微型计算机控制技术(第2版).

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1、信息工程学院,微型计算机控制技术 主讲: 戴永,教 材:戴 永等,微型计算机控制技术,湘潭大学出版社,2009年 参考资料: 1戴永.微机控制技术.长沙:湖南大学出版社，2004 2张艳兵. 计算机控制技术. 北京: 国防工业出版社,2006 3杨恢先.单片机原理及应用. 北京：人民邮电出版社,2006 4曹承志.微型计算机控制新技术.北京:机械工业出版社，2001,信息工程学院,课 程 教 学 说 明,一.课程特性 1）地位 本课程是计算机科学与技术专业的选修课、网络专业必修课 2）关系,专业硬件基础课,专业软件基础课,微机控制技术,3）目的 使同学们了解、掌握微机控制技术的基础知识、微机控

2、制系统原理及相应的设计方法,达到计算机学科、通信学科本科层次知识结构的基本完整。,信息工程学院,二. 学 习 要 求,（1)微机控制的基本理论与方法达到记识层； （2) 学生利用基本理论与方法可设计简单的微机控制系统，分析较复杂的微机控制系统； （3) 对微机控制技术的现状与发展方向有一定程度的了解。,信息工程学院,三、本课程的重点、难点,1) 微机控制技术的基本概念与思考方法; 2) 微型计算机控制理论基础; 3) 面向微机控制系统的接口原理与设计；通道配置原理及方法、通道电路原理与设计、通道操控算法与程序设计； 4) 数据采集原理及处理方法； 5) 间接、直接数字控制器设计理论与实现方法；

3、 6）顺序与数字程序控制概念、原理和方法； 7) 模糊、神经网络控制原理及实现方法； 8）总线技术。,信息工程学院,实 验 及 其 要 求,实验教学是本课程教学内容的组成部分 实验教材：单片机原理及应用实验指导书(胡洪波 王霞玲,编号03016) 实验内容： 实验1：D/A转换：程控电子波形产生原理及方法(计算,通信) 实验2：A/D转换：模拟信号2进制采样原理与方法(计算,通信) 实验3：步进电机 :步进电机的程控电流换相、调速、调向原理与方法(计算) 实验4：直流电机 ：直流电机的程控调速、调向及测控原理与方法(计算) 实验5：LED点阵显示:显示图形或汉字(计算,通信). 实验6: LC

4、D液晶显示:显示图形或汉字(计算,通信). 实验7: IC卡实验:IC卡信息读写(计算,通信).,信息工程学院,实验要求：独立完成，教师验收，创新奖励 考核方法与成绩 (1)现场验收，现场问答，现场打分 (2)撰写综合性、设计性实验报告 特别声明：因为此课实验内容要求高，实验过程抓得紧，成绩评定严格，所以不提供非计划时间的教学实验补课，有正当理由者在下一级的本课程实验课补做。,信息工程学院,成 绩 评 定,实验：30% 闭卷考试：70% 特别申明：不参加实验或实验考核不及 格者不提供理论考试试卷， 强行参考者不予成绩评定。,信息工程学院,第1章 绪 论,本章学习提要 （1）计算机控制技术经历的

5、发展阶段； （2）控制系统基本概念： 1. 常用概念术语，2常见系统术语 。 （3）控制系统5种典型工作特性 。 （4）微机控制系统体系结构：控制器和比较环节由微型计算机取代，这是划时代的进步；。 （5）与模拟控制系统比较微型机控制系统5个特征。 （6）微型计算机控制系统有4种经典结构和4种新型结构,信息工程学院,1.1 控制系统基础,111 控制系统基本概念 1. 常用概念术语 对象:为完成特定动作,由机械、电气、电子等零部件有机组成的装置或设备。 过程：过程:被控制的运行状态.两种不同的描述如下 （1）自然过程指一种自然的逐渐进行地运转或发展，其特征是在运转和发展状态中以相对固定的方法相继

6、发生一系列的渐进变化,并最后导致一个特定的结果或状态。 (2)人为或随意连续进行的运行状态，这种运行状态由一系列被控制的动作和一直进行到某一特定结果或状态的有规则的运动构成。 过程特征表现为以相对固定的方式导致一个特定结果或状态。 系统：为完成相应任务，一些元件、部件等按一定规则的组合。系统是动态现象的抽象，不同的领域有不同的组合内容。 扰动：对系统输出量产生相反作用的信号。扰动分为内扰和外扰两大类，内扰产生在系统内部，外扰来自系统外部，和输入量叠加在一起而进入系统。,信息工程学院,控制过程：通过消除扰动因素影响保持被控制量按预期要求变化的过程。 自动控制：不需要人直接参与，而使被控量自动地按

7、预定的规律变化的控制过程。 控制量：被控系统的输入量或给定量，用r（t）表示。 被控量：被控系统的输出量，用y（t）表示，如被控电机的转速，温控系统的温度等。 反馈量：与被控制量成比例的反馈信号，用yCF（t）表示。 偏差量：控制量与反馈量之间的差值,用e（t）表示,e（t）= r(t)- yCF（t）。,信息工程学院,2常见系统术语,开环控制系统 被控制量只能受控于控制量，而对控制量不能反施任何影响的系统。 闭环控制系统 利用负反馈，将被控制量影响控制量作用的系统，又叫反馈控制系统。 随动系统 是一种反馈系统，随着r(t)的变化，被控制量在前一r(t)对应的位置进行变化，其特性如图1-1所示

8、。随动系统多出现于机械位移、速度、加速度等对象的控制，所以常称之为位置控制系统。,信息工程学院,稳定系统 又称自动调整系统，是一种反馈系统，当r()为常量时，也要求被控量保持在常量上，如图1-2所示。常见的稳定系统有恒温、电压、电流、频率、压力等控制系统。,过程控制系统 以变化过程作为控制对象的控制系统，在控制过程中，给定量按照预先制定的规律，在程序运行中变化，所以又叫程序控制。 这类系统多见于温度、压力、流量等控制系统。,信息工程学院,112 控制系统工作特性,1. 控制系统的一般结构及其工作特性,实际控制系统除存在内外扰动外，还有系统自身存在的逻辑死区、响应惯性等影响系统的控制效果。 当输

9、入信号作用到系统之后，在系统的输出端并不能马上得到响应，而只有当偏差信号大到一定程度时，系统才有输出。 输出结果根据各环节的品质状况及系统所处环境有多种多样。,信息工程学院,系统工作状态过渡过程的测试是通过系统响应特定输入信号（或叫试验信号）来进行的。阶跃信号常用的测试信号，如图1-4所示。系统进入稳态的过渡过程及其工作特性如图1-5所示。,r(t),1(t),图1-4 单位阶跃输入信号,图1-5,信息工程学院,tr：启动时间。 超调：y(t) |y()|称为超调，在0tr不算 P：表示超调信号的严重程度。,有时也直接用,ymax(t)通常处于第一个峰值。P越小，过渡过程越平稳。,tP：从t0

10、到第一个峰值的时间，tP表征反馈控制系统反应输入信号的快速性能或控制灵敏度，越小灵敏度越高。,t,信息工程学院,ts：系统的过渡过程时间，当t=ts，应有：一般0.020.05;ts越小，说明系统以一个稳态过渡到另一个稳态所需时间越短，反之越长。,振荡次数：y(t)以大于0的变化幅度超越y()水平线的次数的一半为系统过渡过程的振荡次数，用N表示，N越小，过程越短。 ts，tp，p，N：动态参数。 当系统完成过渡过程后，| y(t) -y()|为稳态误差。 稳态误差是表征系统控制精度的一项性能指标。,信息工程学院,2.几种典型控制系统过渡过程曲线,1）单调逐渐逼近 (见图1-6特性曲线),过度过

11、程曲线单调逼近y()：P0，N=0，y(t) =y(),2）等幅振荡(见图1-6特性曲线 ),等幅振荡，N （自激振荡）。,信息工程学院,3.振荡发散 (见图1-6特性曲线),振荡发散，N ；振幅系统无平衡状态,4.单调发散 (见图1-6特性曲线, ),“过”单调发散，这类系统无稳定状态，不能使用：P ；N=0；y(t) ？,信息工程学院,5.欠阻尼振荡,阻尼振荡：一般可工作系统均为此曲线。 y()与预期r()之差，称为稳态误差，表征系统控制精度的参数之一。 阻尼系统的过渡过程分为三种工作状态,即欠阻尼、临界阻尼和过阻尼。 过阻尼工作状态相似于单调逐渐逼近或一阶系统工作状态，启动速度变慢。 临

12、界阻尼工作状态使系统特性处于等幅振荡特性。 关于二阶系统的阻尼特性讨论请读者参阅相关论著。,信息工程学院,1.2 微型计算机控制系统体系结构与特征,121 微机控制系统体系结构 1. 微型计算机控制系统一般结构,与模拟闭环控制系统抽象结构(图1-3)比较,微机闭环控制系统体系结构信号传输的路径结构没有发生变化，控制装置即大虚线框外以右的内容相同。,不同的地方是控制装置的四个环节均有重大变化，即 （1）控制器和比较环节由微型计算机取代，这是划时代的进步；,（2）执行环节在模拟控制系统中只有执行机构，而在微机控制系统中于执行机构前增加D/A转换；,（3）反馈环节在模拟控制系统中只有检测装置，而在微

13、机控制系统中于检测装置后设置A/D转换。 由于微型计算机处理的是离散信息，因此微型机控制系统中控制装置内的时间变量均采用人们公认的离散时间变量符号K。,信息工程学院,2. 微型计算机控制系统硬件组成,信息工程学院,（1）工业生产过程 工业生产过程是指在生产现场把原材料变成成品或半成品，或通过原材料获得某些所需参数的工序实现。参与工序实现的内容包括工艺规则、技术范畴、参与设备、人员数量与作用、结果指标、质量检验、安全保证等。,（2）过程通道 主机与工业生产过程之间需要传递三类信息，即互传数据，主机向工业生产过程发布控制信息，主机从工业生产过程接受状态信息。互传数据有模拟、开关量两种数据形式，而控

14、制、状态信息均为开关量。 因此，过程通道包括模拟过程输入、输出通道、开关量过程输入、输出通道。 过程通道处于工业生产过程与主机接口之间，担负着生产过程与主机交换信息的任务。 （3）接口 在微型计算机控制系统中一般存在三类不同功能的接口， 一类介于主机与过程通道之间，用于主机与过程通道交换数字信息； 二类介于主机与交互通道之间，用于主机与交互通道交换数字信息； 三类介于主机与微机I/O设备之间，用于主机与微机I/O设备交换数字信息，在多微机互联的微型计算机控制系统中，多微机可互按I/O设备管理。,信息工程学院,（4）主机,核心内容控制程序，其反映输入输出之间的数学关系。 在工业生产过程中，处于在

15、线的主机又称为工业控制计算机，简称工业控制机或工控机，其特点表现在可靠性高、可维修性好、环境适用性强、控制实时性好、输入输出通道完善及软件丰富等。本书中的主机均指工控机。 （5）人机交互通道与操作控制台 人机交互通道与操作控制台是相互依存的，操作控制台因人机交互通道而设置，人机交互通道通过操作控制台使得人机交互更方便。 就一般而言操作控制台应具有以下功能 操作 键盘，鼠标，按键，板键等. 显示 CRT或LED，LCD，打印机，记录仪,指示灯，喇叭等：状态指示，声光报警等. 数据保存 外存，磁存储器，光存储器，半导体存储器,IC卡等. 远程信息交换,信息工程学院,3. 微型计算机控制系统软件,注

16、意：程序的运行时间以不影响系统实时性为前提,信息工程学院,1.2.2 微型计算机控制系统特征,1.结构特征 微机控制系统：将控制器用微机来代替，便构成了微机控制系统。 开环系统：,信息工程学院,2. 信号特征,模拟控制系统中所有环节的工作信号全为模拟信号，而微型计算机控制系统中主机的工作信号全为数字信号，前、后向模拟过程通道模拟、数字信号兼有，前、后向开关量过程通道是全数字信号，但无全模拟信号。 3. 功能特征 （1）以软件代替硬件。 （2）数据保存。 （3）显示设备、方法与内容。 （4）多系统互联。,信息工程学院,4. 时限特征,“实时”，是指在规定的时间内完成规定的任务。 （1）实时数据采集。 （2）实时决策运算。 （3）实时控制输出。 数据采样、运算决策、输出控制三个阶段占用时间之和满足实时性要求，则该系统具有实时性。 5. 控制器工作方式特征 控制器在控制系统中的工作方式有在线、离线两种。,信息工程学院,微型计算机在线工作方式：又称“联机”工作方式。 微型计算机在控制系统中直接参与控制或交换信息，而不通过其它中