計算機控制第1章

計算機限制

ComputerControl課程支配講課32學(xué)時試驗8學(xué)時上機6學(xué)時成果記載方法閉卷考試70%作業(yè)和出勤10%試驗20%參考書盛珣華，李潤梅編著.計算機限制系統(tǒng).清華高校出版社.2007緒方勝彥著，劉君華譯.離散時間限制系統(tǒng).西安交通高校出版社，1990.袁本恕編著.計算機限制系統(tǒng).中國科學(xué)技術(shù)高校出版社，1988.KatsuhikoOgata.現(xiàn)代限制工程.電子工業(yè)出版社，2000.施保華,楊三青,周鳳星.計算機限制技術(shù).華中科技高校出版社.2007.教材《數(shù)字控制》徐麗娜編著，科學(xué)出版社《計算機控制實驗指導(dǎo)書》王艷主編，教材科印刷第1章緒言——數(shù)字限制（又稱計算機限制）課程為自動限制及相關(guān)專業(yè)學(xué)生講授線性定常數(shù)字限制系統(tǒng)分析與綜合的一些基本方法，其理論基礎(chǔ)為線性離散時間系統(tǒng)理論。限制理論發(fā)展歷史20世紀(jì)40~60年頭，“古典限制理論”時代。主要針對線性定常系統(tǒng)，解決單輸入單輸出問題。接受傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡為基礎(chǔ)的頻域分析方法。對非線性系統(tǒng)，分析接受的相平面法一般不超過兩個變量。20世紀(jì)60~70年頭，“現(xiàn)代限制理論”。隨著計算機的飛速發(fā)展，推動了狀態(tài)空間法的應(yīng)用，其可以解決多輸入多輸出問題。系統(tǒng)可以是線性的、定常的，也可以是非線性的、時變的。20世紀(jì)70年頭至今，向“大系統(tǒng)理論”和“智能限制”方向發(fā)展?！按笙到y(tǒng)理論”是用限制和信息的觀點，探討各種大系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、限制方法；“智能限制”是探討與模擬人類智能活動及其限制與信息傳遞過程的規(guī)律，研制仿人智能限制。動力學(xué)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)離散系統(tǒng)線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)確定性系統(tǒng)隨機系統(tǒng)正常系統(tǒng)奇異系統(tǒng)單變量系統(tǒng)多變量系統(tǒng)定常系統(tǒng)時變系統(tǒng)確知系統(tǒng)不確知系統(tǒng)動力學(xué)系統(tǒng)分類圖計算機限制的發(fā)展歷史（一）數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視限制系統(tǒng)DA&SCS（DataAcquisionandSupervisoryControlSystem）

計算機限制系統(tǒng)在20世紀(jì)50年頭起先出現(xiàn)，由于當(dāng)時計算機硬件條件的限制，限制系統(tǒng)是基于模擬限制器實現(xiàn)的，計算機只是作為限制系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備，負(fù)責(zé)對限制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行采集、加工和分析處理，此時的計算機限制系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或監(jiān)視限制系統(tǒng)。由于這種系統(tǒng)中計算機并不干脆參與系統(tǒng)限制，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，平安牢靠。（二）干脆數(shù)字限制系統(tǒng)DDC

（DirectDigitalControl）隨著計算機硬件技術(shù)的日益提高，出現(xiàn)了干脆數(shù)字限制系統(tǒng)，傳統(tǒng)的模擬限制器被計算機構(gòu)成的數(shù)字限制器所取代。在DDC限制系統(tǒng)里，傳感器和執(zhí)行機構(gòu)與計算機是點對點的連接方式，傳感器和執(zhí)行機構(gòu)通過模擬輸入/輸出通道與計算機構(gòu)成的數(shù)字限制器之間進(jìn)行模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，計算機干脆參與系統(tǒng)的限制及信息處理。DDC是計算機限制技術(shù)中最常用的方法之一，其優(yōu)點是敏捷性大、牢靠性高，可以實現(xiàn)較困難的限制規(guī)律，如最優(yōu)限制、魯棒限制、模糊限制等。生產(chǎn)過程模擬輸入通道模擬輸出通道數(shù)控計算機鍵盤、顯示器打印機等外部設(shè)備直接數(shù)字（DDC）控制系統(tǒng)示意圖具有兩級計算機限制系統(tǒng)的計算機監(jiān)督系統(tǒng)SCC，其底層計算機限制系統(tǒng)為執(zhí)行實時限制任務(wù)的DDC系統(tǒng)，高層計算機限制系統(tǒng)為具有強大數(shù)據(jù)處理實力的計算機監(jiān)督系統(tǒng)。（三）計算機監(jiān)督系統(tǒng)SCC

（SupervisoryComputerControl）計算機監(jiān)督系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)（四）分布式限制系統(tǒng)DCS

(DistributedControlSystems)隨著限制系統(tǒng)規(guī)模的日益擴大，在20世紀(jì)70年頭又出現(xiàn)了分布式限制系統(tǒng)DCS，又稱集散限制系統(tǒng)。其特點是接受層次化的多級計算機系統(tǒng)進(jìn)行分散限制、管理集中。分布式限制系統(tǒng)是在計算機監(jiān)督限制系統(tǒng)、干脆數(shù)字限制系統(tǒng)和計算機多級限制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是應(yīng)用于大規(guī)模困難系統(tǒng)或生產(chǎn)過程的一種比較完善的限制與管理系統(tǒng)。分布式限制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖局域網(wǎng)LAN操作員工作站1#過程控制站N#過程控制站傳感器執(zhí)行器傳感器執(zhí)行器被控對象/生產(chǎn)工程工程師工作站監(jiān)控工作站網(wǎng)間連接器第一代DCS或PLC等（五）網(wǎng)絡(luò)限制系統(tǒng)

(NetworkedControlSystems，NCS)“NetworkedControlSystems，NCSs”最早于1998年出現(xiàn)在馬里蘭高校G.C.Walsh的論著中。隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和限制科學(xué)的日益發(fā)展與交叉滲透，限制系統(tǒng)已由封閉的集中體系漸漸向開放分布式體系發(fā)展。很多困難的限制系統(tǒng)如無線網(wǎng)絡(luò)機器人、遠(yuǎn)程遙控操作、基于Internet的遠(yuǎn)程教學(xué)和試驗、遠(yuǎn)程醫(yī)療、航空航天系統(tǒng)以及現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)等，其本質(zhì)上都可歸結(jié)為基于網(wǎng)絡(luò)的限制系統(tǒng)，或者稱為網(wǎng)絡(luò)限制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)限制系統(tǒng)強調(diào)在通信網(wǎng)絡(luò)上建立閉環(huán)限制回路，因此NCS中的網(wǎng)絡(luò)是一個廣義的范疇，包括了現(xiàn)場總線，工業(yè)以太網(wǎng)、無線通信網(wǎng)絡(luò)、甚至Internet等。

1.1數(shù)字限制系統(tǒng)概述數(shù)字限制系統(tǒng)是以數(shù)字計算機作為數(shù)字限制器，實現(xiàn)對連續(xù)對象（或過程）的閉環(huán)限制，因此也稱為計算機限制系統(tǒng)。

本書闡述如下幾部分內(nèi)容：數(shù)字限制系統(tǒng)建模與分析；數(shù)字限制系統(tǒng)的設(shè)計（或稱綜合）；數(shù)字限制系統(tǒng)的實現(xiàn)；高速采樣數(shù)字限制系統(tǒng)的建模與分析、設(shè)計與實現(xiàn)。傳統(tǒng)的模擬閉環(huán)限制系統(tǒng)如下圖所示，其限制器由模擬器件構(gòu)成。數(shù)字限制系統(tǒng)是以數(shù)字計算機作為數(shù)字限制器，單回路計算機限制系統(tǒng)如下圖所示。

1.1.1系統(tǒng)組成與功能數(shù)字限制系統(tǒng)由硬件與軟件兩大部分組成。假如將執(zhí)行機構(gòu)和測量元件的對象特性并入被控對象或過程，則單輸入單輸出單位反饋數(shù)字限制系統(tǒng)的硬件框圖如圖1-1-1所示。A-AnalogueD-Digital采樣開關(guān)A/D數(shù)字控制器D/A保持器對象或過程r(t)e(t)u(t)y(t)實時時鐘模擬輸入通道模擬輸出通道離散狀態(tài)連續(xù)狀態(tài)產(chǎn)生脈沖序列作采樣信號連續(xù)信號離散信號離散信號連續(xù)信號圖1-1-1單位反饋數(shù)字控制系統(tǒng)硬件框圖e*(t)[e(kT)][u(kT)]u*(t)1硬件部分?jǐn)?shù)字限制系統(tǒng)硬件部分由五部分組成：（1）連續(xù)被控對象（或過程）：工作于連續(xù)狀態(tài)，輸入輸出是連續(xù)量。（2）數(shù)字限制器：工作于離散狀態(tài)，輸入輸出是數(shù)字量，由數(shù)字計算機實現(xiàn)。（3）模擬輸入通道：由采樣開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器兩個環(huán)節(jié)組成，完成由連續(xù)量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。（4）模擬輸出通道：由D/A轉(zhuǎn)換器、保持器兩個環(huán)節(jié)組成，完成由數(shù)字量到連續(xù)量的轉(zhuǎn)換。（5）實時時鐘：產(chǎn)生脈沖序列，定時限制采樣開關(guān)的閉合，限制A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的輸出。須要說明的是：數(shù)字限制系統(tǒng)的閉環(huán)限制與連續(xù)系統(tǒng)的閉環(huán)限制相同點是數(shù)字限制系統(tǒng)也接受反饋限制，可以使系統(tǒng)的響應(yīng)對外部干擾和系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)變更不敏感，這一點與連續(xù)系統(tǒng)閉環(huán)反饋限制相同；不同的是：系統(tǒng)只依據(jù)采樣時刻，即離散時間點上的過程變量值進(jìn)行工作，也就是說數(shù)控系統(tǒng)只是在采樣時刻處為閉環(huán)限制；在采樣時刻之間，數(shù)控系統(tǒng)處于開環(huán)限制。由于數(shù)控計算機的離散時間性質(zhì)，故采樣是數(shù)字限制系統(tǒng)的基本特征。數(shù)字（計算機）限制系統(tǒng)又稱為采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)。2軟件部分

（在計算機上實現(xiàn)限制規(guī)律）主程序：系統(tǒng)初始化設(shè)置；限制子程序：實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、限制算法、限制量的輸出和存儲。數(shù)控系統(tǒng)的功能為：在數(shù)字計算機限制下，每隔一個采樣周期T，對連續(xù)偏差信號e(t)進(jìn)行采樣，經(jīng)由模擬輸入通道轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入計算機中，計算機（數(shù)字限制器）依據(jù)限制規(guī)律進(jìn)行運算，求得限制量輸出，由模擬輸出通道轉(zhuǎn)換成連續(xù)量去限制被控對象（或過程），使系統(tǒng)的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)特性達(dá)到預(yù)期的指標(biāo)?？刂谱映绦蚩刂屏康妮敵龊痛鎯N開始主程序：初始化設(shè)置數(shù)據(jù)采集控制算法采樣?圖1-1-2數(shù)字限制系統(tǒng)軟件流程1.1.2數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點程序限制：易于修改，變更限制規(guī)律不需修改硬件，通過修改限制子程序就可以滿足不同的限制要求。因此相對于連續(xù)限制系統(tǒng)更具有敏捷性。精度高：模擬限制器的精度由硬件確定，同一批次的元器件可能具有不同的性能，例如電阻、電容的標(biāo)稱值和實際測量值會有不同，達(dá)到高精度很不簡潔，元器件的價格隨精度不同變更很大；而數(shù)字限制器的精度與計算機的限制算法和字長有關(guān)，在系統(tǒng)設(shè)計時就已經(jīng)確定了。穩(wěn)定性好：數(shù)控計算機只有“0”、“1”狀態(tài)，抗干擾實力強，不象電阻、電容等受外界環(huán)境影響較大。軟件復(fù)用：硬件不能復(fù)用，子程序卻可以，所以具有可重復(fù)性。而且計算機系統(tǒng)和軟件都可以更新?lián)Q代。分時限制：可同時限制多系統(tǒng)、多通道。而模擬限制器只能完成單通道限制。圖1-1-4多路模擬輸入/輸出通道示意圖模擬輸出模擬輸入多路開關(guān)反多路開關(guān)A/DD/A數(shù)字計算機控制數(shù)控系統(tǒng)的缺點、局限性實時性：數(shù)控系統(tǒng)由計算機運行速度、A/D與D/A采樣速度、限制算法等多種因素確定其采樣頻率上限。信號的處理：離散系統(tǒng)的采樣頻率下限受到采樣定理的限制，在輸入信號頻率不滿足采樣定理時得到的采樣信號會產(chǎn)生頻率混迭現(xiàn)象。數(shù)控系統(tǒng)一般須要進(jìn)行連續(xù)信號與數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換，因此系統(tǒng)性能受到A/D與D/A性能的影響，包括實時性、精度等。最終須要指出的是，連續(xù)限制系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，應(yīng)用時接受何種限制方式需考慮價格比、運用環(huán)境、牢靠性、體積等多種實際狀況。可作為數(shù)控系統(tǒng)實時限制器的微計算機種類越來越多，如：臺式機、PLC、單片機、嵌入式計算機、ARM、PLD、DSP等。設(shè)計和實現(xiàn)實時系統(tǒng)，須要從以下幾個指標(biāo)來選擇微型機：速度、字長、指令系統(tǒng)、輸入/輸出限制方式及容量等等；在實際應(yīng)用中，還要考慮高牢靠性、可維護(hù)性、微型化要求等等。多種微計算機舉例（一）通用計算機（臺式機）

軟、硬件通用，多種軟、硬件支持，配套設(shè)備完善。但作為數(shù)字限制器整體的實時處理速度不是很快，確定于全部部件的速度。（二）單片機單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。盡管它的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所須要的大部分部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強大的單片機系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、困難的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。當(dāng)前運用的單片機種類繁多，有Zilog公司的Z8系列單片機，Intel公司的51系列單片機，Atmel公司的AVR單片機，Motorola公司的M68系列單片機、Cygnal公司的C8051F系列單片機等。單片機比專用處理器更適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應(yīng)用。事實上單片機是世界上數(shù)量最多的微機。單片機誕生于20世紀(jì)70年頭末，經(jīng)驗了SCM、MCU、SoC三大階段。SCM即單片微型計算機（SingleChipMicrocomputer）階段，主要是為尋求單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)；MCU即微限制器（MicroControllerUnit）階段，為了滿足嵌入式應(yīng)用，擴展了對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化限制實力；專用單片機的發(fā)展自然形成了片上系統(tǒng)SoC（SystemonChip）化趨勢，就是尋求將應(yīng)用系統(tǒng)研制在一塊芯片上。隨著微電子技術(shù)、IC設(shè)計、EDA工具的發(fā)展，基于SoC的單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計將會有更大的發(fā)展。（三）PLC可編程序限制器適用于工業(yè)自動化限制，平安牢靠，比較完善，但價格較貴，體積較大。（四）DSP芯片

——特地的可編程數(shù)字信號處理芯片DSP芯片是特地的可編程數(shù)字信號處理芯片，接受哈佛總線結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)具有獨立的存儲空間，有著各自獨立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，結(jié)構(gòu)困難，但數(shù)據(jù)處理實力大大提高，有可以實現(xiàn)特處用途（如FFT、FIR濾波、卷積）的特地DSP芯片。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條困難指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理實力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色，所以DSP多用于需高速實時數(shù)據(jù)處理的場合（如圖形處理，大規(guī)模數(shù)據(jù)實時運算）。（五）嵌入式計算機嵌入式計算機一般指非PC機系統(tǒng)，它是以應(yīng)用為中心，軟硬件可裁減，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、牢靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。具有軟件代碼小、高度自動化、響應(yīng)速度快等特點，特殊適合于要求實時和多任務(wù)的體系。嵌入式計算機系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成，它是可獨立工作的微型計算機。如PC/104計算機，高度模塊化設(shè)計，通過棧接的方式可以為嵌入式應(yīng)用供應(yīng)高集成度的CPU模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊等模塊。因為可以自主選擇須要的模塊棧接入系統(tǒng)，因此系統(tǒng)搭建具有很大的敏捷性；雖然整體體積比PC機小得多，但軟件結(jié)構(gòu)可以與IBMPC/AT體系完全兼容。嵌入式計算機PC/104液晶顯示器PC/104標(biāo)準(zhǔn)供應(yīng)與PC總線在體系結(jié)構(gòu)、硬件和軟件上的完全兼容。接受CMOS器件，功耗低；棧接結(jié)構(gòu)，特別緊湊堅實。已有的PC/104模塊為構(gòu)造嵌入式系統(tǒng)供應(yīng)了種類繁多的各種構(gòu)件，它的高集成性和可模塊化的結(jié)構(gòu)適用于多種應(yīng)用。（六）可編程邏輯器件PLD

（Programmablelogicdevice）PLD是做為一種通用集成電路生產(chǎn)的，它的邏輯功能依據(jù)用戶對器件編程來確定。一般的PLD的集成度很高，足以滿足設(shè)計一般的數(shù)字系統(tǒng)的須要。這樣就可以由設(shè)計人員自行編程而把一個數(shù)字系統(tǒng)“集成”在一片PLD上，而不必去請芯片制造廠商設(shè)計和制作專用的集成電路芯片。目前常用的PLD產(chǎn)品主要有：1、現(xiàn)場可編程邏輯陣列FPLA（Fieldprogrammablelogicarray）2、可編程陣列邏輯PAL（Programmablearraylogic）；3、通用陣列邏輯GAL（Genericarraylogic）；4、困難可編程邏輯器件CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）；5、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（fieldprogrammablegatearray）。其中CPLD和FPGA的集成度比較高，有時又把這兩種器件稱為高密度PLD。FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。FPGA的基本特點主要有：1）接受FPGA設(shè)計ASIC電路，用戶不須要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路中的試樣片。3）FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I／O引腳。4）FPGA是ASIC電路中設(shè)計周期最短、開發(fā)費用最低、風(fēng)險最小的器件之一。5）FPGA接受高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。可以說，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、牢靠性的最佳選擇之一。1.2數(shù)字限制對計算機（系統(tǒng)）的要求1.2.1實時限制在一個采樣周期T內(nèi)必需完成如下操作：1.數(shù)據(jù)采集：采樣，A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)輸入的時間△t1；2.程序運行求出限制量的時間△t2；3.限制量的輸出和存儲時間△t3。則為了實現(xiàn)實時限制，必需有1.2.2對計算機（系統(tǒng)）的要求硬件支持1.CPU、內(nèi)存、中斷、指令系統(tǒng)等；2.實