計算機限制

ComputerControl課程支配講課32學時試驗8學時上機6學時成果記載方法閉卷考試70%作業和出勤10%試驗20%參考書盛珣華，李潤梅編著.計算機限制系統.清華高校出版社.2007緒方勝彥著，劉君華譯.離散時間限制系統.西安交通高校出版社，1990.袁本恕編著.計算機限制系統.中國科學技術高校出版社，1988.KatsuhikoOgata.現代限制工程.電子工業出版社，2000.施保華,楊三青,周鳳星.計算機限制技術.華中科技高校出版社.2007.教材《數字控制》徐麗娜編著，科學出版社《計算機控制實驗指導書》王艷主編，教材科印刷第1章緒言——數字限制（又稱計算機限制）課程為自動限制及相關專業學生講授線性定常數字限制系統分析與綜合的一些基本方法，其理論基礎為線性離散時間系統理論。限制理論發展歷史20世紀40~60年頭，“古典限制理論”時代。主要針對線性定常系統，解決單輸入單輸出問題。接受傳遞函數、頻率特性、根軌跡為基礎的頻域分析方法。對非線性系統，分析接受的相平面法一般不超過兩個變量。20世紀60~70年頭，“現代限制理論”。隨著計算機的飛速發展，推動了狀態空間法的應用，其可以解決多輸入多輸出問題。系統可以是線性的、定常的，也可以是非線性的、時變的。20世紀70年頭至今，向“大系統理論”和“智能限制”方向發展。“大系統理論”是用限制和信息的觀點，探討各種大系統的協調、限制方法；“智能限制”是探討與模擬人類智能活動及其限制與信息傳遞過程的規律，研制仿人智能限制。動力學系統連續系統離散系統線性系統非線性系統確定性系統隨機系統正常系統奇異系統單變量系統多變量系統定常系統時變系統確知系統不確知系統動力學系統分類圖計算機限制的發展歷史（一）數據采集與監視限制系統DA&SCS（DataAcquisionandSupervisoryControlSystem）

計算機限制系統在20世紀50年頭起先出現，由于當時計算機硬件條件的限制，限制系統是基于模擬限制器實現的，計算機只是作為限制系統的監控設備，負責對限制系統的參數進行采集、加工和分析處理，此時的計算機限制系統稱為數據采集系統或監視限制系統。由于這種系統中計算機并不干脆參與系統限制，因此系統結構簡潔，平安牢靠。（二）干脆數字限制系統DDC

（DirectDigitalControl）隨著計算機硬件技術的日益提高，出現了干脆數字限制系統，傳統的模擬限制器被計算機構成的數字限制器所取代。在DDC限制系統里，傳感器和執行機構與計算機是點對點的連接方式，傳感器和執行機構通過模擬輸入/輸出通道與計算機構成的數字限制器之間進行模擬/數字信號轉換，計算機干脆參與系統的限制及信息處理。DDC是計算機限制技術中最常用的方法之一，其優點是敏捷性大、牢靠性高，可以實現較困難的限制規律，如最優限制、魯棒限制、模糊限制等。生產過程模擬輸入通道模擬輸出通道數控計算機鍵盤、顯示器打印機等外部設備直接數字（DDC）控制系統示意圖具有兩級計算機限制系統的計算機監督系統SCC，其底層計算機限制系統為執行實時限制任務的DDC系統，高層計算機限制系統為具有強大數據處理實力的計算機監督系統。（三）計算機監督系統SCC

（SupervisoryComputerControl）計算機監督系統直接數字控制系統（四）分布式限制系統DCS

(DistributedControlSystems)隨著限制系統規模的日益擴大，在20世紀70年頭又出現了分布式限制系統DCS，又稱集散限制系統。其特點是接受層次化的多級計算機系統進行分散限制、管理集中。分布式限制系統是在計算機監督限制系統、干脆數字限制系統和計算機多級限制系統的基礎上發展起來的，是應用于大規模困難系統或生產過程的一種比較完善的限制與管理系統。分布式限制系統結構示意圖局域網LAN操作員工作站1#過程控制站N#過程控制站傳感器執行器傳感器執行器被控對象/生產工程工程師工作站監控工作站網間連接器第一代DCS或PLC等（五）網絡限制系統

(NetworkedControlSystems，NCS)“NetworkedControlSystems，NCSs”最早于1998年出現在馬里蘭高校G.C.Walsh的論著中。隨著計算機技術、網絡通信技術和限制科學的日益發展與交叉滲透，限制系統已由封閉的集中體系漸漸向開放分布式體系發展。很多困難的限制系統如無線網絡機器人、遠程遙控操作、基于Internet的遠程教學和試驗、遠程醫療、航空航天系統以及現場總線和工業以太網技術等，其本質上都可歸結為基于網絡的限制系統，或者稱為網絡限制系統。網絡限制系統強調在通信網絡上建立閉環限制回路，因此NCS中的網絡是一個廣義的范疇，包括了現場總線，工業以太網、無線通信網絡、甚至Internet等。

1.1數字限制系統概述數字限制系統是以數字計算機作為數字限制器，實現對連續對象（或過程）的閉環限制，因此也稱為計算機限制系統。

本書闡述如下幾部分內容：數字限制系統建模與分析；數字限制系統的設計（或稱綜合）；數字限制系統的實現；高速采樣數字限制系統的建模與分析、設計與實現。傳統的模擬閉環限制系統如下圖所示，其限制器由模擬器件構成。數字限制系統是以數字計算機作為數字限制器，單回路計算機限制系統如下圖所示。

1.1.1系統組成與功能數字限制系統由硬件與軟件兩大部分組成。假如將執行機構和測量元件的對象特性并入被控對象或過程，則單輸入單輸出單位反饋數字限制系統的硬件框圖如圖1-1-1所示。A-AnalogueD-Digital采樣開關A/D數字控制器D/A保持器對象或過程r(t)e(t)u(t)y(t)實時時鐘模擬輸入通道模擬輸出通道離散狀態連續狀態產生脈沖序列作采樣信號連續信號離散信號離散信號連續信號圖1-1-1單位反饋數字控制系統硬件框圖e*(t)[e(kT)][u(kT)]u*(t)1硬件部分數字限制系統硬件部分由五部分組成：（1）連續被控對象（或過程）：工作于連續狀態，輸入輸出是連續量。（2）數字限制器：工作于離散狀態，輸入輸出是數字量，由數字計算機實現。（3）模擬輸入通道：由采樣開關、A/D轉換器兩個環節組成，完成由連續量到數字量的轉換。（4）模擬輸出通道：由D/A轉換器、保持器兩個環節組成，完成由數字量到連續量的轉換。（5）實時時鐘：產生脈沖序列，定時限制采樣開關的閉合，限制A/D、D/A轉換器的輸出。須要說明的是：數字限制系統的閉環限制與連續系統的閉環限制相同點是數字限制系統也接受反饋限制，可以使系統的響應對外部干擾和系統內部參數變更不敏感，這一點與連續系統閉環反饋限制相同；不同的是：系統只依據采樣時刻，即離散時間點上的過程變量值進行工作，也就是說數控系統只是在采樣時刻處為閉環限制；在采樣時刻之間，數控系統處于開環限制。由于數控計算機的離散時間性質，故采樣是數字限制系統的基本特征。數字（計算機）限制系統又稱為采樣數據系統。2軟件部分

（在計算機上實現限制規律）主程序：系統初始化設置；限制子程序：實現數據采集、限制算法、限制量的輸出和存儲。數控系統的功能為：在數字計算機限制下，每隔一個采樣周期T，對連續偏差信號e(t)進行采樣，經由模擬輸入通道轉換成數字量送入計算機中，計算機（數字限制器）依據限制規律進行運算，求得限制量輸出，由模擬輸出通道轉換成連續量去限制被控對象（或過程），使系統的動態、穩態特性達到預期的指標。控制子程序控制量的輸出和存儲YN開始主程序：初始化設置數據采集控制算法采樣?圖1-1-2數字限制系統軟件流程1.1.2數控系統的優點程序限制：易于修改，變更限制規律不需修改硬件，通過修改限制子程序就可以滿足不同的限制要求。因此相對于連續限制系統更具有敏捷性。精度高：模擬限制器的精度由硬件確定，同一批次的元器件可能具有不同的性能，例如電阻、電容的標稱值和實際測量值會有不同，達到高精度很不簡潔，元器件的價格隨精度不同變更很大；而數字限制器的精度與計算機的限制算法和字長有關，在系統設計時就已經確定了。穩定性好：數控計算機只有“0”、“1”狀態，抗干擾實力強，不象電阻、電容等受外界環境影響較大。軟件復用：硬件不能復用，子程序卻可以，所以具有可重復性。而且計算機系統和軟件都可以更新換代。分時限制：可同時限制多系統、多通道。而模擬限制器只能完成單通道限制。圖1-1-4多路模擬輸入/輸出通道示意圖模擬輸出模擬輸入多路開關反多路開關A/DD/A數字計算機控制數控系統的缺點、局限性實時性：數控系統由計算機運行速度、A/D與D/A采樣速度、限制算法等多種因素確定其采樣頻率上限。信號的處理：離散系統的采樣頻率下限受到采樣定理的限制，在輸入信號頻率不滿足采樣定理時得到的采樣信號會產生頻率混迭現象。數控系統一般須要進行連續信號與數字信號之間的轉換，因此系統性能受到A/D與D/A性能的影響，包括實時性、精度等。最終須要指出的是，連續限制系統與數控系統各有優缺點，應用時接受何種限制方式需考慮價格比、運用環境、牢靠性、體積等多種實際狀況。可作為數控系統實時限制器的微計算機種類越來越多，如：臺式機、PLC、單片機、嵌入式計算機、ARM、PLD、DSP等。設計和實現實時系統，須要從以下幾個指標來選擇微型機：速度、字長、指令系統、輸入/輸出限制方式及容量等等；在實際應用中，還要考慮高牢靠性、可維護性、微型化要求等等。多種微計算機舉例（一）通用計算機（臺式機）

軟、硬件通用，多種軟、硬件支持，配套設備完善。但作為數字限制器整體的實時處理速度不是很快，確定于全部部件的速度。（二）單片機單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統。盡管它的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所須要的大部分部件：CPU、內存、內部和外部總線系統，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設備。而現在最強大的單片機系統甚至可以將聲音、圖像、網絡、困難的輸入輸出系統集成在一塊芯片上。當前運用的單片機種類繁多，有Zilog公司的Z8系列單片機，Intel公司的51系列單片機，Atmel公司的AVR單片機，Motorola公司的M68系列單片機、Cygnal公司的C8051F系列單片機等。單片機比專用處理器更適合應用于嵌入式系統，因此它得到了最多的應用。事實上單片機是世界上數量最多的微機。單片機誕生于20世紀70年頭末，經驗了SCM、MCU、SoC三大階段。SCM即單片微型計算機（SingleChipMicrocomputer）階段，主要是為尋求單片形態嵌入式系統的最佳體系結構；MCU即微限制器（MicroControllerUnit）階段，為了滿足嵌入式應用，擴展了對象系統要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化限制實力；專用單片機的發展自然形成了片上系統SoC（SystemonChip）化趨勢，就是尋求將應用系統研制在一塊芯片上。隨著微電子技術、IC設計、EDA工具的發展，基于SoC的單片機應用系統設計將會有更大的發展。（三）PLC可編程序限制器適用于工業自動化限制，平安牢靠，比較完善，但價格較貴，體積較大。（四）DSP芯片

——特地的可編程數字信號處理芯片DSP芯片是特地的可編程數字信號處理芯片，接受哈佛總線結構，程序和數據具有獨立的存儲空間，有著各自獨立的程序總線和數據總線，結構困難，但數據處理實力大大提高，有可以實現特處用途（如FFT、FIR濾波、卷積）的特地DSP芯片。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數以千萬條困難指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數據處理實力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色，所以DSP多用于需高速實時數據處理的場合（如圖形處理，大規模數據實時運算）。（五）嵌入式計算機嵌入式計算機一般指非PC機系統，它是以應用為中心，軟硬件可裁減，適應應用系統對功能、牢靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴格要求的專用計算機系統。具有軟件代碼小、高度自動化、響應速度快等特點，特殊適合于要求實時和多任務的體系。嵌入式計算機系統主要由嵌入式處理器、相關支撐硬件、嵌入式操作系統及應用軟件系統等組成，它是可獨立工作的微型計算機。如PC/104計算機，高度模塊化設計，通過棧接的方式可以為嵌入式應用供應高集成度的CPU模塊、電源模塊、數據采集、數據通訊等模塊。因為可以自主選擇須要的模塊棧接入系統，因此系統搭建具有很大的敏捷性；雖然整體體積比PC機小得多，但軟件結構可以與IBMPC/AT體系完全兼容。嵌入式計算機PC/104液晶顯示器PC/104標準供應與PC總線在體系結構、硬件和軟件上的完全兼容。接受CMOS器件，功耗低；棧接結構，特別緊湊堅實。已有的PC/104模塊為構造嵌入式系統供應了種類繁多的各種構件，它的高集成性和可模塊化的結構適用于多種應用。（六）可編程邏輯器件PLD

（Programmablelogicdevice）PLD是做為一種通用集成電路生產的，它的邏輯功能依據用戶對器件編程來確定。一般的PLD的集成度很高，足以滿足設計一般的數字系統的須要。這樣就可以由設計人員自行編程而把一個數字系統“集成”在一片PLD上，而不必去請芯片制造廠商設計和制作專用的集成電路芯片。目前常用的PLD產品主要有：1、現場可編程邏輯陣列FPLA（Fieldprogrammablelogicarray）2、可編程陣列邏輯PAL（Programmablearraylogic）；3、通用陣列邏輯GAL（Genericarraylogic）；4、困難可編程邏輯器件CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）；5、現場可編程門陣列FPGA（fieldprogrammablegatearray）。其中CPLD和FPGA的集成度比較高，有時又把這兩種器件稱為高密度PLD。FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。FPGA的基本特點主要有：1）接受FPGA設計ASIC電路，用戶不須要投片生產，就能得到合用的芯片。2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路中的試樣片。3）FPGA內部有豐富的觸發器和I／O引腳。4）FPGA是ASIC電路中設計周期最短、開發費用最低、風險最小的器件之一。5）FPGA接受高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。可以說，FPGA芯片是小批量系統提高系統集成度、牢靠性的最佳選擇之一。1.2數字限制對計算機（系統）的要求1.2.1實時限制在一個采樣周期T內必需完成如下操作：1.數據采集：采樣，A/D轉換，數據輸入的時間△t1；2.程序運行求出限制量的時間△t2；3.限制量的輸出和存儲時間△t3。則為了實現實時限制，必需有1.2.2對計算機（系統）的要求硬件支持1.CPU、內存、中斷、指令系統等；2.實