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1、计算机控制系统第八计算机控制系统第八章章本讲稿第一页，共四十四页21.研究被控对象、确定控制任务 2.确定系统总体控制方案 3.确定控制策略和控制算法 4.硬件详细设计 5.软件详细设计 6.系统仿真与调试 7.现场安装调试 本讲稿第二页，共四十四页3 伺服系统是自动控制系统中的一类，原称位置随动系统，简称随动系统。伺服系统是用来控制被控对象的某种状态，使其能自动地、连续地、精确地复现输入信号的变化规律。1.系统硬件设计 2.伺服系统控制器设计 3.系统软件设计本讲稿第三页，共四十四页4图8.1 系统硬件原理图本讲稿第四页，共四十四页5设伺服电机位置随动系统传递函数为 其中 K=3724，T1
2、=1.81，T2=0.038，T3=0.15。根据第五章第三节介绍的二阶工程设计法，校正后系统开环传递函数为 则应选择如下形式的控制器 本讲稿第五页，共四十四页6即由得本讲稿第六页，共四十四页7即模拟控制器为 利用后向差分法对模拟控制器进行离散化，得到数字控制器 本讲稿第七页，共四十四页8图8.2 位置控制程序流程图 本系统应用软件包括主程序，D/A 转换子程序，A/D 转换子程序及控制子程序，其程序流程图如图8.2所示。从而实现了对直流伺服电机的位置控制。本讲稿第八页，共四十四页9 由于直流调速系统具有控制特性优良，能在很宽的范围内平滑调速，起制动性能好，定位精度高等优点，使得其广泛地应用于
3、轧钢机、造纸机、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。确定整体方案 电流环、速度环数字控制器设计 晶闸管数字触发器设计 微型计算机选择 系统硬件和软件设计 系统调试 本讲稿第九页，共四十四页10 本系统拟设计成采用计算机控制的全数字式直接数字控制系统。因此，要求计算机完成内环电流调节器运算、外环速度调节器运算以及完成晶闸管数字触发控制功能。电流内环要获取电流反馈信号。在本例中采用交流电流互感器作为电流检测元件，检测到的交流电流信号，经整流、分压、滤波后，变成与负载电流成比例的05V的直流电压，再经A/D转换器将模拟电压转换成数字量，输入计算机。速度外环要获取转速反馈信号。可采用测速发电机作为
4、速度检测元件。测速发电机的输出电压经分压、滤波，再通过A/D转换器得到转速的数字量。这种方法的缺点是测速发电机本身存在死区和非线性以及转换、滤波电路带来的误差和时滞。因此，本例中采用主轴脉冲发生器（光电编码器）作为速度检测元件，通过计数器定时计数即可得到转速的数字信号。若选定每转产生Tn个脉冲的主轴脉冲发生器，则在转速为n(转/每分钟)时，每秒产生Tnn/60个脉冲。此时，若以60/Tn秒为间隔对脉冲进行计数，则计数量正好对应电动机每分钟的转速。本讲稿第十页，共四十四页11 本系统拟由计算机来实现晶闸管数字触发功能。用数字触发器取代模拟触发器电路，不仅可以提高晶闸管触发的可靠性、灵活性，而且还
5、为进一步提高触发精度和实现整个系统的多功能、智能化提供了必要的条件。综上考虑，可画出本系统的组成框图如图8.3所示。图8.3 双闭环直流数字调速系统本讲稿第十一页，共四十四页12 在典型的双闭环晶闸管直流调速系统中，电流环调节器和速度环调节器均采用PI调节器。其传递函数为 由第四章数字控制器的模拟化设计方法，可得PI控制算式为 采样周期T，按经验公式10c确定。其中，为采样角频率，c为系统开环频率特性的截止频率。本讲稿第十二页，共四十四页13 由于电流环调节器和速度环调节器均采用PI调节器，因此可以编制一个PI运算子程序，调用前将有关参数及偏差数据送入相应单元，则两个环可共用一个子程序。PI运
6、算子程序流程图如图8.4所示。图8.4 PI运算子程序流程图本讲稿第十三页，共四十四页14 晶闸管三相全控桥式整流电路及线电压曲线如图8.5所示。t1t6为自然换相点。取线电压uWV从负半波到正半波的过零点（t1）作为同步基准点。根据波形图可分析出各晶闸管的触发时刻（对应于控制角）及触发顺序。图8.5 三相全控桥式整流电路及线电压曲线本讲稿第十四页，共四十四页15晶闸管数字触发器设计 计算机对电流调节器的输出uk进行计算，以同步基准点为参考点，算出晶闸管控制角的大小，再通过定时器按触发角大小及图8.6的顺序，准确的给各个晶闸管发出触发脉冲，这就是数字触发器的任务。图8.6 晶闸管的触发时刻及触
7、发顺序本讲稿第十五页，共四十四页16+控制算法 采用绝对触发方式，触发角是滞后自然换相点的角度。为了用一个定时器完成对触发角的定时，定时时间不能超过3.33ms。所以，需引进一个新的变量作为定时角度，其定义如下 其中min和mx是触发角的最小值和最大值。本讲稿第十六页，共四十四页17+建立表 三相全控桥式整流电路输出电压V与控制角之间的关系其中E2为变压器二次侧相电压有效值。若令触发整流环节成为一个放大系数为Ks的线性环节，即则有 给定一个u值，按公式可算出一个。为满足快速实时控制要求，可离线算出u与的所有对应值，列成表格存入内存，这个数据表就称为表。本讲稿第十七页，共四十四页18+脉冲分配表
8、 数字触发器要根据图8.6给出的触发顺序，顺次发出触发脉冲。为方便起见，建立一个脉冲分配表。当定时器定时的时间到时，定时器发出中断申请，在中断服务程序里从脉冲分配表中取出数据，由I/O口送出，经单稳形成宽度约1ms的脉冲，再经光电隔离、功率放大，最后通过脉冲变压器输出到晶闸管触发极。本讲稿第十八页，共四十四页19 本系统要求微型计算机完成电流环和速度环的反馈信号采样、处理和控制算法计算，以及晶闸管的数字触发控制等功能。该系统主要由8086CPU、并行I/O接口8255A、可编程中断控制器8259、同步信号电路、A/D转换器，以及时钟电路、光电隔离器件等组成。图8.7采用Intel8086微处理
9、器构成的全数字式直流调速系统本讲稿第十九页，共四十四页20 硬件设计是在单板机或单片机的基础上，对照系统总体框图缺少部分加以扩充。本系统是在 TP86A 单板机基础上扩充的，所用的器件都是大家比较熟悉的通用器件。因此，根据系统总体原理框图画出电气原理图是不困难的，这里不再画出。本系统的主要控制功能由中断服务程序完成，程序由汇编语言编写。主程序完成外围芯片设定和初始化、建立脉冲分配表及存储单元的设定任务；IR1中断程序完成启动IR2定时及输出控制字任务；IR2中断程序完成输出00H控制字任务；IR3 中断程序完成电流采样、电流环调节计算及触发角的计算；IR4中断程序完成速度检测任务；IR5中断程
10、序完成速度环调节计算任务。本讲稿第二十页，共四十四页21 完成硬件和软件的分部安装、编制、调试之后，就要进行联调，联调要分步进行。数字触发器部分是比较独立的部分，可先单独调试通过，然后再和电流环、速度环联调。联调是一项细致的工作。由于采样周期选择欠佳、参数估值误差等等原因，一般系统不能立即达到要求的动、静态品质指标，甚至系统是不稳定的。根据调试出现的现象对系统进行分析，仔细调整参数。在调试过程中，理论分析是需要的，但往往离不开试凑法，反复调试。调试首先要保证系统稳定，然后再保证动、静态特性，最后调至满足系统要求为止。本讲稿第二十一页，共四十四页22 在日常生活中和工业生产中，有大量的需要进行温
11、度控制的场合，有大量的需要控制的加热设备。其中，电阻炉就是热处理生产中应用最广的加热设备，是电流通过电热元件产生热量，借助辐射和对流的传递方式将热量传递给工件，使工件加热到所要求的温度。确定总体方案 系统硬件设计 控制算法设计 软件设计本讲稿第二十二页，共四十四页23 在某煤气/焦碳生产企业中，为了把握工艺规律和控制参数，按比例制作了一台模拟炼焦炉，其中的煤炭采用电阻丝进行加热。要求控制电阻炉中A点的温度按预定的规律变化，同时监测B点的温度，一旦B点温度超过允许值，就应该发出报警信息并停止加热。根据设计任务的要求，采用8031单片机系统组成的数字控制器代替常规模拟调节器。整个系统在规定的采样时
12、刻经过A/D转换采集由温度传感器反馈回来的温度反馈测量值，并和给定值进行比较，将经过控制运算后的控制量输出给执行元件控制电阻丝的加热过程。此外，系统还应实现人机接口功能。图8.10 模拟炼焦炉温度控制系统总体框图本讲稿第二十三页，共四十四页24+人机接口电路+温度测量电路+温度控制电路+单片机基本系统本讲稿第二十四页，共四十四页25 本系统允许用户根据需要随时改变系统的工作状态和控制参数，为此设置了4位LED显示和相应的操作键盘，并由专用控制芯片8279实现与CPU的接口。采用8279后，可以节省CPU用于查询键盘输入和管理显示输出的时间，降低了对CPU处理速度的要求，同时也减少了软件工作量。
13、本讲稿第二十五页，共四十四页26 热电偶用来检测炉温，将温度值转换为毫伏级的电压信号。为便于信号远距离传送，采用温度变送器，把热电偶输出信号转换为420mA的电流信号，在接收端再经I/V变换使之变成适于A/D转换的电压信号。在系统中，采用多路复用方式对两路热电偶信号、冷端补偿信号和标准电压信号进行A/D转换。系统运行过程中，定期对标准电压进行采样，以修正A/D转换器的灵敏度、保证测控精度。为提高系统抗干扰能力，在多路转换开关的控制电路A/D转换电路的数字部分中还采用了光电隔离措施。本讲稿第二十六页，共四十四页27 电阻丝由过零触发型的双向晶闸管整流电路驱动，通过调节加热阻丝上的平均电压来控制加
14、热功率，最终达到控制炉温的目的，其原理见图8.11。MOC3021是晶闸管型光电隔离器件，它只能触发小功率晶闸管。因此，本系统中通过MOC3021控制双向晶闸管T1，再由T1控制主电路的双向晶闸管T2。图8.11加热控制电路本讲稿第二十七页，共四十四页28图8.12过零型双向晶闸管的触发特性本讲稿第二十八页，共四十四页29 单片机是整个系统的核心，它负责协调、控制系统的各个部分完成规定的功能。过零同步信号接到8031CPU的外部中断输入端上，在中断服务程序中进行触发控制和控制周期计数；外部中断用于8279的中断请求管理，在中断服务程序中处理键盘输入。为了软件简便和节省资源起见，可以选择采样周期
15、T为电网周期的整数倍，这样采样工作和控制运算就可以在同步信号中断服务程序中进行，而不必安排另外的定时器进行采样/控制运算周期定时了。图8.13 模拟炼焦炉温度控制系统本讲稿第二十九页，共四十四页30 系统数学模型 电阻炉是一个具有自衡能力的对象，可以近似为一个纯滞后环节和一个惯性环节的串联。控制器设计 针对被控对象具有纯滞后环节的特点，采用大林算法设计如下数字控制器进行控制。图8.14 模拟炼焦炉温度控制系统数学模型本讲稿第三十页，共四十四页31 温度控制系统软件包括主程序、采样定时中断程序、数字滤波程序、非线性校正程序、控制运算和控制输出处理程序、键盘管理程序等。本讲稿第三十一页，共四十四页
16、32 能够根据输入的指令和数据，使生产机械按预定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律完成工作的自动控制，称为数字程序控制。数字程序控制主要应用于机床的自动控制，采用数字程序控制的机床称为数控机床。数控机床能够加工形状复杂的零件、加工精度高、生产效率高，而且易于改换加工品种，因此是机床自动化的一个重要发展方向。数字插补算法 步进电机控制本讲稿第三十二页，共四十四页33+直线逐点比较法插补+四象限直线逐点比较法插补计算+圆弧逐点比较法插补+四象限逐点比较法圆弧插补计算本讲稿第三十三页，共四十四页34 假定要加工第一象限内从坐标原点开始的一条直线OE，终点E的坐标为(xE，yE)。若当前加
17、工点M(xM，yM)在直线OE上，则有 yM/xM=yE/xE或者 yMxE-xMyE=0定义 FM=yMxE-xMyEFM为直线逐点比较插补的误差函数。本讲稿第三十四页，共四十四页35 从图8.19可知，若加工点在直线OE上方，如图中M1点，则相应的误差函数值FM10，应使加工点沿+x轴方向进给一步；若加工点在直线OE下方，如图中M2点，则相应误差函数值下FM20，应使加工点沿+y轴方向进给一步；若加工点在直线OE上，如图中M点，则相应的误差函数值FM=0，这时既可以沿+x轴方向进给、也可沿+y轴方向进给，我们规定沿+x轴方向进给一步。图8.19 第一象限直线插补原理本讲稿第三十五页，共四十
18、四页36 设加工第i步时，动点坐标为(xi，yi)。若计算得Fi0，表明加工点在直线OE上或在OE的上方，本步应沿+x轴方向进给，则第i+1步的坐标为(xi+1=xi+1，yi+1=yi)，第i+1步的误差函数为 Fi+1=yi+1xExi+1yE=yixExiyEyE=FiyE若计算得Fi0，表明加工点在直线OE的下方，本步应沿+y轴方向进给，则第i+1步的坐标为(xi+1=xi，yi+1=yi+1)，第i+1步的误差函数为 Fi+1=yi+1xExi+1yE=yixExiyE+xE=Fi+xE上两式给出了误差函数的递推算法，由于加工初始点在原点，它在直线OE上，所以递推初值F0=0。本讲稿
19、第三十六页，共四十四页37 插补运算应该解决的另一个问题是终点判别。当刀具到达终点(xE，yE)时，必须自动停止进给。逐点比较法终点判别方法 设置一个计数器，开始加工前，使的初值为x轴和y轴应该进给的总步数之和(xE+yE)进行插补时，x轴或y轴方向每进给一步，均使计数器的值减1 减到零就表明到达加工终点，否则继续加工本讲稿第三十七页，共四十四页38 第二四象限内的由坐标原点出发的直线的插补运算，可由第一象限插补公式得到。图8.22 四象限直线插补误差函数与进给方向本讲稿第三十八页，共四十四页39 假定要加工第一象限内以坐标原点为圆心的圆弧AB，圆弧起点坐标A(xA，yA)、终点坐标为B(xB
20、，yB)，这是一个逆时针圆弧，简称为逆圆。由所给条件知，圆弧半径R满足 设当前加工点为I(xi，yi)，定义圆弧插补的误差函数为 图8.23第一象限逆圆插补原理 若规定Fi=0时，向x轴方向进给，为了逼近圆弧，则有：向x轴方向进给的条件为Fi0向+y轴方向进给的条件为Fi0本讲稿第三十九页，共四十四页40 步进电机是计算机控制系统常用的执行元件，具有快速起停、精确步进的特点，并可直接采用数字脉冲信号控制，而不需要进行A/D转换，因而为控制系统的设计带来极大的方便。步进电机的工作原理 步进电机的计算机控制本讲稿第四十页，共四十四页41 在图8.25所示的步进电机中，转子上铣有40个矩形小齿，齿和
21、槽宽度相等，相邻两齿之间的夹角为9；定子由六个磁极构成，它们均匀地分布在定子的内圆周上，相邻磁极间夹角为60，相对的两个磁极组成一相，共有U、V、W三相。每个定子磁极上开有4个槽、5个齿，齿和槽等宽，相邻齿间的夹角也是9。如果以U相绕组通电(V相、W相不通电)而使转子的某五个齿与U相定子磁极的齿对齐为初始状态，则因U相磁极与V相磁极机械角度相差120，而使转子的第120/9=13*1/3个齿(从处在U相磁极中心线上的齿数起)正对准V相磁极，第13个齿顺时针落后V相磁极的中心线3，若此时突然变为V相通电、U相和W相不通电，则在磁场力的作用下，转子的第13个齿要与V相磁极的中心线对齐，因此转子顺时
22、针转动3。图8.25 三相步进电机的结构示意图类似地，如果U相通电时，突然变为W相通电，则转子逆时针转动3。通电状态的改变可以在任意一相进行，因此可以在任一相改变转动方向。本讲稿第四十一页，共四十四页42+三相三拍方式 这种方式每次只有一相定子绕组通电。+三相六拍方式 这种方式中，通电次序为UUVVVWWWUU时，电机顺时针转动；欲使电机逆时针转动，则通电次序为UUWWWVVVUU。+双三相三拍方式 这种方式每次都有两相通电，即顺时针转动的通电次序为UVVWWUUV，逆时针转动的通电次序为UVWUVWUV。本讲稿第四十二页，共四十四页43 图8.26中，步进电机的输出控制接口电路的地址为Mot
23、orPort，U相、V相、W相定子绕组分别由MotorPort口的D0、D1、D2位控制。Di=0(i=0，1，2)则相应的相断电，否则相应的相通电。图8.26 步进电机控制原理本讲稿第四十三页，共四十四页44 计算机向Motor-Port口送出的数据与定子通电/断电状态的关系表。设插补器计算出的电机转向存放在内存Direct单元、转速存放在Speed 单元，并把表8.9存放在内存 ControlTable 开始的单元。Direct 单元值为0表示正转，反之为反转。按照地址递增或递减的方式循环把通电状态表的内容输出到Motor-Port口，就可以使电机正转或反转。改变输出数据的时间间隔，则可以改变电机转速。图8.27 步进电机控制软件框图本讲稿第四十四页，共四十四页