计算机控制系统发展方向课件

第一章

绪论

一.计算机控制系统概论二.工业控制机的组成结构及特点三.计算机控制系统的发展概述

佛山科学技术学院丁伟雄电话：83888012电邮：fsdwx@163.com2006年6月8日星期四10时32分41秒第一章绪论 佛山科学技术学院丁伟雄11.计算机控制系统及其组成

图示计算机控制系统就是利用计算机(通常称为工业控制计算机,简称工控机)来实现生产过程自动控制的系统。偏差控制量一

计算机控制系统概论1.计算机控制系统及其组成一计算机控制系统概论2所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产32计算机控制系统的工作原理（1）实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入；（2）实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。（3）实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。2计算机控制系统的工作原理4计算机控制系统的典型形式（5种）（1）操作指导控制系统该系统属于开环控制结构。计算机根据一定的控制算法，依赖测量元件测得的信号数据，计算出供操作人员选择的最优操作条件及操作方案。操作人员根据计算机输出的信息去改变调节器的给定值或直接操作执行机构。

计算机控制系统的典型形式（5种）5（2）直接数字控制（DirectDigitalControl）系统DDC系统属于计算机闭环控制系统。计算机首先通过模拟量输入通道（AI）和开关量输入通道（DI）实时采集数据，然后按照一定的控制规律进行计算，最后发出控制信息，并通过模拟量输出通道（AO）和开关量输出通道（DO）直接控制生产过程。（2）直接数字控制（DirectDigitalContr6（3）监督控制（SupervisoryComputerControl)系统监督控制中，计算机根据原始工艺信息和其他的参数，按照描述生产过程的数学模型或其他方法，自动地改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的微型机中的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况（如保持高质量、高效率、低消耗、低成本等等）。从这个角度上说，它的作用始改变设定值，又称为设定值控制SPC(SetPointControl).（3）监督控制（SupervisoryComputerC7（4）分散型控制系统（DistributedControlSystem-DCS)DCS采用分散控制，集中操作，分级管理，分而自治和综合协调的设计原则，把系统从上到下分为分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级，形成分级分布式控制。（4）分散型控制系统8（5）现场总线控制系统（FieldbusControlSystem-FCS)FCS是新一代分布式控制结构。20世纪80年代发展起来的DCS，其结构模式为“操作站－控制站－现场仪表”三层结构，系统成本较高，而且各厂商的DCS又各自的标准，不能互连。FCS于DCS不同，它的结构模式为“工作站－现场总线仪表”二层结构，完成了DCS三层结构的功能，降低了成本，提高了可靠性，国际标准统一后，可实现真正的开放式互连系统结构。

（5）现场总线控制系统91.工业控制机

PC总线工控机（X86CPU）STD总线工控机（X86CPU)VME总线工控机（MotorolaCPU）

多总线（MULTIBUS)工控机（X86CPU)

二.工业控制机的组成结构及特点1.工业控制机二.工业控制机的组成结构及特点102.PC总线标准XT线（书上的PC总线）：62线，16位，数据传输率2.38MbpsISA(AT)总线：对XT总线的扩充，98线，16位，寻址空间16MB，数据传输率16MbpsEISA总线：对ISA总线的扩充，32位，98+98线，数据传输率32MbpsVESA总线：局部总线标准，是ISA总线的扩展，适应多媒体技术，数据交换由CPU总线直接进行，运行速度为66MHz或更高，最大数据传输率为132Mbps。

2.PC总线标准11PCI总线：在CPU和外设间插入协调数据传输的管理层，提供一致的总线接口，形成了开放的局部总线标准，而不依赖于CPU芯片。工作频率33MHz，PCI总线的数据宽度为32位和64两种，

数据传输率分别为133Mbps和266Mbps，PCIExpress数据传输率可以达到8Gbps。

PCI总线：在CPU和外设间插入协调数据传输的管理层，提供一123.基于PC总线的工业控制机常见类型ISA总线工控机PCI总线工控机PC104总线工控机：总线与ISA兼容的基础上缩小模板尺寸，降低功耗，满足嵌入式系统的要求。有104条信号线，模板尺寸为3.6in×3.8in(90mm×96mm)，可以层叠。CompactPCI工控机：PCI总线＋欧式插卡结构。3.基于PC总线的工业控制机常见类型13三

计算机控制系统的发展概述1推广应用成熟的先进技术（1）普及应用可编程序控制器(PLC)（2）广泛使用调节器（3）采用新型的DCS和FCS2大力研究和发展智能控制系统（1）分级递阶智能控制系统（2）模糊控制系统（3）专家系统（4）学习控制系统（5）神经网络控制系统三计算机控制系统的发展概述1推广应用成熟的先进技术14第2章 输入输出接口与过程通道

接口：计算机与外部设备交换信息的桥梁，包括输入和输出接口。接口技术：研究计算机与外部设备交换信息的技术。过程通道：计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。（AI、AO、DI、DO）2.1数字量输入输出通道（DI、DO）数字量－开关量：用“0”和“1”两个量进行描述。第2章 输入输出接口与过程通道152.1.1数字量输入输出接口

数字量输入接口

三态门缓冲器74LS244

MOVDX,port

INAL,DX2.1.1数字量输入输出接口16数字量输出接口

锁存器74LS273

利用IOW上

升沿锁存

MOVAL,DATA

MOVDX,port

OUTDX,DL数字量输出接口17输

入调

理电

路输

入缓

冲器地址译码器生产过程PC总线2.1.2数字量输入通道

数字量输入通道结构

输入输入地址译码器生P2.1.2数字量输入通道18输入调理电路－把现场信号经转换、保护、滤波、隔离转换成

计算机能够接收的逻辑信号。小功率输入调理电路－开关去抖电路

积分电路

AOAOOA1输入调理电路AOAOOA119 RS触发器

去抖

RS触发器

“1”

负脉冲

“0”

高电平

RS触发器 20大功率输入调理电路

－采用光电隔离

大功率输入调理电路 21输

出驱

动器输

出锁

存器地址译码器生产过程PC总线2.1.3数字量输出通道

1、数字量输出通道结构

输出输出地址译码器生P2.1.3数字量输出通道222、输出驱动电路

小功率直流驱动电路功率晶体管输出驱动继电器电路

续流二极管在功率晶体管关闭时，为继电器线圈产生的反电动势提供旁路通道，保护晶体管。2、输出驱动电路 23达林顿阵列输出驱动继电器电路MC1416，7路驱动，带保护二极管达林顿阵列输出驱动继电器电路24大功率交流驱动电路固态继电器。零交叉电路在交流电过零时产生

触发信号，减少干扰。大功率交流驱动电路252.2A/D转换器及接口技术

常用A/D转换方式：1、逐次逼近型：转换时间短，抗扰性差（电压比较）ADC0809（8位），AD574（12位）

2、双斜积分型：转换时间长，抗扰性好（积分）MC14433（11位），ICL7135（14位）3、全并行比较型（Flash型）：采用多个比较器，速度极高，电路规模大，成本高。4、分级型：减少并行比较ADC的位数，分级多次转换，减小电路规模，保持较高速度。5、Σ-Δ型（过采样转换器）：高速1bitDAC+数字滤波，转换成低采样率高位数字，分辨率高。2.2A/D转换器及接口技术26A/D转换器的主要技术指标：－转换时间：积分型毫秒级，逐次比较微秒级，全并行纳秒级。 －分辨率：数字量位数n。 LSB（最低有效位）－满量程的1/2n. －线性误差：量程范围内，偏离理想转换特性 的最大误差，通常为1/2LSB或1LSB －量程：能转换的电压范围。 －对基准电源的要求：电源精度。A/D转换器的主要技术指标：272.2.1A/D转换器8位A/D转换器ADC0809

－带8通道模拟开关的8位逐次逼近A/D转换器

－转换时间100us,误差±1/2LSB2.2.1A/D转换器288通道模拟开关及通道选择

－地址锁存信号ALE转换启动：START收到正脉冲转换结束：EOC从低电平变为高电平基准电压：VREF(+)=5.12V,VREF(-)=0VCBA通道000VIN0001VIN1

…………111VIN7

8通道模拟开关及通道选择CBA通道000VIN0001V29转换时序

转换时序3012位A/D转换器AD547A

单通道12位逐次逼近A/D转换器

转换时间25us,误差±1/2LSB，单极性或双极

性输入，量程10V或20V。12位A/D转换器AD547A31单、双极性应用－单极性：BIPOFF接0V－双极性：BIPOFF接10V单、双极性应用32转换结果输出：－引脚12/8=1：D11-D0并行输出；

引脚12/8=0：D11-D8和D7-D0分时输出；控制逻辑CECSR/C12/8A0操作功能100X0启动12位转换10001启动8位转换1011X输出12位数字10100输出高8位数字10101输出低4位数字0XXXX无操作X1XXX无操作转换结果输出：CECSR/C12/8A0操作功能100X033转换进行：STS为高电平转换结束：STS从高电平转为低电平转换时序：

启动转换进行：STS为高电平34转换时序：读转换时序：读352.2.2A/D转换接口技术

ADC0809与8255A接口 －8255A的A口工作方式0。A口为数据输入端 －C口上半部分为输入，下半部分为输出。 PC0-PC2－通道地址ABCPC3－ALE和START，启动转换PC7－OE和EOC，检测转换结束 －8255A系统地址2C0H~2C3H。2.2.2A/D转换接口技术36计算机控制系统发展方向课件37ADC0809 PROCNEAR MOVCX,8;循环次数 CLD;DI自动增量 MOVBL,00H;模拟通道地址 LEADI,DATABUF；字串存储地址NEXTA: MOVDX,02C2H MOVAL,BL OUTDX,AL INCDX MOVAL,00000111B；输出启动信号，上升沿锁存地址 NOP NOP NOP MOVAL,00000110B；下降沿,形成ALE,START脉冲

ADC0809 PROCNEAR38 OUTDX,AL DECDXNOSC: INAL,DX;检测转换结束信号 TESTAL,80H JNZNOSC;EOC=1,则等待，检测EOC下降沿NOEOC: INAL,DX; TESTAL,80H JZNOSC;EOC=0,则等待，检测EOC上升沿，转换结束 MOVDX,02C0H;读转换结果 INAL,DX STOSDATABUF;保存结果 INCBL;修改模拟通道地址 LOOPNEXTA；CX-1; RETADC0809 ENDP OUTDX,AL39AD574与8255A接口 AD574的12/8接＋5V，A0接地，工作于12位转换和读出方式。 8255A的A口、B口工作方式0，数据输入端C口上半部分为输入，下半部分为输出。PC0-PC2－R/C，CS，CE PC7－STS，检测转换结束 8255A系统地址2C0H~2C3H。AD574与8255A接口40计算机控制系统发展方向课件41 MOVDX,02C2H;令CS,R/C为低电平

MOVAL,00H OUTDX,AL NOP NOP MOVAL,04H；令CE=1,启动转换 OUTDX,AL NOP NOP MOVAL,03H；令CE=0，CS,R/C＝1，启动完毕 OUTDX,ALPOLLING: INAL,DX;查询STS状态 TESTAL,80H JNZPOLLING;STS=1则等待，检测下降沿（转换结束） MOVAL,01H；令CS＝0,R/C＝1,准备读

MOVDX,02C2H;令CS,R/C为低电平42

OUTDX,AL NOP MOVAL,05H;令CE=1,允许读出 OUTDX,AL MOVDX,02C0H INAL,DX;读高4位DB11-DB8; ANDAL,0FH MOVBH,AL；存高4位 INCDX INAL,DX；读低8位DB7-DB0 MOVBL,AL INCDX MOVAL,03H OUTDX,AL;结束读出操作

OUTDX,AL43第二章

输入输出接口与过程通道（2）

2.3模拟量输入通道模拟量输入通道－把模拟信号转换为二进制数字信号，送入计算机中。模拟信号传输－0～10mA或4～20mA电流传输。第二章输入输出接口与过程通道（2）2.3模拟量输入通道442.3.1模拟量输入通道结构2.3.1模拟量输入通道结构452.3.2I/V变换电流输出 仪表DDZ-Ⅱ：0～10mA 仪表DDZ-Ⅲ,DDZ-S：4～20mA无源I/V变换（利用无源器件完成）

0～10mA:R1100Ω

R2500Ω

0～5V输出

4～20mA:R1100Ω

R2250Ω

1～5V输出2.3.2I/V变换46有源I/V变换（利用有源器件完成）

0～10mA:R1200Ω

R3100kΩ

R4150kΩ

0～5V输出

4～20mA:R1200Ω

R3100kΩ

同相放大器倍数A=1+R4/R3R425kΩ 1～5V输出

有源I/V变换（利用有源器件完成）472.3.3多路转换器多路开关－理想工作状态：开路电阻无穷大，导通电阻为0。要求切换速度快。举例：CD4051－8通道开关

INH禁止输入

2.3.3多路转换器482.3.4采样、量化及常用的采样保持器信号的采样

－采样过程：以周期时间间隔T，把时间与幅值连续的模拟信号转变为连串脉冲输出信号。

－τ为采样宽度，即K闭合的时间。

2.3.4采样、量化及常用的采样保持器49 香农采样定量：若信号的最高频率为fmax，只要采样频率f≥2fmax，采样信号就能唯一复现原信号。量化

量化：用一组数码逼近离散模拟信号的幅值。 量化过程：模拟信号－>数字信号。 量化单位：A/D转换器的最低有效位LSB对应的模拟量。q=(ymax-ymin)/(2n-1)量化误差：±1/2q 香农采样定量：若信号的最高频率为fmax，只要采样频率f50采样保持器

－孔径时间tA/D：完成一次A/D转换需要的时间。

－孔径误差：采样时刻的最大转换误差。

－孔径误差的消除：采用采样保持器

采样保持器51计算机控制系统发展方向课件52

－孔径时间内，信号的变化导致转换误差，A/D转换器需要采样保持器来提高输入信号的频率范围。

－采样保持器：把t=KT时刻的采样值保持到A/D转换结束。

采样：K闭合，CH快速充电，VOUT跟随VIN

保持：K断开，VOUT保持VC

－缓慢变化的信号无需采样保持器

－孔径时间内，信号的变化导致转换误差，A/D转换器53

－LF398

采样保持控制引脚8：高电平，采样

低电平，保持 CH外接高品质电容，其减小可以提高采样频率。

获取时间：CH为0.01uF时,时间为25us －LF398542.3.5模拟量输入通道设计 器件：AD547A,LF398,CD4051,8255A指标 －8通道模拟量输入 －12位A/D转换（25us)，量程0～10V －查询应答方式电路逻辑： －通道选择->PC0-PC2,通道禁止->PC3 －LF398采样和保持->ADC547的STS+反相器 －AD547A的R/C,CS,CE->PC4-PC6 －转换状态检测STS->PA7 －数据输入：高4位->PA0-PA3，低8位->B口 2.3.5模拟量输入通道设计 55计算机控制系统发展方向课件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;选择多路开关，STS=0,LF398采样 NOP NOP ORAL,01000000B；令CE=1,启动转换A/D OUTDX,AL； ANDAL,10111111B；令CE=0,形成启动脉冲 OUTDX,AL； MOVDX,2C0H;A口地址 AD574A PROCNEAR57PULLING INAL,DX；测试STS，看转换是否结束 TESTAL,80H JNZPULLING；转换期间STS＝1，LF398保持 MOVAL,BL； ORAL,00010000B;转换结束，令R/C＝1，准备读 MOVDX,2C2H; OUTDX,AL ORAL,01000000B;令CE,R/C＝1，开始读 MOVDX,2C0H;读A口高4位 INAL,DX ANDAL,0FH MOVAH,AL；高4位存在AH INCDX;读B口低8位 INAL,DX；低8位存在AL STOSW;数据存储PULLING INAL,DX；测试STS，看转换是否58

INCBL ;更换通道 LOOPADC MOVAL,00111000B;CE=0，CS,R/C,INH=1,芯片复位 MOVDX,2C2H OUTDX,AL RETAD574A ENDP INCBL ;更换通道 592.4D/A转换器及接口技术D/A转换器的技术指标－分辨率：D/A转换器输入二进制数的位数。 －建立时间：输入数字信号的变化是满量程时， 输出信号达到离终值±1/2LSB的所需时间。－线性误差：偏离理想转换特性的最大误差。常见D/A转换器类型：－电流输出型，通常要转为电压，速度因外接放大器有滞后。－电压输出形，速度快，仅用于高阻抗负载。2.4D/A转换器及接口技术60－乘算型，在基准电压输入上加交变信号，能输出数字输入和基准电压输入相乘的结果，完成乘法运算。－

1bitD/A转换器，将数字值转换为脉冲宽度调制或频率调制的输出，然后用数字滤波器作平均化而得到电压输出(又称位流方式)。

－乘算型，在基准电压输入上加交变信号，能输出数字输入和基准电612.4.1D/A转换器8位D/A转换器ADC0832

－8位电流输出型D/A转换器2.4.1D/A转换器62

－内部具有两个锁存器：输入锁存器和DAC锁

存器，分别由LE1，LE2控制。

高电平：寄存器直通

低电平：寄存器锁存

－引脚说明： DI0-DI7：数字输入 IOUT1,IOUT2：电流输出，IOUT1+IOUT2=C

－内部具有两个锁存器：输入锁存器和DAC锁63

ILE：输入寄存器锁存允许

WR1：控制输入寄存器

WR2：控制DAC寄存器

XFER：控制DAC寄存器 －XFER，WR2地用于多个D/A转换器的同步， 通常接地，这时DAC寄存器直通。 －Rfb反馈电阻端，VREF参考电压。 －DAC0832单缓冲形式：XFER，WR2接 地，ILE接高电平，WR1接I/O控制，CS接 译码，2个寄存器中只有输入寄存器有效。 ILE：输入寄存器锁存允许6412位D/A转换器DAC1210

－12位电流输出型D/A转换器12位D/A转换器DAC121065 －内部具有两个锁存器：输入锁存器和DAC锁存器，分别由LE控制。 －BYTE1/BYTE2输入控制端高电平：DI0-DI11同时锁存到输入寄存器低电平：DI0-DI3锁存到4位输入寄存器 －DAC寄存器的锁存控制端LE

高电平：Q＝D，输入寄存器与DAC寄存器直通低电平：DAC寄存器锁存 －WR1,WR2,CS,XFER,Rfb,VREF与DAC0832相同 －内部具有两个锁存器：输入锁存器和DAC锁存器，分别由LE662.4.2D/A转换接口技术DAC0832与XT总线接口

－DAC0832工作方式为单缓冲寄存器。

－用反相放大器把输出电流转换为负极性电压

－工作过程： 1.端口地址+IOW有效->CS有效->LE1高电平 ->输入寄存器直通->输入数据进行D/A转换。 2.IOW变高->CS变高->LE1低电平->输入寄

存器锁存->D/A转换输出保持。2.4.2D/A转换接口技术67计算机控制系统发展方向课件68

－程序，端口地址300H。 MOVDX,300H MOVAL,7FH OUTDX,AL HLT －电流输出端IOUT1,IOUT2的电位应接近0，以保证运放输出的线性。 －程序，端口地址300H。69DAC1210与XT总线接口

－译码器对端口300H，301H，302H分别产生

Y0，

Y1

，

Y2用于DAC的控制。

－CS接地 8位输入寄存器：XT总线D0-D7 4位输入寄存器：XT总线D4-D7

－输出端用反相放大器把差动电流转换为电压,经倒相后变为正极性电压输出。

DAC1210与XT总线接口70计算机控制系统发展方向课件71

－工作过程： 1.锁存高8位数据：Y0有效->BYTE1/BYTE2高电平->当IOW有效->D0-D7锁入8位输入寄存器，D4-D7锁入4位输入寄存器。 2.锁存低4位数据：Y1有效->BYTE1/BYTE2低电平->当IOW有效->D4-D7锁入4位输入寄存器。 3.输入寄存器数据送到DAC寄存器：Y2有效->

XFER低电平->当IOW有效->输入寄存器数据传送到DAC寄存器，并开始D/A转换。 －工作过程：72

4.DAC寄存器锁存，D/A输出保持：Y2,IOW

变高电平->DAC寄存器锁存数据，保持D/A转换输出。 －程序 MOVDX,300H;Y0有效 MOVAL,83H；高8位数据 OUTDX,AL MOVDX,301H;Y1有效 MOVAL,0F0H；低4位数据 OUTDX,AL MOVDX,302H；Y2有效 OUTDX,AL；进行D/A转换 HLT 4.DAC寄存器锁存，D/A输出保持：Y2,IO73微机计算机控制技术

第五讲

第3章

数字程序控制技术所谓数字程序控制，就是计算机根据输入的指令和数据，控制生产机械（如各种加工机床）按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的自动控制。数控系统：输入装置、输出装置、控制器和插补器。计算机数控CNC(ComputerNumericalControl)微机计算机控制技术 第五讲第3章数字程序控制技术74

步骤：1.曲线分段：

－图中曲线分为三段，分别为ab、bc、cd，a、b、c、d四点坐标送计算机。

－分割原则：应保证线段所连的曲线与原图形的误差在允许范围之内。

752.插补计算：

－插补计算：

给定曲线基点坐标，求得曲线中间值的数值计算方法。

－插补计算原则：通过给定的基点坐标，以一定的速度连续定出一系列中间点，这些中间点的坐标值以一定的精度逼近给定的线段。

－插补：

直线插补(在给定的两个基点之间用一条近似直线来逼近)

二次曲线插补－圆弧、抛物线、双曲线

(在给定的两个基点之间用一条近似曲线来逼近)3.折线逼近：

根据插补计算出的中间点、产生脉冲信号驱动x、y方向上的步进电机，带动绘图笔、刀具等，从而绘出图形或加工所要求的轮廓。2.插补计算：76－步长：刀具对应于每个脉冲移动的相对位置，可以用△x,△y表示，一般△x＝

△y x方向步数：Nx＝(xe-x0)/△x y方向步数：Ny＝(ye-y0)/△y－步长：刀具对应于每个脉冲移动的相对位置，可以用△x,△773.1.2数字程序控制方式数字程序控制的3种方式：点位控制、直线切削控制、轮廓切削控制。点位控制

只要求控制刀具行程终点的坐标值，即工件加工点准确定位，对刀具的移动路径、移动速度、移动方向不作规定，且在移动过程中不做任何加工，只是在准确到达指定位置后才开始加工。（定位）直线切削控制

控制行程的终点坐标值，还要求刀具相对于工件平行某一坐标轴作直线运动，且在运动过程中进行切削加工。（单轴切削）3.1.2数字程序控制方式78轮廓的切削控制

控制刀具沿工件轮廓曲线运动，并在运动过程中将工件加工成某一形状。这种方式借助于插补器进行。（多轴切削）三种方式比较

点位控制：驱动电路简单，无需插补

直线切削控制：驱动电路复杂，无需插补

轮廓切削控制：驱动电路复杂，需插补

轮廓的切削控制793.1.3开环数字程序控制闭环方式执行机构多采用直流电机作为驱动元件

反馈测量元件采用光电编码器、光栅、感应同步器等开环方式

3.1.3开环数字程序控制803.2逐点比较法插补原理逐点比较法插补，就是刀具或绘图笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较一次，决定下一步的进给方向：

用阶梯折线逼近曲线。

走一步->比较一次->决定下一步的走向

－逐点比较法的最大误差：一个脉冲当量（步长）

3.2逐点比较法插补原理813.2.1逐点比较法直线插补插补步骤：

偏差判别->坐标进给->偏差计算->终点判断

走一步->比较一次->决定下一步的走向

插补结束判断

3.2.1逐点比较法直线插补82第一象限内的直线插补

偏差计算式：

若点m在OA直线段上，则有xm/ym=xe/ye

即ymxe-xmye＝0

于是取偏差计算式为Fm=ymxe-xmye

第一象限内的直线插补83

偏差判别：

偏差判别式：

若Fm=0，则点m在OA直线段上；

若Fm>0，则点m在OA直线段的上方；

若Fm<0，则点m在OA直线段的下方。

进给方向确定：

当Fm>=0时，沿+x轴方向走一步；

当Fm<0时，沿+y方向走一步；

当目前坐标与终点坐标相等，停止插补。

偏差判别：84

偏差计算的简化：

（1）设加工点在m点，若Fm>=0，这时沿+x轴方向走一步至m＋1点。(xm+1，ym+1)=(xm+1,ym) Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=ymxe-(xm+1)ye =ymxe-xmye-ye=Fm–ye

（2）设加工点在m点，若Fm<0，这时沿+y轴方向走一步至m＋1点。

推理有Fm+1=Fm+xe

偏差计算的简化：85

偏差计算简化为：

若m为起点0，则Fm=F0=0；

否则

：若Fm>=0，Fm+1=Fm–ye

若Fm<0，Fm+1=Fm+xe

终点判断：

方法1：设置x，y轴两个减法计数器Nx和Ny

，加工前分别存入终点坐标xe和ye，x(y)轴每进给一步则Nx–1(Ny–1）,当Nx和Ny

均为0，则认为达到终点。

方法2：设置一个终点计数器Nxy,x或y轴每进给一步则Nxy–1，当Nxy

为0，则认为达到终点。

偏差计算简化为：864象限内的直线插补

记忆：2象限：1象限以y轴镜象4象限：1象限以x轴镜象3象限：1象限旋转180度

4象限内的直线插补873.直线插补计算的程序实现内存单元数据 XE：终点X坐标YE：终点Y坐标NXY:总步数，Nxy＝Nx+

Ny

FM:加工点偏差，初值F0=0

XOY:象限值，1、2、3、4分别代表1、2、3、4象限ZF：进给方向，1、2、3、4代表在+x、–x、+y、-y方向进给。

3.直线插补计算的程序实现88流程图流程图89例3.1：加工第1象限直线OA，起点为O（0，0），终点为A(6，4)，试进行插补并作走步轨迹图。解：进给总步数Nxy＝|6-0|+|4-0|=10

xe=6，ye=4,F0=0,xoy=1 例3.1：加工第1象限直线OA，起点为O（0，0），终点为A90计算机控制系统发展方向课件91微机计算机控制技术

第六讲

3.2.2逐点比较法圆弧插补第一象限内的圆弧插补

偏差定义M点偏差Fm=Rm2-R2=xm2+ym2-R2

－偏差判断Fm=0，M点在圆弧上 Fm>0，M点在圆弧外Fm<0，M点在圆弧内微机计算机控制技术 第六讲3.2.2逐点比较法圆弧插92第一象限逆圆弧逐点比较插补的原理：

从起点出发，当Fm>=0，向-x方向进给一步，并计算新的偏差；当Fm<0，下一步向+y方向进给，并计算新的偏差。按上述步骤循环到达终点后结束。

第一象限逆圆弧逐点比较插补的原理：93偏差的简化计算，以第一象限逆圆弧为例：当Fm>=0，向-x方向进给一步

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

当Fm<0，向+y方向进给一步

（xm+1，ym+1)=(xm,ym+1

) Fm+1=xm+12+ym+12-R2=Fm+2ym+1起点偏差Fm＝0偏差的简化计算，以第一象限逆圆弧为例：94终点判断

采用总步数Nxy设计数方法：Nxy初始设值为x和y轴进给总步数之和，x或y轴每进给一步则Nxy–1，当Nxy

为0，则认为达到终点。

插补计算步骤

偏差判别->坐标进给->偏差计算->坐标计算->终点判断

直线插补：偏差计算使用终点坐标xe，ye

圆弧插补：偏差计算使用前一点坐标xm，ym

终点判断95四个象限的圆弧插补第一象限顺圆弧的插补计算当Fm>=0，向+y方向进给一步，Fm+1=Fm–2ym+1当Fm<0，向+x方向进给一步，Fm+1=Fm+2xm+1四个象限的圆弧插补96－四个象限的圆弧插补记忆：2象限：1象限以y轴镜象4象限：1象限以x轴镜象3象限：1象限旋转180度－四个象限的圆弧插补97－圆弧插补计算工时和进给方向注意：表中坐标值为不带符号的数，如第四象限中的点（-4,-3)应用xm=4,ym=3查表计算。－圆弧插补计算工时和进给方向98圆弧插补计算的程序实现

内存单元数据 X0：起点X坐标Y0：起点Y坐标NXY:总步数，Nxy＝Nx+

NyFM：加工点偏差；XM：xmYM：ym

RNS：圆弧种类，1、2、3、4和5、6、7、8分别代表SR1、SR2、SR3、SR4和NR1、NR2、NR3、NR4。ZF：进给方向，1、2、3、4代表在+x、–x、+y、-y方向进给。

圆弧插补计算的程序实现99流程图流程图100例3.2：加工第1象限逆圆弧AB，起点为A（4，0），终点为B(0，4)，试进行插补并作走步轨迹图。解：进给总步数Nxy＝|4-0|+|4-0|=8例3.2：加工第1象限逆圆弧AB，起点为A（4，0），终点为101计算机控制系统发展方向课件1023.3步进电机控制技术步进电机：是一种将电脉冲信号转换为角位移的机电式数摸（D/A）转换器。

输入：脉冲

输出：位移

脉冲数：决定位移量

脉冲频率：决定位移的速度3.3步进电机控制技术1033.3.1步进电机的工作原理

三相反应式步进电机

定子：三对磁极，六个齿

转子：四个齿，分别为0、1、2、3齿3.3.1步进电机的工作原理104－工作过程：A相通电：A相磁极与0、2号齿对齐；B相通电：由于磁力线作用，B相磁极与1、3号齿对齐；C相通电：由于磁力线作用，C相磁极与0、2号齿对齐；A相通电：由于磁力线作用，A相磁极与1、3号齿对齐；结论：定子按A->B->C->A相轮流通电，则磁场沿A、B、C方向转动360度角，转子沿ABC方向转动了一个齿距的位置。齿数为4，齿距角为90度，即1个齿距转动了90度。－工作过程：105

步进电机的“

相”和“

拍”

“

相”绕组的个数

“

拍”绕组的通电状态。如：三拍表示一个周期共有3种通电状态，六拍表示一个周期有6种通电状态，每个周期步进电机转动一个齿距。

步进电机的步距角的计算：N：步进电机的拍数Z：转子的齿数。齿距角θz=360/Z

步距角θ＝360/(NZ)：步进电机每拍步进的角度。

步进电机的“相”和“拍”1063.3.2步进电机的工作方式－步进电机的通电方式

单相通电方式、双相通电方式、单相双相交叉通电方式。－三相步进电机可工作于三相三拍（单三拍）、双相三拍（双三拍）、三相六拍工作方式。－单三拍工作方式A->B->C->A…3.3.2步进电机的工作方式107－双三拍工作方式AB->BC->CA->AB->…－三相六拍工作方式A->AB->B->BC->C->CA->A->…－双三拍工作方式108步进电机细分驱动：

切换时，绕组电流并非全部切除或通入，只改变额定值的一部分（如1/4)，转子也只转动步距角的一部分（如1/4)。步进电机细分驱动：切换时，绕组电流并非全部切除或通入，只改109优点：达到更高分辨率，减小振动和噪声优点：达到更高分辨率，减小振动和噪声110微机计算机控制技术

第七讲

3.3.3步进电机控制接口及输出字表步进电机常规控制电路

微机计算机控制技术 第七讲3.3.3步进电机控制接口111

脉冲分配器：把脉冲串按一定规律分配给脉冲放大器的各相输入端，又称环形分配器。

输入：步进脉冲，1个脉冲为1拍，走一步；

方向选择

，正转或反转。

输出：各相绕组的驱动脉冲。

功率放大器：脉冲分配器的输出电路不足以驱动步进电机，进行功率放大。

步进电机微机控制方式一

微机

＋

环形分配器

＋

功放

运动控制及脉冲产生

脉冲脉冲分配

脉冲分配器：把脉冲串按一定规律分配给脉冲放大器的各112步进电机微机控制方式2

微机

＋

驱动电路运动控制和脉冲分配

功率放大

步进电机控制接口

－例如：采用8255芯片控制x,y轴步进电机。步进电机微机控制方式2113步进电机控制的输出字表

－8255的PA、PB口分别控制x,y轴步进电机。

－输出数据“1”表示通电，“0”表示断电。步进电机控制的输出字表114

－输出字以表的形式顺序存放在内存：

正转访问顺序：ADX1->ADX2->…->ADX6 ADY1->ADY2->…->ADY6

反转访问顺序：ADX6->ADX5->…->ADX1 ADY6->ADY5->…->ADY1

微机的运动控制功能

－改变输出脉冲数，控制步进电机的走步数；

－改变各相绕组的通电顺序，控制步进电机的转向，正转、反转；

－改变输出脉冲的频率，控制步进电机的转速。 －输出字以表的形式顺序存放在内存：115

－输出字以表的形式顺序存放在内存：

正转输出顺序：ADX1->ADX2->…->ADX6 ADY1->ADY2->…->ADY6

反转输出顺序：ADX6->ADX5->…->ADX1 ADY6->ADY5->…->ADY1

微机的运动控制功能

－改变输出脉冲数，控制步进电机的走步数；

－改变各相绕组的通电顺序，控制步进电机的转向，正转、反转；

－改变输出脉冲的频率，控制步进电机的转速。

－输出字以表的形式顺序存放在内存：1163.3.4步进电机控制程序步进电机走步控制程序流程图3.3.4步进电机控制程序117计算机控制系统发展方向课件118步进电机速度控制程序

－步进电机调速：改变输出脉冲的频率。

－可采用延时或定时器方法。

－延时或定时时间的计算：Ti为相邻两次走步的时间间隔，Vi为进给一步后速度，a为加速度，有：

步进电机速度控制程序119步进电机控制实验

－四相八拍工作方式。

－8086：采用延时方式进行速度控制

－8031：采用定时器方式进行速度控制步进电机控制实验120PWM直流电机调速

－PWM：脉冲宽度调制技术。

输出脉冲频率不变，脉冲宽度受输入信号调制

－在电机控制领域应用广泛。

PWM直流电机调速121

－PWM直流电机调速的优点：

（1）功耗小，效率高。

（2）以高频脉冲电流给绕组供电，由于绕组为感性负载，脉冲电流得以滤平，所以波系数小,电机发热量小。

（3）系统的响应频带宽，起制动非常快。

（4）系统抗负载扰动的性能好。

（5）高频输出避开了电机及传动机械的共振点，所以运行平稳，噪声低。

－微机产生PWM波形的方法

程序延时：高电平延时＋低电平延时＝PWM周期时间

定时器中断：PWM周期T定时中断＋高电平t定时中断 －PWM直流电机调速的优点：122直流电机调速实验

－采用PWM调速方式。

－8031产生PWM波，驱动电路功率放大。

直流电机调速实验123

－PWM波形的产生：

采用延时方式产生PWM波形，脉宽固定，电机恒速。 T=X*T0,T1=Y*T0，T2=Z*T0。X为T周期参数，放在20H单元。Y为T1延时参数，Z为T2延时参数，放在21H单元，X=Y+Z。T0为延时的时间基数，由定时器确定，参数置22H，23H单元中。

－PWM波形的产生：124

ORG0000H LJMPMAIN ORG000BH LJMPTT0；

跳转到定时器0中断程序 ORG1000HMAIN: SETBP1.0；

脉冲的高电平 MOVR0,21H；(21H)初始值为Y，存入R0中，延时T1 MOVTMOD,#01H MOVTL0,22H；时间基数T0的定时参数 MOVTH0,23H SETBTR0；

定时中断设置

SETBET0 ORG0000H125

SETBEAL1: CJNER0,#00H,L2； CPLP1.0;延时R0*T0时间后，输出取反R0在运行前为 MOVA,20H；

取X,T周期时间。Y，则运行后为 SUBBA,21H；A=X-(21H),若（21H)=Y,A=Z,X;运行前为X

若（21H)=Z,A=Y;，

则运行后为Y。 MOV21H,A;A存到(21H)R0交替置入高 MOVR0,A; 低电平延时时间。

L2: AJMPL1TT0: MOVTL0,22H；T0定时中断 MOVTH0,23H DECR0;R0-1 RETI SETBEA126

－实验编程：

用8086和8255，P1.0改为PA0口，编程控制直流电机，在第1个10秒慢速转动，第2个10秒快速转动，并不断循环。 －实验编程：127微机计算机控制技术

第八讲

第四章

常规及复杂控制技术数字控制器的设计方法：

连续化设计：采样周期短、控制算法简单的系统。忽略零阶保持器和采样器，求出系统的连续控制器，以近似方式离散化为数字控制器。

离散化设计：采样周期长的或控制复杂的系统。直接使用采样控制理论设计数字控制器。微机计算机控制技术 第八讲第四章常规及复杂控制技术1284.1数字控制器的连续化设计技术数字控制器的连续化设计 (1)忽略控制回路中的零阶保持器和采样器，在S域中设计连续控制器。条件是采样周期足够短。(2)通过近似方法，把连续控制器离散化为数字控制器，用计算机实现。

实质：在采用周期足够短的情况下，把数字控制器（A/D－采样、计算机、D/A－零阶保持）看作一个整体，其输入和输出为模拟量，将其等效为连续传递函数。

数字控制器的连续化设计技术，是立足于连续控制系统控制器的设计，然后在计算机上进行数字模拟来实现的。4.1数字控制器的连续化设计技术129数字控制器的连续化设计技术在被控对象的特性不太清楚的情况下，利用技术成熟的连续化设计技术，并把它移植到计算机上予以实现，以达到满意的控制效果。但是连续化设计技术要求相当短的采样周期，因此只能实现较简单的控制算法。由于控制任务的需要，当所选择的采样周期比较大或对控制质量要求比较高时，必须从被控对象的特性出发，直接根据计算机控制理论（采样控制理论）来设计数字控制器，这类方法称为离散化设计技术。离散化设计技术比连续化设计技术更具有一般意义，它完全是根据采样控制系统的特点进行分析和综合，并导出相应的控制规律和算法。数字控制器的连续化设计技术在被控对象的特性不太清楚的情况下，130数字控制理论基础1、计算机只能接受和处理二进制代码0和1及其组合，这些二进制数可以表示某一物理量的大小，称之为离散量或数字量。但实际系统中的被控量是在时间上连续的信号，一般称之为连续量或模拟量。模拟量进行离散化并转换成数字量后，才能由计算机处理。因此，计算机控制系统也可以称为数字控制系统、离散控制系统或采样控制系统。模拟控制系统也称为连续控制系统。数字控制理论基础131离散(数字)控制系统与连续（模拟）控制系统的本质区别在于：模拟系统中的给定量、反馈量和被控量都是连续型的时间函数，而在离散系统中，通过计算机处理得给定量、反馈量和被控量是在时间上离散的数字信号。把计算机引入连续控制系统中作为控制器使用，便构成了计算机控制系统。由计算机构成的控制系统，在本质上是一个离散系统。离散(数字)控制系统与连续（模拟）控制系统的本质区别在于：模132脉冲传递函数的定义1、在连续系统中传递函数的定义是：在初始静止（t=0时，输入量和输出量以及他们的各阶导数均为零）的条件下，一个环节（系统）的输出量拉氏变换和输入量的拉氏变换之比定义为该环节（系统）的传递函数。2、依此类似，在数字控制系统中，也是在初始静止的条件下，一个环节（系统）的输出脉冲序列的Z变换与输入脉冲序列的Z变换之比，被定义为该环节（系统）的脉冲传递函数。脉冲传递函数的定义1334.1.1数字控制器的连续化设计步骤5步

－设计假想的连续控制器D(s)

－选择采样周期T

－将D(s)离散化为D(z)

－设计由计算机实现的控制算法

－

校验第一步：设计假想的连续控制器D(s)

解决方案：自控原理中的连续系统的频域设计法、根轨迹法等。

4.1.1数字控制器的连续化设计步骤134计算机控制系统的结构图G(s)被控对象的传递函数D(z)数字控制器,H(S)零阶保持器，U（K）U（t）控制量假想的连续控制系统结构图D（S）连续控制器计算机控制系统的结构图假想的连续控制系统结构图135第二步：选择采样周期T

－计算机控制系统的信号恢复功能由零阶保持器H(s)完成。

频率特性推导，使用欧拉公式。零阶保持器的传递函数为：

上式表明，零阶保持器存在滞后。第二步：选择采样周期T 136

对于小的采用周期，用幂级数展开：

H(s)可用T/2的时间滞后环节近似。

采样周期的经验公式，设相位裕量减少5-15度，ω

c系统剪切频率

结论：采用数字控制器的连续化设计方法，采样周期应该相当短。对于小的采用周期，用幂级数展开： 137第三步：将D(s)离散化为D(z)将连续控制器D(s)离散化为数字控制器D(z)的方法有很多，如双线性变换法、后向差分法、前向差分法、冲击响应不变法、零极点匹配法、零阶保持法等。通过近似方法，把连续控制器离散化为数字控制器。

方法1:双线性变换法（Tustin塔斯廷近似）推导1：级数展开z=esT,T很小。得到

第三步：将D(s)离散化为D(z)138推导2：梯形法数值积分

积分控制器用梯形法求积分运算两边求Z变换推导2：梯形法数值积分139

映射关系：

双线性变换法置换公式

把S=σ+jω

代入有：

取模的平方则：

σ=0（s平面虚轴），|z|=1(z平面单位园上）

σ<0（s左半平面），|z|<1(z平面单位园内）

σ>0（s右半平面），|z|>1(z平面单位园外）映射关系：140

结论：1个稳定的系统经过双线性变换仍然是稳定的。方法2:前向差分法推导1：级数展开z=esT,T很小。

得到结论：1个稳定的系统经过双线性变换仍然是稳定的。141推导2：用一阶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，并对两边作Z变换有：

得出：

推导2：用一阶前向差分近似代替微分。142

－映射关系：

前向差分法置换公式

把S=σ+jω

代入，

取模的平方有：

令|z|=1，则对应到s平面上是一个圆，有：

即当D(s)的极点位于左半平面以（-1/T,0)为圆心，1/T为半径的圆内，D(z)才在单位圆内，才稳定。结论：稳定的系统经前向差分法转换后可能不稳定。－映射关系：143方法3:后向差分法推导1：级数展开z=esT,T很小。

得到推导2：用一阶向后差分近似代替微分。

用向后差分近似代替

对两边作Z变换有：方法3:后向差分法144

映射关系：

根据向后差分法置换公式

有

把S=σ+jω

代入，

取模的平方有：

145则：

σ=0（s平面虚轴），

σ<0（s左半平面），

σ>0（s右半平面），

后向差分法将s的左半平面映射到z平面内半径为1/2的圆，因此如果D(s)稳定，则D(z)稳定。映射比较：双线性变换－保持稳定

前向差分－不能保持稳定

向后差分－保持稳定则：σ=0（s平面虚轴），146第四步：设计由计算机实现的控制算法 D(z)的一般形式：

m个零点和n个极点，写为

化为时域表示：

上式称为数字控制器D(z)的控制算法。

第四步：设计由计算机实现的控制算法147第五步：校验

通过计算机仿真计算实现。第五步：校验1484.1.2数字PID控制器的设计PID－比例P,积分I,微分D数字PID控制器－用计算机实现PID控制，即把模拟PID控制规律数字化。1.模拟PID调节器

控制规律4.1.2数字PID控制器的设计149

拉氏变换求传递函数其中：Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。比例作用：迅速反应误差，但不能消除稳态误差，过大容易引起不稳定；积分作用：消除静差，但容易引起超调，甚至出现振荡；微分作用：减小超调，克服振荡，提高稳定性，改善系统的动态特性。拉氏变换求传递函数1502.数字PID调节器

－用数值逼近的方法实现PID控制规律。

－数值逼近的方法：用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID离散化为差分方程。（1)数字PID位置型控制算法

可得：

位置型控制算法提供执行机构的位置u(k)，比如阀门的开度，需要累计e(i)2.数字PID调节器151（2)数字PID增量型控制算法

根据位置型控制算法写出u(k-1)：

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

增量型控制算法提供执行机构的增量△u(k)，比如步进电机的步数。为编程方便，可以整理得到：153增量型算法与位置型算法比较：（1）增量型算法不需做累加，计算误差后产生的计算精度问题，对控制量的计算影响较小。位置型算法用到过去的误差的累加，容易产生较大的累加误差。（2）增量型算法得出的是控制的增量，误动作影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会影响系统的工作。位置型算法的输出是控制量的全部输出，误动作影响大。增量型算法与位置型算法比较：1544.数字PID控制算法流程

式

（4.1.35),书上的图4.64.数字PID控制算法流程155脉冲传递函数的定义1、在连续系统中传统函数的定义是：在初始静止（t=0时，输入量和输出量以及他们的各阶导数均为零）的条件下，一个环节（系统）的输出量拉氏变换和输入量的拉氏变换之比定义为该环节（系统）的传递函数。2、依此类似，在数字控制系统中，