第4章微机控制系统选择与设计知识课件.ppt

第四章微机控制系统选择与设计机电一体化系统设计张建民 编著高等教育出版社4.1 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 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 常用的微机控制系统： 专用微机控制系统 核心部件为单片机和单板机 通用微机控制系统 核心部件为可编程控制器和工业计算机4.1.1 微机控制系统硬件与软件的抉择和权衡 在确定微机控制系统时，应重点考虑几方面的问题1）专用/通用微型计算机的选择 1）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结合紧凑，由专用IC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，可靠性强，成本低，但适应能力较差 2）通用控制系统的构成与特点 适用于多品种、中小批量生产的机电一体化产品，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IC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。

软件采用通用平台软件系统，可靠性高，适应性强，但成本高，应采取一定的抗干扰措施4.1.2 微机控制系统的设计思路 （1）确定系统总体控制方案 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、闭环控制）传感元件选用（含精度） 选用/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、快速响应特性）微机在整个控制系统中的作用（计算、数据处理、直接/间接控制方式、控制功能、I/O接口、外围设备等）控制系统成本核算 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技术/经济评价总体方案鉴定 最终确定微机控制系统总体控制方案（2）确定控制算法 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靠的理论依据 常用的控制算法： 逐点比较法、数字积分法、PID调节控制法、最小拍控制法、最优控制法、随机控制法、自适用控制法、遗传控制法、模糊控制法、鲁棒控制法、神经网络控制法、专家系统等 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。

3）微型计算机选择 任何微机控制系统中的微型计算机，无论被控制对象的控制要求如何，对微型计算机都有一定最基本要求 1）较完善的适时中断系统 实时控制能力、紧急处理能力 2）足够的存储容量（ROM、RAM、EPROM ） 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/输出通道 逻辑、数字、模拟通道，以及输入/输出通道接口数 4）实时时钟控制 作为控制系统实现控制功能的基准 除此之外，还应有一些特殊要求字长、运行速度、指令、成本、编程难易程度、输入/输出接口扩展能力等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： 单片机 指主要包括数字计算机四个基本组成部分（CPU、EPROM、RAM、I/O）的双列直插式集成电路具有结构简单、实用范围广，缺点是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 单板机 将单片机、编程器、外部存储器、专用/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；缺点是内存容量少，接口电路少，采用机器语言编程、程序编写、调试较困难 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、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/输出接口（RS232、COM、USB）或插槽（PCI、ISA）；缺点是价格比较昂贵、抗干扰能力较差。

4.2 控制系统总体设计 （技术设计）要求 一旦被控制对象的具体要求、微型计算机、控制软件平台确定，便可进行控制系统的总体设计 主要解决系统硬件、软件和操作人员三者之间的匹配，数据信息和控制信息交换的通讯接口设计（硬件接口），能分时时序控制设计（应用软件设计）等方面问题1）控制系统硬件总体设计的主要内容： 1）软件与硬件功能的合理分配与协调（主要依据经济性、可靠性指标进行软件/硬件的分配、协调与权衡） 2）接口设计（输入/输出信号匹配与协调） 3）通道设计（信号通讯方式与I/O类型） 4）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） （2）软件设计 系统软件：主要有操作系统、故障诊断系统、开发系统、信息处理系统等在机电一体化产品的控制系统软件设计中、一般不设计系统软件，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 应用软件：是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对于操作者或编程员来讲，所指的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 实时性、针对性、灵活性和通用性等方面的要求 （3）系统调试 一旦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、系统调试三大步骤 （3）系统调试 一旦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、系统调试三大步骤第4.2节 8086/8088微机的硬件结构特点第4.3节 Z80CPU的结构特点及储存器、输入/输出扩展接口第4.4节 单片机的结构特点与最小应用第4.5节 数字显示器及键盘的接口电路 以上四节在微型计算机原理与应用和计算机控制系统课程中，已作为重点加以学习过，在此不做详细讲解，请同学们复习以下，如果在下面的章节中设计到相关知识要点，再加以说明 4.3 可编程逻辑控制器(PLC) 构成及应用举例 （1）PLC的基本工作原理与构成 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化系统（产品） 基本构成：主要由微处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM、EPROM）、I/O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 PLC可编程逻辑控制器的设计者向用户提供简明、易学、易记的汇编语言，也可借助于逻辑梯形图作为编程的首选编程语言，将一组含义明确、功能性强、为数不多的指令用指令助记符表示的一种直观易懂的编程方法。

3）PLC的应用举例 4.4 微机控制系统输入/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/输出信号控制功能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的重要环节之一主要包括： 1）能可靠地传递各类控制信息 有效保证输入/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 满足微机对输入/输出信息类型的转换要求如：A/D、D/A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 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/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 4.7.1 光电隔离电路设计（1）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(+/-)光电隔离时域检测电路时域响应特性输出阻抗/时间响应特性光电隔离频域检测电路时域响应特性输出阻抗/频率响应特性（3）光电隔离电路的作用 1）可将输入/输出两部分的供电电源和电路的地线分离。

光电耦合输入、输出端之间绝缘电阻很大（10111013），寄生的电容很小（0.52pF），因而干扰信号很难从输入端反馈到输出端 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 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4）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 请同学们注意： 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 特点：P3口作为准双向接口，当P3输入口被拉成低电平时，可直接由TTL或MOS电路驱动；当外部信号为低电平时，P3可被拉成高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 特点：当接口作为输入口时，端口为高阻抗输入，与8031的P1接口与光电耦合器的输入连接相同；当P1和P3作为输出接口（准双向接口）时，高电平输出时对外泄漏的电流很小（零点几mA）；低电平输出时对外泄漏的电流很大，P1和P3作为输出接口。

3）8155、8255芯片匹配光电隔离接口电路 特点：由于8155、8255输出口可释放和吸收的电流较大，故可直接用高点平推动晶体管驱动光电二极管 在8155、8255上电复位（高阻抗状态）时，不使开机输出额外的信息，将晶体管硬拉成低电平4）输出较大电流驱动的光电隔离接口输出电路 特点：采用达林顿型驱动电路，可输出更大的电流驱动输出设备5）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 特点：可进一步提高普通光电耦合器光耦合速度6）V/F转换器（LM331）频率输出光电隔离接口输出电路 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4.4.2 信息转换电路设计1）弱点/强电转换电路 （2）数字/脉冲信号转换并行转换为串行 （3 3）数）数/ /模模(D/A)(D/A)转换、模数转换、模数(A/D)(A/D)转换转换 第4.5节 常用检测传感器的性能特点、选用与微机接口 4.8.1 4.8.1 检测传感器的分类与基本要求检测传感器的分类与基本要求（1）传感器 将被检测对象的各种变化物理量转换成电信号的一种变换器2）传感器的作用 被用于检测机电一体化系统自身和作业对象、作业环境的状态，为有效地控制机电一体化系统动作提供信息。

3）传感器的分类1）传感器的作用主要分为：内部信息传感器和外部信息传感器 内部信息传感器 检测机电一体化系统内部状态主要包括：检测位置、速度、力/力矩、温度以及异常变化等的传感器 外部信息传感器 检测作业对象的状态和外部环境状态主要包括：接触式和非接触式传感器，如：温度/湿度传感器、气压传感器、电涡流传感器、无线电接收机、红外测温仪，激光测距机等2）按输出信号的性质可分为：开关型、模拟型和数字型传感器（计数型和代码型）3）按传感器的用途分为：位移、位置、速度、加速度、力/力矩、温度、湿度、压力等传感器4）按传感器的用途分为：电阻式、电感式、电磁式、电容式、光电式4）传感器的基本要求体积小、重量轻、适应性好精度和灵敏性高、响应快、稳定性好、信噪比高安全可靠、寿命长便于与计算机对接不易受被检测对象和外部环境的影响环境适应能力强现场安装处理简单、操作方便，价格便宜 4.5.2 各类传感器的工作原理、主要性能及优缺点 各类传感器的工作原理、主要性能及优缺点，在数控技术、传感器技术、传感器及其应用等课程已进行了较全面的学习，在此不做详细的讲解注意：掌握好各类传感器的工作原理、主要性能及优缺点，是正确选用传感器的重要依据之一。

4.5.3 传感器的选择原则及注意事项 （1）传感器的选。