微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)(第2版).ppt

1、信息工程學(xué)院,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,信息工程學(xué)院,課 程 教 學(xué) 說(shuō) 明,一.課程特性 1）地位 本課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的選修課、網(wǎng)絡(luò)專業(yè)必修課 2）關(guān)系,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、掌握微機(jī)控制技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)、微機(jī)控

2、制系統(tǒng)原理及相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法,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。,信息工程學(xué)院,二. 學(xué) 習(xí) 要 求,（1)微機(jī)控制的基本理論與方法達(dá)到記識(shí)層； （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)； （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。,信息工程學(xué)院,三、本課程的重點(diǎn)、難點(diǎn),1) 微機(jī)控制技術(shù)的基本概念與思考方法; 2) 微型計(jì)算機(jī)控制理論基礎(chǔ); 3) 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)； 4) 數(shù)據(jù)采集原理及處理方法； 5) 間接、直接數(shù)字控制器設(shè)計(jì)理論與實(shí)現(xiàn)方法；

3、 6）順序與數(shù)字程序控制概念、原理和方法； 7) 模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制原理及實(shí)現(xiàn)方法； 8）總線技術(shù)。,信息工程學(xué)院,實(shí) 驗(yàn) 及 其 要 求,實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本課程教學(xué)內(nèi)容的組成部分 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) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 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) 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) 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) 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) 實(shí)驗(yàn)5：LED點(diǎn)陣顯示:顯示圖形或漢字(計(jì)算,通信). 實(shí)驗(yàn)6: LC

4、D液晶顯示:顯示圖形或漢字(計(jì)算,通信). 實(shí)驗(yàn)7: IC卡實(shí)驗(yàn):IC卡信息讀寫(計(jì)算,通信).,信息工程學(xué)院,實(shí)驗(yàn)要求：獨(dú)立完成，教師驗(yàn)收，創(chuàng)新獎(jiǎng)勵(lì) 考核方法與成績(jī) (1)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收，現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)答，現(xiàn)場(chǎng)打分 (2)撰寫綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告 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。,信息工程學(xué)院,成 績(jī) 評(píng) 定,實(shí)驗(yàn)：30% 閉卷考試：70% 特別申明：不參加實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)考核不及 格者不提供理論考試試卷， 強(qiáng)行參考者不予成績(jī)?cè)u(píng)定。,信息工程學(xué)院,第1章 緒 論,本章學(xué)習(xí)提要 （1）計(jì)算機(jī)控制技術(shù)經(jīng)歷的

5、發(fā)展階段； （2）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) 。 （3）控制系統(tǒng)5種典型工作特性 。 （4）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；。 （5）與模擬控制系統(tǒng)比較微型機(jī)控制系統(tǒng)5個(gè)特征。 （6）微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有4種經(jīng)典結(jié)構(gòu)和4種新型結(jié)構(gòu),信息工程學(xué)院,1.1 控制系統(tǒng)基礎(chǔ),111 控制系統(tǒng)基本概念 1. 常用概念術(shù)語(yǔ) 對(duì)象:為完成特定動(dòng)作,由機(jī)械、電氣、電子等零部件有機(jī)組成的裝置或設(shè)備。 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 （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

6、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)。 (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。 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)。 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。 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)。,信息工程學(xué)院,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。 自動(dòng)控制：不需要人直接參與，而使被控量自動(dòng)地按

7、預(yù)定的規(guī)律變化的控制過(guò)程。 控制量：被控系統(tǒng)的輸入量或給定量，用r（t）表示。 被控量：被控系統(tǒng)的輸出量，用y（t）表示，如被控電機(jī)的轉(zhuǎn)速，溫控系統(tǒng)的溫度等。 反饋量：與被控制量成比例的反饋信號(hào)，用yCF（t）表示。 偏差量：控制量與反饋量之間的差值,用e（t）表示,e（t）= r(t)- yCF（t）。,信息工程學(xué)院,2常見(jiàn)系統(tǒng)術(shù)語(yǔ),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)。 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)。 隨動(dòng)系統(tǒng) 是一種反饋系統(tǒng)，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

8、。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)。,信息工程學(xué)院,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)。,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。 這類系統(tǒng)多見(jiàn)于溫度、壓力、流量等控制系統(tǒng)。,信息工程學(xué)院,112 控制系統(tǒng)工作特性,1. 控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)及其工作特性,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

9、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。,信息工程學(xué)院,系統(tǒng)工作狀態(tài)過(guò)渡過(guò)程的測(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),圖1-5,信息工程學(xué)院,tr：?jiǎn)?dòng)時(shí)間。 超調(diào)：y(t) |y()|稱為超調(diào)，在0tr不算 P：表示超調(diào)信號(hào)的嚴(yán)重程度。,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

10、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。,t,信息工程學(xué)院,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)。,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。 ts，tp，p，N：動(dòng)態(tài)參數(shù)。 當(dāng)系統(tǒng)完成過(guò)渡過(guò)程后，| y(t) -y()|為穩(wěn)態(tài)誤差。 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)。,信息工程學(xué)院,2.幾種典型控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程曲線,1）單調(diào)逐漸逼近 (見(jiàn)圖1-6特性曲線),過(guò)度過(guò)

11、程曲線單調(diào)逼近y()：P0，N=0，y(t) =y(),2）等幅振蕩(見(jiàn)圖1-6特性曲線 ),等幅振蕩，N （自激振蕩）。,信息工程學(xué)院,3.振蕩發(fā)散 (見(jiàn)圖1-6特性曲線),振蕩發(fā)散，N ；振幅系統(tǒng)無(wú)平衡狀態(tài),4.單調(diào)發(fā)散 (見(jiàn)圖1-6特性曲線, ),“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) ？,信息工程學(xué)院,5.欠阻尼振蕩,阻尼振蕩：一般可工作系統(tǒng)均為此曲線。 y()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。 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。 過(guò)阻尼工作狀態(tài)相似于單調(diào)逐漸逼近或一階系統(tǒng)工作狀態(tài)，啟動(dòng)速度變慢。 臨

12、界阻尼工作狀態(tài)使系統(tǒng)特性處于等幅振蕩特性。 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。,信息工程學(xué)院,1.2 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與特征,121 微機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 1. 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu),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；,（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

13、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。,信息工程學(xué)院,2. 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成,信息工程學(xué)院,（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。,（2）過(guò)程通道 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

14、制、狀態(tài)信息均為開(kāi)關(guān)量。 因此，過(guò)程通道包括模擬過(guò)程輸入、輸出通道、開(kāi)關(guān)量過(guò)程輸入、輸出通道。 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)。 （3）接口 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， 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； 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； 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。,信息工程學(xué)院,（4）主機(jī),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。 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，處于在

15、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)，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)。 （5）人機(jī)交互通道與操作控制臺(tái) 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。 就一般而言操作控制臺(tái)應(yīng)具有以下功能 操作 鍵盤，鼠標(biāo)，按鍵，板鍵等. 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. 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. 遠(yuǎn)程信息交換,信息工程學(xué)院,3. 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件,注

16、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,信息工程學(xué)院,1.2.2 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)特征,1.結(jié)構(gòu)特征 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)。 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)：,信息工程學(xué)院,2. 信號(hào)特征,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)。 3. 功能特征 （1）以軟件代替硬件。 （2）數(shù)據(jù)保存。 （3）顯示設(shè)備、方法與內(nèi)容。 （4）多系統(tǒng)互聯(lián)。,信息工程學(xué)院,4. 時(shí)限特征,“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)。 （1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采

17、集。 （2）實(shí)時(shí)決策運(yùn)算。 （3）實(shí)時(shí)控制輸出。 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。 5. 控制器工作方式特征 控制器在控制系統(tǒng)中的工作方式有在線、離線兩種。,信息工程學(xué)院,微型計(jì)算機(jī)在線工作方式：又稱“聯(lián)機(jī)”工作方式。 微型計(jì)算機(jī)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。 微型計(jì)算機(jī)離線工作方式：又稱“脫機(jī)”工作方式。 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。 離線工作方式無(wú)實(shí)時(shí)性可

18、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。,信息工程學(xué)院,1.3 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類,1.3.1 經(jīng)典微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 1. 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng),2. 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng),信息工程學(xué)院,3. 直接式數(shù)字控制系統(tǒng),4. 監(jiān)督式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),信息工程學(xué)院,1.3.2 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),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)。 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)

19、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，遺傳控制技術(shù)。 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。 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。 圖1-13為模糊控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)圖。,信息工程學(xué)院,2. 集散式微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),集散式微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(Distributed Control System，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。 DCS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

20、的產(chǎn)物。,信息工程學(xué)院,3. 現(xiàn)場(chǎng)總線微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),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)。 FCS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。 4. 管控一體綜合集成系統(tǒng) 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 Inte

21、grated Process System），簡(jiǎn)稱CIMS或CIPS。 CIMS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。 除上述四種常見(jiàn)新型系統(tǒng)外，還有嵌入式微機(jī)控制系統(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。,信息工程學(xué)院,1.4 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,1. 裝置技術(shù)的發(fā)展 裝置技術(shù)是發(fā)展基礎(chǔ) . 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)。 2. 微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 微型計(jì)算機(jī)技術(shù)是發(fā)展的保障 . 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)

22、等的發(fā)展。 3. 決策理論的發(fā)展 決策理論是發(fā)展的動(dòng)力 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)。 具有重要意義的濾波技術(shù)、能控能觀性技術(shù)、極大值原理、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。 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。,信息工程學(xué)院,4. 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展,（1）用可編程控制器代替DDC級(jí)微機(jī) （2）新一代CIMS （3）用智能控制芯片作為控制器,信息工程學(xué)院

23、,第2章 微型計(jì)算機(jī)控制理論基礎(chǔ),2.1 連續(xù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 211 拉普拉斯變換 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,復(fù)變量,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)。,2. 拉普拉斯變換的性質(zhì),線性,（位移性質(zhì)）,信息工程學(xué)院,令,信息工程學(xué)院,（3）相似性質(zhì)（比例變換）,令,則,信息工程學(xué)院,（4）微分性質(zhì)(原函數(shù)導(dǎo)數(shù)的象函數(shù)),f(0)為t=0時(shí)f(t)的值，一般控制系統(tǒng)中f(0)=0,同樣，對(duì)于的階導(dǎo)數(shù)，可以得到,信息工程學(xué)院,（5）積分性質(zhì)(原函數(shù)導(dǎo)數(shù)的象函數(shù)),f(0)為t=0時(shí)f(t)的值，一般控制系統(tǒng)中f(0)=0,信息工程學(xué)

24、院,(6)初值定理,其中f(0),F(s)可拉, 存在 證明：由拉普拉斯變換的微分性質(zhì)可知,有,(7)終值定理,證明自閱,信息工程學(xué)院,3. 拉普拉斯反變換,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,具體的拉普拉斯反變換計(jì)算公式為,信息工程學(xué)院,212 傳遞函數(shù)與方塊圖1傳遞函數(shù),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。 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)在固有特性。 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。,傳遞函

25、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)。,信息工程學(xué)院,傳遞函數(shù)有如下基本性質(zhì) （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)。 （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)。 （3）傳遞函數(shù)不能反映系統(tǒng)或元件的物理結(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)。 （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)。,信息工程學(xué)院,2方塊圖,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

26、，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。 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。 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。 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。 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。,信息工程學(xué)院,3.典型系統(tǒng)的方塊圖與傳遞函數(shù),1)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。,對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù),信息工程學(xué)院,2)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

27、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。,稱為系統(tǒng)中的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)。,閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為,信息工程學(xué)院,3）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),；擾動(dòng)項(xiàng)0;擾動(dòng)被抑制；,及,此時(shí)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù),信息工程學(xué)院,例2.1：如圖所示，R,C低通網(wǎng)絡(luò),I (s),UI (s),(b),Uc(s),圖2-6 RC電路方塊圖,(c),Ui (s),信息工程學(xué)院,4方塊圖等效法則,1) 分支點(diǎn)移動(dòng)規(guī)則,信息工程學(xué)院,（2）相加點(diǎn)移動(dòng)規(guī)則,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

28、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。,信息工程學(xué)院,例2.2,(1)進(jìn)行拉普拉斯變換；（2）畫(huà)方塊圖；,信息工程學(xué)院,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)是指線性定常系統(tǒng)在穩(wěn)定的前提下在輸入端加入理想單位脈沖信號(hào)得到的輸出響應(yīng)。 假定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為,于是,如果,則有,稱為單位脈沖響應(yīng)函數(shù),稱為理想單位脈沖信號(hào),例 2.3 假設(shè)某二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為,則,信息工程學(xué)院,2.2 離散系統(tǒng)數(shù)學(xué)基礎(chǔ),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

29、 表示。 離散系統(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。 2.2.1 離散時(shí)間信號(hào)與采樣信號(hào)的表示 1. 采樣過(guò)程及數(shù)學(xué)描述 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。,e*(t),圖2-10 采樣開(kāi)關(guān),T,e (t),e (t),e*(t),載波信號(hào),(a),(b),載波器,脈沖調(diào)制器,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。,信息工程學(xué)院,2.2.2 差分與差商1.差分的概念,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

30、函數(shù)值的差,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,類似有二階后向差分,階前向、后向差分定義公式可類推。,信息工程學(xué)院,2. 差商的概念,稱比值,n=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,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

31、。,信息工程學(xué)院,1. Z變換的定義,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,或,對(duì)以上兩式兩邊取拉普拉斯變換，得,信息工程學(xué)院,令,或,則有,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,2. Z變換的性質(zhì),1） 線性性質(zhì),2） 滯后性質(zhì),3）超前性質(zhì),4） 復(fù)位移定理,信息工程學(xué)院,5）初值定理6）終值定理,7)卷積定理,信息工程學(xué)院,3. Z反變換的定義,Z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。 Z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,.) . 或

32、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） 4. Z反變換的求法 1）冪級(jí)數(shù)法 例2.5 求 的Z反變換，寫出前五項(xiàng)。 解： 于是,信息工程學(xué)院,2）部分分式法,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變換表示式。,式中 ，為待定系數(shù)。,（1）共軛復(fù)根對(duì)應(yīng)系數(shù)的確定,（2）重根對(duì)應(yīng)系數(shù)的確定,（3）單根對(duì)應(yīng)系數(shù)的確定,信息工程學(xué)院,例2.6 設(shè) ,試用部分分式法求,解 將部分分式中的每一項(xiàng)乘上因子后，得,查Z變換對(duì)照表可得,最后可得,

33、3）反演積分法(留數(shù)法 ),信息工程學(xué)院,兩邊 得,注意到,是一個(gè)具體的數(shù)值，且,在上式中，,，所以有,離散函數(shù)的Z反變換可表示為,可根據(jù),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,（2）根據(jù)p個(gè)重根,信息工程學(xué)院,（1）根據(jù)單、重根,例2.7 求,的Z反變換,解 由,的分母可知，存在單根,及二重根,信息工程學(xué)院,5. 利用Z變換求解差分方程,根據(jù)Z變換的超前定理，有,例2.8 用Z變換求解三階差分方程,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,將初始條件代入并化簡(jiǎn)、整理得,于是有,查閱Z反變換對(duì)照表，有,信息工程學(xué)院,2.2.4 離散系統(tǒng)傳遞函數(shù),1. 脈沖

34、傳遞函數(shù)的定義,在理想脈沖串的作用下，輸出的拉斯變換為,。,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,。,而采樣系統(tǒng)的離散輸出,信息工程學(xué)院,單位脈沖響應(yīng)來(lái)推導(dǎo)脈沖傳遞函數(shù),當(dāng)輸入信號(hào)為如下的脈沖序列時(shí),根據(jù)疊加原理，輸出信號(hào)為一系列脈沖響應(yīng)之和，即,在,時(shí)刻，輸出的脈沖值為,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。,信息工程學(xué)院,2 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù),1）串聯(lián)環(huán)節(jié)之間有采樣開(kāi)關(guān) 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

35、開(kāi)關(guān)隔開(kāi)。 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù),2) 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，,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。,信息工程學(xué)院,3. 閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù),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,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2.10 求圖2-17所示采樣系統(tǒng)的輸出,的表達(dá)式。,解,而,因此,所以,即,信息工程學(xué)院,2.3 采樣周期的一般選擇方法,2.3.1 香濃（Shan

36、non）采樣定理,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。,。,信息工程學(xué)院,2.3.2 采樣周期的選擇,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 （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

37、小，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)。 （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。 （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。 （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。 （5）從計(jì)算機(jī)精度考慮，采樣周期不宜過(guò)短。 （6）從系統(tǒng)成本上考慮，希望采樣周期越長(zhǎng)越好。 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。,信息工程學(xué)院,1. 以復(fù)現(xiàn)連續(xù)信號(hào)精度要求選擇采樣周期,設(shè)N為一個(gè)周期內(nèi)對(duì)信號(hào)的采樣次數(shù) 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。 2. 根據(jù)被控參

38、數(shù)的性質(zhì)選擇采樣周期,3. 根據(jù)輸出信號(hào)呈現(xiàn)的形式選擇采樣周期,信息工程學(xué)院,4. 根據(jù)被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)選擇采樣周期,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,可取,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,5. 以相角穩(wěn)定裕度選擇采樣周期,為系統(tǒng)的閉環(huán)截止頻率。,6. 以控制算法選擇采樣周期,使用PI算法和使用PID算法在選擇采樣周期時(shí)存在明顯的差異。,信息工程學(xué)院,第3章 接口與過(guò)程通道配置技術(shù),3.1 概 述 過(guò)程通道的基本任務(wù)是信號(hào)獲取、轉(zhuǎn)換及傳遞； 接口的基本任務(wù)是數(shù)字信號(hào)傳遞 。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的接口電路特點(diǎn)：除了基本任務(wù)外還擔(dān)負(fù)控制過(guò)程通道各環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)工

39、作的任務(wù) 。 一般來(lái)說(shuō)計(jì)算機(jī)無(wú)法直接接收和處理生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)際信息，這些實(shí)際信息由輸入過(guò)程通道獲取、轉(zhuǎn)換，傳遞給接口，再由接口送入計(jì)算機(jī)； 計(jì)算機(jī)傳送到生產(chǎn)過(guò)程的控制信息通過(guò)接口進(jìn)入輸出過(guò)程通道，由輸出過(guò)程通道轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)過(guò)程所能接受的信號(hào)形式 . 面向過(guò)程通道的接口電路的結(jié)構(gòu)、編程方法等與過(guò)程通道的功能、結(jié)構(gòu)、信息傳遞方式密切相關(guān)。 （1）根據(jù)主機(jī)獲取、發(fā)送信息的要求及過(guò)程通道傳送、接收信息的狀態(tài)，接口電路傳遞數(shù)據(jù)的方式分為無(wú)條件、查詢、中斷等。 （2）為適應(yīng)過(guò)程通道轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的技術(shù)變化，面向過(guò)程通道的接口電路同樣也應(yīng)具備數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)制轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)中斷管理等接口的一般功能； （3）面向過(guò)程通道的

40、接口電路的明顯特征是它必須深入過(guò)程通道內(nèi)部對(duì)過(guò)程通道中各子環(huán)節(jié)，如多路轉(zhuǎn)換、可編程放大、采樣/保持、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換等進(jìn)行關(guān)系上、功能上、時(shí)間上等的有序控制。,信息工程學(xué)院,設(shè)計(jì)過(guò)程通道與面向過(guò)程通道的接口時(shí)必須注意和解決如下基本問(wèn)題：,（1）輸入輸出信號(hào)形式的轉(zhuǎn)換，尤其是不同能量形式的信號(hào)轉(zhuǎn)換； （2）微機(jī)與控制對(duì)象兩個(gè)異步工作的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步和通信聯(lián)絡(luò)； （3）高速的微機(jī)與低速的控制對(duì)象實(shí)現(xiàn)速度匹配； （4）數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)制轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、電平轉(zhuǎn)換、功率轉(zhuǎn)換等； （5）微弱信號(hào)放大、濾波、整型，強(qiáng)電信號(hào)幅度衰減、濾波、整型，信號(hào)幅度規(guī)范； （6）數(shù)據(jù)通道與子環(huán)節(jié)工作控制

41、的端口分配； （7）接口電路中的端口觸發(fā)、時(shí)序及負(fù)載能力。 研制接口和過(guò)程通道電路使用的器件有三大類， 一類是利用基本的小規(guī)模集成電路功能器件（如一片多組的運(yùn)算放大器等）、邏輯器件（如各類TTL器件）、分立元件等，當(dāng)控制內(nèi)容單一，過(guò)程通道和接口比較簡(jiǎn)單時(shí)采用此類器件設(shè)計(jì)可避免浪費(fèi)； 二類是通用器件，如通用的各類并行、串行I/O接口器件，中斷管理、定時(shí)/計(jì)數(shù)、鍵盤/顯示等接口器件； 三類是專用器件，主要有A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、集成多路轉(zhuǎn)換電子開(kāi)關(guān)、可編程放大器等等。,信息工程學(xué)院,3.2 面向過(guò)程通道的接口技術(shù),3.2.1接口的基本結(jié)構(gòu)、任務(wù)和功能 1. 接口的基本結(jié)構(gòu),2. 接口電路的基

42、本任務(wù),（1）控制信息的傳遞路徑。即根據(jù)控制的任務(wù)在眾多的信息源中進(jìn)行選擇，以確定該信息傳送的路徑和目的地。 （2）控制信息傳送的順序。計(jì)算機(jī)控制的過(guò)程就是執(zhí)行程序的過(guò)程，為確 保進(jìn)程正確無(wú)誤，接口電路應(yīng)根據(jù)控制程序的要求，適時(shí)地發(fā)出一組有序 的選通信號(hào)。,為保證基本任務(wù)完成，接口電路應(yīng)解決以下問(wèn)題：（1）觸發(fā)方式。（2）時(shí)序。 （3）負(fù)載能力。,信息工程學(xué)院,3接口的功能作為主機(jī)與過(guò)程通道之間的信息傳遞渠道，與一般接口電路相同，應(yīng)具備尋址、輸入輸出、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、聯(lián)接、中斷管理、復(fù)位及可編程等基本功能。,4端口及其編址方法 1）端口:一個(gè)I/O接口一般包括若干個(gè)端口，通?？煞譃閿?shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口

43、以及控制端口，而每個(gè)端口都有一個(gè)端口地址號(hào)，所以一個(gè)接口電路一般占用多個(gè)端口地址。 2）端口編址:有通道端口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址和通道端口獨(dú)立編址兩種方式，工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)同一般端口編址相同。 3.2.2 接口數(shù)據(jù)傳送方式 （1）直接傳送方式。 （2）查詢傳送方式。 （3）中斷傳送方式。 3.2.3 接口擴(kuò)展 1）地址線選擴(kuò)展.,信息工程學(xué)院,2）地址譯碼擴(kuò)展,A4A3=00時(shí)，1#74LS138被允許譯碼； A4A3=01時(shí)，2#74LS138被允許譯碼； A4A3=10時(shí)，3#74LS138被允許譯碼； A4A3=11時(shí)，4#74LS138被允許譯碼。 因此，32個(gè)I/O接口端口地址分配號(hào)為：

44、0000H001FH。 3）混合擴(kuò)展:地址線選、地址譯碼用于同一個(gè)系統(tǒng)的接口擴(kuò)展稱為混合擴(kuò)展。,信息工程學(xué)院,2端口負(fù)載能力擴(kuò)展,單向負(fù)載能力擴(kuò)展器件有74LS244、74LS240、74LS06、74LS07等，主要用于ABUS和CBUS負(fù)載能力擴(kuò)展； 雙向負(fù)載能力擴(kuò)展器件有74LS245等，主要用于DBUS負(fù)載能力擴(kuò)展。 3端口的功能擴(kuò)展 （1）單向數(shù)據(jù)傳送選通； （2）雙向數(shù)據(jù)傳送選通； （3）非數(shù)據(jù)傳送單點(diǎn)控制信號(hào)； （4）非數(shù)據(jù)傳送雙點(diǎn)、多點(diǎn)控制信號(hào)； （5）數(shù)據(jù)傳送選通與非數(shù)據(jù)傳送控制功能兼顧。 3.2.4 接口實(shí)例 18255A在微機(jī)控制系統(tǒng)中的接口實(shí)現(xiàn),信息工程學(xué)院,例3.1

45、設(shè)圖33中PA口通過(guò)輸入數(shù)字過(guò)程通道聯(lián)接工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的一組狀態(tài)點(diǎn)，PB口通過(guò)輸出數(shù)字過(guò)程通道聯(lián)接系統(tǒng)控制臺(tái)的一組生產(chǎn)過(guò)程狀態(tài)指示燈，將MCS51工作寄存器R7的內(nèi)容送指示燈，將生產(chǎn)過(guò)程的相應(yīng)狀態(tài)讀入工作寄存器R2。試編寫其操作程序。,直接傳送方式使8255A的PA口為方式0輸入，PB口為方式0輸出。 PC口的輸入/輸出方式?jīng)]有要求，可任意設(shè)定。 將8255A的4個(gè)端口視1組端口，P2。7連接為線選組地址，A1A0的組合用于選擇組內(nèi)端口地址，即PA口、PB口、CW的端口地址分別對(duì)應(yīng)#7FFCH 、#7FFDH 和#7FFFH。,信息工程學(xué)院,參考程序如下： INIT8255： MOVDPTR，#

46、7FFFH；控制口地址送數(shù)據(jù)指針 MOVA，#90H；PA輸入，PB輸出，PC任意，控制字可為100100B MOVXDPTR，A；方式控制字寫入8255A控制口，PA輸入，PB輸出 MOV DPTR，#7FFDH；PB口地址送數(shù)據(jù)指針 MOVA，R7 MOVXDPTR，A；將R7的內(nèi)容輸出到PB口 MOVDPTR，#7FFCH；PA口地址送數(shù)據(jù)指針 MOVXA，DPTR；讀PA口開(kāi)關(guān)的狀態(tài) MOVR2，A； RET,信息工程學(xué)院,當(dāng)需要對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的模擬量進(jìn)行測(cè)控時(shí)，以8255作為并行接口，MCS-51單片機(jī)作為主機(jī)的微機(jī)控制系統(tǒng)的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。,通過(guò)編程使8255-PA口工作

47、在方式1（單向選通）輸入，8255-PB口工作在方式1輸出，允許中斷。 在程序控制下，PC7輸出一個(gè)正脈沖啟動(dòng)模擬過(guò)程輸入通道進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，此次模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換完畢，輸入通道通過(guò)PC4向8255-PA口發(fā)出選通信號(hào)，將模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果打入PA口，同時(shí)通過(guò)INTRA向主機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求。,信息工程學(xué)院,主機(jī)響應(yīng)后將PA口數(shù)據(jù)讀入采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，判采樣次數(shù)是否滿，未滿則重復(fù)向PC7發(fā)正脈沖及其以后的工作過(guò)程。 滿了則進(jìn)入系統(tǒng)決策,將決策結(jié)果通過(guò)PB口送模擬過(guò)程輸出通道。 如果只有一個(gè)被控對(duì)象，模擬過(guò)程輸出通道設(shè)置數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)便可，若為多對(duì)象，而又不想增加數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，則須增加多路轉(zhuǎn)換

48、和采樣/保持兩個(gè)環(huán)節(jié)。PB口按單向選通輸出時(shí)，PC1為選通信號(hào)，PC2作為模擬過(guò)程輸出通道的回答信號(hào)。 8255接到回答信號(hào)后，通過(guò)INTRB向主機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求，表示所送數(shù)據(jù)已接收，可送下一個(gè)數(shù)據(jù)了。 2多組數(shù)據(jù)輸入輸出接口 例3.2.設(shè)以MCS-51系列機(jī)為主機(jī)的微機(jī)控制系統(tǒng)中，過(guò)程通道需8路8位數(shù)據(jù)的輸入，4路8位數(shù)據(jù)的輸出，4個(gè)通道環(huán)節(jié)可編程控制信號(hào)。試采用74LS244作為輸入數(shù)據(jù)端口、74LS273作為輸出數(shù)據(jù)端口、可編程控制信號(hào)為無(wú)數(shù)據(jù)端口設(shè)計(jì)接口電路。,信息工程學(xué)院,信息工程學(xué)院,解：接口電路邏輯如圖3-5所示，8個(gè)輸入端口由一片38譯碼器74 LS138進(jìn)行端口地址譯碼，4個(gè)輸

49、出端口與4個(gè)可編程控制信號(hào)合由一片74 LS138進(jìn)行端口地址譯碼。 高位地址線A15A14A13A12A11=11110時(shí)選通1#74LS138譯碼器，即選通輸入端口。 若A10A9A8=000，則其譯碼輸出Y0為低電平，將來(lái)自1#74LS244的數(shù)據(jù)讀入主機(jī)總線，其余類推。 當(dāng)A15A14A13A12A11=11111時(shí)選通2#74LS138譯碼器，即選通4個(gè)輸出端口，并提供4個(gè)編程控制信號(hào)。各端口的地址分配如表3-1所示。,信息工程學(xué)院,3.3 模擬輸入過(guò)程通道配置,3.3.1 通道基本結(jié)構(gòu),信息工程學(xué)院,模擬量輸入通道各部分電路作用說(shuō)明如下： 1傳感器：將過(guò)程量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 2放大電

50、路：對(duì)微弱的電信號(hào)進(jìn)行放大。 3多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)：將多路模擬信號(hào)按要求分時(shí)輸出。 4采樣保持：對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，在模數(shù)轉(zhuǎn)換期間對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行保持。 5A/D轉(zhuǎn)換：即模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字量。 6控制器：實(shí)現(xiàn)通道各環(huán)節(jié)在邏輯和時(shí)序上的協(xié)調(diào)。,信息工程學(xué)院,3.3.2 信號(hào)的拾取方式,模擬輸入通道中，首先要將外界非電參量，如溫度、濕度、流量、應(yīng)力、壓力、速度、位移等物理量轉(zhuǎn)換為電量，這個(gè)環(huán)節(jié)可采用敏感元件、傳感器或測(cè)量?jī)x器來(lái)實(shí)現(xiàn)。 1通過(guò)敏感元件拾取被測(cè)信號(hào):敏感元件將測(cè)的物理量變換為電流、電壓或R.L.C參量的變化 2. 通過(guò)傳感器拾取被測(cè)信號(hào):用敏感元件及相應(yīng)的測(cè)量電路、信號(hào)傳遞機(jī)

51、構(gòu)配以適當(dāng)外形可以制成各類傳感器。 3通過(guò)測(cè)量?jī)x表拾取被測(cè)信號(hào):通過(guò)調(diào)節(jié)測(cè)量?jī)x表 直接輸出用于A/D轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)電壓或標(biāo)準(zhǔn)電流(但要轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓). 3.3.3 通道放大技術(shù) 1微弱信號(hào)放大器原理 對(duì)經(jīng)傳感器變換后得到的微弱模擬信號(hào)進(jìn)入前置處理環(huán)節(jié),前置處理的重要手段是將微弱模擬信號(hào)放大處理。 由于通用運(yùn)算放大器具有較大的失調(diào)電壓和溫度漂移,一般不能用作微弱信號(hào)的放大器。 在模擬輸入通道中一般采用測(cè)量放大器來(lái)完成信號(hào)放大任務(wù)。,信息工程學(xué)院,根據(jù)圖3-8有,由于,，并取,，有,而,信息工程學(xué)院,于是,即測(cè)量放大器的放大倍數(shù)由式（3.7）給出，該式表明僅需調(diào)整RG就可方便、有效地調(diào)整K，而由于電

52、路對(duì)稱，調(diào)整RG不會(huì)降低共模抑制比。,AD620是與該原理對(duì)應(yīng)的器件。引腳結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3-9，應(yīng)用電路連接示意見(jiàn)圖3-10。,信息工程學(xué)院,AD620具有體積小、功耗低、精度高、噪聲低和輸入偏置電流低的特點(diǎn)。 其最大輸入偏置電流為20nA，表明輸入阻抗高。外聯(lián)可調(diào)RG可實(shí)現(xiàn)11000范圍的放大倍數(shù)調(diào)節(jié)。 工作電壓范圍為2.318V,最大電源電流為1.3mA.最大輸入失調(diào)電壓為125V,頻帶寬度為120kHz（K=100時(shí)） 圖3-11是AD620用于電橋測(cè)量的連接電路。 除AD620之外，同類原理器件有AD626、LH0036、LH0038、LM363及較前出現(xiàn)的AD521/AD522、INA10

53、2等等。,信息工程學(xué)院,2可編程放大器原理,可編程放大器實(shí)現(xiàn)的理論依據(jù)是式（3.7），即改變RG可以有效地改變?cè)鲆嬷怠?可編程放大器原理電路見(jiàn)圖3-12所示。,信息工程學(xué)院,以一個(gè)輸入運(yùn)算放大器的反相端作為公共端，圖3-12中為COM2，n個(gè)阻值不同的RG均連接于COM端，形成n條電阻支路或電阻網(wǎng)絡(luò),記為x1，x2，xn。 另一個(gè)輸入運(yùn)算放大器的反相端（例圖為COM1）引出純導(dǎo)線支路，用X表示。當(dāng)X與xi（i1，2，n）條電阻支路連通時(shí)，K=Ki。實(shí)現(xiàn)程序控制X與xi連通的硬件條件是在X與x1，x2，xn之間設(shè)置單端多路模擬轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)由X連通代碼寄存器提供分支選擇代碼和選通信號(hào)。 每一個(gè)

54、xi建立一個(gè)連通代碼并存儲(chǔ)在一個(gè)固定區(qū)域，當(dāng)主機(jī)將xi的連通代碼送入X連通代碼寄存器時(shí)，X與xi連通，使K=Ki。 n條分支可產(chǎn)生n個(gè)K值。也可選擇分支并聯(lián)，產(chǎn)生所需K值。 AD612/614是這一原理的典型器件，其n=10，不同之處是輸入信號(hào)從其兩個(gè)輸入運(yùn)算放大器的反相端輸入，而增益的調(diào)整電阻從兩個(gè)輸入運(yùn)算放大器的正相端接入。此器件可實(shí)現(xiàn)以下三種基本使用方法為 （1）利用片內(nèi)的RG1RGn調(diào)節(jié)K，稱為程序控制增益方法。具體使用時(shí)，RG1RG8分別對(duì)應(yīng)Ki=2128；將RG8、RG9并聯(lián)，即將x8、x9兩端合為一端，則K=29；將x8、x9 、x10三端合為一端，則K=210；當(dāng)不接入RG時(shí)，

55、K=1。 （2）利用RG的兩個(gè)外置連接端子，建立外置RG1RGn（按要求的增益）電阻網(wǎng)絡(luò)，程控調(diào)節(jié)原理與效果和內(nèi)置電阻網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)原理與效果完全相同。 （3）在RG的兩個(gè)外置連接端子之間接入可變電阻器也可實(shí)現(xiàn)增益調(diào)整。 類似的器件有PGA100及PGA200/201、PGA102等。,信息工程學(xué)院,3.3.4 模擬多路切換技術(shù)(模擬多路開(kāi)關(guān) ),1模擬多路切換器的類型 模擬多路切換器有兩類：一類是機(jī)械觸點(diǎn)式，如干簧繼電器、水銀繼電器和機(jī)械振子式繼電器。 另一類是電子式開(kāi)關(guān)，如晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管及集成電路開(kāi)關(guān)等。 2模擬多路切換器的連接方式 1）單端連接法; 2）差動(dòng)連接法; 3）偽差動(dòng)連法.,信息

56、工程學(xué)院,3集成多路模擬切換器,常用的 CMOS集成多路轉(zhuǎn)換器有單端和差分兩種類型，一般情況下，它們分別用于單端接法和差動(dòng)接法應(yīng)用場(chǎng)合。 1）單端集成多路模擬切換器,i1,2,，8，Z表示高阻抗或不接通， fi為模擬開(kāi)關(guān)的連通控制信號(hào)，fi=1，對(duì) 應(yīng)的模擬開(kāi)關(guān)連通，X=xi，如果信息只 能xiX稱為單向多路模擬開(kāi)關(guān)； X、xi可以互送稱為雙向多路模擬開(kāi)關(guān)。,fi=0,第i路模擬模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。 fi(A0,A1,A2,EN)是EN控制下的A0A1A2的38譯碼函數(shù)。,典型8通道芯片有CD4051、AD7501、MAX354、DG407等。 典型16通道芯片有CC4067、AD7506、MAX3

57、96等。,信息工程學(xué)院,2）差動(dòng)集成多路模擬切換器,差動(dòng)集成多路轉(zhuǎn)換器有4通道、8通道兩種。 基于圖3-15原理的差動(dòng)4通道器件有MAX355、AD7502、MAX384、MAX399等。 典型8通道差動(dòng)多路轉(zhuǎn)換器有AD7507、MAX397、MAX359、DG409等。,信息工程學(xué)院,3.3.5 采樣保持技術(shù),模/數(shù)轉(zhuǎn)換器完成一次完整的轉(zhuǎn)換過(guò)程所需的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間 . 在轉(zhuǎn)換時(shí)間t內(nèi)產(chǎn)生的誤差稱為孔徑誤差V.,設(shè)模擬信號(hào)為：,最大變化率為：,所以,從t=0開(kāi)始采樣，采樣的孔徑時(shí)間為t， 則采樣的最大誤差為,信息工程學(xué)院,為滿足模/數(shù)轉(zhuǎn)換精度要求，希望在t時(shí)間內(nèi)，信號(hào)變化最大幅度應(yīng)小于模/數(shù)

58、轉(zhuǎn)換器的量化誤差。 對(duì)于ADS1211的12位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us ，基準(zhǔn)電壓為10.24V，其量化誤差為：,若Vf=5V，由此要求輸入信號(hào)的最高變化頻率：,因此,當(dāng)轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)時(shí)， 不影響轉(zhuǎn)換精度所允許的信號(hào)最高頻率就越低，這就大大限制了模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作頻率范圍。,信息工程學(xué)院,如圖為S/H器原理圖：,基本結(jié)構(gòu)由MUX，CH兩個(gè)接成跟隨器的運(yùn)放組成，工作過(guò)程如下： （1）控制信號(hào)：HK合上，VA1經(jīng)MUX給CH充電（條樣期），由于A1接成跟隨器（K1），VA1Vi，A2也是跟隨器，V0VCH。注：為減小轉(zhuǎn)換誤差，對(duì)CH的充電常數(shù)越小越好。即盡可能快的使VCHVi（采樣期不轉(zhuǎn)換）。,2采樣保持原理分析,信息工程學(xué)院,（2）控制信號(hào)由HL，K斷開(kāi)，CH將K斷時(shí)（令其為t1）的值，即Ui (t1)=Uc(t1)保持下來(lái)，經(jīng)A2輸出。 （3）啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)入t，在t內(nèi)，Uc(t1)Ui(t1)的時(shí)間越長(zhǎng)越好。（保持期也就是轉(zhuǎn)換期）注：為使H期間UCH基本不變，A2的輸入電阻要極大，MUX的反向漏電流極小，總之要使CH趨近于無(wú)放電回路，而接近理想的條樣保持器。 3典型器件 常用的模擬集成化S/H器有LFX 98系列，該系列特點(diǎn)：條樣速度高，保持電壓下降速度慢，精度高。 除LFX 98外，還有SHAXA系列,AD