第一章

緒論

一.計算機控制系統概論二.工業控制機的組成結構及特點三.計算機控制系統的發展概述

佛山科學技術學院丁偉雄電話：83888012電郵：fsdwx@163.com2006年6月8日星期四10時32分41秒第一章緒論 佛山科學技術學院丁偉雄11.計算機控制系統及其組成

圖示計算機控制系統就是利用計算機(通常稱為工業控制計算機,簡稱工控機)來實現生產過程自動控制的系統。偏差控制量一

計算機控制系統概論1.計算機控制系統及其組成一計算機控制系統概論2所謂自動控制，就是在沒有人直接參與的情況下，通過控制器使生產過程自動地按照預定的規律運行。所謂自動控制，就是在沒有人直接參與的情況下，通過控制器使生產32計算機控制系統的工作原理（1）實時數據采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進行檢測和輸入；（2）實時控制決策：對采集到的被控量進行分析和處理，并按已定的控制規律，決定將要采取的控制行為。（3）實時控制輸出：根據控制決策，適時地對執行機構發出控制信號，完成控制任務。2計算機控制系統的工作原理4計算機控制系統的典型形式（5種）（1）操作指導控制系統該系統屬于開環控制結構。計算機根據一定的控制算法，依賴測量元件測得的信號數據，計算出供操作人員選擇的最優操作條件及操作方案。操作人員根據計算機輸出的信息去改變調節器的給定值或直接操作執行機構。

計算機控制系統的典型形式（5種）5（2）直接數字控制（DirectDigitalControl）系統DDC系統屬于計算機閉環控制系統。計算機首先通過模擬量輸入通道（AI）和開關量輸入通道（DI）實時采集數據，然后按照一定的控制規律進行計算，最后發出控制信息，并通過模擬量輸出通道（AO）和開關量輸出通道（DO）直接控制生產過程。（2）直接數字控制（DirectDigitalContr6（3）監督控制（SupervisoryComputerControl)系統監督控制中，計算機根據原始工藝信息和其他的參數，按照描述生產過程的數學模型或其他方法，自動地改變模擬調節器或以直接數字控制方式工作的微型機中的給定值，從而使生產過程始終處于最優工況（如保持高質量、高效率、低消耗、低成本等等）。從這個角度上說，它的作用始改變設定值，又稱為設定值控制SPC(SetPointControl).（3）監督控制（SupervisoryComputerC7（4）分散型控制系統（DistributedControlSystem-DCS)DCS采用分散控制，集中操作，分級管理，分而自治和綜合協調的設計原則，把系統從上到下分為分散過程控制級、集中操作監控級、綜合信息管理級，形成分級分布式控制。（4）分散型控制系統8（5）現場總線控制系統（FieldbusControlSystem-FCS)FCS是新一代分布式控制結構。20世紀80年代發展起來的DCS，其結構模式為“操作站－控制站－現場儀表”三層結構，系統成本較高，而且各廠商的DCS又各自的標準，不能互連。FCS于DCS不同，它的結構模式為“工作站－現場總線儀表”二層結構，完成了DCS三層結構的功能，降低了成本，提高了可靠性，國際標準統一后，可實現真正的開放式互連系統結構。

（5）現場總線控制系統91.工業控制機

PC總線工控機（X86CPU）STD總線工控機（X86CPU)VME總線工控機（MotorolaCPU）

多總線（MULTIBUS)工控機（X86CPU)

二.工業控制機的組成結構及特點1.工業控制機二.工業控制機的組成結構及特點102.PC總線標準XT線（書上的PC總線）：62線，16位，數據傳輸率2.38MbpsISA(AT)總線：對XT總線的擴充，98線，16位，尋址空間16MB，數據傳輸率16MbpsEISA總線：對ISA總線的擴充，32位，98+98線，數據傳輸率32MbpsVESA總線：局部總線標準，是ISA總線的擴展，適應多媒體技術，數據交換由CPU總線直接進行，運行速度為66MHz或更高，最大數據傳輸率為132Mbps。

2.PC總線標準11PCI總線：在CPU和外設間插入協調數據傳輸的管理層，提供一致的總線接口，形成了開放的局部總線標準，而不依賴于CPU芯片。工作頻率33MHz，PCI總線的數據寬度為32位和64兩種，

數據傳輸率分別為133Mbps和266Mbps，PCIExpress數據傳輸率可以達到8Gbps。

PCI總線：在CPU和外設間插入協調數據傳輸的管理層，提供一123.基于PC總線的工業控制機常見類型ISA總線工控機PCI總線工控機PC104總線工控機：總線與ISA兼容的基礎上縮小模板尺寸，降低功耗，滿足嵌入式系統的要求。有104條信號線，模板尺寸為3.6in×3.8in(90mm×96mm)，可以層疊。CompactPCI工控機：PCI總線＋歐式插卡結構。3.基于PC總線的工業控制機常見類型13三

計算機控制系統的發展概述1推廣應用成熟的先進技術（1）普及應用可編程序控制器(PLC)（2）廣泛使用調節器（3）采用新型的DCS和FCS2大力研究和發展智能控制系統（1）分級遞階智能控制系統（2）模糊控制系統（3）專家系統（4）學習控制系統（5）神經網絡控制系統三計算機控制系統的發展概述1推廣應用成熟的先進技術14第2章 輸入輸出接口與過程通道

接口：計算機與外部設備交換信息的橋梁，包括輸入和輸出接口。接口技術：研究計算機與外部設備交換信息的技術。過程通道：計算機和生產過程之間設置的信息傳送和轉換的連接通道。（AI、AO、DI、DO）2.1數字量輸入輸出通道（DI、DO）數字量－開關量：用“0”和“1”兩個量進行描述。第2章 輸入輸出接口與過程通道152.1.1數字量輸入輸出接口

數字量輸入接口

三態門緩沖器74LS244

MOVDX,port

INAL,DX2.1.1數字量輸入輸出接口16數字量輸出接口

鎖存器74LS273

利用IOW上

升沿鎖存

MOVAL,DATA

MOVDX,port

OUTDX,DL數字量輸出接口17輸

入調

理電

路輸

入緩

沖器地址譯碼器生產過程PC總線2.1.2數字量輸入通道

數字量輸入通道結構

輸入輸入地址譯碼器生P2.1.2數字量輸入通道18輸入調理電路－把現場信號經轉換、保護、濾波、隔離轉換成

計算機能夠接收的邏輯信號。小功率輸入調理電路－開關去抖電路

積分電路

AOAOOA1輸入調理電路AOAOOA119 RS觸發器

去抖

RS觸發器

“1”

負脈沖

“0”

高電平

RS觸發器 20大功率輸入調理電路

－采用光電隔離

大功率輸入調理電路 21輸

出驅

動器輸

出鎖

存器地址譯碼器生產過程PC總線2.1.3數字量輸出通道

1、數字量輸出通道結構

輸出輸出地址譯碼器生P2.1.3數字量輸出通道222、輸出驅動電路

小功率直流驅動電路功率晶體管輸出驅動繼電器電路

續流二極管在功率晶體管關閉時，為繼電器線圈產生的反電動勢提供旁路通道，保護晶體管。2、輸出驅動電路 23達林頓陣列輸出驅動繼電器電路MC1416，7路驅動，帶保護二極管達林頓陣列輸出驅動繼電器電路24大功率交流驅動電路固態繼電器。零交叉電路在交流電過零時產生

觸發信號，減少干擾。大功率交流驅動電路252.2A/D轉換器及接口技術

常用A/D轉換方式：1、逐次逼近型：轉換時間短，抗擾性差（電壓比較）ADC0809（8位），AD574（12位）

2、雙斜積分型：轉換時間長，抗擾性好（積分）MC14433（11位），ICL7135（14位）3、全并行比較型（Flash型）：采用多個比較器，速度極高，電路規模大，成本高。4、分級型：減少并行比較ADC的位數，分級多次轉換，減小電路規模，保持較高速度。5、Σ-Δ型（過采樣轉換器）：高速1bitDAC+數字濾波，轉換成低采樣率高位數字，分辨率高。2.2A/D轉換器及接口技術26A/D轉換器的主要技術指標：－轉換時間：積分型毫秒級，逐次比較微秒級，全并行納秒級。 －分辨率：數字量位數n。 LSB（最低有效位）－滿量程的1/2n. －線性誤差：量程范圍內，偏離理想轉換特性 的最大誤差，通常為1/2LSB或1LSB －量程：能轉換的電壓范圍。 －對基準電源的要求：電源精度。A/D轉換器的主要技術指標：272.2.1A/D轉換器8位A/D轉換器ADC0809

－帶8通道模擬開關的8位逐次逼近A/D轉換器

－轉換時間100us,誤差±1/2LSB2.2.1A/D轉換器288通道模擬開關及通道選擇

－地址鎖存信號ALE轉換啟動：START收到正脈沖轉換結束：EOC從低電平變為高電平基準電壓：VREF(+)=5.12V,VREF(-)=0VCBA通道000VIN0001VIN1

…………111VIN7

8通道模擬開關及通道選擇CBA通道000VIN0001V29轉換時序

轉換時序3012位A/D轉換器AD547A

單通道12位逐次逼近A/D轉換器

轉換時間25us,誤差±1/2LSB，單極性或雙極

性輸入，量程10V或20V。12位A/D轉換器AD547A31單、雙極性應用－單極性：BIPOFF接0V－雙極性：BIPOFF接10V單、雙極性應用32轉換結果輸出：－引腳12/8=1：D11-D0并行輸出；

引腳12/8=0：D11-D8和D7-D0分時輸出；控制邏輯CECSR/C12/8A0操作功能100X0啟動12位轉換10001啟動8位轉換1011X輸出12位數字10100輸出高8位數字10101輸出低4位數字0XXXX無操作X1XXX無操作轉換結果輸出：CECSR/C12/8A0操作功能100X033轉換進行：STS為高電平轉換結束：STS從高電平轉為低電平轉換時序：

啟動轉換進行：STS為高電平34轉換時序：讀轉換時序：讀352.2.2A/D轉換接口技術

ADC0809與8255A接口 －8255A的A口工作方式0。A口為數據輸入端 －C口上半部分為輸入，下半部分為輸出。 PC0-PC2－通道地址ABCPC3－ALE和START，啟動轉換PC7－OE和EOC，檢測轉換結束 －8255A系統地址2C0H~2C3H。2.2.2A/D轉換接口技術36計算機控制系統發展方向課件37ADC0809 PROCNEAR MOVCX,8;循環次數 CLD;DI自動增量 MOVBL,00H;模擬通道地址 LEADI,DATABUF；字串存儲地址NEXTA: MOVDX,02C2H MOVAL,BL OUTDX,AL INCDX MOVAL,00000111B；輸出啟動信號，上升沿鎖存地址 NOP NOP NOP MOVAL,00000110B；下降沿,形成ALE,START脈沖

ADC0809 PROCNEAR38 OUTDX,AL DECDXNOSC: INAL,DX;檢測轉換結束信號 TESTAL,80H JNZNOSC;EOC=1,則等待，檢測EOC下降沿NOEOC: INAL,DX; TESTAL,80H JZNOSC;EOC=0,則等待，檢測EOC上升沿，轉換結束 MOVDX,02C0H;讀轉換結果 INAL,DX STOSDATABUF;保存結果 INCBL;修改模擬通道地址 LOOPNEXTA；CX-1; RETADC0809 ENDP OUTDX,AL39AD574與8255A接口 AD574的12/8接＋5V，A0接地，工作于12位轉換和讀出方式。 8255A的A口、B口工作方式0，數據輸入端C口上半部分為輸入，下半部分為輸出。PC0-PC2－R/C，CS，CE PC7－STS，檢測轉換結束 8255A系統地址2C0H~2C3H。AD574與8255A接口40計算機控制系統發展方向課件41 MOVDX,02C2H;令CS,R/C為低電平

MOVAL,00H OUTDX,AL NOP NOP MOVAL,04H；令CE=1,啟動轉換 OUTDX,AL NOP NOP MOVAL,03H；令CE=0，CS,R/C＝1，啟動完畢 OUTDX,ALPOLLING: INAL,DX;查詢STS狀態 TESTAL,80H JNZPOLLING;STS=1則等待，檢測下降沿（轉換結束） MOVAL,01H；令CS＝0,R/C＝1,準備讀

MOVDX,02C2H;令CS,R/C為低電平42

OUTDX,AL NOP MOVAL,05H;令CE=1,允許讀出 OUTDX,AL MOVDX,02C0H INAL,DX;讀高4位DB11-DB8; ANDAL,0FH MOVBH,AL；存高4位 INCDX INAL,DX；讀低8位DB7-DB0 MOVBL,AL INCDX MOVAL,03H OUTDX,AL;結束讀出操作

OUTDX,AL43第二章

輸入輸出接口與過程通道（2）

2.3模擬量輸入通道模擬量輸入通道－把模擬信號轉換為二進制數字信號，送入計算機中。模擬信號傳輸－0～10mA或4～20mA電流傳輸。第二章輸入輸出接口與過程通道（2）2.3模擬量輸入通道442.3.1模擬量輸入通道結構2.3.1模擬量輸入通道結構452.3.2I/V變換電流輸出 儀表DDZ-Ⅱ：0～10mA 儀表DDZ-Ⅲ,DDZ-S：4～20mA無源I/V變換（利用無源器件完成）

0～10mA:R1100Ω

R2500Ω

0～5V輸出

4～20mA:R1100Ω

R2250Ω

1～5V輸出2.3.2I/V變換46有源I/V變換（利用有源器件完成）

0～10mA:R1200Ω

R3100kΩ

R4150kΩ

0～5V輸出

4～20mA:R1200Ω

R3100kΩ

同相放大器倍數A=1+R4/R3R425kΩ 1～5V輸出

有源I/V變換（利用有源器件完成）472.3.3多路轉換器多路開關－理想工作狀態：開路電阻無窮大，導通電阻為0。要求切換速度快。舉例：CD4051－8通道開關

INH禁止輸入

2.3.3多路轉換器482.3.4采樣、量化及常用的采樣保持器信號的采樣

－采樣過程：以周期時間間隔T，把時間與幅值連續的模擬信號轉變為連串脈沖輸出信號。

－τ為采樣寬度，即K閉合的時間。

2.3.4采樣、量化及常用的采樣保持器49 香農采樣定量：若信號的最高頻率為fmax，只要采樣頻率f≥2fmax，采樣信號就能唯一復現原信號。量化

量化：用一組數碼逼近離散模擬信號的幅值。 量化過程：模擬信號－>數字信號。 量化單位：A/D轉換器的最低有效位LSB對應的模擬量。q=(ymax-ymin)/(2n-1)量化誤差：±1/2q 香農采樣定量：若信號的最高頻率為fmax，只要采樣頻率f50采樣保持器

－孔徑時間tA/D：完成一次A/D轉換需要的時間。

－孔徑誤差：采樣時刻的最大轉換誤差。

－孔徑誤差的消除：采用采樣保持器

采樣保持器51計算機控制系統發展方向課件52

－孔徑時間內，信號的變化導致轉換誤差，A/D轉換器需要采樣保持器來提高輸入信號的頻率范圍。

－采樣保持器：把t=KT時刻的采樣值保持到A/D轉換結束。

采樣：K閉合，CH快速充電，VOUT跟隨VIN

保持：K斷開，VOUT保持VC

－緩慢變化的信號無需采樣保持器

－孔徑時間內，信號的變化導致轉換誤差，A/D轉換器53

－LF398

采樣保持控制引腳8：高電平，采樣

低電平，保持 CH外接高品質電容，其減小可以提高采樣頻率。

獲取時間：CH為0.01uF時,時間為25us －LF398542.3.5模擬量輸入通道設計 器件：AD547A,LF398,CD4051,8255A指標 －8通道模擬量輸入 －12位A/D轉換（25us)，量程0～10V －查詢應答方式電路邏輯： －通道選擇->PC0-PC2,通道禁止->PC3 －LF398采樣和保持->ADC547的STS+反相器 －AD547A的R/C,CS,CE->PC4-PC6 －轉換狀態檢測STS->PA7 －數據輸入：高4位->PA0-PA3，低8位->B口 2.3.5模擬量輸入通道設計 55計算機控制系統發展方向課件56AD574A PROCNEAR CLD LEADI,BUF MOVBL,00000000B;令CE，CS,R/C,INH=0,初始化 MOVCX,8ADC: MOVDX,2C2H;C口地址 MOVAL,BL OUTDX,AL;選擇多路開關，STS=0,LF398采樣 NOP NOP ORAL,01000000B；令CE=1,啟動轉換A/D OUTDX,AL； ANDAL,10111111B；令CE=0,形成啟動脈沖 OUTDX,AL； MOVDX,2C0H;A口地址 AD574A PROCNEAR57PULLING INAL,DX；測試STS，看轉換是否結束 TESTAL,80H JNZPULLING；轉換期間STS＝1，LF398保持 MOVAL,BL； ORAL,00010000B;轉換結束，令R/C＝1，準備讀 MOVDX,2C2H; OUTDX,AL ORAL,01000000B;令CE,R/C＝1，開始讀 MOVDX,2C0H;讀A口高4位 INAL,DX ANDAL,0FH MOVAH,AL；高4位存在AH INCDX;讀B口低8位 INAL,DX；低8位存在AL STOSW;數據存儲PULLING INAL,DX；測試STS，看轉換是否58

INCBL ;更換通道 LOOPADC MOVAL,00111000B;CE=0，CS,R/C,INH=1,芯片復位 MOVDX,2C2H OUTDX,AL RETAD574A ENDP INCBL ;更換通道 592.4D/A轉換器及接口技術D/A轉換器的技術指標－分辨率：D/A轉換器輸入二進制數的位數。 －建立時間：輸入數字信號的變化是滿量程時， 輸出信號達到離終值±1/2LSB的所需時間。－線性誤差：偏離理想轉換特性的最大誤差。常見D/A轉換器類型：－電流輸出型，通常要轉為電壓，速度因外接放大器有滯后。－電壓輸出形，速度快，僅用于高阻抗負載。2.4D/A轉換器及接口技術60－乘算型，在基準電壓輸入上加交變信號，能輸出數字輸入和基準電壓輸入相乘的結果，完成乘法運算。－

1bitD/A轉換器，將數字值轉換為脈沖寬度調制或頻率調制的輸出，然后用數字濾波器作平均化而得到電壓輸出(又稱位流方式)。

－乘算型，在基準電壓輸入上加交變信號，能輸出數字輸入和基準電612.4.1D/A轉換器8位D/A轉換器ADC0832

－8位電流輸出型D/A轉換器2.4.1D/A轉換器62

－內部具有兩個鎖存器：輸入鎖存器和DAC鎖

存器，分別由LE1，LE2控制。

高電平：寄存器直通

低電平：寄存器鎖存

－引腳說明： DI0-DI7：數字輸入 IOUT1,IOUT2：電流輸出，IOUT1+IOUT2=C

－內部具有兩個鎖存器：輸入鎖存器和DAC鎖63

ILE：輸入寄存器鎖存允許

WR1：控制輸入寄存器

WR2：控制DAC寄存器

XFER：控制DAC寄存器 －XFER，WR2地用于多個D/A轉換器的同步， 通常接地，這時DAC寄存器直通。 －Rfb反饋電阻端，VREF參考電壓。 －DAC0832單緩沖形式：XFER，WR2接 地，ILE接高電平，WR1接I/O控制，CS接 譯碼，2個寄存器中只有輸入寄存器有效。 ILE：輸入寄存器鎖存允許6412位D/A轉換器DAC1210

－12位電流輸出型D/A轉換器12位D/A轉換器DAC121065 －內部具有兩個鎖存器：輸入鎖存器和DAC鎖存器，分別由LE控制。 －BYTE1/BYTE2輸入控制端高電平：DI0-DI11同時鎖存到輸入寄存器低電平：DI0-DI3鎖存到4位輸入寄存器 －DAC寄存器的鎖存控制端LE

高電平：Q＝D，輸入寄存器與DAC寄存器直通低電平：DAC寄存器鎖存 －WR1,WR2,CS,XFER,Rfb,VREF與DAC0832相同 －內部具有兩個鎖存器：輸入鎖存器和DAC鎖存器，分別由LE662.4.2D/A轉換接口技術DAC0832與XT總線接口

－DAC0832工作方式為單緩沖寄存器。

－用反相放大器把輸出電流轉換為負極性電壓

－工作過程： 1.端口地址+IOW有效->CS有效->LE1高電平 ->輸入寄存器直通->輸入數據進行D/A轉換。 2.IOW變高->CS變高->LE1低電平->輸入寄

存器鎖存->D/A轉換輸出保持。2.4.2D/A轉換接口技術67計算機控制系統發展方向課件68

－程序，端口地址300H。 MOVDX,300H MOVAL,7FH OUTDX,AL HLT －電流輸出端IOUT1,IOUT2的電位應接近0，以保證運放輸出的線性。 －程序，端口地址300H。69DAC1210與XT總線接口

－譯碼器對端口300H，301H，302H分別產生

Y0，

Y1

，

Y2用于DAC的控制。

－CS接地 8位輸入寄存器：XT總線D0-D7 4位輸入寄存器：XT總線D4-D7

－輸出端用反相放大器把差動電流轉換為電壓,經倒相后變為正極性電壓輸出。

DAC1210與XT總線接口70計算機控制系統發展方向課件71

－工作過程： 1.鎖存高8位數據：Y0有效->BYTE1/BYTE2高電平->當IOW有效->D0-D7鎖入8位輸入寄存器，D4-D7鎖入4位輸入寄存器。 2.鎖存低4位數據：Y1有效->BYTE1/BYTE2低電平->當IOW有效->D4-D7鎖入4位輸入寄存器。 3.輸入寄存器數據送到DAC寄存器：Y2有效->

XFER低電平->當IOW有效->輸入寄存器數據傳送到DAC寄存器，并開始D/A轉換。 －工作過程：72

4.DAC寄存器鎖存，D/A輸出保持：Y2,IOW

變高電平->DAC寄存器鎖存數據，保持D/A轉換輸出。 －程序 MOVDX,300H;Y0有效 MOVAL,83H；高8位數據 OUTDX,AL MOVDX,301H;Y1有效 MOVAL,0F0H；低4位數據 OUTDX,AL MOVDX,302H；Y2有效 OUTDX,AL；進行D/A轉換 HLT 4.DAC寄存器鎖存，D/A輸出保持：Y2,IO73微機計算機控制技術

第五講

第3章

數字程序控制技術所謂數字程序控制，就是計算機根據輸入的指令和數據，控制生產機械（如各種加工機床）按規定的工作順序、運動軌跡、運動距離和運動速度等規律自動地完成工作的自動控制。數控系統：輸入裝置、輸出裝置、控制器和插補器。計算機數控CNC(ComputerNumericalControl)微機計算機控制技術 第五講第3章數字程序控制技術74

步驟：1.曲線分段：

－圖中曲線分為三段，分別為ab、bc、cd，a、b、c、d四點坐標送計算機。

－分割原則：應保證線段所連的曲線與原圖形的誤差在允許范圍之內。

752.插補計算：

－插補計算：

給定曲線基點坐標，求得曲線中間值的數值計算方法。

－插補計算原則：通過給定的基點坐標，以一定的速度連續定出一系列中間點，這些中間點的坐標值以一定的精度逼近給定的線段。

－插補：

直線插補(在給定的兩個基點之間用一條近似直線來逼近)

二次曲線插補－圓弧、拋物線、雙曲線

(在給定的兩個基點之間用一條近似曲線來逼近)3.折線逼近：

根據插補計算出的中間點、產生脈沖信號驅動x、y方向上的步進電機，帶動繪圖筆、刀具等，從而繪出圖形或加工所要求的輪廓。2.插補計算：76－步長：刀具對應于每個脈沖移動的相對位置，可以用△x,△y表示，一般△x＝

△y x方向步數：Nx＝(xe-x0)/△x y方向步數：Ny＝(ye-y0)/△y－步長：刀具對應于每個脈沖移動的相對位置，可以用△x,△773.1.2數字程序控制方式數字程序控制的3種方式：點位控制、直線切削控制、輪廓切削控制。點位控制

只要求控制刀具行程終點的坐標值，即工件加工點準確定位，對刀具的移動路徑、移動速度、移動方向不作規定，且在移動過程中不做任何加工，只是在準確到達指定位置后才開始加工。（定位）直線切削控制

控制行程的終點坐標值，還要求刀具相對于工件平行某一坐標軸作直線運動，且在運動過程中進行切削加工。（單軸切削）3.1.2數字程序控制方式78輪廓的切削控制

控制刀具沿工件輪廓曲線運動，并在運動過程中將工件加工成某一形狀。這種方式借助于插補器進行。（多軸切削）三種方式比較

點位控制：驅動電路簡單，無需插補

直線切削控制：驅動電路復雜，無需插補

輪廓切削控制：驅動電路復雜，需插補

輪廓的切削控制793.1.3開環數字程序控制閉環方式執行機構多采用直流電機作為驅動元件

反饋測量元件采用光電編碼器、光柵、感應同步器等開環方式

3.1.3開環數字程序控制803.2逐點比較法插補原理逐點比較法插補，就是刀具或繪圖筆每走一步都要和給定軌跡上的坐標值進行比較一次，決定下一步的進給方向：

用階梯折線逼近曲線。

走一步->比較一次->決定下一步的走向

－逐點比較法的最大誤差：一個脈沖當量（步長）

3.2逐點比較法插補原理813.2.1逐點比較法直線插補插補步驟：

偏差判別->坐標進給->偏差計算->終點判斷

走一步->比較一次->決定下一步的走向

插補結束判斷

3.2.1逐點比較法直線插補82第一象限內的直線插補

偏差計算式：

若點m在OA直線段上，則有xm/ym=xe/ye

即ymxe-xmye＝0

于是取偏差計算式為Fm=ymxe-xmye

第一象限內的直線插補83

偏差判別：

偏差判別式：

若Fm=0，則點m在OA直線段上；

若Fm>0，則點m在OA直線段的上方；

若Fm<0，則點m在OA直線段的下方。

進給方向確定：

當Fm>=0時，沿+x軸方向走一步；

當Fm<0時，沿+y方向走一步；

當目前坐標與終點坐標相等，停止插補。

偏差判別：84

偏差計算的簡化：

（1）設加工點在m點，若Fm>=0，這時沿+x軸方向走一步至m＋1點。(xm+1，ym+1)=(xm+1,ym) Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=ymxe-(xm+1)ye =ymxe-xmye-ye=Fm–ye

（2）設加工點在m點，若Fm<0，這時沿+y軸方向走一步至m＋1點。

推理有Fm+1=Fm+xe

偏差計算的簡化：85

偏差計算簡化為：

若m為起點0，則Fm=F0=0；

否則

：若Fm>=0，Fm+1=Fm–ye

若Fm<0，Fm+1=Fm+xe

終點判斷：

方法1：設置x，y軸兩個減法計數器Nx和Ny

，加工前分別存入終點坐標xe和ye，x(y)軸每進給一步則Nx–1(Ny–1）,當Nx和Ny

均為0，則認為達到終點。

方法2：設置一個終點計數器Nxy,x或y軸每進給一步則Nxy–1，當Nxy

為0，則認為達到終點。

偏差計算簡化為：864象限內的直線插補

記憶：2象限：1象限以y軸鏡象4象限：1象限以x軸鏡象3象限：1象限旋轉180度

4象限內的直線插補873.直線插補計算的程序實現內存單元數據 XE：終點X坐標YE：終點Y坐標NXY:總步數，Nxy＝Nx+

Ny

FM:加工點偏差，初值F0=0

XOY:象限值，1、2、3、4分別代表1、2、3、4象限ZF：進給方向，1、2、3、4代表在+x、–x、+y、-y方向進給。

3.直線插補計算的程序實現88流程圖流程圖89例3.1：加工第1象限直線OA，起點為O（0，0），終點為A(6，4)，試進行插補并作走步軌跡圖。解：進給總步數Nxy＝|6-0|+|4-0|=10

xe=6，ye=4,F0=0,xoy=1 例3.1：加工第1象限直線OA，起點為O（0，0），終點為A90計算機控制系統發展方向課件91微機計算機控制技術

第六講

3.2.2逐點比較法圓弧插補第一象限內的圓弧插補

偏差定義M點偏差Fm=Rm2-R2=xm2+ym2-R2

－偏差判斷Fm=0，M點在圓弧上 Fm>0，M點在圓弧外Fm<0，M點在圓弧內微機計算機控制技術 第六講3.2.2逐點比較法圓弧插92第一象限逆圓弧逐點比較插補的原理：

從起點出發，當Fm>=0，向-x方向進給一步，并計算新的偏差；當Fm<0，下一步向+y方向進給，并計算新的偏差。按上述步驟循環到達終點后結束。

第一象限逆圓弧逐點比較插補的原理：93偏差的簡化計算，以第一象限逆圓弧為例：當Fm>=0，向-x方向進給一步

（xm+1，ym+1)=(xm－1,ym) Fm+1=xm+12+ym+12-R2=Fm–2xm+1

當Fm<0，向+y方向進給一步

（xm+1，ym+1)=(xm,ym+1

) Fm+1=xm+12+ym+12-R2=Fm+2ym+1起點偏差Fm＝0偏差的簡化計算，以第一象限逆圓弧為例：94終點判斷

采用總步數Nxy設計數方法：Nxy初始設值為x和y軸進給總步數之和，x或y軸每進給一步則Nxy–1，當Nxy

為0，則認為達到終點。

插補計算步驟

偏差判別->坐標進給->偏差計算->坐標計算->終點判斷

直線插補：偏差計算使用終點坐標xe，ye

圓弧插補：偏差計算使用前一點坐標xm，ym

終點判斷95四個象限的圓弧插補第一象限順圓弧的插補計算當Fm>=0，向+y方向進給一步，Fm+1=Fm–2ym+1當Fm<0，向+x方向進給一步，Fm+1=Fm+2xm+1四個象限的圓弧插補96－四個象限的圓弧插補記憶：2象限：1象限以y軸鏡象4象限：1象限以x軸鏡象3象限：1象限旋轉180度－四個象限的圓弧插補97－圓弧插補計算工時和進給方向注意：表中坐標值為不帶符號的數，如第四象限中的點（-4,-3)應用xm=4,ym=3查表計算。－圓弧插補計算工時和進給方向98圓弧插補計算的程序實現

內存單元數據 X0：起點X坐標Y0：起點Y坐標NXY:總步數，Nxy＝Nx+

NyFM：加工點偏差；XM：xmYM：ym

RNS：圓弧種類，1、2、3、4和5、6、7、8分別代表SR1、SR2、SR3、SR4和NR1、NR2、NR3、NR4。ZF：進給方向，1、2、3、4代表在+x、–x、+y、-y方向進給。

圓弧插補計算的程序實現99流程圖流程圖100例3.2：加工第1象限逆圓弧AB，起點為A（4，0），終點為B(0，4)，試進行插補并作走步軌跡圖。解：進給總步數Nxy＝|4-0|+|4-0|=8例3.2：加工第1象限逆圓弧AB，起點為A（4，0），終點為101計算機控制系統發展方向課件1023.3步進電機控制技術步進電機：是一種將電脈沖信號轉換為角位移的機電式數摸（D/A）轉換器。

輸入：脈沖

輸出：位移

脈沖數：決定位移量

脈沖頻率：決定位移的速度3.3步進電機控制技術1033.3.1步進電機的工作原理

三相反應式步進電機

定子：三對磁極，六個齒

轉子：四個齒，分別為0、1、2、3齒3.3.1步進電機的工作原理104－工作過程：A相通電：A相磁極與0、2號齒對齊；B相通電：由于磁力線作用，B相磁極與1、3號齒對齊；C相通電：由于磁力線作用，C相磁極與0、2號齒對齊；A相通電：由于磁力線作用，A相磁極與1、3號齒對齊；結論：定子按A->B->C->A相輪流通電，則磁場沿A、B、C方向轉動360度角，轉子沿ABC方向轉動了一個齒距的位置。齒數為4，齒距角為90度，即1個齒距轉動了90度。－工作過程：105

步進電機的“

相”和“

拍”

“

相”繞組的個數

“

拍”繞組的通電狀態。如：三拍表示一個周期共有3種通電狀態，六拍表示一個周期有6種通電狀態，每個周期步進電機轉動一個齒距。

步進電機的步距角的計算：N：步進電機的拍數Z：轉子的齒數。齒距角θz=360/Z

步距角θ＝360/(NZ)：步進電機每拍步進的角度。

步進電機的“相”和“拍”1063.3.2步進電機的工作方式－步進電機的通電方式

單相通電方式、雙相通電方式、單相雙相交叉通電方式。－三相步進電機可工作于三相三拍（單三拍）、雙相三拍（雙三拍）、三相六拍工作方式。－單三拍工作方式A->B->C->A…3.3.2步進電機的工作方式107－雙三拍工作方式AB->BC->CA->AB->…－三相六拍工作方式A->AB->B->BC->C->CA->A->…－雙三拍工作方式108步進電機細分驅動：

切換時，繞組電流并非全部切除或通入，只改變額定值的一部分（如1/4)，轉子也只轉動步距角的一部分（如1/4)。步進電機細分驅動：切換時，繞組電流并非全部切除或通入，只改109優點：達到更高分辨率，減小振動和噪聲優點：達到更高分辨率，減小振動和噪聲110微機計算機控制技術

第七講

3.3.3步進電機控制接口及輸出字表步進電機常規控制電路

微機計算機控制技術 第七講3.3.3步進電機控制接口111

脈沖分配器：把脈沖串按一定規律分配給脈沖放大器的各相輸入端，又稱環形分配器。

輸入：步進脈沖，1個脈沖為1拍，走一步；

方向選擇

，正轉或反轉。

輸出：各相繞組的驅動脈沖。

功率放大器：脈沖分配器的輸出電路不足以驅動步進電機，進行功率放大。

步進電機微機控制方式一

微機

＋

環形分配器

＋

功放

運動控制及脈沖產生

脈沖脈沖分配

脈沖分配器：把脈沖串按一定規律分配給脈沖放大器的各112步進電機微機控制方式2

微機

＋

驅動電路運動控制和脈沖分配

功率放大

步進電機控制接口

－例如：采用8255芯片控制x,y軸步進電機。步進電機微機控制方式2113步進電機控制的輸出字表

－8255的PA、PB口分別控制x,y軸步進電機。

－輸出數據“1”表示通電，“0”表示斷電。步進電機控制的輸出字表114

－輸出字以表的形式順序存放在內存：

正轉訪問順序：ADX1->ADX2->…->ADX6 ADY1->ADY2->…->ADY6

反轉訪問順序：ADX6->ADX5->…->ADX1 ADY6->ADY5->…->ADY1

微機的運動控制功能

－改變輸出脈沖數，控制步進電機的走步數；

－改變各相繞組的通電順序，控制步進電機的轉向，正轉、反轉；

－改變輸出脈沖的頻率，控制步進電機的轉速。 －輸出字以表的形式順序存放在內存：115

－輸出字以表的形式順序存放在內存：

正轉輸出順序：ADX1->ADX2->…->ADX6 ADY1->ADY2->…->ADY6

反轉輸出順序：ADX6->ADX5->…->ADX1 ADY6->ADY5->…->ADY1

微機的運動控制功能

－改變輸出脈沖數，控制步進電機的走步數；

－改變各相繞組的通電順序，控制步進電機的轉向，正轉、反轉；

－改變輸出脈沖的頻率，控制步進電機的轉速。

－輸出字以表的形式順序存放在內存：1163.3.4步進電機控制程序步進電機走步控制程序流程圖3.3.4步進電機控制程序117計算機控制系統發展方向課件118步進電機速度控制程序

－步進電機調速：改變輸出脈沖的頻率。

－可采用延時或定時器方法。

－延時或定時時間的計算：Ti為相鄰兩次走步的時間間隔，Vi為進給一步后速度，a為加速度，有：

步進電機速度控制程序119步進電機控制實驗

－四相八拍工作方式。

－8086：采用延時方式進行速度控制

－8031：采用定時器方式進行速度控制步進電機控制實驗120PWM直流電機調速

－PWM：脈沖寬度調制技術。

輸出脈沖頻率不變，脈沖寬度受輸入信號調制

－在電機控制領域應用廣泛。

PWM直流電機調速121

－PWM直流電機調速的優點：

（1）功耗小，效率高。

（2）以高頻脈沖電流給繞組供電，由于繞組為感性負載，脈沖電流得以濾平，所以波系數小,電機發熱量小。

（3）系統的響應頻帶寬，起制動非常快。

（4）系統抗負載擾動的性能好。

（5）高頻輸出避開了電機及傳動機械的共振點，所以運行平穩，噪聲低。

－微機產生PWM波形的方法

程序延時：高電平延時＋低電平延時＝PWM周期時間

定時器中斷：PWM周期T定時中斷＋高電平t定時中斷 －PWM直流電機調速的優點：122直流電機調速實驗

－采用PWM調速方式。

－8031產生PWM波，驅動電路功率放大。

直流電機調速實驗123

－PWM波形的產生：

采用延時方式產生PWM波形，脈寬固定，電機恒速。 T=X*T0,T1=Y*T0，T2=Z*T0。X為T周期參數，放在20H單元。Y為T1延時參數，Z為T2延時參數，放在21H單元，X=Y+Z。T0為延時的時間基數，由定時器確定，參數置22H，23H單元中。

－PWM波形的產生：124

ORG0000H LJMPMAIN ORG000BH LJMPTT0；

跳轉到定時器0中斷程序 ORG1000HMAIN: SETBP1.0；

脈沖的高電平 MOVR0,21H；(21H)初始值為Y，存入R0中，延時T1 MOVTMOD,#01H MOVTL0,22H；時間基數T0的定時參數 MOVTH0,23H SETBTR0；

定時中斷設置

SETBET0 ORG0000H125

SETBEAL1: CJNER0,#00H,L2； CPLP1.0;延時R0*T0時間后，輸出取反R0在運行前為 MOVA,20H；

取X,T周期時間。Y，則運行后為 SUBBA,21H；A=X-(21H),若（21H)=Y,A=Z,X;運行前為X

若（21H)=Z,A=Y;，

則運行后為Y。 MOV21H,A;A存到(21H)R0交替置入高 MOVR0,A; 低電平延時時間。

L2: AJMPL1TT0: MOVTL0,22H；T0定時中斷 MOVTH0,23H DECR0;R0-1 RETI SETBEA126

－實驗編程：

用8086和8255，P1.0改為PA0口，編程控制直流電機，在第1個10秒慢速轉動，第2個10秒快速轉動，并不斷循環。 －實驗編程：127微機計算機控制技術

第八講

第四章

常規及復雜控制技術數字控制器的設計方法：

連續化設計：采樣周期短、控制算法簡單的系統。忽略零階保持器和采樣器，求出系統的連續控制器，以近似方式離散化為數字控制器。

離散化設計：采樣周期長的或控制復雜的系統。直接使用采樣控制理論設計數字控制器。微機計算機控制技術 第八講第四章常規及復雜控制技術1284.1數字控制器的連續化設計技術數字控制器的連續化設計 (1)忽略控制回路中的零階保持器和采樣器，在S域中設計連續控制器。條件是采樣周期足夠短。(2)通過近似方法，把連續控制器離散化為數字控制器，用計算機實現。

實質：在采用周期足夠短的情況下，把數字控制器（A/D－采樣、計算機、D/A－零階保持）看作一個整體，其輸入和輸出為模擬量，將其等效為連續傳遞函數。

數字控制器的連續化設計技術，是立足于連續控制系統控制器的設計，然后在計算機上進行數字模擬來實現的。4.1數字控制器的連續化設計技術129數字控制器的連續化設計技術在被控對象的特性不太清楚的情況下，利用技術成熟的連續化設計技術，并把它移植到計算機上予以實現，以達到滿意的控制效果。但是連續化設計技術要求相當短的采樣周期，因此只能實現較簡單的控制算法。由于控制任務的需要，當所選擇的采樣周期比較大或對控制質量要求比較高時，必須從被控對象的特性出發，直接根據計算機控制理論（采樣控制理論）來設計數字控制器，這類方法稱為離散化設計技術。離散化設計技術比連續化設計技術更具有一般意義，它完全是根據采樣控制系統的特點進行分析和綜合，并導出相應的控制規律和算法。數字控制器的連續化設計技術在被控對象的特性不太清楚的情況下，130數字控制理論基礎1、計算機只能接受和處理二進制代碼0和1及其組合，這些二進制數可以表示某一物理量的大小，稱之為離散量或數字量。但實際系統中的被控量是在時間上連續的信號，一般稱之為連續量或模擬量。模擬量進行離散化并轉換成數字量后，才能由計算機處理。因此，計算機控制系統也可以稱為數字控制系統、離散控制系統或采樣控制系統。模擬控制系統也稱為連續控制系統。數字控制理論基礎131離散(數字)控制系統與連續（模擬）控制系統的本質區別在于：模擬系統中的給定量、反饋量和被控量都是連續型的時間函數，而在離散系統中，通過計算機處理得給定量、反饋量和被控量是在時間上離散的數字信號。把計算機引入連續控制系統中作為控制器使用，便構成了計算機控制系統。由計算機構成的控制系統，在本質上是一個離散系統。離散(數字)控制系統與連續（模擬）控制系統的本質區別在于：模132脈沖傳遞函數的定義1、在連續系統中傳遞函數的定義是：在初始靜止（t=0時，輸入量和輸出量以及他們的各階導數均為零）的條件下，一個環節（系統）的輸出量拉氏變換和輸入量的拉氏變換之比定義為該環節（系統）的傳遞函數。2、依此類似，在數字控制系統中，也是在初始靜止的條件下，一個環節（系統）的輸出脈沖序列的Z變換與輸入脈沖序列的Z變換之比，被定義為該環節（系統）的脈沖傳遞函數。脈沖傳遞函數的定義1334.1.1數字控制器的連續化設計步驟5步

－設計假想的連續控制器D(s)

－選擇采樣周期T

－將D(s)離散化為D(z)

－設計由計算機實現的控制算法

－

校驗第一步：設計假想的連續控制器D(s)

解決方案：自控原理中的連續系統的頻域設計法、根軌跡法等。

4.1.1數字控制器的連續化設計步驟134計算機控制系統的結構圖G(s)被控對象的傳遞函數D(z)數字控制器,H(S)零階保持器，U（K）U（t）控制量假想的連續控制系統結構圖D（S）連續控制器計算機控制系統的結構圖假想的連續控制系統結構圖135第二步：選擇采樣周期T

－計算機控制系統的信號恢復功能由零階保持器H(s)完成。

頻率特性推導，使用歐拉公式。零階保持器的傳遞函數為：

上式表明，零階保持器存在滯后。第二步：選擇采樣周期T 136

對于小的采用周期，用冪級數展開：

H(s)可用T/2的時間滯后環節近似。

采樣周期的經驗公式，設相位裕量減少5-15度，ω

c系統剪切頻率

結論：采用數字控制器的連續化設計方法，采樣周期應該相當短。對于小的采用周期，用冪級數展開： 137第三步：將D(s)離散化為D(z)將連續控制器D(s)離散化為數字控制器D(z)的方法有很多，如雙線性變換法、后向差分法、前向差分法、沖擊響應不變法、零極點匹配法、零階保持法等。通過近似方法，把連續控制器離散化為數字控制器。

方法1:雙線性變換法（Tustin塔斯廷近似）推導1：級數展開z=esT,T很小。得到

第三步：將D(s)離散化為D(z)138推導2：梯形法數值積分

積分控制器用梯形法求積分運算兩邊求Z變換推導2：梯形法數值積分139

映射關系：

雙線性變換法置換公式

把S=σ+jω

代入有：

取模的平方則：

σ=0（s平面虛軸），|z|=1(z平面單位園上）

σ<0（s左半平面），|z|<1(z平面單位園內）

σ>0（s右半平面），|z|>1(z平面單位園外）映射關系：140

結論：1個穩定的系統經過雙線性變換仍然是穩定的。方法2:前向差分法推導1：級數展開z=esT,T很小。

得到結論：1個穩定的系統經過雙線性變換仍然是穩定的。141推導2：用一階前向差分近似代替微分。

微分控制器

用前向差分近似代替

令n=k+1，并對兩邊作Z變換有：

得出：

推導2：用一階前向差分近似代替微分。142

－映射關系：

前向差分法置換公式

把S=σ+jω

代入，

取模的平方有：

令|z|=1，則對應到s平面上是一個圓，有：

即當D(s)的極點位于左半平面以（-1/T,0)為圓心，1/T為半徑的圓內，D(z)才在單位圓內，才穩定。結論：穩定的系統經前向差分法轉換后可能不穩定。－映射關系：143方法3:后向差分法推導1：級數展開z=esT,T很小。

得到推導2：用一階向后差分近似代替微分。

用向后差分近似代替

對兩邊作Z變換有：方法3:后向差分法144

映射關系：

根據向后差分法置換公式

有

把S=σ+jω

代入，

取模的平方有：

145則：

σ=0（s平面虛軸），

σ<0（s左半平面），

σ>0（s右半平面），

后向差分法將s的左半平面映射到z平面內半徑為1/2的圓，因此如果D(s)穩定，則D(z)穩定。映射比較：雙線性變換－保持穩定

前向差分－不能保持穩定

向后差分－保持穩定則：σ=0（s平面虛軸），146第四步：設計由計算機實現的控制算法 D(z)的一般形式：

m個零點和n個極點，寫為

化為時域表示：

上式稱為數字控制器D(z)的控制算法。

第四步：設計由計算機實現的控制算法147第五步：校驗

通過計算機仿真計算實現。第五步：校驗1484.1.2數字PID控制器的設計PID－比例P,積分I,微分D數字PID控制器－用計算機實現PID控制，即把模擬PID控制規律數字化。1.模擬PID調節器

控制規律4.1.2數字PID控制器的設計149

拉氏變換求傳遞函數其中：Kp為比例系數，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數。比例作用：迅速反應誤差，但不能消除穩態誤差，過大容易引起不穩定；積分作用：消除靜差，但容易引起超調，甚至出現振蕩；微分作用：減小超調，克服振蕩，提高穩定性，改善系統的動態特性。拉氏變換求傳遞函數1502.數字PID調節器

－用數值逼近的方法實現PID控制規律。

－數值逼近的方法：用求和代替積分、用后向差分代替微分，使模擬PID離散化為差分方程。（1)數字PID位置型控制算法

可得：

位置型控制算法提供執行機構的位置u(k)，比如閥門的開度，需要累計e(i)2.數字PID調節器151（2)數字PID增量型控制算法

根據位置型控制算法寫出u(k-1)：

u(k)-u(k-1)可得：（2)數字PID增量型控制算法152為編程方便，可以整理得到：其中

增量型控制算法提供執行機構的增量△u(k)，比如步進電機的步數。為編程方便，可以整理得到：153增量型算法與位置型算法比較：（1）增量型算法不需做累加，計算誤差后產生的計算精度問題，對控制量的計算影響較小。位置型算法用到過去的誤差的累加，容易產生較大的累加誤差。（2）增量型算法得出的是控制的增量，誤動作影響小，必要時通過邏輯判斷限制或禁止本次輸出，不會影響系統的工作。位置型算法的輸出是控制量的全部輸出，誤動作影響大。增量型算法與位置型算法比較：1544.數字PID控制算法流程

式

（4.1.35),書上的圖4.64.數字PID控制算法流程155脈沖傳遞函數的定義1、在連續系統中傳統函數的定義是：在初始靜止（t=0時，輸入量和輸出量以及他們的各階導數均為零）的條件下，一個環節（系統）的輸出量拉氏變換和輸入量的拉氏變換之比定義為該環節（系統）的傳遞函數。2、依此類似，在數字控制系統中，