【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 8 數(shù)控原理 ? 插值（或插補(bǔ)） – 當(dāng)給定 a、 b、 c、 d各點(diǎn)坐標(biāo) x和 y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 插值 或插補(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 – 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 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 49 數(shù)控原理 ? 繪圖或加工 – 把插補(bǔ)運(yùn)算過程中定出的各中間點(diǎn)，以脈沖信號(hào)形式去控制 x、 y方向上的步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)繪圖筆、刀具等，繪出圖形或加工所要求輪廓 – 每一個(gè)脈沖信號(hào)代表步進(jìn)電機(jī)走一步，即繪圖筆或刀具在 x或 y方向移動(dòng)一個(gè)位置 – 對(duì)應(yīng)于每個(gè)脈沖移動(dòng)的相對(duì)位置稱為脈沖當(dāng)量，又稱為步長(zhǎng)，常用△ x和△ y表示，且總是取△ x=△ y。 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 50 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)位控制最簡(jiǎn)單，其運(yùn)動(dòng)軌跡沒有特殊要求，運(yùn)動(dòng)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。 – 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，控制電路要復(fù)雜一些。 – 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(dòng)，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。 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 51 數(shù)控系統(tǒng)分類 按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類 ? 開環(huán)數(shù)控系統(tǒng) – 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)將零件程序處理后，輸出指令脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，控制機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng) – 這種驅(qū)動(dòng)方式不設(shè)置檢測(cè)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，但控制精度和速度受到限制。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn) 電機(jī) 工作臺(tái) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 52 數(shù)控系統(tǒng)分類 按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類 ? 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) – 接受數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)指令同時(shí)，還接受工作臺(tái)上檢測(cè)元件測(cè)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(dòng)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(dòng)環(huán)節(jié)，會(huì)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(huì)造成系統(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(tái) 位置比較 電路 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 53 數(shù)控系統(tǒng)分類 按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類 ? 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) – 將測(cè)量元件從工作臺(tái)移到執(zhí)行機(jī)構(gòu)端，由于工作臺(tái)不在控制環(huán)里，測(cè)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(tái) 位置比較 電路 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 54 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) ? 運(yùn)動(dòng)控制起源 – 運(yùn)動(dòng)控制起源于早期的伺服控制 (Servomechanism) – 運(yùn)動(dòng)控制就是對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(dòng)軌跡和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng) – 早期的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)主要伴隨著數(shù)控 (CNC)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù) (Robotics)和工廠自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的 – 早期的運(yùn)動(dòng)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 (Standalone)的運(yùn)動(dòng)控制器 – 早期的運(yùn)動(dòng)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，用戶不能根據(jù)應(yīng)用要求而重組自己的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 55 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) ? 通用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù) – 在 20 世紀(jì) 90 年代，由于有強(qiáng)勁市場(chǎng)需求的推動(dòng)，通用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。 – 近年來，隨著運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，通用運(yùn)動(dòng)控制器作為一個(gè)獨(dú)立的工業(yè)自動(dòng)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) ARC近期的一份研究，世界通用運(yùn)動(dòng)控制市場(chǎng)已超過 40 億美元，并且有望在未來 5 年內(nèi)綜合增長(zhǎng)率達(dá)到 ％ – 一個(gè)典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)部件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)成，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)指令由運(yùn)動(dòng)控制器給出，因此運(yùn)動(dòng)控制器是整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的靈魂。 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 56 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) ? 通用運(yùn)動(dòng)控制器分類（按結(jié)構(gòu)） – 基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的運(yùn)動(dòng)控制器 ，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(dòng)控制器與計(jì)算機(jī)相結(jié)合構(gòu)成 – Soft型開放式運(yùn)動(dòng)控制器 ，提供給用戶最大的靈活性，運(yùn)動(dòng)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(dòng)和外部 I/O之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口 – 嵌入式結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制器 ，這種運(yùn)動(dòng)控制器是把計(jì)算機(jī)嵌入到運(yùn)動(dòng)控制器中的一種產(chǎn)品，它能夠獨(dú)立運(yùn)行。 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 57 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) ? 基于 PC總線的開放式運(yùn)動(dòng)控制器 – 基于 PC總線的開放式運(yùn)動(dòng)控制器是目前自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用最廣、功能最強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制器，并且在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用 。 – 一個(gè)基于 PC總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的典型構(gòu)成 應(yīng)用程序指令 反 饋 電機(jī) 運(yùn)動(dòng)控制器 上位計(jì)算機(jī) 驅(qū)動(dòng)器 運(yùn)動(dòng)指令 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 58 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) ? 運(yùn)動(dòng)控制器分類（按運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)和應(yīng)用） – 點(diǎn)位控制運(yùn)動(dòng)控制器 ， PCB鉆床、 SMT、晶片自動(dòng)輸送、 IC插裝機(jī)、引線焊接機(jī)、紙板運(yùn)送機(jī)驅(qū)動(dòng)、包裝系統(tǒng) …… – 連續(xù)軌跡控制運(yùn)動(dòng)控制器 ，數(shù)控車、銑床，雕刻機(jī)、激光切割機(jī)、激光焊接機(jī)、激光雕刻機(jī)、數(shù)控沖壓機(jī)床、快速成型機(jī) …… – 同步控制運(yùn)動(dòng)控制器 ，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、 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 59 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) – 運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代化的 制器之技 ，運(yùn)動(dòng)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)品的制造業(yè)中起著不可替代的作用 – 通用運(yùn)動(dòng)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) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 60 數(shù)字 PID控制算法 ? 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字 PID控制算法 ? 數(shù)字 PID控制算法的改進(jìn) ? 數(shù)字 PID參數(shù)整定 Digital PID Control Arithmetic 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 61 541 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字 PID控制算法 ? PID是 Proportional（比例）、Integral（積分）、 Differential（微分）三者的縮寫。在過程控制中，按誤差信號(hào)的比例、積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)稱 PID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 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 62 541 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字 PID控制算法 ? 標(biāo)準(zhǔn)的模擬 PID ? 式中： Kc、 Ti、 Td 分別為模擬調(diào)節(jié)器的比例增益、積分時(shí)間和微分時(shí)間 , u0為偏差 e=0 時(shí)的調(diào)節(jié)器輸出 , 又稱之為 穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn) 。 00 ])()(1)([)( udttdeTdtteTteKtu dtic ???? ?第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 63 ? 采樣周期 與 控制周期 的概念 ? 模擬 PID調(diào)節(jié)規(guī)律的離散化 – 在控制器的采樣時(shí)刻 t=kT時(shí) 因此， PID的數(shù)字算式 如下式 ? ???kjjTee dt0)( T kekedtde )1()( ???? ? 00)1()()()()( ukekeTTjeTTkeKku dkjic ???????????? ??541 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字 PID控制算法 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 64 ? 數(shù)字 PID又可寫成 上面兩個(gè)算式又稱為 PID位置算式 其中 稱為積分系數(shù) 稱為微分系數(shù) ? ? 00)1()()()()( ukekeKjeKkeKku dkjic ?????? ??ici TTKK ?TTKK dcd ?541 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字 PID控制算法 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 65 ? PID位置算式的問題 – 由積分項(xiàng) 的存在所產(chǎn)生 ? PID增量算式 由 ， 可得 ??kiie1)()1()()( ???? kukuku?????? ????????? )2()1(2)([)()1()([ kekekeTTkeTTkekeK dic541 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字 PID控制算法 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 66 ? PID增量算式的另一種形式 ? 增量 PID算法的 優(yōu)點(diǎn) 是編程簡(jiǎn)單 , 數(shù)據(jù)可以遞推使用 , 占用內(nèi)存少 , 運(yùn)算快 。 ? 增量 PID算法得到 k 采樣時(shí)刻計(jì)算機(jī)的 實(shí)際輸出控制量 為 )]2()1(2)([)()]1()([)( ?????????? kekekeKkeKkekeKku dic)()1()( kukuku ????541 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字 PID控制算法 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 67 541 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字 PID控制算法 ? PID控制仿真例 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 68 542 數(shù)字 PID控制算法的改進(jìn) 1. 實(shí)際微分 PID控制算法 – 微分的作用 – 理想微分的 PID算法 – 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 – 實(shí)際微分作用 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 69 ? 理想微分 PID與 實(shí)際微分 PID – 在單位階躍輸入時(shí) , 它們輸出的控制作用 (A) 理想微分 PID 積 分 項(xiàng) 比 例 項(xiàng) u 0 1 2 3 4 5 6 7 8 kT 微 分 項(xiàng) 比 例 項(xiàng) u 0 1 2 3 4 5 6 7 8 kT 項(xiàng) (B) 實(shí)際微分 PID 微 積 分 分 項(xiàng) 542 數(shù)字 PID控制算法的改進(jìn) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 70 ? 理想微分 PID與 實(shí)際微分 PID –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 –圖中 –因?yàn)?u’(t)為理想 PID的輸出 ， Gf(s)是一階慣性環(huán)節(jié) 理想PID U39。(s) E(s) Gf(s) U(s) 實(shí)際微分 PID控制算法示意框圖 11)(?? sTsG ff542 數(shù)字 PID控制算法的改進(jìn) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 71 )/( ff TTTa ??? 理想微分 PID與 實(shí)際微分 PID –故： – 經(jīng)計(jì)算 ， 可得實(shí)際微分位置型控制算式 )()()()()(1)()( 3