机电系统计算机控制

第一章概述1.1机电一体化系统机电一体化系统是指在系统主功能、信息处理功能和控制功能等方面引进了电子技术，并把机械装置、执行部件、计算机、检测与传感装置等电子设备以及软件等有机结合而构成的系统，即机械、执行、检测与传感、信息处理、接口和软件等部分在电子技术的支配下，以系统的观点进行结合而形成的一种新型机械系统。具体实例：计算机外设、办公自动化设备、微细加工设备、数控机床、数控加工中心、机器人、射压成型设备、武器系统、航空航天、航海设备、家用电子机械、电动玩具等。目前这些系统的共性就是：绝大多数产品含有电子计算机或微处理器。第一章概述几种典型的机电一体化系统1)伺服传动系统：其为一种最基本的机电控制系统。其输入为模拟或数字电信号，输出或受控物理变量为机械位置或速度以及力或力矩等。2)数字控制系统：根据零件编程或路径规划，由计算机生成数字形式的指令，驱动机械运动的一种控制系统，简记为NC。当控制器由计算机实现时，又称为计算机数控系统，简记为CNC。3)顺序控制系统：按照规定次序执行一组操作的控制系统。每一步动作都是一个简单的二进制动作。4)过程控制系统：在机械、冶金、化工、电力以及建材等生产过程中所采用的工业控制系统统称为过程控制系统。第一章概述1.2计算机控制系统1.2.1控制系统按信号形式的分类计算机控制系统：含有计算机并且由计算机完成部分或全部控制功能的控制系统。计算机在控制系统中的应用分两个方面：1)离线应用：对控制系统进行分析、设计、仿真以及建模——控制系统CAD2)在线应用：用计算机代替模拟控制器，使其成为控制系统的一部分。第一章概述控制系统按信号形式分类：1)连续控制系统：所有信号均为连续信号。2)离散控制系统：各处均为离散信号。3)采用控制系统：既有连续信号，又有离散信号。4)数字控制系统：含有数字信号——计算机控制系统第一章概述1.2.2计算机控制系统的组成硬件组成：控制对象、检测环节、计算机、输入输出通道、外设等软件组成：系统软件、应用软件第一章概述1.3.1计算机控制系统的分类1)数据采集和数据处理系统注意：可以用于辅助建模。也就是所有计算机控制系统均有数据采集和数据处理的功能。1.3.2直接数字控制系统-DDC(directdigitalcontrol)第一章概述1.3.3监督控制系统-SCC(supervisorycomputercontrol)SCC+模拟调节系统SCC+DDC系统第一章概述1.3.4分级计算机控制系统第一章概述1.3.5计算机控制系统的其他分类形式1)程序和顺序控制：程序控制是指根据输入的指令和数据，控制生产机械按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律而自动完成工作的数字式自动控制。主要用于机床的自动控制。2)比例积分微分控制(PID控制)：目前应用最为广泛、也是广大工程技术人员所熟悉的控制规律。3)最少拍控制：调节时间最短为技术指标。4)复杂规律的控制：充分利用计算机的强大计算、逻辑判断、中断以及学习功能。如串级控制、前馈控制、纯滞后补偿、多变量解耦控制以及最优、自适应、自学习控制等。5)智能控制。6)模糊控制。第一章概述1.4计算机控制系统的一般要求1)稳定性2)精确性3)快速性第二章信号采样与Z变换理论基础2.1计算机控制系统的信号形式1)多数受控物理参数的连续模拟信号2)计算机所能处理的离散数字量在许多实际系统中，采样器即为A/D转换器全部工作由计算机时钟同步第二章信号采样与Z变换理论基础2.2信号采样与保持2.2.1采样定理大得多。选得比是将采样频率在实际系统中，一般总为采样频率。，有效频谱中的最高频率为原信号。其中原来的连续信号能够不失真地复现滤波器，则采样信号再通过一个理想的低通满足进行采样，若采样频率的连续信号对于一个具有有限频谱maxmax*max2)()()(2)(ssstftftftf第二章信号采样与Z变换理论基础2.2.2量化和量化误差：采样信号是时间上离散而幅值上连续的信号，需要经A/D转换进行编码，才能用计算机进行处理。量化单位为：2/00)(12minmaxminmaxqqqLLqfNffffqn舍入截尾有两种处理方法。为整数。对于余数其中第二章信号采样与Z变换理论基础2.2.3孔径时间及采样保持1)孔径时间HzfsDAtfUUtfUtUdtdUtUUDAmmmm16100101021.010%1.0/102cos2cossin6/最大频率为换的正弦模拟信号的换精度之内，则允许转如果要求转换误差在转，，孔径时间为转换器，量化精度为为的例如：一个在过零点处令第二章信号采样与Z变换理论基础2)采样保持3)模拟量输出保持器第二章信号采样与Z变换理论基础2.3Z变换2.3.1Z变换的定义0**0*0*****)()()()(,)()()()()()()()()()()()(kkTsTskkTskTszkTfsFzFsFezseekTfsFTkTtkTftftfztfzFzesFsFtftfz可以改写为：则此引入新的变量：方便，因函数，对数学分析很不的超越函数而不是有理是由于进行拉氏变换，得表示采样周期，对上式其中，序列，表示为的采样信号是一个脉冲变换。的，我们称之为而得到换成中的进行演变，将的拉氏变换的采样信号变换是把第二章信号采样与Z变换理论基础2.3.2z变换的性质和常用定理)()(])([)(])([)2)()()]()([),()]([),()]([1)1021212211njjnnnjTfzzFZTnkfZnzFZTnkfZnzFzFtftfZzFtfZzFtfZ个采样周期，则：若脉冲序列超前超前（或正偏移）定理个采样周期，则：若脉冲序列延迟滞后（或负偏移）定理位移定理为任意实数。，其中则若线性性质第二章信号采样与Z变换理论基础)()()5)]()1[(lim)()(lim)()4)(lim(0))0()()()(lim3)1。原函数，而不能给出一连串离散的数值变换只能给出原函数的非一一对应性：的终值存在，则终值定理：如果为的初值或存在，则初值定理：如果tfkTfzzFzftftfzFffkTftfzFzzzz第二章信号采样与Z变换理论基础2.3.3z变换方法1)级数求和法：根据z变换的定义来求函数的z变换，适用于简单函数。)1(,111)(1,1)()()(1)(2211)()(10)()()()(1-21113210000zzzzzFzzzzzzzkTfzFzzttfzzkTfzFztttzttfkkkkkk写成如下封闭形式可时，级数收敛，则上式当比为这是一个等比级数，公变换的定义解：根据变换。的求单位阶跃函数例义，有变换的定据，其余均为零，所以根处值为只有解：因为为单位脉冲函数。变换，其中的求例第二章信号采样与Z变换理论基础变换可以查表获得。常用函数的可以是不同的。就相同，但采样前的相同，则息有效，只要采样信号变换只对采样点上的信变换，所以可以有相同的看出，不同的比较上边两个例子可以变换的定义，解：根据变换。的求单位理想脉冲序列例ztfzFtfzztfzzzzzzzzkTzzzkTtkkkT)()()()()1(,1111)(1)()(3-2*10321T0第二章信号采样与Z变换理论基础变换。，从而省去中间拉氏反上式直接写出，就可以根据和，求出写成部分分式和的形式可以看出，只要将如下换式，这样就得到了变的变换直接写出它所对应以利用指数函数的对上式的每一项，都可为出然后，由拉氏反变换得的极点。为为常数，的极点数目，为式中，即写成部分分式的形式，变换，将。首先，为了进行变换式的求它所对应的拉氏变换了没有直接给出，但给出设连续信号部分分式法)()()()()()()()()()()(),()()()2111zFaAsFezzAzFzFzzeAtftfsFaAsFnasAsFsFzzFzsFtftfiiniTainitaiiiniiiii第二章信号采样与Z变换理论基础aTaTaTaTezezezezzzzzFassassasFsFzFassasF)1()1(1)(11)()()()(,)()(422根据前述公式直接写出写成部分分式和的形式解：首先将。求已知例第二章信号采样与Z变换理论基础11211221300220201322121111)1()(11111(1)(1)]()1[(dd111)]([dd1)1(1)]([dd1)(1(1)(52zezzTzzFssssssFsFssAssFssAsssFsAsAsAsAsFzsssFTsssss）所以解：设变换的）求例第二章信号采样与Z变换理论基础kkzFZzzzzzzFzzzzzzFkfzzzzFtfzFZzkTftfzFzzz210)(110)]([210110)(210110)2)(1(10)()(,)2)(1(10)(62)1)()]([)()()(4.3.21*1*变换表得查解：。求已知例部分分式展开法反变换，记作，叫或求时域（离散）函数域函数变换确定时域解。从进行计算后，需要用饭域中控制系统，通常在反变换一样，对于数字与连续系统中应用拉氏反变换第二章信号采样与Z变换理论基础。在其分子上都含有稍有不同，即所有展开法时，于拉氏变换注意：在采用部分分式变换表得查解：。为采样周期，求为常数，，已知例zzFezFZzezzzzzFezzzzFkfTaezzzezFakTaTaTaTaT)(1)]([1)(111)()())(1()1()(721第二章信号采样与Z变换理论基础变换的定义式。此式即为的升幂排列，即，并将商按对上式用分母去除分子，的多项式之比，即两个的有理函数，可表示为是如果长除法zzczczczcczFzmnazazazabzbzbzbzFzzzFkkkkknnnnmmmm02211012111021110)()()()()2第二章信号采样与Z变换理论基础321543434323232112132121112703010)(140210706070609030203020301010)23170301023110)()(2310)(82zzzzFzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzFzkfzzzzF因此采用长除法的升幂排列，得解：首先将分子分母按。，求知已例第二章信号采样与Z变换理论基础2.3.5用z变换求解差分方程对于线性连续控制系统，系统的时域描述为线性常系数微分方程，可以用拉氏变换变成s的代数方程，因此可以大大简化求解过程。计算机控制系统属于离散系统，其时域描述为线性常系数差分方程，可用z变换变成z的代数方程，用代数方程来求解。)(1)(1))(()(0)0()(),()()0()()(0)0()()()()1(92kkkbabakczbzzazzbabzazzzCcazzzRzRzbCzczzCzkccakrkrkcbkc反变换得进行代入初始条件变换，应用偏移定理得行解：对差分方程两边进。，求，初始条件为已知输入信号统的差分方程为设一阶采样离散控制系例第二章信号采样与Z变换理论基础励的。，响应是由初始条件激此方程的输入信号反变换，得对上式进行得代入初始条件，并简化变