计控复习材料

计算机控制技术复习整理（Edited by Benson Kong）Caution:Anyone who takes advantage of this set of materials must not cheat in the exam,or he\she will suffer a unexpected accid ent in someday——Death Note(To d el ete this word ,you will face the evil). 第一章绪论1.1计算机控制系统概述1.1.1自动控制系统自动控制：就是在没有人参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。

1.1.2计算机控制系统计算机控制系统：就是利用计算机（工业控制机）来实现生产过程自动控制的系统。

工作原理：分为实时数据采集、实时控制决策和实时控制输出三个步骤。

1.1.3计算机控制系统的组成计算机控制系统由计算机和生产过程两大部分组成。

1.1.4常用的计算机控制系统主机1.2计算机控制系统的典型形式1.2.1操作指导控制系统，属于开环控制结构。

1.2.2直接数字控制系统DDC，属于闭环控制系统，是计算机在工业生产过程中最普遍的一种应用方式。

1.2.3监督控制系统SCC，作用是改变给定值，所以又称为设定值控制SPC。

分为：SCC+模拟调节器的控制系统以及SCC+DCC的分级控制系统两种模式。

1.2.4集散控制系统DCS，也叫分布式控制系统。

结构模式为：“操作站—控制站—现场仪表”3层结构，系统成本高。

1.2.5现场总线控制系统FCS，是新一代分布式控制系统。

结构模式为：“操作站—现场总线智能仪表”两层结构。

1.2.6综合自动化系统1.3计算机控制系统的发展概况和趋势1.3.1计算机控制系统的发展概况：硬件、软件、理论。

1.3.2计算机控制系统的发展趋势计算机控制系统原理图：典型的连续控制系统原理框图：第二章数字控制技术3.1数字控制基础数字控制定义：生产机械根据数字计算机输出的数字信号，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控制方式。

3.1.1数控技术发展概况3.1.2数字控制原理3.1.3数字控制方式点位控制：只要求控制道具行程重点的坐标值，移动过程中不做任何加工直线控制：控制行程的终点坐标值，刀具相对于工件平行某一执教坐标轴直线运动，运动过程中有切削加工。

轮廓控制：控制刀具沿工件轮廓曲线不断地运动，并在运动过程中将工件加工成某一形状。

3.1.4数字控制系统分为开环和闭环两类。

3.1.5数控系统的分类传统数控系统、开放式数控系统（PC IN NC结构式数控系统和NC IN PC结构式数控系统）3.2.逐点比较插补法。

直线插补计算过程和圆弧插补计算过程步骤。

A.逐点比较法插补运算，就是在某个坐标方向上每走一步（即输出一个进给脉冲），就作一次计算，将实际进给位置的坐标与给定的轨迹进行比较，判断其偏差情况，根据偏差，再决定下一步的走向（沿X 轴进给，还是沿Y 轴进给）。

逐点比较法插补的实质是以阶梯折线来逼近给定直线或圆弧曲线，最大逼近误差不超过数控系统的一个脉冲当量（每走一步的距离，即步长）。

直线插补计算过程的步骤如下：(1)偏差判别：即判别上一次进给后的偏差值Fm 是最大于等于零，还是小于零；(2)坐标进给：即根据偏差判断的结果决定进给方向，并在该方向上进给一步；(3)偏差计算：即计算进给后的新偏差值Fm+1，作为下一步偏差判别的依据；(4)终点判别：即若已到达终点，则停止插补；若未到达终点，则重复上述步骤。

圆弧插补步骤：偏差判别、坐标进给、偏差计算、坐标计算以及终点判别。

例题1：若加工第一象限直线OA，起点O（0，0），终点A（11，7）。

要求：(1)按逐点比较法插补进行列表计算；(2)作出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。

解：由题意可知xe=11,ye=7，F0=0，我们设置一个总的计数器Nxy,其初值应为Nxy=|7-0|+|11-0|=18，则插补计算过程如表3—1 所示。

根据插补计算过程表所作出的直线插补走步轨迹图如下图所示。

表3—1步数偏差判别坐标进给偏差计算终点判别例题2：设加工第一象限的圆弧AB，起点A（6，0），终点B（0，6）。

要求：(1)按逐点比较法插补进行列表计算；(2)作出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。

数器Nxy，每走一步便减1操作，当Nxy=0 时，加工到终点，插补运算结束。

下图为插补过程中的走步轨迹。

表3—2步数偏差判别坐标进给偏差计算坐标计算终点判别起点F0=0 x0=6,y0=0 Nxy=121 F0=0 -X F1=0-12+1=-11 x1=5,y1=0 Nxy=112 F1<0 +Y F2=-11+0+1=-10 x2=5,y2=1 Nxy=103 F2<0 +Y F3=-10+2+1=-7 x3=5,y3=2 Nxy=94 F3<0 +Y F4=-7+4+1=-2 x4=5,y4=3 Nxy=85 F4<0 +Y F5=-2+6+1=5 x5=5,y5=4 Nxy=76 F5>0 -X F6=5-10+1=-4 x6=4,y6=4 Nxy=67 F6<0 +Y F7=-4+8+1=5 x7=4,y7=5 Nxy=58 F7>0 -X F8=5-8+1=-2 x8=3,y8=5 Nxy=49 F8<0 +Y F9=-2+10+1=9 x9=3,y9=6 Nxy=310 F9>0 –X F10=9-6+1=4 x10=2,y10=6 Nxy=211 F10>0 –X F11=4-4+1=1 x11=1,y11=6 Nxy=112 F11>0 –X F12=1-2+1=0 x12=0,y12=6 Nxy=03.3多轴步进驱动控制技术3.3.1步进电动机的工作原理对于一个步进电动机，如果它的转子的齿数为z，它的齿距角为：而步进电动机运行N拍可使转子转动一个齿距位置。

实际上，步进电动机每一拍就执行一次步进，所以步进电动机的步距角式中，N是步进电动机的工作拍数；z是转子的齿数。

3.3.2步进电动机的工作方式单相三拍、双相三拍以及三相六拍。

试用高级或汇编语言编写下列各插补计算程序：(1)第一象限直线插补程序。

(2)第一象限逆圆弧插补程序。

答：(1) 第一象限直线插补程序设内存中三个单元XE、YE、FM分别存放直线终点横坐标、终点纵坐标、加工点偏差。

data segmentXE DB xeYE DB yzFM DB 0ZF DB 0data endsMOV AL，XEADD AL，YEMOV CL，AL ；CL存NXYLAB1：MOV AL，FMCMP AL，00HJGE L AB2MOV ZF，03HMOV AX，FMADD AX，XEMOV FM，AXJMP CONTROLLAB2：MOV ZF，01HMOV AX，FMSUB AX，YEMOV FM，AXCONTROL：┇JNZ LAB1RET(2) 第一象限逆时针圆弧插补第四章 常规及复杂控制技术4.1数字控制器的连续化设计技术 计算机控制系统的结构框图：4.1.1数字控制器的连续化设计步骤 1.设计假想的连续控制器D(s) 2.选择采样周期T 3.将D(s)离散化为D(z) （1）双线性变换法D(z)H(s)G(s)e(t)e(k)u(k)u(t)r(t) y(t)TT+_2211221122sT sT sT sT sT e z e sT sT e-+++===≈-+-211z s T z -=+，211()()z s T z D z D s -=+= (2)前向分差法利用级数展开可将Z=esT 写成以下形式 Z=esT=1+sT+…≈1+sT由上式可得1z s T -=，1()()z s TD z D s -==(3)后向分差法利用级数展开还可将Z=esT 写成以下形式111sTsT Z e esT-==≈-，1z s Tz-=，1()()z s TzD z D s -== 4.设计由计算机实现的控制算法 5.校验4.1.2数字PID 控制器的设计 1. PID 控制器定义答：根据偏差的比例、积分、微分进行控制的控制算法。

2. 脉冲传递函数定义在初始条件为零的情况下，系统输出脉冲序列的Z 变换与输入脉冲序列的Z 变换之比。

3. 模拟PID 控制规律为1()()()()tP DI de t u t K e t e t dt T T dt ⎡⎤=++⎢⎥⎣⎦⎰对应的模拟PID 调节器的传递函数为()1()(1)()P D I U s D s K T s E s T s==++ KP 为比例增益，KP 与比例带δ成倒数关系即KP=1/δ TI 为积分时间，TD 为微分时间 u(t)为控制量，e(t)为偏差 4. 数字PID 控制器()(1)()()()kP Di I Te k e k u k K e k e i T T T =⎡⎤--=++⎢⎥⎣⎦∑5. 数字PID 位置型和增量型控制算法的表达式 位置型增量型6. 数字PID 增量型控制算法流程4.1.3数字PID控制器的改进1.积分项的改进（1）积分分离（2）抗积分饱和（3）梯形积分（4）消除积分不灵敏区2.微分项的改进（1）不完全微分PID控制算法4.1.4数字PID参数的整定1.采样周期的选择（实验考试重点看）根据香农采样定理，采样周期上限应满足：T≤π/ωmax,其中ωmax为被采样信号的上限角频率。

采样周期的下限为计算机执行控制程序和输入输出所耗费的时间，系统的采样周期只能在Tmin与Tmax之间选择（在允许范围内，选择较小的T）。

(2)其次要考虑以下各方面的因素①给定值的变化频率:变化频率越高，采样频率就应越高;②被控对象的特性：被控对象是快速变化的还是慢变的;③执行机构的类型：执行机构的惯性大，采样周期应大;④控制算法的类型：采用太小的T会使得PID算法的微分积分作用很不明显；控制算法也需要计算时间。

⑤控制的回路数。

2.按简易工程法整定PID参数（1）扩充临界比例度法选择一个足够短的采样周期，观察只含有比例调节器的闭合回路，减小比例带直到系统发散，增大比例直到出现持续等幅振荡，记下此时临界比例度和临界振荡周期，选择合适控制度，得到PID参数表。

（2）扩充响应曲线法测量被控对象在突加给定后的过渡过程曲线，用标准对象传递函数进行拟合，确定对象参数，利用经验公式求出对应PID控制器的参数。

（3）凑试法增大比例系数一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。

但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。