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1、第1章 数字控制本讲稿第一页，共三十八页课程安排课程安排讲课讲课32学时学时 金晶金晶实验实验6学时学时上机上机6学时学时 上机、实验如下：上机、实验如下：n实验一实验一 数字滤波器的设计与仿真数字滤波器的设计与仿真 n实验二实验二 数字数字PID控制器设计与仿真控制器设计与仿真 n实验三实验三 数字输入数字输入/输出实验输出实验n实验四实验四 模拟滤波与数字滤波实验模拟滤波与数字滤波实验n实验五实验五 数字数字PID控制实验控制实验n实验六实验六 直流电机闭环调速实验直流电机闭环调速实验2 王艳王艳本讲稿第二页，共三十八页参考书参考书盛珣华，李润梅编著盛珣华，李润梅编著.计算机控制系统计算机
2、控制系统.清华大学出版社清华大学出版社.2007 绪方胜彦著，刘君华译绪方胜彦著，刘君华译.离散时间控制系统离散时间控制系统.西安交通大学西安交通大学出版社，出版社，1990.袁本恕编著袁本恕编著.计算机控制系统计算机控制系统.中国科学技术大学出版社，中国科学技术大学出版社，1988.Katsuhiko Ogata.现代控制工程现代控制工程.电子工业出版社，电子工业出版社，2000.施保华施保华,杨三青杨三青,周凤星周凤星.计算机控制技术计算机控制技术.华中科技大学出版华中科技大学出版社社.2007.教材教材n数字控制徐丽娜编著，科学出版社数字控制徐丽娜编著，科学出版社n计算机控制实验指导书王
3、艳主编，教材科印刷计算机控制实验指导书王艳主编，教材科印刷3本讲稿第三页，共三十八页成绩记载方法成绩记载方法闭卷考试闭卷考试 70%作业和出勤作业和出勤 10%实验实验 20%4本讲稿第四页，共三十八页第第1章章 绪言绪言 数数字字控控制制（又又称称计计算算机机控控制制）课课程程为为自自动动控控制制及及相相关关专专业业学学生生讲讲授授线线性性定定常常数数字字控控制制系系统统分分析析与与综综合合的的一一些些基基本本方方法法，其其理理论论基基础为础为线性离散时间系统线性离散时间系统理论。理论。数数字字控控制制系系统统是是以以数数字字计计算算机机作作为为数数字字控控制制器器，实实现现对对连连续续对象
4、（或过程）的对象（或过程）的闭环控制闭环控制，也称为计算机控制系统。，也称为计算机控制系统。5本讲稿第五页，共三十八页控制理论发展历史控制理论发展历史w20世纪世纪4060年代，年代，“古典控制理论古典控制理论”时代。时代。主要针对线性定常系统，解决单输入单输出问题。采用传递函数、频主要针对线性定常系统，解决单输入单输出问题。采用传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析方法。对非线性系统，分析采用的相率特性、根轨迹为基础的频域分析方法。对非线性系统，分析采用的相平面法一般不超过两个变量。平面法一般不超过两个变量。w20世纪世纪6070年代，年代，“现代控制理论现代控制理论”。随着计算机的飞速
5、发展，推动了状态空间法的应用，其可以解决多随着计算机的飞速发展，推动了状态空间法的应用，其可以解决多输入多输出问题。系统可以是线性的、定常的，也可以是非线性的、时输入多输出问题。系统可以是线性的、定常的，也可以是非线性的、时变的。变的。集中控制理论阶段集中控制理论阶段6本讲稿第六页，共三十八页n20世纪世纪70年代至今，向年代至今，向“大系统理论大系统理论”和和“智能控制智能控制”方向发方向发展。展。“大系统理论大系统理论”是用控制和信息的观点，研究各种大系统的协调、控制是用控制和信息的观点，研究各种大系统的协调、控制方法，包括大系统的建模、模型降阶、递阶控制、分散控制和稳定性等内方法，包括大
6、系统的建模、模型降阶、递阶控制、分散控制和稳定性等内容；大系统的特征是：规模庞大、结构复杂（环节较多、层次较多或关系容；大系统的特征是：规模庞大、结构复杂（环节较多、层次较多或关系复杂）、目标多样、影响因素众多，且常带有随机性的系统。复杂）、目标多样、影响因素众多，且常带有随机性的系统。“智能控制智能控制”是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制仿人智能控制。规律，研制仿人智能控制。分散控制理论阶段分散控制理论阶段7本讲稿第七页，共三十八页动动力力学学系系统统 连连续续系系统统离离散散系系统统线线性性系系统统非非线线性性系系统统
7、确确定定性性系系统统随随机机系系统统正正常常系系统统奇奇异异系系统统单单变变量量系系统统多多变变量量系系统统定定常常系系统统时时变变系系统统确确知知系系统统不不确确知知系系统统动力学系统分类图动力学系统分类图8本讲稿第八页，共三十八页计算机控制的发展历史计算机控制的发展历史（一）（一）数据采集与监视控制系统数据采集与监视控制系统DA&SCS（Data Acquisition and Supervisory Control System）计算机控制系统在计算机控制系统在20世纪世纪50年代开始出现，由于当时年代开始出现，由于当时计算机硬件条件的限制，控制系统是基于模拟控制器实现计算机硬件条件的限
8、制，控制系统是基于模拟控制器实现的，计算机只是作为控制系统的监控设备，负责对控制系的，计算机只是作为控制系统的监控设备，负责对控制系统的参数进行采集、加工和分析处理，此时的计算机控制统的参数进行采集、加工和分析处理，此时的计算机控制系统称为系统称为数据采集系统或监视控制系统数据采集系统或监视控制系统。由于这种系统中计算机并不直接参与系统控制，因此由于这种系统中计算机并不直接参与系统控制，因此系统结构简单，安全可靠。系统结构简单，安全可靠。9本讲稿第九页，共三十八页（二）直接数字控制系统（二）直接数字控制系统DDC （Direct Digital Control）随着计算机硬件技术的日益提高，出
9、现了随着计算机硬件技术的日益提高，出现了直接数字控制系统直接数字控制系统，传统的模拟控制器被计算机构成的传统的模拟控制器被计算机构成的数字控制器数字控制器所取代。在所取代。在DDC控控制系统里，传感器和执行机构与计算机是点对点的连接方式，传感器和执制系统里，传感器和执行机构与计算机是点对点的连接方式，传感器和执行机构通过模拟输入行机构通过模拟输入/输出通道与计算机构成的数字控制器之间进行模输出通道与计算机构成的数字控制器之间进行模拟拟/数字信号转换，计算机直接数字信号转换，计算机直接参与系统的控制及信息处理参与系统的控制及信息处理。DDC是是计算机控制技术中最常用的方法之一，其优点是灵活性大、
10、可靠计算机控制技术中最常用的方法之一，其优点是灵活性大、可靠性高，可以实现较复杂的控制规律，如最优控制、鲁棒控制、模性高，可以实现较复杂的控制规律，如最优控制、鲁棒控制、模糊控制等。糊控制等。生生产产过过程程模拟输入通道模拟输入通道模拟输出通道模拟输出通道数数控控计计算算机机键盘、显示器键盘、显示器打印机等打印机等外部设备外部设备直接数字（直接数字（DDC）控制系统示意图控制系统示意图10本讲稿第十页，共三十八页 具有两级计算机控制系统的具有两级计算机控制系统的计算机监督系统计算机监督系统SCC，其底层其底层计算机控制系统为执行实时控制任务的计算机控制系统为执行实时控制任务的DDC系统，高层计
11、算机系统，高层计算机控制系统为具有强大数据处理能力的计算机监督系统。控制系统为具有强大数据处理能力的计算机监督系统。（三）计算机监督系统（三）计算机监督系统SCC（Supervisory Computer Control）计算机监督系统计算机监督系统直接数字控制系统直接数字控制系统11本讲稿第十一页，共三十八页（四）分布式控制系统（四）分布式控制系统DCS(Distributed Control Systems)随着控制系统规模的日益扩大，在随着控制系统规模的日益扩大，在20世纪世纪70年代又出现了年代又出现了分布式控制系统分布式控制系统DCS，又称集散控制又称集散控制系统。系统。其特点是采用
12、层次化的多级计算机系统进行分其特点是采用层次化的多级计算机系统进行分散控制、管理集中。散控制、管理集中。分布式控制系统是在计算机监督控制系统、直分布式控制系统是在计算机监督控制系统、直接数字控制系统和计算机多级控制系统的基础上发接数字控制系统和计算机多级控制系统的基础上发展起来的，是应用于大规模复杂系统或生产过程的展起来的，是应用于大规模复杂系统或生产过程的一种比较完善的控制与管理系统。一种比较完善的控制与管理系统。12本讲稿第十二页，共三十八页分布式控制系统结构示意图分布式控制系统结构示意图局域网局域网LAN操作员操作员工作站工作站1#过程过程控制站控制站N#过程过程控制站控制站传感器传感器
13、执行器执行器传感器传感器执行器执行器被控对象被控对象/生产工程生产工程工程师工程师工作站工作站监控监控工作站工作站网间连接器网间连接器第一代第一代DCS或或PLC等等13本讲稿第十三页，共三十八页（五）网络控制系统（五）网络控制系统(Networked Control Systems，NCS)“Networked Control Systems，NCSs”最早于最早于1998年出现在马里兰大年出现在马里兰大学学G.C.Walsh的论著中的论著中。随着计算机技术、网络通信技术和控制科学的日益发展与交叉渗随着计算机技术、网络通信技术和控制科学的日益发展与交叉渗透，控制系统已由封闭的集中体系逐渐向开
14、放分布式体系发展。很多透，控制系统已由封闭的集中体系逐渐向开放分布式体系发展。很多复杂的控制系统如复杂的控制系统如无线网络机器人无线网络机器人、远程遥控操作远程遥控操作、基于、基于Internet的的远远程教学和实验程教学和实验、远程医疗远程医疗、航空航天系统航空航天系统以及现场总线和工业以太网技术以及现场总线和工业以太网技术等，其本质上都可归结为基于网络的控制系统，或者称为等，其本质上都可归结为基于网络的控制系统，或者称为网络控制系统网络控制系统。网络控制系统强调在通信网络上建立闭环控制回路，因此网络控制系统强调在通信网络上建立闭环控制回路，因此NCS中的网中的网络是一个广义的范畴，包括了现
15、场总线，工业以太网、无线通信网络、络是一个广义的范畴，包括了现场总线，工业以太网、无线通信网络、甚至甚至Internet等。等。14本讲稿第十四页，共三十八页1.1 数字控制系统概述数字控制系统概述 数字控制系统是以数字计算机作为数字控制器，实现对连续数字控制系统是以数字计算机作为数字控制器，实现对连续对象（或过程）的闭环控制，因此也称为计算机控制系统。对象（或过程）的闭环控制，因此也称为计算机控制系统。本本书阐书阐述如下几部分内容述如下几部分内容：n数字控制数字控制系统建模与分析；系统建模与分析；n数字控制系统的设计（或称综合）数字控制系统的设计（或称综合）；n数字控制系统的实现数字控制系统
16、的实现；n高速采样数字控制系统的建模与分析、设计与实现。高速采样数字控制系统的建模与分析、设计与实现。15本讲稿第十五页，共三十八页 传统的模拟闭环控制系统如下图所示，其控制器传统的模拟闭环控制系统如下图所示，其控制器由模拟器件构成。由模拟器件构成。数字控制系统是以数字计算机作为数字控制器，单数字控制系统是以数字计算机作为数字控制器，单回路计算机控制系统如下图所示。回路计算机控制系统如下图所示。16本讲稿第十六页，共三十八页 1.1.1 系统组成与功能系统组成与功能 数数字字控控制制系系统统由由硬硬件件与与软软件件两两大大部部分分组组成成。如如果果将将执执行行机机构构和和测测量量元元件件的的对
17、对象象特特性性并并入入被被控控对对象象或或过过程程，则则单单输输入入单单输输出出单单位位反反馈馈数数字字控控制制系系统统的的硬件框图如图硬件框图如图1-1-1所示。所示。A-AnalogueD-Digital采样采样开关开关A/D数字数字控制器控制器D/A保持器保持器对象对象或过程或过程r(t)e(t)u(t)y(t)实时时钟实时时钟模拟输入通道模拟输入通道模拟输出通道模拟输出通道离散状态离散状态连续状态连续状态产生脉冲序列产生脉冲序列作采样信号作采样信号连续信号连续信号离散信号离散信号离散离散信号信号连续信号连续信号图图1-1-1 单位反馈数字控制系统硬件框图单位反馈数字控制系统硬件框图e*
18、(t)e(kT)u(kT)u*(t)17本讲稿第十七页，共三十八页1 硬件部分硬件部分 数字控制系统硬件部分由五部分组成：数字控制系统硬件部分由五部分组成：（1）连连续续被被控控对对象象（或或过过程程）：工工作作于于连连续续状状态态，输输入入输输出出是是连连续续量。量。（2）数数字字控控制制器器：工工作作于于离离散散状状态态，输输入入输输出出是是数数字字量量，由由数字计算机实现。数字计算机实现。（3）模模拟拟输输入入通通道道：由由采采样样开开关关、A/D转转换换器器两两个个环环节节组组成成，完完成由连续量到数字量的转换。成由连续量到数字量的转换。（4）模模拟拟输输出出通通道道：由由D/A转转换
19、换器器、保保持持器器两两个个环环节节组组成成，完完成成 由由数字量到连续量的转换。数字量到连续量的转换。（5）实时时钟：产生脉冲序列，定时控制采样开关的闭合，控制）实时时钟：产生脉冲序列，定时控制采样开关的闭合，控制A/D、D/A转换器的输出。转换器的输出。18本讲稿第十八页，共三十八页需要说明的是：需要说明的是：n数字控制系统的闭环控制与连续系统的闭环控制相同点是数字控制系统的闭环控制与连续系统的闭环控制相同点是数数字控制系统也采用反馈控制，可以使系统的响应对外部干扰和字控制系统也采用反馈控制，可以使系统的响应对外部干扰和系统内部参数变化不敏感，这一点与连续系统闭环反馈控制相系统内部参数变化
20、不敏感，这一点与连续系统闭环反馈控制相同；同；n不同的是：系统只根据采样时刻，即离散时间点上的过程变不同的是：系统只根据采样时刻，即离散时间点上的过程变量值进行工作，也就是说数控系统只是在采样时刻处为闭环量值进行工作，也就是说数控系统只是在采样时刻处为闭环控制；在采样时刻之间，数控系统处于开环控制。控制；在采样时刻之间，数控系统处于开环控制。n由于数控计算机的离散时间性质，故采样是数字控制系统的基本特由于数控计算机的离散时间性质，故采样是数字控制系统的基本特征。数字（计算机）控制系统又称为采样数据系统。征。数字（计算机）控制系统又称为采样数据系统。19本讲稿第十九页，共三十八页2 软件部分软件
21、部分（在计算机上实现控制规律）（在计算机上实现控制规律）主程序：系统初始化设置；主程序：系统初始化设置；控制子程序：实现数据采集、控制算法、控制量的输出和控制子程序：实现数据采集、控制算法、控制量的输出和存储。存储。数控系统的功能为：在数字计算机控制下，每隔一个采数控系统的功能为：在数字计算机控制下，每隔一个采样周期样周期 T，对对连续连续偏差信号偏差信号e(t)进行进行采样采样，经由，经由模拟输入通道转换模拟输入通道转换成成数字量送入计算机中，计算机数字量送入计算机中，计算机（数字控制器）（数字控制器）根据控制规律根据控制规律进行进行运算运算，求得控制量输出，求得控制量输出，由模拟输出通道转
22、换成连续量由模拟输出通道转换成连续量去去控制控制被控对象被控对象（或过程）（或过程），使系统的动态、稳态特性达到预期的指使系统的动态、稳态特性达到预期的指标标。20本讲稿第二十页，共三十八页控控制制子子程程序序控制量的输出和存储控制量的输出和存储YN开开 始始主程序：初始化设置主程序：初始化设置数据采集数据采集控制算法控制算法采样采样?图图1-1-2 数字控制系统软件流程数字控制系统软件流程21本讲稿第二十一页，共三十八页1.1.2 数控系统的优点数控系统的优点程序控制：易于修改，改变控制规律不需修改硬件，通过修改控程序控制：易于修改，改变控制规律不需修改硬件，通过修改控制子程序就可以满足不同
23、的控制要求。因此相对于连续控制系统制子程序就可以满足不同的控制要求。因此相对于连续控制系统更具有灵活性。更具有灵活性。精度高：模拟控制器的精度由硬件决定，同一批次的元器精度高：模拟控制器的精度由硬件决定，同一批次的元器件可能具有不同的性能，例如电阻、电容的标称值和实际件可能具有不同的性能，例如电阻、电容的标称值和实际测量值会有不同，达到高精度很不容易，元器件的价格随测量值会有不同，达到高精度很不容易，元器件的价格随精度不同变化很大；而数字控制器的精度与计算机的控制精度不同变化很大；而数字控制器的精度与计算机的控制算法和字长有关，在系统设计时就已经决定了。算法和字长有关，在系统设计时就已经决定了
24、。稳定性好：数控计算机只有稳定性好：数控计算机只有“0”、“1”状态，抗干扰能状态，抗干扰能力强，不象电阻、电容等受外界环境影响较大。力强，不象电阻、电容等受外界环境影响较大。22本讲稿第二十二页，共三十八页软件复用：硬件不能复用，子程序却可以，所以具有可重软件复用：硬件不能复用，子程序却可以，所以具有可重复性。而且计算机系统和软件都可以更新换代。复性。而且计算机系统和软件都可以更新换代。分时控制：可同时控制多系统、多通道。而模拟控制器只能完成分时控制：可同时控制多系统、多通道。而模拟控制器只能完成单通道控制。单通道控制。图图1-1-4 多路模拟输入多路模拟输入/输出通道示意图输出通道示意图模
25、模 拟拟 输输 出出模模 拟拟 输输 入入多多 路路 开开 关关反反 多多 路路 开开 关关A/DD/A数字数字计算机计算机控控 制制23本讲稿第二十三页，共三十八页数控系统的缺点、局限性数控系统的缺点、局限性实时性：数控系统由计算机运行速度、实时性：数控系统由计算机运行速度、A/D与与D/A采样速度、采样速度、控制算法等多种因素决定其采样频率上限控制算法等多种因素决定其采样频率上限。信号的处理：离散系统的采样频率下限受到采样定理的限制，在输信号的处理：离散系统的采样频率下限受到采样定理的限制，在输入信号频率不满足采样定理时得到的采样信号会产生频率混迭现象。入信号频率不满足采样定理时得到的采样
26、信号会产生频率混迭现象。数控系统一般需要进行连续信号与数字信号之间的转换，数控系统一般需要进行连续信号与数字信号之间的转换，因此系统性能受到因此系统性能受到 A/D与与 D/A性能的影响，包括实时性、精性能的影响，包括实时性、精度等。度等。最后需要指出的是，连续控制系统与数控系统各有优缺点，最后需要指出的是，连续控制系统与数控系统各有优缺点，应用时采用何种控制方式需考虑价格比、使用环境、可靠性、应用时采用何种控制方式需考虑价格比、使用环境、可靠性、体积等多种实际情况。体积等多种实际情况。24本讲稿第二十四页，共三十八页 可作为数控系统实时控制器的微计算机种类越来越多，如：可作为数控系统实时控制
27、器的微计算机种类越来越多，如：台式机、台式机、PLC、单片机、嵌入式计算机、单片机、嵌入式计算机、ARM、PLD、DSP等等。设计和实现实时系统，需要从以下几个指标来选择微型设计和实现实时系统，需要从以下几个指标来选择微型机：速度、字长、指令系统、输入机：速度、字长、指令系统、输入/输出控制方式及容量等输出控制方式及容量等等；在实际应用中，还要考虑高可靠性、可维护性、微型等；在实际应用中，还要考虑高可靠性、可维护性、微型化要求等等。化要求等等。多种多种微计算机微计算机举例举例25本讲稿第二十五页，共三十八页（一）通用计算机（台式机（一）通用计算机（台式机）软、硬件通用，多种软、硬件支持，配套设
28、备完善。但作为软、硬件通用，多种软、硬件支持，配套设备完善。但作为数字控制器整体的实时处理速度不是很快，决定于所有部件的速数字控制器整体的实时处理速度不是很快，决定于所有部件的速度。度。26本讲稿第二十六页，共三十八页（二二）单片机）单片机 单单片片机机是是指指一一个个集集成成在在一一块块芯芯片片上上的的完完整整计计算算机机系系统统。尽尽管管它它的的大大部部分分功功能能集集成成在在一一块块小小芯芯片片上上，但但是是它它具具有有一一个个完完整整计计算算机机所所需需要要的的大大部部分分部部件件：CPU、内内存存、内内部部和和外外部部总总线线系系统统，目目前前大大部部分分还还会会具具有有外外存存。同
29、同时时集集成成诸诸如如通通讯讯接接口口、定定时时器器，实实时时时时钟钟等等外外围围设设备备。而而现现在在最最强强大大的的单单片片机机系系统统甚甚至至可可以以将将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。当当前前使使用用的的单单片片机机种种类类繁繁多多，如如Intel公公司司的的51系系列列单单片片机机；早早期期的的单单片片机机都都是是8位位或或4位位的的,随随着着技技术术的的发发展展，单单片片机机从从16位位增增加加到到目前的目前的32位，目前高端的位，目前高端的32位单片机主频已经超过位单片机主频已经超过300MHz。单单片片
30、机机比比专专用用处处理理器器更更适适合合应应用用于于嵌嵌入入式式系系统统，因因此此它它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的微机。得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的微机。27本讲稿第二十七页，共三十八页（三）三）PLC可编程序控制器可编程序控制器（Programmable logic controller）适用于工业自动化控制，安全可靠，比较完善，但价格较贵，适用于工业自动化控制，安全可靠，比较完善，但价格较贵，体积较大。体积较大。28本讲稿第二十八页，共三十八页（四）四）DSP芯片（芯片（Digital signal processor）专门的可编程数字信号处理芯片专
31、门的可编程数字信号处理芯片 DSP芯芯片片是是专专门门的的可可编编程程数数字字信信号号处处理理芯芯片片，采采用用哈哈佛佛总总线线结结构构，程程序序和和数数据据具具有有独独立立的的存存储储空空间间，有有着着各各自自独独立立的的程程序序总总线线和和数数据据总总线线，结结构构复复杂杂，但但数数据据处处理理能能力力大大大大提提高高，有有可可以以实实现现特特处处用用途途（如如FFT、FIR滤滤波波、卷卷积积）的的专专门门DSP芯芯片。片。它它不不仅仅具具有有可可编编程程性性，而而且且其其实实时时运运行行速速度度可可达达每每秒秒数数以以千千万万条条复复杂杂指指令令程程序序，远远远远超超过过通通用用微微处处
32、理理器器，是是数数字字化化电电子子世世界中日益重要的电脑芯片。界中日益重要的电脑芯片。它它的的强强大大数数据据处处理理能能力力和和高高运运行行速速度度，是是最最值值得得称称道道的的两两大大特特色色，所所以以DSP多多用用于于需需高高速速实实时时数数据据处处理理的的场场合合（如如图图形形处处理理，大规模数据实时运算大规模数据实时运算）。）。29本讲稿第二十九页，共三十八页（五）嵌入式计算机（五）嵌入式计算机 嵌入式计算机一般指非嵌入式计算机一般指非PC机系统，它是以机系统，它是以应用为中心应用为中心，软硬件，软硬件可裁可裁减减，适应应用，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格系
33、统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求要求的专用计算机系统。的专用计算机系统。具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。求实时和多任务的体系。嵌入式计算机系统主要由嵌入式计算机系统主要由嵌入式处理器嵌入式处理器、相关支撑硬件相关支撑硬件、嵌入嵌入式操作系统式操作系统及及应用软件系统应用软件系统等组成，它是可独立工作的微型计算机。等组成，它是可独立工作的微型计算机。嵌入式计算机的开发不同于单片机，由于有了操作系统，因嵌入式计算机的开发不同于单片机，由于有了操作系统，因此可以利用此可以利用交
34、叉编译交叉编译的方式对该计算机进行开发更加复杂的程序，包的方式对该计算机进行开发更加复杂的程序，包括计算、显示、数据处理、输入输出等。功能更加突出定制化思想。括计算、显示、数据处理、输入输出等。功能更加突出定制化思想。支持的开发语言也都是高级语言。支持的开发语言也都是高级语言。30本讲稿第三十页，共三十八页（六）可编程逻辑器件（六）可编程逻辑器件PLD（Programmable logic device）PLD是做为一种通用集成电路生产的，它的逻辑功能按照用户对器件是做为一种通用集成电路生产的，它的逻辑功能按照用户对器件编程来确定。一般的编程来确定。一般的PLD的集成度很高，足以满足设计一般的
35、数字系的集成度很高，足以满足设计一般的数字系统的需要。这样就可以由设计人员统的需要。这样就可以由设计人员自行编程自行编程而把一个数字系统而把一个数字系统“集成集成”在一片在一片PLD上，而不必去请芯片制造厂商设计和制作专用的集成电路上，而不必去请芯片制造厂商设计和制作专用的集成电路芯片。芯片。FPGA是可编程器件的进一步发展产物。它是作为是可编程器件的进一步发展产物。它是作为专用集成电路专用集成电路（ASIC,Application Specific Integrated Circuit）领域中的一种半定制电路而领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电
36、路数有限的出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。缺点。用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。FPGA内部有丰富的触发器和内部有丰富的触发器和IO引脚，功耗低，系统集成度、可靠性引脚，功耗低，系统集成度、可靠性高。高。31本讲稿第三十一页，共三十八页1.2 数字控制对计算机（系统）的要求数字控制对计算机（系统）的要求1.2.1 实时控制实时控制 在一个采样周期在一个采样周期 T 内必须完成如下操作：内必须完成如下操作：1.数据采集：采样，数据采集：采样，A/D转换，数据输入的时间转换，数据输入的时间t1；2.程序运行求出
37、控制量的时间程序运行求出控制量的时间t2；3.控制量的输出和存储控制量的输出和存储时间时间t3。则为了实现实时控制，必须有则为了实现实时控制，必须有32本讲稿第三十二页，共三十八页1.2.2 对计算机（系统）的要求对计算机（系统）的要求硬件支持硬件支持1.CPU、内存、中断、指令系统等；内存、中断、指令系统等；2.实时时钟；实时时钟；3.输入输出通道；输入输出通道；4.外设。外设。软件支持软件支持人机对话功能人机对话功能33本讲稿第三十三页，共三十八页图图1-2-1 数字控制系统硬件框图数字控制系统硬件框图数字计算机（系统）硬件数字计算机（系统）硬件内存内存显示器显示器CPUROM键盘键盘打印
38、机打印机外存外存RAM实时时钟实时时钟模拟输入模拟输入通道通道模拟输出模拟输出通道通道对象或过程对象或过程I/O接口接口34本讲稿第三十四页，共三十八页 用数字计算机作控制器，实现控制算法，是数字控制的关键。用数字计算机作控制器，实现控制算法，是数字控制的关键。计算机控制系统的控制过程可以归结为：计算机控制系统的控制过程可以归结为：实时数据采集实时数据采集、实时控制、实时控制。计算机只要能满足控制系统实时控制设计要求。计算机只要能满足控制系统实时控制设计要求即可，无需过高追求计算机的高性能。要求数控系统中的计即可，无需过高追求计算机的高性能。要求数控系统中的计算机能做到如下几点：算机能做到如下
39、几点：n实时性：为了保证实时控制，作为数字控制器的微型计算机主要涉实时性：为了保证实时控制，作为数字控制器的微型计算机主要涉及以下几点：微型计算机的机型、输入输出接口、中断设置、实时及以下几点：微型计算机的机型、输入输出接口、中断设置、实时时钟、实时操作系统等几部分。时钟、实时操作系统等几部分。35本讲稿第三十五页，共三十八页综合控制能力：较强的计算、信息处理和控制能力；灵活综合控制能力：较强的计算、信息处理和控制能力；灵活而复杂的输入输出设备，传感器控制，显示设备，完备的而复杂的输入输出设备，传感器控制，显示设备，完备的中断系统等。中断系统等。高可靠性：软硬件的高可靠性是保证数控系统正常工作
40、的高可靠性：软硬件的高可靠性是保证数控系统正常工作的关键。关键。可维护性：实际中长期工作的数控系统必须考虑可维护性。可维护性：实际中长期工作的数控系统必须考虑可维护性。环境适应性：适应工程环境中要求的高低温、振动、湿度、环境适应性：适应工程环境中要求的高低温、振动、湿度、电磁、腐蚀性气体或辐射等各种恶劣条件。电磁、腐蚀性气体或辐射等各种恶劣条件。微型化：体积小、重量轻、功耗低。微型化：体积小、重量轻、功耗低。36本讲稿第三十六页，共三十八页本章小结本章小结数控系统的定义；数控系统的定义；数控系统的软、硬件系统组成；数控系统的软、硬件系统组成；数控系统与连续控制系统的优、缺点比较；数控系统与连续
41、控制系统的优、缺点比较；数控系统对数控计算机的实时控制要求、软硬件要求。数控系统对数控计算机的实时控制要求、软硬件要求。37本讲稿第三十七页，共三十八页思考与练习思考与练习 1-1.单输入单输出单位反馈数字控制系统：单输入单输出单位反馈数字控制系统：（1）画画硬硬件件框框图图,并并在在框框图图中中，标标出出各各环环节节的的名名称称，说说明明图图中各部分的功能；中各部分的功能；（2）说明控制软件的组成，并画软件流程图；）说明控制软件的组成，并画软件流程图；（3）数字控制与连续控制不同的基本特征是什么？）数字控制与连续控制不同的基本特征是什么？（4）数字控制与连续控制比，其优点是什么）数字控制与连续控制比，其优点是什么?1-2若若用用一一台台数数字字计计算算机机实实现现多多变变量量控控制制，与与单单变变量量控控制制在硬件结构上有什么不同？在硬件结构上有什么不同？1-3阐述数字控制实现实时控制，应满足的基本条件。阐述数字控制实现实时控制，应满足的基本条件。38本讲稿第三十八页，共三十八页