计算机控制技术教程——第4章 常用控制程序设计
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第4章_顺序控制与数字程序控制-
常用的二次曲线有圆弧、抛物线和双曲线等
9/20/2019
第4章 顺序控制与数字程序控制
11
1、数字程序控制原理
把插补运算过程中定出的各中间点，以脉冲形式去控制x、 y方向上的步进电机（绘图笔、或加工刀具），从而绘出图形 或加工出所要求的轮廓。
每一个脉冲信号步进电机走一步，即绘图笔或刀具在 x 或 y 方向移动一步。
插补器实际上是一个函数发生器，能按给定的基本数据 产生一定的函数曲线，并以增量形式向各坐标连续输出，以 控制机床刀具按给定的图形运动。
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第4章 顺序控制与数字程序控制
9
1、数字程序控制原理 基点
基点
图中abcd为绘图仪绘图 曲线或零件的加工曲线。
Y 基点 c
将图中的曲线分成若干
d
段：
即 ymxexmye0
定义直线插补的偏差判别式为： Fmymxexmye
9/20/2019
第4章 顺序控制与数字程序控制
17
（1）逐点比较直线插补
Fmymxexmye
Y
* 若Fm＝0，点m在OA上； * 若Fm > 0，点m在OA上方，ym
即为点m’；
* 若Fm< 0，点m在OA下方， 即为点m’’。
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。
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第4章 顺序控制与数字程序控制
8
二、数字程序控制基础
数字程序控制系统一般由输入装置、输出装置、控制器 和插补器四部分组成。
控制器和插补器的功能及部分输入输出接口由计算机实 现。
定义偏差判别式： FmRm 2R2
计算机控制技术课件四
（3）变速积分的PID算法
• 积分分离的PID控制中，当偏差比较大的时 候，积分项不起作用，积分项前面的系数 α=0；当偏差在阈值限定的误差带，积分 项累加偏差，积分项前面的系数α=1，对 积分项采用开关控制 。α是突变的
• 变速积分的实质是改进的积分分离法。
• 其基本思想是根据偏差的大小改变积分项 的累加速度。偏差越大，累加速度越慢， 积分作用越弱；偏差越小，累加速度越快， 积分作用越强。在变速积分中，α是缓慢 变化的，它对积分项采用线性控制，比积 分分离的PID控制算法更优越。
k
u (k) kp e (k) kI e (i) kD e (k) e (k 1 )
1
i 0
e(k) A时
(B e(k))/(B A) A e(k ) B 时
0
e(k) B时
（4）遇限削弱积分法
例4-4 已知模拟调节器的传递函数， 选择采样周期T=1秒，用根匹配法求 出数字控制器的脉冲传递函数D(z)， 并写出其差分方程。
五、修改的根匹配法 根匹配法不能保证数字控制器的脉冲传递函数D(z)
与模拟调节器的传递函数 D(S)有相同的增益，修 改的根匹配法就是在根匹配法的基础上，为保证两 者有相同的增益所做出的一种改进的变换方法。
不论选用哪种离散化方法，只要能满足实际需要， 能够用计算机实现模拟调节器的功能，我们就认为 它是适用的。
4.3 PID 算法的数字实现 4.3.1 模制方式，控制器的 输出与输入之间成比例关系。电路原理
• 只要存在偏差，比例调节器就会及时的调节被 控参数，朝着减小偏差的方向变化。调节作用 的强弱，除了与偏差有关，主要取决于比例系 数kp。加大比例系数，调节作用加强，动态特性 变好，响应速度变快，稳态误差减小。但是如 果比例系数太大，会使系统的动态品质变差， 引起被控量振荡，甚至导致闭环系统不稳定
微型计算机控制技术第4章 常用控制程序设计
地址之间符合某一函数关系的表格，可以通过函数运算直接求得关键字的所
在地址，然后将该地址单元的内容取出即可。 直接查找法有时也称为计算查表法。
例如，某微型机控制系统中数据采集点记录的关键字K与存储地地址D之
间的函数式为 ： D=K*M+F （4-2）
式中 M——每个记录的字节数；
F——数据表（记录）的首地址。
4.2.2 直接查找
要求数据结构应满足下列条件：关键字K与存储地址D之间应满足某个函 数式D（K），关键字数值分散性不大；各元素在有序表格中排列的格式及 所占用的空间完全一致，而且各元素严格按顺序排列。 在微型机数据处理系统中，通常使用线性的表格，它是基于多个元素X1、 X2、…… XN的集合，各数据元素的排列方法及占用的存储器单元数量都相 同。即，要搜索的内容与表格的排列有一定的关系。对于这种关键字与存储
设Vmax 为电动机最大转速，Vmin 为最小转速，Vd 为平均转速 ， D=t /T 为占空比，则
Vd=( Vmax – Vmin) D
4.5.2 开环PWM调速系统
1．开环PWM调速系统原理 （1）转速给定部分 通过输入设备输入给定转速给微机。 （2）脉冲宽度发生器 微机根据给定转速，计算出占空比， 产生满足给定要求的脉冲宽度调制信号，输出给驱动器。 （3）驱动器 放大脉冲宽度调制信号，通常由放大器或继电 器组成，也可由TTL集成电路构成。 （4）电子开关 接通或断开电机电枢的供电电源，可用晶体 管、场效应管、晶闸管等功率器件组成，或者由继电器控制。 （5）电动机 执行机构，用以带动被控对象。
4.1.2 逻辑判断程序
逻辑判断程序：根据逻辑关系来确定程序流向的程序。 MCS-51单片机指令系统中，可用于逻辑操作类的指令有： ANL、ORL、XRL、RL、RLC、RR、RRC、CPL、CLR，它们 与其他的控制转移类指令结合起来就可以构成逻辑判断程序。 例4-2 电路如图所示。S1～S4表示4个开关。它们全部都打 开时，绿色指示灯亮，表明系统正常运行，否则等待指令。
计算机控制技术第4章
1. 软件报警程序设计
锅炉水位自动调节系统，如图所示。 汽包水位是锅炉正常工作的重要指标。
系统说明：液面太高会影响汽包的汽水分
离，产生蒸汽带液现象。水位过低，则由于汽包的 水量较少，负荷又很大，水的汽化会很快。如果不 及时调节液面，就会使汽包内液体全部汽化，可能 导致锅炉烧坏以至发生严重的爆炸事故。所以，锅 炉液面是一个非常重要的参数，一般采用双冲量或 如图所示的三冲量自动调节系统。
微机控制技术
越限报警子程序的流程
BRAN1
42H
BRAN2
BRAN3
43H
BRAN4 DONE
2AH
计数
4.1.4
远程自动报警系统的设计
• 适用范围：距离太远，或是无人职守场合。 • 方法：（1）直接拨号（手机或固定电话） （2）网络（MODEM)
1．SS173K222AL芯片简介
• SS173K222AL是TDK公司产品，高集成度的单片MODEM芯 片。该芯片的主要特点是： （1） 可与8051系列单片机对接，接口电路简单。 （2） 串行口数据传输。 （3） 采用同步方式或异步方式工作。 （4） 与CCITT V.22、V.21、BELL 212A、103标准兼容。 （5） 具有呼叫进程、载波、应答音、长回环检测等功 能。 （6） 通过编程产生DTMF信号及550/1800Hz防卫音信号。 （7） 具有自动增益控制，动态范围达45dB。 （8） 采用CMOS技术，低功耗、单电源供电。
微机控制技术
硬件直接报警系统原理图
报警结点
♂ SL1和SL2分别为液位上、下限报警结点， SP 表示蒸汽压力下限报警结点， ST 是炉膛温度上限超越结点。 只要三个参数中的一个（或几个）超限（即结 点闭合）， 管脚都会由高变低，向 CPU 发出中断 申请。 ♂ CPU响应后，读入报警状态 P1.3～P1.0，然后 从P1口的高4位输出，完成超限报警的工作。 ♂ 采用中断工作方式，既节省了CPU计算的宝贵时 间，又能不失时机地实现参数超限报警。
计算机控制技术第4章课件
第三节 动态矩阵控制算法
这类控制必须基于对象精确的数学模型，也就是必须求出对象的状态 方程或传递函数。
使得现代控制设计方法中，需要精确数学模型的前提通常难以保证。
工业过程具有较大的不确定性，对象参数和环境常常随时间发生变化， 引起对象和模型的不匹配。
基于理想模型的最优控制，在实际的工业过程中若不加以改进，是难 以兼顾控制的鲁棒性的。
计算机应完成的计算任务是：
1) 计算反馈回路的偏差，
2) 计算中间变量
当对象为一阶惯性环节加纯滞后环节时，
按式计算。
3) 求取
4) 计算 smith 预估器的输出， 5) 计算 PID 控制器的输入， 6) 进行 PID 运算，计算 PID 控制器输出
当采用改进型 PID 控制器或其他控制算法时，上面的计算要作一定的变化。
2．优化策略 动态矩阵控制采用了所谓“滚动优化”的控制策略，在采样时刻 的优化性能指标可取为
3．反馈校正
为了纠正模型预测与实际的不一致，必须及时地利用过程的误差信
息对输出预测值进行修正，而不应等到这 个控制增量都实施后再作校正。
为此，我们在
，时刻首先实施
中的第一个控制作用
整个动态矩阵控制算法是由调节、预测和校正三部分组成的，该算法 结构可用图加以描述。图中粗箭头表示向量数据流，细箭头表示标量数据 流。
其中
为被控对象不包含纯滞后部分的传递函数，
后部分的传递函数。系统的闭环传递函数为
为对象纯滞
由于在
的分母中包含有纯滞后环节
它降低了系统的
稳定性。的值大到一定程度，系统将不稳定，这就是大纯滞后系统难
以控制的原因。
为了提高大纯滞后系统的控制质量，引入一个与被控对象并联的补偿器，
计算机控制技术4
1.四方向逐点比较法直线插补原理 四方向逐点比较法直线插补原理 以第一象限为例， 以第一象限为例，假设起点为 坐标原点 1）.第一象限直线插补 ） 第一象限直线插补 直线OP将第一象限分为了 直线 将第一象限分为了 两部分，并形成了三个点集。 两部分，并形成了三个点集。 第一个点集——重合于 的点 重合于OP的点 第一个点集 重合于 第二个点集——位于 区域 位于A+区域 第二个点集 位于 第三个点集——位于 区域 位于A-区域 第三个点集 位于
河海大学电气工程学院
Hale Waihona Puke §4.1 顺序控制装置一、继电器控制的顺序控制装置
——用继电器、接触器及其触点按一定的逻辑关 用继电器、 用继电器 系连接起来，按顺序动作。 系连接起来，按顺序动作。 特点：结构简单、直观、 特点：结构简单、直观、价格便宜 但寿命短，可靠性差,控制功能不能随意更改 控制功能不能随意更改。 但寿命短，可靠性差 控制功能不能随意更改。
§4.3 开环数值控制
• 4象限内的直线插补 记忆： 记忆： 2象限：1象限以y轴镜象 象限： 象限以y 4象限：1象限以x轴镜象 象限： 象限以x 3象限：1象限旋转180度 象限： 象限旋转180度 180
河海大学电气工程学院
§4.3 开环数值控制
3.直线插补计算的程序实现 直线插补计算的程序实现 6个内存单元数据 个内存单元数据 XE：终点 坐标 ：终点X坐标 YE：终点 坐标 ：终点Y坐标 NXY: 总步数， Nxy ＝Nx + Ny ＝Xe+Ye 总步数， FM: 加工点偏差，FM初值为 加工点偏差， 初值为 初值为0 XOY: 象限值，1、2、3、4分别代表 、2、3、4象限 象限值， 、 、 、 分别代表 分别代表1、 、 、 象限 ZF：进给方向， 1、2、3、4代表在 、–x、+y、-y 代表在+x、 、 、 ：进给方向， 、 、 、 代表在 方向进给。 方向进给。
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Hale Waihona Puke §4.1 顺序控制装置一、继电器控制的顺序控制装置
——用继电器、接触器及其触点按一定的逻辑关 用继电器、 用继电器 系连接起来，按顺序动作。 系连接起来，按顺序动作。 特点：结构简单、直观、 特点：结构简单、直观、价格便宜 但寿命短，可靠性差,控制功能不能随意更改 控制功能不能随意更改。 但寿命短，可靠性差 控制功能不能随意更改。
§4.3 开环数值控制
• 4象限内的直线插补 记忆： 记忆： 2象限：1象限以y轴镜象 象限： 象限以y 4象限：1象限以x轴镜象 象限： 象限以x 3象限：1象限旋转180度 象限： 象限旋转180度 180
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§4.3 开环数值控制
3.直线插补计算的程序实现 直线插补计算的程序实现 6个内存单元数据 个内存单元数据 XE：终点 坐标 ：终点X坐标 YE：终点 坐标 ：终点Y坐标 NXY: 总步数， Nxy ＝Nx + Ny ＝Xe+Ye 总步数， FM: 加工点偏差，FM初值为 加工点偏差， 初值为 初值为0 XOY: 象限值，1、2、3、4分别代表 、2、3、4象限 象限值， 、 、 、 分别代表 分别代表1、 、 、 象限 ZF：进给方向， 1、2、3、4代表在 、–x、+y、-y 代表在+x、 、 、 ：进给方向， 、 、 、 代表在 方向进给。 方向进给。
第6讲 常用控制程序设计
计算机控制技术 3
第6讲 常用控制程序设计
一、程序设计步骤
step1：拟定设计任务书 step2：建立数学模型并确定算法
step3：程序的总体设计及其流程图
step4：编写源程序 step5：源程序的编译与调试
step6：系统软件的整体运行与测试
step7：总结归纳进一步编写程序说明文件
二、程序设计方法
计算机控制技术
8
第6讲 常用控制程序设计
多路开关 V0 V1 • • • Vn
前置放大器 模数转换器 A/D 计算机 CPU
A
图6-1 数字调零结构图
方法： step1：cpu分时巡回采集校准电路V0输入时的输出Y0（零漂） 和各路传感器的Vi（i=1,2,...,n）输入时的输出Yi step2：在使用Yi时做一次减法，即各通道测得的实际值为 （Yi-Y0） 特点： 可以去除放大器、A/D转换器本身的偏移及随时间与温 度而发生的各种漂移，从而降低了对这些电路偏移的要求， 降低了硬件成本
计算机控制技术 16
第6讲 常用控制程序设计
四、越限报警
1.意义：为了实现安全生产，在计算机测控系统中，对于重要的参
数和部位都设置紧急状态报警系统。
2.方法：把计算机采集到的数据在预处理、数字滤波、标度变换之 后，与设定的该参数的上、下限进行比较，如超出范围，则报警；
否则，作为采样的正常值进行显示和控制。
式（6-3）
式（6-3）为线性标度变换的通用公式。 例：某加热锅炉温度测量仪表的量程为：200—800OC，在某一时刻
计算机采样系统采样并经滤波后的数字量为CDH，求此时的温度值
是多少？（设该仪表是线性的）
计算机控制技术
14
第6讲 常用控制程序设计
第6讲 常用控制程序设计
一、程序设计步骤
step1：拟定设计任务书 step2：建立数学模型并确定算法
step3：程序的总体设计及其流程图
step4：编写源程序 step5：源程序的编译与调试
step6：系统软件的整体运行与测试
step7：总结归纳进一步编写程序说明文件
二、程序设计方法
计算机控制技术
8
第6讲 常用控制程序设计
多路开关 V0 V1 • • • Vn
前置放大器 模数转换器 A/D 计算机 CPU
A
图6-1 数字调零结构图
方法： step1：cpu分时巡回采集校准电路V0输入时的输出Y0（零漂） 和各路传感器的Vi（i=1,2,...,n）输入时的输出Yi step2：在使用Yi时做一次减法，即各通道测得的实际值为 （Yi-Y0） 特点： 可以去除放大器、A/D转换器本身的偏移及随时间与温 度而发生的各种漂移，从而降低了对这些电路偏移的要求， 降低了硬件成本
计算机控制技术 16
第6讲 常用控制程序设计
四、越限报警
1.意义：为了实现安全生产，在计算机测控系统中，对于重要的参
数和部位都设置紧急状态报警系统。
2.方法：把计算机采集到的数据在预处理、数字滤波、标度变换之 后，与设定的该参数的上、下限进行比较，如超出范围，则报警；
否则，作为采样的正常值进行显示和控制。
式（6-3）
式（6-3）为线性标度变换的通用公式。 例：某加热锅炉温度测量仪表的量程为：200—800OC，在某一时刻
计算机采样系统采样并经滤波后的数字量为CDH，求此时的温度值
是多少？（设该仪表是线性的）
计算机控制技术
14
第6讲 常用控制程序设计
计算机控制技术第四五章
e(k)
e( k ) B B e( k ) A B e( k ) A B
A+B
B 0 -B -A-B
PD 变速积分 PID
t
变速积分 PD
抗积分饱和措施
现象：由于控制输出与被控量不是一一对应的，
控制输出可能达到限幅值，持续的积分作用可 能使输出进一步超限，此时系统处于开环状态， 当需要控制量返回正常值时，无法及时“回 头”，使控制品质变差 。 抗积分饱和算法：输出限幅，输出超限时不积分
（2）由于微分对高频信号具有放大作用，采用理想微分容易在
系统中引入高频的干扰，引起执行机构的频繁动作，降低机构 的使用寿命。而实际微分PID算法中包含有一阶惯性环节，具有 低通滤波的能力，抗干扰能力较强。
其它形式的实际微分PID
U ( s) 1 Td s 1 G( s) Kp 1 Td Ti s E ( s) 1 s Kd
手动/自动跟踪与无扰动切换（续）
（2）手动到自动 目的：使u(k ) 0
手动状态下：使算法中
e(k 1)、e(k 2)、u(k 1)
等历史状态清零 切换过程中：目的使
e(k ) 0
1）SP跟踪PV：完全无扰，缺点SP须重新设定 2）SP不跟踪PV ：无须重设SP,切自动时偏差不能过大， 以利减小切换扰动
※相同：某种状态下，切除积分作用。 ※不同：抗积分饱和根据最后的控制输出越限状 态； 积分分离根据偏差是否超出预设的分离值。
微分项的改进
实质：通过低通滤波，克服微分对高频干扰敏 感的不足。 措施： 1. 实际微分算法； 2. 对微分输入项进行低通滤波； 如均值滤波、去极值滤波、限幅滤波等 3. 微分先行算法： 只对被控量进行微分 不适用于副调节器
e( k ) B B e( k ) A B e( k ) A B
A+B
B 0 -B -A-B
PD 变速积分 PID
t
变速积分 PD
抗积分饱和措施
现象：由于控制输出与被控量不是一一对应的，
控制输出可能达到限幅值，持续的积分作用可 能使输出进一步超限，此时系统处于开环状态， 当需要控制量返回正常值时，无法及时“回 头”，使控制品质变差 。 抗积分饱和算法：输出限幅，输出超限时不积分
（2）由于微分对高频信号具有放大作用，采用理想微分容易在
系统中引入高频的干扰，引起执行机构的频繁动作，降低机构 的使用寿命。而实际微分PID算法中包含有一阶惯性环节，具有 低通滤波的能力，抗干扰能力较强。
其它形式的实际微分PID
U ( s) 1 Td s 1 G( s) Kp 1 Td Ti s E ( s) 1 s Kd
手动/自动跟踪与无扰动切换（续）
（2）手动到自动 目的：使u(k ) 0
手动状态下：使算法中
e(k 1)、e(k 2)、u(k 1)
等历史状态清零 切换过程中：目的使
e(k ) 0
1）SP跟踪PV：完全无扰，缺点SP须重新设定 2）SP不跟踪PV ：无须重设SP,切自动时偏差不能过大， 以利减小切换扰动
※相同：某种状态下，切除积分作用。 ※不同：抗积分饱和根据最后的控制输出越限状 态； 积分分离根据偏差是否超出预设的分离值。
微分项的改进
实质：通过低通滤波，克服微分对高频干扰敏 感的不足。 措施： 1. 实际微分算法； 2. 对微分输入项进行低通滤波； 如均值滤波、去极值滤波、限幅滤波等 3. 微分先行算法： 只对被控量进行微分 不适用于副调节器
《计算机控制技术》第四章数字和程序控制
时，就到达终点。
逐点比较法直线插补计算的五个步骤：
偏差判别，坐标进给，偏差计算， 坐标计算，终点判断。
注意：在偏差计算的同时，要进行动点瞬时坐标值 的计算，以便为下一点的偏差计算做好准备。
（3）顺圆弧插补偏差判别式
若偏差Fm≥0，沿 y 轴方
向进给一步，新加工点的坐标 为 ( xm , ym 1) ，偏差为
终点判别 Nxy＝8 Nxy＝7 Nxy＝6 Nxy＝5 Nxy＝4 Nxy＝3 Nxy＝2 Nxy＝1 Nxy＝0
大学生电子大赛举例
• 两个步进电机画一条直线（简化后） • 原理： • 设s=(a+b+c)/2则面积=√s(s-a)(s-b)(s-c)
xm1 ym1
xm ym
1
该点的偏差为
Fm1 ym1 xe xm1 ye ym xe ( xm 1) ye Fm ye
同理，当Fm＜0时，应向＋y方向进给一步，该点的
偏差为
Fm1 Fm xe
（2）终点判别方法
总步长法：设置一个终点计数器Nxy，寄存x、y 两个坐标方向进给的总步数，x和y坐标每进给一 步， Nxy就减1，直到Nxy减到零，就达到终点。
偏差判别式简化
当Fm≥0时，应沿－x轴方向进给一步，到m＋1点，其
坐标值为
xm1 ym1
xm ym
1
新加工点的偏差为
Fm1 xm2 1 ym2 1 R ( xm 1)2 ym2 R2 Fm 2xm 1
同理，当Fm＜0时，新加工点的偏差为
坐标进给
＋x ＋y ＋x ＋y ＋x ＋x ＋y ＋x ＋y ＋x
偏差计算 F0＝0 F1＝F0－ye＝0－4=－4 F2＝F1＋xe＝－4＋6＝2 F3＝F2－ye＝2－4=－2 F4＝F3＋xe＝－2＋6＝4 F5＝F4－ye＝4－4＝0 F6＝F5－ye＝0－4 =－4 F7＝F6＋xe＝－4＋6＝2 F8＝F7－ye＝2－4 =－2 F9＝F8＋xe＝－2＋6＝4 F10＝F9－ye＝4－4 =0
逐点比较法直线插补计算的五个步骤：
偏差判别，坐标进给，偏差计算， 坐标计算，终点判断。
注意：在偏差计算的同时，要进行动点瞬时坐标值 的计算，以便为下一点的偏差计算做好准备。
（3）顺圆弧插补偏差判别式
若偏差Fm≥0，沿 y 轴方
向进给一步，新加工点的坐标 为 ( xm , ym 1) ，偏差为
终点判别 Nxy＝8 Nxy＝7 Nxy＝6 Nxy＝5 Nxy＝4 Nxy＝3 Nxy＝2 Nxy＝1 Nxy＝0
大学生电子大赛举例
• 两个步进电机画一条直线（简化后） • 原理： • 设s=(a+b+c)/2则面积=√s(s-a)(s-b)(s-c)
xm1 ym1
xm ym
1
该点的偏差为
Fm1 ym1 xe xm1 ye ym xe ( xm 1) ye Fm ye
同理，当Fm＜0时，应向＋y方向进给一步，该点的
偏差为
Fm1 Fm xe
（2）终点判别方法
总步长法：设置一个终点计数器Nxy，寄存x、y 两个坐标方向进给的总步数，x和y坐标每进给一 步， Nxy就减1，直到Nxy减到零，就达到终点。
偏差判别式简化
当Fm≥0时，应沿－x轴方向进给一步，到m＋1点，其
坐标值为
xm1 ym1
xm ym
1
新加工点的偏差为
Fm1 xm2 1 ym2 1 R ( xm 1)2 ym2 R2 Fm 2xm 1
同理，当Fm＜0时，新加工点的偏差为
坐标进给
＋x ＋y ＋x ＋y ＋x ＋x ＋y ＋x ＋y ＋x
偏差计算 F0＝0 F1＝F0－ye＝0－4=－4 F2＝F1＋xe＝－4＋6＝2 F3＝F2－ye＝2－4=－2 F4＝F3＋xe＝－2＋6＝4 F5＝F4－ye＝4－4＝0 F6＝F5－ye＝0－4 =－4 F7＝F6＋xe＝－4＋6＝2 F8＝F7－ye＝2－4 =－2 F9＝F8＋xe＝－2＋6＝4 F10＝F9－ye＝4－4 =0
计算机控制技术第四章常规及复杂控制技术.ppt
4.1.2 数字PID控制器的设计
根据偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行 控制(简称PID控制)，是控制系统中应用最为广泛 的一种控制规律。
优点：① 原理简单 ② 通用性强
12
1．模拟PID
PID控制规律为
1t
de(t)
u(t)
K
P
e(t)
TI
0 e(t)dt TD
dt
对应的模拟PID调节器的传递函数为
T
sin T
2
T
e j T 2
T
sin T
2
T
T
2
2
2
从上式可以看出，零阶保持器将对控制信号产生附加相移
(滞后)。对于小的采样周期，可把零阶保持器H(s)近似为：
1 esT H (s)
11 sT (sT )2
2
s
s
T (1 s T
sT
) Te 2
2
4
H (s) 1 esT
1 1 sT
各系数ai, bi为实数，且有n个极点和m
D(z)
U (z) E(z)
b0 b1z 1 bm z m 1 a1z 1 an z n
U (z) (a1z1 a2z2 an zn )U (z)
(b0 b1z1 bm zm )E(z)
上式用时域表示为
u(k) a1u(k 1) a2u(k 2) anu(k n) b0e(k) b1e(k 1) bme(k m) D(z) 的控制算法
将模拟PID控制规律变换成差分方程，可做如下近似：
t
k
e(t)dt Te(i)
0
i0
de(t) e(k) e(k 1)
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控制，次边触点可以接入220V及220V以下的回 路中 如果与计算机接口需要前级加光电隔离器 线圈一般并联一个保护作用的二极管,当线圈失 电,线圈快速可以释放剩余的感应电流.
4.2.3 固态继电器输出接口技术
特点及优点：
是电磁式继电器的替代品 实际上是带光电隔离的无触点开关 输入控制电流小，输出无触点，体积小，动作无
电机
4.4.2 开环脉冲宽度调速系统
电机控制接口
光电隔离器+大功率场效应管 固态继电器 专用接口芯片
专用接口板
4.4.3 PWM调速系统设计
占空比在单片机中的实现
由拨码开关输入N 通电时间为N.t0 ，断电时间为N.to
由PWM周期 和拨码开关 位数确定t0 由占空比D 得出N的取 值
4.1.2 简单报警程序设计
硬件报警程序设计例题
基于带数值比较的传感器
硬件电路:见图4.6
程序:
4.1.2 简单报警程序设计
硬件报警程序清单:
ORG 000H AJMP MAIN ORG 003H AJMP ALARM ORG 0200H MAIN:SETB IT0 ;选择边沿触发方式 SETB EX0 ;允许外部中断0 SETB EA ;开总中断 HERE: AJMP HERE;模拟主程序 ORG 0210H ALARM: MOV A,#0FFH;设P1口为输入状态 MOV P1,A ; MOV A,P1 ;读报警状态 SWAP A ;ACC.7~4 -> ACC.3~0 MOV P1,A ;输出报警信号 RETI
边需要加驱动电路
注意事项：
原边和次边要接独立的电源
4.2.2 继电器输出接口技术
组成及原理：
由原边线圈和次边触点构成
4.2.2 继电器输出接口技术
组成及原理：
由原边线圈和次边触点构成ห้องสมุดไป่ตู้
功能及应用
有一定的电气隔离作用，但是不是完全的电隔离 一般原边线圈可以用直流低压（9V、12V、24V）
4.2.5 电磁阀接口技术
电磁阀在气体或液体流动的管路中受电磁力
控制打开阀门 通过线圈的通电控制铁心的吸合 应用于液压机械、空调系统、热水器、自动 机床等
4.3 电机控制接口技术
在工业企业中，大量电机作为原动机去拖动
各种生产机械，如各种机床、电铲、吊车、 轧钢机、抽水机、鼓风机、阀门、传送带等。 随着生产的发展，对电机拖动系统提出的要 求也越来越高，要求提高加工精度和工作速 度，要求快速启动、制动和逆转，实现很宽 范围内的调速和整个生产过程自动化。
4.2开关量输出接口技术
模拟量控制输出的应用实例
控制阀门打开的大小 控制变频器的输出频率
开关量控制输出的应用实例
电炉的通断电时间
步进电机的转速 直流电机的正、反转、停止
4.2.1 光电隔离技术
光电隔离器的工作原理
原边发光二极管发出红外光，次边光敏三极管接
受光照导通 隔离电压在2500V到10000V之间 输入电流在10MA
t0 T / 2
n
t1 Nt 0 N D n n N 2n.D T 2 t0 2
通电时间 t1 Nt0
Ｄ：占空比 Ｔ：ＰＷＭ周期 t1：通电时间 t2：断电时间
断电时间 t 2 T t1 (2 n N) t 0 Nt 0
n：拨码开关的位数 N：由拨码开关输入的n位二进制数 t０：软件定时的单位时间
噪声，无抖动，开关速度快，工作可靠。
分类：
直流型SSR
交流型SSR
4.2.3 固态继电器输出接口技术
直流型SSR
输入控制电压５Ｖ 输出电压可达30V~180V 用于控制直流电机、直流步进电机、电磁阀
交流型SSR
用于交流大功率驱动场合如：交流电机、交流电
磁阀等 过零型：
输入控制信号时，不管输出端电流相位如何，输出回
路立即导通
移相型： 输入控制信号后，要等负载端电压过零时输出回路才 导通
4.2.4 可控硅接口技术
可控硅简称SCR，又称晶闸管，是一种大功
率电器元件 实现小功率控件控制大功率负载，例如交直 流电机调速系统、调功率系统、随动系统 与计算机接口时需要前级加光电隔离。 分类
单向可控硅 双向可控硅
响铃
4.1.2 简单报警程序设计
程序清单:
ORG 8000H ALARM: MOV ALARM_F,#00H;报警标志单元清零 MOV DPTR,#SAMP ;采样值存放地址 MOVX A,@DPTR ;取X1 ALARM0: CJNE A,LIMIT,AA ;判断X1>MAX1吗 ALARM1: CJNE A,LIMIT+1,BB;判断X1<MIN1吗 ALARM2: INC DPTR ;取X2 MOVX A,@DPTR ; CJNE A,LIMIT+2,CC;判断X2>MAX2吗 ALARM3: CJNE A,LIMIT+3,DD;判断X2<MIN2吗 ALARM4: INC DPTR ;取X3 MOVX A,@DPTR ; CJNE A,LIMIT+4,EE;判断X1<MIN3吗 DONE: MOV A,00H ; CJNE A,ALARM_F,FF;判断是否有报警 SETB 05H ;若无报警则亮绿灯 DONE1: MOV A,ALARM_F ;取报警信息 MOV P1,A ;输出 RET ; FF: SETB 07H ;若有报警则鸣警笛 AJMP DONE1 ; JNC AOUT1 ;X1>MAX1，转AOUT1 AJMP ALARM1 ; BB: JC AOUT2 ;X1<MIN1，转AOUT2 AJMP ALARM2 ; CC: JNC AOUT3 ;X2>MAX2，转AOUT3 AJMP ALARM3 ; DD: JC AOUT4 ;X2<MIN2，转AOUT4 AJMP ALARM4 ; EE: JC AOUT5 ;X3<MIN3，转AOUT5 AJMP DONE ; AOUT1: SETB 00H ;置X1超上限报警标志 AJMP ALARM2 ; AOUT2: SETB 01H ;置X1超下限报警标志 AJMP ALARM2 ; AOUT3: SETB 02H ;置X2超上限报警标志 AJMP ALARM4 ; AOUT4: SETB 03H ;置X2超下限报警标志 AJMP ALARM4 ; AOUT5: SETB 04H ;置X3超下限报警标志 AJMP DONE ; AA:
4.4.3 PWM调速系统设计
控制接口电路
PA1:0 输出为1的 锁存器编号 1:0 0:1 3 #、 2 # 1 #、 4 # 导通的开关 SW1、SW4 SW3、SW2 电机状态 正转 反转
1:1
0:0
4 #、 2 #
SW2、SW4
全断
刹车
滑行
软件设计：
4.4.3 PWM调速系统设计
START: MOV DPTR,#0FD00H ;指向8155控制口 MOV A,#01H ;设A口输入，B、C输出 MOVX @DPTR,A ; LOOP: MOV DPTR,#0FD02H ;指向8155B口，读入指定值N MOVX A,@DPTR ; MOV 20H,A ; CPL A ; INC A ; MOV 21H,A ; MOV DPTR,#0FD03H ;指向8155C口，读入状态标志 MOVX A,@DPTR ; JB ACC.1,STOP ; JB ACC.0,INVERT ;判断电机的旋转方向，反向转INVETT MOV A,#02H ;取正向代码 OUTPUT: MOV DPTR,#0FD01H ;指向8155A口，输出控制码 MOVX @DPTR,A MOV 22H,20H ;延时t1 STOP: MOV A,03H ;输出刹车码 DELAY1: ACALL DELAY0 ; MOV DPTR,#0FD01H ; DJNZ 22H,DELAY1 ; MOVX @DPTR,A ; MOV A,#00H ;输出滑行码 AJMP LOOP ; MOVX @DPTR,A ; INVERT: MOV A,01H ;输出反响码 MOV 23H,21H ;延时t2 AJMP OUTPUT ; DELAY2: ACALL DELAY0 ; DELAY0: RET ;软件延时子程序，略 DJNZ 23H,DELAY2 ; AJMP LOOP ;
4.1.1 常用的报警方式
光报警
发光二极管报警电路
声报警
KD956X系列发声芯片
图形报警
4.1.2 简单报警程序设计
软件报警程序设计例题:
锅炉三冲量调节系统的原理 硬件接口:见图4.4
流程图
RAM地址分配 软件编写
4.1.2 简单报警程序设计
RAM地址分配情况
第四章
常用控制程序设计
一、报警程序设计 二、开关量输出接口技术 三、电机控制接口技术 四、步进电机控制接口技术
4.1 报警程序设计 在控制系统中,为了安全生产,对于一 些重要的参数或者系统部位,都设有紧急状态 报警系统,以便提醒工作人员注意,或采取紧急 措施. 其方法就是把采集的数据与参数的上、 下限相比较，如果高于上限值或低于下限值 则进行报警。
4.2.1 光电隔离技术 光电隔离器的工作原理
原边发光二极管发出红外光，次边光敏三极管接
受光照导通 隔离电压在2500V到10000V之间 输入电流在10MA
作用和应用场合：
用于对原边所在回路和次边回路进行电气隔离 保护CPU不受次边的异常大电流、大电压影响 如果负载电流较小，可以直接驱动，否则需要后
4.1.3 越限报警程序设计
软件报警程序设计例题:
越限报警示意图 流程图
RAM地址分配