1、第9章 数控系统的硬件结构,1、计算机控制的发展历史 2、微计算机选择 3、输入/输出通道,1、计算机控制的发展历史,（一）数据采集与监视控制系统DA&SCS （Data Acquision and Supervisory Control System）计算机控制系统在20世纪50年代开始出现，由于当时计算机硬件条件的限制，控制系统是基于模拟控制器实现的，计算机只是作为控制系统的监控设备，负责对控制系统的参数进行采集、加工和分析处理，此时的计算机控制系统称为数据采集系统或监视控制系统。由于这种系统中计算机并不直接参与系统控制，因此系统结构简单，安全可靠。,（二）直接数字控制系统DDC （Dir
2、ect Digital Control）,随着计算机硬件技术的日益提高，出现了直接数字控制系统，传统的模拟控制器被计算机构成的数字控制器所取代。在DDC控制系统里，传感器和执行机构与计算机是点对点的连接方式，传感器和执行机构通过模拟输入/输出通道与计算机构成的数字控制器之间进行模拟/数字信号转换，计算机直接参与系统的控制及信息处理。DDC是计算机控制技术中最常用的方法之一，其优点是灵活性大、可靠性高，可以实现较复杂的控制规律，如最优控制、鲁棒控制、模糊控制等。,具有两级计算机控制系统的计算机监督系统SCC，其底层计算机控制系统为执行实时控制任务的DDC系统，高层计算机控制系统为具有强大数据处理
3、能力的计算机监督系统。,（三）计算机监督系统SCC （Supervisory Computer Control）,（四）分布式控制系统DCS (Distributed Control Systems),随着控制系统规模的日益扩大，在20世纪70年代又出现了分布式控制系统DCS ，又称集散控制系统。其特点是采用层次化的多级计算机系统进行分散控制、管理集中。分布式控制系统是在计算机监督控制系统、直接数字控制系统和计算机多级控制系统的基础上发展起来的，是应用于大规模复杂系统或生产过程的一种比较完善的控制与管理系统。,分布式控制系统结构示意图,工程师站，用于计算机工程师生成、维护和诊断DCS组态软件，
4、可以组建和变更操作员站和现场控制站的功能。此外，工程师站可以进行系统测试、系统维护、系统管理等功能。操作员站，用于系统操作员对系统或生产过程进行监视、操作和管理，因此要求很高的屏幕显示和丰富的人机对话功能。画面显示和运行操作是操作员站的基本功能，操作员通过各种画面显示、切换以及功能键、触摸屏等的操作，实现对被控对象正常运行的监视与操作管理。监控站，可监控和协调各现场控制站的运行，并能实现现场控制站无法完成的复杂控制算法，以提高控制性能。有时，操作员站和监控作站可以合二为一。,DCS系统的特点,分布式控制、集中管理 硬件和软件模块化 通信网络的应用 可靠性高 运行速度快 系统可维护性好,（五）网
5、络控制系统 (Networked Control Systems，NCS),“Networked Control Systems，NCSs” 最早于1998年出现在马里兰大学G. C. Walsh的论著中 。随着计算机技术、网络通信技术和控制科学的日益发展与交叉渗透，控制系统已由封闭的集中体系逐渐向开放分布式体系发展。很多复杂的控制系统如无线网络机器人、远程遥控操作、基于Internet的远程教学和实验、远程医疗、航空航天系统以及现场总线和工业以太网技术等，其本质上都可归结为基于网络的控制系统，或者称为网络控制系统。网络控制系统强调在通信网络上建立闭环控制回路，因此NCS中的网络是一个广义的范
6、畴，包括了现场总线，工业以太网、无线通信网络、甚至Internet等。,网络控制系统的闭环反馈控制框图,NCS兼具计算机网络技术和自动控制技术的很多特点：,控制系统的分布化和网络化 信息传输的数字化 控制结构的多级化 现场控制级的分布化控制与信息的集中管理 硬件和软件模块化设计 控制系统的智能化 通信协议的渐近标准化，更具开放性 网络产品具有互操作性,NCS分析设计的难点,NCS作为计算机、控制和网络通讯等多种技术和理论交叉的学科，所涉及内容相当广泛。对于NCS的研究方法，从研究领域来说，主要有两类方法： 1. 在计算机领域从网络的角度来研究NCS，包括研究采用更高性能的网络硬件设备，改善网络
7、通讯协议，以及采用更好的节点访问规则以消除碰撞事件和降低传输延时，使网络通信对控制系统的影响达到最小，或完全可以忽略不计。 2. 在自动化领域主要从控制理论的角度来研究NCS，主要是利用控制理论的研究方法来消除或弥补网络通讯的消极影响（包括网络延时、数据包丢失等），如基于混合系统、切换系统、时滞系统、鲁棒控制、最优控制和随机控制理论等等来设计NCS。,可作为数控系统实时控制器的微计算机种类越来越多，如：台式机、PLC、单片机、嵌入式计算机、ARM、PLD、DSP等 。设计和实现实时系统，需要从以下几个指标来选择微型机：速度、字长、指令系统、输入/输出控制方式及容量等等；在实际应用中，还要考虑高
8、可靠性、可维护性、微型化要求等等。,2、微计算机选择,（一）通用计算机（台式机） 软、硬件通用，多种软、硬件支持，配套设备完善。但作为数字控制器整体的实时处理速度不是很快，决定于所有部件的速度。,（二）单片机,单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。当前使用的单片机种类繁多，有Zilog公司的Z8系列单片机，In
9、tel公司的51系列单片机，Atmel公司的AVR单片机，Motorola公司的M68系列单片机、Cygnal公司的C8051F系列单片机等。单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的微机。,单片机诞生于20世纪70年代末， 经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。 SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是为寻求单片形态嵌入式系统的最佳体系结构； MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，为了满足嵌入式应用，扩展了对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化
10、控制能力； 专用单片机的发展自然形成了片上系统SoC（ System on Chip）化趋势，就是寻求将应用系统研制在一块芯片上。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计将会有更大的发展。,（三）PLC可编程序控制器,适用于工业自动化控制，安全可靠，比较完善，但价格较贵，体积较大。,（四）DSP芯片 专门的可编程数字信号处理芯片,DSP芯片是专门的可编程数字信号处理芯片，采用哈佛总线结构，程序和数据具有独立的存储空间，有着各自独立的程序总线和数据总线，结构复杂，但数据处理能力大大提高，有可以实现特处用途（如FFT、FIR滤波、卷积）的专门DSP芯片。它不仅具有
11、可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色，所以DSP多用于需高速实时数据处理的场合（如图形处理，大规模数据实时运算）。,（五）嵌入式计算机,嵌入式计算机一般指非PC机系统，它是以应用为中心，软硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入式计算机系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的
12、微型计算机。如PC/104计算机，高度模块化设计，通过栈接的方式可以为嵌入式应用提供高集成度的CPU模块、电源模块、数据采集、数据通讯等模块。因为可以自主选择需要的模块栈接入系统，因此系统搭建具有很大的灵活性；虽然整体体积比PC机小得多，但软件结构可以与IBM PC/AT体系完全兼容。,嵌入式计算机PC/104,PC/104 标准提供与 PC总线在体系结构、硬件和软件上的完全兼容。采用CMOS器件，功耗低；栈接结构，非常紧凑坚固。已有的PC/104模块为构造嵌入式系统提供了种类繁多的各种构件，它的高集成性和可模块化的结构适用于多种应用。,（六）可编程逻辑器件PLD （Programmable
13、logic device）,PLD是做为一种通用集成电路生产的，它的逻辑功能按照用户对器件编程来确定。一般的PLD的集成度很高，足以满足设计一般的数字系统的需要。这样就可以由设计人员自行编程而把一个数字系统“集成”在一片PLD上，而不必去请芯片制造厂商设计和制作专用的集成电路芯片。目前常用的PLD产品主要有：1、现场可编程逻辑阵列FPLA（Field programmable logic array）2、可编程阵列逻辑PAL（Programmable array logic）；3、通用阵列逻辑GAL（Generic array logic）；4、复杂可编程逻辑器件CPLD（Complex Pr
14、ogrammable Logic Device）；5、现场可编程门阵列FPGA（field programmable gate array）。其中CPLD和FPGA的集成度比较高，有时又把这两种器件称为高密度PLD。,FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA的基本特点主要有： 1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路中的试样片。 3）FPGA内
15、部有丰富的触发器和IO引脚。 4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 5）FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。 可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。,3、输入/输出通道,输入/输出通道是计算机与外围设备之间信息传输所使用的物理通道。输入/输出通道与计算机CPU之间交换的信息类型有三种： 1. 数据信息，数据信息是计算机外围设备之间真正要传递的信息； 2. 状态信息，又叫做应答信息、握手信息，状态信息反应出输入/输出通道的状态，如数据是否准备就绪等信号； 3. 控制信息，用来控制输入/输出
16、通道的启动或停止等。与上述三种信息对应的计算机接口称为数据接口、状态接口与控制接口。,计算机的外围设备及输入/输出通道种类繁多，它们的传送速率又很不相同，因此输入/输出产生复杂的定时问题。常用的输入/输出通道控制方式有三种：1. 程序查询方式， 2. 中断控制方式， 3. 直接存储器存取DMA方式。,（一）、模拟输入/输出通道,A/D、D/A转换器是模拟输入/输出通道的核心部分，可以采用多种编码方式，如：二进制码、BCD码等。按照转换原理的不同，A/D转换方式有逐次逼近式、双积分式、并行比较式、二进制斜坡式、量化反馈式等。以下简要介绍A/D、D/A转换器的主要技术指标。,分辨率，由数字量的位数
17、表示，如分辨率为n位的A/D对满量程的1/(2n-1)增量（即灵敏度LSB）作出反应； 精度 ，指的是A/D转换后的结果相对于实际值的准确度。有绝对和相对精度两种表示法。 转换时间 最大转换速度（或称采样频率） 量程,A/D转换器的主要技术指标,D/A转换器的主要技术指标,分辨率：由数字量的位数表示，一般为8位、12位、16位； 转化线性度：一般给出在一定温度下的最大非线性度，如0.010.8%； 稳定时间：比A/D转换小得多，一般为几十毫微秒到几微秒； 输出电平：一般为5V 10V。A/D、D/A接口板一般为多路输入输出。,例1 A/D转换器AD7760,Analog Devices公司生产
18、 24位-型A/D转换器，融合了宽输入带宽、高速特性与-转换技术的优势 最大采样频率为2.5MSPS，此时信噪比可达100dB 因此非常适合高速数据采集应用。,例2 A/D转换器AD9239,AD公司生产 四通道、12位、250 MSPS的A/D转换器 内置温度传感器与高速串行接口 支持数字化高频、宽动态范围信号，输入带宽高达780MHz。 内置锁相环（PLL）可对用户提供的单个ADC采样时钟进行分频与倍频，以提供相应的数据速率时钟。,例3 D/A转换器AD9747芯片,双通道、16位D/A转换器 最高采样速率为250MSPS AD9747具有直接转换传输应用特性，包括增益与偏移补偿。 通过串
19、行接口（SPI）端口提供完全可编程性。,例4 D/A转换器AD5535芯片。,32通道，14位D/A转换器 满量程输出电压可编程，输出范围高达50V200V，可提供700A的输出电流 最大采样频率为1.2MHz。 该芯片片内带有电压输出放大器，非常适合于对光交叉开关中MEMS部件的控制。,例5 光电编码器,光电编码器是集光、机、电技术于一体的数字化传感器，可以高精度测量被测物的转角或直线位移量，也属于一种A/D转换器。 光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元
20、件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。 此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90度的两路脉冲信号。,根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据测量方式分类，编码器可分为旋转编码器、直尺编码器。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。 以增量式编码器为例，它是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90度，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长
21、距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。 光电编码器的分辨率是以编码器轴转动一周所产生的输出信号基本周期数来表示的，即脉冲数/转（PPR）。码盘上的透光缝隙的数目就等于编码器的分辨率，码盘上刻的缝隙越多，编码器的分辨率就越高。,（二）、数字输入/输出通道,数字输入/输出通道，又称开关量输入/输出接口。输入/输出接口位于微处理器主机与外部设备之间，提供地址通道、数据通道和控制通道，其功能是使主机与外部设备之间能正确地交换信息。 按照功能划分，接口连线有数据线（可读可写）、控制线（只写）、状态线（只读）之分，相关寄存器有数据寄存器、状态寄存器与控制寄存器之分，接口地址有数据口地址、状态口地
22、址、命令口地址之分。 开关量输入/输出接口，是在数字设备之间传递数字信息，可分并行与串行接口两种。,并行接口,并行接口是指数据的各位同时进行传送，其特点是传输速度快，但当传输距离较远、位数又多时，导致了通信线路复杂且成本提高、可靠性下降。 并行接口在计算机与外设之间采用应答式的联络信号来协调双方的数据传送操作，这种联络信号又称为握手信号。 通用计算机常见配置的并行打印接口是最常见的一种并行接口，经常使用25孔D形连接器，用于连接打印机。,2. 串行接口,串行接口一般是数据通道和控制通道分时使用一条信号线，数据是一位一位传送的。 由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了
23、多条线路特性的不一致而被广泛采用。 有的终端如CRT显示器等通过这种接口与主机联系，远距离的信息传送大都采用这种接口，如RS-232接口、RS422接口、RS485接口。 串行通信本身又分为异步通信与同步通信两种。 串行通信线路上传送的是数字信号，表示传送数字信号能力的指标为数据传输速率（Data Rate），其单位为bps（bit persecond），表示每秒钟传送的二进制位数，又称为波特率。,RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的 RS-232在1962年发布，是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。由于RS-23
24、2接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点不足： 接口的信号电压值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。 传输速率较低，现阶段最大波特率为115200bps。 接口使用共地的传输方式容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 传输距离有限，最大传输距离在50米左右。,RS-422由RS-232发展而来，它是为弥补RS-232之不足而提出的。 为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到4000英尺（在传输速率低于100kb/s时），并允许在一条平衡总线上连
25、接最多10个接收器。 RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范。,RS-422,RS-485,为扩展应用范围，EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准。 增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。 由于EIA提出的建议标准都是以“RS”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以RS作前缀称谓。,三、实时时钟,计算机控制是实时控制，要求有实时时钟提供有规则的脉冲序列做时间基准，在脉冲的上升沿或下降沿，向CPU申请中断，产生采样周期
26、信号。这个时间基准可以由微机中CPU的时钟分频得到，也可以由可编程计数器定时器得到，或者由申请中断的外部设备提供。现在常用的微机芯片中一般都带有实时时钟，并且提供多个可编程计数器/定时器以供计算机控制系统产生定时或计数功能。,例 C8051F005单片机的时钟系统,C8051F005单片机是一款完全集成的混合信号系统级MCU芯片 C8051F005单片机中可利用的时钟系统包括MCU内部有一个能独立工作的时钟发生器，4个通用的16位定时器和一个具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列（PCA）。 其时钟源可分为两种：内部可编程振荡器和外部振荡器，这两种时钟源可以在运行中进行切换。 通用定
27、时器有四种工作方式 ，可对A/D转换器和UART串口提供定时功能。,第10章 数字控制器的实现,数字控制系统实现的关键问题是控制算法在计算机上的实现，即数字控制器的实现。本章讨论以下几个问题： 控制规律（控制算法）由系统设计确定之后，分析不同的程序实现方法及其优缺点； 数值问题：有限字长（量化）对系统的影响分析，包括：A/D转换量化、系数量化、运算过程量化； 溢出问题； 数字控制器的时延； 字长的选择。,10.2 控制器的运算结构,本节讨论实现控制规律D(z)的不同运算结构（或称运算程序）。 10.2.1 直接程序法：分0型、1型,2. 1型,10.2.2 串联程序法,图10-2-3 串联程序
28、法 (a) 环节串联 (b) 一阶环节 (c) 二阶环节,10.2.3 并联程序法,10.2.4 嵌套程序法,10.2.5 不同运算结构比较,以上几种运算结构是等价的，但用计算机实现时，由于量化，输出误差不同； 直接0型所需存储器较多，移位操作也较多，设计的程序“时控指标”较差； 因为D(z)的性能取决于零极点位置，若采用直接型和嵌套型，系数ai、bi对D(z)性能的影响不易看出，调试不方便，且极点位置灵敏度大，对字长效应较敏感； 串联型每一环节显示了D(z)的零、极点位置，调整其系数就是改变零极点，且不影响其它环节，因此调试方便，极点位置灵敏度最低； 并联型每一环节都显示了D(z)的一个或一
29、对极点。,例10-2-1 写出D(z)不同形式，画运算图,注意：串联型可画出四种算法，有不同的量化误差。,图10-2-6 例10-2-1运算方法,10.3 量化误差（数值精度问题）,数字控制器的输出不仅有时延，而且在数值上有误差。由有限字长引起的误差称量化误差。主要误差源为： A/D转换器的量化； 系数量化（取决于所采用的程序设计法，数据形式、字长等）； 运算过程中量化与溢出（决定于字长、码制、量化方式舍入还是截尾）； D/A转换。,10.3.1 计算机中数的表示,10.3.2 量化误差,说明： 量化误差与字长有关，字长越长，误差越小（若字长为八位，量化误差为q=2-7）。 量化处理，相当于引
30、进了非线性特性。,数值精度问题在计算机控制系统中存在于四个方面： （1） A/D转换器的量化误差； （2） 系数量化误差； （3） 运算过程中的量化误差； （4） D/A转换器的量化误差。,一、A/D转换器的量化误差,二、运算过程中的量化误差,计算机实现同一控制器模型，由于有限字长的影响，不同的运算程序，产生的误差不同。 （1）不同运算结构，量化噪声产生的输出噪声不同，其中直接程序法噪声最大，因其量化噪声经过整个环节的反馈环；并联程序法最小，因量化噪声仅通过自身反馈环节，与其他并联环节无关；串联程序法居中，因后面环节的量化噪声与前面环节无关。因此为减少量化对系统精度的影响，高阶应避免采用直接型
31、运算方法。 （2）对于每一种类型的运算结构，又可有不同的运算顺序，产生的输出噪声也不同。因此实现控制算法，运算结构存在优选问题。 （3）输出噪声与字长有关，字长越长，带来的输出噪声越小。,三、系数量化误差,四、计算溢出,因为二进定点制数的动态范围小，加（减）运算可能使计算的和（差）超出表示范围，这称为溢出（over flow）。 二进浮点制运算，加（减）、乘（除）均可能产生溢出。 溢出将给系统带来非线性，可能使控制器的输出产生混乱。 因此，在设计控制器实现软件时，需要保证运算中的各环节不发生溢出现象，始终工作在线性区域内。,第12章 数字控制系统的 设计与实现,本章阐述数字控制系统程序设计方面
32、的有关问题，并举例数字控制系统的设计与实现。,12.1 实时软件设计的几个问题,程序(programing)设计是数字控制系统实现的一个重要方面。由于数字控制系统是实时控制，在一个采样周期内必须完成一个控制步的操作。 一、编程语言选择 汇编语言和C语言 高级语言 组态软件组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。,二、资源分配为实现指定计算机控制系统的控制功能，需要完成系统硬件设计，包括微机选择、实时时钟、输入/输出通道、I/O接口、中断源等选择，完成资
33、源配置，并以此作为以后的编程依据。 三、数据类型和数据结构选择 在系统总体方案设计中，系统的各个软件模块之间互相之间要进行各种信息传递。各模块之间的关系体现在它们的接口输入参数和输出结果上，为了避免程序运行结果出现异常错误，就必须严格规定各接口参数的数据结构和数据类型。 从数据类型上来分类，可分为逻辑型和数值型，数值型又可分为定点数和浮点数。有的单片机只有定点制运算功能，如C8051F系列单片机，有的微机芯片，如FPGA、DSP，则具有定点制和浮点制运算功能。此外，以何种格式保存采样数据和运算数据，属于数据结构设计问题。,四、实时控制软件设计的其它一些问题,1. 数据采集及数据处理程序数据采集
34、程序主要包括模拟量和数字量多路信号的采样、输入变换、存储等。数据处理程序主要包括数字滤波程序、线性化处理和非线性补偿、标度变换程序、超限报警程序等。 2. 控制算法程序设计 控制算法程序主要实现控制规律的计算，产生控制量。其中数字控制算法包括大林算法、 补偿控制算法、最少拍控制算法、串级控制算法、前馈控制算法、解耦控制算法、模糊控制算法、最优控制算法等。实际实现时，可选择合适的一种或几种控制算法来实现控制。,3. 控制量输出程序设计控制量输出程序实现对控制量的处理（上下限和变化率处理）、控制量的变换及输出，驱动执行机构或各种电气开关。控制量也包括模拟量和开关量输出两种。模拟控制量由D/A转换输
35、出，可驱动执行机构如各种调节阀。开关量控制信号驱动各种电气开关。 4. 实时时钟和中断处理程序 实时时钟是计算机控制系统进行采样控制的基础。计算机控制系统中，许多实时任务如采样周期、定时显示打印、定时数据处理等都必须利用实时时钟来实现，并由实时中断服务程序去执行相应的动作或处理动作状态标志等。另外，事故报警、掉电检测及处理、重要的事件处理等功能的实现也常常使用中断技术，以便计算机能对事件作出及时处理。 5. 数据管理程序这部分程序用于生产管理，主要包括画面显示、变化趋势分析、报警记录、统计报表打印输出等。,12.2 高精度角位置伺服系统,12.2.1 控制系统硬件结构计算机控制的高精度角位置伺
36、服系统硬件结构见图12-2-1，主要由四部分组成。 1. 计算机系统 主要功能为按照设计的控制规律，实现对系统的角位置控制。 2. 速率控制系统 由可逆计数 器、D/A转换器、校正及功率放大器、执行机构（力矩电机）、测角元件、前置放大、角度增量编码器组成的速率反馈系统。该系统采用数字式测量、模拟式驱动的数/模混合控制，因此具有二者的优点，既达到了高分辨率（0.0002），又有足够的功率驱动被控对象。 3. 测角系统 由测角元件（360对极的感应同步器和一对极的旋转变压器）、前置放大器及角度A/D转换器组成，分辨率为0.0001，测角范围0.0001359.9999，精度为角秒级，用7位BCD码
37、定点制数据显示并输出，测角原理见例9-3-4、9-3-5。,4. 被控对象 转动惯量J可达几千几万克厘米秒2（ g . cm . s2）的转台。控制系统特点：双回路控制，速率控制取角度增量信号为反馈量，可提高速率的平稳性；位置控制取角度信息为全量位置反馈信号，可达到角秒级定位精度。 12.2.2 系统设计 双回路控制系统设计原则：用快速内回路（速率控制回路）抑制干扰，需采用较高的增益及较宽的带宽。主回路（位置控制回路）采用较窄的带宽以保证精度。 伺服系统原理图见12-2-2。速率控制系统采用典型的二型系统，要求带宽为10Hz。位置控制选用数字PID控制，为抑制量测噪声，由一阶数字滤波实现反馈信
38、号的预处理。 用连续化方法进行系统设计，再离散化。,图12-2-2 控制系统原理框图,取开环剪切频率w c近似闭环带宽10Hz，则有：,取 ，则有：,确定 ， 选取h=20，则,式中，Kd：衰减网络与D/A转换系数之积；Km：功放级增益， ；J：转动惯量， 。,设计得到速率回路开环传递函数：,相位裕量、增益裕量：,2. 位置控制,确定采样周期,确定滤波参数a,确定PID参数,最后，应用Matlab/Simulink进行系统仿真，得到一组动、静态指标皆佳的PID参数为,假设干扰信号v(t)=0，系统阶跃响应的超调为24.57%，过渡过程时间（输出误差稳定在2%以内）为0.64s。,若系统输入为单位速度输入，则二型系统仍为无差控制，过渡过程时间为1s左右。,3 系统抗干扰能力,
