l 于海生教授主編的《微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)（第3版）》是“十二五”*規(guī)劃教材、國家精品課程和精品資源共享課程教材、高等院校信息技術(shù)規(guī)劃教材、高等教育面向二十一世紀(jì)教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革計(jì)劃立項(xiàng)教材，曾獲全國普通高等學(xué)校優(yōu)秀教材二等獎。 

     l 重印近40次，發(fā)行40余萬冊，已被兩百余所高校選作教材，使用效果極好，是微型計(jì)算機(jī)控制課程的經(jīng)典教材。 

     l 本書為第3版，主要是基于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，利用工業(yè)界、科技界和教育界所取得的經(jīng)驗(yàn)對第2版進(jìn)行了修訂。教材以主流機(jī)型ISA/PCI/PCI-E總線工業(yè)控制機(jī)為控制工具，系統(tǒng)地闡述了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)與工程實(shí)現(xiàn)方法。 

     l 全書內(nèi)容豐富，體系新穎，理論聯(lián)系實(shí)際，實(shí)踐性、工程性、系統(tǒng)性、集成性強(qiáng)，可作為高等院校自動化類、電氣類、電子信息類、計(jì)算機(jī)類、機(jī)械類、儀器類等專業(yè)本科生的教材，也可供有科技人員參考。 

    l 本書已建設(shè)MOOC課程資源，在清華大學(xué)出版社的數(shù)字教學(xué)平臺www.izhixue.cn已經(jīng)上線。

　　工業(yè)控制是計(jì)算機(jī)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)控制正是為了適應(yīng)這一領(lǐng)域的需要而發(fā)展起來的一門專業(yè)技術(shù)。它主要研究如何將計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和自動控制理論應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程，并設(shè)計(jì)出所需要的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是我國高等學(xué)校自動化類、電氣類、電子信息類、計(jì)算機(jī)類、機(jī)械類、儀器類等專業(yè)的主干專業(yè)課程。

　　本書是普通高等教育“十二五”*規(guī)劃教材、*精品課程教材、*精品資源共享課程教材、高等院校信息技術(shù)規(guī)劃教材。本版主要是基于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，利用工業(yè)界、科技界和教育界所取得的經(jīng)驗(yàn)對第2版進(jìn)行了修訂。第1版曾獲全國普通高等學(xué)校優(yōu)秀教材二等獎（2002年），高等教育面向21世紀(jì)教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革計(jì)劃立項(xiàng)教材。教材以主流機(jī)型ISA/PCI/PCI E總線工業(yè)控制機(jī)為控制工具，系統(tǒng)地闡述了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)與工程實(shí)現(xiàn)方法。教材第3版共分9章。第1章是緒論，介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及其組成、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式、工業(yè)控制機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢；第2章討論計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的輸入輸出接口與過程通道；第3章討論數(shù)字控制技術(shù)，重點(diǎn)介紹逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理、多軸步進(jìn)驅(qū)動控制技術(shù)和多軸伺服驅(qū)動控制技術(shù)；第4章討論常規(guī)及復(fù)雜控制技術(shù)，主要介紹數(shù)字控制器的各種控制算法；第5章討論現(xiàn)代控制技術(shù)，主要介紹采用狀態(tài)空間的輸出反饋設(shè)計(jì)法、極點(diǎn)配置設(shè)計(jì)法、*優(yōu)化設(shè)計(jì)法；第6章討論應(yīng)用程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)；第7章討論HMI/SCADA技術(shù)與監(jiān)控組態(tài)軟件；第8章討論分布式測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；第9章討論計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則、步驟和工程實(shí)現(xiàn)，并給出了設(shè)計(jì)實(shí)例。書中配有習(xí)題可供選用，本書內(nèi)容豐富，體系新穎，理論聯(lián)系實(shí)際，實(shí)踐性、工程性、系統(tǒng)性、集成性強(qiáng)。

　　全書的編寫工作由于海生教授主持，于海生和丁軍航統(tǒng)稿；第1、第3至第6、第8、第9章內(nèi)容由于海生編寫，丁軍航提供部分素材；第2章第1節(jié)內(nèi)容由潘松峰、于金鵬編寫；第2章第2至第5節(jié)內(nèi)容由于海生編寫；第3章第1、第2節(jié)內(nèi)容由于海生編寫；第3至第5節(jié)由于海生和吳賀榮編寫；第7章內(nèi)容由于海生、丁軍航、吳賀榮編寫。

　　本書得到了清華大學(xué)出版社的大力支持，在此表示衷心的感謝。由于編著者水平有限，書中難免有許多欠妥之處，誠請讀者批評指正。

　　于海生2017年1月

第1章緒論1 

1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1 

1.1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)2 

1.1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成3 

1.1.3常用的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主機(jī)3 

1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式5 

1.2.1操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)5 

1.2.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)6 

1.2.3監(jiān)督控制系統(tǒng)6 

1.2.4集散控制系統(tǒng)7 

1.2.5現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)8 

1.2.6綜合自動化系統(tǒng)8 

1.3工業(yè)控制機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)9 

1.3.1工業(yè)控制機(jī)的組成9 

1.3.2工業(yè)控制機(jī)的總線結(jié)構(gòu)11 

1.3.3工業(yè)控制機(jī)的特點(diǎn)20 

1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢21 

1.4.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況21 

1.4.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢24 

習(xí)題25 

第2章輸入輸出接口與過程通道26 

2.1總線接口擴(kuò)展技術(shù)26 

2.1.1系統(tǒng)總線接口擴(kuò)展技術(shù)26 

2.1.2外部總線接口擴(kuò)展技術(shù)32 

2.2輸入輸出接口與過程通道設(shè)計(jì)原理35 

2.2.1數(shù)字量輸入接口與過程通道35 

2.2.2數(shù)字量輸出接口與過程通道38 

2.2.3模擬量輸入接口與過程通道40 

2.2.4模擬量輸出接口與過程通道52 

2.3基于系統(tǒng)總線的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)58 

2.3.1基于系統(tǒng)總線的硬件設(shè)計(jì)方案58 

2.3.2系統(tǒng)總線板卡58 

2.4基于外部總線的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)64 

2.4.1基于外部總線的硬件設(shè)計(jì)方案65 

2.4.2遠(yuǎn)程I/O模塊65 

2.4.3其他測控裝置69 

2.5硬件抗干擾技術(shù)74 

2.5.1過程通道抗干擾技術(shù)75 

2.5.2主機(jī)抗干擾技術(shù)81 

2.5.3系統(tǒng)供電與接發(fā)技術(shù)84 

習(xí)題89 

第3章數(shù)字控制技術(shù)90 

3.1數(shù)字控制基礎(chǔ)90 

3.1.1數(shù)控技術(shù)發(fā)展概況90 

3.1.2數(shù)字控制原理91 

3.1.3數(shù)字控制方式92 

3.1.4數(shù)字控制系統(tǒng)93 

3.1.5數(shù)控系統(tǒng)的分類94 

3.2運(yùn)動軌跡插補(bǔ)原理95 

3.2.1逐點(diǎn)比較法的直線插補(bǔ)96 

3.2.2逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)100 

3.2.3數(shù)字積分插補(bǔ)法104 

3.3進(jìn)給速度與加減速控制109 

3.3.1進(jìn)給速度控制109 

3.3.2加減速控制110 

3.4電機(jī)驅(qū)動控制與位置伺服系統(tǒng)114 

3.4.1電機(jī)驅(qū)動控制方式114 

3.4.2位置伺服系統(tǒng)121 

3.5多軸運(yùn)動控制技術(shù)125 

3.5.1PC+運(yùn)動控制器/運(yùn)動控制卡硬件方案125 

3.5.2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)126 

3.5.3數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例——基于PC的多軸運(yùn)動控制129 

習(xí)題132 

第4章常規(guī)及復(fù)雜控制技術(shù)133 

4.1控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)133 

4.1.1穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)133 

4.1.2動態(tài)性能指標(biāo)134 

4.1.3抗干擾性能134 

4.1.4對控制作用的限制134 

4.2數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)135 

4.2.1數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)步驟135 

4.2.2數(shù)字PID控制器的設(shè)計(jì)138 

4.2.3數(shù)字PID控制器的改進(jìn)141 

4.2.4數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定146 

4.3數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù)151 

4.3.1數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)步驟151 

4.3.2根軌跡法152 

4.3.3*少拍控制器的設(shè)計(jì)153 

4.3.4*少拍有紋波控制器的設(shè)計(jì)157 

4.3.5*少拍無紋波控制器的設(shè)計(jì)161 

4.4純滯后控制技術(shù)164 

4.4.1施密斯預(yù)估控制164 

4.4.2達(dá)林算法167 

4.5串級控制技術(shù)171

　　第3章chapter3

　　數(shù)字控制技術(shù)1.1微型計(jì)算機(jī)簡介數(shù)字控制（numerical control，NC）是近代發(fā)展起來的一種自動控制技術(shù)，利用數(shù)字化信號對機(jī)床運(yùn)動及其加工過程進(jìn)行自動控制，如銑床、車床、加工中心、線切割機(jī)以及焊接機(jī)、氣割機(jī)等自動控制系統(tǒng)中。裝有數(shù)字程序控制系統(tǒng)的機(jī)床稱為數(shù)控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床具有能加工形狀復(fù)雜的零件、加工精度高、生產(chǎn)效率高，便于改變加工零件品種等許多特點(diǎn)，它是實(shí)現(xiàn)機(jī)床自動化的重要發(fā)展方向。數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床是實(shí)現(xiàn)柔性制造（flexible manufacturing，F(xiàn)M）和計(jì)算機(jī)集成制造（computer integrated manufacturing，CIM）的*重要的基礎(chǔ)技術(shù)之一。

　　本章主要介紹數(shù)字控制基礎(chǔ)、插補(bǔ)原理、數(shù)字控制系統(tǒng)輸出裝置的步進(jìn)與伺服驅(qū)動控制技術(shù)。

　　3.1數(shù)字控制基礎(chǔ)

　　所謂數(shù)字控制，就是生產(chǎn)機(jī)械(如各種加工機(jī)床)根據(jù)數(shù)字計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號，按規(guī)定的工作順序、運(yùn)動軌跡、運(yùn)動距離和運(yùn)動速度等規(guī)律自動地完成工作的控制方式。

　　3.1.1數(shù)控技術(shù)發(fā)展概況

　　世界上*臺數(shù)控機(jī)床是1952年美國麻省理工學(xué)院(MIT)伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出來的，當(dāng)時的主要動機(jī)是為了滿足高精度和高效率加工復(fù)雜零件的需要。眾所周知，三維輪廓零件的加工，即使二維輪廓零件的加工也是很困難的，而數(shù)控機(jī)床則很容易地實(shí)現(xiàn)二維和三維輪廓零件的加工。早期的數(shù)控(numerical control,NC)是以數(shù)字電路技術(shù)為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)的，隨著小型和微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，20世紀(jì)70年代初期在數(shù)控系統(tǒng)中用計(jì)算機(jī)代替控制裝置，從而誕生了計(jì)算機(jī)數(shù)控 (computer numerical control，CNC)。表3��1給出了數(shù)控技術(shù)的發(fā)展概況。

　　數(shù)控系統(tǒng)一般由數(shù)控裝置、驅(qū)動裝置、可編程控制器和檢測裝置等構(gòu)成。◆微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)(第3版)第◆3章數(shù)字控制技術(shù)表3��1數(shù)控技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

　　特征階段年代典 型 應(yīng) 用工藝方法數(shù) 控 功 能驅(qū)動特點(diǎn)研究開發(fā)1952—1969年數(shù)控車床、鉆床、銑床簡單工藝NC控制3軸以下步進(jìn)、液壓電機(jī)推廣應(yīng)用1970—1985年加工中心、電加工、鍛壓多種工藝方法CNC控制、刀具自動交換、五軸聯(lián)動、較好的人機(jī)界面直流伺服電機(jī)系統(tǒng)化1982年柔性制造單元(FMU)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)復(fù)合設(shè)計(jì)加工友好的人機(jī)界面交流伺服電機(jī)高性能集

　　成化1990年至今計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)、無人化工廠復(fù)合設(shè)計(jì)加工多過程、多任務(wù)調(diào)度、模板化和復(fù)合化、智能化直線驅(qū)動數(shù)控裝置能接收零件圖紙加工要求的信息，進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，實(shí)時地向各坐標(biāo)軸發(fā)出速度控制指令。驅(qū)動裝置能快速響應(yīng)數(shù)控裝置發(fā)出的指令，驅(qū)動機(jī)床各坐標(biāo)軸運(yùn)動，同時能提供足夠的功率和扭矩。調(diào)節(jié)控制是數(shù)控裝置發(fā)出運(yùn)動的指令信號，驅(qū)動裝置快速響應(yīng)跟蹤指令信號。檢測裝置將坐標(biāo)的實(shí)際值檢測出來，反饋給數(shù)控裝置的調(diào)節(jié)電路中的比較器，有差值就發(fā)出運(yùn)動控制信號，從而實(shí)現(xiàn)偏差控制。數(shù)控裝置包括輸入裝置、輸出裝置、控制器和插補(bǔ)器等四大部分組成，這些功能都由計(jì)算機(jī)來完成。

　　3.1.2數(shù)字控制原理

　　首先分析圖3��1所示的平面圖形，如何用計(jì)算機(jī)在繪圖儀或數(shù)控加工機(jī)床上重現(xiàn)，以此來簡要說明數(shù)字控制的基本原理。

　　圖3��1曲線分段

　　（1） 將圖3��1所示的曲線分割成若干段，可以是直線段，也可以是曲線段，圖中分割成了三段，即ab、bc和cd，然后把a(bǔ)、b、c、d四點(diǎn)坐標(biāo)記下來并送給計(jì)算機(jī)。圖形分割的原則應(yīng)保證線段所連的曲線(或折線)與原圖形的誤差在允許范圍之內(nèi)。由圖可見，顯然采用ab、bc和cd比ab、bc和cd要精確得多。

　　（2） 當(dāng)給定a、b、c、d各點(diǎn)坐標(biāo)x和y值之后，如何確定各坐標(biāo)值之間的中間值?求得這些中間值的數(shù)值計(jì)算方法稱為插值或插補(bǔ)。插補(bǔ)計(jì)算的宗旨是通過給定的基點(diǎn)坐標(biāo)，以一定的速度連續(xù)定出一系列中間點(diǎn)，而這些中間點(diǎn)的坐標(biāo)值是以一定的精度逼近給定的線段。從理論上講，插補(bǔ)的形式可用任意函數(shù)形式，但為了簡化插補(bǔ)運(yùn)算過程和加快插補(bǔ)速度，常用的是直線插補(bǔ)和二次曲線插補(bǔ)兩種形式。所謂直線插補(bǔ)是指在給定的兩個基點(diǎn)之間用一條近似直線來逼近，也就是由此定出中間點(diǎn)連接起來的折線近似于一條直線，并不是真正的直線。所謂二次曲線插補(bǔ)是指在給定的兩個基點(diǎn)之間用一條近似曲線來逼近，也就是實(shí)際的中間點(diǎn)連線是一條近似于曲線的折線弧。常用的二次曲線有圓弧、拋物線和雙曲線等。對圖3��1所示的曲線來說，顯然ab和bc段用直線插補(bǔ)，cd段用圓弧插補(bǔ)是合理的。

　　（3） 把插補(bǔ)運(yùn)算過程中定出的各中間點(diǎn)，以脈沖信號形式去控制x、y方向上的步進(jìn)電機(jī)，帶動繪圖筆、刀具等，從而繪出圖形或圖3��2用折線逼近直線段

　　加工出所要求的輪廓來。這里的每一個脈沖信號代表步進(jìn)電機(jī)走一步，即繪圖筆或刀具在x或y方向移動一個位置。我們把對應(yīng)于每個脈沖移動的相對位置稱為脈沖當(dāng)量，又稱為步長，常用Δx和Δy來表示，并且總是取Δx＝Δy。

　　圖3��2是一段用折線逼近直線的直線插補(bǔ)線段，其中(x0,y0)代表該線段的起點(diǎn)坐標(biāo)值，(xe,ye)代表終點(diǎn)坐標(biāo)值，則x方向和y方向應(yīng)移動的總步數(shù)Nx和Ny分別為Nx=(xe－x0)/Δx，Ny=(ye－y0)/Δy如果把Δx和Δy定義為坐標(biāo)增量值，即x0、0、xe、ye均是以脈沖當(dāng)量定義的坐標(biāo)值，則Nx=xe－x0，Ny=ye－y0所以，插補(bǔ)運(yùn)算就是如何分配x和y方向上的脈沖數(shù)，使實(shí)際的中間點(diǎn)軌跡盡可能地逼近理想軌跡。實(shí)際的中間點(diǎn)連接線是一條由Δx和Δy的增量值組成的折線，只是由于實(shí)際的Δx和Δy的值很小，眼睛分辨不出來，看起來似乎和直線一樣而已。顯然，Δx和Δy的增量值越小，就越逼近理想的直線段，圖中均以→代表Δx或Δy的長度和方向。

　　實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)和二次曲線插補(bǔ)的方法有很多，常見的有逐點(diǎn)比較法(又稱富士通法或醉步法)、數(shù)字積分法(又稱數(shù)字微分分析器�睤DA法)、數(shù)字脈沖乘法器(又稱MIT法，由麻省理工學(xué)院首先使用)等，其中又以逐點(diǎn)比較法使用*廣。

　　3.1.3數(shù)字控制方式

　　數(shù)控系統(tǒng)按控制方式來分類，可以分為點(diǎn)位控制、直線切削控制和輪廓切削控制，這三種控制方式都是運(yùn)動的軌跡控制。

　　1. 點(diǎn)位控制

　　在一個點(diǎn)位控制系統(tǒng)中，只要求控制刀具行程終點(diǎn)的坐標(biāo)值，即工件加工點(diǎn)準(zhǔn)確定位，至于刀具從一個加工點(diǎn)移到下一個加工點(diǎn)走什么路徑、移動的速度、沿哪個方向趨近都無須規(guī)定，并且在移動過程中不做任何加工，只是在準(zhǔn)確到達(dá)指定位置后才開始加工。在機(jī)床加工業(yè)中，采用這類控制的主要是孔加工機(jī)床，如鉆床、鏜床、沖床等。

　　2. 直線控制

　　這種控制也主要是控制行程的終點(diǎn)坐標(biāo)值，不過還要求刀具相對于工件平行某一直角坐標(biāo)軸做直線運(yùn)動，且在運(yùn)動過程中進(jìn)行切削加工。需要這類控制的有銑床、車床、磨床、加工中心等。

　　3. 輪廓控制

　　這類控制的特點(diǎn)是能夠控制刀具沿工件輪廓曲線不斷地運(yùn)動，并在運(yùn)動過程中將工件加工成某一形狀。這種方式是借助于插補(bǔ)器進(jìn)行的，插補(bǔ)器根據(jù)加工的工件輪廓向每一坐標(biāo)軸分配速度指令，以獲得圖紙坐標(biāo)點(diǎn)之間的中間點(diǎn)。這類控制用于銑床、車床、磨床、齒輪加工機(jī)床等。

　　在上述三種控制方式中以點(diǎn)位控制*簡單，因?yàn)樗�的運(yùn)動軌跡沒有特殊要求，運(yùn)動時又不加工，所以它的控制電路只要具有記憶(記下刀具應(yīng)走的移動量和已走過的移動量)和比較(將所記憶的兩個移動量進(jìn)行比較，當(dāng)兩個數(shù)值的差為0時，刀具立即停止)的功能即可，根本不需要插補(bǔ)計(jì)算。和點(diǎn)位控制相比，由于直線切削控制進(jìn)行直線加工，其控制電路要復(fù)雜一些。輪廓切削控制要控制刀具準(zhǔn)確地完成復(fù)雜的曲線運(yùn)動，所以控制電路復(fù)雜，且需要進(jìn)行一系列的插補(bǔ)計(jì)算和判斷。

　　3.1.4數(shù)字控制系統(tǒng)

　　計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)主要分為開環(huán)數(shù)字控制和閉環(huán)數(shù)字控制兩大類，由于它們的控制原理不同，因此其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差異很大。

　　1. 開環(huán)數(shù)字控制

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，開環(huán)數(shù)字控制得到了廣泛的應(yīng)用，例如各類數(shù)控機(jī)床、線切割機(jī)、低速小型數(shù)字繪圖儀等，它們都是利用開環(huán)數(shù)字控制原理實(shí)現(xiàn)控制的機(jī)械加工設(shè)備或繪圖設(shè)備。開環(huán)數(shù)字控制的結(jié)構(gòu)如圖3��3所示，這種控制結(jié)構(gòu)沒有反饋檢測元件，工作臺由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。步進(jìn)電機(jī)接收步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路發(fā)來的指令脈沖作相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)，把刀具移動到與指令脈沖相當(dāng)?shù)奈恢�，至于刀具是否到達(dá)了指令脈沖規(guī)定的位置，那是不受任何檢查的，因此這種控制的可靠性和精度基本上由步進(jìn)電機(jī)和傳動裝置來決定。

　　圖3��3開環(huán)數(shù)字控制

　　開環(huán)數(shù)字控制結(jié)構(gòu)簡單，具有可靠性高、成本低、易于調(diào)整和維護(hù)等特點(diǎn)，國內(nèi)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用*為廣泛。由于采用了步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動元件，使得系統(tǒng)的可控性變得更加靈活，更易于實(shí)現(xiàn)各種插補(bǔ)運(yùn)算和運(yùn)動軌跡控制。本章主要是討論開環(huán)數(shù)字控制技術(shù)。

　　2. 閉環(huán)數(shù)字控制

　　圖3��4(a)給出了一種閉環(huán)數(shù)字控制的結(jié)構(gòu)圖。這種結(jié)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)多采用直流電機(jī)(小慣量伺服電機(jī)和寬調(diào)速力矩電機(jī))作為驅(qū)動元件，反饋測量元件采用光電編碼器(碼盤)、光柵、感應(yīng)同步器等，該控制方式主要用于大型精密加工機(jī)床，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于調(diào)整和維護(hù)，一些常規(guī)的數(shù)控系統(tǒng)很少采用。

　　圖3��4閉環(huán)數(shù)字控制

　　將測量元件從工作臺移動到伺服電機(jī)的軸端，這就構(gòu)成了半閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖3��4(b)所示。這樣構(gòu)成的系統(tǒng)，工作臺不在控制環(huán)內(nèi)，克服了由于工作臺的某些機(jī)械環(huán)節(jié)的特性引起的參數(shù)變動，容易獲得穩(wěn)定的控制特性，廣泛應(yīng)用于連續(xù)控制的數(shù)控機(jī)床上。

　　3.1.5數(shù)控系統(tǒng)的分類〖*2〗1. 傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)，又稱為硬件式數(shù)控，零件程序的輸入、運(yùn)算、插補(bǔ)及控制功能均由專用硬件來完成，這是一種專用的封閉體系結(jié)構(gòu)，其功能簡單、柔性通用性差、設(shè)計(jì)研發(fā)周期長。

　　2. 開放式數(shù)控系統(tǒng)

　　1） “PC嵌入NC”結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)

　　這是一類基于傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的半開放式數(shù)控系統(tǒng)。這一類數(shù)控系統(tǒng)是在不改變原系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在傳統(tǒng)的非開放式的NC上插入一塊專門開發(fā)的個人計(jì)算機(jī)模板，使得傳統(tǒng)的NC帶有計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)。該系統(tǒng)借助了PC豐富的軟硬件資源和多媒體部件，把PC和NC聯(lián)系在一起，它既具有原數(shù)控系統(tǒng)工作可靠的特點(diǎn)，同時它的界面又比原來的數(shù)控系統(tǒng)開放，極大地提高了人機(jī)界面的功能，使數(shù)控系統(tǒng)的功能得以完美體現(xiàn)，而且使用更加方便。2） “NC嵌入PC”結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)

　　這種數(shù)控系統(tǒng)以PC作為系統(tǒng)的核心，由PC和開放式的運(yùn)動控制卡構(gòu)成。所謂的開放式運(yùn)動控制卡，就是一個可以單獨(dú)使用的數(shù)控系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的運(yùn)動控制和PLC控制能力，它還具有開放的函數(shù)庫可供用戶進(jìn)行自主開發(fā)，以構(gòu)造自己所需要的數(shù)控系統(tǒng)。這類數(shù)控系統(tǒng)具有可靠性高、功能強(qiáng)、性能好，操作簡單方便，開發(fā)周期短，成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且適合各種類型數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)，因而這種數(shù)控系統(tǒng)目前被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動化控制各個領(lǐng)域。

　　3） SOFT型開放式數(shù)控系統(tǒng)

　　這是一種*新開放體系的數(shù)控系統(tǒng)。它提供給用戶*大的選擇和靈活性。它的CNC軟件全部裝在計(jì)算機(jī)中，而硬件部分僅是計(jì)算機(jī)與伺服驅(qū)動和外部I/O之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口。用戶可以在Windows NT平臺上，利用開放的CNC內(nèi)核，開發(fā)所需要的各種功能，構(gòu)成各種類型的高性能數(shù)控系統(tǒng)。SOFT型開放式數(shù)控系統(tǒng)具有較高的性能價格比，因而更具有生命力。

　　3. 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)

　　網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年數(shù)控技術(shù)發(fā)展的一個新亮點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益普遍運(yùn)用，數(shù)控機(jī)床走向網(wǎng)絡(luò)化、集成化已成為必然的趨勢，互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入制造工廠的車間也只是個時間的問題了。對于面臨日益全球化競爭的現(xiàn)代制造工廠來說，一是要提高數(shù)控機(jī)床的擁有率，二是所擁有的數(shù)控機(jī)床必須具有聯(lián)網(wǎng)通信功能，以保證信息流在工廠、車間的底層之間及底層與上層之間的通信。數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商已在幾年前推出了具有網(wǎng)絡(luò)功能的數(shù)控系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，除了傳統(tǒng)的RS��232接口外，還備有以太網(wǎng)接口，為數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)提供了基本條件。目前數(shù)控的網(wǎng)絡(luò)化主要采用以太網(wǎng)以及現(xiàn)場總線的方式，隨著無線技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在不久的將來可能會無處不在。

　　3.2運(yùn)動軌跡插補(bǔ)原理

　　在CNC數(shù)控機(jī)床上，各種曲線輪廓加工都是通過插補(bǔ)計(jì)算實(shí)現(xiàn)的，插補(bǔ)計(jì)算的任務(wù)就是對輪廓線的起點(diǎn)到終點(diǎn)之間再密集的計(jì)算出有限個坐標(biāo)點(diǎn)，刀具沿著這些坐標(biāo)點(diǎn)移動，用折線逼近所要加工的曲線。進(jìn)而獲得理論輪廓。而確定刀具或繪圖筆坐標(biāo)的過程就稱為插補(bǔ)。

　　插補(bǔ)方法可以分為兩大類: 脈沖增量插補(bǔ)和數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)。

　　脈沖增量插補(bǔ)是控制單個脈沖輸出規(guī)律的插補(bǔ)方法，每輸出一個脈沖，移動部件都要相應(yīng)地移動一定距離，這個距離就是脈沖當(dāng)量，因此，脈沖增量插補(bǔ)也稱為行程標(biāo)量插補(bǔ),如逐點(diǎn)比較法、數(shù)字積分法。該插補(bǔ)方法通常用于步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。

　　數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)，也稱為數(shù)字增量插補(bǔ)，是在規(guī)定的時間內(nèi)，計(jì)算出個坐標(biāo)方向的增量值、刀具所在的坐標(biāo)位置及其他一些需要的值。這些數(shù)據(jù)嚴(yán)格地限制在一個插補(bǔ)時間內(nèi)計(jì)算完畢，送給伺服系統(tǒng)，再由伺服系統(tǒng)控制移動部件運(yùn)動，移動部件也必須在下一個插補(bǔ)時間內(nèi)走完插補(bǔ)計(jì)算給出的行程，因此數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)也稱為時間標(biāo)量插補(bǔ)。數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)采用數(shù)值量控制機(jī)床運(yùn)動，機(jī)床各坐標(biāo)方向的運(yùn)動速度與插補(bǔ)運(yùn)算給出的數(shù)值量和插補(bǔ)時間有關(guān)。該插補(bǔ)方法是用于直流伺服電動機(jī)和交流伺服電動機(jī)的閉環(huán)或半閉環(huán)控制系統(tǒng)。

　　數(shù)控系統(tǒng)中完成插補(bǔ)工作的部分裝置稱為插補(bǔ)器。下面主要介紹脈沖增量插補(bǔ)中的逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理。

　　3.2.1逐點(diǎn)比較法的直線插補(bǔ)

　　所謂逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)，就是刀具或繪圖筆每走一步都要和給定軌跡上的坐標(biāo)值進(jìn)行比較，看這點(diǎn)在給定軌跡的上方或下方，或是給定軌跡的里面或外面，從而決定下一步的進(jìn)給方向。如果原來在給定軌跡的下方，下一步就向給定軌跡的上方走，如果原來在給定軌跡的里面，下一步就向給定軌跡的外面走……。如此，走一步、看一看，比較一次，決定下一步走向，以便逼近給定軌跡，即形成逐點(diǎn)比較插補(bǔ)。

　　逐點(diǎn)比較法是以階梯折線來逼近直線或圓弧等曲線的，它與規(guī)定的加工直線或圓弧之間的*大誤差為一個脈沖當(dāng)量，因此只要把脈沖當(dāng)量(每走一步的距離即步長)取得足夠小，就可達(dá)到加工精度的要求。

　　1. *象限內(nèi)的直線插補(bǔ)

　　1) 偏差計(jì)算公式

　　根據(jù)逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理，必須把每一插值點(diǎn)(動點(diǎn))的實(shí)際位置與給定軌跡的理想位置間的誤差，即“偏差”計(jì)算出來，根據(jù)偏差圖3��5*象限直線的正、負(fù)決定下一步的走向，來逼近給定軌跡。因此偏差計(jì)算是逐點(diǎn)比較法關(guān)鍵的一步。

　　在*象限想加工出直線段OA，取直線段的起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，直線段終點(diǎn)坐標(biāo)(xe ,ye)是已知的，如圖3��5所示。點(diǎn)m(xm,ym)為加工點(diǎn)(動點(diǎn))，若點(diǎn)m在直線段OA上，則有xm/ym=xe/ye即xm/ym－xe/ye=0

　　現(xiàn)定義直線插補(bǔ)的偏差判別式為Fm=ymxe－xmye(3.2.1)若Fm=0，表明點(diǎn)m在OA直線段上；若Fm>0，表明點(diǎn)m在OA直線段的上方，即點(diǎn)m′處；若Fm<0，表明點(diǎn)m在OA直線段的下方，即點(diǎn)m″處。

　　由此可得*象限直線逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)的原理是: 從直線的起點(diǎn)(即坐標(biāo)原點(diǎn))出發(fā)，當(dāng)Fm≥0時，沿＋x軸方向走一步；當(dāng)Fm<0時，沿＋y方向走一步；當(dāng)兩方向所走的步數(shù)與終點(diǎn)坐標(biāo)(xe,ye)相等時，發(fā)出終點(diǎn)到信號，停止插補(bǔ)。

　　按式(3.2.1)計(jì)算偏差，要做兩次乘法，一次減法，比較麻煩，因此需要進(jìn)一步簡化。下面推導(dǎo)簡化的偏差計(jì)算公式。

　　① 設(shè)加工點(diǎn)正處于m點(diǎn)，當(dāng)Fm≥0時，表明m點(diǎn)在OA上或OA上方，應(yīng)沿＋x方向進(jìn)給一步至(m＋1)點(diǎn)，該點(diǎn)的坐標(biāo)值為xm+1=xm+1

　　ym+1=ym該點(diǎn)的偏差為Fm+1=ym+1xe－xm+1ye=ymxe－(xm+1)ye=Fm－ye(3.2.2)② 設(shè)加工點(diǎn)正處于m點(diǎn)，當(dāng)Fm＜0時，表明m點(diǎn)在OA下方，應(yīng)向+y方向進(jìn)給一步至(m+1)點(diǎn)，該點(diǎn)的坐標(biāo)值為xm+1=xm+1

　　ym+1=ym該點(diǎn)的偏差為Fm+1=ym+1xe－xm+1ye=(ym+1)xe－xmye=Fm+xe(3.2.3)式(3.2.2)和式(3.2.3)是簡化后偏差計(jì)算公式，在公式中只有一次加法或減法運(yùn)算，新的加工點(diǎn)的偏差Fm+1都可以由前一點(diǎn)偏差Fm和終點(diǎn)坐標(biāo)相加或相減得到。特別要注意，加工的起點(diǎn)是坐標(biāo)原點(diǎn)，起點(diǎn)的偏差是已知的，即F0＝0。

　　2) 終點(diǎn)判斷方法

　　逐點(diǎn)比較法的終點(diǎn)判斷有多種方法，下面介紹兩種方法:

　�、� 設(shè)置Nx和Ny兩個減法計(jì)數(shù)器，在加工開始前，在Nx和Ny計(jì)數(shù)器中分別存入終點(diǎn)坐標(biāo)值xe和ye，在x坐標(biāo)(或y坐標(biāo))進(jìn)給一步時，就在Nx計(jì)數(shù)器(或Ny計(jì)數(shù)器)中減去1，直到這兩個計(jì)數(shù)器中的數(shù)都減到零時，到達(dá)終點(diǎn)。

　�、� 用一個終點(diǎn)計(jì)數(shù)器，寄存x和y兩個坐標(biāo)進(jìn)給的總步數(shù)Nxy，x或y坐標(biāo)進(jìn)給一步，Nxy就減1，若Nxy＝0，則就達(dá)到終點(diǎn)。

　　3) 插補(bǔ)計(jì)算過程

　　插補(bǔ)計(jì)算時，每走一步，都要進(jìn)行以下四個步驟的插補(bǔ)計(jì)算過程，即偏差判別、坐標(biāo)進(jìn)給、偏差計(jì)算、終點(diǎn)判斷。

　　2. 4個象限的直線插補(bǔ)

　　不同象限直線插補(bǔ)的偏差符號及坐標(biāo)進(jìn)給方向如圖3��6所示。

　　圖3��6偏差符號與進(jìn)給方向的關(guān)系

　　由圖3��6可以推導(dǎo)得出，四個象限直線插補(bǔ)的偏差計(jì)算公式和坐標(biāo)進(jìn)給方向，詳見表3��2。該表中四個象限的終點(diǎn)坐標(biāo)值取絕對值代入計(jì)算式中的xe和ye。表3��2直線插補(bǔ)的進(jìn)給方向及偏差計(jì)算公式

　　Fm≥0Fm<0進(jìn)給方向偏差計(jì)算所在象限進(jìn)給方向偏差計(jì)算+x二、三-xFm+1=Fm-ye+y三、四-yFm+1=Fm+xe3. 直線插補(bǔ)計(jì)算的程序?qū)崿F(xiàn)

　　1) 數(shù)據(jù)的輸入及存放

　　在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中開辟六個單元XE、YE、NXY、FM、XOY和ZF，分別存放終點(diǎn)橫坐標(biāo)xe、終點(diǎn)縱坐標(biāo)ye、總步數(shù)Nxy、加工點(diǎn)偏差Fm、直線所在象限值和步進(jìn)方向標(biāo)志。這里Nxy=Nx+Ny,XOY單元里的值(1、2、3、4)表示(*、第二、第三、第四)象限，XOY單元的值可由終點(diǎn)坐標(biāo)(xe,ye)的正、負(fù)符號來確定，F(xiàn)m的初值為F0＝0，ZF＝1,2,3,4分別代表+x、-x、+y、-y步進(jìn)的方向。

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