控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的課件

1、 1、控制系統(tǒng)的地位： 在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要實(shí)現(xiàn)控制及信息處理功能，它通過計(jì)算機(jī)接口與檢測(cè)設(shè)備和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)系，在機(jī)電一體化系統(tǒng)中占有相當(dāng)重要的地位。1 2、控制系統(tǒng)的組成及工作原理： 圖3.1是控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成圖。它由控制裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對(duì)象及傳感器與檢測(cè)裝置等構(gòu)成。工作原理：控制裝置根據(jù)給定信號(hào)和采集外界的各種信息，經(jīng)過處理、分析后，將計(jì)算結(jié)果及控制信號(hào)輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)被控對(duì)象加以控制，以實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象按預(yù)定的規(guī)律或目的運(yùn)行。圖3.1 控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成2 1)按控制器所依據(jù)的判定準(zhǔn)則中是否有被控對(duì)象狀態(tài)的函數(shù)，可將控制系統(tǒng)分為順序控制系統(tǒng)和反饋控制系統(tǒng)。

2、 前者依據(jù)時(shí)間、邏輯、條件等順序決定被控對(duì)象的運(yùn)行步驟，是一種開環(huán)控制系統(tǒng)。其主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、容易維修，缺點(diǎn)是精度低，對(duì)環(huán)境變化和干擾十分敏感； 后者依據(jù)被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)決定被控對(duì)象的變化趨勢(shì)，是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)。它具有精度高、動(dòng)態(tài)性能好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴等。3、控制系統(tǒng)的分類3 2)按系統(tǒng)輸出的變化規(guī)律可將控制系統(tǒng)分為鎮(zhèn)定控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)。 鎮(zhèn)定控制系統(tǒng)也叫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它的特點(diǎn)是，在外界干擾作用下使系統(tǒng)輸出仍基本保持為常量，如恒溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)等，鎮(zhèn)定控制系統(tǒng)的輸入是它的設(shè)定點(diǎn)； 程序控制系統(tǒng)也叫過程控制系統(tǒng)，它的特點(diǎn)是，在外界條件的作用下系統(tǒng)的輸

3、出按預(yù)定程序變化，如機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)等。這類系統(tǒng)的給定值是變化的，但它是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，或按預(yù)定的規(guī)律變化。 隨動(dòng)系統(tǒng)也叫跟蹤系統(tǒng)，它的特點(diǎn)是系統(tǒng)的輸出能相應(yīng)于輸入在較大范圍內(nèi)按任意規(guī)律變化，如炮瞄雷達(dá)系統(tǒng)等。隨動(dòng)系統(tǒng)的給定信號(hào)不僅在不斷地變化，而且這種變化是按未知規(guī)律變化的任意函數(shù)。隨動(dòng)系統(tǒng)的根本任務(wù)就是能夠自動(dòng)地、連續(xù)地、精確地復(fù)現(xiàn)給定信號(hào)的變化規(guī)律。4 3)按系統(tǒng)中所處理信號(hào)的形式可將控制系統(tǒng)分為連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)。 在連續(xù)控制系統(tǒng)中，信號(hào)是以連續(xù)的模擬信號(hào)形式被處理和傳遞的，控制器采用硬件模擬電路實(shí)現(xiàn)； 在離散控制系統(tǒng)中，主要采用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，控制器是以軟件算法為

4、主的數(shù)字控制器。 4)按被控對(duì)象自身的特性可將控制系統(tǒng)分成線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)、確定系統(tǒng)與隨機(jī)系統(tǒng)等。5 機(jī)電一體化控制系統(tǒng)形式很多，但對(duì)控制系統(tǒng)都有一個(gè)共同的要求，概括起來為穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個(gè)方面。 1)穩(wěn)定性：因閉環(huán)控制存在反饋，系統(tǒng)又存在慣性，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)匹配不當(dāng)時(shí)，則會(huì)引起振蕩而喪失工作能力，故保持系統(tǒng)穩(wěn)定是系統(tǒng)工作的首要條件。 2)準(zhǔn)確性：指調(diào)節(jié)過程結(jié)束后輸出量與給定量之間的偏差，亦稱靜態(tài)精度。例如數(shù)控機(jī)床的控制精度越高，其加工的零件精度也越高。 3)快速性：指在系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下，當(dāng)系統(tǒng)的輸出量和輸入量之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差過程的快速程度4、控制系統(tǒng)的要求65、控制微機(jī)的選擇 在機(jī)電

5、一體化系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)是其核心。由于控制的復(fù)雜性和多樣性，各種類型的控制微機(jī)相繼出現(xiàn)，人們?cè)谠O(shè)計(jì)微機(jī)控制系統(tǒng)的時(shí)候，就要根據(jù)實(shí)際情況，選擇合適的主控單元。現(xiàn)在使用最多的工業(yè)控制微機(jī)主要集中在PC總線工控機(jī)、STD總線工控機(jī)、單片機(jī)或單板機(jī)組成的微機(jī)系統(tǒng)和可編程控制器等幾大類。 控制微機(jī)的發(fā)展歷程：初期的微機(jī)控制功能大多由單板機(jī)實(shí)現(xiàn)，后來隨著PC機(jī)功能的增強(qiáng)，價(jià)格下降，出現(xiàn)了由PC機(jī)擴(kuò)展而成的微機(jī)控制系統(tǒng)，為了改進(jìn)普通PC機(jī)在工業(yè)環(huán)境下的適應(yīng)性，出現(xiàn)了工業(yè) PC 機(jī)，同時(shí)發(fā)展起了可靠性較高的STD總線系統(tǒng)。為了替代傳統(tǒng)的繼電邏輯器件，發(fā)展起來了工業(yè)可編程控制器（PLC）。隨著半導(dǎo)體器件集成度的提

6、高，集成有CPU和基本外圍接口電路的單片機(jī)也發(fā)展起來了，成為當(dāng)前在機(jī)電一體化產(chǎn)品中應(yīng)用最廣的微機(jī)芯片。7 6、基于PC機(jī)的控制系統(tǒng)構(gòu)成要素： 軟件-計(jì)算機(jī)-控制卡-信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置-測(cè)控對(duì)象 7、工控機(jī)概念： 為了克服普通PC機(jī)環(huán)境適應(yīng)性、抗干擾性差的弱點(diǎn)，發(fā)展起了結(jié)構(gòu)經(jīng)過加固、元器件經(jīng)過嚴(yán)格篩選、接插件結(jié)合部經(jīng)過強(qiáng)化設(shè)計(jì)、有良好抗干擾性、工作可靠性高并且保留了PC機(jī)的總線及接口標(biāo)準(zhǔn)以及其他優(yōu)點(diǎn)的一類微型計(jì)算機(jī)，稱為工業(yè)PC控制機(jī)。 通常各種工控機(jī)都備有種類齊全的PC總線接口模板，包括：數(shù)字量I/O板，模擬量A/D、D/A板，頻率量輸入輸出板，定時(shí)器、計(jì)數(shù)器板，專用控制板，通信板以及存儲(chǔ)器板等，為

7、設(shè)計(jì)制作微機(jī)控制系統(tǒng)提供了極大的方便。8 8、基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容 (1)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單片機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可劃分為兩部分: 一部分是與單片機(jī)直接接口的數(shù)字電路的設(shè)計(jì)。如存儲(chǔ)器和并行接口的擴(kuò)展, 定時(shí)系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)擴(kuò)展, A/D、 D/A芯片的接口等。另一部分是與模擬電路相關(guān)的電路設(shè)計(jì), 包括信號(hào)整形、變換、隔離和選用傳感器，以及輸出通道中的隔離和驅(qū)動(dòng)以及執(zhí)行元件的選用等?？捎糜≈瓢遢o助設(shè)計(jì)軟件PROTEL99SE進(jìn)行硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 (2)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單片機(jī)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)采用模塊化的方法設(shè)計(jì)，內(nèi)容包括：軟件流程圖設(shè)計(jì)、軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件算法設(shè)計(jì)、主程序設(shè)計(jì)、功能子程序設(shè)計(jì)和處理外

8、部事件的中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)等。模塊化程序設(shè)計(jì)便于代碼理解與移植，提高程序的效率。Keil C51是目前常用的單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)工具。9 9、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)步驟 (1)確定設(shè)計(jì)方案 1)了解用戶的需求, 確定總體設(shè)計(jì)方案。 2)明確設(shè)計(jì)難點(diǎn)與重點(diǎn)，并展開調(diào)研工作。產(chǎn)品技術(shù)手冊(cè)、各種成熟電路、專業(yè)網(wǎng)站、論壇等都可以利用。 (2)硬件設(shè)計(jì) 1)關(guān)鍵元件選型，采購(gòu)清單整理。 2)單片機(jī)電路設(shè)計(jì)，包括最小系統(tǒng)、數(shù)字電路設(shè)計(jì)等。 3)信號(hào)輸入輸出通道、信號(hào)調(diào)整等模擬電路設(shè)計(jì)。 4)PCB電路板設(shè)計(jì)及制板。 (3)軟件設(shè)計(jì) 采用模塊化程序設(shè)計(jì)、自上向下的程序設(shè)計(jì)方法。 (4)系統(tǒng)調(diào)試 1)電路板的焊接與簡(jiǎn)單調(diào)

9、試(電源、短路、開路等)。 2)軟件的仿真與系統(tǒng)綜合調(diào)試。 3)程序燒錄與運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。 (5)系統(tǒng)完善 (6)文檔整理及產(chǎn)品定型10 10、單片機(jī)概念 單片機(jī)全稱是單片微型計(jì)算機(jī)，英文為Single Chip Microcomputer。就是在一個(gè)集成電路上集成了微型計(jì)算機(jī)的全部基本資源，包括中央處理器(CPU)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行通信及中斷系統(tǒng)和各種輸入輸出接口等多種資源。 11、單片機(jī)的特點(diǎn) （1）體積小、重量輕、功耗低、功能強(qiáng)、性價(jià)比高。 （2）數(shù)據(jù)大都在單片機(jī)內(nèi)部傳送，運(yùn)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。 （3）結(jié)構(gòu)靈活，易于組成各種微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。 （4）應(yīng)用廣泛，既可用于過程控制、機(jī)電一體化產(chǎn)品等場(chǎng)合，又可用于測(cè)量?jī)x器、醫(yī)療儀器、家用電器、