機(jī)電系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

第五章機(jī)電一體化系統(tǒng)微機(jī)控制系統(tǒng)選擇與設(shè)計(jì)

本章內(nèi)容：5.1

微機(jī)控制系統(tǒng)選擇與設(shè)計(jì)

5.2

可編程邏輯控制器(PLC)選擇1編輯課件５.1微機(jī)控制系統(tǒng)

隨著機(jī)電一體化系統(tǒng)所需的控制功能、控制形式、控制方式的不同和多控制過程日趨復(fù)雜，對控制系統(tǒng)的要求越來越高。微機(jī)控制系統(tǒng)的引用，在許多方面能滿足機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的要求。

微機(jī)控制系統(tǒng)：是將微型計(jì)算機(jī)作為機(jī)電一體化產(chǎn)品的控制器，結(jié)合微型計(jì)算機(jī)的工作原理、接口電路（數(shù)字和模擬）的設(shè)計(jì)、相應(yīng)的控制硬件和軟件，以及它們之間的匹配，實(shí)現(xiàn)對控制對象的有效控制。常用的微機(jī)控制系統(tǒng)：專用微機(jī)控制系統(tǒng)——

核心部件為單片機(jī)和單板機(jī)。

通用微機(jī)控制系統(tǒng)——

核心部件為可編程控制器和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。2編輯課件５.1.1控制系統(tǒng)硬件與軟件方案選擇

在確定微機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮幾方面的問題。（1）專用/通用微型計(jì)算機(jī)的選擇

1）專用控制系統(tǒng)的構(gòu)成與特點(diǎn)

用于大批量生產(chǎn)的機(jī)電一體化產(chǎn)品。具有機(jī)械電子有機(jī)結(jié)合緊湊，由專用IC芯片、接口電路、執(zhí)行元件、傳感器等相互合理匹配成專用控制器，軟件采用專用機(jī)器代碼或語言，可靠性強(qiáng)，成本低，但適應(yīng)能力較差。3編輯課件2）通用控制系統(tǒng)的構(gòu)成與特點(diǎn)

構(gòu)成：控制系統(tǒng)以通用微型計(jì)算機(jī)為核心，設(shè)計(jì)專用或選用通用的集成IC芯片、接口電路、執(zhí)行元件、傳感器，以及相互合理匹配元件，組成具有較好通用能力的控制器。軟件采用通用平臺(tái)軟件系統(tǒng)。特點(diǎn)：具有可靠性高，適應(yīng)性強(qiáng)，但成本高，應(yīng)采取一定的抗干擾措施等特點(diǎn)。應(yīng)用：適用于多品種、中小批量生產(chǎn)的機(jī)電一體化產(chǎn)品。4編輯課件（2）硬件與軟件的權(quán)衡

/匹配

任何微機(jī)控制系統(tǒng)的控制功能，既可以由硬件實(shí)現(xiàn)，也可以由軟件實(shí)現(xiàn)，兩者的合理匹配是確定或選用微機(jī)控制系統(tǒng)研究內(nèi)容之一。主要依據(jù)經(jīng)濟(jì)性、可靠性、適用性等要求來決定?！镏饕猛ㄓ梅蛛x元件組成的控制系統(tǒng)——最好采用軟件來實(shí)現(xiàn)對機(jī)電一體化產(chǎn)品的主要控制功能，接口少，易于調(diào)整，適應(yīng)能力強(qiáng)，但成本較高。

5編輯課件

★主要用專用集成元件組成的控制系統(tǒng)——最好選用硬件實(shí)現(xiàn)對機(jī)電一體化產(chǎn)品的主要控制功能，具有廉價(jià)、可靠、處理速度快等特點(diǎn)。（3）應(yīng)有必要的抗干擾措施

由于工作環(huán)境比較惡劣（存在電噪聲干擾等），易產(chǎn)生故障。為提高控制系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力和抗干擾能力，以及可靠性，必須采取相應(yīng)的抗干擾措施。6編輯課件５.1.2

微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

（1）確定系統(tǒng)總體控制方案

總體控制方案確定技術(shù)路線從系統(tǒng)構(gòu)成上考慮控制方式（開環(huán)控制、半閉環(huán)控制、閉環(huán)控制）——傳感元件選用（含精度）——選用/設(shè)計(jì)執(zhí)行元件——考慮被控制對象特殊控制要求（高可靠性、高精度、快速響應(yīng)特性）——微機(jī)在整個(gè)控制系統(tǒng)中的作用（計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、直接/間接控制方式、控制功能、I/O接口、外圍設(shè)備等）——控制系統(tǒng)成本核算。

確定微機(jī)控制系統(tǒng)總體控制的初步方案總體方案可行性論證——總體方案技術(shù)/經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)——總體方案鑒定。

最終確定微機(jī)控制系統(tǒng)總體控制方案7編輯課件（2）確定控制算法

目的在于確定微機(jī)控制系統(tǒng)輸入/輸出之間的數(shù)字和邏輯數(shù)學(xué)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)方式，為控制系統(tǒng)輸出的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)被控制對象的各控制功能、精度、穩(wěn)定性、可靠性等要求提高可靠的理論依據(jù)。常用的控制算法：

逐點(diǎn)比較法、數(shù)字積分法、PID調(diào)節(jié)控制法、最小拍控制法、最優(yōu)控制法、隨機(jī)控制法、自適用控制法、遺傳控制法、模糊控制法、魯棒控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法、專家系統(tǒng)等。選用何種控制算法，應(yīng)依據(jù)被控制對象的具體要求而定，主要包括控制功能、精度、穩(wěn)定性、可靠性等。8編輯課件（3）微型計(jì)算機(jī)選擇

任何微機(jī)控制系統(tǒng)中的微型計(jì)算機(jī)，無論被控制對象的要求如何，對微型計(jì)算機(jī)都有一定最基本要求。

1）較完善的適時(shí)中斷系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制能力、緊急處理能力。

2）足夠的存儲(chǔ)容量（ROM、RAM、E2PROM）

有效地保證微機(jī)系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)處理工作的正常運(yùn)行。

3）完善的輸入/輸出通道邏輯、數(shù)字、模擬通道，以及輸入/輸出通道接口數(shù)。

4）實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制作為控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制功能的基準(zhǔn)。除此之外，還有一些特殊要求——字長、運(yùn)行速度、指令、成本、編程難易、輸入/輸出接口擴(kuò)展能力等。9編輯課件微型計(jì)算機(jī)的最終確定：

可選用微型計(jì)算機(jī)主要有三種類型：

單片機(jī)

—主要包括數(shù)字計(jì)算機(jī)四個(gè)基本組成部分(CPU、EPROM、RAM、I/O)，為單片集成電路。具有結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用范圍廣，但需用專用的開發(fā)系統(tǒng)對其軟件和硬件進(jìn)行開發(fā)才能滿足使用要求。

單板機(jī)

—將單片機(jī)、編程器、外部存儲(chǔ)器、專用/通用接口電路等板卡式微型計(jì)算機(jī)。具有成本低、體積小特點(diǎn)，主要用于生產(chǎn)現(xiàn)場的控制系統(tǒng)；但內(nèi)存容量少，接口電路少，采用機(jī)器語言編程、程序編寫、調(diào)試?yán)щy。

微型計(jì)算機(jī)

—具有豐富的軟件和硬件支持，具有可視化界面的系統(tǒng)軟件、可應(yīng)用高級(jí)語言、匯編語言等編寫應(yīng)用程序，程序編寫、調(diào)試方便快捷，有多樣化數(shù)據(jù)信號(hào)輸入/輸出接口（COM、USB）或插槽（PCI、ISA）；但價(jià)格比較昂貴、抗干擾能力較差。

10編輯課件（4）控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

（技術(shù)設(shè)計(jì)）被控對象的具體要求、微型計(jì)算機(jī)、控制軟件平臺(tái)確定后，便可進(jìn)行控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。主要解決系統(tǒng)硬件、軟件和操作人員三者之間的匹配，數(shù)據(jù)信息和控制信息交換的通訊接口設(shè)計(jì)（硬件接口），時(shí)序控制設(shè)計(jì)，應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)等方面問題?？刂葡到y(tǒng)總體設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：

1）軟件與硬件功能合理分配與協(xié)調(diào)(主要依據(jù)經(jīng)濟(jì)性、可靠性指標(biāo)進(jìn)行軟件/硬件的分配、協(xié)調(diào)與權(quán)衡)。

2）接口設(shè)計(jì)（輸入/輸出信號(hào)匹配與協(xié)調(diào)）。

3）通道設(shè)計(jì)（信號(hào)通訊方式與I/O類型）。

4）操作控制臺(tái)設(shè)計(jì)（人機(jī)交換方式）。

5）可靠性設(shè)計(jì)（可靠性設(shè)計(jì)方案與措施）。

11編輯課件（5）軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件：主要有操作系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、開發(fā)系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)等。在機(jī)電一體化產(chǎn)品的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中、一般不設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件，只是合理選用并了解基本的工作原理和熟練使用方法的問題。

應(yīng)用軟件：由操作者依據(jù)被控制系統(tǒng)的控制要求和特點(diǎn)，用戶自行編寫完成的。對于操作者或編程員來講，軟件設(shè)計(jì)均為應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。除此之外，在應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)考慮一些基本要求，如實(shí)時(shí)性、針對性、靈活性和通用性等方面要求。

12編輯課件（6）系統(tǒng)調(diào)試

微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，需對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，以便達(dá)到設(shè)計(jì)要求。調(diào)試步驟包括硬件調(diào)試、軟件調(diào)試、系統(tǒng)調(diào)試三大步驟。13編輯課件５.２可編程邏輯控制器(PLC)（1）PLC的基本工作原理與構(gòu)成

工作原理：使用可編程存儲(chǔ)器存儲(chǔ)用戶設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序指令，由指令實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、順序操作、定時(shí)、計(jì)數(shù)、算術(shù)運(yùn)算和I/O接口通訊來控制機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）。

基本構(gòu)成：主要由微處理器（CPU）、存儲(chǔ)器（RAM、ROM、E2PROM）、I/O接口（數(shù)字、模擬）、編程接口、編程器（含顯示）等組成。

14編輯課件（2）PLC的編程特點(diǎn)

PLC可編程邏輯控制器的設(shè)計(jì)者向用戶提供簡明、易學(xué)、易記的匯編語言，也可借助于邏輯梯形圖作為編程的首選編程語言，將一組含義明確、功能性強(qiáng)、為數(shù)不多的指令用指令助記符表示的一種直觀易懂的編程方法。15編輯課件（3）PLC的應(yīng)用舉例

16編輯課件５.３微機(jī)控制系統(tǒng)輸入/輸出的可靠性設(shè)計(jì)

微機(jī)控制系統(tǒng)以及各主要功能元件（部件）的輸入/輸出信號(hào)控制功能主要由硬件和軟件設(shè)計(jì)來保證。在硬件設(shè)計(jì)中，如何提高控制系統(tǒng)的工作可靠性，是微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一。主要包括：

1）能可靠地傳遞各類控制信息有效保證輸入/輸出控制信號(hào)轉(zhuǎn)換的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2）能夠進(jìn)行有效的信息轉(zhuǎn)換滿足微機(jī)對輸入/輸出信息類型的轉(zhuǎn)換要求。如：A/D、D/A轉(zhuǎn)換；平行數(shù)字信號(hào)與串行數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換；電平信號(hào)的轉(zhuǎn)換與匹配；電量與非電量的轉(zhuǎn)換；強(qiáng)電與弱點(diǎn)轉(zhuǎn)換。

3）具有阻斷干擾信號(hào)進(jìn)入微機(jī)控制系統(tǒng)的能力主要采用濾波技術(shù)、光電隔離技術(shù)、屏蔽技術(shù)等。17編輯課件

本節(jié)重點(diǎn)學(xué)習(xí)微機(jī)控制系統(tǒng)的輸入/輸出電路和信息接口設(shè)計(jì)的可靠性方法，即光電隔離電路設(shè)計(jì)、信息轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)。

5.3.1

光電隔離電路設(shè)計(jì)（1）光電隔離電路的基本工作原理與組成18編輯課件（2）光電隔離電路的特點(diǎn)

光電隔離電路通過光敏轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)信號(hào)的單向傳遞，可有效地阻斷各類干擾信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換（功率放大）和電平極性轉(zhuǎn)換(+/-)。光電隔離時(shí)域檢測電路時(shí)域響應(yīng)特性輸出阻抗/時(shí)間響應(yīng)特性19編輯課件光電隔離頻域檢測電路時(shí)域響應(yīng)特性輸出阻抗/頻率響應(yīng)特性20編輯課件（3）光電隔離電路的作用

1）可將輸入/輸出兩部分的供電電源和電路的地線分離。光電耦合輸入、輸出端之間絕緣電阻很大（1011~1013Ω），寄生的電容很?。?.5~2pF），因而干擾信號(hào)很難從輸入端傳遞到輸出端。

2）可進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)要求的電平輸出，從而具有初級(jí)功率放大作用。

3）提高對負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力?？芍苯域?qū)動(dòng)光控晶閘管工作。如果光電隔離電路與濾波電路、屏蔽電路有效的結(jié)合起來，將會(huì)進(jìn)一步提高微機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾能力。21編輯課件（4）光電耦合隔離電路的應(yīng)用

光電隔離電路在機(jī)電控制系統(tǒng)中的基本配置22編輯課件注意：

在微機(jī)控制系統(tǒng)中，由于可采用的高功能集成元件端口（輸入/輸出接口）的性質(zhì)常有所不同，因而所采用或設(shè)計(jì)的光電隔離電路也有所不同。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)依據(jù)實(shí)際情況而定。

1）8031芯片匹配的輸入輸出光電隔離接口電路

特點(diǎn)：P3口作為準(zhǔn)雙向接口，當(dāng)P3輸入口被拉成低電平時(shí)，可直接由TTL或MOS電路驅(qū)動(dòng)；當(dāng)外部信號(hào)為低電平時(shí)，P3可被拉成高電平直接與光電耦合器連接。23編輯課件2）8031、8215、8255芯片匹配光電隔離接口電路

特點(diǎn)：當(dāng)接口作為輸入口時(shí)，端口為高阻抗輸入，與8031的P1接口與光電耦合器的輸入連接相同；當(dāng)P1和P3作為輸出接口（準(zhǔn)雙向接口）時(shí)，高電平輸出時(shí)對外泄漏的電流很?。泓c(diǎn)幾mA）；低電平輸出時(shí)對外泄漏的電流很大，P1和P3作為輸出接口。24編輯課件3）8155、8255芯片匹配光電隔離接口電路

特點(diǎn)：由于8155、8255輸出口可釋放和吸收的電流較大，故可直接用高點(diǎn)平推動(dòng)晶體管驅(qū)動(dòng)光電二極管。在8155、8255上電復(fù)位（高阻抗?fàn)顟B(tài)）時(shí)，不使開機(jī)輸出額外的信息，將晶體管硬拉成低電平。25編輯課件

4）輸出較大電流驅(qū)動(dòng)的光電隔離接口輸出電路

特點(diǎn)：采用達(dá)林頓型驅(qū)動(dòng)電路，可輸出更大的電流驅(qū)動(dòng)輸出設(shè)備。26編輯課件5）提高普通光電耦合器光耦合速度的光電隔離

接口輸出（響應(yīng)）電路

特點(diǎn)：可進(jìn)一步提高普通光電耦合器光耦合速度。27編輯課件6）V/F轉(zhuǎn)換器（LM331）頻率輸出光電隔離

接口輸出電路

特點(diǎn)：可提高在惡劣環(huán)境中前向型通道和電源的抗干擾能力。28編輯課件5.3.2信息轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

（1）弱電/強(qiáng)電轉(zhuǎn)換電路

29編輯課件（2）數(shù)字/脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換——并行轉(zhuǎn)換為串行

（3）數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換、模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換

30編輯課件5.4常用檢測傳感器與微機(jī)接口

微型計(jì)算機(jī)需要輸