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1、机电一体化技术机电一体化技术 Mechatronics 单元五 机电一体化控制及接口技术 5.1 控制技术概述 5.2 可编程控制器技术 5.3 人机接口技术 5.4 机电接口技术 学习目标 1.掌握机电一体化系统控制形式。 2.掌握常用机电系统控制器PLC工作原理。 3.熟悉常用输入输出接口电路。 4.熟悉A/D转换器等机电接口电路。 工业炉的计算机控制 工业炉计算机控制的典型情况，其燃料为燃 料油或者煤气，为了保证燃料在炉膛内正常燃烧， 必须保持燃料和空气的比值恒定。 案例 高炮的控制 俯仰角 方位角 机械手 7 无人驾驶飞机:按照预定航线飞行 8 电热水器:将水加热到设定温度 9 全自动
2、洗衣机:按设定程序洗衣服 自动控制的作用与重要性 把人从繁重的危险的工作中解放出来 矿井掘井、核电站检查消防、救火、无人侦察机 、导弹（无人） 完成人无法完成的工作 管道机器人、水下6000米机器人 比人干得更快、更好，极大地提高生产力 从自动化生产线上生产的产品，质量越来越好，价 格越来越低。 管理、经济、金融过程智能化 楼宇管理自动化：电、气、水、消防报警全自动 管理，办公自动化，交通自动化，自助银行等。 自动化在经济生活中应用越来越广泛，几乎无处 不在。 自动化技术是高科技的集中体现与应用。 注：在工业过程（或经济生活）中采用自动控制代 替人工控制，称之为自动化。 第1节 概 述 机电一
3、体化系统的控制形式 控制系统的基本要求和设计方法 计算机控制系统的组成及常用类型 机电一体化控制是在以微型计算机为代表的微电子技术、信息技术迅速发展向机 械工业领域迅猛渗透并与机械电子技术深度结合的现代工业的基础上，综合应用机 械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、 接口技术及软件编程技术等群体技术。 机电一体化控制是一门理论性很强的工程技术，通常称为“自动控制技术”，把实 现这种技术的理论称为“自动控制理论”。而由各种部件组成以实现具体生产对象的 自动控制的系统，则称为“自动控制系统”。自动控制所使用的技术可以是电气、液 压、气动、机电以及电液等诸多方法，而
4、采用计算机实现自动控制是机电一体化控 制技术中最为常见的手段。 概述 一、机电一体化系统的控制形式 自动控制是指在无人直接参与的情况下，利用控制 装置，使被控对象的被控量准确地按照预期的规律 变化。 自动控制理论是研究自动控制过程共同规律的技术学科，是 研究自动控制系统组成，进行系统分析设计的一般性理论。 根据它的不同发展阶段与内容，可将其分为经典控制理论、 现代控制理论及智能控制理论三个阶段。 典型控制系统的方块图 控制器执行机构被控对象 输入信号 给定值 偏差 - 测量装置 输出量 干扰 控制系统的基本组成 一、机电一体化系统的控制形式 按照输出量对控制作用的影响不同，机电一 体化系统可分
5、为开环控制系统和闭环控制系 统。 1.开环系统 开环控制的机电一体化系统是没有反馈的控 制系统，这种系统的输入直接送给控制器， 并通过控制器对受控对象产生控制作用。输 出信号只取决与输入信号，与输出无关。 优点：结构简单、成本低、维修方便。 缺点：精度较低，对输出和干扰没有诊断能力 。 一、机电一体化系统的控制形式 2.闭环系统 闭环控制的机电一体化系统的输出结果经传感 器和反馈环节与系统的输入信号比较产生输出 偏差，输出偏差经控制器处理再作用到受控对 象，对输出进行补偿，实现更高精度的系统输 出。 输出信号受到输入信号和输出信号自身（反馈 信号）的作用。信号流线形成闭合回路。又称 反馈控制。
6、输出信号受偏差量控制。 优点：高精度、动态性能好、抗干扰能力强。 缺点：结构复杂，成本高，维修难度较大。 冷却器 继电器 压缩机 控制器 蒸发器 冰箱 例题 家用电冰箱温控系统 试写出系统的被控对象、被控量、输入量和扰动量 ，工作原理，画出系统方框图。 被控对象 ： 冰箱 被控量 ： 输入量： 控制器设定值（代表温度的期望值） 扰动量： 开门时的外界温度 冰箱内温度 工作原理:控制器设定温度与冰箱内温度比较， 如果设定温度高于冰箱内温度，则继电器接通 ，压缩机工作，使冰箱温度下降，直到冰箱内 温度达到希望温度，此时继电器断开，压缩机 停止工作。 解： 家用电冰箱温控系统方框图如下： 基本要求基
7、本要求 准确性 快速性 稳定性 二、控制系统的基本要求和设计方法 稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件，这 是对控制系统的一个基本要求。系统的稳定性有 两层含义:一是系统稳定，叫做绝对稳定性，通常 所讲的稳定性就是这个含义;另一方面的含义是输 出量振荡的强烈程度，称为相对稳定性。线性控 制系统的稳定性是由系统。本身的结构与参数所 决定的，与外部条件无关。 二、控制系统的基本要求和设计方法 返回 快速性是系统在稳定的条件下，衡量系统过渡过程 的形式和快慢，通常称为“系统动态性能”。在实际的 控制系统中，不仅要求系统稳定，而且要求被控量能 迅速地按照输入信号所规定的形式变化，即要求系统 具有一定
8、的响应速度。 二、控制系统的基本要求和设计方法 返回 准确性是在系统过渡过程结束后，衡量系统输出(被控量)达 到的稳态值与系统输出期望值之间的接近程度。除了要求控 制系统稳定性好、响应速度快以外，还要求控制系统的控制 精度高。 “稳”与“快”是说明系统动态(过渡过程)品质。系统的过渡 过程产生的原因是系统中储能元件的能量不可能突变。“准” 是说明系统的稳态(静态)品质 二、控制系统的基本要求和设计方法 返回 设计步骤设计步骤 二、控制系统的基本要求和设计方法 准备阶段。 对设计对象进行机理分析和理论分析，明确被控对象 的特点及要求;限定控制系统的工作条件及环境，确 定安全保护措施及等级;明确控
9、制方案的特殊要求;确 定技术经济指标;制定试验项目及指标。 二、控制系统的基本要求和设计方法 返回 理论设计 建立被控对象的数学模型，把被控对象的控制特性用 数学表达式加以描述，作为控制方案选择及控制器设 计的依据;确定控制算法及控制器结构，选择中央处 理单元、存储器等，主要硬、软件设计以及各种接口 的选择和设计;确定系统的初步结构及参数，进行系 统性能分析、优化 二、控制系统的基本要求和设计方法 返回 设计定型：整理出设计图样、电子元器件明细表、系 统操作程序及说明书、维修及故障诊断说明书和使用 说明书等，形成相应技术文件。 二、控制系统的基本要求和设计方法 设计实施：模块组装，系统仿真、测
10、试 返回 1.计算机控制系统的组成 什么是计算机控制系统? 计算机控制系统就是采用计算机来实现 的工业自动控制系统. 三、计算机控制系统的组成及常用类型 计算机控制系统的基本框图 2.计算机控制系统的组成 硬件+软件 三、计算机控制系统的组成及常用类型 典型计算机控制系统的组成框图 三、计算机控制系统的组成及常用类型 u硬件指计算机本身及其外围设备，一般包括中央处理器,内 存储器,磁盘驱动器,各种接口电路，以A/D转换和D/A转换为 核心的模拟量I/O通道、数字量I/O通道，以及各种显示、记 录设备,运行操作台等。 主机（CPU） 主机是控制系统的核心。 组成：中央处理器、内存储器、时钟电路
11、功能：对控制对象的参数进行检测、数据处理 以及控制计算、逻辑判断等 通用外部设备 组成：输入、输出设备和外存储器。 功能：显示、打印、存储和传送数据。 三、计算机控制系统的组成及常用类型 I/O接口与输入/输出通道 I/O接口与输入/输出通道是主机与被控对象进行 信息交换的纽带 组成：并行接口、串行接口、直接数据传送接口等（ 接口） A/D转换器、D/A转换器等（通道） 检测元件和执行器 传感器的功用是将被检测的非电学量参数转变 成电学量 变送器的作用是将传感器得到的电信号转变成 适用于计算机接口使用的标准的电信号 执行器的作用是据控制信号控制工业对象进行 工作，如电动、气动装置 三、计算机控
12、制系统的组成及常用类型 三、计算机控制系统的组成及常用类型 u软件指计算机控制系统 中具有各种功能的计算机 程序的总和，如完成操作 、监控、管理、控制、计 算和自诊断等功能的程序 。整个系统在软件指挥下 协调工作。从功能区分， 软件可分为系统软件和应 用软件。 u系统软件是由计算机的制造厂商提供的，用来管理计 算机本身的资源和方便用户使用计算机的软件。常用的有 操作系统、开发系统等，它们一般不需用户自行设计编程 ，只需掌握使用方法或根据实际需要加以适当改造即可。 u应用软件是用户根据要解决的控制问题而编写的各种 程序，比如各种数据采集、滤波程序，控制量计算程序， 生产过程监控程序等。 在计算机
13、控制系统中，软件和硬件不是独立存在的，在设 计时必须注意两者相互间的有机配合和协调，只有这样才 能研制出满足生产要求的高质量的控制系统。 三、计算机控制系统的组成及常用类型 2.计算机控制系统的类型 三、计算机控制系统的组成及常用类型 常用的有基于单片机、单板机、普通PC机、工业 PC机和可编程序控制器(PLC)等多种类型的控制系 统。 表5-1各种计算机控制系统性能指标 第2节 人机接口技术 什么是人机接口 人机接口的分类 输入和输出接口技术 概 述 人机接口是操作者与机电一体化系统(主要是控制 微机)之间进行信息交换的接口。 u按照信息的传递方向，可以分为两大类: 输入接口：操作者通过输入
14、接口向系统输入各种 控制命令及控制参数，对系统运行进行控制，实 现所要求完成的任务。常用的输入设备有控制开 关、BCD或二进制码拨盘、键盘 输出接口：系统通过输出接口向操作者显示系统 的各种状态、运行参数及结果等信息。常用的输 出设备有状态指示灯、发光二极管显示器、液晶 显示器、微型打印机、阴极射线管显示器等。 一、输入接口技术 输入口输入设备的数据，要通过数据总线传送给CPU，而 CPU与存储器以及其他设备传输的输入/输出数据，也要通 过这条数据总线分时地进行传输。 输入口的功能：在只有CPU允许该输入口进行数据输入 时，将来自外设的数据传送到数据总线上。 输入设备 键盘 通过它可实现人机对
15、话，完成各种 功能的操作。 编码键盘: 采用专用的编码/译码器件,被按下的键 由该器件译码输出相应的键码/键值。 特点：增加了硬件开销，编码因选用器件而异，编 码固定，但编程简单。适用于规模大的键盘。 非编码键盘: 单片机系统多采用此类键盘 采用软件编码/译码的方式,通过扫描，对每个被按 下的键判别输出相应的键码/键值。 特点：不增加硬件开销，编码灵活，适用于小规模 的键盘，特别是单片机系统。但编程较复杂,占CPU 时间，还须软件“消颤”。 按键值编码方式:编码键盘与非编码键盘 一、输入接口技术 4x4非编码键盘 独立式键盘: 每键相互独立，各自与一条I/O线相连 ，CPU可直接读取该I/O线
16、的高/低电平状态。如果系 统装备的开关数量不多，可以直接装在接口上。 特点：按键数量较多时，占I/O口线多，电路结构繁 杂；各按键相互独立，电路配置灵活；软件结构简 单。判键速度快，多用于设置控制键、功能键。适 用于键数少的场合。 1.独立式键盘 矩阵连接键盘: 键按矩阵排列,各键处于矩阵行/列 的结点处,CPU通过对连在行(列)的I/O线送已知电平 的信号,然后读取列(行)线的状态信息。逐线扫描, 得出键码。 特点：键多时占用I/O口线少,但判键速度慢,多用于 设置数字键。适用于键数多的场合。 2.矩阵式键盘 常用的专门的键识别方法有:行扫描法;线翻转法;利 用8279键盘接口产生键盘中断。前两种都要占用CPU大量 的时间，而后一种则会节约CPU时间。 n(1)典型行列式键盘识别方法-行扫描法 u行扫描 依次向行线输出低电平，其余各行为高电平。每扫描 一行，读取一次列线，若列线全为高电平，则没有键 按下，若有一列为低电平，则有键按下，获取按键的 行号和列
