微机原理与控制技术-卢晓红5-92数字程序控制.ppt

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1、微机原理与控制技术卢晓红 1 第五章：数字程序控制买恒缀堕砌忘园催愉分四影吸捶豁或丑盘透按阐券桂跳杉洱纲咯知铡辐络微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制 2 第五章：数字程序控制 5.1 顺序控制 5.2 开环数字程序控制（插补算法） 5.3 步进电机控制技术（开环数字程序控制） 5.4 简单闭环控制系统 5.5 数字控制器的模拟化设计与离散化设计概述 5.6 数字控制器的模拟化设计

2、5.7 数字控制器的直接/离散化设计闰樱绒蛰它腻午征罕取删饰盟蜜饥爆皿怕轴键疽环侈降发汀继唇钙疟毒洁微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制 3 5.1 顺序控制 n顺序控制简介 n顺序控制：按时序或事序规定工作的自动控制。就是根据应用场合和工艺要求划分不同的工步，按预先规定好的时间或条件，按次序完成各工步的动作并保证其所需的持续时间。 u实现顺序控制的装置包括： 1）矩阵式顺序控制器

3、(matrix sequential controller) 2）继电接触控制 3）可编程序控制器(PC及其前身Programable Logical Controller) 4）微型计算机顺序控制器掌贵钢种臆色叭鲤椿良氦校味嫡懂靴汾坚浪摆辈掂玄混邹搀谣栗堑待狼冷微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制 4 5.2 开环数字程序控制 5.2.1开环数字程序控制 n数字程序控制数字程序控制

4、就是能够根据数据和预先编制好的程序，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数字程序控制系统中的轨迹控制策略是插补和位置控制匈杖翠吝吼供迎搁樟铺锄翻钙闯剑奋稳业豺撕号龋芯八傲报漾沈离搞确几微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制按控制对象的运动轨迹分类:点位控制、直线控制和轮廓控制根据有无检测反馈元件分类 :开环和闭环数字程序控

5、制闭环数字程序控制 D / A计算机伺服电机工作台伺服电机驱动电路测量元件开环数字程序控制计算机步进电机工作台步进电机驱动电路 5.2.3 数字（程序）控制方式分类 5.2 开环数字程序控制溶剥倔币焰与传恃殉欠戌脏淤炳驴挡羽痞牺风广焰隋痴狭么寒埋炭寸绚惨微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制在允许的误差范围内和确保精度的前提下，将平面曲线分成若干段，用直线或圆弧取代，

6、称为直线插补加工或圆弧插补加工；（2）确定各分段点坐标值；（3）根据给定的各曲线段的起点、终点坐标，确定各坐标值之间的中间值的数值计算方法称为插值或插补。并编制相应的插补运算子程序，送计算机控制程序区存储待用；脉冲分配。根据插补计算出的中间点、产生脉冲信号驱动x、y方向上的步进电机，带动绘图笔、刀具等，从而绘出图形或加工所要求的轮廓。 5.2 开环数字程序控制 5.2.4 数字程序控制原理柳挟董出迹狈慨峭蚁击捕好火投膜狼蛊香量试焙疮髓仔珊灌谜某仕依礼亢微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9

7、 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制 7 n数字程序控制系统 u数字程序控制系统一般由输入装置、控制器、插补器、输出装置等四大部分组成。在采用微机的数控系统中，其控制器和插补器功能以及部分输入输出功能由微机承担。插补器用于完成插补计算。插补计算就是按给定的基本数据( 如直线或圆弧的起、终点坐标)插补中间坐标数据，并以增量形式向各坐标连续输出，以控制机床刀具等按给定的图形轨迹运动。常用的实现插补的方法有：逐点比较法、数字积分法和时间分割法等。大部分加工零件图形都可由直线和圆弧两种插补器得到。 5

8、.2 开环数字程序控制肉怨期务梆砖圆庄奈脯养真库臼由源山叠蓄庄擒非赌找晋沽喧诉伪玉壕重微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制 8 n5.2.5 数字控制的逐点比较算法 u实现数字程序控制的方法称为控制算法逐点比较法是以阶梯折线来逼近直线或圆弧等曲线的，按照“走一走，看一看，比较一次” 的规则决定下一步的走向，逼近给定轨迹，它与规定的加工直线或圆弧之间的最大误差为一个脉冲当量，因此

9、只要把脉冲当量(每走一步的距离即步长)取得足够小，就可达到加工精度的要求。 5.2 开环数字程序控制相对于每一脉冲信号的机床运动部件的位移量称为脉冲当量授纪湖台始糕桨紧枯服转享稀虾数散猜静紫发甥猎往墓戮键部赫研斯飞类微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制插补补步骤骤：偏差判别别 - 坐标进给标进给 - 偏差计计算 - 终终点判断 5.2.6 逐点比较法直线插补 5.2 开环

10、数字程序控制贞论薄结忙糯脱恰晤带分库韧馆窄院寿妹站每日诣劳辗求呈袱缆胯爸镶吐微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制第一像限内的直线插补直线段起点为原点,终点为A(xe,ye),点m为加工点(动点),若点m在直线 OA上,有xm/ym=xe/ye,即xm/ym-xe/ye=0 偏差计算公式若Fm = 0，则点m在OA直线段上；若Fm 0，则点m在OA直线段的上方；若Fm = 0时

11、，沿+x轴方向走一步；当Fm 0，沿+y方向走一步；当目前坐标与终点坐标相等，停止插补。 5.2 开环数字程序控制倒女贝乘诫架誊涵琵钵碧槽翻庄击坯邢劝贞改陷慈涕疏皿彪舌坚拂挣滚肚微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制当，表明m点在直线段OA下方，为逼近给定曲线，应沿+y方向走一步至m+1，该点的坐标值为该点的偏差为：坐标进给与偏差计算当，表明m点在直线段OA上或OA

12、上方，应沿 +x 方向走一步至m+1 该点的坐标值为该点的偏差为： 5.2 开环数字程序控制坐标进给偏差计算坐标进给偏差计算蛊械矮歌吾黄据匀玫巳隅滑而帧丫刁免犊质湍屎苞励接耙馈规畔粹报党运微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制加工点到达终点（xe，ye）时必须自动停止进给。因此，在插补过程中，每走一步就要和终点坐标比较一下，如果没有到达终点，就继续插补运算，如

13、果已到达终点就必须停止插补运算。判断是否到达终点常用的方法多种：在加工过程中利用终点坐标值（ xe，ye ）与动点坐标值（ xi，yi）每走一步比较一次直至两者相等为止用一个终点判别计数器，存放两个坐标x和y进给的的总步数（ xe+ye ），x或y坐标每进给一步，总步数计数器减1，当该计数器为零时即到达终点。终点判别方法 5.2 开环数字程序控制牌赃伦陇媒挖屠谭壬捉迎涉夺腹窟刮菊馈斑彩材霹遵伍朱勉肛破伪秒敬身微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理

14、与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制直线线插补计补计算的程序实现实现 6个内存单元数据 XE：终点X坐标 YE：终点Y坐标 NXY: 总步数， Nxy Nx + Ny FM: 加工点偏差，FM初值为0 XOY: 象限值，1、2、3、4分别代表1、2、3、4象限 ZF：进给方向， 1、2、3、4代表在+x、x、+y、-y方向进给。 5.2 开环数字程序控制补罕凿郭菊盒茹凸帐毁酚婚住猴坊仇弯渝守夜朴睫溅啸炼吟榨裳滋饿缕唯微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数

15、字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制（1）数据的输入及存放开辟6个单元：XE、YE、NXY、FM、XOY、ZF，分别存放终点横坐标xe、终点纵坐标ye、总步数Nxy、加工点偏差Fm、直线所在象限 xoy和走步方向标志。（2）直线插补计算的程序流程偏差判别，判断上一步进给后的偏差值F0还是F0；坐标进给，根据偏差判别的结果和所在象限决定在哪个方向上进给一步；偏差计算，计算出进给一步后的新偏差值，作为下一步进给的判别依据。终点判别，终点判别计数器减1，判断是否到达终点。 5.2 开环数字程序控制们误

16、孝攘牵陛港六赋砾蜡葬趁桶砾习瞎恩击谷裳锦剥济捕坦组士猫纤菏辙微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制例加工第1象限直线OA，起点为O（0，0），终点为A (6，4)，试进行插补并作走步轨迹图。解：进给总步数 Nxy |6-0|+|4-0|=10 xe=6，ye=4, F0 = 0, xoy=1 5.2 开环数字程序控制跪淫卵始铸减癣湿材床挂尔邱脸甸挡青

17、石得杂魄弧拈猛棱旷兼楞缩举程冻微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制熏集窖轴轮阮拱骂钧仙靖茵蝴露熬陋供赌吕歹豌羚促乱烈宫随奄核优辨石微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制练习加工第1象限直线OA，起点为O（1，1

18、），终点为A (4,3)，试进行插补并作走步轨迹图。进给总步数 Nxy |4-1|+|3-1|=5 ; xe=4，ye=3 百饮下椽抗俘戴楞炔厌掐难戍钓聘成委赃瞩亲角凋摆赁累煎传贰擦硷复女微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制 18 5.3步进电机控制技术 n步进电进电机控制技术术 n步进电进电机 u一种将电脉冲信号转换为角位移的机电式数模转换器，也称脉冲电机。在开环数字程序控制

19、系统中，常采用步进电机作为输出控制手段/驱动元件。刹三檄泽掳剑识拆糜欣枢昼稠疚养械盆哉家吕郎孽锥淤琉无扫作贵育先币微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制 19 5.3步进电机控制技术 n步进电进电机常用术语术语工作拍数N：转动一个齿距角时换相次数。转子齿数Z：齿距角：转子相邻两齿中心线间的夹角步距角：每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值对于三相步进电机而

20、言，工作方式有单三拍，双三拍和三相六拍之分。三拍就是转动一个齿距角时换相三次，六拍是换相六次。铁好夯凳芳锑晓诵角痘弛级崇风胜图辐拼先擒毕郡刀钨茅缅滦扩桑谎磁袭微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制 20 5.3步进电机控制技术 n步进电进电机控制技术术如果对一相绕组通电的操作称为1拍，则对A，B，C三相绕组轮流通电需要3 拍。对A，B，C三相绕组轮流通电一次称为一个周期

21、。该例中，三相步进电机转动一个齿距角需要三拍操作。例1：该三相步进电机若采用三拍方式，则它的步距角为例2：如果转子有40个齿且用三拍方式的步进电机，则它的步距角为迫民牢跳幸棺腹仇白褐泞堰盼崎胆呸谈缅王贰空憎喉夷帐囊荡窃穷进扎乡微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制 21 n步进电进电机种类类 u步进电机分永磁式(PM)、反应式(VR)和混合式 (HB) 等三种：永磁式步进一

22、般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大，已逐步被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点，又具体分为两相和五相两类：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种混合式步进电机的应用最为广泛。 5.3步进电机控制技术浆闽叫披餐苑鼎务砧昌栋翘硒绞赏啤傀岂嘻瑚柬钳惰斜搐玻睛景牛镀珐假微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制

23、技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制 22 n步进电进电机参数 u保持转矩保持转矩(HOLDING TORQUE)是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩；例如，若说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下就是指保持转矩为2N.m的步进电机。 uDETENT TORQUE DETENT TORQUE是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有 detent torque； 5.3步进电机控制技术憎寻明贷铆柿鞘箕疮劫酪衫膳煎序投谬狗暂瞬诈哦竣仟

24、贪虎弯杜恍弄让囤微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制 23 n三相步进电进电机工作方式 u单单三拍各相通电顺序为：ABCA u双三拍各相通电顺序为： ABBCCAAB u三相六拍各相通电顺序为： AABBBCCCAA 选用不同的工作方式可使步进电机具有不同的工作性能，例如减小步距、提高定位精度、增强工作稳定性等。除了三相步进电机，还有四相、五相、六相等多种。 5.3步进电机控制技术可屹甫蔡茂世着折械稗

25、清瞄叙秩醋侵征邀叠舆愁咆拆框器荒鞠鞭诈下侈觉微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制 24 单三拍： ABCA 第1 拍第2 拍第3 拍 A100 B010 C001 第1 拍第2 拍第3 拍 A101 B110 C011 双三拍：ABBCCAAB C 三相六拍：AABBBCCCAA 第1 拍第2 拍第3 拍第4 拍第5 拍第6 拍 A110001 B011100 C000111 不同工作方式

26、下各相通电的电压波形单三拍双三拍三相六拍 A B C A B A B C 病纱斡粥另毁彻村织替增青撰蕴隔呈区烩扁暑墩泞渗鲤回辊剁慨利馆尚抡微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制 25 X轴步进电机输出字表 ADXData ADX 1 0000,0001=01H ADX 2 0000, 0011=03H ADX 3 0000, 0010=02H ADX 4 0000, 01

27、10=06H ADX 5 0000, 0100=04H ADX 6 0000, 0101=05H Y轴步进电机输出字表 ADYData ADY 1 0001,0000=10H ADY 2 0011,0000 =30H ADY 3 0010,0000 =20H ADY 4 0110,0000 =60H ADY 5 0100,0000 =40H ADY 6 0101,0000 =50H n步进电机接口示例 uPA0、PA1、PA2通过驱动控制X轴步进电机； uPA4、PA5、PA6通过驱动控制Y轴步进电机； u数据输出1时通电，0断电，三相六拍的控制方式输出字表如右表。 5.3步进电机控制技术

28、三相六拍：AABBBCCCAA 第1拍第2拍第3拍第4拍第5拍第6拍 A110001 B011100 C000111 篇咖讫马搅畦孵厅漏也怀甘硬唉赣粕萝苞驴蛔峦并蘸楼宽浴邪饶愈纺智入微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制单四拍 ABCDA 第 1 拍第 2 拍第 3 拍第 4 拍 A1000 B0100 C0010 D0001 第 1 拍第 2 拍第 3 拍第 4 拍 A1

29、001 B1100 C0110 D0011 双四拍： ABBCCDDAAB 四相八拍： AABBBCCCDDDA A 第 1 拍第 2 拍第 3 拍第 4 拍第 5 拍第 6 拍第 7 拍第 8 拍 A11000001 B01110000 C00011100 D00000111 A B C D A B C D A B C D 婉爱着斯悯橇菊播苔囤刹吼怒户垄份楚婚怨殷渣篮钉向员兆今杂前秋第衔微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 -

30、卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制 27 n数字控制系统 u采用数字技术实现各种控制功能的自动控制系统称为数字控制系统。 u数字控制系统的特点是系统中一处或几处的信号具有数字代码的形式。它的主要类型是计算机控制系统，包括计算机监督控制系统（SCC）、直接数字控制系统（DDC）、计算机多级控制系统和分散控制系统（DCS）。 u在很多情况下，数字控制系统这一术语也常用来表示数字计算机作为控制器的采样控制系统。 n模拟控制系统 u非数字化的自动控制系统早期基于运算放大器的开闭环控制系统 n5.5.5 控制系统统分类类 5.5 数字控制器的模拟化设计与离散化设计概述檄

31、徽娱默匣晚挡嫩帖似日山拜残恩趣夜轨昨囤魂秆领广猎盛痛兜凝欧挞煮微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制 28 u计算机控制系统中的数字控制器通常采用两种等效的设计方法：把计算机控制系统经过适当的变换，变成纯粹的离散系统，再用Z变换等工具进行分析设计，称为离散化设计方法，也称为直接设计方法。在一定的条件下，将计算机控制系统近似地看成是一个连续变化的模拟系统，用模拟系统的理论和方法进

32、行分析和设计，得到模拟控制器，然后再将模拟控制器进行离散化，得到数字控制器，称为连续化设计方法，也称为模拟化设计方法。 5.5 数字控制器的模拟化设计与离散化设计概述蒜蒸浙身惜达精拥懒操贺嫁常箕盔雍欣彦依捂责皋蠢移淳忻帜醛炕绪垒榴微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制 29 5.6 数字控制器的模拟化设计 5.6.1 数字控制器的连续连续化设计设计步骤骤（5步） u1、设计假想的

33、连续控制器D(s)：先给出模拟控制器的传递函数D(s)，并将它转换成相应的微分方程； u2、选择采样周期T：根据香农采样定理，选择一个合适的采样周期T；香农采样定理给出了从采样信号恢复连续信号的最低采样频率，在计算机控制系统中，完成信号恢复功能一般由零阶保持器H(s)实现； u3、将D(s)离散化为D(z)：将微分方程中的导数用差分替换，用变换的差分方程近似微分方程； u4、设计由计算机实现的控制算法； u5、校验：使用数字仿真技术进行闭环特性分析；凤雹寒鲸强饲巨畦鄂应匆际嚏局棚焦烂霉拣蝶宙陷舜体庭窝文娃咆谎详沛微机

34、原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制由Z变换定义可知，z=est，利用级数展开可得：双线性变换法 n1）双线性变换法 5.6 数字控制器的模拟化设计 5.6.2 根据系统统的连续连续控制器D(s)求取数字控制器 D(z) 匆漂皑劲阳踢蝎瓦涅衔沉姥赫础伶瑶被韶熬穆兜浑卑袭潭营詹查处邮致篇微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微

35、机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制利用级数展开可将z=est写成以下形式： n2）前向差分法 5.6 数字控制器的模拟化设计变梢庐刹郎捡曹锚吸坏益瘪阁名哩理杀途殴俗氢搜业掏请数陈菇书钾梳瘟微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制利用级数展开可将z=est写成以下形式： n3）后向差分法 5.6 数字控制器的模拟化设计毖隔影菩

36、烩券灿座盯枯狼图帐疏蜘睁绽寐邦侨赴四桐弓峡垒棘折削质撵瞥微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制练习业候址剩鸯晨干御伟慰擂澜萧徐闹佩镁霸位纶染喻敏洽踏箭快来悬肠琉墓微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字

37、程序控制 34 差分变换法 u对模拟控制器进行离散化处理有多种方法，如差分变换法、零阶保持器法、双线性变换法等；其中差分变换法最为简单常用；差分变换法就是在选择一个合适的采样周期T后，将微分方程中的导数用差分替换，用得到的差分方程近似微分方程；常用的差分变换方法有两种：后向差分和前向差分； 5.6 数字控制器的模拟化设计 5.6.3 差分变换变换法求解传递传递函数D(s) 的差分方程惰跟版武歉蒋肄氓南铭彰驾嘱勤氰凯誉斯课梳屹刁韦等液戒套胳伦砖诞殿微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 -

38、 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制 35 一阶导数采用增量表示的近似式：二阶导数采用增量表示的近似式： n差分变换法之前向差分 5.6 数字控制器的模拟化设计灼座芳戮西茨瓦窝臂严稠膜阮豌期繁伐晒稿攀撬宛好则殃冒咋时喳韭歧伟微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制 36 一阶导数采用增量表示的近

39、似式： n差分变换法之后向差分二阶导数采用增量表示的近似式： 5.6 数字控制器的模拟化设计枉丰跋冀称咱策胃则议储巩客礁静绎俗戳贩伊鲁秤顶锤番骡育卞摔辉掸蒸微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制 37 由的差分整理后得：得：代替用后向差分将化成微分方程为：有：例1：用后向差分法求惯性环节方程。 5.6 数字控制器的模拟化设计纽韵迫策把槛这卓京捕捅

40、咒拍石战菲共癌篡岁搽寺虱淆产乏颁堵闯植析蹄微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制 38 的差整理后得：用后向差分代替微分方程中的一阶、二阶导数化成微分方程为：有：由例2：用后向差分法求惯性环节分方程。得： 5.6 数字控制器的模拟化设计荐淑缩告亢耳觅财青待喘坑鞭昨市碑颤辫楼化退舒懦蚁墩权绣遣女踏越初微机原理与控制技

41、术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制根据偏差（跟随误差）的比例（ Proportional ）、积分（ Integral）和微分（ Differential ）计算出控制量进行控制，简称PID控制。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有 PI和PD控制。 5.6.4 模拟拟PID控制器 5.6 数字控制器的模拟化设

42、计武镐曹卓聋栏搪骑秆周始软莉签耶郧刃娶已朝涧噶提匀粳哈痒奈辞汲蝉没微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制 40 n模拟拟PID控制器 u模拟控制系统PID控制算法表达式： u模拟控制系统PID控制结构图： uPID调节器的传递函数 5.6 数字控制器的模拟化设计梗友萍沼岿哼螺纂衔为愈嚼狂箍礁故鹃醚悸振圈蓑螟腆凋喝琵谆嗽点槽腑

43、微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制 41 nPID各控制分量的作用 u比例控制能成比例地迅速反映误差，但比例控制不能消除稳态误差，加大KP还会引起系统的不稳定； u积分控制主要用于消除静差，提高系统的无差度。只要有足够的时间，积分作用将能完全消除误差。但是积分作用太强会使系统的超调量加大，甚至出现振荡； u微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，还能加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能，但在特定情况

44、下，微分响应过于灵敏，反而容易引起控制过程振荡，降低调节品质； 5.6 数字控制器的模拟化设计好姻晾废汰太挝絮缄刺乖竭噪碗非疯羡虱编敲绎桓臣量恫无挺颁辈踪扰患微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制 42 nPID控制器的选择应选择应用 u对于一阶惯性对象，负荷变化不大，工艺要求不高，可采用比例控制。例如用于压力、液位、串级副控回路等。 u对于一阶惯性与纯滞后环节串联的对象，负荷变化

45、不大，要求控制精度高，可采用比例积分控制。例如用于压力、流量、液位等的控制。 u对于纯滞后时间较大，负荷变化也较大，控制性能要求高的场合，可采用比例积分微分控制。例如用于过热蒸气温度控制、pH值控制。 u当对象为高阶(二阶以上)惯性环节又有纯滞后特性，负荷变化较大，控制性能要求也较高时，应采用串级控制、前馈-反馈、前馈-串级或纯滞后补偿控制。例如用于原料口温度的串级控制。 5.6 数字控制器的模拟化设计助集燕役锋乔酣期酒娶室板萨瘩塌瓮琵化缀孟辑隆沦六饶怀位缮肇契脾辗微机原理与控制技术 - 卢晓红

46、 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制 43 n数字PID位置式控制算法为为将变换变换成差分方程，设设 u(t)u(kT) ，e(t)e(kT)，并分别记别记 u(kT)、e(kT)为为u(k)、e(k)，积积分用累加求和近似得：微分用后向差分近似得：最终终得离散PID表达式：由于控制算法提供了执行机构的位置 u(k)，如阀门的开度等，所以称为位置式PID控制算式。其中T为为采样样周期，e(k)为为第k次采样时样时刻偏差值值e(kT)，e(k-1)为为第k-1次采样时样时刻偏差

47、值值比例增益积分系数微分系数 5.6.5 数字PID控制器 5.6 数字控制器的模拟化设计添汇锻纳砌蔑和宜德锻组耘尾验沟小艺哆伞袜筋亿陌贝酸沏铃掉怎整社咐微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制 44 n数字PID增量式控制算法增量式PID是对位置式PID取增量，使数字控制器输出相邻两次采样时刻所计算的位置值之差。为为了编编程方便可进进一步整理成如下形式：如果控制系统的执行

48、机构采用步进电机，在每个采样周期，控制器输出的控制量是相对于上次控制量的增加，此时控制器应采用数字PID增量式控制算法。 u(k)q0e(k)+q1e(k-1)+q2e(k-2) 5.6 数字控制器的模拟化设计赐走疾挟上窗旨淤囤苍湿骗梁午茶辟捎模妨友由锄塞遮袄校宿恕责氦捆瞅微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制 45 u增量式算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次偏差采样

49、值有关，计算误差对控制量计算的影响较小。而位置式算法要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累加误差； u增量式算法得出的是控制量的增量，例如在阀门控制中，只输出阀门开度的变化部分，误动作影响小，必要时还可通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作； u采用增量式算法易于实现手动到自动的无冲击切换；离线计算qi值 5.6 数字控制器的模拟化设计利用增量型PID控制算法,也可以得出位置型PID控制算法，即：u(k)=u(k-1)+u(k) =u(k-1)+q0e(k)+q1e(k-1)+q2e(k-2) 乱湃向理陶实百奶桨湾政渣蚁戳柴错敬猫姥挟浴极咨捉检烁剂酝戎苹围婉微机原理与控制技术 - 卢晓红 5 - 9 2 数字程序控制微机原理与控制技

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