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因此，非常复杂的控制算法可以在微控制器上开发和实现。
本书是讲的是单片机的基本自动化控制系统工程的理论和实践。
不需要有微控制器的硬件或软件方面的知识，但读者会发现掌握一些计算机编程语言知识是非常有用的。
本书的第一章是对控制系统和计算机基本控制系统单元的简介。
如果有一些对连续时间控制系统的知识理论，那对理解这部分内容是很有帮助的。
第二章是关于系统建模的。
控制工程的起点是建立一个动态系统。
在本章中介绍了各种机械，电气和流体系统的模型，
第三章是专门对流行的PIC单片机系列的描述，并在这本书中使用。
PIC系列是在商业和工业应用中使用最广泛的单片机之一。
本章描述了这个系列的特点，并给出了基本应用说明。
第四章简要介绍了这种语言的特点,这本书采用C语言编程也就是picclite。
这是免费派发的高科技软件，用于编程PIC系列微控制器。
第五章详细介绍了一些微控制器项目的开发周期。
微控制器的开发周期知识是重要的，因为开发控制算法必须在目标微控制器执行。
第六和第七章专门讨论了离散时间系统的分析。
这里的离散时间系统，采样数据系统和数字控制系统都可以互换使用，并在书中指的是同一主题。
在这两个章节中对采样过程、Z型变换和离散时间系统的响应时间进行了详细的解释。
控制系统的稳定性是控制工程中最重要的议题之一。
第8章分析了数字控制系统的例子，使用各种完善的技术分析和图形化的稳定性的技术。
第九章介绍分析和数字控制器的设计，结合实例开发各种数字控制算法。
经过数字控制器的设计，必须微控制器上的实施被称为控制器的实现。
第十章介绍了各种实现技术，描述了每种技术的优点和缺点。
编程的例子用来说明如何具体在微控制器上实现和进行编程。
最后，第11章介绍了一个案例研究。
建立一个液位控制系统模型然后开发一个合适的数字控制器的算法。
之后在PIC微控制器上实现该算法。
该系统的时间响应已给出，并给出完整的算法程序列表。
很多人都在生产和协助这本书的发展。
我特别要感谢近东大学的学生和计算机工程处的工作人员的贡献。
多干·
伊瓦海姆
近东大学
简介
1.1、了解系统控制
控制工程是针对一个动态系统或设备的控制。
一个动态系统可以是自动机械系统、电气系统、流体系统、热力系统,或一个联合使用两种或更多类型的系统。
一个动态系统的行为采用微分方程来描述。
已经给出模型（微分方程）,输入和初始情况,我们可以很容易地计算出系统的输出。
一个设备能够有一个或多个输入和一个或多个输出。
一般来说一个设备是输入及输出都是连续的时间连续系统,。
例如,电磁电机是一种时间连续设备，它的输入（电流或电压）和输出（旋转）也是连续的信号。
控制工程师操控输入变量而且使出设备要响应的输出变量的形状成型，这样就可以获得想要的响应。
一个开环设备系统里输入用于驱动装置的输出。
例如,电压应用于一个电机的旋转。
在一个开环设备系统中没有任何输出信息。
当电机终端接入电压时,电机会转动，但我们不知道其旋转了多少因为没有任何输出信息。
如果电机轴加载及马达减速时没有信息表达，设备也有可能会有干扰影响其行为,而且在一个开环系统是没有办法知道,或减弱这些干扰。
图1.1是一种开环系统,系统的输入预计驱动系统输出到一个已知点（如以一个特定率旋转电机轴）。
这是个单输入单输出（SISO）系统,因为只有一个输入,也只有一个输出是可用的。
一般来说,系统可以有多个输入和多输出（MIMO）。
因为未知的系统模型、输出端干扰对开环控制的影响的不是很引人注意。
有更好的方法来控制系统,就是通过使用一个传感器测量输出,然后比较这些输出与我们想要看到的系统的输出。
期望输出值与实际输出值的差值被称为误差信号。
误差信号被用来迫使系统输出到某个点,这样期望输出值与实际输出值就是是相等的。
这称为闭环控制,或反馈控制。
图1.2是一个典型的闭环系统。
闭环控制的优点之一是能够补偿干扰和改变正确的输出,即便是在已存干扰的情况下。
一个控制器（或一个补偿器）通常用来识别出误差信号和驱使设备工作在零误差状态下。
闭环系统的系统精度相比较于开环有更大的优势。
它们也对干扰和环境的变化不敏感。
响应时间和稳态误差在闭环系统是可控制的。
传感器是一种测量设备输出的设施。
例如,热敏电阻器是一个用来测量温度的传感器。
同样,转速传感器是一种测量马达转速的传感器,加速是计用于测量移动体的加速度。
大多数传感器是模拟设备输出的是模拟信号（如电压或电流）。
这些传感器可直接用于连续时间系统。
例如,系统显示图1.2是一个连续时间系统和模拟传感器,模拟输入模拟传感器和模拟输出。
模拟传感器不能直接连接到数字计算机上。
模/数转换器（A/D）是把模拟输出转换成数字形式这样的输出就能被连接到数字计算机上。
有的传感器（例如:
温度传感器）提供数字输出,可以直接连接到数字计算机。
随着数字计算机和低成本的单片机处理单元的发展,控制工程师开始使用这些可编程设备在控制系统中。
数字计算机能在一个系统中跟踪各种各样的信号,并可对控制策略的实施做出明智的决定。
1.2计算机在环中的应用
如今，大多数控制工程应用的都是基于数字计算机或者一个单片机作为控制器的计算机。
图13显示了一个典型的计算机控制系统。
在这里,它假定了误差信号是模拟的并且A/D转换器是用来把信号转化为数字形式以便能被计算机读入。
A/D转换器定期地抽样信号然后把这些抽样信号转换成适合数字计算机处理的数字符号。
计算机运行一种控制器算法（一个软件）来实现所需要的行为,从而设备的输出响应是理想的。
数字计算机输出的是数字信号,这通常是使用一个数模（D/A）转换器转换成模拟形式。
D/A转换器的操作通常是用一个零阶保持传递函数来逼近。
有许多的微控制器包含了内置A/D和D/A转换器电路。
这些微控制器可直接连接模拟信号,并且到设备。
如图1.3参考设定值,传感器输出和设备的输入和输出假设是模拟的。
图1.4显示的是图1.3系统的框图，其中A/D转换器是显示为一取样器。
大多数现代微控制器包括内置A/D和D/A转换器,在图1.4中这些也被纳入了单片机。
还有其他一些基本数字控制系统的变化。
如图1.5的另一种类型数字控制系统展示的是设定参考点是读取键盘或者是硬编码到控制算法。
因为传感器输出模拟信号,它被A/D转换器转换为数字形式并且由此产生的数字信号反馈到计算机中对错误的信号进行计算并被用来实施控制算法。
数字控制理论发展的目的是能够在用计算机作为控制器的系统中理解、设计和建立控制系统。
除了的正常控制任务,计算机可以履行监督职能,如从一个键盘读入数据,屏幕上显示数据,或液晶显示、控制灯或一个蜂音器的开或关等。
图16显示一个典型的闭环模拟速度控制系统,电机期望的速度是使用电位计实现的。
一个转速传感器对马达的速度产生电压均衡,这个信号是用在一个反馈回路及为了产生错误信号减去期望值。
基于这一误差信号功率放大器驱动引擎获得期望的速度。
只要误差信号为零马达就会旋转到期望的速度。
数字速度控制系统的等效图示于图1.7。
在这里,期望的速度从键盘输入数字控制器。
该控制器也收到转速传感器转换输出信号。
控制器通过期望的速度减去转速传感器的数据来计算出误差信号。
然后用D/A转换器将信号转换为模拟形式并且反馈给功率放大器。
然后功率放大器驱动电机工作。
自从速度控制可以使用一种模拟方法来实现，有人可能会问为么用数字计算机。
数字计算机在20世纪60年代是非常大也非常昂贵的设备而且把它用作控制器是不划算的。
他们可能只会用于非常大和昂贵的设备,如大型化工厂等或炼油厂。
自从70年代早期微处理器被引进后数字计算机的成本及大小被大大降低。
早期的微处理器,如英特尔8085或MostekZ80，非常有限而且在它们作为处理单元之前还需要一些芯片。
所需的芯片是只读存储器（ROM）用来存储用户程序,随机访问存储器（RAM）来保存用户数据,输入-输出（I/O）电路、A/D和D/A转换器,中断逻辑,和时钟电路。
当所有这些芯片被放在一起的时候，芯片计数、功耗和基础硬件的复杂性是值得考虑的。
这些控制器形成微型计算机,它也可以用于许多中型和大型数字控制应用中。
数字控制的潮流在过去的几十年以来速增长的,同时引进了单片机。
一个单片机是一个单芯片计算机,包含了大多数计算机的特点,但是在有限的范围之内。
今天,有几百种规格的单片机,从8管脚，40管脚,甚至64或更多的管脚。
如,PIC16F877是一个8位,40管脚单片机，它有以下特点：
·
工作频率为20MHZ；
8K闪存；
368字节的RAM；
256字节电可擦可编程的只读存储器（EEPROM）；
;
15个中断源；
33位并行I/O能力；
2个定时器；
USART串口通信；
10位8通道A/D转换器；
2个模拟比较器；
33条指令；
支持汇编和高级语言；
低成本（每片大约10美元）。
闪存是是非易失性的用来存储用户程序。
这种存储器可以擦除和重新编程。
EEPROM是用来存储用户的非易失性的数据并且在程序控制下可以写入或读出。
单片机具有8K的程序存储器,在基本控制应用中这是相当大的。
此外,RAM是368字节的,这在控制算法的应用中也相当大的。
1.3集中式和分布式控制系统
直到20世纪80年代初,计算机才严格集中控制。
通常由一个大型计算机或小型机（如：
DECPDP11系列）用来控制设备。
计算机相关的功率供应、输入输出模块、键盘和显示单元都位于中央的位置。
集中控制的优点如下:
很容易管理计算机；
只有使用一台计算机；
更少的人力需求；
在一个集中控制系统,该控制器算法已被广泛采用于单一中央计算机。
因此,所有的传感器、执行器、输入和输出单元单位必须直接连接这个中央的计算机。
如今,分布式控制更是得到广泛的应用。
分布式控制系统（DCS）由安装在不同的地点一定数量的电脑组成,每台均完成一个独立的控制行为。
分布式控制已促使价格的大幅降低，进而计算机得到广泛应用。
同时,随着计算机网络的发展可以使计算机在局域网（LAN）互联,以及在一个宽的区域网络（WAN）互联。
DCS的主要优点如下:
分布式控制比集中式控制系统有更高性能；
分布式系统比集中式控制系统更加可靠。
在一个集中式控制系统中，如果计算机死机,整个设备就无法使用。
在DCS,如果一台计算机死机,只有一小部分会影响的设备和死机计算机的负荷电脑通常能被分配给其他的电脑；
一个DCS可以很容易的通过增加更多的计算机来扩展网络。
例如,如果10台计算机被用来控制10个烤箱的温度,然后如果烤箱的数量增加到15,这是很容易给网络加上比五台更多的电脑的；
DCS比集中控制系统更具灵活性,因为它可以轻松调节设备需求；
在DCS中的传感器与执行器能被连接到本地计算机上，这样就可以执行局部控制器算法。
因此,在一个分布式控制环境的本地计算机常用于直接数字控制（DDC）。
在一个DDC应用中，计算机只是用来完成设备的控制作用。
它也有可能给DDC计算机添加某种程度的监控行为,如显示传感器、输入与输出的值。
分布式控制系统通常用作客户端-服务器系统。
在这样一个系统如果一台计算机（或者需要更多）被指定为服务器并且执行共同的控制操作。
其他电脑系统被称为客户且它们服从和实施从服务器电脑发来的指示。
例如,一个客户端计算机的任务可以接受和格式化从一个传感器传来的模拟数据,然后每秒钟都给服务器电脑传送这些数据。
分布式控制系统通常存在于有限的区域,比如在一个工厂的综合设施,并且所有的电脑使用一根局域网电缆相互交流。
无线局域网系统逐渐变得受欢迎起来,而且也没有理由不使用无线局域网技术创建一个集散控制系统。
使用无线,系统重构就像安装或拆卸一台电脑那样简单。
1.4SCADA系统
SCADA这个词是监控和数据采集的缩写。
SCADA系统使用图形软件包集成了数据采集和系统监测和控制行为。
一个SCADA系统只不过是一个自定义的图形应用程序和所有必要的硬件。
它的开发可利用的流行可视化的编程语言,如visualC++或VB。
设计用户接口时应该使用良好的人机应接口技术。
另外,图形化编程语言,比如Labview或VisiDaq可以用来创建强大的,容易使用的SCADA系统。
在SCADA系统中用户可以进入一个图形屏幕,以监测或改变一个设备的设置。
SCADA系统包括硬件和软件两个方面,而且通常使用个人电脑（pc）来实现。
典型的硬件包括计算机、键盘、触摸屏、传感器和驱动装置。
它的软件是一个图形用户的接口形式,在这里设备的部分,传感器的数据和驱动装置的数据都可以被显示为各种各样的颜色在屏幕上的。
SCADA系统的优点是用户可以轻松的监控整个系统的状态。
这是很重要的因为一个SCADA系统必须确保安全和密码保护,以避免未授权用户访问控制屏幕。
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