第章控制系统设计

第七章控制系统设计

机电一体化系统设计第六章控制系统设计开关量...数字量…脉冲量...模拟量…由继电器、分立元器件组成的电路来实现控制继电器接触器主令电器开关电器第六章控制系统设计一、可编程控制器继电器控制...接触器控制…被早期可编程控制器替代实现逻辑运算

被称为programmablelogiccontroller，PLC，随着电子技术、计算机技术的迅速发展，可编程控制器的功能已经远远超出逻辑运算的范畴，被称为programmablecontroller，PC，为区别个人电脑，故仍沿用PLC。第六章控制系统设计一、可编程控制器

PLC由1966年美国数据设备公司(DEC)研制，现美国GE公司，日本OMRON公司，德国SIEMENS公司的可编程序控制器质量优良，功能强大。

第六章控制系统设计一、可编程控制器

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）。第六章控制系统设计可变长度之切断机控制

第六章控制系统设计一、可编程控制器

PLC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。

第六章控制系统设计一、可编程控制器第六章控制系统设计一、可编程控制器编程器:用于用户程序的输入、编辑、调试和监视，它经过编程器接口与CPU联系，完成“人—机”对话。第六章控制系统设计一、可编程控制器

人机界面第六章控制系统设计一、可编程控制器CPU：接收和存储用户由编辑器键入的程序和数据。检查编程中的语法错误，诊断电源及PLC内部的工作故障。用扫描方式工作，接收来自现场的输入信号，并输入到寄存器和存储器中。第六章控制系统设计一、可编程控制器CPU：在进入运行方式后，从存储器逐条读取并执行用户程序。根据运算结果，更新有关标志位的状态，刷新寄存器内容，经输出部件实现输出控制、打印制表或数据通信等功能。第六章控制系统设计一、可编程控制器存储器：配有两种存储系统，用于存放系统程序的系统程序存储器和存放用户程序的用户存储器。系统程序是由PLC生产厂家编写的系统监控程序。I/O接口：CPU与外部设备、存储器的连接和数据交换都需要通过接口设备来实现，前者被称为I/O接口，而后者则被称为存储器接口。

第六章控制系统设计PLC的工作过程：公共处理扫描阶段(PLC自检、监视定时器或watchdogtimer清零)，输入采样扫描阶段，执行用户程序扫描阶段，输出刷新扫描阶段。第六章控制系统设计一、可编程控制器小型机：I/O点数在256点以下，一般只具有逻辑运算、定时、计数和移位等功能。适用于小规模开关量控制。第六章控制系统设计一、可编程控制器中型机：I/O点数在256~1024之间，增加了模拟量输入输出、算术运算、数据传输、数据通信等功能。可完成既有开关量又有模拟量的复杂控制。第六章控制系统设计一、可编程控制器大型机：I/O点数在1024以上，具有数据运算、模拟调节、联网通信、监视记录、打印等功能。能进行中断控制、智能控制、远程控制等。第六章控制系统设计PLC的选型深入现场调查研究，与机械设计人员及操作人员密切配合，共同制定电气控制方案。机型选择整体式结构PLC模块式结构PLC工艺固定、维修量少的场合其他场合小型机设备为开关量控制或带少量模拟量控制中型机实现PID运算、闭环控制、通信联网等大型机大规模过程控制整个工厂自动化第六章控制系统设计PLC的选型容量选择储存器容量I/O点数一条逻辑指令占储存器一个字，计数、计时、移位及算术运算、数据传送等指令占储存器两个字。开关量输入10~20字节/点开关量输出5~10字节/点定时器计数器25字节/个计算机通信接口300字节以上/个PLC容量的选择除满足控制要求外，还要留有25%的裕量第六章控制系统设计PLC的选型I/O模块输入模块选择输出模块选择电压选择：5V~24V属低电平,传输距离不宜太远,48V,60V,110V/220V可传输距离较远。同时接点数：取决于电压环境温度,不超过输入点数的60%输出方式：有触电元件电压范围宽，不适合频繁通断负载。同时接点数：不超过输入点数的60%输出电流：输出电流必须大于负载电流的额定值第六章控制系统设计二、单片微型计算机技术单片机是在一块超大规模集成电路芯片上，集成了微处理器、存储器、输入/输出接口、定时器、计数器、终端系统等功能部件的电子元件。第六章控制系统设计二、单片微型计算机技术我们生活的各个领域几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡,录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物。第六章控制系统设计二、单片微型计算机技术单片机是五脏俱全的微型计算机，但必须借助于开发工具进行系统诊断和应用软件开发。第六章控制系统设计

单片机开发工具：单片机KIT2仿真器能够对几乎所有的闪存单片机编程和调试。同时它也支持部分串行EPROM芯片。第六章控制系统设计Super51-S200单片机

第六章控制系统设计

单片机选型程序存储器的容量可根据程序的大小确定。对于8位单片机片内程序存储器的最大容量能达到64KB，不够时还可以扩展。选用时程序存储器的容量只要够用就行了，不然会增加成本。存储器程序存储器ROM数据存储器RAM程序在运行中存放临时数据MASKROM适用成熟大批量生产的产品EPROM需要紫外线擦除、较费时间FlashROM适用做试验或样机的研发阶段,程序可电写入、电擦除。OTPROM适用初具规模的产品,方便程序修改，产品能进行及时的调整和升级。第六章控制系统设计

单片机选型

运行速度根据需要选择速度，不要片面追求高速度。运行速度稳定性抗干扰性功耗导致第六章控制系统设计

单片机选型I/O（输入/输出）口

I/O口的数量和功能是选用单片机时首先要考虑的问题之一，要根据实际需要确定I/O口的数量。I/O口成本导致芯片体积增大第六章控制系统设计

单片机选型

封装形式DIP(双列直插式封装):一般做实验时选用封装形式PLCC(PLCC要对应插座)QFP(四侧引脚扁平封装)SOP(双列小外形贴片封装)系统的体积有要求编程器编程时还配专用的适配器第六章控制系统设计

单片机选型

其他方面

有没有集成的开发环境，在支持汇编语言的同时是否支持C语言

你选择的单片机对应的编程器、仿真器价格是否高，是否要用专用设备

如果有两种单片机都能解决问题，当然选一种你熟悉的品种。技术支持、服务和产品价格等。第六章控制系统设计三、机电系统的PC控制技术

PLC控制主要针对工业现场设备的逻辑控制单片机主要应用于小型工业、家用产品工业PC控制是计算机控制系统的高级阶段第六章控制系统设计三、机电系统的PC控制技术工业PC主要应用于大型工业装备和系统的过程控制，包括离散系统的逻辑控制和连续过程的闭环控制。机电系统中，从复杂零件的数控加工过程控制、多轴工业机器人的轨迹控制，到柔性制造系统和生产线的调度控制等。柔性制造系统——FMSFMS第六章控制系统设计工业PC控制系统的特点：1、实时性强实时系统弱实时系统soft-real-timesystem强实时系统hard-real-timesystem银行交易系统计时打卡系统歌曲点歌系统信息采集系统航空航天领域核能控制领域工业控制领域军事安全领域

工业控制计算机通常采用查询和中断的方式进行外部事件相应处理，对于强实时事件中断服务程序进行处理第六章控制系统设计工业PC控制系统的特点：2、可靠性高系统措施双控制站双操作站双网通信双供电系统双电源等

工业PC控制系统常用于控制连续的生产过程，在运行期间不允许停机检修，一旦发生故障将导致质量事故或生产事故。要求工控机低故障率和短维修时间。单机措施全钢化工业机箱插板式结构双风扇，正压对流排风装有滤尘网用以防尘工业电源，并有过压、过流保护电子锁防非法开、关和非法输入设有“看门狗”定时器采用无源母板，方便系统升级第六章控制系统设计工业PC控制系统的特点：第六章控制系统设计工业PC控制系统的特点：3、开放式软件平台

比尔·盖茨13岁开始编写计算机程序。1973年进入哈佛大学法律系，19岁退学，创办微软，任董事长、总裁兼首席执行官。MS-DOS伴随IBMPC电脑出征，由于所有PC个人电脑（包括其他厂商生产的兼容机）都需要安装MS-DOS，其用户后来竟超过3000万，历史上从来没有哪个软件能够达到如此庞大的用户数。微软公司依托MS-DOS迅速崛起。80年代，微软陆续推出Windows操作系统。第六章控制系统设计工业PC控制系统的特点：3、开放式软件平台操作系统MacLinuxUnixWindowsVisualbasicVisualC++LabviewMatlab主轴电机伺服电机刀库中刀具定位电机机械手旋转电机立柱伺服电机加工中心机械移动系统机械移动系统的基本元件是质量、阻尼和弹簧，应用牛顿第二定律建立机械移动系统数学模型。机械移动系统对上式去拉氏变换，得系统的传递函数：系统传递函数框图：数控机床系统电机通过两级齿轮减速及丝杠螺母机构驱动工作台作直线运动。数控机床系统设输入量为电机的转角θ1，输出量为工作台的线位移x0，建立平衡方程：数控机床系统设输入量为电机的转角θ1，输出量为工作台的线位移x0，建立平衡方程：图直线一级倒立摆模型M小车质量1.096Kgm摆杆质量0.109Kgb小车摩擦系数0.1N/m/secl摆杆转动轴心到质心长度0.25mI摆杆惯量0.0034kg·m2F加在小车上的力x小车位置φ摆杆与垂直向上方向的夹角θ摆杆与垂直向下方向的夹角图小车及摆杆受力分析N和P为小车与摆杆相互作用力的水平和垂直方向的分量。小车水平方向的合力摆杆水平方向的合力水平方向的运动方程图小车及摆杆受力分析

对摆杆垂直方向上的受力进行分析，可得垂直方向的运动方程水平方向的运动方程

用u来代表被控对象的输入力F，线性化后，两个运动方程如下(其中)：进行拉普拉斯变换，得到摆杆角度和小车位移的传递函数：摆杆角度和小车加速度之间的传递函数为：摆杆角度和小车所受外界作用力的传递函数：把实际参数代入，可得系统的实际模型：M=1.096Kgm=0.109Kgb=0.1N/m/secl=0.25mI=0.0034kg·m2其中MATLAB仿真结果倒立摆摆角（θ）小车位移（x）一级倒立二级倒立三级倒立四级倒立虚拟加工第六章控制系统设计在实验室环境下，漫游者号通过训练，能够识别和通过艰难地形。当机器人被置在远距离位置执行任务时，比如火星表面，这种习得的技能就能派上用场。虚拟仿真第六章控制系统设计

人类最初用手指计算，因为人有两只手，十个手指头。用手指头计算固然方便，但不能存储计算结果。于是人们用结绳记事来延长记忆能力。

到了春秋时到就出现了算筹。人类最早有实物作证的计算工具诞生在中国。祖冲之借助算筹，成功地将圆周率π值计算到小数点后的第7位。第六章控制系统设计欧洲直到17世纪才出现计算尺和机械式计算机

到了唐朝已经有了至今仍在使用的计算工具—算盘。珠算是我国人民独特的创造。第六章控制系统设计

奥却德发明的对数计算尺不仅能做加、减、乘、除、乘方、开方运算，甚至可以计算三角函数、指数函数和对数函数，它一直使用到袖珍电子计算器面世为止。第六章控制系统设计

德国伟大的数学家莱布尼茨因独立发明微积分而与牛顿齐名，在1674年造出一台完善的机械计算机—“乘法器”。公元1700年左右，莱布尼茨中国“易图”(八卦)里受到启发，最终悟出了二进制数之真谛。

第一代计算机（1946-1958）是采用电子管作为逻辑元件，用阴极射线管或汞延迟线作主存储器，外存主要使用纸带、卡片等，程序设计主要使用机器指令或符号指令，应用领域主要是科学计算。当时的运算速度为5千——3万次每秒。

1946年2月世界上第一台电子计算机ENIAC在美国的宾夕法尼亚大学诞生。它采用电子管作为计算机的基本元件，由18000多个电子管，1500多个继电器，10000多只电容器和7000多只电阻构成，占地170m2，重量30吨，每小时耗电30万千瓦,是一个庞然大物，每秒能进行5000次加法运算。

第三代计算机（1965-1970）采用中小规模的集成电路块代替了晶体管等分立元件，半导体存储器逐步取代了磁芯存储器的主存储器地位，磁盘成了不可缺少的辅助存储器，计算机也进入了产品标准化、模块化、系列化的发展时期，计算机的管理、使用方式也由手工操作完全改变为自动管理，使计算机的使用效率显著提高。

1964年研制出计算机历史上最成功的机型之一IBMS/360。S/360极强的通用性适用于各方面的用户，它具有“360度”全方位的特点，并因此得名。IBM为此投入了50亿美元的研发费用，远远超过制造原子弹的20亿美元。IBM360成为第三代电脑的标志性产品。

第四代计算机（1971-至今）使用大规模和超大规模集成电路，主存储器均采用半导体存储器，主要的外存储器是磁带、磁盘、光盘、U盘，微处理器和微型计算机诞生。多媒体技术和网络技术的广泛应用，让计算机深入到社会的各个领域。

1976年苹果计算机：集成电路的发展，计算机开始了小型化的历程。

最新的笔记本电脑

1982年IBM个人计算机

信息输入、识别、变换、运算、存储和决策分析等技术

SD卡时间型号公司19714004Intel19728008Intel1974Z-80Zilog19768086Intel197868000Motorola198180286Intel198680386Intel198768030Motorola198880486Intel1993pentiumIntel微处理器

深蓝有30个RS/6000SP处理器，每个处理器上有两块象棋加速卡，每块卡上有6~8个VLSI象棋芯片IBM中国研究所深蓝原型机示意图谢军和许峰雄第六章控制系统设计

天河一号超级计算机

天河一号二次世界大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。五十年代后兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹(发射，操纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现(英国科学家A.J.G.MacFarlane)。美国MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一台数控机床(1952)世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957)Sputnik1wasthefirstartificialsatellitelaunchedintospace

1957.Laika.Sputnik2美国GeorgeDevol研制出第一台工业机器人样机(1954)，两年后，被称为机器人之父的JosephEngelberger创立了第一家机器人公司，Unimation苏联东方-１号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道，人类宇航时代开始了(1961)1961,attheageof27,Gagarinlefttheearth.ItwasAprilthe12th,9.07Moscowtime(launch-site,Baikonur).108minuteslater,hewasback.Theperiodoforbitalrevolutionwas89:34minutes(thisfigurewas"calculatedbyelectroniccomputers").Themissionsmaximumflightaltitudewas327000meters.Themaximumspeedreachedwas28260kilometersperhour.

宇宙哥伦布-加加林AstampissuedbyRussiatomemorizeY.GagarinCapsuleusedinfirstmannedorbitofearthIn1961,thefirsthumantopilotaspacecraft,YuriGagarin,waslaunchedbytheSovietUnionaboardVostokI.1963年,美国的LoftiZadeh与C.Desoer发表LinearSystems-AStateSpaceApproach。1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念美国的E.I.Jury

发表“数字控制系统”(Sampled-DataControlSystem)，建立了数字控制及数字信号处理的基础(1958)C.Desoer模糊控制美国的M.E.Merchant提出计算机集成制造的概念(1969)计算机集成制造系统——CIMSCIMSCAD:计算机辅助设计(ComputerAidDesign)CAM:计算机辅助制造(ComputerAidedManufacturing)CAPP:计算机辅助工艺规划(Computer-AidedProcessPlanning)CAQ:计算机辅助质量管理(ComputerAidiedQuality)MIS:管理信息系统(ManagementInformationSystem)ERP:企业资源计划(EnterpriseResourcePlanning)MAS:制造自动化系统(ManufacturingAutomationSystem)TIS:技术信息系统(Technicalinformationsystem)美国ARPA计算机网络初步建成(1971)

远程实时监控

日本Fanuc公司研制出由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(1976)机器人类智能机器人第六章控制系统设计四、控制系统的地位和要求

控制系统是机电一体化产品最重要的组成部分，相当于人的“大脑”，实现控制及信息处理功能。

对控制系统的基本要求：

被控制量按规定的规律变化，控制系统具备：稳定性、快速性、准确性。第六章控制系统设计

快速性是要求系统有一定的响应速度。即要求输出量,能够迅速地根据输入信号所规定的形式变化。

准确性

是表示系统控制精度的一项性能指标。要求系统在输入信号作用下，系统输出值与期望值之间的差异较小，即误差要小。

稳定性

是系统能交付使用的首要条件。包括两方面的含义，一是绝对稳定性，就是通常所说的系统稳定；另一方面是相对稳定性，外界干扰消除后能否快速回到稳定状态。五、控制系统的基本构成

控制系统是由控制装置、执行机构、被控对象、检测装置所构成的整体，其基本构成如图所示：

控制器执行机构被控对象检测装置给定值输出值控制装置

被控对象可以是一台设备、一个系统或一种过程，它在控制装置的作用下，按预定的规律动作。

计算机控制系统的构成：六、控制系统的基本类型常有以下四种：

1）数字控制系统（NCS）

是将被加工零件的几何信息和工艺信息数字化，按规定的代码和格式编成加工程序，由计算机生成数字形式的指令，再驱动机器运动。其实际上是轨迹控制的问题。数控装置伺服系统机床检测装置控制介质

控制介质：传递零件的加工信息；

数控装置：数控系统核心，包含硬件及其软件，用于完成信息的输入、存储、变换、运算及各种控制功能；

伺服系统：接收指令,驱动机床的执行机构（即电信号到机械量转换）；

检测装置：检测速度和位移，并反馈信息。2）伺服控制系统（ServoControlSystem

）

伺服系统中，输入为模拟量或数字量的电信号，输出是机械的位移或速度的变化。主要考虑如何稳定、快速、准确的实现指令的功能，即要使输出量以一定的精度复现输入量的变化，常称为动作控制。CNC系统驱动电机检测装置控制信号反馈信号光栅尺伺服驱动系统

3）顺序控制系统

如设备的运行或停止、阀门的开或关，风机的启动、停止等控制系统。其是按照生产工艺预先规定的顺序，依次完成各种操作。常是按时间顺序或逻辑顺序进行的开环控制。在顺序控制系统中，运算和控制信息的全部是“开”或“关”两种信息。初始位置传送带向前钻传送带向前铣

传送带向前终检

S0S1S2S3S4S5S6

预备

钻

铣

终检顺序控制的结构S0S1S2S3S4S5S64）过程控制系统

以表征生产过程的参量为被控制量，使之接近给定值或保持在给定范围内。其参量常有温度、压力、流量、液位、浓度等。通过对过程参量的控制，可使产品的产量增加、质量提高、能耗减少。

过程控制系统通常采用闭环反馈控制形式。

恒温箱的温度控制系统七、控制系统设计的基本过程和内容

一般设计过程如图示：

控制子系统设计的主要内容有：1)确定控制子系统的设计方案：

采用何种控制方式，开环还是闭环；

考虑驱动元件的类型和执行机构的类型；

选择观测点、被测量和传感器；

考虑微机在整个系统的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理；

微机应具备哪些功能，需哪些输入/输出通道，配备哪些外围设备等；

画出控制系统组成的初步框图。2)确定控制算法：

根据运动规律建立数学模型（系统动态性能的数学表达式）。

数学模型反映了系统输入、内部状态和输出之间的数量和逻辑关系，为计算机进行运算处理提供依据，即可由数学模型推出控制算法。

应根据不同的控制对象、不同的控制指标要求，选用不同的控制算法。

常用的控制算法较多。如PID控制、自适应控制、神经网络控制、模糊控制等。3)选择微型计算机：4)控制系统总体设计：考虑：存储容量、处理速度、输入输出通道；可用单片机、工控机等。

解决微机、被控对象和操作者三者之间信息交换的通路，及控制的时序安排问题，通过总体设计，画出系统各部分的具体构成框图。5)软、硬件的设计：

包括电气装置及元器件的选择、接口设计、操作控制面板的设计等。

软件设计包括系统软件和应用软件设计.

系统软件包括操作系统、程序设计开发系统等，通常不需用户设计；

应用软件设计是设计者要主要考虑的问题。6)整理、编写技术文件：技术文件包括：控制系统原理说明及图表；设计图样；电器元件明细表；系统操作程序及说明书等。

应用软件的设计应采用模块化、结构化的设计方法。即按照软件工程的方法，将整个程序分成若干模块，一个模块完成一定的