计算机控制系统-第三章
计算机控制系统4第三章 (2)
②量程 它是指所能转换的电压范围。如5V、10V等。
§第二章 输入输出接口与过程通道技术
A/D转换器
③转换精度 它是指转换后所得结果相对于实际值的准确
度。A/D转换器的转换精度取决于量化误差q、微分线性 度误差DNLE和积分线性度误差INLE 。 积分线性度误差INLE: 在满量程输入范围内，偏离理想转
A/D转换器
PUSH DS
STI MOV AX,DATA
MOV AX,250AH
INT 21H MOV DX,220H
MOV DS,AX
MOV DX,220H IN AL,DX;读数 MOV ADTEMP,AL
MOV AL,21H;发EOI 命令 OUT 20H,AL POP DS;恢复现场 POP DX POP AX IRET
A B C G2A VCC y0 y1 y2
G2B y3 G1 Y7 y4 y5
* 1 * * * 1 1 1 1 1 1 1 1 0 * * * * 1 1 1 1 1 1 1 1
1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1
地
y6
设计时，根据具体接口芯片的要求，AO、 A1用作端口地址。
A/D转换器
例 ： AD574与ISA总线前62根信号线（即PC/XT总线）的接口
§第二章 输入输出接口与过程通道技术
A/D转换器
74LS138 16芯译码器
• A.B.C为选择端 G1、G2A、G2B为允许端 G2=G2A+G2B
G1 G2 C B A Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7
§第二章 输入输出接口与过程通道技术
A/D转换器
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。
第三章 人机接口技术
39H 5FH 79H 71H BFH 86H DBH CFH E6H … FFH 00H
C6H A1H 86H 84H 40H 79H 24H 30H 19H … 00H FFH
七 段 字 符 的 段 选 码
2 3 4 5 6 7 8 9 A B
(二)LED接口技术
LED显示器有静态显示和动态显示两种方式. 1.LED静态显示方式 N位静态显示器要求有N×8根I/O口,占 有I/O资源较多,故在位数较多时往往采 用动态显示方式。
2、计算机控制系统的人机交互通道
2.1人机接口的功能和类型
2.2人机交互通道的特点
1、人机接口的功能和类型
计算机控制中,人对系统状态的了解、掌握和指挥 依赖于人机通道中数据的传递，这里包括人对系 统的了解和干预、控制参数的输入、系统状态的 打印汇报等等内容。人机交互通道的主要形式如 图3-1所示。 按键键盘
a b c d e f g dp
COM
显示字符
共阴极段选码
共阳极段选码
显示字符
共阴极段选码
共阳极段选码
0 1
3FH 06H 5BH 4FH 66H 6DH 7DH 07H 7FH 6FH 77H 7CH
C0H F9H A4H B0H 99H 92H 82H F8H 80H 90H 88H 83H
C D E F 0． 1． 2． 3． 4． … 8．
dp g f e d c b a
dp g f e d c b a
dp g f e d c b a
dp g f e d c b a
LED 1 COM
LED 2 COM
LED 3 COM
LED 4 COM
图 6-5 LED静态显示硬件译码接口电路
计算机控制系统03 Z变换
则 Z [ y( kT )] Z [u( kT ) * g ( kT )] U ( z )G ( z )
7 乘ak 后的Z变换 Z[ y( kT )] Y ( z ) 若 Z[a k y( kT )] Y ( a 1 z ) 则 k k k Z [ a y ( kT )] y ( kT ) a z k 0 证：
z 1
∴
y( kT ) lim ( z 1)Y ( z ) y( ) lim z 1 k
( z 1)Y ( z )
的全部极点都在单位圆内，等效于Y(z) 可以 有一个极点为1，在单位圆上,而其余极点必 须全在单位圆内。否则，不能使用终值定理。 例 4： F ( z)
证：按Z变换的定义展开，注意到零初始条件
Z [ y( kT nT )] k 0 y( kT nT ) z k
从k=n项开始展开
n
y( 0) z n y(T ) z ( n1 ) y( 2T ) z ( n 2 )
k 0 y( kT ) z ( n k ) z n k 0 y( kT ) z k z Y ( z )
k 0
计算机控制系统课后答案 (3)
计算机控制系统课后答案问题1：什么是计算机控制系统？计算机控制系统是指利用计算机技术对物理过程或机械设备进行监控、控制和管理的系统。
它由计算机硬件、软件和工程配套设备等多个组成部分构成。
计算机控制系统具有实时性好、反应速度快、准确性高等特点，广泛应用于各种工业自动化领域。
问题2：计算机控制系统的组成部分有哪些？计算机控制系统由以下几个部分组成：1.传感器和执行器：传感器用于感知物理过程的状态和参数，并将其转换为电信号，以便计算机能够处理。
执行器根据计算机的指令来执行控制动作，控制物理过程或机械设备的运行。
2.计算机硬件：包括中央处理器（CPU）、内存、输入输出接口等。
计算机硬件负责接收传感器采集的数据，并根据预设的算法进行处理和判断，进而控制执行器的动作。
3.计算机软件：包括控制算法、界面程序等。
控制算法根据输入的传感器数据进行计算和判断，生成相应的控制指令。
界面程序提供控制系统的人机交互界面，使操作员能够对系统进行监控和控制。
4.工程配套设备：包括可编程逻辑控制器（PLC）、仪表仪器等。
这些设备与计算机系统相连，作为中间装置，用于完成不同领域的控制任务。
问题3：计算机控制系统的工作原理是什么？计算机控制系统的工作原理是通过传感器采集物理过程的状态和参数，将其转换为电信号输入到计算机系统中。
计算机根据预设的控制算法，对输入的数据进行处理和判断，生成相应的控制指令。
这些控制指令通过输出接口发送给执行器，执行器根据指令来执行相应的控制动作，从而实现对物理过程或机械设备的控制。
计算机的工作过程可以理解为以下几个步骤：1.信号采集：传感器采集物理过程的状态和参数，并将其转换为电信号。
2.信号处理：计算机系统接收传感器的电信号，对其进行滤波、放大、数字量化等处理，以获取准确的数据。
3.控制计算：根据输入的数据，计算机系统进行控制算法的计算和判断，生成相应的控制指令。
4.控制输出：控制指令通过输出接口发送给执行器，执行器根据指令来执行相应的控制动作。
第3章 计算机控制系统输入输出接口技术
当用偶地址读AD574时，读出高8位，否则读出低4位。
采集程序如下： MOV DX，Yn OUT DX，AL CALL DELAY MOV DX，Yn AL，DX AH，AL DX, Yn AL，DX
；Yn为偶地址 ；假写外设操作，启动12位A／D转换 ；调用延时100μ s（＞35μ s或转换时间） 的子程序 ； Yn为偶地址 ；读高8位 ； ； Yn为奇地址 ；从数据总线D4～D7位读入低4位
计算机控制技术
AD574A各引脚特性如下：
第3章 计算机控制系统输入输出接口技术
10Vin、20Vin、BIP OFF：模拟电压信号输入线， BIP OFF引脚可接-5V（5V～+5V输入信号）或-10V（-10V～+10V输入信号）。
VDD、VEE：模拟电路电源输入线。
AGND：模拟电路接地线。 VCC：数字电路电源输入线。 DGND：数字电路公共接地线。 REF OUT：内部基准电源输出线。 REF IN：A／D转换基准电压输入线。
ST S
：转换结束输出信号线。
DO0～DO11转换数据输出线， D0最低有效位LSB，D11最高有效位MSB。 CE：片使能信号输入线。
CS ：片选信号输入线。
计算机控制技术
第3章 计算机控制系统输入输出接口技术
R / C ：读、起动转换控制信号输入线，当为高电平时；表示读取A／D转 换数据，当为低电平时，表示起动A／D出接口技术
⑵ 有源I／V变换 如下图所示。 取 R1＝200Ω， R3＝100KΩ， R4＝25KΩ， 则4～20mA输入对应于1～5V的电压 输出。
R2 I + A R4
R1 I
C R3 V
V
R1 R2
计算机控制技术王建华主编第二版第三章课后答案
第一章答案1计算机控制系统是由哪几部分组成？画出方块图并说明各部分的作用。
答：（1）计算机控制系统是由工业控制机、过程输入输出设备和生产过程三部分组成。
（2）方块图如下图1.1所示：工业计算机 PIO 设备 生产过程图1.1 计算机控制系统的组成框图1、①工业控制机软件由系统软件、支持软件和应用软件组成。
其中系统软件包括操作系统、引导程序、调度执行程序，它是支持软件及各种应用软件的最基础的运行平台；支持软件用于开发应用软件；应用软件是控制和管理程序；②过程输入输出设备是计算机与生产过程之间信息传递的纽带和桥梁。
③生产过程包括被控对象、测量变送、执行机构、电气开关等装置。
2.计算机控制系统的实时性、在线方式、与离线方式的含义是什么？为什么在计算机控制系统中要考虑实时性？（1）实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定时间内对外来事件做出反应的特性；在线方式是生产过程和计算机直接相连，并受计算机控制的方式；离线方式是生产过程不和计算机相连，并不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式。
（2）实时性一般要求计算机具有多任务处理能力，以便将测控任务分解成若干并行执行的多个任务，加快程序执行速度；在一定的周期时间对所有事件进行巡查扫描的同时，可以随时响应事件的中断请求。
4、计算机控制系统有哪几种典型形式？各有什么主要特点？（1）操作指导系统（OIS ）优点：结构简单、控制灵活和安全。
缺点：由人工控制，速度受到限制，不能控制对象。
（2）直接数字控制系统(DDC)优点：实时性好、可靠性高和适应性强。
（3）监督控制系统（SCC ）优点：生产过程始终处于最有工况。
（4）集散控制系统优点：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。
CPU/MEM 人-机接口 内部总线 系统支持版 磁盘适合器 数字量输出（DO ）通道 数字量输入（DI ）通道模拟量输出（AO ）通道 模拟量输入（AI ）通道 电气开关 电气开关 执行机构 测量变送 被控对象（5）现场总线控制系统优点：与DOS相比降低了成本，提高了可靠性。
计算机控制技术课后习题详解答案
第一章计算机控制系统概述习题参考答案1.计算机控制系统的控制过程是怎样的计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：(1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。
(2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。
(3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么(1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。
(2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。
(3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。
3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成各部分的作用是什么由四部分组成。
(1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。
主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。
图微机控制系统组成框图(2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。
过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。
过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。
过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。
(3)外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。
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本书是300MW火力发电机组丛书的第四分册,主要介绍300MW火力发电机组普遍应用的计算机分散控制系统(DCS)。
全书共分十一章,分别叙述了分散控制系统的`基本结构与特点、主要硬件、软件系统、通信网络,以及在300MW火电机组上实现的数据采集与监控系统、协调控制系统、炉膛安全监控系统、汽轮发电机数字电液控制系统、给水泵控制系统和旁路控制系统等。
计算机控制系统（李华著）：内容提要
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计算机控制系统（李华著）：图书目录
前言
第一章概论
第一节火力发电厂生产过程的特点与控制要求
第二节火力发电厂生产过程自动化的历史概况
第三节计算机控制系统的基本组成
第四节计算机控制系统的基本类型
第五节计算机控制系统的基本要求
第二章分散控制系统(DCS)的结构与特点第一节分散控制系统概述
第二节典型分散控制系统的结构
第三节分散控制系统的结构分析
第四节分散控制系统的特点
第三章分散控制系统的主要硬件
第一节过程控制设备
第二节人机接口设备
...。
计算机控制技术及工程应用复习资料
一、第一章1）计算机控制系统的监控过程步骤a .实时数据采集--对来自测量变送器的被控量的瞬时值进行采集和输入 ；b .实时数据处理--对采集到的被控量进行分析、比较和处理，按一定的控制规律运算，进行控制决策； c.实时输出控制--根据控制决策，适时地对执行器发出控制信号，完成监控任务；2）按控制方案来分，计算机控系统划分成那几大类？数据采集系统（DAS ） 操作指导控制系统(OGC) 直接数字控制系统（DDC ） 监督计算机控制系统（SCC ） 分散控制系统分散控制系统 （DCS ） 现场总线控制系统（FCS ）3）计算机控制装置种类 可编程控制器；可编程控制器； 可编程调节器；可编程调节器； 总线式工控机；总线式工控机； 单片微型计算机；单片微型计算机； 其他控制装置其他控制装置4）计算机控制系统与常规仪表控制系统的主要异同点是什么？同：1）计控系统是由常系统演变而来的； 2）两者的结构基本相同异：1）计控系统中处理的信号有两种：模拟信号和数字信号。
而常系统处理的只有模拟信号2）计控系统具有智能化3）计控系统有软件也有硬件，而常系统只有硬件二、第二章1）4 位 D/A 转换器为例说明其工作原理假设D3、D2、D1、D0全为1，则BS3、BS2、BS1、BS0全部与“1”端相连。
根据电流定律，有：由于开关 BS3 ~ BS0 的状态是受要转换的二进制数的状态是受要转换的二进制数 D3、D2、D1、D0 控制的，并不一定全是“1”。
因此，可以得到通式：考虑到放大器反相端为虚地，故：选取 R fb = R ，可以得到：对于 n 位 D/A 转换器，它的输出电压V OUT 与输入二进制数B( Dn-1~ D0) 的关系式可写成：的关系式可写成：结论：可见，输出电压除了与输入的二进制数有关，还与运算放大器的反馈电阻 Rfb 以及基准电压VREF 有关。
2）D/A 转换器性能指标是（1）分辨率 是指 D/A 转换器能分辨的最小输出模拟增量。
计算机控制系统---第三章
的z变换。
解：
另一种由F(s) 求取F(z) 的方法是留数计算方法。本书对此不予讨论
利用MATLAB软件中的符号语言工具箱进行F(s)部分 分式展开
已知
，通过部分分式展开法求F(z) 。
MATLAB程序：
F=sym(′(s+2)/(s*(s+1)^2*(s+3))′)； %传递函数F(s)进行符号定义
即得到
3.4.4 干扰作用时闭环系统的输出
根据线性系统叠加定理，可分别计算指令信号和干扰信号作用下的输出响应。
G(z)
Z
1
esT s
G1(s)G2 (s)
R(s)单独作用时的 系统输出[N(s)=0]
干扰单独作用时的 系统输出[R(s)=0]
共同作用时的系 统输出
图3-13 有干扰时的计算机控制系统
图3-10采样控制系统典型结构
一般系统输出z变换可按以下公式直接给出：
C(z)
前向通道所有独立环节z变换的乘积 1闭环回路中所有独立环节z变换的乘积
3.4.3 计算机控制系统的闭环脉冲传递函 数
1. 数字部分的脉冲传递函数
控制算法，通常有以下两种形式：
差分方程
脉冲传递函数D(z)
(z变换法)
连续传递函数
2. 由脉冲传递函数求差分方程
z反变换
z反变换
3.4.1 环节串联连接的等效变换
1. 采样系统中连续部分的结构形式
并不是所有结构都能写出环节的脉冲传递函数
3.4.1 环节串联连接的等效变换
2. 串联环节的脉冲传递函数
3.4.1 环节串联连接的等效变换
3. 并联环节的脉冲传递函数
根据叠加定理有：
双线性变换法
—计算机控制系统—
显然，s平面的虚轴以左映射为z平面单位圆之内的一个小圆，如图 3-6所示。所以，稳定的D(s)对应的D(z)也必定稳定。
图3-6 后向差分法s平面稳定域 在z平面内的映象
—计算机控制系统—
图3-7 梯形规则数值积分
—计算机控制系统—
对式（3-15）两端求z变换，经整理，可得
D(z) C(z) 1 R(z) 2 z 1 T z 1
T
—计算机控制系统—
(3-8) (3-9) (3-10)
—计算机控制系统—
代入式（3-9）得
C(k) C(k 1) Tr(k)
对上式进行z变换，经整理为
D(z) C(z) Tz R(z) z 1
(3-11)
比较式（3-11）与式（3-8），得s和z的置换公式为
s z 1 Tz
(3-12)
推广而言，后向差分的离散化公式为
D(z)
D(s)
|s
z
1
Tz
因为
s z 1
Tz
则
z 1 1 1 Ts
2 2 1 Ts
当 s j 时，可得
z1 1 22
—计算机控制系统—
(3-13)
四、双线性变换法（Tustin变换法）
1、离散化公式
图3-7中曲线r(t)以下的积分面积
所以，采用前向差分法离散化，D(s)稳定，D(z)不一定稳定。
—计算机控制系统—
前向差分法的特点总结如下：
1、直接代换，具有串联性，变换 方便；
2、整个s左半平面映射到z平面z=1 以左的区域，故D(s)与D(z)不具有 相同的稳定性；
3 、 因 为 D(s)|s=0=D(z)|z=1 ， 故 稳 态 增益维持不变；
第三章 控制系统的整定
3) 利用δcr和Tcr值, 按稳定边界法参数整定计算公式表，求调节器各
整定参数δ,TI, TD
34
δ对于比例调节过程的影响
35
图
系统的临界振荡
规律 P
参数
δ
TI
TD ψ=75%
2δcr
2.2δcr
0.85Tcr
PI
PID
1.67δcr
0.5Tcr
0.125Tcr
稳定边界法参数整定公式
36
注意:
y1
r
y3
ess
超调量: ζ=y1/y∞*100%
调节时间: ts(进入稳态值5%范围内) y∞
t
在单项指标中, 应用最广的是衰减率ψ, 75%的衰减率是对偏 差和调节时间的一个合理的折中. 单一指标概念比较笼统, 难以准确衡量; 一个指标不足以确定 所期望的性能, 多项指标往往难以同时满足. 3
② 误差积分性能指标
Kc 10.9, TI 5.85, TD 0.89
2) 稳定边界法 首先让调节器为比例调节器, 比例带从大到小改变, 直到系统呈现等幅 振荡, 此时的比例带为δcr, 同时由曲线测得临界震荡周期Tcr, 然后按稳 定边界法参数整定计算公式计算调节器的整定参数为：
44
P调节器: Kc=6.3 PI调节器: Kc=5.7, TI=12.62 PID调节器: Kc=7.4, TI=7.57, TD=1.89 对于传递函数已知的被控对象, 可以直接计算出δcr和Tcr, 计算方法为: 将s=jω(m=0)代入对象的传递函数中,求出过点(-1, j0)的ω, δ. 则δcr= δ, Tcr=2π/ω 1 G p ( s) , Gc ( s) K c 如本例: (5s 1)(2s 1)(10s 1) 相角条件：
计算机控制技术第3章 计算机控制系统分析
第3章 计算机控制系统分析 y(t) 1.6 1.4
a b
1.2
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 t
第3章 计算机控制系统分析
(2) 现将图中的保持器去掉，k=1，T=τ=1；则
G (z)
W (z)
0 . 632 z (1 z
由此可见，离散系统的时间响应是它各个 极点时间响应的线性叠加。
第3章 计算机控制系统分析
设系统有一个位于zi的单极点，则在单位脉冲 作用下，当zi位于Z平面不同位置时，它所对应的 脉冲响应序列如图所示。
jIm j -1 0 -j 1 Re
第3章 计算机控制系统分析
极点在单位圆外的正实轴上，对应的暂态响应 分量y(kT)单调发散。 极点在单位圆与正实轴的交点，对应的暂态响 应y(kT)是等幅的。
第3章 计算机控制系统分析
离散系统的稳定性分析
jω [S] 0
1 对应关系
jIm j -1 0 [Z]
1
Re
2 直接稳定判断
δ
j
3 W变换，Routh稳定性判断
j
ω
0
[W]
δ
第3章 计算机控制系统分析
离散系统的过渡响应分析
一个控制系统在外信号作用下从原有稳定 状态变化到新的稳定状态的整个动态过程称之为 控制系统的过渡过程。 一般认为被控变量进入新稳态值附近±5% 或±3%的范围内就可以表明过渡过程已经结束。 通常，线性离散系统的动态特征是系统在单 位阶跃信号输入下的过渡过程特性(或者说系统 的动态响应特性)。如果已知线性离散系统在阶 跃输入下输出的Z变换Y(z)，那么，对Y(z)进行Z 反变换，就可获得动态响应y*(t)。将y*(t)连成光 滑曲线，就可得到系统的动态性能指标（即超调 量σ%与过渡过程时间ts）。
第三章_计算机控制系统的数学描述2(差分方程_脉冲传递函数)
对第1种情况：
Y1 ( z ) R( z )G1 ( z ) Y ( z ) Y1 ( z )G2 ( z ) Y ( z) R( z)G1 ( z)G2 ( z)
Y1 (s) G1 (s) R( z ) Y (s) Y1 ( z) G2 ( s) Y1* (s) R( z )G1* (s) * * Y (s) Y1 ( z) G2 ( s)
y (k ) ai y (k i ) b j r (k j )
i 1 n j 0 n m
Y ( z ) ai z iY ( z ) b j z j R( z )
i 1 j 0
m
Y ( z) G( z) R( z )
m
1 ai z i
1 eTs G p (s) 1 G ( z ) Z G ( s ) Z G p (s) (1 z ) Z s s
什么是零阶保持环节？即保持一个采样周期的采样信号， 如图3.6所示。
us (t )
T
o
t
o
t
us (t T )
§3.2 差分方程
连续系统的动态过程，用微分方程来描述； 离散系统的动态过程，用差分方程来描述。
1、差分方程的一般形式 系统的输出Z传递函数与系统输入Z传递函数之比，当初 始条件为零时，称为系统的Z传递函数。一般可表示为
Y ( z ) b0 b1 z 1 b1 z 2 bm z m R( z ) 1 a1 z 1 a2 z 2 an z n
y(k ) y(k 1) r (k ) 2r (k 2)
设初始条件 y(0) 2 ，求
微型计算机控制系统课件第3章 输入输出接口及输入输出通道
除缓冲器和锁存器外，还有一类既有缓冲功能又有锁存功 能的器件，Intel公司8255A可编程并行I/O扩展接口芯片就是 这样的器件。8255A与工业控制计算机（ISA）总线的连接如 图3-5所示。8255A有三个可编程的8位输入输出端口A、B和 C，内部有一个控制寄存器。通过向控制寄存器写入控制字定 义A、B、C端口的数据传输方向（输入或输出）。图中 ATF16V8作译码器用。
数字量输入接ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ原理图
数字量输出接口原理图
输入输出接口设计
输入接口是输入通道与工业控制机总线之间的桥梁，输出接口是输出通道与工业控制机总线之间 的桥梁。下图是由缓冲器和译码器组成的数字量输入接口示例，以及锁存器和译码器组成的数字量输 出接口示例。
数字量输入接口示例
数字量输出接口示例
输入输出接口设计
S1=/A9+/A8+A7+A6+A5+A4+A3+A2 Y0=AEN+S2
输入输出接口与输入输出通道 数据信息的输入输出控制方式 数字量/模拟量输入输出通道的基本组成
基于板卡的输入输出接口与通道的设计
基于计算机通讯接口的输入输出接口与通道的 设计
计算机控制系统03-问题与讨论
2单元作业
1、控制器设计中“零极点不能对消”是何含义？
答案：
含义有两方法：
（1）被控对象不稳定的极点不能用控制器不稳定的零点来对消，否则当被控对象的模型参数发生变化时，控制系统将不稳定（系统输出发散）；
（2）被控对象不稳定的零点不能用控制器不稳定的极点来对消，否则控制器的输出将发散，控制系统将不稳定。
2、什么是“纹波”现象？原因为何？
答案：
“纹波”是指当控制系统到达稳态后，系统的输出在采样点之间围绕参考输入波动的现象。
造成纹波现象的原因是：控制系统到达稳态后，控制器的输出不稳定，仍然呈现出一种衰减震荡的现象。
第三章--PID控制
k1
u(k1)KPe(k1)KI e(j)KD[e(k1)e(k2)] j0
u(k)u(k)u(k1) KP[e(k)e(k1)]Kie(k)KD[e(k)2e(k1)e(k2)]
增量型控制算式具有以下优点： (1)计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，控制算
偏差的微分调节来消除系统惯性的影响，提高动态响应
速度，这就形成了按偏差PID调节的系统。其控制结构
如下图所示。
23
KP
r(t)
e(t)
KP
TI s
KPTDs
u(t)
y(t)
G0(s)
模拟PID控制器图的5.7微分模方拟程PID为控制: 系统
u(t) KP[e(t)T1I
t
e(t)dt
0
TD
de(t)] dt
以前，我们在设计连续系统时，只要给定被控对象的模型， 期望的性能指标，我们就可以设计了。因此，我们设计的第一步 就是找一种近似的结构，来设计一种假想的连续控制器D(S)，这 时候我们的结构图可以简化为：
r(t) + e(t)
u(t)
y(t)
_
D(s)
G(s)
已知G(S)来求D(S)的方法有很多种，比如频率特性法、根轨迹 法。
第三章 数字控制器模拟化设计
1
参考文献
王正林.过程控制与Simulink应用 刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真
2
第一节 模拟控制器与数字控制器
在数字控制系统中用数字控制器代替模拟控制器。
控制过程如下：首先通过模拟量输入通道对控制参数进行 采集，并将其转换为数字量，然后送入计算机后按一定的 算法进行处理到期望的控制 效果。
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Z
[u(t)]
k 0
z
k
1
1 z
1
z 1
(3) Z [at Tu(t)] Z [anu[n]]
ak zk
k 0
1
1 az
1
za
16
例3.4求下列离散序列的Z变化及收敛域，其中a为任意复常数
x[n] anu[n 1]
X (z) anu[n 1]zn n
10
练习：
已知离散系统的差分方程 y[n]-2y[n-1]=r(k)
初始条件为y[0]=0, r[k]={1,0,1,0,1,0,…}.
11
Matlab程序 clear; clc; ck=0;rk=1; for k=1:10
ckplus1=2*ck+rk; a=num2str(k); b=num2str(ckplus1); c=['y(' a ')=' b]; disp(c) rk=1-rk; ck=ckplus1; end
y[k] y f [k] yp[k]
6
例 3.1
求解差分方程 y[n]+3y[n-1]+2y[n-2]=2nu[n]
初始条件为y[0]=0, y[1]=2.
7
练习：
求解差分方程 y[n]-5y[n-1]+6y[n-2]= 2nu[n]
初始条件为y[1]=5, y[2]=9.
8
2. 差分方程的求解
差分方程的求解方法包括经典法、迭代法、z变换法 差分方程的迭代解法
如果已知系统的差分方程和输入值序列，则在给定 输出值序列的初始值之后，就可以利用迭代方法计算出 任何时刻的输出值。 原理：根据初始条件(边界条件)，逐步递推计算出后面 各时刻的输出，即由前一时刻的已知结果，递推出后一 时刻的待求值。
1
an zn n
ak zk k 1
a1z 1 a1z
z
za
za
17
3.2.2 Z变换的性质和定理
（1）线性性质
证明：
Z [ax1[n] bx2[n]] aX1(z) bX2(z)
Z [ax1[n] bx2[n]]
(ax1[n] bx2[n])zn n
3
2. 差分方程的求解
差分方程的求解方法包括经典法、迭代法、z变换法 差分方程的经典解法 （1） 对应齐次方程的通解
齐次方程 y[n] a1y[n 1] aN y[n N ] 0
特征方程 N a1 N1 an1 an 0
单根
y f [k] l11k l22k lN Nk
nm（多项式） λ不是方程的特征根 单根
λ是方程的特征根 (m-1)重根
pmnm+pm-1nm-1+…+p1n+p0 pλn
p1nλn+p0λn pm-1nm-1λn+pm-2nm-2λn+…+p0λn
5
2. 差分方程的求解
差分方程的求解方法包括经典法、迭代法、z变换法 差分方程的经典解法 （3）差分方程的全解
重根
y f [k] l11k k m1 l21k k m2 lm1k
l k
m1 m1
lN Nk
4
2. 差分方程的求解
差分方程的求解方法包括经典法、迭代法、z变换法 差分方程的经典解法 （2）非齐次方程的一个特解yp[k]
输入函数r[n]形式
特解形式
λn （指数 函数）
ax1[n]zn bx2[n]zn
n
n
aX1(z) bX2 (z)
18
例3.5 利用Z变换的性质，求余弦函数
cos[0n]u[n]
1 2
(e
j0n
e
j0n
)u[n]
的Z变换
解： 已知
Z
[anu[n]]
1
1 az
1
za
Z
[e j0nu[n]]
9
例 3.2
已知离散系统的差分方程 y[n]-0.6y[n-1]=r[n]
初始条件为y[0]=0, r[n]=1. 解： y[n] =0.6y[n-1]+r[n]
n=1, y[1]= 0.6y[0]+r[1]=1 n=2 , y[2]= 0.6y[1]+r[2]=1.6 n=3 , y[3]= 0.6y[2]+r[3]=1.96 ……
12
3.2 Z变换
Z变换的定义 Z变换的性质和定理
求Z变换的方法
13
3.2.1 Z变换的定义
kT ) k 0
拉氏变换
F*(s) f (kT )ekTs k 0
在拉氏变换中引入新复变量
从而有
z eTs
Z变换常记为 Z [x[n]] X (z)
连续时间函数与相应的离散时间函数具有相同的Z变 换，即
Z [x(t)] Z [x[n]] X (z)
15
例3.3 求下列离散序列的Z变化及收敛域，其中a为任意复常数
(1) Z [ (t)] [k]zk 1
k 0
(2)
第三章 线性常系数差分方程
3.1 线性常系数差分方程 3.2 z变换
3.3 z反变换
3.4 用z变换求解线性常系数差分方程
1
3.1 线性常系统差分方程
在离散系统中，用差分方程、脉冲传递 函数和离散状态空间表达式三种方式来描述表 示输出和输入信号关系的数学模型。
差分方程的一般概念 差分方程的求解
F
(z)
F*(s)
|
s
1
ln z
f (kT )zk
T
k 0
14
3.2.1 Z变换的定义
离散序列x[n]的Z变换定义为: X (z) x[n]zn n
Z变换实际是一个无穷级数形式，它必须是收敛的。 就是说，极限
lim x[n]zn
n n
存在时， x[n]的Z变换才存在。
1 1 e j0 z 1
Z
[e
j0nu[n]]
2
1. 差分方程的一般概念
输入序列
r=r[k]={r[0],r[1],r[2],…} 输出序列
c=c[k]={c[0],c[1],c[2],…} 系统的输入与输出之间可以用线性常系数差分方程来描述，即
N
M
c[n] aic[n i] bjr[n j]
i1
j0
其中，aj，bj是由系统物理参数确定的常数。