五微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)PPT課件

一 控制系統(tǒng)的地位和要求控制系統(tǒng)是機(jī)電一體化產(chǎn)品最重要的組成部分 相當(dāng)于人的 大腦 實(shí)現(xiàn)控制及信息處理功能 對控制系統(tǒng)的基本要求 被控制量按規(guī)定的規(guī)律變化 控制系統(tǒng)具備穩(wěn)定性 快速性 準(zhǔn)確性 穩(wěn)定性是一個(gè)系統(tǒng)能交付使用的首要條件 包括兩方面的含義 一是絕對穩(wěn)定性 就是通常所說的系統(tǒng)穩(wěn)定 另一方面是相對穩(wěn)定性 即輸出量振蕩的強(qiáng)烈程度 如何判別系統(tǒng)穩(wěn)定 快速性是要求系統(tǒng)有一定的響應(yīng)速度 即要求被控制量能夠迅速地根據(jù)輸入信號所規(guī)定的形式變化 用響應(yīng)時(shí)間 tr tp ts 表示 準(zhǔn)確性是表示系統(tǒng)控制精度的一項(xiàng)性能指標(biāo) 要求系統(tǒng)在輸入信號作用下 其響應(yīng)速度經(jīng)過漸態(tài)過程后進(jìn)入穩(wěn)態(tài) 此時(shí) 系統(tǒng)輸出值與期望值之間的差異 即穩(wěn)態(tài)誤差要小 穩(wěn)態(tài)誤差 5 1控制系統(tǒng)概述 第五章微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇及接口設(shè)計(jì) 二 控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成控制系統(tǒng)是由控制裝置 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 被控對象 檢測裝置所構(gòu)成的整體 其基本構(gòu)成如圖所示 被控對象可以是機(jī)電設(shè)備 如機(jī)床 一種過程 如化工生產(chǎn)過程 等 它在控制裝置的控制下 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下 按預(yù)定的規(guī)律或目的運(yùn)行 簡單的全自動(dòng)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)與復(fù)雜的航天飛機(jī)控制系統(tǒng)在原理上類似 但在結(jié)構(gòu)上是很不相同的 機(jī)電系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成 三 控制系統(tǒng)的基本類型根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的多樣性及復(fù)雜性決定了控制器的多樣性 一般有以下四種類基本類型 數(shù)字控制系統(tǒng) NCS 將被加工零件的幾何信息和工藝信息數(shù)字化 按規(guī)定的代碼和格式編成加工程序 由計(jì)算機(jī)生成數(shù)字形式的指令 再驅(qū)動(dòng)機(jī)器運(yùn)動(dòng)的一種控制形式 其實(shí)際上是軌跡控制的問題 控制介質(zhì) 傳遞零件的加工信息 數(shù)控裝置 完成信息的輸入 存儲(chǔ) 變換 運(yùn)算及各種控制功能 伺服系統(tǒng) 接收指令驅(qū)動(dòng)機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu) 即電信號到機(jī)械量轉(zhuǎn)換 檢測裝置 檢測速度和位移 并反饋信息 伺服控制系統(tǒng) SCS 輸入為模擬或數(shù)字的電信號 輸出是機(jī)械的位移或速度的變化率 主要考慮如何穩(wěn)定的 快速的 準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)指令的功能要求 即要使輸出量以一定的精度復(fù)現(xiàn)輸入量的變化 常稱為動(dòng)作控制 順序控制系統(tǒng)該系統(tǒng)采用開關(guān)控制方式 即輸出量的開和關(guān)是一系列輸入開關(guān)條件的函數(shù) 控制器對操作過程的 邏輯狀態(tài) 進(jìn)行控制 實(shí)現(xiàn)順序控制的方法有機(jī)電式繼電器 各種氣動(dòng)和液動(dòng)裝置 可編程控制器 PLC 等 過程控制系統(tǒng)在冶金 化工 電力等生產(chǎn)過程中采用的工業(yè)控制系統(tǒng) 過程控制系統(tǒng)的受控變量是生產(chǎn)過程的物理量 可以是連續(xù)的 離散的 信號不是時(shí)間的連續(xù)函數(shù) 在相鄰兩個(gè)時(shí)刻間隔信號不確定 信號是時(shí)間的連續(xù)函數(shù) 適應(yīng)控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 模糊控制 專家系統(tǒng)智能控制等 PID控制原理 P Proportional 控制作用的強(qiáng)弱及響應(yīng)速度 I Integral 消除穩(wěn)態(tài)誤差 提高控制精度 D Differential 減小超調(diào) 提高動(dòng)特性及控制精度 PID控制器傳遞函數(shù) 7 不同產(chǎn)品所需要的控制功能 控制形式和動(dòng)作控制方式也不盡相同 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是綜合運(yùn)用各種知識的過程 由于采用微機(jī)作為機(jī)電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品的控制器 因此 其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是選用微機(jī) 設(shè)計(jì)接口 控制形式和動(dòng)作控制方式的問題 這不僅需要微機(jī)控制理論 數(shù)字電路 軟件設(shè)計(jì)等方面的知識 也需要一定的生活和生產(chǎn)工藝知識 通常由機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員首先提出總的設(shè)計(jì)要求 然后由各專業(yè)人員通力協(xié)作 四 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本過程和內(nèi)容 8 專用控制系統(tǒng)適合于大批量生產(chǎn)的機(jī)電一體化產(chǎn)品 在開發(fā)新產(chǎn)品時(shí) 如果要求具有機(jī)械與電子有機(jī)結(jié)合的緊湊結(jié)構(gòu) 也只有專用控制系統(tǒng)才能做到 專用控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題 實(shí)際上就是選用適當(dāng)?shù)耐ㄓ肐C芯片來組成控制系統(tǒng) 以便與執(zhí)行元件和檢測傳感器相匹配 或重新設(shè)計(jì)制作專用集成電路 把整個(gè)控制系統(tǒng)集成在一塊或幾塊芯片上 對于多品種 中小批量生產(chǎn)的機(jī)電一體化產(chǎn)品來說 由于還在不斷改進(jìn) 結(jié)構(gòu)還不十分穩(wěn)定 特別是對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造時(shí) 采用通用控制系統(tǒng)比較合理 通用控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 主要是合理選擇主控制微機(jī)機(jī)型 設(shè)計(jì)與其執(zhí)行元件和檢測傳感器之間的接口 并在此基礎(chǔ)上編制應(yīng)用軟件的問題 這實(shí)質(zhì)上就是通過接口設(shè)計(jì)和軟件編制來使通用微機(jī)專用化的問題 1 專用與通用的抉擇 9 無論是采用通用控制系統(tǒng)還是專用控制系統(tǒng) 都存在硬件和軟件的權(quán)衡問題 有些功能 例如運(yùn)算與判斷處理等 卻適宜用軟件來實(shí)現(xiàn) 而在其余大多數(shù)情況下 對于某種功能來說 既可用硬件來實(shí)現(xiàn) 又可用軟件來實(shí)現(xiàn) 因此 控制系統(tǒng)中硬件和軟件的合理組成 通常要根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和可靠性的標(biāo)準(zhǔn)權(quán)衡決定 在用分立元件組成硬件的情況下 就可以考慮是否采用軟件 能采用通用的LSI芯片來組成所需的電路的情況下 則最好采用硬件 這是因?yàn)榕c采用分立元件組成的電路相比 采用軟件不需要焊接 并且易于修改 所以采用軟件更為可靠 而在利用LSI芯片組成電路時(shí) 不僅價(jià)廉 而且可靠性高 處理速度快 因而采用硬件更為有利 2 硬件與軟件的權(quán)衡 機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制子系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)過程如圖示 控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有 確定控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 確定控制算法 采用何種控制方式 開環(huán)還是閉環(huán) 考慮驅(qū)動(dòng)元件的類型和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型 選擇觀測點(diǎn) 被測量和傳感器 考慮微機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)的作用 是設(shè)定計(jì)算 直接控制還是數(shù)據(jù)處理 微機(jī)承擔(dān)那些任務(wù) 應(yīng)具備哪些功能 需哪些輸入 輸出通道 配備哪些外圍設(shè)備或接口硬件等 畫出控制系統(tǒng)組成的初步框圖 根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律建立數(shù)學(xué)模型 物理系統(tǒng)動(dòng)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式 數(shù)學(xué)模型反映了系統(tǒng)輸入 內(nèi)部狀態(tài)和輸出之間的數(shù)量和邏輯關(guān)系 為計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理提供依據(jù) 即由數(shù)學(xué)模型推出控制算法 應(yīng)根據(jù)不同的控制對象 不同的控制指標(biāo)要求選用不同的控制算法 一般的控制采用PID控制 復(fù)雜的控制系統(tǒng) 采用的控制方法較多 如自 選擇微型計(jì)算機(jī) 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 存儲(chǔ)容量 處理速度 輸入輸出通道 單片機(jī) 工控機(jī) 商用機(jī)之 PLC 解決微型機(jī) 被控對象和操作者三者之間信息交換的通路和分時(shí)控制的時(shí)序安排問題 通過總體設(shè)計(jì)畫出系統(tǒng)各部分的具體構(gòu)成框圖 硬 軟件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)包括電氣裝置及元器件的選擇 接口設(shè)計(jì) 操作控制面板設(shè)計(jì)等 軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng) 程序設(shè)計(jì)開發(fā)系統(tǒng)等 通常不需用戶設(shè)計(jì) 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)者要主要考慮的問題 控制系統(tǒng)對應(yīng)用軟件的要求具有實(shí)時(shí)性 針對性 靈活性和通用性 應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法 按照軟件工程的方法將整個(gè)程序分成若干模塊 一個(gè)模塊完成一定的功能 并且限定采用規(guī)定的結(jié)構(gòu)類型和操作順序 便于查錯(cuò) 糾錯(cuò) 整理 編寫技術(shù)文件 技術(shù)文件包括 控制系統(tǒng)原理說明及圖表 設(shè)計(jì)圖樣 電器元件明細(xì)表 系統(tǒng)操作程序及說明書等 微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成以后 要對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試 調(diào)試步驟為硬件調(diào)試 軟件調(diào)試 系統(tǒng)調(diào)試 硬件調(diào)試包括對元器件的篩選及老化 印制電路板制作 元器件的焊接及試驗(yàn) 安裝完畢后要經(jīng)過連續(xù)考機(jī)運(yùn)行 軟件調(diào)試主要是指在微機(jī)上把各模塊分別進(jìn)行調(diào)試 使其正確無誤 然后固化在EPROM中 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)主要是指把硬件與軟件組合起來 進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn) 正確無誤后進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn) 直至正常運(yùn)行為止 系統(tǒng)調(diào)試 14 五 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本要求 滿足控制要求運(yùn)動(dòng)參數(shù)指標(biāo) 動(dòng)力參數(shù)指標(biāo) 品質(zhì)指標(biāo) 以滿足使用要求為度 可靠性高在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)能長期 可靠 穩(wěn)定工作 操作性能好表現(xiàn)在使用性能和可維護(hù)性能兩個(gè)方面 通用性好標(biāo)準(zhǔn)化 有擴(kuò)展余量和空間 較高的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)要有較高的性能價(jià)格比 滿足人類工程操作安全 舒適 簡便 外形美觀學(xué)與美學(xué) 15 4 2工業(yè)控制計(jì)算機(jī) 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)是用于工業(yè)控制現(xiàn)場的計(jì)算機(jī) 它是處理來自檢測傳感器的輸入信息 并把處理結(jié)果輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制生產(chǎn)過程 同時(shí)可對生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)督 管理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 應(yīng)用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)主要有單片微型計(jì)算機(jī) 可編程序控制器 PLC 總線工控機(jī)等類型 16 根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的大小和控制參數(shù)的復(fù)雜程度 我們可以采用不同的微型計(jì)算機(jī) 對于小系統(tǒng) 一般監(jiān)視控制量為開關(guān)量和少量數(shù)據(jù)信息的模擬量 這類系統(tǒng)采用單片機(jī)或可編程控制器就能滿足控制要求 對于數(shù)據(jù)處理量大的系統(tǒng) 則往往采用基于各類總線結(jié)構(gòu)的工控機(jī) 如STD總線工控機(jī) IBM PC總線工控機(jī) Multibus工控機(jī)等 對于多層次 復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng) 則要采用分級分步式控制系統(tǒng) 在這種控制系統(tǒng)中 根據(jù)各級及控制對象的特點(diǎn) 可分別采用單片機(jī) 可編程控制器 總線工控機(jī)和微型機(jī)來分別完成不同的功能 17 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)及要求 由于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的應(yīng)用對象及使用環(huán)境的特殊性 決定了工業(yè)控制機(jī)主要有以下一些特點(diǎn)和要求 1 實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)性是指計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能在限定的時(shí)間內(nèi)對外來事件作出反應(yīng)的能力 為滿足實(shí)時(shí)控制要求 通常既要求從信息采集到生產(chǎn)設(shè)備受到控制作用的時(shí)間盡可能短 又要求系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地監(jiān)視現(xiàn)場的各種工藝參數(shù) 并進(jìn)行在線修正 對緊急事故能及時(shí)處理 因此 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)應(yīng)具有較完善的中斷處理系統(tǒng)以及快速信號通道 18 2 高可靠性工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通常控制著工業(yè)過程的運(yùn)行 如果其質(zhì)量不高 運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障 又沒有相應(yīng)的冗余措施 則輕者使生產(chǎn)停頓 重者可能產(chǎn)生災(zāi)難性的后果 很多生產(chǎn)過程是日夜不停地連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) 因此要求與這些過程相連的工業(yè)控制機(jī)也必須無故障地連續(xù)運(yùn)行 實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的正確控制 另外 許多用于工業(yè)現(xiàn)場工業(yè)控制機(jī) 環(huán)境惡劣 震動(dòng) 沖擊 噪聲 高頻輻射及電磁波干擾往往十分嚴(yán)重 以上這一切都要求工業(yè)控制計(jì)算機(jī)具有高質(zhì)量和很強(qiáng)的抗干擾能力 并且具有較長的平均無故障間隔時(shí)間 19 3 硬件配置的可裝配可擴(kuò)充性工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的使用場合干差萬別 系統(tǒng)性能 容量要求 處理速度等都不一樣 特別是與現(xiàn)場相聯(lián)接的外圍設(shè)備的接口種類 數(shù)量等差別更大 因此宜采用模塊化設(shè)計(jì)方法 4 可維護(hù)性工業(yè)控制計(jì)算機(jī)應(yīng)有很好的可維護(hù)性 這要求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理 便于維修 系統(tǒng)使用的板級產(chǎn)品一致性好 更換模板后 系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和精度不受影響 軟件和硬件的診斷功能強(qiáng) 在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí) 能快速準(zhǔn)確地定位 另外 模塊化模板上的信號應(yīng)加上隔離措施 保證發(fā)生故障時(shí)故障不會(huì)擴(kuò)散 這也可使故障定位變得容易 20 一 工控機(jī) 工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī) IndustrialPersonalComputer IPC 是一種加固的增強(qiáng)型個(gè)人計(jì)算機(jī) 它可以作為一個(gè)工業(yè)控制器在工業(yè)環(huán)境中可靠運(yùn)行 早在80年代初期 美國AD公司就推出了類似IPC的MAC 150工控機(jī) 隨后美國IBM公司正式推出工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)IBM7532 由于IPC的性能可靠 軟件豐富 價(jià)格低廉 而在工控機(jī)中異軍突起 后來居上 應(yīng)用日趨廣泛 目前 IPC已被廣泛應(yīng)用于通訊 工業(yè)控制現(xiàn)場 路橋收費(fèi) 醫(yī)療 環(huán)保及人們生活的方方面面 21 總線工控機(jī)是目前工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)廣泛的工業(yè)控制計(jì)算機(jī) 它具有豐富的過程輸入 輸出接口功能 迅速響應(yīng)的實(shí)時(shí)功能和環(huán)境適應(yīng)能力 總線工控機(jī)的可靠性較高 如 STD總線工控機(jī)的使用壽命達(dá)到數(shù)十年 平均故障間隔時(shí)間 MTBF 超過上萬小時(shí) 且故障修復(fù)時(shí)間 MTTR 較短 總線工控機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化 模板式設(shè)計(jì)大大簡化了設(shè)計(jì)和維修難度 且系統(tǒng)配置的豐富的應(yīng)用軟件多以結(jié)構(gòu)化和組態(tài)軟件形式提供給用戶 使用戶能夠在較短的時(shí)間內(nèi)掌握和熟練應(yīng)用 22 圖5 1用STD總線工業(yè)控制機(jī)組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 23 下面分別介紹各種模板的特點(diǎn) 1 數(shù)字量I O模板 圖5 2是一種典型的數(shù)字量I O模板的電路原理框圖 2 模擬量I O模板 圖5 3所示是一種光電隔離型A D模板的結(jié)構(gòu)示意圖 D A模板的結(jié)構(gòu)與之類似 在模板選用時(shí)主要需考慮系統(tǒng)中信號的最高頻率 電平范圍 信號數(shù)量等參數(shù)及系統(tǒng)對信號的轉(zhuǎn)換速度 精度及分辨率等要求 以既滿足控制系統(tǒng)需要又不造成過大的浪費(fèi)為原則 24 圖5 2數(shù)字量I O模板的原理框圖 25 圖5 3光電隔離型A D模板的結(jié)構(gòu)示意圖 26 3 信號調(diào)理模板 圖5 5是信號調(diào)理模板的應(yīng)用實(shí)例 信號調(diào)理模板應(yīng)根據(jù)傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求來匹配 并應(yīng)充分考慮信號的信噪比 放大增益的可調(diào)范圍 零點(diǎn)的調(diào)整方法 濾波的通帶增益和阻帶衰減率等參數(shù) 27 圖5 5信號調(diào)理模板的應(yīng)用實(shí)例 28 4 CPU模板 5 存儲(chǔ)器模板 6 其他特殊功能模板 2 PC總線工業(yè)控制機(jī)IBM公司的PC總線微機(jī)最初是為個(gè)人或辦公室使用而設(shè)計(jì)的 早期主要用于文字處理或一些簡單的辦公室事務(wù)處理 早期產(chǎn)品是基于一塊大底板結(jié)構(gòu) 加上幾個(gè)I O擴(kuò)充槽 PCI總線的IBM兼容計(jì)算機(jī)由于價(jià)格低廉 使用靈活 軟件資源非常豐富 因而用戶眾多 在國內(nèi)更是主要流行機(jī)種之一 29 近幾年來許多公司推出了PCI總線工業(yè)控制機(jī) 一般對原有微機(jī)作了以下幾方面的改進(jìn) 1 機(jī)械結(jié)構(gòu)加固 使微機(jī)的抗震性好 2 采用標(biāo)準(zhǔn)模板結(jié)構(gòu) 3 加上帶過濾器的強(qiáng)力通風(fēng)系統(tǒng) 加強(qiáng)散熱 增加系統(tǒng)抵抗粉塵的能力 4 采用電子軟盤取代普通的軟磁盤 使之能適于在惡劣的工業(yè)環(huán)境下工作 5 根據(jù)工業(yè)控制的特點(diǎn) 常采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng) 30 國內(nèi)工控機(jī)廠商 最突出的就是研祥evoc 1993年成立 發(fā)展非常迅速 2003年在香港上市 已經(jīng)與臺(tái)灣的研華達(dá)到分庭抗衡的局面 艾雷斯 北京華北等是主流機(jī)型的市場追隨廠商 發(fā)展也較迅速 產(chǎn)品市場定位中低檔 對某些新型行業(yè) 如監(jiān)控DVR 網(wǎng)絡(luò)防火墻等 的反應(yīng)比較快 有一定用戶群 康拓 華控 華遠(yuǎn)等較早廠商的機(jī)型及性能略顯落后 基本淪為代理經(jīng)銷商 二 目前國內(nèi)市場上的IPC主要品牌 31 臺(tái)灣工控機(jī)廠商 主要有研華 威達(dá) 艾訊 磐儀 大眾 博文等 產(chǎn)品富有特色 市場定位也有高低不同 主要都是通過經(jīng)銷代理渠道 對最終用戶的關(guān)懷不夠 服務(wù)上由于備品 人員等因素 不是非常理想 但也在改進(jìn) 32 其他國外品牌 主要有德國控創(chuàng) 收購了ICS 西門子 阿波羅等 產(chǎn)品價(jià)格很高 但機(jī)型很少 服務(wù)不是很到位 主要在一些對價(jià)格不敏感的行業(yè) 有少量但固定的客戶 33 以研祥IPC 810A常規(guī)機(jī)型為例 分析IPC的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu) 一 IPC的技術(shù)特點(diǎn) 1 采用符合 EIA 標(biāo)準(zhǔn)的全鋼化工業(yè)機(jī)箱 增強(qiáng)了抗電磁干擾能力 2 采用總線結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)技術(shù) CPU及各功能模塊皆使用插板式結(jié)構(gòu) 并有帶橡膠的壓條鎖定 提高了抗沖擊 抗振動(dòng)能力 3 機(jī)箱內(nèi)裝有雙風(fēng)扇 正壓對流排風(fēng) 并裝有濾塵網(wǎng)用以防塵 4 配有高度可靠的工業(yè)電源 并有過壓 過流保護(hù) 5 電源及鍵盤均帶有電子鎖開關(guān) 可防止非法開 關(guān)和非法鍵盤輸入 34 6 具有自診斷功能 7 可視需要選配I O模板 8 設(shè)有 看門狗 定時(shí)器 在因故障死機(jī)時(shí) 無需人的干預(yù)而自動(dòng)復(fù)位 9 開放性好 兼容性好 吸收了PC機(jī)的全部功能 可直接運(yùn)行PC機(jī)的各種應(yīng)用軟件 10 可配置實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 便于多任務(wù)的調(diào)度和運(yùn)行 11 可采用無源母板 底板 方便系統(tǒng)升級 35 2 單片微型計(jì)算機(jī) 單片微型計(jì)算機(jī)簡稱為單片機(jī) 它是將CPU RAM ROM和I O接口集成在一塊芯片上 同時(shí)還具有定時(shí) 計(jì)數(shù) 通訊和中斷等功能的微型計(jì)算機(jī) 自1976年Intel公司首片單片機(jī)問世以來 隨著集成電路制造技術(shù)的發(fā)展 單片機(jī)的CPU依次出現(xiàn)了8位和16位機(jī)型 并使運(yùn)行速度 存儲(chǔ)器容量和集成度不斷提高 現(xiàn)在比較常用的單片機(jī)一般具有數(shù)十K的閃存 16位的A D及看門狗等功能 而各種滿足專門需要的單片機(jī)也可由生產(chǎn)廠家定做 36 單片機(jī)以其體積小 功能齊全 價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn) 越來越被廣泛地應(yīng)用在機(jī)電一體化產(chǎn)品中 特別是在數(shù)字通信產(chǎn)品 智能化家用電器和智能儀器領(lǐng)域 單片機(jī)以其幾元到幾十元人民幣的價(jià)格優(yōu)勢獨(dú)霸天下 由于單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力和接口限制 在大型工業(yè)控制系統(tǒng)中 它一般只能輔助中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)測試一些信號的數(shù)據(jù)信息和完成單一量控制 單片機(jī)的生產(chǎn)廠家和種類很多 如 美國Intel公司的MCS系列 Zilog公司的SUPER系列 Motolora公司的6801和6805系列 日本National公司的MN6800系列 HITACHI公司的HD6301系列等 其中Intel公司的MCS單片機(jī)產(chǎn)品在國際市場上占有最大的份額 在我國也獲得最廣泛的應(yīng)用 下面以MCS系列單片機(jī)為例 來介紹單片機(jī)的結(jié)構(gòu) 性能及使用上的特點(diǎn) 37 1 MCS 48單片機(jī)系列MCS 48系列是8位的單片機(jī) 根據(jù)存儲(chǔ)器的配置不同 該系列包括有8048 8049 8021 8035等多種機(jī)型 由于價(jià)格低廉 目前仍有簡單的控制場合在使用 其主要特點(diǎn)是 1 8位CPU 工作頻率1 6MHz 2 64字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 1K字節(jié)程序存儲(chǔ)器 3 5V電源 40引腳雙列直插式封裝 4 6MHz工作頻率時(shí)機(jī)器周期為2 5 s 所有指令為1 2個(gè)機(jī)器周期 5 有96條指令 其中大部分為單字節(jié)指令 6 8字節(jié)堆棧 單級中斷 2個(gè)中斷源 7 兩個(gè)工作寄存器區(qū) 8 一個(gè)8位定時(shí) 計(jì)數(shù)器 38 2 MCS 51單片機(jī)系列其主要特點(diǎn)是 1 8位CPU 工作頻率1 12MHz 2 128字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 4K字節(jié)ROM程序存儲(chǔ)器 3 5V電源 40引腳雙列直插式封裝 4 12MHz工作頻率時(shí)機(jī)器周期為1 s 所有指令為1 4個(gè)機(jī)器周期 5 外部可分別擴(kuò)展64K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器 6 2級中斷 5個(gè)中斷源 7 21個(gè)專用寄存器 有位尋址功能 8 2個(gè)16位定時(shí) 計(jì)數(shù)器 1個(gè)全雙工串行通訊口 9 4組8位I O口 39 3 MCS 96單片機(jī)系列的特點(diǎn) 1 16位CPU 工作頻率6 12MHz 2 232字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 8K字節(jié)ROM程序存儲(chǔ)器 3 48和68兩種引腳 多種封裝形式 4 高速I O接口 能測量和產(chǎn)生高分辨率的脈沖 12MHz時(shí)是2 s 6條專用I O 2條可編程I O 5 外部可分別擴(kuò)展64K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器 6 可編程8級優(yōu)先中斷 21個(gè)中斷源 7 脈寬調(diào)制輸出 提供一組能改變脈寬的可編程脈寬信號 8 2個(gè)16位定時(shí) 計(jì)數(shù)器 4個(gè)16位軟件定時(shí)器 40 9 5組8位I O口 10 10位A D轉(zhuǎn)換器 可接受4路或8路的模擬量輸入 11 6 25 s的16位乘16位和32位除16位指令 12 運(yùn)行時(shí)可對EPROM編程 ROM EPROM的內(nèi)容可加密 13 全雙工串行通訊口及專門的波特率發(fā)生器 41 三 可編程序控制器 PLC 在制造業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)線上 各道工序都是按預(yù)定的時(shí)間和條件順序執(zhí)行的 對這種自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行控制的裝置稱為順序控制器 以往順序控制器主要是由繼電器組成 改變生產(chǎn)線工序 執(zhí)行次序或條件需改變硬件連線 隨著大規(guī)模集成電路和微處理器在順序控制器中的應(yīng)用 順序控制器開始采用類似微型計(jì)算機(jī)的通用結(jié)構(gòu) 把程序存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中 用軟件實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的邏輯運(yùn)算 延時(shí)等過去用繼電器完成的功能 形成了可編程序邏輯控制器PLC ProgramableLogicController 現(xiàn)在它已經(jīng)發(fā)展成了除了可用于順序控制 還具有數(shù)據(jù)處理 故障自診斷 PID運(yùn)算 聯(lián)網(wǎng)等能力的多功能控制器 因此 現(xiàn)已把它們統(tǒng)稱為可編程序控制器PC ProgramableController 42 單片機(jī)和PLC之比較 1 PLC是建立在單片機(jī)之上的產(chǎn)品 單片機(jī)是一種集成電路 兩者不具有可比性 2 單片機(jī)可以構(gòu)成各種各樣的應(yīng)用系統(tǒng) 從微型 小型到中型 大型都可 PLC是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一個(gè)特例 3 不同廠家的PLC有相同的工作原理 類似的功能和指標(biāo) 有一定的互換性 質(zhì)量有保證 編程軟件正朝標(biāo)準(zhǔn)化方向邁進(jìn) 這正是PLC獲得廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ) 而單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)則是八仙過海 各顯神通 功能千差萬別 質(zhì)量參差不齊 學(xué)習(xí) 使用和維護(hù)都很困難 43 從工程的角度 談?wù)凱LC與單片機(jī)系統(tǒng)的選用 1 對單項(xiàng)工程或重復(fù)數(shù)極少的項(xiàng)目 采用PLC方案是明智 快捷的途徑 成功率高 可靠性好 但成本較高 2 對于量大的配套項(xiàng)目 采用單片機(jī)系統(tǒng)具有成本低 效益高的優(yōu)點(diǎn) 但這要有相當(dāng)?shù)难邪l(fā)力量和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)才能使其準(zhǔn)確地運(yùn)行 最好的方法是單片機(jī)系統(tǒng)嵌入PLC的功能 這樣可大大簡化單片機(jī)系統(tǒng)的研制時(shí)間 性能得到保障 效益也就有保證 44 PLC其實(shí)就是一套已經(jīng)做好的單片機(jī) 單片機(jī)范圍很廣 系統(tǒng) PLC的梯形圖可以理解成是與匯編等計(jì)算器語言一樣是一種編程語言 只是使用范圍不同 而且通常做法是由PLC軟件把梯形圖轉(zhuǎn)換成C或匯編語言 由PLC所使用的CPU決定 然后利用匯編或C編譯系統(tǒng)編譯成機(jī)器碼 PLC運(yùn)行的只是機(jī)器碼而已 梯形圖只是讓使用者更加容易使用而已 45 同樣MCS 51單片機(jī)當(dāng)然也可以用于PLC制作 只是8位CPU在一些高級應(yīng)用如 大量運(yùn)算 包括浮點(diǎn)運(yùn)算 嵌入式系統(tǒng) 現(xiàn)在UCOS也能移植到MCS 51 等 有些力不從心而已 46 表5 1三種常用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的性能比較 47 48 4 2接口技術(shù) 49 I O接口與I O通道是計(jì)算機(jī)主機(jī)與外部連接的橋梁 常用的I O接口有并行接口和串行接口 I O通道有模擬量I O通道和數(shù)字量I O通道 其中模擬量I O通道的作用是 一方面將經(jīng)由傳感器得到的工業(yè)對象的生產(chǎn)過程參數(shù)變換成二進(jìn)制代碼傳送給計(jì)算機(jī) 另一方面將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字控制量變換為控制操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模擬信號 以實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制 數(shù)字量通道的作用是 除完成編碼數(shù)字輸入輸出外 還可將各種繼電器 限位開關(guān)等的狀態(tài)通過輸入接口傳送給計(jì)算機(jī) 或?qū)⒂?jì)算機(jī)發(fā)出的開關(guān)動(dòng)作邏輯信號經(jīng)由輸出接口傳送給生產(chǎn)機(jī)械中的各個(gè)電子開關(guān)或電磁開關(guān) 50 在采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號處理的控制系統(tǒng)中 計(jì)算機(jī)處理的信號是以數(shù)碼的形式存在的 也稱為數(shù)字信號 它在時(shí)間上是離散的 離散控制理論是研究計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ) 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)中 包括工作于離散狀態(tài)下的計(jì)算機(jī)和具有連續(xù)工作狀態(tài)的被控對象兩大部分 被控量一般為連續(xù)變化的物理量 位移 速度 壓力 流量 溫度等 稱為模擬量 經(jīng)過傳感器檢測轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號 再經(jīng)過模 數(shù) A D 轉(zhuǎn)換器將信號轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)字量送入計(jì)算機(jī) 從而完成了信號的輸入過程 計(jì)算機(jī)經(jīng)數(shù)字運(yùn)算和處理后的數(shù)字信號還需要經(jīng)過 D A 轉(zhuǎn)換和保持 轉(zhuǎn)換成連續(xù)信號 再經(jīng)過執(zhí)行機(jī)構(gòu)施加到被控對象 實(shí)現(xiàn)了信息輸出 51 52 A D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo) 模數(shù) A D 和數(shù)模 D A 1 分辨率 用輸出二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)表示 位數(shù)越多 量化誤差越小 分辨力越高 常用有8位 10位 12位 16位等 例如 某A D轉(zhuǎn)換器輸入模擬電壓的變化范圍為 10V 10V 轉(zhuǎn)換器為8位 若第一位用來表示正 負(fù)符號 其余7位表示信號幅值 則最末一位數(shù)字可代表80mV模擬電壓 10V 1 27 80mV 即轉(zhuǎn)換器可以分辨的最小模擬電壓為80mV 而同樣情況 用一個(gè)10位轉(zhuǎn)換器能分辨的最小模擬電壓為20mV 10V 1 29 80mV 53 2 轉(zhuǎn)換精度 轉(zhuǎn)換精度 量程 A D轉(zhuǎn)換器的分辨力 0 5 具有某種分辨力的轉(zhuǎn)換器在量化過程中由于采用了四舍五入的方法 因此最大量化誤差應(yīng)為分辨力數(shù)值的一半 如上例8位轉(zhuǎn)換器最大量化誤差應(yīng)為40mV 80mV O 5 40mV 全量程的相對誤差則為0 4 40mV 10V 100 可見 A D轉(zhuǎn)換器數(shù)字轉(zhuǎn)換的精度由最大量化誤差決定 實(shí)際上 許多轉(zhuǎn)換器末位數(shù)字并不可靠 實(shí)際精度還要低一些 由于含有A D轉(zhuǎn)換器的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊通常包括有模擬處理和數(shù)字轉(zhuǎn)換兩部分 因此整個(gè)轉(zhuǎn)換器的精度還應(yīng)考慮模擬處理部分 如積分器 比較器等 的誤差 一般轉(zhuǎn)換器的模擬處理誤差與數(shù)字轉(zhuǎn)換誤差應(yīng)盡量處在同一數(shù)量級 總誤差則是這些誤差的累加和 例如 一個(gè)10位A D轉(zhuǎn)換器用其中9位計(jì)數(shù)時(shí)的最大相對量化誤差為29 0 5 0 l 若模擬部分精度也能達(dá)到0 l 則轉(zhuǎn)換器總精度可接近0 2 54 3 轉(zhuǎn)換速度 指完成一次轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間 如 100ms 10Hz 10us 100kHz 轉(zhuǎn)換速度是指完成一次轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間 即從發(fā)出轉(zhuǎn)換控制信號開始 直到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出為止所用的時(shí)間 轉(zhuǎn)換時(shí)間越長 轉(zhuǎn)換速度就越低 轉(zhuǎn)換速度與轉(zhuǎn)換原理有關(guān) 如逐位逼近式A D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度要比雙積分式A D轉(zhuǎn)換器高許多 除此以外 轉(zhuǎn)換速度還與轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān) 一般位數(shù)少的 轉(zhuǎn)換精度差 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度高 目前常用的A D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換位數(shù)有8位 10位 12位 14位 16位等 其轉(zhuǎn)換速度依轉(zhuǎn)換原理和轉(zhuǎn)換位數(shù)不同 一般在幾微秒至幾百毫秒之間 由干轉(zhuǎn)換器必須在采樣間隔Ts內(nèi)完成一次轉(zhuǎn)換工作 因此轉(zhuǎn)換器能處理的最高信號頻率就受到轉(zhuǎn)換速度的限制 如50us內(nèi)完成10位A D轉(zhuǎn)換的高速轉(zhuǎn)換器 這樣 其采樣頻率可高達(dá)20kHz 55 56 多路選擇開關(guān)在多通道數(shù)據(jù)切換中的應(yīng)用 多路選擇開關(guān)在多通道數(shù)據(jù)切換中的應(yīng)用如圖所示 該電路的優(yōu)點(diǎn)是使用的元件少 缺點(diǎn)是所有傳感器的零信號線均需并聯(lián)起來 若各傳感器的地電位不相同 這樣的接法會(huì)引起較大的環(huán)流 是不適當(dāng)?shù)?較好的辦法是采用 雙n選一 開關(guān)來切換每個(gè)傳感器的一對信號線 但是當(dāng)各傳感器對地電位相差較大時(shí) 會(huì)引起各通道間漏電甚至擊穿 所以當(dāng)共模電壓較大時(shí)可改用體積較大 動(dòng)作較慢的干簧繼電器 57 58 59 60 61 62 數(shù) 模 D A 轉(zhuǎn)換 63 數(shù) 模 D A 轉(zhuǎn)換 64 模 數(shù) A D 轉(zhuǎn)換 65 模 數(shù) A D 轉(zhuǎn)換 66 67 5 4檢測與傳感器技術(shù) 68 69 線位移傳感器 70 線位移傳感器 71 線位移傳感器 72 線位移傳感器 73 線位移傳感器 74 線位移傳感器 75 線位移傳感器 76 77 78 79 3 編碼器在數(shù)控車床主軸控制中的應(yīng)用 80 81 速度傳感器 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 傳感器的選用原則