微型計算機(jī)控制技術(shù)(第2版).ppt

1、信息工程學(xué)院,微型計算機(jī)控制技術(shù) 主講: 戴永,教 材:戴 永等,微型計算機(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).長沙:湖南大學(xué)出版社，2004 2張艷兵. 計算機(jī)控制技術(shù). 北京: 國防工業(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 明,一.課程特性 1）地位 本課程是計算機(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、微機(jī)控

2、制系統(tǒng)原理及相應(yīng)的設(shè)計方法,達(dá)到計算機(jī)學(xué)科、通信學(xué)科本科層次知識結(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)到記識層； （2) 學(xué)生利用基本理論與方法可設(shè)計簡單的微機(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、難點,1) 微機(jī)控制技術(shù)的基本概念與思考方法; 2) 微型計算機(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；通道配置原理及方法、通道電路原理與設(shè)計、通道操控算法與程序設(shè)計； 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)計理論與實現(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)控制原理及實現(xiàn)方法； 8）總線技術(shù)。,信息工程學(xué)院,實 驗 及 其 要 求,實驗教學(xué)是本課程教學(xué)內(nèi)容的組成部分 實驗教材：單片機(jī)原理及應(yīng)用實驗指導(dǎo)書(胡洪波 王霞玲,編號03016) 實驗內(nèi)容： 實驗1：D/A轉(zhuǎn)換：程控電子波形產(chǎn)生原理及方法(計算,通信) 實驗2：A/D轉(zhuǎn)換：模擬信號2進(jìn)制采樣原理與方法(計算,通信) 實驗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(計算) 實驗4：直流電機(jī) ：直流電機(jī)的程控調(diào)速、調(diào)向及測控原理與方法(計算) 實驗5：LED點陣顯示:顯示圖形或漢字(計算,通信). 實驗6: LC

4、D液晶顯示:顯示圖形或漢字(計算,通信). 實驗7: IC卡實驗:IC卡信息讀寫(計算,通信).,信息工程學(xué)院,實驗要求：獨立完成，教師驗收，創(chuàng)新獎勵 考核方法與成績 (1)現(xiàn)場驗收，現(xiàn)場問答，現(xiàn)場打分 (2)撰寫綜合性、設(shè)計性實驗報告 特別聲明：因為此課實驗內(nèi)容要求高，實驗過程抓得緊，成績評定嚴(yán)格，所以不提供非計劃時間的教學(xué)實驗補(bǔ)課，有正當(dāng)理由者在下一級的本課程實驗課補(bǔ)做。,信息工程學(xué)院,成 績 評 定,實驗：30% 閉卷考試：70% 特別申明：不參加實驗或?qū)嶒灴己瞬患?格者不提供理論考試試卷， 強(qiáng)行參考者不予成績評定。,信息工程學(xué)院,第1章 緒 論,本章學(xué)習(xí)提要 （1）計算機(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，2常見系統(tǒng)術(shù)語 。 （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)由微型計算機(jī)取代，這是劃時代的進(jìn)步；。 （5）與模擬控制系統(tǒng)比較微型機(jī)控制系統(tǒng)5個特征。 （6）微型計算機(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 對象:為完成特定動作,由機(jī)械、電氣、電子等零部件有機(jī)組成的裝置或設(shè)備。 過程：過程:被控制的運(yùn)行狀態(tài).兩種不同的描述如下 （1）自然過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)動構(gòu)成。 過程特征表現(xiàn)為以相對固定的方式導(dǎo)致一個特定結(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：對系統(tǒng)輸出量產(chǎn)生相反作用的信號。擾動分為內(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,控制過程：通過消除擾動因素影響保持被控制量按預(yù)期要求變化的過程。 自動控制：不需要人直接參與，而使被控量自動地按

7、預(yù)定的規(guī)律變化的控制過程。 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，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常見系統(tǒng)術(shù)語,開環(huán)控制系統(tǒng) 被控制量只能受控于控制量，而對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)對應(yīng)的位置進(jìn)行變化，其特性如圖1-1所示

8、。隨動系統(tǒng)多出現(xiàn)于機(jī)械位移、速度、加速度等對象的控制，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) 又稱自動調(diào)整系統(tǒng)，是一種反饋系統(tǒng)，當(dāng)r()為常量時，也要求被控量保持在常量上，如圖1-2所示。常見的穩(wěn)定系統(tǒng)有恒溫、電壓、電流、頻率、壓力等控制系統(tǒng)。,過程控制系統(tǒng) 以變化過程作為控制對象的控制系統(tǒng)，在控制過程中，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,實際控制系統(tǒng)除存在內(nèi)外擾動外，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)偏差信號大到一定程度時，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)過渡過程的測試是通過系統(tǒng)響應(yīng)特定輸入信號（或叫試驗信號）來進(jìn)行的。階躍信號常用的測試信號，如圖1-4所示。系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的過渡過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,圖1-5,信息工程學(xué)院,tr：啟動時間。 超調(diào)：y(t) |y()|稱為超調(diào)，在0tr不算 P：表示超調(diào)信號的嚴(yán)重程度。,有時也直接用,ymax(t)通常處于第一個峰值。P越小，過渡過程越平穩(wěn)。,tP：從t0

10、到第一個峰值的時間，tP表征反饋控制系統(tǒng)反應(yīng)輸入信號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)的過渡過程時間，當(dāng)t=ts，應(yīng)有：一般0.020.05;ts越小，說明系統(tǒng)以一個穩(wěn)態(tài)過渡到另一個穩(wěn)態(tài)所需時間越短，反之越長。,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)過渡過程的振蕩次數(shù)，用N表示，N越小，過程越短。 ts，tp，p，N：動態(tài)參數(shù)。 當(dāng)系統(tǒng)完成過渡過程后，| y(t) -y()|為穩(wěn)態(tài)誤差。 穩(wěn)態(tài)誤差是表征系統(tǒng)控制精度的一項性能指標(biāo)。,信息工程學(xué)院,2.幾種典型控制系統(tǒng)過渡過程曲線,1）單調(diào)逐漸逼近 (見圖1-6特性曲線),過度過

11、程曲線單調(diào)逼近y()：P0，N=0，y(t) =y(),2）等幅振蕩(見圖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 (見圖1-6特性曲線),振蕩發(fā)散，N ；振幅系統(tǒng)無平衡狀態(tài),4.單調(diào)發(fā)散 (見圖1-6特性曲線, ),“過”單調(diào)發(fā)散，這類系統(tǒng)無穩(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)的過渡過程分為三種工作狀態(tài),即欠阻尼、臨界阻尼和過阻尼。 過阻尼工作狀態(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)的阻尼特性討論請讀者參閱相關(guān)論著。,信息工程學(xué)院,1.2 微型計算機(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)信號傳輸?shù)穆窂浇Y(jié)構(gòu)沒有發(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)由微型計算機(jī)取代，這是劃時代的進(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)中只有檢測裝置，而在微

13、機(jī)控制系統(tǒng)中于檢測裝置后設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換。 由于微型計算機(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)的時間變量均采用人們公認(rèn)的離散時間變量符號K。,信息工程學(xué)院,2. 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成,信息工程學(xué)院,（1）工業(yè)生產(chǎn)過程 工業(yè)生產(chǎn)過程是指在生產(chǎn)現(xiàn)場把原材料變成成品或半成品，或通過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、安全保證等。,（2）過程通道 主機(jī)與工業(yè)生產(chǎn)過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)過程發(fā)布控制信息，主機(jī)從工業(yè)生產(chǎn)過程接受狀態(tài)信息?；鲾?shù)據(jù)有模擬、開關(guān)量兩種數(shù)據(jù)形式，而控

14、制、狀態(tài)信息均為開關(guān)量。 因此，過程通道包括模擬過程輸入、輸出通道、開關(guān)量過程輸入、輸出通道。 過程通道處于工業(yè)生產(chǎn)過程與主機(jī)接口之間，擔(dān)負(fù)著生產(chǎn)過程與主機(jī)交換信息的任務(wù)。 （3）接口 在微型計算機(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)與過程通道之間，用于主機(jī)與過程通道交換數(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)過程中，處于在

15、線的主機(jī)又稱為工業(yè)控制計算機(jī)，簡稱工業(yè)控制機(jī)或工控機(jī)，其特點表現(xiàn)在可靠性高、可維修性好、環(huán)境適用性強(qiáng)、控制實時性好、輸入輸出通道完善及軟件豐富等。本書中的主機(jī)均指工控機(jī)。 （5）人機(jī)交互通道與操作控制臺 人機(jī)交互通道與操作控制臺是相互依存的，操作控制臺因人機(jī)交互通道而設(shè)置，人機(jī)交互通道通過操作控制臺使得人機(jī)交互更方便。 就一般而言操作控制臺應(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，聲光報警等. 數(shù)據(jù)保存 外存，磁存儲器，光存儲器，半導(dǎo)體存儲器,IC卡等. 遠(yuǎn)程信息交換,信息工程學(xué)院,3. 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)軟件,注

16、意：程序的運(yùn)行時間以不影響系統(tǒng)實時性為前提,信息工程學(xué)院,1.2.2 微型計算機(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)來代替，便構(gòu)成了微機(jī)控制系統(tǒng)。 開環(huán)系統(tǒng)：,信息工程學(xué)院,2. 信號特征,模擬控制系統(tǒng)中所有環(huán)節(jié)的工作信號全為模擬信號，而微型計算機(jī)控制系統(tǒng)中主機(jī)的工作信號全為數(shù)字信號，前、后向模擬過程通道模擬、數(shù)字信號兼有，前、后向開關(guān)量過程通道是全數(shù)字信號，但無全模擬信號。 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. 時限特征,“實時”，是指在規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定的任務(wù)。 （1）實時數(shù)據(jù)采

17、集。 （2）實時決策運(yùn)算。 （3）實時控制輸出。 數(shù)據(jù)采樣、運(yùn)算決策、輸出控制三個階段占用時間之和滿足實時性要求，則該系統(tǒng)具有實時性。 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,微型計算機(jī)在線工作方式：又稱“聯(lián)機(jī)”工作方式。 微型計算機(jī)在控制系統(tǒng)中直接參與控制或交換信息，而不通過其它中間記錄介質(zhì)，如磁盤、U盤、光盤、磁帶等。 微型計算機(jī)離線工作方式：又稱“脫機(jī)”工作方式。 微型計算機(jī)不直接參與對被控對象的控制，或不直接與被控對象交換信息，而僅是將有關(guān)控制信息記錄或打印出來，再由人來聯(lián)系，按照微機(jī)提供的信息完成相應(yīng)的控制操作。 離線工作方式無實時性可

18、談。要使系統(tǒng)具有實時性，微型計算機(jī)必須按在線方式工作。,信息工程學(xué)院,1.3 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)分類,1.3.1 經(jīng)典微型計算機(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)督式計算機(jī)控制系統(tǒng),信息工程學(xué)院,1.3.2 新型微型計算機(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)無重大區(qū)別；在軟件上，智能控制系統(tǒng)的驅(qū)動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. 集散式微型計算機(jī)控制系統(tǒng),集散式微型計算機(jī)控制系統(tǒng)(Distributed Control System，DCS)是基于微型計算機(jī)總線通信技術(shù)的多系統(tǒng)分層分散控制、集中管理微型計算機(jī)控制系統(tǒng)，已成為大工業(yè)現(xiàn)場普遍使用的生產(chǎn)過程控制、子系統(tǒng)管理的方案。 DCS也稱為分級分布式控制系統(tǒng)，簡稱集散系統(tǒng)，它是計算機(jī)、自動化、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)場總線微型計算機(jī)控制系統(tǒng),現(xiàn)場總線微型計算機(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。 FCS的核心是現(xiàn)場總線，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、過程控制、辦公室和經(jīng)營管理等的自動化系統(tǒng)進(jìn)行集成，即構(gòu)成計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer Integrated Manufacturing System）或計算機(jī)集成過程系統(tǒng)（Computer Inte

21、grated Process System），簡稱CIMS或CIPS。 CIMS代表著工業(yè)控制系統(tǒng)的未來，它的研究開發(fā)不是以某個區(qū)域或某項活動為對象，而是以企業(yè)的全部活動為對象。 除上述四種常見新型系統(tǒng)外，還有嵌入式微機(jī)控制系統(tǒng)、虛擬控制系統(tǒng)、開放式控制系統(tǒng)等，請參閱有關(guān)資料。,信息工程學(xué)院,1.4 微型計算機(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、制作技術(shù)的發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)模塊電路的種類越來越多，功能越來越強(qiáng)。 2. 微型計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 微型計算機(jī)技術(shù)是發(fā)展的保障 . 微型計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展主要指微型計算機(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。 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、動態(tài)突變、多時間標(biāo)度、復(fù)雜的信息模式等被控對象的控制問題上，智能控制技術(shù)有其特殊優(yōu)勢，而將成為人們研究的熱門內(nèi)容，解決問題的新選手段。,信息工程學(xué)院,4. 微型計算機(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,對時域函數(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f(t)的值，一般控制系統(tǒng)中f(0)=0,同樣，對于的階導(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是 ，記作,具體的拉普拉斯反變換計算公式為,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呈線性關(guān)系的元件或系統(tǒng)，既適用于開環(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形式無關(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)是描述其動態(tài)特性的一種關(guān)系式，它和系統(tǒng)或元件的運(yùn)動方程式一一對應(yīng)。 （2）傳遞函數(shù)表征系統(tǒng)或元件本身的特性，而與輸入信號無關(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，均為多項式，每一項的系數(shù)都是實數(shù)。,信息工程學(xué)院,2方塊圖,方塊圖是系統(tǒng)中每個元件的功能和信號流向的圖解表示

26、，它表明系統(tǒng)中各元件或各環(huán)節(jié)間的相互關(guān)系，信號流動情況。 方塊圖輸出信號的拉普拉斯變換式等于其輸入信號的拉普拉斯變換式與方塊內(nèi)傳遞函數(shù)的乘積。 信號通過方塊的流向以箭頭來表示，使輸入信號的箭頭指向方塊，輸出信號的箭頭背向方塊。 方塊圖中只包含與系統(tǒng)動態(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)開環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖與傳遞函數(shù)開環(huán)控制系統(tǒng)的抽象結(jié)構(gòu)包含控制、執(zhí)行與對象三個環(huán)節(jié)，方塊圖結(jié)構(gòu)見圖2-3。,對應(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(含對象)、反饋及偏差計算（符號表示）等環(huán)節(jié)構(gòu)成，方塊圖結(jié)構(gòu)見圖2-4所示。,稱為系統(tǒng)中的開環(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）含擾動量的閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖與傳遞函數(shù),當(dāng),；擾動項0;擾動被抑制；,及,此時控制系統(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) 分支點移動規(guī)則,信息工程學(xué)院,（2）相加點移動規(guī)則,根據(jù)代數(shù)運(yùn)算法則，還可實現(xiàn)其它類型方塊圖的簡化或等效，相關(guān)內(nèi)容請參閱自動控制方面的專業(yè)書籍。在簡化或等效處理

28、過程中應(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,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)，是一種動態(tài)系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，有一個或多個變量僅在離散的瞬時變化，這些瞬時時刻以 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)的信號或數(shù)據(jù)是采樣形式。 2.2.1 離散時間信號與采樣信號的表示 1. 采樣過程及數(shù)學(xué)描述 采樣過程可以視為信號調(diào)制過程，即連續(xù)信號經(jīng)過采樣開關(guān)后變?yōu)閿嗬m(xù)信號,如圖2-10所示。,e*(t),圖2-10 采樣開關(guān),T,e (t),e (t),e*(t),載波信號,(a),(b),載波器,脈沖調(diào)制器,為了簡化分析，對采樣過程做如下三點假設(shè)： 1） 采樣開關(guān)的動作是瞬間完成的；2） 采樣開關(guān)閉合的時間遠(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 上的值為 ，函數(shù) 在自變量兩個離散值處

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. 利用差商的定義，差商的計算可以遞推進(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，其采樣瞬時是等間隔。,Z變換是針對周期采樣信號進(jìn)行拉氏變換后的簡化變量處理關(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,對于連續(xù)信號的周期采樣時間序列信號可表示為,或,對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的信號值，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)時間函數(shù)的Z變換函數(shù)僅僅包含了連續(xù)時間函數(shù)在各個采樣時刻上的數(shù)值。 Z反變換僅能求出連續(xù)時間函數(shù)在采樣時刻的數(shù)值 (f(k),k=1,2,3,.) . 或

32、者說一個Z變換函數(shù)F(Z)可以與無窮多個連續(xù)函數(shù)對應(yīng)（只要這些函數(shù)f(k)在采樣時刻上的函數(shù)值相等） 4. Z反變換的求法 1）冪級數(shù)法 例2.5 求 的Z反變換，寫出前五項。 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)分解成最簡單的分式形式，然后通過查Z變換對照表而求得各個簡單因子的反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)根對應(yīng)系數(shù)的確定,（2）重根對應(yīng)系數(shù)的確定,（3）單根對應(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乘上因子后，得,查Z變換對照表可得,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算其相應(yīng)的留數(shù)。,（1）根據(jù)單根,（2）根據(jù)p個重根,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、整理得,于是有,查閱Z反變換對照表，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)來推導(dǎo)脈沖傳遞函數(shù),當(dāng)輸入信號為如下的脈沖序列時,根據(jù)疊加原理，輸出信號為一系列脈沖響應(yīng)之和，即,在,時刻，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)之間有采樣開關(guān) 設(shè)開環(huán)離散系統(tǒng)如圖2-15（a）所示，在兩個串聯(lián)連續(xù)環(huán)節(jié)和之間，有理想采樣

35、開關(guān)隔開。 開環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù),2) 串聯(lián)環(huán)節(jié)之間無采樣開關(guān),設(shè)開環(huán)離散系統(tǒng)如圖2-15（b）所示，,沒有理想采樣開關(guān)隔開的兩個線性連續(xù)環(huán)節(jié)串聯(lián)時的脈沖傳遞函數(shù)， 等于這兩個環(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個環(huán)節(jié)相串聯(lián)時的情況。,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)輸出信號的Z變換與輸入信號的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,的頻帶為有限寬度，且信號的最高角頻率為,（或最高頻率為,），如果以采樣角頻率,對信號,采樣得到離散信號,，則連續(xù)信號,可以由,無失真地復(fù)現(xiàn)出來的條件是,，或,香農(nóng)采樣定理說明為了使得連續(xù)信號經(jīng)采樣保持后能不失真的 復(fù)現(xiàn)出來應(yīng)滿足對最高頻率范圍內(nèi)的任一連續(xù)信號在一個周期 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，即為被采樣信號的上限角頻率。若滿足香農(nóng)采樣定理，采樣信號可恢復(fù)或近似地恢復(fù)為原模擬信號，而不丟失主要信息。在這個限制范圍內(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)-時間控制系統(tǒng)。 （2）閉環(huán)系統(tǒng)對給定信號的跟蹤，要求采樣周期要小。 （3）從抑制擾動的要求來說，采樣周期應(yīng)該選擇得小些。 （4）從執(zhí)行元件的要求來看，有時要求輸入控制信號要保持一定的寬度。 （5）從計算機(jī)精度考慮，采樣周期不宜過短。 （6）從系統(tǒng)成本上考慮，希望采樣周期越長越好。 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)信號精度要求選擇采樣周期,設(shè)N為一個周期內(nèi)對信號的采樣次數(shù) 保持器的復(fù)現(xiàn)信號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)被控對象的時間常數(shù)選擇采樣周期,設(shè)被控對象由多個環(huán)節(jié)組成，其傳遞函數(shù)可以表示為,可取,而實際應(yīng)用時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存在明顯的差異。,信息工程學(xué)院,第3章 接口與過程通道配置技術(shù),3.1 概 述 過程通道的基本任務(wù)是信號獲取、轉(zhuǎn)換及傳遞； 接口的基本任務(wù)是數(shù)字信號傳遞 。 計算機(jī)控制系統(tǒng)中的接口電路特點：除了基本任務(wù)外還擔(dān)負(fù)控制過程通道各環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)工

39、作的任務(wù) 。 一般來說計算機(jī)無法直接接收和處理生產(chǎn)過程的實際信息，這些實際信息由輸入過程通道獲取、轉(zhuǎn)換，傳遞給接口，再由接口送入計算機(jī)； 計算機(jī)傳送到生產(chǎn)過程的控制信息通過接口進(jìn)入輸出過程通道，由輸出過程通道轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)過程所能接受的信號形式 . 面向過程通道的接口電路的結(jié)構(gòu)、編程方法等與過程通道的功能、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)的方式分為無條件、查詢、中斷等。 （2）為適應(yīng)過程通道轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的技術(shù)變化，面向過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、實時中斷管理等接口的一般功能； （3）面向過程通道的

40、接口電路的明顯特征是它必須深入過程通道內(nèi)部對過程通道中各子環(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、時間上等的有序控制。,信息工程學(xué)院,設(shè)計過程通道與面向過程通道的接口時必須注意和解決如下基本問題：,（1）輸入輸出信號形式的轉(zhuǎn)換，尤其是不同能量形式的信號轉(zhuǎn)換； （2）微機(jī)與控制對象兩個異步工作的系統(tǒng)實現(xiàn)同步和通信聯(lián)絡(luò)； （3）高速的微機(jī)與低速的控制對象實現(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）微弱信號放大、濾波、整型，強(qiáng)電信號幅度衰減、濾波、整型，信號幅度規(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)、時序及負(fù)載能力。 研制接口和過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，過程通道和接口比較簡單時采用此類器件設(shè)計可避免浪費； 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/計數(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)換電子開關(guān)、可編程放大器等等。,信息工程學(xué)院,3.2 面向過程通道的接口技術(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。計算機(jī)控制的過程就是執(zhí)行程序的過程，為確 保進(jìn)程正確無誤，接口電路應(yīng)根據(jù)控制程序的要求，適時地發(fā)出一組有序 的選通信號。,為保證基本任務(wù)完成，接口電路應(yīng)解決以下問題：（1）觸發(fā)方式。（2）時序。 （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I/O接口一般包括若干個端口，通?？煞譃閿?shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口

43、以及控制端口，而每個端口都有一個端口地址號，所以一個接口電路一般占用多個端口地址。 2）端口編址:有通道端口與存儲器統(tǒng)一編址和通道端口獨立編址兩種方式，工作原理及優(yōu)缺點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，1#74LS138被允許譯碼； A4A3=01時，2#74LS138被允許譯碼； A4A3=10時，3#74LS138被允許譯碼； A4A3=11時，4#74LS138被允許譯碼。 因此，32個I/O接口端口地址分配號為：

44、0000H001FH。 3）混合擴(kuò)展:地址線選、地址譯碼用于同一個系統(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)傳送單點控制信號； （4）非數(shù)據(jù)傳送雙點、多點控制信號； （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 接口實例 18255A在微機(jī)控制系統(tǒng)中的接口實現(xiàn),信息工程學(xué)院,例3.1

45、設(shè)圖33中PA口通過輸入數(shù)字過程通道聯(lián)接工業(yè)生產(chǎn)過程的一組狀態(tài)點，PB口通過輸出數(shù)字過程通道聯(lián)接系統(tǒng)控制臺的一組生產(chǎn)過程狀態(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口開關(guān)的狀態(tài) MOVR2，A； RET,信息工程學(xué)院,當(dāng)需要對工業(yè)生產(chǎn)過程中的模擬量進(jìn)行測控時，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)的常見結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。,通過編程使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輸出一個正脈沖啟動模擬過程輸入通道進(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PC4向8255-PA口發(fā)出選通信號，將模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果打入PA口，同時通過INTRA向主機(jī)發(fā)出中斷請求。,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程。 滿了則進(jìn)入系統(tǒng)決策,將決策結(jié)果通過PB口送模擬過程輸出通道。 如果只有一個被控對象，模擬過程輸出通道設(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/保持兩個環(huán)節(jié)。PB口按單向選通輸出時，PC1為選通信號，PC2作為模擬過程輸出通道的回答信號。 8255接到回答信號后，通過INTRB向主機(jī)發(fā)出中斷請求，表示所送數(shù)據(jù)已接收，可送下一個數(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個通道環(huán)節(jié)可編程控制信號。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、可編程控制信號為無數(shù)據(jù)端口設(shè)計接口電路。,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個輸入端口由一片38譯碼器74 LS138進(jìn)行端口地址譯碼，4個輸

49、出端口與4個可編程控制信號合由一片74 LS138進(jìn)行端口地址譯碼。 高位地址線A15A14A13A12A11=11110時選通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，將來自1#74LS244的數(shù)據(jù)讀入主機(jī)總線，其余類推。 當(dāng)A15A14A13A12A11=11111時選通2#74LS138譯碼器，即選通4個輸出端口，并提供4個編程控制信號。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明如下： 1傳感器：將過程量轉(zhuǎn)換為電信號。 2放大電

50、路：對微弱的電信號進(jìn)行放大。 3多路轉(zhuǎn)換開關(guān)：將多路模擬信號按要求分時輸出。 4采樣保持：對模擬信號進(jìn)行采樣，在模數(shù)轉(zhuǎn)換期間對采樣信號進(jìn)行保持。 5A/D轉(zhuǎn)換：即模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字量。 6控制器：實現(xiàn)通道各環(huán)節(jié)在邏輯和時序上的協(xié)調(diào)。,信息工程學(xué)院,3.3.2 信號的拾取方式,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，這個環(huán)節(jié)可采用敏感元件、傳感器或測量儀器來實現(xiàn)。 1通過敏感元件拾取被測信號:敏感元件將測的物理量變換為電流、電壓或R.L.C參量的變化 2. 通過傳感器拾取被測信號:用敏感元件及相應(yīng)的測量電路、信號傳遞機(jī)

51、構(gòu)配以適當(dāng)外形可以制成各類傳感器。 3通過測量儀表拾取被測信號:通過調(diào)節(jié)測量儀表 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微弱信號放大器原理 對經(jīng)傳感器變換后得到的微弱模擬信號進(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的放大器。 在模擬輸入通道中一般采用測量放大器來完成信號放大任務(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、路對稱，調(diào)整RG不會降低共模抑制比。,AD620是與該原理對應(yīng)的器件。引腳結(jié)構(gòu)見圖3-9，應(yīng)用電路連接示意見圖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。 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） 圖3-11是AD620用于電橋測量的連接電路。 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,可編程放大器實現(xiàn)的理論依據(jù)是式（3.7），即改變RG可以有效地改變增益值。 可編程放大器原理電路見圖3-12所示。,信息工程學(xué)院,以一個輸入運(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，K=Ki。實現(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)換開關(guān)，該開關(guān)由X連通代碼寄存器提供分支選擇代碼和選通信號。 每一個

54、xi建立一個連通代碼并存儲在一個固定區(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，X與xi連通，使K=Ki。 n條分支可產(chǎn)生n個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從其兩個輸入運(yùn)算放大器的反相端輸入，而增益的調(diào)整電阻從兩個輸入運(yùn)算放大器的正相端接入。此器件可實現(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，RG1RG8分別對應(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，

55、K=1。 （2）利用RG的兩個外置連接端子，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的兩個外置連接端子之間接入可變電阻器也可實現(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。 另一類是電子式開關(guān)，如晶體管、場效應(yīng)管及集成電路開關(guān)等。 2模擬多路切換器的連接方式 1）單端連接法; 2）差動連接法; 3）偽差動連法.,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接法應(yīng)用場合。 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為模擬開關(guān)的連通控制信號，fi=1，對 應(yīng)的模擬開關(guān)連通，X=xi，如果信息只 能xiX稱為單向多路模擬開關(guān)； X、xi可以互送稱為雙向多路模擬開關(guān)。,fi=0,第i路模擬模擬開關(guān)斷開。 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）差動集成多路模擬切換器,差動集成多路轉(zhuǎn)換器有4通道、8通道兩種。 基于圖3-15原理的差動4通道器件有MAX355、AD7502、MAX384、MAX399等。 典型8通道差動多路轉(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)換過程所需的時間稱為轉(zhuǎn)換時間 . 在轉(zhuǎn)換時間t內(nèi)產(chǎn)生的誤差稱為孔徑誤差V.,設(shè)模擬信號為：,最大變化率為：,所以,從t=0開始采樣，采樣的孔徑時間為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時間內(nèi)，信號變化最大幅度應(yīng)小于模/數(shù)

58、轉(zhuǎn)換器的量化誤差。 對于ADS1211的12位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為100us ，基準(zhǔn)電壓為10.24V，其量化誤差為：,若Vf=5V，由此要求輸入信號的最高變化頻率：,因此,當(dāng)轉(zhuǎn)換時間越長時， 不影響轉(zhuǎn)換精度所允許的信號最高頻率就越低，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兩個接成跟隨器的運(yùn)放組成，工作過程如下： （1）控制信號：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）控制信號由HL，K斷開，CH將K斷時（令其為t1）的值，即Ui (t1)=Uc(t1)保持下來，經(jīng)A2輸出。 （3）啟動A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)入t，在t內(nèi)，Uc(t1)Ui(t1)的時間越長越好。（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：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