计算机控制第四章
第四章 计算机控制系统的控制算法
信号通过零阶保持器后存在幅值衰减和相位滞后。 但如果采样周期T足够小，即采样频率足够高时，可以忽 略这一影响。对于小的采用周期，用幂级数展开，用T/2 的时间滞后环节来近似：
设相位裕量减少5-15度，则采样周期应选为：
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信息与电气工程学院
山东科技大学
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计算机控制系统
间接设计方法得以实现的重要依据是： (1) 采样周期要满足香农采样定理； (2) 采样周期足够小，达到零阶保持器的相位
因此，计算机控制系统也可以称为数字控制系统、离 散控制系统或采样控制系统。
模拟控制系统称为连续控制系统。
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计算机控制系统
2. 离散(数字)控制系统与连续(模拟)控制系统的本质 区别在于：模拟系统中的给定量、反馈量和被控量都是连 续型的时间函数，而在离散系统中，通过计算机处理得给 定量、反馈量和被控量是在时间上离散的数字信号。
把计算机引入连续控制系统中作为控制器使用，便 构成了计算机控制系统。
由计算机构成的控制系统，在本质上是一个离散系统。
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传递函数的定义
1. 连续系统中传递函数的定义是：零初始条件下， 一个环节(系统)的输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变 换之比。
第四章 计算机控制系统的 控制算法
第八讲-第十三讲
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信息与电系统
概述
第八讲
计算机控制系统的设计，是指在给定系统性能 指标的条件下，设计控制器的控制规律和相应的数 字控制算法。
数字控制器的设计方法按其设计特点分为三大 类：
计算机控制技术课后习题答案
|3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成各部分的作用是什么由四部分组成。
图微机控制系统组成框图(1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。
主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。
(2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。
过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。
过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。
过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。
(3)外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。
其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。
—(4)检测与执行机构a.测量变送单元：在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，采用了各种检测元件及变送器，其主要功能是将被检测参数的非电量转换成电量，例如热电偶把温度转换成mV信号；压力变送器可以把压力转换变为电信号，这些信号经变送器转换成统一的计算机标准电平信号(0～5V或4～20mA)后，再送入微机。
b.执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构，它是微机控制系统中的重要部件，其功能是根据微机输出的控制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。
例如，在温度控制系统中，微机根据温度的误差计算出相应的控制量，输出给执行机构(调节阀)来控制进入加热炉的煤气(或油)量以实现预期的温度值。
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。
计算机原理 第四章指令系统
4. 寄存器间接寻址方式
指令给出寄存器号，寄存器中存放着操作数的地址。
优点：寄存器的位数 较长（一般为机器字 长），足以访问整个 内存空间，这样既有 效地压缩了指令长度， 又解决了寻址空间太 小的问题。
主存单元 例： ADD (R1)，(R2) R0 1000H 1000H 3A00H
R1
2C00H＋ 3B00H → 3000H单元 R2
计 算 机 组 成 原 理
指令扩展举例 1
16位指令字 三地址指令范围 xxxx
0000 1110 1111 1111 1111 1111 1111 1111
xxxx xxxx xxxx
A1 A1 0000 1110 1111 1111 1111 1111 A2 A2 A1 A1 0000 1110 1111 1111 A3 A3 A2 A2 A1 A1 0000 1111
２．变长操作码，定长指令码。
操作码长度不固定，但指令码的长度固定。这种设计当操作码变 长时，地址码就缩短（地址个数变少），但指令字总长不变。 〔例〕 设某机器的指令长度为16位，包括基本操作码4位和三个 地址字段，每个地址字段长4位，其格式为： 15 14 13 12 OP 11 10 9 8 AD1 7 6 5 4 AD2 3 2 AD3 1 0
第四章
§4.1 指令格式
指令系统
（Ｐ148）
§4.2
寻址方式
§4.3 指令类型 §4.4 § 4.5 CISC和RISC 实验模型机的指令系统汇总表
§4.1 指令格式
计算机指令是计算机硬件能够识别并直接执行的操作命令，又称为 机器指令。
一、指令格式
一条指令应包括两方面的信息：操作码信息和地址码信息。 操作码OP 地址码AD
计算机控制第四章课后题
T T2 T1 T T1 u ( k ) ( )u (k 1) e(k ) ( )e(k 1) T2 T2 T2
3.在PID调节器中系数 k p 、 k i 、kd 各有什么 作用？它们对调节品质有什么影响？
系数 k p 为比例系数，提高系数 k p 可以减小偏差，但永远不会使偏差 k 减小到零，而且无止境地提高系数p 最终将导致系统不稳定。比例调节 可以保证系统的快速性。
试用双线形变换法、前向差分法、后向差分 法分别求取数字控制器D(Z)。
双线形变换法：
2 z 1 把 s 代入，则 T z 1
2 z 1 1 T1 T z 1 D z D z | 2 z 1 s 2 z 1 T z 1 1 T2 T z 1 T 2T1 z T - 2T1 T 2T2 z T 2T2
w
(9 z )( f 21 z f 22 z )
因为:
1
1
2
1 ( z ) e ( z )
所以: 1 (1 0.1111 z 1 )( f 21z 1 f 22 z 2 ) (1 z 1 ) 2 (1 f11z 2 )
比较等式两边系数得： f11=0.11
6.有哪几种改进的数字PID控制器？
有四种： （1）积分分离PID控制算法 （2）不完全微分PID控制算法 （3）带死区的PID控制算法 （4）消除积分不灵敏区的PID控制
9.数字控制器直接（离散化）设计步骤是什么？
由广义对象的脉冲传递函数可得闭环脉冲传递函数， 可求得控制器的脉冲传递函数D(z)。 数字控制器的直接设计步骤如下： (1)根据控制系统的性质指标要求和其它约束条件， 确定所需的闭环脉冲传递函数Φ(z)。 (2)求广义对象的脉冲传递函数G(z)。 (3)求取数字控制器的脉冲传递函数D(z)。 (4)根据D(z)求取控制算法的递推计算公式。
计算机控制系统常用的控制规律
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 PID控制 串级控制 前馈控制 史密斯（Smith）预估控制 比值控制 模糊控制
PID控制
4.1 PID调节器的控制作用 4.2 PID控制器的离散化 4.3 数字PID调节中的几个实际问题 4.4 数字PID控制算法的改进 4.5 数字PID控制器参数的整定
4.1 PID调节器的控制作用
1. PID调节器的优点： 为什么要用数字模拟PID
技术成熟 易被人们熟悉和掌握 不需要建立数学模型 控制效果好
4.1.1 比例（P）调节器 1. 比例（P）调节规律 比例（P）调节器的微分方程： y(t) = Kpe(t)
பைடு நூலகம்
(8-1)
其中： y——调节器输出 Kp——比例系数 e(t)——调节器输入，为偏差值，e(t)=r(t)-m(t)。其中，r(t)为给定值， m(t)为被测参数测量值。 2. 比例（P）调节的作用 调节器的输出与输入偏差成正比。因此，只要偏差出现，就能及时地产生 与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点。
第一节 PID控制
PID控制方式：采用比例、积分、微分的控制方式。 P I D 1. 模拟PID控制算法：用于模拟控制系统 模拟系统过程控制：被测参数（模拟量：温度、压力、流量）由传感器 变换成统一的标准信号后输入调节器。在调节器中与给定值进行比较， 再把比较后的差值经PID运算后送到执行机构，改变进给量，以达到自动 调节的目的。 2. 数字PID控制算法：用于数字控制系统 数字系统过程控制：先把过程参数进行采样，并通过模拟量输入通道将 模拟量变成数字量，这些数字量通过计算机按一定控制算法进行运算处 理，运算结果经D/A转换成模拟量后，由模拟量输出通道输出，并通过 执行机构去控制生产，以达到给定值。
计算机控制技术课后题答案整理版（1到5章基本都有了）
第一章1、计算机控制系统是由哪几部分组成的？画出方框图并说明各部分的作用。
答:计算机控制系统由工业控制机、过程输入输出设备和生产过程三部分组成；框图P3。
1）工业控制机主要用于工业过程测量、控制、数据采集、DCS操作员站等方面。
2）PIO设备是计算机与生产过程之间的信息传递通道，在两者之间起到纽带和桥梁的作用。
3）生产过程就是整个系统工作的各种对象和各个环节之间的工作连接。
2、计算机控制系统中的实时性、在线方式与离线方式的含义是什么？为什么在计算机控制系统中要考虑实时性？（1）实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定时间内对外来事件做出反应的特性；在线方式是生产过程和计算机直接相连，并受计算机控制的方式；离线方式是生产过程不和计算机相连，并不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式。
（2）实时性一般要求计算机具有多任务处理能力，以便将测控任务分解成若干并行执行的多个任务，加快程序执行速度；在一定的周期时间对所有事件进行巡查扫描的同时，可以随时响应事件的中断请求。
3.计算机控制系统有哪几种典型形式？各有什么主要特点？（1）操作指导控制系统（OIS）优点：结构简单、控制灵活和安全。
缺点：由人工控制，速度受到限制，不能控制对象。
（2）直接数字控制系统(DDC) （属于计算机闭环控制系统）优点：实时性好、可靠性高和适应性强。
（3）监督控制系统（SCC）优点：生产过程始终处于最有工况。
（4）集散控制系统优点：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。
（5）现场总线控制系统优点：与DOS相比降低了成本，提高了可靠性。
（6）PLC+上位系统优点：通过预先编制控制程序实现顺序控制，用PLC代替电器逻辑，提高了控制是现代灵活性、功能及可靠性。
附加：计算机控制系统的发展趋势是什么？大规模及超大规模集成电路的发展，提高了计算机的可靠性和性能价格比，从而使计算机控制系统的应用也越来越广泛。
为更好地适应生产力的发展，扩大生产规模，以满足对计算机控制系统提出的越来越高的要求，目前计算机控制系统的发展趋势有以下几个方面。
(计算机控制技术)第4章计算机过程输入输出通道
03
输出通道技术
模拟量输出通道
模拟量输出通道的作用是将计 算机输出的数字信号转换为模 拟信号，以驱动各种执行机构
。
常见的模拟量输出通道有电压 输出型和电流输出型两种，它 们通过不同的方式将数字信号
转换为模拟信号。
电压输出型模拟量输出通道的 优点是电路简单、成本低，适 用于输出信号较小、对精度要 求不高的场合。
03
输出通道的驱动能力是指其能够驱动执行机构或控制设备的能力，包 括最大输出电压、最大输出电流等参数。
04
选择具有足够驱动能力的输出通道可以保证系统的正常运行和稳定性。
04
输入输出通道的信号处 理与接口技术
信号的预处理技术
信号的放大与衰减
根据信号的幅度调整，确 保信号在传输过程中保持 稳定。
信号的滤波
去除噪声和其他干扰，提 高信号质量。
信号的整形
将不规则或非标准信号转 换为适合传输和处理的信 号。
信号的转换技术
A/D转换将模拟信号转换为数字信号，源自 于计算机处理。D/A转换
将数字信号转换为模拟信号，便于 实际应用。
光电转换
将光信号转换为电信号，或反之。
信号的传输与接口技术
总线技术
实现多个设备之间的数据传输和通信。
数字量输出通道的作用是将计算机输出的数字 信号转换为控制信号，以驱动各种控制设备。
晶体管输出型数字量输出通道的优点是响应速度 快、驱动能力强，适用于需要快速响应的场合。
输出通道的负载特性与驱动能力
01
输出通道的负载特性是指执行机构或控制设备的输入阻抗、输入电压、 输入电流等参数。
02
了解负载特性有助于选择合适的输出通道类型和规格，以确保系统的 稳定性和可靠性。
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➢ 3. 对采集的数据具有检查和处理能力：
检查：分有效性和越限两种；
处理：数字滤波，线性矫正，量纲变化等。
➢ 4. 声光报警功能：提示操作人员进行人工干预；
➢ 5. 存贮采集的数据；
➢ 6. 定时或按需随时打印采集的数据；
➢ 7. 有监控功能：可随时接收键盘输入的命令，以达到随时
选择采集，显示，计打算机印控制之第目四 的。
➢ ②查询方式
➢ 在启动A/D后，根据A/D提供的状态信号采用程序查询方 式进行巡回检测。
➢ ③中断方式
➢ 延时和查询式中，A/D转换期间CPU一直处于等待状态， 不能进行其他操作，当A/D转换速度较慢时，会浪费大量 CPU时间，可以采用中断的方式进行数据采集。基A/D转 换的时间很短，与系统中断时间相当，采用中断的意义 就不大了，甚至可能 更浪费时间。
通/关断，定时脉冲发出等； ➢ （5）由于为各通道分时采样所以要进行通道计数； ➢ （6）采集存贮当前通道的数据； ➢ （7）数据处理：滤波，非线性矫正，量纲转变，有效
性检查，越界检查等； ➢ (8) 报警：当数据越界后，进行声光报警。
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5
定时中断入口
时，分，秒计数
时间显示
采样时间间隔计数
➢ 在大型企业中，大量的过程参数需要很多的仪器仪表，往 往占用较大的场地，不便于迅速观测数据，亦不直观。 微型计算机具有灵活、方便、运算速度快、判断能力强等 特点。
➢ 微机数据采集系统的任务是对生产现场的过程参数定时进 行检测 、记录、存储、处理、打印、制表、显示及越限报 警等。
➢ 数据采集包含了连续量和开关量两种不同性质的信号检测 和处理，方法不一样。
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4.1.2 基本功能
➢ 1. 具有实时时钟，该时钟作用：
➢ （1）保证系统能具备定时中断功能；
➢ （2）确定采集数据的周期；
➢ （3）显示和打印采集时同时显示和打印此刻的时，分，秒， 操作，操作员可据此对采集结果进行时间分析，或作分析 参考；
➢ 2. 具有分时，巡回检测或指定检测功能（多通道）；
第4章 数据采集与处理技术
4.1 数据采集系统概述 4.2 模拟数据采集技术 4.3 模拟采集数据后处理技术 4.4 开关量数据采集技术 4.5 虚拟仪器
计算机控制第四章
4.1 数据采集系统概述
4.1.1 数据采集系统概念
➢ 仅完成数据采集与处理功能的系统称为数据采集系统 (DAS)，DAS不对生产过程实施自动控制，不对生产过程 产生直接影响。
➢ 4.2 模拟数据采集技术 ➢ 4.2.1模拟数据采集电路
+15V
-15V +15V
V DD
IN1
VV EE SS OUT
CD4051
IN2
. . .
IN7 C B A INH
2000p
V+INVs -Vs
1K
C H OFFSET
LF398
IN -
24K
OUT IN +
100K
-15V 5V +15V
100K 100
100
V EE
REF
Vcc OFF
V DD
DB11
BIF OUT
REF IN
AD574 V
IN
STS 12/8 DG AG
DB0 CE
R/C A0 CS
图4-2 8路模拟电压自动巡回数据采集电路
CD4051：8路集成模拟切换开关 LF398： 采样保持器 AD574： 12位A/D转换器
计算机控制第四 章
P0.7
P 0.0 RD WR
A0 P2.7
P2.6
A A
1 2
INTX
8
4.2.2 模拟数据采集方式及软件流程图
➢ 模拟数据采样的特点是:数据由A/D转换器提供；CPU 获取由A/D转换器提供的结果。CPU怎样获取转换结 果关键在于数据采集系统中如何对A/D转换器进行控 制，即采集软件与采样电路有关。
➢ 1)数据采集的控制方式
➢ 根据微机控制系统的接口原理及A／D转换时间的长 短、系统工作速度的要求等，常见的采集控制方式 有延时、查询、中断、DMA等四种。
➢ ① 延时方式
➢ 当采集系统实时性要求不高并且已知A/D的转换时间 时，可以采用先启动A/D转换器然后通过程序延时最 后读转换结果的方式。这种情况比较简单，无需状 态信号。
Y 打印
采样时间到？
N 打印时间到？
N 返回
通道号计数
采集存贮一个通道数据
N
最后一个通道？
Y
数据处理
显示检测结果
N
数据超限？
Y
报警
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6
4.1.3 设计数据采集系统应考虑的一些问题
纯模拟量采集系统的设计重点考虑 ➢ 1) 分辨率和精度：A/D转换器的位数要求。 ➢ 2) 采集的模拟量通道数：系统的结构方案。 ➢ 3) 采样周期 ：信号处理中采样周期的选取和闭环控制系
统中采样周期的选取。
纯开关量采集系统的设计重点考虑 ➢ 1）状态电平匹配; ➢ 2）开关量数据采集的通道数：数值型开关量和状态型
开关量应严格分别设置通道采集。 ➢ 3）采集实施方案选择： ➢ 定时采集：无条件定时采集和定时中断采集。 ➢ 定事件采集：状态查询采集和事件信号中断采集。
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7
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3
N
N Y
数键处理
启动
初始化
开中断
显示
读键盘
有键按下？ Y
延时
读键盘
有键按下？ Y
数键否？
➢ 采集系统基本程序体系由 主程和时间中断服务程序 两部分构成。
➢ 主程:为监控系统，实施对 键盘与显示器管理，流程 如图所示。
N
功能1
功能2 …
功能N
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4
时间中断服务程序: ➢ 主要功能 ➢ （1）时，分，秒计时； ➢ （2）时间显示； ➢ （3）采样时间间隔； ➢ （4）定时功能启动，如定时打印，定时显示，定时接
RD
➢ movx a, @dptr
P2.2
➢ mov @r1,a
P2.1
P2.0
➢ inc r1
➢ inc dph
OE
C Vcc B REF(+) A REF(-) EOC GND
。+5V
➢ djnz r0,next ➢ ret
图4.4 延时方式时ADC0809与8051的接口电路
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10
计算机控制第四
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➢ Mov dptr, #78ffh ➢ mov r0,#8 ➢ mov r1,#30h ➢ next:mov r2,#25 ➢ movx @dptr,a
P0
ALE 8051
WR P2.7
D7 ~ IN7 D0 CLK IN0 ADC0 V0
➢ djnz r2,$