第四章 计算机数字控制系统
- 格式：pptx
- 大小：2.70 MB
- 文档页数：79
下载文档原格式
合集下载
计算机控制系统复习资料(精简版 列出重点知识点)
第一章概论，讲述计算机控制系统的发展过程；计算机控制系统在日常生活和科学研究中的意义；计算机控制系统的组成及工作原理；计算机控制的特点、优点和问题；与模拟控制系统的不同之处；计算机控制系统的设计与实现问题以及计算机控制系统的性能指标。
1.计算机控制系统与连续模拟系统类似，主要的差别是用计算机系统取代了模拟控制器。
2.计算机系统主要包括：．A／D转换器，将连续模拟信号转换为断续的数字二进制信号，送入计算机；．D／A转换器，将计算机产生的数字指令信号转换为连续模拟信号(直流电压)并送给直流电机的放大部件；．数字计算机(包括硬件及相应软件)，实现信号的转换处理以及工作状态的逻辑管理，按给定的算法程序产生相应的控制指令。
3.计算机控制系统的控制过程可以归结为：．实时数据采集，即A/D变换器对反馈信号及指令信号的瞬时值进行检测和输入；．实时决策，即计算机按给定算法，依采集的信息进行控制行为的决策，生成控制指令；．实时控制，即D/A变换器根据决策结果，适时地向被控对象输出控制信号。
4.计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程自动控制的系统。
5.自动控制，是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。
6.计算机控制系统的特性系统规模有大有小系统类型多种多样系统造价有高有低计算机控制系统不断推陈出新7.按功能分类1)数据处理系统2)直接数字控制（DDC）3)监督控制（SCC）4)分散型控制5)现场总线控制系统按控制规律分类1)程序和顺序控制2)比例积分微分控制（PID）3)有限拍控制4)复杂控制5)智能控制按控制方式分类1)开环控制2)闭环控制9.计算机控制系统的结构和组成控制算法软件网络硬件11.硬件平台运算处理与存储部分：CPU，存储器（RAM，ROM，EPROM，FLASH-ROM，EEPROM以及磁盘等），时钟，中断，译码，总线驱动等。
输入输出接口部分：各种信号（模拟量，开关量，脉冲量等）的锁存、转换、滤波，调理和接线，以及串行通讯等。
计算机控制系统常用的控制规律
第四章 计算机控制系统常用的控制规律
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 PID控制 串级控制 前馈控制 史密斯（Smith）预估控制 比值控制 模糊控制
PID控制
4.1 PID调节器的控制作用 4.2 PID控制器的离散化 4.3 数字PID调节中的几个实际问题 4.4 数字PID控制算法的改进 4.5 数字PID控制器参数的整定
4.1 PID调节器的控制作用
1. PID调节器的优点： 为什么要用数字模拟PID
技术成熟 易被人们熟悉和掌握 不需要建立数学模型 控制效果好
4.1.1 比例（P）调节器 1. 比例（P）调节规律 比例（P）调节器的微分方程： y(t) = Kpe(t)
பைடு நூலகம்
(8-1)
其中： y——调节器输出 Kp——比例系数 e(t)——调节器输入，为偏差值，e(t)=r(t)-m(t)。其中，r(t)为给定值， m(t)为被测参数测量值。 2. 比例（P）调节的作用 调节器的输出与输入偏差成正比。因此，只要偏差出现，就能及时地产生 与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点。
第一节 PID控制
PID控制方式：采用比例、积分、微分的控制方式。 P I D 1. 模拟PID控制算法：用于模拟控制系统 模拟系统过程控制：被测参数（模拟量：温度、压力、流量）由传感器 变换成统一的标准信号后输入调节器。在调节器中与给定值进行比较， 再把比较后的差值经PID运算后送到执行机构，改变进给量，以达到自动 调节的目的。 2. 数字PID控制算法：用于数字控制系统 数字系统过程控制：先把过程参数进行采样，并通过模拟量输入通道将 模拟量变成数字量，这些数字量通过计算机按一定控制算法进行运算处 理，运算结果经D/A转换成模拟量后，由模拟量输出通道输出，并通过 执行机构去控制生产，以达到给定值。
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 PID控制 串级控制 前馈控制 史密斯（Smith）预估控制 比值控制 模糊控制
PID控制
4.1 PID调节器的控制作用 4.2 PID控制器的离散化 4.3 数字PID调节中的几个实际问题 4.4 数字PID控制算法的改进 4.5 数字PID控制器参数的整定
4.1 PID调节器的控制作用
1. PID调节器的优点： 为什么要用数字模拟PID
技术成熟 易被人们熟悉和掌握 不需要建立数学模型 控制效果好
4.1.1 比例（P）调节器 1. 比例（P）调节规律 比例（P）调节器的微分方程： y(t) = Kpe(t)
பைடு நூலகம்
(8-1)
其中： y——调节器输出 Kp——比例系数 e(t)——调节器输入，为偏差值，e(t)=r(t)-m(t)。其中，r(t)为给定值， m(t)为被测参数测量值。 2. 比例（P）调节的作用 调节器的输出与输入偏差成正比。因此，只要偏差出现，就能及时地产生 与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点。
第一节 PID控制
PID控制方式：采用比例、积分、微分的控制方式。 P I D 1. 模拟PID控制算法：用于模拟控制系统 模拟系统过程控制：被测参数（模拟量：温度、压力、流量）由传感器 变换成统一的标准信号后输入调节器。在调节器中与给定值进行比较， 再把比较后的差值经PID运算后送到执行机构，改变进给量，以达到自动 调节的目的。 2. 数字PID控制算法：用于数字控制系统 数字系统过程控制：先把过程参数进行采样，并通过模拟量输入通道将 模拟量变成数字量，这些数字量通过计算机按一定控制算法进行运算处 理，运算结果经D/A转换成模拟量后，由模拟量输出通道输出，并通过 执行机构去控制生产，以达到给定值。
计算机控制系统(复习大纲)
OK1.计算机控制系统定义、硬件组成、各部分作用、分类及英文简称。
定义：计算机控制系统又称数字控制系统是计算机参与控制的自动控制系统，即用计算机代替模拟控制装置，对被控制对象进行调解和控制。
硬件组成：主机，输入输出通道、外部设备。
作用：略。
分类及英文简称：直接控制系统（DDC）、监督计算机控制（SCC）、分布式控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FCS）、操作指导系统。
2.画出计算机控制系统的典型结构图并说明工作过程。
P12(图1-9)。
工作过程：检测装置检测当前被控量，计算机启动A/D转换，读转换结果并与给定值比较获得偏差，通过控制量，D/A转换后给执行机构，不断反馈，达到控制被控量的目的。
3.简述计算机控制系统控制过程的三个步骤。
1.实时数据采集对被控量进行采样测量形成反馈信号。
2.实时控制计算根据反馈信号和给定信号按一定的控制规律计算出控制量。
3.实时控制输出向向执行机构发出控制信号实施控制作用。
4.实时、在线方式和离线方式的含义。
1.实时：是指在规定的时间内完成规定的任务。
2.在线方式：是指控制器在控制系统中直接参与控制或交换信息。
3.离线方式：指控制器在控制系统中不直接参与控制或交换信息，而是通过其他媒介传递信息。
5.什么是采样？将模拟信号转换为数字信号的过程称为采样。
6.简述香农(Shannon)采样定理与采样周期的选择。
1.定义：为了不失真的恢复模拟信号，采样频率不小于模拟信号频谱中最高频率的2倍。
实际应用中，所采取的采样频率往往比2fmax大，通常取f=(5-10)fmax.2.采样周期越小，对系统的控制就越及时，对控制系统的动态性能就越有利，但若选得过小，会增加计算机的计算量，使计算机在规定时间内无法完成计算，不能满足系统实时性的要求，采样周期过大会导致采样与控制的不及时，影响系统的动态品质，甚至导致系统不稳定。
7.数字控制器的设计方法有哪两种？模拟化设计。
离散化设计。
8.数字PID算法是采用哪种方法实现的？模拟化设计。
数字控制系统的设计与实现教学课件
03
数字控制系统实现技术
嵌入式系统实现技术
嵌入式系统定义
嵌入式系统开发流程
嵌入式系统是一种专用的计算机系统 ，主要用于控制、监视或帮助操作机 器设备。
包括需求分析、硬件设计、软件设计 、系统集成和测试等阶段。
嵌入式系统特点
嵌入式系统具有实时性、可靠性和低 功耗等特点，广泛应用于工业控制、 智能家居、医疗设备等领域。
云计算实现技术
01
云计算定义
云计算是一种基于互联网的计算方式，通过虚拟化技术将计算资源（如
服务器、存储设备和应用程序）以服务的形式提计算具有弹性可扩展、高可用性、安全可靠和按需付费等特点，能够
降低企业的IT成本和复杂性。
03
云计算应用场景
云计算广泛应用于企业信息化、大数据处理、物联网等领域，为企业提
供灵活、高效和可靠的计算服务。
04
数字控制系统应用案例
工业自动化控制应用案例
总结词
工业自动化控制是数字控制系统的重要应用领域，通过数字 控制技术实现生产过程的自动化和智能化，提高生产效率和 产品质量。
详细描述
工业自动化控制应用案例包括自动化生产线控制、智能制造 系统、工业物联网等。这些应用通过数字控制技术实现对生 产设备的精确控制和实时监测，提高生产效率、减少人工干 预和误差，为企业创造更大的经济效益。
和灵活性。
THANK YOU
感谢聆听
5G通信技术在数字控制系统中的应用
5G通信技术将促进数字控制系 统在智能交通、智能电网、智 能城市等领域的应用，提升系 统的可靠性和安全性。
5G通信技术为数字控制系统提 供了高带宽、低延迟和大规模 连接的能力，支持远程控制和 实时数据传输。
5G通信技术将为数字控制系统 带来更多的可能性，如物联网 设备的集成和控制，实现更广 泛的智能化。
数控技术第4章计算机数控系统(1)
位臵控制模块
6、可编程控制器（PLC） 代替传统机床的继电器逻辑控制来实现各种开关 量的控制。 分为两类： 一类是“内装型”PLC，为实现机床的顺序控制 而专门设计制造的。 另一类是“独立型”PLC，它是在技术规范、功 能和参数上均可满足数控机床要求的独立部件。
三、多CPU结构 适合多轴控制、高进给速度、高精度的机床。 紧藕合：相同的操作系统 松藕合：多重操作系统
控制各类轴运动的功能，用能控制的轴数和能同时控制 的轴数来衡量。
准备功能：G指令功能，指定机床的运动方式。 插补功能：包括软件粗插补和硬件精插补。 进给功能：F指令功能。
切削进给速度(mm/min) 同步进给速度(mm/r) 快速进给速度 进给倍率
主轴功能: 指令主轴转速 S指令功能，指定主轴转速(r/min, mm/min)。 转速编码，恒切削速度切削，主轴定向准停 辅助功能： M指令功能，指定主轴的起停转向（M03、M04）、冷却 泵的通和断、刀库的起停等。 刀具功能：T指令，选择刀具。 字符和图形显示功能： 显示程序、参数、补偿量，坐标位臵、故障信息等。 自诊断功能： 故障的诊断，查明故障类型及部位。
4、进给速度处理 编程指令给出的刀具移动速度是在各坐标合成方 向上的速度，进给速度处 理要根据合成速度计算 出各坐标方向的分速度。 此外，还要对机床允许的最低速度和最高速度的 限制进行判别处理，以及用软件对进给速度进行 自动加减速处理。
5、插补计算 插补就是通过插补程序在一条已知曲线的起点和 终点之间进行“数据点的密化”工作。
三. CNC系统的工作过程
基本过程： CNC装臵的工作过程是在硬件的支持下，执行软 件的过程。 通过输入设备输入机床加工零件所需的各种数据 信息，经过译码和运算处理（包括刀补、进给速 度处理、插补），将每个坐标轴的移动分量送到 其相应的驱动电路，经过转换、放大，驱动伺服 电动机，带动坐标轴运动，同时进行实时位臵反 馈控制，使每个坐标轴都能精确移动到指令所要 求的位臵。
数字控制系统
数字控制系统近年来，随着计算机科学与技术的不断发展，工程实际中越来越广泛地采用以数字计算机为控制器的控制系统，这类控制系统称为数字控制系统。
因为它包含了数字计算机，故也称为计算机控制系统。
显见，这类控制系统包括工作于离散状态的数字计算机和工作于连续状态的被控对象两大部分。
由于数字计算机只能处理二进制编码的数字信号，因此其输人情号和输出信号均为数字序列。
数字控制系统中，使用模数转换器(A／D)将模拟信号转换为数字信号，使用数模转换器(D／A)将数字信号转换为模拟信号。
图7．3为数字控制系统的典型原理图。
图中，被控对象工作在连续时间状态，输入信号f(6)1误差信号e(c) 以及被控对象的输出c(6)均为连续时间信号。
A／D转换器是将连续信导变换ATMEL为离散数字信号的装置。
它通常按照采样／保持、量化及编码等的顺序完成3种转换。
A／D转换器可以等效成团7．4，其中的采样／保持部分对连续信号‘(‘)(见图7．5(a)，并假设‘(2)＝o，‘＜o)按照一定的时间间隔丁(采样周朗)进行采样，并保持时间r，从而得到时间上离散，幅值上连续的脉冲序列。
由于?很小，因而可近似认为该信号是采样时TI代理刻输人信号值的方波序列信号‘·(c)(见图7．5(b))*量化是指幅值量化，也就是格信号e‘(‘)的幅值按照最小量化单位取整。
设最小量化单位为g，它足够小，以至于由此引起的量化误差可以忽赂，则量化后的信号可表示为e。
(c)，见团7．5(c)。
编码指将信号6J(j)变换为二进制数字码形式5。
(2)，见图7．5(d)。
D／A转换器将数字信号转换为相应的时间连续的模拟信号。
通常将D／A转换器看做是解码器与保持器的组合(见图7．6)。
图中，解码部分特数字信号(见图7．7(a))转换为幅但等于该数字量的模拟钽电容脉冲信号(见图7．7(b))；保持部分将解码后的模拟脉冲信号保持规定的时间，从而使时间上离散的信号变成为时间上连续的信号(见图7．7(c))。
数字控制器的连续化设计方法
第四章数字控制器的连续化设计方法模拟控制系统的控制过程是通过传感器把被测的各个模拟参量，比如温度、流量、压力、液位、成份等，变换成电信号（电流、电压），再送给模拟调节器。
在调节器中，被测模拟参量转换成的电信号与设定值进行比较后，经过PID控制器送到执行机构，改变进给量，达到自动调节的目的。
系统的控制器是连续模拟环节，也称为模拟调节器。
而在数字控制系统中，用数字控制器来代替模拟调节器。
传感器输出的电信号通过A/D转换器转换成数字信号，送给数字控制器。
控制器按照一定的控制算法进行运算处理后，输出控制量，再经过D/A转换成模拟量，通过执行机构去控制生产过程，使控制参数达到给定值。
在计算机控制系统中，用计算机来控制和调节被控对象，实现数字控制器的功能。
计算机控制系统的设计，是指在给定系统性能指标的条件下，设计出控制器的控制规律和相应的控制算法，并通过控制程序加以实现，对硬件电路、外围设备、执行机构等进行控制，实现控制功能。
为什么要用计算机实现数字控制器的功能？主要是因为它有以下优点：（1）可以分时控制，实现多回路控制计算机的运行速度比较快，而被控对象变化一般都比较缓慢，因此用一台计算机可以控制多个外围设备。
计算机采用分时控制，轮流为每个外围设备服务，既提高了控制系统的速度，又大大节省了硬件开销。
（2）控制算法灵活，功能强大，能实现复杂的控制规律使用计算机，通过控制程序实现控制算法，可根据实际需要调节控制参数，不需要修改硬件就可改变控制方案，因此非常灵活。
此外计算机不仅可以实现数字PID控制，而且还可以应用直接数字控制、模糊控制、自适应控制等各种控制方法。
计算机控制系统中，计算机不仅要完成控制任务，还可实现监控、数据采集、显示、报警等各种功能，因此控制系统的功能非常强大，可以节约人力、物力。
（3）系统的可靠性高，稳定性好用应用软件实现数字控制器的功能，比用硬件组成的调节器具有更高的可靠性和稳定性，而且容易调试，维修方便。
数字控制系统(科技术语)
2.实时控制。计算机控制系统是通过软件程序来实现系统控制的，并不断地对系统进行校正以达到所需的动 态特性。
3.复杂计算。计算机具有快速实现复杂计算的功能，因而可以实现系统的最优控制、自适应控制等高级控制 功能和多功能计算调节。
控制过程
控制过程
数字控制系统的控制过程可分为三部： 1.实时采集数据。对被控对象的被控参数进行实时检测，同时传送给计算机进行处理。 2.实时决策。对采集到的被控参数的状态量进行分析，并按照某种控制算法计算出控制量，决定下一步的控 制过程。 3.实时控制。根据决策实时地向执行器发出控制信号。 “实时”是指信号的输入、计算、输出都要在采样间隔内完成。计算机控制系统的这种控制作用不断地重复， 使得整个系统能够按照一定的动态品质指标进行工作，并且使整个控制系统达到所需要的性能指标；同时对被控 参数和设备本身所出现的异常状态能够进行监测和处理。
数字控制系统由计算机、外部设备、操作台、输入通道、输出通道、检测装置、执行机构、被控对象以及相 应软件组成。
1.计算机
计算机是数字控制系统的核心，通过接口可以向系统的各个部分发出各种控制指令，同时对被控对象的被控 参数进行实时检测和处理。其功能是完成程序存储、数值计算、逻辑判断、数据处理。
2.过程输入、输出通道
数字控制系统（科技术语）
科技术语
01 简介
03 组成 05 控制过程
目录
02 发展 04 主要作用 06 设计
基本信息
早期的数控系统是由硬件电路构成的称为硬件数控（Hard NC），1970年代以后，硬件电路元件逐步由专用 的计算机代替而称为计算机数控系统，一般是采用专用计算机并配有接口电路，可实现多台数控设备动作的控制。 因此现在的数控一般都是CNC（计算机数控），很少再用NC这个概念了。
3.复杂计算。计算机具有快速实现复杂计算的功能，因而可以实现系统的最优控制、自适应控制等高级控制 功能和多功能计算调节。
控制过程
控制过程
数字控制系统的控制过程可分为三部： 1.实时采集数据。对被控对象的被控参数进行实时检测，同时传送给计算机进行处理。 2.实时决策。对采集到的被控参数的状态量进行分析，并按照某种控制算法计算出控制量，决定下一步的控 制过程。 3.实时控制。根据决策实时地向执行器发出控制信号。 “实时”是指信号的输入、计算、输出都要在采样间隔内完成。计算机控制系统的这种控制作用不断地重复， 使得整个系统能够按照一定的动态品质指标进行工作，并且使整个控制系统达到所需要的性能指标；同时对被控 参数和设备本身所出现的异常状态能够进行监测和处理。
数字控制系统由计算机、外部设备、操作台、输入通道、输出通道、检测装置、执行机构、被控对象以及相 应软件组成。
1.计算机
计算机是数字控制系统的核心，通过接口可以向系统的各个部分发出各种控制指令，同时对被控对象的被控 参数进行实时检测和处理。其功能是完成程序存储、数值计算、逻辑判断、数据处理。
2.过程输入、输出通道
数字控制系统（科技术语）
科技术语
01 简介
03 组成 05 控制过程
目录
02 发展 04 主要作用 06 设计
基本信息
早期的数控系统是由硬件电路构成的称为硬件数控（Hard NC），1970年代以后，硬件电路元件逐步由专用 的计算机代替而称为计算机数控系统，一般是采用专用计算机并配有接口电路，可实现多台数控设备动作的控制。 因此现在的数控一般都是CNC（计算机数控），很少再用NC这个概念了。
第四章 计算机控制系统常用的控制规律
所以， Ti也要根据对象选择。 注意：加入积分控制时，比例控制量要适当降低，为
积分控制量腾出作用空间 。
PI控制器可清除系统静差
3、比例、积分、微分（PID）控制器
➢ PI控制器虽然可以消除静差，但它是以降低响应速度为代 价的，而且Ti越大，代价越高。
➢ 在实际控制系统中，人们不但要求静差可以为0，而且还要 求有尽可能快地实现抑制静差出现的能力，或者说希望超前消 除静差。即在静差刚出现还没有发生作用，就立即消除。
当主要干扰无法用串级控制使其包围在副回路内时，采用前 馈控制将会比串级控制获得更好的效果。
➢微分先行PID控制算法 结构框图为：
控制算式为：
U(s)Kp1T1isE(s)
u(k） Kp（ e k） e(k1)KpTTis（ e k）-KTpTd c(k)2c(k1)c(k2) -KpTd c(k)c(k1)
Ti
四、数字PID控制器参数的整定 ● 采样周期的选择
► 对于响应快、波动大、容易受干扰影响的过程，应该选取 较短的采样周期；反之，则长一些。
➢前馈控制算法
实现完全补偿的前馈控制为：GM
(s)
GD (s) G(s)
若: 前馈控制器为:
G D (s)1 K T 11se 1s
, G (s)K 2 e 2s 1T 2s
G M ( s ) M V ( ( s s ) ) G G D ( ( s s ) ) K K 1 2 ( ( 1 1 T T 2 1 s s ) ) e ( 1 2 ) s K m 1 1 T T 1 2 s s e fs
位置式PID的输出不仅与本次偏 差有关，而且与历次测量偏差有 关，计算时要对误差累加，计算 机运算工作量大。
● 增量式PID控制算式
积分控制量腾出作用空间 。
PI控制器可清除系统静差
3、比例、积分、微分（PID）控制器
➢ PI控制器虽然可以消除静差，但它是以降低响应速度为代 价的，而且Ti越大，代价越高。
➢ 在实际控制系统中，人们不但要求静差可以为0，而且还要 求有尽可能快地实现抑制静差出现的能力，或者说希望超前消 除静差。即在静差刚出现还没有发生作用，就立即消除。
当主要干扰无法用串级控制使其包围在副回路内时，采用前 馈控制将会比串级控制获得更好的效果。
➢微分先行PID控制算法 结构框图为：
控制算式为：
U(s)Kp1T1isE(s)
u(k） Kp（ e k） e(k1)KpTTis（ e k）-KTpTd c(k)2c(k1)c(k2) -KpTd c(k)c(k1)
Ti
四、数字PID控制器参数的整定 ● 采样周期的选择
► 对于响应快、波动大、容易受干扰影响的过程，应该选取 较短的采样周期；反之，则长一些。
➢前馈控制算法
实现完全补偿的前馈控制为：GM
(s)
GD (s) G(s)
若: 前馈控制器为:
G D (s)1 K T 11se 1s
, G (s)K 2 e 2s 1T 2s
G M ( s ) M V ( ( s s ) ) G G D ( ( s s ) ) K K 1 2 ( ( 1 1 T T 2 1 s s ) ) e ( 1 2 ) s K m 1 1 T T 1 2 s s e fs
位置式PID的输出不仅与本次偏 差有关，而且与历次测量偏差有 关，计算时要对误差累加，计算 机运算工作量大。
● 增量式PID控制算式
第四章 计算机数字控制系统
输入/输出设备（I/O） 中央处理单元 （CPU） 总线（BUS） 存储器（ROM、RAM）
I/O接口
CNC装臵是按模块化设计的方法构造. 模块化设计方法：将控制系统按功能划分成若干种具有 独立功能的单元模块 , 并配上相应的驱动软件。系统设 计时按功能的要求选择不同的功能模块，并将其插入控 制单元母板上，即可组成一个完整的控制系统的方法。 实现CNC系统模块化设计的条件是总线(BUS)标准化。 采用模块化结构时，CNC系统设计工作则CNC)的组成
按美国电子工程协会（EIA）数控标准化委员会的定义， CNC（Computerized Numerical Control）系统是： 用计算机通过执行其存储器内的程序来完成数控要求的部分或 全部功能，并配有接口电路、伺服驱动的一种专用计算机系统。 CNC系统根据输入的程序或指令，由计算机进行插补运 算，形成理想的运动轨迹，插补计算出的位臵数据输 出到伺服单元，控制电机带动执行机构，加工出所需 零件。 CNC系统中的计算机主要用来进行数值和逻辑运算， 对机床进行实时控制，只要改变计算机中的控制软件 就能实现一种新的控制方式。
第四章 计算机数字控制系统
第四章 计算机数字控制系统
提 要
本章主要介绍计算机数控系统的组成 和工作过程；数控系统的硬件结构和 数据转换流程；数控系统的特点和主 要功能；数控插补原理和数控系统的 刀具补偿原理。 学时:4学时,实验4学时。
第四章 计算机数字控制系统
了解和掌握计算机数控系统的组成和工作过程。
人机对话功能：加工的动、静态跟踪显示，高 级人机对话窗口 编程功能：G代码、部分自动编程功能。
第一节 计算机数字控制系统(CNC)的组成
⒊ 可靠性高
CNC装臵采用集成度高的电子元件、芯片。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
6
4.1.2 CNC系统的组成
西门子数控系统
7
4.1.3 CNC装置的工作过程
输入
译码
刀补
速度处理
插补
诊断
显示
I/O处理
位置控制
8
4.1.3 CNC装置的工作过程
输入
译码
刀补
速度处理
插补
诊断
显示
I/O处理
位置控制
输入零件程序、控制参数和补偿量等数据。 输入的形式有键盘输入、磁盘输入、DNC接口输
入、网络输入。 有MDI（Manual Direct Input，手工直接输
入）和存储工作方式输入工作方式。
9
4.1.3 CNC装置的工作过程
输入 诊断
译码 显示
刀补
速度处理
插补
I/O处理
位置控制
以一个程序段为单位，把零件轮廓信息（如起点、 终点、直线或圆弧等）、加工速度信息（F代码）和 其他辅助信息（M、S、T代码等）按照一定的语法 规则解释成计算机能够识别的数据形式，并以一定 的数据格式存放在指定的内存专用单元。
I/O处理主要处理CNC装置面板开关信号、机床 电气信号的输入、输出和控制（如换刀、换挡、冷 却等）。
15
4.1.3 CNC装置的工作过程
输入
译码
刀补
速度处理
插补
诊断
显示
I/O处理
位置控制
零件程序 参数 刀具位置 机床状态 加工轨迹
16
4.1.3 CNC装置的工作过程
输入
译码
刀补
速度处理
装置资源，它只能接受主CPU的控制命令或数据或 向主CPU发出请求信息以获得所需的数据。
只有一个CPU处于主导地位，其它CPU处于 从属地位。
21
4.2 CNC装置的硬件结构
多主结构 在该装置中有两个或两个以上带CPU的功能
部件对装置资源有控制权和使用权。功能部件之间 采用紧耦合（即均挂靠在装置总线上，集中在一个 机箱内），有集中的操纵系统，通过总线仲裁器 （软件和硬件）来解决争用总线的问题．通过公共 存储器来交换装置内的信息。
41
4.3 CNC装置的软件结构
4.3.1 CNC系统软件的组成
42
4.3 CNC装置的软件结构
4.3.2 CNC系统软件的特点 特点1：多任务性与并行处理 多任务性：显示、译码、刀补、速度处理、插
补处理、位置控制……
43
4.3 CNC装置的软件结构
4.3.2 CNC系统软件的特点 特点1：多任务性与并行处理 并行处理：同一时间间隔或同一时刻完成两个
或两个以上的任务处理
44
4.3 CNC装置的软件结构
4.3.2 CNC系统软件的特点
特点1：多任务性与并行处理 多任务性：显示、译码、刀补、速度处理、插
补处理、位置控制…… 并行处理：同一时间间隔或同一时刻完成两个
或两个以上的任务处理 并行处理的实现方式：
• 资源分时共享（单CPU） • 资源重叠流水处理（多CPU）
开放式数控结构目前主要有： PC嵌入NC式结构 NC嵌入PC式结构 软件型开放式结构
38
4.2.5 开放式数控装置的体系结构
1. “PC嵌入NC”式结构系统
在CNC上插入一块专门开发的个人计算机模板， 原来的CNC进行实时控制，而由PC进行非实时性控 制。
尽管“PC嵌入NC”式结构系统也具有一定的 开放性，但由于它的NC部分仍然是传统的数控系 统，其体系结构还是不够开放的。
49
4.3 CNC装置的软件结构
外部中断主要外部监控中断和键盘操作面板输 入中断。 内部定时中断主要有插补周期定时中断和位置 采样中断。 硬件故障中断是指各种硬件故障检测装置发出 的中断，如存储器出错、定时器出错、插补运算 超时等。 程序性中断是程序中出现的各种异常情况的报 警中断，如各种溢出、清零等。
位置控制部分 位置控制部分包括位置控制单元和速度控制单
元。位置控制单元接收经插补运算得到的每一个坐 标轴在单位时间间隔内的位移量，控制伺服电动机 工作，并根据接收到的实际位置反馈信号，修正位 置指令，实现机床运动的准确控制。同时产生速度 指令送往速度控制单元，速度控制单元将速度指令 与速度反馈信号相比较，修正速度指令，用其差值 去控制伺服电动机以恒定速度运转。
10
4码 显示
刀补
速度处理
插补
I/O处理
位置控制
刀具补偿作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心 轨迹。
包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。
11
4.1.3 CNC装置的工作过程
输入
译码
刀补
速度处理
插补
诊断
显示
I/O处理
位置控制
编程所给的刀具移动速度，是在各坐标的合成 方向上的速度。速度处理首先要做的工作是根据合 成速度来计算各运动坐标的分速度。
4.2.1数控系统硬件综述
CNC装置的硬件构成
18
4.2 CNC装置的硬件结构
4.2.2 CNC装置的体系结构
CNC装置
单微处理器结构 多微处理器结构
主从结构 多主结构 分布式结构
19
4.2 CNC装置的硬件结构
单微处理器结构： 早期的CNC装置多为单微处理器结构，由一
个CPU集中控制和管理整个系统资源、处理装置 内的所有信息，通过集中控制、分时处理的方式来 实现各种数控功能。
插补
诊断
显示
I/O处理
位置控制
包括联机诊断和脱机诊断。 联机诊断是指CNC装置中的自诊断程序。 脱机诊断是指系统运转条件下的诊断，一般CNC 装置配备有各种脱机诊断程序以检查存储器、外围 设备（CRT）、I/O接口等。脱机诊断还可以采用远 程通信方式进行，即所谓的远程诊断，
17
4.2 CNC装置的硬件结构
总线式多主微处理器结构
34
4.2.4 多微处理器数控装置的硬件结构
二、共享存储器结构
采用多端口存储器来实现各CPU之间的互联和 通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线， 以供端口访问，由专门的多端口控制逻辑电路解决 访问的冲突。
由于同一时刻只能有一个微处理器对多端口存 储器读/写，所以功能复杂。当要求微处理器数量 增多时，会因争用共享存储器而造成信息传输的阻 塞，降低系统效率，因此扩展功能很困难。
在有些CNC装置中，对于机床允许的最低速度和 最高速度的限制、软件的自动加减速等也在这里处 理。
12
4.1.3 CNC装置的工作过程
输入 诊断
译码 显示
刀补
速度处理
插补
I/O处理
位置控制
插补的任务是在一条给定起点和终点的曲线上 进行“数据点的密化”。
13
4.1.3 CNC装置的工作过程
输入
译码
刀补
4.2.3 单微处理器数控装置的硬件结构
单微处理器的结构特点是在CNC装置中只有一只 微处理器（CPU），其工作方式是集中控制、分时处 理数控系统的各项任务。
可划分为计算机部分、位置控制部分、数据输 入/输出接口及外围设备。
25
4.2.3 单微处理器数控装置的硬件结构
计算机部分 微处理器CPU是CNC装置的核心，CPU执行系统程
需要总线仲裁
31
4.2.4 多微处理器数控装置的硬件结构
一、共享总线结构 1、分布式总线结构
分布式多微处理器结构
32
4.2.4 多微处理器数控装置的硬件结构
一、共享总线结构 2、主从式总线结构
主从式总线多微处理器结构 33
4.2.4 多微处理器数控装置的硬件结构
一、共享总线结构 3、总线式多主结构
39
4.2.5 开放式数控装置的体系结构
2. “NC嵌入PC”式结构
40
4.2.5 开放式数控装置的体系结构
3. 软件型开放式结构
是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给 用户最大的选择和灵活性，它的CNC软件全部装在计 算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部 I/O之间的标准化通用接口。用户可以在WINDOWS平台 上，利用开放的CNC内核，开发所需的各种功能，构 成各种类型的高性能数控系统。具有最高的性能价格 比，因而最有生命力。其典型产品有美国MDSI公司的 OpenCNC、德国PowerAutomation公司的PA8000NT等。
第四章 计算机数字控制系统
4.1 概述 4.2 数控系统的硬件结构 4.3 数控系统的软件结构 4.4 数控系统的常用接口 4.5 可编程控制器在数控机床中的应用
1
4.1.1 数控系统的定义
数控系统（NC）: 是一种控制系统，它自动阅 读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而 使机床移动和加工零件。
多微处理器结构的CNC装置中有两个或两个以 上的微处理器。
多微处理器结构的CNC装置多为模块化结构， 通常采用共享总线和共享存储器两种典型结构实 现模块间的互联与通信。
29
4.2.4 多微处理器数控装置的硬件结构
多微处理器CNC的组成框图
30
4.2.4 多微处理器数控装置的硬件结构
一、共享总线结构
速度处理
插补
诊断
显示
I/O处理
位置控制
在每个采样周期内，将理论位置与实际反馈位 置相比较，用其差值去控制伺服电机。
通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方 向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的 定位精度。
14
4.1.3 CNC装置的工作过程
输入 诊断
译码 显示
刀补
速度处理
插补
I/O处理
位置控制
序，首先读取工件加工程序，对加工程序段进行译 码和数据处理，然后根据处理后得到的指令，进行 对该加工程序段的实时插补和机床位置伺服控制； 它还将辅助动作指令通过可编程控制器（PLC）送 到机床，同时接收由PLC返回的机床各部分信息并 予以处理，以决定下一步的操作。
4.1.2 CNC系统的组成
西门子数控系统
7
4.1.3 CNC装置的工作过程
输入
译码
刀补
速度处理
插补
诊断
显示
I/O处理
位置控制
8
4.1.3 CNC装置的工作过程
输入
译码
刀补
速度处理
插补
诊断
显示
I/O处理
位置控制
输入零件程序、控制参数和补偿量等数据。 输入的形式有键盘输入、磁盘输入、DNC接口输
入、网络输入。 有MDI（Manual Direct Input，手工直接输
入）和存储工作方式输入工作方式。
9
4.1.3 CNC装置的工作过程
输入 诊断
译码 显示
刀补
速度处理
插补
I/O处理
位置控制
以一个程序段为单位，把零件轮廓信息（如起点、 终点、直线或圆弧等）、加工速度信息（F代码）和 其他辅助信息（M、S、T代码等）按照一定的语法 规则解释成计算机能够识别的数据形式，并以一定 的数据格式存放在指定的内存专用单元。
I/O处理主要处理CNC装置面板开关信号、机床 电气信号的输入、输出和控制（如换刀、换挡、冷 却等）。
15
4.1.3 CNC装置的工作过程
输入
译码
刀补
速度处理
插补
诊断
显示
I/O处理
位置控制
零件程序 参数 刀具位置 机床状态 加工轨迹
16
4.1.3 CNC装置的工作过程
输入
译码
刀补
速度处理
装置资源，它只能接受主CPU的控制命令或数据或 向主CPU发出请求信息以获得所需的数据。
只有一个CPU处于主导地位，其它CPU处于 从属地位。
21
4.2 CNC装置的硬件结构
多主结构 在该装置中有两个或两个以上带CPU的功能
部件对装置资源有控制权和使用权。功能部件之间 采用紧耦合（即均挂靠在装置总线上，集中在一个 机箱内），有集中的操纵系统，通过总线仲裁器 （软件和硬件）来解决争用总线的问题．通过公共 存储器来交换装置内的信息。
41
4.3 CNC装置的软件结构
4.3.1 CNC系统软件的组成
42
4.3 CNC装置的软件结构
4.3.2 CNC系统软件的特点 特点1：多任务性与并行处理 多任务性：显示、译码、刀补、速度处理、插
补处理、位置控制……
43
4.3 CNC装置的软件结构
4.3.2 CNC系统软件的特点 特点1：多任务性与并行处理 并行处理：同一时间间隔或同一时刻完成两个
或两个以上的任务处理
44
4.3 CNC装置的软件结构
4.3.2 CNC系统软件的特点
特点1：多任务性与并行处理 多任务性：显示、译码、刀补、速度处理、插
补处理、位置控制…… 并行处理：同一时间间隔或同一时刻完成两个
或两个以上的任务处理 并行处理的实现方式：
• 资源分时共享（单CPU） • 资源重叠流水处理（多CPU）
开放式数控结构目前主要有： PC嵌入NC式结构 NC嵌入PC式结构 软件型开放式结构
38
4.2.5 开放式数控装置的体系结构
1. “PC嵌入NC”式结构系统
在CNC上插入一块专门开发的个人计算机模板， 原来的CNC进行实时控制，而由PC进行非实时性控 制。
尽管“PC嵌入NC”式结构系统也具有一定的 开放性，但由于它的NC部分仍然是传统的数控系 统，其体系结构还是不够开放的。
49
4.3 CNC装置的软件结构
外部中断主要外部监控中断和键盘操作面板输 入中断。 内部定时中断主要有插补周期定时中断和位置 采样中断。 硬件故障中断是指各种硬件故障检测装置发出 的中断，如存储器出错、定时器出错、插补运算 超时等。 程序性中断是程序中出现的各种异常情况的报 警中断，如各种溢出、清零等。
位置控制部分 位置控制部分包括位置控制单元和速度控制单
元。位置控制单元接收经插补运算得到的每一个坐 标轴在单位时间间隔内的位移量，控制伺服电动机 工作，并根据接收到的实际位置反馈信号，修正位 置指令，实现机床运动的准确控制。同时产生速度 指令送往速度控制单元，速度控制单元将速度指令 与速度反馈信号相比较，修正速度指令，用其差值 去控制伺服电动机以恒定速度运转。
10
4码 显示
刀补
速度处理
插补
I/O处理
位置控制
刀具补偿作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心 轨迹。
包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。
11
4.1.3 CNC装置的工作过程
输入
译码
刀补
速度处理
插补
诊断
显示
I/O处理
位置控制
编程所给的刀具移动速度，是在各坐标的合成 方向上的速度。速度处理首先要做的工作是根据合 成速度来计算各运动坐标的分速度。
4.2.1数控系统硬件综述
CNC装置的硬件构成
18
4.2 CNC装置的硬件结构
4.2.2 CNC装置的体系结构
CNC装置
单微处理器结构 多微处理器结构
主从结构 多主结构 分布式结构
19
4.2 CNC装置的硬件结构
单微处理器结构： 早期的CNC装置多为单微处理器结构，由一
个CPU集中控制和管理整个系统资源、处理装置 内的所有信息，通过集中控制、分时处理的方式来 实现各种数控功能。
插补
诊断
显示
I/O处理
位置控制
包括联机诊断和脱机诊断。 联机诊断是指CNC装置中的自诊断程序。 脱机诊断是指系统运转条件下的诊断，一般CNC 装置配备有各种脱机诊断程序以检查存储器、外围 设备（CRT）、I/O接口等。脱机诊断还可以采用远 程通信方式进行，即所谓的远程诊断，
17
4.2 CNC装置的硬件结构
总线式多主微处理器结构
34
4.2.4 多微处理器数控装置的硬件结构
二、共享存储器结构
采用多端口存储器来实现各CPU之间的互联和 通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线， 以供端口访问，由专门的多端口控制逻辑电路解决 访问的冲突。
由于同一时刻只能有一个微处理器对多端口存 储器读/写，所以功能复杂。当要求微处理器数量 增多时，会因争用共享存储器而造成信息传输的阻 塞，降低系统效率，因此扩展功能很困难。
在有些CNC装置中，对于机床允许的最低速度和 最高速度的限制、软件的自动加减速等也在这里处 理。
12
4.1.3 CNC装置的工作过程
输入 诊断
译码 显示
刀补
速度处理
插补
I/O处理
位置控制
插补的任务是在一条给定起点和终点的曲线上 进行“数据点的密化”。
13
4.1.3 CNC装置的工作过程
输入
译码
刀补
4.2.3 单微处理器数控装置的硬件结构
单微处理器的结构特点是在CNC装置中只有一只 微处理器（CPU），其工作方式是集中控制、分时处 理数控系统的各项任务。
可划分为计算机部分、位置控制部分、数据输 入/输出接口及外围设备。
25
4.2.3 单微处理器数控装置的硬件结构
计算机部分 微处理器CPU是CNC装置的核心，CPU执行系统程
需要总线仲裁
31
4.2.4 多微处理器数控装置的硬件结构
一、共享总线结构 1、分布式总线结构
分布式多微处理器结构
32
4.2.4 多微处理器数控装置的硬件结构
一、共享总线结构 2、主从式总线结构
主从式总线多微处理器结构 33
4.2.4 多微处理器数控装置的硬件结构
一、共享总线结构 3、总线式多主结构
39
4.2.5 开放式数控装置的体系结构
2. “NC嵌入PC”式结构
40
4.2.5 开放式数控装置的体系结构
3. 软件型开放式结构
是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给 用户最大的选择和灵活性，它的CNC软件全部装在计 算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部 I/O之间的标准化通用接口。用户可以在WINDOWS平台 上，利用开放的CNC内核，开发所需的各种功能，构 成各种类型的高性能数控系统。具有最高的性能价格 比，因而最有生命力。其典型产品有美国MDSI公司的 OpenCNC、德国PowerAutomation公司的PA8000NT等。
第四章 计算机数字控制系统
4.1 概述 4.2 数控系统的硬件结构 4.3 数控系统的软件结构 4.4 数控系统的常用接口 4.5 可编程控制器在数控机床中的应用
1
4.1.1 数控系统的定义
数控系统（NC）: 是一种控制系统，它自动阅 读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而 使机床移动和加工零件。
多微处理器结构的CNC装置中有两个或两个以 上的微处理器。
多微处理器结构的CNC装置多为模块化结构， 通常采用共享总线和共享存储器两种典型结构实 现模块间的互联与通信。
29
4.2.4 多微处理器数控装置的硬件结构
多微处理器CNC的组成框图
30
4.2.4 多微处理器数控装置的硬件结构
一、共享总线结构
速度处理
插补
诊断
显示
I/O处理
位置控制
在每个采样周期内，将理论位置与实际反馈位 置相比较，用其差值去控制伺服电机。
通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方 向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的 定位精度。
14
4.1.3 CNC装置的工作过程
输入 诊断
译码 显示
刀补
速度处理
插补
I/O处理
位置控制
序，首先读取工件加工程序，对加工程序段进行译 码和数据处理，然后根据处理后得到的指令，进行 对该加工程序段的实时插补和机床位置伺服控制； 它还将辅助动作指令通过可编程控制器（PLC）送 到机床，同时接收由PLC返回的机床各部分信息并 予以处理，以决定下一步的操作。