数字控制系统分析
数字程序控制系统
数字程序控制系统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。
目前，数字程序控制系统都是以计算机为核心组成的，它包括输入装置、输出装置、插补器和控制器等部分。
输入装置把预先编制好的程序指令与数据录入系统，这些程序指令与数据规定了生产机械的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等。
插补器就是计算机内的一段程序，用于完成插补运算，即根据输入的基本数据(如直线的起点、终点坐标，圆弧的圆心、起点、终点坐标等)，计算加工的曲线或曲面上的其他点的坐标。
输出装置根据插补运算结果向执行机构发出控制指令，从而使生产机械能够沿预定的轨迹运动。
控制器协调系统的各个部分，使其有条不紊地工作。
采用数字程序控制的机床原理见图1。
图1 数控机床原理框图1. 数字插补算法实现插补运算的方法很多，有逐点比较插补方法、数字积分插补方法、时间分割插补方法和样条插补方法等，其中逐点比较插补方法(简称逐点比较法)应用最广，在此予以专门讨论。
所谓逐点比较插补，就是在每次进给(即“走步”)前，首先通过计算判断加工点(即“动点”)是否在预定的轨迹上及相对于预定轨迹的位置，然后据此决定进给方向。
由于这种方法每走一步就需比较、判断一次，即走一步看一步，所以称为逐点比较法。
逐点比较法是以矩形折线来逼近规定的轨迹的，插补出的轨迹与预定轨迹之间的最大误差为一个脉冲当量(即一个步进脉冲对应的运动位移，也即所谓“走一步”的位移)，因此只要使脉冲当量足够小，即可满足加工精度要求。
虽然数控机床加工的零件可能各种各样，但大部分的零件图形都可由直线和圆弧两种插补得到，据统计，由直线和圆弧组成轮廓的零件占机械加工零件的70%以上，因此本节以直线和圆弧的插补为例说明逐点比较法原理。
5第二章 数字控制系统分析-稳定性与稳态性能分析
再应用劳斯判据判定该系统的稳定性。
16
Ge Sibo,Department of Automation
2.3 数字控制系统的性能分析—稳定性分析
例2.3-7 试用修正劳斯判据确定例题2.3-6所示系统稳定的K值范围。 解：由例题2.3-6系统的特征方程：
令
பைடு நூலகம்
w +1 ，代入上式得 0.632kw2 + 1.264w + (2.736 − 0.632k ) = 0 z= w− w −1
= eσT0 ，∠ z = T0ω (2.3 −105)
5
Ge Sibo,Department of Automation
2.3 数字控制系统的性能分析—稳定性分析—S，Z映射关系：
1）、S平面的坐标原点为Z平面的（1，j0）点； 2）、S平面的虚轴为Z平面上的以原点为圆心单位圆； 从 −ω0 / 2 变化 ω 到 ω0 / 2 时，则在Z平面上映射为第1个单位圆； 每当 ω 增加或减少一个ω 0则映射到Z平面是与第1个单位圆完全重叠 的单位圆；
系统的特征方程无重根时，式（2.3-98）的解为：
y (k ) = ∑ Ai λik
i =1
n
(2.3 − 99)
式中：Ai为由初始条件确定的系数；λi为系统的特征根。
3
Ge Sibo,Department of Automation
2.3 数字控制系统的性能分析—稳定性分析
齐次方程的通解表征了系统自由运动的情况，通解收敛则系统稳定。由 式
4
Ge Sibo,Department of Automation
2.3 数字控制系统的性能分析—稳定性分析
2、S平面到Z平面的映射 复变量z和复变量s的变换关系： 式中T0为采样周期，在S平面有
自动控制原理之第七章数字控制系统分析(2精品PPT课件
X *(s)
G1(s)
T
G2 (s)
T
C*(s) C(s)
CX((ss))GG21((ss))XR**((ss)) 取z变换
CX((zz))GG21((zz))XR((zz))
G ( z ) Z [ G 1 ( s ) ]Z [ G 2 ( s ) ] G 1 ( z )G 2 ( z ) G 1(z)G 2(z)G 1G 2(z)
R*(s)
R(s) + E(s)
-
Y (s)
E*(s)
T
G(s) H (s)
C*(s) C(s)
C(s) G(s)E(s)
Y
(s)
G
(s)
H
(s)
E
(
s)
E
(s)
R(s)
Y
(s)
取z变换
C (z) G(z)E(z) Y ( z ) G H ( z ) E ( z ) E ( z ) R ( z ) Y ( z )
（3）有零阶保持器时的脉冲传递函数（中间无采样开关）
Go(s)H(s)G(s)(1eTs)G(ss)
(1eTs)G1(s)G1(s)eTsG1(s)
g o ( t) L 1 [ G o (s ) ] g 1 ( t) g 1 ( t T )
Go(z)G1(z)z1G1(z)1z1 G1(z)
函数，其中
解：
G1 ( s )
s
1
a
G2 (s)
s
1
b
G 1(s)G 2(s)b 1as 1as 1b
G(z) G1G2(z)
b
1 a
(z
z(eaT ebT ) eaT )(z ebT
计算机控制(第六章,数字控制系统)
对该式用分母除分子，并将商按z-1的升幂排列，有
恰为 Z 变换的定义式，其系数 ck (k=0 ， 1 ， 2 ， …) 就是 e(t) 在采 样时刻t=kT时的值e(kT)。此法在实际中应用较为方便，通常计
算有限n项就够了，而要得到e(kT)的一般表达式较为困难。
10 z , 已知 E ( z ) ( z 1)( z 2)
如果这种转换具有足够的精度即模拟量与数字量之间有着确定的比例关系则对系统而言adc和dac相当于系统中的一个比例环节把它们同其它环节的比例系数合并后处理adc相当于一采样开关dac等效于一保持为了充分发挥计算机的功能可用一台计算机采取分时处理的方式实现多个对象的控制计算机多路控制系统
计算机控制技术
第六章
（9）复域微分定理
dF ( z ) Z [tf (t )] Tz dz
（10）复域积分定理
F ( z) f (t ) f (t ) Z[ ] dz lim z t 0 t Tz t
信号的Z变换求解可利用以上的Z变换性质
（四）Z反变换及其计算方法 Z反变换： 1、长除法 该方法能直观地得到采样脉冲序列前几个采样值，但难以给 出序列的闭合形式，不便于对系统的分析研究。 通常E(z)是z的有理分式，可表示为两个z的多项式之比，即
Ts
1 s ln z T
（二）信号Z变换的求解
1、级数求和法 由各时刻的采样值f(kT)，从Z变换的定义出发，得到Z变 换的级数展开式，在一定条件下可写成为闭合形式。 例1、求单位阶跃函数的Z变换
F ( z ) Z [1(t )] z k 1 z 1 z 2 z 3
0
j
0
频率
数字电源控制系统详细分析与应用
数字电源控制系统详细分析与应用
在数字电源的所有讨论中，必须区分两个关键的概念：功率控制和功率管理。
Ericsson公司采用电源控制这个术语来表达电源内部的控制功能，特别
是器件内部能量流的逐周期管理。
这个定义包括反馈回路和内部管理功能。
与电源的开关频率相比，电源控制功能以实时方式运行。
控制功能可以采用模拟或数字技术，通过采用通常对终端用户而言是一回事的任意一种技术的电源来实现。
也就是说，采用数字电源控制可能不需要终端用户端的任何改变或新设计。
相比之下，电源管理是指一个或多个电源外部的通信和/或控制。
这包括电源系统配置、个别电源的控制和监视以及故障检测通信。
电源管理功能并不是实时的，这些功能以一个比电源的开关频率慢的时间刻度工作。
现在，这些功能开始结合模拟和数字技术。
例如，电阻通常对输出电压进行编程，而电源时序通常需要连接至每个电源的专用控制线路。
根据Ericsson的定义，数字电源管理意味着所有这些功能都采用数字技术。
此外还采用某种数据通信总线结构来最大限度地降低互连复杂性，而不是对每个电源采用多个定制的互连进行时序和故障监视。
电源控制。
数控系统（数字控制系统）详细资料大全
数控系统（数字控制系统）详细资料大全数控系统是数字控制系统的简称，英文名称为（Numerical Control System），根据计算机存储器中存储的控制程式，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。
通过利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量。
基本介绍•中文名：数控系统•外文名：Numerical Control System•全称：数字控制系统•配有：接口电路和伺服驱动装置发展,简介,基本构成,软体结构,硬体结构,相关系统,运动轨迹,伺服系统,加工工艺,功能水平,重要因素,常见故障,五轴数控简介,工件坐标旋转,RTCP,刀具矢量编程,五轴斜面加工,五轴插补,工作流程,发展数控系统及相关的自动化产品主要是为数控工具机配套。
数控工具机是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透而形成的机电一体化产品：数控系统装备的工具机大大提高了零件加工的精度、速度和效率。
这种数控的工作母机是国家工业现代化的重要物质基础之一。
数值控制（简称“数控”或“NC”）的概念是把被加工的机械零件的要求，如形状、尺寸等信息转换成数值数据指令信号传送到电子控制装置，由该装置控制驱动工具机刀具的运动而加工出零件。
而在传统的手动机械加工中，这些过程都需要经过人工操纵机械而实现，很难满足复杂零件对加工的要求，特别对于多品种、小批量的零件，加工效率低、精度差。
1952年，美国麻省理工学院与帕森斯公司进行合作，发明了世界上第一台三坐标数控铣床。
控制装置由2000多个电子管组成，约一个普通实验室大小。
伺服机构采用一台小伺服马达改变液压马达斜盘角度以控制液动机速度。
其插补装置采用脉冲乘法器。
这台NC工具机的研制成功标志著NC技术的开创和机械制造的一个新的、数值控制时代的开始。
软体的套用在1970年的芝加哥展览会上，首次展出了由小型机组成的CNC数控系统。
数字控制理论及应用(讲稿)第一章 数字控制系统基本概念
数字控制理论及应用（讲稿）第一章数字控制系统基本概念随着计算机技术的广泛应用，自动控制理论和实践都发生了深刻的变化，以计算机为控制器的数字控制器在许多场合取代了模拟控制器，对各种被控对象实现自动控制。
采用计算机控制不但可以完成常规控制技术所能完成的功能，还可以完成一些复杂的智能控制功能，使控制品质更加优良，而研究数字控制系统基本理论的方法手段是以自动控制理论为基础的采样控制系统理论。
在控制系统中，传递信号有一处或几处是离散数字序列形式的脉冲或数码的控制系统称为离散控制系统。
离散控制系统的一个重要应用是计算机控制系统，计算机通过输入通道采集到被控参数并与系统给定进行比较后，偏差信号按预定控制规律进行运算，计算出的控制量通过输出通道输出到执行机构对生产过程进行控制。
由于被控对象的输入、输出通常为连续信号，而计算机的输入和输出信号都是数字信号，因而系统中必须有将模拟信号转换为数字信号的模/数（A/D）转换器，以及将数字信号转换为模拟信号的数/模（D/A）转换器。
数字控制系统的控制过程通常可归结为下述两步骤：1）数据采集：对被控参数的瞬时值（可以是多路被控量）进行检测，并输给计算机。
2）控制：对采集到的被控状态量与给定量进行比较分析，并按已定的控制规律发出控制信号，实时地通过执行机构控制对象参数。
以计算机为核心的控制系统种类繁多，而且规模也不同，但其基本组成是相似的。
典型的计算机过程控制系统的组成如图1.1所示。
图中模拟量输入通道是由传感器、变送器将被测量转换成统一的标准信号，经多路分时巡检送到A/D转换器进行模拟/数字转换，转换后的数字量通过接口送入计算机。
在计算机内部，用软件对采集的数据进行处理和计算。
输出的数字量通过D/A转换器转换成模拟量，然后由模拟量输出通道输出，实时地对被控量进行控制。
对于开关量信号则通过开关量输入（DI）和开关量输出（DO）通道进行采集和控制。
自动控制的任务是控制某些物理量按照设定规律变化。
核电厂数字化控制系统信息安全分析与策略
核电厂数字化控制系统信息安全分析与策略摘要：在核电厂发展过程中，数字化仪控系统是其正常运行的重要因素，所以数字化控制系统信息安全是相关人员一直以来所关注的重点。
在日常工作中，对数字化仪控系统进行定期检查对于核电厂未来的可持续发展具有十分重要的影响。
根据对核电厂数字化仪控系统的发展情况分析，目前仍有一部分安全风险存在于核电厂数字化控制系统之中，这也在一定情况下限制了数字化仪控系统在核电厂中的发展。
因此本文主要就核电厂数字化控制系统信息安全进行分析探讨，并提出一些个人观点，以供参考。
关键词：核电厂；数字化控制系统；信息安全；防护策略；1 核电厂数字化控制系统的作用在核电厂发展过程中，数字化控制系统是其运行的重要手段，能够使操作人员有效把控日常运行。
数字化控制系统中的技术被广泛地应用到核电厂各项工作中，可以通过电子件计算机技术、控制技术等，为核电厂工作人员提供更为精准的电路信息，包括核电厂断路运行路径和情况等，使核电厂工作人员能够充分明确核电厂电路在异常运行现象，从而在各种先进技术的支持下，使核电厂工作人员能够通过对数字化系统中的异常分析，实现对电路运行的检查，促使核电厂的正常运行。
2 核电厂的数字化控制系统（1）核电厂的数字化控制系统是通过工程师站、现场控制站、信息服务站、通信控制站、系统控制和网络管理等部分组成了运行和控制中心。
（2）数字化控制系统还包括电厂控制系统、多样化的驱动系统、数据显示与处理系统和保护欲安监系统等子系统。
（3）系统的分层网络结构中包含过程接口层、自动控制和保护层、操作和信息管理层、全厂技术管理层 4 层结构。
（4）过程接口层包括测量设备和执行器接口设备。
（5）自动控制和保护层包括信号采集，调制和处理设备，负责不同电厂系统的监控。
（6）操作和信息管理层包括可以使人员能够操纵电厂，监督电厂状态，并对电厂实施运行服务的常规设备和计算机设备。
（7）全厂技术管理层包括支持现场管理应用以及与场外设施通讯的计算机设备。
- 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)。
1 0 T t -1
g h (t )
1 0 T t
图7-6 零阶保持器的单位脉冲响应
令式中的 s＝jω，可以求得零阶保持器的频率特性
1 e jT Gh ( j ) Gh ( j ) Gh ( j ) j
Gh ( j ) T
T
sin(T / 2) T ，Gh ( j ) T / 2 2
r (t ) +
e( t )
e* ( t )
-
T
脉冲 控制器
保持器
被控对象
c(t )
图7-1 采样控制系统
4. 数字控制系统
以数字计算机为控制器去控制具有连续工作状态的被控对 象的闭环控制系统。
采样开关的功能是通过计算机程序来实现的。模拟信号经 A/D采样器转换后，不仅在时间上离散，在幅值上也是离
1. 什么是离散系统？
依据系统中的信号形式分类：
连续时间系统：所有信号都是时间变量的连续函数 离散时间系统：某些信号是一串脉冲或数码 采样控制系统：离散信号是脉冲序列； 数字控制系统：离散信号是数字序列。
2. 为什么要研究离散系统？
科技进步，数字控制器取代模拟控制器：
脉冲技术；
G h ( j )
2
0
s
Gh ( j)
2 s
3 s
4 s
5 s
图7-7 零阶保持器的幅频特性和相频特性
零阶保持器
T=0.2
T=0.4
T=0.8
T=3
几点说明：
幅值随角频率的增大而衰减，具有明显的低通 特性； 除了主频谱外，还存在一些高频分量； 产生相角滞后，使闭环系统稳定性变差；
调制器
(d)采样器
图7-4 理想采样过程
采样开关的周期性动作相当于产生一串理想脉冲 序列
T (t ) T (t nT )
n 0
输入模拟信号经过理想采样器的过程相当于调制 在载波上的结果
e (t ) e(t )T (t ) e(t ) T (t nT ) e(t )T (t nT )
e( t ) e( t )
e* ( t )
S T (a)
e* ( t )
τ
0 (b)
t
0
τ T 2T
(c)
t
图7-3 实际采样过程
理想采样器
采样开关的闭合时间τ=0。
e( t )
T (t )
e (t )
*
T (t )
e* ( t )
0
t (a)
0
T 2T 4T (b)
t
0
e( t )
t (c)
输出信号为阶梯信号，产生半周期的时间滞后；
输出信号为阶梯信号同时增加系统输出纹波。
3 香农采样定理
问题的提出：采样信号的信息并不等于连续信号的 全部信息，如何从采样信号中不失真地复现原来的 连续信号？ 信号频谱：
连续信号：单一频谱，ω为频谱中的最大角频率 采样信号：以采样角频率ωs为周期的无穷多个频谱之和
u* (t ) uh (t ) u* (t )
0
T 2T 3T
t
零阶 保持器
uh (t )
0
T 2T 3T
t
图7-5 零阶保持器的输入和输出信号
零阶保持器的单位脉冲响应如下图所示，可表示为
gh (t ) 1(t ) 1(t T )
上式的拉氏变换式为
1 eTs Gh ( s) s
制等。
分析与设计基础:离散系统理论。
• 采样与保持；
• z变换理论； • 脉冲传递函数。
3. 采样控制系统
其特征是系统中有一处或多处采样开关，如下图所示。采 样开关后的信号就不是连续的模拟信号，而是在时间上离 散的脉冲序列，称为离散信号。
采样的方式是多样的，例如周期采样、多速率采样、随机
采样等，本章只讨论周期采样。
* n 0 n 0
因为只在采样瞬间时才有意义，故上式也可写成
e* (t ) e(nT )T (t nT )
n 0
2 保持器
原因：连续信号经过采样器后转换成离散信号，经由脉冲 控制器处理后仍然是离散信号，而采样控制系统的连续部 分只能接收连续信号，因此需要保持器来将离散信号转换 为连续信号。 零阶保持器：一种采用恒值外推规律的保持器。它把前一 采样时刻的的不增不减地保持到下一个采样时刻，其输入 信号和输出信号的关系如下图所示。
Cn是傅氏系数,其值为： 0 1 1 ω ω ≥ 2 s m Cn (t )dt T 或： T 0
1 jnst T ≤ π / ω e m δT(t) = T n
1 e* (t ) e(t )e jnst T n
E * ( j )
n*
E ( j )
E * ( j )
1/T
m 0
m
t
m 0
m
t
s / 2
图7-8 连续信号频谱
s / 2
图7-9 采样信号频谱
采样信号的频谱
δT(t) = cne 滤波器的宽度满足什么
jnst
条件时能从 E ( j ) 得到 ω 为采样角频率, Es (=2 jπ ) /T??!
数字式元部件；
数字计算机； 微处理器。
数字控制优势：
计算机在控制精度、速度、性能价格比的优越性
； ；
计算机具有很好的通用性，可以方便改变控制规律
直接数字控制发展到计算机分布控制;
对单一的生产过程进行控制到实现整个工业过程的控制 ; 从简单的控制规律发展到更高级的优化控制、自适应控
2006年度浙江省精品课程
自动控制原理
杭州电子科技大学 “自动控制原理”精品课程课题组 2008.12
第七章 线性离散系统的分析
7.1 引言 7.2 信号的采样与保持 7.3 z变换理论
7.4 离散系统的数学模型
7.5 离散系统的稳定性和稳态误差
7.6 离散系统的动态性能分析
7.1 引言
散的，称为数字信号 。
r (t )
+ -
e( t )
e* ( t )
T
数字 计算机
u* (t )
D/A 转换器
u (t )
被控对象
c(t )
A/D 转换器
量测 及变换
图7-2 数字控制系统
7.2 信号的采样与保持
1 采样过程
采样器（采样开关）：把连续信号变换为脉冲序列的装置。 采样过程：可以用如图7-3所示的一个周期性闭合的采样开 关S来表示。采样开关每隔 T秒闭合一次，闭合的持续时间 为 τ。