计算机控制系统-第二章
计算机控制系统 第2章(第3次课 最少拍)
各个采样时刻的输出序列为：
y(0) 0, y(T ) 0, y(2T ) T 2 , y(3T ) 3.5T 2 , y(4T ) 7T 2 ,
2.3.2 最少拍(dead-beat)控制系统设计
需求与问题
• 经历最少的采样周期（最短的时间 ），使输出达到参考值。
解决的基本思路
• 使E(z)有限项（以z-1多次幂的多项式为有限项）， 且项数越少越好。 • D(z)满足物理可实现性 • 闭环系统稳定性
2.3.2 最少拍控制系统设计
最少拍（有限拍）控制是一种时间最优控制方式。 设计目标：设计一个数字控制器D(z)，使系统在 典型输入信号r(t)作用下，经过最少的采样周期， 消除输出和输入之间的偏差，达到平衡。通常 把一个采样周期称为一拍。 设计准则：1）单位阶跃输入
1 z
各采样时刻输出序列为：
2 z 1 z 2 z 3 z 4
y(0) 0, y(T ) 2, y(2T ) 1, y(3T ) 1,
系统的输出响应曲线如图2-16(a)所示。
（2）单位加速度输入
Y ( z) Gc ( z) R( z )
而输入序列 y(0) 0, y(T ) 0.5T 2 , y(2T ) 2T 2 , y(3T ) 4.5T 2 , y(4T ) 8T 2 , 系统的输入和输出响应曲线如图2-16(b)所示。
最少拍控制器中的最少拍是针对某一典型输入设计的， 对于其它典型输入则不一定为最少拍，甚至引起大的超调 和静差。
第二章 计算机控制系统的组成
第二章 计算机控制系统的组成第 1 页 共 15 页第二章 计算机控制系统的组成 第一节 计算机控制系统组成概述一、计算机控制系统的组成图2－1(a) 计算机控制系统的组成框图如图2－1（a）所示，计算机控制系统主要由工业控制机和生产过程两大部分组成。
工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分；生产过程包括被控对象、测量变送、执行机构、电气开关等装置，这些装置有各种类型的标准产品，在设计计算机控制系统时根据需要进行合理选型。
二、工业控制机工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分。
1、工业控制机的硬件组成图2－1（b）工业控制机的硬件组成原理图工业控制机的硬件包括主机板、内部总线和外部总线、人机接口、磁盘系统、通信接口、输入输出通道。
（1）主机板:CPU、RAM、ROM等。
作用：进行数值计算、逻辑判断、数据处理。
（2）内部总线和外部总线内部总线：工业控制机内部各组成部分进行信息传送的公共通道，它是一组信号线的集合。
常用内部总线有IBM PC、PCI总线和STD总线。
外部总线：工业控制机与其它计算机和智能设备进行信息传递的公共通道。
RS—232C、USB和IEEE—488通信总线。
（3）人—机接口:键盘、显示器、打印机。
（4）磁盘系统：软盘和硬盘。
（5）通信接口: 工业控制机和其它计算机或智能外设通信的接口。
常用RS—232C、USB和IEEE—488接口。
(6)系统支持功能①监控定时器(看门狗-Watchdog) ②电源掉电检测③保护重要数据的后备存贮器体 ④实时日历时钟(7) 输入输出通道工业控制机和生产过程之间设置的信号传递和变换的连接通道。
它包括模拟量输入(AI)通道、模拟量输出(AO)通道、数字量(或开关量)输入(DI)通道、数字量(或开关量)输出(DO)通道。
它的作用有两个：其一、是将生产过程的信号变换成主机能够接受和识别的代码；其二、是将主机输出的控制命令和数据，经变换后作为执行机构或电气开关的控制信号。
计算机控制系统复习资料(精简版 列出重点知识点)
第一章概论，讲述计算机控制系统的发展过程；计算机控制系统在日常生活和科学研究中的意义；计算机控制系统的组成及工作原理；计算机控制的特点、优点和问题；与模拟控制系统的不同之处；计算机控制系统的设计与实现问题以及计算机控制系统的性能指标。
1.计算机控制系统与连续模拟系统类似，主要的差别是用计算机系统取代了模拟控制器。
2.计算机系统主要包括：．A／D转换器，将连续模拟信号转换为断续的数字二进制信号，送入计算机；．D／A转换器，将计算机产生的数字指令信号转换为连续模拟信号(直流电压)并送给直流电机的放大部件；．数字计算机(包括硬件及相应软件)，实现信号的转换处理以及工作状态的逻辑管理，按给定的算法程序产生相应的控制指令。
3.计算机控制系统的控制过程可以归结为：．实时数据采集，即A/D变换器对反馈信号及指令信号的瞬时值进行检测和输入；．实时决策，即计算机按给定算法，依采集的信息进行控制行为的决策，生成控制指令；．实时控制，即D/A变换器根据决策结果，适时地向被控对象输出控制信号。
4.计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程自动控制的系统。
5.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。
6.计算机控制系统的特性系统规模有大有小系统类型多种多样系统造价有高有低计算机控制系统不断推陈出新7.按功能分类1)数据处理系统2)直接数字控制（DDC）3)监督控制（SCC）4)分散型控制5)现场总线控制系统按控制规律分类1)程序和顺序控制2)比例积分微分控制（PID）3)有限拍控制4)复杂控制5)智能控制按控制方式分类1)开环控制2)闭环控制9.计算机控制系统的结构和组成控制算法软件网络硬件11.硬件平台运算处理与存储部分：CPU，存储器（RAM，ROM，EPROM，FLASH-ROM，EEPROM以及磁盘等），时钟，中断，译码，总线驱动等。
输入输出接口部分：各种信号（模拟量，开关量，脉冲量等）的锁存、转换、滤波，调理和接线，以及串行通讯等。
计算机操作系统原理 第二章 进程描述与控制
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两个并发程序方案
设有一台标准输入设备（键盘），和一台标准 输出设备（显示器或打印机），输入程序负责 从标准设备中读取一个字符，送缓冲区中。输 出程序从缓冲区中取数据，送标准设备输出。
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两个并发程序方案
f
标准输入 （键盘）
输入程序 缓冲区 输出程序
g
标准输出 （打印机）
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两个并发程序方案
6
前趋图
前趋图(Precedence Graph)是一个有向无循环图，记 为DAG(Directed Acyclic Graph)，用于描述进程之间执行 的前后关系。 结点：一个程序段或进程，乃至一条语句
有向边：偏序或前趋关系
把没有前趋的结点称为初始结点(Initial Node) 没有后继的结点称为终止结点(Final Node) 每个结点还具有一个重量(Weight)，用于表示该结点 所含有的程序量或结点的执行时间。
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进程状态模型
进程状态转换
原状态 创建 OS根据作业控制请求； 分时系统用户登录； 进程产生子进程而创 建进程 转换后状态 运行 × 就绪 × 阻塞 × 终止 ×
创建
×
×
OS准备运 行新的进 程
×
×
（转下表）
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进程状态模型
原状态 创建 运行 × 运行 × 转换后状态 就绪 超时；OS服务 请求；OS响应 具有更高优先 级的进程；进 程释放控制 阻塞 OS服务 请求； 资源请 求；事 件请求 终止 进程完 成，进 程夭折
2.5 进程同步 2.6 经典进程的同步问题 2.7 管程机制 2.8 进程通信
3
2.1 进程描述
2.1.1 程序的顺序执行 2.1.2 程序的并发执行 2.1.3 进程的定义
(完整版)计算机控制技术第二章习题答案整理及详解(.04.26修改版SK)
be i ng 第2章 习题参考答案1.什么是接口、接口技术和过程通道？答：接口是计算机与外设交换信息的桥梁，包括输入接口和输出接口。
接口技术是研究计算机与外部设备之间如何减缓信息的技术。
过程通道是计算机与生产过程之间的信息传送和转换的连接通道。
2.采用74LS244和74LS273与PC/ISA 总线工业控制机接口，设计8路数字量（开关量）输入接口和8路数字量（开关量）输出接口，请画出接口电路原理图，并分别编写数字量输入和数字量输出程序。
答：数字量输入接口设片选端口地址为port MOV DX,portMOV DPTR,PORTMOVX A,@DPTRINAL,DX74LS244PC 总线*IOR(*RD)_数字量输出接口MOV AL,DATA MOV A,DATAMOV DX ，port MOV DPTR,PORT OUTDX,ALMOVX @DPTR,A3.用8位A/D 转换器ADC0809与8051单片机实现8路模拟量采集。
请画出接口原理图，并设计出8路模拟量的数据采集程序。
输出信号PC 总线(*WR)程序：ORG 0000HMOV R0，#30H ；数据区起始地址存在R0MOV R6，#08H ；通道数送R6MOV IE，#84H ；开中断SETB IT1 ；外中断请求信号为下跳沿触发方式MOV R1，#0F0H ；送端口地址到R1NEXT：MOVX @R1，A ；启动A/D转换LOOP:SJMP LOOPINC R0INC R1DJNZ R6，NEXT ；8路采样未接受，则转NEXTCLR EX1 ；8路采样结束，关中断END中断服务程序：ORG 0003H ；外中断1的入口地址AJMP 1000H ；转中断服务程序入口地址ORG 1000HMOVX A，@R1 ；读入A/D转换数据MOV @R0，A ；将转换的数据存入数据区RETI ；中断返回ORG 0000HMOV R1，#30HMOV R2，#0F0HA1: MOV DPTR, R2MOVX @DPTR, ALOOP: JNB P3.2 , LOOPMOVX A, @DPTRMOV @R1，AINC R2INC R1CJNE R2, 0F7H, A1END4.用12位A/D 转换器AD574与PC/ISA 总线工业控制机接口，实现模拟量采集。
数学模型与计算机控制 第二章 计算机测控系统组成及类型
第二章计算机测控系统组成及类型2.1 计算机测控系统的组成及特点计算机测控系统是应用计算机来实现生产过程的测试、控制的系统。
其组成框图如图2-1所示。
操作人员微机测控系统图2-1 计算机测控系统的组成主机是计算机的测控系统的中心。
主机由的系统板上装有微处理器、内存贮器和一些支持元件组成。
外部设备是计算机专用的输入输出设备。
主要有：键盘、打印机、视频显示器、外存贮器（软盘、硬盘、磁带、可读写光盘等）。
外部设备起人机联系的作用，通过它人工才能了解和干预生产过程。
计算机是由主机和外部设备组成。
外围设备计算机测控系统中生产过程信号输入输出通道。
输入通道包括模拟量输入、开关量输入和脉冲量输入通道。
输出通道包括模拟量输出、数字量输出、脉冲量输出、报警通道和时钟通道。
由计算机和外围设备组成了工业控制机。
生产过程的各种参数，如温度、压力、流量、位移、成分等，通过传感器的测量输给外围设备的输入通道。
控制部件则通过接收外围设备的输出通道的信号来控制生产过程。
用工业控制机对生产过程进行测控就组成了计算机测控系统。
主机、外部、外围和测控仪器仪表，是计算机测控系统的硬件部分。
除硬件部分之外，还必须配备相应的软件。
计算机测控系统的软件可分系统软件和应用软件。
系统软件是计算机本身的操作系统和监控程序，它有一定的通用性，由计算机生产厂家提供。
应用软件是实现生产过程测控的应用程序，也称用户程序，它具有专用性，由用户根据具体需要编制。
由常规测控仪器仪表构成的模拟测控系统，虽具有可靠性高、成本低、易于维护操作的优点，但是它难以实现多变量测控、复杂控制规律的控制，如最优控制，自适应控制，时变控制；模拟控制屏越来越长，难以实现集中控制；各分子系统之间不便于进行通讯联系，难以实现多级控制；控制方案的修改比较麻烦。
计算机测控系统则能很好地解决上述问题。
计算机测控系统不仅能完成模拟测控系统的所有功能，而且还具有如下优点：（1）测控的速度和精度高；（2）由于计算机具有分时操作功能，所以一台计算机可以代替多台常规测控装置；（3）由于计算机具有记忆和逻辑判断功能，所以能够综合生产过程各方面的情况，在工艺参数变化时能及时地作出判断，选择最优控制。
过程通道
Computer Controlled Systems
P(t)
（ｅ） 采样描述
X(t)
调制器
X*(t)
x*(t)=p(t)x(t)
因 τ0＜＜T ，所以分析时可近似认为τ０为０，以单位脉冲序列δＴ（ｔ） 代替ｐ（ｔ）。
4.1 过程参数采样原理
单位脉冲序列：
Computer Controlled Systems
k 0 *
4.1 过程参数采样原理
Computer Controlled Systems
二、采样定理
对于角频率范围为（ max , max ）的连续信号进 行采样，当采样频率
s 2 max
时，采样器的输出信号
ｘ＊（ｔ）才能充分表征连续输入信号ｘ（ｔ），换言之，为使 采样信号ｘ＊（ｔ）的频谱能无失真地恢复连续输入信号 ｘ（ｔ）的频谱，采样周期Ｔ必须小于等于输入信号中变化 最小周期 Tmin 的１／２，即：
第二节 开关量输入通道（DI）
输入调理电路 输入调理电路有多种，通过调理电路可以将一个开关与计 算机的一位数字量对应起来。
+5V
R R R
Computer Controlled Systems
E
光电隔离转换 “断开” →逻辑电平“0” “闭合” →逻辑电平“1”
继电器隔离转换 “断开” →逻辑电平“0” “闭合” →逻辑电平“1”
1、影响采样周期选择的因素 （1）系统受扰动情况（扰动和噪声比有效信号的频率高） 若扰动和噪声都较小，采样周期T应选大些； 对于扰动频繁和噪声大的系统，采样周期T应选小些；
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（2）被控系统动态特性（慢对象：汽温，信号变化慢；快对象:水位） 滞后时间大的系统，采样周期T应选大些； 对于快速系统，采样周期T应选小些； （3）控制品质指标要求（控制品质反映了系统的动作快慢） 若超调量为主要指标，采样周期T应选大些； 若希望过渡过程时间短些，采样周期T应选小些； （一般而言，过渡过程时间长，超调则小，被调量是慢变的）
第二章过程通道设计方法解读
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1. 小功率开关输出电路
+VCC R1 R2 +V O
0
OC门 光耦
0
VI
1 1
2019/1/30
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2. 中功率晶体管驱动电路
续流二极管
D 数字量输入 1 74LS06 R限流 b K Vcc +24V
CPU
并 行 接 口
数字脉冲信号 输入调理
5V
10ＫΩ×4 系统 设置 开关
数 字 量 输 入 的 三 种 形 态
译码电路 定时器/ 计数器
S0 S1 S2 S3
I/O接口逻辑
数字量输入通道结构框图
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三态门缓冲器74LS244
三态门缓冲器74LS244可 用来隔离输入和输出线路， 在两者之间起缓冲、加强 作用。 可用如下指令来完成取数 MOV DX，PROT IN AL，DX
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2.1 数字量过程通道的设计方法
2.2 模拟量输入通道设计方法
2.3 模拟量输出通道设计方法
2.4 小 结
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2.1 数字量过程通道的设计方法
数字量(开关量)：用“0”和“1” 两个量进行描述，
如电动机的启动和停止，继电器的吸合与释放，指示灯
的亮和灭等。 数字量过程通道分为数字量输入通道(DI)和数字量 输出通道(DO)。
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图2.7 开计关算量机控光制系电统耦-第二合章输入电路
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光电耦合器件原理与使用
光电耦合器件是一种常用且非常有效的电隔离手段，由于它
价格低廉、可靠性好，被广泛地用于现场设备与计算机系统之间
的隔离保护。根据输入级的不同，用于开关量隔离的光电隔离器
件可分为三极管型、晶闸管型等几种，但其工作原理都是采用光
开关量输入信号的类型 开关量信号输入通道
计算机控制系统-第二章
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1. 开关量输入信号的类型
开关量输入信号有以下基本类型
✓ 1位的状态信号。如阀门的闭合与开启、电 机的起动与停止、触点的接通与断开。
✓ 成组的开关信号。如用于设定系统参数的拨 码开关组等。
✓ 数字脉冲信号。许多数字式传感器(如转速、 位移、流量的数字传感器)将被测物理量值转 换为数字脉冲信号，这些信号也可归结为开关 量。
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2.2 开关量输出
在计算机控制系统中，经常需要控制执行机构的开/关或启/停，某些 控制算法也需要控制执行机构在一定时间T内的全负荷工作时间 t(0≤t≤T)， 这些控制是通过计算机开关量输出通道来实现的。
✓ 在计算机控制系统中，开关量输出信号用于控制各种现场设备，因此要 考虑电平转换、功率放大、抗干扰及安全等问题。针对具体情况，往往采 取一些措施。
图2.9 典计型算的机控开制关系统量-第输二出章通道结构
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常用措施
隔离处理 电平转换和功率放大
计算机控制系统-第二章
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隔离处理
当计算机控制系统的开关量输出信号用于控制较大 功率的设备时，为防止现场设备上的强电磁干扰或高电 压通过输出通道进入计算机系统，一般需要采取光电隔 离措施隔离现场设备和计算机系统。图2.10是采用了光 电隔离的开关量输出电路。
计算机控制系统-第二章
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使用光电隔离器件的注意事项
隔离电压
它是光电隔离器的一个重要参数，表示了其电压 隔离的能力。
电源隔离
输出光隔两侧的供电电源必须完全隔离。无论是 输入隔离还是输出隔离，只要采取光电隔离措施，就 必须保证被隔离部分之间电气完全隔离，否则就起不 到隔离作用了。
计算机控制系统-第二章
➢ 几种常用的预处理方法
图2.1 开关计算量机输控制入系通统-道第二的章典型结构
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开关量输入的常用预处理方法
信号转换处理 安全保护措施 消除机械抖动影响 滤波处理 隔离处理 光电耦合器件原理与使用
计算机控制系统-第二章
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信号转换处理
从工业现场获取的开关量或数字量，在逻辑 上表现为逻辑“1”或逻辑“0”，信号形式则可能是电 压、电流信号或开关的通断，其幅值范围也往往 不符合数字电路的电平范围要求，因此必须进行 转换处理。
图2.2 电压或电流输入电路 图2.3 开关触点输入电路
计算机控制系统-第二章
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安全保护措施
在设计一个计算机控制系统时，必须针对可 能出现的输入过电压、瞬间尖峰或极性接反的情 况，预先采取安全保护措施。
图2.4 输入保护电路
计算机控制系统-第二章
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消除机械抖动影响
操作按钮、继电器触点、行程开关等机械装 置在接通或断开时均要产生机械抖动，体现在计 算机的输入上就是输入信号在逻辑“0”和“1”之间 多次振荡，如不适当处理就会导致计算机的错误 控制。
计算机控制系统-第二章
3
2. 开关量信号输入通道
针对不同性质的开关量输入信号，可以采取不同的方法输入计 算机进行处理。一般的系统设定信息和状态信息可以采用并行接口 输入；极限报警信号采用中断方式处理；数字脉冲信号可以使用系 统的定时/计数器来测量其脉冲宽度、周期或脉冲个数。
出于安全或抗干扰等方面的考虑，现场的开关量输入至计算机 接口前，一般需要进行预处理，然后再送至接口。
计算机控制系统-第目二章的。
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使用光电隔离器件的注意事项
输入侧导通电流
要使光电隔离器件导通，必须在其输入侧提供足 够大的导通电流，以使发光二极管发光。不同的光电 隔离器件的导通电流也不同，典型的导通电流 IF=10mA。
频率特性
受发光二极管和光电元件响应时间的影响，光电 隔离器件只能通过一定频率以下的脉冲信号。因此， 在传送高频信号时，应该考虑光电隔离器件的频率特 性，选择通过频率较高的光电隔离器。
第二章 计算机控制系统设计的 硬件基础
2.1 开关量输入 2.2 开关量输出 2.3 模拟量输入 2.4 模拟量输出 2.5 计算机控制系统中的电源 2.6 信号采样与重构 2.7 数字滤波
计算机控制系统-第二章
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2.1 开关量输入
在计算机控制系统中，为了获取系统的运行 状态或设定信息，经常需要进行开关量信号的输 入。开关量的共同特征是幅值离散，可以用1位 或多位二进制码表示。
计算机控制系统-第二章
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使用光电隔离器件的注意事项
输出端工作电流
光电隔离器输出端的灌电流不能超过额定值，否 则就会使元件发生损坏。一般输出端额定电流在mA 量级，不能直接驱动大功率外部设备，因此通常从光 电隔离器至外设之间还需设置驱动电路。
输此值越小越好。在设计接口电路时，应 考虑由于输出端暗电流而可能引起的误触发，并予以 处理。
图2.5 消除开关抖动的电路
计算机控制系统-第二章
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滤波处理
由于长线传输、电路内部干扰影响，使得输 入信号带有噪声信号，这有可能导致误读信号而 出错。图2.6给出一种用RC滤波电路去除接口噪 声的方法，它同样可以消除开关的抖动信号。
图计2算.6机控RC制滤系统波-第二电章路
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隔离处理
从工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往往 高于计算机系统的逻辑电平，即使输入开关量电压本身 不高，也有可能从现场引入意外的高压信号，因此必须 采取电隔离措施，以保障计算机系统的安全。常用的隔 离措施是采用光电耦合器件实现的。图2.7给出了两种 开关量光电耦合输入电路，它们除了实现电气隔离之外， 还具有电平转换功能。
作为传输信号的媒介，实现电气隔离。
➢ 使用光电隔离器件的注意事项 当输入侧流过一定的 电流IF 时，发光二极管开 始发光，它触发光电三极
管使其导通；当撤去该电
流时，发光二极管熄灭、
三极管截止。这样，就实
现了以光路来传递信号，
保证了两侧电路没有电气
图2.8 三极管输出型光电隔离器件原理 联系，从而达到了隔离的