計算機控制系統(tǒng)介紹

計算機控制系統(tǒng)

課程安排：

?學(xué)習(xí)方式：課堂學(xué)習(xí)、課堂討論、課程實驗；

?學(xué)習(xí)內(nèi)容：課堂知識（課件，網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂下載）、

文獻調(diào)研、習(xí)題、實驗;

?課后習(xí)題要求：每章課程學(xué)習(xí)完成后的下一周,

提交該章的習(xí)題作業(yè)，要求作業(yè)采用手寫紙稿；

?考試形式：考查，包括參加課堂學(xué)習(xí)和討論、課

程實驗，提交實驗報告。

2

參考書籍

計算機控制系統(tǒng)：理論與設(shè)計（瑞典）奧斯

特隆姆，威頓馬克著;周兆英等譯

Computer-controlledsystems:

theoryanddesignKarlJ.Astrom,

BjornWittenmark

計算機控制系統(tǒng)何克忠，李偉編著

3

課程章節(jié)的安排

第二章「概論--撰型和分析方法

,/4二章：線性離散系統(tǒng)的輸入輸出模冠\

、'、譚三章：狀態(tài)空間模型一/

第四章「線性離散系統(tǒng)的分柝一-控制器設(shè)計和實現(xiàn)

第五章「連續(xù)控制器的模擬化設(shè)計為海

，/.六章：基于輸入輸出模型的設(shè)計方於、、

、第七章：基于狀態(tài)空間模型的設(shè)計方法/

肩大章…自適應(yīng)控制和智熊撩制系統(tǒng)”

，案例「薇湎忑行器控制+你富拓旗港S'、、等例和實踐

''實驗；電機控制系統(tǒng)設(shè)計和分析一」’4

___--------

第一章概論

計算機控制系統(tǒng)(ComputerControlSystem,簡稱

CCS)是應(yīng)用計算機參與控制并借助一些輔助部件與被

控對象相聯(lián)系,以獲得一定控制目的而構(gòu)成的系統(tǒng)。控

制目的可以是使被控對象的狀態(tài)或運動過程達到某種要

求，也可以是達到某種最優(yōu)化目標。

計算機通常指數(shù)字計算機,可以采用各種類型，如微型、大型的

通用或?qū)Ｓ糜嬎銠C。

輔助部件主要指輸入輸出接口、檢測傳感裝置和執(zhí)行裝置等。與

被控對象的聯(lián)系和部件間的聯(lián)系，可以用有線方式進行聯(lián)系；也

可以用無線方式進行聯(lián)系。

被控對象的范圍很廣,包括各行各業(yè)的生產(chǎn)過程、機械裝置、交

通工具、機器人、實驗裝置、儀器儀表、家庭生活設(shè)施、家用電

器和兒童玩具等。c

與經(jīng)典模擬控制的區(qū)別：利用計算機代替常規(guī)的

模擬控制器，使計算機成為控制系統(tǒng)的一個組成

部分，因而系統(tǒng)中信號為數(shù)字離散的。

優(yōu)點：計算機控制系統(tǒng)的控制規(guī)律由計算機來實

現(xiàn)，可以實現(xiàn)模擬控制方法難以實現(xiàn)的更為復(fù)雜

的控制規(guī)律，可以避免模擬電路實現(xiàn)的許多困難。

而且便于更換和改進。

缺點：量化誤差、受采樣頻率影響控制帶寬窄、

速度低、離散特性可能影響穩(wěn)定性。

計算機控制系統(tǒng)是以自動控制理論與計算機技術(shù)

相結(jié)合而成。目前大多數(shù)控制系統(tǒng)都在向基于計

算機控制的方向發(fā)展。C

提綱

1.1計算機控制的發(fā)展和應(yīng)用

1.2計算機控制系統(tǒng)分類

1.3計算機控制系統(tǒng)組成

1.4控制系統(tǒng)的信號處理和傳遞

1.5計算機控制系統(tǒng)理論

7

1.1計算機控制的發(fā)展概況

?計算機控制以經(jīng)典控制理論（1868

年）、現(xiàn)代控制理論（1955）、智能控

制理論（1965）為基礎(chǔ)；

?計算機控制技術(shù)（1955年）是伴隨

著計算機技術(shù)（1946年）和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

（1969年）的發(fā)展而發(fā)展起來的；

?計算機控制的發(fā)展和應(yīng)用非常迅速，

已深入到各行各業(yè)，并逐漸走向智能化、

網(wǎng)絡(luò)化和綜合化。8

計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展過程

特點

:大

?開創(chuàng)期=1955年、

昂

笨重

貴

、

不可

?直接式數(shù)字控制期。1962年告

非

?小型計算機控制期=1967年

?微型計算機控制期。1972年

特點

小

?

、

?數(shù)字控制普遍應(yīng)用期?年?

1980巧

輕

價

廉

、

活

高

靈

?集散型控制期。1990年可

、

性

智

靠

能

?現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制期。2000年4/、

化

?無線網(wǎng)絡(luò)智能控制期=2010年

計算機控制發(fā)展趨勢：網(wǎng)絡(luò)化、智能化、綜合化

9

計算機控制理論發(fā)展中的主要思想

?采樣定理(1949)

?差分方程(1948)

?變換方程(1952)

?狀態(tài)空間理論(1958)

?最優(yōu)控制與隨機控制(1957)

?代數(shù)系統(tǒng)理論(1969)

?系統(tǒng)辨識、智能控制(1971)

?自適應(yīng)控制(1973)

10

計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用

?應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

?應(yīng)用形式多樣

?重要應(yīng)用：

工業(yè)自動化

汽車

船舶

飛行器、航天器

等等

11

應(yīng)用舉例1—汽車應(yīng)用

汽車微機控制系統(tǒng)是計算機控制技術(shù)的一個應(yīng)用O

娛樂通信12

抱死：就是制動器將輪胎夾緊,輪胎對于制動器沒有相

對運動。換句話說，也就是輪胎不轉(zhuǎn)了，車身仍在路面

滑動，汽車失控了

ABS系統(tǒng)—防抱死系統(tǒng)

執(zhí)

行

器

被

監(jiān)

汽車電源電壓

控

壓力傳感器

信

汽車減速度傳感器信號

號安全監(jiān)控電路

汽車的制動力取決于摩擦力，ABS系統(tǒng)的功能：即在車輪將要抱

死時，通過計算機控制，降低制動力，而當(dāng)車輪不會抱死時又增

加制動力，如此反復(fù)動作，使制動效果最佳。14

輪速傳感福

EPS

（電動助力轉(zhuǎn)向

Electrically

橫根角速度傳感后

織向加速度傳感器

Powered橫向加速度傳族荒

Steering）方兩盤傳感日

電子控制單元

?EPS可以監(jiān)控汽車行駛狀態(tài)，并自動向一個或多個車輪施加

制動力，以保持車子在正常的車道上運行。

?EPS一般需要安裝轉(zhuǎn)向傳感器、車輪傳感器、側(cè)滑傳感器、

橫向加速度傳感器等。

15

Acronyms

TPM:TyrePressureMonitoring

RSM:RemoteSensingModule

RKE:RemoteKeylessEntry

P&T

(Backside)

MPXY8020A:CMOSP&TSensorHC908RFRK2:MCU+RF

+

輪胎壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)一一輪胎內(nèi)部的傳感器模塊包括壓力和溫度

傳感器，微控制單元，RF輸出，以及一個電池。該模塊放置在

每個輪胎中。同時使用了一個中央接收器，接受每個輪胎發(fā)出

的信號，通過CAN總線為顯示器提供信息。

16

紅外，超聲，圖像感應(yīng)，面向后方的嬰

兒座以及車主偵測

多路輸出氣囊

II

重量傳感器探測安全帶的使用

碰撞嚴重性探測以坐位位置傳感器

及閾值調(diào)整

車輛安全系統(tǒng)——為了使系統(tǒng)智能化，應(yīng)用不同的傳感器：自

動開啟氣囊的加速度傳感器，坐位位置傳感器和重量傳感器，用

于探測使用者位置的紅外傳感器

17

應(yīng)用舉例2—機器人應(yīng)用

WhatIsMURATABOYmadeof?N?wmaterialsuitablsforlenses

Gettoknowtftul/uinLUMICERA"

MURATABOYWirelessmusictrantmittiofi

Bluetooth'module

MURATABQY'sbodyisfilledwithhighpedormancaHh^ow4|?loIMwrvlwtlywi*FC?tni

electroniccomponents.Let'slooketetchofthem.

tnnaiaittad,

IWoeyestorecognizeobstacles

UltrasonicsensorsRapidrechar|in|indhighRWICoutput

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GyrosensorSupplyingstablepowertothebody

Thefy*oMMoeMKHmtaatoM^latDC-DCconverter

orturwnfmotidMof!?Mr，WMa*MvctoV?h?Hb8nirictedyt?WM卜?

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Thebiqrol**，qu*?wtti?“MHCIB喉》

.ndwndaN*Mittoth?coatrdonuk,

atiirrwr*IMMtaim.**i*eakMoutput*

vwyj隼搏附皿X?

*Inadditiontothecomponemsabovt,MURATABOYfeature*manyofMurau'ielectroniccomponentssuchM'ChRMonolithicCeramic

主要控制單元及傳感器：

?前向控制一超聲傳感器、視覺傳

感器

?轉(zhuǎn)向控制一陀螺和振動傳感器

?傾斜和穩(wěn)定控制一陀螺和振動傳

感器

19

感知頸斜度和當(dāng)曲度

陀螺傳感器

能感知車體端斜度和整曲度的微小變化的傳感器。在感知到頸斜

度時.則通過旋轉(zhuǎn)首于胸部的圖盤來保持平衡。它還能計算出村

20

田就至的所處位置。

檢測對車體的沖擊度

振動傳感器

21能檢測出由凹凸路面和昌低差所帶來的對車體的沖擊度.

并將此信號傳送給控制電路。

?配備有計算機控制系

統(tǒng)，可按照預(yù)設(shè)線路自

主行駛。利用傳感器測

定前進方向，通過通信

模塊與控制計算機之間

進行數(shù)據(jù)交換，從而實

現(xiàn)準確行駛。

?在遇到前方障礙物時

,機器人既可以轉(zhuǎn)向繞

行，也可以根據(jù)指令進

行剎車。先進的傳感器

技術(shù)和控制技術(shù)是實現(xiàn)

功能的關(guān)鍵。

22

1.2計算機控制系統(tǒng)分類

1、以控制方式來分類

?計算機開環(huán)控制

系統(tǒng)輸出對被控對象行使控制，但控制結(jié)果一被控對象

的狀態(tài)不影響計算機控制系統(tǒng)，計算機、控制器、生產(chǎn)過

程等環(huán)節(jié)沒有構(gòu)成閉合環(huán)路。

?計算機閉環(huán)控制（反饋控制）

計算機對被控對象進行控制時，對象狀態(tài)能直接影響計

算機控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，控制部件（執(zhí)行器）按控制器

發(fā)出的控制信息對運行設(shè)備（被控對象）進行控制，另一

方面運行設(shè)備的運行狀態(tài)作為輸出，由檢測部件測出后，

作為輸入反饋給控制計算機；從而使控制計算機、控制部

件、生產(chǎn)過程、檢測部件構(gòu)成一個閉環(huán)回路。23

?在線控制（聯(lián)機控制）

計算機對被控對象或被控生產(chǎn)過程行使直接控制，不

需要人工干預(yù)。

-離線控制

控制計算機沒有直接參于控制對象或受控生產(chǎn)過程，

它只完成被控對象或被控過程的狀態(tài)檢測，并對檢測數(shù)

據(jù)進行處理，而后制定出控制方案，輸出控制指示，操

作人員參考控制指示，人工手動操作使控制部件對被控

對象或被控過程進行控制。

?實時控制系統(tǒng)

被控制的對象或被控過程，每當(dāng)請求處理或請求控制

時，控制器能及時處理并進行控制的系統(tǒng)，常用在生產(chǎn)

過程是間斷進行的場合。一個在線系統(tǒng)并不一定是實時

系統(tǒng)，但是一個實時系統(tǒng)必是一個在線系統(tǒng)。24

2、以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來分類

?直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）

由控制計算機取代常規(guī)的模擬調(diào)節(jié)儀表而直接對生

產(chǎn)過程進行控制?？刂菩盘柾ㄟ^輸入/輸出通道中的數(shù)/

模（D/A）轉(zhuǎn)換器將計算機輸出的數(shù)字控制量轉(zhuǎn)換成模擬

量，來控制被控對象；對象的模擬狀態(tài)量也要經(jīng)輸入/

輸出通道的模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進入計算機。

?計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCO

針對某一種生產(chǎn)過程，依據(jù)生產(chǎn)過程的各種狀態(tài)，

按生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型預(yù)測和估計出生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)運行

的最佳給定值，并將最佳值自動地對DDC執(zhí)行級的計

算機或?qū)δM調(diào)節(jié)儀表進行調(diào)正或設(shè)定控制的目標值，

由DDC或調(diào)節(jié)儀表對生產(chǎn)過程各個點（運行設(shè)備）行使控

制。系統(tǒng)中包括預(yù)測和控制兩個過程。

25

?多級控制系統(tǒng)（MCS）

在現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)中，不僅需要解決生產(chǎn)過程的在線控

制問題，而且還要求解決生產(chǎn)管理問題，每日生產(chǎn)品種、

數(shù)量的計劃調(diào)度以及月季計劃安排，制定長遠規(guī)劃、預(yù)

報銷售前景等，于是出現(xiàn)了多級控制系統(tǒng)。

DDC級主要用于直接控制生產(chǎn)過程，進行PID或前饋

等控制；SCC級主要用于進行最佳控制或自適應(yīng)控制或

自學(xué)習(xí)控制計算，并指揮DDC級控制同時向MIS（管理

信息系統(tǒng)）級匯報情況。DDC級通常用微型計算機，

SCC和MIS級一般用小型計算機或高檔微型計算機。

?分布式控制或分散控制系統(tǒng)（DCS）

分散控制或分布控制，是將控制系統(tǒng)分成若干個獨立

的局部控制子系統(tǒng)，用以完成受控生產(chǎn)過程自動控制任

務(wù)。

26

DCS大量應(yīng)用在自動化領(lǐng)域，將過程控制、監(jiān)督控制和管理

調(diào)度進一步結(jié)合起來，自下而上一般可分為過程控制級

（DDC）、控制管理級（SCC,監(jiān)督控制）、生產(chǎn)管理級

（MIS,管理信息系統(tǒng)）和經(jīng)營管理級（DSS,決策支持系

統(tǒng)）四個層次。DCS是屬于專用系統(tǒng)，開放程度不夠。

DCS在熱電廠的應(yīng)用

廠級

被控過程

28

?現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(FCS5fieldbus

controlsystem)

FCS為新型網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)，它

將操作站、現(xiàn)場智能儀表以及其它信息資源作為網(wǎng)

絡(luò)中的節(jié)點，將原來封閉、專用的系統(tǒng)變成開放、

標準的系統(tǒng)，從過程控制走向了過程管理?，F(xiàn)場總

線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式雙向

傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)場總線系統(tǒng)具有以下技術(shù)特點：①系統(tǒng)開

放；②標準統(tǒng)一，互可操作性與可用性；③全數(shù)

字，現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性；④系統(tǒng)結(jié)

構(gòu)的高度分散；⑤對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。

29

監(jiān)控客戶機

監(jiān)控客戶機

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

30

應(yīng)

用

物層

聯(lián)

網(wǎng)

技r

IIFI

網(wǎng)在規(guī)★帶2G/3GFSIN

術(shù)

絡(luò)

層

?

知

層

支忖

環(huán)M

水K

?n/j

31

http://www.c114.net(2011/4/2810:51)

FCS與DCS的區(qū)另ij

?兩者都為網(wǎng)絡(luò)多層結(jié)構(gòu)，但DCS采用專用網(wǎng)

絡(luò)，F(xiàn)CS使用標準的開放性網(wǎng)絡(luò)…以太網(wǎng)。

?DCS可采用數(shù)字/模擬混合，F(xiàn)CS為全數(shù)字

式系統(tǒng)。

?DCS采用專用的控制器（可靠性強），F(xiàn)CS

采用標準的硬、軟件平臺，如PC機，可采

用嵌入式PC機提高系統(tǒng)可靠性。

32

1.3現(xiàn)代計算機控制系統(tǒng)主要內(nèi)容

￡置妻數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)：

__________

?計算機硬侔技術(shù)

?通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

?信息管理和處理(分類、分析、決策等)

33

1.3.1數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）基本組成

輸出反饋數(shù)字控制系統(tǒng)

狀態(tài)反饋數(shù)字控制系統(tǒng)34

輸出反饋數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

?數(shù)字控制系統(tǒng)由數(shù)字控制器、執(zhí)行器、被控對

象、測量環(huán)節(jié)等組成。

?數(shù)字控制器用計算機實現(xiàn)，一般由計算機核心

硬件、控制算法(或稱控制律，由計算機程序

實現(xiàn))、模-數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器、數(shù)-模(D/A)轉(zhuǎn)換

器組成。35

運算器

「中央處理機《控制器

CPU內(nèi)存儲器

r硬設(shè)備《

人機通信設(shè)備

I外部設(shè)備

C計算機過程輸入/設(shè)備輸出

”操作系統(tǒng)

數(shù)字r系統(tǒng)軟件（程序）＜

軟件JL支援性軟件

控制系統(tǒng)

.應(yīng)用軟件（程序）

被控對象、執(zhí)行器、測量環(huán)節(jié)

數(shù)字控制系統(tǒng)的基本組成

36

1.3.1.1被控對象

被控對象是指所要控制的裝置或設(shè)備。被

控對象用傳遞函數(shù)來表征時，其特性可以用放

大系數(shù)K、慣性時間常數(shù)〃積分時間常數(shù)Z、

滯后時間系數(shù)N來描述。被控對象的傳遞函數(shù)

可以歸納為如下幾類典型環(huán)節(jié)的組合：

放大環(huán)節(jié)G⑴二K

慣性環(huán)節(jié)G(s)二.丁..、

(1+加)(1+72。,,(1+f)

積分環(huán)節(jié)G(s)=工

\7rpn

純滯后環(huán)節(jié)G(s)”二

37

1.3.1.2執(zhí)行器

執(zhí)行器是控制系統(tǒng)中的重要部件，是

向被控對象提供運動動力的裝置。執(zhí)行器

根據(jù)控制信號，改變輸出的直線位移或角

位移。

執(zhí)行器按照采用的動力方式可以分為

電動、氣動、液動、熱動等。

可以用傳遞函數(shù)來表示，多為比例或

一階或二階慣性環(huán)節(jié)。

38

1.3.1.3測量環(huán)節(jié)

測量環(huán)節(jié)由傳感器和測量線路構(gòu)成，它把被控

參數(shù)轉(zhuǎn)換成某種形式的信號（一般為電信號）。

傳感器：旋轉(zhuǎn)變壓器，感應(yīng)同步器，光電編碼

器，光柵傳感器，電位器，加速度計，陀螺，磁場

計，壓力傳感器，溫度傳感器等。

MEMS傳感器：采用微機電技術(shù)，將傳感器結(jié)

構(gòu)、電路等集成實現(xiàn)微型化系統(tǒng)，其體積和功耗小、

可實現(xiàn)批量生產(chǎn)、成本低、易制成大規(guī)模和多模式

陣列等。MEMS傳感器是一個多學(xué)科交叉的新興研

究領(lǐng)域，由于其具有性能高、價格便宜、適合大批

量生產(chǎn)等特點，正逐步替代一些傳統(tǒng)的傳感器。

39

1.3.1.4數(shù)字控制器

數(shù)字控制器以計算機為核心，控制規(guī)律由編制的

計算機程序來實現(xiàn)。輸入通道包括模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D),

輸出通道包括數(shù)■模轉(zhuǎn)換器(D/A)。

?采樣周期：兩次相鄰采樣之間的時間，記作7。

最常用的是周期性采樣。

?采樣時刻：把實測信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的時刻，上T

-勺⑴表示參考輸入信號(給定信號)

?y⑴表示系統(tǒng)的反饋信號

-e⑴表示偏差信號或比較信號

?沈⑴表示控制信號

40

1.3.2計算機控制器硬件組成

系統(tǒng)

復(fù)位及其時鐘

它功能

地址和控制總線

中央處理

單元接口終端

(CPU)

隨機?D/A>

存儲器存儲器接口

控制器(RAM)A/D<

M----------

/只讀

存儲器

直接存儲＞顯示

單元|(ROM)接口

(DMA)數(shù)據(jù)輸入

存儲器

I___

硬盤

接口軟盤

41

數(shù)字控制器類型

?PC機(通用計算機)，標準的軟、硬件，存儲量大

,操作系統(tǒng)強大

?微控制器(MCU,MicroControllerUnit),單片

機或DSP,是指把CPU、存儲器、輸入輸出設(shè)備或

接口集成到一片芯片內(nèi)，加少量的外圍電路就可以

構(gòu)成計算機系統(tǒng)的器件

?可編程控制器（PLC,ProgrammableLogic

相結(jié)合的產(chǎn)物，主要用于工業(yè)控制和電氣控制

-嵌入式控制系統(tǒng)，嵌入到對象體系中的專用計算機

控制系統(tǒng)，采用專用的微處理器，實現(xiàn)對象體系智

能化控制，具有低功耗、小體積、高集成度的特點2

嵌入式控制系統(tǒng)舉例——微型飛行器的自動駕駛系統(tǒng)

1.3-3通信和網(wǎng)絡(luò)

⑻⑼

分散控制的多微處理器控制系統(tǒng)

⑸具有中央處理器的系統(tǒng)；（b）分布系統(tǒng)44

計算機網(wǎng)絡(luò)

又稱“計算機數(shù)據(jù)通信”，通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、制定

通信協(xié)議在多計算機之間實現(xiàn)信息共享和數(shù)據(jù)傳輸。

以太網(wǎng)

控制網(wǎng)

設(shè)備網(wǎng)

45

控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)集成

控制網(wǎng)絡(luò)一一指完成自動化控制任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，

其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點為DDC。

信息網(wǎng)絡(luò)一一指在辦公自動化和通信等領(lǐng)域廣為采

用的計算機網(wǎng)絡(luò)，其特點是通信信息量大、傳輸快速。

控制網(wǎng)路與信息網(wǎng)絡(luò)集成主要實現(xiàn)信息交換和資源共

享。集成技術(shù)主要把包括：

＞網(wǎng)絡(luò)互連：物理互連與邏輯互連，路由器和網(wǎng)關(guān)

＞動態(tài)數(shù)據(jù)交換：通過共享內(nèi)存實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸

＞遠程通信：調(diào)制解調(diào)器（電話線），TCP/IP

（Windows操作系統(tǒng)）

＞數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)：應(yīng)用編程接口API（開放數(shù)據(jù)庫

互連、固有連接、Java數(shù)據(jù)庫連接）46

1.3.4信息處理和管理

Hierarchicalsystemstructure

高層UPPERLAYER

KnowledgeProcessing

MIDDLELAYERHMIDDLELAYER

中層

InformationProcessing■Info.Processing

LOWERLAYER

底層Sensor!Sensor!Sensor!Sensor^HAudioIVideoIOthers

Multi-sensorsystemsManMachineInterface

＞底層---進行信號處理Signalprocessing

*Conditioning,filtering,conversion

＞中層---進行信息處理Information

processing

*Featuregeneration,sensorsignalfusion

andparametertuning

＞高層一一進行信息的智能處理和管理

Knowledgeprocessing

*Clustering,prediction,classification,

decisionmaking,communications

信息管理是一種包含調(diào)查研究、運籌決策、協(xié)

調(diào)控制、檢查改進等環(huán)節(jié)的高級復(fù)雜過程，是

根據(jù)目標進行信息獲取、組織和決策的過程。

49

1.4數(shù)字控制器中信號處理和傳遞

1.4.1采樣

數(shù)字控制器的輸入

1.4.2量化(A/D)

143保持(D/A)?數(shù)字控制器的輸出

常用零階保持器(ZeroorderholderZOH)

L4.4控制算法

1.4.5多輸入多輸出信號傳遞

50

1.4.1采樣

匕

?采樣：工H一每…隔‘一定工的.時間間隔把連續(xù)信號抽

樣成采樣信號的過程。

?理想采樣器：理想采樣器是一種數(shù)學(xué)抽樣。

T

⑴6*（。

理想采樣器圖示

?單位脈沖(沖激)序列：8")二￡b(TT)

k=0

?采樣信號：采樣信號可以看成是連續(xù)信號e⑴

被采樣間隔為7的沖激序列抽樣得到的沖激

函數(shù)序列。*⑺，每個沖激的間隔為，而沖

激強度等于連續(xù)信號的抽樣值c(㈠)。51

采樣示意圖

100

IIII3T⑴工火-⑺

k=0

0￡

▼/⑺；

H調(diào)制器a0*(。=匚(/(一口

--------------------k=0

*

e(/)Ae(/)k

52

?米樣信號屋⑴可以看成是e0）和⑴的乘積。

在一在時刻的脈沖沖量為。（〃）,而

--⑺表示出脈沖發(fā)生的時刻。

?理想采樣器的工作過程是把輸入的模擬信號

變成一串脈沖。

?采樣定理：采樣后的離散信號能夠恢復(fù)原連

續(xù)信號的條件是采樣頻率要高于信號中最

頻率的2倍。即如果連續(xù)信號/⑴的傅里葉

變換在（-明，心）以外為零，則當(dāng)采樣角頻率

co,大于2g時，此信號完全可由其等周期

采擇點上的值唯一確定。

?定義乃奎斯特頻率：

①N二"2

53

連續(xù)信號/⑴與采樣信號/*(/)的頻譜

54

CDen

混疊現(xiàn)象:如果于〈必，^T>—,則不能由離

散信號/(⑺恢復(fù)出連續(xù)信號/⑺。例如兩個周期信號

的頻率分別為0.1赫茲和0.9赫茲，如果采樣頻率為1

赫茲，可以看出在采樣點它們具有相同的數(shù)值。從

采樣點的數(shù)值就不可能恢復(fù)出0.9赫茲的周期信號。

55

?前置濾波：在實際應(yīng)用中，常常會遇到難以滿足采

樣定理的情況。由于混疊效應(yīng)，連續(xù)信號被離散后

其高頻分量將以低頻的形式出現(xiàn)，而破壞了控制系

統(tǒng)的工作。克服這個困難的一個有效辦