计算机控制系统第6章-3
微型计算机原理作业第六章 习题与思考题
第六章习题与思考题典型例题解析例6-1 试述PC微机中断系统的分类与特点。
答：PC微机系统中断包括硬件（外部）中断和软件（内部）中断两大类。
硬件中断包括不可屏蔽中断NMI和可屏蔽中断INTR。
它们都由外部硬件产生。
软件中断包括软件中断INT nH和CPU内部特殊中断，它们由内部中断指令或执行程序过程中出现异常产生的。
软件中断又有DOS中断和BIOS中断之分。
硬件中断的特点是：（1）硬中断是外部事件而引起的中断，因此，硬件中断具有随机性和突发性。
（2）在硬件中断响应周期，CPU需要发中断回答信号(非屏蔽硬件中断不发中断回答信号)。
（3）硬件中断的中断号由中断控制器提供(非屏蔽硬件中断的中断号由系统指定为02H)（4）硬件中断一般是可屏蔽的(非屏蔽硬件中断是不可屏蔽的)。
软件中断的特点是：（1）软件中断是执行中断指令而产生的，无需外部施加中断请求信号。
在程序需要调用某个中断服务程序时，只要安排一条相应中断指令，就可转去执行所需要的中断程序，因此，中断的发生不是随机的，而是由程序安排好的。
（2）在软件中断响应周期，CPU不需要发中断回答信号。
（3）软件中断的中断类型号是在指令中直接给出，因此，不需要使用中断控制器。
（4）软件中断是不可屏蔽的。
例6-2 试述可编程控制器8259A的作用。
答：可编程控制器8259A在协助CPU处理中断事务中所起的作用主要是：（1）接受和扩充外部设备的中断请求。
外设的中断请求，并非直接送到CPU，而是通过8259A接受进来，再由它向CPU提出中断请求。
一片8259A可授受8个中断请求，经过级联可扩展到8片8259A，能接受64个中断请求。
（2）进行中断优先级排队。
外设的中断优先级排队，并不是CPU安排，而是由8259A安排的。
即由8259A中断请求输入引脚（IR）的编号决定的。
连到IR0上的外设中断优先级最高，连到IR7上的外设中断优先级最低。
（3）向CPU提供中断类型号。
计控第6章计算机控制系统的控制规律(1)
稳态能的影响
被控对象用传递函数来表征时，其特性可以用放大系数K、 时间常数T和纯滞后时间τ来描述。针对控制通道的被控对象特
性对控制系统性能的影响进行描述：
1. 放大系数K对控制性能的影响 控制通道的放大系数K越大， 系统调节时间越短， 稳态误 差eSS越小， 但K偏小时对系统的性能没有影响， 因为K完全可
以由调节器D(s)的比例系数KP来补偿。
2. 惯性时间常数T对控制性能的影响 控制通道惯性时间常数T越小，系统反应越灵敏，控制越及
时，控制性能越好，但T过小会导致系统的稳定性下降。
3. 对象纯滞后时间对控制性能的影响 控制通道纯滞后时间τ的存在，使被控量不能及时反映系统所 承受的扰动。因此这样的系统必然会产生较明显的超调量σ， 使超
积分项改进 1. 抑制积分饱和的PID算法 （1）积分饱和的原因及影响 在一个实际的控制系统中，因受电路或执行元件 的物理和机械性能的约束(如放大器的饱和、电机的最 大转速、阀门的最大开度等)，控制量及其变化率往往
被限制在一个有限的范围内。当计算机输出的控制量 或其变化率在这个范围内时，控制则可按预期的结果 进行，一旦超出限制范围，则实际执行的控制量就不 再是计算值，而是系统执行机构的饱和临界值，从而 引起不希望的效应。
式（6-4）不仅计算繁琐，而且为保存E(j)要占用很多内存。因此， 用该式直接进行控制很不方便。做如下改动，根据递推原理，可写出(k-1) 次的PID输出表达式：
T U (k 1) K P {E (k 1) TI
TD E ( j ) [ E (k 1) E (k 2)]} T j 0
6.3.1 PID控制器的数字化实现
1、模拟PID算法表达式 在模拟控制系统中， PID 控制算法的模拟表达式为：
计算机控制系统课后答案
计算机控制系统课后答案1. 概述计算机控制系统是指利用计算机进行控制的系统，它采用计算机硬件和软件的协同作用，对被控对象进行监测、测量、判断以及控制操作的任务。
本文将回答计算机控制系统课后习题，以帮助读者加深对该课程的理解。
2. 习题答案2.1 什么是计算机控制系统？计算机控制系统是指利用计算机硬件和软件的协同作用，对被控对象进行监测、测量、判断以及控制操作的系统。
其核心是计算机的控制程序，通过对输入信号的处理和对输出信号的控制，实现对被控对象的精准控制。
2.2 计算机控制系统的组成计算机控制系统主要由以下几个组成部分构成：•输入设备：用于采集被控对象的状态信息，将其转化为数字信号输入到计算机中。
•输出设备：将计算机产生的控制信号转化为可被被控对象接受的信号。
•中央处理单元（CPU）：负责执行控制程序，对输入信号进行处理和判断，并产生相应的控制信号。
•存储器：用于存储控制程序和控制数据。
•总线：用于传输控制信号和数据，连接CPU、存储器和输入输出设备。
2.3 计算机控制系统的特点•精确性：计算机控制系统能够对被控对象进行精确的控制，实时调整控制参数，确保控制过程的稳定性和准确性。
•灵活性：通过编写不同的控制程序，可以实现对不同对象的控制，具有很高的灵活性。
•可靠性：计算机控制系统具有自主诊断和故障处理能力，当出现故障时，能够自动检测、定位和修复错误，提高了系统的可靠性。
•扩展性：计算机控制系统可以根据需要增加或替换硬件设备，增加系统的功能和性能。
•可维护性：计算机控制系统通常使用模块化设计，方便对系统进行维护和升级。
2.4 计算机控制系统的应用领域计算机控制系统广泛应用于工业自动化领域，例如：•工业生产线控制：计算机控制系统可以对生产线上的各个环节进行监控和控制，提高生产效率和产品质量。
•交通信号控制：计算机控制系统可以对交通信号灯进行精确控制，实现交通流量的调度和优化。
•智能家居系统：计算机控制系统可以对家庭设备进行智能控制，实现远程操控和自动化管理。
第六章1-3讲 可编程中断控制器
天津工业大学
SP/EN:双功能信号。 缓冲方式时， EN 为输出，控制缓冲 器传输的方向。 EN=0，表示允许8259A通过缓冲器输出。 EN=1，表示CPU写8259A。 非缓冲方式时，SP为输入，表示主从 关系， SP=1,表示主片， SP=0,表示从片。
天津工业大学
④控制逻辑：
向CPU发送中断请求信号，处理CPU的中断应 答信号INTA,直接连接到CPU的中断请求输入端 INTR. INT:8259A向CPU发出的中断请求信号，高电平 有效。 INTA:CPU响应中断时，约两个总线周期，称为 响应周期。用来对8259A的中断申请进行响应， 在中断响应周期中产生两个INTA信号， 第一个用来使中断请求服务寄存器相应位置1， 第二个INTA信号，8259A向CPU提供中断矢量号。
天津工业大学
⑦ 中断服务寄存器(ISR) 记录优选后的中断申请标志（正在执行 的中断服务程序其ISR相应位置1），后来 的中断申请在优先排队电路的控制下与当 前正在执行的中断过程进行优先级排队， 以决定是否实现中断嵌套。
天津工业大学
⑧中断屏蔽寄存器IMR 由CPU设置，以决定某个中断源是否被屏 蔽，当该寄存器中某一位置“1”时，表示 禁止该中断请求进入系统。通过IMR寄存器 可实现对各级中断的有选择的屏蔽。
• ♣SP/EN在非缓冲方式下，规定（SP＝1）时该
8259A是主片， （SP＝0）时该8259A是从片。
天津工业大学
第一个周期 T1 T2 T3 T4
CLK ALE LOCK INTA D0～D7 SP/EN CAS0～CAS2 IR0～IR7 INT
第二个周期 T1 T2 T3 T4
CPU响应周期
天津工业大学
6.5.3 8259A的优先级管理方式
计算机组成原理第6章
第6章中央处理器
图 6－6 指令周期与 CPU 周期的包含关系
第6章中央处理器
6. 1. 4 指令执行流程 指令的执行是从取指周期开始的。取指周期主要完成从
内存取出要执行的指令,并使指针指向下一条指令,即 PC=PC+ “ 1 ”,这里的“ 1 ”表示当前这条指令的实际字长。 取指完成后,对指令进行译码,再转入具体的指令执行过程。 指令在执行过程中如果采用间接寻址方式,还需要增加间址 周期,如图 6－5 所示。
第6章中央处理器
3. 时序控制 每一条指令在执行的过程中,必须在规定的时间给出各 部件所需操作控制的信号,才能保证指令功能的正确执行。 因此,时序控制就是定时地给出各种操作信号,使计算机系统 有条不紊地执行程序。 4. 数据加工 数据加工是指对数据进行算术运算、逻辑运算或其他处 理。
第6章中央处理器
第6章中央处理器
图 6－7 所示是一个采用总线结构将运算器、寄存器连 接起来的控制器内部数据通路。其各部件与内部总线 IBUS 和系统总线 ABUS 、 DBUS 的连接方式如图中所示,图中的 “ o ”为控制门,在相应控制信号(信号名称标在“o ”上)的控 制下打开,建立各部件之间的连接。GR 是通用寄存器组, X 和 Z 是两个暂存寄存器。
天津大学计算机控制系统——第6.1课 (理解)计算机控制系统理论基础—采样与保持
1 e −Ts 1 − e −Ts = Gh 0( s ) = L [ g (t ) ] =− s s s
再令s=jw，得零阶保 1 − cos (ωT ) + j sin (ωT ) 1 − e − jωT − j = = h 0 ( jω ) 持器的频率特性为： G jω ω
sin (ωT ) − j 1 − cos (ωT ) =
本章要点总结
总结
1. 2. 3. 4. 1. 2. 3. 4. 计算机控制系统的信号流程 采样定理 采样周期的选择 信号的恢复与保持 画出计算机控制系统信号流程，并说明。 采样周期的经验选择方法。 如何理解信号的恢复过程？ 零阶保持器存在哪些局限性？
作业
第六章 计算机控制系统理论基础
课程安排
• 与计算机控制系统相关的接口技术 • 计算机控制系统的输入输出通道 • 计算机控制数据预处理 • 计算机控制系统理论基础
讲课16学时
• 计算机控制系统分析 • 计算机控制系统设计（经典和现代）
计算机控制系统理论基础
本章结构 • 6.1 概述 • 6.2 采样与采样定理 • 6.3 信号的恢复与保持 • 6.4 Z变换和Z反变换 • 6.5 脉冲传递函数
模拟信号：定义在连续时间上的信号，且其幅值也是连续变
化的。
数字信号
计算机控制系统理论基础
本章结构 • 6.1 概述 • 6.2 采样与采样定理 • 6.3 信号的恢复与保持 • 6.4 Z变换和Z反变换 • 6.5 脉冲传递函数
6.2 采样与采样定理
1 什么是信号采样 把一个连续信号变为离散信号的过程成为采样
6.3 信号的恢复与保持
3 零阶保持器-幅相特性 其幅频特性和相频特性如图所示
操作系统第6章
45
第六章
输入输出系统
(3) 驱动程序与I/O设备所采用的I/O控制方式紧密相关，
常用的I/O控制方式是中断驱动和DMA方式。 (4) 由于驱动程序与硬件紧密相关，因而其中的一部分 必须用汇编语言书写。目前有很多驱动程序的基本部分已经 固化在ROM中。
2. 通道类型
1) 字节多路通道(Byte Multiplexor Channel) 这是一种按字节交叉方式工作的通道。它通常都含有许 多非分配型子通道，其数量可从几十到数百个，每一个子通 道连接一台I/O设备，并控制该设备的I/O操作。这些子通道
按时间片轮转方式共享主通道。
28
第六章
输入输出系统
数组选择通道虽有很高的传输速率，但它却每次只允许 一个设备传输数据。数组多路通道是将数组选择通道传输速 率高和字节多路通道能使各子通道(设备)分时并行操作的优 点相结合而形成的一种新通道。
31
第六章
输入输出系统
3. “瓶颈”问题
由于通道价格昂贵，致使机器中所设置的通道数量势必 较少，这往往又使它成了I/O的瓶颈，进而造成整个系统吞 吐量的下降。
令中的抽象要求转换为与设备相关的低层操作序列。
(2) 检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的工作状态， 传递与I/O设备操作有关的参数，设置设备的工作方式。 (3) 发出I/O命令，如果设备空闲，便立即启动I/O设备， 完成指定的I/O操作；如果设备忙碌，则将请求者的请求块挂 在设备队列上等待。 (4) 及时响应由设备控制器发来的中断请求，并根据其中 断类型，调用相应的中断处理程序进行处理。
44
第六章
输入输出系统
2. 设备驱动程序的特点
设备驱动程序属于低级的系统例程，它与一般的应用程 序及系统程序之间有下述明显差异：
自动控制原理：第六章频域分析法——伯特图及稳定性分析
• 当阻尼系数接近1时，振荡环节具有低通滤波的作用； • 而随着减小，=n=1/T处的幅值迅速增大，表明其对输
入信号中该频率附近分量的放大作用逐渐加强，此时，振
荡环节具有选频作用。
6.4 系统开环频率特性-典型环节的伯德图
40
Bode Diagram
二阶微分环节:
30
20
转折频率 渐近线
L() /(dB)
10 /T
1) 将乘除运算转化为加减运算，因而可通过简单的图像叠加 快速绘制高阶系统的伯德图 ；如 G( j) A1()e j1() A2 ()e , j2 () 则20lgA1()A2()=20lgA1()+20lgA2()
2) 伯德图还可通过实验方法绘制，经分段直线近似整理后， 很容易得到实验对象的频率特性表达式或传递函数.
i 1
i m1 1
v n1
v n1 nv n1 2
( jTl 1)
(1 Tl2 2 2 j lTl )
l v 1
l v n1 1
(6 - 17)
其 中 ，K ,0 i 1,0 l 1, i 0,Tl 0都 为 常 数 。
除此外，也存在某个Tl<0,开环不稳定，但闭环可能仍然 稳定的情况。
1
A(ω)
1 ωT 2 2 2ζωT 2
L() /(dB)
10
0
-10 -20
(1 T 22
j2T)1
0.05 0.1 0.3
-30
0.7
1 -40
180
转折频率 渐近线
135
(ω)
arctan
1
2ζωT
ωT
2
90 45
0
() /()
计算机控制原理第6章2
7
数字PID 数字PID 控制器的另一个参数对系统 性能的影响
(4) 采样周期T的选择原则 采样周期T
从信号不失真要求上，必须满足采样定理的要求。 从控制系统的随动和抗干扰的性能来看，则T小些好。 根据执行机构的类型，当执行机构动作惯性大时，T应取大些。否则执行 机构来不及反应控制器输出值的变化。 从计算机的工作量及每个调节回路的计算成本来看，T应选大些。T大对 每个控制回路的计算控制工作量相对减小，可以增加控制的回路数。 从计算机能精确执行控制算式来看，T应选大些。因为计算机字长有限， T过小，偏差值e(k)可能很小，甚至为0，调节作用减弱,各微分、积分作用 不明显。
• 将连续系统的时间离散化：
t = KT ,
• 积分用累加求和近似：
t K
( K = 0, 1, L , n)
K
∫ e(t )dt = ∑ e( j )T = T ∑
0 j =0 j =0
e( j )
• 微分用一阶后向差分近似：
de(t ) e(k ) − e(k − 1) ≈ dt T
12
TD u (k ) = K p {e(k ) + ∑ e( j ) + [e(k ) − e(k − 1)]} TI j =0 T
TD u (k − 1) = K p {e(k − 1) + ∑ e( j ) + [e(k − 1) − e(k − 2)] TI j =0 T T
6
PID 控制器参数对系统性能的影响
(3) 微分时间常数TD对系统性能的影响 微分时间常数T 微分控制可以改善动态特性，如超调量减小，调节时间缩短 ，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。 当TD偏大时，超调量较大，调节时间较长; 当TD偏小时，超调量也较大，调节时间也较长; 只有TD合适时，可以得到比较满意的过渡过程。
计算机控制技术(第二版)课后习题答案(王建华主编)
计算机控制技术课后习题答案第一章绪论1.计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：P2(1)实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入(2)实时决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按预定的控制规律，决定将要采取的控制策略。
(3)实时控制：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
2 .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。
P3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组成。
（2）方块图如下图1.1所示：图1.1 计算机控制系统的组成框图作用：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。
3. 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？P2(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)在计算机控制系统中要考虑实时性，因为根据工业生产过程出现的事件能够保持多长的时间；该事件要求计算机在多长的时间以内必须作出反应，否则，将对生产过程造成影响甚至造成损害。
4. 计算机控制系统有哪几种典型形式？各有什么主要特点？P4~7（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，不能控制多个对象。
（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。
计算机控制系统_课后答案全解
第1章习题B 习题B1-1 举例说明2-3个你熟悉的计算机控制系统，并说明与常规连续模拟控制系统相比的优点。
B1-2 利用计算机及接口技术的知识，提出一个用同一台计算机控制多个被控参量的分时巡回控制方案。
B1-3 题图B1-3是一典型模拟式火炮位置控制系统的原理结构图。
由雷达测出目标的高低角、方位角和斜距，信号经滤波后，由模拟式计算机计算出伺服系统高低角和方位角的控制指令，分别加到炮身的高低角和方位角伺服系统，使炮身跟踪指令信号。
为了改善系统的动态和稳态特性，高低角和方位角伺服系统各自采用了有源串联校正网络和测速反馈校正，同时利用逻辑电路实现系统工作状态的控制(如偏差过大时可断开主反馈，实现最大速度控制，当偏差小于一定值后实现精确位置控制)。
试将其改造为计算机控制系统，画出系统原理结构图。
题图B1-3典型模拟式火炮位置控制系统的原理结构图B1-4水位高度控制系统如题图B.1-4所示。
水箱水位高度指令由W1 电位计指令电压u r确定，水位实际高度h由浮子测量，并转换为电位计W2 的输出电压u h。
用水量Q1 为系统干扰。
当指令高度给定后，系统保持给定水位，如打开放水管路后，水位下降，系统将控制电机，打开进水阀门，向水箱供水，最终保持水箱水位为指令水位。
试把该系统改造为计算机控制系统。
画出原理示意图及系统结构图。
题图B1-4 水箱水位控制系统原理示意图B1-5 题图B1-5为一机械手控制系统示意图。
将其控制器改造为计算机实现，试画出系统示意图及控制系统结构图。
题图B1-5机械手控制系统示意图B1-6题图B1-6为仓库大门自动控制系统示意图。
试将其改造为计算机控制系统，画出系统示意图。
题图B1-6 仓库大门自动控制系统示意图B1-7车床进给伺服系统示意图如题图B1-7所示。
电动机通过齿轮减速机构带动丝杠转动，进而使工作台面实现直线运动。
该系统为了改善系统性能，利用测速电机实现测速反馈。
试将该系统改造为计算机控制系统，画出系统示意图。
薛计算机控制习题解答
第一章作业1-2什么叫闭环控制系统？是比较开环与闭环系统各自的优缺点。
解答：被控制量参与系统控制的控制方式称为闭环控制。
在闭环控制中，在给定值和被控量之间，除了有一条从给定值到被控量方向传递信号的前向通道外，还有一条从被控量到比较元件传递信号的反馈通道。
控制信号沿着前向通道和反馈通道循环传递，故闭环控制又称为反馈控制。
与开环系统相比较：闭环系统从原理上提供了实现高精度控制的可能性，它对控制元件的要求比开环系统的低。
但闭环系统设计比较麻烦，结构也比较复杂，因而成本较高。
第二章 作业2-1用拉式变换法求解下列微分方程，初始条件为零。
（1）T (t)+x(t)=r(t) (其中r(t) 分别为(t) ,1(t) 和t 1(t) )（2） (t)+2(t)+x(t)=1(t) 解答： (1)对微分方程进行拉式变换得：)()()0()(s r s x T s x T x s =++将 )(1)(t t r =， ss r 1)(= 代入式中得)(1)()1(s Tx ss x Ts +=+ 1)0()1)((1)(+++=Ts Tx s T s s xTs x ts s s x 1)0(11)(+++-=等式两边进行拉式变换得：ττtte x e x --+-=)0(1)t (又因为x(0)=0,(2)对微分方程两边进行拉氏变换得：ss x s s 1)()12(2=++22)1(1)12(1)(+=++=s s s s s s x 等式两边进行拉氏变换得：])10(1[)(0t e e t x t ---=- )1(1t e t +-=-2-4 简化图2-25所示系统的结构图，并求传递函数C(s)/R(s)。
解答：将A 点顺时移动，并将前向通路进行串联，将其化简为：将两条反馈通路并联，得下图:再进行化简则有：由此可知传递函数第三章 习题与答案3-5单位反馈系统的开环传递函数为 求能使系统闭环后稳定的开环放大系数K 的范围。
第六章计算机控制系统
⊥ a2
an ⊥
Uo
+
倒R-2R型
早期的D/A集成芯片
只具有从数字量 到模拟电流输出量转 换的功能。
使用时必须在外 电路中加数字输入锁 存器（I/O或扩展I/O 口、参考电压源以及 输出电压转换电路
中期的D/A集成芯片 近期的D/A集成芯片
增加了一些与 计算机接口相关的 电路及引脚，具有 数字输入所存功能 电路，能和CPU数 据总线直接相连。
脉冲个数的检测 脉冲频率与周期的检测 脉冲宽度的检测
测频法原理
(a)
(b)
(c)
被测信号fx
脉冲形 成电路
脉冲信号
闸门
(e)
T
fx
N T
门控 电路
(d)
时基信号 发生器
测周法原理
计数器 振荡器
脉冲 形成电路
闸门
被测信号fx
脉冲
形成电路
门控 电路
计数器
6.4.4 计算机测试系统的设计
主机选型
设计任务 输入通道结构
多
电信号经过处理并转换成计算机能
工 业
。 。
道 开 关
识别的数字量，输入计算机中。
对 象
计算机将采集来的数字量根据
需要进行不同的判识、预算，得出
所需要的结果。
A/D
显示
计
算
打印
机
采
样
报警
控
制
直接数字控制系统
分时地对被控对象的状态参数进行测试，根据测试的结果与给定值
的差值，按照预先制定的控制算法进行数学分析、运算后，控制量输出
企业级经营管理计算机
到其他工厂的生 产数据运输指令
工业级集中监督计算机
第6章 离散系统
采样周期T 对采样信号 的影响：
0
t (a)
0 T1
t
f(t)
T
f * (t )
0
t (b)
0 T2
t
采样定理也称shannon(香农)定理,叙述如下：
若对于一个具有有限频谱( w wmax)的连续信 号f(t)进行采样，当采样角频率满足 ws 2wmax
时，则采样函数f*(t)能无失真地恢复原来的连 续信号f(t)。wmax为信号有效频谱的最高角频 率， ws 为采样角频率。 当采样角频率 ws 2wmax 时，从采样信号中不 能完全的恢复出原连续信号。
* n 0
2. 采样定理
从理论上讲，离散系统的采样周期T越小， 离散系统越接近连续系统。因为采样周期T太 长，采样点很少时，在两个采样点之间可能丢 失信号中的重要信息。因此，采样周期T不能 太大。只有当把采样周期T缩短以后，得到的 采样值才保留了原信号的主要特征。
f(t)
T
f * (t )
F ( z) e
n 0
anT
z
n
1 e
aT
z e
1
2 aT
z
2
aT 1 e z 1 时，上式的无穷级数也是收敛 当 的。于是求得e-at的Z变换为：
Z [e ] F ( z )
at
1 1 e
aT
z
1
z aT z e
D/A转换器：把离散的数字信号转换成连续的 模拟信号。
f (t )
f (t)
解码
f h(t)
信号复现
0111 1000 0010 0100 1001 0011 0 T 2T 3T 4T 5T (a) t 0 T 2T 3T 4T 5T (b) t 0 T 2T 3T 4T 5T (c) t
第六章 数字控制器的模拟设计法
控制系统的主要设计任务之一。
间接设计法—模拟化设计法 经典法 数字控制器 的设计方法 直接设计法—数字化设计法 状态空间设计法
中南大学机电工程学院
计算机控制系统
●
第六章 计算机控制系统的模拟化设计
模拟化设计法 数字控制器的模拟化设计法就是先将计算机控制
系统看作模拟系统（如图6.1-2所示），针对该模拟
计算机控制系统 分析与设计
控制原理
中 南 大 学 机 电 工 程 学 院
2011年10月
计算机控制系统
第六章 计算机控制系统的模拟化设计
第6章 计算机控制系统的 模拟化设计
本章主要教学内容 1. 设计方法概述
2. 传递函数与Z传递函数的相互转换
3. 数字PID调节器的设计
中南大学机电工程学院
计算机控制系统
化方法将其离散为数字控制器，即转换成图6.1-3
所示的计算机控制系统。
HG(z)
R (s ) r (t )
T
D(z )
T
H 0 ( s)
G (s )
Y (z ) Y (s )
图6.1-3 离散闭环控制系统
由于人们对于连续控制系统的设计方法（如频率法、
根轨迹法等）比较熟悉，从而应用模拟方法设计数字 控制器比较易于接受和掌握。但是这种方法并不是按
第六章 计算机控制系统的模拟化设计
控制算法：
u (kT) e aT u (kT T ) (1 e aT )e(kT T )
零阶保持器法的特点： （1）若D(s)稳定，则D(z)也稳定； （2）D(z)不能保持D(s)的脉冲响应和频率响应。
6.2.4 零极点匹配法
基本思想：S域中零极点的分布直接决定了系统的
计算机组成原理-第6章 中央处理器
9、制造工艺 线宽是指芯片内电路与电路之间的距离，可 以用线宽来描述制造工艺。线宽越小，意味着芯 片上包括的晶体管数目越多。Pentium Ⅱ的线宽 是0.35μm，晶体管数达到7.5M个；Pentium Ⅲ的 线宽是0.25μm，晶体管数达到9.5M个；Pentium 4的线宽是0.18μm，晶体管数达到42M个。近年 来线宽已由0.15μm、0.13μm、90nm一直发展到 目前最新的65nm，而45nm和32nm的制造工艺 将是下一代CPU的发展目标。
4、前端总线频率 前端总线（Front Side Bus），通常用FSB表 示，它是CPU和外界交换数据的最主要通道，主 要指连接CPU和北桥芯片，因此前端总线的数据 传输能力对计算机整体性能作用很大。 在Pentium 4出现之前，前端总线频率与外 频是相同的，因此往往直接称前端总线频率为外 频。随着计算机技术的发展，需要前端总线频率 高于外频，因此采用了QDR（Quad Date Rate） 技术或者其他类似的技术，使得前端总线频率成 为外频的2倍、4倍甚至更高。
从程序运行的角度来看，控制器的基本功能 是对指令流和数据流在时间与空间上实施正确的 控制。
对指令流的控制： 指令流出的控制 指令分析与执行的控制 指令流向的控制
对数据流的控制主要应包括对数据的流入 与流出的控制；对数据变换、加工等操作的控 制。
对于冯·诺依曼结构的计算机而言，数据流 是根据指令流的操作而形成的，也就是说数据 流是由指令流来驱动的。
… 状态寄存器 节拍发生器 译码器 地址形成中断控制逻辑
指令结束 中断请求
时钟
操作码
地址码
1、指令部件 指令部件的主要任务是完成取指令并分析指 令。指令部件包括： ⑴ 程序计数器（PC） ⑵ 指令寄存器（IR） ⑶ 指令译码器（ID）：指令译码器又称操作码译 码器或指令功能分析解释器。暂存在指令寄存器 中的指令只有在其操作码部分经过译码之后才能 识别出这是一条什么样的指令，并产生相应的控 制信号提供给微操作信号发生器。
计算机系统安全原理与技术课件第6章(下)
• 上述第一阶段和第二阶段在数据库中合称为一个“事务”（ Transaction），所谓事务是指一组逻辑操作单元，使数据从 一种状态变换到另一种状态。
6
计算机系统安全原理与技术（第4版）
6.2.3 数据库的完整性控制
❖ 3. 元素完整性控制
计算机系统安全原理与技术（第4版）
6.2.3 数据库的完整性控制
❖ 1. 物理完整性控制 ▪ 在物理完整性方面，要求从硬件或环境方面保护 数据库的安全，防止数据被破坏或不可读。 ▪ 数据库的物理完整性和数据库留驻的计算机系统 硬件可靠性与安全性有关，也与环境的安全保障 措施有关。
2
计算机系统安全原理与技术（第4版）
18
计算机系统安全原理与技术（第4版）
6.2.6 数据库的隐私性保护
❖ 1. 隐私的概念及面临的问题
▪ （1）隐私的概念 信息隐私权保护的客体可分为以下4个方面。
• 1）个人属性的隐私权。 • 2）个人资料的隐私权。 • 3）通信内容的隐私权。 • 4）匿名的隐私权。
19
计算机系统安全原理与技术（第4版）
13
计算机系统安全原理与技术（第4版）
6.2.4 数据库的可用性保护
❖ 2. 入侵容忍 ▪ （2）入侵容忍技术
• 1）冗余组件技术。 • 2）复制技术。 • 3）多样性。 • 4）门限密码技术。 • 5）代理。 • 6）中间件技术。 • 7）群组通信系统。
14
计算机系统安全原理与技术（第4版）
6.2.4 数据库的可用性保护
22
计算机系统安全原理与技术（第4版）
6.2.6 数据库的隐私性保护
计算机控制系统复习知识点总结
(1) 0 n (1) (1) 0
| (0) | 1 (1) 0 ( 1) 0
5.采样周期与系统稳定性 答： （1）离散系统的稳定性比连续系统差； （2）T 减小，稳定性增强。
第 5 章 计算机控制系统的经典设计方法
1.控制器特性指标及离散化方法
第1章
计算机控制系统导论
1．计算机控制系统与连续（模拟式）控制系统的根本差别。 答：数字计算机作为系统控制器。 2.计算机控制系统的基本组成。 答：指令给定装置、计算机系统、被控对象、执行机构、测量装置。
图 1 计算机控制系统基本框图 3.计算机控制系统特点。 （1）系统结构特点：是由模拟与数字部件组成的混合系统。 （2）信号形式特点：有多种信号形式（连续模拟、离散模拟、离散数字等） ，是一种混合信 号系统。 （3）系统工作方式特点：可同时控制多个被控对象或被控量，即可为多个控制回路服务。 同一台计算机可以采用串行或分时并行方式实现控制，每个控制回路的控制方式由软 件来形成。 4.计算机控制系统优点。 （老师说了解一下） （1）易实现复杂控制规律； （2）性价比高； （3）适应性强灵活性高； （4）系统测量灵敏度 高。 （5）控制与管理容易结合并实现层次更高的自动化； （6）系统可靠性和容错能力 高。 5.计算机控制系统分类。 答：直接数字控制（direct digital control,DDC）系统、计算机监督控制（supervise control by computer,SCC）系统、分散型计算机控制系统（distributed control system,DCS） 。 本书主要研究直接数字控制系统的设计与实现问题，
第 7 章 计算机控制系统组建以及实现技术
1.滤波方法 滤波方法分为：模拟滤波，数字滤波。 滤波方法 平均值滤波 中值滤波 限幅滤波 惯性滤波 适用情况 周期性干扰信号 偶然的脉冲干扰 随机脉冲干扰及采样器不稳定 干扰信号波动频繁
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3、求取数字控制器的脉冲传递函数D(z)
Φ(z) D(z)G(z) 1 D(z)G(z) D(z) 1 (z) G(z) 1 (z)
（1）一阶惯性环节的达林算法 当被控对象为带纯滞后的一阶惯性环节时
K G p (s) e s 1 T1 s
T / T1 1 e Ts K e s N 1 1 e G (z) Z Kz T / T1 1 s 1 T s 1 e z 1
具有纯滞后补偿的数字控制器
r(t)
+ -
e(t) S
e1(k) +
e2(k)
-
PID 数字史密斯 预估器
u(k)
S
1 e s s
y(t)
W p ( s )e
s
y (k )
具有纯滞后补偿的控制系统 由上图可见，纯滞后补偿的数字控制器由两部分组成：一部分是数字 PID 控 制器 (由D(s) 离散化得到)；一部分是史密斯预估器。
T / T 1 e ( z ) z N 1 T / T 1 1 e z
(z) (1 e T / T )(1 e T / T1 z 1 ) D(z) G ( z )(1 ( z )) K (1 e T / T1 )[1 e T / T z 1 (1 e T / T ) z N 1 ]
在实际生产过程中，大多数工业对象具有较大的纯滞后时间。对象 的纯滞后时间τ对控制系统的控制性能极为不利。 当对象的纯滞后时间 与对象的时间常数之比， 即τ／Tf≥0.5时，采 用常规的PID控制来克服大纯滞后是很难适应的，而且还会使控制过 程严重超调，稳定性变差。 代表性的方法：史密斯预估算法和大林算法。
D '(s)
则其总的闭环传递函数为:
D(s) 1 D(s)Gp (s)(1 e s )
'( s)
D '( s)G p (s)e s 1 D '(s)G p (s)e s
D(s)G p (s) 1 D(s)G p (s)
e s
经补偿后，消除了纯滞后部分对控制系统的影响，因为式中的e –τs 在闭环 控制回路之外，不影响系统的稳定性。拉氏变换的位移定理说明, e –τs 仅将控制 作用在时间坐标上推移了一个时间τ ，控制系统的过渡过程及其他性能指标都与 对象特性为Gp(s) 时完全相同。
许多工业对象可近似用一阶惯性环节和纯滞后环节的串联来表示 Kf s Gc (s) Gp (s)e e s 1 Tf s
式中，Kf —— 被控对象的放大系数； Tf —— 被控对象的时间常数； τ —— 纯滞后时间。 预估器的传递函数
G (s) Gp (s)(1 e
s
r(t) e1(t) S e1(k) + e2(k) u(k) S y(t)
+ -
-
PID
1 e s s
G p ( s )e s
y (k )
G p ( s)(1 e
s
)
1 e Ts S
1 e Ts Y ( z ) U ( z )G ( z ) U ( z ) Z G ( s ) s U ( z ) K f (1 e
第6章
纯滞后对象的控制方法
1、纯滞后问题及对控制系统性能的影响 2、Smith 预估器设计方法 3、大林算法设计方法 4、纯滞后对象控制方法总结
1、纯滞后问题及对控制系统性能的影响
纯滞后是由于物料或能量的传输延迟造成的。对象的这种纯滞后 性质常引起系统产生超调或者振荡。
纯滞后：由于物料或能量的传输延迟引起的滞后现象；
T T f
)( z 1 z 1 N ) z 1
1 e b( z 1 z 1 N ) U ( z ) 1 az 1
其中:
T T f
ae
相应的差分方程为:
T T
f
b K f [1 e
T T
f
]
y (k ) ay (k 1) b[u(k 1) u(k N 1)]
r(t)
+ -
e1(t) S
e1(k) +
e2(k)
u(k)
-
PID
S
1 e s s
y(t)
G p ( s )e s
y (k )
G p ( s)(1 e
s
)
1 e Ts S
2 大林算法
在工业过程(如热工、化工)控制中，由于物料或能量的传输 延迟，许多被控制对象具有纯滞后性质。对象的这种纯滞后 性质常引起系统产生超调或者振荡。 在控制系统设计中，对这类纯滞后对象的控制，快速性是次 要的，主要要求系统没有超调或很少的超调。 达林（Dahlin）算法是专门针对工业生产过程中含有纯滞 后控制对象的控制算法。 达林算法的设计目标：设计控制器使系统期望的闭环传递函 数等价于纯滞后环节和一阶惯性环节的串联。
（2）二阶惯性环节的达林算法 当被控对象为带纯滞后的二阶惯性环节时
K e s G p (s) (1 T1 s )(1 T 2 s )
1 e Ts K e s K z N 1 ( C 1 C 2 z 1 ) G (z) Z T / T1 1 s ( 1 T s )( 1 T s ) z )(1 e T / T2 z 1 ) 1 2 (1 e
D ( s ) 并接一补偿环节，用来补偿
被控对象中的纯滞后部分。这个补偿环节称为预估器，其传 递函数为 Gp (s)(1 e s )
r(t)
+
e(t)
+ y (t ) D(s)
u(t)
y(t)
-
G p ( s )e s
G p ( s)(1 e s )
新的控制器闭环传递函数为:
r(t)
+ -
e(t)
u(t)
y(t)
D(s)
G p ( s )e s
带纯滞后环节的控制系统 D(s) 表示调节器(控制器)的传递函数；
Gp(s) e-τs 表示被控对象的传递函数； Gp(s) 为被控对象中不包含纯滞后部分的传递函数； e -τs 为被控对象纯滞后部分的传递函数。
则其闭环传递函数为:
具有纯滞后补偿的数字控制器
由图可见，纯滞后补偿的数字控制器由两个部分组
成：一部分是数字 PID控制器；另一部分是施密斯预估 器。
r(t) + e1(t) T + e1(k) e2(k) P ID u(k) T
1－e Ts s
G ( s )e
s
y(t)
y (k )
G ( s（ ) 1－e s）
)
Kf 1 Tf s
(1 e s )
纯滞后补偿控制算法步骤
(1) 计算反馈回路的偏差 e1(k)
e1 (k ) r (k ) y(k )
(2) 计算纯滞后补偿器的输出
y (k )
Kf Y (s) s G (s) Gp (s)(1 e ) (1 e s ) U ( s) 1 Tf s
(3)计算偏差 e2(k)
e2 (k ) e1 (k ) y (k )
(4)计算控制器的输出 u(k) 当控制器采用 PID 控制算法时，则
u(k ) u(k 1) u(k )
其中
u(k ) K P [e2 (k ) e2 (k 1)] K I e2 (k ) K D [e2 (k ) 2e2 (k 1) e2 (k 2)]
200 180 160 140 120
200 180 160 140 120
rin,yout
100 80 60 40 20 0
rin,yout
0 500 time(s) 1000 1500
100 80 60 40 20 0
0
500 time(s)
1000
1500
200
280
2 史密斯(Smith)预估控制
采用数字控制器离散化设计控制器
(z) G(z) E(z) r(t) T
Y(z)
D(z)
U(z) T
H0(s)
Gp(s)
y(t)
1、根据控制系统的性能指标要求和其它约束条件，确定所需 的闭环脉冲传递函数Ф(z) 2、求广义对象的脉冲传递函数G(z)
1 e Ts G p (s) B( z) G(z) Z H 0 ( s )G p ( s ) Z G p ( s ) (1 z 1 ) Z A( z ) s s
C1 1
1 1 (T1 e T / T 2 T 2 e 1 / T1 ) (T1 e T / T1 T 2 e T / T 2 ) C 2 e T (1 / T1 1 / T 2 ) T 2 T1 T 2 T1
N 1
(z) z
1 e T / T 1 e T / T z 1
u(k)
m(k)
G p (s)
e
s
+方框图
史密斯预估器的输出可按上图的顺序计算。图中，u(k) 是 PID 控制器的输出； yτ(k) 是史密斯预估器的输出。 系统中滞后环节使信号延迟，在内存中专门设定 N 个单元存放信号 m(k) 的历 史数据。存储单元的个数N由下式决定。 N＝τ／T (τ-纯滞后时间，T -采样周期) 每采样一次，把 m(k) 记入 0 单元，同时把 0 单元原来存放数据移到 1 单元，1 单元原来存放数据移到2单元……以此类推。从 N 单元输出的信号，就是滞后N 个采样周期的 m(k－N) 信号。