ( )( ) ( )( )( )( )Y sG s E sG s R sB s( ) ( )( )( )( )G sR sG s H s E s( )( )( )( )G sR sH s Y s( )1( )( )( ) ( )Y sG s H sG s R s閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為( )( )( )( )1( ) ( )Y sG ssR sH s G s481/7/2022整理課件G1(s)G2(s)H(s)Y(s)N(s)R(S)擾動(dòng)2122

37、12121221221212111)()()(1)()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()(GHGNGGHGGRGsGsGsHsGsNsGsGsRsYsGsNsGsGsHsYsGsGsRsGsNsGsHsYsRsY3）含擾動(dòng)量的閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖與傳遞函數(shù)當(dāng)121GHG；擾動(dòng)項(xiàng)0;擾動(dòng)被抑制； 及 1)()(1sGsH此時(shí)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù) )(1)()()(sHsRsYsG491/7/2022整理課件n例2.1：如圖所示，R,C低通網(wǎng)絡(luò) idtciRUUULCRI1I (s)UI (s)(b)Uc(s)圖2-6 RC電路方塊圖(c)(a)Ui (s

38、)CiR)(sUc1RCsR11CsUi (s)1( )( )( )( )1( )( )CICiCUsI sCsUsUsRCsUsUsRCsRCs( )1( )(1)iCUsUsRCsRCs1()1()1()11CiUsR C sGsUsR C sR C s501/7/2022整理課件4方塊圖等效法則 n1) 分支點(diǎn)移動(dòng)規(guī)則GGGAAGAGAAGAG（a）AGGGAAGAAAG（b）圖2-7 分支移動(dòng)規(guī)則511/7/2022整理課件（2）相加點(diǎn)移動(dòng)規(guī)則 GGGBAABAGBGAGBG（a）GGBAABAGBAGB（b）圖2-8 相加點(diǎn)移動(dòng)規(guī)則G1根據(jù)代數(shù)運(yùn)算法則，還可實(shí)現(xiàn)其它類型方塊圖的簡(jiǎn)化或

39、等效，相關(guān)內(nèi)容請(qǐng)參閱自動(dòng)控制方面的專業(yè)書(shū)籍。在簡(jiǎn)化或等效處理過(guò)程中應(yīng)注意兩條原則(1)前向通道中傳遞函數(shù)的乘積必須不變。(2)各反饋回路中傳遞函數(shù)的乘積必須保持不變。521/7/2022整理課件例2.2 (1)進(jìn)行拉普拉斯變換；（2）畫方塊圖； STKSTKKsEsUsSETKsESTKsEKsUdPIPPdPIPP)()()()()()( KPKPTIS KPTdSE(S)U(S)+dffdeTKdffeTKfeKfUdPIPP)()()()(tttttt531/7/2022整理課件213 線性定常系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)線性定常系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)n線性定常系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)是指線性定常系統(tǒng)在穩(wěn)定的前提下在輸

40、入端加入理想單位脈沖信號(hào)得到的輸出響應(yīng)。n假定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為 ( )( )( )Y sG sXs( )( )( )Y sG s X s于是如果()( )1XsLt則有1( )()g tLGs( )g t稱為單位脈沖響應(yīng)函數(shù) ( )t稱為理想單位脈沖信號(hào) 例例 2.3 假設(shè)某二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為12( )(2)(8)G sss,則111281222( ) ( )=28(2)(8)28ttg tL G sLLeessss541/7/2022整理課件2.2 離散系統(tǒng)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)n離散系統(tǒng)亦稱采樣控制系統(tǒng)，是一種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，有一個(gè)或多個(gè)變量?jī)H在離散的瞬時(shí)變化，這些瞬時(shí)時(shí)刻以 或 表示。n離散

41、系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)的區(qū)別在于離散系統(tǒng)的信號(hào)或數(shù)據(jù)是采樣形式。n2.2.1 離散時(shí)間信號(hào)與采樣信號(hào)的表示離散時(shí)間信號(hào)與采樣信號(hào)的表示n1. 采樣過(guò)程及數(shù)學(xué)描述n采樣過(guò)程可以視為信號(hào)調(diào)制過(guò)程，即連續(xù)信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣開(kāi)關(guān)后變?yōu)閿嗬m(xù)信號(hào),如圖2-10所示。 kT(0,1,2,)kt k e*(t) 圖2-10 采樣開(kāi)關(guān)Te (t)e (t)e*(t)載波信號(hào)(a)(b)( )()TttkT圖2-11 單位脈沖序列0 T載波器脈沖調(diào)制器( )()TttkT為了簡(jiǎn)化分析，對(duì)采樣過(guò)程做如下三點(diǎn)假設(shè)：1） 采樣開(kāi)關(guān)的動(dòng)作是瞬間完成的；2） 采樣開(kāi)關(guān)閉合的時(shí)間遠(yuǎn)小于采樣周期；3） 采樣為等周期采樣。551/7/2022

42、整理課件2.2.2 差分與差商1.差分的概念n設(shè)函數(shù) 在等距節(jié)點(diǎn) 上的值為 ，函數(shù) 在自變量?jī)蓚€(gè)離散值處函數(shù)值的差 ()y f x0(0,1,2,3,)kxxkh k()kkyf x(0,1,2,3,)k ( )f x+1+1=()()kkkkkyyyf xf x11=()()kkkkkyyyf xf x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 2+1+2+1+1+2+1+2+1=()2()2()()kkkkkkkkkkkkkkyyyyyyyyyyyfxfxfx 類似有二階后向差分 211121212=()2()2()()kkkkkkkkkkkkkkyyyy

43、yyyyyyyf xf xf x 階前向、后向差分定義公式可類推。561/7/2022整理課件2. 差商的概念n稱比值120110120,nnnnf x xxf xxxf xx xxxxn=1為1階差商,n=k為k階差商.xk為節(jié)點(diǎn).利用差商的定義，差商的計(jì)算可以遞推進(jìn)行，列差商表如表2-1所示.2.2.3 Z變換變換Z變換是應(yīng)用于線性定常離散系統(tǒng)的重要數(shù)學(xué)工具，它的作用等同于線性定常連續(xù)系統(tǒng)的拉普拉斯變換數(shù)學(xué)工具。 信號(hào)采樣方式有周期采樣 、多階采樣 、隨機(jī)采樣。周期采樣是一種最普通的采樣方式，其采樣瞬時(shí)是等間隔。 Z變換是針對(duì)周期采樣信號(hào)進(jìn)行拉氏變換后的簡(jiǎn)化變量處理關(guān)系的一種數(shù)學(xué)方法。57

44、1/7/2022整理課件1. Z變換的定義n對(duì)于連續(xù)信號(hào)的周期采樣時(shí)間序列信號(hào)可表示為*0( )=( ) ()kxtx ttkT*0( ) =()()kxtxk Ttk T或?qū)σ陨蟽墒絻蛇吶±绽棺儞Q，得*00()( )=( )()stkXsLxtx ttk Ted t00=( ) ()stkx ttkT edt00=()()stkx kTtkTedt ()00=()()ksTs tkTkx kT etkT edt0=()()k s Tsk Tkxk Teed0=()k s Tkxk Te581/7/2022整理課件sTze令1lnszT或則有 *01( )( )(ln)=()kkXzXsX

45、zx kTzT在z變換中，我們只考慮采樣瞬時(shí)的信號(hào)值，因此，X（t）的z變換與X*（t）的z變換具有相同的結(jié)果，即*( ) =( ) =( )Z x tZ x tX z0=()kkxk Tz2. Z變換的性質(zhì)1 1221122( )( )( )( )Z a f ta f ta F za F z1） 線性性質(zhì) 2） 滯后性質(zhì)( -)( )nZf t nTzF z3）超前性質(zhì)10( +)( )-()knmmZf tnTzF zf mT z4） 復(fù)位移定理 ( )()ataTZft eFze 591/7/2022整理課件5）初值定理6）終值定理n7)卷積定理1( )lim()lim( )lim1(

46、)ntzff nTf tzF z (0)lim( )zfF z*12122100( )*( ) =()()()()kkZ f tftZf kT ftkTZfkT ftkT1221( )( )( )( )F z F zF z F z601/7/2022整理課件3. Z反變換的定義nZ變換的定義可知，連續(xù)時(shí)間函數(shù)的Z變換函數(shù)僅僅包含了連續(xù)時(shí)間函數(shù)在各個(gè)采樣時(shí)刻上的數(shù)值。nZ反變換僅能求出連續(xù)時(shí)間函數(shù)在采樣時(shí)刻的數(shù)值 (f(k),k=1,2,3,.) .n或者說(shuō)一個(gè)Z變換函數(shù)F(Z)可以與無(wú)窮多個(gè)連續(xù)函數(shù)對(duì)應(yīng)（只要這些函數(shù)f(k)在采樣時(shí)刻上的函數(shù)值相等） n4. Z反變換的求法n1）冪級(jí)數(shù)法n例例

47、2.5 求 的Z反變換，寫出前五項(xiàng)。n解： n于是 *1=()ftZFz（ ）010( )()(0)( )()kkkF zf kT zfzf T zf kT z2 (1)()=(2)(4)z zFzzz201234222( )=210441847526 +8zzF zzzzzzzz*1( ) ( )=2 ( ) 10 ()44 (2 ) 184 (3 )752 (4 )ftZF zttTtTtTtT611/7/2022整理課件2）部分分式法 n部分分式法是將關(guān)于復(fù)變量的有理分式函數(shù)F(Z)分解成最簡(jiǎn)單的分式形式，然后通過(guò)查Z變換對(duì)照表而求得各個(gè)簡(jiǎn)單因子的反Z變換，從而求得F(Z)的反Z變換表示

48、式。111( )( )=()()() ()()pqN zF zzjzjzzz111111111( )=()()()()()()pqpqccc z cccF zzjzjzzzz 式中 ，為待定系數(shù)。 1111pqcccccc， ， ， ， ， ，（1）共軛復(fù)根對(duì)應(yīng)系數(shù)的確定 ( )()()=zjzjF z zjzjc zc （2）重根對(duì)應(yīng)系數(shù)的確定11111111( )(),1,2,(1)!ipiizdcF zzipidz（3）單根對(duì)應(yīng)系數(shù)的確定()(),1, 2 ,iiizcFzziq 621/7/2022整理課件例例2.6 設(shè) ,試用部分分式法求 n解n將部分分式中的每一項(xiàng)乘上因子后，得2(

49、1)()=(2 )(4 )zzFzzz()f kT( )2(1)13=(2)(4)24Fzzzzzzz3()24zzFzzz查Z變換對(duì)照表可得 1132 ,3424kkzzZZzz 最后可得()( )2340,1,2,3,kkf kTZ F zk ，3）反演積分法(留數(shù)法 )120( )()(0)( )(2 )()kkkF zf kT zff T zfT zf kT z1kz用同乘上式兩邊，得 1kz112312( )(0)( )(2 )()(1)+kkkkF z zfzf T zf T zf kT zf kT z 631/7/2022整理課件兩邊 得 11212( )(0)( )()(1)k

50、kkF z zdzfzdzf T zdzf kT z dzfkT z dz注意到()f kT是一個(gè)具體的數(shù)值，且 0,121()kkdzjkza，0a 11( )()=2()kF z zdzf kTz dzjf kT在上式中，所以有離散函數(shù)的Z反變換可表示為111()( )( )2kfkTZFzFz zdzj可根據(jù)( )F z所具有根的分布情況分別計(jì)算其相應(yīng)的留數(shù)。（1）根據(jù)單根1111()=( )=( )iiqqkkizziifkTResF z zzF z z 12,q（2）根據(jù)p個(gè)重根1 111111111()()( )(1)!ppkpzdf kTzF z zpdz641/7/2022整理

51、課件（1）根據(jù)單、重根1111111111()=( )()( )(1)!ipqkpkipzzidf kTzF z zzF z zpdz 例例2.7 求222()(+1)(2)zzFzzz的Z反變換( )F z1z 2z 解 由的分母可知，存在單根及二重根2 11212 1121()=1( )(2)( )(21)!kkzzdf kTzF z zzF z zdz1121222=(2 )1kkkkzzzzdzzzd zz 1122(1)2121=(1)91kkkkkzkzkzzzzz1611=( 1)2( 1)61 20999kkkkkkk651/7/2022整理課件5. 利用Z變換求解差分方程n根

52、據(jù)Z變換的超前定理，有10()( )()nnmmZ c nkzC zc m z例例2.8 用Z變換求解三階差分方程(3)6 (2)11 (1)6 ( )0(2)0,(1)1,(0)0c kc kc kc kccc解 對(duì)上面差分方程兩邊進(jìn)行Z變換，并利用Z變換的超前定理有33222( )(0)(1)(2)6( )(0)(1)11( )(0)6 ( )0z C zz cz czcz C zz czczC zzcC z將初始條件代入并化簡(jiǎn)、整理得2132+6(6)( )=6116(3)(2)(1)zzz zC zzzzzzz312( )(6)=123(1)(2)(3)kkkC zzzzzzzzz11

53、1222333( )(6)5= lim (z+1)= lim(2)(3)2( )(6)= lim (z+2)= lim4(1)(3)( )(6)3= lim (z+3)= lim(1)(2)2zzzzzzC zzkzzzC zzkzzzC zzkzzz 于是有543( )=+21223zzzC zzzz查閱Z反變換對(duì)照表，有 53( )( 1)4( 2) +( 3)(0,1,2,3,)22kkkc kk661/7/2022整理課件2.2.4 離散系統(tǒng)傳遞函數(shù) n1. 脈沖傳遞函數(shù)的定義G(s)R (s)c (t)圖2-14 線性系統(tǒng)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)Z變換的關(guān)系C (s)TTr (t)G(z)

54、在理想脈沖串的作用下，輸出的拉斯變換為 0( )( )()kTskCsG sr kTe。在零初始條件下，線性系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）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(tǒng)（或環(huán)節(jié)）的脈沖傳遞函數(shù)（或z傳遞函數(shù)），即)()()(zRzCzG。R (s)R *(s)G (z)(1zG)(2zG)(1sG)(2sGX (s)X *(s)C (s)C *(s)TTR (Z )D (z)C (z)而采樣系統(tǒng)的離散輸出 )()()()(11*zRzGZzCZtc671/7/2022整理課件單位脈沖響應(yīng)來(lái)推導(dǎo)脈沖傳遞函數(shù) n當(dāng)輸入信號(hào)為如下的脈沖序列時(shí) 0)()()(*nnTtnTrtr根據(jù)疊加原理

55、，輸出信號(hào)為一系列脈沖響應(yīng)之和，即 )()()()()()0()(nTtgnTrTtgTrtgrtc kTt )()() 1()()() 0 ()(TnkgnTrTkgTrkTgrkTc knnTrTnkg0)()(在時(shí)刻，輸出的脈沖值為 )(kTc0)()(nnTrTnkg )()()(zRzGzC)(zC)(zG)(zR根據(jù)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。681/7/2022整理課件2 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)n1）串聯(lián)環(huán)節(jié)之間有采樣開(kāi)關(guān)n設(shè)開(kāi)環(huán)離散系統(tǒng)如圖2-15（a）所示，在兩個(gè)串聯(lián)連續(xù)環(huán)節(jié)和之間，有理想采樣開(kāi)關(guān)隔開(kāi)。n開(kāi)環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù) )(

56、)()()()(21zGzGzRzCzG2) 串聯(lián)環(huán)節(jié)之間無(wú)采樣開(kāi)關(guān)設(shè)開(kāi)環(huán)離散系統(tǒng)如圖2-15（b）所示， )()()()(21zGGzRzCzG沒(méi)有理想采樣開(kāi)關(guān)隔開(kāi)的兩個(gè)線性連續(xù)環(huán)節(jié)串聯(lián)時(shí)的脈沖傳遞函數(shù)，等于這兩個(gè)環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)乘積后的相應(yīng)Z變換。這一結(jié)論同樣可推廣到類似的n個(gè)環(huán)節(jié)相串聯(lián)時(shí)的情況。 691/7/2022整理課件3. 閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)n一般地，閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)是閉環(huán)離散控制系統(tǒng)輸出信號(hào)的Z變換與輸入信號(hào)的Z變換之比，即)()()(zRzCz典型的閉環(huán)離散系統(tǒng)及其輸出的Z變換函數(shù)如表2-2所示。 例例2.10 求圖2-17所示采樣系統(tǒng)的輸出)(zC的表達(dá)式。解解 )()()(

57、)(3zGzCzRzE而 )()()()()(2121zGGzDzGGzEzD因此 )()(1)()(2121zEzGGzGGzD)()(1)()()()()()(21111zEzGGzGzGzDzGzEzC所以 )()()(1)()(1)()()(3211211zGzCzGGzGzGGzRzGzC即 )()()(1)()()(31211zGzGzGGzRzGzC701/7/2022整理課件2.3 采樣周期的一般選擇方法n2.3.1 香濃（香濃（Shannon）采樣定理）采樣定理( )f tmaxmaxmax2fs( )f t*( )ft( )f t*( )ftmax2smaxmax12sTf

58、2=ssT設(shè)連續(xù)信號(hào)的頻帶為有限寬度，且信號(hào)的最高角頻率為（或最高頻率為），如果以采樣角頻率對(duì)信號(hào)采樣得到離散信號(hào)，則連續(xù)信號(hào)可以由無(wú)失真地復(fù)現(xiàn)出來(lái)的條件是，或香農(nóng)采樣定理說(shuō)明為了使得連續(xù)信號(hào)經(jīng)采樣保持后能不失真的復(fù)現(xiàn)出來(lái)應(yīng)滿足對(duì)最高頻率范圍內(nèi)的任一連續(xù)信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)的采樣不少于兩次。 。 s711/7/2022整理課件2.3.2 采樣周期的選擇采樣周期的選擇n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n（1）香農(nóng)采樣定理給出了采樣周期的上限，即為被采樣信號(hào)的上限角頻率。若滿足香農(nóng)采樣定理，采樣信號(hào)可恢復(fù)或近似地恢復(fù)為原模擬信號(hào)，而不丟失主要信息。在這個(gè)限制范圍內(nèi)，采樣周期越小

59、，采樣-數(shù)字控制系統(tǒng)的性能越接近于連續(xù)-時(shí)間控制系統(tǒng)。n（2）閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)給定信號(hào)的跟蹤，要求采樣周期要小。n（3）從抑制擾動(dòng)的要求來(lái)說(shuō)，采樣周期應(yīng)該選擇得小些。n（4）從執(zhí)行元件的要求來(lái)看，有時(shí)要求輸入控制信號(hào)要保持一定的寬度。n（5）從計(jì)算機(jī)精度考慮，采樣周期不宜過(guò)短。n（6）從系統(tǒng)成本上考慮，希望采樣周期越長(zhǎng)越好。n綜合上述各因素，選擇采樣周期，應(yīng)在滿足控制系統(tǒng)的性能要求的條件下，盡可能地選擇低的采樣速率。 721/7/2022整理課件1. 以復(fù)現(xiàn)連續(xù)信號(hào)精度要求選擇采樣周期n設(shè)N為一個(gè)周期內(nèi)對(duì)信號(hào)的采樣次數(shù)n保持器的復(fù)現(xiàn)信號(hào)的誤差與采樣頻率或采樣次數(shù)有關(guān)，N越大，采樣保持誤差越小。n2.

60、 根據(jù)被控參數(shù)的性質(zhì)選擇采樣周期被控量流量液位壓力溫度位置電流環(huán)速度環(huán)采樣周期15s68s310s1020s1050ms15ms520s3. 根據(jù)輸出信號(hào)呈現(xiàn)的形式選擇采樣周期731/7/2022整理課件4. 根據(jù)被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)選擇采樣周期 n設(shè)被控對(duì)象由多個(gè)環(huán)節(jié)組成，其傳遞函數(shù)可以表示為 2222121122( )( )(1)(1)()()mN sG ssT sT sss可取121212110.5 min,sTT T 而實(shí)際應(yīng)用時(shí)通常選擇采樣周期為其最大采樣周期的1/2，即有 12121211=0.50.25 min ,ssmaxTTT T 5. 以相角穩(wěn)定裕度選擇采樣周期=5 15 =