[科普中国]-数字控制系统

简介

数字控制系统又称为计算机控制系统，它是在自动控制技术和计算机技术高速发展的基础上产生的。20世纪50年代中期，经典控制理论已经发展得十分成熟，而且在很多工程技术领域中得到成功应用。1具体的来说，数字控制系统是指采用数字技术实现各种控制功能的自动控制系统。其主要类型是以计算机为核心的控制系统，包括计算机监控系统、直接数字控制系统、计算机多级控制系统和分散控制系统。2

数字程序控制系统（numerical control systems），是指用代表加工顺序、加工方式和加工参数的数字码作为控制指令的数字控制系统，简数字程序控制系统称数控(NC)系统。在数控系统中通常配备专用的电子计算机，反映加工工艺和操作步骤的加工信息用数字代码预先记录在穿孔带、穿孔卡、磁带或磁盘上。系统在工作时，读数机构依次将代码送入计算机并转换成相应形式的电脉冲，用以控制工作机械按照顺序完成各项加工过程。数控系统的加工精度和加工效率都较高，特别适合于工艺复杂的单件或小批量生产。它广泛用于工具制造、机械加工、汽车制造和造船工业等。

发展早期多采用固定接线的硬线数控系统，用一台专用计算机控制一台设备。后来采用微型计算机代替专用计算机，利用编制不同的程序软件实现不同类型的控制，可增强系统的控制功能和灵活性，称为计算机数控系统 (CNC)或软线数控系统。后来又发展成为用一台计算机直接管理和控制一群数控设备，称为计算机群控系统或直接数控系统 (DNC)。进一步又发展成为由多台CNC与NC设备和DNC计算机组成的网络，实现多级控制。到了80年代则发展成将一群机床与工件、刀具、夹具和加工自动传输线相配合，由计算机统一管理和控制，构成计算机群控自动线,称为柔性制造系统(FMS)。数控系统的更高阶段是向机械制造工业设计和制造一体化发展，将计算机辅助设计(CAD)与计算机辅助制造(CAM)相结合，实现产品设计与制造过程的完整自动化系统。

组成数控系统由信息载体、数控装置、伺服系统和受控设备组成。信息载体采用纸带、磁带、磁卡或磁盘等，用以存放加工参数、动作顺序、行程和速度等加工信息。数控装置又称插补器，根据输入的加工信息发出脉冲序列。每一个脉冲代表一个位移增量。插补器实际上是一台功能简单的专用计算机，也可直接采用微型计算机。插补器输出的增量脉冲作用于相应的驱动机械或系统用来控制工作台或刀具的运动。如果采用步进电机作为驱动机械，则数控系统为开环控制。对于精密机床，需要采用闭环控制的方式，以伺服系统为驱动系统。

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

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。1

2.过程输入、输出通道

过程输入、输出通道是计算机和被控对象之间设置的信息传递和转换的连接通道。输入通道把被控对象的被控参数转换成计算机可以认知的数字代码，这一般需要采样、量化和编码三步完成。输出通道把计算机输出的控制指令和数据转换成可以对被控对象进行控制的控制信号。输入、输出通道一般包括：模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道、数字量输出通道。1

3.外部设备

外部设备是实现计算机和外界信息交换的设备，简称外设。外部设备包括人机通信设备，输入、输出设备和外存储器等。

输入设备：键盘、扫描仪、光电输入机等，用来输入程序和数据。

输出设备：打印机、记录仪、显示器等，主要用来向操作人员提供信息和数据，以便及时了解控制过程。

外存储器：包括磁带、磁盘等，用来存储系统程序和数据。1

4.检测装置

为了对被控对象进行控制，必须首先对被控对象的被控参数进行数据采集，例如温度、压力、液位、速度等，它是由检测装置来完成的，检测装置即传感器，可以将非电量参数转换成电量参数，再送到计算机。1

5.执行机构

执行机构是计算机控制系统的一个重要组成部分，它是控制任务的执行者，如电机等。1

6.操作台

操作台是操作人员和计算机控制系统进行对话的装置，主要包括：

（1）显示装置：显示屏幕、荧光数码显示器、显示操作人员要求显示的内容和报警信号。

（2）功能键：复位键、启动键、打印键、显示键、中断键。

（3）数字键：输入某些数据或修改控制系统的某些参数。1

7.软件

软件是能够完成计算机控制系统各种功能的程序。它是计算机控制系统的中枢神经。在软件的指挥下，整个系统进行协调工作。软件包括系统软件和应用软件。1

1.系统软件。它是为了提高计算机使用效率，扩大功能，为用户使用、维护和管理计算机提供方便的程序的总称。系统软件包括操作系统、语言加工系统和诊断系统，具有一定的通用性，一般随硬件一起由计算机厂家提供。1

2.应用软件。用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。在计算机控制系统中则是指完成系统各种任务的程序。例如控制程序、数据采集和处理程序，巡回检测和报警程序。1

8.被控对象

一个实际的被控对象可以有各种各样的形式，但是如果抽象成数学模型，可以由以下几种典型的传递函数来表示：

（1）放大环节：

（2）惯性环节：

（3）积分环节：

（4）微分环节：

（5）纯滞后环节：

（6）放大/惯性/积分环节：

（7）放大/惯性/积分环节：

（8）放大/惯性/积分环节： 。1

主要作用数字控制系统的主要作用如下：

**1.信息处理。**对于复杂控制系统，输入信号和根据控制算法要求对误差进行计算时的计算量很大，采用模拟解算装置达不到所需精度，需要计算机处理。1

**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。1

**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。1

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。1

**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。1

**3.实时控制。**根据决策实时地向执行器发出控制信号。1

“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。1

设计设计数字控制系统的方法有两种：基于频域图解的经典法和以状态变量为基础的状态变量法。数字控制系统的设计需要满足已经给定的指标，即：稳态精确度、瞬态精确度（动态响应）、稳定性、对参数变化的敏感度和对扰动的抑制能力等。这些性能指标不是孤立存在的，它们之间互有牵制。因此，设计数字控制系统时，要综合考虑全部给定性能指标，使每一项都能得到满足。3