Компьютерное управление в мехатронных системах

Московский государственный технический университет 
имени Н. Э. Баумана 
Ю.И. Рассадкин, А.В. Синицын 
 
 
 
Компьютерное управление  
в мехатронных системах 
 
 
 
Учебное пособие по дисциплине 
«Компьютерное управление в мехатронных системах» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 

УДК 681.527.7(075.8) 
ББК  32.97 
         Р24 
 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/190/book1539.html 
Факультет «Специальное  машиностроение» 
Кафедра «Специальная робототехника и мехатроника» 
Р24 
Рекомендовано Редакционно-издательским советом 
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия 
 
 
Рецензент 
доцент, канд. техн. наук В.В. Вельтищев 
  
 
Рассадкин, Ю. И. 
Компьютерное управление в мехатронных системах : учебное 
пособие /  Ю. И. Рассадкин, А. В. Синицын. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016. —  61, [7] с. : ил. 
 
ISBN 978-5-7038-4531-8 
 
Приведены  основные сведения, необходимые студенту при изучении курса «Компьютерное управление в мехатронных системах». Описана математическая модель микропроцессорной системы управления и 
связь ее отдельных элементов с реальными техническими устройствами. Представлено определение и описание основных функций операционной системы, приведены примеры задач, решаемых операционной 
системой в процессе работы микропроцессорной системы управления. 
Рассмотрены вопросы алгоритмической реализации цифровых алгоритмов управления. 
Для студентов, обучающихся в МГТУ им. Н.Э. Баумана по специальности «Мехатроника». 
УДК 681.527.7(075.8) 
ББК  32.97 
 
 
 
 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016 
 Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4531-8                              
          МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016 
 
2 

Предисловие 
В учебном пособии рассмотрены вопросы компьютерного 
управления мехатронными системами. Приведена математическая 
модель микропроцессорной системы управления и показана связь 
элементов математической модели с реальными техническими 
устройствами. При изучении общих сведений об операционных 
системах введены понятия процесса, ресурса, описан принцип 
диспетчеризацией процессов и аппаратной поддержки функций 
операционной системы на уровне микропроцессора. Рассмотрены 
варианты решения задачи синхронизации асинхронных процессов. 
Реализация цифровых алгоритмов управления возможна с помощью непосредственного, последовательного или параллельного 
программирования.  
Цель пособия — усвоение студентами знаний в области компьютерного управления мехатронными системами специального назначения, формирование навыков проектирования мехатронных систем 
специального назначения с компьютерным управлением. После изучения представленного материала студент должен знать: 
 математическую модель микропроцессорной системы, 
 связь элементов математической модели с реальными техническими устройствами, 
 основы операционных систем, понятия процесса, диспетчера, монитора, 
 принципы синхронизации асинхронных процессов, 
 принципы аппаратной поддержки функций операционной 
системы микропроцессором, 
 варианты алгоритмической реализации операций интегрирования и дифференцирования; 
уметь: 
 вести анализ и разработку структурных и принципиальных 
схем аппаратных средств микропроцессорных систем, 
 разрабатывать и отлаживать программные средства микропроцессорных систем, реализующие алгоритмы управления, 
 создавать экспериментальные и макетные образцы, 
 обосновывать технические требования к микропроцессорным системам по общему техническому заданию. 
Предлагаемое учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся в МГТУ им. Н.Э. Баумана по специальности «Мехатроника». 
3 

1. Проблемы, возникающие при реализации  
системы автоматического управления с использованием 
классической микропроцессорной системы 
 1.1. Проблема быстродействия МПС 
Классическая микропроцессорная система (МПС) имеет структуру, представленную на рис. 1.1. 
Р
Рис. 1.1. Обобщенная структурная схема цифровой системы автоматиче- 
                                             ского управления: 
МПС — микропроцессорная система; МП — микропроцессор; ЗУ — запоминающее устройство; УВВ — устройство ввода-вывода; УМ — усилитель мощности; 
ИД — исполнительный двигатель; P — редуктор; H — нагрузка; ДОС — датчик  
                                                        обратной связи 
 Микропроцессор функционирует в соответствии с программой, 
реализующей корректирующее устройство. Обобщенная блок-схема 
управляющей программы приведена на рис. 1.2. 
Рис. 1.2. Блок-схема алгоритма управляющей программы:  
Твв — время ввода входных сигналов; Тр — время расчета значения выходного сигнала; Твыв —
время вывода выходного сигнала;
g — задающий сигнал; x — регулируемая величина; u — управ               ляющий сигнал 
4 

Рис. 1.3. Дискретный характер
сигналов в микропроцессорной
                     системе:  
Т — период квантования 
Поскольку программа выполняется циклически, все сигналы в 
МПС являются дискретными во 
времени (рис. 1.3). 
Период квантования Т равен 
времени выполнения управляющего алгоритма (см. рис. 1.2). 
Время выполнения управляющей 
программы зависит от сложности 
самой программы и быстродействия МПС. Сложность программы определяется выбранным 
алгоритмом коррекции и, как правило, не может быть существенно 
снижена. Следовательно, реальный путь уменьшения периода дискретизации Т — увеличение быстродействия МПС. 
1.2. Задача управления в МПС 
Задача управления в МПС заключается в распределении ресурсов МПС между несколькими программами. Задача управления в 
МПС решается операционной системой. Возможна такая структура алгоритма управления, при которой будет существовать несколько управляющих программ и между ними будет осуществляться переключение при наступлении определенного события. 
Рассмотрим систему, схема которой приведена на рис. 1.4. 
Анализ такой системы методами теории автоматического управления показывает, что в ней будут существовать незатухающие колебания (консервативная система).  
Рис. 1.4. Структурная схема 
системы автоматического 
управления: 
e(f) — ошибка 
Фазовый портрет этой системы имеет вид эллипса (рис. 1.5). 
Меняя коэффициент усиления k, можно изменять форму этого эллипса, вытягивая его вдоль той или иной оси. Предположим, что 
фазовый портрет системы, изображенный на рис. 1.5, а соответствует коэффициенту усиления k1, тогда при другом коэффициенте 
усиления k2 фазового портрета может иметь вид, приведенный на 
рис. 1.5. 
5 

Рис. 1.5. Фазовый портрет системы при различных значениях  
коэффициента усиления k: 
х1, x2 — фазовые координаты 
Рис. 
1.6. 
Фазовый 
портрет системы с 
переключением коэффициента усиления 
Предположим, что сначала система движется по фазовой траектории, представленной на 
рис. 1.5, а (коэффициент усиления k1). При пересечении оси x1 изображающей точкой коэффициент усиления меняется на k2, при пересечении оси x2 он снова меняется на k1, а при 
следующем пересечении x1 — снова на k2. Другими словами, смена значений коэффициентов 
усиления происходит при изменении знака 
произведения 
1 2.
x x  В этом случае фазовый 
портрет системы будет иметь вид, изображенный на рис. 1.6. 
Изменение значения коэффициента усиления при смене знака  
произведения 
1 2
x x  позволяет образовать систему с незатухающими колебаниями в устойчивую систему.  
Рис. 1.7. Реализация переключения коэффициента усиления 
6 

Как же можно организовать смену коэффициента усиления? 
Например за счет использования двух управляющих программ: 
одной — для k1, другой — для k2. При изменении знака произведения x1x2 специальное устройство производит переключение на соответствующую программу (рис. 1.7). 
Роль такого переключателя выполняет операционная система, 
запускающая соответствующую управляющую программу при 
наступлении события изменения знака произведения 
1 2.
x x  
1.3. Задача алгоритмической реализации  
корректирующего устройства 
В основе алгоритмической реализации корректирующего 
устройства (КУ) лежит его передаточная функция, синтезированная методами теории автоматического управления.  
Пример: пусть задана передаточная функция КУ 
1
,
Z
a s
a s
a



 
 
2
0
1
2
которой соответствует дифференциальное уравнение 
2
 
0
1
2
2
.
d y
dy
a
a
a y
g
dt
dt



 
Уравнение в переменных состояния: 
;

1
2
1
;





2
1
2
2 1
0
 
 
0
0
0
0
(
)
( )
(
)
( )
lim
.
0
t









(
)
( )
.



0
0
dy
y
dt
dy
g
a y
a y
dt
a
dy
y t
t
y t
y t
t
y t
dt
t
t
dy
y t
t
y t
t dt
Простейшая разностная схема (предполагаем, что 
0
t = 0, обозначаем 
t
h

 — шаг интегрирования) имеет вид 
7