計算機(jī)控制技術(shù)信號處理視角第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)法的實質(zhì)是窗函數(shù)加權(quán)運算在z平面可以使用Ragazzini法完成同樣的運算有限沖激響應(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.極點配置受被控對象零極點分布的限制，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.極點配置：原理

6.5.1.極點配置：求解反饋矩陣極點配置的實質(zhì)是通過反饋增益矩陣K將系統(tǒng)的閉環(huán)極點移動到期望位置，從而改善系統(tǒng)動態(tài)特性。因此，反饋增益矩陣K的求解將是極點配置的重點。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,運算量大，且不容易通過計算機(jī)實現(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)估計極點配置法需要檢測控制對象的所有狀態(tài)，但在實際工程中，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：實時觀測器

為獲得更好的實時性，可以考慮實時觀測器。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）可控實現(xiàn)形式的基本構(gòu)成要素（7.3）書寫系統(tǒng)的可控實現(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)不同運算結(jié)構(gòu)，主要考慮以下方面：運算精度（7.4）運算時間（7.4）占用資源（7.4）合理選擇系統(tǒng)的采樣周期/運算速度（7.4）量化字長/運算精度（7.4）使用LabVIEW編寫VI利用給定系統(tǒng)的可控實現(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?？紤]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)換為可控實現(xiàn)形式再進(jìn)行計算。7.3. 2.可控實現(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)前控制器的可控實現(xiàn)形式

7.4. 運算結(jié)構(gòu)7.4.1.基本運算單元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，且不同子環(huán)節(jié)的零極點互不影響量化誤差較小，對零極點的漂移也不敏感，但運算時間較長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，運算速度更快，量化誤差更小，尤其適合于對零點位置要求嚴(yán)格的場合控制律系數(shù)同樣是子環(huán)節(jié)的零極點，亦互不影響，但無法對消，只能單獨調(diào)整子環(huán)節(jié)的極點位置，而不能調(diào)整零點位置。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，且運算時間長，量化誤差大，一般不用于二階以上系統(tǒng)的實現(xiàn)。串聯(lián)型結(jié)構(gòu)的控制律系數(shù)能夠反映零極點位置，不敏感系數(shù)變化，便于零極點對消，且對數(shù)據(jù)存儲空間的需求最小，運算時間居中，量化誤差亦居中。并聯(lián)型結(jié)構(gòu)的控制律系數(shù)能夠反映零極點位置，不敏感系數(shù)變化，能單獨調(diào)節(jié)子環(huán)節(jié)的零點位置，但不能調(diào)整零點位置，運算時間最短，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)通常是運算復(fù)雜性、實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)整的運算設(shè)備，把“硬件”定義為功能固定不變的運算設(shè)備，控制算法的實現(xiàn)過程就可以定義為將控制算法所需運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算過程分配為軟件、能耗較高且功能單一的運算過程分配為硬件。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現(xiàn)滿足多重約束的特定運算過程的系統(tǒng)級設(shè)計方法。它關(guān)注的不是硬件或軟件的具體實現(xiàn)技術(shù)，而是特定算法物理實現(xiàn)的多目標(biāo)優(yōu)化方案?；蛘哒f，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，完成實時控制任務(wù)。通用計算機(jī)的實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)備實現(xiàn)，成本小，可靠性高，使用靈活，容易得到硬件濾波無法實現(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)運算結(jié)果能與生產(chǎn)過程的實際狀態(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)是實時調(diào)度系統(tǒng)（9.2）列舉硬實時系統(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)實時調(diào)度的設(shè)計原則（9.2）并發(fā)實時調(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)運算器收集、分析被控對象數(shù)據(jù)，實現(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)接口消息的具體實現(xiàn)。9.2.3.實時任務(wù)調(diào)度實時調(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，對硬實時系統(tǒng)的分析和設(shè)計都很重要。9.2.3.實時任務(wù)調(diào)度（續(xù)）周期任務(wù)調(diào)度

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

9.2.3.實時任務(wù)調(diào)度（續(xù)）實時調(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)或互斥信號量實現(xiàn)共享數(shù)據(jù)的安全訪問。9.2.3.實時任務(wù)調(diào)度（續(xù)）設(shè)計工具：狀態(tài)圖實時任務(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)需要實現(xiàn)的功能是什么，而不是考慮具體實現(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。可以用狀態(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)系密切。子系統(tǒng)在某些應(yīng)用中很容易區(qū)分，但在另一些應(yīng)用中則不容易識別。為了快速準(zhǔn)確地構(gòu)造子系統(tǒng)，可以考慮從用例開始進(jìn)行功能分解。因為用例內(nèi)部的對象彼此相關(guān)，且耦合度較高；而它們與其他用例的對象則幾乎不相關(guān)。9.3.2.功能分解（續(xù)）控制子系統(tǒng)協(xié)調(diào)者子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)服務(wù)器子系統(tǒng)用戶界面子系統(tǒng)I/O控制子系統(tǒng)系統(tǒng)服務(wù)子系統(tǒng)9.3.3.任務(wù)構(gòu)建系統(tǒng)分解為子系統(tǒng)之后，系統(tǒng)功能也分配到各個子任務(wù)。這時，各個子系統(tǒng)將表示為若干組通過消息彼此通信的協(xié)作對象，并通過并發(fā)任務(wù)來完成所負(fù)責(zé)的功能。如前所述，任務(wù)指的是由線程控制的主動對象。將對象正確打包并分配給不同線程的過程即任務(wù)構(gòu)建。9.3.3.任務(wù)構(gòu)建（續(xù)）對于軟件組件而言，線程可以定義為順序執(zhí)行動作的集合，而動作是在特定序列中以相同優(yōu)先級執(zhí)行的語句，這些語句可以屬于多個對象。因此，任務(wù)可以用狀態(tài)圖表示，得到的組件可以是一個單線程順序?qū)崿F(xiàn)的進(jìn)程，也可以用一個多線程并發(fā)實現(xiàn)的進(jìn)程。9.3.3.任務(wù)構(gòu)建（續(xù)）構(gòu)建任務(wù)的關(guān)鍵是對這些事件進(jìn)行合理的劃分，分到同一組的事件將執(zhí)行同一個任務(wù)。9.3.3.任務(wù)構(gòu)建（續(xù)）常見分組策略單事件分組策略在簡單系統(tǒng)中，可以為每個外部事件和內(nèi)部事件指定一個獨立任務(wù)。該方案簡單可行，但對于擁有幾十個甚至幾百個事件的復(fù)雜系統(tǒng)，這種做法會增加大量的額外系統(tǒng)開銷。順序處理分組策略當(dāng)一系列事件嚴(yán)格依照預(yù)定順序觸發(fā)執(zhí)行時，可以為這組事件指定一個獨立任務(wù)，以確保滿足順序執(zhí)行的需要。事件源分組策略可以為具有共同來源的事件指定一個獨立任務(wù)。對于包含明確定義的子系統(tǒng)，如果這些子系統(tǒng)幾乎按相同的周期產(chǎn)生事件，事件源策略可能是最簡單的方法。接口設(shè)備分組策略可以為每一個I/O接口指定一個獨立任務(wù)。這種策略是事件源分組策略的特例，能夠在一個任務(wù)中處理與特定I/O接口相連接的所有設(shè)備，是計算機(jī)控制系統(tǒng)常用分組策略。9.3.3.任務(wù)構(gòu)建（續(xù)）計算機(jī)控制系統(tǒng)常用的任務(wù)構(gòu)建設(shè)備接口任務(wù)異步設(shè)備I/O接口任務(wù)周期I/O設(shè)備接口任務(wù)被動I/O設(shè)備接口任務(wù)資源監(jiān)視任務(wù)控制任務(wù)周期任務(wù)其他內(nèi)部任務(wù)9.3.4.系統(tǒng)配置構(gòu)件是存在于系統(tǒng)運行時刻的事物，是執(zhí)行任務(wù)并提供信息的軟件制品。構(gòu)件是二進(jìn)制可替換的，有實例，也有接口。該接口被稱為實現(xiàn)接口，大尺度的接口則稱為應(yīng)用程序接口。調(diào)用構(gòu)件時必須通過接口。系統(tǒng)配置關(guān)心的是構(gòu)件的實例化。也就是說，如何將構(gòu)件映射到多個地理上分散的物理節(jié)點并使之互連通信。其主要內(nèi)容是確定系統(tǒng)中硬件設(shè)備的類型、數(shù)目以及將它們連接到一起的物理通信介質(zhì)。9.4.