第3章 数字控制技术
机电系统中的数字控制技术
861 全方位数字闭环的伺服控制技术以物体的方位、位置、姿式等作为被控量，是数字控制系统中的伺服系统。
这种控制系统的根本目的就是按照系统给予的速度以及运动轨迹，任意变化跟踪目标，来实现准确的跟踪与定位的一种技术。
它需要保障系统中有充足的能量，才能推动负载输入指令，在规律的运作下，输入与输出的偏差，不得超出规定的范围。
伺服系统作为一个高性能、高技术的产品，在一些定位精度与动态响应下，可以提供灵活、准确、快速、方便的驱动，这使得它在较高的机电一体化产品中，得到广泛的应用。
其中符合数字化控制模式的数字式伺服系统，非常跟得上数字控制技术的潮流，它在调试方面广受好评，使用起来也非常简单。
最近一段时间，工控机控制技术在大部分的交流伺服系统中都广泛被采用。
为了使操作简单易学，提供友好的人机界面给操作员，因而采用工控机与下位机的通信。
同时，还采用DSP（专用数字信号处理器）与新型高速微处理器的伺服控制技术，将全方位替代以模拟为电子器件为主的伺服控制技术。
使DSP的高速运算能力得到充分发挥，增强调节功能，自动完成整个伺服系统，甚至还可以实时调节系统增益，负载跟踪其中的变化。
为了将原来的硬件伺服控制转变为软件伺服控制，实现全方位数字化的闭环伺服控制，提高系统的定位精准度与动态响应的速度，有部分驱动器具备快速傅立叶变换的功能，将设备的机械共振点测算出来，再通过陷波滤波的方式，消除机械共振。
以下就是PC 运动控制卡的闭环伺服控制系统图。
图1 全数字闭环伺服控制系统组成结构图2 先进的现代化数字伺服驱动技术传统的工业控制单元需要向信息化、数字化转变，是因为信息技术的发展。
正是由于信息技术与传统驱动技术相结合，才会出现代表它们的数字驱动技术，这将是21世纪伺服驱动领域里的关键技术之一。
同时，伺服系统中数字化的交流应用也日趋广泛，客户对伺服驱动技术的要求也越来越高，引起了试析机电系统中的数字控制技术刘军高（广州数控设备有限公司，广东 广州 510165）摘要：在这个以“科技”为主题的现代化机电控制系统中，关键领域的科学技术就取决于数控技术，它集多种高新技术为一体，其中包括了微电子与计算机技术，信息处理与自动检测、控制技术等。
数控技术复习提纲
本提纲只列举关键词，具体内容请参考课本和课件补充第一章：概述1.数字控制2.数字控制技术3.数控机床4.数控系统5.硬件数控（NC）6.计算机数控系统（CNC）7.数控机床的组成和作用：8.数控系统组成9.机床的机械部件10.数控机床的工作过程；数控编程的一般过程12.数控机床的分类：按运动轨迹；按所用的进给伺服系统类型；按所用的数控装置类型；按数控系统功能水平。
第二章：数控加工程序的编制1.数控编程2.编程的步骤3.对刀4.刀位点5.常用标准代码6.数控系统误差来源：7.机床坐标系8.分辨率（运动）9.机床原点10.工件坐标系11.模态与非模态插补和刀补1.插补2.硬件插补3.软件插补5.基准脉冲插补；逐点比较法6.数据采样插补；时间分割法7.刀具半径补偿8.B刀补9.C刀补15.刀具半径补偿的工作过程第三章：计算机数控装置C系统硬件结构：单处理器结构；多处理器结构C系统数据转换流程：4.C系统的软件结构多任务并行处理前后台型软件结构中断型软件结构6.软件系统的特点：多任务性与并行处理技术（单机系统采用资源分时共享，多机系统采用流水处理和并发处理）；实时性和优先抢占调度机制第四章：进给伺服驱动系统1.分辨率（检测）2.编码器、光栅、旋转变压器3.绝对式、增量式、数字式、模拟式4.步距角5.数控机床进给伺服系统、组成、要求6.开环数控系统；闭环数控系统；半闭环数控系统。
7.同步转速第五章：运动系统与典型机构1.主运动、进给运动、换刀运动2.准停、C轴3. 数控机床进给运动系统的性能特点4. 转速和调速范围5.主运动的传动6.电主轴的支承类型7.进给运动传动类型8.数控机床导轨、要求、类型9.回转工作台类型10.自动换刀装置的形式第6章：典型数控机床1.数控车类型2.数控铣类型3.数控特种加工机床类型。
第3章 计算机控制系统中的硬件5(PLC)
— 可编程序逻辑控制器（PLC）
可编程控制器的基本概念
• 国际电工委员会(International Electrical Committee) 在1987年颁布的PLC标准草案中对PLC作了如下定 义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计 的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序 的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序 运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能 通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型 的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应 按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展 其功能的原则而设计。”
可编程控制器的工作原理
• PLC的工作原理与计算机的工作原理基本上是一致的， 可以简单地表述为在系 统程序的管理下，通过运行应 用程序完成用户所规定的任务。但个人计算机与PLC 的工作方式有所不同，计算机一般采用等待命令的工 作方式。如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式。当 键盘有键按下或I/O口有信号时则中断转入相应的子 程序。因此，当控制软件发生故障时，会一直等待键 盘或I/O命令，可能发生死机现象。而PLC作为工业 专用控制机，采用循环扫描用户程序工作方式，即系 统工作任务管理及应用程序执行全部都是以循环扫描 方式完成的。当软件发生故障时，可以定时执行下一 轮扫描，避免了死机现象，因此可靠性更高。
• 中央处理器(CPU)
• 主要作用 • 1. 接收并存储从编程器输入 的用户程序和数据。 • 2. 诊断PLC内部电路的工作 故障和编程中的语法错误。 • 3. 用扫描的方式通入I/O部件 接收现场的状态或数据，并 存入输入映像存储器或数据 存储器中。 • 4. PLC进入运行状态后，从 存储器逐条读取用户指令， 解释并按指令规定的任务进 行数据传送、逻辑或算术运 算等；根据运算结果，更新 有关标志位的状态和输出映 像存储器的内容，再经输出 部件实现输出控制、制表打 印或数据通信等功能。
计算机控制技术PPT 第3章
3. 综合指标
在现代控制理论中，如最优控制系统的没计时，经常使用综
合性能指标来衡量一个控制系统。选择性能指标时．既要考虑
到能对系统的性能做出正确的评价，又要考虑到数学上容易处
理，以及工程上便于实现。因此，选择性能指标时，通常需要
做一定的试探和比较。综合性能指标通常有3种类型。
1）积分型指标：
（1）误差平方的积分：
3.5 线性离散时间系统的能控性与能观测性
线性定常离散时间系统的能控性定义及判据 线性定常离散时间系统的能观测性定义及判据
3.6 应用MATLAB进行离散系统分析
3.1 计算机控制系统概述
计算机控制系统(Computer Control System)是应用计算机 参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得 一定控制目的而构成的系统。
为n，Qc为由系数矩阵A和B按一定规则组成的分块矩阵，
表达式是：
n为系统的维数。 判别线性定常系统能控性的判据还有 其他的形式。对于线性时变系统，判别能控性的条件要复 杂一些，而且系统是否能控，常常还依赖于初始时刻的选 取。对于完全能控的线性定常系统，通过特别选定的坐标 变换，可以将其状态方程化成标准的形式，称为能控规范 形。
3.3 控制系统的性能指标描述
对于一个控制系统来说，人们总是要求它能根据实际 的被控对象，在给定信号的作用下达到稳定、快速和准确 的性能指标。对于计算机控制系统，计算机相当于人的大 脑，因此有更多的功能可以实现，系统就能实现最佳的性 能指标。本章描述了控制系统的基本性能指标，以及这些 性能指标与系统的固有参数和设计参数的关系，从而为分 析和设计控制系统提供了依据。
计算机控制技术 --控制组件分布和集成
2008.6
计算机控制技术王建华主编第二版第三章课后答案
第一章答案1计算机控制系统是由哪几部分组成？画出方块图并说明各部分的作用。
答：（1）计算机控制系统是由工业控制机、过程输入输出设备和生产过程三部分组成。
（2）方块图如下图1.1所示：工业计算机 PIO 设备 生产过程图1.1 计算机控制系统的组成框图1、①工业控制机软件由系统软件、支持软件和应用软件组成。
其中系统软件包括操作系统、引导程序、调度执行程序，它是支持软件及各种应用软件的最基础的运行平台；支持软件用于开发应用软件；应用软件是控制和管理程序；②过程输入输出设备是计算机与生产过程之间信息传递的纽带和桥梁。
③生产过程包括被控对象、测量变送、执行机构、电气开关等装置。
2.计算机控制系统的实时性、在线方式、与离线方式的含义是什么？为什么在计算机控制系统中要考虑实时性？（1）实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定时间内对外来事件做出反应的特性；在线方式是生产过程和计算机直接相连，并受计算机控制的方式；离线方式是生产过程不和计算机相连，并不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式。
（2）实时性一般要求计算机具有多任务处理能力，以便将测控任务分解成若干并行执行的多个任务，加快程序执行速度；在一定的周期时间对所有事件进行巡查扫描的同时，可以随时响应事件的中断请求。
4、计算机控制系统有哪几种典型形式？各有什么主要特点？（1）操作指导系统（OIS ）优点：结构简单、控制灵活和安全。
缺点：由人工控制，速度受到限制，不能控制对象。
（2）直接数字控制系统(DDC)优点：实时性好、可靠性高和适应性强。
（3）监督控制系统（SCC ）优点：生产过程始终处于最有工况。
（4）集散控制系统优点：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。
CPU/MEM 人-机接口 内部总线 系统支持版 磁盘适合器 数字量输出（DO ）通道 数字量输入（DI ）通道模拟量输出（AO ）通道 模拟量输入（AI ）通道 电气开关 电气开关 执行机构 测量变送 被控对象（5）现场总线控制系统优点：与DOS相比降低了成本，提高了可靠性。
计算机控制技术课后习题详解答案
第一章计算机控制系统概述习题参考答案1.计算机控制系统的控制过程是怎样的计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：(1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。
(2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。
(3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么(1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。
(2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。
(3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。
3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成各部分的作用是什么由四部分组成。
(1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。
主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。
图微机控制系统组成框图(2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。
过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。
过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。
过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。
(3)外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。
计算机控制技术及工程应用复习资料
一、第一章1）计算机控制系统的监控过程步骤a .实时数据采集--对来自测量变送器的被控量的瞬时值进行采集和输入 ；b .实时数据处理--对采集到的被控量进行分析、比较和处理，按一定的控制规律运算，进行控制决策； c.实时输出控制--根据控制决策，适时地对执行器发出控制信号，完成监控任务；2）按控制方案来分，计算机控系统划分成那几大类？数据采集系统（DAS ） 操作指导控制系统(OGC) 直接数字控制系统（DDC ） 监督计算机控制系统（SCC ） 分散控制系统分散控制系统 （DCS ） 现场总线控制系统（FCS ）3）计算机控制装置种类 可编程控制器；可编程控制器； 可编程调节器；可编程调节器； 总线式工控机；总线式工控机； 单片微型计算机；单片微型计算机； 其他控制装置其他控制装置4）计算机控制系统与常规仪表控制系统的主要异同点是什么？同：1）计控系统是由常系统演变而来的； 2）两者的结构基本相同异：1）计控系统中处理的信号有两种：模拟信号和数字信号。
而常系统处理的只有模拟信号2）计控系统具有智能化3）计控系统有软件也有硬件，而常系统只有硬件二、第二章1）4 位 D/A 转换器为例说明其工作原理假设D3、D2、D1、D0全为1，则BS3、BS2、BS1、BS0全部与“1”端相连。
根据电流定律，有：由于开关 BS3 ~ BS0 的状态是受要转换的二进制数的状态是受要转换的二进制数 D3、D2、D1、D0 控制的，并不一定全是“1”。
因此，可以得到通式：考虑到放大器反相端为虚地，故：选取 R fb = R ，可以得到：对于 n 位 D/A 转换器，它的输出电压V OUT 与输入二进制数B( Dn-1~ D0) 的关系式可写成：的关系式可写成：结论：可见，输出电压除了与输入的二进制数有关，还与运算放大器的反馈电阻 Rfb 以及基准电压VREF 有关。
2）D/A 转换器性能指标是（1）分辨率 是指 D/A 转换器能分辨的最小输出模拟增量。
计算机控制技术：3.3 数字控制技术(三)
新的加工点的偏差为 Fm+1=xm+12+ym+12-R2=(xm-1)2+ym2-R2=Fm-2xm+1
在本模块中，学生将学习算法初步、统计、概率的基础知识。1．算法是数学及其应用的重要组成部分，是计算科学的重要基础。随着现代信息技术飞速发展，算法在科学技术、社会发展中发挥着越来越大的作用，并日益融入社会生活的许多方面，算法思想已经成为现代人应具备的一种数学素养。中学数学中的算法内容和其他内容是密切联系在一 起的，比如线性方程组的 求解、数列的求和等。具体来说，需要通过模仿、操作、探索，学习设计程序框图表达解决问题的过程，体会算法的基本思想和含义，理解算法的基本结构和基本算法语句，并了解中国古代数学中的算法。在本教科书中，首先通过实例明确了算法的含义，然后结合具体算法介绍了算法 的三种基本结构：顺序、条件和循环，以及基本的算法语句，最后集中介绍了辗转相除法 与更相减损术、秦九韶算法、排序、进位制等典型的几个算法问题，力求表现算法的思想，培养学生的算法意识。2．现代社会是信息化的社会，人们面临形形色色的问题，把问题用数量化的形式表示，是利用数学工具解决问题的基础。对于数量化表示的问题，需要收集数据、分析数据、解答问题。统计学是研究如何合理收集、整理、分析数据的学科，它可以为人们制定 决策提供依据。本教科书主要介绍最基本的获取样本数据的方法，以及几种从样本数据中提取信息的统计方法，其中包括用样本估计总体分布及数字特征和线性回归等内容。本教科书介绍的统计内容是在义务教育阶段有关抽样调查知识的基础上展开的，侧重点放在了介绍获得高质量样 本的方法、方便样本的缺点以及随机样本的简单性质上。教科书首先通过大量的日常生活 中的统计数据，通过边框的问题和探究栏目引导学生思考用样本估计总体的必要性，以及样本的代表性问题。为强化样本代表性的重要性，教科书通过一个著名的预测结果出错的案例，使学生体会抽样不是简单的从总体中取出几个个体的问题，它关系到最后的统计分析结果是否可靠。 然后，通过生动有趣的实例引进了随机样本的概念。通过实际问题情景引入系统抽样、分 层抽样方法，介绍了简单随机抽样方法。最后，通过探究的方式，引导学生总结三种随机抽样方法的优缺点。3．随机现象在日常生活中随处可见，概率是研究随机现象规律的学科，它为人们认识客观世界提供了重要的思维模式和解决问题的模型，同时为统计学的发展提供了理论基础。因此，统计与概率的基础知识已经成为一个未来公民的必备常识。在本模块中，学生将 在义务教育阶段学习统计与概率的基础上，结合具体实例，学习概率的某些基本性质和简单的概率模型，加深对随机现象的理解，能通过实验、计算器（机）模拟估计简单随机事件发生的概率。教科书首先通过具体实例给出了随机事件的定义，通过抛掷硬币的试验，观察正面朝上的次 数和比例，引出了随机事件出现的频数和频率的定义，并且利用计算机模拟掷硬币试验， 给出试验结果的统计表和直观的折线图，使学生观察到随着试验次数的增加，随机事件发生的频率稳定在某个常数附近，从而给出概率的统计定义。概率的意义是本章的重点内容。教科书从几方面解释概率的意义，并通过掷硬币和掷骰子的试验，引入古典概型，通过转盘游戏引入几何 概型。分别介绍了用计算器和计算机中的Exc el软件产生（取整数值的）随机数的方法， 以及利用随机模拟的方法估计随机事件的概率、估计圆周率的值、近似计算不规则图形的面积等。教科书首先通过具体实例给出了随机事件的定义，通过抛掷硬币的试验，观察正面朝上的次数和比例，引出了随机事件出现的频数和频率的定义，并且利用计算机模拟掷硬币试验，给出试 验结果的统计表和直观的折线图，使学生观察到随着试验次数的增加，随机事件发生的频 率稳定在某个常数附近，从而给出概率的统计定义。概率的意义是本章的重点内容。教科书从几方面解释概率的意义，并通过掷硬币和掷骰子的试验，引入古典概型，通过转盘游戏引入几何概型。分别介绍了用计算器和计算机中的Excel软件产生（取整数值的）随机数的方法，以及利用随机模拟的方法估计随机事件的概率、估计圆周率的值、近似计算不规则图形的面积等。
DDC 直接数字控制器控制系统
资料仅供参考
五 直接数字控制DDC系统的优点
• 9．改善居住条件
• 许多大楼的所有者使用DDC系统以鼓 励租期已到的客户留在大楼中，当客 户看到他们住处具有成效管理系统时， 他们对大楼就更满意。
资料仅供参考
五 直接数字控制DDC系统的优点
资料仅供参考
第三章直接数字控制器控制系统
• 应知：
• 1．了解直接控制器工作原理。 • 2．掌握Excel 5000集散控制系统网络结构和
总线结构。 • 3．能正确选择Excel 500控制器模块。
• 应会：
• 1．熟悉Excel 50和Excel 500控制器硬件连接 方式。
• 2．熟悉Excel 50控制器面板操作。
• 可编程模块化控制器是最灵活、功能最强 的DDC 设备。它具备通信功能，控制程序 可根据要求进行编写或修改，在系统设计 和使用中，主要掌握DDC 的输入和输出的 连接。
资料仅供参考
三 直接数字控制器的结构模拟量输入（AI）
• 2 数字量输入（DI）
资料仅供参考
五 直接数字控制DDC系统的优点
• 1．简化操作
• 1) 直接数字控制DDC系统是建筑物管理的有 力工具，它的操作系统可方便地管理一个或多 个岗位，可及时按客户要求或程序要求作出反 应，DDC系统允许控制器在操作时间内同时具 有其它功能，这一点是区别于传统系统的。
• 2) DDC系统可以单个终端获得整个建筑操作 的所有信息，这就具有很强的故障诊断能力。
• 1 对现场设备进行周期性的数据采集。 • 2 对采集的数据进行调整和处理（滤波、
放大、转换）。 • 3 对现场设备采集的信息进行分析和运
青岛大学计控-第3章 数字控制技术
T9、第二象限逆圆弧插补，当偏差 Fm 0 时，下一步的进给方向为 。
A、+x
B、-x
C、+y
D、-y
答案：B
知识点：逐点比较法圆弧插补
参考页：P80
学习目标：2（掌握插补原理）
难度系数：1
题型：选择
T10、第四象限逆圆弧插补，当偏差 Fm 0 时，下一步的进给方向为 。
A、+x
B、-x
C、+y
序控制
知识点：数字控制基础
参考页：P69
学习目标：1（熟悉数字控制的原理、方式和系统结构）
难度系数：1
题型：填空
T 4 、 顺序控制是以
为依据，按预先
完成工作的自动控制。
答案：预先规定好的时间或条件；规定好的动作次序顺序地
知识点：数字控制基础
参考页：P69
学习目标：1（熟悉数字控制的原理、方式和系统结构）
第三章 数字控制技术（共 65 题）
附注：教学目标 通过本章的学习，学生应达到如下基本要求： 1、熟悉数字控制的原理、方式和系统结构 2、掌握插补原理 3、掌握多轴步进驱动控制技术 4、掌握多轴伺服驱动控制技术
一、填空题（共 27 题）
T1、所谓数字控制，就是生产机械(如各种加工机床)根据 ，按规定的 、 、 、 等规律自动地完成工作的控制方式。 答案：数字计算机输出的数字信号，工作顺序，运动轨迹，运动距离，运动速度 知识点：数字控制基础 参考页：P69 学习目标：1（熟悉数字控制的原理、方式和系统结构） 难度系数：1 题型：填空
。 C、偏差计算
D、坐标计算
T6、第三象限直线插补，当偏差 Fm 0 时，下一步的进给方向为 。
A、+x
智能控制技术-第三章
一个简单的求中间隶属度值的求取。
在模糊控制系统中，变量的量化给出了控 制器计算的简化和控制值的平滑之间的一 个折衷，为了消除大的误差，在量化级之 间的一些插值运算是必要的。
一个简单的方法是引入一个权系数w(.)：对 于一个连续的测量值可以通过相邻两个离 散值的加权运算得到模糊度的值。
模糊控制器结构指的是输入输出变 量、模糊化算法、模糊推理规则和精确 化计算方法。
控制器的设计第一步首先确定控制器的输 入输出变量。
1、控制器输入输出变量
主要讲单输入-单输出模糊控制结构。
单输入-单输出模糊控制结构指的是系 统控制量只有一个，系统输出量只有一个。
单输入-单输出模糊控制结构又分一维模糊 控制器、二维模糊控制器和多维模糊控制 器。
m
vik i
v0
i1 m
ki
i1
ki视情况而定。如果，那么加权平均法就变为重 心法。
面积重心法对于不同的隶属度函数形状会
有不同的推理输出结果。最大隶属度函数 法对隶属度函数的形状要求不高。
第二节 模糊控制系统设计
一、模糊控制器的结构设计 在设计模糊控制器前，首先根据被
控对象的具体情况来确定模糊控制器的 结构。
设被控对象用以下三个控制规律描述：
规律1： 如果Yn=PM 且Un=PM 那么Yn+1=PB； 规律2： 如果Yn=PS 且Un=NS 那么Yn+1=ZE； 规律3： 如果Yn=NS 且Un=PS 那么Yn+1=ZE； 规律4： 如果Yn=NM 且Un=NM 那么Yn+1=NB； 其中Y是输出，U是控制，n是离散时间。
例如：两个输出变量A、B下的一个模糊空 间划分示意图。
数字控制技术PPT课件
被控对象
被控对象是数字控制系统所控制 的设备或系统，可以是机械、电
气、液压等类型。
被控对象的特性对于控制系统的 设计具有重要的影响，需要充分 了解被控对象的特性和动态特性。
对于复杂的被控对象，需要进行 建模和仿真，以便更好地设计控
制系统。
04 数字控制系统的性能指标
稳态性能指标
稳态误差
控制器通常由微处理器、可编程逻辑控制器（PLC）或数字信号处理器（DSP）等构 成，具有高度的灵活性和可编程性。
控制器的性能直接影响整个数字控制系统的性能，因此选择合适的控制器是至关重 要的。
执行器
执行器是数字控制系统的输出 部分，负责将控制器的输出信 号转换为实际的控制动作。
执行器种类繁多，包括电动、 气动、液压等类型，根据被控 对象的需要选择合适的执行器。
衡量系统接近稳态时的误差大小，反映系统的跟踪精度 。
静态特性
描述系统在稳态下的输出特性，如线性度、稳定性等。
ABCD
稳态误差系数
表示系统稳态误差与输入信号幅值的比例，用于评估系 统输出与设定值之间的偏差。
调节时间
系统从启动到达到稳态所需的时间，反映系统的响应速 度。
动态性能指标
动态响应
描述系统对输入信号的响应速度和变化规律， 包括超调和调节时间等。
数字控制技术ppt课件
目录
• 引言 • 数字控制技术的概述 • 数字控制系统的基本组成 • 数字控制系统的性能指标 • 数字控制系统的设计方法 • 数字控制系统的实现 • 数字控制技术的发展趋势和挑战 • 结论
01 引言
主题简介
数字控制技术
介绍数字控制技术的定义、发展历程 和应用领域，阐述其在现代工业自动 化中的重要地位。
数字控制技术概述
数字控制技术概述
数字控制技术是一种通过数字信号来控制机器运动的自动化技术。
它基于计算机和数控机床的技术，可以将计算机程序转换为控制机器工具的指令，从而实现自动化加工。
数字控制技术的优点包括高效、精度高、重复性好、生产周期短等特点，应用广泛于各个领域。
数字控制技术的核心是数控系统。
数控系统由计算机、数控器和机床三部分组成。
计算机用来编写数控程序和控制数控系统的运行，数控器是数控系统的核心，负责将计算机编写的程序转换为机器工具的运动指令。
机床是数控系统的执行部分，根据数控器发出的指令来完成工件的加工。
数字控制技术的应用范围广泛，主要包括机械制造、电子制造、航空航天、汽车制造、医疗器械等行业。
数字控制技术的发展，推动了制造业向智能化、数字化的方向发展，对于提高生产效率和产品质量具有重要意义。
数字控制技术的发展趋势是网络化、智能化和集成化。
网络化指的是将数控系统与互联网相连接，实现远程监控和控制。
智能化是指利用先进的人工智能技术提高数控系统的智能水平，实现更高效的生产。
集成化是指集成数控系统与其他工业自动化设备，实现全面的自动化生产。
总之，数字控制技术是制造业发展的重要支撑，其应用广泛、技术不断创新，将
会为制造业的未来带来更加美好的发展前景。
数字控制nc的概念
数字控制nc的概念
数字控制（Numerical Control，简称NC）是一种通过计算机或数值方式控制机床进行加工的技术。
它通过预先编写好的程序，将加工工艺参数转换为机床可以理解和执行的指令，实现对机床运动轴的精确控制，以达到高精度、高效率的加工目的。
数字控制系统由三个基本部分组成：输入设备、控制器和驱动器。
输入设备用于输入加工工艺参数、刀具路径和加工轨迹等信息；控制器负责解释输入信息，并将其转换为机床可执行的指令；驱动器将指令转换为电信号，控制机床的各个运动轴。
数字控制技术具有以下优点：
1. 高精度：数字控制系统可以实现毫米级别的定位和加工精度，确保工件质量。
2. 高效率：数字控制系统可以高速运动，减少非加工时间，提高生产效率。
3. 灵活性：通过修改程序，可以实现不同形状和尺寸的工件加工，降低了改装成本。
4. 自动化程度高：数字控制系统可以实现自动化生产，减少人工干预，提高生产效率和一致性。
5. 可编程性强：数字控制系统的程序可以根据需要进行修改和优化，适应不同加工要求。
总之，数字控制技术在现代制造业中起着重要的作用，它能够提高加工质量和生产效率，降低人为误差，并为制造业的发展带来了巨
大的潜力。
第3章数字控制技术
（2）步长：对应于每个脉冲移动的相对位置称为脉冲当量，又 称为步长，常用Δx和Δy来表示，并且总是取Δx＝Δy。
（3）脉冲个数：线段在x轴
和y轴的投影长度。
（6，4）
3.1.3 数字控制方式
1. 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，至于刀具从一个加工点移到下一个加工点走什么路径、 移动的速度、沿哪个方向趋近都无需规定，并且在移动过程 中不做任何加工，只是在准确到达指定位置后才开始加工。
该点的偏差为
xm+1=xm+1 ym+1=ym
Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=ymxe-(xm+1)ye =Fm-ye
②设加工点正处于m点，当Fm＜0时，表明m点在OA下方，应 向＋y方向进给一步至(m+1)点，该点的坐标值为
xm+1=xm ym+1=ym+1 该点的偏差为 Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=(ym+1)xe-xmye=Fm+xe
复合设计 加工
多过程、多任 务调度、模板 化和复合化、
数字智能化
直线驱动
数控系统一般有数控装置、驱动装置和检测装置等。 数控装置由输入装置,输出装置,控制器和插补器等四大部分组成。
其中,控制器和插补器功能以及部分输入输出功能由计算机承担。数控
装置能接收零件图样加工要求的信息，进行插补运算，适时地 向各坐标轴发出速度控制指令。
d 2.插补计算：确定各
坐标值之间的中间值。
c
Hale Waihona Puke b x插补计算的宗旨是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，而这些中间点的坐标值是以一定的精度 逼近给定的线段。
智能控制技术(第三章)答案
3-1 模糊逻辑控制器由哪几部分组成各完成什么功能答：模糊控制系统的主要部件是模糊化过程、知识库（数据库和规则库）、推理决策和精确化计算。
1、模糊化过程 模糊化过程主要完成：测量输入变量的值，并将数字表示形式的输入量转化为通常用语言值表示的某一限定码的序数。
2、知识库 知识库包括数据库和规则库。
1）、数据库 数据库提供必要的定义，包含了语言控制规则论域的离散化、量化和正规化以及输入空间的分区、隶属度函数的定义等。
2）、规则库 规则库根据控制目的和控制策略给出了一套由语言变量描述的并由专家或自学习产生的控制规则的集合。
它包括：过程状态输入变量和控制输出变量的选择，模糊控制系统的建立。
3、推理决策逻辑 推理决策逻辑是利用知识库的信息模拟人类的推理决策过程，给出适合的控制量。
（它是模糊控制的核心）。
4、精确化过程 在推理得到的模糊集合中取一个能最佳代表这个模糊推理结果可能性的精确值的过程称为精确化过程。
{模糊控制器采用数字计算机。
它具有三个重要功能：1） 把系统的偏差从数字量转化为模糊量（模糊化过程、数据库两块）； 2） 对模糊量由给定的规则进行模糊推理（规则库、推理决策完成）； 3）把推理结果的模糊输出量转化为实际系统能够接受的精确数字量或模拟量（精确化接口）。
3-2 模糊逻辑控制器常规设计的步骤怎样应该注意哪些问题 答：常规设计方法设计步骤如下：1、 确定模糊控制器的输入、输出变量2、 确定各输入、输出变量的变化范围、量化等级和量化因子3、 在各输入和输出语言变量的量化域内定义模糊子集。
4、 模糊控制规则的确定5、 求模糊控制表 3-3 已知由极大极小推理法得到输出模糊集为：0.30.810.50.112345C =++++-----.试用重心法计算出此推理结果的精确值z 。
重心法重心法 是取模糊隶属度函数的曲线与横坐标围城面积的重心为模糊推理最终输出值。
连续：0()()v VvVv v dvv v dvμμ=⎰⎰ 离散：101()()mkvkk mvkk v v v v μμ===∑∑采用离散重心法：101()()0.3(1)0.8(2)1(3)0.5(4)0.1(5)0.30.810.50.10.3(1)0.8(2)1(3)0.5(4)0.1(5)2.7=-2.7407mkvkk mvkk v v v v μμ===⨯-+⨯-+⨯-+⨯-+⨯-=++++⨯-+⨯-+⨯-+⨯-+⨯-=∑∑3-5 设在论域(){42024}e =--误差，，，，和控制电压{024,6,8}u =，，上定义的模糊子集的隶属度函数分别如图3-21、图3-22所示。
数字控制资料
数字控制数字控制是一种广泛应用于各种机械设备和自动化系统中的控制技术。
通过数字技术来控制设备的运行，可以实现精确、稳定和高效的生产过程。
数字控制在工业生产中扮演着重要的角色，其应用范围涵盖了机床加工、自动化装配线、机械手臂等多个领域。
数字控制的基本原理数字控制的基本原理是通过数字信号来控制设备的运行。
在数字控制系统中，通常会有一个控制器和执行器两部分。
控制器负责接收输入信号、进行处理计算，并输出控制信号给执行器，从而控制设备的运行。
执行器则负责根据控制信号来执行相应的动作，例如调整速度、位置或者力度。
数字控制的核心是数字信号的处理和转换。
控制器会根据预先设定的控制算法，将输入信号转换为数字信号，并通过逻辑运算、数学计算等处理手段来生成相应的控制信号。
这些控制信号会传输给执行器，执行器再根据控制信号来实现设备的具体运动。
数字控制的发展历程数字控制技术最早出现在20世纪50年代，起初主要应用于机床等加工设备中。
随着计算机技术的发展和普及，数字控制技术逐渐得到推广，并在各种自动化设备中得到应用。
随着芯片技术和通讯技术的不断进步，数字控制技术也实现了从单一设备控制到多设备协同控制的发展。
数字控制的优势相比传统的模拟控制技术，数字控制具有以下几个优势：•精度高：数字技术可以实现对运动参数的精确控制，可以更好地满足高精度加工需求。
•稳定性好：数字控制系统对环境变化的适应能力强，能够保持稳定的运行状态。
•灵活性强：数字控制系统易于调整和修改，可以适应不同生产需求的变化。
•自动化程度高：数字控制系统可以实现自动化生产，减少人力成本并提高生产效率。
数字控制在工业生产中的应用数字控制技术在工业生产中有着广泛的应用。
在机械加工领域，数字控制技术可以实现对加工中心、车床、铣床等设备的自动化控制，提高加工精度和效率。
在自动化装配线上，数字控制技术可以实现对各种零部件的组装和拆卸，实现产品的快速生产。
在机械手臂等领域，数字控制技术可以实现对机械手臂的灵活控制，实现各种复杂动作。
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推广应用
l970～ lБайду номын сангаас85
加工中心、电 加工、锻压
柔性制造单元 (FMU) 、柔性 制造系统(FMS)
多种工艺 方法
复合设计 加工 复合设计 加工
直流伺服 电机
系统化
l982
交流伺服电机
高性能 集成化
计算机集成制 l990至 造系统(CIMS)、 今 无人化工厂
直线驱动
3.1.2 数字控制原理
顺序控制——按时序或事序规定工作的自动控制方式。 数字控制系统——用代表加工顺序、加工方式和加工参数 的数字码作为控制指令的控制系统。
3.2.1 逐点比较法直线插补
1．第一象限内的直线插补 （1）偏差计算公式 在第一象限想加工出直线段OA，取直线段的起点为坐标原点，直线段终点 坐标(xe，ye)是已知的。 点m(xm,ym)为加工点（动点），若点m在直线段OA 上，则有 ym*xe-xm*ye＝0 定义直线插补的偏差判别式为Fm＝ymxe-xmye 若Fm＝0，表明点m在OA直线段上； 若Fm＞0，表明点m在OA直线段的上方，即点m’处； 若Fm＜0，表明点m在OA直线段的下方，即点m’’处。 由此可得第一象限直线逐点比较法插补的原理是：从直线的起点（即坐标 原点）出发，当Fm≥0时，沿＋x轴方向走一步；当Fm＜0时，沿＋y方向走一步； 当两方向所走的步数与终点坐标(xe,ye)相等时，发出终点到信号，停止插补。
Step1 将图分割成三段。
y
d c
Step2 当给定a,b,c,d各点坐标 值之后，还要确定各坐标值之 间的中间值。 Step3 把插补运算过程中定出 的各中间点，以脉冲信号形式 去控制该方向上的步进电机， 带动画笔、刀具或者线电极运 动，从而绘出图形或加工出符 合要求的轮廓来。
b x
3.1.2 数字控制原理
3.2.1 逐点比较法直线插补 （2）直线插补计算的程序流程
〔例3．1〕设加工第一象限直线OA，起点为O(0，0)，终点坐标为A(6， 4)，试进行插补计算并作出走步轨迹图。 〔解〕坐标进给的总步数Nxy=|6-0|+|4-0|=10, xe=6,ye=4, F0=0, xoy=1.
步数 起点 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 F0=0 F1<0 F2>0 F3<0 F4>0 F5=0 F6<0 F7>0 F8<0 F9>0 +x +y +x +y +x +x +y +x +y +x 偏差判别 坐标进给 偏差计算 F0=0 F1=F0-ye=-4 F2=F1+xe=2 F3=F2-ye=-2 F4=F3+xe=4 F5=F4-ye=0 F6=F5-ye=-4 F7=F6+xe=2 F8=F7-ye=-2 F9=F8+xe=4 F10=F9-ye=0 终点判断 Nxy=10 Nxy=9 Nxy=8 Nxy=7 Nxy=6 Nxy=5 Nxy=4 Nxy=3 Nxy=2 Nxy=1 Nxy=0
3.2.1 逐点比较法直线插补 2．四个象限的直线插补
用L1、L2、L3、L4分别表示第Ⅰ、Ⅱ、 Ⅲ、Ⅳ象限的直线。为适用于四个象限直 线插补，插补运算时用∣X∣，∣Y∣代 L1 替X，Y，偏差符号确定可将其转化到第 一象限，动点与直线的位置关系按第一象 限判别方式进行判别。 F<0 结论： x （1） 靠近Y轴区域偏差大于零，靠近X轴 F<0 区域偏差小于零。 L4 （2）F≥0时，进给都是沿X轴，不管是＋ X向还是－X向，X的绝对值增大； （3）F<0时，进给都是沿Y轴，不论＋Y 向还是－Y向，Y的绝对值增大。
3.2.1 逐点比较法直线插补 1．第一象限内的直线插补 （2）终点判断方法 ①设置Nx和Ny两个减法计数器，在加工开始前，在Nx和Ny计 数器中分别存入终点坐标值xe和ye，在x坐标（或y坐标）进给一 步时，就在Nx计数器（或Ny计数器）中减去1，直到这两个计数 器中的数都减到零时，到达终点。
②用一个终点计数器，寄存x和y两个坐标进给的总步数Nxy，
3.2.2 逐点比较法圆弧插补
1．第一象限内的圆弧插补
（2）终点判断方法
圆弧插补的终点判断方法和直线插补相同。可将x方向 的走步步数Nx=|xe-x0|和y方向的走步步数Ny=|ye-y0|的总和 Nxy作为一个计数器，每走一步，从Nxy中减1，当Nxy=0时发 出终点到信号。
（3）插补计算过程
圆弧插补计算过程比直线插补计算过程多一个环节， 即要计算加工点瞬时坐标（动点坐标）值。
HFUT
计算机控制
Computer Control Technology 任课教师：卫 星
第3章 数字程序控制技术
数控技术和数控机床是实现柔性制造（FM）和计算机 集成制造（CIM）的最重要的基础技术之一。
3.1 数字控制基础 3.2 逐点比较法插补原理 3.3 多轴步进驱动控制技术
3.1数字控制基础
3.1.5 数控系统的分类
1. 传统数控系统——硬件式数控，零件程序的输入、运算、插 补及控制功能均由专用硬件来完成。 2. 开放式数控系统——PC IN NC结构 NC IN PC结构 3. 网络化数控系统——通信网络背景下的数控系统
3.2逐点比较法插补原理
逐点比较法插补——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，看这点在给定轨迹的上方或下方， 或是给定轨迹的里面或外面，从而决定下一步的进给方向。 走一步、看一看，比较一次，决定下一步走向，以便逼近 给定轨迹，即形成逐点比较插补。 逐点比较法是以阶梯折线来逼近直线或圆弧等曲线的， 它与规定的加工直线或圆弧之间的最大误差为一个脉冲当 量，因此只要把脉冲当量（每走一步的距离即步长）取得 足够小，就可达到加工精度的要求。
1. 开环数字控制
没有反馈检测元件，工作台由步进电机驱动。
可靠性和精度基本上由步进电机和传动装置来决定。 由于采用了步进电机作为驱动元件，使得系统的可控性变 得更加灵活，更易于实现各种插补运算和运动轨迹控制。
3.1.4 数字控制系统
2.闭环数字控制
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 （码盘）、光栅、感应同步器等，该控制方式主要用于大型精密 加工机床，但其结构复杂，难于调整和维护，一些常规的数控系 统很少采用。
3.1.1 数控技术发展概况
特征阶段 研究开发 年代 1952～ l969 典型应用 数控车床、铣 床钻、铣床 工艺方法 简单工艺 数控功能 NC控制 CNC控制、刀 具自动交换、 五轴联动、较 好的人机界面 友好的 人机界面 多过程、多任 务调度、模板 化和复合化、 数字智能化 驱动特点 3轴以下步进、 液压电机
3.1.3 数字控制方式
1. 点位控制——控制刀具行程终点的坐标值，即工件加工点准 确定位。 2. 直线控制——控制刀具行程终点的坐标值，同时要求刀具相 对于工件平行某一直角坐标轴做直线运动。
3. 轮廓控制——控制刀具沿工件轮廓曲线运动，同时在运动过 程中将工件加工成某一形状。
3.1.4 数字控制系统
3.2.2 逐点比较法圆弧插补
1．第一象限内的圆弧插补
五个步骤
Step1 Step2 Step3 Step4 Step5 偏差判别 坐标进给 偏差计算 坐标计算 终点判断
3.2.2 逐点比较法圆弧插补
2．四个象限的圆弧插补
（1）第一象限顺圆弧的插补计算
第一象限顺圆弧CD，圆弧的圆心在坐标原点，并已知 起点C(x0,y0)，终点D(xe,ye),如图所示。设加工点现处于 m(xm,ym)点， 若Fm≥0,则沿-y方向进给一步，到(m+1)点，新加工点
y L2 F0 F<0 F<0 F0 L3 F0 F0
3.2.1 逐点比较法直线插补 2．四个象限的直线插补
偏差 1象限 2象限 3象限 4象限 偏差公式
Fm≥0
+x
-x
-x
+x
Fm= Fm-ye
Fm＜0
+y
+y
-y
-y
Fm= Fm+xe
3.2.1 逐点比较法直线插补 3. 直线插补计算的程序实现 （1）数据的输入及存放 在计算机的内存中开辟六个单元XE、YE、NXY、FM、 XOY和ZF，分别存放终点横坐标xe、终点纵坐标ye、总步数 Nxy、加工点偏差Fm、直线所在象限值xoy和走步方向标志。 Nxy=Nx+Ny,xoy等于1、2、3、4分别代表第一、第二、第 三、第四象限，xoy的值可由终点坐标(xe,ye)的正、负符号来 确定，Fm的初值为F0＝0，ZF＝1、2、3、4分别代表+x、-x、 +y、-y走步方向。
数字程序控制——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。
数字程序控制系统——由输入装置,输出装置,控制器和插 补器等四大部分组成。其中,控制器和插补器功能以及部 分输入输出功能由计算机承担。
3.1.2 数字控制原理
3.2.1 逐点比较法直线插补
1．第一象限内的直线插补 下面推导简化的偏差计算公式： ①设加工点正处于m点，当Fm≥0时，表明m点在OA上或OA上方，应沿＋x方 向进一步至(m＋1)点，该点的坐标值为 xm+1=xm+1 ym+1=ym 该点的偏差为 Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=ymxe-(xm+1)ye =Fm-ye ②设加工点正处于m点，当Fm＜0时，表明m点在OA下方，应向＋y方向进给 一步至(m+1)点，该点的坐标值为 xm+1=xm ym+1=ym+1 该点的偏差为 Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=(ym+1)xe-xmye=Fm+xe 简化后偏差计算公式中只有一次加法或减法运算，新的加工点的偏差Fm+1都 可以由前一点偏差Fm和终点坐标相加或相减得到。 F0＝0。