5机电一体化中的计算机技术5.1微型计算机在机电一体化中.ppt

西 南 科 技 大 学 网 络 教 育5 机电一体化中的计算机技术 5.1 微型计算机在机电一体化中的地位计算机性能的大幅度提高，高速、大内存 、 强功能，使之能够适应不同对象的应用要求， 具 有解决各种复杂的信息处理和适时控制问题的 能 力；大型计算机的小型化、微型化，使得计算 机 实验室、机房得以应用于各种产品和生产、办 公、生活现场；大规模集成电路的批量生产和 技西 南 科 技 大 学 网 络 教 育术进步，使得计算机的成本不断下降，其价格 已 为一般用户和家庭所能接受，从而大大拓宽了 计 算机的应用范围微型化、低价、高性能，计算机技术的巨 大 进步，促进了工自动化、办公自动化、家庭自 动 化，导致了制造工业机电一体化变革，机电一 体 化技术已从早期的机械电子化变为机械微电子 化 和机械计算机化在机电一体化系统中，微型 计西 南 科 技 大 学 网 络 教 育算机收集和分析处理信息，发出各种指令去指 挥 和控制系统的运行，还提供各种人机接口，以 便 观测结果，监视运行状态和实现人对系统的控 制 和调整微型计算机已成为整个机电一体化系 统 的核心微型计算机在机电一体化中的功用， 大 致归纳有以下几个方面：(1)对机械工业生产过程的直接控制。

其中包 括 顺序控制、数字程序控制、直接数字控制西 南 科 技 大 学 网 络 教 育(2)对机械生产过程的监督和控制如根据生产过程的状态、原料和环境因素，按照预定的生 产 过程数学模型，计算出最优参数，作为给定值 ， 以指导生产的进行；或直接将给定值送给模拟 调 节器，自动进行整定、调整，传送到下一级计 算 机进行直接数字控制 (3)在机械工业生产的过程中，对各种参数进 行 周期性或随机性的自动测量，并显示、打印记 录西 南 科 技 大 学 网 络 教 育结果供操作人员观测；对间接测量的参数和指 标 进行计算、存储、分析判断和处理，并将信息 反 馈到控制中心，制定新的对策在具体的生产过程中对加工零件的尺寸、 刀 具磨损情况进行测量，并对刀具补偿量进行修 正，以保证加工的精度要求4) 对车间或全厂自动生产线的生产过程进行 调 度和管理西 南 科 技 大 学 网 络 教 育(5)直接渗透到产品中形成带有智能性的机电一 体 化新产品，如机器人、智能仪器等机电一体 化 系统的微型化、多功能化、柔性化、智能化， 安 全、可靠、低价、易于操作的特性，是采用微 型 计算机技术的结果微型计算机技术是机电一 体 化中最活跃、影响最大的关键技术。

西 南 科 技 大 学 网 络 教 育5.2 工业控制机分类5.2.1 分类工业控制机根据控制的方案和体系结构以 及 复杂程度，可以分为几种典型的类型 5.2.1.1可编程序控制器可编程序控制器简称PC或PLC，是由早期 的 继电器逻辑控制系统与微计算机技术相结合而 发 展起来的它的低端即为继电器逻辑控制的代 用西 南 科 技 大 学 网 络 教 育品，而其高端实际上是一种高性能的计算机实 时 控制系统PLC以顺序控制为其特长，它可以取代继 电 器控制，完成顺序和程序控制，能进行PID回路 调节，实现闭环的位置和速度控制，也能构成 高 速数据采集与分析系统，以及与计算机联网而 使 整个生产过程完全自动化等等可编程序控制器吸取了微电子技术和计算 机西 南 科 技 大 学 网 络 教 育技术的最新成果，发展十分迅速，以其卓越的 技 术指标及优异的恶劣环境适应性，迅速渗透到 工 业控制的各个领域，受到工业界的普遍重视 从单机自动化到工业自动化，从柔性制造系 统、 机器人到工业局部网络，无不有它的涉足之地 任何一种可编程序控制器均有下列基本部 分 构成（图5.1）西 南 科 技 大 学 网 络 教 育图5.1 典型可编序程控制器框图西 南 科 技 大 学 网 络 教 育(1)微处理器 PLC的微处理器以循环扫描方式进行操作 。

目前大型PLC多采用双极型片式处理器或16位 微 处理器，甚至32位超级微处理器，中小型PLC 主 要采用8位通用微处理器，而微型及小型PLC基 本 上都采用单片机 (2)存储器 目前PLC普遍使用的存储器有以锂电池为后 备西 南 科 技 大 学 网 络 教 育电源的CMOS型RAM，及EPROM和EEPROM (3)输入输出设备 PLC的输入输出设备可分为三种形式：I/O 模 块、智能I/O模块和I/O站一般的PLC都通过 I/O模块与现场进行远程通信 (4)编程器 PLC的编程器是人机联系的接口，它包括键盘、显示器以及支持其工作的软、硬件西 南 科 技 大 学 网 络 教 育5.2.1.2 单、多回路调节器单、多回路调节器是简单的计算机闭环控 制 系统，即DDC系统最初是因一台数字计算机 只 控制一个回路而得名生产过程控制在较长时期内都是以模拟式 控 制仪表为主这种模拟式控制仪表的特点是运 行 容易、操作方便、系统危险性分散、价格比较 便 宜等，因而受到用户的欢迎随着现代工业的 发西 南 科 技 大 学 网 络 教 育展，模拟式控制仪表逐渐暴露出它的不足之处 ， 主要表现在控制精度差，功能不够强。

例如，它对程序控制、前馈控制、纯滞后 补 偿控制等都难以实现随着微处理器的发展和 性 能价格比的不断提高，单回路和多回路调节器 都 以微处理器为核心因而可称为微处理器控制 仪 表，也就是所谓的智能式调节器（图5.2）实 际上，把单回路调节器的名称改为可编程调节 器西 南 科 技 大 学 网 络 教 育（或数字调节器）更为合适 图5.2 单回路调节器原理图西 南 科 技 大 学 网 络 教 育随着微型计算机机性能的不断提高，单回路 调节器仍然可以进行局部优化控制和解耦控制 由于它功能分散（符合危险分散的原则），硬 件 简单，软件功能强，有自诊断功能，而具事故 发 生后有蓄电池保持适时数据和运行状态可自动 转 入后备手动操作，故可靠性很高，生命很强自1971年以来，由于单回路调节器的飞速 发 展，使许多学科之间的关系发生了变化，同时 也 西 南 科 技 大 学 网 络 教 育加速了仪表的更新换代它的发展使仪表和微 处 理器之间的界限变得十分模糊也给工业过程 控 制带来了新的活力例如，对于复杂回路特殊 的 运算控制等，若用模拟仪表组成系统，则需要 多 台硬件实现的运算单元；而采用单回路调节器 ， 则只要将其内部模块进行组合，就可组成系统 ， 结果 大减少了仪表的安装空间。

西 南 科 技 大 学 网 络 教 育5.2.1.3 微型机测控系统微型机测控系统有专用和通用两种类型 这 种系统通常由计算机和过程I/O两部分组成，其 中计算机可以采用不同的CPU系列，而过程I/O 部 分则包括模拟量I/O子系统和开量I/O子系统等 系统可以采用顺序控制方式，也可以采用DDC 控 制方式，或两者兼而有之各种微型计算机程控系统、数控装置、数 据 西 南 科 技 大 学 网 络 教 育采集系统、微型自动测量和控制系统即属此 类工业控制模块系列，如STD总线、VME总 线、Multi总线工业控制机等也属此类图5.3为典型的STD总线工业控制机系统组 成示意图该系统除有计算机基本系统的CPU 、 存储器和连接外部设备的人-机接口模块外还 有控制模拟量、开关数字量，如热电耦、电机 、 电磁阀等输入/输出的接口模块这些模块均直 西 南 科 技 大 学 网 络 教 育接挂在系统总线即STD总线上CPU可以通过 总 线直接控制这些功能模块在系统中，计算机 总 线即系统总线用MULTI 总线和VME 总线的 系 统，大多采用这种结构 西 南 科 技 大 学 网 络 教 育图5.3 STD总线工业控制机系统 结构图西 南 科 技 大 学 网 络 教 育5.2.1.4 单片微机控制系统随着微电子技术和超大规模集成电路（VLSI ） 技术的发展，现在已从“单元处理器”发展到 了“单 片微控制器”的阶段。

单片微控制器也称单片 计 算机，将CPU、RAM、ROM、定时/计数、多 功 能（并行、串行、A/D）I/O、通信控制器，甚 至 图形控制器、高级语言、操作系统都集成在一 块 大规模集成电路芯片上由于单片微控制器的 高西 南 科 技 大 学 网 络 教 育度集成化，使它具有体积小、功能强、可靠性 高、功耗小、价格低廉、易于掌握、应用灵活 等 多种优点，目前越来越广泛地应用于工业测控 领 域单片微控制器不仅对新兴产业的自动控制 装 置起着重要作用，而且对传统工业技术改造也 起 着巨大的推动作用西 南 科 技 大 学 网 络 教 育5.2.1.5 分散型控制系统（DCS）分散型控制系统（又称集散系统）是70年 代 中期发展起来的新型过程控制系统它是计算 机 技术、控制技术、通信技术和图形显示（CRT ） 技术相结合，完成过程控制和现代化管理的设 备，目前已广泛应用于冶金、石油、化工、电 力 等大型工业领域分散型控制系统采用一台中央计算机指挥西 南 科 技 大 学 网 络 教 育若干台面向控制现场的测控计算机和智能控制 单 元这些现场测控计算机和智能控制单元，可 直 接对被控装置进行测控，负责对过程控制进行 控 制，并向中央计算机报告过程情况。

中央机负 责 全局的综合控制、管理、调度、计划，以及执 行 情况报告等任务分散型控制系统可以是两级的、三级的或 更 多级的它将各个分散的装置有机的联系起来 ，西 南 科 技 大 学 网 络 教 育使整个系统信息流通，融为一体随着测控系统的发展，分散型系统承担的 功 能越来越多它不仅可以实现生产过程控制， 而 且还可以实现最优、生产过程适时调度、 产 品计划、统计等管理功能，成为一种测、控、 管 一体化的综合系统 在这样的综合系统中，可以用一种统管全 局 的方法来考虑所有影响过程控制的因素，即对 西 南 科 技 大 学 网 络 教 育系统中各种耦合和相互作用，以及各种复杂 的反馈途径加以识别，并进行控制，以达到系 统 总统最优化分散型控制系统在其发展过程中，正在采 用 各种最新技术，如高速、高质量的数据通信、 光 纤通信、磁泡存储器、分布式数据库、再线诊 断 和容错技术等分散型控制系统与集中型相比，其功能更西 南 科 技 大 学 网 络 教 育强，具有更高的安全性和可靠性，系统设计、 组 态也更为灵活方便，能分布与较大的地域它 发 展很快，应用很广，是当前大型测控计算机系 统 的主要潮流。

图5.4为典型集散系统TDC3000系统的组成示意图西 南 科 技 大 学 网 络 教 育图5.4 TDC3000系统西 南 科 技 大 学 网 络 教 育5.2.2 工业控制机与信息处理机的区别工业控制机是计算机总体系中的一个重要 分 支，它和主要用作科学计算及数据处理的信息 处 理机是两类不同用途的计算机系统表5.1列出 了这两类计算机在主要用途和典型机型方面的 区 别西 南 科 技 大 学 网 络 教 育表5.1 工业控制机与信息处理机的典型用途及机型西 南 科 技 大 学 网 络 教 育由于这两类计算机的用途不同，环境条件和 使用条件不同，技术要求不同，因此这两类系 统 在系统结构、设计方法和使用方法等方面均有 很 大的不同工业控制机与信息处理机相比较 ，具有以 下 主要特点： （1）丰富的过程输入/输出功能 工业控制机是与工业生产控制系统紧密结合 ， 西 南 科 技 大 学 网 络 教 育主要面向机电产品和成套装置控制应用的要求 与 生产工艺过程和机械设备相匹配的一个有机组 成 部分它必须与调节控制仪表、显示仪表、传 输 接口仪表、检测仪表、执行器，以及连锁保护 系 统联用，才能完成有丰富的过程输入输出设备 和 完善的外部设备，这些是工业控制机能否投入 运 行的重要条件。

西 南 科 技 大 学 网 络 教 育(2) 实时性工业控制机应具有时。