机电系统分析与设计.ppt

第五章第五章 机电一体化系统微机控制系统机电一体化系统微机控制系统选择与设计选择与设计 本章内容：本章内容：5.15.1 微机控制系统选择与设计微机控制系统选择与设计 5.25.2 可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器(PLC)(PLC)选择选择.1 微机控制系统微机控制系统 随着机电一体化系统所需的控制功能、控制形式、控制方式的不同和多随着机电一体化系统所需的控制功能、控制形式、控制方式的不同和多控制过程日趋复杂，对控制系统的要求越来越高。微机控制系统的引用，控制过程日趋复杂，对控制系统的要求越来越高。微机控制系统的引用，在许多方面能满足机电一体化控制系统的要求。在许多方面能满足机电一体化控制系统的要求。微机控制系统微机控制系统：是将微型计算机作为机电一体化产品的控制器，结合是将微型计算机作为机电一体化产品的控制器，结合微型计算机的工作原理、接口电路（数字和模拟）的设计、相应的控制硬微型计算机的工作原理、接口电路（数字和模拟）的设计、相应的控制硬件和软件，以及它们之间的匹配，实现对控制对象的有效控制。件和软件，以及它们之间的匹配，实现对控制对象的有效控制。常用的微机控制系统：常用的微机控制系统：专用微机控制系统专用微机控制系统 核心部件为单片机和单板机。核心部件为单片机和单板机。通用通用微机控制系统微机控制系统 核心部件为可编程控制器和工业控制计算机。核心部件为可编程控制器和工业控制计算机。.1.1.1.1 控制系统硬件与软件方案选择控制系统硬件与软件方案选择 在确定微机控制系统时，应重点考虑几方面的问题。在确定微机控制系统时，应重点考虑几方面的问题。（1）专用专用/通用微型计算机的选择通用微型计算机的选择 1）专用控制系统的构成与特点专用控制系统的构成与特点 用于大批量生产的机电一体化产品。具有机械电子有机用于大批量生产的机电一体化产品。具有机械电子有机结合紧凑，由专用结合紧凑，由专用IC芯片、接口电路、执行元件、传感器等芯片、接口电路、执行元件、传感器等相互合理匹配成专用控制器，软件采用专用机器代码或语言，相互合理匹配成专用控制器，软件采用专用机器代码或语言，可靠性强，成本低，但可靠性强，成本低，但适应能力较差适应能力较差。.2）通用控制系统的构成与特点通用控制系统的构成与特点 构成：控制系统以通用微型计算机为核心，设计专用或选构成：控制系统以通用微型计算机为核心，设计专用或选用通用的集成用通用的集成IC芯片、接口电路、执行元件、传感器，以及相芯片、接口电路、执行元件、传感器，以及相互合理匹配元件，组成具有较好通用能力的控制器。软件采用互合理匹配元件，组成具有较好通用能力的控制器。软件采用通用平台软件系统。通用平台软件系统。特点：具有可靠性高，适应性强，但成本高，应采取一定特点：具有可靠性高，适应性强，但成本高，应采取一定的抗干扰措施等特点。的抗干扰措施等特点。应用：适用于多品种、中小批量生产的机电一体化产品。应用：适用于多品种、中小批量生产的机电一体化产品。.（2）硬件与软件的权衡硬件与软件的权衡/匹配匹配 任何微机控制系统的控制功能，既可以由硬件实现，也任何微机控制系统的控制功能，既可以由硬件实现，也可以由软件实现，两者的合理匹配是确定或选用微机控制系可以由软件实现，两者的合理匹配是确定或选用微机控制系统研究内容之一。统研究内容之一。主要依据主要依据经济性、可靠性、适用性经济性、可靠性、适用性等要求来决定。等要求来决定。主要用通用分离元件组成的控制系统主要用通用分离元件组成的控制系统最好采用软件最好采用软件来实现对机电一体化产品的主要控制功能，接口少，易于调来实现对机电一体化产品的主要控制功能，接口少，易于调整，适应能力强，但成本较高。整，适应能力强，但成本较高。.主要用专用集成元件组成的控制系统主要用专用集成元件组成的控制系统最好最好选用硬件实现对机电一体化产品的主要控制功能，具选用硬件实现对机电一体化产品的主要控制功能，具有廉价、可靠、处理速度快等特点。有廉价、可靠、处理速度快等特点。（3 3 3 3）应有必要的抗干扰措施）应有必要的抗干扰措施）应有必要的抗干扰措施）应有必要的抗干扰措施 由于工作环境比较恶劣（存在电噪声干扰等），由于工作环境比较恶劣（存在电噪声干扰等），易产生故障。为提高控制系统的环境适应能力和抗干易产生故障。为提高控制系统的环境适应能力和抗干扰能力，以及可靠性，必须采取相应的抗干扰措施。扰能力，以及可靠性，必须采取相应的抗干扰措施。.1.2.1.2 微机控制系统的设计思路微机控制系统的设计思路（1）确定系统总体控制方案确定系统总体控制方案 总体控制方案确定技术路线总体控制方案确定技术路线 从系统构成上考虑控制方式（开环控制、半闭环控制、闭环从系统构成上考虑控制方式（开环控制、半闭环控制、闭环控制）控制）传感元件选用（含精度）传感元件选用（含精度）选用选用/设计执行元件设计执行元件考虑被控制对象特殊控制要求（高可靠性、高精度、快速响应考虑被控制对象特殊控制要求（高可靠性、高精度、快速响应特性）特性）微机在整个控制系统中的作用微机在整个控制系统中的作用（计算、数据处理、直（计算、数据处理、直接接/间接控制方式、控制功能、间接控制方式、控制功能、I/OI/O接口、外围设备等）接口、外围设备等）控制控制系统成本核算。系统成本核算。确定微机控制系统总体控制的初步方案确定微机控制系统总体控制的初步方案 总体方案可行性论证总体方案可行性论证总体方案技术总体方案技术/经济评价经济评价总体总体方案鉴定。方案鉴定。最终确定微机控制系统总体控制方案最终确定微机控制系统总体控制方案.（2）确定控制算法确定控制算法 目的在于确定微机控制系统输入目的在于确定微机控制系统输入/输出之间的数字和逻辑数输出之间的数字和逻辑数学模型的数学表达方式，为控制系统输出的控制信号，实现被学模型的数学表达方式，为控制系统输出的控制信号，实现被控制对象的各控制功能、精度、稳定性、可靠性等要求提高可控制对象的各控制功能、精度、稳定性、可靠性等要求提高可靠的理论依据。靠的理论依据。常用的控制算法：常用的控制算法：逐点比较法逐点比较法、数字积分法数字积分法、PIDPID调节控制法调节控制法、最小拍控制法最小拍控制法、最优控制法最优控制法、随机控制法随机控制法、自适用控制法自适用控制法、遗传控制法遗传控制法、模糊模糊控制法控制法、鲁棒控制法鲁棒控制法、神经网络控制法神经网络控制法、专家系统专家系统等。等。选用何种控制算法，应依据被控制对象的具体要求而定，选用何种控制算法，应依据被控制对象的具体要求而定，主要包括控制功能、精度、稳定性、可靠性等。主要包括控制功能、精度、稳定性、可靠性等。.（3）微型计算机选择微型计算机选择 任何微机控制系统中的微型计算机，无论被控制对象的要求如何，对微任何微机控制系统中的微型计算机，无论被控制对象的要求如何，对微型计算机都有一定最基本要求。型计算机都有一定最基本要求。1）较完善的适时中断系统）较完善的适时中断系统 实时控制能力、紧急处理能力。实时控制能力、紧急处理能力。2）足够的存储容量（）足够的存储容量（ROM、RAM、E2PROM）有效地保证微机系统软件、应用软件、数据处理工作的正常运行。有效地保证微机系统软件、应用软件、数据处理工作的正常运行。3）完善的输入）完善的输入/输出通道输出通道 逻辑、数字、模拟通道，以及输入逻辑、数字、模拟通道，以及输入/输出通道接口数。输出通道接口数。4）实时时钟控制实时时钟控制 作为控制系统实现控制功能的基准。作为控制系统实现控制功能的基准。除此之外，还有一些特殊要求除此之外，还有一些特殊要求字长、运行速度、指令、成本、编程字长、运行速度、指令、成本、编程难易、输入难易、输入/输出接口扩展能力等。输出接口扩展能力等。.微型计算机的最终确定：微型计算机的最终确定：可选用微型计算机主要有三种类型：可选用微型计算机主要有三种类型：单片机单片机 主要包括数字计算机四个基本组成部分主要包括数字计算机四个基本组成部分(CPU、EPROM、RAM、I/O)，为单片集成电路。，为单片集成电路。具有结构简单、实用范围广，但需用专用的开发系统对其软件和硬件进具有结构简单、实用范围广，但需用专用的开发系统对其软件和硬件进行开发才能满足使用要求。行开发才能满足使用要求。单板机单板机 将单片机、编程器、外部存储器、专用将单片机、编程器、外部存储器、专用/通用接口电路等板卡式通用接口电路等板卡式微型计算机。具有成本低、体积小特点，主要用于生产现场的控制系统；但微型计算机。具有成本低、体积小特点，主要用于生产现场的控制系统；但内存容量少，接口电路少，采用机器语言编程、程序编写、调试困难。内存容量少，接口电路少，采用机器语言编程、程序编写、调试困难。微型计算机微型计算机 具有丰富的软件和硬件支持，具有可视化界面的系统软件、具有丰富的软件和硬件支持，具有可视化界面的系统软件、可应用高级语言、汇编语言等编写应用程序，程序编写、调试方便快捷，有可应用高级语言、汇编语言等编写应用程序，程序编写、调试方便快捷，有多样化数据信号输入多样化数据信号输入/输出接口（输出接口（COM、USB）或插槽（）或插槽（PCI、ISA）；但价格）；但价格比较昂贵、抗干扰能力较差。比较昂贵、抗干扰能力较差。.（4）控制控制系统总体设计系统总体设计（技术设计）（技术设计）被控对象的具体要求、微型计算机、控制软件平台确定后，便可进被控对象的具体要求、微型计算机、控制软件平台确定后，便可进行控制系统的总体设计。行控制系统的总体设计。主要解决主要解决系统硬件、软件和操作人员三者之间的匹配，数据信息和系统硬件、软件和操作人员三者之间的匹配，数据信息和控制信息交换的通讯接口设计（硬件接口），时序控制设计，应用软件控制信息交换的通讯接口设计（硬件接口），时序控制设计，应用软件设计等方面问题。设计等方面问题。控制系统总体设计的主要内容：控制系统总体设计的主要内容：1）软件与硬件功能合理分配与协调）软件与硬件功能合理分配与协调(主要依据经济性、可靠性指标进行主要依据经济性、可靠性指标进行软件软件/硬件的分配、协调与权衡硬件的分配、协调与权衡)。2）接口设计（输入）接口设计（输入/输出信号匹配与协调）。输出信号匹配与协调）。3）通道设计（信号通讯方式与）通道设计（信号通讯方式与I/O类型）。类型）。4）操作控制台设计（人机交换方式）。）操作控制台设计（人机交换方式）。5）可靠性设计（可靠性设计方案与措施）。）可靠性设计（可靠性设计方案与措施）。.（5）软件设计软件设计 系系统统软软件件：主主要要有有操操作作系系统统、故故障障诊诊断断系系统统、开开发发系系统统、信信息息处处理理系系统等。统等。在在机机电电一一体体化化产产品品的的控控制制系系统统软软件件设设计计中中、一一般般不不设设计计系系统统软软件件，只只是合理选用并了解基本的工作原理和熟练使用方法的问题。是合理选用并了解基本的工作原理和熟练使用方法的问题。应用软件应用软件：由操作者依据被控制系统的控制要求和特点，用户自行编：由操作者依据被控制系统的控制要求和特点，用户自行编写完成的。写完成的。对于操作者或编程员来讲，软件设计均为应用软件设计。对于操作者或编程员来讲，软件设计均为应用软件设计。除此之外，在应用软件设计时，还应考虑一些基本要求，如除此之外，在应用软件设计时，还应考虑一些基本要求，如实时性实时性、针对性针对性、灵活性和通用性等方面要求。灵活性和通用性等方面要求。.（6）系统调试）系统调试 微机控制系统设计完成后，需对整个系统进行调试，微机控制系统设计完成后，需对整个系统进行调试，以便达到设计要求。调试步骤包括硬件调试、软件调试、以便达到设计要求。调试步骤包括硬件调试、软件调试、系统调试三大步骤。系统调试三大步骤。.可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器(PLC)（1）PLC的基本工作原理与构成的基本工作原理与构成 工作原理工作原理：使用可编程存储器存储用户设计的应用程序指令，由指令实现使用可编程存储器存储用户设计的应用程序指令，由指令实现逻辑运算、顺序操作、定时、计数、算术运算和逻辑运算、顺序操作、定时、计数、算术运算和I/O接口通讯来控制机电一体接口通讯来控制机电一体化系统（产品）。化系统（产品）。基本构成基本构成：主要由微处理器（主要由微处理器（CPU）、存储器（）、存储器（RAM、ROM、E2PROM）、）、I/O接口（数字、模拟）、编程接口、编程器（含显示）等组成。接口（数字、模拟）、编程接口、编程器（含显示）等组成。.（2）PLC的编程特点的编程特点 PLC可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器的设计者向用户提供简明、的设计者向用户提供简明、易学、易记的汇编语言，易学、易记的汇编语言，也可借助于逻辑梯形图作也可借助于逻辑梯形图作为编程的首选编程语言，为编程的首选编程语言，将一组含义明确、功能性将一组含义明确、功能性强、为数不多的指令用指强、为数不多的指令用指令助记符表示的一种直观令助记符表示的一种直观易懂的编程方法。易懂的编程方法。.（3）PLC的应用举例的应用举例.微机控制系统输入微机控制系统输入/输出的可靠性设计输出的可靠性设计 微机控制系统以及各主要功能元件（部件）的输入微机控制系统以及各主要功能元件（部件）的输入/输出信号控制功能输出信号控制功能主要由硬件和软件设计来保证。主要由硬件和软件设计来保证。在硬件设计中，如何提高控制系统的工作可靠性，是微机控制系统设计在硬件设计中，如何提高控制系统的工作可靠性，是微机控制系统设计的重要环节之一。主要包括：的重要环节之一。主要包括：1）能可靠地传递各类控制信息能可靠地传递各类控制信息 有效保证输入有效保证输入/输出控制信号转换的运动状态。输出控制信号转换的运动状态。2）能够进行有效的信息转换能够进行有效的信息转换 满足微机对输入满足微机对输入/输出信息类型的转换要求。如：输出信息类型的转换要求。如：A/D、D/A转换；平行转换；平行数字信号与串行数字信号的转换；电平信号的转换与匹配；电量与非电量的数字信号与串行数字信号的转换；电平信号的转换与匹配；电量与非电量的转换；强电与弱点转换。转换；强电与弱点转换。3）具有阻断干扰信号进入微机控制系统的能力具有阻断干扰信号进入微机控制系统的能力 主要采用滤波技术、光电隔离技术、屏蔽技术等。主要采用滤波技术、光电隔离技术、屏蔽技术等。.本节重点学习微机控制系统的输入本节重点学习微机控制系统的输入/输出电路和信息接口设计的可靠输出电路和信息接口设计的可靠性方法，即光电隔离电路设计、信息转换电路设计。性方法，即光电隔离电路设计、信息转换电路设计。5.3.1 光电隔离电路设计光电隔离电路设计（1 1）光电隔离电路的基本工作原理与组成光电隔离电路的基本工作原理与组成.（2）光电隔离电路的特点）光电隔离电路的特点 光电隔离电路通过光敏转换实现信号的单向传递，可有效地阻断各类干扰光电隔离电路通过光敏转换实现信号的单向传递，可有效地阻断各类干扰信号，实现信号的电平转换（功率放大）和电平极性转换信号，实现信号的电平转换（功率放大）和电平极性转换(+/-)(+/-)。光电隔离时域检测电路光电隔离时域检测电路时域响应特性时域响应特性输出阻抗输出阻抗/时间响应特性时间响应特性.光电隔离频域光电隔离频域检测电路检测电路时域响应特性时域响应特性输出阻抗输出阻抗/频率响应特性频率响应特性.（3）光电隔离电路的作用）光电隔离电路的作用 1）可将输入可将输入/输出两部分的供电电源和电路的地线分离。输出两部分的供电电源和电路的地线分离。光光电耦合输入、输出端之间绝缘电阻很大（电耦合输入、输出端之间绝缘电阻很大（10111013），寄生的），寄生的电容很小（电容很小（0.52pF），因而干扰信号很难从输入端传递到输出端。），因而干扰信号很难从输入端传递到输出端。2）可进行电平转换，实现要求的电平输出，从而具有初级功）可进行电平转换，实现要求的电平输出，从而具有初级功率放大作用。率放大作用。3）提高对负载的驱动能力。可直接驱动光控晶闸管工作。提高对负载的驱动能力。可直接驱动光控晶闸管工作。如果光电隔离电路与滤波电路、屏蔽电路有效的结合起来，如果光电隔离电路与滤波电路、屏蔽电路有效的结合起来，将会进一步提高微机控制系统的抗干扰能力。将会进一步提高微机控制系统的抗干扰能力。.（4）光电耦合隔离电路的应用）光电耦合隔离电路的应用 光电隔离电路在机电控制系统中的基本配置光电隔离电路在机电控制系统中的基本配置.注意：注意：在微机控制系统中，由于可采用的高功能集成元件端口（输在微机控制系统中，由于可采用的高功能集成元件端口（输入入/输出接口）的性质常有所不同，因而所采用或设计的光电隔输出接口）的性质常有所不同，因而所采用或设计的光电隔离电路也有所不同。在系统设计中，应依据实际情况而定。离电路也有所不同。在系统设计中，应依据实际情况而定。1）8031芯片匹配的输入输出光电隔离接口电路芯片匹配的输入输出光电隔离接口电路 特点：特点：P3口作为准双向口作为准双向接口，当接口，当P3输入口被拉成低输入口被拉成低电平时，可直接由电平时，可直接由TTL或或MOS电路驱动；当外部信号电路驱动；当外部信号为低电平时，为低电平时，P3可被拉成高可被拉成高电平直接与光电耦合器连接。电平直接与光电耦合器连接。.2）8031、8215、8255芯片匹配光电隔离接口电路芯片匹配光电隔离接口电路 特点：当接口作为输入口特点：当接口作为输入口时，端口为高阻抗输入，与时，端口为高阻抗输入，与8031的的P1接口与光电耦合器的接口与光电耦合器的输入连接相同；当输入连接相同；当P1和和P3作为作为输出接口（准双向接口）时，输出接口（准双向接口）时，高电平输出时对外泄漏的电流高电平输出时对外泄漏的电流很小（零点几很小（零点几mA）；低电平）；低电平输出时对外泄漏的电流很大，输出时对外泄漏的电流很大，P1和和P3作为输出接口。作为输出接口。.3）8155、8255芯片匹配光电隔离接口电路芯片匹配光电隔离接口电路 特点：由于特点：由于8155、8255输出口可释放和吸输出口可释放和吸收的电流较大，故可直收的电流较大，故可直接用高点平推动晶体管接用高点平推动晶体管驱动光电二极管。驱动光电二极管。在在8155、8255上电复上电复位（高阻抗状态）时，位（高阻抗状态）时，不使开机输出额外的信不使开机输出额外的信息，将晶体管硬拉成低息，将晶体管硬拉成低电平。电平。.4）输出较大电流驱动的光电隔离接口输出电路输出较大电流驱动的光电隔离接口输出电路 特点：特点：采用采用达林顿型驱动电达林顿型驱动电路，可输出更大路，可输出更大的电流驱动输出的电流驱动输出设备设备。.5）提高普通光电耦合器光耦合速度的光电隔离提高普通光电耦合器光耦合速度的光电隔离 接口输出（响应）电路接口输出（响应）电路 特点：特点：可进可进一步提高普通光一步提高普通光电耦合器光耦合电耦合器光耦合速度。速度。.6）V/FV/F转换器（转换器（LM331LM331）频率输出光电隔离）频率输出光电隔离 接口输出电路接口输出电路 特点：特点：可提高在恶劣环境中前向型通道和电源的抗干扰能力。可提高在恶劣环境中前向型通道和电源的抗干扰能力。.5.3.2 信息转换电路设计信息转换电路设计（1）弱电）弱电/强电转换电路强电转换电路.（2）数字）数字/脉冲信号转换脉冲信号转换并行转换为串行并行转换为串行（3 3）数）数）数）数/模模模模(D/A)(D/A)转换、模数转换、模数转换、模数转换、模数(A/D)(A/D)转换转换转换转换 .5.4 常用检测传感器与微机接口常用检测传感器与微机接口 微型计算机需要输入数字信号，而传感器输出的微型计算机需要输入数字信号，而传感器输出的信号有模拟、数字、开关型信号，为了与计算机匹配，信号有模拟、数字、开关型信号，为了与计算机匹配，需要相应的接口电路。需要相应的接口电路。模拟量接口电路模拟量接口电路、数字量接口电路数字量接口电路、开关量接口开关量接口电路电路。.本章小结本章小结 重点掌握微机控制系统的定义；常用控制计算重点掌握微机控制系统的定义；常用控制计算机的类型、权衡和选择方法；微机控制系统的设计机的类型、权衡和选择方法；微机控制系统的设计思路和微机系统构成与种类；思路和微机系统构成与种类；PLCPLC的基本工作原理与的基本工作原理与基本构成；基本构成；PLCPLC的编程特点与执行过程；输入的编程特点与执行过程；输入/输出输出接口控制信号的可靠性设计基本要求和提高输入接口控制信号的可靠性设计基本要求和提高输入/输输出电路与接口可靠性的主要方法。出电路与接口可靠性的主要方法。.