计控复习材料.docx

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1、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 heshe will suffer a unexpected accident in someday Death Note (To delete this word ,you will face the evil). 第一章 绪论 计算机控制系统概述 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

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。 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。 常用的计算机控制系统主机计算机控制系统的典型形式 操作指导控制系统 ，属于 开环控制结构。 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。 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+DC 的 C 分级控制系统 两种模式

3、。 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 。 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。 综合自动化系统 计算机控制系统的发展概况和趋势计算机控制系统的发展概况：硬件、软件、理论。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。数控技术发展概况 数字控制原理 数字控

4、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。 数字控制系统分为开环和闭环两类。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）.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

5、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

6、别。例题1 :若加工第一象限直线 OA,起点0(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F数偏差判别坐标进给偏差计算终点判别匕点F0=0Nxy=181F0=0+XF1=F0-ye=-7Nxy=172F10+XF3=F2-ye=-3Nxy=154F30+X

7、F5=F4-ye=1Nxy=136F50+XF6=F5-ye=-6Nxy=127F60+XF8=F7-ye=-2Nxy=109F80+XF10=F9-ye=2Nxy=811F100+XF11=F10-ye=-5Nxy=712F110+XF13=F12-ye=-1Nxy=514F130+XF15=F14-ye=3Nxy=316F150+XF16=F15-ye=-4Nxy=217F160+XF18=F16-ye=0Nxy=0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。解：插补计算过

8、程如表 3 2所示。终点判别仍采用第二种方法，设一个总的计器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=0x0=6,y0=0Nxy=121F0=0 -XF1=0-12+1=-11x1=5,y1=0Nxy=112 F10 +Y F2=-11+0+1=-10 x2=5,y2=1Nxy=103F20 +YF3=-10+2+1=-7x3=5,y3=2Nxy=94F30 +YF4=-7+4+1=-2x4=5,y4=3Nxy=85F40 -XF6=5-10+1=-4x6=4,y6=4N

9、xy=67F60 -X F8=5-8+1=-2 x8=3,y8=5Nxy=49F80 X F10=9-6+1=4 x10=2,y10=6 Nxy=2 11 F100 - X F11=4-4+1=1 x11=1,y11=6 Nxy=112 F110 - X F12=1-2+1=0 x12=0,y12=6 Nxy=0123456多轴步进驱动控制技术 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v1.0可编辑可修改式中，N是步进电动机的工作拍数；z是转

10、子的齿数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 偏去。data segment XE DB xe YE DB yz FM DB 0 ZF DB 0 data ends MOV AL , XE ADD AL , YE MOV CL , AL ; CL 存 NXY LAB1 : MOV AL , FM CMP AL, 00H JGE LAB2 MOV ZF , 03H MOV AX ,

11、FM ADD AX , XE MOVFM , AX JMP CONTROL LAB2 : MOV ZF , 01H MOV AX , FM SUB AX, YE MOVFM , AX CONTRO : LDEC CL JNZ LAB1 RET第一象限逆时针圆弧插补饱入Yd NXY.置HUR. XM=XiK YM=YoFM=FM YYM T| | FM=FMq时，有mudnv根据以上给出了确定 (z)时必须满足的约束条件，可求得最少拍控制器为F2(z)D(z)1 (z)G(z)(1 z 1)q jF1(z) , j F2(z) , j q G (z)F1(z)G(z) 1 (z)根据上述约束条件

12、设计的最少拍控制系统，态 制系保证了在最少的几个采样周期后系统的响应在采样点时是稳态误差为零，而不能保证任意两个采样点之间的稳误差为零。这种控制系统输出信号y(t) 有纹波存在，故称为最少拍有纹波控统，上式的控制器为最少拍有纹波控制器。最少拍无纹波控制器的设计原因：控制量u(t) 波动不稳定后果：输出有波动，造成机械机构的摩擦市(z)必须包含G(z)的分子多项式B(z),即市(z)必须包含G(z)的所有零点。这样，原来最少拍无纹波系统设计时确定(z)的公式应修改为(z) z dB(z)F 2(z) z d (1 biz 1) F2(z)i13为G(z)的所有零点数；bi、b2、？ b为G(z)

13、的所有零点。确定市(z)必须满足下列要求：(1) 被控对象 Gc(s) 中含有足够的积分环节，以满足无纹波系统设计的必要条件。并求出 G( z) ，写成因子形式。选择中(z)。包含G( z)所有的零点。 选择 e(z)。包含G(z )在单位圆外、圆上的极点。(4) 选择 F1(z) 和 F2(z) 阶数 m 和 n ，形式。若G(z)中有j个极点在单位圆上，当 j &q时，有md nvjq若G(z)中有j个极点在单位圆上，当j q时，有mdnv纯滞后控制技术达林算法达林算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数中(s)相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联，即1s(5) e sT s 1整

14、个闭环系统的纯滞后时间和被控对象Gc(s)的纯滞后时间T相同。闭环系统的时间常数为T,纯滞后时间T与采样周期T有整数倍关系，bNT。用脉冲传递函数近似法求得与中(s)对应的闭环脉冲传递函数中(z)(z) Y(z) z 1 eTs? e s(z)(1 e TtTt)z iN 1GcKeTisGc(s)是带有纯滞后的一阶惯性环 针对不同的被控对象，即 节或二阶惯性纯滞后环节Gc(s)K(1 T1s)(1 T2s)R(z) s Ts 1(z) 1 eTT z1(1 e TT )(1 eTT1zT T 1ezD(z)K(1 e T T1 ) 1(1TT N 1 e )z我们可以容易的得到相应的数字控制

15、器D(z)的形式D(z) (1 eTT )(1 eT T1z 1)(1 eTT2z1) K(C1 C2z1) 1 eTTz1(1 eTT)z N 12.振铃现象及其消除 所谓振铃，是指数字控制器的输出以二分之一采样频率大 幅度衰减的振荡。带纯滞后的一阶惯性环节被控对象为带纯滞后的一阶惯性环节 时求得极点u(z)(z)G(z)(1 eTT )(1K(1 e T T1)(1T T1 1e 1z )T T 1e z )TT显然z 永远是大于零的。故得出结论：在带纯滞后的一阶惯性环节组成的系统 中，数字控制器输出对输入的脉冲传递函数不存在负实轴上的极点，这种系统不存在振铃现象。带纯滞后的二阶惯性环被控

16、制对象为带纯滞后的二阶惯性环节时，节有两个极点， 第一个极点在第二个极点在在Tf0时，有u (z) G(z)(1 eTT)(1 eTT1z 1)(1 eTT2z1) eTT z1)(1KC1(1CC2z1) 不会引起振铃现C1z e TTC2C1lTimC2C1说明可能出现左半平面与 z=-1相近的极点，这一极点将引起振铃现象。这一极点将引起振铃现象。振铃现象的消除: 有两种方法可用来消除振铃现象。第一种方法是先找出 D(z) 中引起振铃现象的因子 (z=-1 附近的极点 ) ，然后令其z=1 ， 根据终值定理，这样处理不影响输出量的稳态值。下面具体说明这处理方法。(1 eTTT)T(1 eD

17、(z) 1K(C1 C2z 1) 1TT1z1)(1 eTT2z1)eTTz1 (1 eTT)zN 1其极点 z 振 铃极点。C2将引起振铃现象，令极点因子C1 C2 (1 e T T1)(1 e(C1+C2T T2)z-1) 中的 z=1 ，就可消除这个消除振铃极点 z=-C2/C1 后，有D(z)(1 eT T )(1 e T T1z1)(1 e TT2z1)K (1 e T T1)(1 e T T2) 1 e T T z 1 (1 e TT )z N 1这种消除振铃现象的方法虽然不影响输出稳态值，但却改变了数字控制器的动 态 特性，将影响闭环系统的瞬态性能。第二种方法是从保证闭环系统的特

18、性出发，选择合适的采样周期 T 及系统闭环时间常数T g使得数字控制器的输出避免产生强烈的振铃现象。从ra C2 e T T e T T1 e T T2C1中可以看出，带纯滞后的二阶惯性环节组成的系统中，振铃幅度与被控对象的 参 数T1、T2有关，与闭环系统期望的时间常数 Tt以及采才周期 T有关。通过 适 当选择T和Tt;可以把振铃幅度抑制在最低限度以内。有的情况下，系统闭 环 时间常数Tt作为控制系统的性能指标被首先确定了，但仍可通过选择采样周期T 来抑制振铃现象。达林算法步骤：(1)根据系统的性能， 确定闭环系统的参数 T-给出振铃幅度 RA的指标； 由所确定的振铃幅度RA 与采样周期

19、T 的关系，解出给定振铃幅度下对应 采 样周期，如果T 有多解，则选择较大的采样周期(3)确定纯滞后时间t与采样周期T之比(灯)的最大整数 N;(4)求广义对象的脉冲传递函数G(z)及闭环系统的脉冲传递函数市(z)；(5) 求数字控制器的脉冲传递函数D(z) 。作业解答：=10(1 - Z-1)Z Ar -= 5(左一1)+ 3(k - 2)+ * *e(k) = S(k)岚左）=0.均依一1）一0.0方（此一2）十一一 卜1本通 按单少拍上盘他 驾壁：QC,计的结果与此相同、0Znm Ji M h- h1jni工.41_1第六章：先进控制技术从X到Y的一个模糊关系R ,表示X Y论域上，描述

20、模糊条件语句“若 A则B 的模糊关系，其隶属函数为A B(x, y)A(x) B (y) 1A(x)模糊控制器主要包括输入量模糊化接口、知识库、推理机、输出清晰化接口四模网化核I J消咖化拉LJ部分，如下图所示另外实验考试也是闭卷考，你跟同学门说一下主要复习以下几方面内容。 1 、达林算法，特别是D （ Z ） 表达式。2 、 D/A 、 A/D 转换，给出数字量如何计算模拟量，或反过来。3、如何选择采样周期4、几种整定PID 参数的步骤5、实验中超调量、调节时间、峰值时间、稳态误差等数据的计算= ，试写出相应数字控制器的 位置型和增量型控4. 已知模拟控制器的传递函数为制算式，设采样周期 T

21、= 。解：根据 = ，得到 , 即令 m=, 则：所以:9.已知被控对象的传递函数为采样周期T=1s,采用零阶保持器。要求：(1)针对单位速度输入信号设计最少拍无纹波系统的D(z),并计算输出相应y(k)、控制信号u(k)和误差e(k)序列，画出它们对时间变化的波形。(2)针对单位阶跃输入信号设计最少拍有纹系统D(z),并计算输出相应y(k)、控制信号u(k)和误差e(k)序列，画出它们对时间变化的波形。解：广义脉冲传递函数为d=0,u=0,v=1,j=1,q=1m=u+d=0,u=v-j+q=1对于单位速度输入信号选择:所以10(Z)1 - 2 111ID In) -G(z) 1 - 0(z

22、)z-1(9 + z-1)1 - z-19 + zE(z)二 0e(z)R(z) = 1 = J - f 1 k 二 0e(k) -(0 卜二 1.2Y(z尸R(z)=所以所以 k=0,1,2卜。M，一d=0,v=1,w=0,q=2,j=1 jq对于单位阶跃信号Y(z)=R(z)11.被控对象的传递函数为采用达林算法设计数字控制器 D(Z),并求取u(k)的递推形式 解：取T=1S, =1 , K=1 , T1=1 , L= 1,设期望闭环传递函数的惯性时间常数T0=o则期望的闭环系统的脉冲传递函数为：广义被控对象的脉冲传递函数为:又,则上式反变换到时域，则可得到：7. 编制一个能完成中位置滤

23、波加上算术平均值滤波的子程序。 设对变量采样测 量7 次， 7 个采样值排序后取中间的 3 个采样值平均，每个采样值为 12 位二进 制。解：#define N 12 char filter() char count,i,j; char value_bufN; int sum=0; for (count=0;countN;count+) value_bufcount = get_ad(); delay();for (j=0;jN-1;j+)for (i=0;ivalue_bufi+1 ) temp = value_bufi;value_bufi = value_bufi+1;value_buf

24、i+1 = temp;for(count=1;countA) return value;return new_value; / #defineN 11 /N(value-new_value A)中位值滤波 /值可根据实际情况调整char filter()char value_bufN;char count,i,j,temp;for (count=0;countN;count+) value_bufcount=get_ad(); /获取采样值delay();for (j=0;jN-1;j+) / 采样值由小到大排列，排序采用冒泡法 for (i=0;ivalue_bufi+1)temp=valu

25、e_bufi; value_bufi=value_bufi+1;value_bufi+1=temp;return value_buf(N-1)/2; / 取中间值/ 算术平均滤波/ #define N 12 char filter()int sum=0;for(count=0;countN;count+)sum+=get_ad();delay();return (char)(sum/N); / 去极值平均滤波/#define N 11 /N 值可根据实际情况调整int sum=0;char filter()char value_bufN;char count,i,j,temp;for (count=0;countN;count+)value_bufcount=get_ad(); / 获取采样值delay();for (j=0;jN-1;j+) / 采样值由小到大排列