中北大學機電一體化第四章機電控制系統(tǒng)設計

1、n4.1 概述概述n4.2 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型控制系統(tǒng)的數(shù)學模型n4.3 典型數(shù)字控制器的設計典型數(shù)字控制器的設計n4.4 計算機控制技術計算機控制技術n4.5 控制量輸出接口設計控制量輸出接口設計n4.6 典型計算機數(shù)控系統(tǒng)介紹典型計算機數(shù)控系統(tǒng)介紹 控制：控制是指為達到某種目的，對某些對象施加所需的操作。 控制系統(tǒng)：為實現(xiàn)各種復雜的控制任務，而將被控量和控制裝置按照一定方式連接起來所形成的有機整體。 給定量給定量 控制部分控制部分 反饋部分反饋部分 執(zhí)行部分執(zhí)行部分 反饋部分反饋部分 機械部分機械部分 實際結果實際結果 干擾干擾 控制系統(tǒng)包括控制部分、執(zhí)行部分、機械部分和反饋部分。 控制部

2、分：將系統(tǒng)的控制信息和來自傳感器的反饋信息進行處理和判斷，并向執(zhí)行部分發(fā)出指令。執(zhí)行部分：將來自控制部分的電信號轉化為機械能。 機械部分：是能實現(xiàn)某種動作的機構。 反饋部分：對輸出端的機械運動結果進行測量、監(jiān)控和比較整合調(diào)整。 4.1.2 控制分類1. “量”控制與“邏輯”控制 “量”控制：以速度、位移、溫度和壓力等數(shù)量大小為控制對象。 “邏輯”控制：以物體的“有”、“無”、“動”和“停”等邏輯狀態(tài)為控制對象。控制分類控制分類 “量”控制根據(jù)表示數(shù)量大小的信號種類分為模擬控制和數(shù)字控制。 模擬控制：是指將速度、位移、溫度或壓力等變換成大小與其對應的電壓或電流等模擬量進行信號處理的控制。 數(shù)字控

3、制：把要處理的“量”變成數(shù)字量進行信號處理的控制。 注意！模擬控制精度不高，不適合于復雜的信號處理。數(shù)字控制可用于要求高精度和信號運算比較復雜的場合。控制分類控制分類2. “開環(huán)”控制與“閉環(huán)”控制 “開環(huán)”控制：以目標值為系統(tǒng)輸入，對輸出結果不予檢測。 “閉環(huán)”控制：將輸出的結果與目標值比較的差值作為偏差信號，控制輸出結果。 閉環(huán)控制也稱反饋控制。輸入（目標值） F Gxx-GyGy+_外部干擾z輸出yF(x-Gy)-閉環(huán)控制系統(tǒng)控制分類3. 連續(xù)控制與非連續(xù)控制 連續(xù)控制：模擬控制中，輸入與輸出的對應關系一般是以無時間差的情況下用微分方程的形式表示。輸入與輸出在時間上保持連續(xù)的關系，稱為連

4、續(xù)控制?？刂品诸?. 線性控制與非線性控制 線性控制：理解線性控制應把握以下三點： 由線性元件構成的控制系統(tǒng)稱為線性控制系統(tǒng)。 線性元件具有固定傳動比(如齒輪、齒條、帶輪等)。 控制方程一般采用線性方程表示。 非線性控制：含有非線性元件構成的控制系統(tǒng)稱為非線件控制系統(tǒng)，對機械系統(tǒng)來講，只要含有非線性元件(凸輪、撥叉、連桿機構等)都是非線性系統(tǒng)，控制方程一般用微分方程表示。控制分類5. 點位控制與軌跡控制 點位控制是在允許加速度條件下。盡可能以最大速度從坐標原點運動到目的坐標位置，對兩點之間的軌道沒有精度要求。 軌跡控制又稱為連續(xù)路徑控制（包括直線運動控制和曲線運動控制）。這類控制對于運動軌跡上

5、的每一點坐標都具有一定的精度要求，需要采用插補技術生成控制指令。4.1.3 動作控制方式及特點 機電一體化產(chǎn)品的動作控制方式是指其執(zhí)行機構從一點移動到另一點的過程中，對位置、速度或加速度等的控制方式。 1.位置控制方式按控制指令可分為絕對值控制方式和增量值控制方式 絕對值控制方式是先確定基準坐標系，以此坐標系的坐標值為位置控制指令。 增量值控制方式以從當前位置向下一個位置移動所需的移動量為控制指令。4.1.3 動作控制方式及特點 1.位置控制方式按實現(xiàn)方式可分為步進電動機定位、直流(或交流)伺服電動機定位(絕對值方式)和直流(或交流)伺服電動機定位(增量值方式) （1）步進電動機定位。以步進電

6、動機為執(zhí)行單元，用對應于所需移動量的脈沖數(shù)驅動步進電動機進行定位。（2）直流(或交流)伺服電動機定位(絕對值方式)（3）直流(或交流)伺服電動機定位(增量值方式)4.1.3 動作控制方式及特點 2.速度控制方式（1）速度的模擬反饋控制4.1.3 動作控制方式及特點 2.速度控制方式（2）速度的數(shù)字反饋控制3.伺服控制機構分類 3.伺服控制機構分類 按動力源來分，目前使用的伺服控制機構有電氣伺服和電液(氣)伺服等類型。電氣伺服系統(tǒng)電氣伺服系統(tǒng)電-液伺服系統(tǒng) 3.伺服控制機構分類 對伺服控制機構進行分類還可根據(jù)位置、速度及控制信號的處理方法等。對電氣伺服機構來說，可分為以下幾種：（1）模擬伺服控制

7、（2）數(shù)字伺服控制（3）軟件伺服控制4.2 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 系統(tǒng)的數(shù)學模型即系統(tǒng)動態(tài)性能的數(shù)學表達式，是機電一體化系統(tǒng)設計控制算法的理論依據(jù)。 常用的控制系統(tǒng)數(shù)學模型有微分方程、傳遞函數(shù)、頻率特性、差分方程和狀態(tài)方程等。 最基本的數(shù)學模型是微分方程，傳遞函數(shù)及頻率特性均可由微分方程得到。 工程上的控制系統(tǒng)多為物理系統(tǒng)，列寫物理系統(tǒng)微分方程的基礎是物理定律。4.2.1 機械系統(tǒng) 機械系統(tǒng)可分為兩大類，即平移系統(tǒng)和旋轉系統(tǒng)。 平移系統(tǒng)的輸入量為力，輸出量為位移或速度。 旋轉系統(tǒng)的輸入量為轉矩，輸出量為轉角或角速度。1 機械平移系統(tǒng) 例：一個組合機床動力滑臺在銑平面時的運動情況。在隨時間變化的切

8、削力f(t)的作用下，滑臺往復運動，位移為y(t)。 將其簡化成如圖所示的質(zhì)量阻尼彈簧系統(tǒng)。圖中m,c和k分別表示滑臺系統(tǒng)的當量質(zhì)量、粘性阻尼系數(shù)和彈簧剛度。 該機械平移系統(tǒng)中，輸入量為切削力f(t)，輸出量為位移y(t)。 根據(jù)牛頓第二定律寫出這個機械平移系統(tǒng)的微分方程。22)()()()(dttydmtkydttdyctf 寫成標準形式)()()()(22tftkydttdycdttydm 在實際應用時，可對上述微分方程進行簡化，忽略一些次要因素。如系統(tǒng)的剛性很大、阻尼很小時，則可不考慮彈性變形與阻尼的影響，只考慮質(zhì)量m，則微分方程為：)()(22tfdttydm2 機械旋轉系統(tǒng)機械旋轉系

9、統(tǒng) 一般定軸旋轉的機械系統(tǒng)都可以簡化為下圖所示的由轉動慣量為J的轉子、扭轉剛度為k的彈性軸和粘性阻尼系數(shù)為c的阻尼器組成的機械旋轉系統(tǒng) 若此機械旋轉運動系統(tǒng)的輸入量為轉矩T,輸出量為由其引起的偏離平衡位置的角位移 ，根據(jù)牛頓第二定律可列出其微分方程)()()()(22tTtkdttdcdttdJ 注：機械旋轉系統(tǒng)與平移系統(tǒng)一樣，也可以進行簡化。3 機械傳動系統(tǒng)機械傳動系統(tǒng) 建立機械傳動系統(tǒng)微分方程的簡便方法是，把建立機械傳動系統(tǒng)微分方程的簡便方法是，把傳動系統(tǒng)各部分的質(zhì)量、轉動慣量、阻尼系數(shù)和彈傳動系統(tǒng)各部分的質(zhì)量、轉動慣量、阻尼系數(shù)和彈簧剛度歸算到一根軸上，從而簡化成一個機械旋轉簧剛度歸算到

10、一根軸上，從而簡化成一個機械旋轉系統(tǒng)模型，根據(jù)牛頓第二定律就可列出其微分方程。系統(tǒng)模型，根據(jù)牛頓第二定律就可列出其微分方程。 從輸入軸到工作臺經(jīng)過從輸入軸到工作臺經(jīng)過3根軸，而每個軸根軸，而每個軸均具有不同的轉動慣量和扭轉剛度。圖中均具有不同的轉動慣量和扭轉剛度。圖中 分別為分別為，軸的轉動慣量和扭軸的轉動慣量和扭轉和剛度；轉和剛度；m為工作臺質(zhì)量；為工作臺質(zhì)量；k為絲杠螺母副為絲杠螺母副及螺母底座部分的軸向剛度；及螺母底座部分的軸向剛度；c為工作臺導軌為工作臺導軌粘性阻尼系數(shù)；粘性阻尼系數(shù)； Ti為輸入轉矩；為輸入轉矩；i 為輸入轉角；為輸入轉角； x0為工作臺位移。為工作臺位移。1J2J1

11、k2k3J3k 為了建立微分方程，將各轉動慣量、質(zhì)為了建立微分方程，將各轉動慣量、質(zhì)量和阻尼系數(shù)歸算到量和阻尼系數(shù)歸算到軸。軸。（1）各軸轉動慣量及工作臺質(zhì)量的歸算）各軸轉動慣量及工作臺質(zhì)量的歸算 根據(jù)機械原理有關知識，作如下歸算：根據(jù)機械原理有關知識，作如下歸算： 軸上的轉動慣量 歸算到軸上時為12J221212ZZJJ 軸上的轉動慣量 歸算到軸上時為 13J24321313ZZZZJJ工作臺質(zhì)量m歸算到軸上的轉動慣量mJ設絲杠的導程為l，則有22lmJm工作臺質(zhì)量m歸算到軸上的轉動慣量1mJ24321212ZZZZlmJm（2）傳動剛度的歸算）傳動剛度的歸算 傳動系統(tǒng)的傳動剛度可由扭轉剛度

12、和軸向剛度兩個部分組成 扭轉剛度的歸算：軸的扭轉剛度 歸算到軸為 2k12k221212ZZkk 軸向剛度的歸算：工作臺的軸向剛度k歸算到軸為 ，k22lkk軸上總的等效扭轉剛度為kk= 233)2(111111lkkkk 傳動系統(tǒng)的傳動剛度歸算到軸后，軸總的等效剛度為*k24321232212113121*)2(11111111111ZZZZlkkZZkkkkkk（3）粘性阻尼系數(shù)的歸算 這里只考慮工作臺導軌阻尼系數(shù)c的歸算。 工作臺導軌阻尼系數(shù)c歸算到軸，等效阻尼系數(shù)為22lcc再歸算到軸，等效阻尼系數(shù)為:243212*2ZZZZlcc下面即可推導此傳動系統(tǒng)的微分方程。 系統(tǒng)以電機軸轉角

13、為輸入量，工作臺位移 為輸出量。 歸算到軸為 i0 x0 x00432102xZZZZl（4-1） 經(jīng)過前面的歸算，該機械傳動系統(tǒng)可簡化為如下圖所示的等效機械旋轉系統(tǒng)。等效的機械旋轉系統(tǒng) 由牛頓第二定律可列出這個等效機械旋轉系統(tǒng)的微分方程為：2020*0*)(dtdJdtdcki 標準形式為：ikkdtdcdtdJ*0*0*202（4-2）將式（4-1）代入式（4-2）得：ikxZZZZlkdtdxZZZZlcdtxdZZZZlJ*04321*04321*2024321222 上式即為所求機械傳動系統(tǒng)以電機軸轉角 為輸入量，以工作臺位移 為輸出量時的微分方程。4.2.2 電氣系統(tǒng) 根據(jù)電氣元件

14、的特性及電磁回路的基本定律，可以列寫描述電氣系統(tǒng)的微分方程。 具有電感電容電阻的無源四端網(wǎng)絡如圖所示L-R-C電路，輸入量為電壓 ，輸出量為電壓 ，回路中電流為 。由基爾霍夫定律可知)(tui)(0tu)(ti)()()()(00202tutudttduRCdttudLCi2.他激式直流電動機 下圖為他激式直流電機的原理圖。它既有電磁運動，又有機械運動。 我們以電樞外加電壓 為輸入量，以電機軸的角速度 （或每分轉數(shù)n）為輸出量來列寫微分方程。)(tui 電樞回路微分方程式為:ieuKRidtdiL（4-3）式中 電機的反電勢常數(shù)eK 電機軸的角速度； L 電樞繞組電感 R電樞電阻 i 電樞電流

15、 上述微分方程式說明輸入電壓 ，與電樞電感壓降 、 電樞電阻壓降 及電樞反電動勢 相平衡。)(tuidtdiLRiebKe 電動機軸上機械運動方程式為LTTdtdJ式中T電機軸的電磁力矩； 電機軸上的負載力矩； J電機軸上的轉動慣量（包括負載折算過來的轉動慣量）。LT若忽略 ，則電動機軸上機械運動方程式為TdtdJ（4-4） 上式說明電機軸上產(chǎn)生的電磁力矩與電機軸上的轉動慣性力矩相平衡。 當激磁磁通不變時，電磁力矩與電樞電流成正比，即iKTM（4-5） 式中， 為電機的轉矩常數(shù)。MKTdtdJ（4-4） 將式（4-3），式（4-4），式（4-5）三式聯(lián)立，消去中間變量i及T，即可得到直流電動機

16、的微分方程式eiMeMeKudtdKKJRdtdKKJL22（4-6）若 ， 則式（4-6）可簡化為RLTKKJRTaMeM,eiMMaKudtdTdtdTT22 （4-7）式中 電樞回路的電磁時間常數(shù)； 機電時間常數(shù)。aTMT 式（4-7）描述了直流電動機輸入量為控制電壓 ，輸出量為電機軸角速度 時的動態(tài)特性。iu 微分方程（4-7）是在激磁磁通不變，忽略負載力矩擾動等因素的情況下建立的數(shù)學模型。 注：即使同一個直流電動機，在不同應用場合所取的輸出量不同，其數(shù)學模型將具有不同的形式。4.2.3 液壓系統(tǒng) 例：閥控液壓缸?；y閥芯位移 為輸入量，液壓缸活塞位移 為輸出量。如下圖所示ix0 x

17、為建立微分方程可根據(jù)閥控液壓缸的工作情況，將其分為兩個環(huán)節(jié)?；y作為一個環(huán)節(jié)，閥芯位移 為輸入量，負載流量 為輸出量。ixLQ 液壓工作缸為一個環(huán)節(jié)，輸入量為負載流量 ，輸出量為活塞位移 。 對整個系統(tǒng)來說，則輸入量為滑閥位移 ，輸出量為工作活塞位移 。LQix 滑閥的輸出流量 不僅與閥芯輸入量位移 有關，而且和負載壓差 有關，它們之間的關系是一個非線性關系，可表示為：。21pppLLQ),(LiLpxfQ 可近似簡化為線性關系式：LciqLpKxKQ （4-8）式中 滑閥流量增益； 滑閥流量壓力系數(shù)。qKcK 當考慮到泄漏及油壓的壓縮性時，液壓缸的連續(xù)流動方程為dtdpVpCdtdxAQLe

18、tLtcL40 （4-9） 式中A 液壓缸工作面積； 液壓缸活塞位移； 液壓缸總泄漏系數(shù)； 從滑閥出口到液壓缸活塞兩腔的總容積； 油液有效體積彈性模數(shù)。 0 xtcCtVe 液壓缸活塞及負載的力平衡方程式為AfkxdtdxcdtxdmApL002021 （4-10）式中m負載質(zhì)量； c負載阻尼系數(shù)； k負載彈性剛度； f外負載力。 將式（4-8），式（4-9），式（4-10）三式聯(lián)立，消去中間變量 ，則可得到閥控液壓缸輸入量 與輸出量 之間的微分關系式dtdfVfCKxAKxCKkdtdxcKCkVAdtxdcVKCmdtxdmVettcciqtccctcetetctcet4444002202

19、303（4-11） 實際應用（4-11）時，可以忽略一些次要因素對其進行工程簡化。如不考慮外力f的作用，而只考慮負載質(zhì)量m、油液彈性 ，忽略負載阻尼c、負載彈性剛度k和液壓缸的泄漏 ，則可得到工程中經(jīng)常應用的閥控液壓缸動力方程etcCiqeetxAKdtdxdtxdAmKdtxdAmV0202230324（4-12）4.2.4 微分方程列寫 盡管不同控制系統(tǒng)的物理結構不同， 輸入量、輸出量以及中間變量可以是不同的物理量，但它們卻有如下的共同之處： （1）常參數(shù)線性元件和線性控制系統(tǒng)均可用常系數(shù)線性微分方程描述。 （2）微分方程取決于系統(tǒng)的結構和元件的參數(shù)，它描述系統(tǒng)的固有特性。 （3）微分方程

20、的系數(shù)由系統(tǒng)結構和組成系統(tǒng)的元件參數(shù)決定，因而均為實數(shù)。 （4） 對同一個系統(tǒng)或元件，如選取不同的物理量為輸入量和輸出量，則微分方程的形式不同。4.2.4 微分方程列寫列寫微分方程的一般步驟列寫微分方程的一般步驟： （1）分析系統(tǒng)工作原理和系統(tǒng)中各變量間的關系，確定系）分析系統(tǒng)工作原理和系統(tǒng)中各變量間的關系，確定系統(tǒng)的輸出量和輸入量。首先將系統(tǒng)劃分為若干個環(huán)節(jié)（注意單統(tǒng)的輸出量和輸入量。首先將系統(tǒng)劃分為若干個環(huán)節(jié)（注意單向性），并確定每一環(huán)節(jié)的輸入信號和輸出信號，一般兩個相向性），并確定每一環(huán)節(jié)的輸入信號和輸出信號，一般兩個相連接的環(huán)節(jié)，前一環(huán)節(jié)的輸出信號，即為后一環(huán)節(jié)的輸入信號。連接的環(huán)節(jié)，

21、前一環(huán)節(jié)的輸出信號，即為后一環(huán)節(jié)的輸入信號。 （2）從系統(tǒng)的輸入端開始，根據(jù)物理定律，依次列寫各變）從系統(tǒng)的輸入端開始，根據(jù)物理定律，依次列寫各變量間或各環(huán)節(jié)的數(shù)學方程，并作必要的簡化，如進行線性化處量間或各環(huán)節(jié)的數(shù)學方程，并作必要的簡化，如進行線性化處理或忽略一些次要因素等。理或忽略一些次要因素等。 （3）由各數(shù)學方程式消去中間變量，最后得到只包含輸入）由各數(shù)學方程式消去中間變量，最后得到只包含輸入量、輸出量和系統(tǒng)元件參數(shù)的微分方程式。量、輸出量和系統(tǒng)元件參數(shù)的微分方程式。4.3 典型數(shù)字控制器的設計 由于計算機具有強大的計算功能、邏由于計算機具有強大的計算功能、邏輯判斷功能及存儲信息量大等

22、特點，因此計輯判斷功能及存儲信息量大等特點，因此計算機可以實現(xiàn)模擬控制其難以實現(xiàn)的許多復算機可以實現(xiàn)模擬控制其難以實現(xiàn)的許多復雜的先進控制策略。計算機控制系統(tǒng)的設計雜的先進控制策略。計算機控制系統(tǒng)的設計方法也是多種多樣的。方法也是多種多樣的。 按照各種設計方法所采用的理論和系按照各種設計方法所采用的理論和系統(tǒng)模型的形式，可以大致分為：模擬化設計統(tǒng)模型的形式，可以大致分為：模擬化設計法（也稱連續(xù)域法（也稱連續(xù)域-離散化設計法）、離散域直離散化設計法）、離散域直接設計法（也稱接設計法（也稱z域設計方法或直接設計法）、域設計方法或直接設計法）、復雜控制規(guī)律設計法、狀態(tài)空間設計法。復雜控制規(guī)律設計法、

23、狀態(tài)空間設計法。4.3.1 數(shù)字控制器的模擬化設計數(shù)字控制器的模擬化設計 指在一定條件下把計算機控制系統(tǒng)近指在一定條件下把計算機控制系統(tǒng)近似地看成模擬系統(tǒng)，忽略控制回路中所有似地看成模擬系統(tǒng)，忽略控制回路中所有的采樣開關和保持器，在的采樣開關和保持器，在s域中按連續(xù)系統(tǒng)域中按連續(xù)系統(tǒng)進行初步設計，求出模擬控制器，然后通進行初步設計，求出模擬控制器，然后通過某種近似，將模擬控制器離散化為數(shù)字過某種近似，將模擬控制器離散化為數(shù)字控制器，并由計算機實現(xiàn)?？刂破?，并由計算機實現(xiàn)。 數(shù)字控制器的模擬化設計步驟數(shù)字控制器的模擬化設計步驟 如圖所示的計算機控制系統(tǒng)中，如圖所示的計算機控制系統(tǒng)中，G(s)是被

24、控是被控制對象的傳遞函數(shù)，制對象的傳遞函數(shù)，H(s)是零階保持器，是零階保持器，D(z)是是數(shù)字控制器。數(shù)字控制器。 設計問題是：根據(jù)已知的系統(tǒng)性能指標和設計問題是：根據(jù)已知的系統(tǒng)性能指標和G(s)來設計數(shù)字控制器來設計數(shù)字控制器D(z)。 r(t) + D(z) H0(s) G(s) _ e(t) e(k) u(k) u(t) y(t) T T 設計步驟：設計步驟：（1）設計假想的連續(xù)控制器設計假想的連續(xù)控制器D(s)（2）選擇采樣周期）選擇采樣周期(T)（3）將）將D(s)離散化為離散化為D(z)（4）設計由計算機實現(xiàn)的控制方法）設計由計算機實現(xiàn)的控制方法（5）校驗）校驗 是按反饋控制系統(tǒng)

25、的偏差比例是按反饋控制系統(tǒng)的偏差比例(Proportional)、積分積分(Integral)和微分和微分(Differential)規(guī)律進行控規(guī)律進行控制的調(diào)節(jié)器，簡稱為制的調(diào)節(jié)器，簡稱為PID調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器。2.數(shù)字數(shù)字PID控制控制 PID調(diào)節(jié)器具有結構簡單、參數(shù)整定方便、調(diào)節(jié)器具有結構簡單、參數(shù)整定方便、易于工業(yè)實現(xiàn)、適用面廣等優(yōu)點。易于工業(yè)實現(xiàn)、適用面廣等優(yōu)點。 PID調(diào)節(jié)器是連續(xù)系統(tǒng)中技術最成熟、使用調(diào)節(jié)器是連續(xù)系統(tǒng)中技術最成熟、使用最廣發(fā)的一種調(diào)節(jié)器。最廣發(fā)的一種調(diào)節(jié)器。 隨著計算機技術迅猛發(fā)展，由計算機實現(xiàn)的隨著計算機技術迅猛發(fā)展，由計算機實現(xiàn)的數(shù)字數(shù)字PID控制器正在逐步取代

26、模擬控制器正在逐步取代模擬PID控制器。控制器。模擬系統(tǒng)中，模擬系統(tǒng)中，PID算法的表達式為算法的表達式為 式中式中 為調(diào)節(jié)器輸出信號；為調(diào)節(jié)器輸出信號； 為調(diào)節(jié)器的偏為調(diào)節(jié)器的偏差信號，它等于測量值與給定值之差；差信號，它等于測量值與給定值之差； 為調(diào)為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；節(jié)器的比例系數(shù)； 為調(diào)節(jié)器的積分時間；為調(diào)節(jié)器的積分時間； 為為調(diào)節(jié)器的微分時間。調(diào)節(jié)器的微分時間。 dttdeTdtteTteKtPDIP)()(1)(（4-13）)(tP)(tePKITDT 為便于計算機實現(xiàn)，用數(shù)字形式的差分方程為便于計算機實現(xiàn)，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，則可得到

27、離散的，則可得到離散的PID表達式表達式 由于式（由于式（4-14）的輸出值與閥門開度的位置一）的輸出值與閥門開度的位置一一對應，因此，通常把該式稱為位置型一對應，因此，通常把該式稱為位置型PID算式。算式。 ) 1()()()(0kekeTTjeTTkeKkPDkjIP（4-14）（1）數(shù)字）數(shù)字PID位置型控制算法位置型控制算法 用式（用式（4-14）直接進行控制很不方便。根）直接進行控制很不方便。根據(jù)遞推原理，可寫出據(jù)遞推原理，可寫出 次的次的PID輸出表達式，輸出表達式，用式（用式（4-14）減去式（）減去式（4-15）可得）可得（4-15）)2() 1()(1) 1(10kekeTT

28、jeTTkeKkPDkjIP)2() 1(2)()() 1()() 1()(kekekeKkeKkekeKkPkPDIP（4-16）式（式（4-16）中，）中， 為積分系數(shù)；為積分系數(shù)； 為微為微分系數(shù)分系數(shù) 利 用 式 （利 用 式 （ 4 - 1 6 ） 計 算 第） 計 算 第 k 次 輸 出 值次 輸 出 值 ， 只 需 知， 只 需 知道道 ， ， ， 即可，比用式（即可，比用式（4-15）計算要簡單得多。計算要簡單得多。IPITTKK TTKKDPD)(kP) 1( kP)(ke) 1( ke)2( ke（2）數(shù)字）數(shù)字PID增量型控制算法增量型控制算法 式（式（4-17）表示第）

29、表示第k次輸出增量次輸出增量 ，等于第，等于第k次與第次與第k-1次調(diào)節(jié)器輸出差值，即在第次調(diào)節(jié)器輸出差值，即在第k-1次的基礎上增加（或次的基礎上增加（或減少）的量，所以該式叫做增量型減少）的量，所以該式叫做增量型PID控制算式?？刂扑闶?。（4-17） 很多控制系統(tǒng)中，由于執(zhí)行機構是采用步進很多控制系統(tǒng)中，由于執(zhí)行機構是采用步進電機或多圈電位器進行控制的，所以，只要給一個增電機或多圈電位器進行控制的，所以，只要給一個增量信號即可。量信號即可。由式（由式（4-14）和式（）和式（4-15）相減得到）相減得到)2() 1(2)()() 1()() 1()()(kekekeKkeKkekeKkPk

30、PkPDIP（3）數(shù)字）數(shù)字PID控制算法實現(xiàn)方法比較控制算法實現(xiàn)方法比較 用計算機實現(xiàn)位置式和增量式控制算法的原理用計算機實現(xiàn)位置式和增量式控制算法的原理方框圖，如下圖所示方框圖，如下圖所示PID增量算法增量算法Wd_e(t)p(k)m(t) 計算機計算機 步進電機步進電機 對象對象Mr(t) +位置型控制算法中由手動到自動切換時，必須首先位置型控制算法中由手動到自動切換時，必須首先使計算機的輸出值等于閥門的原始開度才能保證手動使計算機的輸出值等于閥門的原始開度才能保證手動/自動無擾動切換，這將給程序設計帶來困難；而增量自動無擾動切換，這將給程序設計帶來困難；而增量設計只與本次的偏差值有關，

31、與閥門原來的位置無關，設計只與本次的偏差值有關，與閥門原來的位置無關，因而增量算法易于實現(xiàn)手動因而增量算法易于實現(xiàn)手動/自動無擾動切換。自動無擾動切換。不產(chǎn)生積分失控，所以容易獲得較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。不產(chǎn)生積分失控，所以容易獲得較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。 增量型算法與位置型算法相比，具有如下優(yōu)點。增量型算法與位置型算法相比，具有如下優(yōu)點。由于計算機輸出增量，所以誤動作影響小，必要由于計算機輸出增量，所以誤動作影響小，必要時可用邏輯判斷的方法去掉；時可用邏輯判斷的方法去掉；溢出的影響大；溢出的影響大； 一般認為，在以晶閘管或伺服電機作為執(zhí)行器件，一般認為，在以晶閘管或伺服電機作為執(zhí)行器件，或對控制精度要求高的

32、系統(tǒng)中，應當采用位置型算法，或對控制精度要求高的系統(tǒng)中，應當采用位置型算法，而在以步進電機或多圈電位器做執(zhí)行器件的系統(tǒng)中，而在以步進電機或多圈電位器做執(zhí)行器件的系統(tǒng)中，應采用增量式算法。應采用增量式算法。增量控制控制的不足之處。增量控制控制的不足之處。積分截斷效應大，有靜態(tài)誤差；積分截斷效應大，有靜態(tài)誤差；（1）積分分離數(shù)字）積分分離數(shù)字PID控制算法控制算法 3.3.數(shù)字數(shù)字PID控制器的改進控制器的改進下面介紹幾種常用的數(shù)字下面介紹幾種常用的數(shù)字PID算法的改進措施。算法的改進措施。（2）帶死區(qū)的數(shù)字帶死區(qū)的數(shù)字PID控制算法控制算法 （3）不完全微分數(shù)字不完全微分數(shù)字PID控制算法控制算

33、法 另外還有微分先行另外還有微分先行PID控制算法、遇限削弱積分控制算法、遇限削弱積分PID算法、帶濾波的算法、帶濾波的PID算法、變速積分算法、變速積分PID控制算控制算法及基于前饋補償?shù)姆盎谇梆佈a償?shù)腜ID算法等。算法等。4.3.2 數(shù)字控制器的離散化設計數(shù)字控制器的離散化設計 前面介紹的計算機控制系統(tǒng)模擬化設計方法前面介紹的計算機控制系統(tǒng)模擬化設計方法是以連續(xù)控制系統(tǒng)設計為基礎，然后離散化控制是以連續(xù)控制系統(tǒng)設計為基礎，然后離散化控制器，變?yōu)槟茉跀?shù)字計算機上實現(xiàn)的算法，進而構器，變?yōu)槟茉跀?shù)字計算機上實現(xiàn)的算法，進而構成計算機控制系統(tǒng)。成計算機控制系統(tǒng)。 其缺點是系統(tǒng)的動態(tài)性能與采樣頻

34、率的選擇其缺點是系統(tǒng)的動態(tài)性能與采樣頻率的選擇關系很大，若采樣頻率選得太低，則離散后失真關系很大，若采樣頻率選得太低，則離散后失真較大，整個系統(tǒng)的性能顯著降低，甚至不能達到較大，整個系統(tǒng)的性能顯著降低，甚至不能達到要求。要求。 離散化設計法是在離散化設計法是在z平面上設計的方法，對象平面上設計的方法，對象可以用離散模型表示?；蛘哂秒x散化模型的連續(xù)可以用離散模型表示?；蛘哂秒x散化模型的連續(xù)對象，以采樣理論為基礎，以對象，以采樣理論為基礎，以z變換為工具，在變換為工具，在z域中直接設計出數(shù)字控制器域中直接設計出數(shù)字控制器D(z)。也稱直接設計。也稱直接設計法或法或z域設計法。域設計法。 由于直接設

35、計法無須離散化，也就避免了離由于直接設計法無須離散化，也就避免了離散化誤差。又因為它是在采樣頻率給定的前提下散化誤差。又因為它是在采樣頻率給定的前提下設計的，可以保證系統(tǒng)性能在此采樣頻率下達到設計的，可以保證系統(tǒng)性能在此采樣頻率下達到品質(zhì)要求，所以采樣頻率不必選得太高。品質(zhì)要求，所以采樣頻率不必選得太高。1.1.數(shù)字控制器的離散化設計步驟數(shù)字控制器的離散化設計步驟 如上圖所示，如上圖所示，D(z)為數(shù)字控制器，為數(shù)字控制器， 為系統(tǒng)的閉為系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)，環(huán)脈沖傳遞函數(shù)， 為廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)，為廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)， 為為 零階保持器傳遞函數(shù)，零階保持器傳遞函數(shù)， 為被控對象傳遞

36、函為被控對象傳遞函數(shù)，數(shù)， 為系統(tǒng)輸出信號的為系統(tǒng)輸出信號的z變換，變換， 為系統(tǒng)輸入信號為系統(tǒng)輸入信號的的z變換。變換。)(zGc)(zHG)(sG)(0sH)(zY)(zR（4-20）)(1)()()(zGzRzEzGce廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)為廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)為誤差脈沖傳遞函數(shù)誤差脈沖傳遞函數(shù) )(1)()()(0sGseLsGsHLzHGTs（4-18）閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù))()(1)()()()()(zHGzDzHGzDzRzYzGc（4-19）（4-21） 當當 已知，并根據(jù)控制系統(tǒng)性能指標要求已知，并根據(jù)控制系統(tǒng)性能指標要求構造出構造出 ，則可由式（，則可由式（

37、4-23）和式（）和式（4-25）求）求得得D(z)。由此即可得出數(shù)字控制器的離散化設計。由此即可得出數(shù)字控制器的離散化設計步驟。步驟。)()()()(1)()()()()(zGzHGzGzGzHGzGzEzUzDeccc)(sG)(zGc（1）由）由 和和 求取廣義對象的脈沖傳遞函求取廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)數(shù) ；數(shù)字控制器的離散化設計步驟數(shù)字控制器的離散化設計步驟（2）根據(jù)控制系統(tǒng)的性能指標及實現(xiàn)的約束條件構根據(jù)控制系統(tǒng)的性能指標及實現(xiàn)的約束條件構造閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)造閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù) ；（3）根據(jù)式（根據(jù)式（4-25）確定數(shù)字控制器的脈沖傳遞）確定數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)函數(shù)D(z)；（4）

38、由）由D(z)確定控制算法并編制程序。確定控制算法并編制程序。)(0sH)(sG)(zHG)(zGc2.2.最少拍控制器設計最少拍控制器設計數(shù)字控制系統(tǒng)中，通常把一個采樣周期稱為一拍數(shù)字控制系統(tǒng)中，通常把一個采樣周期稱為一拍； 所謂最少拍控制，就是要求設計的數(shù)字調(diào)節(jié)器能所謂最少拍控制，就是要求設計的數(shù)字調(diào)節(jié)器能使閉環(huán)系統(tǒng)在典型輸入作用下，經(jīng)過最少拍數(shù)達到輸使閉環(huán)系統(tǒng)在典型輸入作用下，經(jīng)過最少拍數(shù)達到輸出無靜差；出無靜差； 實質(zhì)上最少拍控制是時間最優(yōu)控制，系統(tǒng)的性能實質(zhì)上最少拍控制是時間最優(yōu)控制，系統(tǒng)的性能指標是調(diào)節(jié)時間最短（或盡可能地短）。指標是調(diào)節(jié)時間最短（或盡可能地短）。（1）最少拍控制系

39、統(tǒng)）最少拍控制系統(tǒng)D(z)的設計的設計 設計最少拍控制系統(tǒng)的數(shù)字控制器設計最少拍控制系統(tǒng)的數(shù)字控制器D(z)，最重要，最重要的就是要研究如何根據(jù)性能指標要求，構造一個理想的就是要研究如何根據(jù)性能指標要求，構造一個理想的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)。的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)。 要實現(xiàn)無靜差、最小拍，要實現(xiàn)無靜差、最小拍， 應在最短時間內(nèi)趨于應在最短時間內(nèi)趨于零，即零，即 應為有限項式。應為有限項式。 誤差表達式誤差表達式22110)()()(zezeezRzGzEe（4-22）典型輸入的典型輸入的z變換具有如下形式。變換具有如下形式。單位階躍輸入單位階躍輸入 單位速度輸入單位速度輸入由此可得出調(diào)節(jié)器輸入共同的由此

40、可得出調(diào)節(jié)器輸入共同的z變換形式變換形式111)(),()(zzRtutR211)1 ()(,)(zTzzRttR單位加速度輸入單位加速度輸入311122)1 (2)1 ()(,21)(zzzTzRttRmzzAzR)1 ()()(1（4-23） 根據(jù)根據(jù)z變換的終值定理，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為變換的終值定理，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為 要使穩(wěn)態(tài)誤差為零，要使穩(wěn)態(tài)誤差為零， 中必須含有中必須含有 因子，因子，且其冪次不能低于且其冪次不能低于m，即，即式中，式中， ， 是關于是關于 的有限多項式。的有限多項式。（4-24）mezezztzzAzGzzRzGzzEzte)1 ()()()1 (lim)()()1

41、(lim)()1 (lim)(lim1111111)()1 ()(1zFzzGMe 為了實現(xiàn)最少拍，要求為了實現(xiàn)最少拍，要求 中關于中關于 的冪次盡的冪次盡可能低。令可能低。令 ， ，則所得，則所得 既可滿足準既可滿足準確性，又可快速性要求，這樣就有確性，又可快速性要求，這樣就有（4-25）mezzG)1 ()(1mczzG)1 (1)(1（4-26）)(zGe1zmM 1)(zF)(zGe（2）典型輸入下的最小拍控制系統(tǒng)分析）典型輸入下的最小拍控制系統(tǒng)分析單位階躍輸入單位階躍輸入 ，這說明，這說明開始一個采樣點上有偏差，一個采樣周期后，系統(tǒng)在采開始一個采樣點上有偏差，一個采樣周期后，系統(tǒng)在采

42、樣點上不再有偏差，這時過渡過程為一拍。樣點上不再有偏差，這時過渡過程為一拍。)1 ()(1zzGe11)1 (1)(zzzGc210110011)1 (11)()()(zzzzzzGzRzEe3211111)()()(zzzzzzGzRzYc0)2()(, 1)0(TeTee單位速度輸入單位速度輸入 ，這說明經(jīng)這說明經(jīng)過兩拍后，偏差采樣值達到并保持為零，過渡過程為兩過兩拍后，偏差采樣值達到并保持為零，過渡過程為兩拍。拍。21)1 ()(zzGe21212)1 (1)(zzzzGc12111)21 (1)()()(TzzzzTzzGzRzEe321432)()()(TzTzTzzGzRzYc0)

43、3()2(,)(, 1)0(TeTeTTee單位加速度速度輸入單位加速度速度輸入 ，這說明這說明經(jīng)過三拍后，輸出序列不會再有偏差，過渡過程為三拍。經(jīng)過三拍后，輸出序列不會再有偏差，過渡過程為三拍。31)1 ()(zzGe3213133)1 (1)(zzzzzGc22)1 (2)1 ()1 ()()()(22123111231zTzTzzzTzzGzRzEe0)4()3(,2)2()(, 0)0(2TeTeTTeTee（3）最少拍控制器設計的限制條件）最少拍控制器設計的限制條件最少拍控制器的設計必須考慮如下幾個問題：最少拍控制器的設計必須考慮如下幾個問題：穩(wěn)定性。穩(wěn)定性。 物理可實現(xiàn)性。物理可實

44、現(xiàn)性。準確性。準確性。快速性?？焖傩?。 根據(jù)前面的分析，設計最小拍系統(tǒng)時，考慮到控根據(jù)前面的分析，設計最小拍系統(tǒng)時，考慮到控制器的可實現(xiàn)性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須考慮以下幾個制器的可實現(xiàn)性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須考慮以下幾個條件：條件： 為保證控制器為保證控制器D(z)物理上的可實現(xiàn)性，物理上的可實現(xiàn)性， 的所的所有不穩(wěn)定零點和滯后因子均應包含在閉環(huán)脈沖傳遞函有不穩(wěn)定零點和滯后因子均應包含在閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)數(shù) 中；中；為實現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)，選擇為實現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)，選擇 時，必須針對不同時，必須針對不同的輸入選擇不同的形式；的輸入選擇不同的形式； 為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 的零點應包含的零點應

45、包含 的所的所有不穩(wěn)定極點；有不穩(wěn)定極點；)(zGe)(zGe)(zHG)(zHG)(zGc為實現(xiàn)最小拍控制，為實現(xiàn)最小拍控制， 應盡可能簡單，應盡可能簡單， 的選的選擇要滿足恒等式擇要滿足恒等式1)()(zGzGce（4-27）3.3.最少拍無波紋控制器設計最少拍無波紋控制器設計 有限拍無波紋設計的要求是：在典型的輸入作用有限拍無波紋設計的要求是：在典型的輸入作用下，經(jīng)過盡可能少的采樣周期后，系統(tǒng)達到穩(wěn)定，并下，經(jīng)過盡可能少的采樣周期后，系統(tǒng)達到穩(wěn)定，并且在采樣點之間沒有波紋。且在采樣點之間沒有波紋。（1）波紋產(chǎn)生的原因）波紋產(chǎn)生的原因 最少拍有波紋設計可以使得在有限拍后采樣點上最少拍有波紋

46、設計可以使得在有限拍后采樣點上的偏差為零，但數(shù)字調(diào)節(jié)器的輸出并不一定達到穩(wěn)定的偏差為零，但數(shù)字調(diào)節(jié)器的輸出并不一定達到穩(wěn)定值，而是上下波動的。這個波動的控制量作用在保持值，而是上下波動的。這個波動的控制量作用在保持器的輸入端，保持器的輸出也必然波動，于是系統(tǒng)的器的輸入端，保持器的輸出也必然波動，于是系統(tǒng)的輸出也出現(xiàn)了波紋。輸出也出現(xiàn)了波紋。 控制量波動的原因是，由于其控制量波動的原因是，由于其z變換變換 含有左半含有左半單位圓的極點，根據(jù)單位圓的極點，根據(jù)z平面上的極點分布與瞬態(tài)響應的關平面上的極點分布與瞬態(tài)響應的關系，左半單位圓內(nèi)極點雖然是穩(wěn)定的，但對應的時域響系，左半單位圓內(nèi)極點雖然是穩(wěn)定

47、的，但對應的時域響應是振蕩的。而應是振蕩的。而 的這種極點是由的這種極點是由 的相應零的相應零點引起的。點引起的。 （2）消除波紋的附加條件）消除波紋的附加條件由上面分析可知，產(chǎn)生波紋的原因是控制量由上面分析可知，產(chǎn)生波紋的原因是控制量 并并沒有成為恒值（常數(shù)或零）。因此，使沒有成為恒值（常數(shù)或零）。因此，使 在有限拍內(nèi)在有限拍內(nèi)達到穩(wěn)定，就必須設計出一個達到穩(wěn)定，就必須設計出一個D(z)，使，使 也能在有也能在有限拍內(nèi)達到穩(wěn)定。限拍內(nèi)達到穩(wěn)定。)(zU)(zU)(zHG)(ku)(ky)(ku根據(jù)式（根據(jù)式（4-28）可以證明，只要）可以證明，只要 是關于是關于 的的有限多項式，那么，在確定

48、的典型輸入作用下經(jīng)過有有限多項式，那么，在確定的典型輸入作用下經(jīng)過有限拍以后，限拍以后， 達到相對穩(wěn)定，從而保證系統(tǒng)輸出無達到相對穩(wěn)定，從而保證系統(tǒng)輸出無波紋。波紋。)()()()()()(zRzGzDzEzDzUe（4-28）)()()()(1)()(zHGzGzHGzGzGzDcee（4-29）由上面的式子可知，由上面的式子可知， 的極點不會影響的極點不會影響 成成 為為 的有限多項式，而的有限多項式，而 的零點可能使的零點可能使 成為成為 的無窮項多項式。因此，如讓的無窮項多項式。因此，如讓 中包含中包含 的全部零點，則可確保的全部零點，則可確保 是關于是關于 的有限多項的有限多項式。因

49、此，使式。因此，使 中包含中包含 圓內(nèi)的零點，就是消除圓內(nèi)的零點，就是消除波紋的附加條件，也是有波紋和無波紋設計的唯一區(qū)別。波紋的附加條件，也是有波紋和無波紋設計的唯一區(qū)別。確定最少拍（有限拍）無波紋確定最少拍（有限拍）無波紋 的方法是：的方法是： 先按有波紋設計方法確定先按有波紋設計方法確定 ； 再按無波紋附加條件確定再按無波紋附加條件確定 。)(zHG)()(zGzDe1z)(zHG)()(zGzDe1z)(zGe)(zHG)()(zGzDe1z)(zGe)(zHG)(zGe)(zGc)(zGc4.4 計算機控制技術計算機控制技術 計算機控制技術是自動控制理論與計算計算機控制技術是自動控制

50、理論與計算機技術相結合的產(chǎn)物。機技術相結合的產(chǎn)物。4.4.1 4.4.1 計算機控制系統(tǒng)的組成與特點計算機控制系統(tǒng)的組成與特點 目前在機電一體化系統(tǒng)中，多數(shù)是以微目前在機電一體化系統(tǒng)中，多數(shù)是以微型計算機為核心構成的計算機控制系統(tǒng)。型計算機為核心構成的計算機控制系統(tǒng)。 計算機控制系統(tǒng)與通常的連續(xù)控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)與通常的連續(xù)控制系統(tǒng)的主要差別是：可以實現(xiàn)過去連續(xù)控制難以的主要差別是：可以實現(xiàn)過去連續(xù)控制難以實現(xiàn)的更為復雜的控制規(guī)律，如非線性控制、實現(xiàn)的更為復雜的控制規(guī)律，如非線性控制、邏輯控制、自適應控制和智能控制等。邏輯控制、自適應控制和智能控制等。 計算機控制系統(tǒng)由控制計算機及接口電路

51、硬件、計算機控制系統(tǒng)由控制計算機及接口電路硬件、控制軟件和控制對象等若干部分組成?？刂栖浖涂刂茖ο蟮热舾刹糠纸M成。1 1 硬件硬件 微型計算機控制系統(tǒng)的硬件一般包括：微型計算機控制系統(tǒng)的硬件一般包括：微處理器微處理器(CPU)，內(nèi)存儲器（，內(nèi)存儲器（ROM、RAM），），以模數(shù)轉換和數(shù)模轉換為核心的模擬量以模數(shù)轉換和數(shù)模轉換為核心的模擬量輸入輸入/輸出通道，開關量輸入輸出通道，開關量輸入/輸出通道，輸出通道，I/O及人機聯(lián)系設備，運行操作臺等幾部分。它及人機聯(lián)系設備，運行操作臺等幾部分。它們通過微處理器的系統(tǒng)總線們通過微處理器的系統(tǒng)總線(地址總線、數(shù)據(jù)地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線總線和控制總

52、線)，構成一個完整的系統(tǒng)。，構成一個完整的系統(tǒng)。（1）主機）主機 它它根據(jù)過程輸入通道發(fā)送來的工業(yè)對象的生產(chǎn)根據(jù)過程輸入通道發(fā)送來的工業(yè)對象的生產(chǎn)工況參數(shù)，按照人們預先安排的程序，自動地進行工況參數(shù)，按照人們預先安排的程序，自動地進行信息的處理、分析和計算，并做出相應的控制決策信息的處理、分析和計算，并做出相應的控制決策或調(diào)節(jié)，以信息的形式通過輸出通道，及時發(fā)出控或調(diào)節(jié)，以信息的形式通過輸出通道，及時發(fā)出控制命令。制命令。 主機可以是單個的主機可以是單個的CPU(如單片機如單片機)，也可以是，也可以是已擴展有基本輸出外圍電路的簡單計算機系統(tǒng)已擴展有基本輸出外圍電路的簡單計算機系統(tǒng)(如單如單板機

53、板機)，甚至可以是功能較為齊全的計算機系統(tǒng)，甚至可以是功能較為齊全的計算機系統(tǒng)(如如工控計算機、個人計算機工控計算機、個人計算機)。（2）常規(guī)外部設備）常規(guī)外部設備 按功能可分成三類：輸入設備、輸出設備和外按功能可分成三類：輸入設備、輸出設備和外存儲器。存儲器。 常用的輸出設備有打印機、記錄儀、顯示器常用的輸出設備有打印機、記錄儀、顯示器(數(shù)數(shù)碼顯示器或碼顯示器或CRT顯示器顯示器)等。主要用來把各種信息和等。主要用來把各種信息和數(shù)據(jù)按人們?nèi)菀捉邮艿男问?，如?shù)字、曲線、字符數(shù)據(jù)按人們?nèi)菀捉邮艿男问剑鐢?shù)字、曲線、字符等提供給操作人員，以便及時了解控制過程的情況。等提供給操作人員，以便及時了解控

54、制過程的情況。 常用的輸入設備有鍵盤、紙帶輸入機等。輸入設常用的輸入設備有鍵盤、紙帶輸入機等。輸入設備主要用來輸入程序和數(shù)據(jù)。備主要用來輸入程序和數(shù)據(jù)。 外存儲器如磁帶裝置、磁盤裝置，它們兼有輸外存儲器如磁帶裝置、磁盤裝置，它們兼有輸入、輸出功能，主要用來存儲系統(tǒng)程序和有關數(shù)據(jù)。入、輸出功能，主要用來存儲系統(tǒng)程序和有關數(shù)據(jù)。（3）輸入輸出通道）輸入輸出通道 又稱為過程通道。工業(yè)現(xiàn)場的過程參數(shù)一般是又稱為過程通道。工業(yè)現(xiàn)場的過程參數(shù)一般是非電量的，應經(jīng)傳感器非電量的，應經(jīng)傳感器(稱為一次儀表稱為一次儀表)變換為等效變換為等效的電信號。的電信號。 在計算機和生產(chǎn)過程之間進行設置信息的傳送在計算機和

55、生產(chǎn)過程之間進行設置信息的傳送和變換，實現(xiàn)計算機對生產(chǎn)過程的控制。和變換，實現(xiàn)計算機對生產(chǎn)過程的控制。 外部設備和過程通道是不能直接由主機控制的，外部設備和過程通道是不能直接由主機控制的，必須由必須由“接口接口”來傳送相應的信息和命令。來傳送相應的信息和命令。（4）接口電路。）接口電路。 通用接口電路一般有并行接口、串行接口、管通用接口電路一般有并行接口、串行接口、管理接口理接口(包括中斷管理、計數(shù)包括中斷管理、計數(shù)/定時等定時等)、AD轉換器轉換器和和DA轉換器等。轉換器等。（5）運行操作臺）運行操作臺 每臺計算機原來都有一套鍵盤控制臺，每臺計算機原來都有一套鍵盤控制臺，它是用來直接與它是用

56、來直接與CPU進行進行“對話對話”的。過程的。過程控制的操作人員必須與計算機控制系統(tǒng)進行控制的操作人員必須與計算機控制系統(tǒng)進行“對話對話”以了解生產(chǎn)過程狀態(tài)，有時還要修以了解生產(chǎn)過程狀態(tài)，有時還要修改控制系統(tǒng)的某些參數(shù)，以及在發(fā)生事故時改控制系統(tǒng)的某些參數(shù)，以及在發(fā)生事故時進行人工干預等。因此計算機控制系統(tǒng)一進行人工干預等。因此計算機控制系統(tǒng)一般要有一套專供運行操作人員使用的控制臺，般要有一套專供運行操作人員使用的控制臺，稱為運行操作臺。稱為運行操作臺。2. 軟件軟件 計算機控制系統(tǒng)的軟件主要分為系統(tǒng)軟件和應用軟件。計算機控制系統(tǒng)的軟件主要分為系統(tǒng)軟件和應用軟件。（1）系統(tǒng)軟件。一般包括操作系

57、統(tǒng)、軟件開發(fā)服務）系統(tǒng)軟件。一般包括操作系統(tǒng)、軟件開發(fā)服務程序、語言處理程序和診斷程序等，用于有效地支持程序、語言處理程序和診斷程序等，用于有效地支持用戶對于計算機硬件資源的使用，便于應用軟件的靈用戶對于計算機硬件資源的使用，便于應用軟件的靈活編程調(diào)試，實現(xiàn)計算機系統(tǒng)本身的監(jiān)控管理。計算活編程調(diào)試，實現(xiàn)計算機系統(tǒng)本身的監(jiān)控管理。計算機開發(fā)系統(tǒng)也可歸類于系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)軟件是構成整機開發(fā)系統(tǒng)也可歸類于系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)軟件是構成整個軟件系統(tǒng)的基礎，但一般不需要用戶設計，用戶主個軟件系統(tǒng)的基礎，但一般不需要用戶設計，用戶主要是了解系統(tǒng)軟件的功能，掌握使用方法，以便充分要是了解系統(tǒng)軟件的功能，掌握使用方法

58、，以便充分發(fā)揮系統(tǒng)軟件的作用。發(fā)揮系統(tǒng)軟件的作用。（2）應用軟件。是為了滿足各種應用目的而編制的）應用軟件。是為了滿足各種應用目的而編制的程序，一般包括監(jiān)測程序、控制計算程序和公共服務程序，一般包括監(jiān)測程序、控制計算程序和公共服務程序等。監(jiān)測程序用于控制對象的狀態(tài)檢測、報警、程序等。監(jiān)測程序用于控制對象的狀態(tài)檢測、報警、數(shù)據(jù)處理、判斷、操作面板服務等；控制計算程序完數(shù)據(jù)處理、判斷、操作面板服務等；控制計算程序完成各種控制算法的計算、邏輯事件處理以及文件管理、成各種控制算法的計算、邏輯事件處理以及文件管理、信息生成調(diào)度等任務：公共服務程序是為應用軟件服信息生成調(diào)度等任務：公共服務程序是為應用軟件

59、服務的通用子程序，如基本的函數(shù)子程序、運算程序、務的通用子程序，如基本的函數(shù)子程序、運算程序、數(shù)據(jù)格式轉換程序等。應用軟件應根據(jù)實際任務要求數(shù)據(jù)格式轉換程序等。應用軟件應根據(jù)實際任務要求由用戶自行設計編制或提出要求后委托開發(fā)。由用戶自行設計編制或提出要求后委托開發(fā)。3.3. 計算機控制系統(tǒng)的特點計算機控制系統(tǒng)的特點（1）A/D與與D/A轉換。計算機控制系統(tǒng)中，被控轉換。計算機控制系統(tǒng)中，被控制量通常是模擬量，而計算機本身的輸入輸出量都制量通常是模擬量，而計算機本身的輸入輸出量都是數(shù)字量。需要進行信號的轉換。是數(shù)字量。需要進行信號的轉換。（2）量化。將模擬信號轉變成離散的模擬信號稱）量化。將模擬

60、信號轉變成離散的模擬信號稱為采樣，而從離散模擬信號到數(shù)字信號的變化過程為采樣，而從離散模擬信號到數(shù)字信號的變化過程稱為量化，量化過程會帶來量化誤差。稱為量化，量化過程會帶來量化誤差。 （3）運算速度快、精度高、存儲容量大。）運算速度快、精度高、存儲容量大。（4）便于在線修改。）便于在線修改。 1. 1. 計算機控制系統(tǒng)的設計要求計算機控制系統(tǒng)的設計要求4.4.2 4.4.2 計算機控制系統(tǒng)設計計算機控制系統(tǒng)設計 （5）可維護性。）可維護性。 （2）通用性好、便于擴充。）通用性好、便于擴充。 （3）可靠性要高。）可靠性要高。 （4）經(jīng)濟性。）經(jīng)濟性。 （1）系統(tǒng)操作性能要好。）系統(tǒng)操作性能要好。