微型计算机控制技术课件

微型计算机控制技术计算机技术自动控制技术检测与传感技术CRT显示技术通信与网络技术微电子技术►计算机控制系统及其组成►计算机控制系统的典型形式►计算机控制系统的发展概况及趋势微型计算机控制技术第一章:绪论

§1．1计算机控制系统概述★自动控制：在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。§1.1.1计算机控制系统及其组成

1．计算机控制系统★计算机控制系统

————

利用计算机来实现生产过程自动控制的系统。输出通道

D/A输入通道

A/D对象被控变量y输入通道计算机给定1）计算机控制系统的工作原理实时数据采集：实时控制决策：实时控制输出：工作原理：对来自测量变送装置的被控变量的瞬时值进行检测和输入。对采集到的被控变量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。2）在线方式和离线方式★在线方式或联机方式：生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式。★

离线方式或脱机方式：生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式。3）实时的含义★实时：是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成。★

实时控制系统必定是在线系统。2.计算机控制系统的组成硬件部分：主机、接口电路、过程输入/输出通道、外部设备、操作台★主机中央处理器（CPU）内存储器(RAM和ROM)★接口电路:

主机与外部设备、输入输出通道进行信息交换的桥梁★过程输入/输出通道模拟量输入通道模拟量输出通道开关量输入通道开关量输出通道★外部设备★

操作台输入设备输出设备外存储器（CRT）显示器或(LED)数码显示器键盘（功能键和数字键）软件系统软件应用软件操作系统语言加工系统诊断系统控制程序数据采集及处理程序巡回检测程序数据管理程序编辑程序编译程序连接、装配程序调试程序子程序库软件部分：数据可靠性检查程序A／D转换及采样程序数字滤波程序线性化处理程序

数据采集程序越限报警程序事故预告程序画面显示程序3.工业控制机的特点►

可靠性高和可维修性好►

环境适应性强►

控制实时性好►

完善的输入输出通道►

丰富的软件►

适当的计算精度和运算速度§1·1·2计算机控制系统的典型形式

1．操作指导控制系统优点：结构简单，控制灵活和安全。缺点：要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。

2．直接数字控制系统（DirectDigitalControl—DDC）★要求：实时性好、可靠性高和适应性强★一台计算机通常要控制几个或几十个回路输入通道(AI.DI）输出通道(AO.DO)打印机报警操作台CRT计算机生产过程

3．监督控制系统（SupervisoryComputerControl—SCC）DDC计算机生产过程SSC计算机记录显示打印调节测量设定值(b)工艺数据模拟调节器生产过程SSC计算机记录显示打印调节测量设定值(a)工艺数据4．集散型控制系统（DistributedControlSystem－DCS）5．现场总线控制系统（FieldbusControlSystem—FCS）操作站模拟量输出功能块控制功能块H1现场总线差压变送器模拟量输入功能块PIDI10

…...AOI10AI110H1H1网桥H2现场总线

…….

现场节点服务器LAN（局域网）

§1.2计算机控制系统的发展概况及趋势

1946年世界上第一台电子计算机ENICA问世§1·2·1计算机控制系统的发展概况

1．计算机控制技术的发展过程

►开创时期（1955～1962年）

►

直接数字控制时期（1962～1967年）

►小型计算机时期（1967～1972年）

►

微型计算机时期（1972年～至今）

软件的发展：

50年代至70年代软件发展缓慢

70年代末至今已采用各种高级语言进行实时控制2．计算机控制理论的发展过程

►采样定理

►

差分方程

►Z变换法►

状态空间理论►

最优控制与随机控制►

代数系统理论►

系统辨识与自适应控制

2)I／O通道I／O通道：也称为过程通道。它是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。信号的输入通路。信号的输出通路。输入和输出通路的主要功能

———

实现模拟量与数字量之间的信号变换。本章学习目的:解决微型计算机和外部的连接问题，使计算机和外部构成一个整体，能正确、可靠、高效率的交换信息，这是设计一个微机控制系统必须解决的基本问题。2、I／O信号的种类CPU外部设备数据状态控制通常有三类信息：数据信息数字量模拟量开关量状态信息控制信息3、计算机和外部的通信方式并行通信：串行通信：把一个字符的各数位用几条线同时进行传输

数据按位进行传送的

串行通信全双工方式半双工方式同步通信异步通信发送AK1K2B

接收接收发送发送A接收数据应答数据应答接收B发送全双工方式:数据信息能沿相反两个方向传送。

半双工方式:数据信息可沿数据传输线的两个方向传送，但同一时刻只能沿一个方向传送。

SYNSYN控制字符控制字符数据字符...SYN同步通信：在一组字符前后加同步字符，标志一组数据块的开始与结束，接收装置接收到同步字符而开始接收数据，直到接收后同步字符，一帧数据接收结束。

异步通信：要传送的字符代码前加一起始位，以示该字符代码开始，在字符代码后面加一停止位，以示该字符代码结束。§2.2输人／输出的控制方式§2.21．程序控制方式1.无条件传送方式2.查询传送方式（条件传送方式）查询式输入的接口电路查询式输出接口电路§2.22．中断控制I/O方式

1.中断控制I/O时应解决的问题外部中断：是通过I／O接口硬件向CPU发出中断请求信号，从而引起一个中断处理过程。多重中断处理时必须解决的四个问题：

►

保存现场和恢复现场。

►

正确判断中断源。

►

实时响应。

►

按优先权顺序处理。2.中断优先级问题的解决软件查询方式雏菊链法专用硬件方式1)软件查询方式2)雏菊链法3)专用硬件方式3、DMA控制方式DMA控制方式：是一种成块传送数据的方式。8237A的数据传送速率可达1.6M字节/s；8257A的数据传送速率可达1．25M字节/s。§2.3I/O接口设计§2.3.1I／0接口的编址方式I／0接口与存储器独立编址方式I／0接口与存储器统一编址方式Inel8086+8288/MRDC/MWTCAB/IORC/IOWC译码器译码器去存储器去I/O接口......1.I／0接口与存储器独立编址方式独立编址方式的优点：►可寻址256个端口，执行I／O指令时间短，译码电路简单►程序清晰易读►硬件设计简单独立编址方式的缺点：►专门I／O指令的功能有限，不如访问内存指令丰富；►增加了微处理器本身控制逻辑的复杂性。2．I／0接口与存储器统一编址方式

又称存储器映像方式:把所有的I／0端口作为存储单元，每个外围设备的端口都给予相应的一个或几个16位地址号。Inel8086+8288AB/MRDC/MWTC/IORC/IOWC译码器不用…去存储器去I/O接口统一编址方式的优点：►

数据处理能力强►

输入输出部分可以和存储器部分共用译码和控制电路►

CPU不需区分访内操作及访问输入输出操作的控制信号，可以相应减少引脚►

I／O端口数目不受限制统一编址方式的缺点：►

每个I／O操作需全字长地址译码，整个指令执行时间较长►

程序中较难区分I／O操作

►

I／O端口占用了存储空间地址§2.3.2I／O接口与系统的连接(a)通过I／O接口芯片与CPU和外围设备的连接(b)通过I／O接口芯片与CPU和外围设备的连接接口芯片和CPU之间必须连接的信号有下列4类：数据信号D0~D7读／写控制信号片选信号和地址线时钟、复位、中断控制、联络信号

§2.3.3I／O接口扩展1.地址译码器的扩展►使用译码器的目的►译码器常用的译码器有：四中选一、八中选一、十六中选一。74LSl38扩展地址译码器

例：采用74LSl38作地址译码器设计的微机主机板接口子系统地址译码电路。/Y0/Y1/Y2/Y3/Y4/Y5/Y67输出

2.负载能力的扩展1)应用总线收发器提高总线驱动能力总线收发器——Intel8286－A0B0－－A1B1－－A2B2－－A3B3－－A4B4－－A5B5－－A6B6－－A7B7－－/OET

－82862)应用接口芯片常用的：74LS244单向三态门74LS373(74LS273)三态输出锁存器74LS245三态输出八总线收发器74LS245：

使能端/G方向控制端DIR操作LLB数据至A总线LHA数据至B总线H隔开§2.3.3

I／O接口设计的方法、步骤及设计举例

1.I／O接口设计的方法、步骤★I／O接口设计步骤►了解常用外围设备或被控设备与CPU之间信息交换的要求；►

考虑硬件和软件的功能分配；►

进行I／O端口的数量统计、数据流向安排和端口地址号分配；►I／O接口硬件电路的扩展设计；►I／O接口控制软件设计；►

进行接口硬件和软件联调。

★I／O接口扩展的方案选择:

►购置多功能I／O接口板

►

自行设计I／O接口电路

►采用通用的大规模集成电路接口芯片扩展I／O接口电路

►采用普通的缓冲器、锁存器和译码器等集成电路扩展I／O接口

2.I／O接口设计举例一

设计8088CPU微机系统I／O接口电路，有8组8位的数字量外部输入，8组8位的控制和显示数据输出到外部。8个输入端口地址号为E8H～EFH，8个输出端口地址为F0H～F7H。设计要求：

设计：A7A6A5A4A3A2A1A011101ΧΧΧINAL,0E8H11110XXXOUT0F0H,AL3.I／O接口设计举例二设计要求：

设计8086最小模式系统接口电路，采用8255A作为连接打印机的接口，指定8255A的A、B、C和控制端口的地址号分别为FFF8H、FFFAH、FFFCH和FFFEH。设计：以程序控制方式设计A7A6A5A4A3A2A1A011111XXX0FFF8H、FFFAH、FFFCH、FFFEH§2.4I／O通道

模拟量输入通道模拟量输出通道数字量输入通道数字量输出通道

I／O通道分为：

§2.4.1模拟量输入通道主要组成：

信号处理装置、采样单元、采样保持器、数据放大器、A／D转换器控制电路。任务：完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机。

1、信号处理装置组成：标度变换器、滤波电路、线性化处理及电参量间的转换电路等。★标度变换器：作用：把经由各种传感器所得到的不同种类和不同电平的被测模拟信号变换成统一的标准信号。★滤波电路：作用：滤掉或消除干扰信号，保留或增强有用信号。★线性化处理：有些电信号转换后与被测参量呈现非线性。所以必须对信号进行线性化处理，使它接近线性化。

★电参量间的转换电路：

主要进行电信号之间的转换。

2、采样单元

作用：把各路模拟量分时接到A／D转换器进行转换，实现CPU对各路模拟量分时采样。

组成：开关矩阵及逻辑控制电路。开关矩阵——模拟开关的组合逻辑控制电路——在软件或通道控制电路的控制下，以一定速度，按顺序输入被测模拟信号。CD405l组成：逻辑电平转换、二进制译码器及8个开关电路。主要特性：直流供电电源：VDD＝+5V～+15V，数字信号电位变化范围：3～15V

输入电压：UIN＝0～VDD，模拟信号峰峰值：15VCD405l的应用：3、采样保持采样保持电路：对变化的模拟信号快速采样，并在转换过程中保持模拟信号。

两个工作状态：

★

采样状态

★

保持状态采样保持集成芯片LFl98主要特性：供电电源：±5V～±18V；信号获取时间：<10／as；可以和TTL、PMOS、CMOS逻辑输入兼容；典型保持电容：1000pF、0.01μF。4、数据放大器——把传感器的信号从毫伏电平按比例放大到典型的A／D转换器输入电平。5、A／D转换器——把通道输入的模拟量转换成数字量，通过I/O接口电路送入CPU。f(t)Kf*(t)T§2.4.2

采样与量化1．采样过程采样过程：用采样开关将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程。香农(Shannon)定理：如果随时间变化的模拟信号的最高频率为ωmax，只要按照采样频率ωS≥2ωmax进行采样，那么取出的样品系列(f1*(t)，f2*(t)，…)就足以代表(或恢复)f(t)。2．量化过程量化过程：是用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号。

fmax：转换信号的最大值；fmin：转换信号的最小值；i：转换后二进制数的位数。

量化单位为：§2.4.3模拟量输出通道功能：把计算机的运算结果转换成模拟量，并输出到被选中的某一控制回路上，完成对执行机构的控制动作。组成：D／A转换器、输出保持器、多路切换开关、低通滤波电路和功放电路。输出保持器的作用：将前一采样时刻的输出信号保持到下一个采样时刻，重新得到新的输出信号。

输出保持方案：数字量保持方案；模拟量保持方案。1、一个输出通路设置一个D／A转换器的结构形式

2、多个输出通路共用一个D／A转换器的结构形式§2.4.4数字量输入通道

数字输入信号分三类：

编码数字开关量脉冲列常用的电平转换电路：

数字量输入通道的结构：►

直接和并行接口电路的输入口连接。

►

加光电隔离电路。►

采用软件计数法。►

接口电路外加硬件计数器。(a)§2.4.5数字量输出通道★编码数字

——二进制数。★开关量

——“1”、“0”的形式。输出电路的形式：(b)(c)★脉冲信号

——输出脉冲的频率及个数都可通过程序设置来控制。§2.5D／A转换器

作用：把数字量转换成模拟量。按工作方式可分成：并行和串行两种。§2.5.1并行D／A转换器的工作原理D／A转换器由电阻网络和运算放大器组成。T型电阻网络的D／A转换器：反相端作输入电压：电路工作过程：输入信号为0…01输入的信号为0…10I流经负载电阻的电流表达式为：§2.5.2串行D／A转换器的工作原理采用步进电动机的D／A转换器§2.5.3D／A转换器的性能指标1．分辨率定义：当输入数字量变化1时，输出模拟量变化的大小。对于一个N位的D／A转换器其分辨率为：

例如：对于满刻度值5.12V，单极性输出，8位D／A转换器的分辨率为：5.12V/28＝20mVl0位D／A转换器的分辨率为：5.12V/210=5.12V/1024＝5mV12位D／A转换器的分辨率为：5.12V/212=5.12V/4096＝1.25mV2.稳定时间定义：数据变化量是满刻度时，达到终值±1/2LSB时所需要的时间。3．输入编码

一般为二进制编码、BCD码、符号-数值码等。定义：在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大误差。一般用最低有效位LSB的分数来表示。为0.01％～0.8％。5．工作温度范围

较好的D／A转换器工作温度范围为一40～85℃，较差的为0～70℃。4．线性误差数字量输入模拟量输出

理想特性实际满刻度

线性误差§2.5.4D/A转换器芯片及其接口电路例如：满足速度、精度、分辨率及经济性能要求的有：►

通用、廉价的D/A转换器：AD1408、AD7524、AD558。►

高速、高精度D/A：AD562、AD7541。►

高速D/A：AD561、DAC-08。►

高分辨率D/A：DAC1136、DAC1137等。为了应用的灵活性，有：►

可选择输出电压双极性的：AD7524、AD7542。►

芯片内带有数字寄存器可与CPU数字总线直接相连的AD558、AD7524。功能管脚共同之处包括以下方面：

►它包括数字量的输入端和模拟量的输出端，芯片的模拟信号输出端又有单端输出和差动输出两种。

►D/A转换器所需参考电压由芯片以外的电源提供。

►

许多芯片内设置了输入数据寄存器。

►

芯片都具有片选信号和写信号管脚1、8位DAC0832及接口电路1）外部结构特征

采用20引脚、双列直插式集成电路芯片。主要参数：分辨率8位，电流稳定时间1μs，电流输出，与TTL电平兼容；功耗20mW。2）内部结构及原理两种情况转换：►/WR2=0，/XFER=0，DAC寄存器为不锁存状态，ILE=1时，/CS=/WR1=0。►/WR1=0，/CS=0，ILE=1输入寄存器为不锁存状态，而/WR2=/XFER=0。

∴若不锁存，直接转换，/WR1、/WR2、/CS和/XFER为0，ILE接高电平，称为直通工作方式。3）DAC0832输出方式►电压输出方式►电流输出方式

★电压输出方式►单极性电压输出方式►双极性电压输出电路★电流输出方式

量程选择：0～10mA直流电流

4～20mA直流电流4）接口电路►用锁存器连接►

用可编程并行口8255连接►

直接连接8088CPUA9-A0IOW1D1Q2D2Q3D3Q4D4Q5D5Q6D6Q7D7Q

8D8Q

CP74LS273+5V

A0A1A2A3A4A5A6

A7

DAC0808

AVOUT-+译码器Y0DoD1D2D3D4D5D6

D7RESET+5VVRE用锁存器连接★用可编程并行口8255连接

DAC:MOVDX,0383HMOVAL,80HOUTDX,ALMOVAL,[DATA]MOVDX,0381HOUTDX,ALXORAL,ALMOVDX,0380HOUTDX,ALORAL,01HOUTDX,ALHLT汇编程序：A9-A28088CPU

A1Ao

PB7CS

8255A1AoPAo译码器D7D0

NE5018VoutCED7-DoYoPB0控制线

★D/A与CPU直接连接+5DAC0832+5VRAVOUT译码器VccILRVREFCSRfbWR1Iout1WR2Iout2XFERDGNDA1AoIOWGND8088CPUA9-A2-+AGND2、12位D／A转换器DAC12101）DAC1210的主要性能及特点DACl210是双列直插式24引脚集成电路芯片。★主要技术指标：

►输入数字为12位二进制数字；

►分辨率12位；

►电流建立时间1μs；

►供电电源+5～+15V(单电源供电)；

►基准电压VREF范围-10～+10V。★特点：

►

线性规范只有零位和满量程调节；

►和所有的通用微处理机直接接口；

►

单缓冲、双缓冲或直通数字数据输入；

►与TTL逻辑电平兼容。2）DAC1210引脚说明与DAC0832的两点区别：►它有12条数据输入线►可用BYTEl／BYTE2控制数据的输入3)DACl210与CPU的连接§2.6A／D转换器常用的A／D转换器有：计数器式双积分式逐次逼近式组成：计数器、D／A转换器及比较器工作过程：特点：结构简单，价格便宜，但转换速度比较慢。§2.6.1A／D转换器原理

1.计数器式A／D转换器组成：逐次逼近寄存器SARD／A转换器比较器时序（时钟）置数选择逻辑工作过程：如果Ui≥UO，应予保留；如果Ui<UO，应予清除。2.逐次逼近式A／D转换器例：设：数码寄存器为4位，满刻度值1v，Vi=0.65v，用逐次逼近式A/D转换器转换成二进制数。V0Vin0.5V(1000)0.75V(1100)0.625V(1010)0.6875V(1011)量化单位3.双积分式A/D转换器方法：测量模拟输入电压向电容充电的固定时间及测量在已知标准电压下放电所需的时间。工作过程：优点：

消除干扰和电源噪声的能力强，精度高。缺点：

转换速度慢。§2.6.2A／D转换器的主要技术参数分辩率是指能使转换后数字量变化1的最小模拟输入量。n位二进制数最低位具有的权值就是它的分辨率。2．量程

量程是指所能转换的电压范围。l．分辨率4．转换时间

转换时间是指启动A／D到转换结束所需的时间。5．工作温度范围

较好的转换器件工作温度为-40～

85℃，差的只有0～

70℃。3．转换精度

►绝对精度常用数字量的位数表示。

►相对精度用相对于满量程的百分比表示。

如10位A／D转换器，满量程为10V。

►绝对精度为1/2×10/210=±4.88mV，

►相对精度为l／210×100％≈0.1％。

§2.6.3常用A／D转换器1.8位A／D转换器ADC809主要特点：分辨率8位；转换时间100

s；温度范围-40～

+85℃；可使用单一的+5V电源；可直接与CPU连接；输出带锁存器；逻辑电平与TTL兼容。1)电路组成及引脚功能ADC0809有28条引脚。OE2)工作原理OE3)A/D转换器接口★A/D转换器的接口设计►

输入模拟电压的连接A／D的输入模拟电压单端输入双端差动输入正向信号：把VIN(-)接地，信号加到VIN(+)端；负向信号：把VIN(+)接地，信号加到VIN(-)端。单端输入差动输入:模拟信号加在VIN(-)端和VIN(+)端之间。ADC0804ADC0808/0809单端、单极性输入：VREF(+)=5v,VREF(-)=0v

双极性输入：

VREF(+)和VREF(-)接+、-极性参考电源►

数据输出的方式A／D转换器数据输出方式

具有可控的三态输出门不带三态输出门，或虽有三态输出门，但它不受外部信号控制。►

片选、启动、读写信号的设置启动转换信号由CPU发出，有电平启动和脉冲启动两种方式。片选、、读写信号一般由3-8译码器的通道号以及微处理器的/IOR、/IOW经过适当的逻辑电路来连接。►

转换结束信号及转换数据的读取CPU读取转换数据程序查询方式中断方式延迟程序方式★连接方式

►

直接连接►用8255连接

PA7

┇

PA0/STBAPB0PC68255DB7┇AINACDC

DB0

/DRAD570B//C8086CPUD7│D0►程序查询方式开始置A口为输入方式B口为输出方式送启动脉冲读入PB0线使A/D复位读入数据暂停转换结束吗？YNADC：MOV DX，0383H MOV AL，0B2H OUT DX，ALMOV AL，40H MOV DX，0382H OUT DX，AL XOR AL，AL OUT DX，AL ADC1：MOV DX，0381H IN AL，DXTEST AL，01H JNZ ADC1 ADC2：IN AL，DX TEST AL，01H JZ ADC2 MOV DX，0382HMOV AL，40H OUT DX，ALMOV DX，0380H IN AL，DXMOV [DATA]，AL HLT 开始置A口为输入方式B口为输出方式送启动脉冲读入PB0线使A/D复位读入数据暂停转换结束吗？YN►中断方式读取数据

PA7

┇┇PA0PB0

/STBA8255DB7┇ADC0809DB0

STARTALEEOC8086CPUD7│D074LS048259INTRAINTRIR3VX主程序关中断8259初始化8255A，B口初始化开中断启动A/D执行主程序

中断服务程序入口保护现场读入数据恢复现场返回主程序和中断服务程序流程图START：CLI MOV AX，0 MOV ES，AX MOV DI，0BH*4 MOV AX,OFFSETINTRCLD STOSW MOV AX,CS STOSW MOV AL,34H OUT 21H,AL MOV DX,0383H MOV AL,OBOH OUT DX,AL MOV AL,09H OUT DX,ALSTIMOV DX,0381HMOV AL,00HOUT DX,ALHERE：HLT JMP HERE主程序关中断8259初始化8255A，B口初始化开中断启动A/D执行主程序INTR：PROC NEARPUSH AXPUSH DXPUSH DSMOVDX，0380HIN AL，DXMOV [DATA]，ALPOP DSPOP DXPOP AX STI IRET ENDP

中断服务程序入口保护现场读入数据恢复现场返回2.12位A／D转换器AD5741)芯片特性

采用原理——逐次逼近式内部结构——三态缓冲器、时钟脉冲源和基准电源输入电压——单路单极性或双极性分辨率——12位转换时间——25

S

封装形式——28脚双列直插式2)芯片各引脚功能AD574真值表3)AD574模拟量输入电路外部连线AD574可实现单极性输入和双极性输入4)AD574的接口电路1、干扰的来源和干扰的分类

外部干扰：内部干扰：串模干扰：共模干扰：§2．7I／O通道的抗干扰措施2、串模干扰及其抑制方法

串模干扰是叠加在被测信号上的干扰信号，也称横向干扰或正态干扰。C1C2AIaVs

抑制串模干扰的措施：►

加输入滤波器串模干扰信号频率大于被测信号频率——低通输入滤波器串模干扰信号频率小于被测信号频率——高通输入滤波器串模干扰信号在被测信号频率两侧——带通滤波器。

►

采用带屏蔽层的双绞线或同轴电缆连接一次仪表和转换设备——

减少电磁感应，使每个小回路的感应电势互相反相抵消。屏蔽层良好接地，就可避免干扰从传输导线窜入检测回路。

►

利用器件特性克服干扰——

提高阈值电平可抑制低噪声干扰；采用低速逻辑器件或加电容器降低速度，可以抑制高频干扰。►

采用数字滤波技术

平均值法、中值法、一阶滤波法等3、共模干扰及其抑制方法

共模干扰是指同时加到计算机控制系统两个输入端上的公有的干扰电压。

抑制共模干扰的主要措施：►

采用共模抑制比高的、双端输入运算放大器.►

采用光耦合器或变压器隔离►

采用隔离放大器同相输入方式：增益最高可达2万倍，直流漂移低于0.1

s/℃，直流共模抑制比为160dB，采用带屏蔽层的双绞线，可抑制串模干扰，可为共模电压提供共模电流通路。DDC系统的特点：

►计算机运算速度快。

►可分时处理多个控制回路

►计算机运算能力强§3-1-2DDC系统的PID控制算式Kc——比例增益Ti——积分时间Td——微分时间P——PID调节器的输出信号e——给定值与测量值之差离散化方法：Ts——采样周期●

位置型PID控制算式Pn——第n次采样时计算机输出值en——第n次采样时的偏差值●

增量型PID控制算式第(n-1)次采样有：两次采样计算机输出的增量为：

KI——积分系数KD——微分系数●

实用递推算式(偏差系数控制算式)将增量型PID控制算式改写为：令三个动态参数为中间变量：则有：●

特殊形式的PID算式

►积分分离PID算式设逻辑系数：对增量型PID算式改进为：►带有死区的PID算式

控制算式为：►不完全微分的PID算式不完全微分的PID传递函数为：将微分部分化成微分方程：

将微分项化成差分项：令：

不完全微分的PID位置算式为：不完全微分的PID增量算式为：

►消除随机干扰的措施

对于不同的随机干扰，可采取如下措施：

►

平均值法

在nT时刻附近连续采样8次，计算机求取平均值为：►几个采样时刻的采样值求平均代替当次的采样值►四点中心差分法

微分项：1.5T0.5Tee(n-3)ee(n-1)e(n-2)e(n)t(nT)►将矩形积分改为梯形积分§4-2DDC系统PID控制参数的选择及整定●

采样周期的选择►对于响应快、波动大、容易受干扰影响的过程，应该选取较短的采样周期；反之，则长一些。

►过程纯滞后较明显，采样周期可与纯滞后时间大致相等。选取采样周期时应考虑的几个因素：

►采样周期应远小于对象的扰动信号周期

►采样周期应远远小于对象时间常数

►考虑执行器的响应速度

►考虑对象所要求的调节品质

►考虑控制系统的性能价格比

►考虑计算机所承担的工作量●量化问题如果要求分辨率为D0，则字长为：例：某温度控制系统的温度范围为0～200℃，要求分辨率为0.005，求A/D转换器的字长。解：取C为8位。一般D/A的字长可选小于或等于A/D字长。数字量的精度与字长有关。字长又和转换器的分辨率有关。●数字滤波常用的几种方法：►算术平均值法►中位值法

在三个采样周期内，对被测参数连续采样读入三个检测信号，舍去最大和最小的信号，从中选择居中的那个数据作为有效检测信号。►惯性滤波法滤波器传递函数为一阶惯性环节传递函数改写为微分方程：差分化：整理得：Tf——

滤波器时间常数。——滤波平滑系数4．PID程序的实现在编程的过程中，必须考虑的问题：

●操作特征的设置

►每个回路手动/自动特征位

►每个执行机构设置正向/反向特征位

●执行机构极限保护

目的：防止执行机构过开或过关。方法：计算ΔPn(n)-ΔU(n)，检查输出余量。

●防止极限环

解决方法：对计算机输出规定一个不灵敏区ε，如果|ΔPn(n)|<ε则计算机不输出。入口回路处于自动?NY调内存Kp.KI.Kd.X.e(k-1).△e(k-1)形成采样指令,并采样e(k)计算增量输出△Pne(k)→e(k-1),△e(k)→△e(k-1)形成输出采样指令,并采样阀位u△u≥0?计算阀位正向余量△u计算阀位反向余量△u△Pn≥|△u|?|△u|≥△Pn?△u→(△u)△Pn→(△u)△u→(△u)(△u)|<ε?形成输出指令,并输出e(k-1),△e(k-1)记入内存YYYYNNNN出口系统鉴别

带有系统输出鉴别子程序的增量型PID控制算式的程序框图

5．PID参数整定数字PID控制算法的参数选择一般根据

►

被控过程的特性

►采样周期的大小

►工程上其它具体要求

►选取一个很小的采样周期►

使计算机过程控制系统为纯比例控制，改变比例系数，使其出现等幅振荡，得到临界比例系数和临界周期。►计算控制度控制度控制算法1．05PIPID0．030．0140．550．630．880．49—0．141．2PI

PID0．050．0430．490．470．910．47—0．161．5PIPID0．140．090．420．340．990．43—0．22．0PIPID0．220．160．360．271．050．40—0．22常规控制器PIPID——0．570．70．830．5—0．13扩充临界比例度的计算表§3-3复杂控制系统设计§3-3-1串级控制系统的设计例：煤气加热炉串级温度控制系统煤气空气PCTC加热炉温度压力主控制器付控制器保持器付对象主对象R1(t)R1(n)e1(n)R2(n)e2(n)Δu2(n)C2(t)C1(t)--C2(n)C1(n)双回路串级控制系统计算顺序►计算主回路的偏差►主控制器的计算（位置PID）►计算付回路的偏差►付控制器的计算（增量PID）§3-3-2前馈控制系统的设计前馈控制系统：当被测的干扰进入控制对象时，前馈控制预先调整控制作用，使被控变量保持在给定值上。Ffff设：u1=0，并设输出的干扰为0，则有完全补偿的条件Ffff若:前馈控制器为:Fffnnn离散化:前馈-反馈计算机控制系统计算顺序为：►计算反馈控制的偏差►反馈控制器输出（PID）►计算前馈补偿器输出►总控制量输出§4-3-3大纯滞后补偿控制系统的设计预估器的传递函数为闭环传递函数为史密斯预估器计算机控制系统计算顺序为►计算反馈控制的偏差nnnnnnm►计算史密斯预估器中间值q(n)nnq(n-m)q(n)m►计算史密斯预估器输出Cτ(n)►计算PID控制器输入偏差ec(n)►计算PID控制算式§3-3-4多变量解耦控制系统的设计D(z)Ho(s)Gc(s)e*(t)u*(t)E(z)U(z)r(t)+_R(z)Φ(z)G(z)c(t)C(z)开环冲传递函数：闭环脉冲传递函数：误差脉冲传递函数：数字控制器输出闭环脉冲传递函数为：已知Φ(z)，可计算出D(z)：已知Φe(z)，可计算出D(z)：已知ΦU(z)，可计算出D(z)：D(z)必须满足以下条件：►由此而得到的D(z)是物理可实现的►D(z)也必须是稳定的。§4-2最少拍无差系统的设计

最少拍无差系统是指在典型的控制输入信号作用下能在最少几个采样周期内达到稳定无静差的系统。典型控制输入时间序列脉冲传递函数单位阶跃输入：单位速度输入：单位加速度输入：

通式：§4-2-1典型输入下最少拍系统的设计方法

假设被控对象的脉冲传递函数G(z)是稳定的，它在单位园上和单位园外没有零、极点，并且没有纯滞后。若：通常m=1、2、3。若取F(z)=1,M=m，可以得到形式最简单，阶数最低的数字控制器。单位阶跃输入时：单位速度输入时：单位加速度输入时：系统的动态误差级数：单位阶跃输入时：T2T3T4T5TtC（t）10单位速度输入时：单位加速度输入时：►对应于不同典型输入，系统经过T，2T，3T，系统达到稳定。►对应不同典型输入，为得到最少拍响应，应选择合适的Φe(z)。►

对应于典型输入，选定Φe(z)后，可根据G(z)得到D(z)。例：设计计算机单位反馈控制系统，T=1秒，单位速度输入时，按最少拍法设计D(z)。解：►单位阶跃输入时：►单位加速度输入时：nTC(nT)1284§4-2-2最少拍快速有纹波系统设计对广义被控对象的脉冲传递函数G(z)加了三个假设条件时：为了使系统稳定，讨论以下三个问题：

►G(z)有不稳定极点

►G(z)有位于单位园上或园外的零点

►G(z)中包含有纯延迟环节最少拍快速有纹波系统设计时，应遵循以下原则：

►D(z)是在物理上可实现的有理多项式

►Φe(z)应把G(z)的不稳定极点作为自己的零点。►Φ(z)应把G(z)的单位园上和单位园外的零点作为Φ(z)的零点。

►Φ(z)应包含G(z)中z-1的因子，其方次相同。例：D(z)Ho(s)Gc(s)e*(t)u*(t)E(z)U(z)r(t)+_R(z)Φ(z)G(z)c(t)C(z)已知：T=0.2秒试设计单位阶跃输入时，最少拍控制器D(z)。解：得：解得：1.00.5T2T3T4T5TnTC(nT)0§4-2-3最少拍控制系统的局限性►

在采样点之间存在纹波►

系统的适应性差►

对参数变化过于灵敏►

控制作用易超过限定范围例如§4-3最少拍无纹波系统的设计

最少拍无纹波设计的要求：在典型输入作用下，经过尽可能少的采样周期以后，输出跟随输入，而且在非采样点上也没有纹波。●纹波产生的原因C(nT)nTnTnTnTe(nT)u(nT)v(nT)D(z)H0(s)GC(s)R(s)E(z)U(z)V(z)C(s)-●设计原理系统的闭环脉冲传递函数为：要使u(nT)稳定，就要使是z-1的有限多项式。问题归结为：设计一个系统在典型输入作用下，u(nT)经过有限个周期以后，达到相对稳定。●设计方法Φ(z)应包含G(z)的所有零点。例：单位反馈计算机控制系统，系统广义对象脉冲传递函数为T=1秒，在单位速度输入下，设计最少拍无纹波控制器D(z)。解：解联立方程解得：a0=1.407,a1=-0.826,b=0.592T2T3T4T5Tt

u0.40.30.20.10T2T3T4T5T

tc543210§4-4纯滞后对象的控制算法——大林(Dahlin)算法§4-4-1大林算法设：τ=NT，N为正整数大林算法的设计目标：设计合适的数字控制器，使整个闭环系统的传递函数为具有时间纯滞后的一阶惯性环节，而且要求闭环系统的纯滞后时间等于对象的纯滞后时间。大林算法的设计思路：假设：采用零阶保持器，且采样周期T。►被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节►被控对象为带有纯滞后的二阶惯性环节§4-4-2振铃现象及其抑制例：单位反馈计算机控制系统，已知被控对象的传递函数为T=1s，试用大林算法，求数字控制器的D(z)。解：振铃幅度RA的定义：

控制器在单位阶跃输入作用下，第0次输出幅度减去第1次输出幅度所得的差值。*1234****RAU(nT)

nT大林算法的数字控制器D(z)的基本形式可写成：其中：几个有代表性的例子：*1234****RAU(nT)nTRA=1*1234****RAU(nT)nTRA=0.5*1234****RAU(nT)nTRA=0.3*1234****RAU(nT)nTRA=0.8消除振铃的方法：先找出数字控制器中产生振铃现象的极点，令其中z=1。例：一阶近似控制系统大林控制器为1.00-1.0-10.00.010.020.0tC(t)2.00-2.0-10.00.010.020.0tU(t)控制器组成：

►状态观测器

►控制规律§5-1-1按极点配置设计控制规律设：连续控制对象的状态方程相应的离散状态方程假设控制规律是线性状态反馈闭环系统的状态方程闭环特征方程设计反馈控制规律L，使得闭环系统具有所需要的极点配置。闭环控制极点：求得闭环特征方程为：反馈控制矩阵L应满足方程：状态完全可控的充要条件是：系统满足秩的要求，L就有唯一的解。例：设被控对象完全能控，且对象离散状态方程为：

假设采样周期T=0.1s,要求闭环系统的的动态响应性能相当于阻尼系数ξ=0.5

和无阻尼自然振荡频率ωn=3.6的二阶连续系统，用极点配置的方法设计状态反馈控制规律L。解：根据已知ξ和ωn，求S平面的极点特征方程：设状态反馈矩阵§5-1-2按极点配置设计观测器观测器的设计思想：根据能够测量的系统输出量和输入量，重构出全部状态。预测观测器、现时观测器和降阶观测器。预测观测器：在求现时重构状态时，只用到前一时刻的输出量的测量值。现时观测器：在求现时重构状态时，用到现时刻的输出量的测量值。降阶观测器：根据系统可测状态，重构出其余那些不能测量的状态。把原状态向量分成两部分：原控制对象分块控制对象降阶观测器的特征方程§5-1-3按极点配置设计控制器控制器的设计分两步：第一步：(r(k)=0）设计观测器和控制规律第二步：加入给定值(r(k)≠0)引入积分控制器，使系统具有满意的跟踪性能及稳态精度。设：被控对象的离散状态方程为设计引入积分作用控制器设：r(k)=0，扰动为阶跃扰动V(k)为阶跃函数，令：利用极点配置的方法对上式设计状态反馈控制规律为：按极点配置设计的PI控制器[r(k)=0]跟踪系统的PI控制器[r(k)≠0)]PI控制器的输出方程

基于非参数模型的两种预测控制算法:

§5-1-1模型算法控制

模型算法控制(ModelAlgorithmicControl)简称为MAC，是一类基于系统脉冲响应的控制算法。

模型算法控制适用于渐近稳定系统，对于开环不稳定系统，可先使用常规调节器使之稳定，然后再使用MAC。§5-2基于系统非参数模型的控制算法基于非参数模型的预测控制，通常选用系统的脉冲响应模型或阶跃响应模型来描述被控对象，并采用滚动优化目标函数求解最优预测控制律。

由于实际可使用的只能是经测量得到的脉冲响应，它与实际系统的脉冲响应是有差别的。

由系统控制量u(k)和~gT的离散卷积可得出系统在t＝(k+1)T时刻输出量的预测值

要达到控制目的设法使系统输出量y(t)沿着一条希望的曲线到达预期的给定值——参考轨迹。参考轨迹在kT以后各时刻的值为：Tr为参考轨迹的时间常数。若记a＝exp(-T/Tr)，则有常用的指标函数：

Wi为非负的权系数，它决定各采样时刻的误差在jz中占的比重；z≤N，称为预测时域，或最优化时域。MAC分为开环控制和闭环控制两种形式：

1、开环控制在开环MAC控制中，令z＝1时令：2、闭环控制式中采用一步预测时：令：一步预测的闭环模型算法控制流程§5-1-2动态矩阵控制1、预测模型根据线性系统的性质，阶跃输入为式中：式中：2、开环控制二次型指标函数：3、闭环控制——动态向量设：t=kT移位矩阵一、确定系统总体控制方案

构思系统的整体方案，应从以下几方面入手：

►考虑系统结构

►执行机构采用什么方案

►

有否特殊控制要求？特殊要求应采取那些措施。

►确定计算机在整个控制系统中所起的作用二、确定控制算法三、选择计算机所选计算机应满足以下要求：

►完善的中断系统

►足够的存储容量

►

完备的I/O通道和实时时钟四、系统总体设计

★硬件软件功能分配与协调大量使用硬件会增加成本，影响系统可靠性；增加软件，系统速度相应降低。★接口设计接口设计内容：

►扩充接口

►安排接口电路的I/O信号及交换方式。常用的扩充方法：

►选用专门的功能接口板

►选用通用接口电路

►

用集成电路自行设计接口电路

接口电路I/O信号的交换方式：

►中断控制读取I／O方式

►

直接存储器存取方式★通道设计系统I/O通道：

►数字量I/O通道

►

开关量I/O通道

►

模拟量I/O通道

►

脉冲量I/O通道在总体设计中，应确定本系统应设置什么样的通道、每个通道由几部分组成，各部分选用什么器件等。★操作员控制台设计包括：各种转换开关、按钮、键盘、数字显示器、状态故障指示灯等。★可靠性设计五、硬件设计任务：根据系统总体框图，设计出系统的电气原理图，再按照电气原理图选购元件和进行施工设计。包括：

►接口电路和I/O通道的扩充

►

组合逻辑或时序逻辑电路

►供电电源

►

光电隔离

►

电平转换

►

驱动放大电路等六、软件设计软件

系统软件应用软件组织应用软件的内容及步骤：

►确定具体要求

►

软件规划

►

程序编制

►

软件调试

►善后工作★确定具体要求

►管理要求

►

输入输出要求

►

语言加工要求

►功能处理要求

★软件规划

►模式选择

►语言选择

►汇编语言

►高级语言

►确定数据结构

►划分程序块

►确定程序编制顺序

►内存安排

►用符号来代替某部分程序的首址。

►粗略估算各部分容量

►根据具体情况对内存作精确安排★程序编排和分配

★软件装配和总调

★软件设计的善后工作

§6.2微型计算机控制系统的软件

一、软件的分类软件系统软件应用软件操作系统语言加工系统诊断系统控制程序数据采集及处理程序巡回检测程序数据管理程序编辑程序编译程序连接、装配程序调试程序子程序库数据可靠性检查程序A／D转换及采样程序数字滤波程序线性化处理程序

数据采集程序越限报警程序事故预告程序画面显示程序二、应用程序的语言选择及设计步骤

1、语言选择

►机器语言

►

汇编语言

►

高级语言

2、应用程序的设计步骤和方法应用程序设计的五个步骤：

►问题定义

►

程序设计

►编码

►

调试

►

改进和再设计程序设计通常采用模块程序设计法和结构程序设计法结构化程序设计基本思想的三种基本结构表示：

顺序结构选择结构循环结构三、高级语言和汇编语言的混合编程1、混合语言编程的基本概念

1）程序接口在一种语言程序中调用由其他语言编写的程序模块。

2）命名约定为了解决不同语言对名称标识符的不同处理，对目标文件名长度的不同限制的约定。

3）调用约定在两种程序语言中为实现彼此调用而建立的一种协定，它具体对应了一个函数、一个过程或者