1、2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)1第5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)2數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字?jǐn)?shù)字PID控制算法控制算法常規(guī)控制方案常規(guī)控制方案先進(jìn)控制方案先進(jìn)控制方案本章主要內(nèi)容2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)35.1 數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù) 數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù) 2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)4是指在給定系統(tǒng)性能指標(biāo)的條件下，設(shè)計(jì)出是指在給定系統(tǒng)性能指標(biāo)的條件下，設(shè)計(jì)出控制器的控制規(guī)律和相應(yīng)的數(shù)字控制算法控制器的

2、控制規(guī)律和相應(yīng)的數(shù)字控制算法 大多數(shù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是由處理數(shù)字信號的大多數(shù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是由處理數(shù)字信號的過程控制計(jì)算機(jī)和連續(xù)的被控過程組成的數(shù)過程控制計(jì)算機(jī)和連續(xù)的被控過程組成的數(shù)字信號與連續(xù)信號并存的字信號與連續(xù)信號并存的“混合系統(tǒng)混合系統(tǒng)” 數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù) 2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)55.1.1 數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)是忽略控制回路中所有的零階數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)是忽略控制回路中所有的零階保持器和采樣器，在保持器和采樣器，在S S域中按連續(xù)系

3、統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后域中按連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后通過某種近似將連續(xù)控制器離散化為數(shù)字控制器，并由通過某種近似將連續(xù)控制器離散化為數(shù)字控制器，并由計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。 G(s)G(s)是被控對象的傳遞函數(shù)，是被控對象的傳遞函數(shù)，H(s)H(s)是零階保持器，是零階保持器，D(z)D(z)是數(shù)字控制器。設(shè)計(jì)問題是：根據(jù)已知的系統(tǒng)性能指標(biāo)是數(shù)字控制器。設(shè)計(jì)問題是：根據(jù)已知的系統(tǒng)性能指標(biāo)和和G(s)G(s)來設(shè)計(jì)出數(shù)字控制器來設(shè)計(jì)出數(shù)字控制器D(z)D(z)。y(t)u(t)e(k)+-G(s)e(t)D(z)H(s)Tu(k)Tr(t)2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)65.1.1 數(shù)字控制器的連續(xù)

4、化設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù) 設(shè)計(jì)假想的連續(xù)控制器設(shè)計(jì)假想的連續(xù)控制器選擇采樣周期選擇采樣周期 T T將將D(s)D(s)離散化為離散化為D(z)D(z)設(shè)計(jì)由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制算法設(shè)計(jì)由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制算法校驗(yàn)校驗(yàn)2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)75.1.1 數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù) 采用連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法采用連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法( (如頻率特性法、如頻率特性法、根軌跡法等根軌跡法等) )設(shè)計(jì)出假想的連續(xù)控制器設(shè)計(jì)出假想的連續(xù)控制器D(s)D(s) 。D(s)G(s)y(t)e(t)r(t)+-u(t)2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)85.1.1 數(shù)字控制器的連續(xù)

5、化設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)采樣定理：采樣周期采樣定理：采樣周期T/max T/max 由于被控對象的物理過程及參數(shù)的變化比較復(fù)雜，由于被控對象的物理過程及參數(shù)的變化比較復(fù)雜，致使模擬信號的最高角頻率致使模擬信號的最高角頻率maxmax很難確定。很難確定。采樣定理僅從理論上給出了采樣周期的上限，實(shí)際采樣定理僅從理論上給出了采樣周期的上限，實(shí)際采樣周期的選擇要受到多方面因素的制約采樣周期的選擇要受到多方面因素的制約, ,如：如： 系統(tǒng)控制品質(zhì)的要求、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性、控制系統(tǒng)系統(tǒng)控制品質(zhì)的要求、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性、控制系統(tǒng)抗干擾和快速響應(yīng)的要求抗干擾和快速響應(yīng)的要求 、計(jì)算工作量、計(jì)算工作量

6、、計(jì)算機(jī)的、計(jì)算機(jī)的成本成本 、控制對象的時(shí)間常數(shù)、控制對象的時(shí)間常數(shù)TpTp和純滯后時(shí)間和純滯后時(shí)間 2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)95.1.1 數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)常用連續(xù)系統(tǒng)離散化的方法：常用連續(xù)系統(tǒng)離散化的方法： 雙線性變換法雙線性變換法 后向差分法后向差分法 前向差分法前向差分法 沖擊響應(yīng)不變法沖擊響應(yīng)不變法 零極點(diǎn)匹配法零極點(diǎn)匹配法 零階保持法零階保持法 2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)10112Tzzs112)()(tzzssDzD為了由為了由D(s)D(s)求解求解D(z)D(z)，由上式得，由上式得且有且有(5.3)(5.3)式式(5.3)(5.

7、3)就是利用雙線性變換法由就是利用雙線性變換法由D(s)D(s)求取求取D(z)D(z)的計(jì)算公式。的計(jì)算公式。, ,利用級數(shù)展開可得利用級數(shù)展開可得112Tzzs2121212122sTsTsTsTeeezsTsTsT雙線性變換或塔斯廷雙線性變換或塔斯廷(Tustin)(Tustin)近似近似 雙線性變換法雙線性變換法: :sTez 2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)11前向差分法前向差分法: :sTez sTsTezsT11Tzs1TzssDzD1)()(利用級數(shù)展開可將利用級數(shù)展開可將 ，寫成以下形式，寫成以下形式上式稱為前向差分法或歐拉法的計(jì)算公式。上式稱為前向差分法或歐拉法的計(jì)算公式。為

8、了由為了由D(s)D(s)求取求取D(z)D(z)，由上式可得，由上式可得上式便是前向差分法由上式便是前向差分法由D(s)D(s)求取求取D(z)D(z)的計(jì)算公式的計(jì)算公式且有且有2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)12后向差分法后向差分法: :sTez 利用級數(shù)展開可將利用級數(shù)展開可將 ，寫成以下形式，寫成以下形式為了由為了由D(s)D(s)求取求取D(z)D(z)，由上式可得，由上式可得上式便是后向差分法由上式便是后向差分法由D(s)D(s)求取求取D(z)D(z)的計(jì)算公式的計(jì)算公式且有且有sTeezsTsT111Tzzs1TzzssDzD1)()(2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)135.1.

9、1 數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)nnmmzazazbzbbzEzuzD111101)()()()()()()()(1102211zEzbzbbzuzazazazummnn)() 1()()()2() 1()(1021mkebkebkebnkuakuakuakumn設(shè)數(shù)字控制器設(shè)數(shù)字控制器D(z)D(z)的一般形式為的一般形式為上式可改寫為上式可改寫為上式用時(shí)域表示為上式用時(shí)域表示為利用上式即可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)編程，利用上式即可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)編程，因此上式稱為數(shù)字控制器因此上式稱為數(shù)字控制器D(z)D(z)的控制算法的控制算法。 2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)145.1.1 數(shù)字控

10、制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)控制器控制器D(z)D(z)設(shè)計(jì)完成并求出控制算法后，需設(shè)計(jì)完成并求出控制算法后，需要檢驗(yàn)其閉環(huán)特性是否符合設(shè)計(jì)要求，可采要檢驗(yàn)其閉環(huán)特性是否符合設(shè)計(jì)要求，可采用數(shù)字仿真來驗(yàn)證，若滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)用數(shù)字仿真來驗(yàn)證，若滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)結(jié)束，否則應(yīng)修改設(shè)計(jì)。結(jié)束，否則應(yīng)修改設(shè)計(jì)。 2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)155.1.2 數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)，數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)，是立足于連續(xù)控制系統(tǒng)控制是立足于連續(xù)控制系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)，然后在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)字模擬來實(shí)現(xiàn)的，該器的設(shè)計(jì)，然后在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)

11、字模擬來實(shí)現(xiàn)的，該方法在被控對象的特性不太清楚時(shí)，可充分利用技術(shù)成方法在被控對象的特性不太清楚時(shí)，可充分利用技術(shù)成熟的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)熟的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)( (如如PIDPID控制器設(shè)計(jì)技術(shù)控制器設(shè)計(jì)技術(shù)) )，并把它，并把它移植到計(jì)算機(jī)上予以實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到滿意控制效果移植到計(jì)算機(jī)上予以實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到滿意控制效果 由于控制任務(wù)需要，當(dāng)所選擇的采樣周期比較大或?qū)赜捎诳刂迫蝿?wù)需要，當(dāng)所選擇的采樣周期比較大或?qū)刂瀑|(zhì)量要求比較高時(shí)，必須從被控對象的特性出發(fā)，直制質(zhì)量要求比較高時(shí)，必須從被控對象的特性出發(fā)，直接根據(jù)計(jì)算機(jī)控制理論接根據(jù)計(jì)算機(jī)控制理論( (采樣控制理論采樣控制理論) )來設(shè)計(jì)數(shù)字控制來設(shè)計(jì)數(shù)字

12、控制器，這類方法稱為器，這類方法稱為離散化設(shè)計(jì)方法離散化設(shè)計(jì)方法 離散化設(shè)計(jì)技術(shù)離散化設(shè)計(jì)技術(shù)比比連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)更具有一般意義，它更具有一般意義，它完全是根據(jù)采樣控制系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行分析和綜合，并導(dǎo)完全是根據(jù)采樣控制系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行分析和綜合，并導(dǎo)出相應(yīng)的控制規(guī)律和算法出相應(yīng)的控制規(guī)律和算法2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)165.1.2 數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù)下圖中，下圖中，Gc(s)Gc(s)是被控對象的連續(xù)傳遞函數(shù)，是被控對象的連續(xù)傳遞函數(shù)，D(z)D(z)是數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)，是數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)，H(s)H(s)是零階保持器是零階保持器

13、的傳遞函數(shù)，的傳遞函數(shù)，T T是采樣周期是采樣周期) )。-r(t)y(t)u(t)u(k)e(t) e(k)+D(z)H(s)TTGc(s)2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)175.1.2 數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù) ) s (GSe1Z) s (G) s (HZ) z (A) z (B) z (GcTsc)z(G)z(D1)z(G)z(D)z()z(1)z()z(G1)z(D定義廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)為定義廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)為可得上頁圖對應(yīng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為可得上頁圖對應(yīng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為由上式求得由上式求得 (5.12) (5.13) (5.14) 若已知若

14、已知Gc(s)Gc(s)且可根據(jù)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)要求構(gòu)造且可根據(jù)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)要求構(gòu)造(z)(z)，則可由式則可由式(5.12)(5.12)和式和式(5.14)(5.14)求得求得D(z)D(z) 2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)185.1.2 數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù) 根據(jù)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)要求和其他約束條件，確根據(jù)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)要求和其他約束條件，確定所需閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)定所需閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)(z)(z)；根據(jù)式根據(jù)式(5.12)(5.12)求廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)求廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)G(z)G(z)；根據(jù)式根據(jù)式(5.14)(5.14)求數(shù)字控制器的脈沖傳

15、遞函數(shù)求數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)D(z)；根據(jù)根據(jù)D(z)D(z)求取控制算法的遞推計(jì)算公式求取控制算法的遞推計(jì)算公式2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)195.1.2 數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù)n0iiim0iiiza1zb) z (E) z (U) z (D) z (Uza) z (Ezb) z (Un0iiim0iiin0iim0iii)-u(kai)-e(kb)k(u由由G(z)G(z)求取控制算法可按以下方法實(shí)現(xiàn)：求取控制算法可按以下方法實(shí)現(xiàn)：設(shè)數(shù)字控制器設(shè)數(shù)字控制器G(z)G(z)的一般形式為的一般形式為數(shù)字控制器的輸出數(shù)字控制器的輸出U(z)U(z)為

16、為因此，數(shù)字控制器因此，數(shù)字控制器D(z)D(z)的計(jì)算機(jī)控制算法為的計(jì)算機(jī)控制算法為按照式上式就可編寫出控制算法程序。按照式上式就可編寫出控制算法程序。 2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)205.1 數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)技術(shù) 不管是按不管是按連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)還是按還是按離離散系統(tǒng)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)散系統(tǒng)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì), , 都可采用都可采用基于經(jīng)典基于經(jīng)典控制理論的常規(guī)控制策略控制理論的常規(guī)控制策略或或基于現(xiàn)代控制理論基于現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)控制策略的先進(jìn)控制策略，采用哪種控制策略往往與被，采用哪種控制策略往往與被控對象的控對象的過程特點(diǎn)過程特點(diǎn)、得

17、到的、得到的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型以及對系以及對系統(tǒng)的統(tǒng)的控制精度控制精度要求有關(guān)，與采用哪種方法無直要求有關(guān)，與采用哪種方法無直接關(guān)系。接關(guān)系。 2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)215.2 數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理數(shù)字濾波數(shù)字濾波數(shù)字處理數(shù)字處理2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)22計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是采樣系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是采樣系統(tǒng)提高信號的可靠性提高信號的可靠性在計(jì)算機(jī)中利用某種計(jì)算方法對原始輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行在計(jì)算機(jī)中利用某種計(jì)算方法對原始輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，去掉原始數(shù)據(jù)中摻雜的噪聲數(shù)據(jù)，提高數(shù)學(xué)處理，去掉原始數(shù)據(jù)中摻雜的噪聲數(shù)據(jù)，提高信號的真實(shí)性，獲得最具有代表性的數(shù)據(jù)集合。信號的真實(shí)性，獲

18、得最具有代表性的數(shù)據(jù)集合。通過數(shù)字濾波得到比較真實(shí)的被測參數(shù)，有時(shí)不能通過數(shù)字濾波得到比較真實(shí)的被測參數(shù)，有時(shí)不能直接使用，還需要做某些處理，如線性化、校正運(yùn)直接使用，還需要做某些處理，如線性化、校正運(yùn)算、標(biāo)度變換等。算、標(biāo)度變換等。2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)235.2.1 數(shù)字濾波數(shù)字濾波在軟件中對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行消除干擾的處理在軟件中對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行消除干擾的處理 目的是進(jìn)一步消除附加在數(shù)據(jù)中的干擾，使采集數(shù)目的是進(jìn)一步消除附加在數(shù)據(jù)中的干擾，使采集數(shù)據(jù)能真實(shí)反映現(xiàn)場實(shí)際情況，提高信號可靠性據(jù)能真實(shí)反映現(xiàn)場實(shí)際情況，提高信號可靠性不需增加硬件設(shè)備，只需在計(jì)算機(jī)得到采樣數(shù)據(jù)后，不需增加

19、硬件設(shè)備，只需在計(jì)算機(jī)得到采樣數(shù)據(jù)后，執(zhí)行預(yù)定濾波算法程序即可達(dá)到濾波目的執(zhí)行預(yù)定濾波算法程序即可達(dá)到濾波目的穩(wěn)定性好，一種濾波程序可以反復(fù)調(diào)用，使用方便穩(wěn)定性好，一種濾波程序可以反復(fù)調(diào)用，使用方便靈活靈活 平均值濾波法、中值濾波法平均值濾波法、中值濾波法 慣性濾波法、程序判斷濾波備慣性濾波法、程序判斷濾波備2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)245.2.1 數(shù)字濾波數(shù)字濾波-平均值濾波法平均值濾波法對一點(diǎn)數(shù)據(jù)連續(xù)采樣多次，計(jì)算算術(shù)平均值，以平均對一點(diǎn)數(shù)據(jù)連續(xù)采樣多次，計(jì)算算術(shù)平均值，以平均值作為該點(diǎn)采樣結(jié)果。值作為該點(diǎn)采樣結(jié)果?？蓽p少系統(tǒng)隨機(jī)干擾對采集結(jié)果的影響可減少系統(tǒng)隨機(jī)干擾對采集結(jié)果的影響

20、m m值決定信號平滑度和靈敏度值決定信號平滑度和靈敏度. .適用于對流量、壓力及適用于對流量、壓力及沸騰狀液面等周期性采樣信號作平滑處理。沸騰狀液面等周期性采樣信號作平滑處理。miikymky1)(1)(2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)255.2.1 數(shù)字濾波數(shù)字濾波-平均值濾波法平均值濾波法可以在一個(gè)采樣瞬間對一個(gè)測點(diǎn)多次采樣后可以在一個(gè)采樣瞬間對一個(gè)測點(diǎn)多次采樣后, , 計(jì)算出計(jì)算出其平均值其平均值也可對多個(gè)采樣周期的平均采樣值作遞推濾波也可對多個(gè)采樣周期的平均采樣值作遞推濾波為加快運(yùn)算速度為加快運(yùn)算速度, ,可利用上一次計(jì)算值可利用上一次計(jì)算值, ,通過遞推平均通過遞推平均濾波算式得到當(dāng)前

21、采樣時(shí)刻的遞推平均值。濾波算式得到當(dāng)前采樣時(shí)刻的遞推平均值。mmkymkyyy) 1() 1() 1-k()k(2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)265.2.1 數(shù)字濾波數(shù)字濾波-平均值濾波法平均值濾波法 算術(shù)平均值濾波對每個(gè)采樣值給出相同的權(quán)重系數(shù)算術(shù)平均值濾波對每個(gè)采樣值給出相同的權(quán)重系數(shù)1/m1/m 若要增加新采樣值在平均值中比重若要增加新采樣值在平均值中比重, , 提高系統(tǒng)對當(dāng)前所受提高系統(tǒng)對當(dāng)前所受干擾的靈敏度干擾的靈敏度, , 可采用加權(quán)平均濾波可采用加權(quán)平均濾波, , 算式為算式為 ai ai 為加權(quán)系數(shù)，體現(xiàn)各次采樣值在平均值中所占比例。為加權(quán)系數(shù)，體現(xiàn)各次采樣值在平均值中所占比例

22、。這種濾波方法可根據(jù)需要突出信號某一部分，抑制信號另這種濾波方法可根據(jù)需要突出信號某一部分，抑制信號另一部分。適用于純滯后較大、采樣周期短的過程。一部分。適用于純滯后較大、采樣周期短的過程。 10)()(miiikyaky1, 1010miiiaa2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)275.2.1 數(shù)字濾波數(shù)字濾波-中值濾波法中值濾波法對某一參數(shù)連續(xù)采樣對某一參數(shù)連續(xù)采樣n n次次, ,把把n n次的采樣值從小到大或次的采樣值從小到大或從大到小排隊(duì)從大到小排隊(duì), ,再取中間值作為本次采樣值。再取中間值作為本次采樣值。對于去掉由于偶然因素引起的波動或采樣器不穩(wěn)定造對于去掉由于偶然因素引起的波動或采樣器

23、不穩(wěn)定造成的誤差所引起的脈動干擾比較有效成的誤差所引起的脈動干擾比較有效. .若變量變化比較慢，則采用中值濾波效果比較好若變量變化比較慢，則采用中值濾波效果比較好，n n值要選擇適當(dāng)，若選擇過小，可能起值要選擇適當(dāng)，若選擇過小，可能起不到去除干擾的作用，不到去除干擾的作用，n n過大，會造成采樣數(shù)據(jù)的時(shí)延過過大，會造成采樣數(shù)據(jù)的時(shí)延過大，造成系統(tǒng)性能變差。一般取大，造成系統(tǒng)性能變差。一般取n n為為3-53-5次。次。 2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)285.2.1 數(shù)字濾波數(shù)字濾波-中值濾波法中值濾波法對具有周期性干擾噪聲的信號比較對具有周期性干擾噪聲的信號比較有效有效, ,對偶然出現(xiàn)的脈沖干

24、擾信號對偶然出現(xiàn)的脈沖干擾信號有良好的濾波效果有良好的濾波效果, ,結(jié)合使用濾波效果會更好結(jié)合使用濾波效果會更好. . 方法是連續(xù)采樣方法是連續(xù)采樣m m次，并按大小排序，從首尾次，并按大小排序，從首尾各舍掉各舍掉1/31/3個(gè)大數(shù)和小數(shù)，再將剩余的個(gè)大數(shù)和小數(shù)，再將剩余的1/31/3個(gè)大個(gè)大小居中的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，作為本次采樣的小居中的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，作為本次采樣的有效數(shù)據(jù)；亦可去掉采樣值中的最大值和最小有效數(shù)據(jù)；亦可去掉采樣值中的最大值和最小值，將余下的（值，將余下的（m-2m-2）個(gè)采樣值算術(shù)平均。）個(gè)采樣值算術(shù)平均。2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)295.2.1 數(shù)字濾波數(shù)字濾波-慣

25、性濾波法慣性濾波法用軟件實(shí)現(xiàn)用軟件實(shí)現(xiàn)RCRC低通濾波器功能低通濾波器功能, , 動態(tài)方程為動態(tài)方程為 其中其中 Tf =RCTf =RC，稱為濾波時(shí)間常數(shù)，稱為濾波時(shí)間常數(shù)離散化后動態(tài)方程，離散化后動態(tài)方程， T T為采樣周期為采樣周期, , 得得 0 0a a1, 1, 稱為濾波系數(shù)。稱為濾波系數(shù)。xydtdyTf)()1 () 1()(kxakayky)/(TTTaff2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)305.2.1 數(shù)字濾波數(shù)字濾波-程序判斷濾波法程序判斷濾波法根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定兩次采樣輸入信號可能出現(xiàn)的最根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定兩次采樣輸入信號可能出現(xiàn)的最大偏差大偏差y y 當(dāng)采樣信號由于隨機(jī)

26、干擾，使得采樣數(shù)據(jù)偏離實(shí)際值當(dāng)采樣信號由于隨機(jī)干擾，使得采樣數(shù)據(jù)偏離實(shí)際值較遠(yuǎn)，可以采用程序判斷濾波。較遠(yuǎn)，可以采用程序判斷濾波。限幅濾波限幅濾波限速濾波限速濾波2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)315.2.1 數(shù)字濾波數(shù)字濾波-程序判斷濾波法程序判斷濾波法把兩次相鄰的采樣值相減，求出其增量（以絕對值表把兩次相鄰的采樣值相減，求出其增量（以絕對值表示），然后與兩次采樣允許的最大偏差示），然后與兩次采樣允許的最大偏差yy比較，若比較，若小于或等于小于或等于yy取本次采樣值，若大于取本次采樣值，若大于yy仍取上次采仍取上次采樣值。樣值。 即即 |y(k)-y(k-1)|y0, 則 y(k)=y(k)

27、y0, 則 y(k)=y(k-1)2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)325.2.1 數(shù)字濾波數(shù)字濾波-程序判斷濾波法程序判斷濾波法限幅濾波用兩次采樣值來決定采樣結(jié)果，而限速濾波限幅濾波用兩次采樣值來決定采樣結(jié)果，而限速濾波可用三次采樣值來決定采樣結(jié)果。可用三次采樣值來決定采樣結(jié)果。 當(dāng)當(dāng)|y(k)-y(k-1)|y|y(k)-y(k-1)|y時(shí)，再采樣一次，取得時(shí)，再采樣一次，取得y(k+1)y(k+1)根據(jù)根據(jù)|y(k+1)-y(k)|y(k+1)-y(k)|與與yy的關(guān)系決定本次采樣值的關(guān)系決定本次采樣值 2) 1k ( y) k ( y) 1k ( yy) 1k ( y) 1k ( yy)

28、k ( y1)y(k) 1k ( yy) k ( y) k ( yy) 1k ( yy(k)0000則，則，取樣，則，2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)335.2.1 數(shù)字濾波數(shù)字濾波適用于周期性干擾；適用于周期性干擾；適用于純滯后較大的過程；適用于純滯后較大的過程； 和和適用于偶然出現(xiàn)的脈沖干擾；適用于偶然出現(xiàn)的脈沖干擾；適用于高頻干擾。適用于高頻干擾。2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)34經(jīng)過處理后，可直接引用采樣數(shù)據(jù)。經(jīng)過處理后，可直接引用采樣數(shù)據(jù)。 線性化處理：線性化處理： 校正運(yùn)算校正運(yùn)算 標(biāo)度變換標(biāo)度變換 越限報(bào)警處理越限報(bào)警處理 死區(qū)處理死區(qū)處理5.2.2 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理2022-5-

29、6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)355.2.2 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理-線性化處理線性化處理計(jì)算機(jī)從模擬量輸入通道得到的檢測信號與該信計(jì)算機(jī)從模擬量輸入通道得到的檢測信號與該信號所代表的物理量之間不一定成線性關(guān)系。號所代表的物理量之間不一定成線性關(guān)系。線性化處理后，方便運(yùn)算并且便于數(shù)字顯示。線性化處理后，方便運(yùn)算并且便于數(shù)字顯示。 孔板差壓與流量孔板差壓與流量 熱電偶的熱電勢與溫度熱電偶的熱電勢與溫度PkF1)-y(kx1)-y(k21)(yk01223344TaEaEaEaEa01234)TaEaEaEaEa2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)365.2.2 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理-線性化處理線性化處理 實(shí)質(zhì)是找出一種簡單、

30、便于計(jì)算處理的近似表達(dá)實(shí)質(zhì)是找出一種簡單、便于計(jì)算處理的近似表達(dá)式代替非線性參數(shù)。式代替非線性參數(shù)。 常用的插值公式有多項(xiàng)式插值公式、拉格朗日插常用的插值公式有多項(xiàng)式插值公式、拉格朗日插值公式、線性插值公式等值公式、線性插值公式等 。 上述兩法都可能會帶來大量運(yùn)算，為簡單起見，上述兩法都可能會帶來大量運(yùn)算，為簡單起見，可分段進(jìn)行線性化，即用多段折線代替曲線?？煞侄芜M(jìn)行線性化，即用多段折線代替曲線。 過程：先判斷測量數(shù)據(jù)處于哪一折線段內(nèi)，然后過程：先判斷測量數(shù)據(jù)處于哪一折線段內(nèi)，然后按相應(yīng)段的線性化公式計(jì)算出線性值。折線段分按相應(yīng)段的線性化公式計(jì)算出線性值。折線段分法不是惟一的，可視具體要求定。

31、一般折線段數(shù)法不是惟一的，可視具體要求定。一般折線段數(shù)越多，線性化精度越高。越多，線性化精度越高。 2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)37 Pt100 Pt100 Pt100-50 80.31 10 103.90 80 130.90-40 84.27 20 107.80 90 134.70-30 88.22 30 111.67 100 138.50-20 92.16 40 115.54 150 157.31-20 92.16 50 119.40 200 175.84-10 96.09 60 123.24 0 100.00 70 127.07熱電阻分度表熱電阻分度表5.2.2 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理-線性

32、化處理線性化處理2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)385.2.2 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理-校正運(yùn)算校正運(yùn)算 有時(shí)來自被控對象的某些檢測信號與真實(shí)值有時(shí)來自被控對象的某些檢測信號與真實(shí)值有偏差，這時(shí)需要對這些檢測信號進(jìn)行補(bǔ)償，有偏差，這時(shí)需要對這些檢測信號進(jìn)行補(bǔ)償，力求補(bǔ)償后的檢測值能反映真實(shí)情況。力求補(bǔ)償后的檢測值能反映真實(shí)情況。 用孔板測氣體體積流量的溫度、壓力補(bǔ)償用孔板測氣體體積流量的溫度、壓力補(bǔ)償01100PTPTFF2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)395.2.2 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理-標(biāo)度變換標(biāo)度變換生產(chǎn)中各個(gè)參數(shù)有不同的數(shù)值和量綱生產(chǎn)中各個(gè)參數(shù)有不同的數(shù)值和量綱, ,如如PaPa、等等 參數(shù)經(jīng)變送器

33、參數(shù)經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成A/D能接收的能接收的0 5V電壓信號，電壓信號，又由又由A/D轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成00FFH的數(shù)字量，不帶量綱，僅的數(shù)字量，不帶量綱，僅代表參數(shù)值相對大小。代表參數(shù)值相對大小。為方便操作及運(yùn)算、顯示和打印的要求，須把數(shù)為方便操作及運(yùn)算、顯示和打印的要求，須把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成帶有量綱的數(shù)值字量轉(zhuǎn)換成帶有量綱的數(shù)值 線性參數(shù)標(biāo)度變換線性參數(shù)標(biāo)度變換 非線性參數(shù)標(biāo)度變換非線性參數(shù)標(biāo)度變換2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)405.2.2 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理-標(biāo)度變換標(biāo)度變換 一次儀表測量值與一次儀表測量值與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果具有線性關(guān)系轉(zhuǎn)換結(jié)果具有線性關(guān)系 一次儀表測量值與一次儀表測量值與A/D轉(zhuǎn)

34、換結(jié)果是非線性關(guān)系轉(zhuǎn)換結(jié)果是非線性關(guān)系 根據(jù)差壓變送器信號根據(jù)差壓變送器信號P與流量與流量F的關(guān)系，可得測的關(guān)系，可得測量流量時(shí)的標(biāo)度變換式量流量時(shí)的標(biāo)度變換式 即0m0 x0m0 xNNNN)AA(AA0000()xxmmNNGGGGNN0m0 xxmxxNkNkNkNkGGGG2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)415.2.2 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理-越限報(bào)警處理越限報(bào)警處理 把計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)把計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換之后，與該參數(shù)上、下限給定字濾波、標(biāo)度變換之后，與該參數(shù)上、下限給定值進(jìn)行比較。若高于值進(jìn)行比較。若高于(或低于或低于)上限上限

35、(或下限或下限)，則進(jìn)，則進(jìn)行報(bào)警，以便進(jìn)行顯示和控制。行報(bào)警，以便進(jìn)行顯示和控制。 聲光報(bào)警、報(bào)警記錄聲光報(bào)警、報(bào)警記錄 全軟件報(bào)警程序全軟件報(bào)警程序 直接報(bào)警程序直接報(bào)警程序 2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)425.2.2 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理-越限報(bào)警處理越限報(bào)警處理 如圖所示鍋爐水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)。圖中鍋爐正常工作的主要如圖所示鍋爐水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)。圖中鍋爐正常工作的主要指標(biāo)是汽包水位：液面太高會影響汽包的蒸汽產(chǎn)量；水指標(biāo)是汽包水位：液面太高會影響汽包的蒸汽產(chǎn)量；水位過低則有爆炸的危險(xiǎn)。位過低則有爆炸的危險(xiǎn)。 HHJ 變送器cba 預(yù)熱管水傳感器傳感器蒸汽蒸汽流量bac液面高度汽包水流量變速器變送器2

36、022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)435.2.2 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理-越限報(bào)警處理越限報(bào)警處理為及時(shí)監(jiān)視鍋爐情況，系統(tǒng)有三個(gè)參數(shù)報(bào)警系統(tǒng)，即水位上下限，為及時(shí)監(jiān)視鍋爐情況，系統(tǒng)有三個(gè)參數(shù)報(bào)警系統(tǒng)，即水位上下限，爐膛溫度上下限，蒸汽壓力下限報(bào)警，如下圖所示。當(dāng)系統(tǒng)各個(gè)參爐膛溫度上下限，蒸汽壓力下限報(bào)警，如下圖所示。當(dāng)系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)全部正常時(shí)，綠燈亮；若有不正常參數(shù)，則發(fā)出聲光報(bào)警信號。數(shù)全部正常時(shí)，綠燈亮；若有不正常參數(shù)，則發(fā)出聲光報(bào)警信號。 正常運(yùn)轉(zhuǎn) 蒸汽壓力下限報(bào)警 爐膛溫度下限報(bào)警 爐膛溫度下限報(bào)警 水位下限報(bào)警 水位上限報(bào)警 1 LEDGN1 LEDRD1 LEDRD1 LEDRD7PBA8255

37、1 LEDRD1 LEDRD6PB5PB3PB2PB1PB0PB4PB1 電笛0674 LS3X2X1X2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)445.2.2 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理-死區(qū)處理死區(qū)處理 從工業(yè)現(xiàn)場采集到的信號往往會在一定范圍內(nèi)波從工業(yè)現(xiàn)場采集到的信號往往會在一定范圍內(nèi)波動，或者有頻率較高、能量不大的干擾疊加在信動，或者有頻率較高、能量不大的干擾疊加在信號上，此時(shí)采集到的數(shù)據(jù)有效值的最后一位不停號上，此時(shí)采集到的數(shù)據(jù)有效值的最后一位不停的波動，難以穩(wěn)定。的波動，難以穩(wěn)定。 這種情況可以采取死區(qū)處理，把不停波動的值進(jìn)這種情況可以采取死區(qū)處理，把不停波動的值進(jìn)行死區(qū)處理，只有當(dāng)變化超出某值時(shí)才認(rèn)為該

38、值行死區(qū)處理，只有當(dāng)變化超出某值時(shí)才認(rèn)為該值發(fā)生了變化。比如編程時(shí)可以先對數(shù)據(jù)除以發(fā)生了變化。比如編程時(shí)可以先對數(shù)據(jù)除以10，然后取整，去掉波動項(xiàng)。然后取整，去掉波動項(xiàng)。2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)455.3 數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)概述概述數(shù)控原理數(shù)控原理數(shù)控系統(tǒng)分類數(shù)控系統(tǒng)分類運(yùn)動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制系統(tǒng) 2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)465.3.1 概述概述用數(shù)字化信號對機(jī)床運(yùn)動及其加工用數(shù)字化信號對機(jī)床運(yùn)動及其加工 過程進(jìn)行控制的一種方法過程進(jìn)行控制的一種方法：采用數(shù)控技術(shù)的控制系統(tǒng)：采用數(shù)控技術(shù)的控制系統(tǒng) ：采用了數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)備：采用了數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)備 ：以計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)控系統(tǒng)：以計(jì)算

39、機(jī)為核心的數(shù)控系統(tǒng) 飼服系統(tǒng)機(jī)電接口輸入通道被控對象CNC2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)475.3.2 數(shù)控原理數(shù)控原理XbadcY 將如圖所示曲線分割成若干段，可以是直線段，也可以是曲線段，圖中分割成了三段，即 、 和cd 把a(bǔ)、b、c、d四點(diǎn)坐標(biāo)記下來并送給計(jì)算機(jī)。圖形分割原則應(yīng)保證線段所連的曲線與原圖形誤差在允許范圍內(nèi)。 由圖可見，顯然采用 、 和cd 比 、 和 要精確得多。 abbcabbcabcdbc2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)485.3.2 數(shù)控原理數(shù)控原理 當(dāng)給定當(dāng)給定a、b、c、d各點(diǎn)坐標(biāo)各點(diǎn)坐標(biāo)x和和y值之后，求得值之后，求得各坐標(biāo)值間的中間值的數(shù)值計(jì)算方法稱各坐標(biāo)值間的

40、中間值的數(shù)值計(jì)算方法稱插值插值或或插補(bǔ)插補(bǔ) 直線插補(bǔ)直線插補(bǔ)： 在給定的兩個(gè)基點(diǎn)之間用一條近似直線來逼近在給定的兩個(gè)基點(diǎn)之間用一條近似直線來逼近 二次曲線插補(bǔ)二次曲線插補(bǔ)： 在給定的兩個(gè)基點(diǎn)之間用一條近似曲線來逼近在給定的兩個(gè)基點(diǎn)之間用一條近似曲線來逼近 2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)495.3.2 數(shù)控原理數(shù)控原理 把插補(bǔ)運(yùn)算過程中定出的各中間點(diǎn)，以脈沖信把插補(bǔ)運(yùn)算過程中定出的各中間點(diǎn)，以脈沖信號形式去控制號形式去控制x、y方向上的步進(jìn)電機(jī)，帶動繪方向上的步進(jìn)電機(jī)，帶動繪圖筆、刀具等，繪出圖形或加工所要求輪廓圖筆、刀具等，繪出圖形或加工所要求輪廓 每一個(gè)脈沖信號代表步進(jìn)電機(jī)走一步，即繪圖每一

41、個(gè)脈沖信號代表步進(jìn)電機(jī)走一步，即繪圖筆或刀具在筆或刀具在x或或y方向移動一個(gè)位置方向移動一個(gè)位置 對應(yīng)于每個(gè)脈沖移動的相對位置稱為脈沖當(dāng)量，對應(yīng)于每個(gè)脈沖移動的相對位置稱為脈沖當(dāng)量，又稱為步長，常用又稱為步長，常用x和和y表示，且總是取表示，且總是取x=y。 2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)505.3.3 數(shù)控系統(tǒng)分類數(shù)控系統(tǒng)分類-按控制方式分類按控制方式分類 點(diǎn)位控制數(shù)控系統(tǒng)點(diǎn)位控制數(shù)控系統(tǒng) 點(diǎn)位控制最簡單，其運(yùn)動軌跡沒有特殊要求，運(yùn)動點(diǎn)位控制最簡單，其運(yùn)動軌跡沒有特殊要求，運(yùn)動時(shí)又不加工，它的控制電路只要具有記憶和比較功時(shí)又不加工，它的控制電路只要具有記憶和比較功能即可，不需要插補(bǔ)運(yùn)算。能即

42、可，不需要插補(bǔ)運(yùn)算。 直線控制數(shù)控系統(tǒng)直線控制數(shù)控系統(tǒng) 和點(diǎn)位控制相比，直線控制要進(jìn)行直線加工，控制和點(diǎn)位控制相比，直線控制要進(jìn)行直線加工，控制電路要復(fù)雜一些。電路要復(fù)雜一些。 輪廓控制數(shù)控系統(tǒng)輪廓控制數(shù)控系統(tǒng) 要控制刀具準(zhǔn)確完成復(fù)雜的曲線運(yùn)動，故控制電路要控制刀具準(zhǔn)確完成復(fù)雜的曲線運(yùn)動，故控制電路 復(fù)雜，且需要進(jìn)行一系列的插補(bǔ)計(jì)算和判斷。復(fù)雜，且需要進(jìn)行一系列的插補(bǔ)計(jì)算和判斷。 2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)515.3.3 數(shù)控系統(tǒng)分類數(shù)控系統(tǒng)分類-按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類早期數(shù)控機(jī)床采用的數(shù)控系統(tǒng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)多采用早期數(shù)控機(jī)床采用的數(shù)控系統(tǒng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)多采用步進(jìn)電機(jī)或脈沖馬達(dá)。數(shù)控系統(tǒng)將零

43、件程序處理步進(jìn)電機(jī)或脈沖馬達(dá)。數(shù)控系統(tǒng)將零件程序處理后，輸出指令脈沖信號，驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)，控制后，輸出指令脈沖信號，驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)，控制機(jī)床工作臺移動機(jī)床工作臺移動 這種驅(qū)動方式不設(shè)置檢測元件，指令脈沖送出后，這種驅(qū)動方式不設(shè)置檢測元件，指令脈沖送出后，沒有反饋信息，容易掌握，調(diào)試維修方便，但控沒有反饋信息，容易掌握，調(diào)試維修方便，但控制精度和速度受到限制。制精度和速度受到限制。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路步進(jìn)電機(jī)工作臺2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)525.3.3 數(shù)控系統(tǒng)分類數(shù)控系統(tǒng)分類-按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類 接受數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動指令同時(shí)，還接受工作臺上檢接受數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動指令同時(shí)，還接受工作臺上檢測

44、元件測出的實(shí)際位置反饋信息，比較后根據(jù)差測元件測出的實(shí)際位置反饋信息，比較后根據(jù)差值進(jìn)行修正，消除因傳動系統(tǒng)誤差引起的誤差值進(jìn)行修正，消除因傳動系統(tǒng)誤差引起的誤差可獲得高的加工精度，由于包含很多機(jī)械傳動環(huán)可獲得高的加工精度，由于包含很多機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，會影響伺服系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)。因此全閉環(huán)系節(jié)，會影響伺服系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)。因此全閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)整都有較大困難，處理不好常會造統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)整都有較大困難，處理不好常會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。主要用于高精度機(jī)床。成系統(tǒng)不穩(wěn)定。主要用于高精度機(jī)床。 位置反饋速度反饋速度控制電路步進(jìn)電機(jī)工作臺位置比較電路2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)535.3.3 數(shù)控系統(tǒng)分類數(shù)控

45、系統(tǒng)分類-按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類將測量元件從工作臺移到執(zhí)行機(jī)構(gòu)端，由于工將測量元件從工作臺移到執(zhí)行機(jī)構(gòu)端，由于工作臺不在控制環(huán)里，測量元件安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)作臺不在控制環(huán)里，測量元件安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)端，環(huán)路短，剛性好，容易獲得穩(wěn)定的控制特端，環(huán)路短，剛性好，容易獲得穩(wěn)定的控制特性，廣泛應(yīng)用于各類連續(xù)控制的數(shù)控機(jī)床上。性，廣泛應(yīng)用于各類連續(xù)控制的數(shù)控機(jī)床上。 指令位置反饋速度反饋速度控制電路步進(jìn)電機(jī)工作臺位置比較電路2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)545.3.4 運(yùn)動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制起源于早期的伺服控制運(yùn)動控制起源于早期的伺服控制(Servomechanism) (Servomecha

46、nism) 運(yùn)動控制就是對機(jī)械運(yùn)動部件的位置、速度等進(jìn)行實(shí)運(yùn)動控制就是對機(jī)械運(yùn)動部件的位置、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制管理，使其按照預(yù)期的運(yùn)動軌跡和規(guī)定的運(yùn)時(shí)的控制管理，使其按照預(yù)期的運(yùn)動軌跡和規(guī)定的運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動動參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動 早期的運(yùn)動控制技術(shù)主要伴隨著數(shù)控早期的運(yùn)動控制技術(shù)主要伴隨著數(shù)控(CNC)(CNC)技術(shù)、機(jī)器技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)人技術(shù)(Robotics)(Robotics)和工廠自動化技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的和工廠自動化技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的 早期的運(yùn)動控制器是可獨(dú)立運(yùn)行的專用的控制器，即早期的運(yùn)動控制器是可獨(dú)立運(yùn)行的專用的控制器，即獨(dú)立運(yùn)行獨(dú)立運(yùn)行(Stand-alone)(Stand-alon

47、e)的運(yùn)動控制器的運(yùn)動控制器 早期的運(yùn)動控制器不能離開特定的工藝要求而跨行業(yè)早期的運(yùn)動控制器不能離開特定的工藝要求而跨行業(yè)應(yīng)用，開放性僅依賴于控制器的加工代碼協(xié)議，用戶應(yīng)用，開放性僅依賴于控制器的加工代碼協(xié)議，用戶不能根據(jù)應(yīng)用要求而重組自己的運(yùn)動控制系統(tǒng)不能根據(jù)應(yīng)用要求而重組自己的運(yùn)動控制系統(tǒng) 2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)555.3.4 運(yùn)動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制系統(tǒng)在在20 20 世紀(jì)世紀(jì)90 90 年代，由于有強(qiáng)勁市場需求的推動，通年代，由于有強(qiáng)勁市場需求的推動，通用運(yùn)動控制技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。用運(yùn)動控制技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。近年來，隨著運(yùn)動控制技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，通用近年來，隨著運(yùn)動

48、控制技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，通用運(yùn)動控制器作為一個(gè)獨(dú)立的工業(yè)自動化控制類產(chǎn)品，運(yùn)動控制器作為一個(gè)獨(dú)立的工業(yè)自動化控制類產(chǎn)品，已經(jīng)被越來越多的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域接受，根據(jù)已經(jīng)被越來越多的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域接受，根據(jù)ARCARC近期的一份近期的一份研究，世界通用運(yùn)動控制市場已超過研究，世界通用運(yùn)動控制市場已超過40 40 億美元，并且億美元，并且有望在未來有望在未來5 5 年內(nèi)綜合增長率達(dá)到年內(nèi)綜合增長率達(dá)到6.36.3 一個(gè)典型的運(yùn)動控制系統(tǒng)主要由運(yùn)動部件、傳動機(jī)構(gòu)、一個(gè)典型的運(yùn)動控制系統(tǒng)主要由運(yùn)動部件、傳動機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動器和運(yùn)動控制器構(gòu)成，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動器和運(yùn)動控制器構(gòu)成，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動指令由運(yùn)動

49、控制器給出，因此運(yùn)動控制器是整個(gè)運(yùn)動指令由運(yùn)動控制器給出，因此運(yùn)動控制器是整個(gè)運(yùn)動控制系統(tǒng)的靈魂。動控制系統(tǒng)的靈魂。 2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)565.3.4 運(yùn)動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制系統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的運(yùn)動控制器基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的運(yùn)動控制器，是把具有，是把具有開放體系結(jié)構(gòu)，獨(dú)立于計(jì)算機(jī)的運(yùn)動控制器與開放體系結(jié)構(gòu)，獨(dú)立于計(jì)算機(jī)的運(yùn)動控制器與計(jì)算機(jī)相結(jié)合構(gòu)成計(jì)算機(jī)相結(jié)合構(gòu)成SoftSoft型開放式運(yùn)動控制器型開放式運(yùn)動控制器，提供給用戶最大，提供給用戶最大的靈活性，運(yùn)動控制軟件全部裝在計(jì)算機(jī)中，的靈活性，運(yùn)動控制軟件全部裝在計(jì)算機(jī)中，而硬件部分僅是計(jì)算機(jī)與伺服驅(qū)動和外部而硬件部分僅是計(jì)算機(jī)

50、與伺服驅(qū)動和外部I/OI/O之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口 嵌入式結(jié)構(gòu)的運(yùn)動控制器嵌入式結(jié)構(gòu)的運(yùn)動控制器，這種運(yùn)動控制器是，這種運(yùn)動控制器是把計(jì)算機(jī)嵌入到運(yùn)動控制器中的一種產(chǎn)品，它把計(jì)算機(jī)嵌入到運(yùn)動控制器中的一種產(chǎn)品，它能夠獨(dú)立運(yùn)行。能夠獨(dú)立運(yùn)行。 2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)575.3.4 運(yùn)動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制系統(tǒng) 基于基于PCPC總線的開放式運(yùn)動控制器總線的開放式運(yùn)動控制器 基于基于PCPC總線的開放式運(yùn)動控制器是目前自動化領(lǐng)域應(yīng)總線的開放式運(yùn)動控制器是目前自動化領(lǐng)域應(yīng)用最廣、功能最強(qiáng)的運(yùn)動控制器，并且在全球范圍內(nèi)用最廣、功能最強(qiáng)的運(yùn)動控制器，并且在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用得

51、到了廣泛的應(yīng)用 。一個(gè)基于一個(gè)基于PCPC總線的運(yùn)動控制系統(tǒng)的典型構(gòu)成總線的運(yùn)動控制系統(tǒng)的典型構(gòu)成應(yīng)用程序指令應(yīng)用程序指令反反饋饋電機(jī)電機(jī)運(yùn)動控制器運(yùn)動控制器上位計(jì)算機(jī)上位計(jì)算機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動器運(yùn)動指令運(yùn)動指令2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)585.3.4 運(yùn)動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制系統(tǒng)點(diǎn)位控制運(yùn)動控制器點(diǎn)位控制運(yùn)動控制器 ，PCBPCB鉆床、鉆床、SMTSMT、晶片自動、晶片自動輸送、輸送、ICIC插裝機(jī)、引線焊接機(jī)、紙板運(yùn)送機(jī)驅(qū)動、插裝機(jī)、引線焊接機(jī)、紙板運(yùn)送機(jī)驅(qū)動、包裝系統(tǒng)包裝系統(tǒng)連續(xù)軌跡控制運(yùn)動控制器連續(xù)軌跡控制運(yùn)動控制器 ，數(shù)控車、銑床，雕刻，數(shù)控車、銑床，雕刻機(jī)、激光切割機(jī)、激光焊接機(jī)、激光雕

52、刻機(jī)、數(shù)機(jī)、激光切割機(jī)、激光焊接機(jī)、激光雕刻機(jī)、數(shù)控沖壓機(jī)床、快速成型機(jī)控沖壓機(jī)床、快速成型機(jī) 同步控制運(yùn)動控制器同步控制運(yùn)動控制器，套色印刷、包裝機(jī)械、紡，套色印刷、包裝機(jī)械、紡織機(jī)械、飛剪、拉絲機(jī)、造紙機(jī)械、織機(jī)械、飛剪、拉絲機(jī)、造紙機(jī)械、 2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)595.3.4 運(yùn)動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代化的運(yùn)動控制技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代化的 制器之技制器之技 ，運(yùn)，運(yùn)動控制器不但在傳統(tǒng)的機(jī)械數(shù)控行業(yè)有著廣泛的動控制器不但在傳統(tǒng)的機(jī)械數(shù)控行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，而且在新興的電子制造和信息產(chǎn)品的制造應(yīng)用，而且在新興的電子制造和信息產(chǎn)品的制造業(yè)中起著不可替代的作用業(yè)中起著不

53、可替代的作用 通用運(yùn)動控制技術(shù)已逐步發(fā)展成為一種高度集成通用運(yùn)動控制技術(shù)已逐步發(fā)展成為一種高度集成化的技術(shù)，不但包含通用的多軸速度、位置控制化的技術(shù)，不但包含通用的多軸速度、位置控制技術(shù)，而且與應(yīng)用系統(tǒng)的工藝條件和技術(shù)要求緊技術(shù)，而且與應(yīng)用系統(tǒng)的工藝條件和技術(shù)要求緊密相關(guān)密相關(guān) 2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)605.4 數(shù)字?jǐn)?shù)字PID控制算法控制算法標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PID控制算法控制算法數(shù)字?jǐn)?shù)字PID控制算法的改進(jìn)控制算法的改進(jìn)數(shù)字?jǐn)?shù)字PID參數(shù)整定參數(shù)整定2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)615-4-1 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PID控制算法控制算法 PIDPID是是ProportionalPropor

54、tional（比例）、（比例）、IntegralIntegral（積分）、（積分）、DifferentialDifferential（微（微分）三者的縮寫。在過程控制中，按誤差分）三者的縮寫。在過程控制中，按誤差信號的比例、積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)信號的比例、積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器，簡稱器，簡稱PIDPID調(diào)節(jié)器，是技術(shù)成熟、應(yīng)用調(diào)節(jié)器，是技術(shù)成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種調(diào)節(jié)器最為廣泛的一種調(diào)節(jié)器2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)625-4-1 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PID控制算法控制算法 標(biāo)準(zhǔn)的模擬標(biāo)準(zhǔn)的模擬PIDPID 式中：式中：KKc c、T Ti i、T Td d 分別為模擬調(diào)節(jié)器的比分別為模

55、擬調(diào)節(jié)器的比例增益、積分時(shí)間和微分時(shí)間例增益、積分時(shí)間和微分時(shí)間, , u u0 0為偏差為偏差 e=e=0 0 時(shí)的調(diào)節(jié)器輸出時(shí)的調(diào)節(jié)器輸出, , 又稱之為又稱之為。00)()(1)()(udttdeTdtteTteKtudtic2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)63 采樣周期采樣周期與與控制周期控制周期的概念的概念 模擬模擬PIDPID調(diào)節(jié)規(guī)律的離散化調(diào)節(jié)規(guī)律的離散化 在控制器的采樣時(shí)刻在控制器的采樣時(shí)刻 t=kt=kT T時(shí)時(shí)因此，因此，如下式如下式kjjTeedt0)(Tkekedtde) 1()(00) 1()()()()(ukekeTTjeTTkeKkudkjic5-4-1 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字標(biāo)

56、準(zhǔn)數(shù)字PID控制算法控制算法2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)64 00) 1()()()()(ukekeKjeKkeKkudkjiciciTTKKTTKKdcd5-4-1 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PID控制算法控制算法2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)65 由積分項(xiàng)由積分項(xiàng) 的存在所產(chǎn)生的存在所產(chǎn)生由由 可得可得kiie1)() 1()()(kukuku) 2() 1(2)()() 1()(kekekeTTkeTTkekeKdic5-4-1 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PID控制算法控制算法2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)66算法的算法的是編程簡單是編程簡單, , 數(shù)據(jù)可以數(shù)據(jù)可以遞推使用遞推使用, , 占用內(nèi)存少占用內(nèi)

57、存少, , 運(yùn)算快。運(yùn)算快。算法得到算法得到 k k 采樣時(shí)刻計(jì)算機(jī)的采樣時(shí)刻計(jì)算機(jī)的為為)2() 1(2)()()1()()(kekekeKkeKkekeKkudic)() 1()(kukuku5-4-1 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PID控制算法控制算法2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)675-4-1 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PID控制算法控制算法2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)685-4-2 數(shù)字?jǐn)?shù)字PID控制算法的改進(jìn)控制算法的改進(jìn) 微分的作用微分的作用 理想微分的理想微分的PIDPID算法算法 模擬調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的微分作用模擬調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的微分作用 理想微分作用的實(shí)際缺陷理想微分作用的實(shí)際缺陷2022-5-6計(jì)算機(jī)

58、控制技術(shù)69 在單位階躍輸入時(shí)在單位階躍輸入時(shí), , 它們輸出的控制作用它們輸出的控制作用 (A) 積積分分項(xiàng)項(xiàng) 比比 例例 項(xiàng)項(xiàng) u 0 1 2 3 4 5 6 7 8 kT 微微 分分 項(xiàng)項(xiàng) 比比 例例 項(xiàng)項(xiàng) u 0 1 2 3 4 5 6 7 8 kT項(xiàng)項(xiàng) (B) 微微積積分分分分項(xiàng)項(xiàng)5-4-2 數(shù)字?jǐn)?shù)字PID控制算法的改進(jìn)控制算法的改進(jìn)2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)70 其區(qū)別在于實(shí)際微分多了個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，其區(qū)別在于實(shí)際微分多了個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，即如圖所示即如圖所示 圖中圖中 因?yàn)橐驗(yàn)閡(t)為理想為理想PID的輸出，的輸出，Gf(s)是一階慣是一階慣性環(huán)節(jié)性環(huán)節(jié)理想理想PIDU(s)

59、E(s)Gf(s)U(s) 實(shí)際微分實(shí)際微分PID控制算法示意框圖控制算法示意框圖11)(sTsGff5-4-2 數(shù)字?jǐn)?shù)字PID控制算法的改進(jìn)控制算法的改進(jìn)2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)71)/(ffTTTa )()()()()(1)()( 0tutudttduTdttdeTdtteTteKtufdtic)()1 () 1()(kuakauku)1()()()()( 0kekeTTieTTkeKkudkiic5-4-2 數(shù)字?jǐn)?shù)字PID控制算法的改進(jìn)控制算法的改進(jìn)2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)72 實(shí)際微分增量型控制算式實(shí)際微分增量型控制算式 Gf(s)為為一階超前一階超前/ /一階滯后一階滯后

60、環(huán)節(jié)環(huán)節(jié), ,或?qū)⒒驅(qū)⒆饔米饔酶臑楦臑槲⒎治⒎? /一階慣性一階慣性環(huán)節(jié)環(huán)節(jié))( )1 () 1()(kuakuaku) 1()()()()( kekeTTkeTTkeKkudic5-4-2 數(shù)字?jǐn)?shù)字PID控制算法的改進(jìn)控制算法的改進(jìn)2022-5-6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)73：避免因避免因給控制系給控制系統(tǒng)帶來超調(diào)量過大、調(diào)節(jié)閥動作劇烈的沖擊。統(tǒng)帶來超調(diào)量過大、調(diào)節(jié)閥動作劇烈的沖擊。：只對只對( (被控量被控量) )進(jìn)行微分進(jìn)行微分, , 而不對而不對偏差微分偏差微分, , 也即對給定值無微分作用。也即對給定值無微分作用。： 正作用正作用 反作用反作用)( )()(krkyke)( )()(kykrk