西南科技大学网络教育系列课程 计算机工业控制   主讲：周红燕 邮箱：zhousonghy@sohu.com.

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1 西南科技大学网络教育系列课程 计算机工业控制 主讲：周红燕

2 内容简介 本课程的主要内容包括三部分：第一部分主要介绍微机自动控制基础知识、微机控制系统分类及发展简介、微机接口技术等，包含1、2、3章；第二部分是主要的控制技术，包含第四章的数字PID控制技术和第五章的开环控制；第三部分是微机控制系统的设计，包含硬件和软件设计，其中第八章对一般工业微机控制系统可能碰到的问题作了全面系统的介绍，而第九章则从微机工业应用系统的整体设计出发，从硬件和软件的角度全面介绍了如何设计微机控制系统。其学习目的在于使学生了解微机控制系统的基本知识，掌握常用的接口技术和控制算法，掌握微机控制系统的软硬件设计方法。

3 第一章    自动控制基本理论知识 本章主要介绍微机自动控制系统中自动控制系统、自动控制理论的基本概念及连续控制系统的数学模型。

4 1.1微机自动控制系统的基本概念 （二）系统 一、自动控制系统 （一）自动控制 控制系统的控制分人工控制和自动控制。
自动控制是指在没有人直接参与下，利用控制器（如机械装置、电子装置或电子计算机）使生产过程或被控对象的某一物理量（温度、压力、液面、流量、速度、位移、成分等）准确地按照规定的规律运行，使其具有所希望的状态和性能。 能够实现这种自动控制的装置称为控制器。 （二）系统 定义：若干元素为了某一目的有机的相互结成的一个总体。 基本属性：整体性、各元素之间的关联性、人所以把它当作系统的目的性。

5 （三）自动控制系统 定义：由控制器、被控对象等部件为了一定的目的有机地联结的一个进行自动控制的总体。 属性：除了具有系统的三种基本属性外，还具有一定的个性，即它是一个动态系统，并在其中存在着自动控制作用。 二、自动控制理论 （一）定义：以自动控制系统为研究对象，用动力学的方法在运动和发展中考察系统，揭示出所有类型或某些类型系统所共有的普遍规律，并在此基础上指出将理论用于工程的途径。 （二）任务：采用数学方法对自动控制系统进行分析和综合。 分析：在给出数学模型的基础上确定系统的性能。 综合：在对系统性能提出要求的基础上，确定一个满足要求的系统模型。

6 三、 自动控制系统的分类 （三）分类 1. 经典控制理论：以传递函数为基础，研究单输入—单输出控制系统的分析和设计。
1.  经典控制理论：以传递函数为基础，研究单输入—单输出控制系统的分析和设计。 2. 现代控制理论：以状态空间法为基础，研究多输入—多输出、变系数、非线性等控制系统的分析和综合。 三、 自动控制系统的分类 （一）按信号的传递路径分类（按控制系统有无反馈来分） 1.开环控制系统 （1）定义：系统的被控制量对系统的控制量没有影响，即被控制量只能受控于控制量，而对控制量无反作用，也称为前馈控制系统。如图1.1所示。

7 图1.1 炉温控制系统 （2）方框图： 控制器 被控对象 控制量 被控制量

8 2.闭环控制系统（反馈控制系统） （3） 特点 ①：作用信号由输出单方向传递，不对输出量进行检测，或虽进行检测但不对系统工作起控制作用；
（3）  特点 ①：作用信号由输出单方向传递，不对输出量进行检测，或虽进行检测但不对系统工作起控制作用； ②：外部条件和系统内部参数保持不变时，对于一个确定的输入量，总存在一个与之对应的输出量； ③：控制精度取决于控制器及被控对象的参数稳定性，易受干扰影响，缺乏精确性和适应性。 2.闭环控制系统（反馈控制系统） （1）反馈：输出量通过适当的测量装置将检测信号的全部或一部分返回输入端，使之与输入量进行比较。 （2）反馈控制系统 在负反馈（输入量与反馈量相减）的基础上，用“检测偏差以纠正偏差”的这一控制原理组成的系统，因为此类系统信息的传递途径有一个自动的闭合环路，所以也称闭环控制系统。

9 图1.2 闭环炉温控制系统

10 图1.3 炉温控制系统原理框图

11 3.开环系统与闭环系统的区别 （3）特点 ①：由负反馈构成闭环，利用偏差信号进行控制；
②：对于外界扰动和系统内部参数的变化等引起的误差能自动纠正； ③：系统元件参数配合不当，容易产生振荡，使系统不能正常工作，存在稳定性问题。 3.开环系统与闭环系统的区别 开环系统：没有反馈通道，结构简单，易实现； 闭环系统：有反馈通道，抗干扰能力强，对外扰动和内扰动引起的偏差能自动纠正，精度高，存在稳定性问题，设计与制造困难。

12 （二）按控制作用的特点（即给定量的运动规律）分类
1.  恒值控制系统（自动整定系统） 任务： 保证系统在任何扰动作用下，输出量以一定精度接近给定量，而给定量一般不变或缓慢变化，如温度、压力、流量、湿度、液位等参量的恒值控制。 分析设计的重点：研究各种扰动对被控对象的影响，从克服扰动影响的角度进行分析设计、计算。 2.  随动系统（自动跟踪系统） 任务： 在各种情况下，输出量以一定精度跟随给定量的变化（给定量的变化是随机的），如雷达自动跟踪系统、火炮瞄准控制。 分析设计的重点：系统跟踪的快速性和准确性。 3.  程序控制系统 任务：被控量按照事先给定的规律或程序进行变化。 分析设计的重点：系统工作可靠，满足控制精度要求。

13 （三）其它分类方法 1. 按系统内部的信号类型分：连续系统和离散系统； 2. 按系统的元部件特性分：线性系统和非线性系统；
1.  按系统内部的信号类型分：连续系统和离散系统； 2.  按系统的元部件特性分：线性系统和非线性系统； 3.  按执行机构类型分：直流系统和交流系统； 机电、液压和气动系统； 4.  按执行机构的输出功率分：大功率系统和小功率系统。 三、    反馈控制系统的基本组成 反馈控制系统的组成如图1.4所示：

14 输入变换元件 放大变换元件 执行元件 控制对象 + - 扰动 主反馈信号 图1.4 反馈控制系统组成 串联校正 控制指令 参数输入 比较元件
误差信号 + - 扰动 并联校正 反馈元件 主反馈信号 输出信号 图1.4 反馈控制系统组成

15 （一）各组成元件的作用 1. 输入变换元件：（也称控制元件）用于产生参考输入信号（控制信号），是进行物理量大小和性质变换的元件； 2
（一）各组成元件的作用 1.输入变换元件：（也称控制元件）用于产生参考输入信号（控制信号），是进行物理量大小和性质变换的元件； 2.反馈元件：是测量元件，用于测量被控制量的实际值，同时起着物理量大小和性质变换的作用，也叫检测变换元件； 3.比较元件：是用来比较参考输入信号和主反馈信号，并产生反映两者偏差的信号； 4.放大变换元件：把误差信号放大并进行能量形式转换，使之达到足够幅值和功率的元件； 5.执行元件：根据控制信号直接对控制对象进行操纵的元件，如调节阀； 6.被控对象：是控制系统所要操纵的对象，其输出量即为系统的被控制量。 7.校正元件：是为改善系统的控制性能而加入系统的元件，可分为串联校正元件和并联校正元件。 （1）串联校正元件：是串联在系统前向通道内的校正装置； （2）并联校正元件：是与系统部分元件接成局部反馈形式的校正装置。

16 （二）各种信号 1. 输入信号：（输入量、控制量、给定量）广义上指输入到系统中的各种信号，包括扰动信号，一般指控制输出量变化规律的信号； 2
（二）各种信号 1. 输入信号：（输入量、控制量、给定量）广义上指输入到系统中的各种信号，包括扰动信号，一般指控制输出量变化规律的信号； 2. 输出信号：（输出量、被控制量、被调节量）是其变化规律要加以控制的信号，应与输入给定信号保持一定的函数关系。 3. 反馈信号：输出端反馈到输入端的信号，可分为正、负反馈两种。 正反馈：有利于加强输入信号，会加剧偏差，导致系统的不稳定； 负反馈：抵消输入信号的部分作用； 局部反馈：对系统进行校正，以满足控制某些性能要求。 4. 偏差信号：输入信号与主反馈信号之差。

17  四、 对控制系统的基本要求 控制对象不同、手段不同、目的和任务不同，对系统的品质指标和要求也不相同，主要归结为稳定性、动态特性（快速性）和稳态特性（准确性）。 稳定性：一个处于静止或平衡状态的系统，当受到任何输入的激励，就有可能偏离以来的平衡状态，当激励消失后，经过一段暂态过程后，系统的状态和输出都能恢复到原先的平衡状态，则系统是稳定的。 动态特性：指反映在系统状态随时间变化的过程中，系统响应过程的振荡大小及平稳、均匀的程度等。一个动态特性好的系统既要过渡时间短，又要过渡平稳，振荡幅度小。 稳态特性：指过渡过程结束后，主反馈量与参考输入量的误差值，反映了系统控制的精确程度。 联系：三者相互制约，提高快速性，则会使系统振荡性加强；改善系统的相对稳定性，则又有可能使控制过程延长，反映迟钝；提高稳态特性则回引起动态性能的变化。

18 五、 控制系统常用的典型测试信号 （一）使用典型测试信号的原因 1
五、 控制系统常用的典型测试信号 （一）使用典型测试信号的原因 1. 实际系统的输入信号常具有随机性质，而且其瞬时函数关系往往不能以解析法表示； 2. 分析和设计控制系统需要有一个对各种系统性能进行比较的基础； 3. 系统对典型信号的响应特性与对实际输入信号的响应之间存在一定的关系，实际输入信号往往是一种或多种典型测试信号的组合； 4. 典型测试信号是简单的时间函数，便于对控制系统进行数学处理和实验分析。 （二）选取原则 1. 选取测试信号的典型形式应大致反应系统的实际工作情况； 2. 要从系统工作最不利的情况出发来选取测试信号； 3. 选取的测试信号应尽可能简单。

19 1.阶跃输入函数（Step input function）
（三）典型测试信号 1.阶跃输入函数（Step input function） 该函数表示参考输入量的一种瞬变。其数学表达式为： R为恒值； u(t)为单位阶跃函数，即 R=1； 则表示一个经延滞时间的 单位阶跃函数， 其数学表达式为：

20 r(t) R t 阶跃输入函数 r(t) 1 t t 带延滞的单位阶跃函数

21 2.斜坡（速度）函数（Ramp input function）
其数学表达式为： R为恒值， 为单位速度函数。 r(t) Rt tgφ=R t 斜坡函数

22 ３.抛物线（加速度）函数（Ｐarabolic input function）
r(t)

23 ４.脉冲函数 其数学表达式为： 式中h为脉冲高度，一般工程要求h<0.1T，Ｔ为系统时间常数；Ａ为恒值。
当Ａ＝１， ,时，称理想单位脉冲，其表达式为：

24 单位脉冲函数可以看作单位阶跃函数对时间t的导数，u(t)只有在t=0时有突跳，故u(t)在t=0时的导数为 ，而在其它处为０。
５.正弦函数 数学表达式为： 式中Ａ为振幅； 为相位移； 为振荡角频率。 r(t) A/h h t

25 1.2 连续控制系统的数学模型 一、控制系统的数学模型 （一） 定义 （二）分类 控制系统的数学模型是对实际物理系统的一种数学抽象。
1.2 连续控制系统的数学模型 一、控制系统的数学模型 （一） 定义 控制系统的数学模型是对实际物理系统的一种数学抽象。 狭义：是一种描述系统各变量之间关系的数学表达式； 广义：一切揭示控制系统各变量内在联系及关系的解析式或图形表示。 （二）分类 1.静态模型：在静态条件下（即变量的各阶导数为0），描述各变量间关系的数学方程； 2. 动态模型：在动态条件下，用微分方程描述的各变量在动态过程中的关系。

26 （三）表示形式 （四）建立数学模型的原则 1. 图形表示：信号流图、方块图及频率特性图等； 2. 数学表示：
1.  图形表示：信号流图、方块图及频率特性图等； 2.  数学表示： (1) 微分方程（差分）：最基本的形式，但求解困难； (2) 传递函数或频率特性：适用于单输入-单输出系统； (3) 状态变量表达式：用于多变量系统及最优控制问题较方便。 3.  数字计算机上的程序综合 （四）建立数学模型的原则 1.  分清主次，合理简化，建立适当的数学模型； 2.  由选定的系统分析方法建立相应的数学模型； 经典控制理论：传递函数、频率特性、微分方程； 现代控制理论：状态变量表达式。

27 （五）建立的方法 二、控制系统微分方程式的建立步骤
1. 分析法：从元件或系统所依据的物理或化学规律除非，通过分析和推导，建立数学模型，并经过实验验证； 2. 实验法：对实际加入一定形式的输入信号，求取系统的输出响应，经过分析建立数学模型。 二、控制系统微分方程式的建立步骤 1.分析系统工作原理和系统中各变量之间的关系，将系统划分为若干个环节，确定系统和每一环节的输入量和输出量； 2.通过反映环节内在运动规律的基本物理或化学规律，依次写出 各环节的原始运动方程式，在保证分析精度的条件下进行适当简化； 3. 消去中间变量，得到只含有输入量和输出量的方程式。

28 三、传递函数 （一）定义 在线性定常系统中初始条件为零时，系统或部件的拉氏变换与输入的拉氏变换之比成为系统或部件的传递函数。 （二） 求取方法 1. 根据微分方程 （1）列出元件或系统的微分方程； （2）在零初始条件下对方程进行拉氏变换； （3）取输出与输入的复变量之比。 2. 根据系统的冲激响应求系统的传递函数 （1）测量系统的冲激响应（即输入为脉冲信号时系统的输出）； （2）根据系统传递函数与冲激响应的关系（传递函数为系统冲激响应的拉氏变换）求取系统的传递函数。 3. 利用频率测定法，以实验进行测定。

29 （三） 性质 1. 传递函数是无论系统在复域的动态数学模型，其系数及阶次均为实数，只与系统或元件本身内部结构参数有关，与输入量、初始条件等外部条件无关； 2.  实际系统的传递函数是复变数s的有理分式，即其分母的阶次大于等于分子的阶次； 3.  传递函数不能反映系统或元件的物理组成； 4.  传递函数的拉氏反变换就是系统的单位脉冲响应； 5.  传递函数仅适用于线性定常系统或元件。 （四）、典型环节及其传递函数 1.比例环节 G(s)= K K为增益； 特点：输入输出量成比例，无失真和时间延迟。

30 2. 惯性环节 T为时间常数； 特点：含有一个储能元件，对突变的输入，输出不能立即复现，输出无振荡。 3
2.惯性环节 T为时间常数； 特点：含有一个储能元件，对突变的输入，输出不能立即复现，输出无振荡。 3.微分环节 G(s)=Ks 特点：输出量正比于输入量的变化速度，能预示输入信号的变化趋势。 4.积分环节 特点：输出量与输入量的积分成比例，当输入消失，输出具有记忆功能。 5.振荡环节 式中 为阻尼比（ ）； 为自然振荡角频率（无阻尼振荡角 频率）； ；

31 四、方块图 （一）方块图元素 特点：环节中有两个独立的储能元件，并可进行能量交换，其输出出现振荡。 6.纯时间延迟环节 为延迟时间；
6.纯时间延迟环节 为延迟时间； 特点：输出量能准确复现输入量，但需延迟一固定的时间间隔。 四、方块图 控制系统的方块图是系统各元件特性、系统结构和信号流向的图解表示，在每一个方块中写入该环节的传递函数，以箭头和字母标明其输入量和输出量，按照信号的传输方向把各方块连接起来，就构成了方块图，也称结构图。 （一）方块图元素 1.  方块：是指表示输入到输出单向传输间的函数关系； 2.  比较点（合成点）：指两个或两个以上的输入信号进行加减比较 的元件； 3.分支点：指信号测量或引出的位置。

32 元部件传递函数 方块 比较点 分支点 X(s) Y(s) Y(s X1 X1+ X2 X1 X1- X2 + + + - X2 X2
P(s) G1(s) G2(s) P(s) 分支点

33 （二）几个基本概念和术语 图1.5 反馈控制系统方块图 N(s) + X(s) E(s) Y(s) + + G1(s) G2(s) -
B(s) H(s) 图1.5 反馈控制系统方块图

34 1. 前向通路传递函数：打开反馈后输出与输入之比； 2. 反馈通路传递函数：主反馈信号与输出信号之比； 3
1. 前向通路传递函数：打开反馈后输出与输入之比； 2. 反馈通路传递函数：主反馈信号与输出信号之比； 3. 开环传递函数：打开反馈环，主反馈信号与误差信号之比；

35 4. 闭环传递函数：输出信号与输入信号之比； 整理得： 5. 误差传递函数：误差信号与输入信号之比； 6. 输出对扰动的传递函数：

36 （三）方块图的简化法则： 保持信号传递过程中的数学关系不变。 7.误差对扰动的传递函数： 步骤：1.前向通路中传递函数的乘积保持不变；
2.回路中传递函数的乘积保持不变。

37 例题：求图示系统的传递函数 G1 G2 G3 G7 G4 G6 G5 + - Xr Xc

38 等效图如下： 2（G‘’） 1（G‘） Xr E(s) Xc + + + G3 G7 G2 G1 - - - G5G6 G4G5 1

39 根据图示等效图可得方框1内的系统的传递函数为： 方框2内的系统的传递函数为： 系统的传递函数为：

40 代入得：