实时控制程序基本流程，由两部分组成，对于单输入单 输出控制系统，见图12-1-1。 ➢初始化程序
初始化(initialize)程序也称主程序，用于设置控制系统输 入、控制参数、采样周期及输入/输出控制方式。 ➢控制服务程序
控制服务程序(control service routine)也称控制子程序， 在一个采样周期内完成一个控制步的所有操作。
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 0.0001º，测角范围0.0001º~359.9999º，精度为角秒级，用7位 BCD码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
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。
12.1.1 实时控制程序基本流程
h
需确定之参数为开环增益KV、微分时间常数Td及常数h，即
确定两个转折频率 2 、 3，见图12-2-3。
取开环剪切频率 c近似闭环
带宽10Hz，则有：
dB
c 2 10 62.8rad / s 取 2 c / 3，则有： Td 1 / 2 3 / c 0.048s
确选定取hT=d 20，0.0则5s ，
e(k)
1 N
N
ei (k)
i 1
（2）加权均值 每一采样周期取N次输入，求N次加权均值:
N
e(k) ci ei (k) i 1
N
ci 1
i 1
式中, c i :加权系数，由设计者依具体情况确定。
以上两种预处理模型，适用于变化较快的信号。 （3）一阶滤波算法
e f (k) ae f (k 1) (1 a)e(k) , 0 a 1 式中， e(k) :滤波器第k周期采样输入； ef(k):滤波器第k周 期输出； a :滤波系数。
20 -40
c 62.8
0 2
3
-40
图12-2-3 速率回路开环幅频特性
Gv (s)
K v (Td s 1) s 2 ( Td s 1)
K v (0.05s 1) s 2 (0.0025s 1)
h
由c 62.8rad / s，可确定
Kv Kd K m / J 1412.5rad / s
程序的质量用“时空”指标来衡量。 “时间”指标，指执行控制服务程序所需的时间，它关 系到计算时延的大小，影响到系统的性能。 “空间”指标，指程序所占的容量。 5 程序实现语言 有多种高级语言可用于实时控制，例如：C语言等，高 级语言之优点为编程较容易，修改也比较方便。 6 系统软件的支持 实时控制程序的编辑、调试、连接、运行等都离不开系 统软件的支持。充分利用系统软件及有关的子程序 (库)，可 以加速及简化控制软件的研制与开发。
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（0.0002º），又有足够的功率驱动被控对象。 3. 测角系统
3 其它问题的处理 （1） 对异常信号的处理
为使系统安全运行，对一些信号需进行巡回检测，并
设置相应的上、下限，超出限度时，为异常状态，产生报 警信号，并进行相应的处理，如:自动切换到手动状态等。
（2） 系统运行状态的显示及记录 （3）数制、代码转换程序
若A/D、D/A转换器的数字信号与控制算法所用数制、 代码不同，需设计转换程序。 4 程序的质量指标
12.2 高精度角位置伺服系统
显示器,键盘 打印机
主机 并行I/O接口
硬盘驱动器 计算机系统
转台
可逆计数器
速率控制
校正
D/A
及功放
力矩电机
角度增量编码器 角度七位显示
测角元件 前置放大
000．0000
A/D 测角系统
图12-2-1 角位置伺服系统框图
12.2.1 控制系统硬件结构
计算机控制的高精度角位置伺服系统硬件结构见图12-21，主要由四部分组成。 1. 计算机系统
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。
式 中 ， Kd： 衰 减 网 络 与 D/A 转 换 系 数 之 积 ； Km： 功 放 级 增 益，K m 8340g cm /V ；J：转动惯量，J 10000g cm s 2。
示器或打印设备，向操作人员提供有用的信息，操作人员可
通过键盘向计算机输入信息，以控制程序的运行，或设置、
修改、调试系统有关参数。
2 输入信号的预处理
为抑制各种环境干扰及量测噪声，对输入至计算机的采
样信号进行预处理有时是很需要的。
（1）算术均值
每一采样周期取N次输入，求N次的算术平均值作为本次
采样值：
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。位置控制选用非线性控制，为抑 制量测噪声，由一阶数字滤波实现反馈信号的预处理。
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
1．速率控制 速率回路开环传递函数：
Gv (s)
K v (Td s 1) s 2 ( Td s 1)
开始
主程序：初始化设置ຫໍສະໝຸດ N采样?Y
控 制
数据采集
t1
子
程
控制算法
t2
序
控制量的输出和存储 t3
图12-1-1 实时控制程序基本流程
12.1.2 实时软件设计
数字控制系统应用于工程中，软件（software）设计除上
述基本流程外，还需考虑以下几个问题:
1 人机对话程序
人机对话 ( man-machine interaction)是指计算机通过显