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機電一體化概論,第2章 機電一體化的系統(tǒng)組成 2.4 控制單元,2.4 控制單元,2.4.1 控制單元基礎(chǔ) 2.4.2 常用控制器 2.4.3 控制原理與策略,2.4.1 控制單元基礎(chǔ),當機電一體化系統(tǒng)要想實現(xiàn)某種控制，需要將一些功能塊集中在一起，這就形成了控制單元。其作用是將輸入信號與輸出信號之間建立起一定的對應(yīng)控制關(guān)系 。,1. 控制單元作用,2. 控制單元分類,交通燈,汽車倒車雷達,居民樓恒壓供水,a8隨動轉(zhuǎn)向大燈,全自動洗衣機,巡航導(dǎo)彈,磁懸浮列車,煙草生產(chǎn)線,工業(yè)鍋爐除氧器,混合動力電動汽車,船舶自動駕駛,3. 控制單元基本性能要求,（1） 穩(wěn)定性 （2） 快速性 （3） 準確性,4. 控制單元組成,人“穿針引線”的控制過程。 針和線是輸入信號，針孔和線相對位置是輸出信號。通過人的眼睛檢測針孔和線的實際位置，將信息反饋給大腦進行處理，大腦發(fā)出指令傳遞給肌肉，肌肉帶動手動作，來調(diào)節(jié)針孔和線的相對位置。在這個控制過程中人的大腦就是控制單元。,常用控制器：單片機、plc、dsp、工控機、現(xiàn)場總線等。,單片機,plc,dsp,5. 控制單元發(fā)展方向,（1） 20世紀4050年代形成了經(jīng)典控制理論。 （2） 20世紀60 70年代形成了現(xiàn)代控制理論。 （3） 20世紀80年代以來形成了智能控制。,2.4.2 常用控制器,1. 單片機,將微處理器、存儲器、i/o接口電路集成在一片電路芯片上，就構(gòu)成了單芯片微型計算機，簡稱單片機。,單片機基本結(jié)構(gòu),單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)由中央處理器（cpu）、存儲器、時鐘電路、i/o口和基本功能單元等組成。,單片機引腳封裝,封裝形式有兩種： 雙列直插式封裝（dip）和方形封裝。,at89c51的雙列直插式封裝有40個引腳，與其他51系列單片機引腳是兼容的。40個引腳可分為i/o端口線、電源線、控制線、外接晶體線四部分。,單片機特點,性能價格比高； 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便； 芯片集成度高，實現(xiàn)模塊化； 可靠性高，可達到106小時無故障； 體積小，價格低，應(yīng)用靈活。,單片機應(yīng)用領(lǐng)域,高精度數(shù)控恒流源,無線對講機,呼吸機,航天測控系統(tǒng),嬰兒看護器,汽車dps導(dǎo)航,單片機編程語言,單片機常用的編程語言有4種： 匯編語言、c語言、pl/m 和 basic語言。,單片機接口,單片機常用的外設(shè)： 鍵盤、顯示器、打印機、a/d和d/a轉(zhuǎn)換器等。,數(shù)碼管,a/d轉(zhuǎn)換器,單片機應(yīng)用實例,以倉儲多點溫度采集系統(tǒng)為例介紹。 系統(tǒng)以at89c51微處理器為控制核心，通過3個溫度傳感器監(jiān)測糧倉內(nèi)不同點處溫度，并借用液晶顯示屏實時顯示采集到的溫度值。若溫度檢測值超過預(yù)設(shè)值，發(fā)出聲光警示。,思 考 題,典型的51系列單片機： 美國intel公司的mcs48系列、mcs51系列、mcs96系列單片機； 美國atmel公司的at89系列單片機； 美國motorola公司的6801、6802、6803、6805和68hc11系列單片機； 美國zilog公司的z8、super8系列單片機； 美國fairchild公司的f8和3870系列單片機； 美國ti公司的tms7000系列單片機； 美國ns公司的ns8070系列單片機； 日本nec公司的pd7800系列單片機； 日本hitachi公司的hd6301、hd6305系列單片機,2. plc,plc是可編程序控制器的簡稱，是在繼電器接觸器控制和計算機控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是以微處理器為控制核心，融合自動控制技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)等為一體的新型通用的工業(yè)自動控制裝置。,西門子s7-200 plc,松下fp1-c24 plc,plc系統(tǒng)組成,plc系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分構(gòu)成。 plc硬件部分主要由中央處理器、存儲器、輸入/輸出部件、電源和編程器等組成。,plc軟件部分包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩部分。 目前plc的標準編程語言有順序功能圖、梯形圖、 功能塊圖、指令表和結(jié)構(gòu)文本5種?，F(xiàn)在應(yīng)用最多的是梯形圖語言，形象直觀、邏輯關(guān)系明顯。,三相異步電動機的自鎖控制梯形圖。x0、x1為輸入繼電器，y0為輸出繼電器。,plc梯形圖 指令表,plc的編程手段有兩種：,手持編程器,利用計算機的編程軟件,plc主要控制功能及特點,plc主要控制功能包括定時/計數(shù)控制功能，數(shù)據(jù)處理功能，步進控制功能，運動控制功能，過程控制功能，數(shù)/模轉(zhuǎn)換功能，監(jiān)控功能，擴展功能，遠程輸入/輸出功能，通信聯(lián)網(wǎng)功能。,plc工作特點可靠性高、可操作性強、設(shè)計周期短、體積小、能耗低。,plc工作方式,plc采用循環(huán)掃描的工作方式。 為了理解方便，plc一個工作過程近似的分為三個階段：輸入刷新階段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段。完成三個階段的時間稱為一個掃描周期。,plc通信與網(wǎng)絡(luò),以松下fp1系列plc為例，plc的通信方式大體分為三種：,fp1 與計算機pc之間的通信,fp1 與上位機plc的通信,fp1 與外圍設(shè)備之間的通信,plc應(yīng)用領(lǐng)域與實例,以警報系統(tǒng)為例，系統(tǒng)的控制要求為： 過程一：當控制系統(tǒng)發(fā)生故障時，能及時報警，即警燈閃爍，警 鈴響； 過程二：當操作人員發(fā)現(xiàn)報警時，按響應(yīng)開關(guān)以示響應(yīng)。這時 警燈變?yōu)槌Ａ?，警鈴?fù)ｍ懀?過程三：故障排除，報警信號撤消，警燈滅； 過程四：按下檢查開關(guān)，警燈亮，否則指示燈壞，應(yīng)更換。,采用fp1-c14型plc進行分析。,i/o 地址分配,根據(jù)輸入、輸出信號畫出控制系統(tǒng)的時序圖,編寫梯形圖程序,plc 接口,plc輸入端子接線示意圖 plc 輸入端子實物接線圖,plc輸出端子接線示意圖 plc輸出端子實物接線圖,plc 接口,思 考 題,單片機：應(yīng)用于數(shù)字采集和工業(yè)控制,plc：應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的自動化控制,3. dsp,dsp是數(shù)字信號處理器的簡稱，是一種專門用于數(shù)字信號處理運算的、具有特殊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可編程微處理器。,dsp 特點,在單指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法運算； 程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨立編址、獨立訪問、具有獨立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，處理指令和數(shù)據(jù)可并行完成； 具有流水線，使取指令、譯碼、取數(shù)和執(zhí)行等操作可重疊起來進行； 片內(nèi)存儲器處理速度快，可以多塊存儲器并行訪問； 具有特殊的dsp指令，專門為實現(xiàn)數(shù)字信號處理的算法設(shè)置； 具有快速中斷處理和i/o支持能力； 可以大規(guī)模集成，可靠性高，處理速度快,dsp 系統(tǒng)構(gòu)成及工作過程,一個典型的dsp系統(tǒng)包括抗混疊濾波器、a/d轉(zhuǎn)換器、dsp芯片、d/a轉(zhuǎn)換器和抗鏡像濾波器等。,dsp 應(yīng)用領(lǐng)域,dsp 接口,以ti公司的 tms320c54x 為例來介紹dsp接口。,dsp 編程語言,dsp有匯編語言、c語言和混合編程三種編程方式。,思 考 題,dsp與單片機的最大區(qū)別是dsp能夠高速、實時地進行數(shù)字信號處理運 算。 單片機的位控能力強，i/o接口種類繁多，片內(nèi)外設(shè)和控制功能豐富、價格低、使用方便，但與dsp相比，信號處理速度較慢； dsp具有高速并行結(jié)構(gòu)及指令、多總線，而單片機沒有；dsp處理的算法復(fù)雜度和強大的數(shù)據(jù)處理流量，單片機無法可比。,4. 工控機,工控機是工業(yè)控制計算機的簡稱，又名ipc，是為工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計的計算機。,功能及特點,主要功能：數(shù)據(jù)處理；順序控制；周期性巡回檢測；直接數(shù)字 控制；監(jiān)控；反饋指導(dǎo)操作；通信聯(lián)網(wǎng)等。 特 點：實時在線檢測與控制、工作時間長、可靠性高、 工作環(huán)境適應(yīng)性好、編程語言豐富、擴展空間大、 輸入/輸出能力強。,組成,工控機主要由全鋼機箱、無源底板、工業(yè)電源、cpu卡以及鼠標、鍵盤、顯示器、硬盤等附件組成。,應(yīng)用領(lǐng)域,樓宇監(jiān)控系統(tǒng),路橋收費系統(tǒng),柜臺收銀系統(tǒng),加油系統(tǒng),5. 現(xiàn)場總線,現(xiàn)場總線是將各個分散的現(xiàn)場設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點連接起來，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備之間以及現(xiàn)場設(shè)備與高級控制系統(tǒng)之間雙向數(shù)字式通信的標準總線。,現(xiàn)場總線的特點,全數(shù)字通信，傳輸精度高，消除模擬信號的瓶頸現(xiàn)象。 適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用環(huán)境，既是通信網(wǎng)絡(luò)，又是自控網(wǎng)絡(luò)。 設(shè)備間互操作性和互換性。 實時性強，可靠性高，安全性好。 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)及其相關(guān)信息，多為短幀傳送。 通信傳輸速率低，傳輸距離遠。,主流現(xiàn)場總線的介紹,基金會現(xiàn)場總線ff 控制器局域網(wǎng)can lonworks devicenet profibus hart cc-link interbus controlnet,2.4.3 控制原理與策略,1. 控制原理,自動控制系統(tǒng)主要有兩種基本的控制方式： 開環(huán)控制和閉環(huán)控制。,開環(huán)控制,開環(huán)控制是指系統(tǒng)輸入量對輸出量實行單方向的控制，并沒有對輸出量結(jié)果進行檢測。,以直流電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)為例，說明開環(huán)控制。,對干擾信號的調(diào)節(jié),對給定信號的調(diào)節(jié),優(yōu)點：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便， 成本低，不存在穩(wěn)定性問題。 缺點：抗干擾能力差，控制精度低， 對外界干擾產(chǎn)生的偏差沒有自動補償修正功能。,開環(huán)控制的特點,閉環(huán)控制,閉環(huán)控制是指系統(tǒng)對輸出量結(jié)果進行檢測，并將檢測信號變換送至系統(tǒng)輸入端，與輸入量比較后進行控制，直至將系統(tǒng)擾動產(chǎn)生的偏差修正過來。,仍以直流電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)為例，說明閉環(huán)控制。,對干擾信號的調(diào)節(jié),當系統(tǒng)受到外界干擾，假設(shè)直流電動機所帶負載增加 回路電流 增大 電動機的轉(zhuǎn)速 降低 測速發(fā)電機輸出電壓 減小 分壓 減小 電壓偏差u 增大 放大器輸出電壓 增大 小 增大 轉(zhuǎn)速 升高 維持電動機轉(zhuǎn)速基本保持不變,對給定信號的調(diào)節(jié),當給定電壓信號 變化時，假設(shè) 增加 偏差 u 增大 增大 晶閘管控制角 小 晶閘管整流電路輸出電壓平均值 增大 直流電動機轉(zhuǎn)速 升高,優(yōu)點：存在反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)總是力圖補償和修正擾動產(chǎn)生的偏差，對包圍在環(huán)內(nèi)的一切主通道上的擾動作用都能有效抑制，控制精度高。 缺點：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在偏差修正過程中需要一定時間，才能將輸出量補償過來，這可能引起超調(diào)，系統(tǒng)存在穩(wěn)定性問題。,閉環(huán)控制的特點,思 考 題,自動門開關(guān)控制 火災(zāi)自動報警器 電飯煲煮飯 游泳池注水定時控制系統(tǒng) 家用電冰箱的溫度控制系統(tǒng) 電飯煲保溫 游泳池注水水位控制系統(tǒng),開環(huán)控制,閉環(huán)控制,2. 控制策略,pid 控制,pid控制是比例（p）、積分（i）、微分（d）控制，是以系統(tǒng)的偏差為自變量，通過比例運算、積分運算、微分運算計算出控制量。,系統(tǒng)偏差 與控制量 之間的關(guān)系可表示為：,pid控制原理框圖,以浴缸水溫調(diào)節(jié)為例，小明同學(xué)希望洗澡時的浴缸水溫為38，浴缸的水龍頭具有熱水閥和冷水閥，可以分別向浴缸內(nèi)注水，通過溫度計可以實時測量浴缸的水溫。小明將冷水閥調(diào)整在一個適當?shù)牧髁勘３植蛔?，單純通過熱水閥的流量調(diào)整，來控制浴缸的水溫。,比例控制,積分控制,微分控制,pid控制是比較理想的控制策略，既具有比例的快速響應(yīng)，又具有積分的消除穩(wěn)態(tài)誤差，還有微分的超前控制功能。調(diào)節(jié)初期，微分起作用，抑制偏差的變化幅度和速度；比例起作用，快速消除偏差。調(diào)節(jié)后期，積分起作用，逐漸消除掉誤差。,思 考 題,參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查 先是比例后積分，最后再把微分加 曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大 曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳 曲線偏離回復(fù)慢，積分時間往下降 曲線波動周期長，積分時間再加長 曲線振蕩頻率快，先把微分降下來 動差大來波動慢，微分時間應(yīng)加長 理想曲線兩個波，前高后低4比1 一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低,智能控制,智能控制主要用來處理傳統(tǒng)控制難以解決的復(fù)雜性、不確定性的控制問題。,智能控制技術(shù)的主要方法有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制等。,模糊控制,模糊控制基于計算機模仿人的模糊決策和推理的控制思想，以人類專家對被控對象或過程的控制策略為控制依據(jù)，運用模糊集合、模糊語言變量、模糊推理的理論知識，將精確量與模糊量相轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)計算機代替人對系統(tǒng)的自動控制。,模糊控制器由模糊化、模糊推理、規(guī)則庫和去模糊化四個功能模塊組成。,工作過程是在風機高速旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動下，葉輪中葉片不斷對空氣做功，使空氣高速排出風機。同時風機前端吸塵區(qū)域中的空氣就會不斷補充，由此在吸塵器內(nèi)部瞬間形成真空，與外界大氣產(chǎn)生壓差。在壓差作用下，吸嘴處的灰塵、贓物隨空氣被吸入內(nèi)部，經(jīng)過濾塵器，灰塵、贓物留在濾袋里，空氣排出吸塵器外。,分析家用吸塵器的模糊控制,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是基本不依賴于模型的一類控制，能解決復(fù)雜的非線性、不確定、不確知系統(tǒng)的控制問題。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模仿人腦神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能建立起來的模型，是由大量模擬生物神經(jīng)元的人工神經(jīng)元互連而成的網(wǎng)絡(luò)，具有某些仿人的特征和功能。,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實例,專家控制,專家控制是將專家系統(tǒng)思想與自動控制理論、技術(shù)相融合，實現(xiàn)在未知環(huán)境下仿效專家的經(jīng)驗，對系統(tǒng)進行控制。專家系統(tǒng)實質(zhì)上是一個智能計算機程序，其運用某個領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗，來模擬專家思維解決難題。,專家控制器的基本結(jié)構(gòu)由知識庫、推理機、控制算法庫、信息獲取與