计控复习材料

1、计算机控制技术复习整理(Edited by BensonKong)Caution:Anyonewho takes advantageof this set of materials must not cheat in the exam,orheshe will suffer aunexpected accident in somedayDeath Note(To delete this word ,youwill facethe 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

2、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

3、控制系统DCS也叫分布式控制系统。结构模式为：“操作站一控制 站一现场仪表” 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：“操作站一现场总线智能仪表”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:连勢空薔！J系统白勺央型鱼吉住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

4、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(PCINNC结构式数控系统和NCINPC结构式 数控系统)32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，

5、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； 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； 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

6、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。步数偏差判别坐标进给偏差计算终点判别步数偏差判别坐标进给偏差计算终点判别起点F0=0Nxy=181F0=0+XF仁FO -ye= -7Nxy=172F10+XF3=F2 -y

7、e= -3Nxy=154F30+XF5=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

8、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=0x0=6,y0=0Nxy=121F0=0-XF1=0 -12+1= -11x1=5,y1=0Nxy=112F10+YF2= -11+0+ 仁-10x2=5,y2=1Nxy=103F20+YF3=-10+2+仁-7x3=5,y3=2Nxy=94F30+YF4= -7+4+仁-2x4=5,y4=3Nxy=85

9、F40-XF6=5 -10+1= -4x6=4,y6=4Nxy=67F60-XF8=5 -8+1= -2x8=3,y8=5Nxy=49F80-XF10=9-6+1=4x10=2,y10=6Nxy=211F100 -XF11=4 -4+1 = 1x11=1,y11=6Nxy=112F110 -XF12=1 -2+1=0x12=0,y12=6Nxy=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：2?=扁 360 /?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?一一?= _= 360 /(?拍就执行一次

10、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。3X5三拥步进电机有哪几种工作方式？分别画岀毎种工作方宣的各相逋电爐序和电圧波形图.解：有三种工作方式：(1)三相单三拍工作方式各相的逋电顺序为ATY.各相通电的电压波形如图31所示*步进时钟n n n n n nBM匚相 图3单三拍T作的电IE波闿图三相双1拍作方式収三拍工作方式各悄的逋电取序为各相逋电的电IE液册如图所示.* nji_rLrL_n_rLrLTLrL_rLrLrLrLrLJi_- LLJ U_LJ L词 _1|_| LI U L“ Lrn

11、jltj职三帕工作的电压披册團(3)三相汽抽工作方成布反应式步诜电HI梯制中，把单-拍和观二柏工作方式結合起宋，就产牛了木拍工件方此 其谊电顷 序为AAB BHC(A.各相通电的电压波形如图3,3所扃*“仲 rLrUUUUUUUUUUULTLTL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。datasegme ntXE DBxeYEDByzFMDB0ZFDB0dataendsMOVAL，XEADDAL，YEMOVCL，AL ；C

12、L 存 NXYLAB1:MOV AL，FMCMPAL，OOHJGELAB2MOVZF，03HMOVAX，FMADDAX，XEMOVFM，AXJMP CONTROLLAB2: MOV ZF, 01H置FM我输入XE+YEMOV AX，FMSUB AX，YEMOV FM， AXCONTROLIIIDEC CLJNZ 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T3. 将D(s)离散化为D(z)(1)双线性变换法sTsTz ee2s

13、Te21 si l 1 si22 1 sT L 芦22省，D(z)D(s)2 z 1s T z 1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+sTD(z) D(s)sTz 1s 由上式可得T(3)后向分差法利用级数展开还可将Z=esT写成以下形式sTesT e1z 1，s J，D(z) D(s) zi1 sT Tzs tz4. 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

14、。3. 模拟PID控制规律为u(t) Kp e(t)丄 te(t)dt TD 呼Ti 0dt对应的模拟PID调节器的传递函数为D(s)U(s)E(s)Kp(1TdS)KP为比例增益，KP与比例带S成倒数关系即KP=1/ STI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u(k) Kp e(k)Ti i 0e(i)Tde(k) e(k 1)T5.数字PID位置型和增量型控制算法的表达式位置型?= ?+增量型?=? ?1) = ? ?1) + ?+ ?(?1) + ?2)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

15、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 1,即d个采样周期的纯滞后。则，重新表示G (z)有：zd u (1 biz1)G(z) G(z)(1 aiz 1)i 1G(z)是G(z)中不含单位圆上或圆外的零极点部分由式D(z)G；Z)1(z)可以看出，为了避免使G(z)在单位圆外或圆上的零点、极点与 D(z)的零点、极 点对消，同时又能实现对系统的补偿，选择系统的闭环脉冲传递函数时必须满 足一定的约束条件！2.e(z)

16、的零点的选择e(z)的零点中，必须包含G(z)在z平面单位圆外或圆上的所有极点，即有Dg1黑(因为：e(Z),的分母相同，化简后，只剩下各自的零点部分，而G(z)的零极点位置对换)v 11 qe(z) 1(Z)(1 aiZ ) (1 z )qF1(z)i 1上式中，F1(z)是关于z-1的多项式，且不含G(z)中的不稳定极点ai。为了使e(z)能够实现，F1(z)应具有以下形式F1 (z)=1+f 11Z-1+f 12Z-2 +f1mz-m若G(Z)有j个极点在单位圆上，即Z=1处，则由终值定理可知，e(Z)的选择 方法应对上式进行修改。可按以下方法确定e(z):e(z)1(Z)v j(1 a

17、iZi 11) (11 qZ )qF1(z)若jq,则e(z)1(Z)v j(1 aiZi 11) (1Z )JF1(z)3.的零点的选择由式D(z)1(z)G(z)1(Z)知，的零点中，必须包含G(z)在z平面单位圆外或圆上的所有零点，以及 纯滞后部分，即有u1(Z) Z d (1 biZ ) F2(z)i 1F2(z)是关于Z-1的多项式，且不含G(z)中的不稳定零点bi。为了使(z)能够实 现，F2(z)应具有以下形式：F2(z)=f 21 Z-1+f 22Z-2+ +f 2nz-n4.F1(z)和F2(z)阶数的选取方法可按以下进行(1) 若G(z)中有j个极点在单位圆上，当jq时，有

18、mudn v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D(z)1 (z)丽1 (zG(z)(1 z1)q,jF(z)1(z) z B(z)F2(z) z1(1 bz ) F2(z)根据上述约束条件设计的最少拍控制系统，只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 态误差为零。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 制系统，上式的控制器为最少拍有纹波控制器。4.2.4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 必须包含G(z)的分子多项式B(z)

19、,即必须包含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ddi 13为G(z)的所有零点数；bi、b2、b为G(z)的所有零点。确定(z)必须满足下列要求：(1)被控对象g(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。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。选择Fi(z)和巨阶数m和n,形式。 若G(z)中有j个极点在单位圆上，当j q时，有m dn v4.3纯滞后控制技术4.3.2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(s)相当于一个延 迟环节和

20、一个惯性环节相串联，即整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，T =NT。T ss 1 es(s)对应的闭环脉冲传递函数(z)(11T T、 N e )zT T 1e z针对不同的被控对象，即gg)是带有纯滞后的一阶惯性环节Gc(s) K e s1 s或二阶惯性纯滞后环节Gc(s)(1 s)(1 T2S)我们可以容易的得到相应的数字控制器 D(z) 的形式D(z) (1 e TT )(1 eT T1z 1)D(z) K(1 eT T1) 1 eT T z 1 (1 eT T )z N 1D(z)(1 eT

21、T )(1 eTT1z 1)(1 eTT2z 1)K(C1 C2Z1) 1 eTTz1 (1 eTT)zN12.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)焉(1 eTT)(1 eTT1z1)K(1 e7T1)(1 eTz1)eTT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节u(z)-(z)-G(z)(1eTT )K6(1有两个极点，第一个极点在zTT

22、e第二个极点在zC2C1在TT 0时，有被控制对象为带纯滞后的二阶惯性环节时，limT 0C2_eT Tz 1 _e eTT z1)(1 zC1不会引起振铃现象T J1)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If you are a true man or a lovely girl,please do not cheat in the exam.Oryou will be minimized! 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 中的z=1，根据终值定理，这样处理不影响输出量的

23、稳态值。下面具体说明这种处理方法。D(z)丁1(1：人1其极点zC2将引起振铃现象，令极点因子(G+C2z-1)中的z=1，就可消除这个振铃极点。C1 C2(1 eT T1 )(1 eTT2)消除振铃极点z=-C2/C1后，有D(z)(1 eT/T)(1 e?1z1)(1 eTT2z1)K(1 eTT1 )(1 eTT2) 1 eTTz1 (1 e)zN1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性出发，选择合适的采样周期T及系统闭环时间常数Tt,使得数字控制器的输出避免产生强烈的振铃现象。从RA C2

24、 eTT eTT1 eTT2C1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 T t以及采样周期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Tt ,给出振铃幅度RA的指标；(2)由所确定的振铃幅度RA与采样周期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确定纯滞后时间T与采样周期T之比(t/T)的最大整数N

25、;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;(5) 求数字控制器的脉冲传递函数D(z)。作业解答:P165 4题已知模拟调节器的传递函数为D(s)=1+0.17510.0855设来样周试写出相应数字控制器的位置型和增量型控制算式, 期 T = G2s 口答:位置型控制算式为u(A?) = 0.0 Sufi1) +1 -46e(ft) - 0.38e(it -1)增量型控制算式为= u(k) u(k 1)-0. 08m(上1)十 1 4-6e(k)-0.38e(fc-1)- 1)=-1 0甌(七一 1)+03 M (C- 1)Pl65 9题 己知被控对象的传递函数为-2:(045

26、 + 1)釆样周期T=ls,采用寒阶保持器。要求：(2)针对单位阶跃输入信号，设计最少拍有纹波系统D(Z),并计u(k).莊伙)序列，10出它们对时间变化的波形。= io(i-z_,)z105(0.15+1)=(1 一訂)Z10f (0.B +1)十0我4 10由被扌空对象传逼函数” 由广 此村象彳专逋函数,= O- v = 1 j = 1.= O3 = a, 得心 t7(z) = A(z)Cz)= 2= z: 4-z_; +z2 1-1- zE=R(z(z)=(1屮)=11- zt7()r(z)D() = lx1+0.12第六章：先进控制技术从X到Y的一个模糊关系R,表示XXY论域上，描述模

27、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)1 A(x)JS用較爭的是恆制食详甬毎旳一飛春言格式为“若则2T舌贝I C化R = ( J X J U (X C 或:为R = (ab) V (a -c)其中# a盍论廉乂上，对应于X上的硬糊子索A ; b c在谕域Y上，对应于Y上日帳糊干集B C .-clmXXY 的一介模糊子乘盈：it=tXxJJ)UMxe)J 则議属函-*jv,wvjrjnfw二二 M (.4) V C4 -* C ) (s7 y； = .iiA |；K)A Lis ： y) D V : 1 /.1A (i) ?vpc (r) IiRn

28、*wA-Y若备人/HL 理据樹J共斋的會戍规则.即叮檢下式山谒辐出泾H= A R- J (m=u+d=0,u=v-j+q=1? ? ?*?=对于单位速度输入信号)(1 ?w?= 1 ?(?=选择：? ?日1 ? ?1 1 ? ?1)?=1 ? ?1?(?= 1 ?= ?1 = ?刃所以？= 1，?(?= ?11 ?(?(?=?1?111 ? ?(9 + ?(?)?(?= ? 1 = ?= 1,21 ? ?9 + ?V1?=Y(z)=R(z?( ?01f?=所以? ?1?=2U(z) = E( z)D(z)= 罕9+ ?1所以U(k)1 19(?9)? kZ1 ? ?1? 1?9?( ?= g?

29、1 + ? ?(?= 2?1 ? ?d=0,v=1,w=0,q=2,j=1 jvq? ?+ ? 1 =?= 21?=对于单位阶跃信号1 ? ?= (1 7?1)2?= 1 ? ?(?= ? = 2,? =? 1 = ?(?=1 心?(?)?(?)?= ?= (1 ?2?1 ? ? 1 ? ?1(9 + 7?1) (1 ?1)2? 1) 2 ?1= ?1)(1 7?1)2?(?)Y(z)=R(z?(? 2?2 + 3洱 + 4秒 + ?=?能平* 2,3 ?1(2 ?丹) U(z) = E( z)D(z)=(1 ?V)(9 + ?V)(?)?= 0.1 ?(?1)-1.1* 97fU Ui r

30、N -?(?=采用达林算法设计数字控制器11.被控对象的传递函数为? 1 D(Z),并求取u(k)的递推形式。解:取t=1S?，K=1，T1 = 1, L=?待？，设期望闭环传递函数的惯性时间常数T0=0.5S则期望的闭环系统的脉冲传递函数为：E? ?2(1 ? ?2)?222?1=“ ?1 1?龙洱广义被控对象的脉冲传递函数为：? ?+ ?=(1 ?1)?刃?疔(1 ?丙)1 ? ?1?1?7?1 ? ?1L3680?t.5033?11 ?0.1353?1 ? 0.8647?2榕?竺 又？?（贝?）?(?)? 0.1353 ? ? 0.8647?；?= 1.3680? 0.5033 ?1 ?

31、(?)上式反变换到时域，则可得到:?= 0.1680? 0.5033?(1) + 0.1353? 1) + 0.8647?视?？7. 编制一个能完成中位置滤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:#defi ne N 12char filter；)char count,i,j;char value_bufN;int sum=0;for (count=0;countN;count+)value_bufco unt= get_ad();delay();for (j=O；jN-1;j+)for (i=O;ivalue_b

32、ufi+1 )temp = value_bufi;value_bufi = value_bufi+1;value_bufi+1 = temp;for(co un t=1;co un tA)” (value-new_valueA) return value;return new_value; 一 一/中位值滤波 /#defineN11/N值可根据实际情况调整charfilter()charvalue_bufN;char count,i,j,temp;for (count=0;countN;count+)”十value_bufcou nt二get_ad();/ 获取米样值delay(); 一 一f

33、or (j=0;jN-1;j+)/米样值由小到大排列，排序米用冒泡法for (i=O;ivalue_bufi+1) 一 一temp=value_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 /#defi neN 12charfilter()int sum=0;for(co un t=0;co un tN;co un t+)sum+=get_ad();delay();return (char)(sum/N);/去极值平均滤波/#defineN 11/N值可根据实际情况