微型計算機控製技術（第3版）/高等院校信息技術規劃教材 epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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編輯推薦

l 於海生教授主編的《微型計算機控製技術（第3版）》是“十二五”*規劃教材、國傢精品課程和精品資源共享課程教材、高等院校信息技術規劃教材、高等教育麵嚮二十一世紀教學內容和課程體係改革計劃立項教材，曾獲全國普通高等學校優秀教材二等奬。
l 重印近40次，發行40餘萬冊，已被兩百餘所高校選作教材，使用效果極好，是微型計算機控製課程的經典教材。
l 本書為第3版，主要是基於計算機控製技術的發展，利用工業界、科技界和教育界所取得的經驗對第2版進行瞭修訂。教材以主流機型ISA/PCI/PCI-E總綫工業控製機為控製工具，係統地闡述瞭計算機控製係統的設計技術與工程實現方法。
l 全書內容豐富，體係新穎，理論聯係實際，實踐性、工程性、係統性、集成性強，可作為高等院校自動化類、電氣類、電子信息類、計算機類、機械類、儀器類等專業本科生的教材，也可供有科技人員參考。
l 本書已建設MOOC課程資源，在清華大學齣版社的數字教學平颱www.izhixue.cn已經上綫。

內容簡介

本書是普通高等教育“十二五”*規劃教材、*精品課程教材、*精品資源共享課程教材、高等院校信息技術規劃教材。本書以主流機型ISA/PCI/PCI�睧總綫工業控製機為控製工具，係統地闡述瞭計算機控製係統的設計技術與工程實現方法。全書分9章，內容包括計算機控製係統及其組成、計算機控製係統的典型形式、工業控製機的組成結構及特點、計算機控製係統的發展概況和趨勢，計算機控製係統的輸入輸齣接口與過程通道，數字控製技術，常規及復雜控製技術，現代控製技術，應用程序設計與實現技術，HMI/SCADA技術與監控組態軟件，分布式測控網絡技術，計算機控製係統設計與實現。全書內容豐富，體係新穎，理論聯係實際，實踐性、工程性、係統性、集成性強。
本書可作為高等院校自動化類、電氣類、電子信息類、計算機類、機械類、儀器類等專業高年級本科生的教材，也可作為相關學科專業低年級研究生的教材，還可供有關科技人員參考。
本書配有電子教案，歡迎選用本書作教材的老師索取，索取郵箱: dingjunhang@163.com，也可以在清華大學齣版社網站下載。

目錄

第1章緒論1
1.1計算機控製係統概述1
1.1.1計算機控製係統2
1.1.2計算機控製係統的組成3
1.1.3常用的計算機控製係統主機3
1.2計算機控製係統的典型形式5
1.2.1操作指導控製係統5
1.2.2直接數字控製係統6
1.2.3監督控製係統6
1.2.4集散控製係統7
1.2.5現場總綫控製係統8
1.2.6綜閤自動化係統8
1.3工業控製機的組成結構及特點9
1.3.1工業控製機的組成9
1.3.2工業控製機的總綫結構11
1.3.3工業控製機的特點20
1.4計算機控製係統的發展概況和趨勢21
1.4.1計算機控製係統的發展概況21
1.4.2計算機控製係統的發展趨勢24
習題25
第2章輸入輸齣接口與過程通道26
2.1總綫接口擴展技術26
2.1.1係統總綫接口擴展技術26
2.1.2外部總綫接口擴展技術32
2.2輸入輸齣接口與過程通道設計原理35
2.2.1數字量輸入接口與過程通道35
2.2.2數字量輸齣接口與過程通道38
2.2.3模擬量輸入接口與過程通道40
2.2.4模擬量輸齣接口與過程通道52
2.3基於係統總綫的計算機控製係統硬件設計58
2.3.1基於係統總綫的硬件設計方案58
2.3.2係統總綫闆卡58
2.4基於外部總綫的計算機控製係統硬件設計64
2.4.1基於外部總綫的硬件設計方案65
2.4.2遠程I/O模塊65
2.4.3其他測控裝置69
2.5硬件抗乾擾技術74
2.5.1過程通道抗乾擾技術75
2.5.2主機抗乾擾技術81
2.5.3係統供電與接發技術84
習題89
第3章數字控製技術90
3.1數字控製基礎90
3.1.1數控技術發展概況90
3.1.2數字控製原理91
3.1.3數字控製方式92
3.1.4數字控製係統93
3.1.5數控係統的分類94
3.2運動軌跡插補原理95
3.2.1逐點比較法的直綫插補96
3.2.2逐點比較法圓弧插補100
3.2.3數字積分插補法104
3.3進給速度與加減速控製109
3.3.1進給速度控製109
3.3.2加減速控製110
3.4電機驅動控製與位置伺服係統114
3.4.1電機驅動控製方式114
3.4.2位置伺服係統121
3.5多軸運動控製技術125
3.5.1PC+運動控製器/運動控製卡硬件方案125
3.5.2軟件係統設計126
3.5.3數控係統設計舉例——基於PC的多軸運動控製129
習題132
第4章常規及復雜控製技術133
4.1控製係統的性能指標133
4.1.1穩態性能指標133
4.1.2動態性能指標134
4.1.3抗乾擾性能134
4.1.4對控製作用的限製134
4.2數字控製器的連續化設計技術135
4.2.1數字控製器的連續化設計步驟135
4.2.2數字PID控製器的設計138
4.2.3數字PID控製器的改進141
4.2.4數字PID控製器的參數整定146
4.3數字控製器的離散化設計技術151
4.3.1數字控製器的離散化設計步驟151
4.3.2根軌跡法152
4.3.3*少拍控製器的設計153
4.3.4*少拍有紋波控製器的設計157
4.3.5*少拍無紋波控製器的設計161
4.4純滯後控製技術164
4.4.1施密斯預估控製164
4.4.2達林算法167
4.5串級控製技術171

精彩書摘

　　第3章chapter3
　　數字控製技術1.1微型計算機簡介數字控製（numerical control，NC）是近代發展起來的一種自動控製技術，利用數字化信號對機床運動及其加工過程進行自動控製，如銑床、車床、加工中心、綫切割機以及焊接機、氣割機等自動控製係統中。裝有數字程序控製係統的機床稱為數控機床，數控機床具有能加工形狀復雜的零件、加工精度高、生産效率高，便於改變加工零件品種等許多特點，它是實現機床自動化的重要發展方嚮。數控技術和數控機床是實現柔性製造（flexible manufacturing，FM）和計算機集成製造（computer integrated manufacturing，CIM）的*重要的基礎技術之一。
　　本章主要介紹數字控製基礎、插補原理、數字控製係統輸齣裝置的步進與伺服驅動控製技術。
　　3.1數字控製基礎
　　所謂數字控製，就是生産機械(如各種加工機床)根據數字計算機輸齣的數字信號，按規定的工作順序、運動軌跡、運動距離和運動速度等規律自動地完成工作的控製方式。
　　3.1.1數控技術發展概況
　　世界上*颱數控機床是1952年美國麻省理工學院(MIT)伺服機構實驗室開發齣來的，當時的主要動機是為瞭滿足高精度和高效率加工復雜零件的需要。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睏難的，而數控機床則很容易地實現二維和三維輪廓零件的加工。早期的數控(numerical control,NC)是以數字電路技術為基礎來實現的，隨著小型和微型計算機的發展，20世紀70年代初期在數控係統中用計算機代替控製裝置，從而誕生瞭計算機數控 (computer numerical control，CNC)。錶3��1給齣瞭數控技術的發展概況。
　　數控係統一般由數控裝置、驅動裝置、可編程控製器和檢測裝置等構成。◆微型計算機控製技術(第3版)第◆3章數字控製技術錶3��1數控技術的現狀與發展趨勢
　　特徵階段年代典 型 應 用工藝方法數 控 功 能驅動特點研究開發1952—1969年數控車床、鑽床、銑床簡單工藝NC控製3軸以下步進、液壓電機推廣應用1970—1985年加工中心、電加工、鍛壓多種工藝方法CNC控製、刀具自動交換、五軸聯動、較好的人機界麵直流伺服電機係統化1982年柔性製造單元(FMU)、柔性製造係統(FMS)復閤設計加工友好的人機界麵交流伺服電機高性能集
　　成化1990年至今計算機集成製造係統(CIMS)、無人化工廠復閤設計加工多過程、多任務調度、模闆化和復閤化、智能化直綫驅動數控裝置能接收零件圖紙加工要求的信息，進行插補運算，實時地嚮各坐標軸發齣速度控製指令。驅動裝置能快速響應數控裝置發齣的指令，驅動機床各坐標軸運動，同時能提供足夠的功率和扭矩。調節控製是數控裝置發齣運動的指令信號，驅動裝置快速響應跟蹤指令信號。檢測裝置將坐標的實際值檢測齣來，反饋給數控裝置的調節電路中的比較器，有差值就發齣運動控製信號，從而實現偏差控製。數控裝置包括輸入裝置、輸齣裝置、控製器和插補器等四大部分組成，這些功能都由計算機來完成。
　　3.1.2數字控製原理
　　首先分析圖3��1所示的平麵圖形，如何用計算機在繪圖儀或數控加工機床上重現，以此來簡要說明數字控製的基本原理。
　　圖3��1麯綫分段
　　（1） 將圖3��1所示的麯綫分割成若乾段，可以是直綫段，也可以是麯綫段，圖中分割成瞭三段，即ab、bc和cd，然後把a、b、c、d四點坐標記下來並送給計算機。圖形分割的原則應保證綫段所連的麯綫(或摺綫)與原圖形的誤差在允許範圍之內。由圖可見，顯然采用ab、bc和cd比ab、bc和cd要精確得多。
　　（2） 當給定a、b、c、d各點坐標x和y值之後，如何確定各坐標值之間的中間值?求得這些中間值的數值計算方法稱為插值或插補。插補計算的宗旨是通過給定的基點坐標，以一定的速度連續定齣一係列中間點，而這些中間點的坐標值是以一定的精度逼近給定的綫段。從理論上講，插補的形式可用任意函數形式，但為瞭簡化插補運算過程和加快插補速度，常用的是直綫插補和二次麯綫插補兩種形式。所謂直綫插補是指在給定的兩個基點之間用一條近似直綫來逼近，也就是由此定齣中間點連接起來的摺綫近似於一條直綫，並不是真正的直綫。所謂二次麯綫插補是指在給定的兩個基點之間用一條近似麯綫來逼近，也就是實際的中間點連綫是一條近似於麯綫的摺綫弧。常用的二次麯綫有圓弧、拋物綫和雙麯綫等。對圖3��1所示的麯綫來說，顯然ab和bc段用直綫插補，cd段用圓弧插補是閤理的。
　　（3） 把插補運算過程中定齣的各中間點，以脈衝信號形式去控製x、y方嚮上的步進電機，帶動繪圖筆、刀具等，從而繪齣圖形或圖3��2用摺綫逼近直綫段
　　加工齣所要求的輪廓來。這裏的每一個脈衝信號代錶步進電機走一步，即繪圖筆或刀具在x或y方嚮移動一個位置。我們把對應於每個脈衝移動的相對位置稱為脈衝當量，又稱為步長，常用Δx和Δy來錶示，並且總是取Δx＝Δy。
　　圖3��2是一段用摺綫逼近直綫的直綫插補綫段，其中(x0,y0)代錶該綫段的起點坐標值，(xe,ye)代錶終點坐標值，則x方嚮和y方嚮應移動的總步數Nx和Ny分彆為Nx=(xe－x0)/Δx，Ny=(ye－y0)/Δy如果把Δx和Δy定義為坐標增量值，即x0、0、xe、ye均是以脈衝當量定義的坐標值，則Nx=xe－x0，Ny=ye－y0所以，插補運算就是如何分配x和y方嚮上的脈衝數，使實際的中間點軌跡盡可能地逼近理想軌跡。實際的中間點連接綫是一條由Δx和Δy的增量值組成的摺綫，隻是由於實際的Δx和Δy的值很小，眼睛分辨不齣來，看起來似乎和直綫一樣而已。顯然，Δx和Δy的增量值越小，就越逼近理想的直綫段，圖中均以→代錶Δx或Δy的長度和方嚮。
　　實現直綫插補和二次麯綫插補的方法有很多，常見的有逐點比較法(又稱富士通法或醉步法)、數字積分法(又稱數字微分分析器�睤DA法)、數字脈衝乘法器(又稱MIT法，由麻省理工學院首先使用)等，其中又以逐點比較法使用*廣。
　　3.1.3數字控製方式
　　數控係統按控製方式來分類，可以分為點位控製、直綫切削控製和輪廓切削控製，這三種控製方式都是運動的軌跡控製。
　　1. 點位控製
　　在一個點位控製係統中，隻要求控製刀具行程終點的坐標值，即工件加工點準確定位，至於刀具從一個加工點移到下一個加工點走什麼路徑、移動的速度、沿哪個方嚮趨近都無須規定，並且在移動過程中不做任何加工，隻是在準確到達指定位置後纔開始加工。在機床加工業中，采用這類控製的主要是孔加工機床，如鑽床、鏜床、衝床等。
　　2. 直綫控製
　　這種控製也主要是控製行程的終點坐標值，不過還要求刀具相對於工件平行某一直角坐標軸做直綫運動，且在運動過程中進行切削加工。需要這類控製的有銑床、車床、磨床、加工中心等。
　　3. 輪廓控製
　　這類控製的特點是能夠控製刀具沿工件輪廓麯綫不斷地運動，並在運動過程中將工件加工成某一形狀。這種方式是藉助於插補器進行的，插補器根據加工的工件輪廓嚮每一坐標軸分配速度指令，以獲得圖紙坐標點之間的中間點。這類控製用於銑床、車床、磨床、齒輪加工機床等。
　　在上述三種控製方式中以點位控製*簡單，因為它的運動軌跡沒有特殊要求，運動時又不加工，所以它的控製電路隻要具有記憶(記下刀具應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行比較，當兩個數值的差為0時，刀具立即停止)的功能即可，根本不需要插補計算。和點位控製相比，由於直綫切削控製進行直綫加工，其控製電路要復雜一些。輪廓切削控製要控製刀具準確地完成復雜的麯綫運動，所以控製電路復雜，且需要進行一係列的插補計算和判斷。
　　3.1.4數字控製係統
　　計算機數控係統主要分為開環數字控製和閉環數字控製兩大類，由於它們的控製原理不同，因此其係統結構差異很大。
　　1. 開環數字控製
　　隨著計算機技術的發展，開環數字控製得到瞭廣泛的應用，例如各類數控機床、綫切割機、低速小型數字繪圖儀等，它們都是利用開環數字控製原理實現控製的機械加工設備或繪圖設備。開環數字控製的結構如圖3��3所示，這種控製結構沒有反饋檢測元件，工作颱由步進電機驅動。步進電機接收步進電機驅動電路發來的指令脈衝作相應的鏇轉，把刀具移動到與指令脈衝相當的位置，至於刀具是否到達瞭指令脈衝規定的位置，那是不受任何檢查的，因此這種控製的可靠性和精度基本上由步進電機和傳動裝置來決定。
　　圖3��3開環數字控製
　　開環數字控製結構簡單，具有可靠性高、成本低、易於調整和維護等特點，國內經濟型數控係統應用*為廣泛。由於采用瞭步進電機作為驅動元件，使得係統的可控性變得更加靈活，更易於實現各種插補運算和運動軌跡控製。本章主要是討論開環數字控製技術。
　　2. 閉環數字控製
　　圖3��4(a)給齣瞭一種閉環數字控製的結構圖。這種結構的執行機構多采用直流電機(小慣量伺服電機和寬調速力矩電機)作為驅動元件，反饋測量元件采用光電編碼器(碼盤)、光柵、感應同步器等，該控製方式主要用於大型精密加工機床，但其結構復雜，難於調整和維護，一些常規的數控係統很少采用。
　　圖3��4閉環數字控製
　　將測量元件從工作颱移動到伺服電機的軸端，這就構成瞭半閉環控製係統，如圖3��4(b)所示。這樣構成的係統，工作颱不在控製環內，剋服瞭由於工作颱的某些機械環節的特性引起的參數變動，容易獲得穩定的控製特性，廣泛應用於連續控製的數控機床上。
　　3.1.5數控係統的分類〖*2〗1. 傳統數控係統傳統數控係統，又稱為硬件式數控，零件程序的輸入、運算、插補及控製功能均由專用硬件來完成，這是一種專用的封閉體係結構，其功能簡單、柔性通用性差、設計研發周期長。
　　2. 開放式數控係統
　　1） “PC嵌入NC”結構的開放式數控係統
　　這是一類基於傳統數控係統的半開放式數控係統。這一類數控係統是在不改變原係統基本結構的基礎上，在傳統的非開放式的NC上插入一塊專門開發的個人計算機模闆，使得傳統的NC帶有計算機的特點。該係統藉助瞭PC豐富的軟硬件資源和多媒體部件，把PC和NC聯係在一起，它既具有原數控係統工作可靠的特點，同時它的界麵又比原來的數控係統開放，極大地提高瞭人機界麵的功能，使數控係統的功能得以完美體現，而且使用更加方便。2） “NC嵌入PC”結構的開放式數控係統
　　這種數控係統以PC作為係統的核心，由PC和開放式的運動控製卡構成。所謂的開放式運動控製卡，就是一個可以單獨使用的數控係統，具有很強的運動控製和PLC控製能力，它還具有開放的函數庫可供用戶進行自主開發，以構造自己所需要的數控係統。這類數控係統具有可靠性高、功能強、性能好，操作簡單方便，開發周期短，成本低等優點，而且適閤各種類型數控係統的開發，因而這種數控係統目前被廣泛應用於製造業自動化控製各個領域。
　　3） SOFT型開放式數控係統
　　這是一種*新開放體係的數控係統。它提供給用戶*大的選擇和靈活性。它的CNC軟件全部裝在計算機中，而硬件部分僅是計算機與伺服驅動和外部I/O之間的標準化通用接口。用戶可以在Windows NT平颱上，利用開放的CNC內核，開發所需要的各種功能，構成各種類型的高性能數控係統。SOFT型開放式數控係統具有較高的性能價格比，因而更具有生命力。
　　3. 網絡化數控係統
　　網絡化數控裝備是近兩年數控技術發展的一個新亮點。隨著計算機技術、網絡技術日益普遍運用，數控機床走嚮網絡化、集成化已成為必然的趨勢，互聯網進入製造工廠的車間也隻是個時間的問題瞭。對於麵臨日益全球化競爭的現代製造工廠來說，一是要提高數控機床的擁有率，二是所擁有的數控機床必須具有聯網通信功能，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。數控係統生産廠商已在幾年前推齣瞭具有網絡功能的數控係統。在這些係統中，除瞭傳統的RS��232接口外，還備有以太網接口，為數控機床聯網提供瞭基本條件。目前數控的網絡化主要采用以太網以及現場總綫的方式，隨著無綫技術的發展，數控係統網絡在不久的將來可能會無處不在。
　　3.2運動軌跡插補原理
　　在CNC數控機床上，各種麯綫輪廓加工都是通過插補計算實現的，插補計算的任務就是對輪廓綫的起點到終點之間再密集的計算齣有限個坐標點，刀具沿著這些坐標點移動，用摺綫逼近所要加工的麯綫。進而獲得理論輪廓。而確定刀具或繪圖筆坐標的過程就稱為插補。
　　插補方法可以分為兩大類: 脈衝增量插補和數據采樣插補。
　　脈衝增量插補是控製單個脈衝輸齣規律的插補方法，每輸齣一個脈衝，移動部件都要相應地移動一定距離，這個距離就是脈衝當量，因此，脈衝增量插補也稱為行程標量插補,如逐點比較法、數字積分法。該插補方法通常用於步進電機控製係統。
　　數據采樣插補，也稱為數字增量插補，是在規定的時間內，計算齣個坐標方嚮的增量值、刀具所在的坐標位置及其他一些需要的值。這些數據嚴格地限製在一個插補時間內計算完畢，送給伺服係統，再由伺服係統控製移動部件運動，移動部件也必須在下一個插補時間內走完插補計算給齣的行程，因此數據采樣插補也稱為時間標量插補。數據采樣插補采用數值量控製機床運動，機床各坐標方嚮的運動速度與插補運算給齣的數值量和插補時間有關。該插補方法是用於直流伺服電動機和交流伺服電動機的閉環或半閉環控製係統。
　　數控係統中完成插補工作的部分裝置稱為插補器。下麵主要介紹脈衝增量插補中的逐點比較法插補原理。
　　3.2.1逐點比較法的直綫插補
　　所謂逐點比較法插補，就是刀具或繪圖筆每走一步都要和給定軌跡上的坐標值進行比較，看這點在給定軌跡的上方或下方，或是給定軌跡的裏麵或外麵，從而決定下一步的進給方嚮。如果原來在給定軌跡的下方，下一步就嚮給定軌跡的上方走，如果原來在給定軌跡的裏麵，下一步就嚮給定軌跡的外麵走……。如此，走一步、看一看，比較一次，決定下一步走嚮，以便逼近給定軌跡，即形成逐點比較插補。
　　逐點比較法是以階梯摺綫來逼近直綫或圓弧等麯綫的，它與規定的加工直綫或圓弧之間的*大誤差為一個脈衝當量，因此隻要把脈衝當量(每走一步的距離即步長)取得足夠小，就可達到加工精度的要求。
　　1. *象限內的直綫插補
　　1) 偏差計算公式
　　根據逐點比較法插補原理，必須把每一插值點(動點)的

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