单片机控制系统

控制系统。通常：硬件决定软件
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I/O 接口
A/D
多路开关
传感器及 变送器
监 控
单 片
I/O 接口
D/A
多路开关
执行机构
对
系
机
象
统
主
I/O
数字量输入
机
接口
I/O
数字量输出
接口
I/O接 口电路
I/O通道
信号检测 被控对象 及变送
图2 控制系统的组成框图
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单片机控制系统的特点
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。
r
+
e
控制器 u
D/A
给定量 -
A/D
执行机构 被控对象 测量变送
y
被控量
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图1 控制系统基本结构
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2 控制系统的分类
•按控制原理的不同，自动控制系统分为开环控制系统和 闭环控制系统。
开环控制系统 在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制 精度和抑制干扰的特性都比较差。开环控制系统中，基于 按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系统；由顺序控制装 置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。主要应 用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制以及机械手 和生产自动线。 闭环控制系统 闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输 出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控 制性能。闭环控制系统又称反馈控制系统。
用状态反馈构成控制规律，从它的测量输出中获得 系统状态的信息。如果输出不反映状态信息，这样的系 统被称为是不能观的。
能控性
系统控制的主要目的是驱动系统从某一状态到达指 定的状态。如果系统不能控，就不可能通过选择控制作 用，使系统状态从初始状态到达指定状态。
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3. 控制系统的动态指标
ym，输出量 y(t的) 稳态值为 y， 则超调量定义为
p
ym y y
100%
超调量通常以百分数表示，它反映了系统动态过 程的平稳性。
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• 调整时间 t s
t 调整时间 反映了过渡过程时间的长短，当 s
t ts 时，若 y(t) y ，则 t s定义为调
整时间，式中 ym是输出量 y(t ) 的稳态值， 取0.02 y或0.05 y 。它反映了动态过程进行
的快慢，是系统的快速性指标。
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4 . 控制系统的稳态指标
稳态指标是衡量控制系统精度的指标，用稳
态误差来表征。稳态误差是输出量 y(t ) 的稳态值
y与要求值
y 的差值，定义为 0
在单片机控制系统中，被控制量通常是模 拟量，而计算机本身的输入输出量都是数字量。 因此，计算机控制系统大都具有数字—模拟混 合式的结构。
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e(t)
采样
e* (t) A/D e(kT ) 转换器
数字 u(kT ) D/A
调节器
转换器
u* (t) 保持器
u(t)
e(t)
e* (t)
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2 控制系统的分类
•按给定信号分类，自动控制系统可分为恒值控制系统、 随动控制系统和程序控制系统。
恒值控制系统 给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给 定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、 液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。 随动控制系统 给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值 的变化。如跟随卫星的雷达天线系统。 程序控制系统 这种系统的给定量是按照一定的时间函数变化的， 如程序控制机床的程序控制系统的输出量应与给定量的 变化规律相同。
ess y0 y
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5. 控制系统的综合指标
综合性能指标通常有3种类型 1) wk.baidu.com分型指标
误差平方的积分
J t e 2 (t )dt 0
这种性能指标着重权衡大的误差，而较少顾 及小的误差，但这种指标数学上易于处理，可以 得到数学解析解，因此经常使用。
•控制系统的稳定性
y(t)
y(t)
（a）发散振荡
（b）衰减振荡
t
t
（c）等幅振荡
a y(t)
b y (t )
（d）非周期衰减
t
t
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c
d
图9 过渡过程的4种情况
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• 控制系统的能控性和能观测性
能控性和能观性从状态的控制能力和状态的测
辨能力两个方面揭示了控制系统的两个基本问题。
能观性
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3 单片机控制系统的组成和特点
单片机控制系统由硬件和软件两部分组成。
硬件组成：主要由单片机系统和过程输入输出通道、 被控对象、执行器、检测变送环节等组成。
软件组成：系统软件和应用软件。
在单片机控制系统中，硬件和软件不是独立存在 的，在设计时必须注意两者相互间的有机配合和协 调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量的
e(kT )
u(kT )
u* (t)
u(t)
0000 1000 1011 1110 1111 0100 1001 1010 0110 0100
0 12 34 0 1 2 3 4 0 12 34
模拟信号
离散模拟信号
数字信号
0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 t/T
数字信号
离散模拟信号
模拟信号
图3 控制系统中信号变换与传递
模拟信号——时间上和幅值上都连续的信号。
离散模拟信号——时间上离散幅值上连续的信号。
数字信号——时间上离散，幅值也离散的信号。
采样——将模拟信号抽样成离散模拟信号的过程。
量化——采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转
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4 控制系统的性能及其指标
动态指标能够比 较直观地反映控 制系统的过渡过 程特性，动态指 标包括超调量， 调节时间，峰值 时间，衰减比和 振荡次数。
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y (t )
ym
y
B1
B2
y0

ess
0
tp
ts
t
图10 阶跃信号作用下的系统动态过程
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• 超调量 p

表示了系统过冲的程度。设输出量
p
y(的t )最大值为
第二讲 单片机控制系统
单片机控制系统是计算机技术与自动控制理论、 自动化技术以及检测与传感技术、通信与网络技 术紧密结合的产物。
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本章主要内容：
本章主要介绍单片机控制系统的基本概 念、结构组成、特点、分类
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1 控制系统的基本概念
由被控制对象和控制装置所构成，能对被控制对 象的工作状态进行自动控制的系统 。