计算机控制技术课程辅导教案

计算机控制技术课程辅导教案内容摘要：

电源供电监控功能。 其内部结构见图计算机控制技术课程辅导教案 14。 其中： PBSET： 按键复位输入。 TD： 时间延迟， TD=0V时， t=150ms； TD悬空时， t=600ms； TD=Vcc 时， t=。 TOL：容差输入。 接地时选取 5%容差；接 Vcc 时选取 10%的容差。 RST（高）： 复位输出。 产生复位条件： Vcc 下降低于复位电压阀值时； PBSET 按下； 在最小暂停周期内， ST 未选通； 在加电源期间。 RST（低）： 复位输出。 产生条件同上。 ST： 选通输入， Watchdog 定时器输入。 2. MAX1232 的主要功能 电源监控 电压检测器监控 Vcc，当 Vcc 低于所选择的容限时，输出并保持复位电平。 当 Vcc 恢复到容许极限内，复位信号保持 250ms。 按钮复位输入 PBSET 端手动强制复位输出。 当 PBSET 升高达到大于一定的电压值后，复位输出保持250ms。 监控定时器 微处理器在一定的时间内触发 ST 端。 如果 ST 在一个最小超时间间隔内，没被触发，复位输出至少保持 250ms。 难点解 析： 1. 模拟量输出通道设计 进行通道接口设计时，要搞清数据、地址、控制三总线之间的关系。 本书中，地址用来选择芯片，不同芯片分配不同地址，数据用来传送操作数，同时在 4051 中，数据线则用来完成 8 选 1 功能。 习题辅导： 什么是采样过程、量化、孔径时间。 采用 0832 和 PC总线工业控制接口，请画出接口原理图，并编写 D/A转换程序。 原理图设计参阅教材图。 转换程序设计主要结合 0832 的工作过程，注意硬软件之间的结合，另外，搞清 0832 单缓冲、双缓冲接线的不同； 0832 输出电压也有两种方式 ：单极性，双极性。 计算机控制技术课程辅导教案 15 第 五 周 内容及其辅导 讲授内容 ： 数字程序控制基础 逐点比较法直线插补原理 重点 掌握： 逐点比较法插补原理 内容辅导 ： 数字程序控制基础 什么是数字程序控制。 所谓数字程序控制，就是计算机根据输入的指令和数据，控制生产机械（如各种加工机床）按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的自动控制。 数控系统的组成四大部分：输入装置、输出装置、控制器和插补器。 数字程序控制原理 对图 所示图形，用计 算机在绘图仪或数控机床上重现，以此 说明数字程序控制的基本原理。 1. 曲线分段： 将图中曲线分为三段，分别为 ab、 bc、 cd，然后把 a、 b、 c、 d 四点坐标送给计算机。 分割原则：应保证线段所连的曲线与原图形的误差在允许范围之内。 2. 插补计算： 定义： 给定坐标，求得中间值的数值计算方法称为插补计算。 宗旨：通过给定的基点坐标，以一定的速度连续定出一系列中间点，而这些中间点的坐标值是以一定的精度逼近给定的线段。 插补形式：直线插补、 二次曲线插补两种。 二次曲线有：圆弧、抛物线、双曲线等。 3. 折线逼近： 把插补运算过程中定出的各中间点、以脉冲信号的形式去控制 x、 y 方向上的步进电机，带动绘图笔、刀具等，从而绘出图形或加工所要求的轮廓。 数字程序控制方式 按控制方式分：点位控制、直线切削控制、轮廓切削控制。 点位控制（ Point To PointPTP） 在一个点位控制中，只要求控制刀具行程终点的坐标值，即工件加工点准确定位，至于刀具从一个加工点移到下一个加工点走什么路径、移动的速度、 沿哪个方向逼近都无需规定，并且在移动过程中不做任何加工，只是在准确到达指定位置后才开始加工。 直线切削控制 这种也是控制行程的终点坐标值，不过还要求刀具相对于工件平行某一坐标轴作直线运动，且在运动过程中进行切削加工。 轮廓的切削控制 这类控制的特点是能够控制刀具沿工件轮廓曲线不停地运动，并在运动过程中将工件加工成某一形状。 这种方式借助于插补器进行。 逐点比较法直线插补原理 定义 所谓逐点比较插补，就是刀具或绘图笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，从而决定下一步的进 给方向。 如果原来在给定轨迹的下方，下一步就想轨迹的上方走，如果原来在给定轨迹的里面，下一步就向轨迹的外面走。 这样走一步、比较一次、决定下一步的走向，以便逼近给定轨迹，即形成逐点比较插补。 计算机控制技术课程辅导教案 16 特点 以阶梯折线来逼近直线或圆弧等曲线，它与规定的加工直线或圆弧之间的最大误差为一个脉冲当量。 脉冲当量定义 步进电机每走一步的距离即步长。 类型 逐点比较直线插补、逐点比较圆弧插补。 逐点比较直线插补 1. 第一象限内的直线插补 （ 1）偏差计算公式 根据逐点 比较法插补原理，必须把每一插值点的实际位置与给定轨迹的理想位置间的偏差计算出来，根据偏差的正、负决定下一步的走向，来逼近给定轨迹。 直线插补偏差定义 ： Fm=ymxexmye Fm =0，点 m 在 OA直线段上； Fm0，点 m 在 OA直线段的上方； Fm0，点 m 在 OA直线段的下方。 第一象限逐点比较法直线插补的 原理： 从直线的 起点出发，当 Fm0 时，沿 +x 轴方向走一步；当 Fm0，沿 +y 方向走一步；当两方向所走的步 数与终点坐标相等时，发出终点到信号，停止插补。 偏差计算公式的简化：  当 Fm0 时： Fm+1=Fmye  当 Fm0 时： Fm+1=Fm+xe （ 2）终点判断方法  设置 Nx 和 Ny 两个减法计数器：  用一个终点计数器： （ 3）插补计算过程 四步骤：偏差计算、坐标进给、偏差计算、终点判断。 逐点比较法圆弧插补 1. 第一象线内的圆弧插补 （ 1）偏差计算公式  偏差判别式的定义 Fm=0，表明加工点 m 在圆弧上； Fm 0，表明加工点的圆弧外； Fm0，表明加工点在圆弧内。  第一象限逆圆弧逐点比较插补的原理 从圆弧的起点出发，当 Fm0，下一步向 x 方向进给一步，并计算新的偏差；当 Fm0，下一步向 +y 方向进给，并计算新的偏差。 如此一步计算，一步进给，到达终点后结束。  偏差计算公式的简化 （ 2）终点判断方法 总步数 Nxy： （ 3）插补计算过程 五个步骤：偏差判断、坐标进给、偏差计算、坐标计算、终点判断。 难点解析： 1. 逐点比较法插补原理。 计算机控制技术课程辅导教案 17 要正确掌握插补原理，一要搞清起点与终点之间的位置关系；二要理解偏差的定义。 习题辅导： 若加工第一象限直线 OA，起点 O（ 0， 0），终点 A（ 11， 7）。 要求按逐点比较法 插补进行列表计算；作出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。 参照例 进行计算。 计算机控制技术课程辅导教案 18 第 六 周 内容及其辅导 讲授内容 ： 步进电机控制技术 重点 掌握： 步进电机的工作原理 步进电机的工作方式 步进电机控制接口及输出字表 内容辅导 ： 步进电机控制技术 定义：是一种将电脉冲信号转换为角位移的机电式数摸（ D/A）转换器。 输入：脉冲数 输出：位移 总移动量：由指令脉冲总数决定 移动速率：指令脉冲的频率 步进电机的工作原理 步进电机工作原理分析图：见图 ，其中： 定子：三对磁极，六个齿 转子：四个齿，分别为 0、 3 齿 步进电机的工作原理 步进电机的工作过程： A相通电： A相磁极与 0、 2 号齿对齐； B相通电：由于磁力线作 用， B相磁极与 3 号齿对齐； C相通电：由于磁力线作用， C相磁极与 0、 2 号齿对齐； A相通电：由于磁力线作用， A相磁极与 3 号齿对齐； 结论： 定子按 AB CA相轮流通电，则磁场沿 A、 B、 C方向转动 360角，而转子沿 ABC方向转动了一个齿距的位置。 图中，齿数为 4，齿距角为 90，即转动了 90。 步进电机的步距角 的计算： N：步进电机的拍数，对一相绕组通电的操作称为一拍。 Z：转子的齿数。 则： =360/NZ 步进电机的工作方式 步进电机 的种类 步进电机有三相、四相、五相、六相等。 步进电机的工作方式 单相通电方式、双相通电方式、单相双相交叉通电方式。 选用不同的工作方式可使步进电机具有不同的工作性能：减小步距，提高定位精度、工作稳定性等。 常用形式： 常用三相步进电机，工作于三相三拍（单三拍）、双相三拍（双三拍）、三相六拍工作方式。 1. 步进电机单三拍工作 单三拍工作方式各相通电顺序： AB CA 2. 步进电机双三拍工作 双三拍工作方式各相通电顺序： ABBC CAAB 计算机控制技术课程辅导教案 19 3. 步进电机三相六拍工作 三相六拍工作方式各相通电顺序： AAB BBCC CAA 步进电机控制接口及输出字表 1. 步进电机控制接口 微机同时控制 x 轴、 y 轴两台三相步进电机： 8255A口： PA0 、 PA PA2 分别接 x 轴三相绕组 A、 B、 C； 8255B口： PB0 、 PB PB2 分别接 y 轴三相绕组 A、 B、 C； 控制方式： 输出为“ 1” 时，相应绕组通电； 输出为“ 0” 时，相应绕组不 通电。 控制功能：改变输出脉冲数，控制步进电机的走步数； 改变各相绕组的通电顺序，控制步进电机的转向，正转、反转； 改变输出脉冲的频率，控制步进电机的转速。 2. 步进电机控制的输出字表 转向控制：正序、逆序输出 难点解析： 1. 步进电机的工作原理 了解步进电机的定子和转子的结构，了解 A、 B、 C 三相分别通电时，转子和定子之间所形成的错齿是步进电机走步的真正原因。 习题辅导： 采用 8255 作为 X 轴和 Y 轴步进电机的控制接 口，要求：画出接口电路原理图；分别列出步进电机 在三相单三拍、三相双三拍和三相六拍工作方式下的输出字表。 接口电路原理图参阅图 ，三种方式的输出字表参见书中表 ，注意 X 轴、 Y轴应从不同的8255 口输出来进行控制。 计算机控制技术课程辅导教案 20 第 七 周 内容及其辅导 讲授内容 ： 数字控制器的连续化设计技术 重点 掌握： 数字 PID 控制器的设计 数字控制器的改进 内容辅导 ： 数字控制器的连续化设计步骤 设计问题：根据已知的系统性能指标和 G(s)来设计出数字控制器 D(z)。 设计假想的连续控制器 D(s) 解决方案：自控原理中的连续系统的频域设计法、根轨迹法等。 选择采样周期 T 详见 中数字 PID 控制器的参数整定。 将 D(s)离散化为 D(z) 常见的三种方法： （ 1）双线性变换法 （ 2）前项差分法 （ 3）后项差分法 设计由计算机实现的控制算法 校验 数字 PID 控制器的设计 用计算机实现 PID 控制，即把模拟 PID 控制规律数字化。 模拟 PID 调节器 控制规律： u(t) 传递函数： D(s) 其中： Kp 为比例系数， Ti为积分时间常数， Td为微分时间常数。 比例作用：迅速反应误差，但不能消除稳态误差，过大是引起不稳定； 积分作用：消除静差，但容易引起超调，甚至出现振荡； 微分作用：减小超调，克服振荡，提高稳定性，改善系统的动态特性。 数字 PID 控制器的设计 数字 PID 控制器 数字 PID 控制器：用计算机实现 PID 控制，首先必须用数值逼近的方法实现 PID 控制规律。 数值逼近方法：用求和代替积。