计算机控制系统-2理论基础

1、12022-3-20重点重点(1) 连续系统连续系统拉普拉斯变换及主要性质(2) 传递函数与方块图(3) 典型系统的方块图与传递函数(4) 离散系统离散系统Z变换难点难点计算机控制系统变换函数分析与物理意义第2章 微型计算机控制理论基础22022-3-20211 拉普拉斯变换(略讲)1.定义0( )( ) ( )stF sL f tedt f tdtetfst0)(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( )F s()f t( )F s2. 拉普拉斯变换的性质)()()3()()()2()()()()()1(2121sFetfLsAFtAfLsFs

2、FtftfLss线性 （位移性质）0t ( )0f t ( )F s( )f t( )f t用表示时间的函数 ，而且当 ， ，以 表示 的拉普拉斯变换，记之为2.1 连续系统数学基础连续系统数学基础32022-3-20212 传递函数与方块图传递函数与方块图1传递函数传递函数 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传递函数传递函数(G(s)：线性定常系统的传递函数，定义为初始条：线性定常系统的传递函数，定义为初始条件为件为0，输出量（响应函数）的拉氏变换与输入函数（量），输出量（响应函数）的拉

3、氏变换与输入函数（量）拉氏变换拉氏变换之比。之比。-突出拉氏变换分析的重要性：突出拉氏变换分析的重要性：时域分析不易求解，得不出频谱特性 )()()(sXsYsG)()()(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。 42022-3-202方块图（略讲）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

4、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52022-3-203.典型系统的方块图与传递函数（略讲）n1)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)()()()()()(321sGsGsGsRsYsG

5、对应的传递函数62022-3-20n例2.1：如图所示，R,C低通网络 idtciRUUULCRI1(a)Ui (s)CiR)(sUcI (s)UI (s)(b)1RCsUc(s)图2-6 RC电路方块图(c)R11CsUi (s)1()()()()1()()CICiCUsIsC sUsUsRC sUsUsR C sR C s()1()(1)iCUsUsR C sR C s1()1()1()11CiUsR C sGsUsR C sR C s物理意义取决于系统或元件自身的结构与参数。tc(t)0Page 7Page 8 采样器、保持器和数字控制器的结构形式和控制规律采样器、保持器和数字控制器的结

6、构形式和控制规律决定系统决定系统动态特性动态特性，是研究的主要对象。控制系统的稳态，是研究的主要对象。控制系统的稳态控制精度由控制精度由A/DA/D、D/AD/A转换器的分辨率决定。这说明转换器的分辨率决定。这说明A/DA/D和和D/AD/A转换器只影响系统稳态控制精度，不影响动态指标。转换器只影响系统稳态控制精度，不影响动态指标。 为了突出重点，只讨论影响系统动态特性的基本问题。为了突出重点，只讨论影响系统动态特性的基本问题。为了便于数学上分析和综合，在分析和设计计算机控制系为了便于数学上分析和综合，在分析和设计计算机控制系统时，常常假定统时，常常假定A/DA/D、D/AD/A转换器的精度足

7、够高，使得转换器的精度足够高，使得量化量化误差可以忽略误差可以忽略，于是，于是A/DA/D、D/AD/A只存在物理上意义而无数学只存在物理上意义而无数学上意义。上意义。Page 9tf(t)0 T 2T 3T 4T 5T tf *(t)0 T 2T 3T 4T 5T (b) 连续信号 (c) 采样信号图2.4 信号的采样过程f *(t)f (t)T(a) 采样开关 Page 10 f(t)为被采样的连续信号，f *(t)是经采样后的脉冲序列，采样开关的采样周期为T。若采样开关的接通时间为无限小，则采样信号f *(t)就是f(t)在开关合上瞬时的值，即脉冲序列 f(0)，f(T)，f(2T)，f

8、(KT)， 可用理想脉冲可用理想脉冲 函数将函数将采样后的脉冲序列采样后的脉冲序列f*(t)表示成：表示成： 对于实际系统，当对于实际系统，当t0 时，时，f(t)=0，故有：，故有：kTtkTtkTfTtTfTtTftftfk0*)()()2()2()()()()0()(kTtkTtkTftfk)()()(*( )( )()kftf ttkTPage 11( )()()( )()()()Tkttk TtTttTtk Ttk T 构造单位脉冲序列构造单位脉冲序列对于对于 为周期函数，可展成傅立叶级数为周期函数，可展成傅立叶级数( )Tt()()sj k wtTkkkttk TCe22221()

9、 )1()1ssTj k wtTkkTj k wtTCtk Ted tTted tTT1()sj k wtTkteT *1()()sj k wtkftfteT Page 12 在计算机控制系统中的执行机构和控制对象的输入信号一般为连续信号，这就必须将计算机输出的数字信号序列还原成连续信号，这就是信号的恢复过程。 计算机控制系统是利用离散的信号进行控制运算，采样信号只保留了原连续信号在采样时刻的信息，丢失了它在采样间隔之间的信息。 这就带来一个问题：采用离散信号能否实施有效的控制，或者连续信号所含的信息能否由离散信号表示，或者离散信号能否一定能代表原来的连续信号。Page 13tf(t)f *(

10、t)f2(t)f1(t)0 T 2T 3T 图图2.5 2.5 两个不同连续信号的采样过程两个不同连续信号的采样过程Page 14*1( )( )sjkw tkftft eT 进行拉氏变换进行拉氏变换*1( )()skFsFsjkwT 进行傅氏变换进行傅氏变换*1()()skFjwFjwjkwT 可得采样信号的频谱可得采样信号的频谱Page 15图图2.6 2.6 信号频谱信号频谱Page 16 一个连续时间信号f(t)，设其频带宽度是有限的，其最高频率为max(或fmax)，如果在等间隔点上对该信号f(t)进行连续采样，为了使采样后的离散信号f *(t)能包含原信号f(t)的全部信息量。则采

11、样角频率只有满足下面的关系：s s22maxmax 采样后的离散信号f *(t)才能够无失真地复现f(t)。否则不能从f *(t)中恢复f(t)。其中，max是最高角频率，s是采样角频率。它与采样频率fs、采样周期T的关系为：Tfss22Page 17常见被控对象采样周期参考常见被控对象采样周期参考被控物理量被控物理量采样周期采样周期T T备注备注流量流量1 15(5(s)s)优先选用优先选用2 2s s压力压力3 310(10(s)s)优先选用优先选用8 8s s液面液面6 68(8(s)s)优先选用优先选用7 7s s温度温度151520(20(s)s)优先选用纯滞后时间优先选用纯滞后时间

12、成份成份151520(20(s)s)优先选用优先选用1818s s位置位置101050(50(ms)ms)优先选用优先选用3030msms Page 18在计算机控制系统中的执行机构和控制对象的输入信号一般为连续信号，这就必须将计算机输出的数字信号序列还原成连续信号，这就是信号的恢复过程信号的恢复过程。 把前一时刻的采样值作为参考基值外推，使得两个采样点之间的值不为零值，来近似连续信号。将数字信号序列恢复成连续信号的装置叫采样保持器。Page 19图图2.7 2.7 理想保持器理想保持器Page 20 零阶保持器将前一个采样时刻的采样值零阶保持器将前一个采样时刻的采样值f f( (kTkT)

13、)恒定地恒定地保持到下一个采样时刻保持到下一个采样时刻( (k k+1)+1)T T。也就是说在区间。也就是说在区间 kTkT，( (k k+1)+1)T T 内零阶保持器的输出为常数。内零阶保持器的输出为常数。0 T 2T 3T 4T 5T f(kT)tf(t)0 T 2T 3T 4T 5T f(t)t图图2.8 2.8 零阶保持器恢复的信号零阶保持器恢复的信号Page 21 可以认为零阶保持器在可以认为零阶保持器在 (t)作用下的脉冲响应是作用下的脉冲响应是h(t)，如图所示。如图所示。 h(t)又可以看成单位阶跃函数又可以看成单位阶跃函数1(t)与与1(t- -T)的反向迭加，的反向迭加

14、，h(t)=1(t)- -1(t- -T)。1h(t)0 T t图图 零阶保持器的脉冲响应零阶保持器的脉冲响应取拉氏变换，得零阶保持器取拉氏变换，得零阶保持器的传递函数的传递函数:1( )TseH ssPage 22 已知连续信号已知连续信号f f( (t t) )经过采样周期为经过采样周期为T T的采样开关后，的采样开关后，变成离散的脉冲序列函数变成离散的脉冲序列函数f f * *( (t t) )即采样信号。即采样信号。对上式进行拉氏变换，则对上式进行拉氏变换，则0*)()()(kkTtkTftfPage 23TsTsTskkTskststkeTfeTfefekTfdtekTtkTfdte

15、kTtkTftfLsF2000000)2()()0()()()()()()(*)(*上式中，上式中，F*(s)是离散时间函数是离散时间函数f *(t)的拉氏变换，因复变量的拉氏变换，因复变量s含在指数含在指数e-kTs中中是超越函数不便于计算，故引一个新变量是超越函数不便于计算，故引一个新变量z=eTs， 并将并将F*(s)记为记为F(z)则则0)()(kkzkTfzF式中式中F(z)就称为离散函数就称为离散函数f *(t)的的Z变换。变换。Page 24常用函数的拉氏变换和常用函数的拉氏变换和z变换表变换表 1(t)11( )e t( )E s拉氏变换时间函数Z变换序号 Tse110)()(

16、nTnTtt1zz2s1)( 1 t1zz321st2) 1( zTz4as 1ateaTezz52)(1as atte2)(aTaTezTze622)( asteatsin22sin2cosaTaTaTzeTzzeTe725重点：掌握输入输出接口与过程通道的硬件和软件的设计。掌握输入输出接口与过程通道的硬件和软件的设计。难点：难点：输入输出接口设计技术。输入输出接口设计技术。目标：目标： 解决微型计算机和外部的连接问题，使计算机和外部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，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

17、统必须解决的基本问题。这是设计一个微机控制系统必须解决的基本问题。第第3 3章章 接口与过程通道配置技术接口与过程通道配置技术主要内容：主要内容：输入输出接口及过程通道的设计方法。输入输出接口及过程通道的设计方法。输入输出接口与过程通道的硬件和软件的设计。输入输出接口与过程通道的硬件和软件的设计。硬件抗干扰技术。硬件抗干扰技术。262022-3-2031过程输入输出通道概述3.2 面向过程通道的接口技术3.2.1 接口的基本结构、功能及端口编址接口的基本结构、功能及端口编址 3.2.2 接口数据传送方式接口数据传送方式 3.2.3 接口扩展微机控制系统接口实例27举例：温度测控系统过程输入输出

18、通道举例：温度测控系统过程输入输出通道第第3章章 过程通道配置技术过程通道配置技术31过程输入输出通道概述过程输入输出通道概述在计算机接口和生产过程之间，必须设置信息的传递和变换装置信息的传递和变换装置，这个装置就称之为过程输入输出通道，也叫IO通道。28信号采集转换系统信号采集转换系统过程输入输出通道组成组成输入通道输入通道输出通道输出通道信号处理信号处理控制输出控制输出信号调理信号调理传感器传感器信号采集转换部分信号采集转换部分29 3.2.1接口的基本结构、任务和功能接口的基本结构、任务和功能功能主机与过程通道之间传递信息功能主机与过程通道之间传递信息 与过程通道连接：数据传输要求和格式

19、不同，结构差异较大 与主机连接：与数据地址控制总线连接，结构基本相同 3.2 3.2 面向过程通道的接口技术面向过程通道的接口技术1. 接口的基本结构接口的基本结构微计算机CPU接口控制逻辑数据传送端口地址总线控制总线数据总线数据状态控制图3-1 接口基本结构及其在微控系统中的连接图工业生产过程过程通道无 数 据端口通道控制逻辑302. 接口电路的基本任务接口电路的基本任务（1）控制信息的传递路径控制信息的传递路径。即根据控制的任务在众多的信息源中进行选 择，以确定该信息传送的路径和目的地。（2）控制信息传送的顺序控制信息传送的顺序。计算机控制的过程就是执行程序的过程，为确保进程正确无误，接口

20、电路应根据控制程序的要求，适时地发出一组有序的选通信号。为保证基本任务完成，接口电路应解决以下问题：（1）触发方式。）触发方式。（2）时序。）时序。 （3）负载能力。）负载能力。 3接口的功能接口的功能 作为主机与过程通道之间的信息传递渠道，与一般接口电路相同，应具备寻址、输入输出、数据转换、联接、中断管理、复位及可编程寻址、输入输出、数据转换、联接、中断管理、复位及可编程等基本功能。314端口及其编址方法端口及其编址方法1）端口:一个I/O接口一般包括若干个端口，通常可分为数据端口、状态端口以及控制端口，而每个端口都有一个端口地址号，所以一个接口电路一般占用多个端口地址。2）端口编址:有通道

21、端口与存储器统一编址和通道端口独立编址两种方式，工作原理及优缺点同一般端口编址相同。3.2.2 接口数据传送方式接口数据传送方式（1）直接传送方式。 （2 2）查询传送方式。）查询传送方式。 （3 3）中断传送方式。）中断传送方式。 3.2.3 接口扩展接口扩展 1.1.端口扩展端口扩展 1）地址线选扩展. 322）地址译码扩展A4A3=00A4A3=00时，时，1#74LS1381#74LS138被允许译码；被允许译码；A4A3=01A4A3=01时，时，2#74LS1382#74LS138被允许译码；被允许译码；A4A3=10A4A3=10时，时，3#74LS1383#74LS138被允许

22、译码；被允许译码；A4A3=11A4A3=11时，时，4#74LS1384#74LS138被允许译码。被允许译码。因此，因此，3232个个I/OI/O接口端口地址分配号为：接口端口地址分配号为：0000H001FH0000H001FH。3 3）混合扩展）混合扩展: :地址线选、地址译码用于同一个系统的接口扩展称为混合扩展。地址线选、地址译码用于同一个系统的接口扩展称为混合扩展。 图3-2 采用多片地址译码芯片74LS138的地址译码器扩展Y0Y774LS138(1#)A BC E1 E2 E3Y0Y774LS138(2#)AB C E1 E2 E3Y0Y774LS138(3#) A BC E1

23、 E2 E3Y0Y774LS138(4#)A B C E1 E2 E3+5V+5V+5VA0A1A2A3A4.Q0.Q7.Q8. Q15.Q16 Q23.Q24. Q31+5V332 2端口负载能力扩展端口负载能力扩展单向负载能力扩展器件有74LS244、74LS240、74LS06、74LS07等，主要用于ABUS和CBUS负载能力扩展；双向负载能力扩展器件有74LS245等，主要用于DBUS负载能力扩展。3 3端口的功能扩展端口的功能扩展（1）单向数据传送选通；（2）双向数据传送选通；（3）非数据传送单点控制信号；（4）非数据传送双点、多点控制信号；（5）数据传送选通与非数据传送控制功能兼

24、顾。34例3.1 设图设图3 3 3 3中中PAPA口通过输入数字过程通道联接工业生产过程的一组状态点，口通过输入数字过程通道联接工业生产过程的一组状态点，PBPB口通过输口通过输出数字过程通道联接系统控制台的一组生产过程状态指示灯，将出数字过程通道联接系统控制台的一组生产过程状态指示灯，将MCSMCS 5151工作寄存器工作寄存器R7R7的的内容送指示灯，将生产过程的相应状态读入工作寄存器内容送指示灯，将生产过程的相应状态读入工作寄存器R2R2。试编写其操作程序。试编写其操作程序。 直接传送方式使8255A的PA口为方式0输入，PB口为方式0输出。PC口的输入/输出方式没有要求，可任意设定。

25、将8255A的4个端口视1组端口，P2.7连接为线选组地址，A1A0的组合用于选择组内端口地址，即PA口、PB口、CW的端口地址分别对应#7FFCH 、#7FFDH 和#7FFFH。 MCS 518255A74LS373GGCSA1A0D0D7RDWRRESET88P2.7ALEP0RDWR+5VPAPBPC888I/O图33 8255A与数字过程通道接口实例电路图输入数字过程通道输出数字过程通道工业生产过程系统操作台3.2.4 微机控制系统接口实例微机控制系统接口实例1 18255A8255A在微机控制系统中的接口实现在微机控制系统中的接口实现35参考程序如下：参考程序如下：INIT8255

26、INIT8255：MOVMOVDPTRDPTR，#7FFFH#7FFFH； 控制口地址送数据指针控制口地址送数据指针MOVMOVA A，#90H#90H； PAPA输入，输入，PBPB输出，输出，PCPC任意，控制字可为任意，控制字可为10011001 0000 B BMOVXMOVXDPTRDPTR，A A；方式控制字写入；方式控制字写入8255A8255A控制口，控制口，PAPA输入，输入，PBPB输出输出 MOV DPTRMOV DPTR，#7FFDH#7FFDH；PBPB口地址送数据指针口地址送数据指针MOVMOVA A，R7R7MOVXMOVXDPTRDPTR，A A；将；将R7R7

27、的内容输出到的内容输出到PBPB口口MOVMOVDPTRDPTR，#7FFCH#7FFCH； PAPA口地址送数据指针口地址送数据指针MOVXMOVXA A，DPTRDPTR；读；读PAPA口开关的状态口开关的状态MOVMOVR2R2，A A；RETRET36当需要对工业生产过程中的模拟量进行测控时，以8255作为并行接口，MCS-51单片机作为主机的微机控制系统的常见结构如图3-4所示。通过编程使8255-PA口工作在方式1（单向选通）输入，8255-PB口工作在方式1输出，允许中断。在程序控制下，PC7输出一个正脉冲启动模拟过程输入通道进行模拟/数字转换，此次模拟/数字转换完毕，输入通道通

28、过PC4向8255-PA口发出选通信号，将模拟/数字转换结果打入PA口，同时通过INTRA向主机发出中断请求。MCS 518255A74LS373GGCSA1A0D0D7RDWRINTRAINTRB88P2.7ALEP0RDWRPAPB88图34 8255A与模拟过程通道接口实例电路图模 /数工业生产过程采样/保持多路转换PC4PC7STBA数 /模保持OBFBPC1ACKBPC2INT0INT1模拟过程通道模拟过程通道多路转换37主机响应后将PA口数据读入采样数据存储区，判采样次数是否满，未满则重复向PC7发正脉冲及其以后的工作过程。满了则进入系统决策,将决策结果通过PB口送模拟过程输出通道。如果只有一个被控对象，模拟过程输出通道设置数字/模拟转换环节便可，若为多对象，而又不想增加数字/模拟转换器，则须增加多路转换和采样/保持两个环节。PB口按单向选通输出时，PC1为选通信号，PC2作为模拟过程输出通道的回答信号。8255接到回答信号后，通过INTRB向主机发出中断请求，表示