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1、机电一体化概论,作者：赵再军,责任编辑：石国华 出版日期：2008年9月 IDPN：308-2008-016 课件章数：14,第四章 机电一体化技术与系统中微型计算机控制系统及接口设计,第一节：机电一体化系统微机类型及特点,一、计算机控制系统组成及特点,硬件 软件 控制特点： 离散控制系统，以数码形式存在，时间离散，计算机字节有限，信号幅值离散。,二、机电一体化系统控制微机的类型及选择,1、单板机、单片机； 单板机：将CPU、ROM、RAM、I/O电路及一些辅助电路分别作成LSI芯片，并配置在一块印制电路板上，用电缆线和外部设备直接连接起来。 成本低，用于自行开发简单的控制系统。如：简易数控机
2、械设备、检测设备、工业机器人等场合。,单片机：又称微处理器。,在一块LSI芯片上装有CPU、ROM、RAM及I/O端口电路。 集成度高、功能强，通用性好，体积小、重量轻、能耗低，价格便宜。但硬件制作质量和抗干扰措施难以达到较高的标准，环境适应性较差。 常用于数显、智能化仪表、简易数控机床及其他小型控制装置中。,2、普通PC机；,具有打印机接口等一套完整外围设备，有多种接口板成品可供选用。 主要用作办公自动化用途，但对其操作环境有一定限制。PC机宜用于组成数据采集处理系统、多点模拟量控制系统或其他工作环境较好的微机控制系统，或把PC机选作分散控制系统中的上位机，远离恶劣环境对下位机进行监控。,3
3、、工业控制PC机；,备有种类齐全的PC总线接口模板，包括：数字量I/O板，模拟量A/D、D/A板，模拟量输入多路转换板，定时器、计数器板，专用控制板，通信板及存储器板等。 档次高，结构经过强化处理，性能远远高于单板机、单片机及普通PC机所组成的控制系统。成本高，宜用于进行大量数据处理、可靠性要求高的大型工业测控系统。,问题：为什么工控机能适应恶劣的工业环境？,结构经过加固； 元器件经过严格筛选； 接插件结合部经过强化设计； 有良好抗干扰性； 工作可靠性高并保留了PC机的总线及接口标准及其他优点的微型计算机。,4、STD标准总线控制；,是工业控制领域的一种标准总线，主体为积木式结构，各种功能模板
4、采用统一的标准尺寸，具有机械强度高、抗振能力强、互换性好的特点。宜用在恶劣的工业环境中工作。 8位适用于小规模数据采集系统、过程控制及生产机械的单机控制； 16位用于较大规模的数据采集系统和生产过程控制系统。,5、可编程控制器（PLC）,将继电器逻辑控制技术与计算机技术相结合而发展起来的一种工业控制计算机系统。 具有控制程序可变，柔性好；可靠性强；编程简单，使用方便；功能完善，体积小、重量轻等优点。 在工业控制中逐步取代传统的继电器逻辑控制系统、模拟控制系统及用小型机实现的直接数字控制系统。,三、控制系统的一般设计思路,1、确定系统整体控制方案 应了解被控对象的控制要求，构思控制系统的整体方案
5、； 考虑执行元件采用何种方式。执行元件采用电动、气动还是液动，择优而选； 是否有特殊控制要求 ； 微机在整个控制系统中的作用 与功能； 初步估算其成本 。,2、确定控制算法,计算机控制，就是按照规定的控制算法进行控制 。 机床控制中常用的逐点比较法和数字积分法；直接数字控制系统中常用的PID调节控制算法；位置数字伺服系统中常用的最少拍控制算法；另外，还有各种最优控制算法、随机控制和自适应控制算法。 所选定的算法是否能满足控制速度、控制精度和系统稳定性的要求。,数字PID算法,蕴涵了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息。 P：比例。代表了当前的信息，起纠正偏差的作用，使过程反映迅速； D：微
6、分。代表将来的信息，在信号变化时有超前控制作用，有利于提高系统稳定性； I：积分。代表过去积累的信息，能消除静差，改善系统静差特性。,3、选择微型计算机,从控制的角度出发，微型机应能满足具有较完善的中断系统、足够的存储容量、完善的I/O通道和实时时钟等要求。 （1）较完善的中断系统。微型计算机控制系统必须具有实时控制性能 ； （2）足够的存储容量 ； （3） 完备的输入输出通道和实时时钟。,选择微型计算机应考虑特殊要求：, 字长。微处理器的字长定义为并行数据总线的线数。字长直接影响数据的精度、寻址的能力、指令的数目和执行操作的时间。 速度。速度的选择与字长的选择可一并考虑。 指令。一般说来，指
7、令条数越多，针对待定操作的指令就多，这样会使程序量减少，处理速度加快。,4、系统总体设计,其主要依据是上述的整体方案框图、设计要求及所选用的微机类型。通过设计要画出系统的具体构成框图。 综合考虑硬件和软件措施，解决三者之间可靠的、适时进行信息交换的通路和分时控制的时序安排问题，保证系统能正常地运行。设计中主要考虑硬件与软件功能的分配与协调、接口设计、通道设计、操作控制台设计、可靠性设 计等问题 。,（1）接口设计 ：,通常选用的微型计算机都已配备有相当数量的可编程输入输出通用接口电路。 选用功能接口板。只用来组成较大的系统 ； 选用通用接口电路。一般用于较小的控制系统； 用集成电路自行设计接口
8、电路。 结论：接口设计包括两个方面的内容：一是扩展接口；二是安排通过各接口电路输入输出端的输入输出信号，选定各信号输入输出时采用何种控制方式。,（2）通道设计 ：,输入输出通道是计算机与被控对象相互交换信息的部件。每个控制系统都要有输入输出通道。输入输出通道是计算机与被控对象相互交换信息的部件。每个控制系统都要有输入输出通道。,（3）操作控制台设计。,微型计算机控制系统必须便于人机联系。通常都要设计一个现场操作人员使用的控制台，这个控制台一般都不能用微机所带的键盘代替。,5、软件设计,系统软件和应用软件。系统软件包括操作系统、诊断系统、开发系统和信息处理系统 ；应用软件都要由用户自行编写 。 控制系统对应用软件的要求是实时性、针对性、灵活性和通用性。,6、系统联调,对工业生产现场和模拟装置进行调试。,
