第二章输入输出接口和通道5

第二章I/O接口技术和I/O通道解决微型计算机和外部的连接问题，使计算机和外部构成一个整体，能正确、可靠、高效率的交换信息，这是设计一个微机控制系统必须解决的基本问题。学习目的：通过本章的学习，了解接口和通道、I/O信号的种类、计算机与外部的通讯方式；了解I/O控制方式及其应用场合，掌握中断控制方式。学会对存储器、I/O端口的编址，掌握地址译码电路的设计方法；了解过程通道的构成、功能、设计方法。掌握D/A、A/D转换器的选择和使用方法；最后能进行一般的I/O接口设计。学习要求：2

2.1 概述

2.2 I/O控制方式

2.3 I/O接口设计 2.4 I/O通道 2.5 D/A转换器 2.6A/D转换器32.1概述2.1.1接口、通道的概念及其功能2.1.2I/O信号的种类2.1.3计算机和外部通讯的方式42.1.1接口、通道的概念及其功能1.I/O接口电路

I/O接口电路是主机与外设之间交换信息的连接部件，起着桥梁和纽带的作用。具体来讲：（1）时序配合和通信联络—ns级，ms级设置数据锁存器、缓冲器、状态寄存器以及中断控制电路等。（2）数据格式转换和匹配—CPU只能读写并行数字信号数据格式转换（串并、并串）和相匹配的速率和电平。（3）CPU负载能力和外设端口选择—分担CPU负载、分配端口具有三态门的输出锁存器或输入缓冲器，可编程并行接口电路等。5

I/O通道也称过程通道，是计算机与控制对象之间信息传送和交换的连接通道。它的主要任务就是实现模拟量和数字量的转换。2.I/O通道被控对象计算机A/DD/A模拟量模拟量数字量数字量62.1.2I/O信号的种类（8或16位并行或串行数据）1数据信息数字量模拟量开关量脉冲量2状态信息—外设通过接口向CPU反映外设所处工作状态的信息。3控制信息—CPU通过接口传送给外设的信息。键盘、拨码开关、编码器等输入的信息，通常是二进制数据或ASCII码，8位。现场温度、压力、流量、位移等物理量，需经转换。开关合/开，电机起/停，阀门开/关等等。两种状态，用一位二进制数表示。一个个传送的脉冲列。脉冲个数和频率可表示某种物理量。如检测装载电机轴上的脉冲信号发生器发出的脉冲，获得电机转速和角位移信息。72.1.3计算机和外部的通信方式（1）传输线条数n=传送数据的位数n；（2）传送速度快、信息率高；（3）握手信号线一般是两条（控制和状态线）；

握手信号线在某些芯片中是固定的，某些则是通过软件编程指定的。（4）在短距离的传送中常采用。1.并行通信常用并行接口电路芯片：Z-80系列的PIO和Intel系列的8255A等。8（1）按位传送，传输线条数n=1；（2）传输线既可做数据线又可做联络线用；（3）每个数据都占一个固定的时间长度；2.串行通信常用串行通信接口芯片：Z-80系列的SIO和Intel系列的8251A等。外设接口计算机外设接口计算机1）全双工方式2）半双工方式（如同马路上的左右人行道）（如同马路上的东南路口、打印机）串行通信分全双工和半双工方式、同步和异步方式。9接收端，收到规定的同步字符后，按约定的传输速率，接收对方法来的信息。3）同步通信将许多字符组成一个信息组，通常称为信息帧。通信时，在每帧信息的开始加上同步字符，接着字符一个接一个的传输。在没有信息要传送时，要添上空字符，因同步传输不允许有间隙。通信中两个字符的时间间隔是不固定的，而在同一字符中的两个相邻代码间的时间间隔是固定的。 异步通讯中字符一帧帧传送，每帧字符的传送靠起始位来同步。4）异步通信102.2I/O控制方式2.2.1程序控制方式2.2.2中断控制方式2.2.3直接存储器存取方式—DMA方式 当有多个外设的时候，外设的速度往往不一致，从而与主机的配合要求也不一致。CPU需采用分时控制，每个外设置仅在规定时间内得到服务。这就需要规定一个CPU控制（或调度）各个外围设备的控制策略，称为控制方式。112.2.1程序控制方式指CPU和外设之间的信息传递，是在程序控制下进行的。1.定义1）无条件I/O方式2）查询式I/O方式2.分类12定义：是一种最简单的I/O控制方式。使用简单，所需硬件、软件都较简单，其所有的操作是由执行程序来完成的。1）无条件I/O方式（同步方式）要求：CPU或者外设始终准备好，CPU直接执行I/O指令，便可实现数据传送。即：无条件传送方式所需的条件就是CPU与外设能够准确同步。一般只需要数据端口。例如：主机与LED显示屏的数据传送，CPU随时都可将要显示的文字或图形送至显示屏显示，即显示屏被当做什么时候都处于准备好的状态。又如手动开关（人机交换），人们把CPU当作什么时候都准备好的状态，随时都可以拨动手动开关，把开关信息传送至CPU。13定义：是一种最简单的I/O控制方式。使用简单，所需硬件、软件都较简单，其所有的操作是由执行程序来完成的。1）无条件I/O方式（同步方式）要求：CPU或者外设始终准备好，CPU直接执行I/O指令，便可实现数据传送。即：无条件传送方式所需的条件就是CPU与外设能够准确同步。一般只需要数据端口。例如：主机与LED显示屏的数据传送，CPU随时都可将要显示的文字或图形送至显示屏显示，即显示屏被当做什么时候都处于准备好的状态。又如手动开关（人机交换），人们把CPU当作什么时候都准备好的状态，随时都可以拨动手动开关，把开关信息传送至CPU。142）查询I/O方式（条件传送方式）过程：先检查后传送。即CPU传送数据前，先检查外设是否“准备好”，若没有，则继续查询，直至外设准备好；若准备好，进行数据传送。特点：传送数据花费时间较长，CPU效率低，且CPU不能与外设同时工作。但其硬件接口电路简单，程序调试方便、可靠，便于实现CPU与I/O设备操作同步。应用场合：在CPU不太忙且传送速度要求不高时，可以采用。一般需要数据端口和状态端口。152）查询I/O方式（条件传送方式）过程：先检查后传送。即CPU传送数据前，先检查外设是否“准备好”，若没有，则继续查询，直至外设准备好；若准备好，进行数据传送。特点：传送数据花费时间较长，CPU效率低，且CPU不能与外设同时工作。但其硬件接口电路简单，程序调试方便、可靠，便于实现CPU与I/O设备操作同步。应用场合：在CPU不太忙且传送速度要求不高时，可以采用。一般需要数据端口和状态端口。162）查询I/O方式（条件传送方式）过程：先检查后传送。即CPU传送数据前，先检查外设是否“准备好”，若没有，则继续查询，直至外设准备好；若准备好，进行数据传送。特点：传送数据花费时间较长，CPU效率低，且CPU不能与外设同时工作。但其硬件接口电路简单，程序调试方便、可靠，便于实现CPU与I/O设备操作同步。应用场合：在CPU不太忙且传送速度要求不高时，可以采用。一般需要数据端口和状态端口。172）查询I/O方式举例例1：某微机控制系统采用查询方式对1#、2#、3#设备进行管理。读入1#外设状态1#请求服务吗？读入2#外设状态2#请求服务吗？读入3#外设状态3#请求服务吗？继续吗？结束1#外设服务子程序2#外设服务子程序3#外设服务子程序YYYNNNNY初始化18程序如下：读入1#外设状态1#请求服务吗？读入2#外设状态2#请求服务吗？读入3#外设状态3#请求服务吗？继续吗？结束1#外设服务子程序2#外设服务子程序3#外设服务子程序YYYNNNNY初始化MOVFLAG，0；设标志位为0INAL，STATTESTAL，01HJZDVC2CALLCCS1DVC1：INAL，STATTESTAL，01HJZDVC3CALLCCS2DVC2：INAL，STATTESTAL，01HJZDDSCALLCCS3DVC3：CMPFLAG，1JNZDVC1……DDS：；读入外设状态；标志位仍为0，；继续19例2：用查询式管理键盘输入，若程序员在终端按每秒打入10个字符的速度计算，则计算机平均用100ms的时间完成一个字符的输入过程，且实际上真正用来从终端读入一个字符并送出显示等处理的时间只需约50us，如果同时管理30台终端，那么用于测试状态和等待时间为：100ms-50us×30=98.5ms可见，98.5%的时间都在查询等待中浪费了。2）查询I/O方式举例课后第2、3题。202.2.2中断控制方式特点：采用中断方式传送信息时，不需要反复查询外设的状态。应用场合：该方式具有实时性，适用于CPU任务较忙，I/O设备速度不太高的系统中，尤其适用于实时控制和紧急事件的处理。过程：当外设准备好和CPU交换数据时，就通过I/O接口给CPU一个中断请求信号。CPU相应接口的中断请求，停止正在执行的程序（通常成主程序），插入I/O操作程序（称为中断服务子程序），完成数据传输。课后第4、5题。212.2.3直接存储器存取方式—DMA方式特点：中断方式不适用于大批量数据高速传输：①中断方式下，CPU需执行IN、OUT、MOV等指令，实现外设和内存之间的信息传送，指令执行需花费很多时间；②每次中断进入或返回以及现场保护要发费很多时间。DMA方式，使CPU不参加数据I/O，而由DMA控制器DMAC来实现内存与外设之间、外设与外设之间直接快速传送，从而减轻CPU负担。应用场合：DMA方式把I/O操作过程中外设与内存交换信息的控制交给DMAC，实质上是在硬件控制下完成数据传输，大大提高了传输速率，这对大批量数据高速传送特别有用。222.3I/O接口设计2.3.1I/O接口的编址方式2.3.2I/O接口与系统的连接2.3.3I/O接口的扩展2.3.4I/O接口设计的方法、步骤及设计举例232.3.1I/O接口的编址方式I/O接口的编址解决的是I/O接口的寻址问题。 从存储器空间划出一部分地址空间给I/O设备，把I/O接口中的端口当作存储器单元一样进行访问。 （存储器映射方式）1、统一编址24 端口地址独立编址，而不和存储空间合在一起。 （I/O映射方式）2.独立编址252.3.2I/O接口与系统的连接SIO和PIO。I/O接口与I/O通道是CPU与外设连接的桥梁。从外部连接看，接口可分为两类：1.用来和I/O设备相连2.用来和系统总线相连26I/O接口芯片8255A和8251A与CPU和外设的连接关系如图所示。272.3.3I/O接口的扩展一般微机系统已具备相当数量的通用可编程序I/O接口电路，如PIO：8255A，SIO：8251A，CTC：8253，DMAC：8237A和中断控制器8259A等。但在控制生产对象过程中，接口和内存往往还不够用，必须扩展I/O接口及内存容量。包括：地址译码器的扩展和负载能力的扩展。28端口（port）是接口电路中能被CPU直接访问的寄存器或某些特定的器件。I/O端口是CPU与I/O设备直接通信的地址。一个接口可以有几个端口，如：数据口、命令口和状态口。计算机给接口电路中的每个寄存器分配一个端口，访问端口就是访问接口电路中的寄存器。 通常所说的I/O操作是指对I/O端口的操作，而不是对I/O设备的操作。下面就74LS138展开举例。 1.地址译码器的扩展2974LS1383个使能端选择输入端译码输出端3:8译码器常用地址译码器有2：4（四中选一）、3：8（八中选一）和4：16（十六中选一）译码器等。比如74LS138（3：8）译码器和74LS139和74LS155（双2：4）译码器。30使能端的作用译码功能74LS138的功能表74LS13831例一使用74LS138集成译码器译出8个端口地址358—35FH。由于所有A0～A9地址线都参加译码，所以称为全译码，就是每条线对应一个端口地址。=11，0101，1×××1101011×××=3

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8-FA0A1A2A3A4A5A6A7A9A8AEN74LS0074LS1174LS138OROR358H359H35AH35BH35CH35DH35EH35FHA9A8A7A6A5A4A3A2A1A032例二采用8位的Z80CPU微机控制系统，按控制要求扩展一个并行接口芯片PIO、一个计数器/定时器CTC、一个8位的A/D转换器ADC0808和一个8位的D/A转换器DAC0832。指定他们的地址分别是40H~43H、44H~47H、58H和5CH。解答步骤：1.了解用到的芯片引脚分布及其工作原理—Z80CPU、并行接口芯片PIO、计数器/定时器CTC、8位ADC0808、8位DAC0832；2.分析各芯片地址分配情况；3.连线。33例二个芯片主要引脚：34例二地址分配情况：PIO：40~43H CTC：44~47HADC0808：58H DAC0832：5CHY0Y1Y6Y735例二连线图：74LS02—四2输入或非门74LS32—四2输入或门74LS32362.负载能力的扩展①应用总线收发器提高总线驱动能力；典型总线收发器为Intel系列芯片8286。解决方法：②应用接口芯片常用的芯片有：74LS244(单向三态门)、74LS373、74LS273（三态输出锁存器）、74LS245(三态输出八总线收发器)。37微机系统中，通常采用两种不同工艺制造的器件，即TTL器件和MOS器件。它们之间级连使用，逻辑电平一致（“1”电平≥1.8~3.8V，”0”电平≤0.8~0.3V），但功耗和驱动能力有差别。下表列出了TTL和MOS器件的I/O电流。TTL=Transistor-TransistorLogic晶体管-晶体管逻辑(电路)MOS=Metal-Oxide-Semiconductor金属-氧化物半导体CMOS=ComplementaryMetal-Oxide-SemiconductorTransistor互补型金属氧化物半导体注：MOS器件的输入电流小，驱动能力也差。一个MOS器件只能带一个标准74XXX器件（约-1.6mA）或四个74LSXXX器件（-0.4mA），但它可以驱动10个左右的MOS器件。通常，同类器件带8~10个没有问题，若超过了就要加驱动器。382.3.4I/O接口设计的方法、步骤及设计举例首先：了解外设或被控设备与CPU之间信息交换要求；（联络信号、I/O数据格式、I/O线数量、最短响应时间和服务时间估算、I/O控制方式等）其次：考虑软硬件功能分配；（速度、成本、特性、设计难以程度等）再次：进行I/O端口数量统计、数据流向安排和端口地址号分配第四：I/O接口硬件电路的扩展设计； （包括扩展方案选择、地址译码器扩展和负载能力扩展等）第五：I/O接口控制软件设计。最后：软硬件联调。 接口设计的任务包括确定各外围设备的控制方式，接口硬件电路设计和接口控制软件设计。具体设计步骤如下：举例如下:39例三采用8088CPU的某微机系统，要求：1）有8组8位的数字量和开关量由外部输入，2）有8组8位的控制和显示数据输出到外部，3）指定8个输入端口地址号为E8H~EFH，4）指定8个输出端口地址号为F0H~F7H，5）所有I/O信息交换均可采用无条件传送方式。试按此要求为该微机系统设计I/O接口电路。解题思路按照题目要求，总的设计思路可简单列为：因此，只须确定传送方式和缓冲器、锁存器的类型即可，具体步骤如下：401）要求的I/O端口都是固定单方向的，且为无条件传送，无需联络信号，选用普通的缓冲器和译码器；2）8组8位的数字量输入，8组8位的数显示数据输出，对应采用8个74LS244（同相输出双四总线缓冲器）和8个74LS273（8D锁存器）芯片，译码器采用2个74LS138；3）译码器地址线的确定，题目要求：8个输入端口地址号为E8H~EFH，8个输出端口地址为F0H～F7H：A7A6A5A4A3A2A1A011101XXX11110XXXE8H~EFHF0H~F7H4）连线具体解题过程：41接线图808874LS13874LS24474LS1174LS3274LS13874LS32NOT数据输入数据输出74LS273IOWIORNOTA7A6A5A4A3A2A1A011101XXX11110XXXE8H~EFHF0H~F7H42例四在8086最小模式系统中，采用8255A作为连接打印机的接口，若指定分给8255A的A、B、C和控制端口号分别为FFF8H、FFFAH、FFFCH和FFFEH，试设计接口电路和有关的软件。解题步骤：第一步、了解设计中所涉及到的芯片；8086（最小模式）、并行接口芯片8255、打印机端口第二步、仔细分析题意；第三步、连线。43分析题意 CPU与打印机的联络既可以用程序控制方式，也可以用中断方式，这里以程序控制方式来设计。设定8255A的A端口工作于方式0，输出方式，向打印机传送字符数据。B端口不用。C端口用于传送状态和控制信息，也工作于方式0，分配PC2做状态线来接收打印机的忙状态信号。分配PC6作为控制信号，由它产生和输出一个负脉冲作为数据选通信号，将数据线上的数据打入打印机缓冲器。1.8255A与打印机端口的连接442、8086与8255A的连接 8086的MN/MX端接+5V，表示其工作于最小模式。因8255A只用8位数据线，用8086的低8位数据线与之相连即可。选用3片正电平触发的八D触发器74LS373作为地址锁存器，锁存地址信号AD0~AD19信号。其中A2、A1经锁存器后，直接加到8255A的A1、A0端；A3~A15及BHE接到地址译码器74LS138上。45接线图8255A74LS138A0~A19D0~D7A3~A15接译码器A15A6A3A4A5A1A2A074LS133BHEM/IO8086RDWR322974LS373STBD0~D73片462I/O接口技术和I/O通道 2.1 概述 2.2 I/O控制方式 2.3 I/O接口设计 2.4 I/O通道 2.5 D/A转换器 2.6A/D转换器472.4 I/O通道

工业生产过程中，被测参数一般都是连续变化的模拟量，而微型计算机处理的数据只能是数字量，因此数据在进入微型计算机之前，需经A/D转换。由于大多数执行机构只能接收模拟量，为了控制执行机构，经微型计算机处理后的数据需经D/A转换。

I/O通道也称过程通道，是计算机与控制对象之间信息传送和交换的连接通道。它的主要任务就是实现模拟量和数字量的转换。由于微型计算机的速度很快，而模拟量的变化速度一般比较慢，因此往往用一台计算机采样或控制多个参数。这样，参数需被分时的进行采样和控制。本节主要介绍多路开关、采样与量化。482.4 I/O通道2.4.1I/O通道的组成2.4.2模拟量输入通道2.4.3采样与量化492.4.1I/O通道的组成CPUI/O接口电路工业对象A/D转换器放大器采样器D/A转换器输出保持功率放大数字量输入数字量输出传感器执行部件模拟量输出通道模拟量输入通道数字量输出通道数字量输入通道502.4.2模拟量输入通道CPUI/O接口电路工业对象A/D采样保持和放大器采样单元信号处理1信号处理2信号处理n控制电路包括：标度变换器(变送器)、滤波电路、线性化处理及电参量间的转换电路等。又称：多路转换器或多路切换开关。CD4051等。从保证模拟信号采样精确度分析。信号大小匹配511）信号处理装置 标度变换器是把经由各种传感器所得到的不同种类和不同电平的被测模拟信号变换成统一的标准信号：一般为0~10mA或4~20mA的电流信号，或0~±5V的电压信号。标度变换器在生产现场，由于各种干扰源的存在，所采集的模拟信号可能夹杂着干扰信号。通常被测参量的信号频率比较低（1Hz以下），会夹杂许多高于1Hz的干扰信号成分（如50Hz的电源干扰）。滤波电路522）采样单元（多路转换器或多路切换开关） 把已变换成统一电压信号的测量信号按序或随机的接到采样保持器或直接接到数据放大器上。即：在多路模拟量输入的情况下，只用一个A/D转换器。借助采样单元，实现CPU对各路模拟量分时采样的目的。 采样单元由开关矩阵（模拟开关）和逻辑控制电路（保证速度和次序）组成。 模拟量多路开关实际上就是CMOS传输门。产品种类很多，如：CD4051（8选1模拟开关）、CD4052（双2选1模拟开关）、CD4067（16通道模拟开关）。53CD4051CD4051引脚图CD4051真值表CD4051原理图54CD4051应用举例当采样通道多至16路时，可直接选用16路模拟开关的芯片（如CD4067、AD7506、MAX306等），也可以将2个8路4051并联起来，组成1个单端的16路开关。为了提高抗共模干扰能力，可用差动输入方式。

55采样保持当某一通道进行A/D转换时，A/D转换需要一定的时间（孔径时间）。为了保证输入到A/D转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变，但转换之后，又要求A/D转换器的输入信号能够跟随模拟量变化，需用采样-保持器（Sample/Hold，简写为S/H）。3）采样保持和放大器56孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差。t0t1tA/DU0t10位的A/D转换器，如果要求转换精度在0.1%，孔径时间为10us，则允许转换的正弦模拟信号的最大频率为：因此，如被采样模拟信号的变化频率相对于A/D转换器的转换速度来说是较高，为保证转换精度，需在A/D转换器之前加采样保持电路。57 随着大规模集成电路的发展，已生产出各种各样的采样/保持器。如用于一般目的有AD582、AD583、LF198/398等；用于高速的有THS-0025、THS-0060、THC-0030、THC-1500等；用于高分辨率的有SHA1144、ADC1130等。下面是LF198的原理图和典型应用。常用的采样/保持器58 由采样单元或采样保持器输出的被测电压信号通常是0~40mV的弱信号，而A/D转换器要求输入电压一般都是0~+5V、0~+10V、±5V、±10V。因此须经放大器，从而提高输出电平，实现阻抗匹配。数据放大器592.4.3采样与量化采样过程：用采样开关将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程。采样信号f*(t)：是时间上离散，幅值上连续的脉冲信号，其为离散模拟信号。1）采样过程60采样信号f*(t)能完全或近似地反映被采样信号f(t)的所有变化和特征吗？香农(Shannon)定理告诉我们：如果随时间变化的模拟信号的最高频率为fmax，只要按照采样频率fS≥2fmax进行采样，那么取出的样品系列(f1*(t)，f2*(t)，…)就足以代表(或恢复)f(t)。实际使用中，常取fS≥(4～10)fmax，过程惯量越大，倍数可取得越大。612）量化过程量化过程：采样信号不能直接进入数字计算机。采样信号经量化后成为数字信号的过程称为量化过程。数字信号和采样信号的差别：前者的幅值是断续的，后者的幅值是连续的。若原始信号f(t)幅值有微小变化，只要这个变化不超过量化单位，则量化后的数字信号可以不变。所以，量化过程可以视为“数值分层”的过程。数字计算机中的信号是以二进制数的代码来表示的，任何值只能表示成二进制数的整数倍。量化单位q是A/D转换器最低位二进制位（LSB）所代表的物理量。62在量化过程中，采样值和量化值的对应关系如下。632I/O接口技术和I/O通道 2.1 概述 2.2 I/O控制方式 2.3 I/O接口设计 2.4 I/O通道 2.5 D/A转换器 2.6A/D转换器2.5D/A转换器2.5.1并行D/A转换器的工作原理2.5.2D/A转换器的性能指标2.5.38位D/A转换器DAC0832D/A转换器按工作方式分并行和串行两种。并行D/A转换器又可分成电流相加型和电压相加型。本节主要介绍电流相加型并行D/A转换器的基本原理、典型电路及其与CPU的连接。652.5.1并行D/A转换器的工作原理 D/A转换器主要由电阻网络和运算放大器两部分组成（还有位切换开关和基准电压）。电阻网络实现数字量往模拟电流的转换（一般用T型电阻网络）；运算放大器完成模拟电流相加并变为模拟电压输出。

数字量是由一位一位的数位构成的，每个数位都代表一定的权。为了把其转换成模拟量，必须把每一位上的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，再把代表各位的模拟量相加，这样，得到的总的模拟量就是与数字量成正比的模拟量，实现了D/A转换。66由T型电阻网络介绍D/A转换原理当D1=1、D2=…Dn=0时,等效电路如下图a)和b)，此时IL＝I/267当D1=1、D2=…Dn=0时,IL＝I/2；当D2=1、D1=…Dn=0时,等效电路如图c)，此时IL=I/4;……由T型电阻网络介绍D/A转换原理68根据叠加原理，写出流经负载电路的电流IL的表达式：692.5.2D/A转换器的性能指标1）分辨率：是指当输入数字量变化1时，输出模拟量变化的大小。它反映了计算机数字量输出对执行部件控制的灵敏程度。对于一个N位的D/A转换器其分辨率为：2）转换时间：指数字量输入到转换输出稳定为止所需的时间。例如：对于满刻度值5.12V，单极性输出，8位、12位D/A转换器的分辨率分别为70性能指标3）精度：指D/A实际输出与理论值之间的误差，一般采用数字量的最低有效位作为衡量单位。例如：±1/2LSB，若是8位转换，则精度是±（1/2）×（1/256）满度=±1/512满度。

4）线性误差：在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大误差。这个误差用最低有效位LSB的分数来表示。一般为0.01％～0.8％。数字量输入模拟量输出理想特性实际满刻度线性误差712.5.38位D/A转换器DAC0832XFER：数据传送控制信号，控制从输入寄存器到DAC寄存器的内部数据传送；ILE：数据输入锁存允许，高电平有效；72单极性电压输出电路双极性电压输出电路73DAC0832有两个寄存器，即8位输入寄存器和8位DAC寄存器，由于内部带有数据输入寄存器，0832的8位数据线可直接和CPU的数据总线相连。CPU分配给DAC0832两个端口地址：8位输入寄存器328H8位DAC寄存器329H；A0决定哪个寄存器对输入数据进行锁存；数据要通过DAC0832需两次锁存。输出模拟电流信号由运算放大器转换成电压模拟信号，由AOUT得到。DAC0832接口电路举例74利用D/A转换器可以产生各种波形，如方波、三角波、锯齿波等，以及它们组合产生的复合波形和不规则波形。这些复合波形利用标准的测试设备是很难产生的。下面是利用DAC0832在产生锯齿波的程序段：DATA SEGMENT ;定义数据段 CRT DB'DISPLAYATOOTHEDWAVEFORM.',0DH,0AH DB 'PRESSANYKEYRETURNTODOS.',0DH,0AH,'$';屏幕显示提示信息DATA ENDSSTACKSEGMENTSTACK ;定义栈段STADB50DUP(?)TOPEQULENGTHSTASTACKENDSCODESEGMENT ;定义代码段 ASSUMECS:CODE,DS:DATA,SS:STACK,ES:DATA START: MOVAX,DATA ;初始化数据段寄存器 MOVDS,AX MOVAX,STACK ;初始化栈段寄存器 MOVSS,AX MOVAX,TOP MOVSP,AX ;堆栈偏移地址送栈指针寄存器 MOVDX,OFFSETCRT MOVAH,09H INT21H ;显示提示信息 75 LOP1: MOVCX,0FFFH ;循环次数送CX MOVDX,328H ;输入寄存器端口地址328H MOVAL,00H ;初始数据00H LOP2: OUTDX,AL ;数据送入输入寄存器 MOVDX,329H ;寄存器口地址329H OUTDX,AL ;数据送入寄存器端口 DECDX ;恢复输入寄存器端口地址 ADDAL,10H ;修改输出信息 CMPAL,00H ;判断数据是否大于256 JNZLOP2 ;没有超过256，继续循环 LOOPLOP2 ;CX内容不为零，转LOP2 MOVAH,01H INT21H ;接收键入字符 CMP AL,'Q' ;键入字符是“Q”吗？ JNZ LOP1 ;不是，继续产生锯齿波 MOVAX,4C00H INT21H ;返回DOSCODEENDS ENDSTART762I/O接口技术和I/O通道 2.1 概述 2.2 I/O控制方式 2.3 I/O接口设计 2.4 I/O通道 2.5 D/A转换器 2.6A/D转换器2.6A/D转换器2.6.1分类2.6.2主要技术参数2.6.3ADC0809及其接口电路本章小结782.6.1分类

1）逐位逼近式

2）双积分式

3）计数器式1）逐位逼近式80再对下一位D2进行比较，同样先使D2

1，与上一位D3位一起即1100进入D/A转换器，转换为VO

12再进入比较器，与VIN

9比较，因VIN

VO，则使D2

0；当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下，首先使寄存器的最高位D3

1，其余为0，此数字量1000经D/A转换器转换成模拟电压即VO

8，送到比较器输入端与被转换的模拟量VIN=9进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进行判断。当VIN

VO，则保留D3=1；最后一位D0

1-即1001经D/A转换为VO

9，再与VIN

9比较，因VIN

VO，保留D0

1。比较完毕，寄存器中的数字量1001即为模拟量9的转换结果，存在输出锁存器中等待输出。再下一位D1位也是如此，D1

1即1010，经D/A转换为VO=10，再与VIN

9比较，因VIN

VO，则使D1

0；81例：四位A/D转换器，满刻度值为5V，现若输入3.5V模拟电压，试分析其逐次逼近的转换过程。当最高位置1时，对应转换模拟电压值为量化单位课后第11题。822）双积分式83转换原理：在转换开始信号控制下，开关接通模拟输入端，输入的模拟电压VIN在固定时间T内对积分器上的电容C充电（正向积分），时间一到，控制逻辑将开关切换到与VIN极性相反的基准电源上，此时电容C开始放电（反向积分），同时计数器开始计数。当比较器判定电容C放电完毕时就输出信号，由控制逻辑停止计数器的计数，并发出转换结束信号。这时计数器所记的脉冲个数正比于放电时间。放电时间T1或T2又正比于输入电压VIN，即输入电压大，则放电时间长，计数器的计数值越大。因此，计数器计数值的大小反映了输入电压VIN在固定积分时间T内的平均值。此种A/D转换器的常用品种有输出为3位半BCD码（二进制编码的十进制数）的ICL7107、MC14433、输出为4位半BCD码的ICL7135等。应用场合：信号变化缓慢、模拟量输入速率要求较低，转换精度要求较高和现场干扰较严重的情况下。优点：消除干扰和电源噪声能力强，精度高；缺点：转换速度慢。84分辨率是指A/D转换器对微小输入信号变化的敏感程度。分辨率越高，转换时对输入量微小变化的反应越灵敏。通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位等。若分辨率为n，则：1）分辨率分辨率=满量程/2n

2.6.2主要技术参数85相对精度用相对于满量程的百分比来表示。2）转换精度-转换后所得结果相对于实际值的准确度A/D转换器的转换精度可以用绝对精度和相对精度来表示。绝对精度，常用数字量的位数表示，±LSB/2。最低有效值的位数LSB（LeastSignificantBit)来表示，1LSB=VREF/2n。例如，对于一个8位0~5V的A/D转换器，求其分辨率、绝对误差和相对百分误差。分辨率为：绝对误差为：相对误差为：86A/D转换器完成一次转换所需的时间称为转换时间。如逐位逼近式A/D转换器的转换时间为微秒级，双积分式A/D转换器的转换时间为毫秒级。3）转换时间课后第12题。872.6.3ADC0809及其接口电路

1）ADC0809芯片介绍

2）ADC0809应用举例881）ADC0809芯片介绍8位逐次逼近式A/D转换器；分辨率为VFS/28≈VFS0.39%模拟电压转换范围是0-+5V；标准转换时间为100s采用28脚双立直插式封装89IN0～IN7：8路模拟量输入端。允许模拟量分时输入，共用一个A/D转换器。ALE：地址锁存允许信号，输入高电平有效。上升沿时锁存3位通道选择信号。A、B、C：3位地址线即模拟量通道选择线。ALE为高电平时，地址译码。START：启动A/D转换信号，输入，高电平有效。上升沿时将转换器内部清零，下降沿时启动A/D转换。EOC：转换结束信号，输出，高电平有效。OE：输出允许信号，输入，高电平有效。该信号用来打开三态输出缓冲器，将A/D转换得到的8位数字量送到数据总线上。D0～D7：8位数字量输出。D0为最低位，D7为最高位。由于有三态输出锁存，可与主机数据总线直接相连。CLOCK：外部时钟脉冲输入端。当脉冲频率为640kHz时，A/D转换时间为100s。VR+，VR-：基准电压源正、负端。取决于被转换的模拟电压范围，通常VR+=5VDC，VR-=0VDC。Vcc：工作电源，5VDC。GND：电源地。各引脚功能如下：90ADC0809的内部转换时序转换过程如下：首先ALE的上升沿将地址代码锁存、译码后选通模拟开关中的某一路，使该路模拟量进入到A/D转换器中。同时START的上升沿将转换器内部清零，下降沿起动A/D转换，即在时钟的作用下，逐位逼近过程开始，转换结束信号EOC即变为低电平。当转换结束后，EOC恢复高电平，此时，如果对输出允许OE输入一高电平命令，则可读出数据。912）应用举例1指定8路模拟电压输入端口地址为78H~7FH，转换结束信号以中断方式与CPU联络，采用74LS138作输入通道地址译码器，要求画出ADC0809与8086的连接原理电路图。92分析：ADC0809数据输出带三态输出门，故可以直接接到CPU数据总线上；8路模拟电压输入地址为78H~7FH，则低3位地址线A2~A0分别接模／数转换器ADC0809的采样地址输入端C、B、A上，用于选通8路输入通路中的一路；用一条输出指令即可启动某一通路开始转换，即使ADC0809的START和ALE端得到一个启动正脉冲信号；转换结束后，ADC0809从EOC端发出一个正脉冲信号，通过中断程序控制器8259A向CPU发出中断请求，CPU响应中断后，转去执行中断服务程序。指定8路模拟电压输入端口地址为78H~7FH，转换结束信号以中断方式与CPU联络，采用74LS138作输入通道地址译码器，要求画出ADC0809与8086的连接原理电路图。93例2将一个由电位器产生的模拟信号转换成微机所能接受的数字量信号，转换结果送入微机内存中，并显示在屏幕上。采样点取256个。需要转换的模拟量靠电位器旋转得到,模拟量电压范围:0~5V，由IN0口输入；ALE与START相联，以便锁存通道地址同时开始A/D采样转换；ADC0809时钟频率范围为10~1280kHz，用500kHz，由8MHz经74LS393分频得到；ADC0809转换结束信号EOC产生中断请求信号使CPU读入转换后的数据。程序略。94本章小结模拟量输入通道是计算机测控系统、智能测量仪表以及以微处理器为基础组成的各种产品的重要组成部分。本章按照系统内信号的流向，依次介绍模拟量输入通道的各个组成部分－信号调理、多路模拟开关、前置放大器、采样保持器、A/D转换器及其接口电路与A/D转换模板的结构原理与功能作用，其中有些环节可以根据实际需要来选择取舍。比如输入信号已是电压信号且满足A/D转换量程要求，那就不必再用I/V转换和前置放大器；又如输入信号变化缓慢而A/D转换时间足够短，能满足A/D转换精度，也就不必用采样保持器；当可以利用A/D转换器内部的多路模拟开关时，也可不用外部的多路模拟开关。但无论如何，其核心器件－A/D转换器是不能缺少的。952I/O接口技术和I／O通道1、何谓I/O接口？在计算机控制系统中为什么要有I/O接口电路？2、一个微处理机（CPU）采用程序控制查询方式时，管理50个键盘显示终端，要求将各终端打入的任一个字符在显示器上立即显示出来。已知CPU查询每个终端并完成每一字符的接收和处理时间需200us，若程序员以每秒打10个字符的速度同时连续打入字符，问CPU能否按要求，可靠的管理全部50个终端？又问CPU最多能管理多少个这种终端？4、某微机实时控制系统有1#、2#、3#三个外围设备，由一个CPU进行管理，已知个外围设备的最短响应时间和服务时间分别是：C1=5ms、S1=300us,C2=8ms、S2=1.3ms,C3=1ms、S3=400us,问若采用查询方式是否能可靠管理这三个外围设备？为什么？若不行的话，试提出改进方案？966、某8086最大模式系统中，需扩展8255A、8253和DAC0832芯片各一片。采用74LS138作译码器，若已指定分配给各芯片的地址范围是： 8255A：FFE0H、FFE2H、FFE4H、FFE6H 8253：FFE1H、FFE3H、FFE5H、FFE7H DAC0832：FFF0H设计接口扩展的地址译码电路（可根据需要增加必要的的逻辑电路芯片）。9、模拟输入通道中为什么要加采样保持器？采样保持器的组成及要求是什么？12、用ADC0808测量某罐温度，其温度波动范围30～50℃，线性温度变送器输出0～5V，试求测量该温度的分辨率和精度。972、解：CPU查询每个终端并完成每个字符的接收和处理的时间为200us，程序员打印字符的速度为100ms/个，同时管理50个终端，设能同时管理的终端个数为n，则984、解：所以，中断查询式也不能可靠管理这三个外设。建议采用中断嵌套。要求实时控制三个外设，外设最短响应时间和服务时间为：C1=5ms、C2=8ms、C3=1ms,S1=0.3ms,S2=1.3ms、S3=0.4ms查询I/O方式满足实时控制要求的使用条件：“所有外设的服务时间的总和必须小于或等于任意外设的最短响应时间。”中断控制软件查询方式：按照最短响应时间由小到大的顺序排序，判断是否满足下列条件，中断嵌套：进入各外设的中断的服务程序后允许清除中断允许标志IF。99实时的概念所谓“实时”是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内做出反应或进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。实时的概念不能脱离具体过程。如炼钢炉的控制温度，延迟1s，仍然认为是实时的。而一个炮火控制系统，当目标状态量变化时，一般必须在几毫秒或几十毫秒内及时控制，否则就不能击中目标了。实时性的指标，涉及到如下一系列的时间延迟：一次仪表的延迟，过程量输入的延迟，计算和逻辑判断的延迟，控制量输出的延迟，数据传输的延迟等等。一个在线的系统不一定是一个实时系统，但一个实时控制系统必定是在线系统。例如，一个只用于数据采集的微型机系统是在线系统，但它不一定是实时系统，而计算机直接数字控制系统，则必定是一个在线系统。100ADC0808：8位AD转换器温度波动范围30～50℃：在其工作范围内温度变送器输出0～5V12、分析题意：分辨率和精度计算：10174LS1386、地址分配情况：Y0Y1Y410282558253808674LS138DA083274LS2074LS1174LS20A1A2A1A274LS3274LS3229WR28IO32RD28IORWRRWWW1033数字控制器的模拟化设计3.1引言3.2离散化方法3.3PID数字控制算法3.4PID参数调整和设计举例作业本章要求： 了解数字控制器的概念和设计方法，掌握基本的离散化设计方法差分变换法、零阶保持器法和双线性变换法；掌握数字PID算法及其设计方法；了解数字PID控制器的改进算法和它们的程序实现方法。掌握数字PID整定的含义和整定方法，以及各参数对系统的影响。1043.1引言模拟调节器：模拟控制系统中，系统的控制器是连续模拟环节。数字控制器：数字控制系统中，控制器是数字控制器。控制器执行机构被控对象变换发送单元测量元件给定信号被控参数图1-1闭环控制系统框图控制过程：通过模拟量输入通道对控制参数进行采样，并将其转换成数字量，然后计算机按一定控制算法进行运算处理，处理结果由模拟量输出通道输出，并通过执行机构去控制生产过程，以达到期望的结果。105 在微型计算机控制系统中，计算机执行按某种算法编写的程序，实现对被控制对象的控制和调节，被称为数字控制器。图1-3计算机控制系统框图执行机构D/A转换器A/D转换器被控对象被控参数微处理器微型计算机给定信号106 在计算机控制系统中，由被控对象、A/D、微机、D/A构成的组合体的输入和输出都是模拟量，所以该系统可以看成是一个连续变化的模拟系统。可以用拉氏变换来进行分析。Gp(S)C(S)D(S)R(S)＋－图3-1作为连续控制系统的结构图图3-2作为离散控制系统的结构图Gp(S)C(S)D(z)R(S)＋－H(S)G(S) 在计算机控制系统中，由微机、D/A、被控对象、A/D构成的组合体的输入和输出都是数字量，所以该系统具有离散系统的特性，可以用Z变换来进行分析。执行机构D/A转换器A/D转换器被控对象被控参数微处理器微型计算机给定信号107 当系统的采样频率足够高时，采样系统的特性接近于连续变换的模拟系统，可以忽略采样开关和保持器，将整个系统看成是连续变化的模拟系统，从而用s域的方法设计校正装置D(s)，再使用s域到z域的离散化方法求得离散传递函数D(z)。 根据系统已有的连续模型，按连续系统理论设计模拟调节器，然后，按照一定的对应关系将模拟调节器离散化，得到等价的数字控制器，从而确定计算机的控制算法。思路：步骤：图3-1用连续系统的理论来进行动态分析和设计，然后将设计结果变成数字计算机的控制算法的方法，称为模拟化的设计方法。1083.2离散化方法3.2.1差分变换法3.2.2零阶保持器法3.2.3双线性变换法109为了强调序列，而不是作为时间的变量，不再写T，k代表采样序列数。3.2.1差分变换法模拟调节器用微分方程形式表示时，其导数可用差分近似。差分变化法步骤如下： 1）将原始的连续校正装置传递函数D(s)转换成微分方程； 2）用差分方程近似微分方程。（采用后向差分）一阶后向差分法：二阶后向差分法：110例3-1求惯性环节 的差分方程。第一步，先将D(s)化成微分方程解：第二步，采用一阶向后差分法，并以采样周期T离散上述 微分方程，得整理得：111例3-2求环节 的差分方程。（练习）第一步，先将D(s)化成微分方程解：第二步，采用二阶向后差分法，并以采样周期T离散上述 微分方程，得整理得：1123.2.2零阶保持器法零阶保持器法，又称阶跃响应不变法。其基本思想是： 离散近似后的数字控制器的阶跃响应序列，必须与模拟调节器的阶跃响应的采样值相等，即：其中，H(s)也就是为零阶保持器，T为采样周期。113D（S）e（t）u（t）D（S）e（t）u（t）D(z)=Z[H(s)D(s)]E（z）U（z）连续系统带采样和零阶保持等效离散系统为什么？114例3-3用零阶保持器法求惯性环节的差分方程。解：1153.2.3双线性变换法双线性变化法，又称Tustin变换法。它是将s域函数与z域函数进行变换的一种近似方法。由z变换定义结论：如果已知连续传递函数D(s)，则可以计算D(z)。116例3-4已知某连续控制器的传递函数为 用双线性变换法求D(z)，采样周期T=1s。由解：1173数字控制器的模拟化设计3.1

引言3.2离散化方法3.3PID数字控制算法3.4PID参数调整和设计举例作业本章要求： 了解数字控制器的概念和设计方法，掌握基本的离散化设计方法差分变换法、零阶保持器法和双线性变换法；掌握数字PID算法及其设计方法；了解数字PID控制器的改进算法和它们的程序实现方法。掌握数字PID整定的含义和整定方法，以及各参数对系统的影响。1183.3PID数字控制算法3.3.1几个概念3.3.2PID算法及其数字化的实现3.3.3PID算法程序设计1193.3.1几个概念 在连续生产控制过程中，常采用比例（Proportional）、积分（Integral）、微分（Derivative）进行控制的方式。1、PID控制方式：2、PID算法的数字化：其实质就是将连续形式的PID微分方程转换成为离散形式的PID差分方程。120由上式可以看出，调节器的输出与输入偏差成正比。因此，只要偏差出现，就能及时地产生与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点。比例调节器的特性曲线，如图3-2所示。3、比例调节器比例调节器的微分方程为：调节器输出信号调节器比例系数调节器偏差信号（＝给定量与输出量之差）图3-2比例调节器的阶跃响应特性曲线e(t)t1t0u(t)tKPt01214、比例积分（PI）调节器 所谓积分作用是指调节器的输出与输入偏差的积分成比例的作用。积分方程为：调节器积分时间TI是积分时间常数，表示积分速度的大小，TI越大，积分速度越慢，积分作用越弱。积分作用的响应特性曲线，如图3-3所示。图3-3积分作用响应曲线e(t)t1t0u(t)tt0122若将比例和积分两种作用结合起来，就构成PI调节器，调节规律为：输出特性曲线如图3-4所示：图3-4PI调节器的阶跃响应曲线e(t)t1t0u(t)tt0123μ电气式的PI调节器由图得，124近似的电气式的PI调节器1255、比例微分（PD）调节器微分调节器的微分方程为：微分作用响应曲线如图3-5所示。调节器微分时间图3-5微分调节器的阶跃响应曲线PD调节器的阶跃响应曲线如图3-6所示。图3-6PD调节器的阶跃响应曲线e(t)t1t0u(t)tt0∞e(t)1t0u(t)t0∞126μ电气式的PD调节器由图得，127近似的电气式的PD调节器1286、PID调节器——为了进一步改善调节品质，把比例、微分、积分三者结合起来调节器输出信号调节器比例系数调节器偏差信号（＝给定量与输出量之差）调节器积分时间调节器微分时间式（3-1）图3-7PID调节器对阶跃响应曲线129电气式的PID调节器μ近似的电气式的PID调节器1303.3.2PID算法及其数字化的实现2、离散化连续的时间离散化积分用累加求和近似微分用一阶后向差分近似 其中，T为采样周期；e(k)为系统第k次采样时刻的偏差值；k为采样序号，k=0、1、2、…。式（3-4）式（3-3）式（3-2）1、在模拟调节系统中，PID控制算法是以模拟式描述的，式（3-1）1313、将式（3-2）至式（3-4）代入式（3-1）得离散的PID表达式，式（3-5）PID位置式控制算式（微分系数）（积分系数）式（3-6）式（3-7）－PID增量式控制算式式（3-8）1323.3.3PID算法程序设计1、PID位置式控制算法(递推形式)取给定值、反馈值形成偏差取a0、e(k)做乘法取a1、e(k－1)做乘法取a2、e(k－2)做乘法作a2e(k－2)减a1e(k－1)作［a2e(k－2)－a1e(k－1)］＋a0e(k)a0a1a2作｛［a2e(k－2)－a1e(k－1)］＋a0e(k)｝＋u(k-1)输出u(k)数据传送：u(k)→u(k-1)数据传送：e(k-1)→e(k-2)→e(k)→e(k-1)位置式PID控制算法程序框图1332、增量式PID控制算法输入并采样r(k)、c(k)计算偏差e(k)=r(k)-c(k)计算△u(k)=a0e(k)-a1e(k－1)+a2e(k－2)存△u(k)以备输出参数序号e(k-1)→e(k-2)调整e(k)→e(k-1)增量式PID控制算法程序框图a0a1a2入口结束134（1）位置式PID算法每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去误差的累加值，因此，容易产生较大的累积计算误差。而增量式PID只需计算增量，计算误差或精度不足时对控制量的计算影响较小。（2）控制从手动切换到自动时，位置式PID算法必须先将计算机的输出值置为原始阀门开时，才能保证无冲击切换。若采用增量算法，与原始值无关，易于实现手动到自动的无冲击切换。增量式PID算法只需保持当前时刻以前三个时刻的误差即可。它与位置式PID相比，有下列优点：1353数字控制器的模拟化设计3.1

引言3.2离散化方法3.3PID数字控制算法3.4PID参数调整和设计举例作业本章要求： 了解数字控制器的概念和设计方法，掌握基本的离散化设计方法差分变换法、零阶保持器法和双线性变换法；掌握数字PID算法及其设计方法；了解数字PID控制器的改进算法和它们的程序实现方法。掌握数字PID整定的含义和整定方法，以及各参数对系统的影响。1363.4PID参数调整和设计举例

3.4.1PID控制参数对控制性能的影响

3.4.2采样周期的选择原则

3.4.3PID归一参数整定法

3.4.4二阶工程设计法

3.4.5PID数字控制器设计举例本节主要介绍：1373.4.1PID控制参数对控制性能的影响 动态时，若KP太小，系统动作缓慢。增加KP，可提高系统动作的灵敏度，加快调节速度。但是，若取值偏大，容易引起系统振荡，反而使调节时间加长，且当KP太大时，系统将趋于不稳定状态。 稳态时，随着比例控制KP的加大，可以减少稳态误差，但不能消除稳态误差。1、比例系数KPe(t)t1t0u(t)tKPt0138 动态时，积分控制常使系统的稳定性下降。TI值太小，系统不稳定，容易诱发系统振荡；太大，对系统的影响将削弱。 稳态时，积分控制可以消除系统静态误差，提高系统控制精度。但TI值太大时，因积分控制作用的削弱，反而不能减少稳态误差。2、积分时间TIe(t)t1t0u(t)tt0139 微分控制可以改善动态特性，如超调量减少、调节时间缩短、允许加大比例控制，使稳态误差减少，提高控制精度等。 TD值偏大时，超调量较大，调节时间较长； TD值偏小时，超调量也较大，调节时间也较长； 只有TD值合适时，才可以得到比较满意的过渡过程。3、微分时间TDe(t)t1t0u(t)tt0∞140例3-5在单输入输出计算机控制系统中，试分析KP对系统性能的影响及KP的选择方法。系统广义对象的Z传递函数解：数字控制器则141系统在单位阶跃输入时，输出量的稳态值当KP=1时，y(∞)=0.835，稳态误差ess=0.165。当KP=2时，y(∞)=0.901，稳态误差ess=0.09。当KP=5时，y(∞)=0.9621，稳态误差ess=0.038。当KP增大时，系统的稳态误差将减少。一般情况下，比例系数是根据系统的静态速度误差系数KV的要求来确定的。142例3-6在单输入输出计算机控制系统中，试分析积分作用及参数的选择。采用数字PI控制器由例3-5，广义对象的z传递函数为解：为了确定积分系数KI，可以使用积分控制增加的零点抵消极点（z=0.905）系统的开环Z传递函数143假设放大倍数KP已经由静态速度误差系数确定，若选定KP=1，则由上式可得KI≈0.105，数字调节器的z传递函数为系统在单位阶跃输入时，输出量的z变换因此，系统的稳态误差ess=0。由此可见系统加积分校正以后，消除了稳态误差，提高了控制精度。系统采用数字PI控制可以消除稳态误差。但是，由输出响应曲线可以看到，系统的超调量达到45%，而且调节时间很长。为了改善动态性能还必须引入微分校正，即采用数字PID控制。系统在单位阶跃输入时，输出量的稳态值144例3-7在单输入输出计算机控制系统中，试分析微分作用及参数的选择。采用数字PID控制器由例3-5，广义对象的z传递函数为解：假设KP=1，并要求D(z)的两个零点抵消G(z)的两个极点z=0.905和z=0.819，则PID数字控制器的Z传递函数145系统的开环Z传递函数系统的闭环Z传递函数系统在单位阶跃输入时，输出量的z变换146系统在单位阶跃输入时，输出量的稳态值系统的稳态误差ess=0。所以，系统在PID控制时，由于积分的控制作用，对于单位阶跃输入，稳态误差也为零。由于微分控制作用，系统的动态的特性也得到很大改善，调节时间ts缩短，超调量δp减少。1473.4.2采样周期的选择原则1、满足采样定理的要求香农（Shannon）采样定理：采样角频率ωs≥ωmax（ωmax是被采样信号的最高角频率）。采样周期T选择原则如下：（T为采样周期）对随动系统来说，有经验公式：（ωc为开环截止频率）148干扰频率越高，则采样频率最好越高，以便实现快速跟随和快速抑制干扰。2、从系统的随动和抗干扰的性能来看，T小些好。3、根据被控对象特性，快速系统的T应取小；反之，T可取大些。4、根据执行机构的类型，当执行机构的动作惯性大时，T应取大些。否则，执行机构来不及反应控制器输出值的变化。5、从计算机的工作量及每个调节回路的计算成本来看，T应取大些。T大，对每一个控制回路的计算控制工作量相对减小，可以增加控制的回路数。6、从计算机能精确执行控制算式来看，T应取大些。因为计算机字长有限，T过小，偏差值可能很小，甚至为零，调节作用微弱，各微分、积分作用不明显。149常见被测参数的采样周期T的经验选择数据：1503.4.3PID归一参数整定法PID增量算式：a0a1a2z变换:参数整定实际就是确定T、KP、TI和TD。人为假定约束条件。如：（Ts—纯比例控制时的临界振荡周期）1513.4.4二阶工程设计法二阶系统是工业生产过程中最常见的一种系统，实际的许多高阶系统可以化简为二阶系统来进行设计。二阶系统闭环传递函数的一般形式是：设Φ0(s)为系统的开环传递函数1523.4.5举例用模拟调节规律离散化的方法，设计一个轧机位置控制系统的数字控制器。解题步骤：一、建立轧机系统的数学模型给定值A/D转换器数字PIDD/A转换器功率放大器电液伺服阀液压缸A/D转换器电压放大器差动变压器微型计算机153二、画出轧机系统的原理框图154三、计算数字控制器算式不考虑D(s)，考虑影响系统动态特性的主要环节和参数，并简化，得到简化的轧机系统的开环传递函数为μ为放大器增益；RC为电液伺服阀线圈电阻；rP为放大器电阻；ωa为伺服阀线圈衔铁回路的转折频率；KSV为放大系数；Kq为液压缸流量增益；Ah为液压缸柱塞面积；ω2为负载刚度与阻尼系数；ωr为弹簧和负载的串联刚度与阻尼系数之比；Th为差动变压器时间常数。155整个系统的开环传递函数从快速性和稳定性角度看，要实现动态校正，该轧机系统需具有二阶最佳设计的基本形式，形如：156为了使调节器能抵消轧机系统中较大的时间常数Ts1，令τ＝Ts1，则比较式1和式3，得到157采用差分离散法1584、某连续控制系统的校正装置的传递函数为使用一阶差分法和脉冲传递函数发求该装置的递推输出序列（设输入为e(t)，输出为u(t)）。第一步，先将D(s)化成微分方程解：第二步，采用一阶向后差分法，并以采样周期T离散上述微分方程，得整理得：一阶差分法作业159脉冲传递函数法1606、已知被控对象由三个惯性环节组成，其传递函数的形式为使用二阶工程计算法设计数字控制器，并求出PID数字控制器的控制算式（已知）整个系统的开环传递函数Φ0(s)为解：由二阶工程法知二阶品质最佳的开环传递函数为比较上两式，D(s)应为如下形式，即为PID调节器为了使调节器能抵消系统中较大的时间常数Ts1、Ts2，可选择KPTITD1617、已知某连续控制器的传递函数为现用数字PID算法来实现它，试分别写出其相应的位置型和增量型PID算法输出表达式。设采样周期T=1S。第一步，先将D(s)化成微分方程解：第二步，采用一阶向后差分法，并以采样周期T离散上述微分方程，得整理得：1627、已知某连续控制器的传递函数为现用数字PID算法来实现它，试分别写出其相应的位置型和增量型PID算法输出表达式。设采样周期T=1S。第一步，先将D(s)化成微分方程解：第二步，计算位置型PID表达式第三步，计算增量型PID表达式1634

数字控制器的直接设计掌握最少拍无差系统的设计和最少拍无波纹系统的设计方法。掌握数字控制直接设计的概念和步骤；本章要求：4.1概述4.2最少拍无差系统的设计4.3最少拍无波纹系统的设计4.4纯滞后对象的控制算法—大林算法作业

主要内容4.1概述第3章中讨论了数字控制器的模拟化设计方法，它立足于连续系统的设计，并在计算机上采用数字模拟的方法来实现。其优点：将设计者所熟悉的各种连续系统的设计方法和经验移植到数字计算机上实现，达到满意的控制效果。缺点：采样周期T较大、对控制的质量要求较高、用一台计算机实现多回路控制时，很难满足要求。从被控对象的特性出发，直接根据采样系统理论来设计数字控制器。又称为离散设计法。把计算机控制系统经过适当变换