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第12章 数字控制系统的设计与实现 12.1 实时软件设计的几个问题 12.1.2 实时软件设计 12.2 高精度角位置伺服系统 12.2.4 控制软件设计 12.2.5 系统抗干扰能力 * * 本章阐述数字控制系统程序设计方面的有关问题，并举例数字控制系统的设计与实现。 程序(programing)设计是数字控制系统实现的一个重要方面。由于数字控制系统是实时控制，在一个采样周期内必须完成一个控制步的操作。 12.1.1 实时控制程序基本流程 实时控制程序基本流程，由两部分组成，对于单输入单输出控制系统，见图12-1-1。 初始化程序 初始化(initialize)程序也称主程序，用于设置控制系统输入、控制参数、采样周期及输入/输出控制方式。 控制服务程序 控制服务程序(control service routine)也称控制子程序，在一个采样周期内完成一个控制步的所有操作。 控 制 子 程 序 控制量的输出和存储 图12-1-1 实时控制程序基本流程 Y N 开 始 主程序：初始化设置 数据采集 控制算法 采样? 数字控制系统应用于工程中，软件（software）设计除上述基本流程外，还需考虑以下几个问题: 1 人机对话程序 人机对话 ( man-machine interaction)是指计算机通过显示器或打印设备，向操作人员提供有用的信息，操作人员可通过键盘向计算机输入信息，以控制程序的运行，或设置、修改、调试系统有关参数。 2 输入信号的预处理 为抑制各种环境干扰及量测噪声，对输入至计算机的采样信号进行预处理有时是很需要的。 （1）算术均值 每一采样周期取N次输入，求N次的算术平均值作为本次采样值： （2）加权均值 每一采样周期取N次输入，求N次加权均值: 式中, c i :加权系数，由设计者依具体情况确定。 以上两种预处理模型，适用于变化较快的信号。 （3）一阶滤波算法 式中， e(k) :滤波器第k周期采样输入； ef(k):滤波器第k周期输出； a :滤波系数。 3 其它问题的处理 （1） 对异常信号的处理 为使系统安全运行，对一些信号需进行巡回检测，并设置相应的上、下限，超出限度时，为异常状态，产生报警信号，并进行相应的处理，如:自动切换到手动状态等。 （2） 系统运行状态的显示及记录 （3）数制、代码转换程序 若A/D、D/A转换器的数字信号与控制算法所用数制、代码不同，需设计转换程序。 4 程序的质量指标 程序的质量用“时空”指标来衡量。 “时间”指标，指执行控制服务程序所需的时间，它关系到计算时延的大小，影响到系统的性能。 “空间”指标，指程序所占的容量。 5 程序实现语言 有多种高级语言可用于实时控制，例如：C语言等，高级语言之优点为编程较容易，修改也比较方便。 6 系统软件的支持 实时控制程序的编辑、调试、连接、运行等都离不开系统软件的支持。充分利用系统软件及有关的子程序 (库)，可以加速及简化控制软件的研制与开发。 图12-2-1 角位置伺服系统框图 计算机系统 速率控制 测角系统 角度七位显示 可逆计数器 D/A 校正 及功放 转台 力矩电机 测角元件 前置放大 角度增量编码器 000．0000 A/D 显示器,键盘 打印机 硬盘驱动器 主机 并行I/O接口 12.2.1 控制系统硬件结构 计算机控制的高精度角位置伺服系统硬件结构见图12-2-1，主要由四部分组成。 1. 计算机系统 主要功能为按照设计的控制规律，实现对系统的角位置控制。 2. 速率控制系统 由可逆计数 器、D/A转换器、校正及功率放大器、执行机构（力矩电机）、测角元件、前置放大、角度增量编码器组成的速率反馈系统。该系统采用数字式测量、模拟式驱动的数/模混合控制，因此具有二者的优点，既达到了高分辨率（0.0002o），又有足够的功率驱动被控对象。 3. 测角系统 由测角元件（360对极的感应同步器和一对极的旋转变压器）、前置放大器及角度A/D转换器组成，分辨率为0.0001o，测角范围0.0001o~359.9999o，精度为角秒级，用7位BCD码定点制数据显示并输出，测角原理见例9-3-4、9-3-5。 4. 被控对象 转动惯量J可达几千～几万克·厘米·秒2（ g .