1、嵌入式控制系統(tǒng)原理及設(shè)計第1章 嵌入式控制系統(tǒng)基礎(chǔ)1.2 嵌入式控制系統(tǒng)嵌入式控制系統(tǒng)原理及設(shè)計1.2.1 嵌入式控制系統(tǒng)的概念到目前為止，尚未形成嵌入式控制系統(tǒng)的統(tǒng)一定義。一般地，嵌入式控制系統(tǒng)指一個基于嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的自動控制系統(tǒng)，其中嵌入式計算機可以嵌入到控制系統(tǒng)的某個或某些部件，這些部件可以是比較元件、校正元件、測量元件、執(zhí)行元件，或者用于系統(tǒng)檢測和故障診斷的部件。實際上，大部分嵌入式系統(tǒng)都可以歸納到嵌入式控制系統(tǒng)的行列，如智能掃地機器人、工業(yè)機器人、無人機等。嵌入式控制系統(tǒng)原理及設(shè)計1.2.1 嵌入式控制系統(tǒng)的概念為理解嵌入式計算機如何應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)，首先回顧連續(xù)控制系統(tǒng)組成。圖

2、1.11中除了被控對象以外，系統(tǒng)部件均由模擬、數(shù)字等獨立元件或集成器件構(gòu)成，包括各種門電路、運算放大器、功率放大器等有源器件和電阻、電容、電感等無源器件。嵌入式控制系統(tǒng)原理及設(shè)計1.2.1 嵌入式控制系統(tǒng)的概念（1）測量元件，其功能是檢測被控量的物理量，如果這個物理量是非電量，則將其裝換成電量。（2）比較元件，其功能是把測量元件檢測的被控量實際值與參數(shù)輸入進行比較，求出它們之間的偏差。（3）校正元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元部件，對比較元件輸出的偏差信號進行某種變換或運算，產(chǎn)生控制量，用于改善系統(tǒng)的性能。（4）放大元件，其功能是將校正元件給出的信號進行放大，以推動執(zhí)行元件去改變控制對象的被控

3、量。嵌入式控制系統(tǒng)原理及設(shè)計1.2.1 嵌入式控制系統(tǒng)的概念當嵌入式計算機取代比較元件和補償元件，成為自動控制系統(tǒng)的控制裝置核心部件后，控制系統(tǒng)將發(fā)生如下變化。嵌入式控制系統(tǒng)原理及設(shè)計1.2.1 嵌入式控制系統(tǒng)的概念首先，控制回路中傳輸?shù)男盘柌辉偃渴悄M信號。因為嵌入式計算機只能處理數(shù)字量，所以常用ADC將檢測元件輸出的模擬電信號轉(zhuǎn)化成計算機可以輸出的數(shù)字信號；同時還需用DAC將計算機輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為可以驅(qū)動放大元件的模擬信號，以使得后續(xù)的系統(tǒng)部件可以正常工作。嵌入式控制系統(tǒng)原理及設(shè)計1.2.1 嵌入式控制系統(tǒng)的概念其次，由于嵌入式計算機只能串行的處理指令，因而控制回路中的信號更新也由原來

4、的連續(xù)，變?yōu)殡x散，即在嵌入式計算機輸出更新后信號時，控制回路的信號發(fā)生明顯變化。嵌入式控制系統(tǒng)原理及設(shè)計1.2.1 嵌入式控制系統(tǒng)的概念最后，控制系統(tǒng)的設(shè)計和分析方法也需要根據(jù)系統(tǒng)的變化進行調(diào)整，否則造成理論研究結(jié)果和實際應(yīng)用的脫節(jié)。例如，只有在系統(tǒng)具有固定、統(tǒng)一的控制周期，且控制周期遠小于被控對象的主要時間常數(shù)時，連續(xù)系統(tǒng)的分析與設(shè)計方法才能應(yīng)用于嵌入式控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計；否則需要采用采樣控制系統(tǒng)或混雜系統(tǒng)（Hybrid Systems）的相關(guān)理論和方法。嵌入式控制系統(tǒng)原理及設(shè)計1.2.2 嵌入式控制系統(tǒng)的工作原理【回顧】自動控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)）的工作原理利用偏差消除偏差，即校正元件根

5、據(jù)比較元件求得的參考輸入與檢測元件反饋的被控量之間的偏差產(chǎn)生控制量，經(jīng)由放大元件后驅(qū)動執(zhí)行元件，使得被控對象的狀態(tài)發(fā)生變化，實現(xiàn)被控量與參考輸入之間無偏差。嵌入式控制系統(tǒng)原理及設(shè)計1.2.2 嵌入式控制系統(tǒng)的工作原理【嵌入式控制系統(tǒng)工作原理】當嵌入式計算機取代了連續(xù)控制系統(tǒng)中的比較元件和校正元件后，成為控制系統(tǒng)的核心部件，其基本任務(wù)應(yīng)包括承擔所取代的元件的功能。嵌入式控制器（嵌入式計算機）的基本任務(wù)：求取偏差（比較元件）和控制量（校正元件）。嵌入式控制系統(tǒng)原理及設(shè)計1.2.2 嵌入式控制系統(tǒng)的工作原理【嵌入式控制系統(tǒng)工作原理】嵌入式控制器的基本工作任務(wù)及流程：讀取參考輸入與被控量計算偏差（參考

6、輸入-被控量）調(diào)用控制算法計算控制量輸出控制量注意：（1）上述四項工作為完成一次控制量輸出（更新）所進行的。 嵌入式控制系統(tǒng)原理及設(shè)計1.2.2 嵌入式控制系統(tǒng)的工作原理【嵌入式控制系統(tǒng)工作原理】嵌入式控制器的基本工作任務(wù)及流程：注意：（1）上述工作為完成一次控制量輸出（更新）所進行的。 （2）這些工作在控制系統(tǒng)工作過程中周而復(fù)始的進行。 （3）這些工作是微處理器通過執(zhí)行相關(guān)代碼完成的。 （4）微處理器執(zhí)行代碼需要一定的時間（T），因而 微處理器的控制量更新是離散的。嵌入式控制系統(tǒng)原理及設(shè)計1.2.2 嵌入式控制系統(tǒng)的工作原理【嵌入式控制系統(tǒng)工作原理】嵌入式控制器的其他工作任務(wù)：（1）系統(tǒng)初始

7、化：為完成基本工作任務(wù)設(shè)置控制器的硬件和軟件環(huán)境。（2）系統(tǒng)狀態(tài)與故障的檢測與診斷：在系統(tǒng)運行過程中，檢測其他部件的狀態(tài)，以確保這些部件正處理正常狀態(tài)；當發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的部件（如傳感器、執(zhí)行器等）出現(xiàn)故障時，微處理器能夠及時發(fā)現(xiàn)并定位故障，確定故障類型及部位，然后做出相應(yīng)的應(yīng)急處理。嵌入式控制系統(tǒng)原理及設(shè)計1.2.2 嵌入式控制系統(tǒng)的工作原理【嵌入式控制系統(tǒng)工作原理】嵌入式控制器的其他工作任務(wù)：（3）人機交互：當系統(tǒng)處于人機協(xié)作狀態(tài)或調(diào)試階段時，操作和調(diào)試人員需修改系統(tǒng)的參數(shù)、控制系統(tǒng)的進程或其他的操作。此時，嵌入式控制裝置需要提供相應(yīng)的功能。（4）通信：當需要和其余同時存在于大系統(tǒng)中的自動控制系統(tǒng)

8、協(xié)作完成某些復(fù)雜的控制目標時，它需要和其他控制裝置通信，以交互信息完成協(xié)作。嵌入式控制系統(tǒng)原理及設(shè)計1.2.3 嵌入式控制系統(tǒng)的優(yōu)勢1.實現(xiàn)復(fù)雜、靈活的控制規(guī)律，提高控制質(zhì)量，提高及實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化。常規(guī)的模擬電路只能實現(xiàn)比例-積分-微分（PID）調(diào)節(jié)規(guī)律、相角超前/滯后等比較簡單的控制算法，計算機控制能夠?qū)崿F(xiàn)如多變量解耦控制、最優(yōu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等復(fù)雜的控制算法，可以在線調(diào)整控制算法的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，為控制質(zhì)量的提高提供了良好的基礎(chǔ)。嵌入式控制系統(tǒng)原理及設(shè)計1.2.3 嵌入式控制系統(tǒng)的優(yōu)勢2.能夠有效地克服隨機擾動，及器件老化等因素導(dǎo)致的參數(shù)漂移。實際的控制系統(tǒng)運行過程中，擾動因素很多，且多數(shù)

9、擾動是難以預(yù)知的，模擬器件組成的控制器一旦投入運行，其參數(shù)很難實現(xiàn)隨著環(huán)境動態(tài)調(diào)整。嵌入式計算機參與控制以后，可根據(jù)實時檢測到的數(shù)據(jù)，用數(shù)值濾波、預(yù)估算法提高信號的信噪比、估計過程動態(tài)，進而實施控制，保證在擾動存在時仍能具有滿意的控制效果。嵌入式控制系統(tǒng)原理及設(shè)計1.2.3 嵌入式控制系統(tǒng)的優(yōu)勢2.能夠有效地克服隨機擾動，及器件老化等因素導(dǎo)致的參數(shù)漂移。另外，模擬電路構(gòu)成的控制器由于采用的元器件參數(shù)本身就會隨著使用環(huán)境的溫度發(fā)生漂移，隨著使用時間產(chǎn)生老化，因而模擬控制器很難保證控制質(zhì)量始終如一。嵌入式計算機屬于數(shù)字部件，數(shù)字信號對模擬噪聲和干擾具有一定的容忍度，在一定的范圍內(nèi)，可以提供比模擬控

10、制器更穩(wěn)定的控制品質(zhì)。即便因使用時間和頻率，器件有部分老化，也不至于影響計算的準確性和精度。嵌入式控制系統(tǒng)原理及設(shè)計1.2.3 嵌入式控制系統(tǒng)的優(yōu)勢3.精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強。在模擬控制系統(tǒng)中精度由元件的精度決定，由于模擬元件的參數(shù)隨著工作環(huán)境、工作時間不可避免的出現(xiàn)漂移和變化，控制的精度達103級別已屬不易。嵌入式控制器的精度由字長決定，可根據(jù)系統(tǒng)要求精度確定和調(diào)整變量的類型和表示形式，達到所需要的精度，因而往往可以取得比模擬控制更好的精度。且嵌入式控制器的精度并不隨工作環(huán)境和時間產(chǎn)生漂移，具有較好的穩(wěn)定性。嵌入式控制系統(tǒng)原理及設(shè)計1.2.3 嵌入式控制系統(tǒng)的優(yōu)勢4符合控制與管理一體化的發(fā)展趨勢，具有較強生命力。現(xiàn)代化生產(chǎn)中，計算機不僅