第1单元 绪言 数字控制.pptVIP

机电系统数字控制技术 哈尔滨工程大学 第1章 绪言 1.1 数字控制系统概述 数字控制系统是以数字计算机作为数字控制器，实现对连续对象（或过程）的闭环控制，因此也称为计算机控制系统。 本书阐述如下几部分内容： 数字控制系统建模与分析； 数字控制系统的设计（或称综合）； 数字控制系统的实现； 高速采样数字控制系统的建模与分析、设计与实现。 1.1.1 系统组成与功能（软件与硬件） 1 硬件部分 2 软件部分（在计算机上实现控制规律） 主程序：系统初始化设置； 控制子程序：实现数据采集、控制算法、控制量的输出和存储。 图1-1-2 数字控制系统软件流程 1.1.2 数控系统的优点 程序控制：易于修改，改变控制规律不需修改硬件，通过修改控制子程序就可以满足不同的控制要求。因此相对于连续控制系统更具有灵活性。 精度高：模拟控制器的精度由硬件决定，同一批次的元器件可能具有不同的性能，例如电阻、电容的标称值和实际测量值会有不同，达到高精度很不容易，元器件的价格随精度不同变化很大；而数字控制器的精度与计算机的控制算法和字长有关，在系统设计时就已经决定了。 稳定性好：数控计算机只有 “0”、 “1” 状态，抗干扰能力强，不象电阻、电容等受外界环境影响较大。 软件复用：硬件不能复用，子程序却可以，所以具有可重复性。而且计算机系统和软件都可以更新换代。 分时控制：可同时控制多系统、多通道。而模拟控制器只能完成单通道控制。 数控系统的缺点、局限性 实时性：数控系统由计算机运行速度、A/D与D/A采样速度、控制算法等多种因素决定其采样频率上限。 信号的处理：离散系统的采样频率下限受到采样定理的限制，在输入信号频率不满足采样定理时得到的采样信号会产生频率混迭现象。 数控系统一般需要进行连续信号与数字信号之间的转换，因此系统性能受到 A/D与 D/A性能的影响，包括实时性、精度等。 1.2 数字控制对计算机（系统）的要求 1.2.1 实时控制 在一个采样周期 T 内必须完成如下操作： 1. 数据采集：采样，A/D转换，数据输入的时间△t1 ； 2. 程序运行求出控制量的时间△t2 ； 3. 控制量的输出和存储时间△t3 。 则为了实现实时控制，必须有 1.2.2 对计算机（系统）的要求 硬件支持 1. CPU、内存、中断、指令系统等； 2. 实时时钟； 3. 输入输出通道； 4. 外设。 软件支持 人机对话功能 用数字计算机作控制器，实现控制算法，是数字控制的关键。 计算机控制系统的控制过程可以归结为：实时数据采集、实时控制。计算机只要能满足控制系统实时控制设计要求即可，无需过高追求计算机的高性能。要求数控系统中的计算机能做到如下几点： 实时性：为了保证实时控制，作为数字控制器的微型计算机主要涉及以下几点：微型计算机的机型、输入输出接口、中断设置、实时时钟、实时操作系统等几部分。 综合控制能力：较强的计算、信息处理和控制能力；灵活而复杂的输入输出设备，传感器控制，显示设备，完备的中断系统等。 高可靠性：软硬件的高可靠性是保证数控系统正常工作的关键。 可维护性：实际中长期工作的数控系统必须考虑可维护性。 环境适应性：适应工程环境中要求的高低温、振动、湿度、电磁、腐蚀性气体或辐射等各种恶劣条件。 微型化：体积小、重量轻、功耗低。 1.3 计算机控制系统的分类 * ——本课程讲授线性定常数字控制系统分析与综合的一些基本方法，其理论基础为线性离散时间系统理论。 A-Analogue D-digital 采样 开关 A/D 数字 控制器 D/A 保持器 对象 或过程 r(t) e(t) u(t) y(t) 实时时钟 模拟输入通道 模拟输出通道 离散状态 连续状态 产生脉冲序列 作采样信号 连续信号?离散信号 离散信号?连续信号 图1-1-1 单位反馈数字控制系统硬件框图 e*(t) [e(kT)] [u(kT)] u*(t) 数控系统的功能为：在数字计算机控制下，每隔一个采样周期 T，对连续偏差信号e(t)进行采样，经由模拟输入通道转换成数字量送入计算机中，计算机（数字控制器）根据控制规律进行运算，求得控制量输出，由模拟输出通道转换成连续量去控制被控对象（或过程） ，使系统的动态、稳态特性达到预期的指标。 控 制 子 程 序 控制量的输出和存储 Y N 开 始 主程序：初始化设置 数据采集 控制算法 采样? 生产过程 模拟输入通道 模拟输出通道 数控计算机 键盘、显示器 打印机等 外部设备 图1-1-3 直接数字（DDC）控制系统示意图 由于数控计算机的离散时间性质，故采样是数字控制系统的基本特征。数字（计算机）控