計算機控制系統(tǒng)發(fā)展方向

1、第一章 緒論 一.計算機控制系統(tǒng)概論 二.工業(yè)控制機的組成結(jié)構(gòu)及特點 三.計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概述 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 丁偉雄丁偉雄 電話：電話：83888012 電郵：電郵：2006年年6月月8日星期四日星期四10時時32分分41秒秒y控制器-被控對象e給定量執(zhí)行機構(gòu)+rD/A被控量測量變送uA/D生產(chǎn)過程工控機2. PC總線標(biāo)準(zhǔn) XT線（書上的PC總線）：62線，16位，數(shù)據(jù)傳輸率2.38Mbps ISA (AT) 總線：對XT總線的擴充，98線， 16位，尋址空間16MB，數(shù)據(jù)傳輸率16Mbps EISA 總線：對ISA總線的擴充， 32位，98+98線，數(shù)據(jù)傳輸率32Mb

2、ps VESA總線：局部總線標(biāo)準(zhǔn)，是ISA總線的擴展，適應(yīng)多媒體技術(shù)，數(shù)據(jù)交換由CPU總線直接進行，運行速度為66MHz或更高，最大數(shù)據(jù)傳輸率為132Mbps。 PCI總線：在CPU和外設(shè)間插入?yún)f(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓芾韺樱峁┮恢乱恢碌目偩€接口，形成了開放的局部總線標(biāo)準(zhǔn)，而不依賴于CPU芯片。工作頻率33MHz，PCI總線的數(shù)據(jù)寬度為32位和64兩種，數(shù)據(jù)傳輸率分別為133Mbps和266Mbps，PCI Express數(shù)據(jù)傳輸率可以達(dá)到8Gbps。 3. 基于PC總線的工業(yè)控制機常見類型 ISA 總線工控機 PCI 總線工控機 PC104 總線工控機：總線與ISA兼容的基礎(chǔ)上縮小模板尺寸，降低功耗

3、，滿足嵌入式系統(tǒng)的要求。有104條信號線，模板尺寸為3.6 in3.8 in (90mm96mm)，可以層疊。 CompactPCI工控機：PCI總線歐式插卡結(jié)構(gòu)。第2章輸入輸出接口與過程通道 接口：計算機與外部設(shè)備交換信息的橋梁，包括輸入和輸出接口。 接口技術(shù)：研究計算機與外部設(shè)備交換信息的技術(shù)。 過程通道：計算機和生產(chǎn)過程之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道。（AI、AO、DI、DO） 2.1 數(shù)字量輸入輸出通道（DI、DO） 數(shù)字量開關(guān)量：用“0”和“1” 兩個量進行描述。 2.1.1 數(shù)字量輸入輸出接口 數(shù)字量輸入接口 三態(tài)門緩沖器74LS244 MOV DX, port IN AL,D

4、X數(shù)字量輸出接口 鎖存器74LS273 利用IOW上 升沿鎖存 MOV AL,DATA MOV DX, port OUT DX,DL輸 入 調(diào) 理 電 路輸 入 緩 沖 器地址譯碼器生 產(chǎn) 過 程P C 總 線2.1.2 數(shù)字量輸入通道數(shù)字量輸入通道結(jié)構(gòu)輸入調(diào)理電路 把現(xiàn)場信號經(jīng)轉(zhuǎn)換、保護、濾波、隔離轉(zhuǎn)換成 計算機能夠接收的邏輯信號。 小功率輸入調(diào)理電路 開關(guān)去抖電路 積分電路 AOAOOA1 RS觸發(fā)器 去抖 RS觸發(fā)器 “ 1” 負(fù)脈沖 “ 0” 高電平大功率輸入調(diào)理電路采用光電隔離輸 出 驅(qū) 動 器輸 出 鎖 存 器地址譯碼器生 產(chǎn) 過 程P C 總 線2.1.3 數(shù)字量輸出通道1、數(shù)字

5、量輸出通道結(jié)構(gòu)2、輸出驅(qū)動電路小功率直流驅(qū)動電路 功率晶體管輸出驅(qū)動繼電器電路 續(xù)流二極管在功率晶體管關(guān)閉時，為繼電器線圈產(chǎn)生的反電動勢提供旁路通道，保護晶體管。 達(dá)林頓陣列輸出驅(qū)動繼電器電路 MC1416，7路驅(qū)動，帶保護二極管 大功率交流驅(qū)動電路 固態(tài)繼電器。零交叉電路在交流電過零時產(chǎn)生 觸發(fā)信號，減少干擾。 2.2 A/D轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù) 常用A/D轉(zhuǎn)換方式： 1、逐次逼近型：轉(zhuǎn)換時間短，抗擾性差（電壓比較） ADC0809（8位），AD574（12位） 2、雙斜積分型：轉(zhuǎn)換時間長，抗擾性好（積分） MC14433（11位），ICL7135（14位） 3、全并行比較型（Flash型）：采

6、用多個比較器，速度極高，電路規(guī)模大，成本高。 4、分級型：減少并行比較ADC的位數(shù)，分級多次轉(zhuǎn)換，減小電路規(guī)模，保持較高速度。 5、-型（過采樣轉(zhuǎn)換器）：高速1bit DAC+數(shù)字濾波，轉(zhuǎn)換成低采樣率高位數(shù)字，分辨率高。A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)： 轉(zhuǎn)換時間：積分型毫秒級，逐次比較 微秒級，全并行 納秒級。 分辨率：數(shù)字量位數(shù)n。 LSB（最低有效位）滿量程的1/2n.線性誤差：量程范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性 的最大誤差，通常為1/2LSB或1LSB 量程：能轉(zhuǎn)換的電壓范圍。 對基準(zhǔn)電源的要求：電源精度。2.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器 8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809 帶8通道模擬開關(guān)的8位逐次逼近A/

7、D轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換時間100us, 誤差1/2LSB 8通道模擬開關(guān)及通道選擇 地址鎖存信號ALE 轉(zhuǎn)換啟動：START收到正脈沖 轉(zhuǎn)換結(jié)束：EOC從低電平變?yōu)楦唠娖?基準(zhǔn)電壓：VREF(+)=5.12V, VREF(-)=0V轉(zhuǎn)換時序 12位A/D轉(zhuǎn)換器AD547A 單通道12位逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換時間25us, 誤差1/2LSB，單極性或雙極 性輸入，量程10V或20V。單、雙極性應(yīng)用 單極性：BIP OFF接0V 雙極性：BIP OFF接10V轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出： 引腳12/8=1：D11-D0并行輸出； 引腳12/8=0：D11-D8和D7-D0分時輸出； 控制邏輯 轉(zhuǎn)換進行：STS為高電

8、平 轉(zhuǎn)換結(jié)束：STS從高電平轉(zhuǎn)為低電平 轉(zhuǎn)換時序： 啟動轉(zhuǎn)換時序：讀2.2.2 A/D轉(zhuǎn)換接口技術(shù) ADC0809與8255A接口 8255A的A口工作方式0。 A口為數(shù)據(jù)輸入端 C口上半部分為輸入，下半部分為輸出。 PC0-PC2 通道地址ABC PC3 ALE和START，啟動轉(zhuǎn)換 PC7 OE和EOC，檢測轉(zhuǎn)換結(jié)束 8255A系統(tǒng)地址2C0H2C3H。 ADC0809PROC NEAR MOV CX,8; 循環(huán)次數(shù) CLD; DI自動增量 MOV BL,00H ; 模擬通道地址 LEA DI,DATABUF； 字串存儲地址 NEXTA: MOV DX,02C2H MOV AL,BL OU

9、T DX,AL INC DX MOV AL,00000111B；輸出啟動信號，上升沿鎖存地址 NOP NOP NOP MOV AL,00000110B；下降沿, 形成ALE, START 脈沖 OUT DX,AL DEC DX NOSC:IN AL, DX; 檢測轉(zhuǎn)換結(jié)束信號 TEST AL,80H JNZ NOSC; EOC=1, 則等待，檢測EOC下降沿 NOEOC: IN AL, DX; TEST AL,80H JZ NOSC; EOC=0, 則等待，檢測EOC上升沿，轉(zhuǎn)換結(jié)束 MOV DX,02C0H; 讀轉(zhuǎn)換結(jié)果 IN AL,DX STOS DATABUF; 保存結(jié)果 INC BL;

10、 修改模擬通道地址 LOOP NEXTA；CX-1; RET ADC0809 ENDPAD574與與8255A接口接口 AD574的的12/8接接5V，A0接地，接地，工作于工作于12位轉(zhuǎn)換和讀出方式。位轉(zhuǎn)換和讀出方式。 8255A的的A口、口、B口工作方式口工作方式0，數(shù)，數(shù)據(jù)輸入端據(jù)輸入端C口上半部分為輸入，下半部分口上半部分為輸入，下半部分為輸出。為輸出。 PC0-PC2 R/C，CS，CE PC7 STS，檢測轉(zhuǎn)換結(jié)束，檢測轉(zhuǎn)換結(jié)束 8255A系統(tǒng)地址系統(tǒng)地址2C0H2C3H。 MOV DX,02C2H; 令CS,R/C為低電平 MOV AL,00H OUT DX,AL NOP NOP

11、 MOV AL,04H； 令CE=1, 啟動轉(zhuǎn)換 OUT DX,AL NOP NOP MOV AL,03H；令CE=0，CS, R/C1，啟動完畢 OUT DX,AL POLLING:IN AL,DX; 查詢STS狀態(tài) TEST AL,80H JNZ POLLING; STS=1 則等待，檢測下降沿（轉(zhuǎn)換結(jié)束） MOV AL,01H；令CS0,R/C1, 準(zhǔn)備讀OUT DX,AL NOP MOV AL,05H; 令CE=1,允許讀出 OUT DX,AL MOV DX,02C0H IN AL,DX ; 讀高4位DB11-DB8; AND AL, 0FH MOV BH,AL；存高4位 INC DX

12、 IN AL,DX ；讀低8位DB7-DB0 MOV BL,AL INC DX MOV AL,03HOUT DX,AL; 結(jié)束讀出操作第二章 輸入輸出接口與過程通道（2） 2.3 模擬量輸入通道 模擬量輸入通道把模擬信號轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)字信號，送入計算機中。 模擬信號傳輸010mA或420mA電流傳輸。2.3.1 模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)2.3.2 I/V變換 電流輸出 儀表DDZ-：010mA 儀表DDZ-,DDZ-S：420mA 無源I/V變換（利用無源器件完成） 010mA:R1 100 R2 500 05V輸出 420mA:R1 100 R2 250 15V輸出有源I/V變換（利用有源器件完成

13、） 010mA:R1 200 R3 100k R4 150k 05V輸出 420mA:R1 200 R3 100k 同相放大器倍數(shù) A=1+R4/R3 R4 25k 15V輸出 2.3.3 多路轉(zhuǎn)換器 多路開關(guān)理想工作狀態(tài)：開路電阻無窮大，導(dǎo)通電阻為0。要求切換速度快。 舉例：CD40518通道開關(guān) INH 禁止輸入2.3.4 采樣、量化及常用的采樣保持器 信號的采樣 采樣過程：以周期時間間隔T，把時間與幅值連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)檫B串脈沖輸出信號。 為采樣寬度，即K閉合的時間。香農(nóng)采樣定量：若信號的最高頻率為fmax，只要采樣頻率f 2 fmax，采樣信號就能唯一復(fù)現(xiàn)原信號。 量化 量化：用一組

14、數(shù)碼逼近離散模擬信號的幅值。 量化過程：模擬信號數(shù)字信號。 量化單位：A/D轉(zhuǎn)換器的最低有效位LSB對應(yīng)的模擬量。 q=(ymax-ymin)/(2n-1) 量化誤差： 1/2q采樣保持器 孔徑時間tA/D：完成一次A/D轉(zhuǎn)換需要的時間。 孔徑誤差：采樣時刻的最大轉(zhuǎn)換誤差。 孔徑誤差的消除：采用采樣保持器 孔徑時間內(nèi)，信號的變化導(dǎo)致轉(zhuǎn)換誤差，A/D轉(zhuǎn)換器需要采樣保持器來提高輸入信號的頻率范圍。 采樣保持器：把t=KT時刻的采樣值保持到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。 采樣：K閉合，CH快速充電，VOUT跟隨VIN 保持：K斷開，VOUT保持VC 緩慢變化的信號無需采樣保持器LF398 采樣保持控制引腳8：高電

15、平，采樣 低電平，保持 CH外接高品質(zhì)電容，其減小可以提高采樣頻率。 獲取時間：CH為0.01uF時, 時間為25us2.3.5 模擬量輸入通道設(shè)計模擬量輸入通道設(shè)計器件：器件：AD547A, LF398, CD4051,8255A 指標(biāo)指標(biāo)8通道模擬量輸入通道模擬量輸入 12位位A/D轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)換（25us)，量程，量程010V 查詢應(yīng)答方式查詢應(yīng)答方式 電路邏輯：電路邏輯： 通道選擇通道選擇-PC0-PC2, 通道禁止通道禁止-PC3 LF398采樣和保持采樣和保持-ADC547的的STS+反相器反相器 AD547A的的R/C, CS, CE -PC4-PC6 轉(zhuǎn)換狀態(tài)檢測轉(zhuǎn)換狀態(tài)檢測STS

16、-PA7 數(shù)據(jù)輸入：高數(shù)據(jù)輸入：高4位位-PA0-PA3，低，低8位位-B口口AD574APROC NEAR CLD LEA DI,BUF MOV BL,00000000B; 令CE，CS, R/C, INH=0,初始化 MOV CX,8 ADC:MOV DX,2C2H ; C口地址 MOV AL,BL OUT DX,AL; 選擇多路開關(guān)，STS=0, LF398采樣 NOP NOP OR AL,01000000B； 令CE=1, 啟動轉(zhuǎn)換A/D OUT DX,AL； AND AL,10111111B； 令CE=0, 形成啟動脈沖 OUT DX,AL； MOV DX,2C0H; A口地址PUL

17、LINGIN AL,DX ； 測試STS，看轉(zhuǎn)換是否結(jié)束 TEST AL,80H JNZ PULLING ；轉(zhuǎn)換期間 STS1，LF398保持 MOV AL,BL； OR AL,00010000B; 轉(zhuǎn)換結(jié)束，令R/C1，準(zhǔn)備讀 MOV DX,2C2H; OUT DX,AL OR AL,01000000B;令 CE, R/C1，開始讀 MOV DX,2C0H ; 讀A口高4位 IN AL,DX AND AL,0FH MOV AH,AL ；高4位存在AH INC DX; 讀B口低8位 IN AL,DX ；低8位存在AL STOSW; 數(shù)據(jù)存儲INC BL; 更換通道LOOP ADC MOV AL

18、,00111000B; CE=0，CS, R/C, INH=1, 芯片復(fù)位 MOV DX,2C2H OUT DX,AL RET AD574A ENDP 2.4 D/A轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù) D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo) 分辨率：D/A轉(zhuǎn)換器輸入二進制數(shù)的位數(shù)。 建立時間：輸入數(shù)字信號的變化是滿量程時， 輸出信號達(dá)到離終值 1/2LSB的所需時間。 線性誤差：偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差。 常見D/A轉(zhuǎn)換器類型： 電流輸出型，通常要轉(zhuǎn)為電壓，速度因外接放大器有滯后。 電壓輸出形，速度快，僅用于高阻抗負(fù)載。 乘算型，在基準(zhǔn)電壓輸入上加交變信號，能輸出數(shù)字輸入和基準(zhǔn)電壓輸入相乘的結(jié)果，完成乘法運算。 1 bit

19、D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字值轉(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制或頻率調(diào)制的輸出，然后用數(shù)字濾波器作平均化而得到電壓輸出(又稱位流方式)。 2.4.1 D/A轉(zhuǎn)換器 8位D/A轉(zhuǎn)換器ADC0832 8位電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)部具有兩個鎖存器：輸入鎖存器和DAC鎖 存器，分別由LE1，LE2控制。 高電平：寄存器直通 低電平：寄存器鎖存 引腳說明： DI0-DI7：數(shù)字輸入 IOUT1,IOUT2：電流輸出， IOUT1+IOUT2=C ILE：輸入寄存器鎖存允許 WR1：控制輸入寄存器 WR2：控制DAC寄存器 XFER：控制DAC寄存器 XFER， WR2地用于多個D/A轉(zhuǎn)換器的同步， 通常接地，這時DAC寄存器

20、直通。 Rfb反饋電阻端，VREF參考電壓。 DAC0832單緩沖形式： XFER， WR2接 地，ILE接高電平， WR1接I/O控制，CS接 譯碼，2個寄存器中只有輸入寄存器有效。12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC1210 12位電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器 內(nèi)部具有兩個鎖存器：輸入鎖存器和DAC鎖存器，分別由LE控制。 BYTE1/BYTE2輸入控制端 高電平：DI0-DI11同時鎖存到輸入寄存器 低電平：DI0-DI3鎖存到4位輸入寄存器 DAC寄存器的鎖存控制端LE 高電平：QD，輸入寄存器與DAC寄存器 直通 低電平：DAC寄存器鎖存 WR1,WR2,CS,XFER ,Rfb,VREF與DAC08

21、32相同2.4.2 D/A轉(zhuǎn)換接口技術(shù) DAC0832與XT總線接口 DAC0832工作方式為單緩沖寄存器。 用反相放大器把輸出電流轉(zhuǎn)換為負(fù)極性電壓 工作過程： 1. 端口地址+IOW有效- CS有效 - LE1高電平 - 輸入寄存器直通 - 輸入數(shù)據(jù)進行D/A轉(zhuǎn)換。 2. IOW變高- CS變高 - LE1低電平 - 輸入寄 存器鎖存 - D/A轉(zhuǎn)換輸出保持。 程序，端口地址300H。 MOV DX,300H MOV AL,7FH OUT DX,AL HLT 電流輸出端IOUT1,IOUT2的電位應(yīng)接近0，以保證運放輸出的線性。DAC1210與XT總線接口 譯碼器對端口300H，301H，3

22、02H分別產(chǎn)生 Y0， Y1 ， Y2用于DAC的控制。 CS接地 8位輸入寄存器：XT總線D0-D7 4位輸入寄存器：XT總線D4-D7 輸出端用反相放大器把差動電流轉(zhuǎn)換為電壓 ,經(jīng)倒相后變?yōu)檎龢O性電壓輸出。 工作過程： 1. 鎖存高8位數(shù)據(jù)：Y0有效- BYTE1/BYTE2 高 電平-當(dāng) IOW 有效- D0-D7 鎖入8位輸入寄存器， D4-D7 鎖入4位輸入寄存器。 2.鎖存低4位數(shù)據(jù)： Y1有效- BYTE1/BYTE2 低 電平-當(dāng) IOW 有效- D4-D7 鎖入4位輸入寄存器。 3.輸入寄存器數(shù)據(jù)送到DAC寄存器： Y2有效- XFER 低電平-當(dāng) IOW 有效-輸入寄存器數(shù)

23、據(jù) 傳送到DAC寄存器，并開始D/A轉(zhuǎn)換。 4. DAC寄存器鎖存， D/A 輸出保持： Y2, IOW 變高電平-DAC寄存器鎖存數(shù)據(jù)，保持D/A轉(zhuǎn) 換輸出。 程序 MOV DX,300H; Y0有效 MOV AL,83H； 高8位數(shù)據(jù) OUT DX,AL MOV DX,301H; Y1有效 MOV AL,0F0H； 低4位數(shù)據(jù) OUT DX,AL MOV DX,302H；Y2有效 OUT DX,AL； 進行D/A轉(zhuǎn)換 HLT微機計算機控制技術(shù) 第五講 第3章 數(shù)字程序控制技術(shù) 所謂數(shù)字程序控制，就是計算機根據(jù)輸入的指令和數(shù)據(jù)，控制生產(chǎn)機械（如各種加工機床）按規(guī)定的工作順序、運動軌跡、運動距

24、離和運動速度等規(guī)律自動地完成工作的自動控制。 數(shù)控系統(tǒng)：輸入裝置、輸出裝置、控制器和插補器。 計算機數(shù)控CNC(Computer Numerical Control) 步驟： 1. 曲線分段： 圖中曲線分為三段，分別為ab、bc、cd，a、b、c、d四點坐標(biāo)送計算機。 分割原則：應(yīng)保證線段所連的曲線與原圖形的誤差在允許范圍之內(nèi)。 2. 插補計算： 插補計算： 給定曲線基點坐標(biāo)，求得曲線中間值的數(shù)值計算方法。 插補計算原則：通過給定的基點坐標(biāo)，以一定的速度連續(xù)定出一系列中間點，這些中間點的坐標(biāo)值以一定的精度逼近給定的線段。 插補： 直線插補 (在給定的兩個基點之間用一條近似直線來逼近) 二次曲線

25、插補圓弧、拋物線、雙曲線 (在給定的兩個基點之間用一條近似曲線來逼近)3. 折線逼近： 根據(jù)插補計算出的中間點、產(chǎn)生脈沖信號驅(qū)動x、y方向上的步進電機，帶動繪圖筆、刀具等，從而繪出圖形或加工所要求的輪廓。步長：刀具對應(yīng)于每個脈沖移動的相對位置，可以用 x, y表示，一般 x y x方向步數(shù)：Nx(xe-x0)/ x y方向步數(shù)：Ny(ye-y0)/ y 3.1.2 數(shù)字程序控制方式 數(shù)字程序控制的3種方式：點位控制、直線切削控制、輪廓切削控制。 點位控制 只要求控制刀具行程終點的坐標(biāo)值，即工件加工點準(zhǔn)確定位，對刀具的移動路徑、移動速度、移動方向不作規(guī)定，且在移動過程中不做任何加工，只是在準(zhǔn)確到

26、達(dá)指定位置后才開始加工。（定位） 直線切削控制 控制行程的終點坐標(biāo)值，還要求刀具相對于工件平行某一坐標(biāo)軸作直線運動，且在運動過程中進行切削加工。（單軸切削）輪廓的切削控制 控制刀具沿工件輪廓曲線運動，并在運動過程中將工件加工成某一形狀。這種方式借助于插補器進行。（多軸切削） 三種方式比較 點位控制：驅(qū)動電路簡單，無需插補 直線切削控制：驅(qū)動電路復(fù)雜，無需插補 輪廓切削控制：驅(qū)動電路復(fù)雜，需插補 3.1.3 開環(huán)數(shù)字程序控制 閉環(huán)方式 執(zhí)行機構(gòu)多采用直流電機作為驅(qū)動元件 反饋測量元件采用光電編碼器、光柵、感應(yīng)同步器等開環(huán)方式 3.2 逐點比較法插補原理 逐點比較法插補，就是刀具或繪圖筆每走一步都

27、要和給定軌跡上的坐標(biāo)值進行比較一次，決定下一步的進給方向： 用階梯折線逼近曲線。 走一步 - 比較一次 - 決定下一步的走向 逐點比較法的最大誤差：一個脈沖當(dāng)量（步長）3.2.1 逐點比較法直線插補 插補步驟： 偏差判別 - 坐標(biāo)進給 - 偏差計算 - 終點判斷 走一步 - 比較一次 - 決定下一步的走向 插補結(jié)束判斷 第一象限內(nèi)的直線插補 偏差計算式： 若點m在OA直線段上，則有xm/ym=xe/ye 即ymxe-xmye0 于是取偏差計算式為 Fm=ymxe-xmye 偏差判別： 偏差判別式： 若Fm = 0，則點m在OA直線段上； 若Fm 0，則點m在OA直線段的上方； 若Fm = 0時

28、，沿+x軸方向走一步； 當(dāng)Fm = 0，這時沿+x軸方向走一步至m1點。 ( xm+1， ym+1) = ( xm+1, ym ) Fm+1= ym+1xe-xm+1ye= ymxe-(xm+1)ye = ymxe-xmye -ye= Fm ye （2）設(shè)加工點在m點，若Fm = 0，F(xiàn)m+1= Fm ye 若Fm 0，M點在圓弧外 Fm=0，向-x方向進給一步，并計算新的偏差；當(dāng)Fm =0，向-x方向進給一步 （xm+1， ym+1) = ( xm1, ym ) Fm+1= xm+12+ym+12-R2= Fm 2xm +1 當(dāng)Fm 坐標(biāo)進給 - 偏差計算 -坐標(biāo)計算- 終點判斷 直線插補：

29、偏差計算使用終點坐標(biāo)xe，ye 圓弧插補：偏差計算使用前一點坐標(biāo)xm，ym 四個象限的圓弧插補 第一象限順圓弧的插補計算 當(dāng)Fm=0，向+y方向進給一步， Fm+1= Fm 2ym +1 當(dāng)FmB-C-A相輪流通電，則磁場沿A、B、C方向轉(zhuǎn)動360度角，轉(zhuǎn)子沿ABC方向轉(zhuǎn)動了一個齒距的位置。齒數(shù)為4，齒距角為90度，即1個齒距轉(zhuǎn)動了90度。 步進電機的“ 相”和“ 拍” “ 相” 繞組的個數(shù) “ 拍” 繞組的通電狀態(tài)。如：三拍表示一個周期共有3種通電狀態(tài)，六拍表示一個周期有6種通電狀態(tài)，每個周期步進電機轉(zhuǎn)動一個齒距。 步進電機的步距角的計算： N：步進電機的拍數(shù) Z：轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。 齒距角z=3

30、60/Z 步距角360/(NZ) ：步進電機每拍步進的角度。 3.3.2 步進電機的工作方式 步進電機的通電方式 單相通電方式、雙相通電方式、單相雙相交叉通電方式。 三相步進電機可工作于三相三拍（單三拍）、雙相三拍（雙三拍）、三相六拍工作方式。 單三拍工作方式 A-B-C-A 雙三拍工作方式 AB-BC-CA-AB- 三相六拍工作方式 A-AB-B-BC-C-CA-A- 步進電機細(xì)分驅(qū)動： 切換時，繞組電流并非全部切除或通入，只改變額定值的一部分（如1/4)，轉(zhuǎn)子也只轉(zhuǎn)動步距角的一部分（如1/4)。優(yōu)點：達(dá)到更高分辨率，減小振動和噪聲微機計算機控制技術(shù) 第七講 3.3.3 步進電機控制接口及輸

31、出字表 步進電機常規(guī)控制電路 脈沖分配器：把脈沖串按一定規(guī)律分配給脈沖放大器的各相輸入端，又稱環(huán)形分配器。 輸入：步進脈沖，1個脈沖為1拍，走一步； 方向選擇 ，正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。 輸出：各相繞組的驅(qū)動脈沖。 功率放大器：脈沖分配器的輸出電路不足以驅(qū)動步進電機，進行功率放大。 步進電機微機控制方式一 微機 環(huán)形分配器 功放 運動控制及脈沖產(chǎn)生 脈沖脈沖分配 步進電機微機控制方式2 微機 驅(qū)動電路 運動控制和脈沖分配 功率放大 步進電機控制接口 例如：采用8255芯片控制x, y軸步進電機。步進電機控制的輸出字表 8255的PA、PB口分別控制x, y軸步進電機。 輸出數(shù)據(jù)“ 1”表示通電，“ 0”表

32、示斷電。 輸出字以表的形式順序存放在內(nèi)存： 正轉(zhuǎn)訪問順序：ADX1-ADX2-ADX6 ADY1-ADY2-ADY6 反轉(zhuǎn)訪問順序：ADX6-ADX5-ADX1 ADY6-ADY5-ADY1 微機的運動控制功能 改變輸出脈沖數(shù)，控制步進電機的走步數(shù)； 改變各相繞組的通電順序，控制步進電機的轉(zhuǎn)向，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)； 改變輸出脈沖的頻率，控制步進電機的轉(zhuǎn)速。輸出字以表的形式順序存放在內(nèi)存： 正轉(zhuǎn)輸出順序：ADX1-ADX2-ADX6 ADY1-ADY2-ADY6 反轉(zhuǎn)輸出順序：ADX6-ADX5-ADX1 ADY6-ADY5-ADY1 微機的運動控制功能 改變輸出脈沖數(shù)，控制步進電機的走步數(shù)； 改變各相

33、繞組的通電順序，控制步進電機的轉(zhuǎn)向，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)； 改變輸出脈沖的頻率，控制步進電機的轉(zhuǎn)速。 3.3.4 步進電機控制程序 步進電機走步控制程序流程圖步進電機速度控制程序 步進電機調(diào)速：改變輸出脈沖的頻率。 可采用延時或定時器方法。 延時或定時時間的計算： Ti為相鄰兩次走步的時間間隔，Vi為進給一步后速度，a為加速度，有： 步進電機控制實驗 四相八拍工作方式。 8086：采用延時方式進行速度控制 8031：采用定時器方式進行速度控制PWM 直流電機調(diào)速 PWM：脈沖寬度調(diào)制技術(shù)。 輸出脈沖頻率不變，脈沖寬度受輸入信號調(diào)制 在電機控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 PWM直流電機調(diào)速的優(yōu)點： （1）功耗小，效率

34、高。 （2）以高頻脈沖電流給繞組供電，由于繞組為感性負(fù)載，脈沖電流得以濾平，所以波系數(shù)小,電機發(fā)熱量小。 （3）系統(tǒng)的響應(yīng)頻帶寬，起制動非?？?。 （4）系統(tǒng)抗負(fù)載擾動的性能好。 （5）高頻輸出避開了電機及傳動機械的共振點，所以運行平穩(wěn)，噪聲低。 微機產(chǎn)生PWM波形的方法 程序延時：高電平延時低電平延時PWM周期時間 定時器中斷：PWM周期T定時中斷高電平t定時中斷直流電機調(diào)速實驗 采用PWM調(diào)速方式。 8031產(chǎn)生PWM波，驅(qū)動電路功率放大。PWM波形的產(chǎn)生： 采用延時方式產(chǎn)生PWM波形，脈寬固定，電機恒速。 T=X*T0, T1=Y*T0，T2=Z*T0。X為T周期參數(shù)，放在20H單元。Y為

35、T1延時參數(shù)，Z為T2延時參數(shù)，放在21H單元，X=Y+Z 。T0為延時的時間基數(shù)，由定時器確定，參數(shù)置 22H，2 3H單元中。 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH LJMP TT0 ； 跳轉(zhuǎn)到定時器0中斷程序 ORG 1000H MAIN: SETB P1.0 ； 脈沖的高電平 MOV R0,21H；(21H) 初始值為Y，存入R0中，延時T1 MOV TMOD, #01H MOV TL0,22H ；時間基數(shù)T0的定時參數(shù) MOV TH0,23H SETB TR0 ； 定時中斷設(shè)置 SETB ET0SETB EA L1:CJNE R0, #00H, L2 ； CPL

36、 P1.0 ; 延時R0*T0時間后，輸出取反 R0在運行前為MOV A,20H ； 取X, T周期時間。 Y，則運行后為 SUBB A,21H； A=X-(21H), 若（21H)=Y, A=Z, X; 運行前為X 若（21H)=Z, A=Y; ， 則運行后為Y。 MOV 21H,A ; A存到(21H) R0交替置入高 MOV R0,A; 低電平延時時間。L2:AJMP L1 TT0:MOV TL0, 22H ；T0 定時中斷 MOV TH0, 23H DEC R0 ; R0-1 RETI實驗編程： 用8086和8255，P1.0改為PA0口，編程控制直流電機，在第1個10秒慢速轉(zhuǎn)動，第2

37、個10秒快速轉(zhuǎn)動，并不斷循環(huán)。微機計算機控制技術(shù) 第八講 第四章 常規(guī)及復(fù)雜控制技術(shù) 數(shù)字控制器的設(shè)計方法： 連續(xù)化設(shè)計：采樣周期短、控制算法簡單的系統(tǒng)。忽略零階保持器和采樣器，求出系統(tǒng)的連續(xù)控制器，以近似方式離散化為數(shù)字控制器。 離散化設(shè)計：采樣周期長的或控制復(fù)雜的系統(tǒng)。直接使用采樣控制理論設(shè)計數(shù)字控制器。 4.1 數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計技術(shù) 數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計 (1) 忽略控制回路中的零階保持器和采樣器，在S域中設(shè)計連續(xù)控制器。條件是采樣周期足夠短。 (2)通過近似方法，把連續(xù)控制器離散化為數(shù)字控制器，用計算機實現(xiàn)。 實質(zhì)：在采用周期足夠短的情況下，把數(shù)字控制器（A/D采樣、計算機、D

38、/A零階保持）看作一個整體，其輸入和輸出為模擬量，將其等效為連續(xù)傳遞函數(shù)。 數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計技術(shù)，是立足于連續(xù)控制系統(tǒng)控制器的設(shè)計，然后在計算機上進行數(shù)字模擬來實現(xiàn)的。4.1.1 數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計步驟 5步 設(shè)計假想的連續(xù)控制器D(s) 選擇采樣周期T 將D(s)離散化為D(z) 設(shè)計由計算機實現(xiàn)的控制算法 校驗 第一步：設(shè)計假想的連續(xù)控制器D(s) 解決方案：自控原理中的連續(xù)系統(tǒng)的頻域設(shè)計法、根軌跡法等。計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖G(s)被控對象的傳遞函數(shù)D(z)數(shù)字控制器,H(S)零階保持器，U（K）U（t）控制量假想的連續(xù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖D（S）連續(xù)控制器第二步：選擇采樣周期T 計

39、算機控制系統(tǒng)的信號恢復(fù)功能由零階保持器H(s)完成。 頻率特性推導(dǎo)，使用歐拉公式。 零階保持器的傳遞函數(shù)為： 上式表明，零階保持器存在滯后。 對于小的采用周期，用冪級數(shù)展開： H(s)可用T/2的時間滯后環(huán)節(jié)近似。 采樣周期的經(jīng)驗公式，設(shè)相位裕量減少5-15度， c系統(tǒng)剪切頻率 結(jié)論：采用數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計方法，采樣周期應(yīng)該相當(dāng)短。第三步：將D(s)離散化為D(z) 將連續(xù)控制器D(s)離散化為數(shù)字控制器D(z)的方法有很多，如雙線性變換法、后向差分法、前向差分法、沖擊響應(yīng)不變法、零極點匹配法、零階保持法等 。 通過近似方法，把連續(xù)控制器離散化為數(shù)字控制器。 方法1: 雙線性變換法（Tus

40、tin 塔斯廷近似） 推導(dǎo)1：級數(shù)展開z=esT, T很小。 得到 推導(dǎo)2：梯形法數(shù)值積分 積分控制器 用梯形法求積分運算 兩邊求Z變換 映射關(guān)系： 雙線性變換法置換公式 把S=+j 代入有： 取模的平方 則： =0（s平面虛軸），|z|=1 (z平面單位園上） 0（s左半平面），|z|0（s右半平面），|z|1 (z平面單位園外） 結(jié)論：1個穩(wěn)定的系統(tǒng)經(jīng)過雙線性變換仍然是穩(wěn)定的。 方法2: 前向差分法 推導(dǎo)1：級數(shù)展開z=esT, T很小。 得到推導(dǎo)2：用一階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，并對兩邊作Z變換有： 得出： 映射關(guān)系： 前向差分法置換公式 把

41、S=+j 代入， 取模的平方有： 令|z|=1，則對應(yīng)到s平面上是一個圓，有： 即當(dāng)D(s)的極點位于左半平面以（-1/T,0)為圓心，1/T為半徑的圓內(nèi)，D(z)才在單位圓內(nèi)，才穩(wěn)定。 結(jié)論：穩(wěn)定的系統(tǒng)經(jīng)前向差分法轉(zhuǎn)換后可能不穩(wěn)定。 方法3: 后向差分法 推導(dǎo)1：級數(shù)展開z=esT, T很小。 得到 推導(dǎo)2：用一階向后差分近似代替微分。 用向后差分近似代替 對兩邊作Z變換有： 映射關(guān)系： 根據(jù)向后差分法置換公式 有 把S=+j 代入， 取模的平方有： 則： =0（s平面虛軸）， 0（s右半平面）， 后向差分法將s的左半平面映射到z平面內(nèi)半徑為1/2的圓，因此如果D(s)穩(wěn)定，則D(z)穩(wěn)定。

42、 映射比較：雙線性變換保持穩(wěn)定 前向差分不能保持穩(wěn)定 向后差分保持穩(wěn)定 第四步：設(shè)計由計算機實現(xiàn)的控制算法 D(z)的一般形式： m個零點和n個極點，寫為 化為時域表示： 上式稱為數(shù)字控制器D(z)的控制算法。 第五步：校驗 通過計算機仿真計算實現(xiàn)。4.1.2 數(shù)字PID控制器的設(shè)計 PID比例P, 積分I, 微分D 數(shù)字PID控制器用計算機實現(xiàn)PID控制，即把模擬PID控制規(guī)律數(shù)字化。 1.模擬PID調(diào)節(jié)器 控制規(guī)律 拉氏變換求傳遞函數(shù) 其中：Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)。 比例作用：迅速反應(yīng)誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，過大容易引起不穩(wěn)定； 積分作用：消除靜差，但容易

43、引起超調(diào)，甚至出現(xiàn)振蕩； 微分作用：減小超調(diào)，克服振蕩，提高穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。2.數(shù)字PID調(diào)節(jié)器 用數(shù)值逼近的方法實現(xiàn)PID控制規(guī)律。 數(shù)值逼近的方法：用求和代替積分、用后向差分代替微分，使模擬PID離散化為差分方程。 （1)數(shù)字PID位置型控制算法 可得： 位置型控制算法提供執(zhí)行機構(gòu)的位置u(k)，比如閥門的開度，需要累計e(i)（2)數(shù)字PID增量型控制算法 根據(jù)位置型控制算法寫出u(k-1)： u(k)- u(k-1)可得： 為編程方便，可以整理得到： 其中 增量型控制算法提供執(zhí)行機構(gòu)的增量 u(k)，比如步進電機的步數(shù)。 增量型算法與位置型算法比較： （1）增量型算法不需做

44、累加，計算誤差后產(chǎn)生的計算精度問題，對控制量的計算影響較小。位置型算法用到過去的誤差的累加，容易產(chǎn)生較大的累加誤差。 （2）增量型算法得出的是控制的增量，誤動作影響小，必要時通過邏輯判斷限制或禁止本次輸出，不會影響系統(tǒng)的工作。位置型算法的輸出是控制量的全部輸出，誤動作影響大。4.數(shù)字PID控制算法流程 式 （4.1.35), 書上的圖4.6微機計算機控制技術(shù) 第九講 4.1.3 數(shù)字PID控制器的改進 積分項的改進 （1)積分分離: 改進原因：當(dāng)有較大的擾動或大幅度改變給定值時，存在較大的偏差，以及系統(tǒng)有慣性和滯后，在積分項的作用下，會產(chǎn)生較大的超調(diào)和長時間的波動。 改進思路：當(dāng)被控量和給定值

45、偏差大時，取消積分控制，以免超調(diào)量過大；當(dāng)被控量和給定值接近時，積分控制投入，消除靜差。 改進方法： 當(dāng) |e(k)| 時，采用PD控制； 當(dāng) |e(k)| 時，采用PID控制。 積分分離閾值的確定： 過大，達(dá)不到積分分離的目的； 過小，則一旦控制量y(t)無法跳出各積分分離區(qū)，只進行PD控制，將會出現(xiàn)殘差。 （2）抗積分飽和 積分飽和：如果執(zhí)行機構(gòu)已到極限位置，仍然不能消除偏差，由于積分的作用，盡管計算PID差分方程式所得的運算結(jié)果繼續(xù)增大或減小，但執(zhí)行結(jié)構(gòu)已無相應(yīng)的動作，控制信號則進入深度飽和區(qū)。 影響：如果系統(tǒng)程序反向偏差， 則u(k)首先需要從飽和區(qū)退出，進入的飽和區(qū)越深，退出時間越長

46、，導(dǎo)致超調(diào)量增加。 改進方法：對控制量u(k)限幅。 以8位D/A為例，u(k)FFH時，取u(k)=FFH。（3）梯形積分 改進原因：減小殘差，提高積分項的運算精度。 改進方法：矩形積分改為梯形積分。 （4）消除積分不靈敏區(qū) 改進原因：由于計算機字長的限制，當(dāng)運算結(jié)果小于字長所能表示的數(shù)的精度，計算機就作為“零”處理，此時積分作用消失，這就稱為積分不靈敏區(qū)。 改進措施： 增加A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)，加長運算字長，提高運算精度。 當(dāng)積分項連續(xù)n次小于輸出精度的情況下，不要把它們作為“零”處理，而是把它們累加起來，直到累加值大于時才輸出，同時把累加單元清零。 微分項的改進 （1）不完全微分PID控制 改

47、進原因：微分具有放大干擾信號的特點在PID控制中，對具有高頻擾動的生產(chǎn)過程，微分作用響應(yīng)過于靈敏，容易引起控制過程振蕩。 改進方法：串聯(lián)一階慣性環(huán)節(jié)，作為低通濾波器抑制高頻噪聲，組成不完全微分PID控制器。 兩種方式：直接串在微分項；串在PID調(diào)節(jié)器之后，如下圖。 一階慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) 其拉氏反變換有： 因為PID調(diào)節(jié)器： 則有： 離散化有： 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： 抑制高頻噪聲。 克服純微分的不均勻性。 下圖，在 t=0時刻出現(xiàn)階躍信號，純微分(a)在第一個周期出現(xiàn)大躍變信號，容易振蕩；(b)中的控制信號則較均勻、平緩。 （

48、2）微分先行PID控制算式 改進原因：為避免給定值的升降給系統(tǒng)帶來沖擊，如超調(diào)過大，調(diào)節(jié)閥動作劇烈。 微分先行：把微分運算放在前面，后面跟比例和積分運算。 改進方法：把微分提前，只對被控量y(t)微分，不對偏差e(t)微分。 時間最優(yōu)PID控制 最優(yōu)控制的含義：某個指標(biāo)最優(yōu)。 Bang-Bang控制，開關(guān)控制，對|u(t)|=0，則： 上式確定了D(z) 可實現(xiàn)時 (z)應(yīng)滿足的條件：若G(z)的分母比分子高N階，則確定 (z)時必須至少分母比分子高N階。 例：對象有d個采樣周期純滯后 ，則其脈沖傳函為： 則 (z)中也應(yīng)該有純滯后，滯后時間大于等于d個采樣周期，否則根據(jù)： D(z) 將出現(xiàn)z

49、n正冪次項，響應(yīng)超前輸入，不能實現(xiàn)。（3）最少拍控制的穩(wěn)定性問題 最少拍 (z) 成立的條件： G(z)是穩(wěn)定的。否則系統(tǒng)發(fā)散， (z)不可能實現(xiàn)。 G(z)是不含有純滯后環(huán)節(jié)。否則根據(jù)最少拍控制器的可實現(xiàn)條件， D(z) 不能實現(xiàn)。 改進辦法： 對，在 (z)中增加滯后時間大于等于G(z) 純滯后時間的純滯后。 對 ，則可以在選擇 (z) 時，增加穩(wěn)定性約束條件，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。 應(yīng)注意：不能采取D(z)和G(z)零極點對消方式，而從理論上得到穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)。 原因：當(dāng)參數(shù)漂移時，零極點對消不能準(zhǔn)確實現(xiàn)，系統(tǒng)將出現(xiàn)不穩(wěn)定極點。 微機計算機控制技術(shù) 第十一講 4.2.3 最少拍有紋波控制器的設(shè)計

50、 設(shè)計時考慮最少拍控制器的可實現(xiàn)和穩(wěn)定性條件。 一般化的廣義被控對象 控制對象傳函如下， 是滯后時間 采樣周期為T,則令微機計算機控制技術(shù) 第十二講 4.3 純滯后控制技術(shù) 純滯后控制對象存在于石化等行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)中，滯后時間過長容易引起系統(tǒng)超調(diào)和振蕩。 純滯后控制方法：施密斯預(yù)估器、大林算法等。 4.3.1施密斯(Smith)預(yù)估控制 施密斯預(yù)估控制原理 微機計算機控制技術(shù) 第十三講 4.4 串級控制技術(shù) 串級控制主要解決的問題：系統(tǒng)中有幾個因素同時影響被控量。 串級控制：在單控制回路中，增加控制回路，用于克服引起被控量變化的其他因素，抑制被控對象的時滯特性。微機計算機控制技術(shù) 第14講 在

51、經(jīng)典控制理論中，用傳遞函數(shù)模型來設(shè)計和分析單輸入單輸出系統(tǒng)，但傳遞函數(shù)模型只能反映初系統(tǒng)的輸出變量和輸入變量之間的關(guān)系，而不能了解到系統(tǒng)內(nèi)部的變化情況。在現(xiàn)代理論中，用狀態(tài)控件模型來設(shè)計和分析多輸入多輸出系統(tǒng)，便于計算機求解，同時也為多變量系統(tǒng)的分析研究提供了有力的工具。第五章第五章 現(xiàn)代控制技術(shù)現(xiàn)代控制技術(shù)5.1 采用狀態(tài)空間的輸出反饋設(shè)計法 設(shè)線性定常系統(tǒng)被控對象的連續(xù)狀態(tài)方程為其中： x(t)是n維狀態(tài)向量； u(t)是r維控制向量； y(t)是m維輸出向量； A是n*n維狀態(tài)矩陣； B是n*r維控制矩陣； C是n*m維輸出矩陣；系統(tǒng)的閉環(huán)結(jié)構(gòu)形式如下圖示。 利用狀態(tài)空間表達(dá)式，設(shè)計出數(shù)

52、字控制器D(z)，使得多變量計算機控制系統(tǒng)滿足所需要的性能指標(biāo)，即在控制器D(z)的作用下，系統(tǒng)輸出y(t)經(jīng)過N次采樣后，跟蹤參考輸入函數(shù)r(t)的瞬間響應(yīng)時間為最小。5.1.1 連續(xù)狀態(tài)方程的離散化 等效離散狀態(tài)方程5.1.2 最小拍無紋波的跟蹤條件 y(N)=C x(N)=r0 x (N)=05.1.3 輸出反饋設(shè)計法的設(shè)計步驟 1.將連續(xù)狀態(tài)方程進行離散化 2.求滿足跟蹤條件和附加條件的控制序列u(k) 的Z變換U(z)。 3.求取誤差序列e(k)的 Z變換E(z)。 4.求控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)。 5.2 采用狀態(tài)空間的極點配置設(shè)計法 5.2.1 按極點配置設(shè)計控制規(guī)律 為了按

53、極點配置設(shè)計控制規(guī)律，暫設(shè)控制規(guī)律反饋的實際對象的全部狀態(tài)，而不是重構(gòu)狀態(tài)，如下圖所示。反饋控制規(guī)律L滿足如下方程： |zI-F+GL|= (z) L具有唯一解的充分必要條件是被控對象完全能控。5.2 .2按極點配置設(shè)計狀態(tài)觀察器 1 預(yù)報觀察器 2 現(xiàn)時觀察器 3 降階觀察器5.2 .3按極點配置設(shè)計控制器 1 控制器的組成 2 分離性原理 3 狀態(tài)反饋控制器的設(shè)計步驟 4 觀察器及觀察器類型選取5.3 采用狀態(tài)空間的最優(yōu)化設(shè)計法 本節(jié)首先在所有狀態(tài)都可用的條件下導(dǎo)出了LQ問題的最優(yōu)控制規(guī)律，如果全部狀態(tài)是不可測的，就必須估計他們，這可用狀態(tài)觀察器完成。然后對隨機擾動過程，可以求出使估計誤差

54、的方差最小的最優(yōu)估計器，它稱卡爾曼濾波器。這種估計器的結(jié)構(gòu)與狀態(tài)觀測器相同，但其增益矩陣K的確定方法是不同的，而且它一般為時變的。最后根據(jù)分離性原理來求解LQG問題的最優(yōu)控制，并采用卡爾曼濾波器來詭計狀態(tài)。采用LQG最優(yōu)控制器的調(diào)節(jié)系統(tǒng)r(k)=0如下圖所示。 5.3 .1 LQ最優(yōu)控制器設(shè)計 1 問題的描述 系統(tǒng)控制的目的按線性二次型性能指標(biāo)函數(shù) 上式即為LQ最優(yōu)控制器。帶LQ最優(yōu)控制器調(diào)節(jié)系統(tǒng)如下所示。2. 二次型性能指標(biāo)函數(shù)離散化3. 最優(yōu)控制規(guī)律計算5.3.2 狀態(tài)最優(yōu)估計器設(shè)計1. 連續(xù)被控系統(tǒng)的狀態(tài)方程離散化 2. 卡爾曼濾波公式的推導(dǎo) 3. 卡爾曼濾波增益矩陣K(k)的計算5.3

55、.4 跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計微機計算機控制技術(shù) 第15講 在計算機控制系統(tǒng)中，除了硬件電路外，還有軟件。所謂應(yīng)用軟件就是面向控制系統(tǒng)本身的程序，他是根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，由用戶自己設(shè)計的。在進行計算機控制系統(tǒng)設(shè)計時，大量的工作就是如何根據(jù)各個生產(chǎn)過程的實際需要設(shè)計應(yīng)用程序。第六章第六章 應(yīng)用程序設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用程序設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)6.1 程序設(shè)計技術(shù) 程序設(shè)計過程見右圖6.1.1 模塊化與結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計 1. 模塊化程序設(shè)計 自底向上模塊化設(shè)計 自頂向下模塊化設(shè)計 2. 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計 順序、選擇、循環(huán)6.1.2 高級語言與匯編語言混合編程 1.匯編語言編程 程序執(zhí)行速度快，要求的硬件少。 2.高級語言

56、編程 運算能力強，編寫方便。 3.高級語言和匯編語言混合編程 用高級語言編寫計算，圖形繪制，顯示，打印程序，用匯編語言編寫時鐘管理，中斷管理和輸入輸出程序等。6.1.3 工業(yè)控制組態(tài)軟件 1. 控制組態(tài) 2. 圖形生成系統(tǒng) 3. 顯示組態(tài)6.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用技術(shù) 6.2.1 基本術(shù)語 數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)元素、數(shù)據(jù)對象、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)6.2.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型 1.順序結(jié)構(gòu) （1）線性表：一組有序的數(shù)據(jù)元素。 （2）數(shù)組：線性表的推廣，其中每個元素是由一個數(shù)值和一組下標(biāo)組成。 （3）堆棧：特殊結(jié)構(gòu)的線性表，只能在一端插入或刪除。 （4）隊列：是先進先出的表。 2.鏈形結(jié)構(gòu) 鏈表由若干個節(jié)點組成，每個節(jié)點有兩

57、個域：一個數(shù)據(jù)域，用來存放數(shù)據(jù)元素；另一個是指針域，用來存放下一個節(jié)點的數(shù)據(jù)域首址。 3.樹形結(jié)構(gòu) 每個記錄有四個域：記錄名，數(shù)據(jù)，左指針，右指針。把記錄抽象為一個節(jié)點，則稱為樹形結(jié)構(gòu)。 6.2.3 數(shù)據(jù)查找技術(shù) 1.順序查找 2.折半查找 3.分塊查找 4.直接查找6.2.4 數(shù)據(jù)排序技術(shù) 1.插入排序 2.希爾排序 3.選擇排序 4.快速排序 6.3 測量數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù) 6.3.1系統(tǒng)誤差的自動校準(zhǔn) 1.全自動校準(zhǔn) 2.人工自動校準(zhǔn)6.3.2 線性化處理和非線性補償 1.鉑熱電阻的阻值與溫度的關(guān)系 -2000度：Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3 0850度：Rt=R01+A

58、t+Bt2 2.熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系 3.孔板差壓與流量的關(guān)系 4.氣體體積流量的非線性補償6.3.3 標(biāo)度變換方法 1.線性變化公式 前提是參數(shù)值與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果之間為線性關(guān)系。 Y=(Ymax-Ymin)(X-Nmin)/(Nmax-Nmin)+Ymin 2.公式轉(zhuǎn)換法 3.其他標(biāo)度變換法 如多項式插值，線性插值，查表等。 6.3.4 越限報警處理 上限報警，下限處理，上下限處理。6.4 數(shù)字控制器的工程實現(xiàn) 數(shù)字控制器算法的工程實現(xiàn)可以分為6個部分，如下圖所示。6.4.1 給定值和被控量處理 6.4.2 偏差處理 計算偏差，偏差報警，輸入補償，非線性特性。6.4.3 控制算法的實現(xiàn)

59、 6.4.4 控制量出處理 1.輸出補償 2.變化率限制 3.輸出保持 4.安全輸出 6.4.5 自動手動切換 軟自動/軟手動，控制量限幅，自動/手動，無平衡無擾動切換6.5 系統(tǒng)的有限字長數(shù)值問題 1.量化誤差來源 A/D轉(zhuǎn)換的量化效應(yīng)，控制規(guī)律計算中的量化效應(yīng)，控制參數(shù)的量化效應(yīng)和D/A轉(zhuǎn)換的量化效應(yīng)。 2. D/A轉(zhuǎn)換器的字長選擇 3.運算的字長選擇6.6 軟件抗干擾技術(shù) 6.6.1 數(shù)字濾波技術(shù) 通過一定的計算或判斷程序減少干擾在有用信號中的比重。實質(zhì)上是一種程序濾波。 1. 算術(shù)平均值法 2. 中位值濾波法 3. 限幅濾波法 4. 慣性濾波法6.6.2 開關(guān)量的軟件抗干擾技術(shù) 1.開

60、關(guān)量信號輸入抗干擾措施 2.開關(guān)量信號輸出抗干擾措施 6.6.3 指令冗余技術(shù) 多采用單字節(jié)指令，并在關(guān)鍵的地方人為地插入一些單字節(jié)指令（NOP）或?qū)⒂行巫止?jié)指令重復(fù)書寫。能保證彈飛的程序迅速納入正軌。 6.6.4軟件陷阱技術(shù) 用一條引導(dǎo)指令，強行將捕獲的程序引向一個指定的地址，在那里有一段專門對程序出錯進行處理的程序。微機計算機控制技術(shù) 第十六講 第七章 分散型測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 數(shù)據(jù)通信技術(shù) 基本概念 兩種通訊方式： 并行通訊：數(shù)據(jù)的各位同時傳送，傳送速度高，距離短。 串行通訊：數(shù)據(jù)一位一位順序傳送，傳送速度低，傳送距離長，幾十至幾千米。串行通訊分為兩種傳送方式： 異步傳送：依靠標(biāo)志位進行通訊