第四章微机控制系统选择与设计

机电一体化系统设计第四章机电一体化系统微机控制系统选择与设计

高等教育出版社机电工程系第4.1节微机控制系统

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构成：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。特点：具有可靠性高，适应性强，但成本高，应采取一定的抗干扰措施等特点。应用：适用于多品种、中小批量生产的机电一体化产品。（2）硬件与软件的权衡

/匹配任何微机控制系统的控制功能，即可以由硬件实现，也可以由软件实现，两者的合理匹配是确定或选用微机控制系统研究内容之一。主要依据经济性、可靠性、适用性等要求来决定。

★主要用通用分离元件组成的控制系统——最好采用软件来实现对机电一体化产品的主要控制功能，接口少，易于调整，适应能力强，但成本较高。

★主要用专用集成元件组成的控制系统——最好选用硬件实现对机电一体化产品的主要控制功能，具有廉价、可靠、处理速度快等特点。（3）应有必要的抗干扰措施

由于工作环境比较恶劣（存在电噪声干扰等），易产生故障。为提高控制系统的环境适应能力和抗干扰能力，以及可靠性，必须采取相应的抗干扰措施。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，还有一些特殊要求——字长、运行速度、指令、成本、编程难易、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—主要包括数字计算机四个基本组成部分(CPU、EPROM、RAM、I/O)，双列直插式集成电路。具有结构简单、实用范围广，但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；但内存容量少，接口电路少，采用机器语言编程、程序编写、调试困难。

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（COM、USB）或插槽（PCI、ISA）；但价格比较昂贵、抗干扰能力较差。

（4）控制系统总体设计

（技术设计）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。控制系统总体设计的主要内容：1）软件与硬件功能合理分配与协调(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）。

（5）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：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要求。

（6）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。

第4.6节可编程逻辑控制器(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）PL德C的应党用举残例第4.焰7节微机耐控制芳系统乞输入/输出新的可耍靠性储设计微机因控制巧系统葱以及据各主虫要功碧能元优件（组部件蓝）的哈输入/输出驳信号稳控制落功能励主要括由硬址件和圣软件欺设计娘来保射证。在硬锯件设后计中悟，如熄何提刺高控负制系固统的赞工作串可靠辱性，染是微阅机控片制系糟统设之计的秒重要质环节御之一扎。主吃要包秆括：1）能可奴靠地带传递压各类奸控制贺信息有效辟保证件输入/输出炸控制性信号刊转换鸦的运蔑动状踢态。2）能够追进行婚有效傅的信名息转魄换满足车微机繁对输踏入/输出开信息固类型匙的转当换要暑求。宣如：A/渐D、D/摸A转换炸；平妄行数佳字信拜号与役串行构数字拾信号渴的转纲换；熟电平姑信号晒的转纲换与乳匹配饼；电增量与遗非电汤量的利转换初；强怀电与抹弱点湿转换炉。3）具有修阻断肚干扰乏信号么进入忆微机否控制种系统城的能舅力主要第采用袋滤波夺技术巷、光伍电隔梨离技栗术、琴屏蔽搬技术售等。本节火重点揉学习停微机惯控制蜓系统同的输掉入/输出伸电路欧和信略息接桨口设屈计的段可靠左性方表法，吴即光时电隔裳离电且路设铸计、奏信息径转换丝式电路途设计非。4.伯7.离1光电沈隔离右电路宅设计（1）光电帽隔离钞电路般的基爽本工仙作原养理与信组成（2）光胁电隔搁离电否路的渴特点光电梁隔离杰电路姥通过凝光敏被转换载实现澡信号撇的单想向传逐递，报可有嚷效地帜阻断论各类忧干扰秒信号雅，实赵现信驴号的蓬电平盛转换较（功职率放道大）萌和电畏平极英性转北换(+群/-那)。光电毫隔离冶时域林检测塑电路时域嗓响应对特性输出犹阻抗/时间屡响应秆特性光电超隔离候频域检测木电路时域否响应筛特性输出火阻抗/频率逃响应青特性（3）光灭电隔挺离电锅路的肆作用1）可将易输入/输出疏两部马分的终供电殃电源数和电脏路的卵地线日分离膝。光电伪耦合旅输入左、输帜出端迟之间赶绝缘鸣电阻参很大湿（1011~1啊013Ω），寄生卧的电沈容很咽小（0.轻5~尖2p粘F），因而耻干扰庙信号魂很难滨从输替入端饶反馈因到输魄出端活。2）可进遗行电画平转台换，赚实现妄要求莫的电像平输林出，绘从而窗具有章初级披功率践放大丈作用茶。3）提高抄对负畏载的培驱动匙能力集。可乖直接对驱动痒光控格晶闸扔管工郑作。如果屡光电婶隔离凝电路迈与滤剃波电治路、免屏蔽维电路各有效璃的结伟合起委来，肌将会特进一披步提肚高微违机控启制系哪统的将抗干溜扰能争力。（4）光充电耦搁合隔路离电外路的杨应用光电妖隔离畏电路蛇在机锣电控感制系息统中凯的基愚本配诸置请同禁学们国注意拆：在微柴机控允制系怖统中公，由酒于可须采用呈的高切功能景集成拆元件穗端口摧（输诞入/输出顽接口购）的禾性质邀常有倦所不抱同，阀因而吼所采恋用或敌设计谋的光扣电隔孙离电途路也菠有所育不同虫。在壶系统蹦设计殿中，怎应依暴据实唐际情服况而渡定。1）80愁31芯片蕉匹配斥的输修入输炕出光协电隔仍离接取口电职路特点魂：P3口作孤为准垒双向故接口填，当P3输入添口被脚拉成俩低电拔平时输，可旧直接风由TT驳L或MO冶S电路控驱动的；当帽外部捆信号廉为低遗电平澡时，P3可被棉拉成扒高电营平直患接与观光电捏耦合叹器连碍接。2）80栏31、82道15、82朴55芯片发匹配涛光电鞋隔离拼接口毅电路特点截：当毅接口翁作为湿输入湾口时精，端守口为使高阻飞抗输锡入，桥与80蓬31的P1接口夹与光唉电耦演合器哲的输耕入连牢接相雾同；棉当P1和P3作为伐输出海接口词（准戴双向诵接口蛾）时由，高异电平否输出魄时对出外泄储漏的徒电流兰很小酷（零逝点几mA）；低电绒平输顾出时盐对外峡泄漏刮的电江流很融大，P1和P3作为素输出律接口曲。3）81损55、82犹55芯片域匹配贞光电谱隔离凡接口秧电路特点雄：由取于81胶55、82泼55输出产口可朽释放窗和吸笔收的肝电流醋较大爽，故搞可直明接用吃高点嚷平推竖动晶纽奉体管搂驱动候光电厘二极志管。在81暂55、82初55上电盯复位铅（高胆阻抗陪状态每）时劈燕，不寇使开敞机输弱出额血外的遭信息洽，将说晶体呆管硬抢拉成栗低电施平。4）输出凭较大鞠电流找驱动临的光过电隔波离接肌口输鞋出电捉路特点催：采用识达林纪顿型蛇驱动流电路近，可凯输出涌更大君的电菊流驱妹动输值出设咸备。5）提高毯普通钉光电验耦合名器光敞耦合红速度肥的光多电隔辱离接草口输邻出（序响应猴）电债路特点册：可进劫一步池提高商普通活光电捉耦合解器光演耦合兔速度秧。6）V/园F转换歼器（LM烘33游1）频率且输出幕光电席隔离摇接口鬼输出垫电路特点磨：可提般高在晃恶劣译环境尿中前今向型杠通道存和电涝源的顿抗干透扰能备力。4.病7.始2信息骄转换嘉电路苹设计1）弱育点/强电圆转换索电路（2）数骗字/脉冲淘信号腾转换——并行冲转换摧为串孔行（3）数/模(D栗/A犬)转换签、模汤数(A熔/D蛙)转换第4.泡8节溜常用勒检测涌传感恩器的贯性能斤特点情、选屯用与罢微机谦接口4.易8.盖1检测醋传感泻器的识分类朝与基凑本要汤求（1）传惰感器将被检霜测对彼象的而各种拘变化菌物理茂量转积换成雾电信府号的钞一种朗变换阴器。（2）传污感器今的作驳用被用借于检求测机蜡电一惠体化庙系统番自身纵和作盗业对册象、隐作业籍环境海的状梨态，住为有愿效地户控制辆机电士一体获化系负统动穴作提猪供信盈息。（3）传睡感器妇的分命类1）传感辱器的兔作用赏主要勒分为极：内部衡信息躁传感裳器和外部园信息屡传感借器。内部坏信息这传感迁器——检测参机电剧一体肝化系母统内取部状眠态。妻主要颠包括纪：检界测位亲置、麻速度袋、力/力矩及、温手度以表及异中常变亚化等因的传闯感器冠。外部咸信息诊传感骗器——检测望作业浆对象隙的状庸态和富外部砌环境大状态袭。主推要包骗括：向接触杯式和闲非接李触式御传感轿器，采如：摸温度/湿度颤传感焦器、延气压初传感电器、文电涡撕流传农感器盗、无椒线电影接收迈机、恶红外帆测温垮仪，衡激光财测距将机等都。2）按输伪出信帆号的筑性质己可分爽为：开关睬型、朽模拟游型和数字岛型传坛感器译（计帮数型饶和代爷码型营）。3）按传碎感器晨的用驼途分弱为：位移耕、位栋置、篮速度江、加拴速度凝、力/力矩成、温符度、波湿度球、压劳力等宝传感虫器。4）按传悼感器头的用誓途分朗为：电阻忘式、却电感拉式、壶电磁迷式、卵电容济式、县光电娱式。（4）传腹感器器的基帆本要宿求①体胖积小蛋、重炎量轻舍、适婚应性植好。②精尿度和馒灵敏歉性高仆、响临应快夸、稳界定性捉好、犁信噪泰比高池。③安蚁全可志靠、诵寿命运长。④便联于与妈计算镜机对裙接。⑤不跃易受疮被检垮测对墓象和订外部伸环境莫的影寒响。⑥环描境适物应能示力强旋。⑦现刚场安让装处收理简谣单、翅操作练方便善，价产格便候宜。4.浩8.旗2各类李传感绒器的搏工作前原理域、主什要性捕能及恒优缺侦点各类摘传感闷器的震工作判原理冠、主攻要性与能及国优缺筝点，锦在《数控息技术》、《传感盗器技犬术》、《传感昏器及票其应价用》等课岭程已歪进行解了较删全面哭的学作习，爆在此存不做捕详细辫的讲嗽解。注意撒：掌籍握好各类堂传感历器的捆工作滤原理准、主刻要性锈能及弄优缺挡点，是正死确选箱用传篮感器忧的重趁要依帝据之忆一。4.印8.酱3传感晓器的帽选择毒原则漆及注害意事尼项（1）传男感器由的选合用原纠则主要厅是依凡据传牺感器惹的使梨用要同求和糟被控渗制对近象的郊控制扩精度早要求粥选择品适用谊的传闭感器速。（2）传热感器典选用钟的注字意事字项在确班保主秩要性症能参输数和铺指标田的条投件下掏，适青当可吐放宽商次要脆的性云能和痒指标锤要求乖，以制便获叔得较桐高的愉性能死价格介比。刊注意袜：不壤能盲法目的泊追求赌传感你器各插种性吃能指慕标均菌高的由传感愿器选换择方眉法或半原则村。（3）提布高传丈感器柔性能使的主泉要技崇术措泻施1）平踩均技热术——缩小革检测驱误差2）差盗动技驼术——减少液非线态性误嚼差3）稳宜定性芦处理——提高鸟传感谣器可糠靠性践和寿榴命4）屏小蔽和验隔离——提高思抗外读界干陆扰的茂能力4.帝8.共4传感真器的欠测量界处理维电路由于案传感械器检仍测到肥的原油始信粒号比现较微脱弱，残需中习间转裹换处柱理电廉路将冻信号搬放大荣成易寇于检咱测或魄处理不的电抹压或浸电流盗信号抹，在漏经调匀制解钩调、A/易D转换读、D/祖A转换蜘等输其出能够满足知计算挎机处傲理的戴要求夺和匹者配的确检测漂信号洗。注意刑：传终感器赚的检润测处穴理电烟路通兽常与意所选剃用的勒传感黄器密井切相害关，筛一般饺由传宗感器舍生产仔厂家播提供架选择停。控斧制系短统设烤计时钢，选课择设统计是蹲非常砖重要穗的。主要唐包括检测德测量肤电路和信号吼放大管转换劲电路两部佛分。（1）传筛感器译的检兔测测闲量电党路模拟斜型测绵量电启路——调制业、放库大、秘解调身、滤买波、A/健D转换质处理醒。数字舞型测贪量电献路——光电转甘换、览放大吐整形吃、检司测量谨编码。开关蒜型测摘量电袋路——对检海测信得号的绢放大印或降舅压/分流演等。（2）传津感器校信号爷放大国转换楚电路传感棚器信糕号放替大转辫换电暗路主扑要包存括：电桥追电路——测量快阻抗猪、感笨抗、秤电容令量等榴电参螺量的狂电量烫（电誓压、舞电流苹等）梨转换青。放大怜电路——由运鲜算放汁大器松、晶包体管牢等组优成。芬将检起测到招的微忧弱电蕉信号榜进行社放大垒处理付（电包压放杰大、搁电流潜放大斧、功雄率放茂大等散）。促采用币屏蔽稻、隔炭离、包滤波题电路匪等提爽高放捆大信战号的齐质量寒或品差质。调制军与解油调电拆路——对传凤感器梦输出孕的微左弱、在缓慢竿变化贞信号暂