计算机控制第1章.ppt

计算机控制计算机控制Computer Control课程安排课程安排讲课讲课32学时学时实验实验8学时学时上机上机6学时学时成绩记载方法成绩记载方法闭卷考试闭卷考试 70%作业和出勤作业和出勤 10%实验实验 20%参考书参考书盛珣华，李润梅编著盛珣华，李润梅编著.计算机控制系统计算机控制系统.清华大学出版社清华大学出版社.2007 绪方胜彦著，刘君华译绪方胜彦著，刘君华译.离散时间控制系统离散时间控制系统.西安交通大西安交通大学出版社，学出版社，1990.袁本恕编著袁本恕编著.计算机控制系统计算机控制系统.中国科学技术大学出版社，中国科学技术大学出版社，1988.Katsuhiko Ogata.现代控制工程现代控制工程.电子工业出版社，电子工业出版社，2000.施保华施保华,杨三青杨三青,周凤星周凤星.计算机控制技术计算机控制技术.华中科技大华中科技大学出版社学出版社.2007.教材教材数字控制徐丽娜编著，科学出版社数字控制徐丽娜编著，科学出版社计算机控制实验指导书王艳主编，教材科印刷计算机控制实验指导书王艳主编，教材科印刷第第1章章 绪言绪言 数数字字控控制制（又又称称计计算算机机控控制制）课课程程为为自自动动控控制制及及相相关关专专业业学学生生讲讲授授线线性性定定常常数数字字控控制制系系统统分分析析与与综综合合的的一一些些基基本方法，其理论基础为线性离散时间系统理论。本方法，其理论基础为线性离散时间系统理论。控制理论发展历史控制理论发展历史w20世纪世纪4060年代，年代，“古典控制理论古典控制理论”时代。时代。主要针对线性定常系统，解决单输入单输出问题。采用主要针对线性定常系统，解决单输入单输出问题。采用传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析方法。对非传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析方法。对非线性系统，分析采用的相平面法一般不超过两个变量。线性系统，分析采用的相平面法一般不超过两个变量。w20世纪世纪6070年代，年代，“现代控制理论现代控制理论”。随着计算机的飞速发展，推动了状态空间法的应用，其随着计算机的飞速发展，推动了状态空间法的应用，其可以解决多输入多输出问题。系统可以是线性的、定常的，可以解决多输入多输出问题。系统可以是线性的、定常的，也可以是非线性的、时变的。也可以是非线性的、时变的。w20世纪世纪70年代至今，向年代至今，向“大系统理论大系统理论”和和“智能控制智能控制”方向方向发展。发展。“大系统理论大系统理论”是用控制和信息的观点，研究各种大系统是用控制和信息的观点，研究各种大系统的协调、控制方法；的协调、控制方法；“智能控制智能控制”是研究与模拟人类智能活是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制仿人智能控制。动及其控制与信息传递过程的规律，研制仿人智能控制。动动力力学学系系统统 连连续续系系统统离离散散系系统统线线性性系系统统非非线线性性系系统统确确定定性性系系统统随随机机系系统统正正常常系系统统奇奇异异系系统统单单变变量量系系统统多多变变量量系系统统定定常常系系统统时时变变系系统统确确知知系系统统不不确确知知系系统统动力学系统分类图动力学系统分类图计算机控制的发展历史计算机控制的发展历史（一）（一）数据采集与监视控制系统数据采集与监视控制系统DA&SCS（Data Acquision and Supervisory Control System）计算机控制系统在计算机控制系统在20世纪世纪50年代开始出现，由年代开始出现，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析处理，此时的计算机控制系统称为数据采集系统数据采集系统或监视控制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，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。因此系统结构简单，安全可靠。（二）直接数字控制系统（二）直接数字控制系统DDC （Direct Digital Control）随着计算机硬件技术的日益提高，出现了随着计算机硬件技术的日益提高，出现了直接数字控制系直接数字控制系统统，传统的模拟控制器被计算机构成的数字控制器所取代。传统的模拟控制器被计算机构成的数字控制器所取代。在在DDC控制系统里，传感器和执行机构与计算机是点对点的控制系统里，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/输出通道与计算输出通道与计算机构成的数字控制器之间进行模拟机构成的数字控制器之间进行模拟/数字信号转换，计算机直数字信号转换，计算机直接参与系统的控制及信息处理。接参与系统的控制及信息处理。DDC是计算机控制技术中最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。较复杂的控制规律，如最优控制、鲁棒控制、模糊控制等。生生产产过过程程模拟输入通道模拟输入通道模拟输出通道模拟输出通道数数控控计计算算机机键盘、显示器键盘、显示器打印机等打印机等外部设备外部设备直接数字（直接数字（DDC）控制系统示意图控制系统示意图 具有两级计算机控制系统的具有两级计算机控制系统的计算机监督系统计算机监督系统SCC，其其底层计算机控制系统为执行实时控制任务的底层计算机控制系统为执行实时控制任务的DDC系统，系统，高层计算机控制系统为具有强大数据处理能力的计算机高层计算机控制系统为具有强大数据处理能力的计算机监督系统。监督系统。（三）计算机监督系统（三）计算机监督系统SCC（Supervisory Computer Control）计算机监督系统计算机监督系统直接数字控制系统直接数字控制系统（四）分布式控制系统（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，在随着控制系统规模的日益扩大，在20世纪世纪70年代又出现了年代又出现了分布式控制系统分布式控制系统DCS，又称集散控又称集散控制系统。制系统。其特点是采用层次化的多级计算机系统进行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、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。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分布式控制系统结构示意图局域网局域网LAN操作员操作员工作站工作站1#过程过程控制站控制站N#过程过程控制站控制站传感器传感器执行器执行器传感器传感器执行器执行器被控对象被控对象/生产工程生产工程工程师工程师工作站工作站监控监控工作站工作站网间连接器网间连接器第一代第一代DCS或或PLC等等（五）网络控制系统（五）网络控制系统(Networked Control Systems，NCS)“Networked Control Systems，NCSs”最早于最早于1998年出现在年出现在马里兰大学马里兰大学G.C.Walsh的论著中的论著中。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、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、基于基于Internet的远程教学和实验、远程医疗、航空航天系统以及的远程教学和实验、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，或者称为的控制系统，或者称为网络控制系统网络控制系统。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畴，包括了现场总线，工业以太中的网络是一个广义的范畴，包括了现场总线，工业以太网、无线通信网络、甚至网、无线通信网络、甚至Internet等。等。1.1 数字控制系统概述数字控制系统概述 数字控制系统是以数字计算机作为数字控制器，实现数字控制系统是以数字计算机作为数字控制器，实现对连续对象（或过程）的闭环控制，因此也称为计算机控对连续对象（或过程）的闭环控制，因此也称为计算机控制系统。制系统。本本书阐书阐述如下几部分内容述如下几部分内容：数字控制数字控制系统建模与分析；系统建模与分析；数字控制系统的设计（或称综合）数字控制系统的设计（或称综合）；数字控制系统的实现数字控制系统的实现；高速采样数字控制系统的建模与分析、设计与实现。高速采样数字控制系统的建模与分析、设计与实现。传统的模拟闭环控制系统如下图所示，其控制传统的模拟闭环控制系统如下图所示，其控制器由模拟器件构成。器由模拟器件构成。数字控制系统是以数字计算机作为数字控制器，数字控制系统是以数字计算机作为数字控制器，单回路计算机控制系统如下图所示。单回路计算机控制系统如下图所示。1.1.1 系统组成与功能系统组成与功能 数数字字控控制制系系统统由由硬硬件件与与软软件件两两大大部部分分组组成成。如如果果将将执执行行机机构构和和测测量量元元件件的的对对象象特特性性并并入入被被控控对对象象或或过过程程，则则单单输输入入单单输输出出单单位反馈数字控制系统的硬件框图如图位反馈数字控制系统的硬件框图如图1-1-1所示。所示。A-AnalogueD-Digital采样采样开关开关A/D数字数字控制器控制器D/A保持器保持器对象对象或过程或过程r(t)e(t)u(t)y(t)实时时钟实时时钟模拟输入通道模拟输入通道模拟输出通道模拟输出通道离散状态离散状态连续状态连续状态产生脉冲序列产生脉冲序列作采样信号作采样信号连续信号连续信号离散信号离散信号离散离散信号信号连续信号连续信号图图1-1-1 单位反馈数字控制系统硬件框图单位反馈数字控制系统硬件框图e*(t)e(kT)u(kT)u*(t)1 硬件部分硬件部分 数字控制系统硬件部分由五部分组成：数字控制系统硬件部分由五部分组成：（1）连连续续被被控控对对象象（或或过过程程）：工工作作于于连连续续状状态态，输输入入输输出是连续量。出是连续量。（2）数数字字控控制制器器：工工作作于于离离散散状状态态，输输入入输输出出是是数数字字量量，由数字计算机实现。由数字计算机实现。（3）模模拟拟输输入入通通道道：由由采采样样开开关关、A/D转转换换器器两两个个环环节节组组成成，完成由连续量到数字量的转换。完成由连续量到数字量的转换。（4）模模拟拟输输出出通通道道：由由D/A转转换换器器、保保持持器器两两个个环环节节组组成成，完成完成 由数字量到连续量的转换。由数字量到连续量的转换。（5）实时时钟：产生脉冲序列，定时控制采样开关的闭合，）实时时钟：产生脉冲序列，定时控制采样开关的闭合，控制控制A/D、D/A转换器的输出。转换器的输出。需要说明的是：需要说明的是：数字控制系统的闭环控制与连续系统的闭环控制相同点是数字控制系统的闭环控制与连续系统的闭环控制相同点是数字控制系统也采用反馈控制，可以使系统的响应对外部数字控制系统也采用反馈控制，可以使系统的响应对外部干扰和系统内部参数变化不敏感，这一点与连续系统闭环干扰和系统内部参数变化不敏感，这一点与连续系统闭环反馈控制相同；反馈控制相同；不同的是：系统只根据采样时刻，即离散时间点上的过程不同的是：系统只根据采样时刻，即离散时间点上的过程变量值进行工作，也就是说数控系统只是在采样时刻处为变量值进行工作，也就是说数控系统只是在采样时刻处为闭环控制；在采样时刻之间，数控系统处于开环控制。闭环控制；在采样时刻之间，数控系统处于开环控制。由于数控计算机的离散时间性质，故采样是数字控制系统由于数控计算机的离散时间性质，故采样是数字控制系统的基本特征。数字（计算机）控制系统又称为采样数据系的基本特征。数字（计算机）控制系统又称为采样数据系统。统。2 软件部分软件部分（在计算机上实现控制规律）（在计算机上实现控制规律）主程序：系统初始化设置；主程序：系统初始化设置；控制子程序：实现数据采集、控制算法、控制量的输出控制子程序：实现数据采集、控制算法、控制量的输出和存储。和存储。数控系统的功能为：在数字计算机控制下，每隔一个数控系统的功能为：在数字计算机控制下，每隔一个采样周期采样周期 T，对对连续连续偏差信号偏差信号e(t)进行采样，经由进行采样，经由模拟输入模拟输入通道转换通道转换成成数字量送入计算机中，计算机数字量送入计算机中，计算机（数字控制器）（数字控制器）根据控制规律进行运算，求得控制量输出，根据控制规律进行运算，求得控制量输出，由模拟输出通由模拟输出通道转换成连续量道转换成连续量去控制被控对象去控制被控对象（或过程）（或过程），使系统的动使系统的动态、稳态特性达到预期的指标态、稳态特性达到预期的指标。控控制制子子程程序序控制量的输出和存储控制量的输出和存储YN开开 始始主程序：初始化设置主程序：初始化设置数据采集数据采集控制算法控制算法采样采样?图图1-1-2 数字控制系统软件流程数字控制系统软件流程1.1.2 数控系统的优点数控系统的优点程序控制：易于修改，改变控制规律不需修改硬件，通程序控制：易于修改，改变控制规律不需修改硬件，通过修改控制子程序就可以满足不同的控制要求。因此相过修改控制子程序就可以满足不同的控制要求。因此相对于连续控制系统更具有灵活性。对于连续控制系统更具有灵活性。精度高：模拟控制器的精度由硬件决定，同一批次的元精度高：模拟控制器的精度由硬件决定，同一批次的元器件可能具有不同的性能，例如电阻、电容的标称值和器件可能具有不同的性能，例如电阻、电容的标称值和实际测量值会有不同，达到高精度很实际测量值会有不同，达到高精度很不容易，元器件的不容易，元器件的价格随精度不同变化很大；而数字控制器的精度与计算价格随精度不同变化很大；而数字控制器的精度与计算机的控制算法和字长有关，在系统设计时就已经决定了。机的控制算法和字长有关，在系统设计时就已经决定了。稳定性好：数控计算机只有稳定性好：数控计算机只有“0”、“1”状态，抗干状态，抗干扰能力强，不象电阻、电容等受外界环境影响较大。扰能力强，不象电阻、电容等受外界环境影响较大。软件复用：硬件不能复用，子程序却可以，所以具有可软件复用：硬件不能复用，子程序却可以，所以具有可重复性。而且计算机系统和软件都可以更新换代。重复性。而且计算机系统和软件都可以更新换代。分时控制：可同时控制多系统、多通道。而模拟控制器分时控制：可同时控制多系统、多通道。而模拟控制器只能完成单通道控制。只能完成单通道控制。图图1-1-4 多路模拟输入多路模拟输入/输出通道示意图输出通道示意图模模 拟拟 输输 出出模模 拟拟 输输 入入多多 路路 开开 关关反反 多多 路路 开开 关关A/DD/A数字数字计算机计算机控控 制制数控系统的缺点、局限性数控系统的缺点、局限性实时性：数控系统由计算机运行速度、实时性：数控系统由计算机运行速度、A/D与与D/A采样速采样速度、控制算法等多种因素决定其采样频率上限度、控制算法等多种因素决定其采样频率上限。信号的处理：离散系统的采样频率下限受到采样定理的信号的处理：离散系统的采样频率下限受到采样定理的限制，在输入信号频率不满足采样定理时得到的采样信限制，在输入信号频率不满足采样定理时得到的采样信号会产生频率混迭现象。号会产生频率混迭现象。数控系统一般需要进行连续信号与数字信号之间的转换，数控系统一般需要进行连续信号与数字信号之间的转换，因此系统性能受到因此系统性能受到 A/D与与 D/A性能的影响，包括实时性、性能的影响，包括实时性、精度等。精度等。最后需要指出的是，连续控制系统与数控系统各有优最后需要指出的是，连续控制系统与数控系统各有优缺点，应用时采用何种控制方式需考虑价格比、使用环境、缺点，应用时采用何种控制方式需考虑价格比、使用环境、可靠性、体积等多种实际情况。可靠性、体积等多种实际情况。可作为数控系统实时控制器的微计算机种类越来越可作为数控系统实时控制器的微计算机种类越来越多，如：多，如：台式机、台式机、PLC、单片机、嵌入式计算机、单片机、嵌入式计算机、ARM、PLD、DSP等等。设计和实现实时系统，需要从以下几个指标来选择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、输入微型机：速度、字长、指令系统、输入/输出控制方式及输出控制方式及容量等等；在实际应用中，还要考虑高可靠性、可维护容量等等；在实际应用中，还要考虑高可靠性、可维护性、微型化要求等等。性、微型化要求等等。多种多种微计算机微计算机举例举例（一）通用计算机（台式机（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。部件的速度。（二二）单片机）单片机 单单片片机机是是指指一一个个集集成成在在一一块块芯芯片片上上的的完完整整计计算算机机系系统统。尽尽管管它它的的大大部部分分功功能能集集成成在在一一块块小小芯芯片片上上，但但是是它它具具有有一一个个完完整整计计算算机机所所需需要要的的大大部部分分部部件件：CPU、内内存存、内内部部和和外外部部总总线线系系统统，目目前前大大部部分分还还会会具具有有外外存存。同同时时集集成成诸诸如如通通讯讯接接口口、定定时时器器，实实时时时时钟钟等等外外围围设设备备。而而现现在在最最强强大大的的单单片片机机系系统统甚甚至至可可以以将将声声音音、图图像像、网网络络、复复杂杂的的输输入入输出系统集成在一块芯片上。输出系统集成在一块芯片上。当当前前使使用用的的单单片片机机种种类类繁繁多多，有有Zilog公公司司的的Z8系系列列单单片片机机，Intel公公司司的的51系系列列单单片片机机，Atmel公公司司的的AVR单单片片机机，Motorola公公司司的的M68系系列列单单片片机机、Cygnal公公司司的的C8051F系系列单片机等。列单片机等。单单片片机机比比专专用用处处理理器器更更适适合合应应用用于于嵌嵌入入式式系系统统，因因此此它它得得到到了了最最多多的的应应用用。事事实实上上单单片片机机是是世世界界上上数数量量最最多多的的微机。微机。单片机诞生于单片机诞生于20世纪世纪70年代末，年代末，经历了经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。三大阶段。SCM即即单片微型计算机单片微型计算机（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阶段，主要是为寻求单片形态嵌入式系统的最佳体系结构；构；MCU即即微控制器微控制器（Micro Controller Unit）阶段，为了满阶段，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控制能力；接口电路，突显其对象的智能化控制能力；专用单片机的发展自然形成了专用单片机的发展自然形成了片上系统片上系统SoC（System on Chip）化趋势，就是寻求将应用系统研制在一块芯片上。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、随着微电子技术、IC设计、设计、EDA工具的发展，基于工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计将会有更大的发展。的单片机应用系统设计将会有更大的发展。（三）三）PLC可编程序控制器可编程序控制器 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。较贵，体积较大。（四）四）DSP芯片芯片专门的可编程数字信号处理芯片专门的可编程数字信号处理芯片 DSP芯芯片片是是专专门门的的可可编编程程数数字字信信号号处处理理芯芯片片，采采用用哈哈佛佛总总线线结结构构，程程序序和和数数据据具具有有独独立立的的存存储储空空间间，有有着着各各自自独独立立的的程程序序总总线线和和数数据据总总线线，结结构构复复杂杂，但但数数据据处处理理能能力力大大大大提提高高，有有可可以以实实现现特特处处用用途途（如如FFT、FIR滤滤波波、卷卷积）的专门积）的专门DSP芯片。芯片。它它不不仅仅具具有有可可编编程程性性，而而且且其其实实时时运运行行速速度度可可达达每每秒秒数数以以千千万万条条复复杂杂指指令令程程序序，远远远远超超过过通通用用微微处处理理器器，是是数数字字化电子世界中日益重要的电脑芯片。化电子世界中日益重要的电脑芯片。它它的的强强大大数数据据处处理理能能力力和和高高运运行行速速度度，是是最最值值得得称称道道的的两两大大特特色色，所所以以DSP多多用用于于需需高高速速实实时时数数据据处处理理的的场场合合（如图形处理，大规模数据实时运算）。（如图形处理，大规模数据实时运算）。（五）嵌入式计算机（五）嵌入式计算机 嵌入式计算机一般指非嵌入式计算机一般指非PC机系统，它是以应用为中心，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、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。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。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，它是可独立工作的微嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的微型计算机。型计算机。如如PC/104计算机，高度模块化设计，通过栈接的方式可以计算机，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为嵌入式应用提供高集成度的CPU模块、电源模块、数据采集、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，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机小得机小得多，但软件结构可以与多，但软件结构可以与IBM PC/AT体系完全兼容。体系完全兼容。嵌入式计算机嵌入式计算机PC/104液晶显示器液晶显示器 PC/104 标准提供与标准提供与 PC总线在体系结构、硬件和软件总线在体系结构、硬件和软件上的完全兼容。采用上的完全兼容。采用CMOS器件，功耗低；栈接结构，非器件，功耗低；栈接结构，非常紧凑坚固。已有的常紧凑坚固。已有的PC/104模块为构造嵌入式系统提供了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。用于多种应用。（六）可编程逻辑器件（六）可编程逻辑器件PLD（Programmable 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个数字系统“集成集成”在一片在一片PLD上，而不必去请芯片制造厂商设上，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。计和制作专用的集成电路芯片。目前常用的目前常用的PLD产品主要有：产品主要有：1、现场可编程逻辑阵列、现场可编程逻辑阵列FPLA（Field programmable logic array）2、可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑PAL（Programmable array logic）；）；3、通用阵列逻辑通用阵列逻辑GAL（Generic array logic）；）；4、复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）；）；5、现场可编程门阵列现场可编程门阵列FPGA（field programmable gate array）。）。其中其中CPLD和和FPGA的集成度比较高，有时又把这两种器件称的集成度比较高，有时又把这两种器件称为高密度为高密度PLD。FPGA是在是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一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（步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种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。有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA的基本特点主要有：的基本特点主要有：1）采采用用FPGA设设计计ASIC电电路路，用用户户不不需需要要投投片片生生产产，就就能能得得到合用的芯片。到合用的芯片。2）FPGA可做其它全定制或半定制可做其它全定制或半定制ASIC电路中的试样片。电路中的试样片。3）FPGA内部有丰富的触发器和内部有丰富的触发器和IO引脚。引脚。4）FPGA是是ASIC电电路路中中设设计计周周期期最最短短、开开发发费费用用最最低低、风风险险最小的器件之一。最小的器件之一。5）FPGA采采用用高高速速CHMOS工工艺艺，功功耗耗低低，可可以以与与CMOS、TTL电平兼容。电平兼容。可以说，可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠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。性的最佳选择之一。1.2 数字控制对计算机（系统）的要求数字控制对计算机（系统）的要求1.2.1 实时控制实时控制 在一个采样周期在一个采样周期 T 内必须完成如下操作：内必须完成如下操作：1.数据采集：采样，数据采集：采样，A/D转换，数据输入的时间转换，数据输入的时间t1；2.程序运行求出控制量的时间程序运行求出控制量的时间t2；3.控制量的输出和存储控制量的输出和存储时间时间t3。则为了实现实时控制，必须有则为了实现实时控制，必须有1.2.2 对计算机（系统）的要求对计算机（系统）的要求硬件支持硬件支持1.CPU、内存、中断、指令系统等；内存、中断、指令系统等；2.实时时钟；实时时钟；3.输入输出通道；输入输出通道；4.外设。外设。软件支持软件支持人机对话功能人机对话功能图图1-2-1 数字控制系统硬件框图数字控制系统硬件框图数字计算机（系统）硬件数字计算机（系统）硬件内存内存显示器显示器CPUROM键盘键盘打印机打印机外存外存RAM实时时钟实时时钟模拟输入模拟输入通道通道模拟输出模拟输出通道通道对象或过程对象或过程I/O接口接口 用数字计算机作控制器，实现控制算法，是数字控用数字计算机作控制器，实现控制算法，是数字控制的关键。制的关键。计算机控制系统的控制过程可以归结为：实时数据计算机控制系统的控制过程可以归结为：实时数据采集、实时控制。计算机只要能满足控制系统实时控制采集、实时控制。计算机只要能满足控制系统实时控制设计要求即可，无需过高追求计算机的高性能。要求数设计要求即可，无需过高追求计算机的高性能。要求数控系统中的计算机能做到如下几点：控系统中的计算机能做到如下几点：实时性：为了保证实时控制，作为数字控制器的微型计实时性：为了保证实时控制，作为数字控制器的微型计算机主要涉及以下几点：微型计算机的机型、输入输出算机主要涉及以下几点：微型计算机的机型、输入输出接口、中断设置、实时时钟、实时操作系统等几部分。接口、中断设置、实时时钟、实时操作系统等几部分。综合控制能力：较强的计算、信息处理和控制能力；综合控制能力：较强的计算、信息处理和控制能力；灵活而复杂的输入输出设备，传感器控制，显示设备，灵活而复杂的输入输出设备，传感器控制，显示设备，完备的中断系统等。完备的中断系统等。高可靠性：软硬件的高可靠性是保证数控系统正常工高可靠性：软硬件的高可靠性是保证数控系统正常工作的关键。作的关键。可维护性：实际中长期工作的数控系统必须考虑可维可维护性：实际中长期工作的数控系统必须考虑可维护性。护性。环境适应性：适应工程环境中要求的高低温、振动、环境适应性：适应工程环境中要求的高低温、振动、湿度、电磁、腐蚀性气体或辐射等各种恶劣条件。湿度、电磁、腐蚀性气体或辐射等各种恶劣条件。微型化：体积小、重量轻、功耗低。微型化：体积小、重量轻、功耗低。本章小结本章小结数控系统的定义；数控系统的定义；数控系统的软、硬件系统组成；数控系统的软、硬件系统组成；数控系统与连续控制系统的优、缺点比较；数控系统与连续控制系统的优、缺点比较；数控系统对数控计算机的实时控制要求、软硬件要求。数控系统对数控计算机的实时控制要求、软硬件要求。思考与练习思考与练习 1-1.单输入单输出单位反馈数字控制系统：单输入单输出单位反馈数字控制系统：（1）画画硬硬件件框框图图,并并在在框框图图中中，标标出出各各环环节节的的名名称称，说说明图中各部分的功能；明图中各部分的功能；（2）说明控制软件的组成，并画软件流程图；）说明控制软件的组成，并画软件流程图；（3）数字控制与连续控制不同的基本特征是什么？）数字控制与连续控制不同的基本特征是什么？（4）数字控制与连续控制比，其优点是什么）数字控制与连续控制比，其优点是什么?1-2若若用用一一台台数数字字计计算算机机实实现现多多变变量量控控制制，与与单单变变量量控控制在硬件结构上有什么不同？制在硬件结构上有什么不同？1-3阐述数字控制实现实时控制，应满足的基本条件。阐述数字控制实现实时控制，应满足的基本条件。