嵌入式控制系统原理及设计
第1章 嵌入式控制系统基础
1.2 嵌入式控制系统
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1.2.1 嵌入式控制系统的概念
到目前为止，尚未形成嵌入式控制系统的统一定义。 一般地，嵌入式控制系统指一个基于嵌入式系统技术的自动控制系统，其中 嵌入式计算机可以嵌入到控制系统的某个或某些部件，这些部件可以是比较 元件、校正元件、测量元件、执行元件，或者用于系统检测和故障诊断的部 件。 实际上，大部分嵌入式系统都可以归纳到嵌入式控制系统的行列，如智能扫 地机器人、工业机器人、无人机等。
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1.2.2 嵌入式控制系统的工作原理
【嵌入式控制系统工作原理】 嵌入式控制器的其他工作任务： （3）人机交互：当系统处于人机协作状态或调试阶段时，操作和调试人员需修 改系统的参数、控制系统的进程或其他的操作。此时，嵌入式控制装置需要提 供相应的功能。 （4）通信：当需要和其余同时存在于大系统中的自动控制系统协作完成某些复 杂的控制目标时，它需要和其他控制装置通信，以交互信息1.2.2 嵌入式控制系统的工作原理
【嵌入式控制系统工作原理】
参考 输入
嵌入式控制装置
ADC
嵌入 式 微处 理器
DAC ADC
放大元件
执行 元件 检测 元件
被控对象
被控 量
• 当嵌入式计算机取代了连续控制系统中的比较元件和校正元件后，成为控制系统的核心部件， 其基本任务应包括承担所取代的元件的功能。
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1.2.2 嵌入式控制系统的工作原理
【回顾】自动控制系统（闭环控制系统）的工作原理
比较 元件 参考 输入
校正 元件
放大 元件
执行 元件
被控对象
被控 量
检测 元件
• 利用偏差消除偏差，即校正元件根据比较元件求得的参考输入与检测元件反馈的被控量之 间的偏差产生控制量，经由放大元件后驱动执行元件，使得被控对象的状态发生变化，实 现被控量与参考输入之间无偏差。
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1.2.3 嵌入式控制系统的优势
3.精度高、稳定性好、抗干扰能力强。 在模拟控制系统中精度由元件的精度决定，由于模拟元件的参数随着工作环 境、工作时间不可避免的出现漂移和变化，控制的精度达10−3级别已属不易。 嵌入式控制器的精度由字长决定，可根据系统要求精度确定和调整变量的类 型和表示形式，达到所需要的精度，因而往往可以取得比模拟控制更好的精 度。且嵌入式控制器的精度并不随工作环境和时间产生漂移，具有较好的稳 定性。
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1.2.1 嵌入式控制系统的概念
为理解嵌入式计算机如何应用于自动控制系统，首先回顾连续控制系统组成。
图1.11中除了被控对象以外，系统部件均由模拟、数字等独立元件或集成器 件构成，包括各种门电路、运算放大器、功率放大器等有源器件和电阻、电 容、电感等无源器件。
比较元件 参考输入
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1.2.1 嵌入式控制系统的概念
参考 输入
嵌入式控制装置
ADC
嵌入 式 微处 理器
DAC ADC
放大元件
执行 元件 检测 元件
被控对象
被控 量
其次，由于嵌入式计算机只能串行的处理指令，因而控制回路中的信号更新 也由原来的连续，变为离散，即在嵌入式计算机输出更新后信号时，控制回 路的信号发生明显变化。
• 嵌入式控制器（嵌入式计算机）的基本任务：求取偏差（比较元件）和控制量（校正元件）。
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1.2.2 嵌入式控制系统的工作原理
【嵌入式控制系统工作原理】
嵌入式控制器的基本工作任务及流程：
• 读取参考输入与被控量 • 计算偏差（参考输入-被控量） 参考输入 • 调用控制算法计算控制量
参考 输入
嵌入式控制装置
ADC
嵌入 式 微处 理器
DAC ADC
放大元件
执行 元件 检测 元件
被控对象
被控 量
首先，控制回路中传输的信号不再全部是模拟信号。
因为嵌入式计算机只能处理数字量，所以常用ADC将检测元件输出的模拟电信号转 化成计算机可以输出的数字信号；
同时还需用DAC将计算机输出的数字量转化为可以驱动放大元件的模拟信号，以使 得后续的系统部件可以正常工作。
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1.2.3 嵌入式控制系统的优势
4．符合控制与管理一体化的发展趋势，具有较强生命力。。 现代化生产中，计算机不仅担负着生产过程的控制任务，而且，也兼负着工 厂企业的管理任务，从收集商品信息、情报资料、制定生产计划、产品销售 到生产调度、仓库管理都实现计算机化，使得工厂的自动化程度进一步提高。 当前，嵌入式控制系统实际上已经成为工业控制、国防军事和航空航天等大 多数领域的技术方案，正在潜移默化的改变着世界和未来，具有极其广泛的 发展前景。
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1.2.3 嵌入式控制系统的优势
2.能够有效地克服随机扰动，及器件老化等因素导致的参数漂移。 另外，模拟电路构成的控制器由于采用的元器件参数本身就会随着使用环境 的温度发生漂移，随着使用时间产生老化，因而模拟控制器很难保证控制质 量始终如一。嵌入式计算机属于数字部件，数字信号对模拟噪声和干扰具有 一定的容忍度，在一定的范围内，可以提供比模拟控制器更稳定的控制品质。 即便因使用时间和频率，器件有部分老化，也不至于影响计算的准确性和精 度。
校正元件
放大元件
执行元件
被控对象
被控量
检测元件
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（1）测量元件，其功能是检测被控量的物理量，如果这个物理量是非电量，则将 其装换成电量。 （2）比较元件，其功能是把测量元件检测的被控量实际值与参数输入进行比较， 求出它们之间的偏差。 （3）校正元件，它是结构或参数便于调整的元部件，对比较元件输出的偏差信号 进行某种变换或运算，产生控制量，用于改善系统的性能。 （4）放大元件，其功能是将校正元件给出的信号进行放大，以推动执行元件去改 变控制对象的被控量。
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参考 输入
嵌入式控制装置
ADC
嵌入 式 微处 理器
DAC ADC
放大元件
执行 元件 检测 元件
被控对象
被控 量
最后，控制系统的设计和分析方法也需要根据系统的变化进行调整，否则造成理论 研究结果和实际应用的脱节。
例如，只有在系统具有固定、统一的控制周期，且控制周期远小于被控对象的主要 时间常数时，连续系统的分析与设计方法才能应用于嵌入式控制系统的分析与设计； 否则需要采用采样控制系统或混杂系统（Hybrid Systems）的相关理论和方法。
（2）这些工作在控制系统工作过程中周而复始的进行。 （3）这些工作是微处理器通过执行相关代码完成的。 （4）微处理器执行代码需要一定的时间（T），因而
微处理器的控制量更新是离散的。
开始 读取 输入信 号
读取 被控量 计算 误差 控制 算法
控制 量输出 返回
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1.2.2 嵌入式控制系统的工作原理
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1.2.3 嵌入式控制系统的优势
1.实现复杂、灵活的控制规律，提高控制质量，提高及实现系统的智能化。 常规的模拟电路只能实现比例-积分-微分（PID）调节规律、相角超前/滞后 等比较简单的控制算法，计算机控制能够实现如多变量解耦控制、最优控制、 神经网络控制等复杂的控制算法，可以在线调整控制算法的结构和参数，为 控制质量的提高提供了良好的基础。
嵌入式控制装置
ADC
嵌入 式 微处 理器
DAC ADC
放大元件
• 输出控制量
注意：（1）上述四项工作为完成一次控制量输出（更新）所进行的。
执行 元件 检测 元件
被控对象
被控 量
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1.2.2 嵌入式控制系统的工作原理
T
【嵌入式控制系统工作原理】 嵌入式控制器的基本工作任务及流程： 注意：（1）上述工作为完成一次控制量输出（更新）所进行的。
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1.2.1 嵌入式控制系统的概念
当嵌入式计算机取代比较元件和补偿元件，成为自动控制系统的控制装置核 心部件后，控制系统将发生如下变化。
参考 输入
嵌入式控制装置
ADC
嵌入 式 微处 理器
DAC ADC
放大元件
执行 元件 检测 元件
被控对象
被控 量
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1.2.1 嵌入式控制系统的概念
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1.2.3 嵌入式控制系统的优势
2.能够有效地克服随机扰动，及器件老化等因素导致的参数漂移。 实际的控制系统运行过程中，扰动因素很多，且多数扰动是难以预知的，模 拟器件组成的控制器一旦投入运行，其参数很难实现随着环境动态调整。嵌 入式计算机参与控制以后，可根据实时检测到的数据，用数值滤波、预估算 法提高信号的信噪比、估计过程动态，进而实施控制，保证在扰动存在时仍 能具有满意的控制效果。
【嵌入式控制系统工作原理】 嵌入式控制器的其他工作任务： （1）系统初始化：为完成基本工作任务设置控制器的硬件和软件环境。 （2）系统状态与故障的检测与诊断：在系统运行过程中，检测其他部件的状态， 以确保这些部件正处理正常状态；当发现系统的部件（如传感器、执行器等） 出现故障时，微处理器能够及时发现并定位故障，确定故障类型及部位，然后 做出相应的应急处理。