计算机控制技术全册配套完整教学课件

计算机控制技术全册配套完整教学课件微型计算机控制技术本书以PC/ISA总线工业控制机为控制工具，系统地阐述数字计算机控制系统的设计和工程实现方法。知识储备主要内容①自动控制理论（经典/现代）②过程控制工程袁uanhong@机械学科楼E楼201作业+平时成绩40%+期末考试60%1~8周一5\6A209，1~6周五3/4A405指定参考书和参考期刊孙增圻，《计算机控制理论及应用》清华大学出版社谢剑英，《微型计算机控制技术》，国防工业出版社王树青，《工业过程控制工程》，化学工业出版社期刊：工业控制机（技术性比较强）、测控技术、电气自动化、自动化仪表、工业仪表与自动化装置，化工自动化及仪表等等。第一章是绪论，介绍了计算机控制系统及其组成、计算机控制系统的典型形式、工业控制机的组成结构及特点、计算机控制系统的发展概况和趋势；第二章讨论了输入输出接口与过程通道的硬件和软件设计；第三章讨论了数字程序控制技术，重点介绍了逐点比较法插补原理和步进电机控制技术（工作原理以及工作方式）；第四章主要讲解数字控制器的连续化设计技术、数字控制器的离散化设计技术以及相关的各类控制算法，介绍一下常规及复杂控制技术；主要内容第五章讨论了现代控制技术，主要介绍了采用状态空间的输出反馈设计法、极点配置设计法、最优化设计法；第六章讨论了先进控制技术；第七章讨论了计算机控制系统的应用程序设计与实现技术，重点放在数据处理、数字控制器的工程实现以及软件抗干扰技术；第八章讨论了分散型测控网络技术，给大家阐述通信网络技术、DCS控制技术，介绍一下现场总线技术；第九章讨论了计算机控制系统的设计原则、步骤和工程实现，并给出了设计实例。第1章绪论1.1计算机控制系统概述1.2计算机控制系统的典型型式1.3计算机控制系统的发展概况和趋势1.1计算机控制系统概述1.1.1自动控制系统所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。

1.1计算机控制系统概述1.1.2计算机控制系统计算机控制系统就是利用计算机(通常称为工业控制计算机，简称工业控制机)来实现生产过程自动控制的系统。

(1)计算机控制系统的工作原理

(2)在线方式和离线方式(3)实时的含义

（1）计算机控制系统的工作原理从本质上看，计算机控制系统的工作原理可归纳为以下三个步骤：①实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。②实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。

③实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。（2）几个概念①在线方式和离线方式：on-line/off-line

生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式；生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并做相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。②实时：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。

！而且这个时间范围的大小跟被控对象联系非常的紧密！不同的被控对象，对时间范围的要求不同：发酵过程和导弹防御系统的对比！思考两个问题一.在线系统是否一定是实时系统？二.实时系统是否一定是在线系统？一.不一定。在线采集的数据不一定在当时就进行处理，只要把数据采集来就可以！二.是。不在线肯定不能满足实时性。1.1计算机控制系统概述1.1.3计算机控制系统的组成计算机控制系统由计算机(工业控制机)和生产过程两大部分组成。

1.工业控制机

（1）硬件组成

（2）软件组成

2.生产过程1.1.4常用的计算机控制系统主机

1.可编程序控制器（PC/PLC）

2.工控机（IPC）

3.单片机

4.DSP

5.智能调节器

1.2计算机控制系统的典型型式1.2.1操作指导控制系统操作指导控制系统的优点是结构简单，控制灵活和安全。缺点是要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。1.2.2直接数字控制系统(DDC)1.2.3监督控制系统

a）SCC+模拟调节器的控制系统

b）SCC+DDC的分级控制系统1.2.4集散控制系统

1.2.5现场总线控制系统1.2.6综合自动化系统

由企业资源信息管理系统ERP（EnterpriseResourcesPlanning）、生产执行系统MES（ManufacturingExecutionSystem）和生产过程控制系统PCS（ProcessControlSystem）构成的三层结构，已成为综合自动化系统的整体解决方案。

综合自动化系统主要包括制造业的计算机集成制造系统和流程工业的计算机集成过程系统。计算机集成制造系统(CIMS-ComputerIntegratedManufactureSystem)

计算机集成过程系统（CIPS-ComputerIntegratedProcessSystem）2.按照控制规律分类（1）程序和顺序控制（2）比例积分微分控制（PID控制）（3）最小拍控制（4）复杂规律的控制（5）智能控制（1）程序和顺序控制定义：程序控制是被控制量按照一定的、预先规定的时间函数变化，被控制量是时间函数的变化。顺序控制是程序控制的扩展，在各个时期所给出设定值可以是不同的物理量，而且每次设定值的给出，不仅取决于时间，还取决于对以前的控制结果的逻辑判断。（2）比例积分微分控制（PID控制）定义：调节器的输出是调节器输入的比例、积分和微分的函数。

PID控制是现在应用最广、最为广大工程技术人员熟悉的技术。PID控制结构简单、参数容易调整，因此，无论模拟调节器或者数字调节器，多数使用PID调节规律。这同样是我们学习的一个重点内容。（3）最小拍控制

最小拍控制的性能指标是要求设计的系统在尽可能短的时间内完成调节过程。最小拍控制通常用在数字随动系统的设计中。最小拍控制是重点和难点，即直接离散控制系统设计！（4）复杂规律的控制

在PID控制的基础上，引进了各种复杂规律的控制，比如串级控制、前馈控制、纯滞后补偿、解偶控制、最优控制、自适应控制等，组成复杂控制系统。目的：是为了解决随机扰动问题，使系统控制达到满意的性能指标。（5）智能控制

智能控制把先进的方法学理论与解决当前技术问题所需要的系统理论结合起来的学科。可以看成三个主要理论领域的交叉或会合，即：人工智能运筹学控制理论

1.3.1计算机控制系统的发展概况

1.计算机技术的发展过程（1）开创时期（1955～1962年）（2）直接数字控制时期（1962～1967年）（3）小型计算机时期（1967～1972年）（4）微型计算机时期（1972年至今）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

2.计算机控制理论的发展过程（1）采样定理（2）差分方程（3）Z变换法（4）状态空间理论（5）最优控制与随机控制（6）代数系统理论（7）系统辨识与自适应控制（8）先进控制技术

1.3.2计算机控制系统的发展趋势

1.推广应用成熟的先进技术（1）普及应用可编程序控制器（PLC）（2）广泛使用智能调节器（3）采用新型的DCS和FCS2.大力研究和发展先进控制技术

1.3.2计算机控制系统的发展趋势

3.计算机控制系统的发展趋势（1）控制系统的网络化（2）控制系统的扁平化（3）控制系统的智能化（4）控制系统的综合化第2章计算机控制系统的硬件设计技术2.1总线技术2.2总线扩展技术2.3数字量输入输出接口与过程通道2.4模拟量输入接口与过程通道2.5模拟量输出接口与过程通道2.6基于串行总线的计算机控制系统硬件技术2.7硬件抗干扰技术2.1总线技术2.1.1总线的定义、层次结构及种类所谓总线，就是计算机各模块之间互联和传送信息（指令、地址和数据）的一组信号线。以微处理器为核心，总线可以分为内部总线和外部总线，而内部总线又可分为片级总线和系统总线。片级总线包括数据总线、地址总线、控制总线、I2C总线、SPI总线、SCI总线等；系统总线包括ISA总线、EISA总线、VESA总线、PCI总线等；外部总线包括RS-232C、RS-485、IEEE-488、USB等总线。另外，在工业控制中，还定义了其它总线，如：VME、STD、PC-104、CompactPCI等。2.1.2PC/ISA/EISA总线简介1.PC/ISA总线的发展

2.ISA信号线定义3.EISA（ExtendedIndustryStandardArchitecture）2.1.3PCI/CompactPCI总线简介1.PCI总线的主要性能

2.其它性能PCI(PeripheralComponentInterconnect)是美国SIG(SpecialInterestGroupofAssociationforComputerMachinery)集团推出的64位总线。该总线的最高总线频率为33MHz，数据传输率为80Mby/s(峰值传输率为133Mby/s)。3.PCI总线信号定义主控设备49条，目标设备47条，可选引脚51条（主要用于64位扩展、中断请求、高速缓存支持等），总引脚数120条（包含电源、地、保留引脚等）。4.CompactPCI总线2.1.4其它总线简介1.PC/104总线

2.PC/104plus总线

3.STD总线

(1)STD总线信号

(2)STD32总线2.1.5串行外部总线简介1.RS-232/RS-422/RS-485串行通信总线

（1）平衡和不平衡传输方式

（2）RS-232C

（3）RS-422A/RS-485（4）RS-485多点互连2.1.5串行外部总线简介2.USB总线（1）具有热插拔功能（2）USB采用“级联”方式连接各个外部设备（3）适用于低速外设连接2.2总线扩展技术2.2.1微型计算机系统I/O端口与地址分配

1.I/O端口及I/O操作（1）数据端口（2）状态端口（3）命令端口

2.I/O端口编址方式（1）统一编址（2）独立编址

3.I/O端口地址分配（1）系统板上的I/O接口（2）扩展卡上的I/O接口

4.I/O端口地址选用原则2.2.2I/O端口地址译码技术1.三种译码方式（1）线选法（2）全译码法（3）部分译码2.I/O端口地址译码电路信号3.I/O端口地址译码方法及电路形式（1）固定地址译码3.I/O端口地址译码方法及电路形式（2）开关选择译码2.2.3基于ISA总线端口扩展1.板选译码与板内译码2.总线驱动及逻辑控制3.端口及其读写控制2.3数字量输入输出接口与过程通道2.3.1数字量输入输出接口技术

1.数字量输入接口

2.数字量输出接口2.3.2数字量输入通道1.数字量输入通道的结构2.输入调理电路

(1)小功率输入调理电路

(2)大功率输入调理电路2.3.3数字量输出通道1.数字量输出通道的结构2.输出驱动电路

(1)小功率直流驱动电路①功率晶体管输出驱动继电器电路②达林顿阵列输出驱动继电器电路2.3.3数字量输出通道2.输出驱动电路

(2)大功率交流驱动电路2.3.4数字（开关）量输入/输出通道模板举例图2-19PCL-730板卡组成框图2.3.4数字（开关）量输入/输出通道模板举例程序设计举例(基地址设为220H)：PCL-730板卡的开关量输入/输出都只需要二条指令就可以完成。C语言程序如下：outportb(0x220，Ox55)outportb(Ox221，0x55)X=inportb(Ox220)Y=inportb(Ox221)汇编语言程序如下：MOVDX，220HMOVAL，55HOUTDX，ALMOVDX，221HOUTDX，ALMOVDX，220HINAL，DXMOVAH，ALMOVDX，221HINAL，DX2.4模拟量输入接口与过程通道2.4.1模拟量输入通道的组成2.4.2信号调理和I/V变换1.信号调理电路信号调理电路主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离等方法，将非电量和非标准的电信号转换成标准的电信号。信号调理电路是传感器和A/D之间以及D/A和执行机构之间的桥梁，也是测控系统中重要的组成部分。（1）非电信号的检测-不平衡电桥（2）信号放大电路

1)基于ILC7650的前置放大电路2.4.2信号调理和I/V变换1.信号调理电路2）AD526可编程仪用放大器AD526是可通过软件对增益进行编程的单端输入的仪用放大器，器件本身所提供的增益是xl、x2、x4、x8、x16等五挡。它是一个完整的包括放大器、电阻网络和TTL数字逻辑电路的器件，使用时不需外加任何元件就可工作。

2.4.2信号调理和I/V变换2.I/V变换（1）无源I/V变换

（2）有源I/V变换2.4.3多路转换器

多路转换器又称多路开关，多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。图2-27CD4051原理图2.4.4采样、量化及采样／保持器1.信号的采样2.量化所谓量化，就是采用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是A/D转换器。

3.采样保持器(1)孔径时间和孔径误差的消除

(2)采样保持原理

3.采样保持器（3）常用的采样保持器常用的集成采样保持器有LF398、AD582等，LF398的采样控制电平为“1”，保持电平为“0”，AD582相反。2.4.5A/D转换器及其接口技术1.8位A/D转换器ADC0809(1)8通道模拟开关及通道选择逻辑

(2)8位A/D转换器

(3)三态输出锁存缓冲器2．12位A/D转换器AD574A(1)12位A/D转换器

(2)三态输出锁存缓冲器

(3)控制逻辑3.AD574A/1674与PC总线工业控制机接口3.AD574A/1674与PC总线工业控制机接口2.4.6模拟量输入通道模板举例图2-36PCL-813B数据采集卡组成框图2.4.6模拟量输入通道模板举例PCL-813B的寄存器地址程序设计举例

PCL-813BA/D转换基于查询方式，由软件触发。A/D转换器被触发后，利用程序检查A/D状态寄存器的数据准备位（DRDY）。如果检测到该位为“1”，则A/D转换正在进行。当A/D转换完成后；该位变为低电平，此时转换数据可由程序读出。2.5模拟量输出接口与过程通道2.5.1模拟量输出通道的结构型式

1.一个通道设置一个数/模转换器的形式

2.多个通道共用一个数/模转换器的形式2.5.2D/A转换器及其接口技术1.8位D/A转换器接口2.12位D/A转换器接口2.5.3单极性与双极性电压输出电路2.5.4V/I变换1.集成V/I转换器ZF2B202.集成V/I转换器AD6942.5.5模拟量输出通道模板举例图2-47PCL-726板卡组成框图2.D/A转换程序流程D/A转换程序流程如下（以通道1为例）：（1）选择通道地址n=1（n=1～6）。（2）确定D/A高4位数据地址（基地址+00）。（3）置D/A高4位数据(D3～DO有效)。（4）确定D/A低8位数据地址（基地址+01）。（5）置D/A低8位数据并启动转换。3.程序设计举例PCL-726的D/A输出、数字量输入等操作均不需要状态查询，分辨率为12位，000H～0FFFH分别对应输出0%～100%，若输出50%，则对应的输出数字量为7FFH，设基地址为220H，D/A通道l输出50%的程序如下：C语言参考程序段如下：outportb(0x220,0x07)//D/A通道l输出50%outportb(0x221,0xff)汇编语言参考程序如下：（基地址为220H）：

MOVAL，07H；D/A通道l输出50% MOVDX，0220H OUTDX，AL MOVDX，0221H MOVAL，0FFH2.6基于串行总线的计算机控制系统硬件技术

基于RS-485的分布式测控系统结构图RS-485串行总线由于平衡差分传输特性具有的干扰性好、传输距离远、有较大级联能力等特点，非常适合于组成工业级的多机通信系统。在各种工业仪器、仪表大量使用的今天，RS-485总线得到了广泛的应用。2.6.1智能远程I/O模块智能远程I/O模块是传感器和执行机构到计算机的多功能远程I/O单元，专为恶劣环境下的可靠操作而设计，具有内置的微处理器，严格的工业级塑料外壳，使其可以独立提供智能信号调理、I/O隔离、模拟量I/O、数字量I/O、数据显示和串行数字通信接口。远程I/O模块可以安装在现场，就地完成A/D、D/A转换、I/O操作及脉冲量的计数、累计等操作，以通信方式和计算机交换信息，构成数据采集控制系统。通过采用RS-485中继器，可以将多达256个远程模块连接到RS-485网络上，或者将最大通信距离延伸到10km。典型的远程I/O模块有研华公司的ADAM-4000系列、研发公司的DAC-8000系列、研祥公司的Ark-14000系列以及威达公司的牛顿-7000系列。1.ADAM-4000系列模块

ADAM4000系列模块的功能特点：

(1)远端可编程输入范围

(2)内置看门狗

(3)网络配置灵活

(4)可选的独立控制策略

(5)模块化的工业设计

(6)满足工业环境的需要2.ADAM-5000系列ADAM-4000通过RS-485总线与主站连接成一个主从式测控系统，可以实现点对点通信和广播通信(仅有的模块允许广播通信)。一条RS-485通信链路所连接的模块数是有限的，当需要配置更多的模块数时，可以使用ADAM-4510中继器，每个ADAM-4510中继器可再增加32个模块或将网络再延伸1200米，一条RS-485通信链路最多可以连接256个ADAM-4000系列模块。

ADAM-5000系列具有以下功能特点：

(1)系统设计灵活

(2)系统维护及故障处理

(3)易于安装及组网

(4)数据采集及控制

(5)三端隔离

(6)看门狗定时器

(7)内置诊断器

(8)远程配置

(9)能独立于PC主机进行ON/OFF控制3.ADAM-6000系列模块ADAM-6000系列产品是基于Ethernet的数据采集和控制模块，它们集数据采集和网络传输能力于一身。使用这些模块可以轻而易举的建立低成本、适应于各个行业的基于Ethernet的数据采集和控制系统。通过标准的以太网，ADAM-6000模块可以实时的将来自传感器的数据发送到局域网/以太网结点上。以太网类产品因为其远距离的数据传输能力，高速的数据通信能力正在成为工业应用的主导。

（1）模拟量输入/输出模块（2）数字量输入/输出模块（3）继电器输出模块（4）ADAM以太网模块的应用软件（1）模拟量输入/输出模块模拟量输入模块通过为A/D提供的光电隔离和3000V变压器隔离防止对地环路/浪涌电压对设备造成损坏。ADAM-6015是16位，6通道热电阻输入模块，各通道输入范围可调。可以连接Pt100,Pt1000，Balco500或者Ni50，Ni508热电阻。以工程单位形式向主机发送数据。ADAM-6017是16位8通道差分模拟量输入模块，通道输入范围均可程控。ADAM-6018是16位8通道热电偶输入模块，所有通道的输入范围均可程控。ADAM-6024是3个模拟量输入/1个模拟量输出。（2）数字量输入/输出模块ADAM-6050具有12个数字量输入，6个输出通道，并且为以太网的无缝连接提供了10/100Base-T接口。ADAM-6051提供12路数字量输入，2路数字量输出和2个计数器（10MHz时基）并且为以太网的无缝连接提供了10/100Base-T接口。（3）继电器输出模块ADAM-6060提供6路继电器输出，6路模拟量输入，并且为以太网的无缝连接提供了10/100Base-T接口。除了以太网口，内置网页，ADAM-6050还提供了6路继电器输出和6路模拟量输入。（3）ADAM以太网模块的应用软件ADAM-6000系列模块使用集成的专用应用软件工具进行系统配置，应用软件名称为：ADAM-5000TCP/6000UtilityProgram，该工具同时支持ADAM-5000/TCP和ADAM-6000模块，提供了图形化的界面来方便用户的配置工作，同时也可以方便的用来监控远端的DA&C系统。2.6.2智能调节器智能调节器一般具有RS-485数字通信接口，除了在控制系统中作为常规的单机控制器使用外，在现代工业控制中还可以作组态使用，常常与上位机一起使用构成计算机监督控制系统。常用的智能调节器国外的品牌有：SHIMADEN（日本岛电）、YAKOGAWA（日本横河）、HONEWELL（美国霍尼韦尔）、OMRON（日本欧姆龙）以及RKC（日本理化）等；国内的品牌有：厦门宇电自动化科技有限公司（厦门宇光）的AI系列1.硬件构成:单回路数字调节器(SingleStrategyController，简称SSC)

SSC的硬件主要由MPU单元、过程I/O单元、PIA单元、面板单元、编程单元、通信单元和硬手操单元等组成。MPU单元是调节器的核心，它包括微处理器(或单片微机)、系统存储器(PROM/EPROM、EAPROM、RAM)、时钟、Watchdog和接口电路等。PROM/EPROM中固化有调节器的监控程序和功能程序。监控程序负责面板(键盘、显示器等)管理和巡回采样控制等。功能程序即各种运算、控制、通信子程序(模块)的集合。EAPROM用来存放系统组态程序。系统组态程序是根据系统控制流程，抽取所需的运算、控制模块(固化在PROM/EPROM中)进行软连接而形成的。系统组态用编程单元完成，组态结果即系统组态程序写入EAPROM。有些单回路数字调节器的系统组态程序是固化在EPROM中。PIA（PeripheralInterfaceAdapter）单元是过程I/O单元、键盘及显示单元与MPU连接的桥梁电路，实现电气隔离与数据缓冲、锁存等功能。不同的系统组态程序，能实现不同的控制过程，SSC能通过编程组态的方法，方便地组建和修改控制系统。故又称为可编程调节器。键盘、显示器也是数字调节器的重要组成部分，它是一种简单的人机接口，通过键盘修改调节器参数和工作状态，显示器可让操作人员了解系统的工作状态。通信单元(通信接口)使SSC能与集中监视操作站、上位机通信，组成多级微机控制系统，实现各种高级控制和管理。2.软件构成数字调节器的软件包括以下几部分：(1)监控管理程序这是系统软件，由它实现对输入/输出通道、键盘、显示器及通信等部件的管理，以及对调节器各硬件部分和程序进行故障监测及处理等。对于固定程序的调节器，监控管理程序较简单，主要用于修改和显示调节器的工作方式和参数及监视系统状态，如对各个调节回路的PID参数TI、TD、P及采样周期Ts等进行整定、设定、修改传感器或变送器量程、上下限报警值及进行调节器手动／自动工作方式的切换等。对于可编程序调节器，还需提供一套可由用户进行系统组态的软件，包括编程语言的编辑及编译软件，这种程序编制较复杂，但提供给用户的编程语言却十分简单，只要是有控制系统常识的人员都很容易掌握。这种调节器一般功能都十分丰富，具有很好的通用性和灵活性，让用户有很大的选择余地。(2)应用程序根据调节器的应用功能所编的程序，如数据采集、数字滤波、标度变换、数据处理、控制算法、报警及输出等程序。在可编程调节器中，这些应用程序以模块形式给出，用户可用数字调节器的编程语言将这些模块进行组态，构成用户所需系统。SSC的运算、控制功能十分丰富，一般包括几十种运算、控制模块。运算模块不仅能实现各种复杂组合的四则运算，还能完成函数运算和逻辑运算。例如，用超前环节模块1+Tds(Td超前时间)和滞后环节模块1/(1+Tis)(Ti滞后时间)组成函数(1+Tds)/(1+Tis)；通过控制模块组态可构成PID、串级、比值、前馈、选择、非线性、程序控制等。另外，SSC还有断电保护和自诊断功能，提高了系统的可靠性。2.6.3可编程序控制器(PLC)1.PLC的硬件结构可编程控制器的结构形式分为整体式和模块式两类。

2.6.3可编程序控制器(PLC)2.PLC的软件结构可编程控制器的软件可分为系统软件、编程软件和应用软件三部分。（1）系统软件（2）编程软件（3）应用软件2.6.4运动控制器1.运动控制器分类(1)基于计算机标准总线的运动控制器这种运动控制器大都采用DSP或微机芯片作为CPU，具有开放体系结构，以PC机作为信息处理平台，运动控制器以插卡形式嵌入PC机，即“PC+运动控制器”的模式。这样将PC机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合在一起，具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点。可完成运动规划、高速实时插补、伺服滤波控制和PLC功能，它开放的函数库可供用户根据不同的需求，在DOS或WINDOWS等平台下自行开发应用软件，组成各种控制系统，如美国DeltaTau公司的PMAC多轴运动控制器和固高公司的GT/GH系列运动控制器等。伺服电机PMAC卡驱动器ABC接口板ABC编码器.机械I/O软件接口图2-51开放式结构的运动控制系统示意图(2)Soft型开放式运动控制器这种运动控制器提供给用户最大的灵活性，它的运动控制软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡、CDROM和相应的驱动程序一样。用户可以在WINDOWS平台和其他操作系统的支持下，利用开放的运动控制内核，开发所需的控制功能，构成各种类型的高性能运动控制系统，从而提供给用户更多的选择和灵活性。基于Soft型开放式运动控制器开发的典型产品有美国MDSI公司的OpenCNC、德国PA（PowerAutomation）公司的PA8000NT。美国SoftSERVO公司的基于网络的运动控制器和固高科技公司的GO系列运动控制器产品等。Soft型开放式运动控制的特点是开发、制造成本相对较低，能够给予系统集成商和开发商更加个性化的发展。(3)嵌入式结构的运动控制器这种运动控制器是把计算机嵌入到运动控制器中的一种产品，它能够独立运行。运动控制器与计算机之间的通信依然是靠计算机总线，实质上是基于总线结构的运动控制器的一种变种。对于标准总线的计算机模块，这种产品采用了更加可靠的总线连接方式（采用针式连接器），更加适合工业应用。在使用中，采用如工业以太网、RS-485、SERCOS、PROFIBUS等现场网络通信接口联接上级计算机或控制面板。嵌入式的运动控制器也可配置软盘和硬盘驱动器，甚至可以通过Internet进行远程诊断。例如美国ADEPT公司的SmartController，固高科技公司的GU嵌入式运动控制平台系列产品等。2.变频器变频器的主要任务就是把恒压恒频（constantvoltageconstantfrequency，CVCF）的交流电转换为变压变频（variablevoltagevariablefrequency，VVVF）的交流电，以满足交流电机变频调速的需要。从结构上分，变频器可以分为交-交变频器（亦称直接变频器）和交-直-交变频器（亦称间接变频器）。变频器的使用日益普及，功能也越来越强，已经跳出了仅作为交流电机调速驱动器应用的范围，现在很多变频器具有PID调节功能，与温度、压力、流量等传感器配合使用，可以构成一个单独的控制系统应用，而省去了控制器。新一代变频器均具有标准通信接口，用户可以利用通信接口在远处，如中央控制台对变频器进行集中控制，适应了自动化的要求。也可以使多台变频器组网应用，与计算机连接构成分布式控制系统。使用场地相对分散，远距离集中控制成为变频器管理的趋势。在变频器中使用的串行通信接口通常为标准485接口，这种接口具有控制距离远、抗干扰能力强等优点。2.7硬件抗干扰技术2.7.1过程通道抗干扰技术2.7.2CPU抗干扰技术2.7.3系统供电与接地技术

所谓干扰，就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。克服干扰的措施：硬件措施，软件措施，软硬结合的措施干扰的来源：外部干扰和内部干扰。

外部干扰主要是空间电或磁的影响，环境温度、湿度等气象条件。

内部干扰主要是分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输的波反射，多点接地造成的电位差引起的干扰，寄生振荡引起的干扰，甚至元器件产生的噪声。

分布电容：除电容器外，由于电路的分布特点而具有的电容叫分布电容．。

分布电感：distributedinductance。2.7.1过程通道抗干扰技术1.串模干扰及其抑制方法

(1)串模干扰

(2)串模干扰的抑制方法2.共模干扰及其抑制方法

(1)共模干扰

(2)共模干扰的抑制方法①变压器隔离②光电隔离③浮地屏蔽④采用仪表放大器提高共模抑制比2.7.1过程通道抗干扰技术1.串模干扰及其抑制方法

(1)串模干扰：所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。也称为常态干扰。（2）串模干扰的抑制方法①如果串模干扰频率比被测信号频率高，则采用输入低通滤波器来抑制高频率串模干扰；如果串模干扰频率比被测信号频率低，则采用高通滤波器来抑制低频串模干扰；如果串模干扰频率落在被测信号频谱的两侧，则应用带通滤波器。一般情况下，串模干扰均比被测信号变化快，故常用二级阻容低通滤波网络作为模/数转换器的输入滤波器。当被测信号变化较快时，应相应改变网络参数，以适当减小时间常数。②当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双积分式A/D转换器可以削弱串模干扰的影响。因为此类转换器是对输入信号的积分值进行测量，而不是测量信号的瞬时值。若干扰信号是周期性的而积分时间又为信号周期或信号周期的整数倍，则积分后干扰值为零，对测量结果不产生误差。③对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对被测信号应尽可能早地进行前置放大，从而达到提高回路中的信号噪声比的目的；或者尽可能早地完成模/数转换或采取隔离和屏蔽等措施。④从选择逻辑器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。⑤采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应，并且使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。选用带有屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线，且有良好接地，并对测量仪表进行电磁屏蔽。

2．共模干扰及其抑制方法

所谓共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。共模干扰也称为共态干扰。被测信号Us的参考接地点和计算机输入信号的参考接地点之间往往存在着一定的电位差Ucm

共模干扰示意图单端对地输入和双端不对地输入

对于存在共模干扰的场合，不能采用单端，对地输入方式，因为此时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压，如左图所示。所以必须采用双端输入不对地方式，如右图所示。

ZS、ZS1、ZS2为信号源US的内阻抗，ZC、ZC1、ZC2为输入电路的输入阻抗。共模干扰电压Ucm对两个输入端形成两个电流回路，每个输入端A和B的共模电压和两个输入端之间的共模电压分别为：

为了衡量一个输入电路抑制共模干扰的能力，常用共模抑制比CMRR(CommonModeRejectionRatio)来表示，即

Ucm是共模干扰电压，Un是Ucm转化成的串模干扰电压。显然，对于单端对地输入方式，由于Un=Ucm，所以CMRR=0，说明无共模抑制能力。对于双端不对地输入方式来说，由Ucm引入的串模干扰Un越小，CMRR就越大，所以抗共模干扰能力越强。(2)共模干扰的抑制方法①变压器隔离利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来，也就是把模拟地与数字地断开，以使共模干扰电压Ｕcm不成回路，从而抑制了共模干扰。另外，隔离前和隔离后应分别采用两组互相独立的电源，切断两部分的地线联系。

②光电隔离光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管封装在一个管壳内组成的，发光二极管两端为信号输入端，光敏三极管的集电极和发射极分别作为光电耦合器的输出端，它们之间的信号是靠发光二极管在信号电压的控制下发光，传给光敏三极管来完成的。

③浮地屏蔽

采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰，如图所示。这是利用屏蔽方法使输入信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。④采用仪表放大器提高共模抑制比仪表放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、漂移低、增益可调等优点，是一种专门用来分离共模干扰与有用信号的器件。仪表放大器将两个信号的差值放大。抑制共模分量是使用仪表放大器的唯一原因。

AD620（低功耗，低成本，集成仪表放大器），还有AD623等等.3.长线传输干扰及其抑制方法(1)长线传输干扰①长线的“长”是相对的；②信号在长线中传输遇到三个问题：一是长线传输易受到外界干扰，二是具有信号延时，三是高速度变化的信号在长线中传输时，还会出现波反射现象。（阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。）(2)长线传输干扰的抑制方法

采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除长线传输中的波反射或者把它抑制到最低限度。双绞线与同轴电缆双绞线的波阻抗一般在100至200Ω之间，绞花越密，波阻抗越低。①终端匹配：②始端匹配：2.6.2CPU抗干扰技术计算机控制系统的CPU抗干扰措施：①Watchdog(俗称看门狗)②电源监控(掉电检测及保护)③复位MAX1232微处理器监控电路给微处理器提供辅助功能以及电源供电监控功能。MAX1232通过监控微处理器系统电源供电及监控软件的执行，来增强电路的可靠性，它提供一个反弹的(无锁的)手动复位输入。另外常用的集成电路还有X5045、IMP813等。1．MAX1232的结构原理

MAX1232引脚图MAX1232内部原理图2．MAX1232的主要功能(1)电源监控(2)按钮复位输入(3)监控定时器(Watchdog)(1)电源监控电压检测器监控Vcc。每当Vcc低于所选择的容限时(5%容限时的电压典型时为4．62V，10%容限时的电压典型时为4．37V)就输出并保持复位信号。选择5%的容许极限时，TOL端接地；选择10%的容许极限时，TOL端接Vcc。当Vcc恢复到容许极限内，复位输出信号至少保持250ms的宽度，才允许电源供电并使微处理器稳定工作。(2)按钮复位输入MAX1232的PBRST端靠手动强制复位输出，该端保持tPBD是按钮复位延迟时间，当PBRST升高到大于一定的电压值后，复位输出保持至少250ms的宽度。

一个机械按钮或一个有效的逻辑信号都能驱动PBRST，无锁按钮输入至少忽略了1ms的输入抖动，并且被保证能识别出20ms或更大的脉冲宽度。该PBRST在芯片内部被上拉到大约100μA的Vcc上，因而不需要附加的上拉电阻。(3)监控定时器(Watchdog)

用于因干扰引起的系统“飞程序”等出错的检测和自动恢复。微处理器用一根I/O线来驱动输入ST，微处理器必须在一定时间内触发ST端(其时间取决于TD)，以便来检测正常的软件执行。如果一个硬件或软件的失误导致没被触发，在一个最小超时间间隔内，ST的触发只能被脉冲的下降沿作用，这时MAX1232的复位输出至少保持250ms的宽度。PS:程序计数器、指针指向不确定的空间监控电路MAX1232的典型应用2.6.3系统供电与接地技术

1．供电技术2．接地技术

从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：

1、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。

2、整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。

3、逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。

4、输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。(2)电源异常的保护措施计算机控制系统的供电不允许中断，一旦中断将会影响生产。为此，可采用不间断电源UPS。UPS自身逆变器的输入直流总线和外接电池组均与用户原有的48V通信电源无任何直接的电气连接，所以不会对程控机产生任何传导干扰。输入电压偏高或偏低时，即转为电池放电。通过改进控制器的工作，可以减轻电池组放电的频率，减少电池损坏。2．接地技术(1)地线系统分析什么是地线？

地线有安全地和信号地两种。前者是为了保证人身安全、设备安全而设置的地线，后者是为了保证电路正确工作所设置的地线，造成电路干扰现象的主要是信号地。在进行电磁兼容问题分析时，对地线使用下面的定义：“地线是信号电流流回信号源的地阻抗路径。”

在计算机控制系统中，一般有以下几种地线：模拟地、数字地、安全地、系统地、交流地。

模拟地作为传感器、变送器、放大器、A/D和D/A转换器中模拟电路的零电位。

数字地作为计算机中各种数字电路的零电位，应该与模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。

安全地的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电而影响人身及设备安全。通常安全地又称为保护地或机壳地，机壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。

系统地就是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连。众所周知，地球是导体而且体积非常大，因而其静电容量也非常大，电位比较恒定，所以人们把它的电位作为基准电位，也就是零电位。

交流地是计算机交流供电电源地，即动力线地，它的地电位很不稳定。接地理论分析，低频电路应单点接地，高频电路应就近多点接地。单点接地的目的：是避免形成地环路，地环路产生的电流会引入到信号回路内引起干扰。地环路产生的原因：地环路干扰发生在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间，其产生的内在原因是设备之间的地线电位差，地线电压导致了地环路电流，由于电路的非平衡性，地环路电流导致对电路造成影响的差模干扰电压。回流法单点接地：模拟地、数字地、安全地(机壳地)的分别回流法。回流线往往采用汇流条而不采用一般的导线。汇流条是由多层铜导体构成，截面呈矩形，各层之间有绝缘层。采用多层汇流条以减少自感，可减少干扰的窜入途径。安全地(机壳地)始终与信号地(模拟地、数字地)是浮离开的。这些地之间只在最后汇聚一点，并且常常通过铜接地板交汇，然后用线径不小于300mm2的多股铜软线焊接在接地极上后深埋地下。(2)低频接地技术①一点接地方式两种接法：即串联接地(或称共同接地)和并联接地(或称分别接地)。各自的优缺点：从防止噪声角度看，如图所示的串联接地方式是最不适用的，由于地电阻r1、r2和r3是串联的，所以各电路间相互发生干扰。并联接地方式在低频时是最适用的，因为各电路的地电位只与本电路的地电流和地线阻抗有关，不会因地电流而引起各电路间的耦合。这种方式的缺点是需要连很多根地线，用起来比较麻烦。②实用的低频接地一般在低频时用串联一点接地的综合接法，即在符合噪声标准和简单易行的条件下统筹兼顾。也就是说可用分组接法，即低电平电路经一组共同地线接地，高电平电路经另一组共同地线接地。一条是低电平电路地线；一条是继电器、电动机等的地线(称为“噪声”地线)；一条是设备机壳地线(称为“金属件”地线)。这三条地线应在一点连接接地。(3)通道馈线（电缆）的接地技术

①电路一点地基准:如图所示的将信号源与输入放大器分别接地的方式是不正确的。误认为A和B两点都是地球地电位应该相等，是造成这种接地错误的根本原因。为了克服双端接地的缺点，应将输入回路改为单端接地方式。当单端接地点位于信号源端时，放大器电源不接地；当单端接地点位于放大器端时，信号源不接地。②电缆屏蔽层的接地:当信号电路是一点接地时，低频电缆的屏蔽层也应一点接地。当一个电路有一个不接地的信号源与一个接地的(即使不是接大地)放大器相连时，输入线的屏蔽应接至放大器的公共端；当接地信号源与不接地放大器相连时，即使信号源端接的不是大地，输入线的屏蔽层也应接到信号源的公共端。(4)主机外壳接地但机芯浮空为了提高计算机的抗干扰能力，将主机外壳作为屏蔽罩接地。而把机内器件架与外壳绝缘，绝缘电阻大于50MΩ，即机内信号地浮空。这种方法安全可靠，抗干扰能力强，但制造工艺复杂，一旦绝缘电阻降低就会引入干扰。(5)多机系统的接地在计算机网络系统中，多台计算机之间相互通信，资源共享。如果接地不合理，将使整个网络系统无法正常工作。近距离的几台计算机安装在同一机房内，可采用多机一点接地方法。对于远距离的计算机网络，多台计算机之间的数据通信，通过隔离的办法把地分开。例如：采用变压器隔离技术、光电隔离技术和无线电通信技术。第3章数字控制技术3.1数字控制基础3.2逐点比较法插补原理3.3多轴步进驱动控制技术3.4多轴伺服驱动控制技术数控技术和数控机床是实现柔性制造（FlexibleManufacturing，FM）和计算机集成制造（ComputerIntegratedManufacturing，CIM）的最重要的基础技术之一。3.1.1数控技术发展概况特征阶段年代典型应用工艺方法数控功能驱动特点研究开发1952～l969数控车床、铣床钻、铣床简单工艺NC控制3轴以下步进、液压电机推广应用l970～l985加工中心、电加工、锻压多种工艺方法CNC控制、刀具自动交换、五轴联动、较好的人机界面直流伺服电机系统化l982柔性制造单元(FMU)、柔性制造系统(FMS)复合设计加工友好的人机界面交流伺服电机高性能集成化l990至今计算机集成制造系统(CIMS)、无人化工厂复合设计加工多过程、多任务调度、模板化和复合化、数字智能化直线驱动3.1.2数字控制原理

按时序或事序规定工作的自动控制成为顺序控制。

用代表加工顺序、加工方式和加工参数的数字码作为控制指令的数字控制系统（numerical

control

systems）。

所谓数字程序控制，就是计算机根据输入的指令和数据，控制生产机械(如各种加工机床)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。数字程序控制主要应用于机床控制,采用数字程序控制系统的机床叫做数控机床。组成:数字程序控制系统由输入装置,输出装置,控制器和插补器等四大部分组成。其中,控制器和插补器功能以及部分输入输出功能由计算机承担。xyabcd当给定a、b、c、d各点坐标x和y值之后，如何确定各坐标值之间的中间值?求得这些中间值的数值计算方法称为插值或插补。插补计算的宗旨是通过给定的基点坐标，以一定的速度连续定出一系列中间点，而这些中间点的坐标值是以一定的精度逼近给定的线段。

从理论上讲，插补的形式可用任意函数形式，但为了简化插补运算过程和加快插补速度，常用的是直线插补和二次曲线插补两种形式。

首先用计算机上重现下面平面图形，以此来简要说明数字程序控制的基本原理。

所谓直线插补是指在给定的两个基点之间用一条近似直线来逼近，也就是由此定出中间点连接起来的折线近似于一条直线，并不是真正的直线。

所谓二次曲线插补是指在给定的两个基点之间用一条近似曲线来逼近，也就是实际的中间点连线是一条近似于曲线的折线弧。常用的二次曲线有圆弧、抛物线和双曲线等。3.1.3数字控制方式1.点位控制2.直线控制3.轮廓控制`3.1.4数字控制系统1.开环数字控制2.闭环数字控制1.开环数字控制

这种控制结构没有反馈检测元件，工作台由步进电机驱动。步进电机接收步进电机驱动电路发来的指令脉冲作相应的旋转，把刀具移动到与指令脉冲相当的位置，至于刀具是否到达了指令脉冲规定的位置，那是不受任何检查的，因此这种控制的可靠性和精度基本上由步进电机和传动装置来决定。由于采用了步进电机作为驱动元件，使得系统的可控性变得更加灵活，更易于实现各种插补运算和运动轨迹控制。本章主要是讨论开环数字程序控制技术。2.闭环数字控制

这种结构的执行机构多采用直流电机（小惯量伺服电机和宽调速力矩电机）作为驱动元件，反馈测量元件采用光电编码器（码盘）、光栅、感应同步器等，该控制方式主要用于大型精密加工机床，但其结构复杂，难于调整和维护，一些常规的数控系统很少采用。3.1.5数控系统的分类1.传统数控系统2.开放式数控系统(编程量较大)（1）PCINNC结构式数控系统（2）NCINPC结构式数控系统3.网络化数控系统3.2逐点比较法插补原理

所谓逐点比较法插补，就是刀具或绘图笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，看这点在给定轨迹的上方或下方，或是给定轨迹的里面或外面，从而决定下一步的进给方向。如果原来在给定轨迹的下方，下一步就向给定轨迹的上方走，如果原来在给定轨迹的里面，下一步就向给定轨迹的外面走，…。如此，走一步、看一看，比较一次，决定下一步走向，以便逼近给定轨迹，即形成逐点比较插补。逐点比较法是以阶梯折线来逼近直线或圆弧等曲线的，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。3.2.1逐点比较法直线插补3.2.2逐点比较法圆弧插补

3.2.1逐点比较法直线插补1．第一象限内的直线插补（1）偏差计算公式：偏差计算是逐点比较法关键的一步。在第一象限想加工出直线段OA，取直线段的起点为坐标原点，直线段终点坐标(xe，ye)是已知的。点m(xm,ym)为加工点（动点），若点m在直线段OA上，则有

xm/ym＝xe/ye即ym*xe-xm*ye＝0

现定义直线插补的偏差判别式为

Fm＝ymxe-xmye

若Fm＝0，表明点m在OA直线段上；若Fm＞0，表明点m在OA直线段的上方，即点mˊ处；若Fm＜0，表明点m在OA直线段的下方，即点m＂处。由此可得第一象限直线逐点比较法插补的原理是：从直线的起点（即坐标原点）出发，当Fm≥0时，沿＋x轴方向走一步；当Fm＜0时，沿＋y方向走一步；当两方向所走的步数与终点坐标(xe,ye)相等时，发出终点到信号，停止插补。下面推导简化的偏差计算公式：①设加工点正处于m点，当Fm≥0时，表明m点在OA上或OA上方，应沿＋x方向进一步至(m＋1)点，该点的坐标值为

xm+1=xm+1ym+1=ym该点的偏差为

Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=ymxe-(xm+1)ye=Fm-ye②设加工点正处于m点，当Fm＜0时，表明m点在OA下方，应向＋y方向进给一步至(m+1)点，该点的坐标值为

xm+1=xmym+1=ym+1

该点的偏差为

Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=(ym+1)xe-xmye=Fm+xe

简化后偏差计算公式中只有一次加法或减法运算，新的加工点的偏差Fm+1都可以由前一点偏差Fm和终点坐标相加或相减得到。特别要注意，加工的起点是坐标原点，起点的偏差是已知的，即F0＝0。（2）终点判断方法①设置Nx和Ny两个减法计数器，在加工开始前，在Nx和Ny计数器中分别存入终点坐标值xe和ye，在x坐标（或y坐标）进给一步时，就在Nx计数器（或Ny计数器）中减去1，直到这两个计数器中的数都减到零时，到达终点。②用一个终点计数器，寄存x和y两个坐标进给的总步数Nxy，x或y坐标进给一步，Nxy就减1，若Nxy＝0，则就达到终点。（3）插补计算过程

插补计算时，每走一步，都要进行以下四个步骤的插补计算过程，即①偏差判别②坐标进给③偏差计算④终点判断2.四个象限的直线插补

偏差

1象限

2象限

3象限

4象限

偏差公式

Fm≥0

+x

-x

-x

+x

Fm=Fm-ye

Fm＜0

+y

+y

-y

-y

Fm=Fm+xe3.直线插补运算的程序实现（1）数据的输入及存放在计算机的内存中开辟六个单元XE、YE、NXY、FM、XOY和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、直线所在象限值xoy和走步方向标志。

Nxy=Nx+Ny,xoy等于1、2、3、4分别代表第一、第二、第三、第四象限，xoy的值可由终点坐标(xe,ye)的正、负符号来确定，Fm的初值为F0＝0，ZF＝1、2、3、4分别代表+x、-x、+y、-y走步方向。（2）直线插补计算的程序流程下图为直线插补计算的程序流程图，该图按照插补计算过程的四个步骤即偏差判别、坐标进给、偏差计算、终点判断来实现插补计算程序。偏差判别、偏差计算、终点判断是逻辑运算和算术运算，容易编写程序，而坐标进给通常是给步进电机发走步脉冲，通过步进电机带动机床工作台或刀具移动。〔例3．1〕设加工第一象限直线OA，起点为O(0，0)，终点坐标为A(6，4)，试进行插补计算并作出走步轨迹图。〔解〕坐标进给的总步数Nxy=|6-0|+|4-0|=10,xe=6,ye=4,F0=0,xoy=1.步数偏差判别坐标进给偏差计算终点判断起点F0=0Nxy=101F0=0+xF1=F0-ye=-4Nxy=92F1<0+yF2=F1+xe=2Nxy=83F2>0+xF3=F2-ye=-2Nxy=74F3<0+yF4=F3+xe=4Nxy=65F4>0+xF5=F4-ye=0Nxy=56F5=0+xF6=F5-ye=-4Nxy=47F6<0+yF7=F6+xe=2Nxy=38F7>0+xF8=F7-ye=-2Nxy=29F8<0+yF9=F8+xe=4Nxy=110F9>0+xF10=F9-ye=0Nxy=0轨迹如图：3.2.2逐点比较法圆弧插补1．第一象限内的圆弧插补（1）偏差计算公式设要加工逆圆弧AB，圆弧的圆心在坐标原点，并已知圆弧的起点为A(x0,y0)，终点B(xe,ye)，圆弧半径为R。由图所示的第一象限逆圆弧AB可知，

Rm２=xm2+ym2R2=x02+y02

可定义偏差判别式为

Fm＝Rm２-R2=xm２+ym2-R2

若Fm=0，表明加工点m在圆弧上；Fm＞0，表明加工点在圆弧外；Fm＜0，表明加工点在圆弧内。由此可得第一象限逆圆弧逐点比较插补的原理是：从圆弧的起点出发，当Fm≥0，为了逼近圆弧，下一步向-x方向进给一步，并计算新的偏差；若Fm＜0，为了逼近圆弧，下一步向+y方向进给一步，并计算新的偏差。如此一步步计算和一步步进给，并在到达终点后停止计算，就可插补出图所示的第一象限逆圆弧AB。下面推导简化的偏差计算的递推公式：

①设加工点正处于m(xm,ym)点，当Fm≥0时，应沿-x方向进给一步至(m+1)点，其坐标值为：xm+1=xm-1ym+1=ym

新的加工点的偏差为

Fm+1=xm+12+ym+12-R2=(xm-1)2+ym2-R2=Fm-2xm+1②设加工点正处于m(xm,ym)点，当Fm＜0时，应沿+y方向进给一步至(m+1)点，其坐标值为：xm+1=xmym+1=ym+1

新的加工点偏差为

Fm+1=xm+12+ym+12-R2=xm２+(ym+1)2-R2=Fm＋2ym+1

可知，只要知道前一点的偏差和坐标值，就可求出新的一点的偏差。因为加工点是从圆弧的起点开始，故起点的偏差F0＝0。（2）终点判断方法圆弧插补的终点判断方法和直线插补相同。可将x方向的走步步数Nx=|xe-x0|和y方向的走步步数Ny=|ye-y0|的总和Nxy作为一个计数器，每走一步，从Nxy中减1，当Nxy=0时发出终点到信号。（3）插补计算过程圆弧插补计算过程比直线插补计算过程多一个环节，即要计算加工点瞬时坐标（动点坐标）值。因此圆弧插补计算过程分为五个步骤即偏差判别、坐标进给、偏差计算、坐标计算、终点判断。2.四个象限的圆弧插补（1）第一象限顺圆弧的插补计算

第一象限顺圆弧CD，圆弧的圆心在坐标原点，并已知起点C(x0,y0)，终点D(xe,ye),如图所示。设加工点现处于m(xm,ym)点，若Fm≥0,则沿-y方向进给一步，到(m+1)点，新加工点坐标将是(xm,ym-1)，可求出新的偏差为

Fm+1=Fm-2ym+1

若Fm＜0，则沿+x方向进给一步至(m+1)点，新加工点的坐标将是(xm+1,ym)，同样可求出新的偏差为

Fm+1=Fm+2xm+1（2）四个象限的圆弧插补其它象限的圆弧插补可与第一象限的情况相比较而得出，因为其它象限的所有圆弧总是与第一象限中的逆圆弧或顺圆弧互为对称。而且，对于圆弧插补，我们也是要先首先清楚第一步的走步方向，后面的就很容易了。（总是趋近于原点的趋势）当Fm>=0,Fm+1=Fm-2ym+1（第一、三象限）

Fm+1=Fm-2xm+1（第二、四象限）当Fm<0,Fm+1=Fm+2xm+1（第一、三象限）

Fm