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1、第 7 章 嵌入式控制系统及应用课程讲义 嵌入式控制系统 4-1 目目 录录 第 7 章 嵌入式控制系统设计与实例 . 1 7.1 嵌入式控制系统概述 . 1 7.1.1 自动控制系统基础 . 1 7.1.2 嵌入式计算机控制系统基本概念 . 2 7.2 嵌入式控制系统的一般组成 . 3 7.3 嵌入式控制系统的实时性 . 7 小结 . 8 思考题 . 8 参考文献 . 9 南京理工大学内部教学资料，版权所有！ 请勿外传！第 7 章 嵌入式控制系统及应用课程讲义 嵌入式控制系统 4-1 第第 7 章章 嵌入式嵌入式控制控制系统系统设计与实例设计与实例 近年来，基于嵌入式系统的自动控制系统得到了
2、飞速的发展。嵌入式系统技术在工业控制中的广泛应用，极大地提高了工业生产的信息化、现代化和自动化水平。这些与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统就可称为嵌入式控制系统5。 嵌入式控制系统具有一般嵌入式系统所具有的普遍特性，同时自动控制技术本身又对其设计等环节提出了独特的要求。本章将介绍嵌入式控制系统的基础知识及其开发技术，为相关技术人员提供嵌入式控制系统设计的基础理论支持及技术支撑。 7.1 嵌入式嵌入式控制系统概述控制系统概述 7.1.1 自动自动控制系统控制系统基础基础 自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备和装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数，自动地按照预定
3、的规律运行。能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统就称为自动控制系统。自动控制系统常见的实例是汽车中的定速控制，控制装置通过处理节流阀设置，使得车速到达司机所设置的速度。 按照控制系统的结构，自动控制系统可以分为：开环控制、闭环控制和复合控制三大类型，其中最常用的是闭环控制。闭环控制常常也称为反馈控制系统。所谓反馈控制系统是指控制装置利用被控量的反馈信息，不断修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务。反馈控制是一种最基本的控制方式，其实质是一个按偏差进行的控制过程，即利用偏差消除偏差。 反馈控制系统的一般组成如图 7.1 所示。 图 7.1 反馈控制系统的一般结构 其
4、中， 测量元件负责检测被控制的物理量， 通常测量元件由传感器及其信号变送电路组成；串联补 偿元件放大元件执行元件反馈补偿元件被控对象测量元件输入 量输出量比较 元件比较 元件局部反馈主反馈控制装置南京理工大学内部教学资料，版权所有！ 请勿外传！第 7 章 嵌入式控制系统及应用课程讲义 嵌入式控制系统 4-2 比较元件把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的输入量进行比较，求出它们之间的偏差；放大元件将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象；执行元件也称为执行器，直接推动被控对象，使其被控量发生变化；校正元件也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元部件，用串联或反馈连
5、接在系统中，以改善系统的性能。狭义上的控制器包括了校正元件和比较元件。 自动控制系统的基本要求：稳定性、快速性、准确性。 稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小并趋于零。线性自动控制系统的稳定性是由系统结构所决定的，与外界因素无关。 快速性是对控制系统过渡过程的时间的要求，表征了系统响应的速度。 衡量准确性的物理量是稳态误差，指在系统过渡过程结束后，期望的稳态输出量与实际的稳态输出量之差。理想情况下，稳态误差应该是 0。 在控制系统中， 对象的特性是固定的， 不易改变； 测量元件及变送器的特性比较简单，一般也是不可以改变的；执
6、行器可有一定程度的调整，但灵活性不大；主要可以改变参数的就是控制器。系统设置控制器的目的，就是通过它改变整个控制系统的特性，以达到控制目的。 控制器的功能示意图如图 7.2 所示， 由比较点和控制律两大部分构成。 在控制系统框图中，控制律方框通常就标为控制器。 控制规律给定值R反馈量C偏差值E控制信号P控制器图 7.2 控制器功能示意图 控制律也就是控制器的控制规律。在传统的控制系统中，控制器一般是模拟控制器，由模拟电路、无源网络、有源放大电路等电子线路组成，因而是连续时间控制器。 7.1.2 嵌入式嵌入式计算机计算机控制控制系统系统基本基本概念概念 当计算机取代模拟控制器，构成的控制系统就称
7、为计算机控制系统。计算机控制系统也称为数字控制系统，其原因在于这类控制系统中包含了数字信号。 典型计算机控制系统的结构如图 7.3 所示，系统分为两个部分：计算机控制部分，包括南京理工大学内部教学资料，版权所有！ 请勿外传！第 7 章 嵌入式控制系统及应用课程讲义 嵌入式控制系统 4-3 数字控制器、模-数转换装置和数-模转换装置以及检测变送装置等。另一部分是被控对象和执行机构等。 控制器给定信号计算机控制装置D/A功放、执行装置、过程检测装置A/D输出图 7.3 计算机控制系统的一般结构 目前所有的控制系统实际上都是基于嵌入式计算机控制来实现的，因此，充分理解嵌入式计算机控制系统是十分重要的
8、。我们可以把嵌入式计算机控制系统看作是模拟控制系统的近似，但是，这种看法是不全面的，它没有充分发挥计算机控制的潜力，最多只能获得与采用模拟控制时一样好的结果。与此相反，我们最好是精通计算机控制系统，进而利用计算机控制的全部潜力。而且，在计算机控制系统中还有一些在模拟系统中未出现过的现象，这些都是一个工程技术人员应当了解的。 从广义上说，计算机控制系统应该包括检测、控制、显示、存储、管理和通信几部分功能。 7.2 嵌入式嵌入式控制系统的一般组成控制系统的一般组成 嵌入式控制系统的一般组成如图 7.4 所示。 从硬件上看，基本的嵌入式控制系统的硬件主要包括：微处理器（CPU） 、存储器（RAM/F
9、lash） 、数字 I/O 接口通道、A/D 和 D/A 转换器接口通道、人机接口设备（如键盘和显示器） 、通信网络接口和电源等。它们通过微处理器的系统总线（地址总线、数据总线和控制总线）构成一个完整的系统。下面对各部分作简要说明。 （1）嵌入式计算机 嵌入式控制系统的核心，由 CPU 和存储器等构成。其任务是通过由过程输入通道发送来的工业对象的生产工况参数，按照人们预先安排的程序，自动地进行信息的处理、分析和计算， 并做出相应的控制决策或调节， 以信息的形式通过输出通道， 及时发出控制命令，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。计算机
10、中的程序和控制数据是人们预先根据控制对象的特征编制的控制算法。计算机控制系统执行控制程序和系统程序，完成事先确定的控制任务。 （2）过程通道 南京理工大学内部教学资料，版权所有！ 请勿外传！第 7 章 嵌入式控制系统及应用课程讲义 嵌入式控制系统 4-4 过程输入输出通道是计算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计算机可以接收的数字代码。过程输出通道把计算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。生产过程的被控参数一般为连续变化的非电物理量，在模拟量输入通道中先用传感元件把
11、它转换成连续变化的模拟电量，然后用模/数转换器转换成计算机能够接受的数字量。计算机输出的数字量往往要经过数/模转换器转换成连续的模拟量，去控制可连续动作的执行机构。此外还有开关量形式的信号，它将通过开关量输入输出通道来传送。因此，过程通道有：模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道和开关量输出通道。 （3）接口 嵌入式控制系统的过程输入输出通道和接口。其基本功能：将过程参数转换成计算机能够识别的代码输入给计算机以便进行运算处理，同时，把计算机发出的控制命令转换成操纵执行机构的控制信号以控制生产过程 （4）外部设备 这是实现计算机和外界进行信息交换的设备， 简称外设， 包括人机接口设备 （
12、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。 图 7.4 嵌入式控制系统的一般组成 南京理工大学内部教学资料，版权所有！ 请勿外传！第 7 章 嵌入式控制系统及应用课程讲义 嵌入式控制系统 4-5 （5）检测装置 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
13、号经变送器转换成统一的计算机标准电平信号(05V 或 420mA)后，再送入计算机。 （6）执行机构 要控制生产过程，必须有执行机构。它是计算机控制系统中的重要部件，其功能是根据计算机输出的控制信号，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。常用的执行机构有电动、液动和气动等控制形式，也有的采用马达、步进电机及可控硅元件等进行控制。 嵌入式控制系统的硬件是完成控制任务的设备基础，而软件是履行控制系统任务的关键。整个计算机系统的动作都是在软件的指挥下协调进行的，因此说软件是嵌入式控制系统的中枢神经。软件的质量关系到计算机运行和控制效果的好坏、硬件功能的充分发挥和推广应用。软件主要分系统软件和应用软件。 （1）系统软件 提供计算机运行和管理的基本环境，主要指操作系统。 （2）应用软件 它是面向用户本身的程序，控制系统设计者根据某个系统的要求开发的特殊控制软件和管理程序。应用软件包括： 监视程序：指巡回检测程序、数据处理程序、上下限检
