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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 1 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 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 2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 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 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 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 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 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 1 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 2 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 PCI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 3 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 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 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 2 1 1数字量输入输出接口数字量输入接口三态门缓冲器74LS244MOVDX portINAL DX 数字量输出接口锁存器74LS273利用IOW上升沿锁存MOVAL DATAMOVDX portOUTDX DL 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 A O A O O A1 RS触发器去抖RS触发器 1 负脉冲 0 高电平 大功率输入调理电路 采用光电隔离 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 2 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 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 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 2 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 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 A 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 2 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 2LSB 8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 0V 转换时序 12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 单 双极性应用 单极性 BIPOFF接0V 双极性 BIPOFF接10V 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 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 转换时序 读 2 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 ADC0809PROCNEARMOVCX 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 02C2HMOVAL BLOUTDX ALINCDXMOVAL 00000111B 输出启动信号 上升沿锁存地址NOPNOPNOPMOVAL 00000110B 下降沿 形成ALE START脉冲 OUTDX ALDECDXNOSC INAL DX 检测转换结束信号TESTAL 80HJNZNOSC EOC 1 则等待 检测EOC下降沿NOEOC INAL DX TESTAL 80HJZNOSC EOC 0 则等待 检测EOC上升沿 转换结束MOVDX 02C0H 读转换结果INAL DXSTOSDATABUF 保存结果INCBL 修改模拟通道地址LOOPNEXTA CX 1 RETADC0809ENDP AD574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 CEPC7 STS 检测转换结束8255A系统地址2C0H 2C3H MOVDX 02C2H 令CS R C为低电平MOVAL 00HOUTDX ALNOPNOPMOVAL 04H 令CE 1 启动转换OUTDX ALNOPNOPMOVAL 03H 令CE 0 CS R C 1 启动完毕OUTDX ALPOLLING INAL DX 查询STS状态TESTAL 80HJNZPOLLING 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 OUTDX ALNOPMOVAL 05H 令CE 1 允许读出OUTDX ALMOVDX 02C0HINAL DX 读高4位DB11 DB8 ANDAL 0FHMOVBH AL 存高4位INCDXINAL DX 读低8位DB7 DB0MOVBL ALINCDXMOVAL 03HOUTDX AL 结束读出操作 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 2 3 1模拟量输入通道结构 2 3 2I V变换电流输出仪表DDZ 0 10mA仪表DDZ DDZ S 4 20mA无源I V变换 利用无源器件完成 0 10mA R1100 R2500 0 5V输出4 20mA R1100 R2250 1 5V输出 有源I V变换 利用有源器件完成 0 10mA R1200 R3100k R4150k 0 5V输出4 20mA R1200 R3100k 同相放大器倍数A 1 R4 R3R425k 1 5V输出 2 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 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 为采样宽度 即K闭合的时间 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 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 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 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 2 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 AD574APROCNEARCLDLEADI BUFMOVBL 00000000B 令CE CS R C INH 0 初始化MOVCX 8ADC MOVDX 2C2H C口地址MOVAL BLOUTDX AL 选择多路开关 STS 0 LF398采样NOPNOPORAL 01000000B 令CE 1 启动转换A DOUTDX AL ANDAL 10111111B 令CE 0 形成启动脉冲OUTDX AL MOVDX 2C0H A口地址 PULLINGINAL DX 测试STS 看转换是否结束TESTAL 80HJNZPULLING 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 ALORAL 01000000B 令CE R C 1 开始读MOVDX 2C0H 读A口高4位INAL DXANDAL 0FHMOVAH AL 高4位存在AHINCDX 读B口低8位INAL DX 低8位存在ALSTOSW 数据存储 INCBL 更换通道LOOPADCMOVAL 00111000B CE 0 CS R C INH 1 芯片复位MOVDX 2C2HOUTDX ALRETAD574AENDP 2 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 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 2 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 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 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 12位D A转换器DAC1210 12位电流输出型D A转换器 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 2 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 程序 端口地址300H MOVDX 300HMOVAL 7FHOUTDX ALHLT 电流输出端IOUT1 IOUT2的电位应接近0 以保证运放输出的线性 DAC1210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 D74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 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 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 ALMOVDX 301H Y1有效MOVAL 0F0H 低4位数据OUTDX ALMOVDX 302H Y2有效OUTDX AL 进行D A转换HLT 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 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 2 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 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 yx方向步数 Nx xe x0 xy方向步数 Ny ye y0 y 3 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 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 3 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 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 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 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 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 4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 3 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 NyFM 加工点偏差 初值F0 0XOY 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 流程图 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 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 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 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 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 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 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 ymRNS 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 流程图 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 3 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 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 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 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 z 360 Z步距角 360 NZ 步进电机每拍步进的角度 3 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 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 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 优点 达到更高分辨率 减小振动和噪声 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 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 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 输出字以表的形式顺序存放在内存 正转访问顺序 ADX1 ADX2 ADX6ADY1 ADY2 ADY6反转访问顺序 ADX6 ADX5 ADX1ADY6 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 正转输出顺序 ADX1 ADX2 ADX6ADY1 ADY2 ADY6反转输出顺序 ADX6 ADX5 ADX1ADY6 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 3 3 4步进电机控制程序步进电机走步控制程序流程图 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 PWM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 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 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 ORG0000HLJMPMAINORG000BHLJMPTT0 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T1MOVTMOD 01HMOVTL0 22H 时间基数T0的定时参数MOVTH0 23HSETBTR0 定时中断设置SETBET0 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 23HDECR0 R0 1RETI 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 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 4 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 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 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 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 4 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 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 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 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 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 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 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 映射关系 双线性变换法置换公式把S j 代入有 取模的平方则 0 s平面虚轴 z 1 z平面单位园上 0 s右半平面 z 1 z平面单位园外 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 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 映射关系 前向差分法置换公式把S j 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 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 映射关系 根据向后差分法置换公式有把S j 代入 取模的平方有 则 0 s平面虚轴 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 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 第五步 校验通过计算机仿真计算实现 4 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 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 2 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 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 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 4 数字PID控制算法流程式 4 1 35 书上的图4 6 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 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 微机计算机控制技术第九讲 4 1 3数字PID控制器的改进积分项的改进 1 积分分离 改进原因 当有较大的扰动或大幅度改变给定值时 存在较大的偏差 以及系统有惯性和滞后 在积分项的作用下 会产生较大的超调和长时间的波动 改进思路 当被控量和给定值偏差大时 取消积分控制 以免超调量过大 当被控量和给定值接近时 积分控制投入 消除静差 改进方法 当 e k 时 采用PD控制 当 e k 时 采用PID控制 积分分离阈值 的确定 过大 达不到积分分离的目的 过小 则一旦控制量y t 无法跳出各积分分离区 只进行PD控制 将会出现残差 2 抗积分饱和 积分饱和 如果执行机构已到极限位置 仍然不能消除偏差 由于积分的作用 尽管计算PID差分方程式所得的运算结果继续增大或减小 但执行结构已无相应的动作 控制信号则进入深度饱和区 影响 如果系统程序反向偏差 则u k 首先需要从饱和区退出 进入的饱和区越深 退出时间越长 导致超调量增加 改进方法 对控制量u k 限幅 以8位D A为例 u k FFH时 取u k FFH 3 梯形积分 改进原因 减小残差 提高积分项的运算精度 改进方法 矩形积分改为梯形积分 4 消除积分不灵敏区 改进原因 由于计算机字长的限制 当运算结果小于字长所能表示的数的精度 计算机就作为 零 处理 此时积分作用消失 这就称为积分不灵敏区 改进措施 增加A D转换位数 加长运算字长 提高运算精度 当积分项连续n次小于输出精度 的情况下 不要把它们作为 零 处理 而是把它们累加起来 直到累加值大于 时才输出 同时把累加单元清零 微分项的改进 1 不完全微分PID控制 改进原因 微分具有放大干扰信号的特点 在PID控制中 对具有高频扰动的生产过程 微分作用响应过于灵敏 容易引起控制过程振荡 改进方法 串联一阶惯性环节 作为低通滤波器抑制高频噪声 组成不完全微分PID控制器 两种方式 直接串在微分项 串在PID调节器之后 如下图 一阶惯性环节的传递函数其拉氏反变换有 因为PID调节器 则有 离散化有 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 抑制高频噪声 克服纯微分的不均匀性 下图 在t 0时刻出现阶跃信号 纯微分 a 在第一个周期出现大跃变信号 容易振荡 b 中的控制信号则较均匀 平缓 2 微分先行PID控制算式 改进原因 为避免给定值的升降给系统带来冲击 如超调过大 调节阀动作剧烈 微分先行 把微分运算放在前面 后面跟比例和积分运算 改进方法 把微分提前 只对被控量y t 微分 不对偏差e t 微分 时间最优PID控制 最优控制的含义 某个指标最优 Bang Bang控制 开关控制 对 u t 1 采用一定的方法在 1 1间切换 使时间最短 时间最优PID控制 Bang Bang控制和PID控制相结合 带死区的PID控制算法 改进原因 避免控制动作过于频繁死区阈值 4 1 4数字PID控制器的参数整定采样周期的选择 1 采样周期上下限的确定采样周期上限Tmax的确定 采样 香农 定理Tmax max 其中 max为被采样信号的上限角频率 采样周期下限Tmin的确定 Tmin为计算机执行程序和输入输出所耗费的时间 2 采样周期的考虑因素 给定值的频率变化 给定值变化频率越高 采样频率映越高 被控对象的特性 被控对象是慢速对象 采样周期取得大 被控对象是快速系统 采样周期应取得较小 控制算法的类型 受计算精度和计算时间的影响 控制回路数 采样周期T应大于等于所有回路控制程序执行时间和输入输出时间的总和 按简易工程法整定PID参数 简易工程法的优点 不依赖被控对象的数学模型 1 扩充临界比例度法扩充临界比例度法 对模拟调节器中使用的临界比例度法的扩充和推广 整定数字控制器参数的步骤 选择短的采样频率 一般选择被控对象纯滞后时间的十分之一 去掉积分与微分作用 逐渐较小比例度 1 kp 直到系统发生持续等幅振荡 纪录发生振荡的临界比例度和周期 k及Tk 选择控制度控制度的定义 以模拟调节器为基准 将DDC的控制效果过于模拟调节器的控制效果相比较 采用误差平方积分表示 控制度的指标含意 控制度 1 05 DDC与模拟控制效果相当 控制度 2 0 DDC比模拟调节器的效果差 根据选定的控制度 查表求得T kp TI TD的值 2 扩充响应曲线法扩充临界比例度法 对模拟调节器中使用的响应曲线法的扩充和推广 整定数字控制器参数的步骤 数字控制器不接入控制系统 系统开环 并处于手动状态 再手动给对象输入阶跃信号 纪录被控量的过渡过程曲线 根据曲线求得滞后时间 被控对象的时间常数Tm 它们的比值Tm 以及选择的控制度 查表4 2 求得数字控制器的T kp TI TD的值 在过渡过程曲线上求滞后时间 被控对象的时间常数Tm 在曲线拐点处 斜率最大 处作一切线 3 归一参数整定法 简化扩充临界比例度法 只需整定一个参数 称为归一参数整定法 Tk为纯比例作用下的临界振荡周期 则令T 0 1Tk TI 0 5Tk TD 0 125Tk有 只需整定kp 观察效果 直到满意为止 优点 只需整定一个参数 缺点 各参数比例需要确定 需要工程经验 优选法 其他参数固定 对其中一参数用0 618黄金分割优选法进行寻优 根据T kp TI TD的寻优结果选择一组最佳值 凑试法 只整定比例部分 系数由小变大 得到反应快 超调小的响应曲线 如果系统已无静差 则直接使用比例即可 取积分时间为教大值 减小 得到的比例参数 逐步减小积分时间 直到系统无静差 加入微分环节 改善系统的动态性能 先取微分时间为零 逐步增大微分时间 同时改变比例参数和积分时间 直到系统得到好的动态性能和效果 微机计算机控制技术第十讲 4 2数字控制器的离散化设计技术数字控制器的离散化设计 技术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 其控制规律和算法更具有一般意义 4 2 1数字控制器的离散化设计步骤Gc s 被控对象的传递函数 D z 数字控制器的脉冲传递函数 H s 零阶保持器的传递函数 定义广义对象 零阶保持器与被控过程 的脉冲传递函数为 则上图的闭环脉冲传递函数为 于是有 由此推得数字控制器的离散化设计步骤 数字控制器的离散化设计步骤 1 根据控制系统的性能要求和其它约束条件 确定所需要的闭环脉冲传递函数 z 2 求广义对象的脉冲传递函数G z 3 确定数字控制器的脉冲传递函数D z 4 根据D z 求取控制算法的递推计算公式 注意 z 可根据所需要的输入及响应性能确定 D z 的一般形式 数字控制的输出U z 进行z反变换后 可得到计算机控制算法 4 2 2最少拍控制器的设计 最少拍控制 就是要求闭环系统对于某种特定的输入在最少个采样周期内达到无静差的稳态 且其闭环脉冲传递函数是中N是可能情况下的最小正整数 闭环脉冲 z 在N个周期后变为01 确定闭环脉冲传递函数 z 1 定义误差脉冲传递函数 根据上图有 则有 典型输入 的z变换为 B z 为不含1 z 1因子的z 1多项式 q 1 输入为单位阶跃输入函数 q 2 输入为单位速度输入函数 q 3 输入为单位加速度输入函数 2 根据Z变换的终值定理 求系统的稳态误差 并使其为零 无静差 即准确性约束条件 则有 要使e 0 则必须 则有 3 根据最少拍控制 确定最少拍控值的闭环脉冲传递函数 z 快速性约束条件 根据式 4 2 14 4 2 15 可知 z 中z 1的最高次幂为N p q 故系统在N拍可以达到稳态 当p 0时 系统可以在最少q拍达到稳态 上述两点可得 最少拍控制器选 z 为 4 最少拍控制器D z 为 2 典型输入下的最少拍控制系统分析 1 单位阶跃输入 q 1 这时则有 上式说明只在1拍内有误差用长除法 因此系统只需1拍就可以达到稳态 2 单位速度输入 q 2 这时则有 上式说明只在2拍内有误差用长除法有 因此系统只需2拍就可以达到稳态 3 单位加速度输入 q 3 这时则有 上式说明只在3拍内有误差因此系统只需3拍就可以达到稳态 3 最少拍控制器的局限性 1 最少拍控制器对典型输入的适应性差最少拍控制器中的最少拍是针对某一典型输入设计的 对于其它典型输入则不一定为最少拍 甚至引起大的超调和静差 例 按等速输入来设计 z 比较三种不同输入的响应 阶跃输入其输出输出结果 系统在1拍后出现100 超调 2拍后稳定 并达到设定值 等速输入 其输出输出结果 系统在2拍后稳定 并达到设定值 与分析结果一致 等加速输入 其输出输出结果 2拍后系统出现稳定的静差 最少拍控制器的适应性特点 针对某典型输入R z 设计得到的最少拍 z 用于次数较低的R z 系统将出现大超调 但能稳定无差 用于次数较高的R z 系统将稳定的静差 结论 一种典型的最少拍 z 只适用于该类型输入 2 最少拍控制器的可实现问题 闭环系统可实现性 闭环系统采用反馈进行控制 即用过去时刻的量去控制下一个时刻的量 它是滞后的 滞后 脉冲传递函数不出现z n正幂次项 因此可实现系统的脉冲传递函数不会出现z n正幂次项 如果广义对象的脉冲传递函数为则由于广义对象中包含零阶保持器 它是滞后的 因此有 degA z degB z 表示A z 和B z 的阶数 设数字控制器D z 为则要求 含义 要产生k时刻的控制量u k 最多只能利用直到k时刻的误差e k e k 1 以及过去的控制量u k 1 u k 2 闭环系统的脉冲传递函数因为有 degP z degQ z 0 则 上式确定了D z 可实现时 z 应满足的条件 若G z 的分母比分子高N阶 则确定 z 时必须至少分母比分子高N阶 例 对象有d个采样周期纯滞后 则其脉冲传函为 则 z 中也应该有纯滞后 滞后时间大于等于d个采样周期 否则根据 D z 将出现z n正幂次项 响应超前输入 不能实现 3 最少拍控制的稳定性问题 最少拍 z 成立的条件 G z 是稳定的 否则系统发散 z 不可能实现 G z 是不含有纯滞后环节 否则根据最少拍控制器的可实现条件 D z 不能实现 改进办法 对 在 z 中增加滞后时间大于等于G z 纯滞后时间的纯滞后 对 则可以在选择 z 时 增加稳定性约束条件 保证系统稳定 应注意 不能采取D z 和G z 零极点对消方式 而从理论上得到稳定的闭环系统 原因 当参数漂移时 零极点对消不能准确实现 系统将出现不稳定极点 微机计算机控制技术第十一讲 4 2 3最少拍有纹波控制器的设计设计时考虑最少拍控制器的可实现和稳定性条件 一般化的广义被控对象 控制对象传函如下 是滞后时间 采样周期为T 则令 微机计算机控制技术第十二讲 4 3纯滞后控制技术纯滞后控制对象 存在于石化等行业的工业生产中