机电系统计算机控制
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三级安全教育培训教材
第二章 信号采样与Z变换理论基 础
2.2 信号采样与保持 2.2.1 采样定理
对于一个具有有限频谱的连续信号f (t)进行采样，若采样频率满足
s 2max
再通过一个理想的低通滤波器，则采样信号f *(t)能够不失真地复现
原来的连续信号f (t)。其中max为原信Fra Baidu bibliotekf (t)有效频谱中的最高频率， s为采样频率。 在实际系统中，一般总是将采样频率s选得比2max 大得多。
三级安全教育培训教材
第一章 概述
1.1 机电一体化系统 机电一体化系统是指在系统主功能、信息处理功能和控制功能等方面引进了
电子技术，并把机械装置、执行部件、计算机、检测与传感装置等电子设备以及 软件等有机结合而构成的系统，即机械、执行、检测与传感、信息处理、接口和 软件等部分在电子技术的支配下，以系统的观点进行结合而形成的一种新型机械 系统。
三级安全教育培训教材
第一章 概述
1.3.4 分级计算机控制系统
三级安全教育培训教材
第一章 概述
1.3.5 计算机控制系统的其他分类形式 1) 程序和顺序控制：程序控制是指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而 自动完成工作的数字式自动控制。主要用于机床的自动控制。 2) 比例积分微分控制(PID控制)：目前应用最为广泛、也是广大工程 技术人员所熟悉的控制规律。 3) 最少拍控制：调节时间最短为技术指标。 4) 复杂规律的控制：充分利用计算机的强大计算、逻辑判断、中断以 及学习功能。如串级控制、前馈控制、纯滞后补偿、多变量解耦控 制以及最优、自适应、自学习控制等。 5) 智能控制。 6) 模糊控制。
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第一章 概述
控制系统按信号形式分类： 1) 连续控制系统：所有信号
均为连续信号。 2) 离散控制系统：各处均为
离散信号。 3) 采用控制系统：既有连续
信号，又有离散信号。 4) 数字控制系统：含有数字
信号——计算机控制系统
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第一章 概述
1.2.2 计算机控制系统的组成 硬件组成：控制对象、检测环节、计算机、输入输出通道、外设等 软件组成：系统软件、应用软件
如果要求转换误差在转换精度之内，则允许转换的正弦模拟信号的
最大频率为
0.1
f 2 10106 100 16Hz
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第二章 信号采样与Z变换理论基 础
2) 采样保持 3) 模拟量输出保持器
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第二章 信号采样与Z变换理论基
础
2.3 Z变换
2.3.1 Z变换的定义 z变换是把f (t)的采样信号f *(t)的拉氏变换F *(s)进行演变，将
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第二章 信号采样与Z变换理论基
2.2.2 量化和量化误差：
础
采样信号是时间上离散而幅值上连续的信号，需要经A/D转换进行 编码，才能用计算机进行处理。
量化单位为：
q
fmax fmin 2n 1
fmax N
f min
f Lq
其中L为整数。对于余数 ( q)有两种处理方法。
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第一章 概述
1.3.1 计算机控制系统的分类 1) 数据采集和数据处理系统 注意：可以用于辅助建模。也就是所有计算机控制系统均有数据采集和 数据处理的功能。
1.3.2 直接数字控制系统-DDC(direct digital control)
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第一章 概述
1.3.3 监督控制系统-SCC(supervisory computer control) SCC+模拟调节系统 SCC+DDC系统
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第一章 概述
1.2 计算机控制系统
1.2.1 控制系统按信号形式的分类 计算机控制系统：含有计算机并且由计算机完成部分或全部控制功 能的控制系统。
计算机在控制系统中的应用分两个方面： 1) 离线应用：对控制系统进行分析、设计、仿真以及建模——控制系
统CAD 2) 在线应用：用计算机代替模拟控制器，使其成为控制系统的一部分。
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第一章 概述
1.4 计算机控制系统的一般要求 1) 稳定性 2) 精确性 3) 快速性
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第二章 信号采样与Z变换理论基 础
2.1 计算机控制系统的信号形式 1) 多数受控物理参数的连续模拟信号 2) 计算机所能处理的离散数字量 在许多实际系统中，采样器即为A/D转换器 全部工作由计算机时钟同步
数字电信号，输出或受控物理变量为机械位置或速度以及力或力矩 等。 2) 数字控制系统：根据零件编程或路径规划，由计算机生成数字形式 的指令，驱动机械运动的一种控制系统，简记为NC。当控制器由 计算机实现时，又称为计算机数控系统，简记为CNC。 3) 顺序控制系统：按照规定次序执行一组操作的控制系统。每一步动 作都是一个简单的二进制动作。 4) 过程控制系统：在机械、冶金、化工、电力以及建材等生产过程中 所采用的工业控制系统统称为过程控制系统。
截尾
舍入
0 q
0 q/2
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第二章 信号采样与Z变换理论基 础
2.2.3 孔径时间及采样保持
1) 孔径时间
令
在过零点处
U Um sin t
dU dt
Um cost
2fUm cost
U 2fUmtA/ D 例如：一个10为的A / D转换器，量化精度为0.1%，孔径时间为10s，
具体实例：计算机外设、办公自动化设备、微细加工设备、数控机床、数控 加工中心、机器人、射压成型设备、武器系统、航空航天、航海设备、家用电子 机械、电动玩具等。
目前这些系统的共性就是：绝大多数产品含有电子计算机或微处理器。
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第一章 概述
几种典型的机电一体化系统 1) 伺服传动系统：其为一种最基本的机电控制系统。其输入为模拟或
F *(s)中的eTs换成z而得到F (z)，我们称之为f *(t)的z变换。 f (t)的采样信号是一个脉冲序列，表示为
f *(t) f (kT) (t kT) k 0
其中，T表示采样周期，对上式进行拉氏变换，得
F *(s) f (kT)ekTs k 0
由于eTs是s的超越函数而不是有理函数，对数学分析很不方便，因
第二章 信号采样与Z变换理论基 础
2.2 信号采样与保持 2.2.1 采样定理
对于一个具有有限频谱的连续信号f (t)进行采样，若采样频率满足
s 2max
再通过一个理想的低通滤波器，则采样信号f *(t)能够不失真地复现
原来的连续信号f (t)。其中max为原信Fra Baidu bibliotekf (t)有效频谱中的最高频率， s为采样频率。 在实际系统中，一般总是将采样频率s选得比2max 大得多。
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第一章 概述
1.1 机电一体化系统 机电一体化系统是指在系统主功能、信息处理功能和控制功能等方面引进了
电子技术，并把机械装置、执行部件、计算机、检测与传感装置等电子设备以及 软件等有机结合而构成的系统，即机械、执行、检测与传感、信息处理、接口和 软件等部分在电子技术的支配下，以系统的观点进行结合而形成的一种新型机械 系统。
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第一章 概述
1.3.4 分级计算机控制系统
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第一章 概述
1.3.5 计算机控制系统的其他分类形式 1) 程序和顺序控制：程序控制是指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而 自动完成工作的数字式自动控制。主要用于机床的自动控制。 2) 比例积分微分控制(PID控制)：目前应用最为广泛、也是广大工程 技术人员所熟悉的控制规律。 3) 最少拍控制：调节时间最短为技术指标。 4) 复杂规律的控制：充分利用计算机的强大计算、逻辑判断、中断以 及学习功能。如串级控制、前馈控制、纯滞后补偿、多变量解耦控 制以及最优、自适应、自学习控制等。 5) 智能控制。 6) 模糊控制。
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第一章 概述
控制系统按信号形式分类： 1) 连续控制系统：所有信号
均为连续信号。 2) 离散控制系统：各处均为
离散信号。 3) 采用控制系统：既有连续
信号，又有离散信号。 4) 数字控制系统：含有数字
信号——计算机控制系统
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第一章 概述
1.2.2 计算机控制系统的组成 硬件组成：控制对象、检测环节、计算机、输入输出通道、外设等 软件组成：系统软件、应用软件
如果要求转换误差在转换精度之内，则允许转换的正弦模拟信号的
最大频率为
0.1
f 2 10106 100 16Hz
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第二章 信号采样与Z变换理论基 础
2) 采样保持 3) 模拟量输出保持器
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第二章 信号采样与Z变换理论基
础
2.3 Z变换
2.3.1 Z变换的定义 z变换是把f (t)的采样信号f *(t)的拉氏变换F *(s)进行演变，将
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第二章 信号采样与Z变换理论基
2.2.2 量化和量化误差：
础
采样信号是时间上离散而幅值上连续的信号，需要经A/D转换进行 编码，才能用计算机进行处理。
量化单位为：
q
fmax fmin 2n 1
fmax N
f min
f Lq
其中L为整数。对于余数 ( q)有两种处理方法。
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第一章 概述
1.3.1 计算机控制系统的分类 1) 数据采集和数据处理系统 注意：可以用于辅助建模。也就是所有计算机控制系统均有数据采集和 数据处理的功能。
1.3.2 直接数字控制系统-DDC(direct digital control)
三级安全教育培训教材
第一章 概述
1.3.3 监督控制系统-SCC(supervisory computer control) SCC+模拟调节系统 SCC+DDC系统
三级安全教育培训教材
第一章 概述
1.2 计算机控制系统
1.2.1 控制系统按信号形式的分类 计算机控制系统：含有计算机并且由计算机完成部分或全部控制功 能的控制系统。
计算机在控制系统中的应用分两个方面： 1) 离线应用：对控制系统进行分析、设计、仿真以及建模——控制系
统CAD 2) 在线应用：用计算机代替模拟控制器，使其成为控制系统的一部分。
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第一章 概述
1.4 计算机控制系统的一般要求 1) 稳定性 2) 精确性 3) 快速性
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第二章 信号采样与Z变换理论基 础
2.1 计算机控制系统的信号形式 1) 多数受控物理参数的连续模拟信号 2) 计算机所能处理的离散数字量 在许多实际系统中，采样器即为A/D转换器 全部工作由计算机时钟同步
数字电信号，输出或受控物理变量为机械位置或速度以及力或力矩 等。 2) 数字控制系统：根据零件编程或路径规划，由计算机生成数字形式 的指令，驱动机械运动的一种控制系统，简记为NC。当控制器由 计算机实现时，又称为计算机数控系统，简记为CNC。 3) 顺序控制系统：按照规定次序执行一组操作的控制系统。每一步动 作都是一个简单的二进制动作。 4) 过程控制系统：在机械、冶金、化工、电力以及建材等生产过程中 所采用的工业控制系统统称为过程控制系统。
截尾
舍入
0 q
0 q/2
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第二章 信号采样与Z变换理论基 础
2.2.3 孔径时间及采样保持
1) 孔径时间
令
在过零点处
U Um sin t
dU dt
Um cost
2fUm cost
U 2fUmtA/ D 例如：一个10为的A / D转换器，量化精度为0.1%，孔径时间为10s，
具体实例：计算机外设、办公自动化设备、微细加工设备、数控机床、数控 加工中心、机器人、射压成型设备、武器系统、航空航天、航海设备、家用电子 机械、电动玩具等。
目前这些系统的共性就是：绝大多数产品含有电子计算机或微处理器。
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第一章 概述
几种典型的机电一体化系统 1) 伺服传动系统：其为一种最基本的机电控制系统。其输入为模拟或
F *(s)中的eTs换成z而得到F (z)，我们称之为f *(t)的z变换。 f (t)的采样信号是一个脉冲序列，表示为
f *(t) f (kT) (t kT) k 0
其中，T表示采样周期，对上式进行拉氏变换，得
F *(s) f (kT)ekTs k 0
由于eTs是s的超越函数而不是有理函数，对数学分析很不方便，因