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计算机控制系统第六章

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第六章 Windows操作系统

第六章 Windows操作系统

第六章 Windows操作系统
(3) 右键操作。右键也称菜单键。单击可打开该对象所对应的快捷菜单。 (4) 滚轮。可用于在支持窗口滑块滚动的应用程序中实现滚动查看窗口中内容的功能。滚轮并非鼠标 的标准配置部件。 3．鼠标的设置 根据个人习惯不同，用户可打开“控制面板”→“鼠标”，在“鼠标 属性”对话框中根据需要设置 鼠标。 6.2.3 键盘 键盘是最早使用的输入设备之一，现在也仍然是输入文本和数字的标准输入设备。键盘样式多种多 样，但基本操作键的布局和功能基本相同。 6.2.4 桌面 桌面是系统的屏幕工作区，也是系统与用户交互的平台。桌面一般包括桌面图标、桌面背景、开始 按钮与任务栏。
第六章 Windows操作系统
外存除了硬盘之外，还有软盘、光盘、U盘等，这些连入计算机也有对应的盘符。通常，软盘驱动器 的盘符为A或者B，其它驱动器的盘符紧跟硬盘分区的盘符。
硬盘在出厂时已经进行了低级格式化，即在空白硬盘上划分柱面与磁道，再将磁道划分为若干扇区。 这里所说的硬盘格式化是高级格式化，即清除硬盘数据，初始化分区并创建文件系统。硬盘上不同的分 区相互独立，经过格式化后可以各自支持独立的与其它分区不同的文件系统。
第六章 Windows操作系统
6.2.5 窗口 窗口是Windows最基本的用户界面。通 常，启动一个应用程序就会打开它的窗口， 而关闭应用程序的窗口也就关闭了应用程序。 Windows 7中每个窗口负责显示和处理一类 信息。用户可随意在不同窗口间切换，但只 会有一个当前工作窗口。 1．窗口的基本组成 如图6-3所示，窗口由控制按钮、地址栏、 搜索栏、菜单栏、工具栏、资源管理器、滚 动条、工作区、状态栏、边框等组成。
第六章 Windows操作系统
(1) 控制按钮。窗口左上角的控制按钮可以打开控制菜单，右上角的控制按钮可以最小化、最大化/ 还原和关闭窗口。

计算机控制系统习题参考答案

计算机控制系统习题参考答案

4) 集散控制系统：分散控制，集中操作，分级管理，综合协调，实现高级复杂的控制。 系统成本较高，且各厂商的 DCS 有各自的标准，不能互联。
2
计算机控制系统习题参考答案
5) 现场总线控制系统：分散控制，环境适应性强，维护简易，成本低，可靠性高，并且 在同一国际标准下可实现真正的开放式互联系统结构。
1) 增量型算法无需累加，计算误差或计算精度问题对控制量的计算影响较小；而位置型
算法要用到过去误差的所有累加值，容易产生大的累加误差。
2) 增量型算法得出的是控制量的增量，误动作影响小；而位置型是控制量的全量输出，
误动作影响大。
3) 增量型算法可实现手动到自动的无冲击切换。
4-4 什么叫积分饱和作用？它是怎样引起的，如何消除？ 如果执行机构已到达极限位置，仍不能消除静差时，由于积分作用，尽管 PID 差分 方程式所得的运算结果继续增大或减小，但执行机构已无相应的动作，这就叫积分饱和。 在控制过程的起动、结束、大幅度增减设定值或出现较大扰动时，短时间内系统的 输出会出现很大的偏差，这些偏差经过积分项累加，有可能使控制量超出执行机构的极 限位置，因而不能按照控制量的要求动作，产生饱和效应，使系统输出出现较大的超调 和长时间的波动。 消除方法：可采用积分分离式 PID 控制算法，其基本思想是大偏差时，去掉积分作 用，以免积分作用使系统稳定性变差；小偏差时，投入积分作用，以便消除静差，提高 控制精度。亦可采用变速积分 PID 控制算法，其基本思想是设法改变积分项的累加速度，
1)
f(t)=a mt
* -k mT -1 2mT -2 Z [ f(t) ] =Z f (t) = ∑ f(kT)z =1+a z +a z +... k=0 ∞

计算机控制系统复习资料(精简版 列出重点知识点)

计算机控制系统复习资料(精简版 列出重点知识点)

第一章概论，讲述计算机控制系统的发展过程；计算机控制系统在日常生活和科学研究中的意义；计算机控制系统的组成及工作原理；计算机控制的特点、优点和问题；与模拟控制系统的不同之处；计算机控制系统的设计与实现问题以及计算机控制系统的性能指标。

1.计算机控制系统与连续模拟系统类似，主要的差别是用计算机系统取代了模拟控制器。

2.计算机系统主要包括：．A／D转换器，将连续模拟信号转换为断续的数字二进制信号，送入计算机；．D／A转换器，将计算机产生的数字指令信号转换为连续模拟信号(直流电压)并送给直流电机的放大部件；．数字计算机(包括硬件及相应软件)，实现信号的转换处理以及工作状态的逻辑管理，按给定的算法程序产生相应的控制指令。

3.计算机控制系统的控制过程可以归结为：．实时数据采集，即A/D变换器对反馈信号及指令信号的瞬时值进行检测和输入；．实时决策，即计算机按给定算法，依采集的信息进行控制行为的决策，生成控制指令；．实时控制，即D/A变换器根据决策结果，适时地向被控对象输出控制信号。

4.计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程自动控制的系统。

5.自动控制，是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。

6.计算机控制系统的特性系统规模有大有小系统类型多种多样系统造价有高有低计算机控制系统不断推陈出新7.按功能分类1)数据处理系统2)直接数字控制（DDC）3)监督控制（SCC）4)分散型控制5)现场总线控制系统按控制规律分类1)程序和顺序控制2)比例积分微分控制（PID）3)有限拍控制4)复杂控制5)智能控制按控制方式分类1)开环控制2)闭环控制9.计算机控制系统的结构和组成控制算法软件网络硬件11.硬件平台运算处理与存储部分：CPU，存储器（RAM，ROM，EPROM，FLASH-ROM，EEPROM以及磁盘等），时钟，中断，译码，总线驱动等。

输入输出接口部分：各种信号（模拟量，开关量，脉冲量等）的锁存、转换、滤波，调理和接线，以及串行通讯等。

计控第6章计算机控制系统的控制规律(1)

计控第6章计算机控制系统的控制规律(1)

稳态能的影响
被控对象用传递函数来表征时，其特性可以用放大系数K、 时间常数T和纯滞后时间τ来描述。针对控制通道的被控对象特
性对控制系统性能的影响进行描述：
1. 放大系数K对控制性能的影响 控制通道的放大系数K越大， 系统调节时间越短， 稳态误 差eSS越小， 但K偏小时对系统的性能没有影响， 因为K完全可
以由调节器D(s)的比例系数KP来补偿。
2. 惯性时间常数T对控制性能的影响 控制通道惯性时间常数T越小，系统反应越灵敏，控制越及
时，控制性能越好，但T过小会导致系统的稳定性下降。
3. 对象纯滞后时间对控制性能的影响 控制通道纯滞后时间τ的存在，使被控量不能及时反映系统所 承受的扰动。因此这样的系统必然会产生较明显的超调量σ， 使超
积分项改进 1. 抑制积分饱和的PID算法 （1）积分饱和的原因及影响 在一个实际的控制系统中，因受电路或执行元件 的物理和机械性能的约束(如放大器的饱和、电机的最 大转速、阀门的最大开度等)，控制量及其变化率往往
被限制在一个有限的范围内。当计算机输出的控制量 或其变化率在这个范围内时，控制则可按预期的结果 进行，一旦超出限制范围，则实际执行的控制量就不 再是计算值，而是系统执行机构的饱和临界值，从而 引起不希望的效应。
式（6-4）不仅计算繁琐，而且为保存E(j)要占用很多内存。因此， 用该式直接进行控制很不方便。做如下改动，根据递推原理，可写出(k-1) 次的PID输出表达式：
T U (k 1) K P {E (k 1) TI
TD E ( j ) [ E (k 1) E (k 2)]} T j 0
6.3.1 PID控制器的数字化实现
1、模拟PID算法表达式 在模拟控制系统中， PID 控制算法的模拟表达式为：

控制系统计算机仿真(内蒙古工业大学)MATLAB基础第6章 SIMULINK仿真基础

控制系统计算机仿真(内蒙古工业大学)MATLAB基础第6章 SIMULINK仿真基础

Transfer-Fcn：线性传递函数模型
Transport Delay：输入信号延时一个固定时间再输出 Variable Transport Delay：输入信号延时一个可变时间再输出 Zero-Pole：以零极点表示的传递函数模型
2、Discontinuities （非线性模块） Backlash：死区间隙 Coulomb &Viscous Friction：库仑粘滞摩擦信号 Dead Zone：死区信号 Hit Crossing：将信号与特定的偏移值比较 Quantizer；量化器 Rate Limiter；信号上升、下降速率控制器 Relay：滞环比较器，限制输出值在某一范围内变化。 Saturation：饱和信号，让输出超过某一值时能够饱和。
第一节 SIMULINK简介 一、什么是SIMULINK
SIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系 统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要 区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化 图形输入。
所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功 能分类的基本的系统模块，用户只需知道这些模块的输 入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现 的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就 可以构成所需要的系统模型（以.mdl文件进行存取）， 进而进行仿真与分析。
三、SIMULINK的公共模块库
SIMILINK模块库按功能进行分类，包括以下子库： Continuous（连续模块） disontinuous （非线性模块） Discrete（离散模块） look up tables(查询表模块)
Math operations（数学模块）Model verification(模型检测) Model-wide Utilities（模型扩展功能模块） Ports&Systems（端口和子系统模块） Signal attributes(信号描述模块)

天津大学计算机控制系统——第6.1课 (理解)计算机控制系统理论基础—采样与保持

天津大学计算机控制系统——第6.1课 (理解)计算机控制系统理论基础—采样与保持

1 e −Ts 1 − e −Ts = Gh 0( s ) = L [ g (t ) ] =− s s s
再令s=jw，得零阶保 1 − cos (ωT ) + j sin (ωT ) 1 − e − jωT − j = = h 0 ( jω ) 持器的频率特性为： G jω ω
sin (ωT ) − j 1 − cos (ωT ) =
本章要点总结
总结
1. 2. 3. 4. 1. 2. 3. 4. 计算机控制系统的信号流程 采样定理 采样周期的选择 信号的恢复与保持 画出计算机控制系统信号流程，并说明。 采样周期的经验选择方法。 如何理解信号的恢复过程？ 零阶保持器存在哪些局限性？
作业
第六章 计算机控制系统理论基础
课程安排
• 与计算机控制系统相关的接口技术 • 计算机控制系统的输入输出通道 • 计算机控制数据预处理 • 计算机控制系统理论基础
讲课16学时
• 计算机控制系统分析 • 计算机控制系统设计（经典和现代）
计算机控制系统理论基础
本章结构 • 6.1 概述 • 6.2 采样与采样定理 • 6.3 信号的恢复与保持 • 6.4 Z变换和Z反变换 • 6.5 脉冲传递函数
模拟信号：定义在连续时间上的信号，且其幅值也是连续变
化的。
数字信号
计算机控制系统理论基础
本章结构 • 6.1 概述 • 6.2 采样与采样定理 • 6.3 信号的恢复与保持 • 6.4 Z变换和Z反变换 • 6.5 脉冲传递函数
6.2 采样与采样定理
1 什么是信号采样 把一个连续信号变为离散信号的过程成为采样
6.3 信号的恢复与保持
3 零阶保持器-幅相特性 其幅频特性和相频特性如图所示

第6章 中断系统

第6章 中断系统

中断系统的功能
CPU响应中断时，会停止当前执行程序，转去执行中断处 理程序，原程序被打断的地方称为“断点”。
断点地址是指中断处理程序结束后，返回原程序恢复执 行的第一条指令的地址，又称“返回地址”。
现场是指进入中断服务程序之前CPU各个寄存器的状态。
正常程序 CS : IP 断点 CS : IP+1 继续执行 中断服务程序
中断系统的功能
2. 链式优先权排队电路（应答方式）
外设1
+5V D7 ～ D0 INTA INTR IOR IOW
外设2
IEI 接口2 IEO
SEL1 SEL2
外设3
IEI 接口3 IEO
SEL3
IEI 接口1 IEO
※ 电路说明
① 每个接口有一个中断允许输入IEI和中断允许输出IEO, 只有IEI为高电平时才允许该接口芯片发中断请求； ② IEO=IEI•INT INT表示该设备有中断请求； ③ 每个接口芯片的中断请求输出为OC门，具有负逻辑的 “线或”关系； ④ 响应中断时由INTA从接口读取中断矢量。 计算机原理讲义
中断 处理
返回断点
3. 中断服务完成时将中断申请信号撤销 4. 中断服务完成后恢复现场和断点，返回原程序 计算机原理讲义
中断系统的功能
（二）对中断进行控制
1. 对中断申请进行控制 例1 一个输入设备的中断接口电路
三 态 缓冲器 D7～D0 INTR IOW A15 ～ A0 IOR INTA 地址 译码 器 三 态 缓冲器 B Q R C D 中断类型 码(0FH) D7～D0
中断系统
第六章 中断系统
计算机原理讲义
中断的作用
第6.1节 计算机中断系统

工控组态软件

工控组态软件

组态软件的功能主要包括： ① 控制组态 ② 图形组态 ③ 显示组态 ④ I/O通道登记 ⑤ 单位通道登记 ⑥ 趋势曲线登记 ⑦ 报警系统登记 ⑧ 报表生成系统
8.2.1 组态软件的特点
1. 延续性和可扩展性 2. 封装性（易学易用） 3. 通用性（不受行业限制） 4. 实时多任务
8.2.2 组态软件的设计思想
高度 宽度 取向
这些属性可以是静态的，也可以是动态的。
静态属性在系统投入运行后保持不变，与原来 组态时一致。
动态属性则与表达式的值有关，表达式可以是 来自I/O设备的变量，也可以是由变量和运算 符组成的数学表达式。 这种对象的动态属性 随表达式值的变化而实时改变。
在图形界面上具备下列功能： 报警通知及确认 报表组态及打印 历史数据查询与显示等功能
➢系统的可扩展性能如何
8.1 程序设计技术
在进行计算机控制系统设计时， 大量的工作就是如何根据各个 生产过程的实际需要设计应用 程序。 程序设计过程见右图： 分析用户需求10％ 编写程序说明10％ 设计编写程序代码30％ 测试调试 >40％
8.1.1 模块化与结构化程序设计
1.模块化程序设计 把一个复杂的大系统分解为若干个功能子模块， 简化了设计但会造成大量过程间的连接困难
1. 开放性 2. 实时性 3. 网络集成化 4. 智能化 5. 人机界面友好 6. 多任务多线程性
衡量应用软件性能优劣的主要指标是：
➢系统功能是否完善：能否完成各种需要的应 用功能
➢各种功能能否良好地协调运行：如进行实时 采样和控制输出的同时可以显示实时画面、打 印报表和进行数据通信等操作
➢人机接口是否友好：要有丰富的画面和报表 显示，操作方便灵活
自底向上模块化设计 自顶向下模块化设计 2. 结构化程序设计 从整个程序的层次结构出发，突出程序模块之间 的关系，用结构图表达 自顶向下逐步求精，单入口单出口 三种基本控制结构：顺序、选择、循环

【第二版】计算机控制系统(康波 李云霞)第6章

【第二版】计算机控制系统(康波 李云霞)第6章

( z ) G ( z )的分母 ( z )的分子 D( z ) G ( z )(1 ( z )) G ( z )的分子 (1 ( z ))的分子
D(z)有不稳定极点的两种可能：1）G(z)有不稳定零点 1- z 的分子有不稳定的根 2） 消除措施1 消除措施2 多于 少于 D(z)含有不稳定极点 1- z 的不稳定 z 的不稳定零 零点应与G(z)的 点应与G z 的不 少于 不稳定极点一致 稳定零点一致 多于 D(z)含有不稳定零点
R(s)+
E(z) D(z) T -
T
Gh(s)
G0(s)
Y(z) Y(s)
系统的闭环脉冲传递函数为 数字控制器的脉冲传递函数 ( z ) 为： ： D( z )Gh G0 ( z ) D( z ) ( z ) G ( z )(1 ( z )) 1 D( z )G ( z ) 上式表明，一旦对象确定之后，包括零阶保持器在内 的广义对象的脉冲传递函数GhG0 ( z ) 是不可改变的。只 要根据系统的性能要求确定 ( z ) ，便可设计出相应的 数字控制器D ( z ) 。
系统的输出：
Tz 1 (2 z 1 z 2 ) 2 3 Y ( z ) R ( z ) ( z ) 2 Tz 3 Tz ...... 1 2 (1 z ) y ( kT ) kT (t kT )
k 2
系统的误差： E ( z ) R ( z ) e ( z ) Tz 1
第六章 计算机控制系统的 数字化设计
内容提要
6.1 概述
6.2 最少拍数字控制器设计
6.3 扰动系统的最少拍设计
6.4 达林算法
6.5 数字控制器的程序实现

计算机控制原理第6章2

计算机控制原理第6章2

7
数字PID 数字PID 控制器的另一个参数对系统 性能的影响
(4) 采样周期T的选择原则 采样周期T
从信号不失真要求上，必须满足采样定理的要求。 从控制系统的随动和抗干扰的性能来看，则T小些好。 根据执行机构的类型，当执行机构动作惯性大时，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。 从计算机的工作量及每个调节回路的计算成本来看，T应选大些。T大对 每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。 从计算机能精确执行控制算式来看，T应选大些。因为计算机字长有限， T过小，偏差值e(k)可能很小，甚至为0，调节作用减弱,各微分、积分作用 不明显。
• 将连续系统的时间离散化：
t = KT ,
• 积分用累加求和近似：
t K
( K = 0, 1, L , n)
K
∫ e(t )dt = ∑ e( j )T = T ∑
0 j =0 j =0
e( j )
• 微分用一阶后向差分近似：
de(t ) e(k ) − e(k − 1) ≈ dt T
12
TD u (k ) = K p {e(k ) + ∑ e( j ) + [e(k ) − e(k − 1)]} TI j =0 T
TD u (k − 1) = K p {e(k − 1) + ∑ e( j ) + [e(k − 1) − e(k − 2)] TI j =0 T T
6
PID 控制器参数对系统性能的影响
(3) 微分时间常数TD对系统性能的影响 微分时间常数T 微分控制可以改善动态特性，如超调量减小，调节时间缩短 ，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。 当TD偏大时，超调量较大，调节时间较长; 当TD偏小时，超调量也较大，调节时间也较长; 只有TD合适时，可以得到比较满意的过渡过程。

《计算机系统结构》第六章IO系统

《计算机系统结构》第六章IO系统

Left Symmetric Distribution
• Parity disk = (block number/4) mod 5 • Eliminate the parity disk bottleneck of RAID 4 • Best of large read and large write performance • Can correct any single self-identifying failure • Small logical writes take two physical reads and two physical writes. • Recovering needs reading all nonfailed disks
1. RAID0
– 数据分块，即把数据分布在多个盘上。 – 非冗余阵列、无冗余信息。 – 严格地说，它不属于RAID系列。
A
B
C
D
E
I
F
J
G
K
H
L
M
N
O
etc...
RAID0中的数据映射
逻辑盘 物理盘 0 物理盘 1 物理盘 2 物理盘 3
条带0
条带 1 条带 2 条带 3 条带 4 条带 5 条带 6 条带 7 阵列管理
实时性：在I/O设备提出中断、DMA等请求时，CPU 要及时响应，完成必要的I/O操作或控制。例如： Keyboard、Printer、COM、Mouse、定时器等。 与设备无关性：通过制定统一的接口标准(物理接口、 软件接口)，使得应用程序依据这一接口可以访问或 支持各种I/O设备。
I/O系统的层次结构
独立的地址和 1. 总线的设计 数据总线
数据总线 宽度

第6.2课 (理解)计算机控制系统理论基础—脉冲传递函数

第6.2课 (理解)计算机控制系统理论基础—脉冲传递函数

6.4 Z变换和Z反变换
7 Z反变换的求解方法 幂级数展开法 部分分式法 反演积分法（留数法）
计算机控制系统理论基础
本章结构 • 6.1 概述 • 6.2 采样与采样定理 • 6.3 信号的恢复与保持 • 6.4 Z变换和Z反变换 • 6.5 脉冲传递函数
6.5 脉冲传递函数
1 定义 传递函数:在线性连续系统中，当初始值为零时，系统 输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比。 脉冲传递函数:在线性离散系统中，当初始值为零时，系 统离散输出信号的Z变换与离散输入信号的Z变换之比。 线性连续系统： R(s) Y(s)
s= p
i
例6-3 求解
解： L [sin = ωt ] 因为 L
−1
f (t ) = sin ωt
= s2 + ω 2
的Z变换
s ω ω s 1 1 + + + − 2j 2 2 2j 2j 2j = + s2 + ω 2 s + jω s − jω
ω
−
1 − j ( ± ωt ) s ± jω = e 1 1 1 ω 1 所以 = + F ( z ) z= − jωT −1 2 2 z 2 j 1 − e jωT z −1 s +ω 2 j 1− e z −1 sin ωT z −1 sin ωT = = 1 − e − jωT z −1 − e − jωT z −1 + z −2 1 − 2 z −1 cos ωT + z −2
x(t )
采样
x∗ (t )
由于只考虑连续时间函数在采样时刻时的采样值，因此，连续 时间函数 x(t )与离散时间函数 x∗ (t )具有相同的Z变换。即

第六章计算机控制系统

第六章计算机控制系统

⊥ a2
an ⊥
Uo
+
倒R-2R型
早期的D/A集成芯片
只具有从数字量 到模拟电流输出量转 换的功能。
使用时必须在外 电路中加数字输入锁 存器（I/O或扩展I/O 口、参考电压源以及 输出电压转换电路
中期的D/A集成芯片 近期的D/A集成芯片
增加了一些与 计算机接口相关的 电路及引脚，具有 数字输入所存功能 电路，能和CPU数 据总线直接相连。
脉冲个数的检测 脉冲频率与周期的检测 脉冲宽度的检测
测频法原理
(a)
(b)
(c)
被测信号fx
脉冲形 成电路
脉冲信号
闸门
(e)
T
fx
N T
门控 电路
(d)
时基信号 发生器
测周法原理
计数器 振荡器
脉冲 形成电路
闸门
被测信号fx
脉冲
形成电路
门控 电路
计数器
6.4.4 计算机测试系统的设计
主机选型
设计任务 输入通道结构
多
电信号经过处理并转换成计算机能
工 业
。 。
道 开 关
识别的数字量，输入计算机中。
对 象
计算机将采集来的数字量根据
需要进行不同的判识、预算，得出
所需要的结果。
A/D
显示
计
算
打印
机
采
样
报警
控
制
直接数字控制系统
分时地对被控对象的状态参数进行测试，根据测试的结果与给定值
的差值，按照预先制定的控制算法进行数学分析、运算后，控制量输出
企业级经营管理计算机
到其他工厂的生 产数据运输指令
工业级集中监督计算机

第6章 离散系统

第6章 离散系统

采样周期T 对采样信号 的影响：
0
t (a)
0 T1
t
f(t)
T
f * (t )
0
t (b)
0 T2
t
采样定理也称shannon(香农)定理,叙述如下：
若对于一个具有有限频谱( w wmax)的连续信 号f(t)进行采样，当采样角频率满足 ws 2wmax
时，则采样函数f*(t)能无失真地恢复原来的连 续信号f(t)。wmax为信号有效频谱的最高角频 率， ws 为采样角频率。 当采样角频率 ws 2wmax 时，从采样信号中不 能完全的恢复出原连续信号。
* n 0

2. 采样定理
从理论上讲，离散系统的采样周期T越小， 离散系统越接近连续系统。因为采样周期T太 长，采样点很少时，在两个采样点之间可能丢 失信号中的重要信息。因此，采样周期T不能 太大。只有当把采样周期T缩短以后，得到的 采样值才保留了原信号的主要特征。
f(t)
T
f * (t )
F ( z) e
n 0

anT
z
n
1 e
aT
z e
1
2 aT
z
2
aT 1 e z 1 时，上式的无穷级数也是收敛 当 的。于是求得e-at的Z变换为：
Z [e ] F ( z )
at
1 1 e
aT
z
1
z aT z e
D/A转换器：把离散的数字信号转换成连续的 模拟信号。
f (t )

f (t)
解码
f h(t)
信号复现
0111 1000 0010 0100 1001 0011 0 T 2T 3T 4T 5T (a) t 0 T 2T 3T 4T 5T (b) t 0 T 2T 3T 4T 5T (c) t

第六章 数字控制器的模拟设计法

第六章 数字控制器的模拟设计法

控制系统的主要设计任务之一。
间接设计法—模拟化设计法 经典法 数字控制器 的设计方法 直接设计法—数字化设计法 状态空间设计法
中南大学机电工程学院
计算机控制系统
●
第六章 计算机控制系统的模拟化设计
模拟化设计法 数字控制器的模拟化设计法就是先将计算机控制
系统看作模拟系统（如图6.1-2所示），针对该模拟
计算机控制系统 分析与设计
控制原理
中 南 大 学 机 电 工 程 学 院
2011年10月
计算机控制系统
第六章 计算机控制系统的模拟化设计
第6章 计算机控制系统的 模拟化设计
本章主要教学内容 1. 设计方法概述
2. 传递函数与Z传递函数的相互转换
3. 数字PID调节器的设计
中南大学机电工程学院
计算机控制系统
化方法将其离散为数字控制器，即转换成图6.1-3
所示的计算机控制系统。
HG(z)
R (s ) r (t )

T
D(z )
T
H 0 ( s)
G (s )
Y (z ) Y (s )
图6.1-3 离散闭环控制系统
由于人们对于连续控制系统的设计方法（如频率法、
根轨迹法等）比较熟悉，从而应用模拟方法设计数字 控制器比较易于接受和掌握。但是这种方法并不是按
第六章 计算机控制系统的模拟化设计
控制算法：
u (kT) e aT u (kT T ) (1 e aT )e(kT T )
零阶保持器法的特点： （1）若D(s)稳定，则D(z)也稳定； （2）D(z)不能保持D(s)的脉冲响应和频率响应。
6.2.4 零极点匹配法
基本思想：S域中零极点的分布直接决定了系统的

计算机组成原理-第6章 中央处理器

计算机组成原理-第6章 中央处理器

9、制造工艺 线宽是指芯片内电路与电路之间的距离，可 以用线宽来描述制造工艺。线宽越小，意味着芯 片上包括的晶体管数目越多。Pentium Ⅱ的线宽 是0.35μm，晶体管数达到7.5M个；Pentium Ⅲ的 线宽是0.25μm，晶体管数达到9.5M个；Pentium 4的线宽是0.18μm，晶体管数达到42M个。近年 来线宽已由0.15μm、0.13μm、90nm一直发展到 目前最新的65nm，而45nm和32nm的制造工艺 将是下一代CPU的发展目标。
4、前端总线频率 前端总线（Front Side Bus），通常用FSB表 示，它是CPU和外界交换数据的最主要通道，主 要指连接CPU和北桥芯片，因此前端总线的数据 传输能力对计算机整体性能作用很大。 在Pentium 4出现之前，前端总线频率与外 频是相同的，因此往往直接称前端总线频率为外 频。随着计算机技术的发展，需要前端总线频率 高于外频，因此采用了QDR（Quad Date Rate） 技术或者其他类似的技术，使得前端总线频率成 为外频的2倍、4倍甚至更高。
从程序运行的角度来看，控制器的基本功能 是对指令流和数据流在时间与空间上实施正确的 控制。
对指令流的控制： 指令流出的控制 指令分析与执行的控制 指令流向的控制
对数据流的控制主要应包括对数据的流入 与流出的控制；对数据变换、加工等操作的控 制。
对于冯·诺依曼结构的计算机而言，数据流 是根据指令流的操作而形成的，也就是说数据 流是由指令流来驱动的。
… 状态寄存器 节拍发生器 译码器 地址形成中断控制逻辑
指令结束 中断请求
时钟
操作码
地址码
1、指令部件 指令部件的主要任务是完成取指令并分析指 令。指令部件包括： ⑴ 程序计数器（PC） ⑵ 指令寄存器（IR） ⑶ 指令译码器（ID）：指令译码器又称操作码译 码器或指令功能分析解释器。暂存在指令寄存器 中的指令只有在其操作码部分经过译码之后才能 识别出这是一条什么样的指令，并产生相应的控 制信号提供给微操作信号发生器。

计算机组成原理(第六章)

计算机组成原理(第六章)
第六章 中央处理器 (1)
• • • • 中央处理器（CPU）由运算器和控制器组成。 运算器主要用来完成各种算术和逻辑运算功能； 寄存器：用来存放中间结果、缓冲作用 控制器是全机的指挥中心，在在它的控制下，计算机总是遵循“取指令， 执行指令，取下条指令，执行下条指令…”这样周而复始地工作直到停机 为止。 控制器对指令的执行过程的控制有三种方式： – 同步控制方式
• 现代计算机系统广泛采用的方式 • 基本思想：将每个指令周期分成多个机器周期，每个机器周期中再分成 多个节拍，于是各条指令可取不同的机器周期数作为各自的指令周期。 如简单指令包含一个机器周期，复杂指令可包含多个机器周期。 • 这种方式不浪费很多时间，控制上又不十分复杂。
二、控制器的功能与组成 1、控制器的功能
WE M
RD M
RD M
ZF＝1？
IR(ADR)→PC
写入操作
读出操作
AC+MDR→AC
读出操作
AC∩MDR→AC
0→启停逻辑
第六章 中央处理器 (10)
四、时序部件
– 指令的执行过程严格按照指令操作流程图所规定的时序定时； – 时序部件用来产生必要的时序信号为机器周期和节拍信号定时； – 根据组成计算机各部件的器件特性，时序信号通常采用“电位－脉 冲”制。 – 时序部件的构成
C0～C31
译码器
Hale Waihona Puke XXXXX 控制字段源部件地址
目标部件地址
地址字段
第六章 中央处理器 (19)
(2)、微指令的地址字段 – 微程序有两种不同的顺序控制方式：断定方式和增量方式。两种方 式下地址字段的设置不同。 – 断定方式
• 微指令在CM可不顺序存放 • 外部测试条件的考虑

[工学]计算机控制技术

[工学]计算机控制技术

常用的冗余系统按结构可分为：
并联系统
备用系统
表决系统
S1
S1 S1
S1
S2
S2 S2
K
S2
M
Sｎ
Sｎ Sｎ
Sｎ
§6.2 硬件系统的可靠性技术
三、抗干扰技术 1.CPU抗干扰技术
(1).自动复位 常采用Watchdog(看门狗)来实现发生故
障时自动复位的功能。 (2).掉电保护
当电源电压下降到一定值时，掉电保护 电路向CPU申请中断。
(3).睡眠抗干扰 通过执行睡眠指令让CPU进入睡眠状态。
(4).软件陷阱 通过执行睡眠指令让CPU进入睡眠状态。
§6.2 硬件系统的可靠性技术
三、抗干扰技术
1.CPU抗干扰技术
常采用Watchdog(看门狗)来实现发生故障时自 动复位的功能。
MAX1232微处理器监控电路给微处理器提供辅助 功能以及电源供电监控功能。MAX1232通过监控 微 处理器系统电源供电及监控软件的执行，来增强电 路的可靠性，它提供一个反弹的(无锁的)手动复位 输入。
AD620（低功耗，低成本，集成仪表放大器）， 还有AD623等等.
三、抗干扰技术 ３.电源抗干扰技术
计算机控制系统中有70％以上的干扰是通过电源 耦合进来的。采用的抗干扰技术措施有： (1)用压敏电阻吸收电网过电压
整
流
压敏电阻具有稳压管的特性，没过压时只有微 安级漏电流，过电压时以急剧增长的放电流形式吸 收过电压。
⑨ 电源干扰(传输)
10 强电器引入的接触电弧和反电动势干扰(辐射、传输、感应)
11 内部接地不妥引入的干扰(传输)
12 漏磁感应(感应)
13 传输线反射干扰(传输)
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平均值。 （2）LQ系统考虑的是确定性系统，Jd 和 Jc 表达式中的各量均为确定量；
LQG系统考虑的是随机系统，系统中各量均为随机量，因此在性能
指标 J d 和 J c 均取数学期望。
6
LQG 系统闭环极点的分布情况： 结合（5）（6）式并整理，得到整个系统的状态方程为：
x (k )F GL x (k 1 )
（21）
令
y(k) z(k) x(k)
，结合式（19）（21），得到关于z(k)的状态方程：
z(k 1 )F z(k)G u(k)
（22）
其中：
F 0I
CF F
GC GG
（23）
12
设取二次型性能指标为：
J [zT(k)Q 1z(k) uT(k)Q 2 u(k)] k 1
10
设控制对象的离散状态方程为：
x(k1)F(x k)G(ku)(k)
y(k)C(kx)
其中 (k ) 为阶跃型干扰，即
(k)常 0 数
k 0 k 0
定义各量的差分为：
x(k ) x(k ) x(k 1) u(k ) u(k ) u(k 1) y(k ) y(k ) y(k 1)
(k ) (k ) (k 1)
x ˆ(k ) KC F G F K L C x ˆ(k 1 F ) s(k 1 )（12）
其中
s(k1)KC(k(k1) 1)Kw(k)
（13）
7
从而得到闭环系统的特征方程为：
(z)
zI
F
KCF
GL
F
GL
KCF
zI F
GL
KCF zI F GL KCF
第6章 基于状态空间模型的最优设计方法
1、最优控制规律的设计问题 （1）离散二次型函数的最优调节器设计 （2）连续二次型函数的最优调节器设计
2、Riccati 方程的求解及加权阵的选择 3、状态最优估计器的设计（Kalman 滤波器）
（1）Kalman 滤波方程 （2）推广 Kalman 滤波问题 （3）预报 Kalman 滤波问题
使如下的连续性能指标达到最优
Jcm k T 1 iE nk (k T 1 )T(xTQ 1xuTQ 2u)dt
（9）
其最小值为： J c m itn [ V r L S T ( G T S G Q 2 )L ] P J （10）
其中
JT 1tQ r10 T(Tt)eAV tceATtdt
上述便是著名的分离性原理。
（11）
4
分离性原理的使用： 由分离性原理，LQG控制器的设计可以分为两个独立的部分： （1）最优控制规律的设计。在设计最优控制规律时，可以将系统看作
确定性系统而不考虑随机的过程干扰何测量噪声，同时认为全部 状态可用于反馈。 （2）状态最优估计的计算。考虑随机的过程干扰和测量噪声，状态 最优估计的计算与性能指标中加权矩阵的选择无关。
5
LQ系统与LQG系统的区别：
（1）在LQ系统中，考虑的是系统对非零初始条件的响应性能，性能指标 Jd 由无穷多项相加，Jc 是在无穷大区间上积分，但 Jd 和Jc皆为 有限数； 在LQG系统中，考虑的是系统在平稳状态时抗随机干扰和测量噪声的
性能，由于随机干扰和测量噪声的影响，因此在性能指标中 J d 只取 k 时的一项，在 J c 中只取 k 时一个采样周期内积分的
显然，当 k 1 时，有 (k)0。
（16） （17）
（18）
11
对式（16）两边取差分得到：
x (k 1 ) F x (k ) G u (k ) k 1 y(k 1 ) C x(k 1 )
（19） （20）
即：
y ( k 1 ) y ( k ) C x ( k F ) C u ( k G )
（第二列加到第一列）
zI F GL
GL
zI F GL zI F GL KCF
（第二行减去第一行）
zI F GL
GL
0
zI F KCF
zI F GL zI F KCF c ( z ) e ( z )
（14）
其中 c (z) 为LQ系统的闭环极点。
8
由上节公式（9）（12）得到
问题的提出： 前面所设计的调节系统的控制器（r(k)=0），其目的在于使系统从非零
的初始条件回到零状态时具有满意的响应性能，即所设计的系统对脉冲型干 扰具有很好的抑制作用，但对于阶跃或常值干扰，将具有稳态误差。
原因分析： 控制规律为比例反馈（线性反馈），控制器中没有积分作用。
解决方法： 控制规律中引入积分作用，设计成PI控制器。
u(k)Lxˆ(k)（6） Nhomakorabea问题：
（1）由上述对象和控制器组成的闭环控制系统是否仍是最优控制系统？ （2）如果仍是最优控制系统，使何种性能指标最优？
3
可以证明，由（5）（6）两式组成的LQG系统仍然是最优控制系统，它 使如下的离散性能指标达到最优：
J d m k E [i x T ( n k )Q 1 x (k ) u T (k )Q 2 u (k )] （7） 其最小值为： Jdm itn[r V S L T (G T S G Q 2 )L]P （8）
x(k)x(k)xˆ(k) (IKC)x(k|k1)Kw(k)
(IKC)[Fx(k1)(k1)]Kw(k) (FKCF)x(k1)(IKC)(k1)Kw(k)
显然 e (z) 为状态估计器的极点。
因此LQG系统的闭环极点由两部分组成： （1）LQ系统的极点； （2）状态估计器的极点。
（15）
9
二、积分控制的引入（PI 控制器的设计）
1
第四节 控制器的设计
一、分离性原理
1、 LQ系统：确定性系统直接状态反馈的最优控制系统。
控制对象：
x(k)F(xk1)G(u k1) y(k)C(xk)
（1）
离散性能指标： Jd [xT(k)Q 1x(k)uT(k)Q 2u(k)] （2） k0
连续性能指标： Jc0 [xT(t)Q 1x(t) u T(t)Q 2 u (t)d ] t （3）
最优反馈控制规律（控制器）： u(k)L(xk)
（4）
2
2、LQG系统：随机性估计状态反馈的最优控制系统。
控制对象：x(k)F x(k1)G u(k1)(k1)
y(k)C x(k)w (k)
（5）
LQG系统控制器：
xˆ(k|k1)Fxˆ(k1)G(uk1)
xˆ(k)xˆ(k|k1)K[y(k)Cxˆ(k|k1)]