第一章緒論 一 計算機控制系統(tǒng)概論二 工業(yè)控制機的組成結(jié)構(gòu)及特點三 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概述 1 計算機控制系統(tǒng)及其組成圖示計算機控制系統(tǒng)就是利用計算機 通常稱為工業(yè)控制計算機 簡稱工控機 來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的系統(tǒng) 偏差控制量 一計算機控制系統(tǒng)概論 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(chǎn)過程自動地按照預定的規(guī)律運行 2計算機控制系統(tǒng)的工作原理 1 實時數(shù)據(jù)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(guī)律 決定將要采取的控制行為 3 實時控制輸出 根據(jù)控制決策 適時地對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號 完成控制任務 計算機控制系統(tǒng)的典型形式 5種 1 操作指導控制系統(tǒng)該系統(tǒng)屬于開環(huán)控制結(jié)構(gòu) 計算機根據(jù)一定的控制算法 依賴測量元件測得的信號數(shù)據(jù) 計算出供操作人員選擇的最優(yōu)操作條件及操作方案 操作人員根據(jù)計算機輸出的信息去改變調(diào)節(jié)器的給定值或直接操作執(zhí)行機構(gòu) 2 直接數(shù)字控制 DirectDigitalControl 系統(tǒng)DDC系統(tǒng)屬于計算機閉環(huán)控制系統(tǒng) 計算機首先通過模擬量輸入通道 AI 和開關(guān)量輸入通道 DI 實時采集數(shù)據(jù) 然后按照一定的控制規(guī)律進行計算 最后發(fā)出控制信息 并通過模擬量輸出通道 AO 和開關(guān)量輸出通道 DO 直接控制生產(chǎn)過程 3 監(jiān)督控制 SupervisoryComputerControl 系統(tǒng)監(jiān)督控制中 計算機根據(jù)原始工藝信息和其他的參數(shù) 按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學模型或其他方法 自動地改變模擬調(diào)節(jié)器或以直接數(shù)字控制方式工作的微型機中的給定值 從而使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況 如保持高質(zhì)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(shè)定值 又稱為設(shè)定值控制SPC SetPointControl 4 分散型控制系統(tǒng) 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(xié)調(diào)的設(shè)計原則 把系統(tǒng)從上到下分為分散過程控制級 集中操作監(jiān)控級 綜合信息管理級 形成分級分布式控制 5 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) FieldbusControlSystem FCS FCS是新一代分布式控制結(jié)構(gòu) 20世紀80年代發(fā)展起來的DCS 其結(jié)構(gòu)模式為 操作站 控制站 現(xiàn)場儀表 三層結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)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(jié)構(gòu)模式為 工作站 現(xiàn)場總線儀表 二層結(jié)構(gòu) 完成了DCS三層結(jié)構(gòu)的功能 降低了成本 提高了可靠性 國際標準統(tǒng)一后 可實現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1 工業(yè)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(yè)控制機的組成結(jié)構(gòu)及特點 2 PC總線標準XT線 書上的PC總線 62線 16位 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸率16MbpsEISA總線 對ISA總線的擴充 32位 98 98線 數(shù)據(jù)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(shù) 數(shù)據(jù)交換由CPU總線直接進行 運行速度為66MHz或更高 最大數(shù)據(jù)傳輸率為132Mbps PCI總線 在CPU和外設(shè)間插入?yún)f(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓芾韺?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(shù)據(jù)寬度為32位和64兩種 數(shù)據(jù)傳輸率分別為133Mbps和266Mbps PCIExpress數(shù)據(jù)傳輸率可以達到8Gbps 3 基于PC總線的工業(yè)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(chǔ)上縮小模板尺寸 降低功耗 滿足嵌入式系統(tǒng)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(jié)構(gòu) 三計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概述 1推廣應用成熟的先進技術(shù) 1 普及應用可編程序控制器 PLC 2 廣泛使用調(diào)節(jié)器 3 采用新型的DCS和FCS2大力研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng) 1 分級遞階智能控制系統(tǒng) 2 模糊控制系統(tǒng) 3 專家系統(tǒng) 4 學習控制系統(tǒng) 5 神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng) 第2章輸入輸出接口與過程通道接口 計算機與外部設(shè)備交換信息的橋梁 包括輸入和輸出接口 接口技術(shù) 研究計算機與外部設(shè)備交換信息的技術(shù) 過程通道 計算機和生產(chǎn)過程之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道 AI AO DI DO 2 1數(shù)字量輸入輸出通道 DI DO 數(shù)字量 開關(guān)量 用 0 和 1 兩個量進行描述 2 1 1數(shù)字量輸入輸出接口數(shù)字量輸入接口三態(tài)門緩沖器74LS244MOVDX portINAL DX 數(shù)字量輸出接口鎖存器74LS273利用IOW上升沿鎖存MOVAL DATAMOVDX portOUTDX DL 輸入調(diào)理電路 輸入緩沖器 地址譯碼器 生產(chǎn)過程 PC總線 2 1 2數(shù)字量輸入通道數(shù)字量輸入通道結(jié)構(gòu) 輸入調(diào)理電路 把現(xiàn)場信號經(jīng)轉(zhuǎn)換 保護 濾波 隔離轉(zhuǎn)換成計算機能夠接收的邏輯信號 小功率輸入調(diào)理電路 開關(guān)去抖電路積分電路 A O A O O A1 RS觸發(fā)器去抖RS觸發(fā)器 1 負脈沖 0 高電平 大功率輸入調(diào)理電路 采用光電隔離 輸出驅(qū)動器 輸出鎖存器 地址譯碼器 生產(chǎn)過程 PC總線 2 1 3數(shù)字量輸出通道1 數(shù)字量輸出通道結(jié)構(gòu) 2 輸出驅(qū)動電路小功率直流驅(qū)動電路功率晶體管輸出驅(qū)動繼電器電路續(xù)流二極管在功率晶體管關(guān)閉時 為繼電器線圈產(chǎn)生的反電動勢提供旁路通道 保護晶體管 達林頓陣列輸出驅(qū)動繼電器電路MC1416 7路驅(qū)動 帶保護二極管 大功率交流驅(qū)動電路固態(tài)繼電器 零交叉電路在交流電過零時產(chǎn)生觸發(fā)信號 減少干擾 2 2A D轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù)常用A D轉(zhuǎn)換方式 1 逐次逼近型 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guī)模大 成本高 4 分級型 減少并行比較ADC的位數(shù) 分級多次轉(zhuǎn)換 減小電路規(guī)模 保持較高速度 5 型 過采樣轉(zhuǎn)換器 高速1bitDAC 數(shù)字濾波 轉(zhuǎn)換成低采樣率高位數(shù)字 分辨率高 A D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標 轉(zhuǎn)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(shù)字量位數(shù)n LSB 最低有效位 滿量程的1 2n 線性誤差 量程范圍內(nèi) 偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差 通常為1 2LSB或1LSB 量程 能轉(zhuǎn)換的電壓范圍 對基準電源的要求 電源精度 2 2 1A D轉(zhuǎn)換器8位A D轉(zhuǎn)換器ADC0809 帶8通道模擬開關(guān)的8位逐次逼近A D轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換時間100us 誤差 1 2LSB 8通道模擬開關(guān)及通道選擇 地址鎖存信號ALE轉(zhuǎn)換啟動 START收到正脈沖轉(zhuǎn)換結(jié)束 EOC從低電平變?yōu)楦唠娖交鶞孰妷?VREF 5 12V VREF 0V 轉(zhuǎn)換時序 12位A D轉(zhuǎn)換器AD547A單通道12位逐次逼近A D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時間25us 誤差 1 2LSB 單極性或雙極性輸入 量程10V或20V 單 雙極性應用 單極性 BIPOFF接0V 雙極性 BIPOFF接10V 轉(zhuǎn)換結(jié)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 轉(zhuǎn)換進行 STS為高電平轉(zhuǎn)換結(jié)束 STS從高電平轉(zhuǎn)為低電平轉(zhuǎn)換時序 啟動 轉(zhuǎn)換時序 讀 2 2 2A D轉(zhuǎn)換接口技術(shù)ADC0809與8255A接口 8255A的A口工作方式0 A口為數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換PC7 OE和EOC 檢測轉(zhuǎn)換結(jié)束 8255A系統(tǒng)地址2C0H 2C3H ADC0809PROCNEARMOVCX 8 循環(huán)次數(shù)CLD DI自動增量MOVBL 00H 模擬通道地址LEADI DATABUF 字串存儲地址NEXTA MOVDX 02C2HMOVAL BLOUTDX ALINCDXMOVAL 00000111B 輸出啟動信號 上升沿鎖存地址NOPNOPNOPMOVAL 00000110B 下降沿 形成ALE START脈沖 OUTDX ALDECDXNOSC INAL DX 檢測轉(zhuǎn)換結(jié)束信號TESTAL 80HJNZNOSC EOC 1 則等待 檢測EOC下降沿NOEOC INAL DX TESTAL 80HJZNOSC EOC 0 則等待 檢測EOC上升沿 轉(zhuǎn)換結(jié)束MOVDX 02C0H 讀轉(zhuǎn)換結(jié)果INAL DXSTOSDATABUF 保存結(jié)果INCBL 修改模擬通道地址LOOPNEXTA CX 1 RETADC0809ENDP AD574與8255A接口AD574的12 8接 5V A0接地 工作于12位轉(zhuǎn)換和讀出方式 8255A的A口 B口工作方式0 數(shù)據(jù)輸入端C口上半部分為輸入 下半部分為輸出 PC0 PC2 R C CS CEPC7 STS 檢測轉(zhuǎn)換結(jié)束8255A系統(tǒng)地址2C0H 2C3H MOVDX 02C2H 令CS R C為低電平MOVAL 00HOUTDX ALNOPNOPMOVAL 04H 令CE 1 啟動轉(zhuǎn)換OUTDX ALNOPNOPMOVAL 03H 令CE 0 CS R C 1 啟動完畢OUTDX ALPOLLING INAL DX 查詢STS狀態(tài)TESTAL 80HJNZPOLLING STS 1則等待 檢測下降沿 轉(zhuǎn)換結(jié)束 MOVAL 01H 令CS 0 R C 1 準備讀 OUTDX ALNOPMOVAL 05H 令CE 1 允許讀出OUTDX ALMOVDX 02C0HINAL DX 讀高4位DB11 DB8 ANDAL 0FHMOVBH AL 存高4位INCDXINAL DX 讀低8位DB7 DB0MOVBL ALINCDXMOVAL 03HOUTDX AL 結(jié)束讀出操作 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(zhuǎn)換為二進制數(shù)字信號 送入計算機中 模擬信號傳輸 0 10mA或4 20mA電流傳輸 2 3 1模擬量輸入通道結(jié)構(gòu) 2 3 2I V變換電流輸出儀表DDZ 0 10mA儀表DDZ DDZ S 4 20mA無源I V變換 利用無源器件完成 0 10mA R1100 R2500 0 5V輸出4 20mA R1100 R2250 1 5V輸出 有源I V變換 利用有源器件完成 0 10mA R1200 R3100k R4150k 0 5V輸出4 20mA R1200 R3100k 同相放大器倍數(shù)A 1 R4 R3R425k 1 5V輸出 2 3 3多路轉(zhuǎn)換器多路開關(guān) 理想工作狀態(tài) 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(guān)INH禁止輸入 2 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(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)檫B串脈沖輸出信號 為采樣寬度 即K閉合的時間 香農(nóng)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(xiàn)原信號 量化量化 用一組數(shù)碼逼近離散模擬信號的幅值 量化過程 模擬信號 數(shù)字信號 量化單位 A D轉(zhuǎn)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 采樣保持器 孔徑時間tA D 完成一次A D轉(zhuǎn)換需要的時間 孔徑誤差 采樣時刻的最大轉(zhuǎn)換誤差 孔徑誤差的消除 采用采樣保持器 孔徑時間內(nèi) 信號的變化導致轉(zhuǎn)換誤差 A D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換結(jié)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 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(zhì)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 2 3 5模擬量輸入通道設(shè)計器件 AD547A LF398 CD4051 8255A指標 8通道模擬量輸入 12位A D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換狀態(tài)檢測STS PA7 數(shù)據(jù)輸入 高4位 PA0 PA3 低8位 B口 AD574APROCNEARCLDLEADI BUFMOVBL 00000000B 令CE CS R C INH 0 初始化MOVCX 8ADC MOVDX 2C2H C口地址MOVAL BLOUTDX AL 選擇多路開關(guān) STS 0 LF398采樣NOPNOPORAL 01000000B 令CE 1 啟動轉(zhuǎn)換A DOUTDX AL ANDAL 10111111B 令CE 0 形成啟動脈沖OUTDX AL MOVDX 2C0H A口地址 PULLINGINAL DX 測試STS 看轉(zhuǎn)換是否結(jié)束TESTAL 80HJNZPULLING 轉(zhuǎn)換期間STS 1 LF398保持MOVAL BL ORAL 00010000B 轉(zhuǎn)換結(jié)束 令R C 1 準備讀MOVDX 2C2H OUTDX ALORAL 01000000B 令CE R C 1 開始讀MOVDX 2C0H 讀A口高4位INAL DXANDAL 0FHMOVAH AL 高4位存在AHINCDX 讀B口低8位INAL DX 低8位存在ALSTOSW 數(shù)據(jù)存儲 INCBL 更換通道LOOPADCMOVAL 00111000B CE 0 CS R C INH 1 芯片復位MOVDX 2C2HOUTDX ALRETAD574AENDP 2 4D A轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù)D A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標 分辨率 D A轉(zhuǎn)換器輸入二進制數(shù)的位數(shù) 建立時間 輸入數(shù)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(zhuǎn)換特性的最大誤差 常見D A轉(zhuǎn)換器類型 電流輸出型 通常要轉(zhuǎn)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 乘算型 在基準電壓輸入上加交變信號 能輸出數(shù)字輸入和基準電壓輸入相乘的結(jié)果 完成乘法運算 1bitD A轉(zhuǎn)換器 將數(shù)字值轉(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制或頻率調(diào)制的輸出 然后用數(shù)字濾波器作平均化而得到電壓輸出 又稱位流方式 2 4 1D A轉(zhuǎn)換器8位D A轉(zhuǎn)換器ADC0832 8位電流輸出型D A轉(zhuǎn)換器 內(nèi)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(shù)字輸入IOUT1 IOUT2 電流輸出 IOUT1 IOUT2 C 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(zhuǎn)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 12位D A轉(zhuǎn)換器DAC1210 12位電流輸出型D A轉(zhuǎn)換器 內(nèi)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 2 4 2D A轉(zhuǎn)換接口技術(shù)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)進行D A轉(zhuǎn)換 2 IOW變高 CS變高 LE1低電平 輸入寄存器鎖存 D A轉(zhuǎn)換輸出保持 程序 端口地址300H MOVDX 300HMOVAL 7FHOUTDX ALHLT 電流輸出端IOUT1 IOUT2的電位應接近0 以保證運放輸出的線性 DAC1210與XT總線接口 譯碼器對端口300H 301H 302H分別產(chǎn)生Y0 Y1 Y2用于DAC的控制 CS接地8位輸入寄存器 XT總線D0 D74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(zhuǎn)換為電壓 經(jīng)倒相后變?yōu)檎龢O性電壓輸出 工作過程 1 鎖存高8位數(shù)據(jù) 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(shù)據(jù) 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(shù)據(jù)送到DAC寄存器 Y2有效 XFER低電平 當IOW有效 輸入寄存器數(shù)據(jù)傳送到DAC寄存器 并開始D A轉(zhuǎn)換 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(shù)據(jù) 保持D A轉(zhuǎn)換輸出 程序MOVDX 300H Y0有效MOVAL 83H 高8位數(shù)據(jù)OUTDX ALMOVDX 301H Y1有效MOVAL 0F0H 低4位數(shù)據(jù)OUTDX ALMOVDX 302H Y2有效OUTDX AL 進行D A轉(zhuǎn)換HLT 微機計算機控制技術(shù)第五講 第3章數(shù)字程序控制技術(shù)所謂數(shù)字程序控制 就是計算機根據(jù)輸入的指令和數(shù)據(jù) 控制生產(chǎn)機械 如各種加工機床 按規(guī)定的工作順序 運動軌跡 運動距離和運動速度等規(guī)律自動地完成工作的自動控制 數(shù)控系統(tǒng) 輸入裝置 輸出裝置 控制器和插補器 計算機數(shù)控CNC ComputerNumericalControl 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(nèi) 2 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(shù)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(xù)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(jù)插補計算出的中間點 產(chǎn)生脈沖信號驅(qū)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 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 yx方向步數(shù) Nx xe x0 xy方向步數(shù) Ny ye y0 y 3 1 2數(shù)字程序控制方式數(shù)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(guī)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 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(qū)動電路簡單 無需插補直線切削控制 驅(qū)動電路復雜 無需插補輪廓切削控制 驅(qū)動電路復雜 需插補 3 1 3開環(huán)數(shù)字程序控制閉環(huán)方式執(zhí)行機構(gòu)多采用直流電機作為驅(qū)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(huán)方式 3 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 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(jié)束判斷 第一象限內(nèi)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 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 偏差計算的簡化 1 設(shè)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(shè)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(shè)置x y軸兩個減法計數(shù)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(shè)置一個終點計數(shù)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 4象限內(nèi)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(zhuǎn)180度 3 直線插補計算的程序?qū)崿F(xiàn)內(nèi)存單元數(shù)據(jù)XE 終點X坐標YE 終點Y坐標NXY 總步數(shù) Nxy Nx NyFM 加工點偏差 初值F0 0XOY 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 流程圖 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(shù)Nxy 6 0 4 0 10 xe 6 ye 4 F0 0 xoy 1 微機計算機控制技術(shù)第六講 3 2 2逐點比較法圓弧插補第一象限內(nèi)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(nèi) 第一象限逆圓弧逐點比較插補的原理 從起點出發(fā) 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(huán)到達終點后結(jié)束 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 終點判斷采用總步數(shù)Nxy設(shè)計數(shù)方法 Nxy初始設(shè)值為x和y軸進給總步數(shù)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 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(zhuǎn)180度 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(shù) 如第四象限中的點 4 3 應用xm 4 ym 3查表計算 圓弧插補計算的程序?qū)崿F(xiàn)內(nèi)存單元數(shù)據(jù)X0 起點X坐標Y0 起點Y坐標NXY 總步數(shù) Nxy Nx NyFM 加工點偏差 XM xmYM ymRNS 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 流程圖 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(shù)Nxy 4 0 4 0 8 3 3步進電機控制技術(shù)步進電機 是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移的機電式數(shù)摸 D A 轉(zhuǎn)換器 輸入 脈沖輸出 位移脈沖數(shù) 決定位移量脈沖頻率 決定位移的速度 3 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(zhuǎn)子 四個齒 分別為0 1 2 3齒 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(jié)論 定子按A B C A相輪流通電 則磁場沿A B C方向轉(zhuǎn)動360度角 轉(zhuǎn)子沿ABC方向轉(zhuǎn)動了一個齒距的位置 齒數(shù)為4 齒距角為90度 即1個齒距轉(zhuǎn)動了90度 步進電機的 相 和 拍 相 繞組的個數(shù) 拍 繞組的通電狀態(tài) 如 三拍表示一個周期共有3種通電狀態(tài) 六拍表示一個周期有6種通電狀態(tài) 每個周期步進電機轉(zhuǎn)動一個齒距 步進電機的步距角的計算 N 步進電機的拍數(shù)Z 轉(zhuǎn)子的齒數(shù) 齒距角 z 360 Z步距角 360 NZ 步進電機每拍步進的角度 3 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 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 步進電機細分驅(qū)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(zhuǎn)子也只轉(zhuǎn)動步距角的一部分 如1 4 優(yōu)點 達到更高分辨率 減小振動和噪聲 微機計算機控制技術(shù)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(guī)控制電路 脈沖分配器 把脈沖串按一定規(guī)律分配給脈沖放大器的各相輸入端 又稱環(huán)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(zhuǎn)或反轉(zhuǎn) 輸出 各相繞組的驅(qū)動脈沖 功率放大器 脈沖分配器的輸出電路不足以驅(qū)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(huán)形分配器 功放運動控制及脈沖產(chǎn)生脈沖脈沖分配 步進電機微機控制方式2微機 驅(qū)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(shù)據(jù) 1 表示通電 0 表示斷電 輸出字以表的形式順序存放在內(nèi)存 正轉(zhuǎn)訪問順序 ADX1 ADX2 ADX6ADY1 ADY2 ADY6反轉(zhuǎn)訪問順序 ADX6 ADX5 ADX1ADY6 ADY5 ADY1微機的運動控制功能 改變輸出脈沖數(shù) 控制步進電機的走步數(shù) 改變各相繞組的通電順序 控制步進電機的轉(zhuǎn)向 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 改變輸出脈沖的頻率 控制步進電機的轉(zhuǎn)速 輸出字以表的形式順序存放在內(nèi)存 正轉(zhuǎn)輸出順序 ADX1 ADX2 ADX6ADY1 ADY2 ADY6反轉(zhuǎn)輸出順序 ADX6 ADX5 ADX1ADY6 ADY5 ADY1微機的運動控制功能 改變輸出脈沖數(shù) 控制步進電機的走步數(shù) 改變各相繞組的通電順序 控制步進電機的轉(zhuǎn)向 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 改變輸出脈沖的頻率 控制步進電機的轉(zhuǎn)速 3 3 4步進電機控制程序步進電機走步控制程序流程圖 步進電機速度控制程序 步進電機調(diào)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 PWM直流電機調(diào)速 PWM 脈沖寬度調(diào)制技術(shù) 輸出脈沖頻率不變 脈沖寬度受輸入信號調(diào)制 在電機控制領(lǐng)域應用廣泛 PWM直流電機調(diào)速的優(yōu)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(shù)小 電機發(fā)熱量小 3 系統(tǒng)的響應頻帶寬 起制動非?？?4 系統(tǒng)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(wěn) 噪聲低 微機產(chǎn)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 直流電機調(diào)速實驗 采用PWM調(diào)速方式 8031產(chǎn)生PWM波 驅(qū)動電路功率放大 PWM波形的產(chǎn)生 采用延時方式產(chǎn)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(shù) 放在20H單元 Y為T1延時參數(shù) Z為T2延時參數(shù) 放在21H單元 X Y Z T0為延時的時間基數(shù) 由定時器確定 參數(shù)置22H 23H單元中 ORG0000HLJMPMAINORG000BHLJMPTT0 跳轉(zhuǎn)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T1MOVTMOD 01HMOVTL0 22H 時間基數(shù)T0的定時參數(shù)MOVTH0 23HSETBTR0 定時中斷設(shè)置SETBET0 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 23HDECR0 R0 1RETI 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(zhuǎn)動 第2個10秒快速轉(zhuǎn)動 并不斷循環(huán) 微機計算機控制技術(shù)第八講 第四章常規(guī)及復雜控制技術(shù)數(shù)字控制器的設(shè)計方法 連續(xù)化設(shè)計 采樣周期短 控制算法簡單的系統(tǒng) 忽略零階保持器和采樣器 求出系統(tǒng)的連續(xù)控制器 以近似方式離散化為數(shù)字控制器 離散化設(shè)計 采樣周期長的或控制復雜的系統(tǒng) 直接使用采樣控制理論設(shè)計數(shù)字控制器 4 1數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計技術(shù)數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計 1 忽略控制回路中的零階保持器和采樣器 在S域中設(shè)計連續(xù)控制器 條件是采樣周期足夠短 2 通過近似方法 把連續(xù)控制器離散化為數(shù)字控制器 用計算機實現(xiàn) 實質(zhì) 在采用周期足夠短的情況下 把數(shù)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(xù)傳遞函數(shù) 數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計技術(shù) 是立足于連續(xù)控制系統(tǒng)控制器的設(shè)計 然后在計算機上進行數(shù)字模擬來實現(xiàn)的 數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計技術(shù)在被控對象的特性不太清楚的情況下 利用技術(shù)成熟的連續(xù)化設(shè)計技術(shù) 并把它移植到計算機上予以實現(xiàn) 以達到滿意的控制效果 但是連續(xù)化設(shè)計技術(shù)要求相當短的采樣周期 因此只能實現(xiàn)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?qū)刂瀑|(zhì)量要求比較高時 必須從被控對象的特性出發(fā) 直接根據(jù)計算機控制理論 采樣控制理論 來設(shè)計數(shù)字控制器 這類方法稱為離散化設(shè)計技術(shù) 離散化設(shè)計技術(shù)比連續(xù)化設(shè)計技術(shù)更具有一般意義 它完全是根據(jù)采樣控制系統(tǒng)的特點進行分析和綜合 并導出相應的控制規(guī)律和算法 數(shù)字控制理論基礎(chǔ)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(shù)可以表示某一物理量的大小 稱之為離散量或數(shù)字量 但實際系統(tǒng)中的被控量是在時間上連續(xù)的信號 一般稱之為連續(xù)量或模擬量 模擬量進行離散化并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后 才能由計算機處理 因此 計算機控制系統(tǒng)也可以稱為數(shù)字控制系統(tǒng) 離散控制系統(tǒng)或采樣控制系統(tǒng) 模擬控制系統(tǒng)也稱為連續(xù)控制系統(tǒng) 離散 數(shù)字 控制系統(tǒng)與連續(xù) 模擬 控制系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別在于 模擬系統(tǒng)中的給定量 反饋量和被控量都是連續(xù)型的時間函數(shù) 而在離散系統(tǒng)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(shù)字信號 把計算機引入連續(xù)控制系統(tǒng)中作為控制器使用 便構(gòu)成了計算機控制系統(tǒng) 由計算機構(gòu)成的控制系統(tǒng) 在本質(zhì)上是一個離散系統(tǒng) 脈沖傳遞函數(shù)的定義1 在連續(xù)系統(tǒng)中傳遞函數(shù)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(shù)均為零 的條件下 一個環(huán)節(jié) 系統(tǒng) 的輸出量拉氏變換和輸入量的拉氏變換之比定義為該環(huán)節(jié) 系統(tǒng) 的傳遞函數(shù) 2 依此類似 在數(shù)字控制系統(tǒng)中 也是在初始靜止的條件下 一個環(huán)節(jié) 系統(tǒng) 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(huán)節(jié) 系統(tǒng) 的脈沖傳遞函數(shù) 4 1 1數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計步驟5步 設(shè)計假想的連續(xù)控制器D s 選擇采樣周期T 將D s 離散化為D z 設(shè)計由計算機實現(xiàn)的控制算法 校驗第一步 設(shè)計假想的連續(xù)控制器D s 解決方案 自控原理中的連續(xù)系統(tǒng)的頻域設(shè)計法 根軌跡法等 計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖G s 被控對象的傳遞函數(shù)D z 數(shù)字控制器 H S 零階保持器 U K U t 控制量 假想的連續(xù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖D S 連續(xù)控制器 第二步 選擇采樣周期T 計算機控制系統(tǒng)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(shù)為 上式表明 零階保持器存在滯后 對于小的采用周期 用冪級數(shù)展開 H s 可用T 2的時間滯后環(huán)節(jié)近似 采樣周期的經(jīng)驗公式 設(shè)相位裕量減少5 15度 c系統(tǒng)剪切頻率結(jié)論 采用數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計方法 采樣周期應該相當短 第三步 將D s 離散化為D z 將連續(xù)控制器D s 離散化為數(shù)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(xù)控制器離散化為數(shù)字控制器 方法1 雙線性變換法 Tustin塔斯廷近似 推導1 級數(shù)展開z esT T很小 得到 推導2 梯形法數(shù)值積分積分控制器用梯形法求積分運算兩邊求Z變換 映射關(guān)系 雙線性變換法置換公式把S j 代入有 取模的平方則 0 s平面虛軸 z 1 z平面單位園上 0 s右半平面 z 1 z平面單位園外 結(jié)論 1個穩(wěn)定的系統(tǒng)經(jīng)過雙線性變換仍然是穩(wěn)定的 方法2 前向差分法推導1 級數(shù)展開z esT T很小 得到 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 映射關(guān)系 前向差分法置換公式把S j 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(nèi) D z 才在單位圓內(nèi) 才穩(wěn)定 結(jié)論 穩(wěn)定的系統(tǒng)經(jīng)前向差分法轉(zhuǎn)換后可能不穩(wěn)定 方法3 后向差分法推導1 級數(shù)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 映射關(guān)系 根據(jù)向后差分法置換公式有把S j 代入 取模的平方有 則 0 s平面虛軸 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(nèi)半徑為1 2的圓 因此如果D s 穩(wěn)定 則D z 穩(wěn)定 映射比較 雙線性變換 保持穩(wěn)定前向差分 不能保持穩(wěn)定向后差分 保持穩(wěn)定 第四步 設(shè)計由計算機實現(xiàn)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(shù)字控制器D z 的控制算法 第五步 校驗通過計算機仿真計算實現(xiàn) 4 1 2數(shù)字PID控制器的設(shè)計PID 比例P 積分I 微分D數(shù)字PID控制器 用計算機實現(xiàn)PID控制 即把模擬PID控制規(guī)律數(shù)字化 1 模擬PID調(diào)節(jié)器控制規(guī)律 拉氏變換求傳遞函數(shù)其中 Kp為比例系數(shù) Ti為積分時間常數(shù) Td為微分時間常數(shù) 比例作用 迅速反應誤差 但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差 過大容易引起不穩(wěn)定 積分作用 消除靜差 但容易引起超調(diào) 甚至出現(xiàn)振蕩 微分作用 減小超調(diào) 克服振蕩 提高穩(wěn)定性 改善系統(tǒng)的動態(tài)特性 2 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器 用數(shù)值逼近的方法實現(xiàn)PID控制規(guī)律 數(shù)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(shù)字PID位置型控制算法可得 位置型控制算法提供執(zhí)行機構(gòu)的位置u k 比如閥門的開度 需要累計e i 2 數(shù)字PID增量型控制算法根據(jù)位置型控制算法寫出u k 1 u k u k 1 可得 為編程方便 可以整理得到 其中增量型控制算法提供執(zhí)行機構(gòu)的增量 u k 比如步進電機的步數(shù) 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(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)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 4 數(shù)字PID控制算法流程式 4 1 35 書上的圖4 6 脈沖傳遞函數(shù)的定義1 在連續(xù)系統(tǒng)中傳統(tǒng)函數(shù)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(shù)均為零 的條件下 一個環(huán)節(jié) 系統(tǒng) 的輸出量拉氏變換和輸入量的拉氏變換之比定義為該環(huán)節(jié) 系統(tǒng) 的傳遞函數(shù) 2 依此類似 在數(shù)字控制系統(tǒng)中 也是在初始靜止的條件下 一個環(huán)節(jié) 系統(tǒng) 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(huán)節(jié) 系統(tǒng) 的脈沖傳遞函數(shù) 微機計算機控制技術(shù)第九講 4 1 3數(shù)字PID控制器的改進積分項的改進 1 積分分離 改進原因 當有較大的擾動或大幅度改變給定值時 存在較大的偏差 以及系統(tǒng)有慣性和滯后 在積分項的作用下 會產(chǎn)生較大的超調(diào)和長時間的波動 改進思路 當被控量和給定值偏差大時 取消積分控制 以免超調(diào)量過大 當被控量和給定值接近時 積分控制投入 消除靜差 改進方法 當 e k 時 采用PD控制 當 e k 時 采用PID控制 積分分離閾值 的確定 過大 達不到積分分離的目的 過小 則一旦控制量y t 無法跳出各積分分離區(qū) 只進行PD控制 將會出現(xiàn)殘差 2 抗積分飽和 積分飽和 如果執(zhí)行機構(gòu)已到極限位置 仍然不能消除偏差 由于積分的作用 盡管計算PID差分方程式所得的運算結(jié)果繼續(xù)增大或減小 但執(zhí)行結(jié)構(gòu)已無相應的動作 控制信號則進入深度飽和區(qū) 影響 如果系統(tǒng)程序反向偏差 則u k 首先需要從飽和區(qū)退出 進入的飽和區(qū)越深 退出時間越長 導致超調(diào)量增加 改進方法 對控制量u k 限幅 以8位D A為例 u k FFH時 取u k FFH 3 梯形積分 改進原因 減小殘差 提高積分項的運算精度 改進方法 矩形積分改為梯形積分 4 消除積分不靈敏區(qū) 改進原因 由于計算機字長的限制 當運算結(jié)果小于字長所能表示的數(shù)的精度 計算機就作為 零 處理 此時積分作用消失 這就稱為積分不靈敏區(qū) 改進措施 增加A D轉(zhuǎn)換位數(shù) 加長運算字長 提高運算精度 當積分項連續(xù)n次小于輸出精度 的情況下 不要把它們作為 零 處理 而是把它們累加起來 直到累加值大于 時才輸出 同時把累加單元清零 微分項的改進 1 不完全微分PID控制 改進原因 微分具有放大干擾信號的特點 在PID控制中 對具有高頻擾動的生產(chǎn)過程 微分作用響應過于靈敏 容易引起控制過程振蕩 改進方法 串聯(lián)一階慣性環(huán)節(jié) 作為低通濾波器抑制高頻噪聲 組成不完全微分PID控制器 兩種方式 直接串在微分項 串在PID調(diào)節(jié)器之后 如下圖 一階慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)其拉氏反變換有 因為PID調(diào)節(jié)器 則有 離散化有 式中由上式可以求得不完全微分PID控制的增量型控制算法 不完全微分PID控制的效果 抑制高頻噪聲 克服純微分的不均勻性 下圖 在t 0時刻出現(xiàn)階躍信號 純微分 a 在第一個周期出現(xiàn)大躍變信號 容易振蕩 b 中的控制信號則較均勻 平緩 2 微分先行PID控制算式 改進原因 為避免給定值的升降給系統(tǒng)帶來沖擊 如超調(diào)過大 調(diào)節(jié)閥動作劇烈 微分先行 把微分運算放在前面 后面跟比例和積分運算 改進方法 把微分提前 只對被控量y t 微分 不對偏差e t 微分 時間最優(yōu)PID控制 最優(yōu)控制的含義 某個指標最優(yōu) Bang Bang控制 開關(guān)控制 對 u t 1 采用一定的方法在 1 1間切換 使時間最短 時間最優(yōu)PID控制 Bang Bang控制和PID控制相結(jié)合 帶死區(qū)的PID控制算法 改進原因 避免控制動作過于頻繁死區(qū)閾值 4 1 4數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定采樣周期的選擇 1 采樣周期上下限的確定采樣周期上限Tmax的確定 采樣 香農(nóng) 定理Tmax max 其中 max為被采樣信號的上限角頻率 采樣周期下限Tmin的確定 Tmin為計算機執(zhí)行程序和輸入輸出所耗費的時間 2 采樣周期的考慮因素 給定值的頻率變化 給定值變化頻率越高 采樣頻率映越高 被控對象的特性 被控對象是慢速對象 采樣周期取得大 被控對象是快速系統(tǒng) 采樣周期應取得較小 控制算法的類型 受計算精度和計算時間的影響 控制回路數(shù) 采樣周期T應大于等于所有回路控制程序執(zhí)行時間和輸入輸出時間的總和 按簡易工程法整定PID參數(shù) 簡易工程法的優(yōu)點 不依賴被控對象的數(shù)學模型 1 擴充臨界比例度法擴充臨界比例度法 對模擬調(diào)節(jié)器中使用的臨界比例度法的擴充和推廣 整定數(shù)字控制器參數(shù)的步驟 選擇短的采樣頻率 一般選擇被控對象純滯后時間的十分之一 去掉積分與微分作用 逐漸較小比例度 1 kp 直到系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)等幅振蕩 紀錄發(fā)生振蕩的臨界比例度和周期 k及Tk 選擇控制度控制度的定義 以模擬調(diào)節(jié)器為基準 將DDC的控制效果過于模擬調(diào)節(jié)器的控制效果相比較 采用誤差平方積分表示 控制度的指標含意 控制度 1 05 DDC與模擬控制效果相當 控制度 2 0 DDC比模擬調(diào)節(jié)器的效果差 根據(jù)選定的控制度 查表求得T kp TI TD的值 2 擴充響應曲線法擴充臨界比例度法 對模擬調(diào)節(jié)器中使用的響應曲線法的擴充和推廣 整定數(shù)字控制器參數(shù)的步驟 數(shù)字控制器不接入控制系統(tǒng) 系統(tǒng)開環(huán) 并處于手動狀態(tài) 再手動給對象輸入階躍信號 紀錄被控量的過渡過程曲線 根據(jù)曲線求得滯后時間 被控對象的時間常數(shù)Tm 它們的比值Tm 以及選擇的控制度 查表4 2 求得數(shù)字控制器的T kp TI TD的值 在過渡過程曲線上求滯后時間 被控對象的時間常數(shù)Tm 在曲線拐點處 斜率最大 處作一切線 3 歸一參數(shù)整定法 簡化擴充臨界比例度法 只需整定一個參數(shù) 稱為歸一參數(shù)整定法 Tk為純比例作用下的臨界振蕩周期 則令T 0 1Tk TI 0 5Tk TD 0 125Tk有 只需整定kp 觀察效果 直到滿意為止 優(yōu)點 只需整定一個參數(shù) 缺點 各參數(shù)比例需要確定 需要工程經(jīng)驗 優(yōu)選法 其他參數(shù)固定 對其中一參數(shù)用0 618黃金分割優(yōu)選法進行尋優(yōu) 根據(jù)T kp TI TD的尋優(yōu)結(jié)果選擇一組最佳值 湊試法 只整定比例部分 系數(shù)由小變大 得到反應快 超調(diào)小的響應曲線 如果系統(tǒng)已無靜差 則直接使用比例即可 取積分時間為教大值 減小 得到的比例參數(shù) 逐步減小積分時間 直到系統(tǒng)無靜差 加入微分環(huán)節(jié) 改善系統(tǒng)的動態(tài)性能 先取微分時間為零 逐步增大微分時間 同時改變比例參數(shù)和積分時間 直到系統(tǒng)得到好的動態(tài)性能和效果 微機計算機控制技術(shù)第十講 4 2數(shù)字控制器的離散化設(shè)計技術(shù)數(shù)字控制器的離散化設(shè)計 技術(shù)采樣周期長的或控制復雜的系統(tǒng) 直接使用采樣控制理論設(shè)計數(shù)字控制器 其控制規(guī)律和算法更具有一般意義 4 2 1數(shù)字控制器的離散化設(shè)計步驟Gc s 被控對象的傳遞函數(shù) D z 數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù) H s 零階保持器的傳遞函數(shù) 定義廣義對象 零階保持器與被控過程 的脈沖傳遞函數(shù)為 則上圖的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為 于是有 由此推得數(shù)字控制器的離散化設(shè)計步驟 數(shù)字控制器的離散化設(shè)計步驟 1 根據(jù)控制系統(tǒng)的性能要求和其它約束條件 確定所需要的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù) z 2 求廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)G z 3 確定數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D z 4 根據(jù)D z 求取控制算法的遞推計算公式 注意 z 可根據(jù)所需要的輸入及響應性能確定 D z 的一般形式 數(shù)字控制的輸出U z 進行z反變換后 可得到計算機控制算法 4 2 2最少拍控制器的設(shè)計 最少拍控制 就是要求閉環(huán)系統(tǒng)對于某種特定的輸入在最少個采樣周期內(nèi)達到無靜差的穩(wěn)態(tài) 且其閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)是中N是可能情況下的最小正整數(shù) 閉環(huán)脈沖 z 在N個周期后變?yōu)?1 確定閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù) z 1 定義誤差脈沖傳遞函數(shù) 根據(jù)上圖有 則有 典型輸入 的z變換為 B z 為不含1 z 1因子的z 1多項式 q 1 輸入為單位階躍輸入函數(shù) q 2 輸入為單位速度輸入函數(shù) q 3 輸入為單位加速度輸入函數(shù) 2 根據(jù)Z變換的終值定理 求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差 并使其為零 無靜差 即準確性約束條件 則有 要使e 0 則必須 則有 3 根據(jù)最少拍控制 確定最少拍控值的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù) z 快速性約束條件 根據(jù)式 4 2 14 4 2 15 可知 z 中z 1的最高次冪為N p q 故系統(tǒng)在N拍可以達到穩(wěn)態(tài) 當p 0時 系統(tǒng)可以在最少q拍達到穩(wěn)態(tài) 上述兩點可得 最少拍控制器選 z 為 4 最少拍控制器D z 為 2 典型輸入下的最少拍控制系統(tǒng)分析 1 單位階躍輸入 q 1 這時則有 上式說明只在1拍內(nèi)有誤差用長除法 因此系統(tǒng)只需1拍就可以達到穩(wěn)態(tài) 2 單位速度輸入 q 2 這時則有 上式說明只在2拍內(nèi)有誤差用長除法有 因此系統(tǒng)只需2拍就可以達到穩(wěn)態(tài) 3 單位加速度輸入 q 3 這時則有 上式說明只在3拍內(nèi)有誤差因此系統(tǒng)只需3拍就可以達到穩(wěn)態(tài) 3 最少拍控制器的局限性 1 最少拍控制器對典型輸入的適應性差最少拍控制器中的最少拍是針對某一典型輸入設(shè)計的 對于其它典型輸入則不一定為最少拍 甚至引起大的超調(diào)和靜差 例 按等速輸入來設(shè)計 z 比較三種不同輸入的響應 階躍輸入其輸出輸出結(jié)果 系統(tǒng)在1拍后出現(xiàn)100 超調(diào) 2拍后穩(wěn)定 并達到設(shè)定值 等速輸入 其輸出輸出結(jié)果 系統(tǒng)在2拍后穩(wěn)定 并達到設(shè)定值 與分析結(jié)果一致 等加速輸入 其輸出輸出結(jié)果 2拍后系統(tǒng)出現(xiàn)穩(wěn)定的靜差 最少拍控制器的適應性特點 針對某典型輸入R z 設(shè)計得到的最少拍 z 用于次數(shù)較低的R z 系統(tǒng)將出現(xiàn)大超調(diào) 但能穩(wěn)定無差 用于次數(shù)較高的R z 系統(tǒng)將穩(wěn)定的靜差 結(jié)論 一種典型的最少拍 z 只適用于該類型輸入 2 最少拍控制器的可實現(xiàn)問題 閉環(huán)系統(tǒng)可實現(xiàn)性 閉環(huán)系統(tǒng)采用反饋進行控制 即用過去時刻的量去控制下一個時刻的量 它是滯后的 滯后 脈沖傳遞函數(shù)不出現(xiàn)z n正冪次項 因此可實現(xiàn)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)不會出現(xiàn)z n正冪次項 如果廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)為則由于廣義對象中包含零階保持器 它是滯后的 因此有 degA z degB z 表示A z 和B z 的階數(shù) 設(shè)數(shù)字控制器D z 為則要求 含義 要產(chǎn)生k時刻的控制量u k 最多只能利用直到k時刻的誤差e k e k 1 以及過去的控制量u k 1 u k 2 閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)因為有 degP z degQ z 0 則 上式確定了D z 可實現(xiàn)時 z 應滿足的條件 若G z 的分母比分子高N階 則確定 z 時必須至少分母比分子高N階 例 對象有d個采樣周期純滯后 則其脈沖傳函為 則 z 中也應該有純滯后 滯后時間大于等于d個采樣周期 否則根據(jù) D z 將出現(xiàn)z n正冪次項 響應超前輸入 不能實現(xiàn) 3 最少拍控制的穩(wěn)定性問題 最少拍 z 成立的條件 G z 是穩(wěn)定的 否則系統(tǒng)發(fā)散 z 不可能實現(xiàn) G z 是不含有純滯后環(huán)節(jié) 否則根據(jù)最少拍控制器的可實現(xiàn)條件 D z 不能實現(xiàn) 改進辦法 對 在 z 中增加滯后時間大于等于G z 純滯后時間的純滯后 對 則可以在選擇 z 時 增加穩(wěn)定性約束條件 保證系統(tǒng)穩(wěn)定 應注意 不能采取D z 和G z 零極點對消方式 而從理論上得到穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng) 原因 當參數(shù)漂移時 零極點對消不能準確實現(xiàn) 系統(tǒng)將出現(xiàn)不穩(wěn)定極點 微機計算機控制技術(shù)第十一講 4 2 3最少拍有紋波控制器的設(shè)計設(shè)計時考慮最少拍控制器的可實現(xiàn)和穩(wěn)定性條件 一般化的廣義被控對象 控制對象傳函如下 是滯后時間 采樣周期為T 則令 微機計算機控制技術(shù)第十二講 4 3純滯后控制技術(shù)純滯后控制對象 存在于石化等行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)中