微型计算机控制技术非控制专业

1信 息 工 程 学 院 微 型 计 算 机 控 制 技 术 主 讲 : 戴 永教 材 :戴 永 等 ,微 型 计 算 机 控 制 技 术 ,湘 潭 大 学 出 版 社 ,2009年参 考 资 料 :1张 艳 兵 . 计 算 机 控 制 技 术 . 北 京 : 国 防 工 业 出 版 社 ,2006 2杨 恢 先 .单 片 机 原 理 及 应 用 . 北 京 ： 人 民 邮 电 出 版 社 ,2006 3曹 承 志 .微 型 计 算 机 控 制 新 技 术 .北 京 :机 械 工 业 出 版 社 ， 2001 2信 息 工 程 学 院 课 程 教 学 说 明一 .课 程 特 性专 业 硬 件 基 础 课专 业 软 件 基 础 课 微 机 控 制 技 术3） 目 的 使 同 学 们 了 解 、 掌 握 微 机 控 制 技 术 的 基 础 知识 、 微 机 控 制 系 统 原 理 及 相 应 的 设 计 方 法 ,达 到 计 算 机 学 科 、通 信 学 科 本 科 层 次 知 识 结 构 的 基 本 完 整 。 3信 息 工 程 学 院 二 . 学 习 要 求n （ 1)微 机 控 制 的 基 本 理 论 与 方 法 达 到 记 识 层 ；n （ 2) 学 生 利 用 基 本 理 论 与 方 法 可 设 计 简 单 的 微机 控 制 系 统 ， 分 析 较 复 杂 的 微 机 控 制 系 统 ；n （ 3) 对 微 机 控 制 技 术 的 现 状 与 发 展 方 向 有 一 定程 度 的 了 解 。 4信 息 工 程 学 院 三 、 本 课 程 的 重 点 、 难 点n 1) 微 机 控 制 技 术 的 基 本 概 念 与 思 考 方 法 ;n 2) 微 型 计 算 机 控 制 理 论 基 础 ; n 3) 面 向 微 机 控 制 系 统 的 接 口 原 理 与 设 计 ； 通 道 配 置原 理 及 方 法 、 通 道 电 路 原 理 与 设 计 、 通 道 操 控 算 法与 程 序 设 计 ；n 4) 数 据 采 集 原 理 及 处 理 方 法 ；n 5) 间 接 、 直 接 数 字 控 制 器 设 计 理 论 与 实 现 方 法 ；n 6） 顺 序 与 数 字 程 序 控 制 概 念 、 原 理 和 方 法 ； n 7) 模 糊 、 神 经 网 络 控 制 原 理 及 实 现 方 法 ；n 8） 总 线 技 术 。 5信 息 工 程 学 院 实 验 及 其 要 求n 实 验 教 学 是 本 课 程 教 学 内 容 的 组 成 部 分n 实 验 教 材 ： 单 片 机 原 理 及 应 用 实 验 指 导 书 (胡 洪 波 )n 实 验 内 容 ：n 实 验 1： D/A转 换 ： 程 控 电 子 波 形 产 生 原 理 及 方 法 (计 算 ,通 信 )n 实 验 2： A/D转 换 ： 模 拟 信 号 2进 制 采 样 原 理 与 方 法 (计 算 ,通 信 )n 实 验 3： 步 进 电 机 :步 进 电 机 的 程 控 电 流 换 相 、 调 速 、 调 向 原理 与 方 法 (计 算 )n 实 验 4： 直 流 电 机 ： 直 流 电 机 的 程 控 调 速 、 调 向 及 测 控 原 理 与方 法 (计 算 ) n 实 验 5： LED点 阵 显 示 :显 示 图 形 或 汉 字 (计 算 ,通 信 ).n 实 验 6: LCD液 晶 显 示 :显 示 图 形 或 汉 字 (计 算 ,通 信 ).n 实 验 7: IC卡 实 验 :IC卡 信 息 读 写 (计 算 ,通 信 ). 6信 息 工 程 学 院 n 实 验 要 求 ： 独 立 完 成 ， 教 师 验 收 ， 创 新 奖 励n 考 核 方 法 与 成 绩n (1)现 场 验 收 ， 现 场 问 答 ， 现 场 打 分n (2)撰 写 综 合 性 、 设 计 性 实 验 报 告n 特 别 声 明 ： 因 为 此 课 实 验 内 容 要 求 高 ， 实 验 过程 抓 得 紧 ， 成 绩 评 定 严 格 ， 所 以 不 提 供 非 计 划时 间 的 教 学 实 验 补 课 ， 有 正 当 理 由 者 在 下 一 级的 本 课 程 实 验 课 补 做 。 7信 息 工 程 学 院 成 绩 评 定n 实 验 ： 30%n 闭 卷 考 试 ： 70%n 特 别 申 明 ： 不 参 加 实 验 或 实 验 考 核 不 及n 格 者 不 提 供 理 论 考 试 试 卷 ，n 强 行 参 考 者 不 予 成 绩 评 定 。 8信 息 工 程 学 院 第 1章 绪 论n 本 章 学 习 提 要n （ 1） 计 算 机 控 制 技 术 经 历 的 发 展 阶 段 ；n （ 2） 控 制 系 统 基 本 概 念 ： 1. 常 用 概 念 术 语 ，2 常 见 系 统 术 语 。n （ 3） 控 制 系 统 5种 典 型 工 作 特 性 。n （ 4） 微 机 控 制 系 统 体 系 结 构 ： 控 制 器 和 比 较 环节 由 微 型 计 算 机 取 代 ， 这 是 划 时 代 的 进 步 ； 。n （ 5） 与 模 拟 控 制 系 统 比 较 微 型 机 控 制 系 统 5个特 征 。 n （ 6） 微 型 计 算 机 控 制 系 统 有 4种 经 典 结 构 和 4种新 型 结 构 9信 息 工 程 学 院 1.1 控 制 系 统 基 础n 1 1 1 控 制 系 统 基 本 概 念n 1. 常 用 概 念 术 语n 对 象 :为 完 成 特 定 动 作 ,由 机 械 、 电 气 、 电 子 等 零 部 件 有 机 组 成 的装 置 或 设 备 。n 过 程 ： 过 程 :被 控 制 的 运 行 状 态 .两 种 不 同 的 描 述 如 下n （ 1） 自 然 过 程 指 一 种 自 然 的 逐 渐 进 行 地 运 转 或 发 展 ， 其 特 征 是在 运 转 和 发 展 状 态 中 以 相 对 固 定 的 方 法 相 继 发 生 一 系 列 的 渐 进变 化 ,并 最 后 导 致 一 个 特 定 的 结 果 或 状 态 。n (2)人 为 或 随 意 连 续 进 行 的 运 行 状 态 ， 这 种 运 行 状 态 由 一 系 列 被控 制 的 动 作 和 一 直 进 行 到 某 一 特 定 结 果 或 状 态 的 有 规 则 的 运 动构 成 。 n 过 程 特 征 表 现 为 以 相 对 固 定 的 方 式 导 致 一 个 特 定 结 果 或 状 态 。n 系 统 ： 为 完 成 相 应 任 务 ， 一 些 元 件 、 部 件 等 按 一 定 规 则 的 组 合 。系 统 是 动 态 现 象 的 抽 象 ， 不 同 的 领 域 有 不 同 的 组 合 内 容 。n 扰 动 ： 对 系 统 输 出 量 产 生 相 反 作 用 的 信 号 。 扰 动 分 为 内 扰 和 外扰 两 大 类 ， 内 扰 产 生 在 系 统 内 部 ， 外 扰 来 自 系 统 外 部 ， 和 输 入量 叠 加 在 一 起 而 进 入 系 统 。 10信 息 工 程 学 院 n 控 制 过 程 ： 通 过 消 除 扰 动 因 素 影 响 保 持 被 控 制 量 按预 期 要 求 变 化 的 过 程 。n 自 动 控 制 ： 不 需 要 人 直 接 参 与 ， 而 使 被 控 量 自 动 地按 预 定 的 规 律 变 化 的 控 制 过 程 。n 控 制 量 ： 被 控 系 统 的 输 入 量 或 给 定 量 ， 用 r（ t） 表示 。n 被 控 量 ： 被 控 系 统 的 输 出 量 ， 用 y（ t） 表 示 ， 如 被控 电 机 的 转 速 ， 温 控 系 统 的 温 度 等 。n 反 馈 量 ： 与 被 控 制 量 成 比 例 的 反 馈 信 号 ， 用 yCF（ t）表 示 。 n 偏 差 量 ： 控 制 量 与 反 馈 量 之 间 的 差 值 ,用 e（ t） 表示 ,e（ t） = r(t)- yCF（ t） 。 11信 息 工 程 学 院 2 常 见 系 统 术 语 n 开 环 控 制 系 统 被 控 制 量 只 能 受 控 于 控 制 量 ， 而 对 控 制 量 不 能 反施 任 何 影 响 的 系 统 。n 闭 环 控 制 系 统 利 用 负 反 馈 ， 将 被 控 制 量 影 响 控 制 量 作 用 的 系 统 ，又 叫 反 馈 控 制 系 统 。n 随 动 系 统 是 一 种 反 馈 系 统 ， 随 着 r(t)的 变 化 ， 被 控 制 量 在 前 一 r(t)对 应 的 位 置 进 行 变 化 ， 其 特 性 如 图 1-1所 示 。 随 动 系 统 多 出 现 于机 械 位 移 、 速 度 、 加 速 度 等 对 象 的 控 制 ， 所 以 常 称 之 为 位 置 控 制系 统 。 r2(t)y2(t) y（ t）r1(t)y1(t) t图 1-1 随 动 系 统 特 性 示 意 图 12信 息 工 程 学 院 稳 定 系 统 又 称 自 动 调 整 系 统 ， 是 一 种 反 馈 系 统 ， 当 r()为 常量 时 ， 也 要 求 被 控 量 保 持 在 常 量 上 ， 如 图 1-2所 示 。常 见 的 稳 定 系 统 有 恒 温 、 电 压 、 电 流 、 频 率 、 压 力 等 控 制 系统 。n 过 程 控 制 系 统 以 变 化 过 程 作 为 控 制 对 象 的 控制 系 统 ， 在 控 制 过 程 中 ， 给 定 量 按 照 预 先 制 定的 规 律 ， 在 程 序 运 行 中 变 化 ， 所 以 又 叫 程 序 控制 。 n 这 类 系 统 多 见 于 温 度 、 压 力 、 流 量 等 控 制 系 统 。y（ t）r（ ） t图 1-2 稳 定 系 统 特 性 示 意 图 13信 息 工 程 学 院 1 1 2 控 制 系 统 工 作 特 性 n 1. 控 制 系 统 的 一 般 结 构 及 其 工 作 特 性 y（ t）校 正 环 节 反 馈 环 节r（ t） 比较环节 e（ t） 扰 动 信 号yCF（ t）+- 图 1-3 闭 环 控 制 系 统 抽 象 结 构 图执 行 环 节 被 控 对 象u（ t）实 际 控 制 系 统 除 存 在 内 外 扰 动 外 ， 还 有 系 统 自 身 存 在 的 逻 辑死 区 、 响 应 惯 性 等 影 响 系 统 的 控 制 效 果 。当 输 入 信 号 作 用 到 系 统 之 后 ， 在 系 统 的 输 出 端 并 不 能 马 上 得到 响 应 ， 而 只 有 当 偏 差 信 号 大 到 一 定 程 度 时 ， 系 统 才 有 输 出 。输 出 结 果 根 据 各 环 节 的 品 质 状 况 及 系 统 所 处 环 境 有 多 种 多 样 。 14信 息 工 程 学 院 系 统 工 作 状 态 过 渡 过 程 的 测 试 是 通 过 系 统 响 应 特 定 输 入 信 号（ 或 叫 试 验 信 号 ） 来 进 行 的 。阶 跃 信 号 常 用 的 测 试 信 号 ， 如 图 1-4所 示 。系 统 进 入 稳 态 的 过 渡 过 程 及 其 工 作 特 性 如 图 1-5所 示 。 r(t) 1(t)图 1-4 单 位 阶 跃 输 入 信 号 P y(t)y() tr tst P 图 1-5 15信 息 工 程 学 院 n tr： 启 动 时 间 。n 超 调 ： y(t) |y()|称 为 超 调 ， 在 0 tr不 算 n P： 表 示 超 调 信 号 的 严 重 程 度 。n 有 时 也 直 接 用 y max(t)通 常 处 于 第 一 个 峰 值 。 P越 小 ， 过 渡 过 程 越 平 稳 。 tP： 从 t0到 第 一 个 峰 值 的 时 间 ， tP表 征 反 馈 控 制 系 统 反应 输 入 信 号 的 快 速 性 能 或 控 制 灵 敏 度 ， 越 小 灵 敏 度 越 高 。 t0 )(|)(| max yfyp t|)(|sup)(max fyfy tt )( )(|)(| max y ytyp 16信 息 工 程 学 院 ts： 系 统 的 过 渡 过 程 时 间 ， 当 t=ts， 应 有 ：一 般 0.02 0.05;ts越 小 ， 说 明 系 统 以 一 个 稳 态 过 渡 到另 一 个 稳 态 所 需 时 间 越 短 ， 反 之 越 长 。n 振 荡 次 数 ： y(t)以 大 于 0的 变 化 幅 度 超 越 y()水 平 线的 次 数 的 一 半 为 系 统 过 渡 过 程 的 振 荡 次 数 ， 用 N表示 ， N越 小 ， 过 程 越 短 。n ts， tp， p， N： 动 态 参 数 。n 当 系 统 完 成 过 渡 过 程 后 ， | y(t) -y()|为 稳 态 误 差 。 n 稳 态 误 差 是 表 征 系 统 控 制 精 度 的 一 项 性 能 指 标 。 |)()(| yty 17信 息 工 程 学 院 2.几 种 典 型 控 制 系 统 过 渡 过 程 曲 线n 1） 单 调 逐 渐 逼 近 (见 图 1-6特 性 曲 线 )y()过 度 过 程 曲 线 单 调 逼 近 y( )： P 0， N=0， y(t) =y( ) 2） 等 幅 振 荡 (见 图 1-6特 性 曲 线 ) y()n 等 幅 振 荡 ， N n （ 自 激 振 荡 ） 。 18信 息 工 程 学 院 3.振 荡 发 散 (见 图 1-6特 性 曲 线 )n 振 荡 发 散 ， N ； 振 幅 系 统 无 平 衡 状 态y()4.单 调 发 散 (见 图 1-6特 性 曲 线 , ) y()n “ 过 ” 单 调 发 散 ， 这 类 系统 无 稳 定 状 态 ， 不 能 使 用 ： P ； N=0； y(t) ？ 19信 息 工 程 学 院 5.欠 阻 尼 振 荡 n 阻 尼 振 荡 ： 一 般 可 工 作 系 统 均 为 此 曲 线 。 n y()与 预 期 r()之 差 ， 称 为 稳 态 误 差 ， 表 征 系 统 控 制 精 度 的 参 数 之一 。n 阻 尼 系 统 的 过 渡 过 程 分 为 三 种 工 作 状 态 ,即 欠 阻 尼 、 临 界 阻 尼 和 过阻 尼 。n 过 阻 尼 工 作 状 态 相 似 于 单 调 逐 渐 逼 近 或 一 阶 系 统 工 作 状 态 ， 启 动速 度 变 慢 。n 临 界 阻 尼 工 作 状 态 使 系 统 特 性 处 于 等 幅 振 荡 特 性 。n 关 于 二 阶 系 统 的 阻 尼 特 性 讨 论 请 读 者 参 阅 相 关 论 著 。 y() 20信 息 工 程 学 院 1.2 微 型 计 算 机 控 制 系 统 体 系 结 构 与 特 征n 1 2 1 微 机 控 制 系 统 体 系 结 构n 1. 微 型 计 算 机 控 制 系 统 一 般 结 构 扰 动执 行 机 构A/DR (k) y(t) 图 1-7 微 机 闭 环 控 制 系 统 体 系 结 构 抽 象 图控 制 器 微 型 计 算 机 D/A 被 控 对 象检 测 装 置 E (k) YCF (k) U (k)与 模 拟 闭 环 控 制 系 统 抽 象 结 构 (图 1-3)比 较 ,微 机 闭 环 控 制 系 统 体 系 结 构 信 号传 输 的 路 径 结 构 没 有 发 生 变 化 ， 控 制 装 置 即 大 虚 线 框 外 以 右 的 内 容 相 同 。不 同 的 地 方 是 控 制 装 置 的 四 个 环 节 均 有 重 大 变 化 ， 即（ 1） 控 制 器 和 比 较 环 节 由 微 型 计 算 机 取 代 ， 这 是 划 时 代 的 进 步 ；（ 2） 执 行 环 节 在 模 拟 控 制 系 统 中 只 有 执 行 机 构 ， 而 在 微 机 控 制 系 统 中 于执 行 机 构 前 增 加 D/A转 换 ； （ 3） 反 馈 环 节 在 模 拟 控 制 系 统 中 只 有 检 测 装 置 ， 而 在 微 机 控 制 系 统 中 于检 测 装 置 后 设 置 A/D转 换 。 由 于 微 型 计 算 机 处 理 的 是 离 散 信 息 ， 因 此 微 型 机 控 制 系 统 中 控 制 装 置 内的 时 间 变 量 均 采 用 人 们 公 认 的 离 散 时 间 变 量 符 号 K。 21信 息 工 程 学 院 2. 微 型 计 算 机 控 制 系 统 硬 件 组 成工业生产过程 D/A多路转换 开关量输入 微 型计 算机系统主 机采样装置 A/D变 送保 持 开关量输出 操作控制台过 程 通 道保 持变 送 人机交互通道接口 微机I/O设备微机外设接口图 1-8 微 型 计 算 机 控 制 系 统 硬 件 典 型 结 构 图面向过程通道的接口 人机交互通道 22信 息 工 程 学 院 （ 1） 工 业 生 产 过 程 工 业 生 产 过 程 是 指 在 生 产 现 场 把 原 材 料 变 成 成 品或 半 成 品 ， 或 通 过 原 材 料 获 得 某 些 所 需 参 数 的 工 序实 现 。 参 与 工 序 实 现 的 内 容 包 括 工 艺 规 则 、 技 术 范畴 、 参 与 设 备 、 人 员 数 量 与 作 用 、 结 果 指 标 、 质 量检 验 、 安 全 保 证 等 。 n （ 2） 过 程 通 道n 主 机 与 工 业 生 产 过 程 之 间 需 要 传 递 三 类 信 息 ， 即 互传 数 据 ， 主 机 向 工 业 生 产 过 程 发 布 控 制 信 息 ， 主 机从 工 业 生 产 过 程 接 受 状 态 信 息 。 互 传 数 据 有 模 拟 、开 关 量 两 种 数 据 形 式 ， 而 控 制 、 状 态 信 息 均 为 开 关量 。 23信 息 工 程 学 院 n 过 程 通 道 包 括 模 拟 过 程 输 入 、 输 出 通 道 、 开 关 量过 程 输 入 、 输 出 通 道 。n 过 程 通 道 处 于 工 业 生 产 过 程 与 主 机 接 口 之 间 ， 担负 着 生 产 过 程 与 主 机 交 换 信 息 的 任 务 。n （ 3） 接 口 n 在 微 型 计 算 机 控 制 系 统 中 一 般 存 在 三 类 不 同 功 能 的 接 口 ，n 一 类 介 于 主 机 与 过 程 通 道 之 间 ， 用 于 主 机 与 过 程 通 道 交 换数 字 信 息 ；n 二 类 介 于 主 机 与 交 互 通 道 之 间 ， 用 于 主 机 与 交 互 通 道 交 换数 字 信 息 ； n 三 类 介 于 主 机 与 微 机 I/O设 备 之 间 ， 用 于 主 机 与 微 机 I/O设备 交 换 数 字 信 息 ， 在 多 微 机 互 联 的 微 型 计 算 机 控 制 系 统 中 ，多 微 机 可 互 按 I/O设 备 管 理 。 24信 息 工 程 学 院 （ 4） 主 机 n 核 心 内 容 控 制 程 序 ， 其 反 映 输 入 输 出 之 间 的 数 学 关 系 。n 在 工 业 生 产 过 程 中 ， 处 于 在 线 的 主 机 又 称 为 工 业 控 制 计 算 机 ， 简称 工 业 控 制 机 或 工 控 机 ， 其 特 点 表 现 在 可 靠 性 高 、 可 维 修 性 好 、环 境 适 用 性 强 、 控 制 实 时 性 好 、 输 入 输 出 通 道 完 善 及 软 件 丰 富 等 。本 书 中 的 主 机 均 指 工 控 机 。n （ 5） 人 机 交 互 通 道 与 操 作 控 制 台n 人 机 交 互 通 道 与 操 作 控 制 台 是 相 互 依 存 的 ， 操 作 控 制 台 因 人 机 交互 通 道 而 设 置 ， 人 机 交 互 通 道 通 过 操 作 控 制 台 使 得 人 机 交 互 更 方便 。 n 就 一 般 而 言 操 作 控 制 台 应 具 有 以 下 功 能 n 操 作 键 盘 ， 鼠 标 ， 按 键 ， 板 键 等 .n 显 示 CRT或 LED， LCD， 打 印 机 ， 记 录 仪 ,指 示 灯 ， 喇 叭 等 ：状 态 指 示 ， 声 光 报 警 等 .n 数 据 保 存 外 存 ， 磁 存 储 器 ， 光 存 储 器 ， 半 导 体 存 储 器 ,IC卡 等 .n 远 程 信 息 交 换 25信 息 工 程 学 院 3. 微 型 计 算 机 控 制 系 统 软 件监 控 软 件 系 统 软 件BIOS监 测 软 件外 设 管 理 程 序人 机 对 话 程 序控 制 算 法 程 序自 控 程 序 等控 制 软 件 l注 意 ： 程 序 的 运行 时 间 以 不 影 响系 统 实 时 性 为 前提 26信 息 工 程 学 院 1.2.2 微 型 计 算 机 控 制 系 统 特 征n 1.结 构 特 征n 微 机 控 制 系 统 ： 将 控 制 器 用 微 机 来 代 替 ， 便 构 成 了 微机 控 制 系 统 。n 开 环 系 统 ：控 制 器 被 控 对 象执 行 器 被 控参 数R(t) 用 微 机 取 代闭 环 系 统 ： 执 行 机 构 A/Dr (t) y(t) 微 型 计 算 机 闭 环 控 制 系 统 抽 象 结 构 图控 制 器微 型 机 D/A 被 控 对 象检 测 装 置 27信 息 工 程 学 院 2. 信 号 特 征 n 模 拟 控 制 系 统 中 所 有 环 节 的 工 作 信 号 全 为 模 拟 信号 ， 而 微 型 计 算 机 控 制 系 统 中 主 机 的 工 作 信 号 全为 数 字 信 号 ， 前 、 后 向 模 拟 过 程 通 道 模 拟 、 数 字信 号 兼 有 ， 前 、 后 向 开 关 量 过 程 通 道 是 全 数 字 信号 ， 但 无 全 模 拟 信 号 。n 3. 功 能 特 征n （ 1） 以 软 件 代 替 硬 件 。 n （ 2） 数 据 保 存 。 n （ 3） 显 示 设 备 、 方 法 与 内 容 。 n （ 4） 多 系 统 互 联 。 28信 息 工 程 学 院 4. 时 限 特 征n “实 时 ” ， 是 指 在 规 定 的 时 间 内 完 成 规 定 的 任 务 。n （ 1） 实 时 数 据 采 集 。 n （ 2） 实 时 决 策 运 算 。 n （ 3） 实 时 控 制 输 出 。 n 数 据 采 样 、 运 算 决 策 、 输 出 控 制 三 个 阶 段 占 用时 间 之 和 满 足 实 时 性 要 求 ， 则 该 系 统 具 有 实 时性 。 n 5. 控 制 器 工 作 方 式 特 征 n 控 制 器 在 控 制 系 统 中 的 工 作 方 式 有 在 线 、 离 线两 种 。 29信 息 工 程 学 院 n 微 型 计 算 机 在 线 工 作 方 式 ： 又 称 “ 联 机 ” 工 作 方 式 。n 微 型 计 算 机 在 控 制 系 统 中 直 接 参 与 控 制 或 交 换 信 息 ，而 不 通 过 其 它 中 间 记 录 介 质 ， 如 磁 盘 、 U盘 、 光 盘 、磁 带 等 。n 微 型 计 算 机 离 线 工 作 方 式 ： 又 称 “ 脱 机 ” 工 作 方 式 。n 微 型 计 算 机 不 直 接 参 与 对 被 控 对 象 的 控 制 ， 或 不 直接 与 被 控 对 象 交 换 信 息 ， 而 仅 是 将 有 关 控 制 信 息 记录 或 打 印 出 来 ， 再 由 人 来 联 系 ， 按 照 微 机 提 供 的 信息 完 成 相 应 的 控 制 操 作 。 n 离 线 工 作 方 式 无 实 时 性 可 谈 。 要 使 系 统 具 有 实 时 性 ，微 型 计 算 机 必 须 按 在 线 方 式 工 作 。 30信 息 工 程 学 院 1.3 微 型 计 算 机 控 制 系 统 分 类n 1.3.1 经 典 微 型 计 算 机 控 制 系 统n 1. 数 据 采 集 与 处 理 系 统 现场 输 入通 道 显 示设 备主机接口图 1-9 数 据 采 集 与 处 理 系 统 基 本 结 构2. 操 作 指 导 控 制 系 统 生 产 过 程 输 入 通 道 显 示 设 备 主机通 道 接 口 图 1-10 操 作 指 导 控 制 系 统 基 本 结 构操 作 人 员 31信 息 工 程 学 院 3. 直 接 式 数 字 控 制 系 统n 4. 监 督 式 计 算 机 控 制 系 统生产过程 接 口 控制操作台主机执 行机 构 接 口输 出通 道输 入通 道检 测 图 1-11 DDC系 统 基 本 结 构工业生产过 程 DDC计 算 机 SCC计算机模 拟输 入通 道模 拟输 出通 道 给定值 控制操作台图 1-12 SCC系 统 基 本 结 构 32信 息 工 程 学 院 1.3.2 新 型 微 型 计 算 机 控 制 系 统1. 基 于 智 能 控 制 算 法 的 微 机 控 制 系 统 n 智 能 控 制 是 自 动 控 制 和 人 工 智 能 相 结 合 的 学 科 ,即 具 有 摸 仿 人 的 学 习 、 推 理等 功 能 ； 能 适 用 不 断 变 化 的 环 境 ； 能 处 理 多 种 信 息 以 减 少 不 确 定 性 ； 能 以 安全 和 可 靠 的 方 式 进 行 规 划 ， 产 生 和 执 行 的 动 作 ， 获 取 系 统 总 体 上 最 优 或 次 优的 性 能 指 标 。 n 智 能 控 制 技 术 有 三 大 基 本 内 容 ： 模 糊 控 制 技 术 ， 神 经 网 络 控 制 技 术 ， 遗 传 控制 技 术 。n 在 硬 件 上 智 能 控 制 系 统 与 传 统 的 微 机 控 制 系 统 结 构 无 重 大 区 别 ； 在 软 件 上 ，智 能 控 制 系 统 的 驱 动 量 由 智 能 控 制 算 法 产 生 。 n 微 机 智 能 控 制 系 统 的 命 名 一 般 借 用 智 能 控 制 算 法 的 名 称 。n 图 1-13为 模 糊 控 制 系 统 的 一 般 结 构 图 。 模糊化 模 糊决 策 反模糊化图 1-13 一 般 模 糊 控 制 系 统 基 本 结 构控制量 YUkXk 被 控对 象 33信 息 工 程 学 院 2. 集 散 式 微 型 计 算 机 控 制 系 统 n 集 散 式 微 型 计 算 机 控 制 系 统 (Distributed Control System， DCS)是 基于 微 型 计 算 机 总 线 通 信 技 术 的 多 系 统 分 层 分 散 控 制 、 集 中 管 理 微 型 计算 机 控 制 系 统 ， 已 成 为 大 工 业 现 场 普 遍 使 用 的 生 产 过 程 控 制 、 子 系 统管 理 的 方 案 。n DCS也 称 为 分 级 分 布 式 控 制 系 统 ， 简 称 集 散 系 统 ， 它 是 计 算 机 、 自 动化 、 通 信 、 网 络 和 显 示 等 多 种 技 术 相 结 合 的 产 物 。 过 程 控制 系 统 1 网 间 联 络 站任 务 管理 站过 程 管理 站 网 间 联 络 站过 程 控制 系 统 nLAN总 线 通 信图 1-14 DCS结 构 图 其 他LAN 34信 息 工 程 学 院 3. 现 场 总 线 微 型 计 算 机 控 制 系 统n 现 场 总 线 微 型 计 算 机 控 制 系 统 （ Fieldbus Control Sistem，FCS） 是 DCS的 换 代 产 品 ， 与 传 统 的 DCS相 比 ， 具 有 数 字 化的 信 息 传 播 、 分 散 的 系 统 结 构 、 方 便 的 互 操 作 性 、 开 放 的 互联 网 络 及 多 种 传 输 媒 介 、 拓 扑 结 构 等 特 点 。n FCS的 核 心 是 现 场 总 线 ， 具 体 表 现 于 适 用 工 业 控 制 领 域 的 网络 通 信 与 管 理 协 议 。n 4. 管 控 一 体 综 合 集 成 系 统n 将 制 造 、 过 程 控 制 、 办 公 室 和 经 营 管 理 等 的 自 动 化 系 统 进 行集 成 ， 即 构 成 计 算 机 集 成 制 造 系 统 （ Computer Integrated Manufacturing System） 或 计 算 机 集 成 过 程 系 统 （ Computer Integrated Process System） ， 简 称 CIMS或 CIPS。 n CIMS代 表 着 工 业 控 制 系 统 的 未 来 ， 它 的 研 究 开 发 不 是 以 某 个区 域 或 某 项 活 动 为 对 象 ， 而 是 以 企 业 的 全 部 活 动 为 对 象 。n 除 上 述 四 种 常 见 新 型 系 统 外 ， 还 有 嵌 入 式 微 机 控 制 系 统 、 虚拟 控 制 系 统 、 开 放 式 控 制 系 统 等 ， 请 参 阅 有 关 资 料 。 35信 息 工 程 学 院 1.4 微 型 计 算 机 控 制 技 术 的 发 展n 1. 装 置 技 术 的 发 展n 装 置 技 术 是 发 展 基 础 .n 随 着 专 用 功 能 电 路 的 标 准 化 与 集 成 电 路 设 计 、 制 作 技 术 的 发 展 ， 标 准 模块 电 路 的 种 类 越 来 越 多 ， 功 能 越 来 越 强 。 n 2. 微 型 计 算 机 技 术 的 发 展n 微 型 计 算 机 技 术 是 发 展 的 保 障 .n 微 型 计 算 机 技 术 的 发 展 主 要 指 微 型 计 算 机 的 系 统 结 构 、 软 件 技 术 、 应 用技 术 等 的 发 展 。n 3. 决 策 理 论 的 发 展 n 决 策 理 论 是 发 展 的 动 力 n 顺 序 控 制 、 插 补 控 制 、 PID控 制 、 最 小 拍 控 制 、 纯 滞 后 控 制 等 一 批 传 统控 制 方 法 和 理 论 将 进 一 步 得 到 改 善 、 充 实 。n 具 有 重 要 意 义 的 滤 波 技 术 、 能 控 能 观 性 技 术 、 极 大 值 原 理 、 动 态 规 划 、稳 定 性 技 术 等 仍 是 人 们 研 究 的 重 要 内 容 。n 在 解 决 模 型 不 确 定 性 、 高 度 非 线 性 、 分 布 式 采 样 和 执 行 、 动 态 突 变 、 多时 间 标 度 、 复 杂 的 信 息 模 式 等 被 控 对 象 的 控 制 问 题 上 ， 智 能 控 制 技 术 有其 特 殊 优 势 ， 而 将 成 为 人 们 研 究 的 热 门 内 容 ， 解 决 问 题 的 新 选 手 段 。 36信 息 工 程 学 院 4. 微 型 计 算 机 控 制 系 统 结 构 的 发 展 n （ 1） 用 可 编 程 控 制 器 代 替 DDC级 微 机n （ 2） 新 一 代 CIMS n （ 3） 用 智 能 控 制 芯 片 作 为 控 制 器 37信 息 工 程 学 院 n 本 章 要 点n (1)拉 普 拉 斯 变 换 及 主 要 性 质n (2)传 递 函 数 与 方 块 图n (3)典 型 系 统 的 方 块 图 与 传 递 函 数第 2章 微 型 计 算 机 控 制 理 论 基 础 38信 息 工 程 学 院 n 2.1 连 续 系 统 数 学 基 础n 2 1 1 拉 普 拉 斯 变 换n 用 表 示 时 间 的 函 数 ， 而 且 当 ， ， 以 表n 示 的 拉 普 拉 斯 变 换 ， 记 之 为 0( ) ( ) ( )stF s L f t e dt f t dtetf st 0 )(复 变 量 对 时 域 函 数 进行 拉 氏 变 换 拉 氏 积 分 是 的 原 函 数 ， 是 的 象 函 数 。 ()f t ()Fs ()f t()Fs 0t () 0f t ()Fs()f t2. 拉 普 拉 斯 变 换 的 性 质 )()()3( )()()2( )()()()()1( 2121 sFetfL sAFtAfL sFsFtftfL ss线 性 （ 位 移 性 质 ） 39信 息 工 程 学 院t0令 0)( tf则 , 当 t dtetfsFtfL st 0 )()()( 令 t t ddt)( )()( 0 sFe deefsF s ss 0t f (t) 图 2-1 平 移 性 质 曲 线 示 意 f (t) t ( )f t 40信 息 工 程 学 院 （ 3） 相 似 性 质 （ 比 例 变 换 ） 0 0 )( atdeatfadteatf asaFatfL atasstatt 令 ass )()()(0 asaFsaFtdetfa ts 则 41信 息 工 程 学 院 （ 4） 微 分 性 质 (原 函 数 导 数 的 象 函 数 ) )0()()( fssFdt tdfL f(0)为 t=0时 f(t)的 值 ， 一 般 控 制 系 统 中 f(0)=0 00 000 0 )0()()()0( )()()0( )()()( )()( fssFdtetfsf dtsetff dtsetftfe tdfedtedt tdf stst stst stst 同 样 ， 对 于 的 阶 导 数 ， 可 以 得 到1 ( 2) ( 1)( ) ( ) (0) (0) (0)n n n n nndL f t s F s s f sf fdt 42信 息 工 程 学 院 （ 5） 原 函 数 积 分 的 象 函 数 0)()()( ts dttfs sFdttfL一 般 t=0； f(t)=0 ssFdttfL )()( )(1)( )(1)( )()( )()( 0 00 00 00 sFss dttf dtedttfss dttf dttfdsesedttf seddttfdtedttf t stt stst stst 43信 息 工 程 学 院 (6)初 值 定 理n 其 中 f(0),F(s)可 拉 , 存 在n 证 明 ： 由 拉 普 拉 斯 变 换 的 微 分 性 质 可 知(0 ) lim ( )sf s F s lim ( )s sF s 0 ( ) ( ) (0 )s td f t e d t s F s fd t 0 ( )lim 0 lim ( ) (0)sts sdf t e dt sF s fdt (0) lim ( )sf sF s有(7)终 值 定 理 0( ) lim ( ) lim ( )t sf f t sF s 证 明 自 阅 44信 息 工 程 学 院 3. 拉 普 拉 斯 反 变 换n 由 复 变 函 数 表 达 式 推 导 成 为 时 间 函 数 表 达 式 的 数 学 运 算叫 做 反 变 换 ， 拉 普 拉 斯 反 变 换 的 符 号 是 ， 记 作1L1 ( ) ( )L F s f t 具 体 的 拉 普 拉 斯 反 变 换 计 算 公 式 为1( ) ( ) ( 0)2 c j stc jf t F s e ds tj 45信 息 工 程 学 院 2 1 2 传 递 函 数 与 方 块 图1 传 递 函 数 n 传 递 函 数 是 描 述 线 性 定 常 系 统 或 线 性 元 件 的 输 入 -输 出 关 系的 一 种 最 常 用 的 数 学 模 型 。n 传 递 函 数 全 面 地 反 应 了 线 性 定 常 系 统 或 线 性 元 件 的 内 在 固 有特 性 。n 传 递 函 数 (G(s)： 线 性 定 常 系 统 的 传 递 函 数 ， 定 义 为 初 始 条件 为 0， 输 出 量 （ 响 应 函 数 ） 的 拉 氏 变 换 与 输 入 函 数 （ 量 ）拉 氏 变 换 之 比 。 )( )()( sX sYsG )()()( sXsGsY 传 递 函 数 的 定 义 适 用 于 输 入 输 出 信 号 呈 线 性 关 系 的 元 件 或系 统 ， 既 适 用 于 开 环 系 统 ， 也 适 用 于 闭 环 系 统 。 传 递 函 数 的 形 式 完 全 取 决 于 系 统 或 元 件 自 身 的 结 构 与 参 数 ， 而 与 外 加 的 输 入 信 号 形 式 无 关 。 46信 息 工 程 学 院 n 传 递 函 数 有 如 下 基 本 性 质n （ 1） 系 统 和 元 件 的 传 递 函 数 是 描 述 其 动 态 特性 的 一 种 关 系 式 ， 它 和 系 统 或 元 件 的 运 动 方 程式 一 一 对 应 。n （ 2） 传 递 函 数 表 征 系 统 或 元 件 本 身 的 特 性 ，而 与 输 入 信 号 无 关 。n （ 3） 传 递 函 数 不 能 反 映 系 统 或 元 件 的 物 理 结构 ， 即 不 同 物 理 性 质 的 系 统 或 元 件 可 以 具 有 相同 的 传 递 函 数 。 n （ 4） 传 递 函 数 是 复 变 量 的 有 理 分 式 ， 均 为 多项 式 ， 每 一 项 的 系 数 都 是 实 数 。 47信 息 工 程 学 院 2 方 块 图n 方 块 图 是 系 统 中 每 个 元 件 的 功 能 和 信 号 流 向 的 图 解 表示 ， 它 表 明 系 统 中 各 元 件 或 各 环 节 间 的 相 互 关 系 ， 信号 流 动 情 况 。n 方 块 图 输 出 信 号 的 拉 普 拉 斯 变 换 式 等 于 其 输 入 信 号 的拉 普 拉 斯 变 换 式 与 方 块 内 传 递 函 数 的 乘 积 。 n 信 号 通 过 方 块 的 流 向 以 箭 头 来 表 示 ， 使 输 入 信 号 的 箭头 指 向 方 块 ， 输 出 信 号 的 箭 头 背 向 方 块 。n 方 块 图 中 只 包 含 与 系 统 动 态 性 能 有 关 的 信 息 ， 并 不 包含 与 系 统 物 理 结 构 有 关 的 一 切 信 息 。 n 许 多 物 理 结 构 上 完 全 不 同 的 系 统 ， 可 以 用 相 同 的 方 块图 来 表 示 。n 一 般 结 构 如 图 2-2所 示 . G（ s）X（ s） Y（ s）图 2-2 传 递 函 数 方 块 图 48信 息 工 程 学 院 3.典 型 系 统 的 方 块 图 与 传 递 函 数n 1)开 环 控 制 系 统 方 块 图 与 传 递 函 数 开 环 控 制 系统 的 抽 象 结 构 包 含 控 制 、 执 行 与 对 象 三 个 环 节 ，方 块 图 结 构 见 图 2-3。 控 制G1(s) 执 行G2(s) 对 象G3(s)R(s) Y（ s）图 2-3 开 环 控 制 系 统 方 块 图 )()()( )( )()( 321 sGsGsGsR sYsG 对 应 的 传 递 函 数 49信 息 工 程 学 院 n 2)闭 环 控 制 系 统 方 块 图 与 传 递 函 数 闭 环 控 制 系 统 的 抽 象 结构 由 执 行 (含 对 象 )、 反 馈 及 偏 差 计 算 （ 符 号 表 示 ） 等 环节 构 成 ， 方 块 图 结 构 见 图 2-4所 示 。 执 行G(s)反 馈H(s)R (s) Y (s)E (s)B (s) 图 2.4 闭 环 控 制 系 统 方 块 图 ( ) ( ) ( ) ( )B s G s H s E s( ) ( ) ( )( )B s H s G sE s 称 为 系 统 中 的 开 环 传 递 函 数 。 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )Y s G s E s G s R s B s ( ) ( ) ( ) ( ) ( )G s R s G s H s E s ( ) ( ) ( ) ( )G s R s H s Y s ( )1 ( ) ( ) ( ) ( )Y s G s H s G s R s 闭 环 控 制 系 统 的 传 递 函 数 为( ) ( )( ) ( ) 1 ( ) ( )Y s G ss R s H s G s 50信 息 工 程 学 院 G1(s) G2(s) H(s) Y(s)N(s)R(S) 扰 动 21221 21 21 221 22121 2111 )()()(1 )()()()()()( )()()()()()()()()( )()()()()()()( GHGNGGHGGRG sGsGsH sGsNsGsGsRsY sGsNsGsGsHsYsGsGsR sGsNsGsHsYsRsY 3） 含 扰 动 量 的 闭 环 控 制 系 统 方 块 图 与 传 递 函 数当 121 GHG ； 扰 动 项 0;扰 动 被 抑 制 ； 及 1)()( 1 sGsH此 时 控 制 系 统 的 传 递 函 数 )(1)( )()( sHsR sYsG 51信 息 工 程 学 院 n 例 2.1： 如 图 所 示 ， R,C低 通 网 络 idtciRUUUL CRI 1 (a)Ui (s) CiR )(sUcI (s) UI (s) (b)1R Cs Uc(s)图 2-6 RC电 路 方 块 图 (c)R1 1CsUi (s) 1( ) ( )( ) ( ) 1( ) ( )C I Ci CU s I s CsU s U sR CsU s U sRCs RCs ( )1( )(1 ) iC U sU s RCs RCs 1( ) 1( ) 1( ) 11CiU s R C sG s U s R C sR C s 52信 息 工 程 学 院 4 方 块 图 等 效 法 则 n 1) 分 支 点 移 动 规 则G GGA AGAG A AGAG（ a） AG G GA AG A A AG（ b）图 2-7 分 支 移 动 规 则 53信 息 工 程 学 院 （ 2） 相 加 点 移 动 规 则 G GGBA A B AGBG AGBG（ a）G G BA A BAGB AGB（ b） 图 2-8 相 加 点 移 动 规 则 G1根 据 代 数 运 算 法 则 ， 还 可 实 现 其 它 类 型 方 块 图 的 简 化 或 等 效 ， 相 关 内 容请 参 阅 自 动 控 制 方 面 的 专 业 书 籍 。 在 简 化 或 等 效 处 理 过 程 中 应 注 意 两条 原 则(1)前 向 通 道 中 传 递 函 数 的 乘 积 必 须 不 变 。(2)各 反 馈 回 路 中 传 递 函 数 的 乘 积 必 须 保 持 不 变 。 54信 息 工 程 学 院 例 2.2 (1)进 行 拉 普 拉 斯 变 换 ； （ 2） 画 方 块 图 ； STKSTKKsE sU sSETKsESTKsEKsU dPI PP dPI PP )( )( )()()()( KPKPTIS KPTdSE(S) U(S)+ dffdeTKdffeTKfeKfU dPIPP )()()()( ttt ttt 55信 息 工 程 学 院 第 3章 接 口 与 过 程 通 道 配 置 技 术n 3.1 概 述n 过 程 通 道 的 基 本 任 务 是 信 号 获 取 、 转 换 及 传 递 ；n 接 口 的 基 本 任 务 是 数 字 信 号 传 递 。n 计 算 机 控 制 系 统 中 的 接 口 电 路 特 点 ： 除 了 基 本 任 务 外 还担 负 控 制 过 程 通 道 各 环 节 协 调 工 作 的 任 务 。n 一 般 来 说 计 算 机 无 法 直 接 接 收 和 处 理 生 产 过 程 的 实 际 信息 ， 这 些 实 际 信 息 由 输 入 过 程 通 道 获 取 、 转 换 ， 传 递 给接 口 ， 再 由 接 口 送 入 计 算 机 ； n 计 算 机 传 送 到 生 产 过 程 的 控 制 信 息 通 过 接 口 进 入 输 出 过程 通 道 ， 由 输 出 过 程 通 道 转 换 为 生 产 过 程 所 能 接 受 的 信号 形 式 . 56信 息 工 程 学 院 n 面 向 过 程 通 道 的 接 口 电 路 的 结 构 、 编 程 方 法 等 与过 程 通 道 的 功 能 、 结 构 、 信 息 传 递 方 式 密 切 相 关 。n （ 1） 根 据 主 机 获 取 、 发 送 信 息 的 要 求 及 过 程 通 道传 送 、 接 收 信 息 的 状 态 ， 接 口 电 路 传 递 数 据 的 方式 分 为 无 条 件 、 查 询 、 中 断 等 。n （ 2） 为 适 应 过 程 通 道 转 换 环 节 的 技 术 变 化 ， 面 向过 程 通 道 的 接 口 电 路 同 样 也 应 具 备 数 据 格 式 转 换 、数 制 转 换 、 实 时 中 断 管 理 等 接 口 的 一 般 功 能 ；n （ 3） 面 向 过 程 通 道 的 接 口 电 路 的 明 显 特 征 是 它 必须 深 入 过 程 通 道 内 部 对 过 程 通 道 中 各 子 环 节 ， 如多 路 转 换 、 可 编 程 放 大 、 采 样 /保 持 、 A/D转 换 、D/A转 换 等 进 行 关 系 上 、 功 能 上 、 时 间 上 等 的 有序 控 制 。 57信 息 工 程 学 院 设 计 过 程 通 道 与 面 向 过 程 通 道 的 接 口 时 必 须 注 意 和 解 决 如 下基 本 问 题 ：n （ 1） 输 入 输 出 信 号 形 式 的 转 换 ， 尤 其 是 不 同 能 量形 式 的 信 号 转 换 ；n （ 2） 微 机 与 控 制 对 象 两 个 异 步 工 作 的 系 统 实 现 同步 和 通 信 联 络 ；n （ 3） 高 速 的 微 机 与 低 速 的 控 制 对 象 实 现 速 度 匹 配 ；n （ 4） 数 据 格 式 转 换 、 数 制 转 换 、 A/D转 换 、 D/A转 换 、 电 平 转 换 、 功 率 转 换 等 ；n （ 5） 微 弱 信 号 放 大 、 滤 波 、 整 型 ， 强 电 信 号 幅 度衰 减 、 滤 波 、 整 型 ， 信 号 幅 度 规 范 ； n （ 6） 数 据 通 道 与 子 环 节 工 作 控 制 的 端 口 分 配 ；n （ 7） 接 口 电 路 中 的 端 口 触 发 、 时 序 及 负 载 能 力 。 58信 息 工 程 学 院 n 研 制 接 口 和 过 程 通 道 电 路 使 用 的 器 件 有 三 大 类 ，n 一 类 是 利 用 基 本 的 小 规 模 集 成 电 路 功 能 器 件 （ 如一 片 多 组 的 运 算 放 大 器 等 ） 、 逻 辑 器 件 （ 如 各 类TTL器 件 ） 、 分 立 元 件 等 ， 当 控 制 内 容 单 一 ， 过程 通 道 和 接 口 比 较 简 单 时 采 用 此 类 器 件 设 计 可 避免 浪 费 ；n 二 类 是 通 用 器 件 ， 如 通 用 的 各 类 并 行 、 串 行 I/O接口 器 件 ， 中 断 管 理 、 定 时 /计 数 、 键 盘 /显 示 等 接 口器 件 ；n 三 类 是 专 用 器 件 ， 主 要 有 A/D转 换 器 、 D/A转 换 器 、集 成 多 路 转 换 电 子 开 关 、 可 编 程 放 大 器 等 等 。 59信 息 工 程 学 院 3.2 面 向 过 程 通 道 的 接 口 技 术n 3.2.1接 口 的 基 本 结 构 、 任 务 和 功 能n 1. 接 口 的 基