計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)介紹

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

課程安排：

?學(xué)習(xí)方式：課堂學(xué)習(xí)、課堂討論、課程實(shí)驗(yàn)；

?學(xué)習(xí)內(nèi)容：課堂知識(shí)（課件，網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂下載）、

文獻(xiàn)調(diào)研、習(xí)題、實(shí)驗(yàn);

?課后習(xí)題要求：每章課程學(xué)習(xí)完成后的下一周,

提交該章的習(xí)題作業(yè)，要求作業(yè)采用手寫紙稿；

?考試形式：考查，包括參加課堂學(xué)習(xí)和討論、課

程實(shí)驗(yàn)，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

2

參考書(shū)籍

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：理論與設(shè)計(jì)（瑞典）奧斯

特隆姆，威頓馬克著;周兆英等譯

Computer-controlledsystems:

theoryanddesignKarlJ.Astrom,

BjornWittenmark

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)何克忠，李偉編著

3

課程章節(jié)的安排

第二章「概論--撰型和分析方法

,/4二章：線性離散系統(tǒng)的輸入輸出模冠\

、'、譚三章：狀態(tài)空間模型一/

第四章「線性離散系統(tǒng)的分柝一-控制器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

第五章「連續(xù)控制器的模擬化設(shè)計(jì)為海

，/.六章：基于輸入輸出模型的設(shè)計(jì)方於、、

、第七章：基于狀態(tài)空間模型的設(shè)計(jì)方法/

肩大章…自適應(yīng)控制和智熊撩制系統(tǒng)”

，案例「薇湎忑行器控制+你富拓旗港S'、、等例和實(shí)踐

''實(shí)驗(yàn)；電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析一」’4

___--------

第一章概論

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(ComputerControlSystem,簡(jiǎn)稱

CCS)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)參與控制并借助一些輔助部件與被

控對(duì)象相聯(lián)系,以獲得一定控制目的而構(gòu)成的系統(tǒng)?？?/p>

制目的可以是使被控對(duì)象的狀態(tài)或運(yùn)動(dòng)過(guò)程達(dá)到某種要

求，也可以是達(dá)到某種最優(yōu)化目標(biāo)。

計(jì)算機(jī)通常指數(shù)字計(jì)算機(jī),可以采用各種類型，如微型、大型的

通用或?qū)Ｓ糜?jì)算機(jī)。

輔助部件主要指輸入輸出接口、檢測(cè)傳感裝置和執(zhí)行裝置等。與

被控對(duì)象的聯(lián)系和部件間的聯(lián)系，可以用有線方式進(jìn)行聯(lián)系；也

可以用無(wú)線方式進(jìn)行聯(lián)系。

被控對(duì)象的范圍很廣,包括各行各業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程、機(jī)械裝置、交

通工具、機(jī)器人、實(shí)驗(yàn)裝置、儀器儀表、家庭生活設(shè)施、家用電

器和兒童玩具等。c

與經(jīng)典模擬控制的區(qū)別：利用計(jì)算機(jī)代替常規(guī)的

模擬控制器，使計(jì)算機(jī)成為控制系統(tǒng)的一個(gè)組成

部分，因而系統(tǒng)中信號(hào)為數(shù)字離散的。

優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制規(guī)律由計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)

現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)模擬控制方法難以實(shí)現(xiàn)的更為復(fù)雜

的控制規(guī)律，可以避免模擬電路實(shí)現(xiàn)的許多困難。

而且便于更換和改進(jìn)。

缺點(diǎn)：量化誤差、受采樣頻率影響控制帶寬窄、

速度低、離散特性可能影響穩(wěn)定性。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是以自動(dòng)控制理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)

相結(jié)合而成。目前大多數(shù)控制系統(tǒng)都在向基于計(jì)

算機(jī)控制的方向發(fā)展。C

提綱

1.1計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展和應(yīng)用

1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類

1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成

1.4控制系統(tǒng)的信號(hào)處理和傳遞

1.5計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)理論

7

1.1計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展概況

?計(jì)算機(jī)控制以經(jīng)典控制理論（1868

年）、現(xiàn)代控制理論（1955）、智能控

制理論（1965）為基礎(chǔ)；

?計(jì)算機(jī)控制技術(shù)（1955年）是伴隨

著計(jì)算機(jī)技術(shù)（1946年）和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

（1969年）的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的；

?計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展和應(yīng)用非常迅速，

已深入到各行各業(yè)，并逐漸走向智能化、

網(wǎng)絡(luò)化和綜合化。8

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程

特點(diǎn)

:大

?開(kāi)創(chuàng)期=1955年、

昂

笨重

貴

、

不可

?直接式數(shù)字控制期。1962年告

非

?小型計(jì)算機(jī)控制期=1967年

?微型計(jì)算機(jī)控制期。1972年

特點(diǎn)

小

?

、

?數(shù)字控制普遍應(yīng)用期?年?

1980巧

輕

價(jià)

廉

、

活

高

靈

?集散型控制期。1990年可

、

性

智

靠

能

?現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)控制期。2000年4/、

化

?無(wú)線網(wǎng)絡(luò)智能控制期=2010年

計(jì)算機(jī)控制發(fā)展趨勢(shì)：網(wǎng)絡(luò)化、智能化、綜合化

9

計(jì)算機(jī)控制理論發(fā)展中的主要思想

?采樣定理(1949)

?差分方程(1948)

?變換方程(1952)

?狀態(tài)空間理論(1958)

?最優(yōu)控制與隨機(jī)控制(1957)

?代數(shù)系統(tǒng)理論(1969)

?系統(tǒng)辨識(shí)、智能控制(1971)

?自適應(yīng)控制(1973)

10

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

?應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

?應(yīng)用形式多樣

?重要應(yīng)用：

工業(yè)自動(dòng)化

汽車

船舶

飛行器、航天器

等等

11

應(yīng)用舉例1—汽車應(yīng)用

汽車微機(jī)控制系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的一個(gè)應(yīng)用O

娛樂(lè)通信12

抱死：就是制動(dòng)器將輪胎夾緊,輪胎對(duì)于制動(dòng)器沒(méi)有相

對(duì)運(yùn)動(dòng)。換句話說(shuō)，也就是輪胎不轉(zhuǎn)了，車身仍在路面

滑動(dòng)，汽車失控了

ABS系統(tǒng)—防抱死系統(tǒng)

執(zhí)

行

器

被

監(jiān)

汽車電源電壓

控

壓力傳感器

信

汽車減速度傳感器信號(hào)

號(hào)安全監(jiān)控電路

汽車的制動(dòng)力取決于摩擦力，ABS系統(tǒng)的功能：即在車輪將要抱

死時(shí)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制，降低制動(dòng)力，而當(dāng)車輪不會(huì)抱死時(shí)又增

加制動(dòng)力，如此反復(fù)動(dòng)作，使制動(dòng)效果最佳。14

輪速傳感福

EPS

（電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向

Electrically

橫根角速度傳感后

織向加速度傳感器

Powered橫向加速度傳族荒

Steering）方兩盤傳感日

電子控制單元

?EPS可以監(jiān)控汽車行駛狀態(tài)，并自動(dòng)向一個(gè)或多個(gè)車輪施加

制動(dòng)力，以保持車子在正常的車道上運(yùn)行。

?EPS一般需要安裝轉(zhuǎn)向傳感器、車輪傳感器、側(cè)滑傳感器、

橫向加速度傳感器等。

15

Acronyms

TPM:TyrePressureMonitoring

RSM:RemoteSensingModule

RKE:RemoteKeylessEntry

P&T

(Backside)

MPXY8020A:CMOSP&TSensorHC908RFRK2:MCU+RF

+

輪胎壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)一一輪胎內(nèi)部的傳感器模塊包括壓力和溫度

傳感器，微控制單元，RF輸出，以及一個(gè)電池。該模塊放置在

每個(gè)輪胎中。同時(shí)使用了一個(gè)中央接收器，接受每個(gè)輪胎發(fā)出

的信號(hào)，通過(guò)CAN總線為顯示器提供信息。

16

紅外，超聲，圖像感應(yīng)，面向后方的嬰

兒座以及車主偵測(cè)

多路輸出氣囊

II

重量傳感器探測(cè)安全帶的使用

碰撞嚴(yán)重性探測(cè)以坐位位置傳感器

及閾值調(diào)整

車輛安全系統(tǒng)——為了使系統(tǒng)智能化，應(yīng)用不同的傳感器：自

動(dòng)開(kāi)啟氣囊的加速度傳感器，坐位位置傳感器和重量傳感器，用

于探測(cè)使用者位置的紅外傳感器

17

應(yīng)用舉例2—機(jī)器人應(yīng)用

WhatIsMURATABOYmadeof?N?wmaterialsuitablsforlenses

Gettoknowtftul/uinLUMICERA"

MURATABOYWirelessmusictrantmittiofi

Bluetooth'module

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主要控制單元及傳感器：

?前向控制一超聲傳感器、視覺(jué)傳

感器

?轉(zhuǎn)向控制一陀螺和振動(dòng)傳感器

?傾斜和穩(wěn)定控制一陀螺和振動(dòng)傳

感器

19

感知頸斜度和當(dāng)曲度

陀螺傳感器

能感知車體端斜度和整曲度的微小變化的傳感器。在感知到頸斜

度時(shí).則通過(guò)旋轉(zhuǎn)首于胸部的圖盤來(lái)保持平衡。它還能計(jì)算出村

20

田就至的所處位置。

檢測(cè)對(duì)車體的沖擊度

振動(dòng)傳感器

21能檢測(cè)出由凹凸路面和昌低差所帶來(lái)的對(duì)車體的沖擊度.

并將此信號(hào)傳送給控制電路。

?配備有計(jì)算機(jī)控制系

統(tǒng)，可按照預(yù)設(shè)線路自

主行駛。利用傳感器測(cè)

定前進(jìn)方向，通過(guò)通信

模塊與控制計(jì)算機(jī)之間

進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)

現(xiàn)準(zhǔn)確行駛。

?在遇到前方障礙物時(shí)

,機(jī)器人既可以轉(zhuǎn)向繞

行，也可以根據(jù)指令進(jìn)

行剎車。先進(jìn)的傳感器

技術(shù)和控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)

功能的關(guān)鍵。

22

1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類

1、以控制方式來(lái)分類

?計(jì)算機(jī)開(kāi)環(huán)控制

系統(tǒng)輸出對(duì)被控對(duì)象行使控制，但控制結(jié)果一被控對(duì)象

的狀態(tài)不影響計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)、控制器、生產(chǎn)過(guò)

程等環(huán)節(jié)沒(méi)有構(gòu)成閉合環(huán)路。

?計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制（反饋控制）

計(jì)算機(jī)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制時(shí)，對(duì)象狀態(tài)能直接影響計(jì)

算機(jī)控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，控制部件（執(zhí)行器）按控制器

發(fā)出的控制信息對(duì)運(yùn)行設(shè)備（被控對(duì)象）進(jìn)行控制，另一

方面運(yùn)行設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)作為輸出，由檢測(cè)部件測(cè)出后，

作為輸入反饋給控制計(jì)算機(jī)；從而使控制計(jì)算機(jī)、控制部

件、生產(chǎn)過(guò)程、檢測(cè)部件構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)回路。23

?在線控制（聯(lián)機(jī)控制）

計(jì)算機(jī)對(duì)被控對(duì)象或被控生產(chǎn)過(guò)程行使直接控制，不

需要人工干預(yù)。

-離線控制

控制計(jì)算機(jī)沒(méi)有直接參于控制對(duì)象或受控生產(chǎn)過(guò)程，

它只完成被控對(duì)象或被控過(guò)程的狀態(tài)檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)數(shù)

據(jù)進(jìn)行處理，而后制定出控制方案，輸出控制指示，操

作人員參考控制指示，人工手動(dòng)操作使控制部件對(duì)被控

對(duì)象或被控過(guò)程進(jìn)行控制。

?實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)

被控制的對(duì)象或被控過(guò)程，每當(dāng)請(qǐng)求處理或請(qǐng)求控制

時(shí)，控制器能及時(shí)處理并進(jìn)行控制的系統(tǒng)，常用在生產(chǎn)

過(guò)程是間斷進(jìn)行的場(chǎng)合。一個(gè)在線系統(tǒng)并不一定是實(shí)時(shí)

系統(tǒng)，但是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)必是一個(gè)在線系統(tǒng)。24

2、以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)分類

?直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）

由控制計(jì)算機(jī)取代常規(guī)的模擬調(diào)節(jié)儀表而直接對(duì)生

產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制。控制信號(hào)通過(guò)輸入/輸出通道中的數(shù)/

模（D/A）轉(zhuǎn)換器將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字控制量轉(zhuǎn)換成模擬

量，來(lái)控制被控對(duì)象；對(duì)象的模擬狀態(tài)量也要經(jīng)輸入/

輸出通道的模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)入計(jì)算機(jī)。

?計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCO

針對(duì)某一種生產(chǎn)過(guò)程，依據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的各種狀態(tài)，

按生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)和估計(jì)出生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)運(yùn)行

的最佳給定值，并將最佳值自動(dòng)地對(duì)DDC執(zhí)行級(jí)的計(jì)

算機(jī)或?qū)δM調(diào)節(jié)儀表進(jìn)行調(diào)正或設(shè)定控制的目標(biāo)值，

由DDC或調(diào)節(jié)儀表對(duì)生產(chǎn)過(guò)程各個(gè)點(diǎn)（運(yùn)行設(shè)備）行使控

制。系統(tǒng)中包括預(yù)測(cè)和控制兩個(gè)過(guò)程。

25

?多級(jí)控制系統(tǒng)（MCS）

在現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)中，不僅需要解決生產(chǎn)過(guò)程的在線控

制問(wèn)題，而且還要求解決生產(chǎn)管理問(wèn)題，每日生產(chǎn)品種、

數(shù)量的計(jì)劃調(diào)度以及月季計(jì)劃安排，制定長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃、預(yù)

報(bào)銷售前景等，于是出現(xiàn)了多級(jí)控制系統(tǒng)。

DDC級(jí)主要用于直接控制生產(chǎn)過(guò)程，進(jìn)行PID或前饋

等控制；SCC級(jí)主要用于進(jìn)行最佳控制或自適應(yīng)控制或

自學(xué)習(xí)控制計(jì)算，并指揮DDC級(jí)控制同時(shí)向MIS（管理

信息系統(tǒng)）級(jí)匯報(bào)情況。DDC級(jí)通常用微型計(jì)算機(jī)，

SCC和MIS級(jí)一般用小型計(jì)算機(jī)或高檔微型計(jì)算機(jī)。

?分布式控制或分散控制系統(tǒng)（DCS）

分散控制或分布控制，是將控制系統(tǒng)分成若干個(gè)獨(dú)立

的局部控制子系統(tǒng)，用以完成受控生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制任

務(wù)。

26

DCS大量應(yīng)用在自動(dòng)化領(lǐng)域，將過(guò)程控制、監(jiān)督控制和管理

調(diào)度進(jìn)一步結(jié)合起來(lái)，自下而上一般可分為過(guò)程控制級(jí)

（DDC）、控制管理級(jí)（SCC,監(jiān)督控制）、生產(chǎn)管理級(jí)

（MIS,管理信息系統(tǒng)）和經(jīng)營(yíng)管理級(jí)（DSS,決策支持系

統(tǒng)）四個(gè)層次。DCS是屬于專用系統(tǒng)，開(kāi)放程度不夠。

DCS在熱電廠的應(yīng)用

廠級(jí)

被控過(guò)程

28

?現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(FCS5fieldbus

controlsystem)

FCS為新型網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)，它

將操作站、現(xiàn)場(chǎng)智能儀表以及其它信息資源作為網(wǎng)

絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，將原來(lái)封閉、專用的系統(tǒng)變成開(kāi)放、

標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，從過(guò)程控制走向了過(guò)程管理?，F(xiàn)場(chǎng)總

線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式雙向

傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：①系統(tǒng)開(kāi)

放；②標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，互可操作性與可用性；③全數(shù)

字，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性；④系統(tǒng)結(jié)

構(gòu)的高度分散；⑤對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性。

29

監(jiān)控客戶機(jī)

監(jiān)控客戶機(jī)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

30

應(yīng)

用

物層

聯(lián)

網(wǎng)

技r

IIFI

網(wǎng)在規(guī)★帶2G/3GFSIN

術(shù)

絡(luò)

層

?

知

層

支忖

環(huán)M

水K

?n/j

31

http://www.c114.net(2011/4/2810:51)

FCS與DCS的區(qū)另ij

?兩者都為網(wǎng)絡(luò)多層結(jié)構(gòu)，但DCS采用專用網(wǎng)

絡(luò)，F(xiàn)CS使用標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放性網(wǎng)絡(luò)…以太網(wǎng)。

?DCS可采用數(shù)字/模擬混合，F(xiàn)CS為全數(shù)字

式系統(tǒng)。

?DCS采用專用的控制器（可靠性強(qiáng)），F(xiàn)CS

采用標(biāo)準(zhǔn)的硬、軟件平臺(tái)，如PC機(jī)，可采

用嵌入式PC機(jī)提高系統(tǒng)可靠性。

32

1.3現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要內(nèi)容

￡置妻數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)：

__________

?計(jì)算機(jī)硬侔技術(shù)

?通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

?信息管理和處理(分類、分析、決策等)

33

1.3.1數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）基本組成

輸出反饋數(shù)字控制系統(tǒng)

狀態(tài)反饋數(shù)字控制系統(tǒng)34

輸出反饋數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

?數(shù)字控制系統(tǒng)由數(shù)字控制器、執(zhí)行器、被控對(duì)

象、測(cè)量環(huán)節(jié)等組成。

?數(shù)字控制器用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，一般由計(jì)算機(jī)核心

硬件、控制算法(或稱控制律，由計(jì)算機(jī)程序

實(shí)現(xiàn))、模-數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器、數(shù)-模(D/A)轉(zhuǎn)換

器組成。35

運(yùn)算器

「中央處理機(jī)《控制器

CPU內(nèi)存儲(chǔ)器

r硬設(shè)備《

人機(jī)通信設(shè)備

I外部設(shè)備

C計(jì)算機(jī)過(guò)程輸入/設(shè)備輸出

”操作系統(tǒng)

數(shù)字r系統(tǒng)軟件（程序）＜

軟件JL支援性軟件

控制系統(tǒng)

.應(yīng)用軟件（程序）

被控對(duì)象、執(zhí)行器、測(cè)量環(huán)節(jié)

數(shù)字控制系統(tǒng)的基本組成

36

1.3.1.1被控對(duì)象

被控對(duì)象是指所要控制的裝置或設(shè)備。被

控對(duì)象用傳遞函數(shù)來(lái)表征時(shí)，其特性可以用放

大系數(shù)K、慣性時(shí)間常數(shù)〃積分時(shí)間常數(shù)Z、

滯后時(shí)間系數(shù)N來(lái)描述。被控對(duì)象的傳遞函數(shù)

可以歸納為如下幾類典型環(huán)節(jié)的組合：

放大環(huán)節(jié)G⑴二K

慣性環(huán)節(jié)G(s)二.丁..、

(1+加)(1+72。,,(1+f)

積分環(huán)節(jié)G(s)=工

\7rpn

純滯后環(huán)節(jié)G(s)”二

37

1.3.1.2執(zhí)行器

執(zhí)行器是控制系統(tǒng)中的重要部件，是

向被控對(duì)象提供運(yùn)動(dòng)動(dòng)力的裝置。執(zhí)行器

根據(jù)控制信號(hào)，改變輸出的直線位移或角

位移。

執(zhí)行器按照采用的動(dòng)力方式可以分為

電動(dòng)、氣動(dòng)、液動(dòng)、熱動(dòng)等。

可以用傳遞函數(shù)來(lái)表示，多為比例或

一階或二階慣性環(huán)節(jié)。

38

1.3.1.3測(cè)量環(huán)節(jié)

測(cè)量環(huán)節(jié)由傳感器和測(cè)量線路構(gòu)成，它把被控

參數(shù)轉(zhuǎn)換成某種形式的信號(hào)（一般為電信號(hào)）。

傳感器：旋轉(zhuǎn)變壓器，感應(yīng)同步器，光電編碼

器，光柵傳感器，電位器，加速度計(jì)，陀螺，磁場(chǎng)

計(jì)，壓力傳感器，溫度傳感器等。

MEMS傳感器：采用微機(jī)電技術(shù)，將傳感器結(jié)

構(gòu)、電路等集成實(shí)現(xiàn)微型化系統(tǒng)，其體積和功耗小、

可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)、成本低、易制成大規(guī)模和多模式

陣列等。MEMS傳感器是一個(gè)多學(xué)科交叉的新興研

究領(lǐng)域，由于其具有性能高、價(jià)格便宜、適合大批

量生產(chǎn)等特點(diǎn)，正逐步替代一些傳統(tǒng)的傳感器。

39

1.3.1.4數(shù)字控制器

數(shù)字控制器以計(jì)算機(jī)為核心，控制規(guī)律由編制的

計(jì)算機(jī)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。輸入通道包括模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D),

輸出通道包括數(shù)■模轉(zhuǎn)換器(D/A)。

?采樣周期：兩次相鄰采樣之間的時(shí)間，記作7。

最常用的是周期性采樣。

?采樣時(shí)刻：把實(shí)測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的時(shí)刻，上T

-勺⑴表示參考輸入信號(hào)(給定信號(hào))

?y⑴表示系統(tǒng)的反饋信號(hào)

-e⑴表示偏差信號(hào)或比較信號(hào)

?沈⑴表示控制信號(hào)

40

1.3.2計(jì)算機(jī)控制器硬件組成

系統(tǒng)

復(fù)位及其時(shí)鐘

它功能

地址和控制總線

中央處理

單元接口終端

(CPU)

隨機(jī)?D/A>

存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器接口

控制器(RAM)A/D<

M----------

/只讀

存儲(chǔ)器

直接存儲(chǔ)＞顯示

單元|(ROM)接口

(DMA)數(shù)據(jù)輸入

存儲(chǔ)器

I___

硬盤

接口軟盤

41

數(shù)字控制器類型

?PC機(jī)(通用計(jì)算機(jī))，標(biāo)準(zhǔn)的軟、硬件，存儲(chǔ)量大

,操作系統(tǒng)強(qiáng)大

?微控制器(MCU,MicroControllerUnit),單片

機(jī)或DSP,是指把CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備或

接口集成到一片芯片內(nèi)，加少量的外圍電路就可以

構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的器件

?可編程控制器（PLC,ProgrammableLogic

相結(jié)合的產(chǎn)物，主要用于工業(yè)控制和電氣控制

-嵌入式控制系統(tǒng)，嵌入到對(duì)象體系中的專用計(jì)算機(jī)

控制系統(tǒng)，采用專用的微處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系智

能化控制，具有低功耗、小體積、高集成度的特點(diǎn)2

嵌入式控制系統(tǒng)舉例——微型飛行器的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)

1.3-3通信和網(wǎng)絡(luò)

⑻⑼

分散控制的多微處理器控制系統(tǒng)

⑸具有中央處理器的系統(tǒng)；（b）分布系統(tǒng)44

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

又稱“計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信”，通過(guò)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、制定

通信協(xié)議在多計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)信息共享和數(shù)據(jù)傳輸。

以太網(wǎng)

控制網(wǎng)

設(shè)備網(wǎng)

45

控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)集成

控制網(wǎng)絡(luò)一一指完成自動(dòng)化控制任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，

其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為DDC。

信息網(wǎng)絡(luò)一一指在辦公自動(dòng)化和通信等領(lǐng)域廣為采

用的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是通信信息量大、傳輸快速。

控制網(wǎng)路與信息網(wǎng)絡(luò)集成主要實(shí)現(xiàn)信息交換和資源共

享。集成技術(shù)主要把包括：

＞網(wǎng)絡(luò)互連：物理互連與邏輯互連，路由器和網(wǎng)關(guān)

＞動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換：通過(guò)共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸

＞遠(yuǎn)程通信：調(diào)制解調(diào)器（電話線），TCP/IP

（Windows操作系統(tǒng)）

＞數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)：應(yīng)用編程接口API（開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)

互連、固有連接、Java數(shù)據(jù)庫(kù)連接）46

1.3.4信息處理和管理

Hierarchicalsystemstructure

高層UPPERLAYER

KnowledgeProcessing

MIDDLELAYERHMIDDLELAYER

中層

InformationProcessing■Info.Processing

LOWERLAYER

底層Sensor!Sensor!Sensor!Sensor^HAudioIVideoIOthers

Multi-sensorsystemsManMachineInterface

＞底層---進(jìn)行信號(hào)處理Signalprocessing

*Conditioning,filtering,conversion

＞中層---進(jìn)行信息處理Information

processing

*Featuregeneration,sensorsignalfusion

andparametertuning

＞高層一一進(jìn)行信息的智能處理和管理

Knowledgeprocessing

*Clustering,prediction,classification,

decisionmaking,communications

信息管理是一種包含調(diào)查研究、運(yùn)籌決策、協(xié)

調(diào)控制、檢查改進(jìn)等環(huán)節(jié)的高級(jí)復(fù)雜過(guò)程，是

根據(jù)目標(biāo)進(jìn)行信息獲取、組織和決策的過(guò)程。

49

1.4數(shù)字控制器中信號(hào)處理和傳遞

1.4.1采樣

數(shù)字控制器的輸入

1.4.2量化(A/D)

143保持(D/A)?數(shù)字控制器的輸出

常用零階保持器(ZeroorderholderZOH)

L4.4控制算法

1.4.5多輸入多輸出信號(hào)傳遞

50

1.4.1采樣

匕

?采樣：工H一每…隔‘一定工的.時(shí)間間隔把連續(xù)信號(hào)抽

樣成采樣信號(hào)的過(guò)程。

?理想采樣器：理想采樣器是一種數(shù)學(xué)抽樣。

T

⑴6*（。

理想采樣器圖示

?單位脈沖(沖激)序列：8")二￡b(TT)

k=0

?采樣信號(hào)：采樣信號(hào)可以看成是連續(xù)信號(hào)e⑴

被采樣間隔為7的沖激序列抽樣得到的沖激

函數(shù)序列。*⑺，每個(gè)沖激的間隔為，而沖

激強(qiáng)度等于連續(xù)信號(hào)的抽樣值c(㈠)。51

采樣示意圖

100

IIII3T⑴工火-⑺

k=0

0￡

▼/⑺；

H調(diào)制器a0*(。=匚(/(一口

--------------------k=0

*

e(/)Ae(/)k

52

?米樣信號(hào)屋⑴可以看成是e0）和⑴的乘積。

在一在時(shí)刻的脈沖沖量為。（〃）,而

--⑺表示出脈沖發(fā)生的時(shí)刻。

?理想采樣器的工作過(guò)程是把輸入的模擬信號(hào)

變成一串脈沖。

?采樣定理：采樣后的離散信號(hào)能夠恢復(fù)原連

續(xù)信號(hào)的條件是采樣頻率要高于信號(hào)中最

頻率的2倍。即如果連續(xù)信號(hào)/⑴的傅里葉

變換在（-明，心）以外為零，則當(dāng)采樣角頻率

co,大于2g時(shí)，此信號(hào)完全可由其等周期

采擇點(diǎn)上的值唯一確定。

?定義乃奎斯特頻率：

①N二"2

53

連續(xù)信號(hào)/⑴與采樣信號(hào)/*(/)的頻譜

54

CDen

混疊現(xiàn)象:如果于〈必，^T>—,則不能由離

散信號(hào)/(⑺恢復(fù)出連續(xù)信號(hào)/⑺。例如兩個(gè)周期信號(hào)

的頻率分別為0.1赫茲和0.9赫茲，如果采樣頻率為1

赫茲，可以看出在采樣點(diǎn)它們具有相同的數(shù)值。從

采樣點(diǎn)的數(shù)值就不可能恢復(fù)出0.9赫茲的周期信號(hào)。

55

?前置濾波：在實(shí)際應(yīng)用中，常常會(huì)遇到難以滿足采

樣定理的情況。由于混疊效應(yīng)，連續(xù)信號(hào)被離散后

其高頻分量將以低頻的形式出現(xiàn)，而破壞了控制系

統(tǒng)的工作。克服這個(gè)困難的一個(gè)有效辦