第5章数据处理与控制策略

第5章数据处理与控制策略内容摘要：

基础  概述  数控原理  数控系统分类  运动控制系统 Base of Numerical Contrl 第 5章 数据处理与控制策略 2020/11/4 计算机控制技术 46 概述 • 基本概念 – 数字控制 (NC)： 用数字化信号对机床运动及其加工 过程进行控制的一种方法 – 数控系统 ：采用数控技术的控制系统 – 数控设备 ：采用了数控系统的设备 – 计算机数控系统 (CNC)：以计算机为核心的数控系统 • 数控设备构成 饲服系统 机电接口 输入通道 被控对象 CNC 第 5章 数据处理与控制策略 2020/11/4 计算机控制技术 47 数控原理 X b a d c Y • 曲线分段 – 将如图所示曲线分割成若干段，可以是直线段，也可以是曲线段，图中分割成了三段，即 、 和 cd – 把 a、 b、 c、 d四点坐标记下来并送给计算机。 图形分割原则应保证线段所连的曲线与原图形误差在允许范围内。 – 由图可见，显然采用 、 和 cd 比 、 和 要精确得多。 ab bcab bcab cdbc第 5章 数据处理与控制策略 2020/11/4 计算机控制技术 48 数控原理 • 插值（或插补） – 当给定 a、 b、 c、 d各点坐标 x和 y值之后，求得各坐标值间的中间值的数值计算方法称 插值 或插补 – 直线插补 ： 在给定的两个基点之间用一条近似直线来逼近 – 二次曲线插补 ： 在给定的两个基点之间用一条近似曲线来逼近 X b a d c Y 第 5章 数据处理与控制策略 2020/11/4 计算机控制技术 49 数控原理 • 绘图或加工 – 把插补运算过程中定出的各中间点，以脉冲信号形式去控制 x、 y方向上的步进电机，带动绘图笔、刀具等，绘出图形或加工所要求轮廓 – 每一个脉冲信号代表步进电机走一步，即绘图笔或刀具在 x或 y方向移动一个位置 – 对应于每个脉冲移动的相对位置称为脉冲当量，又称为步长，常用△ x和△ y表示，且一般取△ x=△ y。 X b a d c Y 第 5章 数据处理与控制策略 2020/11/4 计算机控制技术 50 第 5章 数据处理与控制策略 2020/11/4 计算机控制技术 51 数控系统分类 按控制方式分类 • 按控制方式分类 – 点位控制数控系统 点位控制最简单，其运动轨迹没有特殊要求，运动时又不加工，它的控制电路只要具有记忆和比较功能即可，不需要插补运算。 – 直线控制数控系统 和点位控制相比，直线控制要进行直线加工，控制电路要复杂一些。 – 轮廓控制数控系统 要控制刀具准确完成复杂的曲线运动，故控制电路 复杂，且需要进行一系列的插补计算和判断。 第 5章 数据处理与控制策略 2020/11/4 计算机控制技术 52 数控系统分类 按系统结构分类 • 开环数控系统 – 早期数控机床采用的数控系统，执行机构多采用步进电机或脉冲马达。 数控系统将零件程序处理后，输出指令脉冲信号，驱动步进电动机，控制机床工作台移动 – 这种驱动方式不设置检测元件，指令脉冲送出后，没有反馈信息，容易掌握，调试维修方便，但控制精度和速度受到限制。 步进电机驱动电路 步进 电机 工作台 第 5章 数据处理与控制策略 2020/11/4 计算机控制技术 53 数控系统分类 按系统结构分类 • 全闭环数控系统 – 接受数控系统驱动指令同时，还接受工作台上检测元件测出的实际位置反馈信息，比较后根据差值进行修正，消除因传动系统误差引起的误差 – 可获得高的加工精度，由于包含很多机械传动环节，会影响伺服系统的调节参数。 因此全闭环系统的设计和调整都有较大困难，处理不好常会造成系统不稳定。 主要用于高精度机床。 位置反馈 速度反馈 速度控制 电路 步进 电机 工作台 位置比较 电路 第 5章 数据处理与控制策略 2020/11/4 计算机控制技术 54 数控系统分类 按系统结构分类 • 半闭环数控系统 – 将测量元件从工作台移到执行机构端，由于工作台不在控制环里，测量元件安装在执行机构端，环路短，刚性好，容易获得稳定的控制特性，广泛应用于各类连续控制的数控机床上。 指令 位置反馈 速度反馈 速度控制 电路 步进 电机 工作台 位置比较 电路 第 5章 数据处理与控制策略 2020/11/4 计算机控制技术 55 数字 PID控制算法  标准数字 PID控制算法  数字 PID控制算法的改进  数字 PID参数整定 Digital PID Control Arithmetic 第 5章 数据处理与控制策略 2020/11/4 计算机控制技术 56 541 标准数字 PID控制算法 • PID是 Proportional（比例）、Integral（积分）、 Differential（微分）三者的缩写。 在过程控制中，按误差信号的比例、积分和微分进行控制的调节器，简称 PID调节器，是技术成熟、应用最为广泛的一种调节器 第 5章 数据处理与控制策略 2020/11/4 计算机控制技术 57 541 标准数字 PID控制算法 • 标准的模拟 PID • 式中： Kc、 Ti、 Td 分别为模拟调节器的比例增益、积分时间和微分时间 , u0为偏差 e=0 时的调节器输出 , 又称之为 稳态工作点。 00 ])()(1)([)( udttdeTdtteTteKtu dtic  第 5章 数据处理与控制策略 2020/11/4 计算机控制技术 58 • 采样周期 与 控制周期 的概念 • 模拟 PID调节规律的离散化 – 在控制器的采样时刻 t=kT时 因此， PID的数字算式 如下式  kjjTee dt0)( T kekedtde )1()(   00)1()()()()( ukekeTTjeTTkeKku dkjic   541 标准数字 PID控制算法 第 5章 数据处理与控制策略 2020/11/4 计算机控制技术 59 • 数字 PID又可写成 上面两个算式又称为 PID位置算式 其中 称为积分系数 称为微分系数   00)1()()()()( ukekeKjeKkeKku dkjic  ici TTKK TTKK dcd 541 标准数字 PID控制算法 第 5章 数据处理与控制策略 2020/11/4 计算机控制技术 60 • PID位置算式的问题 – 由积分项 的存在所产生 • PID增量算式 由 ， 可得 kiie1)()1()()(  kukuku  )2()1(2)([)()1()([ kekekeTTkeTTkekeK dic541 标准数字 PID控制算法 第 5章 数据处理与控制策略 2020/11/4 计算机控制技术 61 • PID增量算式的另一种形式 • 增量 PID算法的 优点 是编程简单 , 数据可以递推使用 , 占用内存少 , 运算快。 • 增量 PID算法得到 k 采样时刻计算机的 实际输出控制量 为 )]2()1(2)([)()]1()([)(  kekekeKkeKkekeKku dic)()1()( kukuku 541 标准数字 PID控制算法 第 5章 数据处理与控制策略 2020/11/4 计算机控制技术 62 542 数字 PID控制算法的改进 1. 实际微分 PID控制算法 – 微分的作用 – 理想微分的 PID算法 – 模拟调节器实现的微分作用 – 理想微分作用的实际缺陷 – 实际微分作用 第 5章 数据处理与控制策略 2020/11/4 计算机控制技术 63 • 理想微分 PID与 实际微分 PID – 在单位阶跃输入时 , 它们输出的控制作用 (A) 理想微分 PID 积 分 项 比 例 项 u 0 1 2 3 4 5 6 7 8 kT 微 分 项 比 例 项 u 0 1 2 3 4 5 6 7 8 kT 项 (B) 实际微分 PID 微 积 分 分 项 542 数字 PID控制算法的改进 第 5章 数据处理与控制策略 2020/11/4 计算机控制技术 64 • 理想微分 PID与 实际微分 PID –其区别在于实际微分多了个一阶惯性环节 ，即如图所示 –图中 –因为 u’(t)为理想 PID的输出 ， Gf(s)是一阶惯性环节 理想PID U39。 (s) E(s) Gf(s) U(s) 实际微分 PID控制算法示意框图 11)( sTsG ff542 数字 PID控制算法的改进 第 5章 数据处理与控制策略 2020/11/4 计算机控制技术 65 )/( ff TTTa • 理想微分 PID与 实际微分 PID –故： – 经计算 ， 可得实际微分位置型控制算式 )()()()()(1)()( 39。 039。 tutudttduTdttdeTdtteTteKtufdtic )()1()1()( 39。 kuakauku    )1()()()()( 039。 kekeTTieTTkeKku dkiic542 数字 PID控制算法的改进 第 5章 数据处理与控制策略 2020/11/4 计算机控制技术 66 • 理想微分 PID与 实际微分 PID –实际微分增量型控制算式 • 实际微分的其它形式 – Gf(s)为 一阶超前 /一阶滞后 环节 ,或将 理想微分 作用改为 微分 /一阶惯性 环节 )( )1()1()( 39。 kuakuaku    )1()()()()( 39。 kekeTTkeTTkeKku dic542 数字 PID控制算法的改进 第 5章 数据处理与控制策略 2020/11/4 计算机控制技术 67 2. 微分先行 PID控制算法 （ “ 测量值微分 ” ） 出发点 ： 避免因 给定值变化 给控制系统带来超调量过大 、 调节阀动作剧烈的冲击。 • 特点 ： 只对 测量值 (被控量 )进行微分 , 而不对偏差微分 , 也即对给定值无微分作用。 • 偏差计算 ： – 正作用 – 反作用 )( )()( kr。