不連續控制

不連續控制（Discrete control）又稱數字控制，是一種藉助數字、字元或者其他符號對某一工作過程進行編程控制的自動化方法。

不連續信號或數位訊號按不連續方式變化，在其變化範圍內可以只取一定的不連續值。不連續控制最簡單的一種形式是開關控制，在這種控制中輸入信號的功能是將動力接通或斷開。除了接通和斷開轉換之外沒有別的控制。因為只存在兩個不連續狀態，這種操作可看成是不連續的。

基本介紹

• 中文名：不連續控制
• 外文名：Discrete control
• 涉及學科：信息科學
• 又稱：數字控制
• 藉助：數字、字元或者其他符號
• 套用：自動化

簡介

不連續控制（Discrete control）又稱不連續控制，是一種藉助數字、字元或者其他符號對某一工作過程進行編程控制的自動化方法。

根據開環與閉環控制的差別可以將控制作進一步分類，即是用什麼樣的啟動信號去控制由動力源到負載的能量傳遞。這樣就可能有兩類控制方式，即不連續控制或數字控制和連續控制或模擬控制。

分類

不連續信號或數位訊號按不連續方式變化，在其變化範圍內可以只取一定的不連續值。不連續控制最簡單的一種形式是開關控制，在這種控制中輸入信號的功能是將動力接通或斷開。除了接通和斷開轉換之外沒有別的控制。因為只存在兩個不連續狀態，這種操作可看成是不連續的。圖1所示的電燈線路是開關控制的一個例子。

圖1

不連續控制的另一種形式是分級控制，在這種控制中能夠用幾個可能梯級的任一級來傳遞能量。例如具有次級抽頭和多位開關的變壓器可與燈泡連線成如圖2所示。 在這種情況下可以用好幾級電壓向燈泡供給不同數量的電能．此外圖2和圖3所示的烘箱溫度控制也代表了一種分級控制系統。

圖2

圖3

在模擬系統中通過系統的信號是按連續方式變化的，在可供使用的最大值和最小值之間可以取得任意值。在圖中將一個可變電阻與燈泡串聯，改變電阻則傳遞到燈泡的能量也將隨之作連續的變化．圖中的烘箱控制也是一個連續控制的例子。

由於種種原因，在這本書中我們只考慮連續控制系統。連續控制比不連續控制用得廣泛得多，尤其在基本控制場合中。另外，連續控制的反饋控制理論由於所用的數學不太複雜，容易懂．學習不連續控制就不一樣了．因為不連續控制被認為是學習的先進領域，一般不屬於基礎控制教材的範圍。

背景

不連續控制(Numerical Control,NC)是近代發展起來的一種自動控制技術,國家標準(GB8129—87)定義為“用數位化信號對工具機運動及其加工過程進行控制的一種方法”。

不連續控制工具機(Numerical Control Machine Tools)就是採用了不連續控制技術的工具機。國際信息處理聯盟(International Federation of Information Processing)第五技術委員會對不連續控制工具機作了如下定義:“不連續控制工具機是一個裝有程式控制系統的工具機,該系統能夠邏輯地處理具有使用代碼,或其他符號編碼指令規定的程式。”換言之,不連續控制工具機是一種採用計算機,利用數字進行控制的高效、能自動化加工的工具機,它能夠按照國際或國家,甚至生產廠家所製造的數字和文字編碼方式,把各種機械位移量、工藝參數(如主軸轉速、切削速度)、輔助功能(如刀具變換、切削液自動供停等),用數字、文字元號表示出來,經過程式控制系統,即不連續控制系統的邏輯處理與計算,發出各種控制指令,實現要求的機械動作,自動完成加工任務。在被加工零件或加工作業變換時,它只需改變控制的指令程式就可以實現新的控制。所以不連續控制工具機是一種靈活性很強、技術密集度及自動程度很高的機電一體化加工設備,適用於中小批量生產,也是柔性製造系統里必不可少的加工單元。

不連續控制技術和不連續控制工具機是實現柔性製造(Flexible Manufacturing,FM)和計算機集成製造(Computer Integrated Manufacturing,CIM)的最重要基礎技術之一。不連續控制工具機及其不連續控制設備是製造系統最基本的加工單元。隨著微電子技術、計算機技術、自動控制和精密測量技術的不斷發展和迅速套用,在製造業中,不連續控制技術和不連續控制工具機也早已從研製走向實用,並不斷更新換代,向高速度、多功能、智慧型化、開放型以及高可靠性等方面迅速發展。當前柔性自動化(單機和生產系統)是世界機械電子工業發展的趨勢。不連續控制技術的套用,不連續控制工具機的生產量已成為衡量一個國家工業化程度和技術水平的重要標誌。

控制原理

金屬切削工具機加工零件,是操作者根據圖紙要求、手動控制工具機作業系統,不斷改變刀具與工件相對運動參數(位置、速度等),使刀具從工件上切除多餘材料,最終獲得符合技術要求的尺寸、形狀、位置要求和表面質量的零件。

不連續控制加工的基本工作原理則是將加工過程所需的各種操作(如主軸變速、工件夾緊、進給、啟停、刀具選擇、冷卻液供給等)步驟以及工件的形狀尺寸用程式———數位化的代碼來表示(稱為數字信息)，再由計算機不連續控制裝置對這些輸入的信息進行處理和運算。把刀具與工件的運動坐標分割成一些最小單位量,即最小位移量,然後由不連續控制系統按照零件程式的要求控制工具機伺服驅動系統，使坐標移動若干個最小位移量,從而實現刀具與工件的相對運動,以完成零件的加工。當被加工工件改變時,除了重新裝夾工件和更換刀具之外,只需更換程式。

在不連續控制加工中,使不連續控制工具機動作的是不連續控制裝置給不連續控制工具機傳遞運動命令的脈衝群,每一個脈衝對應於工具機的單位位移量。在進行曲線加工時,可以用一給定的數字函式來模擬線段ΔL。即知道了一個曲線的種類、起點、終點以及速度後,根據給定的數字函式,如線性函式、圓函式或高次曲線函式,在理想的軌跡或輪廓上的已知點之間,進行數據點的密化,確定一些中間點,這種方法稱之為插補。處理這些插補的算法,稱之為插補運算。

由此可見,要實現不連續控制加工,則必須有一台能達到下述要求的不連續控制設備:

1. 不連續控制裝置,即能接受零件圖樣加工要求的信息,並按照一定的數字模型進行插補運算,實時地向各坐標軸發出速度控制指令及切削用量的不連續控制計算機;
   
2. 具有快速回響,並具有足夠功率的驅動裝置;
   
3. 為實現不連續控制加工,還必須有能滿足上述加工方式要求的工具機主機、刀具、輔助設備以及各種加工所需的輔助功能。
   

綜上所述,只要具備了工具機主機、不連續控制裝置、驅動裝置以及相應的配套設備,就可以組成一台不連續控制工具機,完成各種零件的不連續控制加工了。

不連續控制和Bang-Bang控制問題

允許的控制函式珏為連續或分段連續的時間函式。也就是說，它可以是給定區間上的連續函式，也可以在區間內的有限個時間點上發生第一類間斷，即產生幅值的有限階躍，而在其它時間仍為連續．這種分段連續的控制函式如圖所示。

還有一種分段連續控制函式只能取上限值或下限值，即在某段時間內取上限，而在另一段時間內取下限，因此，在這些時間區間的轉換點上產生等幅值的階躍，如圖所示．這種控制就像繼電器或電磁開關一樣隨著其輸入電壓的極性時而接通正向觸點，時而接通負向觸點，發出Bang--Bang聲音，故稱這類控制函式為Bang_Bang控制。

最優控制函式是否為分段連續或Bang--Bang型，取決於目標函式中被積函式、狀態方程以及控制約束的特點。一般當目標之被積函式F對u為線性，狀態方程右端，對∞也是線性，以及具有兩端不等式控制約束時，往往最優控制為分段連續或Bang—Bang不連續函式。

發展

近年來,計算機在全球範圍內的各行各業中得到了廣泛的套用和發展。同時,隨著計算機技術的不斷發展,尤其是網路技術的迅猛發展,全球的信息產業已進入一個空前發展的新時期。以網際網路(internet)為代表的信息高速公路在世界範圍內不斷膨脹和延伸。計算機技術、信息技術與傳統控制技術相結合,為不連續控制技術的發展和進步提供了新的條件。現代不連續控制技術的發展體現在以下幾個方面。

不連續控制系統PC化

1981年,IBM公司推出了第一台使用Intel公司8086為中央處理器的個人計算機,微軟公司推出了MS—DOS,一場PC機革命的序幕就此拉開。在隨後的十幾年裡,80×86系列的CPU發展到64位,主頻500MHz以上的PⅢ;微軟公司PC機的作業系統發展到全面支持64位運算、多任務、圖形用戶接口WindowsNT5.0(Windows2000)。此外,AMD和Cyrics公司的系列CPU和Linux系列的作業系統為PC用戶提供了更多的選擇。計算機網路技術,特別是Internet技術的誕生和推廣使用,進一步推進了PC機在社會生活中的套用。而PC機的價格卻從最初的幾千美元降低到幾百美元。全世界數千萬人在使用PC機，學習和使用基於PC的軟體。

不連續控制系統,作為工業控制器中的一種典型產品，同樣也有採用PC作為主控制器的趨勢。

發展基於PC平台CNC推動力量主要來自PC中豐富的軟硬體資源。由於PC已是世界上產量最大的計算機產品,其技術發展和支持可以得到很大的保證，並在PC的快速更新換代和價格持續下降中獲益匪淺。利用當前PC的高速數據處理能力，可將原由硬體完成的NC功能由軟體來實現,而且藉助於PC技術可方便地實現圖形界面、網路通信，緊跟計算機技術發展而升級換代,並具有良好的開放性，十分有利於二次開發和功能擴展。經過加固的工業級PC，已經在工業控制各個領域中得到普遍套用並已逐步成為主流，其技術上的成熟程度使其可靠性大大超過以往的專用CNC硬體。

使用PC為基礎的CNC具有以下優點：

1. 成本低。PC是性能不斷提高,而價格不斷下降的工業產品。以PC作為基礎的CNC將直接從中獲益。
   
2. 標準化。在十幾年的發展過程中，PC機的硬體平台已經形成了標準。PC的硬體平台的標準化和互易性都有利於不連續控制系統的維修。而且為以PC為基礎的不連續控制系統的標準化、模組化和開放奠定硬體基礎。
   
3. 可靠性高。PC的生產批量大,而且其各個部件都已經形成比較完善的標準。這有利於批量生產和質量控制。工業PC可以使不連續控制系統在高可靠性和低成本間找到折衷的平衡點。
   
4. 軟體資源豐富。PC的豐富的軟體資源和開發工具為不連續控制軟體的開發提供了方便，縮短了研製周期，降低了開發成本，同時也為CAD/CAM/CNC集成創造了良好的環境。
   
5. 便於聯網。基於PC平台的網路設備和網路瀏覽器可以方便地接入Internet，為實現全球製造、虛擬製造、共享製造資源奠定了硬體基礎。
   

儘管以PC為基礎的不連續控制系統已呈現出越來越多的優越性，但PC機在軟硬體上都存在不能完全適應工具機控制的問題，其中最突出的問題就是現有PC機的硬體結構上為用戶提供的中斷比較少，而且一些附加設備還將擠占這些中斷資源，例如：音效卡、網卡和附加硬碟設備IDE(Integrated Device Electronics，集成電子器件)等。其次，使用現有的作業系統實現實時控制機制也有許多問題有待進一步研究。

PC化的不連續控制系統可以分為三類:

1. NC板插入PC中。這種不連續控制系統是將不連續控制的核心功能插卡化,並將其插入PC中。PC將實現用戶接口、檔案管理以及通信等功能,NC插卡將全面負責工具機的運動控制和開關量控制。
   
2. PC板嵌入CNC中。許多製造商不願放棄傳統的成熟的CNC技術，而他們又需要PC的柔性和開放,於是就採取了一種折衷的方案:提供PC前端接口或直接將PC母板嵌入CNC中，使其CNC裝置一樣具有PC的柔性。這種方式為很多大公司所採用。應該看到，這種CNC是一種折衷方案，是在不連續控制技術上已取得一定優勢的公司出於商業利益的考慮，不願意放棄其成熟技術的表現。但隨著計算機技術的發展,硬體的標準化和成本的降低,這種方式很可能只是過渡形式。
   
3. 軟體CNC。軟體CNC可以理解為用PC的概念和手段實現CNC的功能。這種CNC裝置的主體是PC機,充分利用PC機不斷提高的計算速度、不斷擴大的存儲量和性能不斷最佳化的作業系統，實現工具機控制中的運動軌跡控制和開關量的邏輯控制。目前這一方案中還有許多問題有待解決，所以主要還停留在實驗室研究階段。但可以預見，隨著計算機技術的發展,這種形態的工具機控制器將具有不可匹敵的價格優勢和可擴展性，有廣闊的前途。
   

不連續控制系統智慧型化

智慧型製造的通俗理解就是套用人工智慧技術控制製造過程，包括製造過程的建模、監控、決策等。不連續控制系統是智慧型製造的重要物質基礎，不連續控制系統的智慧型化是控制器研究者的理想。計算機軟硬體技術的發展和人工智慧技術的發展,使工具機控制器具備了套用人工智慧技術的條件。

不連續控制系統的智慧型化主要體現在以下幾個方面:

1. 不連續控制程式編制的智慧型化。高檔不連續控制系統大多可以通過會話自動編程系統來自動選擇刀具,生成工藝路線,計算切削深度和切削速度，實現切削仿真,大大提高了線上編程和對複雜型面編程的效率。
   
2. 加工過程智慧型化監控。不連續控制系統通過對影響加工精度和效率的物理量進行測試不連續控制技術量、建模，提取特徵來感知系統的運行狀態，快速作出實現最佳目標的決策,對進給速度和主軸轉速進行實時的調整，使整個加工過程處於合理狀態。套用比較多的智慧型化監控是刀具的磨損和破損監控，工具機適應控制也屬於加工過程智慧型化監控的重要套用。
   
3. 故障診斷智慧型化。高檔不連續控制系統大多內置實時診斷系統。當工具機出現故障時，該系統可以進行診斷並指導故障的排除。傳統的研究方法以專家系統為主，但專家系統用於故障診斷存在知識獲取困難、組合爆炸和匹配衝突等難以克服的問題。近一段時間以來，模糊數學和神經網路等人工智慧技術在故障診斷方面的套用取得了良好效果。
   

值得注意的是，單一智慧型技術往往不能全面地解決工具機控制中的複雜問題。在這種情況下，多種人工智慧技術的綜合套用可以取得更好的效果。目前，由於大多數的人工智慧算法還不能滿足實時控制的要求，如何提高智慧型算法的速度是影響智慧型算法套用的重要問題。另一方面,大多不連續控制制器尚不能開放，即未提供集成智慧型技術的接口,這也影響了智慧型技術在不連續控制系統中的套用。隨著不連續控制系統功能的拓展和人工智慧技術的發展,各種人工智慧方法在工具機控制器中的套用將為控制器的發展帶來更美好的前景。

不連續控制系統開放化

當今工具機正朝著靈活、多功能、網路化的方向發展,控制器也必須跟上這一發展步伐。這就要求控制器能夠重新配置、修改、擴充和改裝,甚至有時要求控制器能重新生成。完成這一任務的有效途徑就是“開放”。

不連續控制系統“開放”化的要求來自生產方式的發展,來自用戶和工具機廠對附加技術的要求,也來自於控制器廠追求高質量、低成本和提高產品競爭力的需要。可以說“,開放”已成為以不連續控制工具機為代表的製造裝備不可扭轉的發展趨勢。

歐洲、美國、日本目前都在進行自動化領域的開放式體系結構的研究,紛紛出台各自的開放式體系結構規範。開放化的趨勢在全球製造業中,已成為潮流。美國政府為了增強其製造業的持久發展能力和在國際市場上的競爭力,在20世紀90年代初又開展的下一代不連續控制系統NGC的研究，在1989年—1994年中,由國防部委託Martin Marietta Astronautics(馬丁-馬瑞塔航天研究所)研究的NGC計畫，作為具有開放性結構的提案,受到了廣泛的關注。目前,美國三大汽車工業巨頭:GM,Ford,Chysler正在與控制器廠商合作,開發以PC為基礎的開放式模組化控制器,命名為OMAC(Open Modular Architecture Control)。

1991年10月，在ESPRITⅢ中開始了一項整個歐洲的控制系統計畫OSACA(Open System Architecture for Control Swithin Automation System),其研究目標是研製出自動化系統中的開放式控制系統體系結構。參加單位來自歐洲各國11家工具機廠、控制器廠商和高等院校。此項目工期從1992年5月到1996年5月,投入89人·年,總投資1140萬歐洲貨幣單位。日本於1994年12月成立了通產省的外圍組織IROFA(國際機器人及工廠自動化技術中心)下屬的NC開放化政策委員會。NC開放化政策委員會共有11家企業參加,主要課題是“開放型NC裝置的定義”及“參考模型(含接口等)的製作”。1994年,在日本還成立了OSE研究會,發起者為:東芝機械、豐田工機、第1章概論·13·山崎、日本IBM、三菱電機和SML。OSE的研究目的是制定(能將以計算機網路為中心的信息處理技術和以通用處理器驅使的具有高附加值的機能裝入控制器內的)開放式控制器的體系結構和安裝規約,進行實驗驗證和標準化的活動。

開放化的趨勢在全球製造業中已成為不可逆轉的潮流。這種國際趨勢的結果將是產生高度模組化、可以方便聯網集成的、可以方便進行二次開發的、擁有大量第三方套用軟體支持的、價格更便宜的、全新概念的不連續控制系統。