計算機控制技術信號處理視角全套可編輯PPT課件

本課件是可編輯的正常PPT課件教材結構本課件是可編輯的正常PPT課件問題篇本課件是可編輯的正常PPT課件第1章.

計算機控制系統(tǒng)本課件是可編輯的正常PPT課件1.1.學習目標定義術語系統(tǒng)（1.2）控制系統(tǒng)（1.3）計算機控制系統(tǒng)（1.4）列舉系統(tǒng)的基本特征（1.2）控制系統(tǒng)的基本工作過程（1.3）計算機控制系統(tǒng)的基本工作過程（1.4）計算機控制系統(tǒng)的構成要素（1.4）繪制計算機控制系統(tǒng)的基本結構圖（1.4）比較模擬控制系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)的異同（1.3）計算機控制系統(tǒng)典型架構的異同（1.5）基于文檔設計與基于模型設計的異同（1.6）本課件是可編輯的正常PPT課件1.2. 系統(tǒng)定義國家標準GB/T22031-2008亦指出，“系統(tǒng)是人造的、為了用戶或其他共利益者的利益而創(chuàng)建并使用的，以便在指定的環(huán)境中提供服務。這些系統(tǒng)可以用到下列一個或多個部分配制而成：硬件、軟件、人員、過程（如評審過程）、規(guī)程（如操作者指令）、設備和自然存在的實體（如水、有機物、礦石）。”本課件是可編輯的正常PPT課件1.2. 系統(tǒng)特點集合性關聯(lián)性涌現(xiàn)性整體性層次性目的性環(huán)境適應性本課件是可編輯的正常PPT課件1.3. 控制系統(tǒng)本課件是可編輯的正常PPT課件1.3.1.控制控制系統(tǒng)是實現(xiàn)控制功能的系統(tǒng)，是單元部件、設備、過程等若干要素按照一定結構組成的相互作用對象的集合。它能按照預先設定的目標對被控制對象的行為進行校正，過程如下：（1）信息測量；（2）信息計算；（3）信息施效。本課件是可編輯的正常PPT課件1.3.2.從模擬控制到計算機控制如果控制系統(tǒng)的反饋回路由自動裝置實現(xiàn)而無需人工干預，就稱為自動控制系統(tǒng)。根據(jù)反饋回路自動裝置類型的不同，自動控制系統(tǒng)可以分為兩類：模擬控制系統(tǒng)（或稱連續(xù)控制系統(tǒng)）和數(shù)字控制系統(tǒng)（或稱離散控制系統(tǒng)）。前者的反饋回路通常采用機械裝置或模擬電子裝置實現(xiàn)，而后者的反饋回路多采用數(shù)字電子裝置實現(xiàn)。對于現(xiàn)代化生產過程，由于控制過程復雜，控制要求高，模擬控制系統(tǒng)已不能滿足需要，故多采用數(shù)字控制系統(tǒng)。這類應用通常使用數(shù)字計算機作為控制器，因此，為了強調計算機是控制系統(tǒng)的重要組成部分，這類自動控制系統(tǒng)也被稱為計算機控制系統(tǒng)。本課件是可編輯的正常PPT課件1.4. 計算機

控制系統(tǒng)本課件是可編輯的正常PPT課件1.4.1.基本結構計算機控制系統(tǒng)以自動控制理論和計算技術為基礎，綜合計算機、自動控制和生產過程等多方面知識，用計算機硬件和軟件實現(xiàn)控制系統(tǒng)反饋回路，是自動控制學科非常重要的分支。本課件是可編輯的正常PPT課件1.4.2.構成要素硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)通信鏈路實時數(shù)據(jù)庫本課件是可編輯的正常PPT課件1.4.3.特點優(yōu)勢運算精度高系統(tǒng)穩(wěn)定性好工作效率高靈活性好劣勢數(shù)字計算固有的有限精度問題會引入額外的誤差；系統(tǒng)動態(tài)特性會因計算機控制的離散時間特性而發(fā)生變化；高性能控制算法的工程實現(xiàn)較復雜；計算機控制系統(tǒng)頻帶較模擬控制系統(tǒng)變窄，系統(tǒng)運行速度受到較大限制。本課件是可編輯的正常PPT課件1.5. 計算機控制系統(tǒng)的典型架構本課件是可編輯的正常PPT課件1.5.1.操作指導控制系統(tǒng)被控對象的狀態(tài)參數(shù)經(jīng)測量單元、采樣保持器（S/H）采樣后，被模數(shù)轉換器（ADC）轉換為數(shù)字信號送入計算機控制器，計算后產生控制決策輸出。但是，計算機控制器的輸出與執(zhí)行單元沒有連接在一起，必須經(jīng)操作員判斷分析后，再決定是否用于控制操作。本課件是可編輯的正常PPT課件1.5.2.直接數(shù)字控制系統(tǒng)結構與操作指導控制系統(tǒng)類似，不同的是，直接數(shù)字控制系統(tǒng)的計算機輸出經(jīng)數(shù)模轉換器（DAC）和采樣保持器（S/H）與執(zhí)行單元直接連接。因此，直接數(shù)字控制系統(tǒng)的計算機除具備實時測量和實時決策功能之外，還具有實時施效功能。其輸出直接作用于執(zhí)行單元，對被控對象行為進行實時校正。本課件是可編輯的正常PPT課件1.5.3.監(jiān)督控制系統(tǒng)在操作指導控制系統(tǒng)和直接數(shù)字控制系統(tǒng)的基礎上發(fā)展，可以看作二者的結合。具有兩級結構，底層的直接控制級可以看作直接數(shù)字控制系統(tǒng)，負責生產過程的就地控制；高層的監(jiān)督控制級則可以看作操作指導系統(tǒng)，任務是調整直接控制級的工作狀態(tài)，使其一直保持最優(yōu)。本課件是可編輯的正常PPT課件1.5.4.分布式控制系統(tǒng)又稱集散控制系統(tǒng)，是以計算機為核心，按照"分散控制、集中操作、分級管理"原則構建的多層耦合式信息綜合控制系統(tǒng)。它是計算機網(wǎng)絡技術發(fā)展的結果，常采用三級結構，通過高速數(shù)據(jù)通道對不同物理位置的DDC控制器進行集中操作本課件是可編輯的正常PPT課件1.5.5.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)以現(xiàn)場總線為核心的全分布式遠程控制系統(tǒng)。功能和分布式控制系統(tǒng)相同，但采用現(xiàn)場總線實現(xiàn)網(wǎng)絡連接，將分布式控制系統(tǒng)的集中管理功能分散到各個網(wǎng)絡節(jié)點，實現(xiàn)徹底的分布式控制。本課件是可編輯的正常PPT課件1.5.6.網(wǎng)絡控制系統(tǒng)將不同位置的傳感器、執(zhí)行器和控制器通過信息網(wǎng)絡連接而成的全分布式實時反饋控制系統(tǒng)。根據(jù)傳輸媒介的不同，信息網(wǎng)絡可以是有線網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡或混合網(wǎng)絡，包括現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、無線通信網(wǎng)絡和Internet網(wǎng)等多種形式與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的功能和結構相同，但使用的網(wǎng)絡不同：網(wǎng)絡控制系統(tǒng)使用信息網(wǎng)絡連接智能儀表，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)則使用工業(yè)控制網(wǎng)絡實現(xiàn)。信息網(wǎng)絡是公用網(wǎng)絡，工業(yè)控制網(wǎng)絡是專用網(wǎng)絡，本課件是可編輯的正常PPT課件1.6. 計算機控制系統(tǒng)的工程方法本課件是可編輯的正常PPT課件1.6.1.工程方法的必要性發(fā)展已近百年，計算機控制技術已經(jīng)滲透到現(xiàn)代化工業(yè)生產的方方面面，其功能也從最初以硬件為主導的單純的控制操作功能逐漸演化為軟件主導的運營技術、通信技術和信息技術融合的綜合事務管理功能。與此相適應，計算機控制系統(tǒng)必需考慮的設計要素越來越多，通用的圖靈機模型已不適用。設計人員需要一種可預測的結構化方法，以便闡明被控對象和控制器的行為關系、以及系統(tǒng)本身和其內部組件之間的結構關系，并據(jù)此對系統(tǒng)進行仿真和分析，驗證其正確性，評估其成本、性能和功耗，最終完成由運算設備、存儲設備和網(wǎng)絡通信設備組成的異構計算實現(xiàn)。本課件是可編輯的正常PPT課件1.6.2.基于產品生命周期的工程方法基于產品生命周期管理的工程方法是一種系統(tǒng)化、規(guī)則化的多學科方法。它以產品為核心，針對不同生產階段的利益相關者需要，確定該階段應該解決的實際問題，并在平衡開發(fā)成本、項目進度和技術性能指標的前提下，提供實際問題的綜合解決方案本課件是可編輯的正常PPT課件1.6.3.基于文檔的設計傳統(tǒng)項目多使用基于文檔的設計方法滿足項目可追溯性要求?；谖臋n的設計是一種“以文檔為中心”的建模方法，側重于使用文檔闡述現(xiàn)代信息系統(tǒng)的生產活動，并通過分層樹來規(guī)范和傳遞用戶需求。本課件是可編輯的正常PPT課件1.6.4.基于模型的設計基于模型的設計是“支持以概念設計階段開始并持續(xù)貫穿于開發(fā)和后期的生命周期階段的系統(tǒng)需求、設計、分析、驗證和確認活動的正規(guī)化建模應用”。它是“以模型為中心”的形式化建模應用，能夠貫穿產品的全生命周期，通過邏輯連貫的多視角模型對產品進行跨領域的追蹤和驗證，進而驅動產品開發(fā)的需求、設計、分析、驗證和確認活動。本課件是可編輯的正常PPT課件1.6.4.基于模型的設計VS本課件是可編輯的正常PPT課件第2章.

信號采樣和重構本課件是可編輯的正常PPT課件2.1.學習目標定義術語信息（2.2）信號（2.2）信息熵（2.2）奈奎斯特頻率（2.3）數(shù)字化頻率（2.4）列舉計算機控制系統(tǒng)的信號形式（2.2）復述信號的采樣過程（2.3）采樣定理（2.3）基于零階保持法的信號重構過程（2.4）采樣保持電路工作過程（2.5）解釋頻率混疊產生原因（2.3）本課件是可編輯的正常PPT課件2.1.學習目標（續(xù)）給定情況下，依據(jù)采樣定理，計算周期信號/準周期信號/非周期信號的采樣周期/采樣頻率（2.3）含噪聲有限帶寬信號的采樣周期/采樣頻率（2.3）給定采樣周期/采樣頻率時，計算系統(tǒng)的奈奎斯特頻率及其允許采樣信號的帶寬（2.3）給定系統(tǒng)的奈奎斯特頻率時，計算系統(tǒng)的采樣周期/采樣頻率及其允許采樣信號的帶寬（2.3）給定情境下，設計抗混疊濾波器（2.3）采樣保持電路（2.5）本課件是可編輯的正常PPT課件2.2. 計算機控制系統(tǒng)的信號問題本課件是可編輯的正常PPT課件2.2.1.信號問題控制器處理的信號和表示被控制對象行為的信號是不一樣的，這樣得到的行為校正結果可信嗎？本課件是可編輯的正常PPT課件2.2.2.信息與信號從系統(tǒng)設計和工程應用的角度來說，技術人員普遍接受哈特萊于1928年提出的定義，認為“信息是被消除的不確定性”。目前，技術人員普遍認同的觀點是：信號是任何能夠傳遞和交換信息的隨時間或空間變化的物理量，是信息的載體。本課件是可編輯的正常PPT課件2.2.3.信息度量在香農信息論中，信息是事物運動狀態(tài)或存在方式的不確定性的描述，信號是信息的物理表現(xiàn)形式。同一信息可以用不同形式的信號來表現(xiàn)，同一信號也可以同時承載多個不同的信息。為了確保系統(tǒng)能夠有效地傳輸信息，人們提出信息度量的概念，以描述信號所包含的信息量。因為信源被限制為某一具有先驗概率的隨機過程，所以，系統(tǒng)產生和傳輸?shù)男盘柖伎梢杂秒S機變量表示。在這種情況下，信息度量可以被視為隨機變量承載信息的概率測度，用信息熵表示。

本課件是可編輯的正常PPT課件2.2.4.問題描述本課件是可編輯的正常PPT課件2.3. 信號采樣本課件是可編輯的正常PPT課件2.3.1.采樣過程

本課件是可編輯的正常PPT課件2.3.3.采樣定理

本課件是可編輯的正常PPT課件2.3.4.工程中的采樣采樣定理描述的是使用理想采樣開關對有限帶寬信號采樣的情形。它與工程中的采樣存在不同，主要表現(xiàn)在兩個方面：工程信號是非周期連續(xù)信號，其頻譜具有無限帶寬，不符合應用采樣定理的前提工程中的采樣開關閉合與斷開都需要一定的時間，而不會像理想采樣開關一樣瞬時通斷本課件是可編輯的正常PPT課件2.3.4.工程中的采樣（續(xù)1）頻率混疊工程信號具有無限帶寬對策使用抗混疊濾波器本課件是可編輯的正常PPT課件2.3.4.工程中的采樣（續(xù)2）采樣脈沖抖動工程中的采樣開關不會瞬時通斷對策合理選擇采樣頻率本課件是可編輯的正常PPT課件2.4. 信號重構本課件是可編輯的正常PPT課件2.4.1.香農重構利用理想低通濾波器截取采樣信號的主頻譜分量，再通過傅立葉逆變換重構原信號本質是一種線性非因果插值運算可以準確地再現(xiàn)原信號，但僅適用于周期采樣的有限帶寬信號，且需要獲得整個時間域的采樣信號本課件是可編輯的正常PPT課件2.4.2.保持法重構利用采樣信號歷史數(shù)據(jù)外推連續(xù)信號輸出是一種非線性因果重構利用采樣信號的歷史數(shù)據(jù)進行插值運算，是滿足工程要求的信號重構方法。本課件是可編輯的正常PPT課件2.4.2.保持法重構（續(xù)1）

本課件是可編輯的正常PPT課件2.4.2.保持法重構（續(xù)2）本質上是一個低通濾波器本課件是可編輯的正常PPT課件2.5. 采樣保持電路本課件是可編輯的正常PPT課件2.5.1.基本電路采樣保持器是完成信號采樣和重構運算的物理器件原理電路由采樣開關和低通濾波器串聯(lián)得到本課件是可編輯的正常PPT課件2.5.1.基本電路（續(xù)）采樣階段采樣開關徹底閉合，保持電容完成充電過程，其電壓同步原始輸入，采樣信號跟隨原始輸入信號變化。采樣階段向保持階段轉換的過渡階段采樣開關斷開瞬間，采樣信號被鎖定為開關斷開瞬間的值（采樣值）。保持階段采樣開關徹底斷開，保持電容通過負載電路放電，采樣信號維持采樣值，幾乎不會變化。保持階段向采樣階段轉換的過渡階段采樣開關閉合瞬間，保持電容開始充電。本課件是可編輯的正常PPT課件2.5.2.采樣保持器用兩個運算放大器做輸入輸出緩沖，并用電子開關代替機械開關，能夠切實改善采樣保持電路的響應速度。兩級運算放大器串聯(lián)的結構，也放大了OP1的噪聲，降低了采樣信號的精度。串聯(lián)型采樣保持器本課件是可編輯的正常PPT課件2.5.2.采樣保持器（續(xù)）無論采樣階段還是保持階段，OP2輸出都在跟蹤輸入變化，因此，響應速度比串聯(lián)型采樣保持器更快同時，OP1的噪聲不會被放大，采樣保持器的精度得到顯著改善反饋型采樣保持器本課件是可編輯的正常PPT課件分析篇本課件是可編輯的正常PPT課件第3章.

連續(xù)對象的離散行為本課件是可編輯的正常PPT課件3.1.學習目標定義術語脈沖傳遞函數(shù)（3.4）混合系統(tǒng)（3.6）列舉連續(xù)對象的行為描述方法（3.2）離散對象的行為描述方法（3.4）對象間的運算方式（3.6）解釋結構圖的意義（3.2）信號流圖的意義（3.2）脈沖傳遞函數(shù)的意義（3.4）混合系統(tǒng)的特殊性（3.6）本課件是可編輯的正常PPT課件3.1.學習目標（續(xù)）手工（或使用計算機**）繪制給定連續(xù)對象的結構圖/信號流圖（3.2，3.3）給定離散對象的結構圖/信號流圖（3.4，3.5）給定系統(tǒng)的結構圖/信號流圖（3.6，3.7）手工（或使用計算機**）求解給定離散對象的脈沖輸出序列/脈沖傳遞函數(shù)（3.4，3.5）給定離散系統(tǒng)的脈沖輸出序列/脈沖傳遞函數(shù)（3.6，3.7）給定混合系統(tǒng)的脈沖輸出序列/脈沖傳遞函數(shù)（3.6，3.7）比較結構圖和信號流圖（3.2，3.4）微分方程/差分方程描述和傳遞函數(shù)/脈沖傳遞函數(shù)描述（3.2，3.4）連續(xù)域和離散域的狀態(tài)空間表示（3.4）本課件是可編輯的正常PPT課件3.2. 連續(xù)對象的行為描述本課件是可編輯的正常PPT課件3.2.1.圖形表示法定性描述連續(xù)對象行為的結構化方法不需要數(shù)學公式即可創(chuàng)建，能清晰刻畫對象的輸入輸出關系不僅是定量描述對象行為的基礎，且有助于識別對象的基本性質（如因果性等）。本課件是可編輯的正常PPT課件3.2.1.圖形表示法（續(xù)1）結構圖將物理對象抽象為多端口網(wǎng)絡的圖形化表示包括兩個組成部分：表示對象功能的矩形（或稱網(wǎng)絡）和表示對象與環(huán)境交互作用的線段（或稱端子）通常分為能量耦合網(wǎng)絡和信號耦合網(wǎng)絡兩類本課件是可編輯的正常PPT課件3.2.1.圖形表示法（續(xù)2）信號流圖使用經(jīng)有向線段連接的節(jié)點集合表示線性代數(shù)方程組，以描述信號耦合網(wǎng)絡只適用于線性系統(tǒng)，且主觀性很強其網(wǎng)絡拓撲結構未必反映物理系統(tǒng)的真實結構其表示的線性代數(shù)方程組也不一定具有因果性本課件是可編輯的正常PPT課件3.2.2.解析表示法定量描述連續(xù)對象行為的方法關注的是信息傳輸過程它使用微分方程組描述連續(xù)對象的輸入輸出關系，通過信號流或功率流隨時間或空間的變化來表現(xiàn)信息傳輸過程本課件是可編輯的正常PPT課件3.2.2.解析表示法（續(xù)1）微分方程描述是“工作點附近的小信號輸入”的影響，其輸出是對象運動狀態(tài)由此產生的增量，而不是對象自身的運動狀態(tài)隱含兩個假設條件：對象原本處于相對靜止狀態(tài)；對象僅在工作點附近運動本課件是可編輯的正常PPT課件3.2.2.解析表示法（續(xù)2）傳遞函數(shù)對象輸出變量拉普拉斯變換與對象輸入變量拉普拉斯變換的比無法反映對象的內部結構，也隱含零初始條件的假設，并只能描述工作點附近的小范圍運動增量僅反映對象自身的固有屬性，而與輸入的共軛變量無關本課件是可編輯的正常PPT課件3.2.2.解析表示法（續(xù)3）狀態(tài)空間方程建立在狀態(tài)空間上的連續(xù)對象輸入輸出描述狀態(tài)變量的選擇不具有唯一性本課件是可編輯的正常PPT課件3.4. 離散觀察：計算機視角的對象行為本課件是可編輯的正常PPT課件離散觀察：計算機視角的對象行為本課件是可編輯的正常PPT課件3.4.1.圖形表示法結構圖外觀沒有變化，除了圖形標注因為問題域的改變而不同信號流圖與結構圖類似用點劃線表示信號形式變化的位置本課件是可編輯的正常PPT課件3.4.2.解析表示法差分方程通過同步采樣微分方程的輸入和輸出而得到只能描述采樣點上的輸出，對采樣點之間的輸出變化則無能為力由此導致離散系統(tǒng)本質上是時變系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)差分方程的代數(shù)表示先對傳遞函數(shù)進行頻域采樣，再進行變量代換狀態(tài)空間方程通過人為定義的狀態(tài)變量把高階差分方程等效為一階差分方程組形式上與連續(xù)對象的狀態(tài)空間方程一樣描述離散對象的內部結構本課件是可編輯的正常PPT課件3.6. 混合系統(tǒng)的行為描述本課件是可編輯的正常PPT課件3.6.1.混合系統(tǒng)的一般結構由若干具有連續(xù)動態(tài)行為的離散狀態(tài)集描述的系統(tǒng)被稱為混合系統(tǒng)本課件是可編輯的正常PPT課件3.6.2.混合系統(tǒng)的行為描述混合系統(tǒng)行為描述基礎是在連續(xù)時間子系統(tǒng)行為描述的基礎上，通過引入狀態(tài)機表示離散事件子系統(tǒng)，用一個分層的并行計算框架把二者結合起來，使現(xiàn)代工業(yè)體系同時描述生產過程流動性和跳躍性的要求得以滿足其分析和設計方法雖然日趨成熟，并在工程領域得到普及應用，但仍然以計算機仿真實驗為主，缺少普適的解析方法本課件是可編輯的正常PPT課件3.6.2.混合系統(tǒng)的行為描述例題3-15供熱、通風與空氣調節(jié)（HVAC：Heating，VentilatingandAirCondoning）系統(tǒng)能夠同時滿足特定空間對溫度、濕度、輻射能和空氣質量的要求，廣泛應用于汽車、制造業(yè)和建筑業(yè)等領域，以滿足用戶對舒適度、清潔度和環(huán)境保護的要求。若用圖3?77表示其溫度調節(jié)過程，試建立相應的混合系統(tǒng)描述本課件是可編輯的正常PPT課件3.6.2.混合系統(tǒng)的行為描述例題3-15供熱、通風與空氣調節(jié)（HVAC：Heating，VentilatingandAirCondoning）系統(tǒng)能夠同時滿足特定空間對溫度、濕度、輻射能和空氣質量的要求，廣泛應用于汽車、制造業(yè)和建筑業(yè)等領域，以滿足用戶對舒適度、清潔度和環(huán)境保護的要求。若用圖3?77表示其溫度調節(jié)過程，試建立相應的混合系統(tǒng)描述本課件是可編輯的正常PPT課件3.6.2.混合系統(tǒng)的行為描述例題3-16

本課件是可編輯的正常PPT課件3.6.2.混合系統(tǒng)的行為描述例題3-16

本課件是可編輯的正常PPT課件3.6.3.模型互連串聯(lián)連接兩個或兩個以上子系統(tǒng)首尾相連，前一個子系統(tǒng)的輸入是后一個子系統(tǒng)的輸出并聯(lián)連接兩個或兩個以上子系統(tǒng)跨接在相同的兩個節(jié)點之間反饋連接子系統(tǒng)的輸出端返回并連接至其輸入端如果返回并連接至輸入端的信號與輸出端信號同相，則為正反饋連接；否則，為負反饋連接本課件是可編輯的正常PPT課件3.6.3.模型互連串聯(lián)連接本課件是可編輯的正常PPT課件3.6.3.模型互連并聯(lián)連接本課件是可編輯的正常PPT課件3.6.3.模型互連反饋連接本課件是可編輯的正常PPT課件3.6.3.模型互連例題3-19試求示系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)本課件是可編輯的正常PPT課件第4章.

期望：行為變化的描述本課件是可編輯的正常PPT課件4.1. 學習目標定義術語時間響應（4.2）頻率響應（4.2）穩(wěn)定性（4.4）快速性（4.4）魯棒性（4.4）解釋穩(wěn)定性的意義（4.4）快速性的意義（4.4）魯棒性的意義（4.4）手工（或使用計算機**）計算單位脈沖響應輸出序列（4.2，4.3）單位階躍響應輸出序列（4.2，4.3）手工（或使用計算機**）判斷指定系統(tǒng)的穩(wěn)定性（4.4，4.5）本課件是可編輯的正常PPT課件4.1. 學習目標（續(xù)）使用計算機繪制**伯德圖（4.5）奈奎斯特圖（4.5）手工（或使用計算機**）計算增益（4.3，4.4，4.5）阻尼比（4.3，4.4，4.5）固有頻率（4.3，4.4，4.5）上升時間（4.3，4.4，4.5）峰值時間（4.3，4.4，4.5）穩(wěn)定時間（4.3，4.4，4.5）穩(wěn)態(tài)誤差（4.3，4.4，4.5）幅值裕度（4.3，4.4，4.5）相位裕度（4.3，4.4，4.5）分析采樣周期對系統(tǒng)穩(wěn)定性/快速性/魯棒性的影響（4.4）本課件是可編輯的正常PPT課件4.2. 混合系統(tǒng)的時間響應本課件是可編輯的正常PPT課件4.2.1.一般形式

本課件是可編輯的正常PPT課件4.2.1.一般形式例題4-1

本課件是可編輯的正常PPT課件4.2.2.典型響應脈沖響應系統(tǒng)輸入單位脈沖信號時的輸出序列可以看作模擬控制系統(tǒng)階躍響應的采樣可以用于直接計算任意輸入序列的輸出階躍響應系統(tǒng)在單位階躍信號激勵下產生的輸出序列與脈沖響應包含的系統(tǒng)輸出信息是相同的更容易產生，且系統(tǒng)響應包括動態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩方面的內容頻率響應系統(tǒng)輸入為離散復指數(shù)信號的輸出序列描述系統(tǒng)對外部輸入中特定分量的反應本課件是可編輯的正常PPT課件4.4. 基于頻域的行為分析本課件是可編輯的正常PPT課件4.4.1.穩(wěn)定性描述系統(tǒng)輸出長期趨勢的指標，反映系統(tǒng)自由運動的收斂性，是系統(tǒng)再平衡能力的定量指標，也是決定系統(tǒng)能否正常工作的首要條件——因為只有穩(wěn)定的輸出才可以在現(xiàn)實世界持續(xù)存在本課件是可編輯的正常PPT課件4.4.1.穩(wěn)定性不穩(wěn)定穩(wěn)定穩(wěn)定臨界穩(wěn)定（不穩(wěn)定）本課件是可編輯的正常PPT課件4.4.1.穩(wěn)定性穩(wěn)定性判據(jù)特征方程根的位置代數(shù)判據(jù)朱利判據(jù)勞斯判據(jù)幾何判據(jù)奈奎斯特判據(jù)在伯德圖的應用本課件是可編輯的正常PPT課件4.4.2.魯棒性也稱相對穩(wěn)定性，是對系統(tǒng)擾動適應能力的描述通常用增益裕度、相位裕度或穩(wěn)定裕度表示本課件是可編輯的正常PPT課件4.4.2.魯棒性幅值裕度

相位裕度定義為幅頻特性曲線穿越零分貝線時的相位與線的距離反映系統(tǒng)到達穩(wěn)定極限所需要增加的相位滯后本課件是可編輯的正常PPT課件4.4.2.魯棒性幅值裕度

相位裕度定義為幅頻特性曲線穿越零分貝線時的相位與線的距離反映系統(tǒng)到達穩(wěn)定極限所需要增加的相位滯后本課件是可編輯的正常PPT課件4.4.2.魯棒性穩(wěn)定裕度定義為以點為圓心且與奈奎斯特曲線相切的圓的半徑反映奈奎斯特曲線到臨界點的最短距離本課件是可編輯的正常PPT課件4.4.3.快速性反映系統(tǒng)輸出跟隨輸入信號變化而變化的能力，是系統(tǒng)從一個穩(wěn)定狀態(tài)向另一個穩(wěn)定狀態(tài)遷移時發(fā)生的過渡過程的定量描述本課件是可編輯的正常PPT課件4.4.3.快速性時域指標通過系統(tǒng)對外部指令的響應速度進行直觀解釋一般用單位階躍響應本課件是可編輯的正常PPT課件4.4.3.快速性頻域指標考慮到開環(huán)系統(tǒng)頻率特性曲線容易通過實驗獲得的事實，大多數(shù)分析設計場景更傾向于使用頻域指標描述快速性本課件是可編輯的正常PPT課件決策篇本課件是可編輯的正常PPT課件第5章.

離散時間控制：模擬設計方法本課件是可編輯的正常PPT課件5.1. 學習目標解釋模擬設計的基本思想（5.2）積分飽和產生的原因及其影響（5.4）數(shù)字微分的影響（5.4）列舉模擬設計步驟（5.2）常用的離散化方法（5.3）離散化方法引入的問題（5.4）消除或抑制積分飽和影響的技術方法（5.4）消除或抑制數(shù)字微分影響的技術方法（5.4）比較不同離散化方法的優(yōu)勢與局限（5.3）本課件是可編輯的正常PPT課件5.1. 學習目標（續(xù)）計算模擬控制器的離散化結果：前向差分法（5.3）后向差分法（5.3）雙線性變換法（5.3）脈沖響應不變法（5.3）階躍響應不變法（5.3）設計PID數(shù)字控制器：選擇合適的控制器結構（5.4，5.5）選擇合適的采樣周期（5.4，5.5）選擇合適的離散化方法（5.4，5.5）選擇合適的控制系數(shù)（5.4，5.5）本課件是可編輯的正常PPT課件5.2. 設計思想本課件是可編輯的正常PPT課件5.2.1.設計思想數(shù)字控制器輸出可以被視為模擬控制器輸出進行抽取采樣的結果?；蛘哒f，數(shù)字控制器可以被視為一個數(shù)字濾波器，能夠通過衰減或增強特定頻帶信號而獲得與模擬控制器相同的時域輸出。于是，數(shù)字控制器設計可以模擬控制器設計的基礎上，借助信號處理領域成熟的數(shù)字濾波方法完成。本課件是可編輯的正常PPT課件5.2.2.具體步驟

如果滿足要求，設計結束；否則，提高采樣頻率并重復以上步驟，直到滿足要求。本課件是可編輯的正常PPT課件5.2.3.應用條件離散化過程必須穩(wěn)定；離散化前后，控制器在采樣頻率范圍內的頻率特性必須相同或高度相似。本課件是可編輯的正常PPT課件5.3. 離散化方法離散化方法前向差分法后向差分法雙線性變換法脈沖響應不變法階躍響應不變法零極點匹配法本課件是可編輯的正常PPT課件5.3.1.第一類近似：移動平均濾波離散化方法前向差分法后向差分法雙線性變換法脈沖響應不變法階躍響應不變法零極點匹配法本課件是可編輯的正常PPT課件5.3.1.第一類近似：移動平均濾波離散化方法前向差分法后向差分法雙線性變換法脈沖響應不變法階躍響應不變法零極點匹配法

本課件是可編輯的正常PPT課件5.3.1.第一類近似：移動平均濾波離散化方法前向差分法后向差分法雙線性變換法脈沖響應不變法階躍響應不變法零極點匹配法

本課件是可編輯的正常PPT課件5.3.1.第一類近似：移動平均濾波離散化方法前向差分法后向差分法雙線性變換法脈沖響應不變法階躍響應不變法零極點匹配法

本課件是可編輯的正常PPT課件5.3.2.第二類近似：加窗濾波離散化方法前向差分法后向差分法雙線性變換法脈沖響應不變法階躍響應不變法零極點匹配法本課件是可編輯的正常PPT課件5.3.2.第二類近似：加窗濾波離散化方法前向差分法后向差分法雙線性變換法脈沖響應不變法階躍響應不變法零極點匹配法

本課件是可編輯的正常PPT課件5.3.2.第二類近似：加窗濾波離散化方法前向差分法后向差分法雙線性變換法脈沖響應不變法階躍響應不變法零極點匹配法也稱零階保持等效法，要求等效數(shù)字控制器的階躍響應與對應模擬控制器的階躍響應在采樣瞬時相等

本課件是可編輯的正常PPT課件5.3.2.第二類近似：加窗濾波離散化方法前向差分法后向差分法雙線性變換法脈沖響應不變法階躍響應不變法零極點匹配法要求等效數(shù)字控制器的零極點分布與模擬控制器相同，從而保證二者具有相同的動態(tài)性能本課件是可編輯的正常PPT課件5.4. 數(shù)字PID控制本課件是可編輯的正常PPT課件5.4.1.模擬PID控制基礎所謂PID控制，是對閉環(huán)系統(tǒng)偏差信號進行比例運算、積分運算和微分運算，并通過線性組合構成控制量，對被控對象實施控制。模擬PID控制器由三部分組成：比例控制環(huán)節(jié)、積分控制環(huán)節(jié)和微分控制環(huán)節(jié)。其中，比例控制環(huán)節(jié)決定了控制器性能的邊界，積分控制環(huán)節(jié)可以改善控制器的低頻性能，而微分控制環(huán)節(jié)則對控制器的高頻性能進行修正。本課件是可編輯的正常PPT課件5.4.1.模擬PID控制基礎理想的比例控制器只會成比例地放大偏差輸入，而不會影響其相位。但是，引入比例控制后，原開環(huán)系統(tǒng)的幅頻特性曲線會向上平移，使截止頻率增大，相位裕度和響應時間隨之減小，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性。整體來看，比例控制器結構簡單、響應迅速，但存在穩(wěn)態(tài)誤差。比例控制環(huán)節(jié)本課件是可編輯的正常PPT課件5.4.1.模擬PID控制基礎

整體看來，積分控制器最大的優(yōu)勢是能消除穩(wěn)態(tài)誤差，且積分系數(shù)越大，消除穩(wěn)態(tài)誤差的能力越強。但是，與之相應的，系統(tǒng)過渡時間也越長。積分控制環(huán)節(jié)本課件是可編輯的正常PPT課件5.4.1.模擬PID控制基礎

整體看來，微分控制器的優(yōu)勢是能引入超前控制，從而改善系統(tǒng)在高頻段的表現(xiàn)；但同時，微分控制會增大穿越頻率處的增益，從而損害增益裕度。微分控制環(huán)節(jié)本課件是可編輯的正常PPT課件5.4.2.數(shù)字PID控制模擬PID數(shù)字PID

本課件是可編輯的正常PPT課件5.4.3.離散化產生的問題與對策數(shù)字積分數(shù)字微分本課件是可編輯的正常PPT課件5.4.3.離散化產生的問題與對策數(shù)字積分產生原因數(shù)字微分真實世界的執(zhí)行機構輸出功率是有限的。但在數(shù)字控制器中，指令信號是數(shù)值運算的結果，理論上可以無窮大，很可能會超出執(zhí)行機構實際可執(zhí)行范圍本課件是可編輯的正常PPT課件5.4.3.離散化產生的問題與對策數(shù)字積分產生原因積分飽和數(shù)字微分在計算機控制系統(tǒng)中，當指令信號要求的輸出，控制器輸出得以落實，控制效果符合預期；而當指令信號要求的輸出，控制器輸出不會完全落實，實際控制效果會被削弱。此時，稱系統(tǒng)進入飽和狀態(tài)本課件是可編輯的正常PPT課件5.4.3.離散化產生的問題與對策數(shù)字積分產生原因積分飽和對策數(shù)字微分

模擬PID控制器一般會使用鉗位二極管完成運算而數(shù)字PID控制器則有更加靈活的解決方案本課件是可編輯的正常PPT課件5.4.3.離散化產生的問題與對策數(shù)字積分數(shù)字微分產生原因在模擬PID控制器中，微分運算是通過物理設備進行的。由于設備自身慣性的影響，微分運算不是理想微分，其輸出不會突變。但是，數(shù)字PID控制器的微分運算是一種純粹的數(shù)學運算?？紤]到計算機控制系統(tǒng)的采樣周期通常很小，數(shù)字PID的微分控制環(huán)節(jié)即使偏差不大，也很有可能產生巨大的輸出本課件是可編輯的正常PPT課件5.4.3.離散化產生的問題與對策數(shù)字積分數(shù)字微分產生原因影響與積分飽和類似，數(shù)字微分引起的控制器突變也會迫使系統(tǒng)飽和，并產生超調。本課件是可編輯的正常PPT課件5.4.3.離散化產生的問題與對策數(shù)字積分數(shù)字微分產生原因影響對策基本思想是修正數(shù)字微分算法以模擬物理設備的微分過程。具體做法是對數(shù)字微分結果進行低通濾波，以把一個采樣周期內產生的突變分配到多個（通常為3~10個）采樣周期，達到減弱振蕩的目的。本課件是可編輯的正常PPT課件5.4.4.參數(shù)整定選擇控制結構純比例（P）控制。比例積分（PI）控制；比例積分微分（PID）控制；多回路控制選擇采樣周期應遠小于被控對象的時間常數(shù)應遠小于被控對象的擾動周期，并與系統(tǒng)主要擾動成整倍數(shù)關系應適應執(zhí)行機構的響應速度應滿足控制品質的要求。應考慮純滯后時間，并盡量使其與滯后時間成整倍數(shù)關系選擇控制系數(shù)擴充臨界比例度法經(jīng)驗整定法自整定法本課件是可編輯的正常PPT課件第6章.

離散時間控制：數(shù)字設計方法本課件是可編輯的正常PPT課件6.1. 學習目標定義術語狀態(tài)（6.6）能控性（6.6）能觀性（6.6）解釋數(shù)字設計方法的基本思想（6.2）列舉數(shù)字設計的基本步驟（6.2）頻率響應法的基本設計步驟（6.3）基于Ragazzini法的無限沖激響應濾波設計步驟（6.4）基于Ragazzini法的有限沖激響應濾波設計步驟（6.4）狀態(tài)空間設計的基本設計步驟（6.5）本課件是可編輯的正常PPT課件6.1. 學習目標（續(xù)）比較模擬設計方法和數(shù)字設計方法（6.2）頻率響應法、Ragazzini法和狀態(tài)空間設計法（6.3，6.4，6.6）開環(huán)觀測器、預測觀測器和實時觀測器（6.6）能控性和能慣性（6.6）手工（或使用計算機**）判斷系統(tǒng)能控性（6.6，6.6）系統(tǒng)能觀性（6.6，6.6）本課件是可編輯的正常PPT課件6.1. 學習目標（續(xù)）手工（或使用計算機**）設計PID數(shù)字控制器

本課件是可編輯的正常PPT課件6.2. 設計思想本課件是可編輯的正常PPT課件6.2.1.設計思想與模擬設計方法相比，數(shù)字設計方法根據(jù)控制要求直接在離散域求解差分方程，既可以構造IIR數(shù)字濾波器，也可以構造FIR數(shù)字濾波器。本課件是可編輯的正常PPT課件6.3. 頻率響應法本課件是可編輯的正常PPT課件6.3.1.基本思想

本課件是可編輯的正常PPT課件6.3.2.具體步驟

本課件是可編輯的正常PPT課件6.4. Ragazzini法本課件是可編輯的正常PPT課件6.4.1.基本思想無限沖激響應濾波頻率響應法的實質是窗函數(shù)加權運算在z平面可以使用Ragazzini法完成同樣的運算有限沖激響應濾波受窗函數(shù)影響，無限沖激響應濾波器的頻率特性會不可避免地偏離期望為了獲得與期望特性完全一致的輸出，可以考慮使用有限沖激響應濾波設計控制器本課件是可編輯的正常PPT課件6.4.2.Ragazzini法：無限沖激響應濾波確定數(shù)字對象構造系統(tǒng)特征多項式求解特征方程

構造系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)

構造數(shù)字控制器檢驗設計指標本課件是可編輯的正常PPT課件6.4.3.Ragazzini法：有限沖激響應濾波確定數(shù)字對象

確定數(shù)字控制器檢驗設計指標本課件是可編輯的正常PPT課件6.5. 狀態(tài)空間設計法本課件是可編輯的正常PPT課件6.5.1.極點配置受被控對象零極點分布的限制，Ragazzini法只能對數(shù)字化對象反饋信號的有限頻率進行梳狀濾波狀態(tài)空間設計法則假設系統(tǒng)的全狀態(tài)向量能夠被檢測，這樣就可以通過自由構造梳狀濾波器，對反饋信號的特定成分進行放大或衰減，以獲得與期望完全相同的系統(tǒng)響應本課件是可編輯的正常PPT課件6.5.1.極點配置：原理

本課件是可編輯的正常PPT課件6.5.1.極點配置：求解反饋矩陣極點配置的實質是通過反饋增益矩陣K將系統(tǒng)的閉環(huán)極點移動到期望位置，從而改善系統(tǒng)動態(tài)特性。因此，反饋增益矩陣K的求解將是極點配置的重點。最直接的方法是比較閉環(huán)系統(tǒng)特征方程和期望特征方程的系數(shù)，利用待定系數(shù)求解反饋增益矩陣K。這種方法容易理解，但過程繁瑣,運算量大，且不容易通過計算機實現(xiàn)。也可以先對被控對象的描述方程進行非奇異變換，轉換為所謂的能控標準型后，再計算反饋增益矩陣。本課件是可編輯的正常PPT課件6.5.1.極點配置：求解反饋矩陣（續(xù)）將被控對象的描述方程變換為能控標準型寫出閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程寫出閉環(huán)系統(tǒng)的期望特征方程確定反饋增益矩陣本課件是可編輯的正常PPT課件6.5.2.狀態(tài)估計極點配置法需要檢測控制對象的所有狀態(tài)，但在實際工程中，大多數(shù)系統(tǒng)只能測量輸出變量，無法滿足全狀態(tài)反饋的要求。這種情況下，需要對不能直接測量的狀態(tài)變量進行估計。本課件是可編輯的正常PPT課件6.5.2.狀態(tài)估計：狀態(tài)觀測器根據(jù)被控對象可用信息估計其狀態(tài)的系統(tǒng)就稱為狀態(tài)觀測器實際應用中，它是一組通過計算機求解的差分方程，可以根據(jù)系統(tǒng)輸出和控制輸出來估算或觀測系統(tǒng)的狀態(tài)變量。最簡單的開環(huán)觀測器是一個按被觀測系統(tǒng)復制的模型，但狀態(tài)變量可以直接輸出。本課件是可編輯的正常PPT課件6.5.2.狀態(tài)估計：狀態(tài)觀測器（續(xù)）開環(huán)觀測器的構造條件往往很難滿足，而且，對外界干擾的抗干擾性和對參數(shù)變動的靈敏度也很差。實際系統(tǒng)很多使用預測觀測器，即同時用輸出量和控制量估計系統(tǒng)狀態(tài)，并通過反饋控制估計質量本課件是可編輯的正常PPT課件6.5.2.狀態(tài)估計：有狀態(tài)觀測的控制器本課件是可編輯的正常PPT課件6.5.2.狀態(tài)估計：實時觀測器

為獲得更好的實時性，可以考慮實時觀測器。本課件是可編輯的正常PPT課件6.5.3.能控性和能觀性能控性和能觀性是狀態(tài)空間解析和設計的兩個基本概念。前者討論系統(tǒng)在無約束控制向量的作用下，是否能夠在有限時間內從初始狀態(tài)轉移到任意指定狀態(tài)；而后者則是在系統(tǒng)輸出和控制序列已經(jīng)確定的條件下，討論系統(tǒng)狀態(tài)是否可以用有限時間的輸出序列和控制序列表示。本課件是可編輯的正常PPT課件6.5.3.能控性和能觀性：能控性對線性定常離散系統(tǒng)

本課件是可編輯的正常PPT課件6.5.3.能控性和能觀性：能觀性對線性定常離散系統(tǒng)

本課件是可編輯的正常PPT課件施效篇本課件是可編輯的正常PPT課件第7章.

從函數(shù)到算法本課件是可編輯的正常PPT課件7.1. 學習目標定義術語：計算時延（7.2）量化（7.2）量化誤差（7.2）列舉時延問題產生的原因與對策（7.2）精度問題產生的原因與對策（7.2）可控實現(xiàn)形式的基本構成要素（7.3）書寫系統(tǒng)的可控實現(xiàn)形式（7.3）繪制系統(tǒng)信號流圖，包括：基本型（7.4）串聯(lián)型（7.4）并聯(lián)型（7.4）本課件是可編輯的正常PPT課件7.1. 學習目標（續(xù)）比較系統(tǒng)不同運算結構，主要考慮以下方面：運算精度（7.4）運算時間（7.4）占用資源（7.4）合理選擇系統(tǒng)的采樣周期/運算速度（7.4）量化字長/運算精度（7.4）使用LabVIEW編寫VI利用給定系統(tǒng)的可控實現(xiàn)形式計算控制器輸出（7.5）本課件是可編輯的正常PPT課件7.2. 計算問題本課件是可編輯的正常PPT課件7.2.1.計算時延引起的問題用計算機實現(xiàn)控制律時，由于硬件和軟件的原因，控制輸出總會落后于采樣脈沖輸入，這種延遲被稱為計算時延，本課件是可編輯的正常PPT課件7.2.1.計算時延引起的問題（續(xù)）計算時延會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是計算機控制器物理實現(xiàn)需要考慮的一個問題計算時延可以等效為控制器與延遲環(huán)節(jié)的串聯(lián)。與采樣動作和施效動作等效的延遲環(huán)節(jié)，時間常數(shù)為ADC或DAC的工作時間；與控制律運算過程等效的延遲環(huán)節(jié)，時間常數(shù)由控制算法決定。合理選擇程序結構可以抑制計算時延的影響。本課件是可編輯的正常PPT課件7.2.2.量化引起的問題所謂量化，是把無限精度數(shù)字表示為有限精度數(shù)值的近似過程，也是連續(xù)信號在值域的離散化過程。具體到計算機控制系統(tǒng)，就是用有限字長的二進制數(shù)值表示參與控制運算的量程內可無限取值的物理量本課件是可編輯的正常PPT課件7.2.2.量化引起的問題（續(xù)1）量化過程中，連續(xù)信號的無限取值可以被有限的離散數(shù)值集合代替?？紤]到一個離散數(shù)值只能對應一個連續(xù)信號，則信號在量化前后必然存在誤差。這種誤差稱為量化誤差，其大小除了與量化區(qū)間的數(shù)量有關外，還與量化過程的取整方式有關。本課件是可編輯的正常PPT課件7.2.2.量化引起的問題（續(xù)2）量化是計算機控制系統(tǒng)非線性效應的一種，可能來自模擬信號與數(shù)字信號的信號轉換過程，也可能來自控制律的有限精度運算過程。其直接影響是產生量化噪聲與極限環(huán)前者是一種類似電子噪聲的背景干擾，后者是幅值遠超量化單位的低頻低強度振蕩。本課件是可編輯的正常PPT課件7.3. 可控實現(xiàn)形式本課件是可編輯的正常PPT課件7.3. 1.必要性

為了準確求解，計算機控制系統(tǒng)的數(shù)字控制器通常不直接使用脈沖傳遞函數(shù)計算控制輸出，而是將其轉換為可控實現(xiàn)形式再進行計算。本課件是可編輯的正常PPT課件7.3. 2.可控實現(xiàn)形式數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)表示為有理分式形式，即

將等式兩邊有理分式的分子和分母交叉相乘，得

移位，得到計算當前控制器的可控實現(xiàn)形式

本課件是可編輯的正常PPT課件7.4. 運算結構本課件是可編輯的正常PPT課件7.4.1.基本運算單元本課件是可編輯的正常PPT課件7.4.2.直接型結構

0型結構

本課件是可編輯的正常PPT課件7.4.2.直接型結構（續(xù)）

1型結構

本課件是可編輯的正常PPT課件7.4.2.直接型結構（續(xù)）直接型結構（0型）的狀態(tài)空間直接型結構（1型）的狀態(tài)空間本課件是可編輯的正常PPT課件7.4.3.串聯(lián)型結構即此前使用的ZPK模型控制律系數(shù)即子環(huán)節(jié)的零極點，且不同子環(huán)節(jié)的零極點互不影響量化誤差較小，對零極點的漂移也不敏感，但運算時間較長本課件是可編輯的正常PPT課件7.4.4.并聯(lián)型結構若干一階環(huán)節(jié)與二階環(huán)節(jié)相加的形式與串行結構比較，運算速度更快，量化誤差更小，尤其適合于對零點位置要求嚴格的場合控制律系數(shù)同樣是子環(huán)節(jié)的零極點，亦互不影響，但無法對消，只能單獨調整子環(huán)節(jié)的極點位置，而不能調整零點位置。本課件是可編輯的正常PPT課件7.4.5.不同結構的比較在數(shù)學上是等價的但運算結構不同，對控制系統(tǒng)的影響也不同直接型結構的控制律系數(shù)不具有明顯的物理意義，敏感系數(shù)變化，不便調試，且運算時間長，量化誤差大，一般不用于二階以上系統(tǒng)的實現(xiàn)。串聯(lián)型結構的控制律系數(shù)能夠反映零極點位置，不敏感系數(shù)變化，便于零極點對消，且對數(shù)據(jù)存儲空間的需求最小，運算時間居中，量化誤差亦居中。并聯(lián)型結構的控制律系數(shù)能夠反映零極點位置，不敏感系數(shù)變化，能單獨調節(jié)子環(huán)節(jié)的零點位置，但不能調整零點位置，運算時間最短，量化誤差亦最小。本課件是可編輯的正常PPT課件第8章.

計算機控制：

軟硬件協(xié)同實現(xiàn)本課件是可編輯的正常PPT課件8.1. 學習目標定義術語軟硬件協(xié)同設計（8.2）軟件（8.2）硬件（8.2）組件（8.2）接口（8.2）數(shù)字濾波（8.5）標度變換（8.5）復述計算機控制系統(tǒng)的層次結構：信息處理角度（8.2）I/O接口的本質：信息處理角度（8.2）線性標度變換工作原理（8.5）列舉I/O接口的信號類型（8.2）I/O接口的信號處理要求（8.4）I/O接口的存儲器映射方式（8.4）I/O接口的信號讀寫策略（8.4）本課件是可編輯的正常PPT課件8.1. 學習目標（續(xù)）比較數(shù)字濾波和模擬濾波（8.5）數(shù)字濾波算法（8.5）選擇數(shù)字控制器運算平臺（8.3）數(shù)字控制器I/O接口（8.4）設計I/O接口地址譯碼（8.4）I/O接口數(shù)據(jù)緩沖（8.4）編寫I/O接口數(shù)據(jù)讀寫程序（8.6）數(shù)字濾波程序（8.5）標度變換程序（8.5）本課件是可編輯的正常PPT課件8.2. 從信號耦合網(wǎng)絡到能量耦合網(wǎng)絡本課件是可編輯的正常PPT課件8.2.1.軟硬件協(xié)同設計控制算法確定之后，需要選擇合適的計算架構以執(zhí)行算法。選擇依據(jù)通常是運算復雜性、實時性要求和資源約束，同時考慮成本最小化和/或能量最小化。這個過程可以視作系統(tǒng)建模的逆過程，也就是說，是把抽象數(shù)學運算具體化的過程。其主要工作是把信號耦合網(wǎng)絡還原為能量耦合網(wǎng)絡，直至具體的物理設備，使其在滿足控制算法精度要求和速度要求的同時，也能夠滿足能量要求和成本要求。本課件是可編輯的正常PPT課件8.2.1.軟硬件協(xié)同設計如果把“軟件”定義為功能可調整的運算設備，把“硬件”定義為功能固定不變的運算設備，控制算法的實現(xiàn)過程就可以定義為將控制算法所需運算分配到軟件和硬件的過程。具體地說，就是人為界定軟件和硬件的邊界，將能耗較小且功能多變的運算過程分配為軟件、能耗較高且功能單一的運算過程分配為硬件。本課件是可編輯的正常PPT課件8.2.1.軟硬件協(xié)同設計軟硬件協(xié)同設計是權衡硬件和軟件以共同實現(xiàn)滿足多重約束的特定運算過程的系統(tǒng)級設計方法。它關注的不是硬件或軟件的具體實現(xiàn)技術，而是特定算法物理實現(xiàn)的多目標優(yōu)化方案。或者說，軟硬件協(xié)同設計的目標是尋找一種軟件和硬件的組合，使其在滿足算法的功能要求的前提下，同時滿足精度、速度、能耗、成本等多方面的優(yōu)化指標。本課件是可編輯的正常PPT課件8.2.1.軟硬件協(xié)同設計操作過程描述如下：整體上，將代表問題解決方案的控制算法視為軟件，并用信號耦合網(wǎng)絡表示。將其中涉及信號類型變化（如量綱不同的信號相互轉換，或量綱相同但量程不同的信號相互轉換）的環(huán)節(jié)替換為能量耦合網(wǎng)絡，估算并分配性能指標。將剩余部分中有明確功率要求的環(huán)節(jié)替換為能量耦合網(wǎng)絡，估算并分配性能指標。將剩余部分逐一替換為能量耦合網(wǎng)絡，估算并分配性能指標，同時評估整體性能，如果精度、速度、能耗、成本等均符合要求，則保留為能量耦合網(wǎng)絡；否則，還原為信號耦合網(wǎng)絡。分配方案確定后，按照能量耦合網(wǎng)絡分配的性能指標選擇物理設備，或設計新的物理設備。聯(lián)結物理設備，完成預設的控制算法，并測試系統(tǒng)整體性能。本課件是可編輯的正常PPT課件8.2.2.從信息處理的角度看計算機控制本質上是一個非線性信息處理系統(tǒng),其結構都可以用數(shù)據(jù)處理器（P：Processor）、數(shù)據(jù)存儲器（M：Memory）和數(shù)據(jù)交換器（S：Switch）的組合來表示本課件是可編輯的正常PPT課件8.2.3.組件、接口和信號組件維基百科的解釋是若干符合某種規(guī)范的可以提供特定功能的系統(tǒng)構成要素的模型。它們在物理空間上是分立的設備，但功能相似，處理內容相同，操作方法一致，在系統(tǒng)分析和設計過程中經(jīng)常被歸并考慮。處理器P、存儲器M和數(shù)據(jù)交換器S即是高度抽象的組件。本課件是可編輯的正常PPT課件8.2.3.組件、接口和信號（續(xù)）I/O接口在計算機控制系統(tǒng)中，組件設備表現(xiàn)為映射到計算機內存空間的數(shù)據(jù)，I/O接口則是組件設備數(shù)據(jù)之間可重構的數(shù)據(jù)交換通道。本課件是可編輯的正常PPT課件8.2.3.組件、接口和信號（續(xù)）I/O接口的主要作用都是在數(shù)據(jù)處理器和數(shù)據(jù)存儲器之間進行數(shù)據(jù)傳輸：將數(shù)據(jù)存儲器發(fā)布的數(shù)據(jù)寫入I/O接口相當于操作相應的外圍設備執(zhí)行規(guī)定動作，從I/O接口讀入來自外圍設備的數(shù)據(jù)則等同于對相應外圍設備進行采樣或檢查它的工作狀態(tài)。本課件是可編輯的正常PPT課件8.2.3.組件、接口和信號（續(xù)）接口信號數(shù)值信號是數(shù)據(jù)處理器完成運算所需要的輸入和輸出，包括來自外部設備的數(shù)值輸入和數(shù)據(jù)處理器發(fā)布的數(shù)值輸出。狀態(tài)信號反映組件設備自身的工作狀態(tài)命令信號配置組件設備的工作狀態(tài)，保證組件設備的工作時序本課件是可編輯的正常PPT課件8.3. 運算設備本課件是可編輯的正常PPT課件8.3.1.通用計算機通用計算機包括個人計算機(PC:PersonalComputer)和工業(yè)控制計算機(IPC:IndustryPersonalComputer)，前者用于辦公室環(huán)境，完成信息管理任務；后者用于工業(yè)場，完成實時控制任務。通用計算機的實時性相對嵌入式計算機要差一些，且體積大，對環(huán)境要求多，但運算能力強，資源豐富，配套設備完善，在工程中仍得到廣泛應用。而工業(yè)控制計算機盡管結構與個人計算機相同，但可靠性更高，在安全性、互操作性和互換性方面更適合工程環(huán)境，更是通用計算機在工程現(xiàn)場應用時的首選。本課件是可編輯的正常PPT課件8.3.2.嵌入式計算機嵌入式計算機是與應用密切相關的、可嵌入對象內部的、軟硬件可裁剪的專用計算機。它以應用為中心，能夠很好地滿足計算機控制系統(tǒng)對可靠性、可維護性、成本、體積、功耗等方面的要求，特別適合實時多任務應用。嵌入式計算機有多種結構，應用領域非常廣泛。不同結構的嵌入式計算機適用于不同領域，彼此之間難以相互代替。本課件是可編輯的正常PPT課件8.4. 通用I/O接口本課件是可編輯的正常PPT課件8.4.1.技術指標I/O接口的數(shù)學模型可以用慣性環(huán)節(jié)表示，其幅值反映計算機處理的數(shù)值量與組件設備電量信號之間的增益，通常用數(shù)位/伏特(I/O輸入接口)或伏特/數(shù)位(I/O輸出接口)表示；相位則反映I/O接口等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定所引入的時間延遲。理想情況下，前者應當為1，后者應當為0。本課件是可編輯的正常PPT課件8.4.1.技術指標（續(xù)）選擇I/O接口應盡量使其數(shù)學模型接近理想特性。影響I/O接口性能的主要因素來自所連接外圍設備的性能，主要有三個評價指標：精度、分辨率和響應速度。本課件是可編輯的正常PPT課件8.4.2.存儲器映射直接映射在計算機的存儲空間中，外部設備表現(xiàn)為一組連續(xù)的寄存器，并通過I/O接口與計算機交換數(shù)據(jù)，計算機則通過讀寫I/O接口實現(xiàn)對組件設備的操作。本課件是可編輯的正常PPT課件8.4.2.存儲器映射（續(xù)）更緊湊的映射一般情況下，I/O接口的命令寄存器和輸出寄存器只需要執(zhí)行寫入操作，而狀態(tài)寄存器和輸入寄存器只需要執(zhí)行讀出操作。因此，可以考慮在存儲空間采用更為緊湊的映射模式。本課件是可編輯的正常PPT課件8.4.2.存儲器映射（續(xù)）復用技術若I/O接口的命令寄存器和輸出數(shù)值寄存器映射到存儲器空間的同一位置（二者地址重合），狀態(tài)寄存器和輸入數(shù)值寄存器映射到存儲器空間的同一位置（二者地址重合），則外部設備占用的存儲器資源可進一步減小。本課件是可編輯的正常PPT課件8.4.2.存儲器映射（續(xù)）復用技術若I/O接口的命令寄存器和輸出數(shù)值寄存器映射到存儲器空間的同一位置（二者地址重合），狀態(tài)寄存器和輸入數(shù)值寄存器映射到存儲器空間的同一位置（二者地址重合），則外部設備占用的存儲器資源可進一步減小。本課件是可編輯的正常PPT課件8.4.3.數(shù)據(jù)傳輸方法訪問組件設備，通常只需要調用該設備的驅動程序讀寫相應I/O接口。如果組件設備沒有提供驅動程序，就需要設計人員自己編寫軟件完成I/O接口的讀寫操作。此時需要注意：雖然I/O接口讀寫方式和存儲器讀寫方式在軟件上完全相同，但是并不意味著二者的數(shù)據(jù)傳輸性質也相同。實際上，由于I/O接口對讀寫操作順序具有嚴格要求，某些對存儲器讀寫無害的技術可能會對I/O接口讀寫產生不利影響，嚴重時甚至引發(fā)故障。本課件是可編輯的正常PPT課件8.4.3.數(shù)據(jù)傳輸方法（續(xù)）編寫I/O接口讀寫程序時，對于工程中大量使用的基于通用標準的I/O接口，包括串行接口、USB接口、GPIB接口和各種總線接口，其數(shù)據(jù)傳輸符合國際標準化組織定義的數(shù)據(jù)協(xié)議。這些協(xié)議規(guī)定了不同物理設備間的數(shù)據(jù)交換原則和方法，已作為普遍性解決方案被各種設備接受。而對于未遵循通用標準的I/O接口，設計人員可以根據(jù)接口實際情況，從以下數(shù)據(jù)傳輸方式中選擇一種作為設備間的數(shù)據(jù)交換方法。本課件是可編輯的正常PPT課件8.4.3.數(shù)據(jù)傳輸方法（續(xù)）同步數(shù)據(jù)傳輸當CPU向外圍設備傳輸數(shù)據(jù)時，需要先把數(shù)據(jù)放置在數(shù)據(jù)總線上，然后通過寫入I/O接口的操作使外圍設備獲取數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)。反過來也一樣，當CPU需要獲取外圍設備的數(shù)據(jù)時，它會假設傳輸數(shù)據(jù)已經(jīng)被外圍設備放置在數(shù)據(jù)總線上，并通過讀入I/O接口的操作獲得來自外圍設備的數(shù)據(jù)。本課件是可編輯的正常PPT課件8.4.3.數(shù)據(jù)傳輸方法（續(xù)）異步數(shù)據(jù)傳輸計算機向外圍設備傳輸數(shù)據(jù)時，同樣需要把數(shù)據(jù)先放置在數(shù)據(jù)總線上，并通過寫入I/O接口操作將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)發(fā)送給外圍設備。外圍設備在接收數(shù)據(jù)后必須返回一個(硬件或軟件的)握手信號，計算機接收握手信號后，確認數(shù)據(jù)被正確接收，才會清除握手信號并結束數(shù)據(jù)寫入過程。如果計算機沒有在規(guī)定時間內接收到握手信號，就會產生超時錯誤，表明數(shù)據(jù)寫入失敗，迫使計算機采取補救措施。反過來，計算機從外圍設備獲取數(shù)據(jù)時，需要外圍設備先把傳輸數(shù)據(jù)放置在數(shù)據(jù)總線上，并產生一個(硬件或軟件的)握手信號通知計算機接收。計算機接收到該信號后，執(zhí)行讀入I/O接口操作，并清除握手信號，結束數(shù)據(jù)讀入過程。本課件是可編輯的正常PPT課件8.4.3.數(shù)據(jù)傳輸方法（續(xù)）如果數(shù)據(jù)到達I/O接口的速率與計算機從I/O接口讀取數(shù)據(jù)的速率接近，即便異步數(shù)據(jù)傳輸也會丟失數(shù)據(jù)。設置數(shù)據(jù)緩沖器可以解決這個問題。本課件是可編輯的正常PPT課件8.4.4.接口操作策略輪詢策略要求計算機實時查詢I/O接口狀態(tài)，一旦接口可用，立即對接口進行讀/寫操作其時間延遲等于I/O接口響應速度，可以認為是一個常數(shù)。本課件是可編輯的正常PPT課件8.4.4.接口操作策略（續(xù)）中斷策略采用中斷策略時，I/O接口會主動發(fā)出操作（中斷）請求，無需計算機額外干預，故效率比輪詢策略高。計算機識別和響應中斷會引入額外的時間延遲，從中斷處理程序返回斷點也會引入時間延遲，而嵌套的中斷會使時間延遲進一步增加。本課件是可編輯的正常PPT課件8.5. 處理不一致的數(shù)據(jù)本課件是可編輯的正常PPT課件8.5.1.濾波控制系統(tǒng)的濾波控制系統(tǒng)使用濾波技術以減小噪聲、消除混疊及衰減諧振。與通信應用不同，控制應用除了要求濾波器在增益穿越頻率處相位滯后最小，更關心其對高頻信號的衰減。其最常用的濾波器是低通濾波器，廣泛使用于控制器、反饋通道以及前向通道中。本課件是可編輯的正常PPT課件8.5.1.濾波（續(xù)）數(shù)字濾波數(shù)字濾波是從數(shù)據(jù)序列估計其真值的軟件算法。它基于統(tǒng)計原理，具有硬件濾波的性能，卻不需要物理設備實現(xiàn)，成本小，可靠性高，使用靈活，容易得到硬件濾波無法實現(xiàn)的效果。本課件是可編輯的正常PPT課件8.5.1.濾波（續(xù)）數(shù)字濾波程序判斷濾波中值濾波算術平均濾波

本課件是可編輯的正常PPT課件8.5.1.濾波（續(xù)）數(shù)字濾波程序判斷濾波中值濾波算術平均濾波本課件是可編輯的正常PPT課件8.5.1.濾波（續(xù)）數(shù)字濾波程序判斷濾波中值濾波算術平均濾波

本課件是可編輯的正常PPT課件8.5.2.標度變換通用I/O接口兩側的信號類型是不一樣的。計算機一側的信號是計算機處理所需要的無量綱的純數(shù)值（如偏差），而外圍組件一側的信號是各種表征生產過程狀態(tài)的有量綱的工程量（如溫度、電壓、流量等）。為了使計算機運算結果能與生產過程的實際狀態(tài)一一對應，必須在無量綱的純數(shù)值與有量綱的工程量之間建立映射關系，即標度變換。本課件是可編輯的正常PPT課件8.5.2.標度變換（續(xù)）線性標度變換

本課件是可編輯的正常PPT課件8.5.2.標度變換（續(xù)）非線性標度變換非線性標度變換沒有統(tǒng)一公式，需要根據(jù)信號具體特征選擇合適的映射關系。工程中，多使用分段插值法進行非線性標度變換，具體做法是：首先，將信號輸入輸出特性曲線分成若干區(qū)間；其次，用不同的直線段對各區(qū)間特性曲線進行逼近；最后，分區(qū)間進行線性標度變換。本課件是可編輯的正常PPT課件第9章.

并發(fā)實時調度本課件是可編輯的正常PPT課件9.1. 學習目標定義術語期限（9.2）任務（9.2）可靠性（9.4）失效（9.4）噪聲（9.4）干擾（9.4）設計模式（9.5）解釋計算機控制系統(tǒng)是數(shù)據(jù)驅動的系統(tǒng)（9.2）計算機控制系統(tǒng)是并發(fā)事務管理系統(tǒng)（9.2）計算機控制系統(tǒng)是實時調度系統(tǒng)（9.2）列舉硬實時系統(tǒng)的期限要求（9.2）計算機軟件常用的任務調度方法（9.2）事件到達模式（9.2）任務匯合模式（9.2）并發(fā)實時調度的設計原則（9.2）并發(fā)實時調度可能產生的問題（9.2）共享數(shù)據(jù)的保護方法（9.2）本課件是可編輯的正常PPT課件9.1. 學習目標（續(xù)）列舉（續(xù)）影響計算機控制系統(tǒng)可靠性的主要因素（9.4）保障可靠性設計可以采用的系統(tǒng)架構（9.4）抗串模干擾的基本措施（9.4）抗共模干擾的基本措施（9.4）比較噪聲和干擾的異同（9.4）串模干擾和共模干擾的異同（9.4）設計使用狀態(tài)圖設計計算機控制系統(tǒng)（9.3）編寫使用簡易狀態(tài)機編寫計算機控制系統(tǒng)軟件（9.5）本課件是可編輯的正常PPT課件9.2. 并發(fā)實時調度本課件是可編輯的正常PPT課件9.2.1.數(shù)據(jù)驅動的系統(tǒng) 計算機控制器在決策過程中并不與被控對象直接接觸，而是依賴多個數(shù)據(jù)運算器的協(xié)作進行數(shù)據(jù)的收集、整理和分析，從中挖掘被控對象運動狀態(tài)，進而預測、調整和優(yōu)化被控對象行為，完成既定控制目標。于是，計算機控制器可以視作一個“數(shù)據(jù)驅動”的系統(tǒng)。它將理論分析得到的先驗模型保存在數(shù)據(jù)存儲器中，并在邏輯控制器的驅動下，以先驗模型為依據(jù)，利用數(shù)據(jù)運算器收集、分析被控對象數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對被控對象的監(jiān)控、預報、決策、調度、評價、診斷和優(yōu)化。本課件是可編輯的正常PPT課件9.2.2.基本概念守時性計算機控制系統(tǒng)需要時刻監(jiān)測和控制物理過程。其動作不是自發(fā)產生的，而是對外部激勵的響應，或是隨運行時間變化而發(fā)生的預期動作。因此，相較于一般的數(shù)據(jù)驅動系統(tǒng)，計算機控制系統(tǒng)對依賴數(shù)據(jù)的時間相關性有更嚴格的要求。其響應必須在事先約定的時間內完成，否則，系統(tǒng)將不可避免地出現(xiàn)某種程度的失效。一般來說，守時性由外部需求決定，理論上可以通過事件響應動作序列的端到端性能來確定。當采用上述方法描述守時性時，最需要關注的是事件的動作時間、期限、到達模式和同步模式。本課件是可編輯的正常PPT課件9.2.2.基本概念（續(xù)）并發(fā)調度現(xiàn)實中，環(huán)境變化產生的外部事件通常是不可預測的，外部事件何時發(fā)生、如何發(fā)生都是不可預知的，不會以設計者的意志為轉移。于是，為了防止系統(tǒng)失效，計算機控制系統(tǒng)必須提供一種確定事件響應動作路徑的有效方法，以確保系統(tǒng)在事件發(fā)生時能夠及時響應，而不是在事件過后再做出反應。若定義響應事件的順序動作集合為術語“任務”，則守時性可以用任務的性能特征描述。而當多個任務準備就緒時，選擇任務響應路徑的過程則被稱為調度。本課件是可編輯的正常PPT課件9.2.2.基本概念（續(xù)）任務接口并發(fā)調度需要任務提供以下信息：發(fā)生事件到達的模式、任務的匯合模式以及共享資源的控制訪問方法。這些信息是多任務協(xié)作不可忽視的因素，對系統(tǒng)的功能需求和性能需求有重要影響。由于消息負責記錄任務和與之相關的對象之間的交互，所以，上述信息可以用任務間的消息來描述。為了將并發(fā)調度需要的信息映射到任務，需要定義每一個任務接口消息的具體實現(xiàn)。本課件是可編輯的正常PPT課件9.2.3.實時任務調度實時調度設計提供一種確定系統(tǒng)潛在性能問題的方法，能夠幫助設計人員盡早發(fā)現(xiàn)不能滿足期限要求的任務，使其有時間做出備選的軟件設計或對硬件配置進行調整，對硬實時系統(tǒng)的分析和設計都很重要。本課件是可編輯的正常PPT課件9.2.3.實時任務調度（續(xù)）周期任務調度

本課件是可編輯的正常PPT課件9.2.3.實時任務調度（續(xù)）非周期任務調度

本課件是可編輯的正常PPT課件9.2.3.實時任務調度（續(xù)）實時調度問題的對策這些問題的本質是不同任務對共享數(shù)據(jù)的讀寫沖突。因此，常見的解決方法是確保共享數(shù)據(jù)在某一時刻僅能被一個任務訪問。一般操作是通過臨界區(qū)或互斥信號量實現(xiàn)共享數(shù)據(jù)的安全訪問。本課件是可編輯的正常PPT課件9.2.3.實時任務調度（續(xù)）設計工具：狀態(tài)圖實時任務調度的本質是選擇任務響應路徑。而狀態(tài)圖能夠描述模型元素實例行為，非常適合表示任務狀態(tài)及其變化順序，是常見的任務調度設計工具。本課件是可編輯的正常PPT課件9.3. 系統(tǒng)設計：使用狀態(tài)圖本課件是可編輯的正常PPT課件9.3.1.功能描述系統(tǒng)設計過程中，技術人員首先要識別待解決問題本身及其特征，從而把系統(tǒng)中關鍵的與具體實現(xiàn)無關的任務功能及其關系抽象出來，以便于求解。為了準確描述計算機控制系統(tǒng)與外部環(huán)境的實時互動，詳細定義計算機控制系統(tǒng)的功能和性能指標，在設計任務調度軟件之前，設計人員需要將客戶以非形式化自然語言描述的功能轉化為以形式化規(guī)范模型嚴格定義的功能。在這一階段，設計人員的主要任務是分析系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能是什么，而不是考慮具體實現(xiàn)的步驟。本課件是可編輯的正常PPT課件9.3.1.功能描述（續(xù)）用例模型是達成這一目標的常見方法。它把系統(tǒng)表示為被參與者(現(xiàn)實世界中存在于系統(tǒng)外部的對象)包圍的黑箱，把參與者與系統(tǒng)之間的交互作用描述為系統(tǒng)的輸入和響應，并依據(jù)交互作用序列的抽象描述系統(tǒng)功能。用例的實例被稱為場景，通常由一個對象集合和一個有序的消息交換列表組成，是用例特定的實現(xiàn)方式。場景通常會包含若干分支。在這些分支上，參與者或系統(tǒng)可能有多個響應。因此，完整地細化一個用例往往需要多個場景，一般從十幾個到幾十個不等。可以用狀態(tài)圖表示場景，以展示給定用例對象間的不同交互方式，檢驗用戶期望問題的陳述是否完備，揭示用戶未明確表述的隱含功能。同時，也可以提供驗證測試集合，以保證所交付的系統(tǒng)符合規(guī)格說明要求。本課件是可編輯的正常PPT課件9.3.2.功能分解用例雖然明確了系統(tǒng)應具備的功能，但沒有規(guī)定它們的運行結構。因此，設計人員需要進一步討論系統(tǒng)的宏觀組織策略，包括功能分解策略、任務構建策略、構件分布策略及其協(xié)作等。這些策略會決定系統(tǒng)的狀態(tài)圖，為更低層的詳細設