計算機(jī)控制技術(shù)信號處理視角教材結(jié)構(gòu)問題篇第1章.

計算機(jī)控制系統(tǒng)1.1.學(xué)習(xí)目標(biāo)定義術(shù)語系統(tǒng)（1.2）控制系統(tǒng)（1.3）計算機(jī)控制系統(tǒng)（1.4）列舉系統(tǒng)的基本特征（1.2）控制系統(tǒng)的基本工作過程（1.3）計算機(jī)控制系統(tǒng)的基本工作過程（1.4）計算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成要素（1.4）繪制計算機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖（1.4）比較模擬控制系統(tǒng)和計算機(jī)控制系統(tǒng)的異同（1.3）計算機(jī)控制系統(tǒng)典型架構(gòu)的異同（1.5）基于文檔設(shè)計與基于模型設(shè)計的異同（1.6）1.2. 系統(tǒng)定義國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T22031-2008亦指出，“系統(tǒng)是人造的、為了用戶或其他共利益者的利益而創(chuàng)建并使用的，以便在指定的環(huán)境中提供服務(wù)。這些系統(tǒng)可以用到下列一個或多個部分配制而成：硬件、軟件、人員、過程（如評審過程）、規(guī)程（如操作者指令）、設(shè)備和自然存在的實(shí)體（如水、有機(jī)物、礦石）?！?.2. 系統(tǒng)特點(diǎn)集合性關(guān)聯(lián)性涌現(xiàn)性整體性層次性目的性環(huán)境適應(yīng)性1.3. 控制系統(tǒng)1.3.1.控制控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)控制功能的系統(tǒng)，是單元部件、設(shè)備、過程等若干要素按照一定結(jié)構(gòu)組成的相互作用對象的集合。它能按照預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)對被控制對象的行為進(jìn)行校正，過程如下：（1）信息測量；（2）信息計算；（3）信息施效。1.3.2.從模擬控制到計算機(jī)控制如果控制系統(tǒng)的反饋回路由自動裝置實(shí)現(xiàn)而無需人工干預(yù)，就稱為自動控制系統(tǒng)。根據(jù)反饋回路自動裝置類型的不同，自動控制系統(tǒng)可以分為兩類：模擬控制系統(tǒng)（或稱連續(xù)控制系統(tǒng)）和數(shù)字控制系統(tǒng)（或稱離散控制系統(tǒng)）。前者的反饋回路通常采用機(jī)械裝置或模擬電子裝置實(shí)現(xiàn)，而后者的反饋回路多采用數(shù)字電子裝置實(shí)現(xiàn)。對于現(xiàn)代化生產(chǎn)過程，由于控制過程復(fù)雜，控制要求高，模擬控制系統(tǒng)已不能滿足需要，故多采用數(shù)字控制系統(tǒng)。這類應(yīng)用通常使用數(shù)字計算機(jī)作為控制器，因此，為了強(qiáng)調(diào)計算機(jī)是控制系統(tǒng)的重要組成部分，這類自動控制系統(tǒng)也被稱為計算機(jī)控制系統(tǒng)。1.4. 計算機(jī)

控制系統(tǒng)1.4.1.基本結(jié)構(gòu)計算機(jī)控制系統(tǒng)以自動控制理論和計算技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合計算機(jī)、自動控制和生產(chǎn)過程等多方面知識，用計算機(jī)硬件和軟件實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)反饋回路，是自動控制學(xué)科非常重要的分支。1.4.2.構(gòu)成要素硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)通信鏈路實(shí)時數(shù)據(jù)庫1.4.3.特點(diǎn)優(yōu)勢運(yùn)算精度高系統(tǒng)穩(wěn)定性好工作效率高靈活性好劣勢數(shù)字計算固有的有限精度問題會引入額外的誤差；系統(tǒng)動態(tài)特性會因計算機(jī)控制的離散時間特性而發(fā)生變化；高性能控制算法的工程實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜；計算機(jī)控制系統(tǒng)頻帶較模擬控制系統(tǒng)變窄，系統(tǒng)運(yùn)行速度受到較大限制。1.5. 計算機(jī)控制系統(tǒng)的典型架構(gòu)1.5.1.操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)被控對象的狀態(tài)參數(shù)經(jīng)測量單元、采樣保持器（S/H）采樣后，被模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入計算機(jī)控制器，計算后產(chǎn)生控制決策輸出。但是，計算機(jī)控制器的輸出與執(zhí)行單元沒有連接在一起，必須經(jīng)操作員判斷分析后，再決定是否用于控制操作。1.5.2.直接數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)類似，不同的是，直接數(shù)字控制系統(tǒng)的計算機(jī)輸出經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和采樣保持器（S/H）與執(zhí)行單元直接連接。因此，直接數(shù)字控制系統(tǒng)的計算機(jī)除具備實(shí)時測量和實(shí)時決策功能之外，還具有實(shí)時施效功能。其輸出直接作用于執(zhí)行單元，對被控對象行為進(jìn)行實(shí)時校正。1.5.3.監(jiān)督控制系統(tǒng)在操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)和直接數(shù)字控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展，可以看作二者的結(jié)合。具有兩級結(jié)構(gòu)，底層的直接控制級可以看作直接數(shù)字控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)生產(chǎn)過程的就地控制；高層的監(jiān)督控制級則可以看作操作指導(dǎo)系統(tǒng)，任務(wù)是調(diào)整直接控制級的工作狀態(tài)，使其一直保持最優(yōu)。1.5.4.分布式控制系統(tǒng)又稱集散控制系統(tǒng)，是以計算機(jī)為核心，按照"分散控制、集中操作、分級管理"原則構(gòu)建的多層耦合式信息綜合控制系統(tǒng)。它是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，常采用三級結(jié)構(gòu)，通過高速數(shù)據(jù)通道對不同物理位置的DDC控制器進(jìn)行集中操作1.5.5.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)以現(xiàn)場總線為核心的全分布式遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。功能和分布式控制系統(tǒng)相同，但采用現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，將分布式控制系統(tǒng)的集中管理功能分散到各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)徹底的分布式控制。1.5.6.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)將不同位置的傳感器、執(zhí)行器和控制器通過信息網(wǎng)絡(luò)連接而成的全分布式實(shí)時反饋控制系統(tǒng)。根據(jù)傳輸媒介的不同，信息網(wǎng)絡(luò)可以是有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)或混合網(wǎng)絡(luò)，包括現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、無線通信網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)等多種形式與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)相同，但使用的網(wǎng)絡(luò)不同：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)使用信息網(wǎng)絡(luò)連接智能儀表，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)則使用工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。信息網(wǎng)絡(luò)是公用網(wǎng)絡(luò)，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是專用網(wǎng)絡(luò)，1.6. 計算機(jī)控制系統(tǒng)的工程方法1.6.1.工程方法的必要性發(fā)展已近百年，計算機(jī)控制技術(shù)已經(jīng)滲透到現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的方方面面，其功能也從最初以硬件為主導(dǎo)的單純的控制操作功能逐漸演化為軟件主導(dǎo)的運(yùn)營技術(shù)、通信技術(shù)和信息技術(shù)融合的綜合事務(wù)管理功能。與此相適應(yīng)，計算機(jī)控制系統(tǒng)必需考慮的設(shè)計要素越來越多，通用的圖靈機(jī)模型已不適用。設(shè)計人員需要一種可預(yù)測的結(jié)構(gòu)化方法，以便闡明被控對象和控制器的行為關(guān)系、以及系統(tǒng)本身和其內(nèi)部組件之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，并據(jù)此對系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析，驗證其正確性，評估其成本、性能和功耗，最終完成由運(yùn)算設(shè)備、存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備組成的異構(gòu)計算實(shí)現(xiàn)。1.6.2.基于產(chǎn)品生命周期的工程方法基于產(chǎn)品生命周期管理的工程方法是一種系統(tǒng)化、規(guī)則化的多學(xué)科方法。它以產(chǎn)品為核心，針對不同生產(chǎn)階段的利益相關(guān)者需要，確定該階段應(yīng)該解決的實(shí)際問題，并在平衡開發(fā)成本、項目進(jìn)度和技術(shù)性能指標(biāo)的前提下，提供實(shí)際問題的綜合解決方案1.6.3.基于文檔的設(shè)計傳統(tǒng)項目多使用基于文檔的設(shè)計方法滿足項目可追溯性要求?；谖臋n的設(shè)計是一種“以文檔為中心”的建模方法，側(cè)重于使用文檔闡述現(xiàn)代信息系統(tǒng)的生產(chǎn)活動，并通過分層樹來規(guī)范和傳遞用戶需求。1.6.4.基于模型的設(shè)計基于模型的設(shè)計是“支持以概念設(shè)計階段開始并持續(xù)貫穿于開發(fā)和后期的生命周期階段的系統(tǒng)需求、設(shè)計、分析、驗證和確認(rèn)活動的正規(guī)化建模應(yīng)用”。它是“以模型為中心”的形式化建模應(yīng)用，能夠貫穿產(chǎn)品的全生命周期，通過邏輯連貫的多視角模型對產(chǎn)品進(jìn)行跨領(lǐng)域的追蹤和驗證，進(jìn)而驅(qū)動產(chǎn)品開發(fā)的需求、設(shè)計、分析、驗證和確認(rèn)活動。1.6.4.基于模型的設(shè)計VS第2章.

信號采樣和重構(gòu)2.1.學(xué)習(xí)目標(biāo)定義術(shù)語信息（2.2）信號（2.2）信息熵（2.2）奈奎斯特頻率（2.3）數(shù)字化頻率（2.4）列舉計算機(jī)控制系統(tǒng)的信號形式（2.2）復(fù)述信號的采樣過程（2.3）采樣定理（2.3）基于零階保持法的信號重構(gòu)過程（2.4）采樣保持電路工作過程（2.5）解釋頻率混疊產(chǎn)生原因（2.3）2.1.學(xué)習(xí)目標(biāo)（續(xù)）給定情況下，依據(jù)采樣定理，計算周期信號/準(zhǔn)周期信號/非周期信號的采樣周期/采樣頻率（2.3）含噪聲有限帶寬信號的采樣周期/采樣頻率（2.3）給定采樣周期/采樣頻率時，計算系統(tǒng)的奈奎斯特頻率及其允許采樣信號的帶寬（2.3）給定系統(tǒng)的奈奎斯特頻率時，計算系統(tǒng)的采樣周期/采樣頻率及其允許采樣信號的帶寬（2.3）給定情境下，設(shè)計抗混疊濾波器（2.3）采樣保持電路（2.5）2.2. 計算機(jī)控制系統(tǒng)的信號問題2.2.1.信號問題控制器處理的信號和表示被控制對象行為的信號是不一樣的，這樣得到的行為校正結(jié)果可信嗎？2.2.2.信息與信號從系統(tǒng)設(shè)計和工程應(yīng)用的角度來說，技術(shù)人員普遍接受哈特萊于1928年提出的定義，認(rèn)為“信息是被消除的不確定性”。目前，技術(shù)人員普遍認(rèn)同的觀點(diǎn)是：信號是任何能夠傳遞和交換信息的隨時間或空間變化的物理量，是信息的載體。2.2.3.信息度量在香農(nóng)信息論中，信息是事物運(yùn)動狀態(tài)或存在方式的不確定性的描述，信號是信息的物理表現(xiàn)形式。同一信息可以用不同形式的信號來表現(xiàn)，同一信號也可以同時承載多個不同的信息。為了確保系統(tǒng)能夠有效地傳輸信息，人們提出信息度量的概念，以描述信號所包含的信息量。因為信源被限制為某一具有先驗概率的隨機(jī)過程，所以，系統(tǒng)產(chǎn)生和傳輸?shù)男盘柖伎梢杂秒S機(jī)變量表示。在這種情況下，信息度量可以被視為隨機(jī)變量承載信息的概率測度，用信息熵表示。

2.2.4.問題描述2.3. 信號采樣2.3.1.采樣過程

2.3.3.采樣定理

2.3.4.工程中的采樣采樣定理描述的是使用理想采樣開關(guān)對有限帶寬信號采樣的情形。它與工程中的采樣存在不同，主要表現(xiàn)在兩個方面：工程信號是非周期連續(xù)信號，其頻譜具有無限帶寬，不符合應(yīng)用采樣定理的前提工程中的采樣開關(guān)閉合與斷開都需要一定的時間，而不會像理想采樣開關(guān)一樣瞬時通斷2.3.4.工程中的采樣（續(xù)1）頻率混疊工程信號具有無限帶寬對策使用抗混疊濾波器2.3.4.工程中的采樣（續(xù)2）采樣脈沖抖動工程中的采樣開關(guān)不會瞬時通斷對策合理選擇采樣頻率2.4. 信號重構(gòu)2.4.1.香農(nóng)重構(gòu)利用理想低通濾波器截取采樣信號的主頻譜分量，再通過傅立葉逆變換重構(gòu)原信號本質(zhì)是一種線性非因果插值運(yùn)算可以準(zhǔn)確地再現(xiàn)原信號，但僅適用于周期采樣的有限帶寬信號，且需要獲得整個時間域的采樣信號2.4.2.保持法重構(gòu)利用采樣信號歷史數(shù)據(jù)外推連續(xù)信號輸出是一種非線性因果重構(gòu)利用采樣信號的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行插值運(yùn)算，是滿足工程要求的信號重構(gòu)方法。2.4.2.保持法重構(gòu)（續(xù)1）

2.4.2.保持法重構(gòu)（續(xù)2）本質(zhì)上是一個低通濾波器2.5. 采樣保持電路2.5.1.基本電路采樣保持器是完成信號采樣和重構(gòu)運(yùn)算的物理器件原理電路由采樣開關(guān)和低通濾波器串聯(lián)得到2.5.1.基本電路（續(xù)）采樣階段采樣開關(guān)徹底閉合，保持電容完成充電過程，其電壓同步原始輸入，采樣信號跟隨原始輸入信號變化。采樣階段向保持階段轉(zhuǎn)換的過渡階段采樣開關(guān)斷開瞬間，采樣信號被鎖定為開關(guān)斷開瞬間的值（采樣值）。保持階段采樣開關(guān)徹底斷開，保持電容通過負(fù)載電路放電，采樣信號維持采樣值，幾乎不會變化。保持階段向采樣階段轉(zhuǎn)換的過渡階段采樣開關(guān)閉合瞬間，保持電容開始充電。2.5.2.采樣保持器用兩個運(yùn)算放大器做輸入輸出緩沖，并用電子開關(guān)代替機(jī)械開關(guān)，能夠切實(shí)改善采樣保持電路的響應(yīng)速度。兩級運(yùn)算放大器串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，也放大了OP1的噪聲，降低了采樣信號的精度。串聯(lián)型采樣保持器2.5.2.采樣保持器（續(xù)）無論采樣階段還是保持階段，OP2輸出都在跟蹤輸入變化，因此，響應(yīng)速度比串聯(lián)型采樣保持器更快同時，OP1的噪聲不會被放大，采樣保持器的精度得到顯著改善反饋型采樣保持器分析篇第3章.

連續(xù)對象的離散行為3.1.學(xué)習(xí)目標(biāo)定義術(shù)語脈沖傳遞函數(shù)（3.4）混合系統(tǒng)（3.6）列舉連續(xù)對象的行為描述方法（3.2）離散對象的行為描述方法（3.4）對象間的運(yùn)算方式（3.6）解釋結(jié)構(gòu)圖的意義（3.2）信號流圖的意義（3.2）脈沖傳遞函數(shù)的意義（3.4）混合系統(tǒng)的特殊性（3.6）3.1.學(xué)習(xí)目標(biāo)（續(xù)）手工（或使用計算機(jī)**）繪制給定連續(xù)對象的結(jié)構(gòu)圖/信號流圖（3.2，3.3）給定離散對象的結(jié)構(gòu)圖/信號流圖（3.4，3.5）給定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖/信號流圖（3.6，3.7）手工（或使用計算機(jī)**）求解給定離散對象的脈沖輸出序列/脈沖傳遞函數(shù)（3.4，3.5）給定離散系統(tǒng)的脈沖輸出序列/脈沖傳遞函數(shù)（3.6，3.7）給定混合系統(tǒng)的脈沖輸出序列/脈沖傳遞函數(shù)（3.6，3.7）比較結(jié)構(gòu)圖和信號流圖（3.2，3.4）微分方程/差分方程描述和傳遞函數(shù)/脈沖傳遞函數(shù)描述（3.2，3.4）連續(xù)域和離散域的狀態(tài)空間表示（3.4）3.2. 連續(xù)對象的行為描述3.2.1.圖形表示法定性描述連續(xù)對象行為的結(jié)構(gòu)化方法不需要數(shù)學(xué)公式即可創(chuàng)建，能清晰刻畫對象的輸入輸出關(guān)系不僅是定量描述對象行為的基礎(chǔ)，且有助于識別對象的基本性質(zhì)（如因果性等）。3.2.1.圖形表示法（續(xù)1）結(jié)構(gòu)圖將物理對象抽象為多端口網(wǎng)絡(luò)的圖形化表示包括兩個組成部分：表示對象功能的矩形（或稱網(wǎng)絡(luò)）和表示對象與環(huán)境交互作用的線段（或稱端子）通常分為能量耦合網(wǎng)絡(luò)和信號耦合網(wǎng)絡(luò)兩類3.2.1.圖形表示法（續(xù)2）信號流圖使用經(jīng)有向線段連接的節(jié)點(diǎn)集合表示線性代數(shù)方程組，以描述信號耦合網(wǎng)絡(luò)只適用于線性系統(tǒng)，且主觀性很強(qiáng)其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)未必反映物理系統(tǒng)的真實(shí)結(jié)構(gòu)其表示的線性代數(shù)方程組也不一定具有因果性3.2.2.解析表示法定量描述連續(xù)對象行為的方法關(guān)注的是信息傳輸過程它使用微分方程組描述連續(xù)對象的輸入輸出關(guān)系，通過信號流或功率流隨時間或空間的變化來表現(xiàn)信息傳輸過程3.2.2.解析表示法（續(xù)1）微分方程描述是“工作點(diǎn)附近的小信號輸入”的影響，其輸出是對象運(yùn)動狀態(tài)由此產(chǎn)生的增量，而不是對象自身的運(yùn)動狀態(tài)隱含兩個假設(shè)條件：對象原本處于相對靜止?fàn)顟B(tài)；對象僅在工作點(diǎn)附近運(yùn)動3.2.2.解析表示法（續(xù)2）傳遞函數(shù)對象輸出變量拉普拉斯變換與對象輸入變量拉普拉斯變換的比無法反映對象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也隱含零初始條件的假設(shè)，并只能描述工作點(diǎn)附近的小范圍運(yùn)動增量僅反映對象自身的固有屬性，而與輸入的共軛變量無關(guān)3.2.2.解析表示法（續(xù)3）狀態(tài)空間方程建立在狀態(tài)空間上的連續(xù)對象輸入輸出描述狀態(tài)變量的選擇不具有唯一性3.4. 離散觀察：計算機(jī)視角的對象行為離散觀察：計算機(jī)視角的對象行為3.4.1.圖形表示法結(jié)構(gòu)圖外觀沒有變化，除了圖形標(biāo)注因為問題域的改變而不同信號流圖與結(jié)構(gòu)圖類似用點(diǎn)劃線表示信號形式變化的位置3.4.2.解析表示法差分方程通過同步采樣微分方程的輸入和輸出而得到只能描述采樣點(diǎn)上的輸出，對采樣點(diǎn)之間的輸出變化則無能為力由此導(dǎo)致離散系統(tǒng)本質(zhì)上是時變系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)差分方程的代數(shù)表示先對傳遞函數(shù)進(jìn)行頻域采樣，再進(jìn)行變量代換狀態(tài)空間方程通過人為定義的狀態(tài)變量把高階差分方程等效為一階差分方程組形式上與連續(xù)對象的狀態(tài)空間方程一樣描述離散對象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.6. 混合系統(tǒng)的行為描述3.6.1.混合系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)由若干具有連續(xù)動態(tài)行為的離散狀態(tài)集描述的系統(tǒng)被稱為混合系統(tǒng)3.6.2.混合系統(tǒng)的行為描述混合系統(tǒng)行為描述基礎(chǔ)是在連續(xù)時間子系統(tǒng)行為描述的基礎(chǔ)上，通過引入狀態(tài)機(jī)表示離散事件子系統(tǒng)，用一個分層的并行計算框架把二者結(jié)合起來，使現(xiàn)代工業(yè)體系同時描述生產(chǎn)過程流動性和跳躍性的要求得以滿足其分析和設(shè)計方法雖然日趨成熟，并在工程領(lǐng)域得到普及應(yīng)用，但仍然以計算機(jī)仿真實(shí)驗為主，缺少普適的解析方法3.6.2.混合系統(tǒng)的行為描述例題3-15供熱、通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)（HVAC：Heating，VentilatingandAirCondoning）系統(tǒng)能夠同時滿足特定空間對溫度、濕度、輻射能和空氣質(zhì)量的要求，廣泛應(yīng)用于汽車、制造業(yè)和建筑業(yè)等領(lǐng)域，以滿足用戶對舒適度、清潔度和環(huán)境保護(hù)的要求。若用圖3?77表示其溫度調(diào)節(jié)過程，試建立相應(yīng)的混合系統(tǒng)描述3.6.2.混合系統(tǒng)的行為描述例題3-15供熱、通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)（HVAC：Heating，VentilatingandAirCondoning）系統(tǒng)能夠同時滿足特定空間對溫度、濕度、輻射能和空氣質(zhì)量的要求，廣泛應(yīng)用于汽車、制造業(yè)和建筑業(yè)等領(lǐng)域，以滿足用戶對舒適度、清潔度和環(huán)境保護(hù)的要求。若用圖3?77表示其溫度調(diào)節(jié)過程，試建立相應(yīng)的混合系統(tǒng)描述3.6.2.混合系統(tǒng)的行為描述例題3-16

3.6.2.混合系統(tǒng)的行為描述例題3-16

3.6.3.模型互連串聯(lián)連接兩個或兩個以上子系統(tǒng)首尾相連，前一個子系統(tǒng)的輸入是后一個子系統(tǒng)的輸出并聯(lián)連接兩個或兩個以上子系統(tǒng)跨接在相同的兩個節(jié)點(diǎn)之間反饋連接子系統(tǒng)的輸出端返回并連接至其輸入端如果返回并連接至輸入端的信號與輸出端信號同相，則為正反饋連接；否則，為負(fù)反饋連接3.6.3.模型互連串聯(lián)連接3.6.3.模型互連并聯(lián)連接3.6.3.模型互連反饋連接3.6.3.模型互連例題3-19試求示系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)第4章.

期望：行為變化的描述4.1. 學(xué)習(xí)目標(biāo)定義術(shù)語時間響應(yīng)（4.2）頻率響應(yīng)（4.2）穩(wěn)定性（4.4）快速性（4.4）魯棒性（4.4）解釋穩(wěn)定性的意義（4.4）快速性的意義（4.4）魯棒性的意義（4.4）手工（或使用計算機(jī)**）計算單位脈沖響應(yīng)輸出序列（4.2，4.3）單位階躍響應(yīng)輸出序列（4.2，4.3）手工（或使用計算機(jī)**）判斷指定系統(tǒng)的穩(wěn)定性（4.4，4.5）4.1. 學(xué)習(xí)目標(biāo)（續(xù)）使用計算機(jī)繪制**伯德圖（4.5）奈奎斯特圖（4.5）手工（或使用計算機(jī)**）計算增益（4.3，4.4，4.5）阻尼比（4.3，4.4，4.5）固有頻率（4.3，4.4，4.5）上升時間（4.3，4.4，4.5）峰值時間（4.3，4.4，4.5）穩(wěn)定時間（4.3，4.4，4.5）穩(wěn)態(tài)誤差（4.3，4.4，4.5）幅值裕度（4.3，4.4，4.5）相位裕度（4.3，4.4，4.5）分析采樣周期對系統(tǒng)穩(wěn)定性/快速性/魯棒性的影響（4.4）4.2. 混合系統(tǒng)的時間響應(yīng)4.2.1.一般形式

4.2.1.一般形式例題4-1

4.2.2.典型響應(yīng)脈沖響應(yīng)系統(tǒng)輸入單位脈沖信號時的輸出序列可以看作模擬控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)的采樣可以用于直接計算任意輸入序列的輸出階躍響應(yīng)系統(tǒng)在單位階躍信號激勵下產(chǎn)生的輸出序列與脈沖響應(yīng)包含的系統(tǒng)輸出信息是相同的更容易產(chǎn)生，且系統(tǒng)響應(yīng)包括動態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩方面的內(nèi)容頻率響應(yīng)系統(tǒng)輸入為離散復(fù)指數(shù)信號的輸出序列描述系統(tǒng)對外部輸入中特定分量的反應(yīng)4.4. 基于頻域的行為分析4.4.1.穩(wěn)定性描述系統(tǒng)輸出長期趨勢的指標(biāo)，反映系統(tǒng)自由運(yùn)動的收斂性，是系統(tǒng)再平衡能力的定量指標(biāo)，也是決定系統(tǒng)能否正常工作的首要條件——因為只有穩(wěn)定的輸出才可以在現(xiàn)實(shí)世界持續(xù)存在4.4.1.穩(wěn)定性不穩(wěn)定穩(wěn)定穩(wěn)定臨界穩(wěn)定（不穩(wěn)定）4.4.1.穩(wěn)定性穩(wěn)定性判據(jù)特征方程根的位置代數(shù)判據(jù)朱利判據(jù)勞斯判據(jù)幾何判據(jù)奈奎斯特判據(jù)在伯德圖的應(yīng)用4.4.2.魯棒性也稱相對穩(wěn)定性，是對系統(tǒng)擾動適應(yīng)能力的描述通常用增益裕度、相位裕度或穩(wěn)定裕度表示4.4.2.魯棒性幅值裕度

相位裕度定義為幅頻特性曲線穿越零分貝線時的相位與線的距離反映系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)定極限所需要增加的相位滯后4.4.2.魯棒性幅值裕度

相位裕度定義為幅頻特性曲線穿越零分貝線時的相位與線的距離反映系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)定極限所需要增加的相位滯后4.4.2.魯棒性穩(wěn)定裕度定義為以點(diǎn)為圓心且與奈奎斯特曲線相切的圓的半徑反映奈奎斯特曲線到臨界點(diǎn)的最短距離4.4.3.快速性反映系統(tǒng)輸出跟隨輸入信號變化而變化的能力，是系統(tǒng)從一個穩(wěn)定狀態(tài)向另一個穩(wěn)定狀態(tài)遷移時發(fā)生的過渡過程的定量描述4.4.3.快速性時域指標(biāo)通過系統(tǒng)對外部指令的響應(yīng)速度進(jìn)行直觀解釋一般用單位階躍響應(yīng)4.4.3.快速性頻域指標(biāo)考慮到開環(huán)系統(tǒng)頻率特性曲線容易通過實(shí)驗獲得的事實(shí)，大多數(shù)分析設(shè)計場景更傾向于使用頻域指標(biāo)描述快速性決策篇第5章.

離散時間控制：模擬設(shè)計方法5.1. 學(xué)習(xí)目標(biāo)解釋模擬設(shè)計的基本思想（5.2）積分飽和產(chǎn)生的原因及其影響（5.4）數(shù)字微分的影響（5.4）列舉模擬設(shè)計步驟（5.2）常用的離散化方法（5.3）離散化方法引入的問題（5.4）消除或抑制積分飽和影響的技術(shù)方法（5.4）消除或抑制數(shù)字微分影響的技術(shù)方法（5.4）比較不同離散化方法的優(yōu)勢與局限（5.3）5.1. 學(xué)習(xí)目標(biāo)（續(xù)）計算模擬控制器的離散化結(jié)果：前向差分法（5.3）后向差分法（5.3）雙線性變換法（5.3）脈沖響應(yīng)不變法（5.3）階躍響應(yīng)不變法（5.3）設(shè)計PID數(shù)字控制器：選擇合適的控制器結(jié)構(gòu)（5.4，5.5）選擇合適的采樣周期（5.4，5.5）選擇合適的離散化方法（5.4，5.5）選擇合適的控制系數(shù)（5.4，5.5）5.2. 設(shè)計思想5.2.1.設(shè)計思想數(shù)字控制器輸出可以被視為模擬控制器輸出進(jìn)行抽取采樣的結(jié)果?；蛘哒f，數(shù)字控制器可以被視為一個數(shù)字濾波器，能夠通過衰減或增強(qiáng)特定頻帶信號而獲得與模擬控制器相同的時域輸出。于是，數(shù)字控制器設(shè)計可以模擬控制器設(shè)計的基礎(chǔ)上，借助信號處理領(lǐng)域成熟的數(shù)字濾波方法完成。5.2.2.具體步驟

如果滿足要求，設(shè)計結(jié)束；否則，提高采樣頻率并重復(fù)以上步驟，直到滿足要求。5.2.3.應(yīng)用條件離散化過程必須穩(wěn)定；離散化前后，控制器在采樣頻率范圍內(nèi)的頻率特性必須相同或高度相似。5.3. 離散化方法離散化方法前向差分法后向差分法雙線性變換法脈沖響應(yīng)不變法階躍響應(yīng)不變法零極點(diǎn)匹配法5.3.1.第一類近似：移動平均濾波離散化方法前向差分法后向差分法雙線性變換法脈沖響應(yīng)不變法階躍響應(yīng)不變法零極點(diǎn)匹配法5.3.1.第一類近似：移動平均濾波離散化方法前向差分法后向差分法雙線性變換法脈沖響應(yīng)不變法階躍響應(yīng)不變法零極點(diǎn)匹配法

5.3.1.第一類近似：移動平均濾波離散化方法前向差分法后向差分法雙線性變換法脈沖響應(yīng)不變法階躍響應(yīng)不變法零極點(diǎn)匹配法

5.3.1.第一類近似：移動平均濾波離散化方法前向差分法后向差分法雙線性變換法脈沖響應(yīng)不變法階躍響應(yīng)不變法零極點(diǎn)匹配法

5.3.2.第二類近似：加窗濾波離散化方法前向差分法后向差分法雙線性變換法脈沖響應(yīng)不變法階躍響應(yīng)不變法零極點(diǎn)匹配法5.3.2.第二類近似：加窗濾波離散化方法前向差分法后向差分法雙線性變換法脈沖響應(yīng)不變法階躍響應(yīng)不變法零極點(diǎn)匹配法

5.3.2.第二類近似：加窗濾波離散化方法前向差分法后向差分法雙線性變換法脈沖響應(yīng)不變法階躍響應(yīng)不變法零極點(diǎn)匹配法也稱零階保持等效法，要求等效數(shù)字控制器的階躍響應(yīng)與對應(yīng)模擬控制器的階躍響應(yīng)在采樣瞬時相等

5.3.2.第二類近似：加窗濾波離散化方法前向差分法后向差分法雙線性變換法脈沖響應(yīng)不變法階躍響應(yīng)不變法零極點(diǎn)匹配法要求等效數(shù)字控制器的零極點(diǎn)分布與模擬控制器相同，從而保證二者具有相同的動態(tài)性能5.4. 數(shù)字PID控制5.4.1.模擬PID控制基礎(chǔ)所謂PID控制，是對閉環(huán)系統(tǒng)偏差信號進(jìn)行比例運(yùn)算、積分運(yùn)算和微分運(yùn)算，并通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象實(shí)施控制。模擬PID控制器由三部分組成：比例控制環(huán)節(jié)、積分控制環(huán)節(jié)和微分控制環(huán)節(jié)。其中，比例控制環(huán)節(jié)決定了控制器性能的邊界，積分控制環(huán)節(jié)可以改善控制器的低頻性能，而微分控制環(huán)節(jié)則對控制器的高頻性能進(jìn)行修正。5.4.1.模擬PID控制基礎(chǔ)理想的比例控制器只會成比例地放大偏差輸入，而不會影響其相位。但是，引入比例控制后，原開環(huán)系統(tǒng)的幅頻特性曲線會向上平移，使截止頻率增大，相位裕度和響應(yīng)時間隨之減小，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性。整體來看，比例控制器結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)迅速，但存在穩(wěn)態(tài)誤差。比例控制環(huán)節(jié)5.4.1.模擬PID控制基礎(chǔ)

整體看來，積分控制器最大的優(yōu)勢是能消除穩(wěn)態(tài)誤差，且積分系數(shù)越大，消除穩(wěn)態(tài)誤差的能力越強(qiáng)。但是，與之相應(yīng)的，系統(tǒng)過渡時間也越長。積分控制環(huán)節(jié)5.4.1.模擬PID控制基礎(chǔ)

整體看來，微分控制器的優(yōu)勢是能引入超前控制，從而改善系統(tǒng)在高頻段的表現(xiàn)；但同時，微分控制會增大穿越頻率處的增益，從而損害增益裕度。微分控制環(huán)節(jié)5.4.2.數(shù)字PID控制模擬PID數(shù)字PID

5.4.3.離散化產(chǎn)生的問題與對策數(shù)字積分?jǐn)?shù)字微分5.4.3.離散化產(chǎn)生的問題與對策數(shù)字積分產(chǎn)生原因數(shù)字微分真實(shí)世界的執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出功率是有限的。但在數(shù)字控制器中，指令信號是數(shù)值運(yùn)算的結(jié)果，理論上可以無窮大，很可能會超出執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際可執(zhí)行范圍5.4.3.離散化產(chǎn)生的問題與對策數(shù)字積分產(chǎn)生原因積分飽和數(shù)字微分在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，當(dāng)指令信號要求的輸出，控制器輸出得以落實(shí)，控制效果符合預(yù)期；而當(dāng)指令信號要求的輸出，控制器輸出不會完全落實(shí)，實(shí)際控制效果會被削弱。此時，稱系統(tǒng)進(jìn)入飽和狀態(tài)5.4.3.離散化產(chǎn)生的問題與對策數(shù)字積分產(chǎn)生原因積分飽和對策數(shù)字微分

模擬PID控制器一般會使用鉗位二極管完成運(yùn)算而數(shù)字PID控制器則有更加靈活的解決方案5.4.3.離散化產(chǎn)生的問題與對策數(shù)字積分?jǐn)?shù)字微分產(chǎn)生原因在模擬PID控制器中，微分運(yùn)算是通過物理設(shè)備進(jìn)行的。由于設(shè)備自身慣性的影響，微分運(yùn)算不是理想微分，其輸出不會突變。但是，數(shù)字PID控制器的微分運(yùn)算是一種純粹的數(shù)學(xué)運(yùn)算。考慮到計算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣周期通常很小，數(shù)字PID的微分控制環(huán)節(jié)即使偏差不大，也很有可能產(chǎn)生巨大的輸出5.4.3.離散化產(chǎn)生的問題與對策數(shù)字積分?jǐn)?shù)字微分產(chǎn)生原因影響與積分飽和類似，數(shù)字微分引起的控制器突變也會迫使系統(tǒng)飽和，并產(chǎn)生超調(diào)。5.4.3.離散化產(chǎn)生的問題與對策數(shù)字積分?jǐn)?shù)字微分產(chǎn)生原因影響對策基本思想是修正數(shù)字微分算法以模擬物理設(shè)備的微分過程。具體做法是對數(shù)字微分結(jié)果進(jìn)行低通濾波，以把一個采樣周期內(nèi)產(chǎn)生的突變分配到多個（通常為3~10個）采樣周期，達(dá)到減弱振蕩的目的。5.4.4.參數(shù)整定選擇控制結(jié)構(gòu)純比例（P）控制。比例積分（PI）控制；比例積分微分（PID）控制；多回路控制選擇采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于被控對象的時間常數(shù)應(yīng)遠(yuǎn)小于被控對象的擾動周期，并與系統(tǒng)主要擾動成整倍數(shù)關(guān)系應(yīng)適應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度應(yīng)滿足控制品質(zhì)的要求。應(yīng)考慮純滯后時間，并盡量使其與滯后時間成整倍數(shù)關(guān)系選擇控制系數(shù)擴(kuò)充臨界比例度法經(jīng)驗整定法自整定法第6章.

離散時間控制：數(shù)字設(shè)計方法6.1. 學(xué)習(xí)目標(biāo)定義術(shù)語狀態(tài)（6.6）能控性（6.6）能觀性（6.6）解釋數(shù)字設(shè)計方法的基本思想（6.2）列舉數(shù)字設(shè)計的基本步驟（6.2）頻率響應(yīng)法的基本設(shè)計步驟（6.3）基于Ragazzini法的無限沖激響應(yīng)濾波設(shè)計步驟（6.4）基于Ragazzini法的有限沖激響應(yīng)濾波設(shè)計步驟（6.4）狀態(tài)空間設(shè)計的基本設(shè)計步驟（6.5）6.1. 學(xué)習(xí)目標(biāo)（續(xù)）比較模擬設(shè)計方法和數(shù)字設(shè)計方法（6.2）頻率響應(yīng)法、Ragazzini法和狀態(tài)空間設(shè)計法（6.3，6.4，6.6）開環(huán)觀測器、預(yù)測觀測器和實(shí)時觀測器（6.6）能控性和能慣性（6.6）手工（或使用計算機(jī)**）判斷系統(tǒng)能控性（6.6，6.6）系統(tǒng)能觀性（6.6，6.6）6.1. 學(xué)習(xí)目標(biāo)（續(xù)）手工（或使用計算機(jī)**）設(shè)計PID數(shù)字控制器

6.2. 設(shè)計思想6.2.1.設(shè)計思想與模擬設(shè)計方法相比，數(shù)字設(shè)計方法根據(jù)控制要求直接在離散域求解差分方程，既可以構(gòu)造IIR數(shù)字濾波器，也可以構(gòu)造FIR數(shù)字濾波器。6.3. 頻率響應(yīng)法6.3.1.基本思想

6.3.2.具體步驟

6.4. Ragazzini法6.4.1.基本思想無限沖激響應(yīng)濾波頻率響應(yīng)法的實(shí)質(zhì)是窗函數(shù)加權(quán)運(yùn)算在z平面可以使用Ragazzini法完成同樣的運(yùn)算有限沖激響應(yīng)濾波受窗函數(shù)影響，無限沖激響應(yīng)濾波器的頻率特性會不可避免地偏離期望為了獲得與期望特性完全一致的輸出，可以考慮使用有限沖激響應(yīng)濾波設(shè)計控制器6.4.2.Ragazzini法：無限沖激響應(yīng)濾波確定數(shù)字對象構(gòu)造系統(tǒng)特征多項式求解特征方程

構(gòu)造系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)

構(gòu)造數(shù)字控制器檢驗設(shè)計指標(biāo)6.4.3.Ragazzini法：有限沖激響應(yīng)濾波確定數(shù)字對象

確定數(shù)字控制器檢驗設(shè)計指標(biāo)6.5. 狀態(tài)空間設(shè)計法6.5.1.極點(diǎn)配置受被控對象零極點(diǎn)分布的限制，Ragazzini法只能對數(shù)字化對象反饋信號的有限頻率進(jìn)行梳狀濾波狀態(tài)空間設(shè)計法則假設(shè)系統(tǒng)的全狀態(tài)向量能夠被檢測，這樣就可以通過自由構(gòu)造梳狀濾波器，對反饋信號的特定成分進(jìn)行放大或衰減，以獲得與期望完全相同的系統(tǒng)響應(yīng)6.5.1.極點(diǎn)配置：原理

6.5.1.極點(diǎn)配置：求解反饋矩陣極點(diǎn)配置的實(shí)質(zhì)是通過反饋增益矩陣K將系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)移動到期望位置，從而改善系統(tǒng)動態(tài)特性。因此，反饋增益矩陣K的求解將是極點(diǎn)配置的重點(diǎn)。最直接的方法是比較閉環(huán)系統(tǒng)特征方程和期望特征方程的系數(shù)，利用待定系數(shù)求解反饋增益矩陣K。這種方法容易理解，但過程繁瑣,運(yùn)算量大，且不容易通過計算機(jī)實(shí)現(xiàn)。也可以先對被控對象的描述方程進(jìn)行非奇異變換，轉(zhuǎn)換為所謂的能控標(biāo)準(zhǔn)型后，再計算反饋增益矩陣。6.5.1.極點(diǎn)配置：求解反饋矩陣（續(xù)）將被控對象的描述方程變換為能控標(biāo)準(zhǔn)型寫出閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程寫出閉環(huán)系統(tǒng)的期望特征方程確定反饋增益矩陣6.5.2.狀態(tài)估計極點(diǎn)配置法需要檢測控制對象的所有狀態(tài)，但在實(shí)際工程中，大多數(shù)系統(tǒng)只能測量輸出變量，無法滿足全狀態(tài)反饋的要求。這種情況下，需要對不能直接測量的狀態(tài)變量進(jìn)行估計。6.5.2.狀態(tài)估計：狀態(tài)觀測器根據(jù)被控對象可用信息估計其狀態(tài)的系統(tǒng)就稱為狀態(tài)觀測器實(shí)際應(yīng)用中，它是一組通過計算機(jī)求解的差分方程，可以根據(jù)系統(tǒng)輸出和控制輸出來估算或觀測系統(tǒng)的狀態(tài)變量。最簡單的開環(huán)觀測器是一個按被觀測系統(tǒng)復(fù)制的模型，但狀態(tài)變量可以直接輸出。6.5.2.狀態(tài)估計：狀態(tài)觀測器（續(xù)）開環(huán)觀測器的構(gòu)造條件往往很難滿足，而且，對外界干擾的抗干擾性和對參數(shù)變動的靈敏度也很差。實(shí)際系統(tǒng)很多使用預(yù)測觀測器，即同時用輸出量和控制量估計系統(tǒng)狀態(tài)，并通過反饋控制估計質(zhì)量6.5.2.狀態(tài)估計：有狀態(tài)觀測的控制器6.5.2.狀態(tài)估計：實(shí)時觀測器

為獲得更好的實(shí)時性，可以考慮實(shí)時觀測器。6.5.3.能控性和能觀性能控性和能觀性是狀態(tài)空間解析和設(shè)計的兩個基本概念。前者討論系統(tǒng)在無約束控制向量的作用下，是否能夠在有限時間內(nèi)從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)移到任意指定狀態(tài)；而后者則是在系統(tǒng)輸出和控制序列已經(jīng)確定的條件下，討論系統(tǒng)狀態(tài)是否可以用有限時間的輸出序列和控制序列表示。6.5.3.能控性和能觀性：能控性對線性定常離散系統(tǒng)

6.5.3.能控性和能觀性：能觀性對線性定常離散系統(tǒng)

施效篇第7章.

從函數(shù)到算法7.1. 學(xué)習(xí)目標(biāo)定義術(shù)語：計算時延（7.2）量化（7.2）量化誤差（7.2）列舉時延問題產(chǎn)生的原因與對策（7.2）精度問題產(chǎn)生的原因與對策（7.2）可控實(shí)現(xiàn)形式的基本構(gòu)成要素（7.3）書寫系統(tǒng)的可控實(shí)現(xiàn)形式（7.3）繪制系統(tǒng)信號流圖，包括：基本型（7.4）串聯(lián)型（7.4）并聯(lián)型（7.4）7.1. 學(xué)習(xí)目標(biāo)（續(xù)）比較系統(tǒng)不同運(yùn)算結(jié)構(gòu)，主要考慮以下方面：運(yùn)算精度（7.4）運(yùn)算時間（7.4）占用資源（7.4）合理選擇系統(tǒng)的采樣周期/運(yùn)算速度（7.4）量化字長/運(yùn)算精度（7.4）使用LabVIEW編寫VI利用給定系統(tǒng)的可控實(shí)現(xiàn)形式計算控制器輸出（7.5）7.2. 計算問題7.2.1.計算時延引起的問題用計算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制律時，由于硬件和軟件的原因，控制輸出總會落后于采樣脈沖輸入，這種延遲被稱為計算時延，7.2.1.計算時延引起的問題（續(xù)）計算時延會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是計算機(jī)控制器物理實(shí)現(xiàn)需要考慮的一個問題計算時延可以等效為控制器與延遲環(huán)節(jié)的串聯(lián)。與采樣動作和施效動作等效的延遲環(huán)節(jié)，時間常數(shù)為ADC或DAC的工作時間；與控制律運(yùn)算過程等效的延遲環(huán)節(jié)，時間常數(shù)由控制算法決定。合理選擇程序結(jié)構(gòu)可以抑制計算時延的影響。7.2.2.量化引起的問題所謂量化，是把無限精度數(shù)字表示為有限精度數(shù)值的近似過程，也是連續(xù)信號在值域的離散化過程。具體到計算機(jī)控制系統(tǒng)，就是用有限字長的二進(jìn)制數(shù)值表示參與控制運(yùn)算的量程內(nèi)可無限取值的物理量7.2.2.量化引起的問題（續(xù)1）量化過程中，連續(xù)信號的無限取值可以被有限的離散數(shù)值集合代替。考慮到一個離散數(shù)值只能對應(yīng)一個連續(xù)信號，則信號在量化前后必然存在誤差。這種誤差稱為量化誤差，其大小除了與量化區(qū)間的數(shù)量有關(guān)外，還與量化過程的取整方式有關(guān)。7.2.2.量化引起的問題（續(xù)2）量化是計算機(jī)控制系統(tǒng)非線性效應(yīng)的一種，可能來自模擬信號與數(shù)字信號的信號轉(zhuǎn)換過程，也可能來自控制律的有限精度運(yùn)算過程。其直接影響是產(chǎn)生量化噪聲與極限環(huán)前者是一種類似電子噪聲的背景干擾，后者是幅值遠(yuǎn)超量化單位的低頻低強(qiáng)度振蕩。7.3. 可控實(shí)現(xiàn)形式7.3. 1.必要性

為了準(zhǔn)確求解，計算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)字控制器通常不直接使用脈沖傳遞函數(shù)計算控制輸出，而是將其轉(zhuǎn)換為可控實(shí)現(xiàn)形式再進(jìn)行計算。7.3. 2.可控實(shí)現(xiàn)形式數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)表示為有理分式形式，即

將等式兩邊有理分式的分子和分母交叉相乘，得

移位，得到計算當(dāng)前控制器的可控實(shí)現(xiàn)形式

7.4. 運(yùn)算結(jié)構(gòu)7.4.1.基本運(yùn)算單元7.4.2.直接型結(jié)構(gòu)

0型結(jié)構(gòu)

7.4.2.直接型結(jié)構(gòu)（續(xù)）

1型結(jié)構(gòu)

7.4.2.直接型結(jié)構(gòu)（續(xù)）直接型結(jié)構(gòu)（0型）的狀態(tài)空間直接型結(jié)構(gòu)（1型）的狀態(tài)空間7.4.3.串聯(lián)型結(jié)構(gòu)即此前使用的ZPK模型控制律系數(shù)即子環(huán)節(jié)的零極點(diǎn)，且不同子環(huán)節(jié)的零極點(diǎn)互不影響量化誤差較小，對零極點(diǎn)的漂移也不敏感，但運(yùn)算時間較長7.4.4.并聯(lián)型結(jié)構(gòu)若干一階環(huán)節(jié)與二階環(huán)節(jié)相加的形式與串行結(jié)構(gòu)比較，運(yùn)算速度更快，量化誤差更小，尤其適合于對零點(diǎn)位置要求嚴(yán)格的場合控制律系數(shù)同樣是子環(huán)節(jié)的零極點(diǎn)，亦互不影響，但無法對消，只能單獨(dú)調(diào)整子環(huán)節(jié)的極點(diǎn)位置，而不能調(diào)整零點(diǎn)位置。7.4.5.不同結(jié)構(gòu)的比較在數(shù)學(xué)上是等價的但運(yùn)算結(jié)構(gòu)不同，對控制系統(tǒng)的影響也不同直接型結(jié)構(gòu)的控制律系數(shù)不具有明顯的物理意義，敏感系數(shù)變化，不便調(diào)試，且運(yùn)算時間長，量化誤差大，一般不用于二階以上系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。串聯(lián)型結(jié)構(gòu)的控制律系數(shù)能夠反映零極點(diǎn)位置，不敏感系數(shù)變化，便于零極點(diǎn)對消，且對數(shù)據(jù)存儲空間的需求最小，運(yùn)算時間居中，量化誤差亦居中。并聯(lián)型結(jié)構(gòu)的控制律系數(shù)能夠反映零極點(diǎn)位置，不敏感系數(shù)變化，能單獨(dú)調(diào)節(jié)子環(huán)節(jié)的零點(diǎn)位置，但不能調(diào)整零點(diǎn)位置，運(yùn)算時間最短，量化誤差亦最小。第8章.

計算機(jī)控制：

軟硬件協(xié)同實(shí)現(xiàn)8.1. 學(xué)習(xí)目標(biāo)定義術(shù)語軟硬件協(xié)同設(shè)計（8.2）軟件（8.2）硬件（8.2）組件（8.2）接口（8.2）數(shù)字濾波（8.5）標(biāo)度變換（8.5）復(fù)述計算機(jī)控制系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)：信息處理角度（8.2）I/O接口的本質(zhì)：信息處理角度（8.2）線性標(biāo)度變換工作原理（8.5）列舉I/O接口的信號類型（8.2）I/O接口的信號處理要求（8.4）I/O接口的存儲器映射方式（8.4）I/O接口的信號讀寫策略（8.4）8.1. 學(xué)習(xí)目標(biāo)（續(xù)）比較數(shù)字濾波和模擬濾波（8.5）數(shù)字濾波算法（8.5）選擇數(shù)字控制器運(yùn)算平臺（8.3）數(shù)字控制器I/O接口（8.4）設(shè)計I/O接口地址譯碼（8.4）I/O接口數(shù)據(jù)緩沖（8.4）編寫I/O接口數(shù)據(jù)讀寫程序（8.6）數(shù)字濾波程序（8.5）標(biāo)度變換程序（8.5）8.2. 從信號耦合網(wǎng)絡(luò)到能量耦合網(wǎng)絡(luò)8.2.1.軟硬件協(xié)同設(shè)計控制算法確定之后，需要選擇合適的計算架構(gòu)以執(zhí)行算法。選擇依據(jù)通常是運(yùn)算復(fù)雜性、實(shí)時性要求和資源約束，同時考慮成本最小化和/或能量最小化。這個過程可以視作系統(tǒng)建模的逆過程，也就是說，是把抽象數(shù)學(xué)運(yùn)算具體化的過程。其主要工作是把信號耦合網(wǎng)絡(luò)還原為能量耦合網(wǎng)絡(luò)，直至具體的物理設(shè)備，使其在滿足控制算法精度要求和速度要求的同時，也能夠滿足能量要求和成本要求。8.2.1.軟硬件協(xié)同設(shè)計如果把“軟件”定義為功能可調(diào)整的運(yùn)算設(shè)備，把“硬件”定義為功能固定不變的運(yùn)算設(shè)備，控制算法的實(shí)現(xiàn)過程就可以定義為將控制算法所需運(yùn)算分配到軟件和硬件的過程。具體地說，就是人為界定軟件和硬件的邊界，將能耗較小且功能多變的運(yùn)算過程分配為軟件、能耗較高且功能單一的運(yùn)算過程分配為硬件。8.2.1.軟硬件協(xié)同設(shè)計軟硬件協(xié)同設(shè)計是權(quán)衡硬件和軟件以共同實(shí)現(xiàn)滿足多重約束的特定運(yùn)算過程的系統(tǒng)級設(shè)計方法。它關(guān)注的不是硬件或軟件的具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)，而是特定算法物理實(shí)現(xiàn)的多目標(biāo)優(yōu)化方案。或者說，軟硬件協(xié)同設(shè)計的目標(biāo)是尋找一種軟件和硬件的組合，使其在滿足算法的功能要求的前提下，同時滿足精度、速度、能耗、成本等多方面的優(yōu)化指標(biāo)。8.2.1.軟硬件協(xié)同設(shè)計操作過程描述如下：整體上，將代表問題解決方案的控制算法視為軟件，并用信號耦合網(wǎng)絡(luò)表示。將其中涉及信號類型變化（如量綱不同的信號相互轉(zhuǎn)換，或量綱相同但量程不同的信號相互轉(zhuǎn)換）的環(huán)節(jié)替換為能量耦合網(wǎng)絡(luò)，估算并分配性能指標(biāo)。將剩余部分中有明確功率要求的環(huán)節(jié)替換為能量耦合網(wǎng)絡(luò)，估算并分配性能指標(biāo)。將剩余部分逐一替換為能量耦合網(wǎng)絡(luò)，估算并分配性能指標(biāo)，同時評估整體性能，如果精度、速度、能耗、成本等均符合要求，則保留為能量耦合網(wǎng)絡(luò)；否則，還原為信號耦合網(wǎng)絡(luò)。分配方案確定后，按照能量耦合網(wǎng)絡(luò)分配的性能指標(biāo)選擇物理設(shè)備，或設(shè)計新的物理設(shè)備。聯(lián)結(jié)物理設(shè)備，完成預(yù)設(shè)的控制算法，并測試系統(tǒng)整體性能。8.2.2.從信息處理的角度看計算機(jī)控制本質(zhì)上是一個非線性信息處理系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)都可以用數(shù)據(jù)處理器（P：Processor）、數(shù)據(jù)存儲器（M：Memory）和數(shù)據(jù)交換器（S：Switch）的組合來表示8.2.3.組件、接口和信號組件維基百科的解釋是若干符合某種規(guī)范的可以提供特定功能的系統(tǒng)構(gòu)成要素的模型。它們在物理空間上是分立的設(shè)備，但功能相似，處理內(nèi)容相同，操作方法一致，在系統(tǒng)分析和設(shè)計過程中經(jīng)常被歸并考慮。處理器P、存儲器M和數(shù)據(jù)交換器S即是高度抽象的組件。8.2.3.組件、接口和信號（續(xù)）I/O接口在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，組件設(shè)備表現(xiàn)為映射到計算機(jī)內(nèi)存空間的數(shù)據(jù)，I/O接口則是組件設(shè)備數(shù)據(jù)之間可重構(gòu)的數(shù)據(jù)交換通道。8.2.3.組件、接口和信號（續(xù)）I/O接口的主要作用都是在數(shù)據(jù)處理器和數(shù)據(jù)存儲器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸：將數(shù)據(jù)存儲器發(fā)布的數(shù)據(jù)寫入I/O接口相當(dāng)于操作相應(yīng)的外圍設(shè)備執(zhí)行規(guī)定動作，從I/O接口讀入來自外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)則等同于對相應(yīng)外圍設(shè)備進(jìn)行采樣或檢查它的工作狀態(tài)。8.2.3.組件、接口和信號（續(xù)）接口信號數(shù)值信號是數(shù)據(jù)處理器完成運(yùn)算所需要的輸入和輸出，包括來自外部設(shè)備的數(shù)值輸入和數(shù)據(jù)處理器發(fā)布的數(shù)值輸出。狀態(tài)信號反映組件設(shè)備自身的工作狀態(tài)命令信號配置組件設(shè)備的工作狀態(tài)，保證組件設(shè)備的工作時序8.3. 運(yùn)算設(shè)備8.3.1.通用計算機(jī)通用計算機(jī)包括個人計算機(jī)(PC:PersonalComputer)和工業(yè)控制計算機(jī)(IPC:IndustryPersonalComputer)，前者用于辦公室環(huán)境，完成信息管理任務(wù)；后者用于工業(yè)場，完成實(shí)時控制任務(wù)。通用計算機(jī)的實(shí)時性相對嵌入式計算機(jī)要差一些，且體積大，對環(huán)境要求多，但運(yùn)算能力強(qiáng)，資源豐富，配套設(shè)備完善，在工程中仍得到廣泛應(yīng)用。而工業(yè)控制計算機(jī)盡管結(jié)構(gòu)與個人計算機(jī)相同，但可靠性更高，在安全性、互操作性和互換性方面更適合工程環(huán)境，更是通用計算機(jī)在工程現(xiàn)場應(yīng)用時的首選。8.3.2.嵌入式計算機(jī)嵌入式計算機(jī)是與應(yīng)用密切相關(guān)的、可嵌入對象內(nèi)部的、軟硬件可裁剪的專用計算機(jī)。它以應(yīng)用為中心，能夠很好地滿足計算機(jī)控制系統(tǒng)對可靠性、可維護(hù)性、成本、體積、功耗等方面的要求，特別適合實(shí)時多任務(wù)應(yīng)用。嵌入式計算機(jī)有多種結(jié)構(gòu)，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。不同結(jié)構(gòu)的嵌入式計算機(jī)適用于不同領(lǐng)域，彼此之間難以相互代替。8.4. 通用I/O接口8.4.1.技術(shù)指標(biāo)I/O接口的數(shù)學(xué)模型可以用慣性環(huán)節(jié)表示，其幅值反映計算機(jī)處理的數(shù)值量與組件設(shè)備電量信號之間的增益，通常用數(shù)位/伏特(I/O輸入接口)或伏特/數(shù)位(I/O輸出接口)表示；相位則反映I/O接口等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定所引入的時間延遲。理想情況下，前者應(yīng)當(dāng)為1，后者應(yīng)當(dāng)為0。8.4.1.技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）選擇I/O接口應(yīng)盡量使其數(shù)學(xué)模型接近理想特性。影響I/O接口性能的主要因素來自所連接外圍設(shè)備的性能，主要有三個評價指標(biāo)：精度、分辨率和響應(yīng)速度。8.4.2.存儲器映射直接映射在計算機(jī)的存儲空間中，外部設(shè)備表現(xiàn)為一組連續(xù)的寄存器，并通過I/O接口與計算機(jī)交換數(shù)據(jù)，計算機(jī)則通過讀寫I/O接口實(shí)現(xiàn)對組件設(shè)備的操作。8.4.2.存儲器映射（續(xù)）更緊湊的映射一般情況下，I/O接口的命令寄存器和輸出寄存器只需要執(zhí)行寫入操作，而狀態(tài)寄存器和輸入寄存器只需要執(zhí)行讀出操作。因此，可以考慮在存儲空間采用更為緊湊的映射模式。8.4.2.存儲器映射（續(xù)）復(fù)用技術(shù)若I/O接口的命令寄存器和輸出數(shù)值寄存器映射到存儲器空間的同一位置（二者地址重合），狀態(tài)寄存器和輸入數(shù)值寄存器映射到存儲器空間的同一位置（二者地址重合），則外部設(shè)備占用的存儲器資源可進(jìn)一步減小。8.4.2.存儲器映射（續(xù)）復(fù)用技術(shù)若I/O接口的命令寄存器和輸出數(shù)值寄存器映射到存儲器空間的同一位置（二者地址重合），狀態(tài)寄存器和輸入數(shù)值寄存器映射到存儲器空間的同一位置（二者地址重合），則外部設(shè)備占用的存儲器資源可進(jìn)一步減小。8.4.3.數(shù)據(jù)傳輸方法訪問組件設(shè)備，通常只需要調(diào)用該設(shè)備的驅(qū)動程序讀寫相應(yīng)I/O接口。如果組件設(shè)備沒有提供驅(qū)動程序，就需要設(shè)計人員自己編寫軟件完成I/O接口的讀寫操作。此時需要注意：雖然I/O接口讀寫方式和存儲器讀寫方式在軟件上完全相同，但是并不意味著二者的數(shù)據(jù)傳輸性質(zhì)也相同。實(shí)際上，由于I/O接口對讀寫操作順序具有嚴(yán)格要求，某些對存儲器讀寫無害的技術(shù)可能會對I/O接口讀寫產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重時甚至引發(fā)故障。8.4.3.數(shù)據(jù)傳輸方法（續(xù)）編寫I/O接口讀寫程序時，對于工程中大量使用的基于通用標(biāo)準(zhǔn)的I/O接口，包括串行接口、USB接口、GPIB接口和各種總線接口，其數(shù)據(jù)傳輸符合國際標(biāo)準(zhǔn)化組織定義的數(shù)據(jù)協(xié)議。這些協(xié)議規(guī)定了不同物理設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換原則和方法，已作為普遍性解決方案被各種設(shè)備接受。而對于未遵循通用標(biāo)準(zhǔn)的I/O接口，設(shè)計人員可以根據(jù)接口實(shí)際情況，從以下數(shù)據(jù)傳輸方式中選擇一種作為設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換方法。8.4.3.數(shù)據(jù)傳輸方法（續(xù)）同步數(shù)據(jù)傳輸當(dāng)CPU向外圍設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)時，需要先把數(shù)據(jù)放置在數(shù)據(jù)總線上，然后通過寫入I/O接口的操作使外圍設(shè)備獲取數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)。反過來也一樣，當(dāng)CPU需要獲取外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)時，它會假設(shè)傳輸數(shù)據(jù)已經(jīng)被外圍設(shè)備放置在數(shù)據(jù)總線上，并通過讀入I/O接口的操作獲得來自外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)。8.4.3.數(shù)據(jù)傳輸方法（續(xù)）異步數(shù)據(jù)傳輸計算機(jī)向外圍設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)時，同樣需要把數(shù)據(jù)先放置在數(shù)據(jù)總線上，并通過寫入I/O接口操作將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)發(fā)送給外圍設(shè)備。外圍設(shè)備在接收數(shù)據(jù)后必須返回一個(硬件或軟件的)握手信號，計算機(jī)接收握手信號后，確認(rèn)數(shù)據(jù)被正確接收，才會清除握手信號并結(jié)束數(shù)據(jù)寫入過程。如果計算機(jī)沒有在規(guī)定時間內(nèi)接收到握手信號，就會產(chǎn)生超時錯誤，表明數(shù)據(jù)寫入失敗，迫使計算機(jī)采取補(bǔ)救措施。反過來，計算機(jī)從外圍設(shè)備獲取數(shù)據(jù)時，需要外圍設(shè)備先把傳輸數(shù)據(jù)放置在數(shù)據(jù)總線上，并產(chǎn)生一個(硬件或軟件的)握手信號通知計算機(jī)接收。計算機(jī)接收到該信號后，執(zhí)行讀入I/O接口操作，并清除握手信號，結(jié)束數(shù)據(jù)讀入過程。8.4.3.數(shù)據(jù)傳輸方法（續(xù)）如果數(shù)據(jù)到達(dá)I/O接口的速率與計算機(jī)從I/O接口讀取數(shù)據(jù)的速率接近，即便異步數(shù)據(jù)傳輸也會丟失數(shù)據(jù)。設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖器可以解決這個問題。8.4.4.接口操作策略輪詢策略要求計算機(jī)實(shí)時查詢I/O接口狀態(tài)，一旦接口可用，立即對接口進(jìn)行讀/寫操作其時間延遲等于I/O接口響應(yīng)速度，可以認(rèn)為是一個常數(shù)。8.4.4.接口操作策略（續(xù)）中斷策略采用中斷策略時，I/O接口會主動發(fā)出操作（中斷）請求，無需計算機(jī)額外干預(yù)，故效率比輪詢策略高。計算機(jī)識別和響應(yīng)中斷會引入額外的時間延遲，從中斷處理程序返回斷點(diǎn)也會引入時間延遲，而嵌套的中斷會使時間延遲進(jìn)一步增加。8.5. 處理不一致的數(shù)據(jù)8.5.1.濾波控制系統(tǒng)的濾波控制系統(tǒng)使用濾波技術(shù)以減小噪聲、消除混疊及衰減諧振。與通信應(yīng)用不同，控制應(yīng)用除了要求濾波器在增益穿越頻率處相位滯后最小，更關(guān)心其對高頻信號的衰減。其最常用的濾波器是低通濾波器，廣泛使用于控制器、反饋通道以及前向通道中。8.5.1.濾波（續(xù)）數(shù)字濾波數(shù)字濾波是從數(shù)據(jù)序列估計其真值的軟件算法。它基于統(tǒng)計原理，具有硬件濾波的性能，卻不需要物理設(shè)備實(shí)現(xiàn)，成本小，可靠性高，使用靈活，容易得到硬件濾波無法實(shí)現(xiàn)的效果。8.5.1.濾波（續(xù)）數(shù)字濾波程序判斷濾波中值濾波算術(shù)平均濾波

8.5.1.濾波（續(xù)）數(shù)字濾波程序判斷濾波中值濾波算術(shù)平均濾波8.5.1.濾波（續(xù)）數(shù)字濾波程序判斷濾波中值濾波算術(shù)平均濾波

8.5.2.標(biāo)度變換通用I/O接口兩側(cè)的信號類型是不一樣的。計算機(jī)一側(cè)的信號是計算機(jī)處理所需要的無量綱的純數(shù)值（如偏差），而外圍組件一側(cè)的信號是各種表征生產(chǎn)過程狀態(tài)的有量綱的工程量（如溫度、電壓、流量等）。為了使計算機(jī)運(yùn)算結(jié)果能與生產(chǎn)過程的實(shí)際狀態(tài)一一對應(yīng)，必須在無量綱的純數(shù)值與有量綱的工程量之間建立映射關(guān)系，即標(biāo)度變換。8.5.2.標(biāo)度變換（續(xù)）線性標(biāo)度變換

8.5.2.標(biāo)度變換（續(xù)）非線性標(biāo)度變換非線性標(biāo)度變換沒有統(tǒng)一公式，需要根據(jù)信號具體特征選擇合適的映射關(guān)系。工程中，多使用分段插值法進(jìn)行非線性標(biāo)度變換，具體做法是：首先，將信號輸入輸出特性曲線分成若干區(qū)間；其次，用不同的直線段對各區(qū)間特性曲線進(jìn)行逼近；最后，分區(qū)間進(jìn)行線性標(biāo)度變換。第9章.

并發(fā)實(shí)時調(diào)度9.1. 學(xué)習(xí)目標(biāo)定義術(shù)語期限（9.2）任務(wù)（9.2）可靠性（9.4）失效（9.4）噪聲（9.4）干擾（9.4）設(shè)計模式（9.5）解釋計算機(jī)控制系統(tǒng)是數(shù)據(jù)驅(qū)動的系統(tǒng)（9.2）計算機(jī)控制系統(tǒng)是并發(fā)事務(wù)管理系統(tǒng)（9.2）計算機(jī)控制系統(tǒng)是實(shí)時調(diào)度系統(tǒng)（9.2）列舉硬實(shí)時系統(tǒng)的期限要求（9.2）計算機(jī)軟件常用的任務(wù)調(diào)度方法（9.2）事件到達(dá)模式（9.2）任務(wù)匯合模式（9.2）并發(fā)實(shí)時調(diào)度的設(shè)計原則（9.2）并發(fā)實(shí)時調(diào)度可能產(chǎn)生的問題（9.2）共享數(shù)據(jù)的保護(hù)方法（9.2）9.1. 學(xué)習(xí)目標(biāo)（續(xù)）列舉（續(xù)）影響計算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性的主要因素（9.4）保障可靠性設(shè)計可以采用的系統(tǒng)架構(gòu)（9.4）抗串模干擾的基本措施（9.4）抗共模干擾的基本措施（9.4）比較噪聲和干擾的異同（9.4）串模干擾和共模干擾的異同（9.4）設(shè)計使用狀態(tài)圖設(shè)計計算機(jī)控制系統(tǒng)（9.3）編寫使用簡易狀態(tài)機(jī)編寫計算機(jī)控制系統(tǒng)軟件（9.5）9.2. 并發(fā)實(shí)時調(diào)度9.2.1.數(shù)據(jù)驅(qū)動的系統(tǒng) 計算機(jī)控制器在決策過程中并不與被控對象直接接觸，而是依賴多個數(shù)據(jù)運(yùn)算器的協(xié)作進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集、整理和分析，從中挖掘被控對象運(yùn)動狀態(tài)，進(jìn)而預(yù)測、調(diào)整和優(yōu)化被控對象行為，完成既定控制目標(biāo)。于是，計算機(jī)控制器可以視作一個“數(shù)據(jù)驅(qū)動”的系統(tǒng)。它將理論分析得到的先驗?zāi)Ｐ捅４嬖跀?shù)據(jù)存儲器中，并在邏輯控制器的驅(qū)動下，以先驗?zāi)Ｐ蜑橐罁?jù)，利用數(shù)據(jù)運(yùn)算器收集、分析被控對象數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對被控對象的監(jiān)控、預(yù)報、決策、調(diào)度、評價、診斷和優(yōu)化。9.2.2.基本概念守時性計算機(jī)控制系統(tǒng)需要時刻監(jiān)測和控制物理過程。其動作不是自發(fā)產(chǎn)生的，而是對外部激勵的響應(yīng)，或是隨運(yùn)行時間變化而發(fā)生的預(yù)期動作。因此，相較于一般的數(shù)據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)，計算機(jī)控制系統(tǒng)對依賴數(shù)據(jù)的時間相關(guān)性有更嚴(yán)格的要求。其響應(yīng)必須在事先約定的時間內(nèi)完成，否則，系統(tǒng)將不可避免地出現(xiàn)某種程度的失效。一般來說，守時性由外部需求決定，理論上可以通過事件響應(yīng)動作序列的端到端性能來確定。當(dāng)采用上述方法描述守時性時，最需要關(guān)注的是事件的動作時間、期限、到達(dá)模式和同步模式。9.2.2.基本概念（續(xù)）并發(fā)調(diào)度現(xiàn)實(shí)中，環(huán)境變化產(chǎn)生的外部事件通常是不可預(yù)測的，外部事件何時發(fā)生、如何發(fā)生都是不可預(yù)知的，不會以設(shè)計者的意志為轉(zhuǎn)移。于是，為了防止系統(tǒng)失效，計算機(jī)控制系統(tǒng)必須提供一種確定事件響應(yīng)動作路徑的有效方法，以確保系統(tǒng)在事件發(fā)生時能夠及時響應(yīng)，而不是在事件過后再做出反應(yīng)。若定義響應(yīng)事件的順序動作集合為術(shù)語“任務(wù)”，則守時性可以用任務(wù)的性能特征描述。而當(dāng)多個任務(wù)準(zhǔn)備就緒時，選擇任務(wù)響應(yīng)路徑的過程則被稱為調(diào)度。9.2.2.基本概念（續(xù)）任務(wù)接口并發(fā)調(diào)度需要任務(wù)提供以下信息：發(fā)生事件到達(dá)的模式、任務(wù)的匯合模式以及共享資源的控制訪問方法。這些信息是多任務(wù)協(xié)作不可忽視的因素，對系統(tǒng)的功能需求和性能需求有重要影響。由于消息負(fù)責(zé)記錄任務(wù)和與之相關(guān)的對象之間的交互，所以，上述信息可以用任務(wù)間的消息來描述。為了將并發(fā)調(diào)度需要的信息映射到任務(wù)，需要定義每一個任務(wù)接口消息的具體實(shí)現(xiàn)。9.2.3.實(shí)時任務(wù)調(diào)度實(shí)時調(diào)度設(shè)計提供一種確定系統(tǒng)潛在性能問題的方法，能夠幫助設(shè)計人員盡早發(fā)現(xiàn)不能滿足期限要求的任務(wù)，使其有時間做出備選的軟件設(shè)計或?qū)τ布渲眠M(jìn)行調(diào)整，對硬實(shí)時系統(tǒng)的分析和設(shè)計都很重要。9.2.3.實(shí)時任務(wù)調(diào)度（續(xù)）周期任務(wù)調(diào)度

9.2.3.實(shí)時任務(wù)調(diào)度（續(xù)）非周期任務(wù)調(diào)度

9.2.3.實(shí)時任務(wù)調(diào)度（續(xù)）實(shí)時調(diào)度問題的對策這些問題的本質(zhì)是不同任務(wù)對共享數(shù)據(jù)的讀寫沖突。因此，常見的解決方法是確保共享數(shù)據(jù)在某一時刻僅能被一個任務(wù)訪問。一般操作是通過臨界區(qū)或互斥信號量實(shí)現(xiàn)共享數(shù)據(jù)的安全訪問。9.2.3.實(shí)時任務(wù)調(diào)度（續(xù)）設(shè)計工具：狀態(tài)圖實(shí)時任務(wù)調(diào)度的本質(zhì)是選擇任務(wù)響應(yīng)路徑。而狀態(tài)圖能夠描述模型元素實(shí)例行為，非常適合表示任務(wù)狀態(tài)及其變化順序，是常見的任務(wù)調(diào)度設(shè)計工具。9.3. 系統(tǒng)設(shè)計：使用狀態(tài)圖9.3.1.功能描述系統(tǒng)設(shè)計過程中，技術(shù)人員首先要識別待解決問題本身及其特征，從而把系統(tǒng)中關(guān)鍵的與具體實(shí)現(xiàn)無關(guān)的任務(wù)功能及其關(guān)系抽象出來，以便于求解。為了準(zhǔn)確描述計算機(jī)控制系統(tǒng)與外部環(huán)境的實(shí)時互動，詳細(xì)定義計算機(jī)控制系統(tǒng)的功能和性能指標(biāo)，在設(shè)計任務(wù)調(diào)度軟件之前，設(shè)計人員需要將客戶以非形式化自然語言描述的功能轉(zhuǎn)化為以形式化規(guī)范模型嚴(yán)格定義的功能。在這一階段，設(shè)計人員的主要任務(wù)是分析系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能是什么，而不是考慮具體實(shí)現(xiàn)的步驟。9.3.1.功能描述（續(xù)）用例模型是達(dá)成這一目標(biāo)的常見方法。它把系統(tǒng)表示為被參與者(現(xiàn)實(shí)世界中存在于系統(tǒng)外部的對象)包圍的黑箱，把參與者與系統(tǒng)之間的交互作用描述為系統(tǒng)的輸入和響應(yīng)，并依據(jù)交互作用序列的抽象描述系統(tǒng)功能。用例的實(shí)例被稱為場景，通常由一個對象集合和一個有序的消息交換列表組成，是用例特定的實(shí)現(xiàn)方式。場景通常會包含若干分支。在這些分支上，參與者或系統(tǒng)可能有多個響應(yīng)。因此，完整地細(xì)化一個用例往往需要多個場景，一般從十幾個到幾十個不等?？梢杂脿顟B(tài)圖表示場景，以展示給定用例對象間的不同交互方式，檢驗用戶期望問題的陳述是否完備，揭示用戶未明確表述的隱含功能。同時，也可以提供驗證測試集合，以保證所交付的系統(tǒng)符合規(guī)格說明要求。9.3.2.功能分解用例雖然明確了系統(tǒng)應(yīng)具備的功能，但沒有規(guī)定它們的運(yùn)行結(jié)構(gòu)。因此，設(shè)計人員需要進(jìn)一步討論系統(tǒng)的宏觀組織策略，包括功能分解策略、任務(wù)構(gòu)建策略、構(gòu)件分布策略及其協(xié)作等。這些策略會決定系統(tǒng)的狀態(tài)圖，為更低層的詳細(xì)設(shè)計提供基礎(chǔ)。在這個過程中，為了降低復(fù)雜度，計算機(jī)控制系統(tǒng)往往被分解為若干子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)可以看作一組功能彼此依賴的對象組合，能相對獨(dú)立地完成某個主要功能。它們彼此之間的耦合度較低，但內(nèi)部聯(lián)