计算机控制技术教案

1、文档编码 : CT9Y8S10C8J7 HY10D6Q2Q3D1 ZD3O10Y8G6L3学习好资料 欢迎下载 运算机把握系统教案 任课老师： 王叙 第 1 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 职业技术学校教案（理论教学用） 章 节 第 1 次课 2学时 第 1 章 绪论 1 运算机把握系统概述 2 运算机把握系统的组成及分类 3 运算机把握争论的课题与进展方向 1 运算机把握系统的组成及分类 1. 把握运算机把握系统的基本概念 2. 把握运算机把握系统的组成与分类 3. 明白运算机把握争论的课题与进展方向 教学思路： 讲授为主,对开环系统,闭环把握系统进行实例介绍,与现实生活中的 把握系统

2、紧密联系起来；水温把握,锅炉把握 板书设计： 在进行多媒体教学,可适当在黑板对重点内容进行强调和分析 讲授主要内 容 重 点 难 点 要 求 掌 握 知 识 点 和 分 析 方法 授课思路,采 用 的 教 学 方 法 和 辅 助 手 段 , 板 书 设 计,重点如何 突出,难点如 何解决,师生 互动等 作业布置 重点突出及难点解决 ：上课开头指出本次课的学习要求和任务,然后讲授相关的知 识点,让同学联想日常生活中常见的把握系统,下课前再次总结本次课的学习内容 及重点难点,通过布置课后作业来进一步巩固学习成效； 师生互动 ：老师列举生活中的典型的运算机把握系统 1. 运算机把握系统的硬件； 2.

3、 过程通道的含义及分类； 主 要 1. 见相关书籍或者报刊 网2. 络 参考资料 3. 杂志和教学参考书 备注 第 2 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 1.1 运算机把握系统概述 运算机把握,是关于将运算机技术应用于工农业生产,国防等行业自动把握的一 门综合性学科与技术； 运算机把握是以运算机,自动把握理论,自动把握工程,电子学和自动化外表为 基础的综合学科； 运算机把握系统简洁地说就是以运算机替代了原模拟把握系统的把握器（把握仪 表）组成的自动把握系统；但是这种取代决不是一种简洁的替代而是一种升华； 运算机把握系统产生的缘由 随着科学的进展,技术的进步和对把握的要求的提 高,把握对象越

4、来越复杂多样, 使把握系统的把握越来越复杂,显现了多输入多 输出的多变量系统,非线性系统 把握,时变和分布参数把握系统；对于这些系统,使用常规的把握方法和手段实现 是特别困难的,因此,电子运算机特别是微型运算 机的显现并应用于自动把握领域, 使自动把握水平产生了庞大的飞跃； 1. 开环把握系统 如图 所示的系统为开环把握系统, 所谓开环把握系统是指把握器依据先验的把握 方案对对象或系统进行把握,使被把握的对象或系统能够依据商定来运动或变化； 设定值 把握器 被控对象 被控参数 图 1. 1 开环把握系统框图 2 闭环把握系统 闭环把握系统的结构如图 1.2 所示, 很明显闭环把握系统较开环把握

5、系统增加了一个 比较环节和一个来自被控参数的反馈信号； 设定值 把握器 被控对象 被控参数 + -本章教案 图 闭环把握系统框图 第 3 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 本章教案 3 运算机把握系统 在上述的开,闭环把握系统中都少不了把握器这样一个环节；如用运算机替代了系 统中的把握器这样就形成了运算机把握系统；由于运算机处理的是数字信号,而自 然界中的信号又都是模拟信号,运算机要替代原模拟调剂器必需完成模拟量到数字 量的转换（ A/D ）和数字量到模拟量的转换（ D/A ）,如图 所示； + -把握器 D/A 对象 A/D 运算机 图 运算机把握系统基本框图（闭环） 第 4 页,共 4

6、7 页学习好资料 欢迎下载 运算机把握系统的把握过程 运算机把握系统的把握过程可简洁地归纳为三个过程： （ 1）信息的猎取 运算机可以通过运算机的外部设备猎取被控对象的实时信息和 人的指令性信息； （ 2）信息的处理 运算机可依据预先编好的程序对从外设猎取 的信息进行处理； （ 3）信息的输出 运算机将最终处理完的信息通过外部设备将这些信号送到把握对 象,通过显示,记 录或打印等操作输出其处理或猎取信息的情形； 运算机把握系统的组成 在运算机把握系统中包括了硬件和软件两大部分； 硬件是由运算机主机,接口电路,外部设备组成,是运算机把握系统的基础； 软件是安装在运算机主机中的程序,它能够完成对其

7、接口和外部设备的把握,完成 对信息的处理,它包含有爱护运算机主机工作的系统软件和为完成把握而进行信息 处理的应用软件的两大部分,软件是运算机把握系统的关键； 运算机把握系统的硬件组成典型的运算机把握系统的硬件主要包括：运算机主机,过程把握通道,操作把握台 和常用的外设,如图 所示；应当指出的是,随着运算机网络技术的快速进展,网 络设备也成为运算机把握系统硬件不行少的一部分； 控 本章教案 CPU A/D 制 对 D/A 象 （ MEM D/I 系 统 ） D/O 主机 过程把握通 道 操作台（通讯） 图典型的运算机把握系统的硬件组成框图 1. 主机 主机是指我们用于把握的运算机,它主要由 整个

8、系统的核心； CPU,储备器和接口三大部分组成,是 目前使用的主机有：单片机, PLC,工业 PC 等； 它主要完成数据和程序的存取,程序的执行,把握外部设备和过程通道中的设备的 工作,实现对被控对象的把握,实现人机对话和网络通信； 第 5 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 由于 CPU 技术的进展和广泛应用及网络技术的进展和广泛应用,主机仍要完成对一 些含 CPU 设备和网络设备的把握； 2 过程把握通道 过程把握通道是被控对象与主机进行信息交换的通道,依据信号的方向和形式,过 程把握通道又可分为： （ 1）模拟量输入通道 完成过程和被控对象送往主机的模拟信号的转换,使之成为 运算机能够

9、接收的标准 数字信号； （ 2）模拟量输出通道 目前,大多数执行机构仍只能接收模拟信号,而运算机运算 决策的最终结果是数字 信号；通过模拟量输出通道完成对数字量转换为模拟量并且保持； （ 3）数字量输入通道 数字量的输入通道是把过程和被控对象的开关量或通过传感 器已转换的数字量以并 行或串行的方式转入运算机； （ 4）数字量输出通道 数字量输出通道是将运算机运算,决策之后的数字信号以串 行或并行的方式输出给 被控对象或外部设备,应当强调的是数字量输出通道输出的信号有时是直接驱动外 部设备,其功率和阻抗的匹配是应当特别留意的； 3. 操作把握台 操作把握台是运算机把握系统人机交互的关键设备,通过

10、操作把握 台,操作人员可 以准时明白被控过程的运行状态,运行参数；对把握系统发出各种把握的操作命令, 并且通过操作把握台仍可以修改把握方案和程序,操作把握台一般应包括： （ 1）信息的显示 （ 2）信息的记录 （ 3）工作方式状态的选择 （ 4）信息输入 4. 通讯设备 随着信息技术的进展和网络的广泛应用及自动化的普及,通信已经变得无所不在； 现代化工业生产过程的规模也越来越大；企业信息化的需求也要求生产过程的数据 能够实时的上传到企业信息治理系统；运算机把握系统作为网络上的一个结点的方 案已经被广泛接受；通讯设备已成为运算机硬件的一个重要部分；这些设备可以完 成运算机把握系统的信息交换； 1

11、.2.3 运算机把握系统的软件组成 对于运算机把握系统来讲,除了硬件之外,仍必需有软件；把握系统的功能和性能 在很大程度上依靠于软件水平的高低 . 所谓软件是指完成各种功能的运算机程序的总和,它分为系统软件和应用软件两大 部分； 1 系统软件 系统软件是爱护运算机运行操作的基础,是用于治理,调度,操作运 算机的各种资 源,实现对系统监控与诊断,供应各种开发支持的程序；这些系统软件包括：操作 系统,监控治理程序,故障诊断程序,各种运算机语言及说明,编译工具；系统软 件一般由供应商供应或专业人员开发,用户不需自己设计开发； 第 6 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 2 应用软件 应用软件是用户

12、依据把握对象,把握要求,为实现高效,牢靠,灵敏的把握而自行 编译的各种程序；它们包括：数据采集,数字滤波,标度变换,键盘的处理,过程 把握算法,输出与把握等程序； 用于应用软件开发的程序设计语言,一般有：汇编, C# , C+ , VB , VC 等； 目 前也有一些特地用于把握的引用组态软件,这些软件功能强,使用便利,组态灵敏, 具有很强的应用前景； 运算机把握系统的分类在生产过程中,依据被控对象的特点和把握功能,运算机 把握系统有各种各样的结 构和形式,按运算机参加的形式,可以分为开环和闭环把握系统；按接受的把握方 案,又分为程序和次序把握,常规把握,高级把握（最优,自适应,估计,非线性

13、等）,智能把握（ FUZZY 把握,专家系统和神经网络等） ； 运算机把握系统的分类不是严格的依据其结构或者功能进行分类的；运算机把握系 统的分类,是依据运算机把握系统的进展历史和在实际应用中的状态并参考以往的 教材进行分类的；一般分为：操作指导把握系统,直接数字把握系统,监督把握系 统,集散把握系统,现场总线把握系统和运算机集成制造系统六大类 1. 操作指导系统（ Operation Guide Control ） 操作指导系统是基于生产过程数据直接采集的非在线的闭环把握系统,如图 1-6 所 示： 运算机通过数据输入通道对生产过程各项参数进行采集,依据工艺和生产的 需求进 行最优化运算,运

14、算出优化的操作条件和参数,利用其输出设备,将其结 果显示或 打印；操作人员依据运算机供应的结果转变把握器的参数或设定值,实 现对生产过 程的把握,这属于运算机离线最优把握的一种形式； 该系统结构简 洁,把握安全,灵敏,由于人的介入使该系统可以应用于一些复杂的 不便由运算机进行直接把握的场合； 计 数 生 据 产 算 采 过 集 机 程 输 人 控 出 制 设 器 备 （ 1）操作指导系统（ Operation Guide Control ） 第 7 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 运算机通过数据输入通道对生产过程各项参数进行采集,依据工艺和生产的需求进 行最优化运算,运算出优化的操作条件

15、和参数,利用其输出设备,将其结果显示或 打印；操作人员依据运算机供应的结果转变把握器的参数或设定值,实现对生产过 程的把握,这属于运算机离线最优把握的一种形式； 该系统结构简洁,把握安 全,灵敏,由于人的介入使该系统可以应用于一些复杂的 不便由运算机进行直接 把握的场合； 2. 直接数字把握系统（ Direct Digital Control ） 直接数字系统是运算机把握系统的最基本形式,也是应用最多的一类运算机把握系 统；其一般结构如图 1-7 所示： 备 道 操 计 过 生 程 作 产 算 台 控 过 机 级 制 程 处 通 理 设 图 1-7 直接数字把握系统 第 8 页,共 47 页学

16、习好资料 欢迎下载 3. 运算机监督把握系统（ Supervisory Computer Control ） 运算机监督把握系统是一种两级的运算机把握系统；如图 1-8 所示 ： 输入通道 生 SCC 输 数 字 （ 或 模 产 过 运算机 程 出 通 拟）把握器 道 图 1-8 运算机监督把握系统 该类系统类似运算机操作指导把握系统；它的区分是 SCC 运算机输出不通过人去改 变,而直接把握把握器,转变把握的设定值或参数,完成对生产过程的把握； SCC 运算机可以利用有效的资源去完成生产过程把握的参数优化,和谐各直接把握回路 的工作,而不直接参加直接的把握,所以运算机监督把握系统是安全性牢靠

17、性较高 的一类运算机把握系统,同时又是运算机集散系统的最初,最基本的模式； 4. 集散把握系统（ Distributed Control ） 集散把握系统又称为分布把握系统；该系统接受分散把握,集中操作,分级治理, 分而自治,综合和谐形成具有层次化体系结构的分级分布式把握,一般分为四级, 如：过程把握级,把握治理级,生产治理级和经营治理级； 过程把握级是集散把握的基础,用于直接把握生产过程,在这级参加直接把握的可 以是运算机也可以是 PLC 或专用的数字把握器, 完成对现场设备的直接监测和把握, 由于生产过程的把握分别由独立的把握器进行把握,使把握器故障引起分散,局部 的故障不会影响整个系统的

18、工作,提高了系统工作的牢靠性； 5. 现场总线把握系统（ Field Bus Control System ） 现场总线把握系统是 20 世纪 90 岁月兴起的快速得以应用的新型运算机把握系统, 已广泛的应用在工业生产过程自动化领域,现场总线把握系统是利用现场总线将各 智能现场设备,各级运算机和自动化设备互联,形成了一个数字式全分散双向串行 传输,多分支结构和多点通信的通信网络； 在现场总线把握系统中,生产过程现场的各种外表,变送器,执行机构把握器都配 有分级处理器, 属智能现场设备； 现场总线可以直接连接其它的局域网, 甚至 Internet ； 可构成不同层次的复杂把握网络,它已经成为今后

19、工业把握体系结构进展的方向之 一； 第 9 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 6. 运算机集成制造系统（ CIMS ） 运算机集成制造的概念是在 70 岁月美国的一名叫哈灵顿提出的,随着运算机和信息 技术的进展最终得以实施；运算机集成制造原本是将工业生产的全过程集成由运算 机网络和系统在统一模式进行,包括从设计,工艺,加工制造到产品的检验出厂一 体化的模式； 随着现代市场的需求和企业模式的现代化运算机集成制造已经将制造集成转换为信 息集成,并融入了企业的全面治理和市场营销； CIMS 是一项宠大的系统工程,它需要有很多基础的应用平台的支持,它实现的是企 业物流,资金流和信息流的统一；由于其

20、涉及面广,应用存在的困难较多,所以许 多 CIMS 工程在规划实话中都提出了整体规划分步实施的策略； 尽管目前 CIMS 工程 在企业的推广存在很多困难,但是它的确使企业真正走向现代化的方向； 第 10 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 职业技术学校教案（理论教学用） 章 节 第 2 章运算机把握系统中的检测设备和执行机构 第 2 次课 4学时 讲授主要内 1. 传感器和变送器 2. 过程把握中常用的执行器 容 3. 运动把握中常用的执行机构 重 点 1. 传感器和变送器原理； 难 点 2. 步进电动机； 要 求 掌 握 知 1. 传感器和变送器原理； 识 点 和 分 析 2. 把握传动机

21、构的原理； 方法 授课思路,采 用 的 教 学 方 教学思路： 本章内容掩盖面广,涉及把握领域的前向通道和后向通道,传感器及变 法 和 辅 助 手 送器原理,执行机构等多个学科；因此只要求同学把握正确的分析方法； 段 , 板 书 设 教学帮忙手段： 多媒体教学,视频动画播放等 计,重点如何 板书设计： 在进行多媒体教学,可适当在黑板对重点内容进行强调和分析 突出,难点如 重点突出及难点解决 ：实例介绍 何解决,师生 师生互动 ：老师和同学共同举出在实际中的例子； 互动等 作业布置 1. 电动机,流量计,伺服系统等等； 2. 举出在实际中利用上述元件设备的例子； 主 要 1. 见相关书籍或者报刊

22、 2. 网络 参考资料 3. 杂志和教学参考书 备注 第 11 页,共 47 页学习好资料 图 1 欢迎下载 锅炉水温把握系统 2.1 传感器和变送器 传感器是能感受规定的被测量并依据确定规律转换成可用输出信号的器件或装 置；传感器的输出信号有多种形式,如电压,电流,频率,脉冲等,输出信号的形 式由传感器的原理确定； 变送器在把握系统中起着至关重要的作用,它将工艺变量 如温度,压力,流量, 液位,成份等 和电,气信号 如电流,电压,频率,气压信号等 转换成该系统统一 的标准信号；因此,变送器的性能,精度等指标对把握系统影响重大； 2.1 传感器和变送器 信号传输及供电的四线制与两线制变送器安装

23、在现场,它的气源或电源从把握室送来,而输出信号送到把握室；气 动变送器用两根气动管线分别传送气源和输出信号； 电动模拟式变送器接受二线制或四线制传输电源和输出信号； 本章教案 第 12 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 HART 协议 智能式变送器接受双向全数字量传输信号,即现场总线通讯方式；目前广泛接受一 种过渡方式,即在一条通讯电缆中同时传输 420mA 电流信号和数字信号,这种方 式称为 HART 协议通讯方式；智能式变送器的电源也由通信电缆传输； 压力检测及变送 液注式压力检测 ：依据流体静力学原理, 把被测压力转换成液柱高度来实现测量的； U 型管压力计,单管压力计,补偿微压计等

24、； 结构简洁,使用便利,但其精度受工作液的毛细管作用,密度及视差等因素的影响； 一般用于测量较低压力,真空度或压力差； 弹性式压力检测 ：依据弹性元件受力变形原理,将被测压力转换成位移来实现压力 测量；主要有弹簧管,膜片和波纹管等 负荷式压力检测 钟罩式； ：利用静压平稳原理进行压力测量；典型外表：活塞式,浮球式和 普遍用作标准仪器对压力外表进行标定； 电气式压力检测 ：利用灵敏元件将被测压力转换成各种电量, 如电阻, 电感, 电容, 电位差等；具有较好的动态响应,特性量程范畴大,线形好,便于进行压力的自动 把握； 其它压力检测方法 ： 弹振式压力计,压磁式压力计； 差动平板式电容传感器结构图

25、 第 13 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 测量部分的作用是通过电容式压力传感器及相关电路把被测差压 . p 成比例的转 换成为差动电流信号 Id； /电流转换电路比例的转换成差动电流信号 Id, 差动电容的相对变化量再通过电容 经放大后转换成 420mA 输出电流； 测量部分的作用是通过电容式压力传感器及相关电路把被测差压 . p 成比例的转 换成为差动电流信号 Id； 差动电容的相对变化量再通过电容 /电流转换电路比例的转换成差动电流信号 Id, 经放大后转换成 420mA 输出电流； 第 14 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 测温方法分类 接触式测量：基于物体的热交换原理设计

26、而成； 优点：较直观,牢靠,系统结构 相对简洁,测量精确度高； 缺点：测温有较大滞后,在接触过程中易破坏被测对 象的温度场分布,从而造成测 量误差,不能测量移动或太小的物体；测温上限受 到温度计材料的限制,故所测温 度不能太高； 接触式测量主要外表： 基于物体受热膨胀原理制成 的膨胀式温度检测外表； 基于密闭容器内工作介质随温度上升而压力上升的性质制成的压力式温度检测仪 表； 基于导体或半导体电阻随温度变化而变化的热电阻温度检测外表 基于热电效应的热电偶温度检测外表； 第 15 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 基于热电效应的热电偶温度检测外表； 非接触测量 基于物体的热辐射特性与温度之间

27、的对应关系而设计的； 优点 :测温范畴广,测温过程中不破坏被测对象的温度场分布；能测量运动物体；测 温响应速度快； 缺点：所测温度受物体发射率,中间介质和测温距离的影响； 主要外表：辐射温度计,光学高温计,光电高温计,比色温度计等； 其他测量技术：光纤测温技术,集成温度传感器测温技术等 工业上常用的 已标准化 热电偶有：铂铑 30- 铂铑 6 热电偶 分度号为 B ,铂铑 10-铂 热电偶 分度号为 S,镍铬 -镍硅 镍铬 -镍铝 热电偶 分度号为 K 等； 引言：先看一个试验 热电偶工作原理演示 热电极 A 热电极 B 左端称为： 测 量 端 （ 工 作 端 , 热 右 端 称 为 ： 自由

28、 端 （参考端, 冷 端） 端） 结论：当两个结点温度不相同时,回路中将产生电动势； 热电偶测温原理 热电偶温度计利用不同导体或半导体的热电效应来测温的 热电偶：两种不同的金属 A 和 B 构成闭合回路 当两个接触端 T T0 时,回路中会产生热电势 热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势预备 第 16 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 接触电势 e T kT ln N A T dT eNB k 玻耳兹曼常数； T 接触面的确定温度； e 单位电荷量； NA 金属电极 A 的自由电子密度 NB 金属电极 B 的自由电子密度 温差电势 （汤姆逊电势） eA T,T0 T 0 汤姆逊系

29、数,它表示温度为 1时所产生的电动势值, 它与材料的性质有关； EAB T ,T0 eAB T eA T ,T0 eAB T0 eB T, T0 eAB T eAB T0 eA T ,T0 eB T ,T0 k e T T0 ln NN B A T 0 T A B dt 第 17 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 结论 1）热电极 A 和 B 为同一种材料时, NA=NB, A= B,就 EABT, T0=0 ； 2）如热电偶两端处于同一温度下, T=T0 , 就 EABT, T0=0 ； 3）热电势存在必需具备两个条件： 一,两种不同的金属材料组成热电偶, 二,它的两端存在温差； E T

30、,T 0 e T T A B dt e T0 T0 A B dt 0T f T f T0 热电势是 T 和 T0 的温度函数的差,而不是温度的函数； 当 T0=0 时, f T0=0 就有： EAB T ,T0 f T E 与 T 之间有唯独对应的单值函数关系, 因此就可以用测量到的热电势 E 来得到对应的温度值 T, 热电偶热电势的大小,只是与导体 A 和 B 的材料有关, 与冷热端的温度有关,与导体的粗瘦长短及两导体接触面积无关； 第 18 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 热电阻测温原理 热电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值随温度变化的性质来测量温度的 当温度上升时,虽然自由电子数

31、目基本不变（当温度变化范畴不是很大时） ,但 每个自由电子的动能将增加,因而在确定的电场作用下,要使这些杂乱无章的电子 作定向运动就会遇到更大的阻力,导致金属电阻值随温度的上升而增加 热电阻引线的功能是使感温元件能与外部测量线路相连接；热电阻引线对测量结果 有较大的影响,现在常用的引线方式有两线制,三线制和四线制三种； 热电阻传 感器是把由温度变化所引起导体电阻值的变化,通过测量电路转换成电压 （毫伏）信号,然后再显示被记录的温度； 热电阻的测量电路通常接受不平稳电桥来转换,热电阻在工业测量桥路中的接法常 接受两线制和三线制两种 热电阻两 为 了 消 线测量桥 除 和 减 路 小 引 线 1

32、电阻 电 阻 的 体 影响,采 2 引出 线 常用的热电阻 铂热电阻：铂材料的优点是：物理,化学性能稳固,抗氧化才能强,并且有 较宽的测量范畴； 铂热电阻的阻值与温度间对应的特性曲线如下： 铂热电阻 （ 1200以下） 当 -200 t0时 Rt=R01+At+Bt2+Ct-100t3 当 0 t 850时 Rt=R01+At+Bt2 Rt 温度为 t时铂热电阻的阻值； R0 温度为 0时铂热电阻的阻值； A ,B,C 温度系数, 它们的数值分别为 10-3（ 1/）, 10-7 （ 1/ 2）, 10-12（1/ 4）； 铜热电阻 -50150 （ 1）在上述使用温度范畴内,阻值与温度的关系

33、几乎成线性关系,即可近似表示为 Rt=R01+ t 式中 电阻温度系数 , =4.254.28/ （ 2）电阻温度系数比铂高,而电阻率比铂低； （ 3）简洁提纯,加工性能好,价格廉价； （ 4）易氧化,不宜在腐浊介质或高温下工作； 第 19 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 3 多轴步进电机把握技术 数控机床的驱动元件常常是步进电机；步进电机是电机类中比较特别的一种, 它是靠脉冲来驱动的； 靠步进电机来驱动的数控系统的工作站或刀具总移动步数预备于指令脉冲的总 数,而刀具移动的速度就取决于指令脉冲的频率； 步进电机不是连续的变化,而是跳动的,离散的； 步进电机：脉冲电机,给一个脉冲电机转一下

34、；它是一种将电脉冲信号转换为 角位移的机电式数模（ D A ）转换器； 3.1 步进电机的工作原理 3.2 步进电机把握接口及输出字表 3.3 步进电机把握程序 3.4 数控系统设计举例 三轴步进电机把握 3.1 步进电机的工作原理 （ 1）步进电机的结构：一句话,内转子和定子构成； 定子：定子上有绕组,教材上这个电机是三相电机,有 电机不仅有三相,仍有四相,五相等等；三对磁极分别为 3 对磁极,实际上步进 A ,B , C,通过开关轮番 通电； 转子：上面带齿；为了说明问题,这里只画了 （ 2）工作原理：对于 三相步进电机的 A ,B , C 这 三个开关,每个开关闭合, 就会产生一个脉冲,

35、现在 我们一块看一下工作过程； 4 个齿；（其实一般有几十个齿） 第 20 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 初始状态时,开关 A 接通,就 A 相磁极和转子的 0, 2 号齿对齐,同时转子的 1, 3 号齿和 B ,C 相磁极形成错齿状态；这就相当于初始化； 当开关 A 断开, B 接通,由于 B 相绕组和转子的 1, 3 号齿之间的磁力线作用, 产生一个扭矩,使得转子的 1, 3 号齿和 B 相磁极对齐,就转子的 0, 2 号齿就和 A , C 相绕组磁极形成错齿状态； 开关 B 断开, C 接通,由于 C 相绕组和转子 0, 2 号之间的磁力线的作用,使得 转子 0, 2 号齿和 C

36、 相磁极对齐,这时转子的 1, 3 号齿和 A , B 相绕组磁极产生错 齿； 当开关 C 断开, A 接通后, 由于 A 相绕组磁极和转子 1,3 号齿之间的磁力线的 作用,使转子 1, 3 号齿和 A 相绕组磁极对齐,这时转子的 0,2 号齿和 B ,C 相绕 组磁极产生错齿；很明显,这时转子移动了一个齿距角； 假如对一相绕组通电的操作称为一拍,那对 A , B, C 三相绕组轮番通电需要三 拍；对 A ,B ,C 三相轮组轮番通电一次称为一个周期；从上面分析看出,该三相步 进电机转子转动一个齿距,需要三拍操作；由于按 A B C A 相轮番通电,就磁 场沿 A ,B,C 方向转动了 36

37、0空间角, 而这时转子沿 ABC 方向转动了一个齿距的 位置；在图中,转子的齿数为 4,故齿距角 90,转动了一个齿距也即转动了 90； 同样的,假如转自由 40 个齿,就转完一个周期是 9； 齿踞角和步踞角： 对于一个步进电机,假如它的转子的齿数为 Z,它的齿距角Z 为 Z=2 Z=360 /Z 而步进电机运行 N 拍可使转子转动一个齿距位置； 步进电机的步距角 可以表示如下 = Z N=360 /NZ 其中： N 是步进电机工作拍数, Z 是转子的齿数； 对于三相步进电机,如接受三拍方式,就它的步距角是 =360 /3 4=30 对于转子有 40 个齿且接受三拍方式的步进电机而言,其步距角

38、是 =360 /3 40=3 第 21 页,共 47 页3.2 学习好资料 欢迎下载 步进电机的工作方式 1步进电机单三拍工作方式 2步进电机的双三拍工作方式 3步进电机的三相六拍工作方式 1. 单三拍工作方式：单三拍就是每次只给一个线组通电,其余的绕组断开； 绕组的通电次序： A B C A 电压波形 在这里,步进电机是由脉冲把握的；而脉冲的输出受运算机的把握； 2步进电机的双三拍工作方式 绕组的通电次序： AB BC CA 电压波形 3步进电机的三相六拍工作方式 绕组的通电次序： A AB B BC CCA A 电压波形 第 22 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 职业技术学校教案（理

39、论教学用） 章 节 第 4 次课 2学时 第 3 章 运算机总线技术 讲授主要内 容 1. 总线的基本概念 2. 内部总线 重 点 1. 总线的概念和分类； 难 点 要 求 掌 握 知 识 点 和 分 析 方法 授课思路,采 用 的 教 学 方 1. 总线的基本概念； 2. 常用的运算机总线； 教学思路： 总线是一组线的集合,它定义了引线的电气,机械,时序等性能,用于 实现运算机内部各个部件之间的相互通信,由于是集成在芯片内部,比较抽象,所 以我们将总线依据各类定义进行了分类； 法 和 辅 助 手 段 , 板 书 设 计,重点如何 突出,难点如 何解决,师生 互动等 教学帮忙手段： 多媒体教学

40、,视频动画播放等 板书设计： 在进行多媒体教学,可适当在黑板对重点内容进行强调和分析 重点突出及难点解决 ：本节的重点在懂得总线的定义和作用,并能列举常用的运算 机总线；下课前再次总结本次课的学习内容及重点难点,通过布置课后作业来进一 步巩固学习成效； 师生互动 ：老师和同学共同对相关问题争论运算； 作业布置 1. 什么是总线,计总线的分类； 2. 简述 PCI 总线的性能和特点； 主 要 1. 见相关书籍或者报刊 2. 网络 参考资料 杂志和教学参考书 3. 备注 第 23 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 运算机总线技术 . 随着微处理器技术的飞速进展, 总线技术也得到不断创新； 先后

41、显现了 ISA , MCA , EISA , VESA ,PCI , AGP , IEEE1394 ,USB 等总线技术； . 芯片内部的总线技术也在不断进展, AMBA ,Core Connect ,CoreRAM 等已 经形成集成电路内部特别具有竞争力的总线标准； . 工业把握的 PROFIBUS , FF 等现场总线技术； 总线的数据传输速度也不断提升,目前, AGP 局部总线数据可达 528MB/s , PCI-X 可达 1GB/s,系统总线传输速率也由 150MB/s , 200MB/s ； . 总线的基本概念 . 内部总线 . 外部总线 66MB/s 提高到 100MB/s 甚至更

42、高的 133MB/s , 总线的基本概念 总线的定义：总线就是一组信号线的集合,它定义了各引线的信号,电气和机械特 性,使运算机系统内部的各部件之间以及外部的各系统之间建立信号联系,进行数 据传递和通信； 总线的特点 . 规定了各引线的信号,时序,电气和机械特性 . 为运算机系统内部各部件,各模块之间或运算机各系统之间供应了标准的公 共信息通路 . 接受总线标准设计,生产的运算机模板和设备具有很强的兼容性 3.1.1 总线的分类 依据总线内部信息传输的性质 ,总线可分为 . 数据总线 :DB 用于传送数据信息 地址总线 :AB 是特地用来传送地址的 . 把握总线 :CB 把握总线包括把握,时序

43、和中断信号线 电源总线 :PB 用于向系统供应电源 第 24 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 总线的分类 依据总线在系统结构中的层次位置 ,总线可分为 . 片内总线 On-Chip BUS 在集成电路的内部,用来连接各功能单元的信息通路 . 内部总线（ Internal Bus 用于运算机内部模块（板）之间通信 . 外部总线（ External Bus ：又称通讯总线 用于运算机之间或运算机与设备之间通信 依据总线的数据传输方式 ,总线可分为并行总线：每个信号都有自己的信号线 串行总线：全部信号复用一对信号线 总线的分类 片内总线 在集成电路的内部,用来连接各功能单元的信息通路； 受芯片

44、面积及对外引脚数的限制, 片内总线大多接受单总线结构, 这 有利于芯片集成度和成品率的提高, 而对于内部数据传送速度要求较 高的,也可接受双总线或三总线结构； ASIC 技术的显现,用户也可以依据自己的要求,借助于适当的 EDA 工具,设计自 己的芯片； 第 25 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 内部总线：系统总线或板级总线 内部总线是微机系统中最重要的总线, 人们平常所说的微机总线就是 指系统总线,如 STD 总线, PC 总线, ISA 总线, PCI 总线等 按功能可分为数据总线 DB ,地址总线 AB ,把握总线 CB,和电源总 线 PB 数据总线 D ：用于传递数据信息 总线宽

45、度：数据信号线的根数； 预备设备获得最大性能 影响运算机系统性能 地址总线 A ：用于传递地址信息 地址总线宽度： 地址线的根数 预备直接寻址才能 防止 IO 地址与内存地址的重叠 把握总线 C： 包括把握,时序和中断信号线,用于传递各种把握信息,预备了总线的性能好坏 电源总线 P：供应电源 第 26 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 3.1.2 总线主要性能指标 总线频率 即总线工作时钟频率,单位为 MHz ,它是影响总线传输速率的重要因素之一； 总线宽度 又称总线位宽,是总线可同时传输的数据位数,用 bit （位）表示,如 8 位, 16 位, 32 位等；明显,总线的宽度越大,它在同

46、一时刻就能够传输更多的数据； . 总线带宽 又称总线传输率,表示在总线上每秒传输字节的多 少,单位是 MB/S ；影响总线 传输率的因素有总线宽度,总线频率等；一般的, 总线带宽（ MB/S ） = 1/8总线宽度总线频率 同步方式 可分为同步方式和异步方式；在同步方式下,总线上主模块与从模块进行一次数据 传输的时间是固定的,并严格依据系统时钟来统确定时主模块,从模块之间的传输 操作,只要总线上的设备都是高速的,就可达到很高的总线带宽； 总线复用 接受多路复用技术,可以削减总线的数目； 信号线数 说明总线拥有多少信号线,是数据总线,地址总线,把握总线和电源总线的总和； 信号线数与总线性能不成正

47、比,但一般与复杂度成正比 总线把握方式 包括并发工作,自动配置,仲裁方式,规律方式,计数方式等； 几种微型运算机总线性能参数 第 27 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 3.1.4 总线把握与总线传输 集中式：将把握规律集中在一处 如在 CPU 中 ；集中把握是单总线,双总线和三总 线结构运算机主要接受的方式,常见的集中把握方式主要有链式查询方式,计数器 定时查询方式和独立恳求总线把握方式； 分布式：将总线把握规 律分散在与总线连接的各个部件或设备上； 总线传输 总线上的数据在主模块的把握下进行传送；一般的,总线在完成一次传输周期时, 可分为四个阶段： 申请支配阶段 由需要使用总线的主模块

48、 或主设备 提出申请,经总线仲 裁机构预备在下一传输周期是否能获得总线使用权； 寻址阶段 取得了使用权的主模块,通过总线发出本次预备拜望的从 模块 或从设备 的储备地址或设备地址及有关命令, 启动参 与本次传输的从模块； 数据传输阶段 主模块和从模块进行数据交换,数据由源模块发出经 数据总线流入目的模块； 终止阶段 主模块的有关信息均从系统总线上撤除,让出总线使用权； 第 28 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 3.2 内部总线 . STD 总线 . PC 系列总线 3.2.1 STD 总线 .STD 总线起初设计为可用于 64K 储备空间的 8 位总线, 后进展成可用于寻址 16M 空间

49、的 16 位总线 STD 总线的特点： 56 根并行总线,接受小模板结构 , 尺寸为 165 114mm 模块化的总体设计布局 开放式的系统结构 兼容式总线结构,拥有丰富的 I/O 功能,广泛适用于工业把握 小模板结构,模板尺寸小 ,可削减冲击和震惊的影响 STD 总线的信号支配 56 根并行总线都有明确的定义,按功能可分为五大类 1规律电源线 6 根 引线 1 6 2数据总线 8 根 引线 714 3地址总线 16 根 引线 15 30 4把握总线 22 根 引线 31 52 5帮忙电源线 4 根 引线 53 56 3.2.2 PC 系列总线 ISA 总线 MCA ：微通道体系结构 EISA

50、 总线 PCI 局部总线 ISA 总线 问世较早,是 8 位, 16 位数据传输总线的工业标准 最高传输速率 8Mbps 寻址空间为 16MB 将 CPU 看作唯独的主模块,其余外设均为从模块,包括可以临时掌 握总线的 DMA 和协处理器 98 根总线分成 5 类：地址线,数据线,把握线,时钟线和电源线 MCA 总线（ Micro Channel Architechure ） IBM 在推出 386 时提出 数据,地址总线宽度 32 位,支持 4GB 的寻址才能 数据传输速率 33Mbps 在电气及物理上与 ISA 不兼容 IBM 没有公布标准 EISA 总线 89 年,推出 486 时提出

51、32 位数据总线,支持 32 位地址通路 总线主控技术,扩展卡上具有总线主控处理器 与 ISA 兼容,支持多个主模块 可以自动依据需要进行 32, 16, 8 位数据间的转换 第 29 页,共 47 页 学习好资料 欢迎下载 支持多总线主控模块 扩展卡的安装特别简洁,可依据配置文件自动配置系统和扩展板 PCI 局部总线 PCIPeripheral Component Interconnect ,设备部件互连 总线是一种高 性能局部总线,它是 92 年由 Intel 公司带头制定的设备总线标准 支持 64 位数据传送,多总线主控模块,线性猝发读写和并发工作方 式 具有即插即用功能 PnP 最高传

52、送数据 132Mbps 兼容性强,成本低 第 30 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 职业技术学校教案（理论教学用） 章 节 第 3 章 运算机总线技术 第 5 次课 2学时 讲授主要内 1 外部总线 容 重 点 1. IEEE-488 总线定义； 2. RS232 总线定义和 RS485； 难 点 3. 通用 USB 总线； 要 求 掌 握 知 识 点 和 分 析 1. RS232 总线定义； 方法 授课思路,采 用 的 教 学 方 法 和 辅 助 手 段 , 板 书 设 计,重点如何 教学思路： IEEE-488 是一种并行的外部总线,用于运算机与测量仪器,输入输出设 备,以及这些仪器

53、之间的并行通信； RS-232 是一种串行的外部总线, USB 是目前 USB 接口的基本配置,用得相当广泛；结合实物,讲解每类线的特性计用途； 教学帮忙手段： 多媒体教学,视频动画播放等 板书设计： 在进行多媒体教学,可适当在黑板对重点内容进行强调和分析 突出,难点如 何解决,师生 互动等 重点突出及难点解决 ：本节的重点和难点懂得各类总线的接口定义,用途及相应的 典型案例；下课前再次总结本次课的学习内容及重点难点,通过布置课后作业来进 一步巩固学习成效； 师生互动 ：老师和同学一起对各类总线进行总结,比较他们的优劣； 作业布置 1. RS232 总线常用的有哪些信号？如何通过该接口实现数据

54、远程发送与接收； 2. USB 数据传输的有哪些； 主 要 1. 见相关书籍或者报刊 2. 网络 杂志和教学参考资料 3. 参考书 备注 第 31 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 3.3 外部总线 外部总线又称为通信总线,用于运算机之间,运算机与远程终端,运算机与外 部设备以及运算机与测量仪器外表之间的通信； 该类总线不是运算机系统已有的总线,而是利用电子工业或其他领域已有的总线标 准；外部总线又分为并行总线和串行总线 . . IEEE-488 总线 . RS-232-C 总线 . RS-422 和 RS-485 总线 . 通用串行总线（ USB） 3.3.2 RS-232-C 总线 R

55、S-232-C 总线是一种串行外部总线, 特地用于数据终端设备 DTE 和数据通信设 备 DCE 之间的串行通信； 是 1969 年由美国电子工业协会（ 常用的 9 根引脚分为两类： 一类是基本的数据传送引脚 EIA ）从 CCITT 远程通信标准中导出的一个标准； 基本数据传送引脚包括： TXD , RXD 和 GND . 另一类是用于调制解调器（ MODEM ）的把握和反映其状态的引脚； . MODEM 把握和状态引脚分为两组 . 一组为 DTR 和 RTS,负责从运算机通过 RS-232C 接口送给 MODEM . 另一组为 DSR,CTS, DCD 和 RI,负责从 MODEM 通过

56、RS-232C 接口送给运算机的状态信息 RS-232C 总线的电气特性 电气连接方式 第 32 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 主要特点： 非平稳的连接方式 接受点对点通信 公用地线 引线信号状态 RS-232C 标准引线状态必需是以下三种之一,即 ON/OFF 通 /断 ,或规律 0/规律 1； 引线规律电平 用 -3 -15V 表示规律 1 用 +3+15V 表示规律 0SPACE/ MARK 空号 / 传号 ,或 . 短路抑制性能 RS-232C 的驱动电路必需能承担电缆中任何导线短路 通信速率 最高通信速率为 115200bps RS-232C 标准规定通信距离应小于 15m；

57、 RS-232-C 总线的通信结构 具有 MODEM 设备的远距离通信线路 第 33 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 .第 34 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 职业技术学校教案（理论教学用） 章 节 第 6 次课 2学时 第 4 章 过程通道与人机接口 讲授主要内 容 1. 数字量的输入输出通道 2. 模拟量的输出通道； 重 点 1. 数字量输入调理电路 2. 数字量的输出驱动电路； 难 点 3. D/A 转换器原理 要 求 掌 握 知 识 点 和 分 析 方法 授课思路,采 用 的 教 学 方 法 和 辅 助 手 段 , 板 书 设 计,重点如何 1. 把握常见的输入调理电路,

58、输出驱动电路； 2. D/A 转换器的原理； 教学思路 ：过程通道是在运算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道, 他是运算机进行把握的必经之道,而且现实生活中也能找到相应的连接通道,因此 同学必修把握； 教学帮忙手段： 多媒体教学,视频动画播放等 板书设计： 在进行多媒体教学,可适当在黑板对重点内容进行强调和分析 突出,难点如 何解决,师生 互动等 重点突出及难点解决 ：本节的重点和难点在于如何让同学懂得各个通道的详细含有, 特点和用途；下课前再次总结本次课的学习内容及重点难点,通过布置课后作业来 进一步巩固学习成效； 师生互动 ：老师和同学共同通过试验加深对电感器基本特点的懂得；

59、1. 什么是过程通道,及组成； 作业布置 2. 数字量输出驱动电路的三种形式； 主 要 1. 见相关书籍或者报刊 2. 网络 杂志和教学参考资料 3. 参考书 备注 第 35 页,共 47 页学习好资料 欢迎下载 第 4 章 过程通道与人机接口 过程通道与人机接口 过程通道：过程通道是在运算机和生产过程之间设置的信息传 送和转换的连接通道, 它包括模拟量输入通道,模拟量输出通道,数字量（开关 量）输入通道,数字量（开 关量）输出通道； 人机接口：运算机和操作人员之间常常需要互通信息 ,为此运算机和操作人员之间 应设置显示器和操作器,其中一种是 CRT 显示器和键盘,另外一种是针对某个生产 过程

60、把握的特点而设计的操作把握台等；通常把上述两类设备简称为人机接口； 作用：显示生产过程的状况；供操作人员操作；三是显示操作结果； 本章教案 .数字量的概念及种类 1 数字量（开关量）的概念 开关的闭合与断开 指示灯的亮与灭 继电器或接 触器的吸合与释放 电机的启 动与停止 设备的安全状况等； 数字量（开关量）的种类 按类型分有电平式和触点式两种 . 电平式为高电平或低电平 . 触点式为触点闭合或触点断开,一般又分为机械触点和电子 触点； .DI 的任务 : . 机械触点：按钮,旋钮,行程开关,继电器等触点 . 电子触点：晶体管输出型的接近开关和光电触点等 把外界被控对象的开关状态信号,或数字信