计算机控制技术及应用全套课件

计算机控制技术及应用王平谢昊飞蒋建主编金山办公软件有限公司汇报人：WPS第1章绪论第1章绪论1.1自动化技术与信息技术的关系

1.2自动控制系统的基本结构

1.3计算机控制系统基本原理

1.4计算机控制系统的分类

1.4.1按功能及结构分类

1.4.2按控制规律分类

1.4.3按控制方式分类

1.5计算机控制系统的特点

1.6计算机控制系统的性能及其指标

1.6.1性能指标

1.6.2控制对象的特性对控制性能的影响

1.7计算机控制技术的知识体系第1章绪论1.8计算机控制技术的发展

1.8.1现代计算机技术对控制技术的影响

1.8.2计算机控制技术的发展动向图1-1信息技术的四个组成部分及其信息链1.1自动化技术与信息技术的关系图1-2从信息技术角度看

基本自动化系统的组成1.1自动化技术与信息技术的关系图1-3自动控制系统的基本结构

a)闭环控制系统b)开环控制系统1.2自动控制系统的基本结构1.3计算机控制系统基本原理(1)实时数据采集实时采集被控参数的瞬时值，并输入计算机。

(2)实时决策控制分析采集到的表征被控参数的状态量，并按已确定的控制规律决定进一步的控制行为。

(3)实时控制输出根据作出的控制决策，适时地向执行机构发出控制信号，在线、实时地执行控制任务。图1-4计算机控制系统基本原理图1.3计算机控制系统基本原理图1-5典型计算机控制系统的组成结构1.3计算机控制系统基本原理实时数据采集实时采集被控参数的瞬时值，并输入计算机。

(2)实时决策控制分析采集到的表征被控参数的状态量，并按已确定的控制规律决定进一步的控制行为。

(3)实时控制输出根据作出的控制决策，适时地向执行机构发出控制信号，在线、实时地执行控制任务。

1.4计算机控制系统的分类1.4.1按功能及结构分类

1.4.2按控制规律分类

1.4.3按控制方式分类1.4.1按功能及结构分类1.操作指导控制系统

2.直接数字控制系统

3.监督控制系统

4.集散控制系统

5.现场总线控制系统

6.工业以太网控制系统

7.综合自动化系统1.操作指导控制系统操作指导控制系统(OperationGuidanceControl，OGC)的组成如图1-6所示。计算机根据一定的算法，依据检测元件测得的信号数据，对生产过程的大量参数作巡回检测、处理、分析、记录以及参数的超限报警等。通过对大量参数的统计和实时分析，预测生产过程的各种趋势，为操作人员提供参考。或者计算出可供操作人员选择的最优操作条件及操作方案。操作人员则根据计算机输出的信息去改变调节器的给定值或直接操作执行机构。图1-6操作指导控制系统的组成2.直接数字控制系统图1-7直接数字控制系统的结构2.直接数字控制系统3.监督控制系统(1)SCC+模拟调节器的控制系统该系统原理图如图1-8a所示。

(2)SCC+DDC的控制系统该系统原理图如图1-8b所示。

图1-8监督控制系统的结构

a)SCC+模拟调节器原理图b)SCC+DDC原理图(1)SCC+模拟调节器的控制系统该系统原理图如图1-8a所示。图1-8监督控制系统的结构

a)SCC+模拟调节器原理图b)SCC+DDC原理图(2)SCC+DDC的控制系统该系统原理图如图1-8b所示。图1-9集散控制系统的基本结构4.集散控制系统图1-10分级计算机控制系统4.集散控制系统图1-11现场总线控制系统5.现场总线控制系统6.工业以太网控制系统(1)应用广泛以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的技术支持。

(2)成本低廉由于以太网的应用最为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商的高度重视与广泛支持，有多种硬件产品供用户选择，硬件价格也相对低廉。

(3)通信速率高目前以太网的通信速率为10Mbit/s，100Mbit/s的快速以太网也开始广泛应用，1000Mbit/s以太网技术也逐渐成熟，10Gbit/s以太网也正在研究。

(4)软硬件资源丰富由于以太网已应用多年，人们对以太网的设计、应用等方面有很多的经验，对其技术也十分熟悉。

(5)可持续发展能力强工业控制网络采用以太网，就可以使其发展汇入计算机网络技术的主流，从而使工业控制网络与信息网络技术互相促进，共同发展，并保证技术上的可持续发展，在技术升级方面无需单独的研究投入。6.工业以太网控制系统(6)易于实现管控一体化——E网到底易于实现控制网络与信息网络的无缝集成，建立统一的企业网络。

(7)易于实现多种现场总线控制系统的集成近年来，随着以太网技术的迅速发展，以太网作为现场总线的中高层通信网络已形成共识，主流现场总线都在各自修改其应用层协议，支持以太网协议，争取通过高层协议以达到相互兼容之目的。图1-12EPA控制系统典型结构6.工业以太网控制系统(1)应用广泛以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的技术支持。因此，如果采用以太网作为现场总线，可以保证有多种开发工具、开发环境供选择。事实上，以太网已经成为控制网络结构中管理层与监控层网络的普遍选择。(2)成本低廉由于以太网的应用最为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商的高度重视与广泛支持，有多种硬件产品供用户选择，硬件价格也相对低廉。

(3)通信速率高目前以太网的通信速率为10Mbit/s，100Mbit/s的快速以太网也开始广泛应用，1000Mbit/s以太网技术也逐渐成熟，10Gbit/s以太网也正在研究。

(4)软硬件资源丰富由于以太网已应用多年，人们对以太网的设计、应用等方面有很多的经验，对其技术也十分熟悉。

(5)可持续发展能力强工业控制网络采用以太网，就可以使其发展汇入计算机网络技术的主流，从而使工业控制网络与信息网络技术互相促进，共同发展，并保证技术上的可持续发展，在技术升级方面无需单独的研究投入。

(6)易于实现管控一体化——E网到底易于实现控制网络与信息网络的无缝集成，建立统一的企业网络。

(7)易于实现多种现场总线控制系统的集成近年来，随着以太网技术的迅速发展，以太网作为现场总线的中高层通信网络已形成共识，主流现场总线都在各自修改其应用层协议，支持以太网协议，争取通过高层协议以达到相互兼容之目的。

7.综合自动化系统(1)ERP企业资源计划系统ERP企业资源计划系统包括人力资源管理、财务管理、生产数据管理、生产计划管理、生产作业计划管理等企业经营管理功能，对企业各种资源进行有效的管理。

(2)MES生产执行系统MES生产执行系统是处于计划层与控制层之间的执行层，起到对由生产过程产生的信息以及由经营管理和生产管理活动中产生的信息进行转换、加工、传递的作用，是生产活动与管理活动信息集成的重要桥梁和纽带。

(3)PCS过程控制系统PCS过程控制系统处理的对象是与生产过程有关的局部系统，包括生产装置、生产过程的控制和优化、生产系统的调度等，其目标是在总体指标的约束下，使某局部生产过程处于最优运行状态。图1-13综合自动化

系统分层模型7.综合自动化系统图1-14综合自动化系统的典型体系结构7.综合自动化系统图1-15综合自动化系统的组成7.综合自动化系统(1)ERP企业资源计划系统ERP企业资源计划系统包括人力资源管理、财务管理、生产数据管理、生产计划管理、生产作业计划管理等企业经营管理功能，对企业各种资源进行有效的管理。

(2)MES生产执行系统1)生产过程模型化：这是现代集成控制系统的核心，根据与该模块相连的其他模块所提供的信息与知识，构造这些模块所代表的企业生产控制与管理活动所需要的各种类型的模型，主要包括物料流、资金流、信息流和工作流模型。

2)生产过程管理：包括物流控制与管理、生产成本控制与管理、数据统计／生产调度等功能，是与企业资源管理层的生产计划相对应的功能模块。

3)生产过程支持：提供基于知识和基于信息的支持，将其他模块送来的数据、信息和知识进行加工、处理，形成相应的方法、算法或软件，为现代集成控制系统各功能模块提供支持。

4)基于工艺目标与技术经济指标的过程优化：建立过程参数与工艺目标或技术经济指标之间的联系。

5)先进控制：包括用于过程优化控制的多变量先进控制(MAPC)、智能控制方法和算法等。(2)MES生产执行系统6)控制接口与信息界面：与过程控制层的各个软硬件相连接，调用PLC、DCS、FCS、EPA或其他过程控制装备中的过程信息，并发出MES层根据生产计划和生产过程的实际状况作出的控制策略。

7)实时调度：包括基于模型、基于数据和基于知识的多种动态调度算法，利用流程模拟模型，针对供需变动、工艺切换、资源波动、设备故障变化等装置状况，实时地作出生产方案、工艺路线和资源分配，进行生产作业计划的优化调度，以最少的能耗、最高的安全性或最大的产品效益，确定各个生产装置的负荷。

8)质量管理：管理生产过程中所有与质量有关的信息，包括从过程控制系统获取的实时过程信息和质检部门的化验质检信息，对生产过程的全程进行质量监测、预报。

9)安全控制与管理：提供基于数据、模型和知识的生产过程故障诊断和预报、过程故障状态下运行模式的调整组态以及基于远程网络支持的安全事故处理等支持。(2)MES生产执行系统10)运行操作支持。

11)设备维护管理：提供重要设备的实时状态监控、设备故障预测、基于远程网络的设备技术咨询和备品采购等支持，实现对生产设备备件的库存管理。

12)生产流程模拟：以生产过程各类模块化模型为基础，提供MES中各个功能模块运行的可视化流程模拟支持。

13)资产动态管理：与企业资源管理中静态的资产管理相连接，对生产过程的中间库存和中间产品动态信息进行管理，提供动态成本和物流控制与管理的信息支持。(3)PCS过程控制系统PCS过程控制系统处理的对象是与生产过程有关的局部系统，包括生产装置、生产过程的控制和优化、生产系统的调度等，其目标是在总体指标的约束下，使某局部生产过程处于最优运行状态。

1.4.2按控制规律分类1.程序和顺序控制

2.比例积分微分控制(简称PID控制)

3.最少拍控制

4.复杂规律的控制

5.智能控制1.程序和顺序控制在程序控制中，被控制量是时间的函数，即被控制量按照预先规定的时间函数变化，如单晶炉的温度控制。顺序控制可以看作是程序控制的扩展，在各个时期所给出的设定值可以是不同的物理量，而且每次设定值的给出，不仅取决于时间，还取决于对以前的控制结果的逻辑判断。2.比例积分微分控制(简称PID控制)控制器的输出是控制器输入的比例、积分、微分函数的组合。PID控制是现在应用最广、最为广大工程技术人员熟悉的技术。PID控制结构简单、参数容易调整，因此，无论模拟控制器或者数字控制器，多数使用PID控制规律。3.最少拍控制最少拍控制是要求设计的控制系统在尽可能短的时间里完成调节过程，达到稳定状态。最少拍控制通常用在数字随动系统的设计中。4.复杂规律的控制生产实践中控制系统除了给定值的输入外，还存在大量的随机扰动。对于存在随机扰动的系统，仅用PID控制难以达到满意的性能指标。另外，性能指标的提法，也不单是过渡过程的品质，而且包括能耗最小、产量最高、质量最好、成本最低等综合性指标。因此，针对生产过程的实际，可以引进各种复杂规律的控制。例如串级控制、前馈控制、纯滞后补偿控制、多变量解耦控制、最优控制、自适应控制、鲁棒控制等。5.智能控制智能控制系统是对环境和任务的变化具有快速的应变能力，其控制器能够处理环境与任务的变化，决定要控制什么，应当采用什么样的控制策略。控制器要具有自适应和决策功能，能够进行符号处理，及时给出控制指令。智能控制理论可以看作是人工智能、运筹学和控制理论三个主要理论领域的交叉或汇合。1.4.3按控制方式分类按照控制方式的不同，计算机控制系统可分为如图1-1所示的开环控制系统和闭环控制系统，这种分类方法是和连续系统一样的。本书主要介绍关于闭环计算机控制系统分析和设计的理论和方法。1.5计算机控制系统的特点(1)数字模拟混合的系统在连续控制系统中，各处的信号是连续模拟信号。

(2)灵活方便、适应性强一般的模拟控制系统中，控制规律是由硬件电路实现的，控制规律越复杂，所需要的模拟电路往往越多，如果要改变控制规律，一般就必须更改硬件电路。

(3)可实现复杂控制规律计算机具有丰富的指令系统和很强的逻辑判断功能，能够实现模拟电路不能实现的复杂控制规律。

(4)离散控制在连续控制系统中，给定值与反馈值的比较是连续进行的，控制器对产生的偏差也是连续调节的。

(5)可以采用分时控制在连续控制系统中，一般是一个控制器控制一个回路。1.5计算机控制系统的特点(6)易于实现管控一体化采用计算机控制系统可实现控制信息的全数字化，易于建立集企业经营管理、生产管理和过程控制于一体的管控一体化系统，即建立集成了生产过程控制系统PCS、生产执行系统MES和企业资源管理系统ERP的综合自动化系统。(1)数字模拟混合的系统在连续控制系统中，各处的信号是连续模拟信号。而在计算机控制系统中，除仍有连续模拟信号外，还有离散信号、数字信号等多种信号。因此，计算机控制系统是模拟和数字的混合系统。

(2)灵活方便、适应性强一般的模拟控制系统中，控制规律是由硬件电路实现的，控制规律越复杂，所需要的模拟电路往往越多，如果要改变控制规律，一般就必须更改硬件电路。(3)可实现复杂控制规律计算机具有丰富的指令系统和很强的逻辑判断功能，能够实现模拟电路不能实现的复杂控制规律。

(4)离散控制在连续控制系统中，给定值与反馈值的比较是连续进行的，控制器对产生的偏差也是连续调节的。

(5)可以采用分时控制在连续控制系统中，一般是一个控制器控制一个回路。而在计算机控制系统中，由于计算机具有高速的计算处理能力，一个数字控制器经常可以采用分时控制的方式，同时控制多个回路。

(6)易于实现管控一体化采用计算机控制系统可实现控制信息的全数字化，易于建立集企业经营管理、生产管理和过程控制于一体的管控一体化系统，即建立集成了生产过程控制系统PCS、生产执行系统MES和企业资源管理系统ERP的综合自动化系统。1.6计算机控制系统的性能及其指标1.6.1性能指标

1.6.2控制对象的特性对控制性能1.6.1性能指标1.稳定性

2.能控性与能观性

3.动态指标

4.稳态指标

5.积分型指标1.稳定性稳定性是对控制系统最重要的要求之一。一个控制系统只有稳定，才有可能工作，也才能谈得上控制性能的好坏与优劣。因此，对于计算机控制系统来说，稳定性分析同样是一个重要的方面。通常采用控制理论中的离散系统稳定性分析方法(如变换域的劳斯判据)来分析计算机控制系统的稳定性，用稳定裕量(即相角裕量和幅值裕量)来衡量计算机控制系统的稳定程度。2.能控性与能观性能控性和能观性是现代控制理论中两个非常重要的概念，它们从控制系统状态的控制能力和状态的观测能力两个方面揭示了控制系统的两个基本问题。3.动态指标动态指标能够比较直观地反映控制系统的动态过渡过程特性。在经典控制理论的时域分析中用时域指标来衡量控制系统动态性能的好坏。常用指标有：延迟时间td、上升时间tr、峰值时间tp、调节时间ts、超调量σ%。在实际应用中，常用的动态性能指标为上升时间、调节时间和超调量。通常用tr和tp评价系统的初始响应速度，用ts评价系统的总体响应速度和平稳程度，用σ%评价系统的平稳性。4.稳态指标稳态指标是控制系统控制精度或抗干扰能力的一种度量，常用稳态误差ess来表征。通常在阶跃函数、斜坡函数或加速度函数作用下进行测定或计算，ess表示系统的稳态输出量y∞与期望值y0之间的差值，是系统对于跟踪给定信号准确性的定量描述。希望ess越小越好。5.积分型指标在现代控制理论中，经常使用综合性指标来衡量控制系统的性能。积分型指标是主要的综合性指标之一，它主要以误差et对时间的不同积分来表征，有误差平方的积分、时间乘误差(或乘误差绝对值)平方的积分、时间平方乘误差(或乘误差绝对值)平方的积分、误差绝对值的积分以及加权二次型性能指标等。1.6.2控制对象的特性对控制性能的影响1.放大系数对控制性能的影响

2.惯性时间常数对控制性能的影响

3.纯滞后时间对控制性能的影响1.放大系数对控制性能的影响扰动通道的放大系数Kn越小，稳态误差ess也越小，控制精度就越高，故希望Kn尽可能小；由于Km完全可以由数字调节器的比例系数Kp来补偿，所以Km对系统的性能没有影响2.惯性时间常数对控制性能的影响当Tn加大或惯性环节的阶次增加时，可以减少超调量σ%；而Tm越小，系统的反应就越灵敏，控制也就越及时，控制性能就越好。3.纯滞后时间对控制性能的影响扰动通道的纯滞后时间τn对控制系统的性能没有影响，只是使输出量yn沿时间轴平移了τn；而控制通道的纯滞后时间τ使控制系统的超调量σ%增大，调节时间ts延长，纯滞后时间τ越大，控制性能就越差。图1-16采用计算机控制的典型自动化系统1.7计算机控制技术的知识体系图1-17图1-16对应的负反馈闭环控制结构1.7计算机控制技术的知识体系图1-18计算机负反馈闭环控制结构中的各部分与相应知识领域的关系1.7计算机控制技术的知识体系图1-19计算机控制技术所涉及的整个知识结构框架1.7计算机控制技术的知识体系1.8计算机控制技术的发展1.8.1现代计算机技术对控制技术

1.8.2计算机控制技术的发展动向1.8.1现代计算机技术对控制技术的影响1)集中控制：以单片机、PLC、工控机为核心，总线采用S—100、STD等。

2)分级(集散)控制：多台微处理器分散在现场进行控制，采用总线作为高速数据通道。

3)分布式控制系统：开放性、网络化的控制系统。1.8.1现代计算机技术对控制技术的影响图1-20计算机技术与控制技术的发展历程比较1.8.2计算机控制技术的发展动向1.结构网络化

2.控制分散化

3.节点智能化

4.系统集成化

图1-21未来工业控制系统的体系结构1.8.2计算机控制技术的发展动向1.结构网络化以网络为依托，采取纵向分层、横向分散的策略，将控制区域内的各种设备连接在一起，使各组成部分协调工作，共同完成控制、管理和决策功能。2.控制分散化将控制功能下放到现场设备，现场进行数据的处理和管理，大大提高了系统的实时性和可靠性。同时，通过网络将各个现场设备连接成一个有机的整体，又保证了上层决策系统可以得到大量丰富的现场信息，便于进行适当而及时的决策，提高了系统的有效性和效率。3.节点智能化控制器、传感器、变送器、执行器等现场设备成为具有误差补偿、故障诊断、功能自治等特征的网络化智能节点，使控制系统具备远程系统调试、在线设备管理、实时生产监控、故障自动修复等能力，以适应降低控制系统使用和维护成本、提高系统可靠性和易用性的要求。4.系统集成化每种现场总线往往有自己的技术特点与应用领域。2007年10月各国IEC委员会投票通过的现场总线国际标准IEC61158第四版中纳入了18种总线类型，多种总线共存已经成为不争的事实。从系统结构来看，实际应用中经常集成多种现场总线和工业无线技术共同构建控制系统。从系统组成来看，经常采用集成生产过程控制系统、生产制造执行系统、企业资源计划系统的多层次递阶控制系统。计算机控制技术及应用王平谢昊飞蒋建主编第2章计算机控制系统的数学描述第2章计算机控制系统的数学描述2.1计算机控制系统数学描述方法的分类

2.2信号的采样与保持

2.2.1信号的分类

2.2.2连续信号的采样

2.2.3采样定理

2.2.4信号复现与零阶保持器

2.3采样系统的数学描述

2.3.1脉冲传递函数的定义

2.3.2开环系统脉冲传递函数

2.3.3闭环系统的脉冲传递函数

2.4采样系统的动态响应

2.5采样系统的稳定性第2章计算机控制系统的数学描述2.6采样系统的稳态分析2.1计算机控制系统数学描述方法的分类图2-1计算机控制系统2.1计算机控制系统数学描述方法的分类图2-2混合系统示意图2.2信号的采样与保持2.2.1信号的分类

2.2.2连续信号的采样

2.2.3采样定理

2.2.4信号复现与零阶保持器2.2.1信号的分类图2-3信号的分类2.2.2连续信号的采样1.采样器

2.实际采样信号

3.理想采样信号

4.采样信号的物理意义2.2.2连续信号的采样图2-4连续时间信号与离散时间信号1.采样器1)周期采样：以相同的时间间隔进行采样，即tk+1-tk=T(常量)(k=0,1,2…)，T为采样周期。

2)多阶采样：在这种形式下，tk+r-tk是周期性的重复，即tk+r-tk=T，r>1。

3)随机采样：顾名思义，这种采样形式没有固定的采样周期，是根据需要来选择采样时刻。1.采样器图2-5采样开关2.实际采样信号

3.理想采样信号3.理想采样信号图2-6采样器原理4.采样信号的物理意义图2-7采样信号的物理意义2.2.3采样定理2.2.3采样定理图2-8连续时间信号x(t)及其频谱X(ω)

a)连续时间信号b)连续时间信号的频谱

x(t)

X(ω)2.2.3采样定理图2-9单位脉冲序列2.2.3采样定理图2-10连续时间信号的频谱与采样信号的频谱

a)连续时间信号b)连续时间信号的频谱c)采样信号d)采样信号的频谱2.2.3采样定理图2-11频谱混叠的说明2.2.4信号复现与零阶保持器1.保持器

2.保持器的阶

3.零阶保持器

4.零阶保持器的数学模型

5.零阶保持器的工程实现1.保持器由于采样信号在两个采样点时刻上有值，而在两个采样点之间无值，为了使得两个采样点之间为连续信号过渡，以前一时刻的采样点值为参考值作外推，使得两个采样点之间不为零值。可以实现采样点值不同外推功能的装置或者器件就称为外推器或者保持器。2.保持器的阶图2-12不同阶保持器的保持功能

a)采样信号b)零阶保持器c)一阶保持器2.保持器的阶图2-13信号的零阶保持3.零阶保持器零阶保持器可以将第n个采样点的幅值保持至下一个采样点时刻，从而使得两个采样点之间不为零值。采样信号经零阶保持器后，成为阶梯波形信号,如图2-13所示。如果取两个采样点的中点做平滑，平滑后的信号与原连续时间信号x相比有1/2个采样间隔的滞后，成为x(t-12T)。因此，无论采样间隔T取多么小，经零阶保持器恢复的连续时间信号都是带有时间滞后的。一般情况下，采样间隔T都很小，可以将这种滞后忽略。4.零阶保持器的数学模型1)低通特性。

2)零阶保持器使主频信号的幅值提高了T倍，刚好能补偿连续信号经过采样后使得主频谱幅值的1/T倍衰减。

3)相角滞后特性。

4)时间滞后特性。4.零阶保持器的数学模型图2-14零阶保持器的输入输出关系4.零阶保持器的数学模型图2-15零阶保持器的幅频特性和相频特性5.零阶保持器的工程实现图2-16零阶保持器的无源电网络实现2.3采样系统的数学描述2.3.1脉冲传递函数的定义

2.3.2开环系统脉冲传递函数

2.3.3闭环系统的脉冲传递函数

2.3.1脉冲传递函数的定义图2-17离散系统数学模型

a)时间域的离散动力学系统b)变换域的脉冲传递函数2.3.1脉冲传递函数的定义图2-18等价离散模型

a)实际开环采样系统b)等阶离散系统2.3.2开环系统脉冲传递函数1.脉冲传递函数的意义

2.开环系统脉冲传递函数的计算

3.开环系统脉冲传递函数的各种情况1.脉冲传递函数的意义2.开环系统脉冲传递函数的计算3.开环系统脉冲传递函数的各种情况3.开环系统脉冲传递函数的各种情况图2-19连续系统串联的三种情况

a)中间不带采样开关的两个连续环节的串联b)中间带

采样开关的两个连续环节的串联c)输入端不带采

样开关,中间带采样开关的两个连续环节的串联2.3.3闭环系统的脉冲传递函数1.控制算法D(z)

2.广义对象的脉冲传递函数

3.整个系统的闭环脉冲传递函数2.3.3闭环系统的脉冲传递函数图2-20采样开关在误差通道的闭环控制系统2.3.3闭环系统的脉冲传递函数图2-21计算机控制系统1.控制算法D(z)

2.广义对象的脉冲传递函数3.整个系统的闭环脉冲传递函数

2.4采样系统的动态响应1.实轴上单极点所对应的脉冲响应

2.一对共轭复数极点对应的脉冲响应1.实轴上单极点所对应的脉冲响应1)Pi＞1时，h(k)为发散序列。

2)Pi=1时，h(k)为等幅脉冲序列。

3)0＜Pi＜1时，h(k)为单调衰减脉冲序列，且Pi越接近0，衰减愈快。

4)-1＜Pi＜0时，h(k)为交替变号的衰减脉冲序列，且Pi越接近0，衰减越快。

5)Pi=-1时，h(k)为交替变号的等幅脉冲序列。

6)Pi＜-1时，h(k)是交替变号的发散脉冲序列。1.实轴上单极点所对应的脉冲响应图2-22不同位置的实数极点与脉

冲响应的关系2.一对共轭复数极点对应的脉冲响应1)当r>1时，h(k)为发散振荡序列。

2)当r=1时，h(k)为等幅振荡序列。

3)当r<1时，h(k)为衰减振荡序列，且r越小，衰减越快。2.一对共轭复数极点对应的脉冲响应图2-23不同位置的共轭复数极点与脉冲响应的关系2.5采样系统的稳定性2.5采样系统的稳定性图2-24z平面和平面的对应关系2.6采样系统的稳态分析(1)单位阶跃输入信号时的稳态误差

(2)单位斜坡输入信号时的稳态误差

2.6采样系统的稳态分析图2-26单位反馈系统(1)单位阶跃输入信号时的稳态误差

(2)单位斜坡输入信号时的稳态误差计算机控制技术及应用王平谢昊飞蒋建主编第3章常规数字控制器的设计方法第3章常规数字控制器的设计方法3.1数字控制器的设计方法分类

3.2数字PID控制

3.2.1理想微分PID控制

3.2.2实际微分PID控制

3.2.3数字PID调节器的参数整定

3.3最少拍数字控制系统

3.3.1最少拍数字控制系统的设计

3.3.2最少拍无纹波控制系统设计

3.3.3最少拍控制系统的改进

3.4达林算法

3.4.1达林算法设计

3.4.2振铃现象及其消除方法3.1数字控制器的设计方法分类1.模拟化设计方法

2.离散化设计方法

3.两种方法的比较1.模拟化设计方法当采样频率足够高，以至于采样保持所引进的误差可以忽略，则系统的离散部分可以用连续系统来代替。整个系统完全可用连续系统的设计方法来设计，待确定了连续校正装置(模拟控制器)后，再用适合的离散化设计方法将连续的模拟校正装置“离散”处理为数字校正装置，以便于用计算机实现。虽然这种方法是近似的，但用经典的方法(如频率法、根轨迹法等)设计连续系统早已为工程技术人员所熟悉，具有十分丰富的经验，特别是目前连续系统的计算机辅助设计已相当成熟与普及，因此这种设计方法被广泛采用。模拟化设计方法一般可按以下步骤进行：第一步：用连续系统理论确定D(s)。第二步：用合适的离散化方法由D(s)求出D(z)。第三步：检查系统性能是否满足设计要求。第四步：将D(z)变为差分方程或状态空间方程，并编写计算机程序。需要时可运用混合仿真的方法检查系统的设计与程序编制是否正确。2.离散化设计方法图3-1离散化方法示意图3.两种方法的比较模拟化设计方法可引用成熟的经典设计理论和方法。但在“离散”处理时，系统的动态特性会因采样周期的增加而改变，甚至导致闭环系统的不稳定。因而，是一种近似方法。离散化设计方法运用的数学工具是Z变换与离散状态空间分析法。它一般用于在对对象的特性了解较多，或可以精确计算对象数学模型的场合(这也是大多数工业对象目前难以做到的)。这种方法是一种直接数字设计方法，不仅更具有一般性，而且稳定性好、精度高。相对而言有时称为精确法。需要注意的是，该法的精确性仅限于线性范围内以及在采样点上才成立。如果采样频率选得不合理，那么由于在实际系统中，控制器的饱和以及由于采用Z变换分析方法，不可能检测到两个采样点间的系统特性，会使该方法很快丧失其精确性。3.2数字PID控制3.2.1理想微分PID控制

3.2.2实际微分PID控制

3.2.3数字PID调节器的参数整定3.2.1理想微分PID控制1.比例调节器

2.比例积分(PI)调节器

3.比例积分微分(PID)调节器3.2.1理想微分PID控制图3-2PID控制器方框图3.2.1理想微分PID控制图3-3PID调节器的阶跃响应1.比例调节器它对于误差e是即时反应的。根据误差进行调节，使系统沿着减小误差的方向运动。误差大则控制作用也大。比例调节器一般不能消除稳态误差。增大Kp可以加快系统的响应速度及减少稳态误差。但过大的Kp有可能加大系统超调，产生振荡，以至于系统不稳定。2.比例积分(PI)调节器在比例调节器的基础上加上积分调节即构成比例积分调节器。积分调节的引入，可以消除或减少控制系统的稳态误差。但是积分的引入，有可能使系统的响应变慢，并有可能使系统不稳定。增加Ti即减少积分作用，有利于增加系统的稳定性，减少超调，但系统静态误差的消除也随之变慢。Ti必须根据对象特性来选定，对于管道压力、流量等滞后不大的对象，Ti可选得小一些，对温度等滞后较大的对象，Ti可选得大一些。3.比例积分微分(PID)调节器1)增量式算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，计算误差或计算精度问题，对控制量的计算影响较小。

2)增量式算法得出的是控制量的增量，例如阀门控制中，只输出阀门开度的变化部分，误动作影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作。

3)采用增量式算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。

4)采用增量式算法不需要累加，只需记住4个历史数据，占用内存小，计算方便。3.比例积分微分(PID)调节器图3-4数字PID位置式控制算法图3-5数字PID增量式控制算法3.比例积分微分(PID)调节器A.tif3.比例积分微分(PID)调节器图3-6数字PID控制算法程序框图3.2.2实际微分PID控制1.实际微分PID控制算法之一

2.实际微分PID控制算法之二

3.实际微分PID控制算法之三1.实际微分PID控制算法之一图3-7实际微分PID控制算法一的结构方框图2.实际微分PID控制算法之二图3-8实际微分PID控制算法二的结构方框图3.实际微分PID控制算法之三图3-9实际微分PID控制

算法三的结构方框图3.实际微分PID控制算法之三图3-10理想数字PID与实际微分PID对单位阶跃信号的输出响应对比图

a)理想数字PIDb)实际微分PID3.2.3数字PID调节器的参数整定1.PID调节器参数对系统性能的影响

2.采样周期的选定

3.实验确定法整定PID参数1.PID调节器参数对系统性能的影响(1)放大倍数Kp对系统性能的影响

(2)积分时间Ti对系统性能的影响

(3)微分时间Td对系统性能的影响(1)放大倍数Kp对系统性能的影响1)对系统动态性能的影响：Kp加大，将使系统动作灵敏，响应速度加快。

2)对系统稳态性能的影响：在系统的稳定性的前提下，加大Kp可以减少余差(又称残差或稳态误差)，但靠它不能消除余差。(2)积分时间Ti对系统性能的影响1)对系统动态性能的影响：积分时间Ti通常影响系统的稳定性。

2)对系统稳态性能的影响：积分时间Ti的作用，有助于消除系统余差，提高系统的控制精度，但若Ti太大，积分作用太弱，则不能减少余差。(3)微分时间Td对系统性能的影响1)对系统动态性能的影响：微分时间常数Td的增加即微分作用的增加可以改善系统的动态特性，如超调量减少，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差(余差)减少，提高控制精度。

2)对系统稳态性能的影响：微分环节的加入，可以在误差出现或变化瞬间，按偏差变化的趋向进行控制。图3-11各种控制规律对控制性能的影响2.采样周期的选定(1)扰动信号如果系统的干扰信号是高频的，则要适当地选择采样周期，使得干扰信号的低频处于采样器频带之外，从而使系统具有足够的抗干扰能力。

(2)对象的动态特性采样周期应比对象的时间常数小得多，否则，采样信号无法反映瞬变过程。

(3)计算机所承担的工作量如果控制的回路较多，计算工作量较大，则采样周期长些；反之，可以短些。

(4)对象所要求的控制品质一般而言，在计算机运算速度允许的情况下，采样周期短，控制品质高。

(5)计算机及A/D、D/A转换器性能计算机字长越长，计算速度越快，A/D、D/A转换器的速度越快，则采样周期可减小，控制性能也较高。

(6)执行机构的响应速度通常执行机构惯性较大，采样周期T应能与之相适应。(1)扰动信号如果系统的干扰信号是高频的，则要适当地选择采样周期，使得干扰信号的低频处于采样器频带之外，从而使系统具有足够的抗干扰能力。

(2)对象的动态特性采样周期应比对象的时间常数小得多，否则，采样信号无法反映瞬变过程。

(3)计算机所承担的工作量如果控制的回路较多，计算工作量较大，则采样周期长些；反之，可以短些。

(4)对象所要求的控制品质一般而言，在计算机运算速度允许的情况下，采样周期短，控制品质高。

(5)计算机及A/D、D/A转换器性能计算机字长越长，计算速度越快，A/D、D/A转换器的速度越快，则采样周期可减小，控制性能也较高。

(6)执行机构的响应速度表3-1常见对象采样周期选择的经验数据3.实验确定法整定PID参数(1)试凑法试凑法是通过计算机仿真或实际运行，观察系统对典型输入作用的响应曲线，根据各调节参数(Kp，Ti，Td)对系统响应的影响，反复调节试凑，直到满意为止，从而确定PID参数。

(2)PID参数的工程整定法。(1)试凑法1)首先只整定比例系数，将Kp由小变大，使系统响应曲线略有超调。

2)若在比例调节的基础上，系统稳态误差太大，则必须加入积分环节。

3)若使用PI调节器消除了稳态误差，但系统动态响应经反复调整后仍不能令人满意，则可以加入微分环节，构成PID调节器。表3-2一些常见被调量的PID调节参数选择范围(2)PID参数的工程整定法。1)临界比例法。

2)阶跃响应曲线法。1)临界比例法。表3-3按临界比例法整定参数1)临界比例法。表3-3按临界比例法整定参数1)临界比例法。图3-12阶跃响应曲线法整定参数2)阶跃响应曲线法。表3-4按阶跃响应曲线法整定参数3.3最少拍数字控制系统3.3.1最少拍数字控制系统的设计

3.3.2最少拍无纹波控制系统设计

3.3.3最少拍控制系统的改进

3.3.1最少拍数字控制系统的设计1.对系统稳态误差的要求

2.最快速达到稳态的要求

3.D(z)物理可实现的要求4.闭环稳定性要求1.对系统稳态误差的要求(1)阶跃信号：R(z)=11-z-1(3-31)

(2)斜坡信号：R(z)=Tz-1(1-z-1)3(3-32)

(3)加速度信号：R(z)=T2z-1(1+z-1)2(1-z-1)3(3-33)(1)阶跃信号

(2)斜坡信号

(3)加速度信号

2.最快速达到稳态的要求

3.D(z)物理可实现的要求所谓数字控制器Dz物理可实现问题，是要求数字控制器算法中不允许出现对未来时刻的信息的要求。这是因为未来信息尚属未知，不能用来计算控制量。具体说来，就是Dz的无穷级数展开式中不能出现z的正幂项。4.闭环稳定性要求3.3.2最少拍无纹波控制系统设计1)Φ(z)和1-Φ(z)必须满足最少拍控制系统设计方法中所有的要求。

2)无纹波的附加条件是：Φ(z)必须包含G(z)在z平面上的所有零点。

3)其他的设计步骤与最少拍控制系统的设计步骤一致。3.3.3最少拍控制系统的改进1.阻尼因子法

2.非最少的有限拍控制1.阻尼因子法2.非最少的有限拍控制3.4达林算法3.4.1达林算法设计

3.4.2振铃现象及其消除方法3.4.1达林算法设计1.达林算法的基本思想

2.带纯滞后一阶惯性对象的达林算法

3.带纯滞后二阶惯性对象的达林算法1.达林算法的基本思想在控制系统设计中，纯滞后往往是影响系统动态特性的不利因素，工业过程中如热工和化工过程中往往会有这样的纯滞后环节。这种系统的控制器如果设计不当，常常会引起系统的超调和持续振荡。而对这类系统的控制要求，快速性往往是次要的，通常主要要求系统没有超调量或很少超调量，要求系统闭环稳定，而调整时间允许在较多的采样周期内结束。对这样的系统，若采用PID算法，效果往往不好。本节介绍能满足这些性能指标的一种直接数字控制器设计法——达林2.带纯滞后一阶惯性对象的达林算法

3.带纯滞后二阶惯性对象的达林算法3.4.2振铃现象及其消除方法1.振铃现象

2.消除振铃现象的方法

1.振铃现象例3.7的闭环系统输出y以指数形式较快地趋向于稳态值，但是控制量u则以1/2采样频率大幅度地衰减振荡，这种现象称为振铃(Ringing)现象。这与前面所介绍的最少拍有纹波系统中的纹波是不一样的。纹波是由于控制器输出一直是振荡的，影响到系统的输出在采样时刻之间一直有纹波。而振铃现象中的振荡是衰减的，并且由于被控对象中惯性环节的低通特性，使得这种振荡对系统的输出几乎无任何影响。但是振铃现象却会增加执行机构的磨损，在有交互作用的多参数控制系统中，振铃现象还有可能影响到系统的稳定性，所以，在系统设计中，应设法消除振铃现象。图3-21振铃幅度RA示意图2.消除振铃现象的方法消除振铃有两种办法。第一种办法是先找出Dz中引起振铃现象的因子(z=-1附近的极点)，然后令其中的z=1。根据Z变换终值定理，这样处理不会影响输出量的稳态值，但往往可以有效地消除振铃现象。计算机控制技术及应用王平谢昊飞蒋建主编第4章高级数字控制器的分析与设计第4章高级数字控制器的分析与设计4.1系统的能控性与能观测性

4.1.1基本概念

4.1.2离散系统的能控性

4.1.3离散系统的可观测性

4.1.4对偶原理

4.1.5坐标变换与标准型

4.2数字控制器状态空间设计法

4.2.1状态反馈极点配置控制系统的设计

4.2.2状态观测器的设计

4.2.3具有状态观测器的极点配置4.1系统的能控性与能观测性4.1.1基本概念

4.1.2离散系统的能控性

4.1.3离散系统的可观测性

4.1.4对偶原理

4.1.5坐标变换与标准型4.1.1基本概念在状态空间的基础上，卡尔曼于1960年提出了控制系统的能控性和能观测性这两个表征系统结构特征的重要概念，使基本状态空间的分析与综合方法建立在严格的理论上。能控性和能观测性粗略地说来，是指一个系统的工作状态能否得到控制和能否通过输出和输入变量而唯一确定的性质。在经典控制论中，我们只讨论控制作用(输入量)对输出量的控制，这两个量之间的关系，即输入输出关系，唯一地由系统脉冲传递函数所确定。只要系统脉冲传递函数不为零，系统的输出量就是能控的。另一方面，系统输出量就是被控制量，对一个实际物理系统来说，它总是可以直接量测的，因此也没有必要讨论能观测性问题。4.1.2离散系统的能控性4.1.2离散系统的能控性4.1.3离散系统的可观测性4.1.4对偶原理4.1.5坐标变换与标准型1.坐标变换

2.能控标准型

3.能观测标准型1.坐标变换1.坐标变换2.能控标准型2.能控标准型2.能控标准型3.能观测标准型3.能观测标准型4.2数字控制器状态空间设计法4.2.1状态反馈极点配置控制系统的设计

4.2.2状态观测器的设计

4.2.3具有状态观测器的极点配置4.2.1状态反馈极点配置控制系统的设计1.单输入系统状态反馈极点配置

2.多输入系统状态反馈极点配置

3.极点配置方法的讨论4.2.1状态反馈极点配置控制系统的设计图4-2状态反馈闭环控制系统示意图1.单输入系统状态反馈极点配置图4-3具有状态反馈的数字控制系统结构框图2.多输入系统状态反馈极点配置1)对多输入系统公式(4-53)选择W，使得单输入系统公式(4-54)为完全可控。

2)对单输入系统公式(4-54)，选择极点配置状态反馈向量F*，使得(A-B*F*)的极点为待配置的理想极点。

3)令F＝WF*，则F即为所求的实现极点配置的状态反馈增益矩阵。3.极点配置方法的讨论1)前面我们已经指出，实现任意极点配置的前提是(A，B)为完全能控的。

2)对单输入系统，实现一组特定极点配置所需的状态反馈增益向量是唯一的，这一点可以从单输入系统极点配置方法二，即利用能控标准型的方法中看出。

3)待配置的n个闭环极点位置的选择是一个确定控制系统综合目标的问题。

①对n维系统，应当指定而且只应当指定n个待配置的闭环极点。

②待配置的闭环极点可以是实数，也可以是以共轭复数形式出现的一对复数极点。

③为保证闭环系统的稳定，所有的待配置闭环极点必须位于复平面上的单位圆内。具体位置的选择需要考虑极点和零点在复平面上的分布，从工程实际出发加以解决。

④可以通过一些最优化的算法来选择待配置的闭环极点位置，以使得某种性能指标最优。4.2.2状态观测器的设计1)构造(A，C)的对偶系统(AT，CT)，求得后者的能控性矩阵

2)求得A的特征多项式

3)构造使得(AT,CT)为能控标准型的坐标变换阵

4)由公式LT=(p0-a0，p1-a1，…，pn-1-an-1)P-1

4.2.2状态观测器的设计图4-4采样控制系统与状态观测器图4-5状态观测器的系统结构框图4.2.3具有状态观测器的极点配置1)判定被控对象的能控性和能观测性。

2)根据对闭环系统的性能要求，确定待配置的闭环系统极点{λ1,λ2,λ3，…,λn}和观测器的极点{r1,r2,r3,…,rn}。

3)利用极点配置的方法，选择反馈增益阵F和L，分别将闭环系统和观测器的极点配置到指定的位置，即使得

4)利用式(4-65)、式(4-66)与式(4-67)实现相应的控制器。

4.2.3具有状态观测器的极点配置图4-6具有状态观测器的极点配置控制器计算机控制技术及应用王平谢昊飞蒋建主编第5章数据输入输出通道的接口技术第5章数据输入输出通道的接口技术5.1数据输入输出通道的组成与功能

5.1.1数据通道的类型

5.1.2数据通道的信息类型

5.1.3数据通道的编址方式

5.1.4CPU对数据通道的控制方式

5.1.5数据通道接口设计应考虑的问题

5.2多路开关及采样保持器

5.2.1多路开关与多路分配器

5.2.2采样保持器

5.3开关量输出通道

5.3.1开关量输出通道的结构形式

5.3.2开关量输出通道与CPU的接口第5章数据输入输出通道的接口技术5.3.3功率接口技术

5.4开关量输入通道

5.4.1开关量输入通道的结构形式

5.4.2开关量形式及变换

5.4.3整形与电平变换

5.4.4开关量输入通道与CPU的接口

5.5模拟量输出通道

5.5.1D/A转换原理

5.5.2D/A转换器的选用

5.5.38位并行D/A转换器及其接口技术5.5.4高于8位的并行D/A转换器及其接口技术

5.5.5串行D/A转换器及其接口技术

5.6模拟量输入通道

5.6.1A/D转换原理

5.6.2A/D转换器的选用

5.6.3逐次逼近式并行A/D转换器及其接口

5.6.4双积分A/D转换器及其接口技术

5.6.5串行A/D转换器及其接口技术5.1数据输入输出通道的组成与功能5.1.1数据通道的类型

5.1.2数据通道的信息类型

5.1.3数据通道的编址方式

5.1.4CPU对数据通道的控制方式

5.1.5数据通道接口设计应考虑的问题5.1.1数据通道的类型生产过程的被控参数(如温度、压力、流量、速度、位移、电流、电压等)一般是随时间连续变化的模拟量，通过检测元件或变送器转换为对应的模拟电压或电流。由于计算机只能识别数字量，故模拟电信号必须通过模拟量输入通道转化为数字量(即A/D转换)后，才能送入计算机。而计算机控制系统中的执行机构往往需要用模拟量进行控制，但计算机本身能够输出的数据只能是数字量，所以在对执行机构控制之前，必须先把数字量转化为模拟量(即D/A转换)。由于生产现场的状态量(如开关、电平高低、脉冲量等)也不能为计算机直接接受，也需要开关量输入通道将状态信号转变为数字量送入计算机。同样，计算机输出的开关量控制信号只能是数字量，必须通过开关量输出通道将数字量转变为状态控制信号。5.1.2数据通道的信息类型1)数据信息：反映生产现场的参数及状态的信息，它包括数字量(开关量)和模拟量。

2)状态信息：又叫做应答信息、握手信息，它反映过程通道的状态，如准备就绪信号等，供CPU进行分析、判断、决策。

3)控制信息：用来控制过程通道的启动和停止等信息，如三态门的打开和关闭、触发器的启动等，它是CPU送给I/O端口的控制命令，使相应的外部设备完成特定的操作。5.1.3数据通道的编址方式1.数据通道与存储器统一编址方式

2.数据通道与存储器独立编址方式1.数据通道与存储器统一编址方式这种编址方式又称存储器映像方式，它从存储器空间划出一部分地址空间给过程通道，把过程通道的端口当作存储单元一样进行访问，对I/O端口进行输入输出操作跟对存储单元进行读写操作方式相同，只是地址不同。所有访问内存的指令同样都可用于访问I/O端口。采用这种方式的微处理器有MCS51系列单片机、三级流水线的ARM系列单片机(如AT91R40008)等。统一编址的最大优点是无需专门的I/O指令，从而简化了指令系统的设计，并能省去相应的I/O操作的对外引线。而且CPU可直接对I/O数据进行算术和逻辑运算，指令丰富。统一编址的不足之处在于I/O端口地址占用了一部分存储器空间；访问内存的指令长度一般比专用的I/O指令长，因而取指令周期较长，又多占了指令字节；程序中I/O操作不清晰，难以区分程序中的I/O口操作和存储器操作；I/O端口地址译码器电路较复杂(因为内存的地址位数较多)。2.数据通道与存储器独立编址方式这种编址方式将过程通道的端口地址单独编址，有自己独立的过程通道地址空间，而不占用存储器地址空间。在过程通道地址空间中，每一个过程通道的端口有一个唯一对应的过程通道的端口地址。这种独立编址方式要求CPU有专用的I/O指令(IN及OUT指令)用于CPU与过程通道端口之间的数据传输。地址总线配合存储器操作信号实现存储器的访问控制，地址总线与I/O操作信号配合则可访问过程通道。实现这种编址方式的CPU分别有存储器访问和I/O访问的指令及相应的控制信号。典型的微处理器如80X86系列单片机、采用5级及以上流水线的ARM9、ARM10、ARM11系列单片机(如AT91RM9200)等。5.1.4CPU对数据通道的控制方式1.程序控制方式

2.中断控制方式

3.直接存储器存取(DMA)方式1.程序控制方式(1)无条件传送方式利用程序控制方式与外设交换信息时，都可以保证外设总是处于“准备好”状态，则可以直接利用输入输出指令进行信息的输入输出操作。

(2)条件传送方式条件传送方式又称查询方式。(1)无条件传送方式利用程序控制方式与外设交换信息时，都可以保证外设总是处于“准备好”状态，则可以直接利用输入输出指令进行信息的输入输出操作。

(2)条件传送方式条件传送方式又称查询方式。是指传送前必须查询I/O通道的状态，准备就绪则传送，反之则等待。在此方式下，CPU要不断地查询外设的状态，当外设未准备好时，CPU就只能循环等待，不能执行其他程序，这样就浪费了CPU的大量时间，降低了主机的利用率。但是它的优点是硬件开销小，使用起来比较简单，同时能保证主机与输入输出通道之间协调工作，所在计算机控制系统中是一种常用的过程通道控制方式。2.中断控制方式中断控制方式的工作流程是当CPU进行主程序操作时，外设的数据已存入输入端口的数据寄存器；或端口的数据输出寄存器已空，由外设通过接口电路向CPU发出中断请求信号。CPU在满足一定的条件下，暂停执行当前正在执行的主程序，转入执行相应能够进行输入输出操作的子程序，待输入输出操作执行完毕之后CPU即返回继续执行原来被中断的主程序。这样CPU就避免了把大量时间耗费在等待、查询状态信号的操作上，使其工作效率得以大大地提高。3.直接存储器存取(DMA)方式DMA(DirectMemoryAccess)意为直接数据传送，它是在内存的不同区域之间，或者在内存与外设端口之间直接进行数据传送。这种方式是一种完全由硬件完成输入输出操作的工作方式。在这种方式下，I/O通道和存储器之间不通过CPU而直接进行数据交换，可以大大的提高数据的传送速度。DMA方式的主要优点是速度快，数据传送速度只受存储器存取时间的限制，其缺点是需要一个专用的芯片——ＤＭＡ控制器来加以控制、管理，硬件连接也稍微复杂一些。一般微处理器都设有用于ＤＭＡ传送请求的应答联络线。5.1.5数据通道接口设计应考虑的问题(1)触发方式有序的门控信号的主要作用就是严格遵循系统工作时序要求，适时对系统中某个或某些特定部件发出开启或关闭(触发)信号，这必然涉及到同步触发和异步触发的方式。

(2)时序控制逻辑的结构有组合控制逻辑与存储控制逻辑两种类型，不管哪种类型都要严格遵守规定的操作步骤，每一个操作步骤又都是在一组有序的控制信号驱动下实现的，所以接口电路设计，首先要根据系统运行的要求标出每个控制信号发生的时间顺序和相互之间的时间差，以及与系统时钟的关系，画出时序图，然后根据时序图来确定逻辑电路结构。5.1.5数据通道接口设计应考虑的问题(3)负载能力一旦控制逻辑确定后，系统能否可靠运行与器件的选择关系密切。(1)触发方式有序的门控信号的主要作用就是严格遵循系统工作时序要求，适时对系统中某个或某些特定部件发出开启或关闭(触发)信号，这必然涉及到同步触发和异步触发的方式。所谓同步触发是指系统的许多相关部件或功能块在同一门控信号作用下完成要求的操作，例如系统的复位信号就是确保系统中各相关部件或功能块回到初始状态的同步信号。异步触发则指各相关部件或功能块不需在同一信号控制下完成自己的操作。接口电路中的各相关部件或功能块，其内部各单元在外部的同步信号作用下，要完成许多操作，这些操作可以是同步的，也可以是异步的，但必须要满足时序要求。因此计算机控制系统是一种复合的触发方式，在同步触发中隐含异步触发，在异步触发中隐含同步触发，但其触发方式和触发时机必须遵循系统的工作时序。(2)时序控制逻辑的结构有组合控制逻辑与存储控制逻辑两种类型，不管哪种类型都要严格遵守规定的操作步骤，每一个操作步骤又都是在一组有序的控制信号驱动下实现的，所以接口电路设计，首先要根据系统运行的要求标出每个控制信号发生的时间顺序和相互之间的时间差，以及与系统时钟的关系，画出时序图，然后根据时序图来确定逻辑电路结构。

(3)负载能力一旦控制逻辑确定后，系统能否可靠运行与器件的选择关系密切。器件的选择除了要考虑电平的摆幅、数值、延时外，还应考虑器件所带负载是否匹配。5.2多路开关及采样保持器5.2.1多路开关与多路分配器

5.2.2采样保持器5.2.1多路开关与多路分配器1.CD4051

2.ADG406

3.CD221004.多路开关的扩展5.2.1多路开关与多路分配器表5-1常用的多路开关芯片1.CD4051图5-1CD4051原理电路图1.CD4051表5-2CD4051的真值表2.ADG406图5-2ADG406引脚图2.ADG406图5-3CD22100的引脚排列图2.ADG406表5-3ADG406通道控制真值表3.CD22100图5-4由2个CD4051构成的16

通道多路开关的连接图3.CD22100表5-4CD22100通道控制真值表4.多路开关的扩展表5-5CD4051扩展电路真值表5.2.2采样保持器1.采样保持器的主要性能参数

2.采样保持器的主要用途

3.LF198/LF298/LF398芯片各引脚功能5.2.2采样保持器图5-5采样保持器原理图1.采样保持器的主要性能参数1)采样时间：给出采样指令，跟踪输入信号到满量程并稳定在终值误差的(0.2~0.005)%内变化所滞留的最小时间。

2)孔径时间：保持指令给出后到采样开关真正断开所需的时间。

3)输出电压衰减率：保持阶段中泄漏电压引起的放电速度。

4)直通馈入：输入信号通过采样保持开关的极间电容穿通到保持电容上的现象。2.采样保持器的主要用途1)保持采样信号不变，以便完成A/D转换。

2)同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量。

3)减少D/A转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间；

4)把一个D/A转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出的稳定性。图5-6LF198/298/398的原理图图5-7LF198/298/398的引脚排列图

a)双列直插式b)金属封状片3.LF198/LF298/LF398芯片各引脚功能1)VIN：模拟量电压输入。

2)VOUT：模拟量电压输出。

3)逻辑(Logic)和逻辑参考电平(LogicReference)：逻辑及逻辑参考电平，用来控制采样保持器的工作方式。

4)偏置(OFFSET)：偏差调整引脚。

5)CH：保持电容引脚。

6)V+，V-：采样保持电路电源引脚。5.3开关量输出通道5.3.1开关量输出通道的结构形式

5.3.2开关量输出通道与CPU的接口5.3.3功率接口技术

5.3.1开关量输出通道的结构形式图5-8开关量输出通道结构框图5.3.2开关量输出通道与CPU的接口1)对于单片机，由于本身带有具备锁存功能的I/O口，因此可以直接利用其I/O口作为输出，而无需另加接口电路。

2)采用通用集成可编程输入输出接口芯片。

3)采用通用逻辑芯片。图5-974HC573与C8051F020的接口电路5.3.3功率接口技术1.光耦合器接口电路

2.继电器线圈与单片机接口1.光耦合器接口电路图5-10光耦合器4N25的接口电路2.继电器线圈与单片机接口(1)直流电磁式继电器的功率接口直流电磁式继电器，一般用功率接口集成电路或晶体管驱动。

(2)交流电磁式接触器的功率接口继电器中切换电路能力较强的电磁式继电器称为接触器，接触器的触点数一般较多。(1)直流电磁式继电器的功率接口直流电磁式继电器，一般用功率接口集成电路或晶体管驱动。图5-11直流继电器接口电路(2)交流电磁式接触器的功率接口继电器中切换电路能力较强的电磁式继电器称为接触器，接触器的触点数一般较多。图5-12交流接触器的接口电路5.4开关量输入通道5.4.1开关量输入通道的结构形式

5.4.2开关量形式及变换

5.4.3整形与电平变换

5.4.4开关量输入通道与CPU的接口5.4.1开关量输入通道的结构形式(1)信号变换器将过程的非电量开关量转换为电压或电流的双值逻辑值。

(2)整形电路将混有毛刺之类干扰的输入双值逻辑信号或前后沿不合要求的输入信号整形为接近理想状态的方波或矩形波，而后再根据系统要求变换为相应形状的脉冲信号。

(3)电平变换电路将输入的双值逻辑电平转换为与CPU兼容的逻辑电平。

(4)总线缓冲区暂存数字量信息并实现与CPU数据总线的连接。

(5)接口逻辑电路协调通道的同步工作，向CPU传递状态信息并控制开关量到CPU的输入。(1)信号变换器将过程的非电量开关量转换为电压或电流的双值逻辑值。

(2)整形电路将混有毛刺之类干扰的输入双值逻辑信号或前后沿不合要求的输入信号整形为接近理想状态的方波或矩形波，而后再根据系统要求变换为相应形状的脉冲信号。

(3)电平变换电路将输入的双值逻辑电平转换为与CPU兼容的逻辑电平。

(4)总线缓冲区暂存数字量信息并实现与CPU数据总线的连接。

(5)接口逻辑电路协调通道的同步工作，向CPU传递状态信息并控制开关量到CPU的输入。图5-13开关量输入通道结构框图5.4.2开关量形式及变换1.机械有触点开关量

2.无触点开关量

3.非电量开关量(数字量)1.机械有触点开关量(1)控制系统自带电源方式这种方法一般用于开关安装位置离计算机控制装置较近的场合，供电电源为直流24V以下，常用电路有串联和并联两种(如图5-14所示)方式。

(2)外接电源方式它适合于开关安装在离控制设备较远位置的场合。

(3)恒流源方式这种方式用于抗干扰能力要求高、传输距离较远的场合。(1)控制系统自带电源方式图5-14自带电源的开关量变换电路

a)并联方式b)串联方式(2)外接电源方式它适合于开关安装在离控制设备较远位置的场合。图5-15外接直流电源开关量变换电路(3)恒流源方式这种方式用于抗干扰能力要求高、传输距离较远的场合。电流一般取0～10mA，即触点闭合时输出电流为10mA，触点打开时输出电流为0。2.无触点开关量图5-16无触点开关变换电路

a)并联方式b)串联方式2.无触点开关量图5-17开关量取样变换电路框图3.非电量开关量(数字量)图5-18非电量开关量变换电路结构图5.4.3整形与电平变换1.波形整形

2.电平变换1.波形整形(1)触点消抖在机械有触点开关中，当触点闭合或打开时将产生抖动，使得开关量在动作瞬间的状态不稳，若是工作在计数方式或作为中断输入，将导致系统工作不正常，因此采用触点消抖是必要的。

(2)脉冲定宽在许多控制系统中，有时要求在开关量变化时提供一个脉冲宽度稳定的脉冲，如上跳时产生脉冲、下跳时产生脉冲、上下跳变时都产生脉冲。

(3)消除毛刺由于受环境干扰的影响，传输的开关量信号将产生毛刺。(1)触点消抖图5-19触点消抖电路(2)脉冲定宽

图5-20开关状态产生定宽脉冲电路(3)消除毛刺由于受环境干扰的影响，传输的开关量信号将产生毛刺。图5-21采用比较器的整形电路2.电平变换图5-22电平变换电路

a)光电隔离电平变换b)晶体管电平变换c)CMOS-TTL芯片电平变换5.4.4开关量输入通道与CPU的接口1.开关状态检测接口电路

2.脉宽测量接口电路

3.脉冲计数接口电路1.开关状态检测接口电路图5-23采用74LS244的定时查询方式接口电路2.脉宽测量接口电路图5-248253的原理图2.脉宽测量接口电路表5-6通道与操作时序的关系2.脉宽测量接口电路图5-258253的控制字图5-26利用8253测量一正脉冲的宽度图5-27利用8253测量正

脉冲宽度的程序流程3.脉冲计数接口电路脉冲计数通常用来测量单位时间内的脉冲数，主要用于测频率、测转速或用于V/F方式的A/D转换。脉冲计数可直接采用单片机的定时器/计数器来完成，也可采用8253实现。采用8253进行脉冲计数时，被测信号连接到CLK上，而GATE则接入一个脉宽为采样周期的方波信号，用它来控制计数时间。8253是16位减法计数器，每个计数器内部都有一个控制单元，用于控制本计数器的工作方式，一个16位计数初值寄存器CR，分高8位和低8位，只能写入不能读出，在计数过程中初值不受影响，以便重复计数。一个16位计数单元CE(核心部分)，当CR的值送入CE后计数单元以时钟速率递减计数。一个16位输出锁存器OL，也分高低8位，CPU可直接对OL进行读操作，OL内容可随CE内容变化，也可用来锁存内容，使读出不影响计数操作(闩锁读取)。图5-288253脉冲计数接口电路5.5模拟量输出通道5.5.1D/A转换原理

5.5.2D/A转换器的选用

5.5.38位并行D/A转换器及其接口技术5.5.1D/A转换原理1.可变增益放大电路

2.权电阻解码型D/A转换原理

3.R/2R1.可变增益放大电路图5-29可变增益放大器电路2.权电阻解码型D/A转换原理图5-30D/A转换器的原理如同二进制增益调整2.权电阻解码型D/A转换原理图5-315位分辨率的D/A转换器按一系列

二进制加权配比配平的示意图3.R/2R图5-32R/2RT形网络式D/A转换器示意图

(在该例子中所设定的位对应着二进制字为101……1)3.R/2R图5-33R/2R梯形网络的工作原理

a)各顺序节点都是等值的b)每一节点有两条通过