微机控制技术(课件)

1、开始开始结束结束目录 第一章 微机控制系统概述微机控制的概念n自动控制就是利用控制装置自动地使机器设备或生产过程的某一物理量按预期的规律运行，实现该控制目的所需装置构成了一个自动控制系统。n一个自动控制系统例子：电热恒温箱自动控制系统。见图1.1。其结构框图如图1.2所示。n若将上系统中的控制器与比较器用微机的软硬件代替，则成为一个微机控制系统。见图1.2。n电热恒温箱微机控制系统的具体结构见图1.3、图1.4、图1.5。微机控制系统的组成n由主机、总线与I/O接口、通用外部设备、输入输出过程通道、操作台、通信网络、软件几部分构成。采用总线结构形式，各部分通过总线连接，构成一个完整的系统。在实

2、际应用中可以根据需要取舍、根据规模与要求配置，如图1.6所示。 微机控制系统的类型 微机控制系统与所控制的生产过程密切相关，不同的被控对象和不同的控制要求，应具有不同的控制方案，构成不同的控制系统类型。现从应用特点、控制方式特点、控制目的出发，介绍几种典型应用类型：n操作指导控制系统（数据采集系统）： 计算机只对系统过程参数进行收集（巡回检测）、加工处理与统计、存贮（记录）、实时分析，然后输出数据（显示、打印），但输出的数据不直接用来控制生产对象，操作人员根据这些数据进行必要的操作。 作用： 1） 代替大量的常规显示与记录仪表，对整个生产过程进行 集中监视。 2） 对大量的数据进行集中、加工处

3、理、分析，以有利于 指导生产过程控制的方式表示出来，起指导作用。 3） 能得到大量数据，利于建立理想的数学模型。 为开环系统、非实时控制（人工操作）。 用于数据采集、电力调度等。 如图1.7所示。 微机控制系统的类型n直接数字控制系统（DDC）： 微机对一个或多个被控参数进行巡回检测，检测结果与给定值比较，再按一定的控制规律对偏差进行运算，然后将结果直接输出到执行机构，对被控对象进行控制。在这里微机系统代替了模拟控制器与比较器，称为数字控制器，各种控制规律（控制方法）如PID控制、串级控制等可以用不同的控制算法描述，进而编制出相应的程序，计算机执行不同的程序可以实现不同的控制规律与方法，灵活性

4、大。 是闭环控制、实时控制、微机直接承担控制任务。 用于化工、机械等过程控制。 如图1.8所示。微机控制系统的类型n监督计算机控制系统（SCC）：见图1.9n分布式控制系统（DCS）（集散控制系统）: 是随着计算机技术的发展、工业生产过程规模的扩大、综合控制与管理要求的提高而发展起来的以多台DDC计算机为基础的系统。 采用分散控制、集中操作、分级管理和综合协调的设计原则、具有网络化的控制结构（主要是多层结构）。如图1.10所示。微机控制系统的类型n现场总线控制系统（FCS）: 现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线，它能在工业现

5、场环境下运行，可靠性高、实时性强、互换性好等。 以现场总线为基础的全数字控制系统称为现场总线控制系统。是一种高级分布式控制系统。 以往在企业生产过程中，基层的许多传统测控自动化系统都处于“信息孤岛”状态，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换。现场总线就是为克服此出现的代表了今后工业控制体系结构发展的一种方向。第二章 输入输出接口技术概 述n接口是CPU与外部设备及过程通道等之间的连接。n有通用、非通用、可编程（多功能）、不可编程、串行、并行等。n外设、通道经接口与总线相连，CPU、内存则直接与总线相连（称之为将接口与内存、CPU挂在总线上），为总线结构。n接口的功能： 1）地址译码和设

6、备选择（CPU利用其编址功能对外部设备进行选择） 2）提供数据的寄存和缓冲，以实现CPU与外设之间的速度匹配，适应双方的读写时间的需要。 3）进行定时和协调，实现不同的数据传输方式。 4）实现中断控制逻辑，完成中断传输。 5）实现DMA控制逻辑，完成DMA传输。 6）进行数据格式转换（如串并），进行信号类型转换（如电平、DA）。接口的编址方式nCPU通过地址线输出相应的地址信号，经译码后产生选通信号去选通相应的接口以选中该接口，这种接口选择称为接口的编址。nCPU与外设或通道交换信息前，首先应先选择接口。n有二种编址方式：（采用哪种取决于CPU类型） 1）统一编址方式：接口的地址与内存单元的地

7、址统一安排，将每一接口看作是一个内存单元，访问接口（称为I/O操作或输入/输出操作）使用的指令与访问内存（称为读/写操作）使用的指令一样，扩展接口与扩展内存使用的控制信号也相同。见图2.1 2）独立编址方式：接口地址与内存地址相互独立，访问I/O口使用的指令与访问内存使用的指令不同，扩展内存与扩展I/O口使用的控制信号也不完全相同。见图2.2 在接口中一般有多个寄存器或特定的电路，CPU对接口的访问实际上是直接对这些寄存器或特定电路的存取。根据按地址访问的原则，每一接口一般应有多个地址对应于这些寄存器或特定电路，它们称为端口。接口的数据传输方式n在CPU与外设或通道之间经接口传递数据要有二个条

8、件： 1）在时间上保持同步（二者步调一致，遵循同一个同步信号）。 2）允许二者能相互等待（之间要有协调的方法）。 n按这样二个条件的要求，就有以下几种传输方式： 1）直接传输方式: 无需协调，CPU利用读写指令直接对I/O口进行操作，I/O口应一直处于就绪状态（外设总是准备好的）。 2）程序查询方式：利用握手信号（状态信号）进行协调。在数据传输前，先查询状态，在外设或通道就绪情况下才进行数据传输（外设并不总是准备好的） 。必要时，数据传输后，再进行握手联络。见图2.3 3）中断方式：利用中断实现协调。通过硬件将外设或通道的状态信号作为中断请求信号，一旦就绪则向CPU发中断请求，CPU响应中断进

9、行数据传输。见图2.4 4）DMA方式：当外设需要与内存进行大量数据传送时，向DMA控制器发DMA请求，DMA控制器向CPU发BUS请求，CPU响应，同时释放总线。外设与内存开始进行数据传送，且CPU不介入。见图2.5接口的扩展（接口电路的设计）n在自行设计的控制系统中，根据实际需要，常口需扩展接口及内存，以便增加外设、通道和满足存贮量的需要。n扩展接口与内存的第一步是设计地址译码电路。译码电路的作用就是根据CPU由地址线给出的地址编号（地址线状态），产生相应的接口或内存的选通信号，以选中它。n译码电路的设计要根据需扩充的接口数量、内存容量进行。常采用译码集成电路芯片构成一些较复杂的译码电路。

10、n一种译码电路设计方案 如图2.6所示。n一种非可编程输入/输出接口扩展设计方案 如 图2.7所示。 接口的扩展（接口电路的设计）n可编程接口8255A扩展w8255A介绍: 引脚图见图2.8 内部结构框图见图2.9 8255A的工作方式：方式0：基本输入/输出 方式1：选通输入/输出 方式2：双向选通输入/输出 “方式选择控制字”及“位设置控制字”的定义见图2.10 方式1输入时的信号及时序图见 图2.11 方式1输出时的信号及时序图见图2.12 方式2的信号见图2.13w8255A接口扩展的 一种方案见图2.14接口应用举例n8255A方式方式0应用：与字符打印机、纸带穿孔机应用：与字符打

11、印机、纸带穿孔机和纸带读入机接口。和纸带读入机接口。图图2.15所示所示 各口均为方式各口均为方式0，A组为输出，组为输出，C上为控制端口，上为控制端口， B组为输入，组为输入，C下为状态端口，采用查询数据传输方下为状态端口，采用查询数据传输方式。式。n8255A方式方式1应用：与应用：与A/D、D/A接口。接口。 如如图图2.16所示所示 A口为方式口为方式1 输入，输入， B口为方式口为方式0 输出，输出，n多组数据的输入输出：如多组数据的输入输出：如图图2.17所示所示第三章 输入输出过程通道概 述n 在微机控制系统中，要将被控对象的各种测量参数、运行状态信息按要求的方式送入计算机，计算

12、机处理后的信息也需转换为合适的信号输出到执行器，由它对被控对象实施控制。所以在计算机与被控对象之间需设置信息传递、变换的装置输入/输出过程通道。n 过程通道解决二类基本问题： 1）将外部传感器信号转换成计算机能接受的数字信号。该任务由输入通道（前向通道）完成。 2）将计算机输出的数字信号转换为外部执行器能接受的信号。该任务由输出通道（后向通道）完成。 根据处理信号类型的不同，过程通道分为模拟量通道、数字量（开关量）通道两种。n在模拟量输入通道中进行信号转换时有三步要做：采样、量化、编码。 模拟量输入通道n模入通道的结构形式，取决于不同的应用要求。 1）一般结构：各路共用所有元器件，多路模拟信号

13、由多路开关切换。如图3.1所示 2）其它几种结构： w采用多个单通道方案：各路所有元器件独立，无共用元件。如图3.1所示 w各路只共用部分元器件。n多路开关：实现数据的多路选择，分时输入。 典型的多路开关有CD4051（双向8选1）、CD4052（双向2个4选1）等。它们是早期产品，性能已不能满足控制系统要求，其改进型为：AD公司的ADG658/659。如图3.2所示。 可将多片适当组合，形成多路开关群，以实现对大量模拟信号的切换。如图3.3所示。模拟量输入通道n放大器：当多路输入信号电平相差很大时，应采用可编程放大器（其放大倍数可通过程序改变）。当信号需隔离时，应采用隔离放大器。 图3.4

14、. a为构成可编程放大器的原理图之一 。 其放大倍数K=1+2R2/R1（利用多路开关改变R1） 图3.4 .b为构成可编程放大器的原理图之二 。 其放大倍数K=1+R2/R1（利用多路开关改变R2）n采样保持器原理图见图3.5 控制信号为“1”时采样，V0=Vi 控制信号为“0”时保持，V0不变 图3.6为采样保持器集成电路芯片LM198、SMP04。开关量输入通道 n把来自生产过程的开关通断信号、高低电平信号等转换为计算机能够接受的逻辑电平信号（TTL电平、CMOS电平）。 其主要功能为：电平转换、整形、隔离、保护等。n其一般结构为图3.7 模拟量输出通道 n它是执行机构的信号源。执行机构

15、中很多是需要由连续信号驱动（开度连续调节的阀门、速度连续变化的电机等），这需要它将微机输出的数字量转换成相应的模拟信号，并进行放大驱动，对多路输出应有保持的功能，以实现分时输出。 n有二种结构：如图3.8. 1）数字量保持方案：将微机分时输出的数字量保持在各自独立的接口锁存器中，并供其D/A转换。 2）模拟量保持方案：将微机分时输出的数字量经D/A转换后保持在各自独立的保持器中。n功率驱动：提高D/A输出的功率驱动能力。开关量输出通道 n执行器所需的控制命令均为二态开关量（如开关、电磁阀等的闭合、打开二值状态），并且它来自该通道。其结构图如图3.9。n微机送出控制命令后首先要保持控制状态，直到

16、下次给出新的值为止，这就需锁存（接口即为输出锁存器）。n从微机送出的开关或数字信号一般是不能直接驱动输出设备或执行器的，需驱动电路。根据不同的执行器，需不同的驱动能力。 1）小功率驱动电路 2）中功率驱动电路 如图3.10。3）大功率驱动电路 如图3.11、图3.12。D/A转换器及接口技术nD/A转换器工作原理：D/A转换原理图 如图3.13。nD/A转换器输入/输出特性及性能指标：w输入特性包括有无输入锁存器、输入数据码制、形式、宽度、输入逻辑电平等。w输出特性包括电流输出或电压输出、单极性或双极性输出、单路或多路输出等。w主要性能指标： 1）分辨率：表达了D/A对微小输入量的分辨能力。通

17、常用数字量的位数表示，位数多则分辨率高。 2）转换精度：表示了转换后实际值对于理想值的误差。 3）建立时间（稳定时间）：衡量了D/A的时延大小。（即输入由0变到满量程，输出并不能立即达到满量程，有时延）。 D/A转换器及接口技术nDAC0830/0831/0832介绍:w内部结构与引脚图如图3.14。w输出方式： 1）其输出为电流，需电压输出时，可在输出接一运放。 2）若需要双极性输出，则再增加一运放。如图3.15若Rf+Rfb=R，则VOUT1=-D.Vref/2n，当Vref为+5V（或-5V）时，A点输出单极性电压0+5V（或0+5V）。图3.16因为VOUT2=-2RI=-2R（I1+

18、I2）=-2R（VOUT1/R+Vref/2R）=-（Vref+2VOUT1），所以当Vref为+5V （或-5V）时，B点输出双极性电压-5V+5V（或+5V -5V ）。图3.16。 D/A转换器及接口技术w工作方式及与CPU的接口它的控制引脚可以和CPU的控制线、地址线相连，接受CPU的控制，使其工作在不同的工作方式。 1）直通式（无缓冲）：所有控制引脚均接为有效，数据直接由数据总线到达D/A转换器， D/A输出随输入变化。 2）单缓冲：由数据总线到达的数据可被锁存在内部的寄存器中一次。有多种实现方法。其中之一如图3.17所示。 3）双缓冲：由数据总线到达的数据可被锁存在内部的寄存器中二

19、次。 如图3.18。D/A转换器及接口技术n内部无锁存器的D/A与CPU的接口在D/A与CPU之间应加设锁存器。如图3.19。n10位、12位等D/A与CPU的接口w若D/A内部无锁存器或有锁存器但无法实现双缓冲，则在D/A与CPU之间应加设锁存器实现双缓冲，以解决8位以上数据分时传送，同时到达锁存器D/A的问题 ，防止输出的闪跃。如图3.20。wDAC1210与AD667为12位D/A，见图3.21与图3.23其内部有锁存器可以实现双缓冲，无需加设锁存器，它们与CPU的接口分别见图3.22与图3.24。A/D转换器及接口技术 nA/D转换器工作原理常有的转换方法有： 1）逐次逼近式：16位以

20、下精度及速度均较高，抗干扰性差。原理图如图3.25。2）双斜率积分式：速度慢，但精度高，抗干扰性好。 原理图如图3.26。n输入/输出特性与性能指标有单路或多路输入；输出数据有不同的码制、形式、宽度等；主要性能指标有 1）分辨率 2）转换精度 3）转换时间 4）量程：能够转换的模拟信号范围等。A/D转换器及接口技术nADC0808/0809介绍w8位逐次逼近式、8路输入、三态输出缓冲器。 内部结构图如图3.27。w与CPU的接口如图3.28。程序实现逐次逼近式A/D转换，原理图见图3.29n10位以上A/D与CPU的接口w也要解决数据经8位数据线分时由CPU读取的问题。wAD1674是12位逐

21、次逼近式A/D，内部具有采样保持器，输入为多量程且可单极性或双极性输入。其主要引脚功能与控制信号真值表见图3.30。有12位同时输出和8位/4位分时输出两种输出方式，这决定了其与CPU的接口方式。见图3.31与图3.32。n本例采用多通路共享采样保持器和A/D转换器的结构形式。它利用多路开关，可实现64路模拟信号的输入转换。利用接口8255A实现数据输入/输出，A/D转换结果由PA口输入，通道选择地址由PB口输出，数据输入采用查询方式（也可以采用中断方式），数据输出采用直接方式。见图3.33。A/D转换器及D/A转换器讨论 n几个常用的A/D转换器及其与CPU的接口技术w5G14433 A/D

22、转换器:双斜率积分式、1路输入、BCD码分时输出。见图3.34。wADC0838 A/D转换器:4路差分或8路单端输入、8位数据串行输出。见图3.34。第四章 顺序控制与数字程序控制概述n顺序控制与数字程序控制是自动控制领域的一个重要方面，顺序控制与数字程序控制是自动控制领域的一个重要方面，这两种系统是按控制规律进行分类的。这两种系统是按控制规律进行分类的。n顺序控制：以事先规定好的时间或条件为依据，使被控对象顺序控制：以事先规定好的时间或条件为依据，使被控对象的各个执行机构按一定的动作次序顺序动作（工作），称之的各个执行机构按一定的动作次序顺序动作（工作），称之为按时序或按事序规定工作的自动

23、控制。它广泛应用于机床为按时序或按事序规定工作的自动控制。它广泛应用于机床控制、自动生产线控制、机械手控制等。其特点是：为开环控制、自动生产线控制、机械手控制等。其特点是：为开环控制、仅有动作次序的控制、是以开关量为主的控制。控制、仅有动作次序的控制、是以开关量为主的控制。 例如：自动剪板机的动作过程控制就是典型的顺序控制。其例如：自动剪板机的动作过程控制就是典型的顺序控制。其动作示意图见动作示意图见图图4.1 4.1 n数字程序控制：控制系统根据输入的指令和数据，控制生产数字程序控制：控制系统根据输入的指令和数据，控制生产机械按预先设定的运动轨迹运动并自动完成工作的一种控制。机械按预先设定的

24、运动轨迹运动并自动完成工作的一种控制。即使被控点按某种轨迹运动。它广泛应用于机床控制。其特即使被控点按某种轨迹运动。它广泛应用于机床控制。其特点是：为开环控制，有坐标位置的控制。点是：为开环控制，有坐标位置的控制。 例如：数控铣床就是典型的数字程序控制系统。见例如：数控铣床就是典型的数字程序控制系统。见图图4.2 4.2 顺序控制系统n典型的顺序控制系统组成如典型的顺序控制系统组成如图图4.3所示。所示。 该系统的控制过程可由自动剪板机的工作流程描述，见该系统的控制过程可由自动剪板机的工作流程描述，见图图4.4。n顺序控制系统实例（自动剪板机）：顺序控制系统实例（自动剪板机）： 行程开关信号（

25、行程开关信号（XK1 XK5）及控制按钮信号（）及控制按钮信号（AK1 AK2）送入送入8255A的的PA口。口。 控制信号送到控制信号送到8255A的的PB口。口。n一般一台微机可以控制多台生产机械，见一般一台微机可以控制多台生产机械，见图图4.5。n顺序控制中常需要进行逻辑运算，它可以由程序实现顺序控制中常需要进行逻辑运算，它可以由程序实现 。 D7D6D5D3D4D2D1D0AK1AK2XK1XK2XK3XK4XK5D7D6D5D3D4D2D1D0JCT1CT2CT3CT4数字程序控制系统n控制被控对象按给定轨迹运动原理控制被控对象按给定轨迹运动原理n插补计算过程及插补计算程序插补计算过

26、程及插补计算程序 插补计算时，每走一步，都要进行以下几步：插补计算时，每走一步，都要进行以下几步： 偏差判别；偏差判别； 坐标进给；坐标进给； 偏差与坐标计算；终点判断。偏差与坐标计算；终点判断。 实现逐点比较法直线与圆弧插补计算的程序流程图实现逐点比较法直线与圆弧插补计算的程序流程图 见图见图4.6.a 与与4.6.b。 。n计算机插补计算及控制走步时所需的数据可以以加工指令、加工程序的计算机插补计算及控制走步时所需的数据可以以加工指令、加工程序的形式给出形式给出n步进电机的驱动与控制步进电机的驱动与控制n数字程序控制数字程序控制系统组成如系统组成如图图4.7。n数字程序控制数字程序控制系统

27、实例系统实例 本例对象是一台可用于加工平面直线和圆弧形状工件的车床（工作台可作本例对象是一台可用于加工平面直线和圆弧形状工件的车床（工作台可作平面运动），工作台由平面运动），工作台由X轴、轴、Y轴二台步进电机拖动，具有单步和自动二轴二台步进电机拖动，具有单步和自动二种工作方式。种工作方式。 硬件结构框图硬件结构框图 如如图图4.8。 中断控制逻辑电路如中断控制逻辑电路如图图4.9。 中断子程序如中断子程序如图图4.10。顺序控制系统与数字程序控制系统的设计n顺序控制的特点是对各个执行机构进行动作次序的控制，为开环控制，开关量为主顺序控制的特点是对各个执行机构进行动作次序的控制，为开环控制，开关

28、量为主的控制。的控制。数字程序控制的特点是对生产机械进行坐标位置的控制，为开环控制，步进电机为数字程序控制的特点是对生产机械进行坐标位置的控制，为开环控制，步进电机为主的控制。主的控制。n顺序控制系统应具有方便接收和输出开关信号的能力，应按工艺控制要求设置相应顺序控制系统应具有方便接收和输出开关信号的能力，应按工艺控制要求设置相应数量的输入输出电路与接口，微机执行程序实现逻辑运算、记忆及时序判断的功能，数量的输入输出电路与接口，微机执行程序实现逻辑运算、记忆及时序判断的功能，完成全部自动顺序工作控制任务。完成全部自动顺序工作控制任务。数字程序控制系统应具有方便输入加工指令、数据，输出控制步进电

29、机信号的能力，数字程序控制系统应具有方便输入加工指令、数据，输出控制步进电机信号的能力，应设置相应数量的输入输出装置与接口，微机执行程序完成插补计算、步进电机驱应设置相应数量的输入输出装置与接口，微机执行程序完成插补计算、步进电机驱动控制等全部自动加工过程控制任务。动控制等全部自动加工过程控制任务。两个系统都应设置基本的人工干预操作开关、按键等。两个系统都应设置基本的人工干预操作开关、按键等。n顺序控制系统的控制程序遵循了被控对象的工作流程，基本上是以下几步的反复：顺序控制系统的控制程序遵循了被控对象的工作流程，基本上是以下几步的反复：输入信号；判断；输出信号，产生时序信号的定时器可以是硬件也

30、可以是软输入信号；判断；输出信号，产生时序信号的定时器可以是硬件也可以是软件。件。数字程序控制系统的控制程序基本上包括以下几个内容：数字程序控制系统的控制程序基本上包括以下几个内容： 数据准备；插补计数据准备；插补计算；控制走步，加工速度的控制可以采用硬件也可以采用软件。算；控制走步，加工速度的控制可以采用硬件也可以采用软件。 在自动控制应用领域中，过程控制是一个基本的主要的方在自动控制应用领域中，过程控制是一个基本的主要的方面面,如温度、流量、压力等的控制，也是微机控制中的一个主如温度、流量、压力等的控制，也是微机控制中的一个主要内容。要内容。对生产过程中的某一或某些物理参数进行的自动控制称

31、为对生产过程中的某一或某些物理参数进行的自动控制称为过程控制过程控制(模拟过程控制）。模拟过程控制）。模拟过程控制系统基本框图：模拟过程控制系统基本框图：如如图图5.1各个量均为连续的模拟量，是典型的闭环（反馈）系统。各个量均为连续的模拟量，是典型的闭环（反馈）系统。目的：自动调节被控制量以使偏差趋于零（使被控量跟踪给目的：自动调节被控制量以使偏差趋于零（使被控量跟踪给定量）。定量）。称为依一定的控制规律进行调节（对偏差进行某种运算，结称为依一定的控制规律进行调节（对偏差进行某种运算，结果为控制量）。果为控制量）。对偏差按一定控制规律运算的电路称为模拟调节器对偏差按一定控制规律运算的电路称为模

32、拟调节器 关于关于PID控制规律控制规律 PID调节器调节器其控制原理框图为：其控制原理框图为：如如图图5.1 PID调节器将偏差的比例（调节器将偏差的比例（P）、）、积分（积分（I）、）、微分（微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制（调节）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制（调节）即即u(t)为对为对 e(t) 进行比例、积分、微分运算结果的相加。进行比例、积分、微分运算结果的相加。 在实际应用中，常根据对象的特性要求将在实际应用中，常根据对象的特性要求将PID适当组合以适当组合以达到有效的控制。达到有效的控制。 比例调节器：比例调节器：控制规律（控制算式）控制规律（控

33、制算式） Kp为比例系数为比例系数 传递函数传递函数即时成比例地反映即时成比例地反映e(t)，e(t)一旦产生，立即产生控制作用以一旦产生，立即产生控制作用以减小减小e(t)。)()(tKpetu)()(teKtuPPKSG)(比例、积分调节器：比例、积分调节器：控制规律（控制算式）控制规律（控制算式） TI 为积分时间常数为积分时间常数 传递函数传递函数 积分环节的主要作用：消除静差，改善静态特性。积分环节的主要作用：消除静差，改善静态特性。只要偏差存在，其输出的调节作用便随时间不断加强，直至偏只要偏差存在，其输出的调节作用便随时间不断加强，直至偏差为零，偏差消除后其输出将停留在新位置而不能

34、恢复原位，差为零，偏差消除后其输出将停留在新位置而不能恢复原位，因而能保持静差为零。因而能保持静差为零。单纯的积分过于缓慢，会使动态品质变坏。单纯的积分过于缓慢，会使动态品质变坏。tIPtdteTteKtu0)()(1)()(sTKsGIP11)(比例、微分调节器：比例、微分调节器：控制规律（控制算式）控制规律（控制算式） TD为微分时间常数为微分时间常数 传递函数传递函数微分环节的主要作用：能反应微分环节的主要作用：能反应e(t)的变化趋势（变化速率）的变化趋势（变化速率）,并并能在能在e(t)的值变的太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正的值变的太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信

35、号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间，有利于减小信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间，有利于减小超调，使系统稳定并改善动态特性。超调，使系统稳定并改善动态特性。dttdeTteKtuDP)()()(STKsGDP1)(比例、积分、微分调节器：比例、积分、微分调节器：控制规律（控制算式）控制规律（控制算式） 传递函数传递函数模拟模拟PID调节器是用硬件来实现调节器是用硬件来实现PID控制规律的（完成相应控制规律的（完成相应的运算）。对于微机过程控制来说，可以由机算计通过执行的运算）。对于微机过程控制来说，可以由机算计通过执行程序（即用计算机软件）来实现。程序（即用计算机软件）来实现。

36、该程序称为数字该程序称为数字PID控制器控制器。dttdeTtdteTteKtuDtIP)()()(1)()(0STSTKsGDIP11)(微机过程控制系统的特点微机过程控制系统的特点在模拟控制系统中，以微机代替模拟调节器，就构成微机过在模拟控制系统中，以微机代替模拟调节器，就构成微机过程控制系统，模拟调节器也由数字控制器取代，该系统的典程控制系统，模拟调节器也由数字控制器取代，该系统的典型结构为型结构为DDC系统。系统。如如图图5.2 系统中有数字量（离散量）、模拟量。称为系统中有数字量（离散量）、模拟量。称为“混合系统混合系统” y(k) y*(t) e(k) u(k) u*(t)均在时间

37、上不连续均在时间上不连续而而y(t)、u(t)则在时间上连续则在时间上连续将定时采样和阶段控制代替连续检测与连续控制。将定时采样和阶段控制代替连续检测与连续控制。 计算机只能对各采样时刻的值计算机只能对各采样时刻的值e(i)计算得到计算得到u (k) 由于前述由于前述PID算式是连续控制算式，是对连续量进行计算的，算式是连续控制算式，是对连续量进行计算的，因此计算机不能按它直接进行运算，只能根据离散控制算式进因此计算机不能按它直接进行运算，只能根据离散控制算式进行运算。行运算。 T0te(t)e(i+1)e(k)e(i)e(2)e(1)e(0)2T(i+1)TiTkTT为采样周期，为采样周期，

38、k为采样序号为采样序号 kT为采样时刻（离散时刻）为采样时刻（离散时刻）也称为也称为K时刻时刻第第k次采样值次采样值y(k T)记为记为y(k)第第k次偏差值次偏差值e(k T)记为记为e(k) 数字数字PID控制算法控制算法计算机能实现的控制算式是离散控制算式，根据该算式作为计算机能实现的控制算式是离散控制算式，根据该算式作为算法进行编程，计算机执行该程序完成对偏差的相应运算，实算法进行编程，计算机执行该程序完成对偏差的相应运算，实现某种控制规律，所以数字控制器的设计实际上是算法的设计。现某种控制规律，所以数字控制器的设计实际上是算法的设计。这里采用这里采用PID控制规律的离散化设计方法得到

39、离散控制规律的离散化设计方法得到离散PID控制算控制算式离散的方法有很多，目的是将式离散的方法有很多，目的是将G(s)化为化为G(z)用数值逼近的方法使用数值逼近的方法使PID算式离散化：算式离散化：用差分代替微分，用矩形（或梯形）和式代替积分用差分代替微分，用矩形（或梯形）和式代替积分（称为（称为差分近似法，即将差分近似法，即将微分方程化成差分方程）微分方程化成差分方程）差分近似法具体过程如下：差分近似法具体过程如下： 根据根据在采样时刻有在采样时刻有积分项的离散积分项的离散微分项的离散微分项的离散 得得dttdeTtdteTteKtuDtIP)()()(1)()(0ktDkIPdttdeT

40、tdteTkeKku)()()(1)()(0kikTietdte00)()()(Tkekedttdekt) 1()()(kiDIPTkekeTTieTkeKku0) 1()()(1)()(式称为差分方程，是式称为差分方程，是PIDPID控制规律的离散化形式，是计算机控制规律的离散化形式，是计算机能实现的控制算式，它是对离散值能实现的控制算式，它是对离散值e(k)e(k)进行的进行的PIDPID运算，用该运算，用该式计算式计算u(k)(k)只需用各只需用各k k时刻的时刻的e(k)e(k)。按式计算按式计算u(k)时，需涉及到过去所有状态时，需涉及到过去所有状态e(0) e(1)计算量计算量大，

41、时间长、占用内存单元多，为此将式化成递推形式：大，时间长、占用内存单元多，为此将式化成递推形式： 用用式式- -式得：式得：10)2() 1()(1) 1() 1(kiDIPTkekeTTieTkeKku) 2() 1()() 1() 2() 1()2()()1 () 1()(210keakeakeakukeTKTkeTTKKkeTTTTKkukuPDDPPDIP 式及式及式式称为位置式称为位置式PIDPID控制算式，因为它提供了执行机控制算式，因为它提供了执行机构的位置构的位置，即它作为控制机构的控制量，对应于执行机构在即它作为控制机构的控制量，对应于执行机构在kTkT时刻应达到的位置，若执

42、行机构为阀门，相当于阀门的开度。时刻应达到的位置，若执行机构为阀门，相当于阀门的开度。 在许多情况下，执行机构本身具有累加或记忆功能，如步进在许多情况下，执行机构本身具有累加或记忆功能，如步进电机，只要给出一个增量信号即可在原来位置上前进或后退一电机，只要给出一个增量信号即可在原来位置上前进或后退一步，达到新的位置，这些执行机构不需控制量的绝对值而是增步，达到新的位置，这些执行机构不需控制量的绝对值而是增量值，这时可由式导出提供增量的量值，这时可由式导出提供增量的PID算式：算式： 式为增量式控制算式，它使执行机构位置的变化小，故应用式为增量式控制算式，它使执行机构位置的变化小，故应用广泛。广

43、泛。) 2() 1()() 1()()(210keakeakeakkuku PID算法（式、式）的程序实现算法（式、式）的程序实现 位置式位置式PID数字控制器的程序流程图：数字控制器的程序流程图： 离线计算a0 、a1、a2取y(k),求e(k) 计算a0e(k)、 计算a1e(k-1)、 计算a2e(k-2)计算u(k)：加a0e(k)、减a1e(k-1)、加a2e(k-2)输出u(k) u(k) u(k-1)、e(k) (k-1) e(k-1) e(k-2)采样形成偏差采样形成偏差完成完成PID运算运算输出控制量输出控制量作下次准备作下次准备参数的整定十分重要，整定的好坏直接影响调节品质

44、。参数的整定十分重要，整定的好坏直接影响调节品质。 主要是确定主要是确定KP、 KI、 KD 和采样周期和采样周期T。对结构和控制算式的对结构和控制算式的形式已经确定的控制系统，控制质量的好坏取决与参数的选择。形式已经确定的控制系统，控制质量的好坏取决与参数的选择。 由于一般的连续生产过程都具有较大的时间常数，在大多数由于一般的连续生产过程都具有较大的时间常数，在大多数情况下，采样周期与系统的时间常数相比小的多（这是情况下，采样周期与系统的时间常数相比小的多（这是PID数数字化方法的前提条件），所以数字字化方法的前提条件），所以数字PID控制器的参数整定可以控制器的参数整定可以利用模拟调节器的

45、各种整定方法，并且要合理选择并调整利用模拟调节器的各种整定方法，并且要合理选择并调整T。最后在实践中加以检验与修正。这种准连续控制效果可以非常最后在实践中加以检验与修正。这种准连续控制效果可以非常接近连续的接近连续的PID调节。调节。采样周期的选择采样周期的选择选取受到多方面因素的制约：选取受到多方面因素的制约： 香农定理香农定理 要求要求 2max，即要求即要求T小。小。从控制质量上看，要求从控制质量上看，要求T小，这样与连续系统更接近。小，这样与连续系统更接近。从执行机构响应较慢看，从执行机构响应较慢看，T不能过短。不能过短。从计算量、计算机运行速度、从计算量、计算机运行速度、A/D、D/

46、A转换速度和控制转换速度和控制更多回路等角度考虑，希望更多回路等角度考虑，希望T大。大。它们是矛盾的，因此，实际选用它们是矛盾的，因此，实际选用T时应综合考虑多方面因素。时应综合考虑多方面因素。按模拟按模拟PID控制参数整定的方法有二种：理论设计法及实控制参数整定的方法有二种：理论设计法及实验确定法验确定法理论设计法（前提是要有被控对象准确的数学模型）是理论设计法（前提是要有被控对象准确的数学模型）是通过系统综合的方法予以确定通过系统综合的方法予以确定PIDPID调节参数。调节参数。 实验确定法实验确定法 常常在一般工业过程中很难确定被控对象常常在一般工业过程中很难确定被控对象的数学模型，这时

47、就采用实验确定法来确定的数学模型，这时就采用实验确定法来确定PID的参数。的参数。常采用的实验方法有：常采用的实验方法有：A、试凑法试凑法 B、扩充临界比例度法扩充临界比例度法C、扩充响应曲线法扩充响应曲线法 D、过度过程响应法方法过度过程响应法方法A、试凑法试凑法 试凑法是通过仿真或实际运行，观察系统对典型输入作用的试凑法是通过仿真或实际运行，观察系统对典型输入作用的响应曲线，根据各控制参数对系统的响应曲线，根据各控制参数对系统的影响影响，反复调节试凑，直到，反复调节试凑，直到满意为止，从而确定满意为止，从而确定PID参数。在试凑时，可以参考参数。在试凑时，可以参考PID参数对参数对控制过程

48、的影响趋势，实行先比例、后积分、再微分的反复调整。控制过程的影响趋势，实行先比例、后积分、再微分的反复调整。其具体调整步骤如下：其具体调整步骤如下：1.1. 整定比例部分整定比例部分2.2. 加入积分环节加入积分环节 3.加入微分环节加入微分环节 B、扩充临界比例度法扩充临界比例度法 扩充临界比例度法是模拟控制器使用的临界比例度法的扩充，它用扩充临界比例度法是模拟控制器使用的临界比例度法的扩充，它用来整定数字来整定数字PID控制器的参数。其整定步骤如下：控制器的参数。其整定步骤如下：（1）择一合适的采样周期。所谓合适的采样周期足够小，此采样周期）择一合适的采样周期。所谓合适的采样周期足够小，此

49、采样周期我们用我们用Tmin表示。表示。 （2）用上述的）用上述的Tmin，仅让控制器作纯比例控制，逐渐增大比例系数仅让控制器作纯比例控制，逐渐增大比例系数Kp，直至使系统出现等幅振荡，记下此时的比例系数直至使系统出现等幅振荡，记下此时的比例系数Kr与振荡周与振荡周期期Tr。（3）选择控制度。控制度定义为数字控制系统误差平方的积分与对应选择控制度。控制度定义为数字控制系统误差平方的积分与对应的模拟控制系统误差平方的积分之比。的模拟控制系统误差平方的积分之比。（4 4）选择控制度后，按扩充临界比例度法整定计算公式表求得各参数。选择控制度后，按扩充临界比例度法整定计算公式表求得各参数。（5）按求得

50、的参数运行，在运行中观察控制效果，用试凑法进一步寻按求得的参数运行，在运行中观察控制效果，用试凑法进一步寻求更为满意的数值。求更为满意的数值。 C、扩充响应曲线法扩充响应曲线法 扩充响应曲线法是将模拟控制器响应曲线法推广用来求数字扩充响应曲线法是将模拟控制器响应曲线法推广用来求数字PID控控制器参数，具体步骤如下：制器参数，具体步骤如下：（1）断开数字控制器，通过手动给被控对象一个阶跃输入信号。断开数字控制器，通过手动给被控对象一个阶跃输入信号。（2）用仪表记录下被控参数在此阶跃输入作用下的变化过程曲线，即）用仪表记录下被控参数在此阶跃输入作用下的变化过程曲线，即对象的阶跃响应曲线。对象的阶跃

51、响应曲线。（3）在对象的响应曲线上，过拐点在对象的响应曲线上，过拐点P作切线，求出等效纯滞后时间作切线，求出等效纯滞后时间和和等效时间常数等效时间常数Tm，并算出它们的比值并算出它们的比值Tm/ 。（4 4）选择控制度。选择控制度。（5）根据所求得的根据所求得的、Tm和和Tm/ 的值，查的值，查扩充响应曲线法整定计算扩充响应曲线法整定计算公式公式表，即可求得表，即可求得PID控制器的各参数。控制器的各参数。（6）投入运行，观察控制效果，适当修正参数，直到满意为止。投入运行，观察控制效果，适当修正参数，直到满意为止。 利用计算机控制的灵活性，人们提出了各种各样的用以提高利用计算机控制的灵活性，人

52、们提出了各种各样的用以提高控制质量的控制质量的PID改进算法，这些是模拟改进算法，这些是模拟PID无法相比的。无法相比的。数字数字PIDPID除了实现除了实现PIDPID基本算法外，还可以根据调节中出现的基本算法外，还可以根据调节中出现的问题，用程序的手段进行修正。问题，用程序的手段进行修正。根据控制系统的实际要求进行某些改进以改善系统的调节品根据控制系统的实际要求进行某些改进以改善系统的调节品质，它不需要增加硬件设备，仅对基本算法进行某种改进，质，它不需要增加硬件设备，仅对基本算法进行某种改进，就能达到改善控制的目的，因此在计算机控制系统中改进算就能达到改善控制的目的，因此在计算机控制系统中

53、改进算法应用十分广泛。法应用十分广泛。 几种几种PID改进算法改进算法积分分离积分分离PID算法算法 不完全微分不完全微分PID算法算法微分先行微分先行PID算法算法 带有死区的带有死区的PID算法算法第六章 微机控制系统设计 数据采集与处理系统设计数据采集系统概述n在现代工业生产过程中，需要对大量的过程参数进行观测、在现代工业生产过程中，需要对大量的过程参数进行观测、记录与分析。这就要求对过程参数进行检测，然后根据获得记录与分析。这就要求对过程参数进行检测，然后根据获得的结果作出相应的处理，以便于人们对系统运行情况的了解的结果作出相应的处理，以便于人们对系统运行情况的了解或决策。这就是所谓的

54、数据采集与处理，所构成的系统也就或决策。这就是所谓的数据采集与处理，所构成的系统也就是数据采集系统（是数据采集系统（DAS）。）。 数据采集与处理是每个微机控制系统都应具备的基本功能。数据采集与处理是每个微机控制系统都应具备的基本功能。n设计设计数据采集系统主要需考虑以下几个问题：数据采集系统主要需考虑以下几个问题：1）采集的模拟量通道数：采集的模拟量通道数：它决定了系统的结构方案。应根据系它决定了系统的结构方案。应根据系统不同的要求来选择。统不同的要求来选择。2）分辨率和精度：它决定了对数据采集系统的核心分辨率和精度：它决定了对数据采集系统的核心A/D转转换器的位数要求。换器的位数要求。 3

55、）采样周期采样周期 数据采集系统的功能n数据采集系统一般应具有以下几个方面的功能：数据采集系统一般应具有以下几个方面的功能： 1）能完成数据采集：）能完成数据采集：对多个输入通道输入的生产现场信息，能对多个输入通道输入的生产现场信息，能够按顺序逐个检测（巡回检测），或按指定对某一个通道进行够按顺序逐个检测（巡回检测），或按指定对某一个通道进行检测（选择检测）。检测（选择检测）。2）能够对所采集的数据进行检查和处理。例如有效性检查、越能够对所采集的数据进行检查和处理。例如有效性检查、越限检查、数字滤波、线性化、数字量与工程量转换等。限检查、数字滤波、线性化、数字量与工程量转换等。 3）当采集到的

56、数据超过上限值或下限值时，系统能够产生声光当采集到的数据超过上限值或下限值时，系统能够产生声光报警，提示操作者处理。报警，提示操作者处理。 4）系统在运行过程中，可随时接受由键盘输入的命令，以达到系统在运行过程中，可随时接受由键盘输入的命令，以达到随时显示、打印的目的。随时显示、打印的目的。 5）在系统内部能存储采集数据。在系统内部能存储采集数据。 6）具有实时时钟，它除了能保证系统定时中断、确定采集数据具有实时时钟，它除了能保证系统定时中断、确定采集数据的周期外，还能为采集数据的显示、打印提供当前的时间和日的周期外，还能为采集数据的显示、打印提供当前的时间和日期的时间值，作为操作人员对采集结

57、果分析的时间参考。期的时间值，作为操作人员对采集结果分析的时间参考。数据采集系统的硬件及软件结构n数据采集系统的硬件基本结构前面已介绍数据采集系统的硬件基本结构前面已介绍, , 见见图图6.16.1n程序结构取决于采样周期的控制方式。程序结构取决于采样周期的控制方式。 CPU执行其程序实现对数据采集与处理过程的控制。执行其程序实现对数据采集与处理过程的控制。1）利用软件延时控制采样周期：通过插入）利用软件延时控制采样周期：通过插入NOP指令或调用延时程序，系统可不具备时钟。指令或调用延时程序，系统可不具备时钟。 见图见图6.2 2）利用硬件定时器控制采样周期：系统应具备）利用硬件定时器控制采样

58、周期：系统应具备时钟。见时钟。见图图6.3数据采集与处理系统举例这里给出一种基于这里给出一种基于8031单片机的系统设计方案：单片机的系统设计方案：n扩展了扩展了2K片外片外RAM，片外片外ROM扩展未画，扩展了扩展未画，扩展了接口接口373用于输出通道选择信号（通道地址），扩用于输出通道选择信号（通道地址），扩展了展了ADC0809用于转换并输入模拟信号，扩展了用于转换并输入模拟信号，扩展了接口接口8279用于输出显示数据及输入键盘数据。用于输出显示数据及输入键盘数据。 主机部分原理图如主机部分原理图如图图6.4。 通道选择部分原理图如通道选择部分原理图如图图6.5 。n控制程序依据数据输入

59、采用查询或中断方式，控制程序依据数据输入采用查询或中断方式，采样采样周期的控制方式编制，可以有多种方案周期的控制方式编制，可以有多种方案。 DDC系统设计DDC系统概述n该系统将计算机得出的控制量直接用于调节该系统将计算机得出的控制量直接用于调节生产过程中的被控参数，一般为在线实时闭生产过程中的被控参数，一般为在线实时闭环控制系统，是工业生产计算机控制系统中环控制系统，是工业生产计算机控制系统中用得最广泛的一种形式。用得最广泛的一种形式。n无论控制对象如何多样化，复杂化，微机控无论控制对象如何多样化，复杂化，微机控制系统设计一般包括总体方案设计、控制算制系统设计一般包括总体方案设计、控制算法设

60、计、硬件设计、软件设计、系统调试等法设计、硬件设计、软件设计、系统调试等内容。内容。 总体方案设计n确定控制任务：熟悉生产工艺流程，了解系统控制要求，确定控制任务：熟悉生产工艺流程，了解系统控制要求，明确系统任务与功能指标。明确系统任务与功能指标。n考虑系统总体结构。考虑系统总体结构。n确定需检测的过程参量个数、需采用的检测元件及检测确定需检测的过程参量个数、需采用的检测元件及检测精度，确定输出机构方式、控制回路数。精度，确定输出机构方式、控制回路数。n确定微机应承担的任务及应具备的功能，并据此选择微确定微机应承担的任务及应具备的功能，并据此选择微机。机。n确定需设计哪些输入输出通道和配置什么