计算机控制系统：第7章 计算机控制系统的实现技术1

1、计算机控制系统哈尔滨工业大学（威海）控制科学与工程系Computer Control System第七章 计算机控制系统的实现技术 7.1 硬件组成与输入输出接口 7.2 计算机控制系统的软件设计 7.3 量化效应分析 7.4 采样频率的选取 7.5 抗干扰与可靠性技术 7.6 数字控制插补原理第七章 计算机控制系统的实现技术 7.1 硬件组成与输入输出接口 7.2 计算机控制系统的软件设计 7.3 量化效应分析 7.4 采样频率的选取 7.5 抗干扰与可靠性技术 7.6 数字控制插补原理 7.1 硬件组成与输入输出接口一、计算机控制系统的基本组成 7.1 硬件组成与输入输出接口一、计算机控制

2、系统的基本组成对控制用计算机系统的硬件要求1. 对计算机主机的要求 实时处理能力 比较完善的中断系统 对指令系统的要求 对内存的要求 2. 对过程输入输出通道的要求 有足够的输入通道数，并具有一定的扩充能力有足够的精度和分辨率 应有足够的变换速度 7.1 硬件组成与输入输出接口一、计算机控制系统的基本组成对控制用计算机系统的硬件要求3. 对应用软件系统的要求 实时性强、可靠性好、具有在线修改能力、输入输出功能强等4. 方便的人机联系 显示屏 、各种功能键 、输入数据功能键等5. 系统的可靠性和可维护性 可靠性指系统无故障运行能力 指标平均无故障间隔时间。 7.1 硬件组成与输入输出接口一、计算

3、机控制系统的基本组成对控制用计算机的选择1. 运算速度影响因素：系统计算工作量、采样周期、指令系统、硬件支持2. 计算机字长量化误差应与A/D的字长相协调信号的动态范围与采样周期T的关系若T减小，但又希望量化误差保持不变，则所需的计算机的字长就要相应增加 7.1 硬件组成与输入输出接口二、计算机控制系统的模拟输出通道1. D/A的主要指标 精度精度是反映实际输出与理想数学模型输出信号接近的程度。 分辨率分辨率可定义为当输入数字量发生单位数码变化时输出模拟量的变化量。分辨率也常用数字量的位数来表示。 转换时间最小有效位常以LSB表示，故转换时间定义为D/A转换器中的输入代码有满刻度值的变化时，其

4、输出模拟信号达到满刻度值LSB时所需要的时间。 7.1 硬件组成与输入输出接口二、计算机控制系统的模拟输出通道2. D/A的选择原则 在性能上必须满足D/A转换的技术要求 在结构和应用上满足接口方便、外围电路简单、价格低廉等要求 对于D/A转换器字长n的选择，可以由其后的执行机构的动态范围来选定执行机构的死区电压 执行机构最大输入 7.1 硬件组成与输入输出接口二、计算机控制系统的模拟输出通道3. 多路D/A输出时的实现方式 7.1 硬件组成与输入输出接口三、计算机控制系统的模拟输入通道 7.1 硬件组成与输入输出接口三、计算机控制系统的模拟输入通道 1. A/D的主要指标(1) 精度指对应一

5、个给定的数字量的实际模拟量输入与理论模拟量输入接近的程度。(2) 分辨率指输出数字量对输入模拟量变化的分辨能力。即设A/D转换器的位数为n，则A/D转换器的分辨率为(3) 转换时间从A/D转换的启动信号加入时起，到获得数字输出信号为止，所需的时间。(4) 量程 指测量的模拟量的变化范围。单极性（如0-10V）和双极性（例如-5V-+5V） 7.1 硬件组成与输入输出接口三、计算机控制系统的模拟输入通道 2. A/D的选择(1) A/D输出的方式、对启动信号的要求、A/D的转换精度和转换时间、稳定性及抗干扰能力等(2) A/D转换器的精度与传感器的精度有关，一般比传感器的精度高一个数量级；A/D

6、转换器的转换速率还与系统的频带有关(3) 根据输入模拟信号的动态范围可选择A/D转换器位数n 模入信号的最大值 模入信号的最小值 7.1 硬件组成与输入输出接口三、计算机控制系统的模拟输入通道 3. CPU和A/D转换电路之间的I/O控制方式(1) 查询方式 由CPU执行I/O指令启动并完成。每次传送数据之前，要先输入A/D转换器状态，经过查询符合条件后才可以进行数据的I/O。 应用灵活，但在读写数据端口指令之前需要重复执行多次查询状态的指令，当外设速度比较慢时，会造成CPU效率的大大降低。 7.1 硬件组成与输入输出接口三、计算机控制系统的模拟输入通道 3. CPU和A/D转换电路之间的I/

7、O控制方式(2) 中断方式 可以省掉重复繁琐的查询，并可及时响应外设的要求。 在这种方式下，CPU和外设基本上实现了并行工作 由于增加了中断管理功能，所以对应的接口电路和程序要比查询方式复杂。 7.1 硬件组成与输入输出接口三、计算机控制系统的模拟输入通道 3. CPU和A/D转换电路之间的I/O控制方式(3) DMA方式在高速数据采集系统中，不仅要选用高速A/D转换电路，而且传送转换结果也要求非常及时迅速，可以考虑选用DMA方式 7.1 硬件组成与输入输出接口四、计算机控制系统的数字输入输出通道输入缓冲器 对外部输入信号进行缓冲、加强和选通 输出锁存器将CPU输出的数据或控制信号进行锁存，以

8、便放大驱动执行机构作用于被控对象I/O电气转换部分的功能 滤波、电平转换、隔离、功率驱动等 7.1 硬件组成与输入输出接口四、计算机控制系统的数字输入输出通道 7.1 硬件组成与输入输出接口四、计算机控制系统的数字输入输出通道信号调理1. 直流电压信号的调整设计相应的调理电路（如分压、放大等），将直流信号转换成计算机所能接受电压形式，再直接使用A/D转换器。2. 直流电流信号的调理设计电流到电压的转换电路3. 数字信号的调理主要是进行隔离、放大及限幅整形，将微弱的信号变成满足接口要求的等幅脉冲序列。对于数字量的测量主要应用于对频率的测量和对转速的测量。 7.1 硬件组成与输入输出接口五、总线总

9、线概念总线是一组信号线的集合。这些线是系统的各插件间（或插件内部各芯片间）、各系统之间传送规定信息的公共通道，有时也称数据公路，通过它们可以把各种数据和命令传送到各自要去的地方。 7.1 硬件组成与输入输出接口五、总线(1) STD 总线目前工业控制及工业检测系统中使用广泛兼容性好，能够支持任何8位或16位微处理器具有以下特点：小板结构，高度模块化严格的标准化，广泛的兼容性面向I/O的开放式设计，适合工业控制应用高可靠性 7.1 硬件组成与输入输出接口五、总线(2) IBM PC/AT 总线 PC机的主板上设计了供输入输出用的总线，这些总线引至系统板上的5个或8个62脚的插座上，这些插座称为扩

10、展插槽PC/AT总线对环境要求较高，无法保证在工业现场可靠运行。PCAT总线都是主要采取将微处理器芯片总线经缓冲直接映射到系统总线上，没有支持总线仲裁的硬件逻辑，因而不支持多主系统ISA / EASA / PCI / PCIE / AGP 7.1 硬件组成与输入输出接口五、总线(3) RS-232C 串行接口标准总线 采用RS232C作串行通讯时，传输数据的速率可调，一般可达几十Kb。两种连接系统的方式：近程（传输距离小于15m）通讯，这时可以用RS232C电缆直接连接远程（15m以上的长距离）通讯，需要采用调制解调器（MODEM）经电话线进行 7.1 硬件组成与输入输出接口五、总线(4) 其

11、它总线 RS-422 / RS-485USBI2C （IIC）VXI现场总线第七章 计算机控制系统的实现技术 7.1 硬件组成与输入输出接口 7.2 计算机控制系统的软件设计 7.3 量化效应分析 7.4 采样频率的选取 7.5 抗干扰与可靠性技术 7.6 数字控制插补原理 7.2 计算机控制系统的软件设计一、软件分类 7.2 计算机控制系统的软件设计二、实时控制程序设计语言的选用机器语言（即机器指令）汇编语言高级语言高级语言和汇编语言的混合使用 7.2 计算机控制系统的软件设计三、实时控制软件(1) 实时管理软件实时时钟管理输入输出信息管理中断管理功能任务调度人机联系设置系统的初始状态(2)

12、 过程监视及控制算法计算软件数据变换处理程序控制指令生成程序 事故处理程序 信息管理程序 基本运算程序码制及格式转换程序 7.2 计算机控制系统的软件设计四、减少计算时延A/DD/AD(z)t1t2t3延时t算法I： 包括那些为了得到当前输出值而必须进行的计算。算法II： 包括那些为了得到下一时刻输出值而必须进行的 计算，以及与当前输出无关的其它计算和管理算法。 控制算法的输出时刻1控制算法的输出时刻2控制算法的输出时刻3 7.2 计算机控制系统的软件设计五、控制算法的编排结构1. 直接型结构 7.2 计算机控制系统的软件设计五、控制算法的编排结构1. 直接型结构直接型结构的实现比较简单，不需

13、要做任何变换。严重的缺陷：如果控制器中任一系数存在误差，则将使控制器所有的零极点产生相应的变化。 7.2 计算机控制系统的软件设计五、控制算法的编排结构2. 串联型结构Di为或将D(z)的分子分母因式分解，得一阶或二阶的环节乘积,可以用这些低阶环节的编排结构（采用直接型编排实现）进行串联而得。 7.2 计算机控制系统的软件设计五、控制算法的编排结构2. 串联型结构Di为或 如果低阶控制器中任一系数有误差，不会使控制器所有的零极点产生相应的变化。 7.2 计算机控制系统的软件设计五、控制算法的编排结构3. 并联型结构Di为或将D(z)进行部分分式展开 ，得一阶或二阶环节之和。可以用这些低阶环节的

14、编排结构（采用直接型编排实现）进行并联而得。 7.2 计算机控制系统的软件设计五、控制算法的编排结构3. 并联型结构 如果低阶控制器中任一系数有误差，不会使控制器所有的零极点产生相应的变化。 7.2 计算机控制系统的软件设计六、比例因子的配置原因：定点数要求、D/A前要求原则:(1) 绝大多数情况下，使各支路信号不上溢(2) 尽量减少动态信号的下溢值，减小不灵敏区，提高分辨率 (3) 控制算法各支路的比例因子可以采用实际物理量的最大值与计算机代码的最大值之比来确定，采用2的整次幂来缩放(4) 要保证配置比例因子前后，支路的增益与总的传递特性保持不变 7.2 计算机控制系统的软件设计六、比例因子

15、的配置原则:(5) A/D和D/A比例因子的计算A/D的传递系数 KAD=1/uimax D/A具有传递系数 KDA=uomax 为了不改变信号的传递关系，需要在计算机内配置相应的比例因子1/KAD和1/KDA。 7.2 计算机控制系统的软件设计五、比例因子的配置控制器增益大于1的情况: |D(z)|=K*|D1(z)|1，( K1且|D1(z)| 1) 处理方法: 计算机实现增益小于1的控制器D1(z)，其余增益移到系统模拟部分完成并设置限幅。 将大于1的增益放到最后，并在该增益之前设置数字限幅保护，防止输入信号较大时发生上溢。 7.2 计算机控制系统的软件设计七、嵌入式实现技术1. 概念与

16、分类概念IEEE定义 ：“嵌入式系统是控制、监视或辅助设备、机器甚至工厂操作的装置。”一般定义：“以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。” 7.2 计算机控制系统的软件设计七、嵌入式实现技术1. 概念与分类嵌入式系统的特点小型系统内核；专用性较强；系统精简，以减少控制系统成本，利于实现系统安全；采用高实时性的操作系统，且软件要固化存储；使用多任务的操作系统，使软件开发标准化；嵌入式系统开发需要专门的工具和环境。 7.2 计算机控制系统的软件设计七、嵌入式实现技术1. 概念与分类分类硬件方面：芯片级嵌入（含程序或算

17、法的处理器）模块级嵌入（系统中的某个核心模块）系统级嵌入 7.2 计算机控制系统的软件设计七、嵌入式实现技术1. 概念与分类分类软件方面（根据实时性要求）：非实时系统（例如PDA等）实时系统硬实时系统若系统在指定的时间内未能实现某个确定的任务，就会引起系统崩溃或导致致命错误（如导弹飞行姿态控制）。软实时系统在该类系统中虽然响应时间同样重要，但是超时却不会导致致命错误，这也意味着偶尔超过时间限制是可以容忍的（如消费类产品） 。 7.2 计算机控制系统的软件设计七、嵌入式实现技术2. 嵌入式处理器(1) 嵌入式微控制器 (MicoController Unit, MCU)典型代表是单片机单片机芯片

18、内部集成ROM、RAM、总线、定时器/计时器、I/O、串行口、A/D、D/A等各种必要的功能和外设在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强体积小、功耗成本低，比较适合控制。 7.2 计算机控制系统的软件设计七、嵌入式实现技术2. 嵌入式处理器(2) 嵌入式微处理器(Embedded MicroProcessor Unit, EMPU)基础是通用计算机中的CPU只保留与嵌入式应用密切相关的功能硬件，去掉其他冗余的功能部分目前的主要类型有ARM 、 PowerPC系列等 7.2 计算机控制系统的软件设计七、嵌入式实现技术2. 嵌入式处理器(3) 数字信号处理器 (Digital Si

19、gnal Processor, DSP) 专用于信号处理方面的处理器可进行向量运算、指针线性寻址等运算量很大的数据处理具有很高编译效率和指令执行速度 7.2 计算机控制系统的软件设计七、嵌入式实现技术2. 嵌入式处理器(4) 嵌入式片上系统 (System On Chip, SOC)在一个硅片上实现一个复杂的系统其最大的特点是实现了软硬件的无缝结合，直接在处理器内嵌入操作系统的代码模块 7.2 计算机控制系统的软件设计七、嵌入式实现技术3. 实时操作系统实时操作系统定义及特点实时操作系统RTOS是指能支持实时控制系统工作的操作系统，它可以在固定的时间内对一个或多个由外设发出的信号做出适当的反应

20、。实时操作系统的主要特征：规模小、中断被屏蔽的时间很短、中断处理时间短且任务切换很快。 7.2 计算机控制系统的软件设计七、嵌入式实现技术3. 实时操作系统商用的RTOS：VxWorks、pSOS、Palm OS等；功能稳定可靠，具有比较完善的技术支持和售后服务价格昂贵而且都针对特定的硬件平台。免费的RTOS：Linux和C/OS等带有源码，但理解、消化并运用在某应用系统上也是一项艰苦的工作相应的调试工具没有免费的。 7.2 计算机控制系统的软件设计七、嵌入式实现技术3. 实时操作系统 任务（或称“线程”）及其任务工作状态指拥有所有CPU资源的程序分段，为调度的基本单位整个应用的一部分优先级C

21、PU寄存器和栈空间 7.2 计算机控制系统的软件设计七、嵌入式实现技术3. 实时操作系统 任务（或称“线程”）及其任务工作状态 7.2 计算机控制系统的软件设计七、嵌入式实现技术3. 实时操作系统 实时内核实时内核负责管理各个任务，为每个任务分配CPU时间，并负责任务间的通信。提供任务切换基本服务。 7.2 计算机控制系统的软件设计七、嵌入式实现技术3. 实时操作系统实时内核可剥夺型不可剥夺型内核可以剥夺正在运行着的任务的CPU使用权内核运用某种算法决定任务运行，直到该任务主动将CPU控制权还回来。 7.2 计算机控制系统的软件设计七、嵌入式实现技术3. 实时操作系统 任务优先级(priori

22、ty)任务按照其重要性被赋予优先级静态优先级应用程序执行过程中诸任务优先级不变任务及其时间约束在程序编译时是已知的动态优先级应用程序执行过程中，任务的优先级是可变的 7.2 计算机控制系统的软件设计七、嵌入式实现技术3. 实时操作系统 调度（dispatcher）内核主要职责之一，决定哪个任务运行调度是基于优先级的基本调度算法先来先服务 最短周期优先优先级法 轮转法多级队列法 多级反馈队列 多数实时内核是基于优先级调度的多种方法的复合 7.2 计算机控制系统的软件设计七、嵌入式实现技术3. 实时操作系统 其他重要概念互斥（Mutex）机制 信号量（Semaphore）机制 代码临界区（Crit

23、ical Section）临界资源 7.2 计算机控制系统的软件设计七、嵌入式实现技术3. 实时操作系统评价指标系统响应时间（System response Time）：从系统发出处理要求，到系统给出应答信号的过程所用的时间。任务切换时间（Context-switching time）：指任务之间切换所使用的时间。中断延迟（Interrupt latency）：指从计算机接收到中断信号到操作系统做出响应，并完成切换转入中断服务程序的过程所用时间。 7.2 计算机控制系统的软件设计七、嵌入式实现技术 7.2 计算机控制系统的软件设计七、嵌入式实现技术 7.2 计算机控制系统的软件设计七、嵌入式实现技术 7.2 计算机控制系统的软件设计六、嵌入式实现技术 7.2 计算机控制系统的软件设计七、嵌入式实现技术软硬件协同设计技术