单片机控制系统

1、2022-6-71第二讲第二讲 单片机控制系统单片机控制系统 单片机控制系统是计算机技术与自动控制理论、单片机控制系统是计算机技术与自动控制理论、自动化技术以及检测与传感技术、通信与网络技自动化技术以及检测与传感技术、通信与网络技术紧密结合的产物。术紧密结合的产物。2022-6-72 本章主要介绍单片机控制系统的基本概本章主要介绍单片机控制系统的基本概念、结构组成、特点、分类念、结构组成、特点、分类2022-6-731 1 控制系统的基本概念控制系统的基本概念 由被控制对象和控制装置所构成，能对被控制对由被控制对象和控制装置所构成，能对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统象的工作状态进行自动

2、控制的系统 。 自动控制，是在没有人直接参与的情况下，通过自动控制，是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。控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。 图图1 1 控制系统基本结构控制系统基本结构 2022-6-742 2 控制系统的分类控制系统的分类按控制原理的不同，自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。 开环控制系统 在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都比较差。开环控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系统；由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。主要应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制

3、以及机械手和生产自动线。 闭环控制系统 闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。闭环控制系统又称反馈控制系统。2022-6-752 2 控制系统的分类控制系统的分类按给定信号分类，自动控制系统可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。 恒值控制系统 给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。 随动控制系统 给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。如跟随卫星的雷达天线系统。 程序控制系统这种系统的给定量是按照一定的时间

4、函数变化的，如程序控制机床的程序控制系统的输出量应与给定量的变化规律相同。2022-6-763 3 单片机控制系统的组成和特点单片机控制系统的组成和特点单片机控制系统由硬件和软件两部分组成。单片机控制系统由硬件和软件两部分组成。 硬件组成：硬件组成：主要由单片机系统和过程输入输出通道、主要由单片机系统和过程输入输出通道、被控对象、执行器、检测变送环节等组成。被控对象、执行器、检测变送环节等组成。 软件组成：软件组成：系统软件和应用软件。系统软件和应用软件。 在单片机控制系统中，硬件和软件不是独立存在单片机控制系统中，硬件和软件不是独立存在的，在设计时必须注意两者相互间的有机配合和在的，在设计时

5、必须注意两者相互间的有机配合和协调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量协调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量的控制系统。通常：的控制系统。通常：硬件决定软件硬件决定软件2022-6-77图图2 2 控制系统的组成框图控制系统的组成框图2022-6-78单片机控制系统的特点单片机控制系统的特点 在单片机控制系统中，被控制量通常是模在单片机控制系统中，被控制量通常是模拟量，而计算机本身的输入输出量都是数字量。拟量，而计算机本身的输入输出量都是数字量。因此，计算机控制系统大都具有数字因此，计算机控制系统大都具有数字模拟混模拟混合式的结构。合式的结构。 2022-6-79模拟信号模拟信号时间

6、上和幅值上都连续的信号。时间上和幅值上都连续的信号。离散模拟信号离散模拟信号时间上离散幅值上连续的信号。时间上离散幅值上连续的信号。数字信号数字信号时间上离散，幅值也离散的信号。时间上离散，幅值也离散的信号。采样采样将模拟信号抽样成离散模拟信号的过程。将模拟信号抽样成离散模拟信号的过程。量化量化采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转 换成数字信号。换成数字信号。图图3 3 控制系统中信号变换与传递控制系统中信号变换与传递 2022-6-7104 4 控制系统的性能及其指标控制系统的性能及其指标 控制系统的稳定性控制系统的稳定性 图图9 9 过渡

7、过程的过渡过程的4 4种情况种情况（a a）发散振荡）发散振荡 （b b）衰减振荡）衰减振荡 （c c）等幅振荡）等幅振荡 （d d）非周期衰减）非周期衰减2022-6-711 控制系统的能控性和能观测性控制系统的能控性和能观测性 系统控制的主要目的是驱动系统从某一状态到达指系统控制的主要目的是驱动系统从某一状态到达指定的状态。如果系统不能控，就不可能通过选择控制作定的状态。如果系统不能控，就不可能通过选择控制作用，使系统状态从初始状态到达指定状态。用，使系统状态从初始状态到达指定状态。 能控性和能观性从状态的控制能力和状态的测能控性和能观性从状态的控制能力和状态的测辨能力两个方面揭示了控制系

8、统的两个基本问题。辨能力两个方面揭示了控制系统的两个基本问题。 能控性能控性 用状态反馈构成控制规律，从它的测量输出中获得用状态反馈构成控制规律，从它的测量输出中获得系统状态的信息。如果输出不反映状态信息，这样的系系统状态的信息。如果输出不反映状态信息，这样的系统被称为是不能观的。统被称为是不能观的。能观性能观性2022-6-7123. 3. 控制系统的动态指标控制系统的动态指标 图图10 10 阶跃信号作用下的系统动态过程阶跃信号作用下的系统动态过程动态指标能够比动态指标能够比较直观地反映控较直观地反映控制系统的过渡过制系统的过渡过程特性，动态指程特性，动态指标包括超调量，标包括超调量，调节

9、时间，峰值调节时间，峰值时间，衰减比和时间，衰减比和振荡次数。振荡次数。 2022-6-713 超调量超调量 p %100p yyym 表示了系统过冲的程度。设输出量表示了系统过冲的程度。设输出量 的最大值为的最大值为 ，输出量，输出量 的稳态值为的稳态值为 ，则超调量定义为，则超调量定义为 p ymy)(ty)(ty 超调量通常以百分数表示，它反映了系统动态过超调量通常以百分数表示，它反映了系统动态过程的平稳性。程的平稳性。2022-6-714 调整时间调整时间 st 调整时间调整时间 反映了过渡过程时间的长短，当反映了过渡过程时间的长短，当 时，若时，若 ，则，则 定义为调定义为调整时间，

10、式中整时间，式中 是输出量是输出量 的稳态值，的稳态值， 取取0.02 0.02 或或0.05 0.05 。它反映了动态过程进行。它反映了动态过程进行的快慢，是系统的快速性指标。的快慢，是系统的快速性指标。 ststt yty )(stmy)(ty y y2022-6-7154 . 4 . 控制系统的稳态指标控制系统的稳态指标 稳态指标是衡量控制系统精度的指标，用稳稳态指标是衡量控制系统精度的指标，用稳态误差来表征。稳态误差是输出量态误差来表征。稳态误差是输出量 的稳态值的稳态值 与要求值与要求值 的差值，定义为的差值，定义为 )(ty y0y yyess02022-6-7165. 5. 控制

11、系统的综合指标控制系统的综合指标 综合性能指标通常有综合性能指标通常有3 3种类型种类型 1) 1) 积分型指标积分型指标 u误差平方的积分误差平方的积分 ttteJ02d)( 这种性能指标着重权衡大的误差，而较少顾这种性能指标着重权衡大的误差，而较少顾及小的误差，但这种指标数学上易于处理，可以及小的误差，但这种指标数学上易于处理，可以得到数学解析解，因此经常使用。得到数学解析解，因此经常使用。 2022-6-717 这种指标较少考虑大的起始误差，着重权衡这种指标较少考虑大的起始误差，着重权衡过渡特性后期出现的误差，有较好的选择性。该过渡特性后期出现的误差，有较好的选择性。该指标反映了控制系统的快速性和精确性。指标反映了控制系统的快速性和精确性。 u 时间乘误差平方的积分时间乘误差平方的积分ttteJtd)(02 2022-6-718u加权二次型性能指标加权二次型性能指标tRuueQeJtd)(T0T tururteqeqttd)(d)(22202112222101 不仅控制了动态性能指标，而且限制了控制不仅控制了动态性能指标，而且限制了控制信号的功率。信号的功率。 对于多变量控制系统，可用：对于多变量控制系统，可用：2022-6-7192 2）末值型指标）末值型指标 ff),(SttxJ 当要求系统在末值时刻当要求系统在末值时刻 具有最小稳态误差，