微型计算机控制技术(非控制专业.ppt

18/25/2024    微型计算机控制技术                            主讲:  戴  永教  材:戴 永等,微型计算机控制技术,湘潭大学出版社,2009年参考资料:[1]张艳兵. 计算机控制技术. 北京: 国防工业出版社,2006 [2]杨恢先.单片机原理及应用. 北京：人民邮电出版社,2006 [3]曹承志.微型计算机控制新技术.北京:机械工业出版社，2001 信息工程学院28/25/2024一.课程特性zz1）地位  本课程是计算机科学与技术专业的选修课、本课程是计算机科学与技术专业的选修课、网络专业必修课网络专业必修课zz2）关系专业硬件基础课专业软件基础课微机控制技术3）目的   使同学们了解、掌握使同学们了解、掌握微机控制技术的基础知识、微机控制系统原理及相应的设计方法原理及相应的设计方法,达到计算机学科、达到计算机学科、通信学科本科层次知识结构的基本完整通信学科本科层次知识结构的基本完整信息工程学院38/25/2024二.  学  习  要  求n（1)微机控制的基本理论与方法达到记识层；n（2) 学生利用基本理论与方法可设计简单的微机控制系统，分析较复杂的微机控制系统；n（3) 对微机控制技术的现状与发展方向有一定程度的了解。

 信息工程学院48/25/2024三、本课程的重点、难点n1) 微机控制技术的基本概念与思考方法;n2) 微型计算机控制理论基础; n3) 面向微机控制系统的接口原理与设计；通道配置原理及方法、通道电路原理与设计、通道操控算法与程序设计；n4) 数据采集原理及处理方法；n5) 间接、直接数字控制器设计理论与实现方法；n6）顺序与数字程序控制概念、原理和方法；n7) 模糊、神经网络控制原理及实现方法；n8）总线技术 信息工程学院58/25/2024实    验  及  其  要   求n实验教学是本课程教学内容的组成部分n实验教材：单片机原理及应用实验指导书(胡洪波 )n实验内容：n实验1：D/A转换：程控电子波形产生原理及方法(计算,通信)n实验2：A/D转换：模拟信号2进制采样原理与方法(计算,通信)n实验3：步进电机 :步进电机的程控电流换相、调速、调向原理与方法(计算)n实验4：直流电机 ：直流电机的程控调速、调向及测控原理与方法(计算) n实验5：LED点阵显示:显示图形或汉字(计算,通信).n实验6:  LCD液晶显示:显示图形或汉字(计算,通信).n实验7:  IC卡实验:IC卡信息读写(计算,通信).信息工程学院68/25/2024n实验要求：独立完成，教师验收，创新奖励n考核方法与成绩n(1)现场验收，现场问答，现场打分n(2)撰写综合性、设计性实验报告n 特别声明：因为此课实验内容要求高，实验过特别声明：因为此课实验内容要求高，实验过程抓得紧，成绩评定严格，所以不提供非计划程抓得紧，成绩评定严格，所以不提供非计划时间的教学实验补课，有正当理由者在下一级时间的教学实验补课，有正当理由者在下一级的本课程实验课补做。

的本课程实验课补做信息工程学院78/25/2024成    绩    评    定n实验：30%n闭卷考试：70%n特别申明：不参加实验或实验考核不及特别申明：不参加实验或实验考核不及n 格者不提供理论考试试卷，格者不提供理论考试试卷，n 强行参考者不予成绩评定强行参考者不予成绩评定信息工程学院88/25/2024第第1章章 绪绪 论论n本章学习提要n（1）计算机控制技术经历的发展阶段；n（2）控制系统基本概念：控制系统基本概念：   1. 常用概念术语，2．常见系统术语 n（3）控制系统控制系统5种典型工作特性种典型工作特性 n（4）微机控制系统体系结构：控制器和比较环微机控制系统体系结构：控制器和比较环节由微型计算机取代，这是划时代的进步；节由微型计算机取代，这是划时代的进步；n（5）与模拟控制系统比较微型机控制系统与模拟控制系统比较微型机控制系统5个个特征n（6）微型计算机控制系统有微型计算机控制系统有4种经典结构和种经典结构和4种种新型结构新型结构信息工程学院98/25/20241.1 控制系统基础n1．．1．．1 控制系统基本概念控制系统基本概念n1. 常用概念术语常用概念术语n对象对象:为完成特定动作为完成特定动作,由机械、电气、电子等零部件有机组成由机械、电气、电子等零部件有机组成的装置或设备。

的装置或设备n过程：过程：过程:被控制的运行状态.两种不同的描述如下n（1）自然过程指一种自然的逐渐进行地运转或发展，其特征是在运转和发展状态中以相对固定的方法相继发生一系列的渐进变化,并最后导致一个特定的结果或状态n(2)人为或随意连续进行的运行状态，这种运行状态由一系列被控制的动作和一直进行到某一特定结果或状态的有规则的运动构成n过程特征过程特征表现为以相对固定的方式导致一个特定结果或状态n系系统统：：为为完完成成相相应应任任务务，，一一些些元元件件、、部部件件等等按按一一定定规规则则的的组组合合系统是动态现象的抽象，不同的领域有不同的组合内容系统是动态现象的抽象，不同的领域有不同的组合内容n扰扰动动：：对对系系统统输输出出量量产产生生相相反反作作用用的的信信号号扰扰动动分分为为内内扰扰和和外外扰扰两两大大类类，，内内扰扰产产生生在在系系统统内内部部，，外外扰扰来来自自系系统统外外部部，，和和输输入入量叠加在一起而进入系统量叠加在一起而进入系统信息工程学院108/25/2024n控控制制过过程程：：通通过过消消除除扰扰动动因因素素影影响响保保持持被被控控制制量量按按预期要求变化的过程。

预期要求变化的过程n自自动动控控制制：：不不需需要要人人直直接接参参与与，，而而使使被被控控量量自自动动地地按预定的规律变化的控制过程按预定的规律变化的控制过程n控控制制量量：：被被控控系系统统的的输输入入量量或或给给定定量量，，用用r（（t））表表示n被被控控量量：：被被控控系系统统的的输输出出量量，，用用y（（t））表表示示，，如如被被控电机的转速，温控系统的温度等控电机的转速，温控系统的温度等n反反馈馈量量：：与与被被控控制制量量成成比比例例的的反反馈馈信信号号，，用用yCF（（t）表示n偏偏差差量量：：控控制制量量与与反反馈馈量量之之间间的的差差值值,用用e（（t））表表示示,e（（t））= r(t)- yCF（（t）信息工程学院118/25/20242．常见系统术语 n开环控制系统开环控制系统 被控制量只能受控于控制量，而对控制量不能反施任何影响的系统n闭环控制系统闭环控制系统 利用负反馈，将被控制量影响控制量作用的系统，又叫反馈控制系统n随动系统随动系统 是一种反馈系统，随着r(t)的变化，被控制量在前一r(t)对应的位置进行变化，其特性如图1-1所示随动系统多出现于机械位移、速度、加速度等对象的控制，所以常称之为位置控制系统。

 r2(t)y2(t)y（t）r1(t)y1(t)t图1-1 随动系统特性示意图信息工程学院128/25/2024稳定系统稳定系统 又称自动调整系统，是一种反馈系统，当r(∞)为常量时，也要求被控量保持在常量上，如图1-2所示常见的稳定系统有恒温、电压、电流、频率、压力等控制系统n过程控制系统过程控制系统 以变化过程作为控制对象的控制系统，在控制过程中，给定量按照预先制定的规律，在程序运行中变化，所以又叫程序控制n这类系统多见于温度、压力、流量等控制系统y（t）r（∞）t图1-2 稳定系统特性示意图信息工程学院138/25/20241．．1．．2 控制系统工作特性控制系统工作特性 n1. 控制系统的一般结构及其工作特性 y（t）校正环节反馈环节r（t）比较环节e（t）扰动信号yCF（t）+-图1-3  闭环控制系统抽象结构图执行环节被控对象u（t）实际控制系统除存在内外扰动外，还有系统自身存在的逻辑死区、响应惯性等影响系统的控制效果当输入信号作用到系统之后，在系统的输出端并不能马上得到响应，而只有当偏差信号大到一定程度时，系统才有输出@输出结果根据各环节的品质状况及系统所处环境有多种多样。

信息工程学院148/25/2024系统工作状态过渡过程的测试是通过系统响应特定输入信号（或叫试验信号）来进行的阶跃信号常用的测试信号，如图1-4所示系统进入稳态的过渡过程及其工作特性如图1-5所示 r(t)1(t)图1-4 单位阶跃输入信号δP y(t)y(∞)trtstδP△△图1-5信息工程学院158/25/2024ntr：启动时间n超调：y(t) > |y(∞)|称为超调，在0～tr不算．nδP：表示超调信号的严重程度n有时也直接用 ymax(t)通常处于第一个峰值δP越小，过渡过程越平稳      tP：从t0到第一个峰值的时间，tP表征反馈控制系统反应输入信号的快速性能或控制灵敏度，越小灵敏度越高 ttt信息工程学院168/25/2024ts：系统的过渡过程时间，当t>=ts，应有：一般Δ＝0.02～0.05;ts越小，说明系统以一个稳态过渡到另一个稳态所需时间越短，反之越长n振荡次数：y(t)以大于0的变化幅度超越y(∞)水平线的次数的一半为系统过渡过程的振荡次数，用N表示，N越小，过程越短nts，tp，δp，N：动态参数n当系统完成过渡过程后，| y(t) -y(∞)|为稳态误差。

n稳态误差是表征系统控制精度的一项性能指标 信息工程学院178/25/20242.几种典型控制系统过渡过程曲线n1）单调逐渐逼近 (见图1-6特性曲线①)y(∞)过度过程曲线单调逼近y(∞)：δP＝0，N=0，y(t) =y(∞) 2）等幅振荡(见图1-6特性曲线② )y(∞)n等幅振荡，N—> ∞n（自激振荡） 信息工程学院188/25/20243.振荡发散 (见图1-6特性曲线③)n振荡发散，N—> ∞；振幅系统无平衡状态ΔΔy(∞)4.单调发散 (见图1-6特性曲线④, ⑤)y(∞)n“过”单调发散，这类系统无稳定状态，不能使用：δP —> ∞；N=0；y(t) ？ 信息工程学院198/25/20245.欠阻尼振荡 n阻尼振荡：一般可工作系统均为此曲线ny(∞)与预期r(∞)之差，称为稳态误差，表征系统控制精度的参数之一n阻尼系统的过渡过程分为三种工作状态,即欠阻尼、临界阻尼和过阻尼n过阻尼工作状态相似于单调逐渐逼近或一阶系统工作状态，启动速度变慢n临界阻尼工作状态使系统特性处于等幅振荡特性n关于二阶系统的阻尼特性讨论请读者参阅相关论著 y(∞)△△信息工程学院208/25/20241.2 微型计算机控制系统体系结构与特征n1．．2．．1  微机控制系统体系结构微机控制系统体系结构n1. 微型计算机控制系统一般结构扰动执行机构A/DR (k)y(t)＋－图1-7 微机闭环控制系统体系结构抽象图控制器    微型计算机D/A被控对象检测装置 E (k) YCF (k) U (k)与模拟闭环控制系统抽象结构(图1-3)比较,微机闭环控制系统体系结构信号传输的路径结构没有发生变化，控制装置即大虚线框外以右的内容相同。

不同的地方是控制装置的四个环节均有重大变化，即（1）控制器和比较环节由微型计算机取代，这是划时代的进步控制器和比较环节由微型计算机取代，这是划时代的进步；（2）执行环节在模拟控制系统中只有执行机构，而在微机控制系统中于执行机构前增加D/A转换；（3）反馈环节在模拟控制系统中只有检测装置，而在微机控制系统中于检测装置后设置A/D转换    由于微型计算机处理的是离散信息，因此微型机控制系统中控制装置内的时间变量均采用人们公认的离散时间变量符号K信息工程学院218/25/20242. 微型计算机控制系统硬件组成工业生产过程D/A多路转换开关量输入微 型计 算机系统主机采样装置A/D变送保持开关量输出操作控制台过程通道保持变送人机交互通道接口微机I/O设备微机外设接口图1-8  微型计算机控制系统硬件典型结构图面向过程通道的接口人机交互通道信息工程学院228/25/2024（1）工业生产过程    工业生产过程是指在生产现场把原材料变成成品或半成品，或通过原材料获得某些所需参数的工序实现参与工序实现的内容包括工艺规则、技术范畴、参与设备、人员数量与作用、结果指标、质量检验、安全保证等 n（2）过程通道n主机与工业生产过程之间需要传递三类信息，即互传数据，主机向工业生产过程发布控制信息，主机从工业生产过程接受状态信息。

互传数据有模拟、开关量两种数据形式，而控制、状态信息均为开关量信息工程学院238/25/2024n过程通道包括模拟过程输入、输出通道、开关量过程输入、输出通道n过程通道处于工业生产过程与主机接口之间，担负着生产过程与主机交换信息的任务n（3）接口 n在微型计算机控制系统中一般存在三类不同功能的接口，n一类介于主机与过程通道之间，用于主机与过程通道交换数字信息；n二类介于主机与交互通道之间，用于主机与交互通道交换数字信息；n三类介于主机与微机I/O设备之间，用于主机与微机I/O设备交换数字信息，在多微机互联的微型计算机控制系统中，多微机可互按I/O设备管理  信息工程学院248/25/2024（4）主机 n核心内容——控制程序，其反映输入输出之间的数学关系n在工业生产过程中，处于的主机又称为工业控制计算机，简称工业控制机或工控机，其特点表现在可靠性高、可维修性好、环境适用性强、控制实时性好、输入输出通道完善及软件丰富等本书中的主机均指工控机n（5）人机交互通道与操作控制台n人机交互通道与操作控制台是相互依存的，操作控制台因人机交互通道而设置，人机交互通道通过操作控制台使得人机交互更方便。

 n就一般而言操作控制台应具有以下功能 n①操作   键盘，鼠标，按键，板键等.n②显示   CRT或LED，LCD，打印机，记录仪,指示灯，喇叭等：状态指示，声光报警等.n③数据保存  外存，磁存储器，光存储器，半导体存储器,IC卡等.n④远程信息交换 信息工程学院258/25/20243. 微型计算机控制系统软件监控软件系统软件BIOS监测软件外设管理程序人－机对话程序控制算法程序自控程序等控制软件l注注意意：程序的运行时间以不影响系统实时性为前提信息工程学院268/25/20241.2.2 微型计算机控制系统特征微型计算机控制系统特征n1.结构特征结构特征n微机控制系统：将控制器用微机来代替，便构成了微机控制系统n开环系统：控制器被控对象执行器被控参数R(t)用微机取代闭环系统： 执行机构A/Dr (t)y(t)＋－        微型计算机闭环控制系统抽象结构图控制器微型机D/A被控对象检测装置信息工程学院278/25/20242. 信号特征 n模拟控制系统中所有环节的工作信号全为模拟信号，而微型计算机控制系统中主机的工作信号全为数字信号，前、后向模拟过程通道模拟、数字信号兼有，前、后向开关量过程通道是全数字信号，但无全模拟信号。

n3. 功能特征n（1）以软件代替硬件 n（2）数据保存 n（3）显示设备、方法与内容 n（4）多系统互联 信息工程学院288/25/20244. 时限特征n“实时”，是指在规定的时间内完成规定的任务n（1）实时数据采集 n（2）实时决策运算 n（3）实时控制输出 n数据采样、运算决策、输出控制三个阶段占用时间之和满足实时性要求，则该系统具有实时性 n5. 控制器工作方式特征n控制器在控制系统中的工作方式有、离线两种  信息工程学院298/25/2024n微型计算机工作方式：又称“联机”工作方式n微型计算机在控制系统中直接参与控制或交换信息，而不通过其它中间记录介质，如磁盘、U盘、光盘、磁带等n微型计算机离线工作方式：又称“脱机”工作方式n微型计算机不直接参与对被控对象的控制，或不直接与被控对象交换信息，而仅是将有关控制信息记录或打印出来，再由人来联系，按照微机提供的信息完成相应的控制操作n离线工作方式无实时性可谈要使系统具有实时性，微型计算机必须按方式工作信息工程学院308/25/20241.3  微型计算机控制系统分类n1.3.1 经典微型计算机控制系统经典微型计算机控制系统n1. 数据采集与处理系统 现场输入通道显示设备主机接口图1-9 数据采集与处理系统基本结构2. 操作指导控制系统  生  产  过  程输入通道显示设备主机通道接口图1-10  操作指导控制系统基本结构操作人员信息工程学院318/25/20243. 直接式数字控制系统n4. 监督式计算机控制系统生产过程接口控制操作台主机执行机构接口输出通道输入通道检测图1-11  DDC系统基本结构工业生产过程DDC计算机SCC计算机模拟输入通道模拟输出通道给定值控制操作台图1-12  SCC系统基本结构信息工程学院328/25/20241.3.2 新型微型计算机控制系统新型微型计算机控制系统1. 基于智能控制算法的微机控制系统 n智能控制是自动控制和人工智能相结合的学科,即具有摸仿人的学习、推理等功能；能适用不断变化的环境；能处理多种信息以减少不确定性；能以安全和可靠的方式进行规划，产生和执行的动作，获取系统总体上最优或次优的性能指标。

 n智能控制技术有三大基本内容：模糊控制技术，神经网络控制技术，遗传控制技术n在硬件上智能控制系统与传统的微机控制系统结构无重大区别；在软件上，智能控制系统的驱动量由智能控制算法产生n微机智能控制系统的命名一般借用智能控制算法的名称n图1-13为模糊控制系统的一般结构图   模糊化模糊决策反模糊化图1-13 一般模糊控制系统基本结构控制量YUkXk被控对象信息工程学院338/25/20242. 集散式微型计算机控制系统 n集散式微型计算机控制系统(Distributed Control System，DCS)是基于微型计算机总线通信技术的多系统分层分散控制、集中管理微型计算机控制系统，已成为大工业现场普遍使用的生产过程控制、子系统管理的方案nDCS也称为分级分布式控制系统，简称集散系统，它是计算机、自动化、通信、网络和显示等多种技术相结合的产物 过程控制系统1网间联络站任务管理站过程管理站网间联络站过程控制系统nLAN总线通信图1-14  DCS结构图其他LAN信息工程学院348/25/20243. 现场总线微型计算机控制系统n现场总线微型计算机控制系统（Fieldbus Control Sistem，FCS）是DCS的换代产品，与传统的DCS相比，具有数字化的信息传播、分散的系统结构、方便的互操作性、开放的互联网络及多种传输媒介、拓扑结构等特点。

nFCS的核心是现场总线，具体表现于适用工业控制领域的网络通信与管理协议n4. 管控一体综合集成系统n将制造、过程控制、办公室和经营管理等的自动化系统进行集成，即构成计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System）或计算机集成过程系统（Computer Integrated Process System），简称CIMS或CIPSnCIMS代表着工业控制系统的未来，它的研究开发不是以某个区域或某项活动为对象，而是以企业的全部活动为对象n除上述四种常见新型系统外，还有嵌入式微机控制系统、虚拟控制系统、开放式控制系统等，请参阅有关资料  信息工程学院358/25/20241.4 微型计算机控制技术的发展n1. 装置技术的发展n装置技术是发展基础 .n随着专用功能电路的标准化与集成电路设计、制作技术的发展，标准模块电路的种类越来越多，功能越来越强 n2. 微型计算机技术的发展n微型计算机技术是发展的保障 .n微型计算机技术的发展主要指微型计算机的系统结构、软件技术、应用技术等的发展n3. 决策理论的发展n决策理论是发展的动力 n顺序控制、插补控制、PID控制、最小拍控制、纯滞后控制等一批传统控制方法和理论将进一步得到改善、充实。

n具有重要意义的滤波技术、能控能观性技术、极大值原理、动态规划、稳定性技术等仍是人们研究的重要内容n在解决模型不确定性、高度非线性、分布式采样和执行、动态突变、多时间标度、复杂的信息模式等被控对象的控制问题上，智能控制技术有其特殊优势，而将成为人们研究的热门内容，解决问题的新选手段 信息工程学院368/25/20244. 微型计算机控制系统结构的发展 n（1）用可编程控制器代替DDC级微机n（2）新一代CIMS n（3）用智能控制芯片作为控制器信息工程学院378/25/2024n本章要点n(1)拉普拉斯变换及主要性质n(2)传递函数与方块图n(3)典型系统的方块图与传递函数第2章 微型计算机控制理论基础信息工程学院388/25/2024n2.1 连续系统数学基础n2．1．1  拉普拉斯变换n用表示时间的函数，而且当         ，          ，以      表n示     的拉普拉斯变换，记之为 复变量  对时域函数进行拉氏变换   拉氏积分 是      的原函数，     是         的象函数 2. 拉普拉斯变换的性质线性 （位移性质）信息工程学院398/25/2024令则, ∴ 当 令 0t f (t)图2-1 平移性质曲线示意 f (t)t信息工程学院408/25/2024（3）相似性质（比例变换） 令则信息工程学院418/25/2024（4）微分性质(原函数导数的象函数) f(0)为t=0时f(t)的值，一般控制系统中f(0)=0 同样，对于的阶导数，可以得到信息工程学院428/25/2024（5）原函数积分的象函数 一般  t=0；f(t)=0 信息工程学院438/25/2024(6)初值定理n其中f(0),F(s)可拉, 存在n证明：由拉普拉斯变换的微分性质可知有(7)终值定理证明自阅信息工程学院448/25/20243. 拉普拉斯反变换n由复变函数表达式推导成为时间函数表达式的数学运算叫做反变换，拉普拉斯反变换的符号是     ，记作具体的拉普拉斯反变换计算公式为信息工程学院458/25/20242．1．2  传递函数与方块图1．传递函数 n传递函数是描述线性定常系统或线性元件的输入-输出关系的一种最常用的数学模型。

n传递函数全面地反应了线性定常系统或线性元件的内在固有特性n传递函数(G(s))：线性定常系统的传递函数，定义为初始条件为0，输出量（响应函数）的拉氏变换与输入函数（量）拉氏变换之比        传递函数的定义适用于输入输出信号呈线性关系的元件或系统，既适用于开环系统，也适用于闭环系统    传递函数的形式完全取决于系统或元件自身的结构与参数，而与外加的输入信号形式无关 信息工程学院468/25/2024n传递函数有如下基本性质n（1）系统和元件的传递函数是描述其动态特性的一种关系式，它和系统或元件的运动方程式一一对应n（2）传递函数表征系统或元件本身的特性，而与输入信号无关n（3）传递函数不能反映系统或元件的物理结构，即不同物理性质的系统或元件可以具有相同的传递函数n（4）传递函数是复变量的有理分式，均为多项式，每一项的系数都是实数 信息工程学院478/25/20242．方块图n方块图是系统中每个元件的功能和信号流向的图解表示，它表明系统中各元件或各环节间的相互关系，信号流动情况n方块图输出信号的拉普拉斯变换式等于其输入信号的拉普拉斯变换式与方块内传递函数的乘积 n信号通过方块的流向以箭头来表示，使输入信号的箭头指向方块，输出信号的箭头背向方块。

n方块图中只包含与系统动态性能有关的信息，并不包含与系统物理结构有关的一切信息n许多物理结构上完全不同的系统，可以用相同的方块图来表示n一般结构如图2-2所示. G（s）X（s）Y（s）图2-2 传递函数方块图信息工程学院488/25/20243.典型系统的方块图与传递函数n1)开环控制系统方块图与传递函数开环控制系统的抽象结构包含控制、执行与对象三个环节，方块图结构见图2-3 控制G1(s)执行G2(s)对象G3(s)R(s)Y（s）图2-3 开环控制系统方块图对应的传递函数信息工程学院498/25/2024n2)闭环控制系统方块图与传递函数闭环控制系统的抽象结构由执行(含对象)、反馈及偏差计算（⊗符号表示）等环节构成，方块图结构见图2-4所示 执行G(s)反馈H(s)R (s)Y (s)E (s)B (s)＋－图2.4 闭环控制系统方块图称为系统中的开环传递函数 闭环控制系统的传递函数为信息工程学院508/25/2024G1(s)G2(s)＋—H(s)＋＋Y(s)N(s)R(S)扰动3）含扰动量的闭环控制系统方块图与传递函数当；扰动项→0;扰动被抑制； 及 此时控制系统的传递函数 信息工程学院518/25/2024n例2.1：如图所示，R,C低通网络 (a)Ui (s)CiRI (s)UI (s)(b)＋—Uc(s)图2-6  RC电路方块图(c)Ui (s)信息工程学院528/25/20244．方块图等效法则 n1) 分支点移动规则GGGAAGAGAAGAG（ a）AGGGAAGAAAG（b）图2-7  分支移动规则信息工程学院538/25/2024（2）相加点移动规则 GGGBA＋∓A＋∓BAG∓BGAG∓BG（a）GGBA＋∓A＋∓BAG∓BAG∓B（b）图2-8  相加点移动规则根据代数运算法则，还可实现其它类型方块图的简化或等效，相关内容请参阅自动控制方面的专业书籍。

在简化或等效处理过程中应注意两条原则(1)前向通道中传递函数的乘积必须不变2)各反馈回路中传递函数的乘积必须保持不变信息工程学院548/25/2024例2.2 (1)进行拉普拉斯变换；（2）画方块图；          KPKPTIS      KPTdSE(S)＋＋U(S)+tttttt信息工程学院558/25/2024第第3章章 接口与过程通道配置技术接口与过程通道配置技术n3.1 概   述n过程通道的基本任务是信号获取、转换及传递；n接口的基本任务是数字信号传递 n计算机控制系统中的接口电路特点：除了基本任务外还担负控制过程通道各环节协调工作的任务 n一般来说计算机无法直接接收和处理生产过程的实际信息，这些实际信息由输入过程通道获取、转换，传递给接口，再由接口送入计算机；n计算机传送到生产过程的控制信息通过接口进入输出过程通道，由输出过程通道转换为生产过程所能接受的信号形式 .信息工程学院568/25/2024n面向过程通道的接口电路的结构、编程方法等与过程通道的功能、结构、信息传递方式密切相关n（1）根据主机获取、发送信息的要求及过程通道传送、接收信息的状态，接口电路传递数据的方式分为无条件、查询、中断等。

n（2）为适应过程通道转换环节的技术变化，面向过程通道的接口电路同样也应具备数据格式转换、数制转换、实时中断管理等接口的一般功能；n（3）面向过程通道的接口电路的明显特征是它必须深入过程通道内部对过程通道中各子环节，如多路转换、可编程放大、采样/保持、A/D转换、D/A转换等进行关系上、功能上、时间上等的有序控制信息工程学院578/25/2024设计过程通道与面向过程通道的接口时必须注意和解决如下基本问题：n（1）输入输出信号形式的转换，尤其是不同能量形式的信号转换；n（2）微机与控制对象两个异步工作的系统实现同步和通信联络；n（3）高速的微机与低速的控制对象实现速度匹配；n（4）数据格式转换、数制转换、A/D转换、D/A转换、电平转换、功率转换等；n（5）微弱信号放大、滤波、整型，强电信号幅度衰减、滤波、整型，信号幅度规范；n（6）数据通道与子环节工作控制的端口分配；n（7）接口电路中的端口触发、时序及负载能力信息工程学院588/25/2024n研制接口和过程通道电路使用的器件有三大类，n一类是利用基本的小规模集成电路功能器件（如一片多组的运算放大器等）、逻辑器件（如各类TTL器件）、分立元件等，当控制内容单一，过程通道和接口比较简单时采用此类器件设计可避免浪费；n二类是通用器件，如通用的各类并行、串行I/O接口器件，中断管理、定时/计数、键盘/显示等接口器件；n三类是专用器件，主要有A/D转换器、D/A转换器、集成多路转换电子开关、可编程放大器等等。

信息工程学院598/25/20243.2 面向过程通道的接口技术n3.2.1接口的基本结构、任务和功能接口的基本结构、任务和功能n1. 接口的基本结构微计算机CPU接口控制逻辑数据传送端口地址总线控制总线数据总线数据状态控制图3-1 接口基本结构及其在微控系统中的连接图工业生产过程过程通道无数据端口通道控制逻辑2. 接口电路的基本任务（1）控制信息的传递路径即根据控制的任务在众多的信息源中进行选择，以确定该信息传送的路径和目的地2）控制信息传送的顺序计算机控制的过程就是执行程序的过程，为确保进程正确无误，接口电路应根据控制程序的要求，适时地发出一组有序的选通信号为保证基本任务完成，接口电路应解决以下问题：（1）触发方式2）时序 （3）负载能力  信息工程学院608/25/20243．接口的功能作为主机与过程通道之间的信息传递渠道，与一般接口电路相同，应具备寻址、输入输出、数据转换、联接、中断管理、复位及可编程等基本功能n4．端口及其编址方法n1）端口:一个I/O接口一般包括若干个端口，通常可分为数据端口、状态端口以及控制端口，而每个端口都有一个端口地址号，所以一个接口电路一般占用多个端口地址。

n2）端口编址:有通道端口与存储器统一编址和通道端口独立编址两种方式，工作原理及优缺点同一般端口编址相同n3.2.2 接口数据传送方式接口数据传送方式n（（1）直接传送方式直接传送方式 （2）查询传送方式 （3）中断传送方式 n3.2.3 接口扩展接口扩展n1）地址线选扩展）地址线选扩展. 信息工程学院618/25/20242）地址译码扩展）地址译码扩展nA4A3=00时，1#74LS138被允许译码；nA4A3=01时，2#74LS138被允许译码；nA4A3=10时，3#74LS138被允许译码；nA4A3=11时，4#74LS138被允许译码n因此，32个I/O接口端口地址分配号为：0000H~001FHn3）混合扩展:地址线选、地址译码用于同一个系统的接口扩展称为混合扩展 Y0………………Y774LS138(1#)A BC        E1     E2    E3Y0………………Y774LS138(2#)AB C       E1      E2  E3Y0………………Y774LS138(3#) A BC       E1     E2  E3Y0………………Y774LS138(4#)A B C      E1    E2  E3+5V+5V+5VA0A1A2A3A4………….Q0………….……Q7………….Q8………….…  Q15………….Q16……………  Q23………….Q24………….… Q31图3-2 采用多片地址译码芯片74LS138的地址译码器扩展+5V信息工程学院628/25/20242．端口负载能力扩展n单向负载能力扩展器件有74LS244、74LS240、74LS06、74LS07等，主要用于ABUS和CBUS负载能力扩展；n双向负载能力扩展器件有74LS245等，主要用于DBUS负载能力扩展。

n3．端口的功能扩展n（1）单向数据传送选通；n（2）双向数据传送选通；n（3）非数据传送单点控制信号；n（4）非数据传送双点、多点控制信号；n（5）数据传送选通与非数据传送控制功能兼顾n3.2.4 接口实例接口实例n1．．8255A在微机控制系统中的接口实现在微机控制系统中的接口实现 信息工程学院638/25/2024例例3.1 设图33中PA口通过输入数字过程通道联接工业生产过程的一组状态点，PB口通过输出数字过程通道联接系统控制台的一组生产过程状态指示灯，将MCS51工作寄存器R7的内容送指示灯，将生产过程的相应状态读入工作寄存器R2试编写其操作程序 n直接传送方式使8255A的PA口为方式0输入，PB口为方式0输出nPC口的输入/输出方式没有要求，可任意设定n将8255A的4个端口视1组端口，P27连接为线选组地址，A1A0的组合用于选择组内端口地址，即PA口、PB口、CW的端口地址分别对应#7FFCH 、#7FFDH 和#7FFFH MCS 518255A74LS373GGCSA1A0D0~D7RDWRRESET88P2.7ALEP0RDWR+5VPAPBPC888I/O图33  8255A与数字过程通道接口实例电路图输入数字过程通道输出数字过程通道工业生产过程系统操作台信息工程学院648/25/2024n参考程序如下：nINIT8255：nMOV DPTR，#7FFFH；控制口地址送数据指针nMOV A，#90H；PA输入，PB输出，PC任意，控制字可为100100BnMOVX@DPTR，A ；方式控制字写入8255A控制口，PA输入，PB输出n        MOV    DPTR，#7FFDH ；PB口地址送数据指针nMOV A，R7nMOVX@DPTR，A；将R7的内容输出到PB口nMOV DPTR，#7FFCH；PA口地址送数据指针nMOVXA，@DPTR；读PA口开关的状态nMOV R2，A；nRET信息工程学院658/25/2024当需要对工业生产过程中的模拟量进行测控时，以8255作为并行接口，MCS-51单片机作为主机的微机控制系统的常见结构如图3-4所示。

n通过编程使8255-PA口工作在方式1（单向选通）输入，8255-PB口工作在方式1输出，允许中断n在程序控制下，PC7输出一个正脉冲启动模拟过程输入通道进行模拟/数字转换，此次模拟/数字转换完毕，输入通道通过PC4向8255-PA口发出选通信号，将模拟/数字转换结果打入PA口，同时通过INTRA向主机发出中断请求MCS 518255A74LS373GGCSA1A0D0~D7RDWRINTRAINTRB88P2.7ALEP0RDWRPAPB88图34  8255A与模拟过程通道接口实例电路图模/数工业生产过程采样/保持多路转换PC4PC7STBA数/模保持OBFBPC1ACKBPC2INT0INT1模拟过程通道模拟过程通道多路转换信息工程学院668/25/2024n主机响应后将PA口数据读入采样数据存储区，判采样次数是否满，未满则重复向PC7发正脉冲及其以后的工作过程n满了则进入系统决策,将决策结果通过PB口送模拟过程输出通道n如果只有一个被控对象，模拟过程输出通道设置数字/模拟转换环节便可，若为多对象，而又不想增加数字/模拟转换器，则须增加多路转换和采样/保持两个环节PB口按单向选通输出时，PC1为选通信号，PC2作为模拟过程输出通道的回答信号。

n8255接到回答信号后，通过INTRB向主机发出中断请求，表示所送数据已接收，可送下一个数据了n2．多组数据输入输出接口n例例3.2.设以MCS-51系列机为主机的微机控制系统中，过程通道需8路8位数据的输入，4路8位数据的输出，4个通道环节可编程控制信号试采用74LS244作为输入数据端口、74LS273作为输出数据端口、可编程控制信号为无数据端口设计接口电路 信息工程学院678/25/2024&≥1≥1≥1≥1A0A1A2E1E2E3Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7A0A1A2E1E2E3Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7+5V数据总线1#74LS1382#74LS138  74LS244G1#  74LS244G2#  74LS244G8#…………………………………………………  74LS273CP4#  74LS273CP1#A12A13A14A15+5VRD……A11A11A8A9A10A8A9A10图3-5 多路数据输入输出接口逻辑WR≥1≥1≥1Control1Control4信息工程学院688/25/2024n解：接口电路逻辑如图3-5所示，8个输入端口由一片3—8译码器74 LS138进行端口地址译码，4个输出端口与4个可编程控制信号合由一片74 LS138进行端口地址译码。

n高位地址线A15A14A13A12A11=11110时选通1#74LS138译码器，即选通输入端口n若A10A9A8=000，则其译码输出Y0为低电平，将来自1#74LS244的数据读入主机总线，其余类推n当A15A14A13A12A11=11111时选通2#74LS138译码器，即选通4个输出端口，并提供4个编程控制信号各端口的地址分配如表3-1所示 信息工程学院698/25/20243.3 模拟输入过程通道配置n3.3.1 通道基本结构通道基本结构传感器传感器编程放大器采样保持A/D接口主机控制器图3-6 典型模拟输入通道结构图信号调理生产过程信号调理多路转换开关采 样 /保持采 样 /保持A/DA/D接口采 样 /保持采 样 /保持多路转换开关A/D接口（a）（b）图3-7 通道衍变结构图放大器放大器放大器放大器信息工程学院708/25/2024  n模拟量输入通道各部分电路作用说明如下：n1．传感器：将过程量转换为电信号n2．放大电路：对微弱的电信号进行放大n3．多路转换开关：将多路模拟信号按要求分时输出n4．采样保持：对模拟信号进行采样，在模—数转换期间对采样信号进行保持。

n5．A/D转换：即模—数转换，将模拟信号转换为二进制数字量n6．控制器：实现通道各环节在逻辑和时序上的协调 信息工程学院718/25/20243.3.2 信号的拾取方式信号的拾取方式n模拟输入通道中，首先要将外界非电参量，如温度、湿度、流量、应力、压力、速度、位移等物理量转换为电量，这个环节可采用敏感元件、传感器或测量仪器来实现n1．通过敏感元件拾取被测信号:敏感元件将测的物理量变换为电流、电压或R.L.C参量的变化 n2.   通过传感器拾取被测信号:用敏感元件及相应的测量电路、信号传递机构配以适当外形可以制成各类传感器 n3．通过测量仪表拾取被测信号:通过调节测量仪表 直接输出用于A/D转换的标准电压或标准电流(但要转换为标准电压).n3.3.3 通道放大技术通道放大技术n1．微弱信号放大器原理．微弱信号放大器原理n对经传感器变换后得到的微弱模拟信号进入前置处理环节对经传感器变换后得到的微弱模拟信号进入前置处理环节,前前置处理的重要手段是将微弱模拟信号放大处理置处理的重要手段是将微弱模拟信号放大处理n由于通用运算放大器具有较大的失调电压和温度漂移由于通用运算放大器具有较大的失调电压和温度漂移,一般不一般不能用作微弱信号的放大器。

能用作微弱信号的放大器n在模拟输入通道中一般采用测量放大器来完成信号放大任务在模拟输入通道中一般采用测量放大器来完成信号放大任务信息工程学院728/25/2024-+A1+-A2+-A3Vi1Vi2VORGR1R2R3R4R5R6图3-8 测量放大器结构根据图3-8有 由于     ，并取 ，有 而信息工程学院738/25/2024于是即测量放大器的放大倍数由式（3.7）给出，该式表明仅需调整RG就可方便、有效地调整K，而由于电路对称，调整RG不会降低共模抑制比又取                         ，则有 （3.7）AD620是与该原理对应的器件引脚结构见图3-9，应用电路连接示意见图3-10RGRGVIN-VIN+VEEVCCOUTREF56784321AD620+-AD62032186457VEEVCCRGVIN-VIN+VOUT图3-9 AD620引角图图3-10  AD620典型应用信息工程学院748/25/2024nAD620具有体积小、功耗低、精度高、噪声低和输入偏置电流低的特点n其最大输入偏置电流为20nA，表明输入阻抗高外联可调RG可实现1～1000范围的放大倍数调节。

n工作电压范围为±2.3～±18V,最大电源电流为1.3mA.最大输入失调电压为125μV,频带宽度为120kHz（K=100时）n图3-11是AD620用于电桥测量的连接电路 n除AD620之外，同类原理器件有AD626、LH0036、LH0038、LM363及较前出现的AD521/AD522、INA102等等 +-AD62032186457VCCRG图3-11  AD620电桥测量电路A/D转换信息工程学院758/25/20242．可编程放大器原理n可编程放大器实现的理论依据是式（3.7），即改变RG可以有效地改变增益值n可编程放大器原理电路见图3-12所示 图3-12  可编程放大器的原理结构图主机  单端  多路  转换  开关X连通代码寄存器-+A1+-A2+-A3Vi1Vi2V0R1R2R3R4R5R6RGnRG2RG1x1x2xnXCOM1COM2接口信息工程学院768/25/2024n以一个输入运算放大器的反相端作为公共端，图3-12中为COM2，n个阻值不同的RG均连接于COM端，形成n条电阻支路或电阻网络,记为x1，x2，···xnn另一个输入运算放大器的反相端（例图为COM1）引出纯导线支路，用X表示。

当X与xi（i∈{1，2，···n}）条电阻支路连通时，K=Ki实现程序控制X与xi连通的硬件条件是在X与x1，x2，···xn之间设置单端多路模拟转换开关，该开关由X连通代码寄存器提供分支选择代码和选通信号n每一个xi建立一个连通代码并存储在一个固定区域，当主机将xi的连通代码送入X连通代码寄存器时，X与xi连通，使K=Kinn条分支可产生n个K值也可选择分支并联，产生所需K值信息工程学院778/25/2024nAD612/614是这一原理的典型器件，其n=10，不同之处是输入信号从其两个输入运算放大器的反相端输入，而增益的调整电阻从两个输入运算放大器的正相端接入此器件可实现以下三种基本使用方法为n（1）利用片内的RG1～RGn调节K，称为程序控制增益方法具体使用时，RG1~RG8分别对应Ki=21~28；将RG8、RG9并联，即将x8、x9两端合为一端，则K=29；将x8、x9 、x10三端合为一端，则K=210；当不接入RG时，K=1n（2）利用RG的两个外置连接端子，建立外置RG1～RGn（按要求的增益）电阻网络，程控调节原理与效果和内置电阻网络的调节原理与效果完全相同n（3）在RG的两个外置连接端子之间接入可变电阻器也可实现增益调整。

n类似的器件有PGA100及PGA200/201、PGA102等信息工程学院788/25/20243.3.4 模拟多路切换技术模拟多路切换技术(模拟多路开关模拟多路开关 )n1．模拟多路切换器的类型n模拟多路切换器有两类：一类是机械触点式，如干簧继电器、水银继电器和机械振子式继电器n另一类是电子式开关，如晶体管、场效应管及集成电路开关等n2．模拟多路切换器的连接方式n1）单端连接法; 2）差动连接法; 3）伪差动连法.信息工程学院798/25/20243．集成多路模拟切换器n常用的 CMOS集成多路转换器有单端和差分两种类型，一般情况下，它们分别用于单端接法和差动接法应用场合n1）单端集成多路模拟切换器电平转换ENA0A1A2x1X2X8X8选1控制逻辑图3-14  8选1模拟切换器原理电路f1f2f8X=xi  fi(A0,A1,A2,EN)=1, EN=1Z  EN=0(3.8)i∈{1,2,···，8}，Z表示高阻抗或不接通，fi为模拟开关的连通控制信号，fi=1，对应的模拟开关连通，X=xi，如果信息只能xi→X称为单向多路模拟开关；X、xi可以互送称为双向多路模拟开关。

fi=0,第i路模拟开关断开fi(A0,A1,A2,EN)是EN控制下的A0A1A2的3—8译码函数典型8通道芯片有CD4051、AD7501、MAX354、DG407等典型16通道芯片有CC4067、AD7506、MAX396等信息工程学院808/25/20242）差动集成多路模拟切换器n差动集成多路转换器有4通道、8通道两种n基于图3-15原理的差动4通道器件有MAX355、AD7502、MAX384、MAX399等n典型8通道差动多路转换器有AD7507、MAX397、MAX359、DG409等 信息工程学院818/25/20243.3.5 采样保持技术采样保持技术n模/数转换器完成一次完整的转换过程所需的时间称为转换时间 .n在转换时间△t内产生的误差称为孔径误差△V.设模拟信号为： 最大变化率为： 从t=0开始采样，采样的孔径时间为△t，则采样的最大误差为 信息工程学院828/25/2024n为满足模/数转换精度要求，希望在△t时间内，信号变化最大幅度应小于模/数转换器的量化误差n对于ADS1211的12位A/D转换器，转换时间为100us ，基准电压为10.24V，其量化误差为：  若Vf=5V，由此要求输入信号的最高变化频率： 因此,当转换时间越长时， 不影响转换精度所允许的信号最高频率就越低，这就大大限制了模/数转换器的工作频率范围。

 信息工程学院838/25/2024n如图为S/H器原理图： 输入阻抗大VoVi控制信号CH输出阻抗小－＋－＋KMUXA1A2基本结构由MUX，CH两个接成跟随器的运放组成，工作过程如下：（1）控制信号：H→K合上，VA1经MUX给CH充电（采样期），由于A1接成跟随器（K＝1），∴VA1＝Vi，A2也是跟随器，V0＝VCH注：为减小转换误差，对CH的充电常数越小越好即尽可能快的使VCH＝Vi（采样期不转换）2．采样保持原理分析．采样保持原理分析信息工程学院848/25/2024n（2）控制信号由H→L，K断开，CH将K断时（令其为t1）的值，即Ui (t1)=Uc(t1)保持下来，经A2输出n（3）启动A/D转换，进入△t，在△t内，Uc(t1)＝Ui(t1)的时间越长越好保持期也就是转换期）注：为使H期间UCH基本不变，A2－＋的输入电阻要极大，MUX的反向漏电流极小，总之要使CH趋近于无放电回路，而接近理想的条样保持器n3．典型器件n常用的模拟集成化S/H器有LFX 98系列，该系列特点：采样速度高，保持电压下降速度慢，精度高n除LFX 98外，还有SHA－XA系列,AD 583，HTS系列等.n注意S/H的4个性能参数:1) 采样时间 . 2) 孔径时间. 3) 输出电压衰减率. 4) 直通馈入 .信息工程学院858/25/20243.3.6 模模/数转换技术数转换技术n模/数转换器是将模拟量转换成数字量的装置。

n两大类：（1）直接：计数，逐行，并行；n（2）间接：V→T → D（V/T），V → F → D（V/F）n1．逐次逼近式Ａ／Ｄ转换：n方案1：取值逼近法n设有n位A/D器；n（1）将Dn-1＝MSB置1，其余为0；n（2）将n位SAR进行D/A转换，用转换所得Vf与Vi（被转模拟电压）比较； 逐次逼近寄存器置数选择逻辑CLKSARD/A转换＋－ViVf数字输出等效器信息工程学院868/25/2024n（3）若Vf > Vi，此次此位1取消改为0，若Vf < Vi， 则此次此位1保留，否则在此位的低位置1n（4）N位取值满否？满则结束，未满则在依次的低位取值1，转（2）n此种转换过程图示如下：图中N＝8f10000000 Vf1 < Vi10100000 第二次取的1去掉为0第三次取1Vf2 > Vi11000000 第一次的1留下第二次取1Vf1Vf3Vf2ViVx10010000 第二，三次取的1去掉为0第4次取1信息工程学院878/25/2024n方案2：计数逼近法n如图所示.此方法更为常用；方案1的取值需计算机进行取值决策 计数时间△DVitD/A转换计数器          CLR CLK  D          CLKCLREOC （转完标志符号）CLKRESETV0Vf/Q1信息工程学院888/25/20241) 8位逐次逼近式位逐次逼近式A/D转换器及接口转换器及接口图3-24  ADC0808/0809结构框图信息工程学院898/25/2024图3-20  0809与89S51的接口P0。

0D0P07D7P22ABCP27++ALESTARTOEEOCALECLKIN0IN7VCCREF（+）REF（-）GND+5V89s510809nORG    2000HnSETB   IT1        ;置为边沿触发nSETB   EA        ;开放总中断nSETB   EX1       ;开放外部中断1nMOV    DPTR，#78FFH  ;设置ADC的 n                                        ；A/D口地址nMOV     R0，#50H  ;设置存数缓冲区指针nMOVX  @DPTR，A ;启动A/D转换n      ·····n中断服务子程序n            ORG   0013Hn            AJMP  RDDn            ORG  1000HnRDD:   MOVX  A，@DPTR  ;读转换结果n            MOV  @R0，A       ;存数到缓冲区n            INC     R0               ;修改缓冲区指针n            INC     DPH             ;修改通道号（通道号加1）nREP:    MOV    A，R0n            CJNE    A，#58H，REP1   ;完成8通道采样吗？n            MOV    DPH，#78H       ;返回主程序n            RETInREP1:  MOVX   @DPTR，A        ;启动下一路转换n            RETI                      ;返回主程序信息工程学院908/25/20242) 12位逐次逼近式位逐次逼近式A/D转换器及接口转换器及接口nDA574A的逻辑控制输入信号有CE、/CS、R// /C、12// /8、A0，用以控制AD574A的启动、输出。

nSTS为AD574A的工作状态指示端，STS=1时表示转换器正处于转换状态，STS返回到0时表示A/D转换结束，该信号可作为CPU的中断或查询信号 nAD574A的输出数据格式与输入极性有关，使用时要注意其用法n单极性输入时，输入信号范围为0～ 10V(或0～20V)，输出编码为000H～FFFH，双极性输入时，输入信号范围为－5V～+5V(或-10～+10V),数据采用偏移码形式n数据格式为：  图3-22   AD574A与89S51的接口电路 P1.7信息工程学院918/25/2024n转换子程序如下(查询方式) nMOV   DRTR，#8000H nMOV   A，#00H nMOVX  @DRTR，A n;以上启动A/D转换I/O地址nSTATE:JB P1.0，STATE;查询nMOV DPTR，#8001H nMOVX A，@DPTRnMOV R2，A n;读转换结果高字节nMOV DRTR，#8003H nMOVX A，@DPTR n MOV R3，A n;读转换结果低字节 nRET CE工  作  状  态0 × ×    × × 禁止  × 1 ×    × ×        禁止 1 0 0    ×  0启动12位转换 1 0 0    ×  1    启动8位转换 1 0 1接 1脚(+5V) ×   12位并行输出有效 1 0 1接 15脚(0V)  0高8位并行输出有效 1 0 1接 15脚(0V)  1低4位加上尾上4个0有效信息工程学院928/25/2024n2．积分式．积分式A/D转换转换n1) 原理分析 K为四档电子开关，由定时器控制接点。

计数脉冲与B输出共接于负与非门，由B的H状态禁止，B＝L，开启计数器运放A,R.C按积分放大器连接,运放B为0比较器，当UA＝0时，UB＝1，否则输出0±Ui＋UREF－UREFK基准计数器RCUBUA0比较器AB++__控制逻辑CLK转换结束转换开始信息工程学院938/25/2024n变换过程如下： （1）t0时刻：K——>    使C经R放电至 [CLK禁止]； （2）t0～t1（T1）时刻： （对 条样）使 在T1时间计数值为N1，T1由定时器控制，对任意Ui都是相同的采样时间，显然Ui不同则有N1相同，以保证Uc放电时，计数器为同一起点计数 .此时， .CLK允许，设+-（3）t1～t2（T2)： 向相反方向变化，或 ，计数器从N1开始计数直到 而形成N2，显然 越大， 所需时间越长，N2也越大，即不同的 对应于不同的N2，当 ,Ub由L→H,禁止CLK，此次转换完毕，A/D转换值为N2 信息工程学院948/25/2024n转换波形如图所示： f2’’’T2’’’T1↓N1f0VC3VC2VC1Vi’Vi’’Vi’’’f2’f2’’T2’’T2’(N2’)(N2’’)(N2’’’)f1信息工程学院958/25/2024n现以T1为给定值时求的定量关系： 第一次积分： (1)这里∴与Ui总是反相的,且 ttdt信息工程学院968/25/2024第二次积分：t1时刻，K打到与Ui相反的 上，此时： （叠加原理） (2)注： 取值总与 反相。

2）式为直线方程，不同的t2有不同的 或者说 是一族斜率为 的平行直线，当 ＝0， ，则：  (3)信息工程学院978/25/2024n将（1）代入（3）有： 于是设 （T——CLK周期） ：是对于任意 以相同的时间的采样计数值由人们自行设计）从而有： (4)信息工程学院988/25/2024q显然 为从 时刻开始计数的脉冲数目，即A/D转换数值,记为N；将 代入（4）式 (5)（ 总是和 相反） 信息工程学院998/25/20242)双积分式A/D转换器及接口 n双积分式A/D转换器转换时间较长，一般大于40ms，转换结果采用BCD码、七段码和二进制码的形式输出n常见的BCD码输出的双积分A/D转换器有MC14433 ( 3位半), 、ICL7135 (4位半)等.n主要应用特性说明 n重点注意基准电压：n基准电压应外接，当模拟输入电压在 0～1.999mv时,基准电压为200mv;n当模拟输入电压在 0～1.999v时,基准电压为2v. 图3-28   MC14433结构框图 信息工程学院1008/25/2024nMC 14433与89S51的接口应用 nMC14433是以BCD码输出的A/D转换器。

n共输出千，百，十，个四位BCD码，且千位只输出0－1两个数，还并作符号当输入信号过量程时，也作过量程标志信息n引脚意义：nVDD：＋5V；VEF：－5V；VSS：DGNDnVR：基准电压；VX：输入模拟值；VAG：模地 n*：EOC（O）：转换结束标志，正脉冲有效 n     DU（I）：以新的转换结果输出控制端 n当EOC与DU相连时，可实现连续转换 EOCDU信息工程学院1018/25/2024 :当Ux过量时或 ，表示过或欠量程  ：转换结果（BCD码）输出端，千，百，十，个位不能同时输出， 仅表示当前位的BCD码  ：依次输出作为相应位的选通信号；DS2－百位；DS3－十位；DS4－个位 DS1选通的Q3～Q0有三种含义，见P69，表3－5 DS1  Q3   Q2   Q1   Q0        输出结果  1      1    ×   ×    0       千位为0  1      0    ×   ×    0       千位为1  1     ×    1    ×    0       结果为正  1     ×    0    ×    0       结果为负  1      0    ×   ×    1      过程量（|UX| > |UREF|）  1      1    ×   ×    1      欠程量（|UX| < |UREF|）信息工程学院1028/25/2024nSG14433 与89S51直接连接的电路如图所示： Q3…………P1.0P1.4P1.7INT1EAQ0DS1DS4EOCDUURUG+5V5G 140389S515G 14433VXVi………………P1.3Q3～0，DS1～4无三态输出，∴ 必须通过并行I/O口或扩展I/O口与单片机相连。

 信息工程学院1038/25/2024n四位BCD码需二个字节存放，如图所示： D7D0D1D7D0D1高字节低字节  个位十位  千位  百位可取任一位作符号位2个字节可任意存放于片内或片外用户RAM区的2个单元中，高，低字节分别存于2EH，2FH，根据电路图及字节安排，程序如下： INTT1:STEB  IT1；外设1号中断，边沿触发MOV    IE，＃10000100B；开INT1（EX1＝1）                          ……信息工程学院1048/25/2024n1号外部中断服务程序，流程如图所示： 过，欠量程（Ux未在可变化范围内）入口读入P1口（Q3～0，DS1~4）NYDS1＝1？（P1.4＝1？）NYQ0＝1？（P1.2＝1？）（2EH－D7） ← 0（2EH－D7）←1N查符号位（以D7作符号位）Q2＝1？（P1.2＝1？）Y（2EH－D4） ← 0（2EH－D4） ← 1干位处理Q3＝1？（P1.3＝1？）YN查百位有否输出以下自阅DS2＝1？（P1.5＝1？）N信息工程学院1058/25/2024n注意点： n（1）INT1为下跳沿有效；n（2）Q3～0，DS1~4分时轮流输出；n（3）EOC＝     ，表示此次转换完毕；n（4）DU＝ ，Q3～0，DS1~4更新为最近依次的转换值或EOC为 时产生的新A/D值；n（5）在EOC为L时，也是上次产生的Q3～0，DS1~4轮流输出，一边进行新一轮A/D转换，即本芯片不是即转即出的；n（6）时序关系：TEOC＝16400T，TDSX＝18T，Ti超前Ti+1两个T。

 信息工程学院1068/25/20243．串行A/D转换器与单片机的接口 n具有串行输入输出的A/D转换芯片由于接线简单、传输距离远，在工业测控系统中具有广泛的应用前景n从模数转换和数据传输的关系来说，串行A/D转换器在片内时钟电路的控制下进行模/数转换，将结果存入移位寄存器，转换结束后，在外部时钟脉冲控制下将数据逐位输出 n芯片本身对数据传输速率无严格要求n边转换边输出串行A/D转换器的模数转换过程与数据输出过程都是在外部时钟控制下同时进行的信息工程学院1078/25/2024n串行A/D转换器绝大多数采用同步传送方式（例如SPI、I2C串行总线），因此利用单片机很容易实现与串行A/D转换器的数据传输.n实现方法有两种：n其一利用单片机串行通信接口实现；n其二利用单片机位操作功能及普通I/O口实现n89S51单片机有四种工作方式，与串行A/D转换器连接时，只能采用方式0（移位寄存器方式），这种方式下波特率为CPU时钟的1/12nMAX176采用逐次逼近方式的12位A/D转换器，片内带采样保持器，采用保持时间为0.4uS，最长转换时间为3.5us信息工程学院1088/25/2024n当转换控制输入端CNVT到来一个上升沿时，片内采样保持器由采样模式变为保持模式，并启动转换过程。

n在片内时钟电路控制下进行转换nCNVT脉宽不少于4，确保转换过程结束后再变为低电平，使芯片进入数据输出过程n这时外部时钟CLK每来一个下降沿，DATA输出一位数据，数据为13位:n第一位总是为“1”作为前导位;n第二位是转换结果的符号位;n再接下来是11位数据位.n转换结果以补码形式输出，CLK第13个下降沿来时表示一个完整的转换过程结束,采样保持器又回到采样模式nMAX176数据模式 图3-31  MAX176管脚图 图3-32   MAX176操作时序 启动A/D进行A/D结束A/D输出A/D结果有效沿对准数据位元中心89S51与MAX176的连接及工作时序自阅信息工程学院1098/25/20244．．A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标n虽然A/D转换原理有多种多样，A/D转换器的结构也互不相同，尤其根据实际需要对A/D转换器的位数、速度、精度等性能要求千差万别，导致各种A/D转换器独具特色，但衡量所有A/D转换器技术指标的内容是基本相同的n（1）分辨率：分辨率越高,转换时对输入模拟信号变化的反应就越灵敏，分辨率通常用数字量的位数来表示,如8位、10位、12位、16位等。

n（2）量程：转换器能转换的模拟电压的范围n（3）精度：分为绝对精度和相对精度常用数字量的位数作为度量绝对精度的单位，如精度最低位的位，即如果满量程为10V，10位转换器的绝对精度为4.88mV若表示为绝对精度与满量程的百分比则为相对精度，如10位转换器的相对精度为0.1%n注意精度和分辨率是两个不同的概念n精度为转换后所得结果相对实际值的准确度n分辨率指的是对转换结果发生影响的最小输入量n（4）转换时间：完成一次完整转换所需要的时间n（5）输出逻辑电平：输出数据的电平形式和数据输出方式（如三态逻辑和数据是否锁存）n（6）工作温度范围：转换器在规定精度内允许的工作温度范围n（7）对基准电源的要求：基准电源精度对转换器精度有重大影响，因此应该加以考虑信息工程学院1108/25/20243.4模拟输出过程通道配置n由微型计算机决策算法产生的新的驱动量表现为数字形式，而生产过程中的设备一般是靠模拟量驱动 .n3.4.1通道基本结构通道基本结构微型计算机接口D/A转换后续环节图3-34 单对象模拟输出通道一般结构生产过程D/A转换D/A转换后续环节后续环节生产过程图3-35 多对象A/D转换器独立使用结构接口接口保持生产过程图3-36 多对象A/D转换器共享使用结构D/A转换保持后续环节后续环节多路开关信息工程学院1118/25/20243.4.2 D/A转换原理转换原理n1．D/A转换电路一般结构n权电阻网络D/A转换与R-2R T形电阻网络D/A转换是两种基本的转换方法。

n由于权电阻网络D/A转换方法采用的电阻参数种类较多（N位二进制数据必须制作N个互为2整倍阻值参数的电阻），给D/A转换器的制作带来不便，突出的困难是当位数越多时，阻值差别也越大，电阻的精度越难以保障n因此，集成电路D/A转换器多采用R-2R T形电阻网络进行D/A转换 REFVOUT输入数据IOUT-+R电阻网络 图3-37  D/A转换电路一般结构K信息工程学院1128/25/20242．D/A转换器的性能指标 n在选用D/A转换器时，应考虑的主要技术指标是分辨率、精度、输出电平和稳定时间nD/A转换器与A/D转换器的分辨率、精度的含义是基本相同的nD/A转换器输出电平的类别有电压输出型和电流输出型两种，不同型号的D/A转换器件的输出电平相差较大电流输出型的输出，低的为20mA，高的可达3An稳定时间指的是D/A转换器在输入代码作满度值的变化时（例如从00H变到FFH），其模拟输出达到稳定（一般达到离终值相当的模拟量范围内）所需的时间，一般为几十纳秒到几微妙n电流输出型的D/A转换器的稳定时间短，电压输出型D/A转换器的稳定时间主要取决于运算放大器的过渡过程 信息工程学院1138/25/20243．电阻网络D/A转换原理n设D为n位的2进制数值，将D变换为模拟量A，参照变换量记为AREF，即有 将D按权值展开,并把分配到各项,则···＋ 将式（3.20）用电路实现, 宜选 为电流，而···作为电流是否提供的控制信号，于是取。

各项乘上因子构成D/A转换的数学模型 级R-2R T型电阻网络信息工程学院1148/25/2024n对于第i项有 按级T型电阻网络D/A转换的数学模型设计的D/A转换电路如图3-38所示 VOUT-+Rf图3-38  T形电阻D/A转换电路一般结构2R2R2R2RRRR2RabcIout1Iout2或者 将经反相放大器转换成对应的模拟电压UOUT，当>0,VREF信息工程学院1158/25/20243.4.3 D/A转换器及接口设计转换器及接口设计n1．D/A转换器件的选择原则n（1）输入特性数位要匹配，即根据主机提供的数据宽度选择可以接受该宽度或可满足分辨率要求的D/A转换器；n数制对接要保障，主机多提供的数制为自然二进制，有时也有反码、偏移、补码等码制，遇到偏移、补码等码制时必须外接适当的偏置电路n（2）输出特性一般的D/A转换器采用电流输出n对于输出特性具有电流源性质的D/A转换器，用输出电压允许范围来表示由输出电路(包括简单电阻或运算放大器)造成输出电压的可变动范围，只要输出端电压在输出电压允许范围，输出电流与输入数字间就保持正确的转换关系，而与输出电压的大小无关，对于输出特性为非电流源特性的D/A转换器，无输出电压允许范围指标时，电流输出端保持公共端电流虚地，否则将破坏其转换关系。

信息工程学院1168/25/2024n（3）锁存特性及转换控制D/A转换器对输入数字量是否具有锁存功能，将直接影响与CPU的接口设计 n通过 CPU数据总线传送数字量时，必须外加锁存器n数据锁存器的增设方法归纳起来有三种，n（1）多寄存器并联，主要针对D/A转换器数据宽度或分辨率位数超出外部数据总线宽度的情况；n（2）多寄存器串联，有时需对D/A转换器的转换、输出进行外部控制，用多寄存器串联，对每一级分别设置控制逻辑，从而实现D/A转换的多级控制机制及多路D/A转换器的同步输出；n（3）多寄存器并联、串行结合，数据宽度匹配与多级控制机制同时实现   信息工程学院1178/25/2024表3-6以K位2进制循环计数值输入为例，给出了输入自然码、偏移码时基准电压、输出信号变化及与模拟输出电路结构的相互对应情况 基准电压输出信号I/V电路结构典型U-D自然码正单极性模拟输出电路-Umax—Dmax；0V—0负单极性模拟输出电路+Umax—Dmax；0V—0偏移码正双极性模拟输出电路+Umax—Dmax0V—1+（Dmax-1）/2- Umax—0负双极性模拟输出电路-Umax—Dmax0V—1+（Dmax-1）/2+Umax—0信息工程学院1188/25/2024图3-39   I/V转换的一般电路结构图，从V1端子获得的信号为单极性D/A转换输出电压信号 n令R2=R，当取R1=R3=2R时，从Vout获得的信号为双极性D/A转换输出电压信号，或主机提供的自然码转变为偏移码，原理如下 图3-39   I/V转换的一般电路结构图而0 改变基准电压VREF的极性可改变Vout的工作象限。

 信息工程学院1198/25/2024n2．D/A转换器及其接口设计n1）8位D/A转换器及接口设计n（1）0832逻辑框图8位DAC寄存器VCC8位D/A转换器UREFIOUT2IOUT1RFBAGNDDGND8位输入寄存器XFERILESDBUSWR2WR1CS信息工程学院1208/25/2024n（2）可形成三种工作方式n1.直通型：将设置控制信号使二级锁存器成为二级透明通道，所输出的信号连接性好，输入数据可以是某种特定的电压函数；n2.单缓冲工作方式：两个锁存器中选其一为选通锁存器，另一个为透明通道；n3.两组缓冲器工作方式：两个锁存器均为选通锁存器n（3）双极性二进制编码n单极性模拟信号，数字量无需带符号位，可以直接用二进制代码n双极性二进制编码是针对具有＋，－符号数据或产生＋，－两极的模拟信号的编码方式n1.符号数值（或原码法）：一般以最高位为符号位，“＋”为0，“－”为1；n2.补码法：符号与原码符号相同，除符号位外求反加一；n3.偏移二进制码法：将0V对应于D的中间值，大于中间值为>0V的模拟电压，小于中间值的则对应<0V的模拟电压信息工程学院1218/25/2024表3-7           DAC0832的工作方式与控制信号例状态组合的对应关系、、工作方式注释双缓冲1  00各占用一个控制端口，数据分时递进，尤其适用多模拟信号同时输出。

单缓冲1000输入寄存器锁存，DAC寄存器透明  1000输入寄存器透明，DAC寄存器锁存100接在一起同时控制，输入寄存器、DAC寄存器同时锁存直通10000输入寄存器、DAC寄存器同时透明信息工程学院1228/25/2024n由P2.2(A10)和P2.1(A9)作为地址选择，DAC0832的口地址为0600H89S51运行如下程序，Vout输出正的锯齿波（见表3-6自然码栏）n             MOV   DPTR，#0600H    ；0832的口地址n             MOV    A，#00HnLOOP：MOVX  @DPTR，A        ；输出到0832n             INC     An            AJMP   LOOP图3-41  DAC0832与             89S51的接口 89S51信息工程学院1238/25/20242）12位D/A转换器及其接口设计n以主机对外数据总线宽度是8位为例，12位D/A转换器的分辨率大于8位，要使12位数据同步进入D/A转换器必须采取具有并联机制的数位匹配方法n数据同步刷新是D/A转换的基本要求，否则会出现中间量，给控制对象造成危害。

 D0~3Q0~3CLKD0~7Q0~7CLKD0~7Q0~7CLKB1~4B5~12P0P03P2.6P2.7++89S51VDDRFBIOUT1IOUT2VREF-+VOUT+5V图3-42  AD7521与8031的接口电路AD7521信息工程学院1248/25/2024n执行以下程序，可实现12位数据的D/A转换nMOV   DPTR，#0BFFFH  ；设置低8位预置寄存器地址nMOV   A，#LDATA      ；取低8位数据nMOVX  @DPTR,  A      ；送低8位数据至预置寄存器nMOV   DPTR，#07FFFH  ；设置高4位、低8位同时刷新地址nMOV   A，#HDATA     ；取高4位数据nMOVX  @DPTR,  A     ；DAC12位数据被同时刷新n······n为适用高分辨率、多方式输入控制的要求，各内置寄存器按并联、串联相结合的方式互联nDAC1230是典型锁存器内置的12位D/A转换器，内部结构见图3-43 信息工程学院1258/25/2024图3-43   DAC1230结构框图 信息工程学院1268/25/2024n接口程序如下：nMOV   DPIR，#8001HnMOV  A, # DAH           ;DAC数字量高8位nMOV  @DPTR，AnMOV  DPTR，#8000HnMOV  A，#DAL          ；DAC数字低四位，其中最低四位为0nMOVX  @DPTR, AnMOV  @DPTR, #8002HnMOVX  @DPTR, A         ;刷新输出（与A中值无关） 图3-50   DAC1230与89S51的接口电路 89S51信息工程学院1278/25/2024第第4 4章章 数据采集与处理技术数据采集与处理技术n§4.1 数据采集系统概述数据采集系统概述n4.1.1 数据采集系统概念数据采集系统概念 n数数据据采采集集包包含含了了连连续续量量和和开开关关量量两两种种不不同同性性质质的的信信号号检检测测和和处处理理，，方法不一样方法不一样. . n4．1.2 基本功能n1．  具有分时，巡回检测或指定检测功能（多通道）；n2．  对采集的数据具有检查和处理能力：n        检查：分有效性和越限两种；n        处理：数字滤波，线性矫正，量纲变化等。

n3．  声光报警功能：提示操作人员进行人工干预；信息工程学院1288/25/2024n4．  存贮采集的数据；n5．  定时或按需随时打印采集的数据；n6.具有实时时钟，该时钟作用：n（1）保证系统能具备定时中断功能；n（2）确定采集数据的周期；n（3）显示和打印采集时同时显示和打印此刻的时，分，秒，操作，操作员可据此对采集结果进行时间分析，或作分析参考；n7．有监控功能：可随时接收键盘输入的命令，以达到随时选择采集，显示，打印之目的n●采集系统基本程序体系由主程和时间中断服务程序两部分构成n主程:为监控系统，实施对键盘与显示器管理（B I0S），流程如图所示： 信息工程学院1298/25/2024启动初始化开中断调显示延时20ms读键盘显示读键盘YN有键按下？数键处理功能1功能N功能2YYNN…有键按下？数键否？信息工程学院1308/25/2024n时间中断服务程序:n主要功能n（1）时，分，秒计时；n（2）时间显示；n（3）采样时间间隔；n（4）定时功能启动，如定时打印，定时显示，定时接通/关断，定时脉冲发出等；n（5）由于为各通道分时采样所以要进行通道计数；n（6）采集存贮当前通道的数据；n（7）数据处理：滤波，非线性矫正，量纲转变，有效性检查，越界检查等；n(8) 报警：当数据越界后，进行声光报警。

 信息工程学院1318/25/2024定时中断入口时，分，秒计数时间显示采样时间间隔计数采集存贮一个通道数据通道号计数显示检测结果数据处理YN最后一个通道？报警YN数据超限？打印Y返回NN打印时间到？采样时间到？信息工程学院1328/25/2024n4.1.3 设计数据采集系统应考虑的一些问题 n纯模拟量采集系统的设计重点考虑n1) 分辨率和精度 ; 2) 采集的模拟量通道数 ;3) 采样周期 n纯开关量采集系统的设计重点考虑n1）状态电平匹配;2）开关量数据采集的通道数;3）采集实施方案选择n4.2  模拟数据采集技术 ——模拟数据采集电路 图4-2INTX信息工程学院1338/25/20244.2.2 模拟数据采集方式及软件流程图 n模拟数据采样的特点是:数据由A/D转换器提供； CPU何时获取转换结果由A/D转换器的EOC提供即采集软件与采样电路有关.n1)数据采集的控制方式 n根据微机控制系统的接口原理及A／D转换时间的长短、系统工作速度的要求等，常见的采集控制方式有延时、查询、中断、DMA等四种 n① 延时方式 n当采集系统实时性要求不高并且已知A/D的转换时间时，可以采用先启动A/D转换器然后通过程序延时最后读转换结果的方式。

n其余3种方式自阅,请注意EOC信号连接的变化. 信息工程学院1348/25/2024nMov dptr,#78ffhnmov r0,#8nmov r1,#30hnnext:mov r2,#25nmovx @dptr,andjnz r2,$nmovx a, @dptrnmov @r1,aninc r1ninc dphndjnz r0,nextnret 信息工程学院1358/25/20242)数据采集软件的流程图 读键盘启动初始化开中断等待开中断打印键?打印其他功能键处理中断返回数据采集完毕?数据处理显示？越限 报警开中断中断返回NYNa) 主程序B)键盘中断程序C) 定时中断图4-7 数据采集的基本程序框图YNY信息工程学院1368/25/20244.2.3 模拟量数据采集的预处理方法 n1 有效性检查（Pmin～Pmax）n（1）电路故障：如传感器（测量元件），放大器，变速器（接口器件），通道器件等故障，将导致无效数据，即使A/D数据大于Pmax或小于Pmin；n（2）转送线路开路； n（3）输入端超限量输入 n为保证系统的可靠性，常采用有效性检查方法n检查标准：电流4～20mA，电压1～5Vn经检查A/D数据不在上述范围，计算机可产生报警或显示故障通道号等。

n检查算法：设Pmax为有效值上限，Pmin为有效值下限，算法流程如图所示： 信息工程学院1378/25/2024入口读入D显故障通道号报警置数据有效标志返回置上限标志N置下限标志NYD>PmaxD

n适用流量：压力等会出现周期波动的物理量检测滤波，通常：流量取N＝12；压力取N＝4n4.加权平均滤波: n5.中值滤波:x1，x2，x3分别为三次采样值，取其中的中间值为本次有效采样值(滤波实现的51机程序见P99)n6.防脉冲干扰的算术平均滤波（群体裁判法）:去最大，最小，剩下的求平均值，作为本次滤波输出n7.惯性滤波：利用数字滤波器模拟RC低通滤波器的输入输出的数学关系，以代替实际RC难以完成的大R，大C滤波效果虚拟现实）n低通RC网络离散化数学模型为： 信息工程学院1418/25/2024n     ：本次采样值；     ：本次滤波值；       ：上次滤波值nRC是根据干扰信号频率来选择的所以值与干扰频率相关采样周期，数字化RC滤波网络RC滤波时间常数其中： 图4-9　RC滤波器信息工程学院1428/25/2024n小结：数字滤波与硬件RC网络滤波各有其优缺点，可以独用，也可合用依据对象选择方法如下：n（1）温度等慢变化过程的对象，可采用限幅，限速或惯性；n（2）压力，流量变化过程较快的对象，可采用算术平均法；n（3）检测精度较高的系统，可采用复合数字滤波法nl   若方法选择不当，有时会将有用信号滤除。

信息工程学院1438/25/20244.3 模拟数据采集系统的数据后处理技术n4.3.1工程量标度变换工程量标度变换n生产过程中的各个参数都有着不同的量纲，这些参数首先由测量仪表转换生产过程中的各个参数都有着不同的量纲，这些参数首先由测量仪表转换成模拟电信号，再经过成模拟电信号，再经过A／／D转换后成为相应的数字量转换后成为相应的数字量n这些数字量仅仅代表参数值的大小，并不一定就是原来带有量纲的参数值这些数字量仅仅代表参数值的大小，并不一定就是原来带有量纲的参数值n为了能直接显示或打印被测工程量值，必须把它们转换成有量纲的数值，为了能直接显示或打印被测工程量值，必须把它们转换成有量纲的数值，这种转换称为标度转换，也称为工程转换这种转换称为标度转换，也称为工程转换n标度转换有线性和非线性之分标度转换有线性和非线性之分n1）线性参数标度转换）线性参数标度转换n对于一般的线性仪表来说，标度转换的公式为：对于一般的线性仪表来说，标度转换的公式为：A0—一次测量仪表的下限；Am—一次测量仪表的上限；Ax—转换后的实际值；N0—仪表下限所对应的数字量；Nm—仪表上限所对应的数字量；Nx—测量值对应的数字量。

当A0=0,N0=0时信息工程学院1448/25/2024例4-1 某热处理炉温度测量仪表（线性）的量程为200-800℃，在某一时刻采样经数字滤波后的数字量为CDH，求此时的温度值是多少？ n解：A0=200℃，Am=800℃，Nx=CDH=205, Nm=FFH=255 2）非线性参数标度转换微型机从模拟量输入通道得到的有关过程参数信号与该信号所代表的物理量不一定成线性关系，则其标度变换式应根据具体问题具体分析例:用压差法测量流量，从差压传感器来的信号ΔP与实际流量G成平方根关系，即K为比例系数，与流体的性质及节流装置尺寸有关 信息工程学院1458/25/2024测量流量的标度变换公式为 nGx—被测流量值；nGmax—流量仪表的上限值；nGmin一流量仪表的下限值；nNx—差压变送器所测得的差压值(数字量)；nNmax—差压变送器上限所对应的数字量；nNmin—差压变送下限所对应的数字量n式(4.10)为流量测量中标度变换的通用表达式n其中有开方运算，利用计算机进行数值开方有级数展开法、牛顿迭代法等方法，具体方法请参阅有关数值分析的文献资料4.10)信息工程学院1468/25/20244.3.2线性化处理线性化处理n1.查表法n原理是：设有非线性关系的两个参数A和B，现要根据参数A取参数B数值。

过程如下n（1）造表根据需要确立参数A的起始值A0及等差变化值N有n            Ai=A0土iN，    i＝0，l，2，…，n                        (4.12)n确定一块连续内存区，设其地址为T0，T1，…，Tn ，Ti与Ti+1之间的关系可按某些规律算法确定，但一般为了编程方便，通常是按顺序递增或递减的关系，即Ti+1＝Ti+M，M是参数B在计算机中存贮值的字节数n将对应参数Ai和Bi值存入相应的Ti内存区，当Bi为多字节时，应先从低字节存起n（2）查表设有待查参数Am，由i=(Am一A0)／N，有n           Ti=T±iM                                             (4.13)n从内存Ti处连续取M字节数据，即为参数Am对应的Bm值  信息工程学院1478/25/20242.用数学表达式换算 n各种热电偶的温度与热电势的关系都可以用高次算式来表达，即n                                                              (4.14)n                      Tx—温度；n                      Ex—热电偶的测量热电势；nao，a1，…，an—系数。

n实际应用时方程所取项数和各项系数取决于热电偶的类型和测量范围，一般取n≤4n将上式略加修改，可得到如下形式：n                                                          (4.15)n上式有利于编制程序 信息工程学院1488/25/20243.折线近似及线性插值（用得最多最广泛方法） 也叫分段线性拟合方式（逼近方式） 为了对T-E进行线性拟合，可通过实验分段测出一些T-E值，如图中T4E1T2T5ExT1T3T6TxE2E3E5E4E6ET是实验测出的准确值，点与点之间的温度值，可按如下三点式线性方程求得：信息工程学院1498/25/2024n注意点：两种方法的Ex，可按工程量的线性转换法求得取Emax=En,Emin=En-1,Nmax=Nn,Nmin=Nn-1,Nx=N(Ex),于是：折点号0    1   2   3   4    5   6     7   8温度T(0C)400  460  520  580  640  700  760  820  880热电势E(mv)16.4018.9421.5025.05 26.60 29.13 31.6434.10 36.53显然，折点取得越多越密，计算出（拟合）的精度越多。

例：将上述                       ，按          一段划分成10段，经实验测得各折点的T-E值如表所示信息工程学院1508/25/2024例：已知测得 ，查表知 处于7、8折点之间，即有： 于是相应： 对照热电耦材料查分读表有 ，相对于误差为： 曲线分段的方法主要有两种： (1)等距分段法 (2)非等距分段法 信息工程学院1518/25/2024n3．2.5 上，下限检查 n工作原理与有效性检查基本相同n不同之处：有效检查，以标准电平为上，下限；上，下限检查以给定电平为限n上，下限电平在有效性检查电平以内，如果所示，超出上，下限可输出，报警信号及越限标志上，下限电平检查范围有 效性 检查 范围信息工程学院1528/25/20244.5虚拟仪器及其应用基础n4.5.1虚拟仪器概述虚拟仪器概述n虚拟仪器是一种以微型计算机硬件和数据采集电路为基础，以微虚拟仪器是一种以微型计算机硬件和数据采集电路为基础，以微型计算机数据采集、分析、处理及可视化等软件技术为核心，利型计算机数据采集、分析、处理及可视化等软件技术为核心，利用计算机显示器虚拟仪器面板的测量仪器，是仪器仪表技术与计用计算机显示器虚拟仪器面板的测量仪器，是仪器仪表技术与计算机虚拟技术相结合的产物。

算机虚拟技术相结合的产物n仪器功能方面的特征有仪器功能方面的特征有n（（1）虚拟仪器是一种创新的计算机仪器，而非传统意义上的具体）虚拟仪器是一种创新的计算机仪器，而非传统意义上的具体仪器，它是一种功能意义上而非物理意义上的仪器，仪器功能可仪器，它是一种功能意义上而非物理意义上的仪器，仪器功能可由用户软件定义，柔性结构，灵活组态，给了用户一个充分发挥由用户软件定义，柔性结构，灵活组态，给了用户一个充分发挥自己能力和想象力的空间自己能力和想象力的空间n（（2）一台计算机被设计成多台不同功能的测量仪器，能集多种功）一台计算机被设计成多台不同功能的测量仪器，能集多种功能于一体，构成多功能和多用途的综合仪器，极大地丰富和增强能于一体，构成多功能和多用途的综合仪器，极大地丰富和增强了传统仪器的功能了传统仪器的功能n（（3）由于计算机有极其丰富的软件资源，极高的运算速度和庞大）由于计算机有极其丰富的软件资源，极高的运算速度和庞大的存储空间，对测量数据有强大的分析和处理能力，可以进行快的存储空间，对测量数据有强大的分析和处理能力，可以进行快捷、实时的处理，也可以将数据存储起来，以供需要时调出分析捷、实时的处理，也可以将数据存储起来，以供需要时调出分析之用。

这种能力所引伸出的仪器功能，在传统仪器中是不可能具之用这种能力所引伸出的仪器功能，在传统仪器中是不可能具有的信息工程学院1538/25/20244.5.2虚拟仪器的一般结构虚拟仪器的一般结构现场总线设备VXI仪器串行口仪器PLCGPIB接口仪器GPIB接口卡信号调理数据采集卡DAQ图像采集 卡DSPPC机/工作站测控对象测量与分析软件Lab VIEW（VEE）Lab Windows/CVICommponent work HiQVirtual Bench IVI传统编程语言Visual C++Visual BasicC++ BuilderDelphi等工业自动化软件Bridge VIEWLockoutCommponent work图4-13 虚拟仪器的典型体系结构虚拟仪器是由PC机或笔记本电脑、相关仪器应用软件和专用仪器组件组成 虚拟仪器硬件通常包括基础硬件平台和外围测试硬件设备，它们共同组成通用仪器硬件平台 作为通用硬件平台具备两种基本仪器的功能：1.采集信号，构成各种信号检测仪器；2.产生信号，构成各种信号发生器或者两者同时兼而有之 在虚拟仪器中,数据采集（DAQ）板是主要硬件之一 信息工程学院1548/25/2024GPIB仪器串口仪器VXI/PXI仪器DAQ卡IMAG卡IEEE488-2VXI/VISADAQ驱动IMAG驱动仪器驱动软件驱动仪器功能实现软件测试监督软件OLE DLLSQC测试报告SPC测试管理层测试软件层仪器驱动层I/O接口层仪器硬件图4-14  虚拟仪器软件结构信息工程学院1558/25/2024n（1）I/O接口层nI/O接口软件位于仪器硬件设备（即I/O接口设备）与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器寄存器进行直接存取数据操作，并为仪器设备与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件，是实现虚拟仪器系统的基础。

nVXI/VISA（Virtual Istrumentation Sofrware  Architecture）库实质就是标准的I/O函数库及其相关规范的总称，一般称这个I/O函数库为VXI/VISA库n它驻留于计算机系统之中，执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，用来实现对仪器的控制n对于仪器驱动程序开发者来说，VXI/VISA库是一个可调用的操作函数库或集合n（2）仪器层驱动n仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序集合，它负责处理与某一专门仪器通信和控制的具体过程，将底层的复杂的硬件操作隐蔽起来，封装了复杂的仪器编程细节，为用户使用仪器提供了简单的函数调用接口，是应用程序实现仪器控制的桥梁n用户在应用程序中调用仪器驱动程序，进行仪器系统的操作与设计，简化了用户的开发工作信息工程学院1568/25/2024n（3）测试软件层n在虚拟仪器的软件结构中，测试软件是建立在仪器驱动程序之上的上层软件，用户可通过写测试程序来定义虚拟仪器的功能，即通过设计直观、友好的软面板及丰富的数据分析与处理能力，来实现仪器的测量功能n（4）测试管理层n测试管理层用于考量仪器功能实现状况,如产生测试报告,通过SQC监督测量质量,通过SPC监督测量过程.DLL为动态链接库。

信息工程学院1578/25/2024第第5章章 数字控制器的设计数字控制器的设计n数字控制器是自动控制系统中的控制策略内容，分别有间接数字控制器和直接数字控制器等n间接数字控制器中应用最广泛的控制器是PID（Proportional、Integral和Differential的缩写）控制器，特点是结构简单，参数易于整定，技术成熟n直接数字控制器常用的有最少拍无差系统、最少拍无波纹系统、变换法以及纯滞后对象的控制算法——大林算法等信息工程学院1588/25/2024n■控制系统分连续和离散两种n■PID控制是连续系统理论中技术成熟、应用广泛的一种n■计算机用于自动控制系统应用广泛的控制算法是PID控制算法，相当多的工业对象能够获得较满意的效果n■PID算法优点n1）PID算法可演义出多种控制算法以适用不同的控制对象，如P控制器、I控制器、PI控制器、PID控制器等n2）参数整定方便：主要指初始值的设置，可采用试验法、试凑法等，而不需要根据`控制对象的精确数学模型计算n3）易于离散及程序实现n4）由P、I、D算法构成的控制器都是线性控制器n             控制器输出的e（t）= r（t）— y（t）5.1 PID控制器设计信息工程学院1598/25/2024§5.1.1   模拟PID控制规律n1.  比例（P）控制器n●最简单控制器，实际上是增益可调整放大器，即有 u（t）= Kp· e（t）n u（t）——控制器输出 Kp——比例系数 n e（t）——控制器输入e（t）控制器 （kp）u（t）e（t）u（t）y（t）信息工程学院1608/25/2024y（t）y（t）u（t）e（t）r（t）Kp被控对象反馈通道总是朝着e（t）趋近0的方向调节，但永远不能等于零例：若偏差e（t）为一个阶跃信号，则比例控制器的响应关系如图所示t0e(t)u（t）Kp>1Kp=1Kp<1e（t）01信息工程学院1618/25/2024n静差：控制过程稳定时，r（t）与y（t）之差，即静态偏差。

n系统稳定是u（t）不为0的稳定，否则无法产生y（t）n 当维持系统稳定的u（t）一定是要减少e（t），只能加大Kpn Kp过大，系统动态品质变坏：被控量振荡直至系统不稳定n Kp 大小要兼顾静差小、动态品质好两方面因素n 比例控制器虽然简单、快速，但仅有比例控制器的系统存在静差信息工程学院1628/25/20242.  比例、积分（PI）控制器n消除静差的办法是在P基础上加I，构成PI控制器，规律为n            u（t）=Kp[e（t）+（1/TI）e（t）dt]  n                        =Kp·e（t）+ Kp ·（1/TI）e（t）dt  n  TI—积分时间.系统方块图如图所示+     -u（t）PI被控对象输入通道y（t）yCF (t)e（t）R(t)信息工程学院1638/25/2024n由图可知在PI控制器的输入端产生的信号为：t0时刻是kpe(t)，过了t0，在kpe(t)基础上积分项使u(t)斜线上升n当e（t）不为0，e（t）在PI中的累积，影响u（t）进而将使y（t）趋近R（t），减少偏差直到e（t）=0，控制作用不再变化，系统达到稳定。

n●PI控制器可清除系统静差 PI控制系统对e（t）为阶跃信号的响应波形如下图所示：t0e(t)e(t0)tt0u(t)tTIKp(比例部分)TI’’’TI’’TI’’uI(t)部分TI’信息工程学院1648/25/2024nl  TI为积分时间：nTI↑，u(t)→kpe(t)，即积分项作用越小，超调↓，稳定性↑，适宜温度等滞后较大控制对象的控制nTI↓，积分作用大，速度快，u(t)↑，适宜管道压力、流量等滞后不大的对象n所以，TI也要根据对象选择n注意：加入积分控制时，比例控制量要适当降低，为积分控制量腾出作用空间 信息工程学院1658/25/20243.3.比例积分微分PIDPID控制器控制器 nPI器虽然可以消除静差，但它是以降低响应速度为代价的，而且TI越大，代价越高n在实际控制系统中，人们不但要求静差可以为0，而且还要求有尽可能快地实现抑制静差出现的能力，或者说希望超前消除静差即在静差刚出现还没有发生作用，就立即消除n采用的方法：在PI基础上再加一级D（微分）环节，构成PID调节器，控制规律为其中 为微分环节 信息工程学院1668/25/2024nud(t)与偏差的变化率成正比，当e(t)无变化时，ud(t)=0。

ne(t)有微小变化，则产生ud(t) ，从而u(t)也产生变化，变化方向总是抵消有e(t)变化带给u(t)的变化，由此使得静差被迅速抑制nPID控制器对e(t)阶跃的响应状态如图所示t0e(t)e(t0)tt0tKp(比例部分)微分（D）积分信息工程学院1678/25/2024n在t0处e(t)变化最快，因而ud(t)作用最大，使得u(t)在t0处出现一个尖锐脉冲，用于迅速抑制静差；nt0之后e(t)处于平稳态，所以ud(t)=0；nuI(t)在uP(t)的基础上积累上升，直到最后消除静差n从动态性能上说，加快系统的动作速度，缩短了调整时间，即系统的动态性能也得到改善信息工程学院1688/25/20245 5．．1.2 PID1.2 PID控制规律数字化实现算法控制规律数字化实现算法 n计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量n要利用计算机控制，必须将连续量变成离散量n离散过程：称为连续控制参数的离散化处理，或量化处理，或数字化处理n具体实施：对连续量进行定时采样（A/D变换），经计算机处理得到离散量，经D/A变换，形成连续的控制量加到对象上n作为具体的数字PID控制，仅是一种PID计算公式，即将来自对象的控制参数以及一些系统固定参数代入公式得出结果，该结果使得控制对象按某一规律变化，这一规律就是所谓PID调节规律，称之为数字PID控制（调节）算法。

信息工程学院1698/25/2024n5.2.1 5.2.1 模拟模拟PIDPID控制规律的离散化处理控制规律的离散化处理 n数字PID算法是由模拟PID调节公式离散而来的.n离散原理：如图所示，将y(t)按等长时间间隔采样，任意采样时间表示为：ty(t)1T2T4T3T5T…………y(1T)y(2T)y(kT)kT经采样后的y(t)为y(kT)信息工程学院1708/25/2024+y(t)—y(kT)e(kT)控制对象u(kT)PID执行机构=R(kT)r(t)S/HT.即有 信息工程学院1718/25/2024t1T2T4T3T5T…………E(kT)或e(kT)kTe(t)kTTe(t)e(kT)e((k-1)T)T信息工程学院1728/25/2024n因为，T为选定的常数，所以以k代kT使公式简化表示，于是 (5-6) 其中 ——积分系数， ——微分系数  e(k)——第k次采样的输入偏差， u(k)——第k次采样计算机输出的控制量， e(k-1)——第k-1次采样的输入偏差  计算机输出u(k)直接控制执行机构，即执行机构在 u(k) 的指定位置，称之为位置式PID控制算法。

 该方法缺点：①一旦计算机出故障，执行机构也会随之作故障变化;②求u(k)要作累加运算，计算量大，时间长，对快速系统将影响实时性和精确度 信息工程学院1738/25/2024n改进方法：变位置式为增量式PID算法，即每次向执行机构送增量(△u(k)）,与此次采样前保留下来的控制量一起调节执行机构，控制被控对象的求法如下： 信息工程学院1748/25/2024n也可以整理为： 其中， ,结论：只要知道前两次及本次采样的偏差，并可方便求出△u(k) 本方法可用于如步进电机，闸门开度等的控制，如图所示， u(k)y(t)y(k)e(k)△u(k)R(t)S/HT控制对象PID,△u(k)∫步进电机执行机构信息工程学院1758/25/2024 PID调节器只输出 ，而 ，即在计算机外要有 的积累器件，可以独立维持控制结果的原件，如步进电机带动阀们等 若以步进电机带动阀门，每给一次 ，步进电机走一步，使阀门出现相应的开度， 越大，开度越大，而计算机不输出 时，开度仍维持（步进电机不复位，而是累积 的转动步数）软件实现方法:如果仍用计算机实现增量式u(k)输出，则有 增量式PID控制算法优点：(1)由于计算机每次只输出△u(k) ，机器发生故障时影响小；(2)可实现手动——自动的无扰动切换；(3)无累加计算。

P118，图5-7是位置式PID控制算法程序框图；P119图5-9是增量式PID控制算法程序框图 信息工程学院1768/25/20245.1.3 PID5.1.3 PID控制算法改进控制算法改进1.1.积分分离积分分离PIDPID算式（针对启动、停止、大幅增减算式（针对启动、停止、大幅增减R(t)R(t)）） 标准PID算法，在系统启动、停止、大幅增减设定值（r(t)）时，在短时间内会产生很大的e(t)，致使PID中积分积累（或积分值上升 ） P、D无滞留作用，I有滞留作用，使得三种时刻的控制量超过执行机构最大动作范围对应的极限控制量，最终引起系统较大超调，以至振荡，这对于某些对象上不允许的  为防止三时刻的积分效应，利用计算机的优势，设置一个门限偏差e0，在PID算式中给积分项乘以权因子 ，于是  积分项取消： 积分项引入： 积分分离式PID程序流图见图5-10 信息工程学院1778/25/2024n2.2.不完全微分不完全微分PIDPID控制算法控制算法 e0e0普通PID积分分离PIDy(k)y(∞)kT 微分环节，主要是用于改善系统的动态特性，作用为1)加快启动速度；2）对干扰特别敏感。

  普通PID中微分环节作用时间特别短，这样对于一些大惯性对象或过渡过程迟钝、缓慢的执行机构，或对象，微分控制量持续时间已过去或微分控制量已消失，系统还不能启动，如温控系统，火车启动系统等 图5-11  积分分离式PID控制效果信息工程学院1788/25/2024n被控制量突然变化，ud(t)作用时间短无法达到使被控量拉回到u(t)值，或还没有拉回几已消失n解决办法：增加ud(t)的保持时间n实施措施：在ud(t)环节加低通滤波器如此，一方面可保证启动所需要时间，另一方面可控制高频干扰注：低通滤波器是根据RC低通原理用软件实现 在微分环节加RC低通滤波器，原理如图： Ud(t)RC信息工程学院1798/25/2024，由此有 为消去 进行拉氏变换 令 信息工程学院1808/25/2024反拉氏变换有 离散处理有 代入上式有 信息工程学院1818/25/2024再令 所以，有 比较普通 多了 项，并且原kD也降为 不完全微分的ud(k)设对不完全微分项加的 e(t)为阶跃信号，与普通ud(t)项比较（阶跃e(t)离散后为e(k)） 对阶跃e(k)，当 k<0,e(k)=0,k>=0,e(k)=1或=c 普通PID： e(k)0 112k-1-2信息工程学院1828/25/2024不完全PID： 由       ，所以            随k的增加，         是逐渐衰减收敛的，即微分量是均匀输出，即可保证作用时间，又不会使系统产生振荡。

普通PID加阶跃的响应如图： pIDpID算法框图见图5-12所示，计算式自己推导 信息工程学院1838/25/2024n3.  微分先行微分先行PID算法算法 y(t)—y’(t)r(t)+e(t) PI  D++u(t)y(s)—y’(s)r(s)+e(s)Kp(1+1/sTI)  1+TDSu(s)信息工程学院1848/25/2024离散处理： 注意： 信息工程学院1858/25/2024本式表明： 不仅与e(k)、e(k-1)有关,还与y(k)、y(k-1)、y(k-2)有关，减小了r(t)变化的影响 信息工程学院1868/25/2024n4.4.带死带死区的区的PIDPID控制控制n利用计算机的优势，实现利用计算机的优势，实现e(k)e(k)在给定范围的控制在给定范围的控制n设置置e e0 0为给定范定范围的幅度，能的幅度，能产生生u(k)u(k)的偏差的偏差为e e’’(k)(k)当前偏差当前偏差为e(k)e(k)，，三者关系如下：三者关系如下：  程序框图如图5-15所示优点：可减少系统频繁动作 产生与e’（k）对应的u（k）0-e0+e0不产生u（k）信息工程学院1878/25/2024在t0启动处up(t)是基础，而up(t)=kpe(t)，所以，Kp↑,up(t)↑,加快系统的响应速度，有利于减小静差，e(t)=up(t)/kp,up(t)一定时，kp↑,可使e(t)↓，但kp过大又使up(t)过大，甚至超过允许的u(t)，从而使系统加大超调，（被控对象超过期望的稳定值很多）导致振荡，系统不稳定。

 Kp过大Kp较好Kp过小5.1.4 数字数字PID控制器参数整定控制器参数整定 n整定确定kP、kI、kD、Tn生产过程时间长，而采样周期短，一般参照模拟控制器的整定方式进行分析和综合n1. PID调节器参数对控制性能的影响调节器参数对控制性能的影响 nP、I、D各参数对系统的特性影响如图n（表现在控制量u(t)的变化上） DIPt0信息工程学院1888/25/2024：有式可知， 有利于减小超调尤其是在T0处，对 的贡献下降，不由与 的加入而产生超调，从而抑制振荡，提高系统的稳定性，但静差的消除随之变慢 TI1TI2TI3TI1< TI2< TI3y(∞)y(∞)∆t∆t很小,对被控对象无影响由图可知在t0处 所以Td越大对u(t0)的贡献越大，从而有利于加速系统的响应，但由于 作用时间短，基本不会由此加大超调量和影响稳定性 对y(t)噪音具有较好抑制能力，从而提高了系统稳定TD过大对通道干扰信号也会产生误动作，因此而降低了系统抗干扰能力 信息工程学院1898/25/2024n一.试凑法过程：比例——积分——微分n1、kp整定：u(t)只取比例项，将kp由小到大变化，过渡过程n中，若                         ,且静差又达到要求，则可只用比例控制器调节。

n2、若在4：1情况下，静差                                                               n不能满足要求，则加I环节，整定时，先将比例系数减小10～20%，以补偿加I后可能产生的超调及不稳定性，然后由大到小调节TIn所要达到的目的：动态性能良好，静差消除  y(t)maxr(t)y(t)稳3、       ，可提高动态性能，但稳定性变差，         ，有利于减小超调，但动态过程会受影响，所以经上两步后，动态过程仍不能令人满意时，可加D环节，TD由小到大变化，同时调kp, TI，逐步凑出满意的控制效果和控制参数2. PID参数的简易工程法整定信息工程学院1908/25/2024n注：所有系统包括同类系统都不要求有相同的TI，TD，KP，均以达到控制效果的TI，TD，KP为准n常见对象的TI，TD，KP参数选择有表可查n二.扩充临界比例度法（模拟临界比例度法的扩充）n(1)选择T：纯滞后时间（τ）的1/10以下（足够小的采样周期Tmin）n(2)以Tmin为采样周期，在纯比例控制器下，使       直到系统出现等幅振荡（见图5-20,此时的kp，记为kr，等幅振荡周期记为Tr） (3)选择控制度， （数偏与模偏的相近度），一般设置：当控制度为1.05时，数、模控制效果是相同的，控制度，数字控制质量。

 信息工程学院1918/25/2024n(4)由控制度确定T、KP、TI、Td见表5-1（P126）n(5)再用试凑法，调整T、KP、TI、Td以获得更为满意的数值n例：如图为DDC系统，控制对象的滞后时间为10s，试整定其参数 被控对象y（t）u（t）e（t）r（t）Py（t）+-1)选择最小采样周期 2)去掉I、D环节使 直到系统出现等幅振荡，其Tr=10s，kp=kr=10 信息工程学院1928/25/20243)控制度选为1.054)控制度为1.05，查表5-3有 三.扩充响应曲线法：如图,根据开环系统对阶跃响应曲线，找出等效纯滞后时间τ，及系统等效时间常数Tm，然后再根据所选控制度，初步确定T、KP、TI、TD，投入运行后，再根据控制效果，修正参数，直到满意为止该方法公式表见P127 表5-2. Tmτy(∞)信息工程学院1938/25/2024第6章   顺序与数字程序控制技术顺序与数字程序控制技术n6.1顺序控制概述顺序控制概述 n顺序控制是生产过程中常用的一种控制技术，它按照预先确定好的程序及时间控制某一过程从一个工步向下一个工步依次执行n顺序控制:指生产设备及生产过程根据生产工艺要求，按照逻辑运算、顺序操作、定时和计数等规则，通过预先编好的程序，在现场输入信号作用下，使执行机构按预定程序动作实现开关为主的自动控制。

n顺序控制器分为继电器控制装置、半导体逻辑控制装置、可编程控制器三大类型 n1. 1. 继电器控制装置器控制装置 n继电器控制装置是根据控制对象的特点及工艺要求，先计算出输出与各输入条件的逻辑关系式，再按该逻辑关系式把一定数量的继电器、接触器、开关及其它电器的相关触点用导线连接成相应的控制电路，从而达到自动顺序控制的目的  信息工程学院1948/25/2024n2 2．半导体逻辑顺序控制装置．半导体逻辑顺序控制装置 n将半导体逻辑元器件（如二极管、三极管、门电路、触发器及CPU芯片等）按一定的逻辑运算关系在印制电路板上连接成顺序控制系统就称为半导体逻辑顺序控制装置 n该类系统中采用了大量的半导体非接触性元器件及集成电路芯片，具有体积小、可靠性好、噪音小、自动化程度高、功耗低、功能强等优点 n3 3．可编程顺序控制器（．可编程顺序控制器（PLCPLC）） n该类顺序控制器把CPU、I/O、程序存储器、数字存储器等元器件集成在同一个控制器中；n特别是针对其工作的工业环境，强化了其I/O接口的数量、种类及功能，使控制器不需扩展就具有带多种负载的能力 信息工程学院1958/25/20246．．2 顺序控制工作原理及设计步骤顺序控制工作原理及设计步骤 n1 1顺序控制的特点顺序控制的特点 n①顺序控制系统的输入、输出信号以开关量信号为主n②控制系统逻辑关系较为复杂 n在顺序控制系统的工作过程中，控制对象的工作状态需由检测电路将相应检测信号（往往有多个信息）传递给CPU，CPU依据原先植入的算法程序进行逻辑运算后，再决定将控制对象导入何种工步工作。

n③控制程序客观 n④顺序控制系统要求可靠性高 n6 6．．2 2．．2 2 微机微机顺序序控制系统的设计与实现步骤控制系统的设计与实现步骤 n①①总体方案体方案论证信息工程学院1968/25/2024②②系系统总体体结构构设计确定系统由哪些模块组成，各模块的功能顺序控确定系统由哪些模块组成，各模块的功能顺序控制系统的一般结构如图制系统的一般结构如图6-1所示n③③根据顺序控制的任务作出生产工序及工艺参数表根据顺序控制的任务作出生产工序及工艺参数表 n找出每个生产工序或步骤所对应的控制信号及相关触发信号的关系，并做成表格形式n制作生产工序及工艺参数表时，尤其要注意各种相关的参数，既要尽量全面，又不能相互发生冲突n④④作出系统工作的机械运动原理图及软件流程图作出系统工作的机械运动原理图及软件流程图 n⑤⑤硬件、软件设计硬件、软件设计 ⑥⑥制作样机制作样机 ⑦⑦仿真调试仿真调试 ⑧ ⑧ 成型成型信号检测执行机构输出电路输出接口输入接口输入电路　被控对象　控制计算机操作台报　警显　示图6-1 典型微机顺序控制系统信息工程学院1978/25/20246.1.3 微型计算机剪板系统设计微型计算机剪板系统设计n1.自动剪板机工作过程自动剪板机工作过程 图6-2 剪切机机械原理图信息工程学院1988/25/2024n2.2.执行机构的安排执行机构的安排n剪切刀由电机剪切刀由电机M1M1带动，经凸轮机构转化为上下剪切运动；压块运动由液带动，经凸轮机构转化为上下剪切运动；压块运动由液压缸压缸M2M2带动，当电磁阀带动，当电磁阀P1.3P1.3通电时，液压缸通电时，液压缸M2M2的活塞伸出，带动压块压的活塞伸出，带动压块压紧板料；送料动作由电动机紧板料；送料动作由电动机M3M3执行，执行，M3M3转动时通过带轮带动输送带输送转动时通过带轮带动输送带输送板料；小车的运动方向由双向电动机板料；小车的运动方向由双向电动机M4M4控制，电机正转时小车驶向剪切控制，电机正转时小车驶向剪切机，反之则远离剪切机。

除液压缸机，反之则远离剪切机除液压缸M2M2外，其它的电动机全采用继电器控外，其它的电动机全采用继电器控制n3.3.剪板机的生产工艺及工序表剪板机的生产工艺及工序表工序P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4M1M2M3M4剪切0  0  1  0  0  1  0  00压块0  0  0  1 0 0  100送料0  0  0  0  1  0  0  10小车前进1  00000001小车后退0  1 0  0 0 0 001小车刹车1  10  0  0  0  001小车静止0  00  0  0  0  001信息工程学院1998/25/2024图6-4 剪切机控制电路原理图 P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0光耦驱动光耦驱动光耦驱动光耦驱动光耦驱动光耦驱动P0P2.2~P2.0光耦光耦光耦光耦光耦光耦74LS373Q7~0D7~0开关量开关量开关量开关量开关量开关量ALEPSENOERDP2.789S514.剪板机的硬件电路工作原理 信息工程学院2008/25/2024程序初始化读入SA6状态SA6＝0？启动小车读入SA5状态小车到位否？SSRE通电，板料左行读入SA1状态板料到位否？压块下降读SA2、SA3状态压块压紧否？剪切刀下降读SA3、SA4压块、剪切刀复位否？TFD=0？压块上升读TFD图6-3 剪板机控制系统软件流程图NNYYYNNNYYYN5.剪板机控制系统软件流程信息工程学院2018/25/20246.2 数字程序控制技术数字程序控制技术 n6.2.1  概述概述 n数字程序控制是指控制系统根据某一输入指令所规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等，使该系统完成规定工作的一种控制。

n 7．1．1  数字程序控制原理 n数控机床按三步完成 工件加工:n(1)曲线分割.将所需加工的轮廓曲线，依据保证线段所连的曲线(或折线)与原图形的误差在允许范围之内的原则分割成机床能够加工的曲线线段如图7-1所示.n(2)插补计算.根据给定的各曲线段的起点、终点坐标（即a、b、c、d各点坐标），以一定的规律定出一系列中间点，要求用这些中间点所连接的曲线段必须以一定的精度逼近给定的线段 n(3)脉冲分配.根据插补运算过程中定出的各中间点，对x、y方向分配脉冲信号，以控制步进电机的旋转方向、速度及转动的角度，步进电机带动刀具，从而加工出所要求的轮廓 abcdXY图7-1  曲线分段 信息工程学院2028/25/20242.  数字程序控制方式 n1)按控制对象的运动轨迹分类 n（1）点位控制n点位控制只要求控制机床的移动部件从一点准确移动到另一点如数控钻床、数控镗床、数控冲床等 n（2）直线切削控制 n这种控制除了要控制点到点的准确定位外，还要控制两相关点之间的移动速度和路线，运动路线只是相对于某一直角坐标轴作平行移动，且在运动过程中能以指定的进给速度进行切削加工n需要这类控制的有数控铣床、数控车床、数控磨床、加工中心等。

n（3）轮廓切削控制 n控制刀具沿工件轮廓曲线不断地运动，并在运动过程中将工件加工成某一形状 n这种方式是借助于插补器进行的，插补器根据加工的工件轮廓向每一坐标轴分配速度指令，以获得给定坐标点之间的中间点  信息工程学院2038/25/20242）开环和闭环数字程序控制 n(1)闭环数字程序控制 n这种控制方式的执行机构可采用交流或直流伺服电机作为驱动元件，反馈测量元件采用光电编码器、光栅、感应同步器等，在工作中反馈测量元件随时检测移动部件的实际位移量，及时反馈给数控系统并与插补运算所得到的指令信号进行比较，其差值又作为伺服驱动的控制信号，进而带动移动部件消除位移误差 计算机伺服电机驱动电路D/A伺服电机工作台测量元件图6-6 闭环数字程序控制信息工程学院2048/25/2024(2) 开环数字程序控制 n这种控制系统与闭环数字程序控制方式的最大不同之处在于没有反馈检测元件，一般由步进电机作为驱动装置n步进电机根据指令脉冲作相应的旋转，把刀具移动到与指令脉冲相当的位置，至于刀具是否准确到达了指令脉冲规定的位置，不受任何检测，因此这种控制的精度基本上由步进电机和传动装置来决定 步进电机驱动电路步进电机工作台计算机图7-3 开环数字程序控制信息工程学院2058/25/20246.2.2 逐点直线与圆弧插补原理逐点直线与圆弧插补原理  n早期的硬件数控系统（NC）都采用硬件的数字逻辑电路来完成插补工作。

在计算机数控系统（CNC）中，插补工作一般由软件来完成，有些数控系统的插补工作是由软硬件配合完成n软件插补法可分为基准脉冲插补法和数据采样插补法n基准脉冲插补算法广泛应用在以步进电动机为驱动装置的开环数控系统中n基准脉冲插补(即分配脉冲的计算)在计算过程中不断向各个坐标轴发出进给脉冲，驱动坐标轴电动机运动n目前尽管闭环数控系统已广泛使用，但以步进电动机驱动的开环控制系统仍在经济型数控机床和一些控制精度要求不高的场合得到大量使用   n顺序控制为线性控制（仅是操作顺序控制），而数控主要用于二维平面定位控制实用例子，如数控钻床，车床，铣床等总称为数控机床n数控方法主要用于加工复杂形状的零件，平面刺绣等n加工时的已知条件是：起点，终点，另加轨迹，如直线，弧线等n根据已知条件，要完成要求的轨迹形状加工，主要采用插补计算法n最常用的是直线插补法：n1)逐点比较插补计算法（逐点比较法）n2)数字积分插补计算法（数字积分法） 信息工程学院2068/25/2024n1.  逐点比较插补法n在给定的轨迹情况下，每运动一步，都和轨迹比较，以确定运动方向，从而一点一点逼近给定轨迹，如图6-8所示. n逐点比较法既可以作直线插补，又可以作圆弧插补 .n图6-8中曲线AB是需要插补的曲线。

n刀具运动的轨迹用函数          表述 .n设这种关系为nF(x,y)<0   刀具在曲线的上方nF(x,y)=0    刀具在曲线的上 nF(x,y)>0   刀具在曲线的下方 nF(x,y)反映了刀具偏离曲线的情况，因此称为偏差函数  n逐点比较法的流程图如图6-9 所示， 图6-8逐点比较插补法进 给偏差计算偏差判别图6－9　逐点比较法的流程图终点判别结束NY信息工程学院2078/25/2024n一个插补循环包括偏差判别、进给、偏差计算、终点判别四个节拍各节拍的功能如下n①偏差判别：判别偏差函数的正、负，以确定刀具相对于所加工曲线的位置n②进给：根据偏差判别的结果确定刀具的进给向误差最小的方向移动n③ 偏差计算：依据建立的偏差函数计算出刀具在新位置上偏离给定曲线的偏差值，为下一个循环做好准备n④ 终点判别：判断刀具是否到达曲线的终点如果刀具已到达曲线的终点，插补工作结束；如果刀具未到达曲线的终点，则返回到节拍①继续插补信息工程学院2088/25/2024n凡直线上的点均有Fm=0； l 凡 直 线 以 下 点 ， 令 为                                                                   ， 必 定 有                                                                                                                                          ：直线以上点，令为： ， 结论：根据所建立的上述表达式有：Fm>0，在直线上方，Fm=0，在直线上方，Fm<0，在直线下方。

 2．逐点比较法直线插补xmym●●●m m(X Xm m, , Y Ym m) )●A(xe, ye)图6-10 第一象限内的直线m’m”xyO1)第一象限内的直线插补(1)建立偏差函数 信息工程学院2098/25/2024n逐点法是依据以上数学原理，判出点在直线的哪个位置后，然后确定下一步的走向，这叫走一步，看一步，直到 例：当前点 使Fn<0，在直线下方，则下一步应将刀具行进方向指向上方，即沿+y方向走一步；若Fn>0，上方，则刀具向+x方向走一步 N’’(xn’’,yn’’)N’ (xn’,yn’)Fn>0刀 具 沿 +x方向走一步Fn<0刀具沿+y方向走一步信息工程学院2108/25/2024n按上述方法每求一次Fm，都要进行二次乘法运算，为了简化，均采用6.2，6.3式递推公式 以第一象限为例,当Fm<0时有:下一步沿+y方向走一步， 当Fn>0，下一步沿＋x方向走一步 Fm=0，按Fm>0处理，∴ 当m=0时，x0=y0=0，∴ F0=0，即刀具沿＋x方向走一步 (2)进给与偏差计算 信息工程学院2118/25/2024n(3)终点判别方法 ①坐标比较法：每走一步比较一次直至 同时成立； ②.计数法： ⅰ.分别设x，y计数器，初值设为xe，ye，当刀具往+x或＋y方向每进一步，相应计数器减1，直到2个计数器值全部为0； ⅱ.x-y联合计数：以xe+ye为初值（进给总步数），x，y任意方向每走一步，总步数减1，直至为0。

此方式只要一个计数器 信息工程学院2128/25/2024n插补计算的过程如下图所示： 偏差判别Fn<0?或Fn≥0?坐标进给(+x行进或+Y行进)终点判别，计数器∑＝0？偏差计算Fn+1启动结束是否∑△x∑△yxe△xye△yxeye初值xe初值ye(xe,ye)(ⅰ)的示意图∑(△x+△y)初值xe+ye(ⅱ)的示意图信息工程学院2138/25/2024n2）四个象限的直线插补 (见图6-11,表6-2)n其他象限直线插补的偏差判别及进给方向可类推，如第二象限，Fm判别结果第一象限相同，Fm判别后仅将＋x方向改为沿－x方向便可n3）直线插补计算的程序实现Fm≥0?≥0?Fm+1=Fm+ xeFm+1=Fm - ye NXY-1结结 束束NYNY图6-12 第一象限直线插补计算程序流程图NXY=0?+x+x走步走步+y走步走步FM=0，XE←xe，YE←ye，NXY←Nxy信息工程学院2148/25/2024n4）直线插补计算举例： n设给定加工轨迹为第一象限直线，OB将起点吻合到原点，终点坐标为（5，3），试进行插补计算 :n(1）采用联合计数终点判别法，则计数器初值为5＋3＝8；n(2）起点步进方向：由于Xe>Ye, 起点步进方向为＋x方向； （3）起点偏差，由于起点是（0，0）， ，从 第0点到第1点，沿＋x方向步进； 第1点与直线的偏差为 在直线以下，下一点在沿＋y方向上，同时计数值8－1＝7； 第2点： ，第三点在沿＋x方向上，计数值7－1＝6，其它各点情况见表6－3，插补轨迹见图6－3（P161） 信息工程学院2158/25/2024n3.逐点比较法圆弧插补n1) 第一象限内顺圆弧插补n基本思路与直线插补法相同，每行进一步都要和给定轨迹比较。

n①偏差函数   C(x0, y0)D(xe, ye)m(xm, ym)x xy y0 0图6-14 一象限顺圆弧Fm＝0，表明加工点m在圆弧上；Fm>0，表明加工点在圆弧外；Fm<0，表明加工点在圆弧内 ②坐标进给、偏差计算 当Fm≥0，为了逼近圆弧，下一步应向-y方向进给一步至(m+1)点，其坐标值为 信息工程学院2168/25/2024新的加工点的偏差为n若Fm<0，为了逼近圆弧，下一步应向方向进给一步至(m+1)点，其坐标值为新的加工点的偏差为终点判别：方法同前所述，不过  信息工程学院2178/25/20242）第一象限内逆圆弧插补 n如图6-15所示为第一象限逆圆弧AB，圆弧的圆心在坐标原点，起点为A(x0,y0)，终点为B(xe,ye),设加工点现处于 m(xm,ym).n对于Fm≥0,采用的偏差函数为●●●om(xm,ym)B(xe,ye)RmRA(x0,y0)yx图6-15 第一象限逆圆弧Fm<0则3）四个象限的圆弧插补6-16图 四个象限的圆弧插补相应的偏差计算函数,进给方向及坐标计算参见表6-4信息工程学院2188/25/2024n4)圆弧插补计算的程序实现  ,刀具从起点出发沿－x方向步进一步,下一步刀具←；  ,下一步刀具↑；  ，下一步刀具↑；                                                                                     ,下一步刀具↑；设加工第一象限逆时针圆弧AB， A点坐标在圆周上，即有Fn＝0；步进数＝6＋6＝12，各点的走向与偏差，新点坐标的计算如下： 信息工程学院2198/25/2024 ，下一步刀具↑；  ，下一步刀具←；  ，下一步刀具↑； …………其他步由同学们自己推算,刀具的轨迹如图所示.书上例子的起点不在坐标轴上. (6,0)n=1n=7n=6n=4n=3n=2n=5n=8(0,6)一象限顺圆弧插补计算程序流程图见图6-17.一象限逆圆及其他象限、逆顺圆弧插补计算程序流程图大同小异。

信息工程学院2208/25/20246.3电机控制及其接口技术n顺序控制系统和数字程序控制系统中应用较多的是小功率直流电机和步进电机两大类n6.3.1小功率直流电机及控制小功率直流电机及控制n1．结构与PWM调速原理目前主要使用永磁式和他励式永磁式多用于伺服控制，励磁式用于动力控制a) 直流电机结构示意图t1t2T脉冲信号转速最大值max最小值Vmin平均值d(b)　直流电机控制曲线图6-23 脉冲宽度调速原理通电断电通电断电信息工程学院2218/25/2024n设电机永远接通电源，其转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为电压(U)通电断电t1t2T时间(t)OO平均速度(d)max0.51占空比D图6-24　平均速度与占空比的关系改变电枢电压的极性，电机随时改变转向 2．小功率直流电机PWM调速实现1）开环PWM调速系统占空比D设置宽度脉冲产生驱动器电子开关直流电机图6-25 开环PWM调速系统的一般结构信息工程学院2228/25/2024n（1）占空比D的设置占空比D的设置是根据速度要求来进行的n控制程序运行时，控制脉冲周期和占空比均可通过系统交互通道设置与修改。

确定控制脉冲的周期T后，占空比D可由人通过键盘设置和调整；反之，确定好D后也可由人通过键盘设置和调整Tn（2）宽度脉冲产生宽度脉冲可按两种情况产生n①按键盘提供的D产生脉冲宽度，即t1=TD，而Vd=vmax·D，电机速度直接由D调整n②给定要求的速度Vd，计算机按D= Vd /vmax求出占空比而获得t1n（3）驱动器端子控制信号的驱动器通常由组合逻辑电路、过功率放大器（或继电器）、隔离电路等组成；而数据控制信号的驱动器包括D/A转换器、功率放大器、隔离电路等 n（4）电子开关可以是功率晶体管、功率场效应管，也可以是各类继电器等 n（5）直流电机  信息工程学院2238/25/2024n按电路设计，0832的端口地址为3000H，PWM调速程序设计如下nDAMOD: MOV     DPTR,  #3000H ;指向0832n                MOV     A,  #80H       ;输出0V电平n                MOVX   @DPTR,  A     n               ACALL   DELAY1         ;调用t2延时程序n               MOV    A,  #0FFH        ;输出+5V电平n               MOVX   @DPTR,  A     n               ACALL   DELAY2         ;调用t1延时程序n               AJMP    DAMOD         ;循环控制ABCP2。

6P24LS138Y6CSP0D0～D7WRWR1WR2VCCIIE+5VXFERRFBIOUT1IOUT2--+++5V-5V+10V-10V10K10K5K10K10KT1T2DM1/2LM3240832图6-26 小功率直流电机开环PWM调速实例电路利用89S51-0832结构实现小功率直流电机开环PWM调速的系统 信息工程学院2248/25/20242）闭环PWM调速系统n为了提高电机调速系统的精度，常采用闭环PWM调速系统闭环系统是在开环系统的基础上增加了电机速度检测回路，组成一个闭环的负反馈系统，将检测到的速度和给定值进行比较，以决定调速的方向图6-27给出了这种系统的电路原理图n把给定转速NR与实际转速NC进行比较，如果NR>NC,就接通电源,以提高电机转速; 如果 NR

  n1.步进电机工作原理n三相步进电机定子有三对磁极共6个齿；其转子有4个齿，分别称为0、l、2、3齿n直流电源U通过开关A、B、C分别对步进电机的A、B、C相绕组轮流通电n初始状态时，开关A接通， 则 A相磁极和转子的0、2号齿对齐，同时转子的1、3号齿和B、C相磁极形成错齿状态n当开关A断开，B接通，由于B 相绕组和转子的1、3号齿之间的磁力线作用，使得转子的l、3号齿和B相磁极对齐，则转子的0、2号齿就和A、C相绕组磁极形成错齿状态图6-28三相反应式步进电机工作原理分析图开关B断开，C接通，由于C相绕组和转子0、2号齿之间的磁力线的作用，使得转子0、2号齿和C相磁极对齐，这时转子的l、3号齿和A、B相绕组磁极产生错齿信息工程学院2268/25/2024一个步进电机，如果它的转子的齿数为Z，它的齿距角θZ为 n而步进电机运行N拍可使转子转动一个齿距位置实际上，步进电机每一拍就执行一次步进，其步距角可表示如下：采用三拍方式，则它的步距角是 转子有40个齿且采用三拍方式的步进电机，其步距角是2.步进电机的控制原理1)步进电机控制接口Y轴步进电机X轴步进电机微型计算机        PA0        PA1        PA28255        PB0        PB1        PB2驱动电路驱动电路图6-29 两台三相步进电机控制接口电路图信息工程学院2278/25/20242) 步进电机控制的输出字表n假定数据输出为“1”时，相应的绕组通电；为“0”时，相应的绕组断电。

n若要控制步进电机正转，则按ADXl→ADX2→…→ADX6和ADYl→ADY2→ …→ADY6顺序向PA口和PB口送输出字即可；n若要控制步进电机反转，则按相反的顺序送输出字  X轴步进电机输出字表Y轴步进电机输出字表存储地址编号PA口输出字存储地址编号PB口输出字ADXl00000001=01HADYl00000001=01HADX200000011=03HADY200000011=03HADX300000010=02HADY300000010=02HADX400000110=06HADY400000110=06HADX500000100=04HADY500000100=04HADX600000101=05HADY600000101=05H表 6-7 三相六拍控制方式输出字表信息工程学院2288/25/20243.步进电机控制程序设计NNYYNNYNNNYYYYADX、ADY分别指向输出字表首址ZF=1，2？取ADX单元的输出字并送PA口取ADY单元的输出字并送PB口ZF=1？ADY=表首 ZF=3？ADY是表首？ADX是表首？ADY是表尾？ADX是表尾？ADY=ADY+1ADY=表尾ADX=表尾延  时ADX=ADX-1ADY=ADY-1ADX=ADX+1ADX=表首 图6-30 步进电机三相六拍走步控制程序流程信息工程学院2298/25/2024第第7章章 智能控制基础智能控制基础n智能控制技术是针对实际系统存在非线性、不确定性、时变性和不完全性等因素，而传统的闭环控制、近代控制及大系统控制等的理论和方法对这些因素的处理难以获得满意效果的情况下发展起来的，它是人工智能和自动控制相结合的学科，既是智能科学的一个新应用领域，又是控制学科的新发展。

n从本质上看，智能控制是一种企图让机器仿真人的思维方式、生理结构，仿真生物演化过程和动物脑神经活动等去实现对被控对象更高层次控制的科学.n就目前的研究范围而言，其基础内容主要有三个方面：模糊控制，遗传控制，神经网络控制信息工程学院2308/25/20247.1 模糊控制基础模糊控制基础n“模糊”是人类感知万物，获取知识，思维推理，决策实施的重要特征n“模糊”比“清晰”拥有更大的信息容量，内涵更丰富，更符合客观世界n模糊控制理论是由美国加利福尼亚大学教授Zadeg L A于1965年首先提出，74年英国Mamdani EH研发出第一个模糊控制器n模糊控制以模糊数学为基础，用语言规则表示方法和先进的微机技术，通过模糊推理进行决策n模糊控制技术由模糊数学、计算机科学、人工智能、知识工程等多门学科相互渗透，且理论性很强的科学技术信息工程学院2318/25/20247.1.1 模糊控制理论基础模糊控制理论基础 n1. 模糊集合：模糊集合：n在不同程度上具有某种特定属性的所有元素的总和叫做模糊集合，用A表示n例：胖子就是模糊集合，它是指不同程度发胖的人，没有明确界线，某物体大也是模集，可以说成是一点点大，一般大，很大，最大等。

n普通集合：元素具有清晰的内涵和外延，如可用特征函数来描述，某事件是否属于某集合，是则为1，否则为0n模糊事物直接用特征函数来表示其属性是不恰当的，因特征函数只有两种结果0，1n将表示属性的特征函数取值0、1改为对[0，1]闭区间取值，此时属性的特征函数可在0~1之间取无穷多个值，即将属性特征函数演示成可以无穷取值的连续逻辑函数——描述模糊集合的特征函数为区别于普通集合，将其称为隶属函数信息工程学院2328/25/2024n隶属函数是模糊数学中最基本，最重要的概念n隶属函数：用于描述模糊集合，并在[0，1]闭区间连续取值的特征函数，用           表示nA——模糊集合，x——隶属A的元素 隶属函数使人们可以把元素对模糊集合的归属程度恰当地表示出来 05 10 15 20 25 301X(年龄)uA(x)~~~例：青年是一个集合，用普通集合A表示有                                    ，属于A的特征函数表为~信息工程学院2338/25/2024n如果用模糊集合A表示，隶属函数可表示 05 10 15 20 25 301X(年龄)uA(x)35~~~~~~~模糊集合没有明确边界，只能有一种描述方法——隶属函数描述.模糊集合的进一步定义：设给定论域X为A的论域，对于                 x对A的隶属函数用          表示,映射关系为，~信息工程学院2348/25/2024nuA(x)称为x关于A的隶属函数,即为x对于A的隶属度，即x属于A程度。

特征函数与隶属函数之间值域区别及关系 2)特征函数 2.模糊集合的表达方式 1)有限论域 ~1)或⊆~~3)当 仅取0，1两个值时 转换特征函数（有的称为退化） ~~~~~~~有论域X，且 ，则X上的模糊集合A可表示为 ~~~~信息工程学院2358/25/2024（单点表示方式） 其中 为隶属度，xi为论域中~的元素，当时，该项可以略去 ~例： ~注：以上仅为符号表示方式，而不是分式求和，分母为论域X中元素，分子为分母属于A的程度 ~(2)向量表示法： ~~~~=(1，0.9，0.4，0.2，0) (3)序偶表示法： ~~~=(（1，a），（0.9，b），（0.4，c），（0.2，d），（0，e）)信息工程学院2368/25/20242）有限连续论域n设X为有限连续论域，则X上的模糊集合   可以用解析法表示，即隶属函数用解析式描述，例“青年”的解析式表达为 3）无限论域积分号不是高等数学中的积分意义，也不是求和号，而是表示各个元素与隶属度对应的一个总括形式 信息工程学院2378/25/20243．模糊集合的运算 n模糊子集与隶属函数为一一对应关系,因此,模糊集合的运算通过隶属函数的运算来实现。

 运算名称集合运算式子隶属函数运算式子空集＝Φ＝0等集子集并集 交集补集＝∪∪= max[,] ＝＝∩＝∩= min[,] ＝ ＝1- 信息工程学院2388/25/2024模糊集运算的基本性质(见表7-2)n与普通集合运算相似，满足交换、吸收、分配、结合、摩根等律，但唯不满足互补律，即,~~~~式中 ——全体元素， ——空集（无元素） 例：设 则 ~~~~~~信息工程学院2398/25/2024n4. 隶属函数确定方法隶属函数确定方法n隶属函数的确定方法应该是反映客观模糊现象的具体特点，要符合客观规律，而不是客观臆想的n建立隶属函数又是一种主观行为，不同专家，从不同侧面观察、理解，对模糊现象的认识是存在偏差的n同一个模糊概念会出现不同的隶属函数确定方法，或建立起完全不同隶属函数n本质结果相同：对于同一模糊信息问题信息工程学院2408/25/2024n(1)模糊统计法n模糊统计和随机统计是两种完全不同的方法n随机统计是对肯定性事件发生频率进行统计，统计结果称为概率n模糊统计是对模糊事件的可能性程度进行统计，结果为隶属度n模糊统计实验：在论域X中给出一个元素x，再考虑n个有模糊集合A属性的普通集合A*，以及x对A*的归属次数。

X对A*的归属次数和n的比值就是统计出来的元素对A是隶属函数：~~~当n足够大时， 是一个稳定的值 ~信息工程学院2418/25/2024解：选20位评委（n=20）分别提出“中等身材”最适宜的高度范围，组成普通集合A*，假定20位评委确定的A*为： 1.60~1.69,1.63~1.70,1.65~1.75,1.56~1.70,1.62~1.73 1.65~1.72,1.64~1.73,1.60~1.69,1.69~1.75,1.69~1.78 1.60~1.71,1.63~1.73,1.63~1.78,1.61~1.72,1.64~1.721.67~1.78,1.60~1.70,1.68~1.78,1.61~1.73,1.62~1.72 评委提出的高度数据有14个，最小1.56，最大1.78 根据14个数据在A*中出现的次数，各高度属于“中等身材”这个模糊集合的隶属度可分别求解如下 例 ： 已 知 20个 人 的 高 度 ， 以 m表 示 时 ， 分 别 是1.50,1.55,1.56,1.60,1.61,1.64,1.65,1.69,1.70,1.71,1.73,1.75,1.77,1.78,1.80,1.84,1.90,1.91,1.94,1.98。

设 A=“中等身材”，求1.64属于A的隶属度 ~~信息工程学院2428/25/2024~~~~~~~~~~~~信息工程学院2438/25/2024所以，对“中等身材”的A，单点表示如下 隶属函数曲线如图红线所示 .1.55 1.601.651.701.75 1.800.10.20.30.40.50.60.70.80.910~00 单点轨迹形状基本和三角形形状逼近 , 如图中黑三角线.近似用三角形的解析式表达.信息工程学院2448/25/20242）专家经验法n专家经验法是根据专家的实际经验给出模糊信息的处理算式或权系数值来确定隶属函数的一种方法n专家经验越成熟，实践时间和次数越多，则按此专家经验确定的隶属函数的应用效果越好n3）典型隶属函数法n隶属函数是模糊集合在有限连续论域的一种解析表达方式n当人们知道论域中关于某模糊子集的一些元素的隶属度时,尤其是一些关键元素的隶属度时,如某些元素的隶属度为1, 某些元素的隶属度为拐点0等,且基本了解关键点之间元素的隶属函数值轨迹的基本形状,则一般不需刻意去进行大量实验确定隶属函数，只需在已有的各种典型隶属函数中选择形状最相近的进行逼近实验、调试便可。

信息工程学院2458/25/2024常用的逼近规则有n（1）三角形规则的隶属函数，见图7.2n（2）梯形规则的隶属函数,见图7.3n（3）指数型规则的隶属函数,见图7.4    1图7-2  三角形规则的隶属函数X0                             0                     1图7-3  梯形规则的隶属函数X0             1              0             1图7-4  指数型规则的隶属函数X宽度调节参数 信息工程学院2468/25/20245. 模糊关系模糊关系 n(1) 关系n客观世界的各事物之间普遍存在联系，描写事物之间联系的数学模型之一就是关系（常用R表示） <1>关系的概念：若R是集合X到集合Y 的普通关系，则对任意 都只能有以下两种情况 x与y有某种关系，记为xRy，x与y无某种关系，记为  <2>直积集，由X到Y的关系R，也可用序偶（x,y）来表示，因此存在关系R的序偶可以构成一个R集（序对） 将X中各元素依次与Y中各元素配对所成的序偶集合称之为X和Y的直积集（笛卡儿积），记为 信息工程学院2478/25/2024n将其中的xRy的（x,y）构成R，显然  即R是 的子集 例：有集合A和B分别是A={1，3，5}，B={2，4，6} 若选择A元素大于B元素序偶所组成集合R，则有 <3>几个常见关系设有一个关系R，若对           ，都有xRX，即集合的每一个元素x都与自身存在这一关系，则称R具自返性关系，比如由具有血缘关系的兄弟构成一个集合，即该集合的每个成员与该集合存在血缘关系（但父子关系不具有自返性）。

信息工程学院2488/25/2024传递性关系:一个X中的关系R，若对 ，具有xRy，yRz，则必有xRz兄弟、同族关系具有传递性，但父子关系不具有传递性 (2)模糊关系 ~ 设           为X、Y的直积集，R是          的一个模糊子集，记为                                 ，即R可由 刻划 ~~~ 的值代表序偶（x,y）具有关系R的程度 ~~对称性关系:一个X中的关系R，对于 ，若有xRy，必有yRx， 即满足这一关系的两个元素的地位可以对调，则称R为具有对称性关系兄弟、朋友关系具有对称性，父子关系不具有对称性 信息工程学院2498/25/2024n例：设X=Y={1，5，7，9，20}，R是X上的模糊关系“大得多”，直积空间有25个序偶，其中x比y“大得多”的序偶主要有（5，1），（7，1），（9，1），（20，1），（7，5），（9，5），（20，5），（9，7），（20，7）（20，9）以（20，1）为参照，即（20，1）是x，y的最大差值，令值为1，其余各序偶假定通过某方法确定得“x比y大得多”的程度分别如表所示，相应的模糊矩阵为 1  5  7 9 20 1 0  0  0 0  0 50.5    0       0 0  0 7  0.70.1  0 0  0 90.80.30.1  0  020   10.950.9 0.85  0Yx~信息工程学院2508/25/2024一般只要给出直积空间 中模糊集合关于R的隶属函数 ， X到Y的模糊关系R也就确定了。

 ~~~自返性;一个模糊关系R，若对 ,都有 ，即每一个元素x与自身隶属模糊关系R的程度为1，称为R为具有自返性的模糊关系 ~~~对称性:一个模糊关系R，若 ,均有 即（x，y）（y，x）隶属R的程度相同，则R是具有对称性的模糊关系 ~~~~~传递性：一个R，若 ，均有 称R具有传递性 ~~~~~信息工程学院2518/25/2024n6.模糊矩阵（模糊关系的具体表现形式） (模糊关系一定是模糊矩阵刻划,但模糊矩阵不一定是模糊关系.)~又记为~设                  ，                ，当m=n（方阵）时，模糊矩阵的交、并、补运算为                               ~~其中 ~ 的R用 矩阵表示称为“模糊矩阵”  ~信息工程学院2528/25/2024n4)合成运算n又称“运算，用于表示两个模糊矩阵合成或相乘（与线代同），只是积项取小，加项取大 ，其中 ~~~例：设  ,，有 ~~设                ，                    ，           为R,但                        即                                                        ，i=1,2,3……m，j=1,2,3……l ~~~~~信息工程学院2538/25/2024若 ,~~~~，所以一般 ~~~~其中而信息工程学院2548/25/2024例：设 ,~~注：R的行数必须等于A的维数才能变换。

 ~~将A通过R变换成B，即 ~~~~则称 为一个模糊变换，所得B是一个唯一n维模糊向量， ~~~，即由 维模糊矩阵表示的模糊关系 ~7.模糊变换（以模糊关系阵作为变换基） 设 是 m 维模糊向量，而 ~信息工程学院2558/25/2024以模糊矩阵合成运算所执行的模糊变换在控制上意义重大 ~~~以上变换过程中，将A视为输入量论域U的模糊向量；B视为输出量论域W上的模糊向量，R视为输入输出论域U和W之间的模糊关系，即B是由A通过R而得到的模糊输出向量或输出控制模糊量 ~~~~~信息工程学院2568/25/20247.1.2 7.1.2 模糊控制模糊控制应用基用基础 n1. 模糊命题n在二值逻辑中，一个命题不真则假，反之亦然（但在实际中大多数问题是不能用二个结果来确认的）n模糊命题是清晰命题概念的推广，清晰命题的真假相当于普通集合中元素的特征函数，而模糊命题的真值在[0，1]中取值，相当于隶属函数值n模糊命题的一般形式n例：“电机转速偏高”，“负载电流过大”，“温度较底”n*“转速”，“电流”，“温度”为模糊变量——xn*“偏高”，“过大”，“较低”均为模糊集合——n将 用隶属度表示可写成 信息工程学院2578/25/20242．模糊命题真值运算n模糊命题的真值在[0,1]闭区间上连续取值，其运算特点是有纯逻辑的，纯算术的，更多的是逻辑与算术混合运算，统称模糊命题的真值运算为连续性逻辑运算。

 ＝1-aa运算名称运算公式运算名称运算公式逻辑并a∪b＝max（a，b）逻辑交a∩b＝min（a，b）逻辑非限界差a ⊖ b＝0∪（a－b）限界和a ⊕ b＝1∩（a＋b）限界积a ⊗ b＝0∪（a＋b－1）蕴涵      b＝1∩（1－a＋b）等价       b＝（1－a＋b）∩（1－b＋a）例例7．．4  设a＝0.7，b＝0.8，试求限界差、限界和、限界积及等价程度解：a⊖b＝0∪（0.7－0.8）＝0；       a⊕b＝1∩（0.7+0.8）＝1       a⊗b＝0∪（0.7＋0.8－1）＝0.5       a⇔b＝（1－0.7＋0.8）∩（1－0.8＋0.7）＝0.9信息工程学院2588/25/20243．模糊语言n模糊语言是模糊控制关系的表达工具，涉及语言变量、语言真值、语言算子及模糊语句等n模糊语言应用的工作内容主要有语言变量、语言真值的选择与符号化，修饰词汇的选择及量化，句型选择与关系公式化n1）语言变量与语言真值n凡具有量含义的名词均可作为语言变量，如年龄、体重、温度、电压、速度等表示语言变量程度的词汇称为语言真值，即模糊集合，如小、大、高、快、慢、青年、老年等。

n语言真值分为原始项和合成项两类，原始项是表示语言真值的最小单位，例如少年、青年、中年、壮年、老年等 n合成项可以由原始项和语气算子、否定词、联接词等组成n语言真值之间的联系规则称为词法规则，常用的词法规则有交、并、非n设          是两个语言真值，  信息工程学院2598/25/2024n2)2)语言算子言算子 （1）语气算子 （定量是A） 强化 H4  H3  H2H1.5极其 非常 很相当淡化 H0.8H0.6H0.4H0.2比较 略为少许 有点常用Hλ表例： 又例：对于60岁的人，属于“极老”、“很老”、“较老”、“略老”的隶属度分别可表为： 信息工程学院2608/25/2024n（2）模糊化算子：把一个明确的单词转化为模糊量词的算子称为模糊化算子n例：设模糊算子为F，对于某些物数目确切为8，认为是8则为判断正确，可记为逻辑1，不认为是8，则判断出错，可记为逻辑0以估计的口气说，可以说成是“大约为8”、“大概是8”、“近似为8”，显然“8”被模糊了，而“大约”、“大概”称为模糊算子，一般记为F（8）n在模糊控制中，采样的输入值总是精确量，要实现模糊控制，首先必须把采样的精确值进行模糊化。

模糊化实际上就是用模糊算子来实现的n（3）判定化算子：“属于”、“接近于”、“倾向与”、“多半是”等均属于判定化算子 ~信息工程学院2618/25/2024n将模糊词转化为明确量词的算子称为判定化算子 0.5为阈值,属于0.5及其以上的为1,反之为0.例： ~~3)模糊语句（1）模糊命题的逻辑运算规则及实现模糊命题的基本运算规则有逻辑交、并、非运算 ，“x是 ”、“y是 ”分别记为（a）、（b）： ①逻辑交： 表示“x是a且y是b”，则~~~~信息工程学院2628/25/2024③逻辑非： 表示“x不是a”，有 ~~~~~②逻辑并： 表示“x是a或y是b”，则 信息工程学院2638/25/2024(2)模糊推理句n以一个模糊命题作为原因，另一个模糊命题为结果的句型为模糊推理句n设（a）是原因模糊命题，模糊集合用表示；（b）是结果模糊命题，模糊集合用表示n模糊推理句的基本句型为      IF （a） THEN  （b）n简记为（a）→（b）推理实现分不同情况n①（a）、（b）的模糊变量相同n设（a）、（b）的模糊变量为相同论域中同一个x，n [（a）→（b）]对x的真值记着T[（a→b），（x）] ，T[（a→b），（x）]∊[0，1]，则~~~（a→b）是（a）→（b）形成的新句型.信息工程学院2648/25/2024例：设论域x={a1,a2,a3,a4,a5}及y={b1,b2,b3,b4,b5}上的模糊子集“大”、“小”、“较小”的隶属函数分别为 ~~n②（a）、（b）的模糊变量在不同论域n设（a）的模糊变量为论域X中的元素x,（b）的模糊变量为论域Y的元素y，[（a）→（b）]对(x,y)的真值记着T[（a→b），（x,y）] ，T[（a→b），（x,y）] ∊[0，1]，则~~~信息工程学院2658/25/2024已知“若x小，则y大”，试问“如果x较小，则y如何？”解：“若x小，则y大”的模糊关系矩阵为： ~~~~信息工程学院2668/25/2024（ 产生的直积关系矩阵） 第一行，第一列元素 第二行，第三列元素 第四行，第五列元素 (模糊矩阵的另一种符号)~其余元素类推。

 信息工程学院2678/25/2024n通过关系矩阵，由模糊集合“较小”的定义，进行如下合成运算： 结果域y的[大]相似，显然“y比较大”（ ）即“如果x较小，则y比较大” ~(X较小的模糊向量)X较小~信息工程学院2688/25/2024 4．模糊化处理n（1）确定语言变量2）确定模糊子集 n（3）确定论域范围n就一般而言语言变量的论域是连续区间，为实现模糊向量变换，将连续论域通过等分或分档进行离散处理,等分数量一般以能使所有确定的模糊子集都能找到隶属函数为1的等分点为准n等分点数目≥模糊子集数目，为避免失控，一般选等分点数目≥2模糊子集数目，或接近此关系n通常选用奇数个等分点，用自然序数从左到右，由小到大标注如果有负数，则中间点为0，最左边点为序号最大的负档值，最右边点为序号最大的正档值n离散后论域元素为档位序号，具体各档位对应连续论域中何值，输入论域要通过量化因子换算，输出论域则要建立比例因子换算 信息工程学院2698/25/2024n设连续论域为[x1,x2],将其离散为2n档次,用Ki表示量化因子, Ko表示比例因子,则Ki或Ko由|x2-x1|/2n计算.换算关系确定好与不好对控制效果影响很大，尤其当输入为偏差或偏差变化率时，量化因子的选择更为重要（请参阅相关资料）。

n（4）建立模糊子集表达式模糊子集关于模糊变量的表达方式有单点、向量、对偶、解析公式等，选择哪种方式根据需要来定 n采用三角形、梯形方法时关键要找准0拐点  信息工程学院2708/25/20245．模糊推理n模糊推理又叫模糊决策，将已知模糊命题通过模糊变换基产生新模糊命题，是模糊控制系统的核心内容n1） 模糊控制规则(由人工完成 )n模糊控制规则是通过模糊条件推理句表现的,前面给出的模糊推理句表现的是最基本的控制规则n由基本控制规则演变出的各类控制规则多种多样,对应的句型是模糊条件推理语句,常见格式除基本句型外有n(1) IF （a） THEN  （b） ELSE  ( c )n(2) IF （a） AND    （b） THEN  ( c ) n(3) IF （a） AND    （b） THEN  ( c )  ELSE  ( d )n更复杂的模糊控制规则是模糊条件推理语句嵌套.句中各命题的模糊集合可以是同论域的,也可以是不同论域的. 信息工程学院2718/25/20242）子关系建立n微型计算机无法直接实现语言形式的模糊条件推理语句,必须将语言形式的模糊条件推理语句转换成微型计算机可以实现的数值计算算法,即通过数值计算来实现模糊条件推理结果. n“IF （a） THEN  （b） ELSE  ( c )”为一子关系, 蕴含关系可表示写成关系式为~~~~~而~~ ~~ ~~~~~设X、、Y分别有n和m个元素，相应的子模糊变换基为 信息工程学院2728/25/2024令X中     已知，    的论域为Y，是       的推理结果。

推理原理为（是向量或矩阵） ~~~~~~~~~~~~~~微型计算机运行的推理算法为 *的维数与的列数有关信息工程学院2738/25/2024例1：设论域 ，及 并定义 ~~~~试确定模糊条件语句“if X轻 then Y重 else Y不非常重”所决定的模糊关系R，以及分别计算 所对应的模糊集合Y* ~信息工程学院2748/25/2024n解：第一步，通过语气算子和补运算，求得如下模糊集合： ~~~~~~~~~信息工程学院2758/25/2024n第二步，确定模糊条件语句所决定的模糊关系R （此为基关系）（根据基本关系产生的新关系为基关系的平推关系）即有if X轻 then Y重 else Y不非常重 ~~~~~~信息工程学院2768/25/2024信息工程学院2778/25/2024第三步，计算“ ”所对应的模糊集合，即 为输入，以R为控制规则的模糊控制器的输出，记为  ~~~~~~         ~~~同理有信息工程学院2788/25/2024 近似于“ ”，所得结果为“不非常重”。

  接近 ，仅有 ， 所以 近似于“重”的结论 3）综合模糊关系建立信息工程学院2798/25/20246．精确化处理n精确化处理又称反模糊化n模糊推理结果的表现形式仍然是模糊向量，不能直接用于控制执行机构n实施控制的驱动量必须是精确量，因此，还需将推理出来的模糊向量转换成精确量n转换过程分两个步骤，一是将模糊子集转换成离散论域中的某一个值；二是利用比例因子将该值转换成精确量或连续论域中的实用控制量n两个步骤常用的转换方法有n1）加权平均转换法信息工程学院2808/25/20242) 最大隶属度转换法n   =0.2/2+0.6/3+0.8/4+1/5+0.6/6,其yd=5; n3）比例因子转换法n设连续的输出论域为=[-y，y]，离散后的论域Y=[-n，-（n-1），···，0，···，n-1，n]，Ky为比例因子，则n                 Ky= y/nn令yA是经比例因子转换法而产生的实用精确输出量或模拟量 ,yA∊YA,则n￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿yA= Ky·yd信息工程学院2818/25/20247.1.3模糊控制系统一般原理模糊控制系统一般原理n模糊控制模糊控制：以模糊集合论，模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的微机数字控制，它是模拟人的思维，够造一种非线性控制，以满足复杂的不确定的过程控制的需要（属于智控范畴）。

n1．模糊控制系统组成A/D模 糊控 制器D/A执 行机构被控对象变 送 器y给定量r  +e－u被控量图7-5   模糊控制系统的构成2．模糊控制系统原理A/D模  糊控  制器u/变换器晶 闸 管整流装置D / A直  流电动机工作机构测  速  装  置ewundTd输入（－）uCFug图7-6  速度模糊控制系统信息工程学院2828/25/2024例：利用模糊控制方法控制直流电机转速，控制目标：保持直流电机转速为800r/min 整流稳压udDCuu~设ud为加在直流电机上的电压，nd为转速，人工操作存在以下一些控制规则， “若 ，使 ， 低得越多， 升得越多 模糊控制系统原理图中 ，而是 的精确化值或解模糊值 ~~~~~信息工程学院2838/25/2024“若 ，使 ， 高得越多， 降得越低 “若 ， 不变 （ ） 即当 要使 ，这里直流电与速度成反比 椐此经验，按如下过程实现模糊控制： 1）模糊化处理（1）确定语言变量       人工控制机制表明，输入量为速度偏差，输出量是直流控制电压，简称控制量，因而输入、输出语言变量分别选择偏差量与控制量。

        精确偏差量用e表示，e＝ug0－uCF，ug0是给定转速对应的电压值，uCF是通过测速装置产生的反馈电压       控制量u是作为晶闸管触发器的移相电压，直接控制直流电动机的供电电压，而且是连续可调的信息工程学院2848/25/2024n（2）确定模糊子集n 建立e的语言真值：负大、负小、零、正小、正大（语言变量的数目可根据对象的工作状态种类设置） n    给语言变量赋以记号：NB=负大、NS=负小、ZO=零、PS=正小、PB=正大（3)确定论域等级10 建立e的论域（一般用整数将模糊集合的论域分成n个等级）即根据e的变化范围，这里将e量化成9个等级，从而论域（设为E）  20 建立u的论域，这里将u的论域认为与e相等，即有    （也可以不同） 设e的范围为 则量化因子Ke=△e /4 设u的范围为 则比例因子Ku=u/4 信息工程学院2858/25/2024（4）确定隶属函数根据专家经验建立关于e的语言变量的隶属度模糊变量（e,μ）不同等级的隶属度值-4-3-2-1  0    +1  +2 +3 +4 PB 0 0 0 0 0 0.4 0.7 1 1 PS 0 0 00.40.7  1 0.70.4 0 ZO 0 00.4 0.7 10.7 0.4 0 0 NS 00.4 0.7  10.70.4  0 0 0 NB 1 10.7 0.4  0  0  0 0 0论域隶属度真值信息工程学院2868/25/2024依照经验隶属函数值得出的隶属函数解析图如图7-7所示。

NB、PB为半梯形规则，其余在底宽以内采用三角形规则逼近图7-7  隶属度函数              (论 域)E   zo              -4     -3     –2     -1    0        1        2       3      4NB     PB        NSPS                            U    0.2    0.4          0.7      1.0μ(u) μ(e)信息工程学院2878/25/2024n2）模糊推理n(1)建立模糊控制规则(子关系)n根据熟练操作人员手动控制经验，可产生如下模糊控制语言规则：n10if E=NB then U=PB（偏差往负向变大（ ），控制 电压在正方向要加大）n20 if E=NS then U=PSn30 if E=ZO then U=ZOn40 if E=PS then U=NSn50 if E=PB then U=NB（偏差变大（ ），控压负向加大）e—μ状态表 eNBNSZOPSPBμPBPSZONSNB~~信息工程学院2888/25/20244）建立模糊推理关系 各子关系由直积计算如下 信息工程学院2898/25/2024信息工程学院2908/25/2024同理有 信息工程学院2918/25/2024信息工程学院2928/25/2024信息工程学院2938/25/2024由以上五个子关系矩阵可求得总关系阵~其中信息工程学院2948/25/2024其余类推，于是 ~信息工程学院2958/25/2024（3）模糊变换对于任意的模糊偏差记为e输入，以R作为模糊控制器，则可求出模糊控制量u。

变换算法为  ~~~例：当e=NS，有 ~~~~PS(符合语言规则)信息工程学院2968/25/2024其 中其余类推，整个过程也被称为模糊决策 3）精确化处理(解模糊)将模糊推理所决定的控制量表示成模糊集 ~~信息工程学院2978/25/2024e-4 -3-2-1 01234μ43210-1 -2-3 -5从式中可以看出控制电压工作在-2，-1，0，1，2，3，4档位的情况占多数，即工作在1档位，输出电压全加上，其他几种只能到1电压的0.7程度或者说，针对当前e，u应该取1档值（档值隶属度最大），也即取 ，1档值（和PS基本对应） ~~当e为负小时，使出 稍大于 ，为降低 则要加大一点点控制电压u，即使u=PS，根据各种推理，控制表如下：  ~~~实际输出电压为:信息工程学院2988/25/2024-1-2-3 -4-1-2-3-444332211E(偏差论域)U(控制论域)如果采用加权平均法，有 仅有e输入的单变量模糊控制器的动态特性如图所示读此图时，还要注意各论域中模糊集合 ~与取最大项偏差较大，采用何种精确化方法，可根据系统精度要求。

信息工程学院2998/25/20247.2 神经网络控制基础n人工神经网络有如下突出优点：n(1)可以充分逼近任何复杂的非线性关系，给非线性控制问题带来新的希望;n(2)所有定量或定性的的信息都等势分布储存于网络的各神经元,故有很强的鲁棒性和容错性，适用于复杂、大规模和多变量系统的控制;n(3)采用并行分布处理方法使得快速的大量运算成为可能，因而能够有较好的耐故障能力和较快的总体处理能力，这特别适于实时控制和动态控制;n(4)可学习和自实应未知或不确定的系统神经网络是通过所研究系统过去的数据记录进行训练的，一个经过适当训练的神经网络具有归纳全部数据的能力，因此，神经网络能够解决那些数学模型或描述规则难以处理的控制过程问题；n(5)能够同时处理定性、定量知识；n(6)神经网络不仅能通过软件而且可借助硬件实现并行处理信息工程学院3008/25/20247．．2．．1神经网络基础神经网络基础n1.生物神经元工作原理n神经元具有两种常规工作状态：兴奋与抑制，即满足“0-1”律n当传入的神经冲动使细胞膜电位升高超过阈值时，细胞进入兴奋状态，产生神经冲动并由轴突输出；n当传入的神经冲动使膜电位下降低于阈值时，细胞进入抑制状态，没有神经冲动输出。

信息工程学院3018/25/20242．神经元数学模型n（1）加权加法器n加权加法器用来实现一个神经细胞对接收来自四面八方信号的空间总和功能，即vi（t）＝ 信息工程学院3028/25/2024n矩阵形式nV（t）＝AY（t）＋BU（t）＋W                  n式中  A＝{aij}N×N，B＝{bik}M×M，V＝[v1,…,vN]TnY=[y1,…,yN]T,U=[u1,…,uM]T,W＝[w1,…,wN]TN维常向量W可以合并在U中，但分开列写对于清楚表达是有用的n（2）线性动态系统的传递函数描述 n神经元的输入信号来自其它神经元的各种神经冲动，这种信号具有典型的脉冲特点n从控制系统的角度，可以让经过加权加法器空间总和的信号v（t），通过一个单输入单输出线性系统，该系统对于单位脉冲函数的响应就完成了时间总和作用该线性动态系统的脉冲函数的响应为卷积分 即xi（s）＝H（s）vi（s） 信息工程学院3038/25/2024（3）常用的非线性函数n非线性函数实际上是神经元模型的输出函数，它是一个非动态的非线性函数，用以模拟神经细胞的兴奋、抑制以及阈值等非线性特性。

n经过加权加法器和线性动态系统进行时空整合的信号xi，再经非线性函数g(·)后即为神经元的输出yi，即 yi＝g（xi） g（x）01xg（x）g（x）g（x）g（x）xxxx1-111-110000g（x）＝g（x）＝g（x）＝g（x）＝g（x）＝名称阈值函数双向阈值函数S型函数双曲正切函数高斯函数公式g（x）图形特征不可微，类阶跃，正值不可微，类阶跃，零均值可微，类阶跃，正值可微，类阶跃，零均值可微，类脉冲信息工程学院3048/25/20247．．3．．2神经网络的结构和学习规则神经网络的结构和学习规则n1. 神经网络的结构图7-11  前向网络 图7-12  反馈网络 其次还有相互结合型网络(见图7-13) 、混合型网络 (见图7-14)信息工程学院3058/25/20242．神经网络的学习规则n1）联想式学习——Hebb规则n如果神经网络中某一神经元与另一直接与其相连的神经元同时处于兴奋状态，那么这两个神经元间的连接强度应该加强，如图7-15所示，从神经元uj到神经元ui的连接强度，即权重变化△wij可用下式表达η是学习率常数（η﹥0） 教师信号信息工程学院3068/25/20242）误差传播式学习——Delta学习规则n根据Hebb学习规则，考虑到n（1）函数G与教师信号ti(t)和神经元ui实际的活性度ai(t)的差值成比例；n（2）函数H和神经元的输出   (t)成比例，可得：n            △wij＝η[(ti(t)－ai(t))]    (t)                       (7.44)n式中：η——学习率常数（η﹥0）。

n在式(7.44)中，若将教师信号ti(t)作为期望输出di，而把ai(t)理解为实际输出yi，则该式变为n△wij＝η(di－yi)   (t)＝ηδ(t)                    (7.45)n其中δ＝di－yi，为期望输出与实际输出的差值，称式(7.45) 为δ规则，又称误差修正规则根据这个规则的学习算法，通过反复迭代运算，直至求出使δ达到最小的wij值n上述δ规则只适用于线性可分函数，不适用于多层网络非线性可分函数 信息工程学院3078/25/2024n3）竞争式学习n竞争式学习是属于无教师学习方式n竞争学习网络的核心——竞争层，是许多神经网络的重要组成部分n基本竞争学习网络由两层组成n第一层为输入层，由接收输入模式的处理单元组成；n第二层为竞争层，竞争单元争相响应输入模式，胜者表示输入模式的所属类别输入层单元与竞争层单元的连接为全互连方式，连接权是可调节的n竞争单元的处理分为两步：首先计算每个单元输入的加权和；然后进行竞争，产生输出n3． 神经网络的记忆n神经网络的记忆包含两层含义：信息的存储与回忆n网络通过学习将所获取的知识信息分布式存储在连接权的变化上，并具有相对稳定性。

n一般来讲，存储记忆需花较长时间，因此,这种记忆称为长期记忆，而学习期间的记忆保持时间很短，称为短期记忆 信息工程学院3088/25/20247．．3．．3神经网络控制原理神经网络控制原理n1．神经网络控制的基本思想n神经网络不善于显示表达知识，但是它具有很强的逼近非线性函数的能力，即非线性映射能力n图a为一般反馈系统,图b将图a中控制器用神经网络代替.       设被控制对象的输入u和系统输出y之间满足如下非线性函数关系 y=g(u)       控制的目的是确定最佳的控制量输入u，使系统的实际输出y等于期望的输出yd       在该系统中，可把神经网络的功能看作输入输出的某种映射，或称函数变换，并设它的函数关系为       u= f (yd) yuydeg(u)f(yd)信息工程学院3098/25/2024n为了满足系统输出y等于期望的输出yd，n y = g[f(yd)] n当f(·) = g-1(·)时，满足y = yd的要求n由于要采用神经网络控制的被控对象一般是复杂的且多具有不确定性，因此，非线性函数g(·)是难以建立的，可以利用神经网络具有逼近非线性函数的能力来模拟g-1(·)。

n尽管g(·)的形式未知，但通过系统实际输出y与期望输出yd之间的误差来调整神经网络中的连接权限，即让神经网络学习，直至误差趋于零的过程，就是神经网络模拟g-1(·)的过程，它实际上是对被控对象的一种求逆过程，由神经网络的学习算法实现这一求逆过程n这就是神经网络实现直接控制的基本思想这里，n e = yd – y → 0  信息工程学院3108/25/20242．神经网络在控制中的作用n① 在基于精确模型的各种控制结构中充当对象的模型n② 在反馈控制系统中直接充当控制器n③ 在传统控制系统中起优化计算作用n④ 在与其他智能控制方法和优化算法的融合中，为其提供非参数化对象模型、优化参数、推理模型及故障诊断等n神经网络具有大规模并行处理，信息分布存储，连续时间的非线性动力学特性，高度的容错性和鲁棒性，自组织、自学习和实时处理等特点，因而神经网络在控制系统中得到了广泛的应用 信息工程学院3118/25/20243．BP神经网络控制应用nBP（Back Propagation）神经网络属前向神经网络系列，具有逼近任意非线性的能力，结构和学习算法简单明了；nBP神经网络的学习算法属于全局逼近算法，具有较强的泛化能力；nBP神经网络输入输出之间的关联信息分布地存储在网络的连接权中，个别神经元的损坏对输入输出关系只有较小的影响，BP神经网络具有较好的容错性。

nBP神经网络被广泛应用于系统辨识、自适用控制、最优预测、优化计算、函数逼近、模式识别和图象处理等 信息工程学院3128/25/2024基于BP神经网络的PID控制系统结构如图7-17 n 神经网络根据系统的运行状态,调节PID控制器的参数,以期达到某种性能指标的最优化,使输出层神经元的输出状态对应于PID控制器的三个可调参数Kp、KI、Kd通过神经网络的自学习、加权系数调整,使神经网络输出对应于某种最优控制律下的PID控制器参数 图7-17  BP网络结构信息工程学院3138/25/2024经典增量式数字PID的控制算法为n采用如图7-17所示三层BP神经网络，图7-17  BP网络结构网络的输入层的输入为网络隐含层的输入、输出为隐层神经元的非线性函数取正负对称的双曲正切函数（7.52） 信息工程学院3148/25/2024网络输出层的输入、输出为 n输出神经元的非线性函数取非负的双曲正切函数 （7.56） 信息工程学院3158/25/2024取性能指标函数为 n按照梯度下降法修正网络的权系数,即按E(k)对加权系数的负梯度方向搜索调整,并附加一使搜索快速收敛全局极小的惯性项 式中,η为学习速率,α为惯性系数.信息工程学院3168/25/2024n由此带来计算不精确的影响可以通过η调整学习速率来补偿。

 信息工程学院3178/25/2024上述分析可得网络输出层权的学习算法为n同理隐层加权系数的学习算法为式中 信息工程学院3188/25/2024基于BP神经网络的PID控制器结构如图7-18所示 n(1)确定BP神经网络的结构,即确定输入层节点数M和隐含层节点数Q，并给出各层加权系数的初值wij (1)(0)和wlj (2)(0) ，选定学习速率η和惯性系数α，此时k=1；PID控制器PB神经网络对象+-图7-18  基于BP神经网络的PID控制器结构控制器控制算法归纳如下: 信息工程学院3198/25/2024n（2）采样得到rin(k)和yout(k)，计算该时刻误差e(k)= rin(k)-yout(k) ；n（3）计算神经网络NN各层神经元的输入、输出，NN输出层的输出即为PID控制器的三个可调参数kp、kI、kd；n（4）根据式（7.52）计算PID控制器的输出u(k)；n（5）进行神经网络学习，调整加权系数wij (1)(k)和wlj (2)(k) ，实现PID控制参数的自适用调整；n（6）置k=k+1，返回（1）信息工程学院3208/25/2024第8章 总线技术 n按照一定协议组合，用于联接计算机各部件或计算机互联的公共信息线称为总线。

n总线是多设备共享的信息传送通道，基本类型分为并行总线和串行总线n随着网络技术的发展,近来又出现了连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输多分支结构的通信网络,即现场总线n在现代工业微型计算机控制系统中，总线技术占有十分重要位置信息工程学院3218/25/20248.1并行总线n并行总线是多位信号同时传送的总线，传送速度快，但造价高n并行总线多用于主机与并行接口设备进行信息交互，n如通过并行总线I/O接口连接A/D和D/A转换板、各类电机控制板、存储器扩展板、串/并行通信扩展板、开关量输入/输出板等.n典型的计算机工业控制系统并行总线有PC总线、PCI总线、STD总线等 信息工程学院3228/25/20248.1.1 PC总线总线nPC总线（Personal Computer Bus）是个人计算机总线n采用PC总线的工业控制机与非工业控制用途的个人计算机相比的主要特点如下： n① 采用标准模板结构，用CPU模板取代原有的大底板，使硬件构成积木化，便于维修更换，也便于用户组织硬件系统，在结构上和STD总线工业控制机类似n② 采用专用工业PC密封式机箱，内部采用“正压”送风，有良好的抗磁、抗干扰能力以及抵抗粉尘的能力；机械结构加固，改善了微机的抗振性。

n③ 根据工业控制的特点，常采用实时多任务操作系统n④ 工业环境温度允许范围为20oC～85oCnPC总线工业控制机配有各种用途的功能板，如A/D板、D/A板、数字I/O板、可控硅和继电器控制板、RS-422、RS-485接口板和多选通RS-233接口板等   信息工程学院3238/25/20241）EISA（Extended Industry Standard Architecture）总线nISA是工业标准结构的缩写，是IBM的标准兼容总线，也是现代个人计算机的基础，分8位和16位总线两个版本nEISA总线，即扩展的工业标准总线，是在1988年9月由COMPAQ公司联合HP、AST、AT&T、TANDY、NEC等9家计算机公司，在ISA总线的基础上发展而来的一种高性能32位结构的总线nEISA总线是在ISA总线基础上，通过增加地址线、数据线和控制线来扩充的 n2）PCI（Peripheral Component Interconnect）总线n20世纪90年代，随着图形处理技术和多媒体技术的广泛应用，在以Windows为代表的图形用户接口(GUI)进入PC机之后，要求有高速的图形描绘能力和I/O处理能力。

nIntel公司首先提出了PCI的概念，并联合IBM、Compaq、AST等100多家公司成立了PCI集团，其英文全称为：Peripheral Component Interconnect Special Interest  Groupn(外围部件互连专业组)，简称PCISIG  信息工程学院3248/25/2024PCI是一种先进的局部总线，处于外围设备与CPU之间 n（1）PCI局部总线的主要性能和特点n支持10台外设n总线时钟频率33.3MHz/66MHzn最大数据传输速率133MB/sn时钟同步方式n与CPU及时钟频率无关n总线宽度32位/64位n适应5V和3.3 V电源环境n具有与处理器和存储器子系统完全并行操作的能力n能自动识别与配置外设，用户使用方便时钟同步方式图8-1 PCI总线结构信息工程学院3258/25/2024（2）PCI局部总线信号结构n按照PCI总线协议，总线上所有引发PCI传输事务的实体都是主设备，凡是响应传输事务的实体都是从设备，从设备又称为目标设备n主设备应具备处理能力，能对总线进行控制，即当一个设备作为主设备时，它就是一个总线主控器 n在一个PCI系统中，接口信号通常分为必备和可选的两大类。

n如果只作为从设备，则至少需要47根信号线；若作为主设备，则需要49根信号线，可选的信号线51条n总得信号线为124根，主要信号包括数据/地址信号线为32根；4个中断申请信号；4个接口识别信号；4个JTAG信号；11个总线控制信号；2个电源管理信号；1个时钟信号尤其是在相关总线控制信号的作用下，可是32位的数据总线扩展为64位n利用这些信号线可以处理数据、地址，实现接口控制、仲裁及系统功能信息工程学院3268/25/20248.1.2 STD总线总线nSTD是英文“Standard”（标准）的缩写，常称为通用标准总线nSTD总线是国际上流行的一种用于工业控制的标准微机总线，于1987年被批准为IEEE-961标准n由于STD总线的所有信号线定义明确，它消除了其它总线上常见的定义混乱现象，它的适用性很好，能与任何通用的8位微处理器（如8080A、8085、Z80、MC6800等）及MCS-51单片机相匹配，可以方便地用于存储器扩展，I/O接口扩展及连接多个微处理器等nSTD总线共有56根线：包括16根地址线、8根双向数据线、22根控制线（其中3根为双向控制线）、10根电源线（其中6根为逻辑电源线，4根为辅助电源线）。

信息工程学院3278/25/20248.2 串行通信标准总线n目前主要的串行总线标准有RS-232-C、RS-422-A/RS-423-A、RS-485及通用外设接口（USB接口）标准n8.2.1 RS-232-CnRS-232-C接口接口(又称又称 EIA RS-232-C)是目前最常用是目前最常用的一种串行通讯接口的一种串行通讯接口n它是在它是在1969年由美国电子工业协会年由美国电子工业协会(EIA)联合贝尔系联合贝尔系统、统、MODEM厂家及计算机终端生产厂家共同制定的厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准用于串行通讯的标准n主要用于定义计算机系统的一些数据终端设备主要用于定义计算机系统的一些数据终端设备（（DTE）和数据通信设备（）和数据通信设备（DCE）之间接口的电气）之间接口的电气特性 信息工程学院3288/25/20241.电气特性  n具有异－同步两种串行通信方式nRS-232C标准接口已普及用于计算机与外设通信nRS-232C的直接传送距离为15mnRS-232C的标准连接口为25芯D型连接器，如图所示.真正使用为16条线，构成主信道，信号的详解参看其他参考书。

n实用时经常改为9芯,相应的D型连接器见书的图8-4,9个信号的定义见表8-2.nRS-232电气规格：n数据电平信号：MARK（逻辑1）＝－3V～－25VnSPACE（逻辑0）＝＋3V～＋25Vn控制信号电平：ON＝＋3V～＋25V（接通）nOFF＝－3V～－25V（断开）…………12131425信息工程学院3298/25/2024nRS-232电平是不能和TTL电平直接相连接的，即不能直接用RS-232电平加入到计算机的电路上，计算机的电平也无法在RS-232通信线上工作，为此设立电平转换电路，使两者达到电平匹配，如图所示： 计算机串口－12输出±12V输入±12V＋12V输入TTL电平1/4 MC1488计算机串口输入TTL电平＋5V1/4 MC1489信息工程学院3308/25/202413C1+C145C2+C2C1C2C3V+172C5GND6C4VVCC1110147T1INT2INT1OUTT2OUT129138R1OUTR2OUTR1INR2IN15TTL/CMOS输     入RS232C输   出RS232C输   入TTL/CMOS输     出图2-9 MAX232典型工作电路图注意：C1~C4要用钽电容（独石电容效果不好），电容要尽量靠近MAX232MAX232MAX232AMAX202表表2-2 电容取值电容取值器件                         电容/F                        C1   C2   C3   C4   C5MAX232        1.0  1.0  1.0  1.0  1.0MAX232A      0.1  0.1  0.1  0.1  0.1MAX202         4.7  4.7  10  10  4.7EIA-RS-499/422/423/485标准自阅,重点是通信速率和信号传输距离信息工程学院3318/25/20242. RS-232-C的引脚功能及应用方法n1) 9芯引脚功能n1号线：DCD(Data carrier detection)，数据载体检测引脚，用于通知计算机MODEM与线另一端的MODEM已经建立联系。

n2号线：RxD(Received data)，为接收数据引脚，接收从MODEM发来的串行数据n3号线：TxD(Transmitted data)，为数据发送引脚，将串行数据发送到MODEMn4号线：DTR(Data set ready)，数据终端就绪引脚，表明数据终端可以使用了n5号线：SG(Signal Groud)或GND，信号地线，该引脚为所有电路提供参考电位n6号线：DSR(Data set ready)为数据通信设备准备就绪引脚，表明MODEM处于可以使用状态n7号线：RTS(Request to send)，为请求发送引脚，用于通知MODEM计算机请求发送数据n8号线：CTS(Clear to send)，为清除发送引脚，是对请求发送信号RTS的响应信号，用于通知计算机MODEM可以接收数据了n9号线：RI(Ringing indictor)，振铃指示引脚，通知终端，已被呼叫信息工程学院3328/25/20242)应用方法n①具有MODEM设备的远距离通信图8-6 使用MODEM时RS-232-C的连接方式信息工程学院3338/25/2024②近距离通信图8-7 最简单的RS-232-C连接方式 图8-8 RS-232-C直接连接法信息工程学院3348/25/20243. RS-232-C的不足n ①接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL 电路连接。

n②传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps，可以很好地匹配，但对某些同步系统，却达不到要求n③接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱n④传送距离短RS-232C接口一般装置之间电缆长度为15米，即使有较好的线路器件、优良的信号质量，电缆长度也不会超过60米n⑤未规定标准的连接器，因而出现了互不兼容的25芯连接器信息工程学院3358/25/20248.2.2 RS-422-A/RS-423-A和和RS485n（1）RS-422-A/RS-423-A接口标准nEIA-RS-423是EIA-RS-499标准的子集，是一个单端、双极性电源的电路标准，该标准的主要优点是它采用非平衡发送器和差分接收器，即单端发送双端接收，接收器的一端接发送器的信号地，其收发电路如图8-9所示图8-9 单端驱动差分接收电路信息工程学院3368/25/2024nRS-422-A/RS-423-A的数据线也是负逻辑的且参考电平为地，用-6V表示逻辑“1”，用+6V表示逻辑“0”，电平变化范围为12V（6V），改善了RS-232C标准的电气特性。

接收芯片可以承受25V的电压，因此可以直接与RS-232-C相接nEIA-RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性EIA-RS-422电路由发送器、平衡连接电缆、电缆终端负载、接收器几部分组成，采用平衡输出的发送器，差分输入的接收器，即双端发送双端接收方法，从根本上消除了地电平的电位差问题，其收发电路如图8-10所示图8-10  双端驱动差分接收电路信息工程学院3378/25/2024（2）RS-485接口标准nRS-422-A是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，为扩展应用范围，随后又为其增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，这就是后来的EIA-RS-485标准nEIA-RS-485是一个电气接口规范，它只规定了平衡驱动器和接收器的电气特性，而没有规定接插件、传输电缆和通信协议nRS-485标准定义了一个基于单对平衡线的多点、双向（半双工）通信链路，是一种极为经济、并具有相当高噪声抑制、传输速率、传输距离和宽共模范围的通信平台nEIA-RS-422为全双工，可同时发送与接收，需要两对线或4条线，使线路成全增加。

nRS-485则为半双工，在某一时刻，一个发送另一个接收n当用于多站互连时，可节省信号线，便于高速远距离传送线路如图8-11所示信息工程学院3388/25/2024nRS-485标准的主要特点有：n平衡传输；n多点通信；n驱动器输出电压（带载）：≥｜1.5V｜；n接收器输入门限：±200mV；n-7V至+12V总线共模范围；n最大输入电流：1.0mA/-0.8mA（12Vin/-7Vin）；n最大总线负载：32个单位负载（UL）；n最大数据传输速率可达10Mb/s，在此速率下，电缆允许长度为12米；如果采用较低传输速率，如100kb/s时，其最大串行数据传输距离可达1200米 图8-11   RS-485通信线路电路信息工程学院3398/25/20248.2.3 通用外设接口标准通用外设接口标准nUSB是英文Universal Serial Bus的缩写，中文含义是“通用串行总线”n1)USB特点与技术指标nUSB具有以下几个主要特点：n①即插即用这就让用户在使用外接设备时，不需要重复“关机再将并口或串口电缆接上再开机”这样的动作，而是直接在PC开机时，就可以将USB电缆插上使用，PC机中的USB控制器就可以自动地识别外围设备并分配所需的资源和驱动程序。

n②携带方便USB设备大多以“小、轻、薄”见长，对用户来说，同样20G的硬盘，USB硬盘比IDE硬盘要轻一半的重量，在想要随身携带大量数据时，当然USB硬盘会是首要之选了 n③端口扩充性好USB的端口具有不断扩充的能力，可同时连接127个外围设备两个外设间的距离可达5m，扩展灵活n④标准统一大家常见的是IDE接口的硬盘，串口的鼠标键盘，并口的打印机扫描仪，可是有了USB之后，这些应用外设统统可以用同样的标准与PC连接，这时就有了USB硬盘、USB鼠标、USB打印机，等等 n⑤总线提供电源一般的串口/并口设备都需要自备专门的供电电源，而USB能提供+5V，500mA的电源，供低功耗设备(如键盘、鼠标和MODEM等)作电源使用，免除了这些设备必须自带电源的麻烦同时，USB采用APM(Advanced Power Management)技术，使系统能源得到节省 信息工程学院3408/25/2024USB具备以下基本技术指标n①用于人机接口设备（Human Interface Devices HID）,例如键盘、鼠标、游戏杆等, 速率为1.5 Mbit/s (183 KByte/s) ,属低速接口.n②用于全速、音频、压缩视频设备接口等为全速速率12 Mbit/s (1.4 MByte/s)。

n在USB 2.0之前曾经是最高速率，后起的更高速率的高速接口应该兼容全速速率n多个全速设备间可以按照先到先得法则划分带宽；使用多个等时设备时会超过带宽上限也并不罕见n所有的USB Hub支持全速速率n③用于音视频处理、磁盘设备接口等为高速速率为480 Mbit/s (57 MByte/s)n并非所有的USB 2.0设备都是高速的n高速设备插入全速Hub时应该与全速兼容n而高速Hub具有所谓Transaction Translator(事务翻译器)功能，能够隔离全速、低速设备与高速之间数据流，但是不会影响供电和串联深度信息工程学院3418/25/2024④USB的物理接口和电气标准 nUSB线缆中包含有两根电源线及D+、D-两根数据线设备部分，像读音器、摄像头和游戏手柄等耗电比较少的设备可以直接通过USB接口供电n可通过USB接口供电的设备又分低电量模式和高电量模式，前者最大可获得100mA的电流，后者最大可获得的500mA电流n倘若设备需要更大的电流，那就只好通过外接电源来供电nUSB总线的系统软件可以与主机的电源管理系统共同处理各种电源事件，如挂起、唤醒n它的特点是，USB总线设备应用特有的电源管理特性，可让系统软件控制电源的管理。

 点 功能(主机) 功能 (设备) 1VBUS (4.75－5.25 V) VBUS (4.4－5.25 V) 2D-D-3D+D+4接地接地信息工程学院3428/25/20242) USB的系统描述nUSB系统分为三部分，USB的主机、USB的设备和USB的连接电缆nUSB的主机是一个带有USB主控制器的PCn任何一个USB系统中只有一个主机，它是USB系统的主控者nUSB和主机系统的接口称为主机控制器(Host Controller)，负责产生由主机软件调度的传输，然后再传给“根Hub”，根Hub集成在主机系统内，直接与主机总线相连，同时可提供多个连接点nUSB的设备包括Hub（集线器）和Function（功能部件）nHub提供USB的附加连接点，以接入更多的外设Hub可串在一起再接到根Hub上n功能部件就是所连接的外设，USB的设备应具有标准的USB接口  信息工程学院3438/25/2024nUSB的连接是指USB设备和主机之间的连接和通讯的方式，其拓扑结构如图8-13所示n它的物理连接是有层次的星形布局，每个Hub是在星形的中心，每条线段是点到点连接的n由于对Hub和电缆传输时间的定时限制，USB的拓朴结构不能超过7层，允许最多连接127个设备。

 图8-13   USB总线拓朴结构信息工程学院3448/25/2024USB设备也需要有自己的软件nUSB系统的软件是基于模块化、用面向对象方法设计的，USB软件一般由三个主要模块组成n①通用主控制器驱动程序UHCD（USB host controller driver）位于低层，用来管理和控制USB主控制器USB主控制器是一个可编程硬件接口，UHCD用来实现与主控制器通信及对其控制的一些细节n② USB驱动程序USBD（USB driver）位于中间层，在设备设置时读取描述寄存器以获取USB设备的特征，并根据这些特征，在请求发生时组织数据传输n③ USB设备驱动程序（又称客户驱动程序或客户软件），位于最上层，用来实现对特定USB设备的管理和驱动USB设备驱动程序是USB系统软件和USB应用程序之间的接口 信息工程学院3458/25/20243）USB的传输方式n（1）控制传输方式n（2）中断传输方式 n（3）同步传输方式 n（4）批传送方式 n4）USB连接距离nUSB提供低速与全速两种数据传送速度规格n全速传送时，终点间连接距离为5m，连接使用4芯电缆（电源线2条，信号线2条）。

nUSB全速传输速率与标准的串行端口相比，大约快100倍；与标准的并行端口比，也快近10倍nUSB能支持高速的通讯接口（如综合业务网ISDN等），使用户拥有足够的带宽供新的数字外设使用 信息工程学院3468/25/20245）全速USB总线接口控制器芯片简介n表8-3列出了常见的支持全速USB 总线接口控制器芯片之间的参数比较n其中 EZ-USB2131系列的 USB总线接口控制器由于本身内置有8051兼容的微型控制器，而且含较方便的开发流程，其固定程序易升级、易调试，利于进行USB外设开发n无论使用哪种USB总线接口控制器芯片，只要实现的设备是符合主机接口设备（host interface device，HID）类的硬件，都可以直接使用Windows操作系统的HID驱动，无须从头开始编写底层的驱动程序n而 EZ-USB更有其特有的通用USB驱动程序配合其枚举和重枚举的需要n除了这个通用的驱动程序，EZ-USB 还附带有大量的源代码和例子，使得开发的速度进一步加快 信息工程学院3478/25/20246）USB设备与主机的电路连接n7) USB传输信号状态nUSB总线中的D+ 和D- 信号线传输的是一对差分信号，可表示为J状态和K状态。

全速连接与低速连接所定义的 J 、K 状态是相反的，J、K状态必须大于所容许的电平Vh或小于所容许的电平V l，才能不被误认为是空想状态，其中一般要求Vh>20V，Vl<0.8Vn表8-4给出了这两个差分信号的差值电平要求，以及J、K状态在全速和低速USB总线下的定义，还有USB总线空闲状态和唤醒状态的定义，其中Vil/Vih表示输入端的最小/最大容许电平，Vol/Voh表示输出端的最小/最大容许电平  D +USB发送器USB接受器USB接受器USB发送器  D -D +D - D +  D -D +D -R f 22ΩR f 22ΩRpu 1.5KΩV ccR pd15kΩR pd15kΩ￿￿￿￿￿R pd15kΩR pd15kΩR f 22ΩR f 22ΩRpu1.5kΩ1.5kΩ主机/HUB下行口主机/HUB下行口全速USB设备/HUB上行口低速USB设备图8-14  全速/低速USB总线设备连接方法 信息工程学院3488/25/20248.3 现场总线技术n现场总线(Fieldbus)是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。

n作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系n现场总线技术以数字信号取代模拟信号，在3C(Computer计算机、Control控制、Communication通信)技术的基础上，大量现场检测与控制信息就地采集、就地处理、就地使用，许多控制功能从控制室移至现场设备 信息工程学院3498/25/20248.3.1 现场总线的基本内容和发展概况现场总线的基本内容和发展概况n根据国际电工委员会IEC(International Electrotechnical Commission)标准和现场总线基金会FF(Fieldbus Foundation)的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络 n现场总线技术的基本内容包括：以串行通信方式取代传统的4~20 mA模拟信号，一条现场总线可为众多的可寻址现场设备实现多点连接，支持底层的现场智能设备与高层的控制系统利用公共传输介质交换信息n现场总线技术的核心是它的通信协议，这些协议必须根据国际标准化组织ISO的计算机网络开放系统互连的OSI参考模型来制定，它是一种开放的七层网络协议标准，多数现场总线技术只使用其中的一、二和七层协议。

信息工程学院3508/25/20248.3.2 现场总线控制系统的特点现场总线控制系统的特点n与传统的模拟仪表控制系统相比，现场总线及现场总线控制系统具有以下特点n①数字化的信号传输 n②现场设备的智能化与功能自治性 n③系统结构大大简化,降低系统及工程成本 n④系统结构的高度分散性由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构 n⑤开放性、互操作性与互用性 信息工程学院3518/25/20248.3.3 几种典型的现场总线几种典型的现场总线n1. FF(Foundation Fieldbus)n基金会现场总线是国际上几家现场总线经过激烈竞争后形成的的一种现场总线，由现场总线基金会推出n与私有的网络总线协议不同，FF总线不附属于任何一个企业或国家n其总线体系结构是按照ISO/OSI的七层模型结构，省去了其中的三至六层，保留了物理层、数据链路层和应用层，同时在应用层之上又增加了用户层，它使得设备与系统的集成和互操作更易于实现nFF总线提供了Hl和H2两种物理层标准nHl是用于过程控制的低速总线，传输速率为31.25kbps，传输距离为200m、450m、1200m、1900m四种(加中继器可以延长)，可用总线供电，支持本质安全设备和非本质安全总线设备。

nH2为高速总线，传输速率为1Mbps(此时传输距离为750m)或2.5Mbps(此时传输距离为500m)  信息工程学院3528/25/20242. LONWORKS(Local Operating Network)nLONWORKS的核心是Neuron(神经元)芯片n集成芯片中有3个8位CPU：n第一个CPU为介质访问控制处理器，用于完成开放互连模型中第 1～ 2层的功能；n第二个CPU为网络处理器，用于完成第3～6层的功能，进行网络变量处理的寻址、处理、背景诊断、函数路径选择、软件计量时、网络管理，并负责网络通信控制、收发数据包等；n第三个CPU为应用处理器，实现协议的第7层的功能，执行操作系统服务与用户代码n芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区 信息工程学院3538/25/2024nLON Talk协议提供了5种基本类型的报文服务：确认(Acknowledged)、非确认(Unacknowledged)、请求/响应(Request/Response)、重复(Repeated)和非确认重复(Unacknowledged Repeated)。

nLON Talk协议的介质访问控制子层(MAC)对CSMA进行了改进，采用一种新的称做Predictive P-Persistent CSMA，根据总线负载随机调整时间槽，从而在负载较轻时使介质访问延迟最小化，而在负载较重时使冲突的可能最小化信息工程学院3548/25/20243. PROFIBUS(Process Field Bus)nPROFIBUS-FMS适用于一般自动化的中速数据传输，主要用于传感器、执行器、电气传动、PLC、纺织和楼宇自动化等FMS型只隐去第3～6层，采用了应用层nPROFIBUS的传输速率为96～12kbps最大传输距离在12kbps时为1000m，15Mbps时为400m，可用中继器延长至10km其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接 127个站点n4. CAN(Control Area Network) nCAN最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信n其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域。

信息工程学院3558/25/2024nCAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，不过，其模型结构只有3层，只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层n其信号传输介质为双绞线，通信速率最高可达 1Mbps/40m，直接传输距离最远可达 1 0km/kbps,可挂接设备最多可达 110个n5. HART(Highway Addressable Remote Transducer) nHART通信模型由3层组成：物理层、数据链路层和应用层n物理层采用FSK(FrequencyShiftKeying)技术在 4～20mA模拟信号上迭加一个频率信号，频率信号采用Bell202国际标准；数据传输速率为1200bps，逻辑“0”的信号频率为2200Hz，逻辑“1”的信号传输频率为1200Hz信息工程学院3568/25/2024n数据链路层用于按HART通信协议规则建立HART信息格式n其信息构成包括开头码、显示终端与现场设备地址、字节数、现场设备状态与通信状态、数据、奇偶校验等n其数据字节结构为1个起始位，8个数据位，1个奇偶校验位，1个终止位数据链路层数据帧长度不固定，最长25个字节，可寻址范围为0~15。

n当地址为0时，处于4~20mA与数字通信兼容状态n当地址为1~15时，则处于全数字通信状态，通信模式为问答式或广播式n应用层的作用在于使HART指令付诸实现，即把通信状态转换成相应的信息n它规定了一系列命令，按命令方式工作信息工程学院3578/25/20248.3.4 现场总线的应用现场总线的应用n1. 现场总线集成在DCS的I/O总线上n要实现现场总线在DCS的I/O总线上集成，关键是在DCS的I/O总线上设置一个现场总线接口卡，使现场总线系统中的数据信息映射成DCS I/总线上相对应的数据信息,如基本测值、报警值或工艺设定值等n2. 现场总线集成于DCS的网络层上3. 通过网关接口集成现场总线信息工程学院3588/25/2024第第9章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计n9.1  微机控制系统设计的基本要求与步骤n9.1.1系统设计的基本要求系统设计的基本要求 n1．可靠性要求高n系统的可靠性主要是指系统应该具备高质量、高抗干扰能力，有较长的平均无故障时间 n目前，计算机控制系统或PLC控制系统常用的有如下一些方法来保障可靠性 n1) 采用双机系统n①备份工作方式 ; ②主从工作方式 ; ③双工工作方式 .n2) 采用分布式控制系统n2．系统操作性能要好n3．实时性强n4．通用性好、可扩充性强n5．经济效益高信息工程学院3598/25/2024n9.1.2  微机控制系统设计的一般步骤n1 系统总体方案设计系统总体方案设计 n1） 确定控制任务 n在设计总体方案前要进行综合论证，考察内容：n(1)必要性：可行性估计。

n(2)微机控制系统对控制过程性能指标的改善程度，可靠性，可维护性n(3)成本、经济效益n2) 确定控制要求确定控制要求：n（1）对象数目确定及要求；n（2）检测数目确定及要求；n（3）显示与打印内容的确定及要求；n（4）保护装置的确定及要求；n（5）报警点的确定及要求；n（6）其他需要考虑的特殊要求信息工程学院3608/25/20243)  系统总体结构n确定采用集中控制还是分散控制，是开环控制还是闭环控制；n确定系统需要检测的过程参量的个数，所需采用的检测元件及其检测精度:根据检测内容选择相应的检测元件，如位置检测可采用光电传感器、微动开关（行程开关）等，温度检测可采用热敏电阻、半导体、热电偶等 ；n确定系统输出机构的方案，一般情况下，输出机构有电动、气动、液动或其它驱动方式;n确定计算机在整个控制系统中所起的作用，是直接数字控制还是数据处理、监督控制等；n确定计算机应承担哪些任务，为完成这些任务计算机应具备哪些功能，需要设计哪些输入输出通道和配置什么样的外围设备  信息工程学院3618/25/20244)分时控制方式选择 A/D  决策  输出运算A/D  决策  输出运算A/D  决策  输出运算0通道1通道n通道1.串行分时控制方案:适用大纯滞后惯性环节2.并行分时方案  Δt0 Δt1 Δt2 Δt3 Δt4 Δt5 Δt6……n-1S/HA/D  运算  决策输出  ←  -S/H……nS/HS/HA/D运算  决策输出   ←S/H……n+1S/HS/HS/HA/D运算  决策输出S/H……时段通道信息工程学院3628/25/2024n5)  控控制制系系统统的的结结构构框框图图和和系系统统主主要要技技术术指指标标提提出出的的一般要求一般要求n建立结构框图：为硬件、软件的具体设计规定正确方向同时明确微机各种外部设备间的关系。

n系统的主要技术指标：硬、软件具体设计的数据依据n技术指标要提得既切实可行，又够水平n技术指标太高：增加成本、技术难度，有时造成浪费n技术指标太低：难以达到控制目标，无扩充潜力，水平低，无推广价值信息工程学院3638/25/20246)硬件与软件的协调平衡 n计算机控制系统是由硬件和软件两部分共同组成n在一个具体的控制系统中，某些功能既可由硬件实现，又可由软件实现(如定时、延时等)在进行系统设计时，应充分考虑硬件和软件的特点，合理地进行功能分配n从快速性方面来考虑，多采用硬件可以提高系统的反应速度， 简化软件设计工作；n从可靠性和抗干扰能力方面考虑，过多地采用硬件，会增加系统元器件数目降低系统的可靠性，n同时，硬件的增加也使系统的抗干扰性能下降；n从系统成本方面来考虑，多采用软件可以降低成本n随着计算机运行处理速度的不断提高，尽可能地用软件来实现系统的各种功能已成为可能n对于实际的控制系统，要综合考虑系统速度、可靠性、抗干扰性能、灵活性、成本来合理地分配系统硬件和软件的功能 信息工程学院3648/25/2024n7)  系统现有资源的分配和接口扩展 n8)人机接口设计 n控制台一般应有如下功能：n(1)有一组或几组数据输入键（数字键盘或拨码开关），用于输入或更新给定值，修改控制器参数或其他必要的数字。

n(2)有一组或几组功能键或转换开关，用于转换工作方式，启动、停止系统运行或完 n成某些特定的系统操作功能n(3)有一个显示装置或显示屏，用于显示状态、参数及故障信号等n(4)有一个“紧急停车”按钮，用于在紧急事故时停止系统运行，转入故障处理 信息工程学院3658/25/2024n9 ) 操作规范制定：是系统软件设计的主要依据，内容如下：n1.开机步骤；n2.用键盘输入信息和修改参数的方法；n3.显示内容、格式、时间及其意义；n4.打印的内容、格式时间；n5.报警值的确定及报警方式；n6.发生故障的应急处理办法n10)采样周期的选择n实际工程中，将被控对象的工作频率分为三档：1000HZ以上；1000~50HZ；50HZ以下采用频率按这三档分别取值，即要考虑稳定性和动态品质，又要考虑CPU的处理时间，执行机构的响应速度信息工程学院3668/25/20242 微型计算机的选择微型计算机的选择 n1)  微型计算机系统构成方案选择 n(1) 组装方案 n(2)单片机方案 n(3) 通用微型计算机系统方案n(4) 专用工业控制计算机系统方案 n2) 微型计算机性能指标选择 n 作为工业控制用计算机，应满足下述基本要求。

n(1) 完善的中断系统n(2) 足够的存储容量 n(3) 微处理器具有足够的数据处理能力  信息工程学院3678/25/2024n3  控制算法设计控制算法设计 n控制算法设计要根据具体的对象、控制性能指标要求以及所选择的微型计算机对数据的处理能力来进行在设计中注意以下几个问题：n    (1)由于控制算法对系统性能指标有直接的影响，因此，选定的控制算法必须满足控制速度、控制精度和系统稳定性的要求n    (2)控制算法一旦确定以后，对于具体的被控对象需要做出必要的修改和补充，不要生搬硬套事实上，我们依据系统的数学模型所确定的控制算法，由于系统的数学模型往往具有一定的近似性，因此，对设计的控制算法进行必要的修正是必然的n如PID控制算法，可以根据对象特性和要求的性能指标，合理地选用P、PI、PD等控制算法n(3)对于一些复杂的控制系统，应抓住影响系统性能的主要因素，适当地对系统进行简化，进而简化系统数学模型和控制算法程序，给系统设计和软件调试带来很多方便 信息工程学院3688/25/2024n4  硬件设计硬件设计n在自行开发设计功能模块时，应注意如下问题：在自行开发设计功能模块时，应注意如下问题：n(1)设设计计输输入入输输出出I／／O模模块块时时，，输输入入输输出出通通道道要要留留有有一一定定量量的的裕裕量，以备系统扩展之用。

量，以备系统扩展之用n(2)注意注意I／／O通道信号的隔离通道信号的隔离n(3)考虑系统总线的带负载能力，适当增加总线信号驱动电路考虑系统总线的带负载能力，适当增加总线信号驱动电路n(4)设计硬件抗干扰电路，提高系统的抗干扰性能设计硬件抗干扰电路，提高系统的抗干扰性能n(5)尽可能采用常用的尽可能采用常用的I／／O接口芯片和逻辑元件接口芯片和逻辑元件n(6)合理地分配合理地分配I／／O口地址，避免与其它设备发生冲突口地址，避免与其它设备发生冲突n(7)在在设设计计印印刷刷电电路路板板时时，，模模拟拟部部分分和和数数字字部部分分最最好好分分开开走走线线，，最后一点接地最后一点接地n(8)输入输出接插件要安装方便，接触可靠输入输出接插件要安装方便，接触可靠n(9)避免虚焊、漏焊避免虚焊、漏焊信息工程学院3698/25/20249.1.5 软件设计软件设计 n1) 编程语言 选择n2) 应用程序的设计步骤和方法 n    应用程序的设计通常分下列五个步骤：问题定义、程序设计、编码、调试、改进和再设计 n3) 控制系统应用程序设计 n(1) 人机界面程序 n人机界面程序主要用于完成各种工艺参数和控制参数的给定和修改，控制台控制命令的输入，系统模拟显示，生产过程工艺参数或曲线的显示、打印等功能。

n(2) 实时控制程序 n    实时控制程序必须满足系统实时性的要求，这部分软件一般需要中断的支持，且作为后台进程，由特定的事件来激发，大多数控制系统中是通过定时中断来实现实时控制程序主要完成以下任务n①数据的采集②数据处理③数字控制器程序实现④越限报警和事故处理n⑤系统自诊断，以固定的周期巡回对系统中一些重要硬件进行检查诊断一旦发现系统存在故障或工作不正常，需及时报告事故类别、地点，并进行相应的处理 信息工程学院3708/25/2024§9.2  微型计算机温度控制系统设计 n9.2.1系统总体系统总体方案确定方案确定n1) 确定系统的控制任务确定系统的控制任务n 本本系系统统采采用用直直接接数数字字控控制制系系统统（（DDC）），，就就功功率率为为2KW的的单单相相电电阻阻炉炉进进行行温温度度控控制制，，要要求求温温度度在在400℃～～1000℃范范围围内内可可调调主主要要任任务务要要求求有有：：(1)电电阻阻炉炉温温度度的的检检测测2)电电阻阻炉炉温温度度的的闭闭环控制3)电阻炉温度曲线显示和打印电阻炉温度曲线显示和打印n2 2）确定系统的总体控制方案）确定系统的总体控制方案  信息工程学院3718/25/2024单片机信息工程学院3728/25/20249.2.2 硬件设计硬件设计n1．检测元件及变送器n检测元件选用镍铬-镍铝热电偶，分度号为EU，适用于0℃~1000℃的温度测量范围，相应输出电压为0mV~41.32mV。

 n变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成：毫伏变送器用于把热电偶输出的0~41.32mV变换成0~10mA范围内的电流；n电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的0~10mA电流变换成0~5V范围内的电压n 2．A/D转换与I/O接口电路n由于本系统温度信号变化缓慢，所以在模拟量输入通道中省去了采样保持电路温度传感器信号经调理放大后（UO），直接送入AD0809进行转换n系统核心控制器即单片机为89S51，其它模块有ADC0809、8155等ADC0809为温度测量电路的输入接口，相应的温度与数据量对照见表9-2；8155用于键盘和显示接口 信息工程学院3738/25/2024n采用 MAX232与上位机通信，接口电路如下图9-3所示n连接时要注意其发送/接收的引脚对应如使Tin1接单片机的TXD，则PC机的RS—232的接收端RXD一定要对应Tout1引脚n同时，Rout1接单片机RXD引脚，PC机的RS-232发送端TXD对应Rin1图9-3 通信接口板原理图信息工程学院3748/25/20243．输出通道设计n 双向可控硅和加热丝串接在交流回路，因此可控硅导通时间决定加热丝的加热功率。

图9-4给出了可控硅在给定周期T内具有不同导通时间的情况 过零信号是正弦交流电压过零时刻的同步脉冲，可使可控硅在交流电压正弦波过零后触发导通过零同步脉冲由过零触发电路产生，如图9-5所示，其作用是在电网电压的每一个过零点产生一个同步脉冲信息工程学院3758/25/2024图中，包含同步变压器，比较器LM311将50Hz正弦波信号变成方波信号异或门在方波的上升沿或下降沿产生过零同步脉冲，单稳触发器的作用是对过零同步脉冲信号整形，最后输出同步脉冲信号 11信息工程学院3768/25/20249.2.3 数字控制器的设计数字控制器的设计n系统的简化动态结构图如图9-6所示 被控对象加上零阶保持器的广义对象传递函数为信息工程学院3778/25/2024本系统数字控制器采用大林算法，使闭环系统为一阶惯性环节与纯滞后环节串联，滞后时间与被控对象滞后时间相同，即：控制器：信息工程学院3788/25/2024由系统的飞升特性曲线确定出Tτ和TI后，系数A、B、C则可分别求出 n因为D(z)=U(z)/E(z)，得该式为设计的数字控制器数学模型 9.2.4  软件设计软件设计1）T0中断服务程序T0中断服务程序是此系统的主体程序，用于启动A/D转换、读入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限处理、大林算法计算和输出可控硅的同步触发脉冲等。

在T0中断服务程序中，要用到一系列子程序如：采样子程序、数字滤波子程序、越限处理程序、大林算法程序、标度变换程序和温度显示程序等T0中断服务程序流程图如图9-8所示信息工程学院3798/25/2024n2）人机界面程序调整n人机界面程序以弹出式汉字菜单的方式实现主菜单主要完成以下功能：n(1) 模拟画面显示n(2) 参数给定修改n(3) 温度曲线显示n(4) 返回系统信息工程学院3808/25/2024信息工程学院。