嵌入式控制系统原理及设计课件12嵌入式控制系统

1、嵌入式控制系统原理及设计第1章 嵌入式控制系统基础1.2 嵌入式控制系统嵌入式控制系统原理及设计1.2.1 嵌入式控制系统的概念到目前为止，尚未形成嵌入式控制系统的统一定义。一般地，嵌入式控制系统指一个基于嵌入式系统技术的自动控制系统，其中嵌入式计算机可以嵌入到控制系统的某个或某些部件，这些部件可以是比较元件、校正元件、测量元件、执行元件，或者用于系统检测和故障诊断的部件。实际上，大部分嵌入式系统都可以归纳到嵌入式控制系统的行列，如智能扫地机器人、工业机器人、无人机等。嵌入式控制系统原理及设计1.2.1 嵌入式控制系统的概念为理解嵌入式计算机如何应用于自动控制系统，首先回顾连续控制系统组成。图

2、1.11中除了被控对象以外，系统部件均由模拟、数字等独立元件或集成器件构成，包括各种门电路、运算放大器、功率放大器等有源器件和电阻、电容、电感等无源器件。嵌入式控制系统原理及设计1.2.1 嵌入式控制系统的概念（1）测量元件，其功能是检测被控量的物理量，如果这个物理量是非电量，则将其装换成电量。（2）比较元件，其功能是把测量元件检测的被控量实际值与参数输入进行比较，求出它们之间的偏差。（3）校正元件，它是结构或参数便于调整的元部件，对比较元件输出的偏差信号进行某种变换或运算，产生控制量，用于改善系统的性能。（4）放大元件，其功能是将校正元件给出的信号进行放大，以推动执行元件去改变控制对象的被控

3、量。嵌入式控制系统原理及设计1.2.1 嵌入式控制系统的概念当嵌入式计算机取代比较元件和补偿元件，成为自动控制系统的控制装置核心部件后，控制系统将发生如下变化。嵌入式控制系统原理及设计1.2.1 嵌入式控制系统的概念首先，控制回路中传输的信号不再全部是模拟信号。因为嵌入式计算机只能处理数字量，所以常用ADC将检测元件输出的模拟电信号转化成计算机可以输出的数字信号；同时还需用DAC将计算机输出的数字量转化为可以驱动放大元件的模拟信号，以使得后续的系统部件可以正常工作。嵌入式控制系统原理及设计1.2.1 嵌入式控制系统的概念其次，由于嵌入式计算机只能串行的处理指令，因而控制回路中的信号更新也由原来

4、的连续，变为离散，即在嵌入式计算机输出更新后信号时，控制回路的信号发生明显变化。嵌入式控制系统原理及设计1.2.1 嵌入式控制系统的概念最后，控制系统的设计和分析方法也需要根据系统的变化进行调整，否则造成理论研究结果和实际应用的脱节。例如，只有在系统具有固定、统一的控制周期，且控制周期远小于被控对象的主要时间常数时，连续系统的分析与设计方法才能应用于嵌入式控制系统的分析与设计；否则需要采用采样控制系统或混杂系统（Hybrid Systems）的相关理论和方法。嵌入式控制系统原理及设计1.2.2 嵌入式控制系统的工作原理【回顾】自动控制系统（闭环控制系统）的工作原理利用偏差消除偏差，即校正元件根

5、据比较元件求得的参考输入与检测元件反馈的被控量之间的偏差产生控制量，经由放大元件后驱动执行元件，使得被控对象的状态发生变化，实现被控量与参考输入之间无偏差。嵌入式控制系统原理及设计1.2.2 嵌入式控制系统的工作原理【嵌入式控制系统工作原理】当嵌入式计算机取代了连续控制系统中的比较元件和校正元件后，成为控制系统的核心部件，其基本任务应包括承担所取代的元件的功能。嵌入式控制器（嵌入式计算机）的基本任务：求取偏差（比较元件）和控制量（校正元件）。嵌入式控制系统原理及设计1.2.2 嵌入式控制系统的工作原理【嵌入式控制系统工作原理】嵌入式控制器的基本工作任务及流程：读取参考输入与被控量计算偏差（参考

6、输入-被控量）调用控制算法计算控制量输出控制量注意：（1）上述四项工作为完成一次控制量输出（更新）所进行的。 嵌入式控制系统原理及设计1.2.2 嵌入式控制系统的工作原理【嵌入式控制系统工作原理】嵌入式控制器的基本工作任务及流程：注意：（1）上述工作为完成一次控制量输出（更新）所进行的。 （2）这些工作在控制系统工作过程中周而复始的进行。 （3）这些工作是微处理器通过执行相关代码完成的。 （4）微处理器执行代码需要一定的时间（T），因而 微处理器的控制量更新是离散的。嵌入式控制系统原理及设计1.2.2 嵌入式控制系统的工作原理【嵌入式控制系统工作原理】嵌入式控制器的其他工作任务：（1）系统初始

7、化：为完成基本工作任务设置控制器的硬件和软件环境。（2）系统状态与故障的检测与诊断：在系统运行过程中，检测其他部件的状态，以确保这些部件正处理正常状态；当发现系统的部件（如传感器、执行器等）出现故障时，微处理器能够及时发现并定位故障，确定故障类型及部位，然后做出相应的应急处理。嵌入式控制系统原理及设计1.2.2 嵌入式控制系统的工作原理【嵌入式控制系统工作原理】嵌入式控制器的其他工作任务：（3）人机交互：当系统处于人机协作状态或调试阶段时，操作和调试人员需修改系统的参数、控制系统的进程或其他的操作。此时，嵌入式控制装置需要提供相应的功能。（4）通信：当需要和其余同时存在于大系统中的自动控制系统

8、协作完成某些复杂的控制目标时，它需要和其他控制装置通信，以交互信息完成协作。嵌入式控制系统原理及设计1.2.3 嵌入式控制系统的优势1.实现复杂、灵活的控制规律，提高控制质量，提高及实现系统的智能化。常规的模拟电路只能实现比例-积分-微分（PID）调节规律、相角超前/滞后等比较简单的控制算法，计算机控制能够实现如多变量解耦控制、最优控制、神经网络控制等复杂的控制算法，可以在线调整控制算法的结构和参数，为控制质量的提高提供了良好的基础。嵌入式控制系统原理及设计1.2.3 嵌入式控制系统的优势2.能够有效地克服随机扰动，及器件老化等因素导致的参数漂移。实际的控制系统运行过程中，扰动因素很多，且多数

9、扰动是难以预知的，模拟器件组成的控制器一旦投入运行，其参数很难实现随着环境动态调整。嵌入式计算机参与控制以后，可根据实时检测到的数据，用数值滤波、预估算法提高信号的信噪比、估计过程动态，进而实施控制，保证在扰动存在时仍能具有满意的控制效果。嵌入式控制系统原理及设计1.2.3 嵌入式控制系统的优势2.能够有效地克服随机扰动，及器件老化等因素导致的参数漂移。另外，模拟电路构成的控制器由于采用的元器件参数本身就会随着使用环境的温度发生漂移，随着使用时间产生老化，因而模拟控制器很难保证控制质量始终如一。嵌入式计算机属于数字部件，数字信号对模拟噪声和干扰具有一定的容忍度，在一定的范围内，可以提供比模拟控

10、制器更稳定的控制品质。即便因使用时间和频率，器件有部分老化，也不至于影响计算的准确性和精度。嵌入式控制系统原理及设计1.2.3 嵌入式控制系统的优势3.精度高、稳定性好、抗干扰能力强。在模拟控制系统中精度由元件的精度决定，由于模拟元件的参数随着工作环境、工作时间不可避免的出现漂移和变化，控制的精度达103级别已属不易。嵌入式控制器的精度由字长决定，可根据系统要求精度确定和调整变量的类型和表示形式，达到所需要的精度，因而往往可以取得比模拟控制更好的精度。且嵌入式控制器的精度并不随工作环境和时间产生漂移，具有较好的稳定性。嵌入式控制系统原理及设计1.2.3 嵌入式控制系统的优势4符合控制与管理一体化的发展趋势，具有较强生命力。现代化生产中，计算机不仅