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第1章 绪言 1.1 数字控制系统概述 数字控制系统是以数字计算机作为数字控制器，实现对连续对象（或过程）的闭环控制，因此也称为计算机控制系统。 本书阐述如下几部分内容： 数字控制系统建模与分析； 数字控制系统的设计（或称综合）； 数字控制系统的实现； 高速采样数字控制系统的建模与分析、设计与实现。 1.1.1 系统组成与功能（软件与硬件） 1 硬件部分 需要说明的是： 2 软件部分（在计算机上实现控制规律） 主程序：系统初始化设置； 控制子程序：实现数据采集、控制算法、控制量的输出和存储。 图1-1-2 数字控制系统软件流程 1.1.2 数控系统的优点 程序控制：易于修改，改变控制规律不需修改硬件，通过修改控制子程序就可以满足不同的控制要求。因此相对于连续控制系统更具有灵活性。 精度高：模拟控制器的精度由硬件决定，同一批次的元器件可能具有不同的性能，例如电阻、电容的标称值和实际测量值会有不同，达到高精度很不容易，元器件的价格随精度不同变化很大；而数字控制器的精度与计算机的控制算法和字长有关，在系统设计时就已经决定了。 稳定性好：数控计算机只有 “0”、 “1” 状态，抗干扰能力强，不象电阻、电容等受外界环境影响较大。 软件复用：硬件不能复用，子程序却可以，所以具有可重复性。而且计算机系统和软件都可以更新换代。 分时控制：可同时控制多系统、多通道。而模拟控制器只能完成单通道控制。 数控系统的缺点、局限性 实时性：数控系统由计算机运行速度、A/D与D/A采样速度、控制算法等多种因素决定其采样频率上限。 信号的处理：离散系统的采样频率下限受到采样定理的限制，在输入信号频率不满足采样定理时得到的采样信号会产生频率混迭现象。 数控系统一般需要进行连续信号与数字信号之间的转换，因此系统性能受到 A/D与 D/A性能的影响，包括实时性、精度等。 多种微计算机举例 可作为数控系统实时控制器的微计算机种类越来越多，如：单片机、单板机、台式机、PLC、嵌入式计算机、DSP等。 设计和实现实时系统，需要从以下几个指标来选择微型机：速度、字长、指令系统、输入/输出控制方式及容量等等；在实际应用中，还要考虑高可靠性、可维护性、微型化要求等等。 通用计算机（台式机）：软、硬件通用，多种软、硬件支持，配套设备完善。但作为数字控制器整体的实时处理速度不是很快，决定于所有部件的速度。 单片机：仍在不断发展，如Intel 9000的运算速度就非常可观，接口性能良好，但采用冯.诺依曼总线结构，乘法运算速度慢，不适于运算量大的实时控制系统。 PLC可编程控制器：适用于工业自动化控制，安全可靠，比较完善，但价格较贵，体积较大。 嵌入式计算机：体积小，重量轻，可靠性高，针对特殊环境设计的部件可做到防振，抗高低温等特点。模块化设计，可按需要选择功能模块栈接起来。 DSP芯片：专门的可编程数字信号处理芯片，采用哈佛总线结构，程序和数据具有独立的存储空间，有着各自独立的程序总线和数据总线，结构复杂，但数据处理能力大大提高，有可以实现特处用途（如FFT、FIR滤波、卷积）的DSP芯片。多用于需高速实时数据处理的场合（如图形处理，大规模数据实时运算）。 单片机： DSP芯片——专门的可编程数字信号处理芯片 PLC可编程序控制器 嵌入式计算机 1.2 数字控制对计算机（系统）的要求 1.2.1 实时控制 在一个采样周期 T 内必须完成如下操作： 1. 数据采集：采样，A/D转换，数据输入的时间△t1 ； 2. 程序运行求出控制量的时间△t2 ； 3. 控制量的输出和存储时间△t3 。 则为了实现实时控制，必须有 1.2.2 对计算机（系统）的要求 硬件支持 1. CPU、内存、中断、指令系统等； 2. 实时时钟； 3. 输入输出通道； 4. 外设。 软件支持 人机对话功能 用数字计算机作控制器，实现控制算法，是数字控制的关键。 计算机控制系统的控制过程可以归结为：实时数据采集、实时控制。计算机只要能满足控制系统实时控制设计要求即可，无需过高追求计算机的高性能。要求数控系统中的计算机能做到如下几点： 实时性：为了保证实时控制，作为数字控制器的微型计算机主要涉及以下几点：微型计算机的机型、输入输出接口、中断设置、实时时钟、实时操作系统等几部分。 综合控制能力：较强的计算、信息处理和控制能力；灵活而复杂的输入输出设备，传感器控制，显示设备，完备的中断系统等。 高可靠性：软硬件的高可靠性是保证数控系统正常工作的关键。 可维护性：实际中长期工作的数控系统必须考虑可维护性。 环境适应性：适应工程环境中要求的高低温、振动、湿