機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計-控制系統(tǒng)設(shè)計及控制技術(shù)

控制系統(tǒng)設(shè)計及控制技術(shù)本章內(nèi)容CONTENTS

控制系統(tǒng)組成與分類1基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計2基于PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計3基于總線式工控機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計4機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制技術(shù)53

5.1.1控制系統(tǒng)組成典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制系統(tǒng)組成如圖5-1所示，包括被控對象和控制裝置兩大組成部分。圖5-1機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制系統(tǒng)組成4

5.1.1控制系統(tǒng)組成被控對象：是指在一個控制系統(tǒng)中被控制的事物或生產(chǎn)過程，又稱受控對象或控制對象。在自動控制系統(tǒng)中，一般指被控制的設(shè)備或過程為對象，例如數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、反應(yīng)堆傳熱過程、鍋爐燃燒過程等。控制裝置：它是執(zhí)行控制系統(tǒng)任務(wù)的裝置，主要由控制計算機(jī)和伺服驅(qū)動裝置兩部分組成。①控制計算機(jī)：也稱上位機(jī)，它是控制系統(tǒng)的主控制器，主要作用是發(fā)出控制指令。②伺服驅(qū)動裝置：即伺服驅(qū)動系統(tǒng)，是接受控制計算機(jī)發(fā)送的控制指令，具體完成控制任務(wù)的一套裝置。5

5.1.2控制系統(tǒng)分類

1.按照有無反饋分類（1）開環(huán)控制系統(tǒng)：是指沒有反饋環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)，其主要優(yōu)點(diǎn)是簡單、經(jīng)濟(jì)、容易維修以及價格便宜；主要缺點(diǎn)是精度低，對環(huán)境變化和干擾十分敏感。（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)：亦稱為反饋控制系統(tǒng)，與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，具有精度高，動態(tài)性能好，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，它的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修困難，價格昂貴等。

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5.1.2控制系統(tǒng)分類2.按照應(yīng)用目標(biāo)分類（1）調(diào)節(jié)系統(tǒng)：是在干擾作用下使被控變量保持常數(shù)的一種控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸入就是它的設(shè)定值。（2）跟蹤系統(tǒng)：是保持其被控變量盡可能接近時變的指令值。例如，數(shù)控機(jī)床的刀具必須跟蹤給定的路徑，以加工出合適形狀的零件，它就是一個跟蹤系統(tǒng)，也就是常見的伺服系統(tǒng)。（3）過程控制系統(tǒng)：是指面向具體的工業(yè)控制過程實(shí)施的控制系統(tǒng)，如溫度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)不是伺服系統(tǒng)，而是過程控制系統(tǒng)。典型的過程控制系統(tǒng)的被控變量有溫度、壓力、流速、液位以及化學(xué)濃度等。

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5.1.2控制系統(tǒng)分類3.按信號類型分類（1）恒值控制系統(tǒng)：在控制過程中，如果要求被控變量保持在一個指標(biāo)上不變，或者說系統(tǒng)的給定信號是恒定值，那么就需要采用恒值控制系統(tǒng)。（2）程序控制系統(tǒng)：這類系統(tǒng)的給定值是變化的，但它是一個已知的時間函數(shù)，或按預(yù)定的規(guī)律變化。比如金屬熱處理的溫度控制裝置、數(shù)控機(jī)床的數(shù)控程序加工，就是這類系統(tǒng)的例子。（3）隨動控制系統(tǒng)：這類系統(tǒng)的特點(diǎn)是給定信號不僅在不斷地變化，而且這種變化不是預(yù)先規(guī)定好的，也就是說給定信號是按未知規(guī)律變化的任意函數(shù)。隨動系統(tǒng)的根本任務(wù)就是能夠自動地、連續(xù)地、精確地復(fù)現(xiàn)給定信號的變化規(guī)律。

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5.1.2控制系統(tǒng)分類4.按控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類（1）集中式控制系統(tǒng)：集中式控制系統(tǒng)由一臺中央計算機(jī)直接對眾多的現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制，控制器內(nèi)部傳輸?shù)氖菙?shù)字信號。典型的集中式數(shù)字控制系統(tǒng)組成如圖5-2所示。

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圖5-2集中式控制系統(tǒng)組成10

5.1.2控制系統(tǒng)分類4.按控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類（2）集散控制系統(tǒng)：集散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS）又稱為分布式控制系統(tǒng)，它采用控制分散、操作和管理集中的基本設(shè)計思想，采用多層分級、合作自治的結(jié)構(gòu)形式。其主要特征是它的集中管理和分散控制。典型的集散控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖5-3所示，它采用分級遞階結(jié)構(gòu)，一般分為現(xiàn)場控制級、過程控制級、過程管理級和經(jīng)營管理級。

11圖5-3

集散控制系統(tǒng)（DCS）12

5.1.2控制系統(tǒng)分類4.按控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類（3）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem，F(xiàn)CS）采用智能現(xiàn)場設(shè)備，能夠把原先DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、各輸入/輸出模塊置入現(xiàn)場設(shè)備?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖5-4所示。

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圖5-4現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)14

5.2.1單片機(jī)控制系統(tǒng)特點(diǎn)（1）高集成度、高可靠性:單片機(jī)將各功能部件集成在一塊晶體芯片上，集成度很高，體積自然小。（2）控制功能強(qiáng):為了滿足對象的控制要求，單片機(jī)的指令系統(tǒng)均有較強(qiáng)的分支轉(zhuǎn)移能力，I/O口的邏輯計算及位處理能力，因此非常適用于專門的控制功能。（3）低電壓、低功耗:為了滿足便攜式系統(tǒng)需要，許多單片機(jī)內(nèi)部的工作電壓僅為1.8V～3.6V，而工作電流僅為幾百微安，功耗低。（4）性價比高:由于單片機(jī)使用廣，因而銷量大，且價格低廉，其性價比高。

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5.2.2典型單片機(jī)介紹MCS-51系列單片機(jī)：MCS-51是指由美國Intel公司生產(chǎn)的一系列單片機(jī)的總稱，這一系列單片機(jī)包括了多個機(jī)型，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最典型的產(chǎn)品。由于MCS-51單片機(jī)的處理速度、存儲器容量以及功能的限制，它適用于要求不高的機(jī)電一體化產(chǎn)品的控制系統(tǒng)。目前，基于MCS-51內(nèi)核的單片機(jī)主要廠商有Atmel、Philips、Winbond、微芯、宏晶等。圖5-5（a）所示為Atmel公司生產(chǎn)的基于51內(nèi)核的AT89C51單片機(jī)。

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5.2.2典型單片機(jī)介紹ARM系列單片機(jī)：ARM單片機(jī)是以ARM處理器為核心的一種單片微型計算機(jī)，是近些年來隨著電子設(shè)備智能化和網(wǎng)絡(luò)化程度不斷提高而出現(xiàn)的新興產(chǎn)物。圖5-5（b）所示為意法半導(dǎo)體（ST）公司生產(chǎn)的基于32位ARM微處器的ARM單片機(jī)，型號為STM32F03。

圖5-5單片機(jī)17

5.2.3單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計1.控制系統(tǒng)開發(fā)方法單片機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)方法主要有兩種，一是從元件開始構(gòu)建，二是在已有系統(tǒng)上進(jìn)行擴(kuò)展。（1）從元件開始構(gòu)建系統(tǒng)。針對具體任務(wù)，選用合適的單片機(jī)，配以必要的存儲器、接口芯片和外圍設(shè)備來構(gòu)成一個新的控制系統(tǒng)。（2）應(yīng)用已有的單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展。已有的單片機(jī)系統(tǒng)可以是MCS-51、MCS-96、ARM等系列單片機(jī)組成的單片機(jī)控制系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際需要，在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上適當(dāng)擴(kuò)展I/O通道或其它器件，重新構(gòu)成一個新的控制系統(tǒng)。

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5.2.3單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計2.控制系統(tǒng)設(shè)計步驟單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計分為方案設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試四個步驟。（1）方案設(shè)計①單片機(jī)機(jī)型和器件的選擇:單片機(jī)的功能要適合所要完成的任務(wù)，避免過多的功能閑置。性能價格比要高，以提高整個系統(tǒng)的性能價格比。②硬件與軟件的功能劃分:控制系統(tǒng)的硬件和軟件要作統(tǒng)一的考慮，因?yàn)橐环N功能往往是既可以由硬件實(shí)現(xiàn)又可以由軟件實(shí)現(xiàn)，要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時性和系統(tǒng)的性能價格比進(jìn)行綜合確定。

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5.2.3單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計2.控制系統(tǒng)設(shè)計步驟單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計分為方案設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試四個步驟。（2）硬件設(shè)計①單片機(jī)電路設(shè)計②擴(kuò)展電路設(shè)計③輸入/輸出通道設(shè)計④控制面板設(shè)計

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5.2.3單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計2.控制系統(tǒng)設(shè)計步驟單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計分為方案設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試四個步驟。（3）軟件設(shè)計軟件設(shè)計要結(jié)合硬件組成，首先明確軟件部分各個模塊的功能，詳細(xì)地畫出各模塊的流程圖，然后進(jìn)行主程序設(shè)計和各個模塊程序設(shè)計，最后連接起來得到完整的應(yīng)用程序。

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5.2.3單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計2.控制系統(tǒng)設(shè)計步驟單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計分為方案設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試四個步驟。（4）系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試是將硬件和軟件相結(jié)合，分模塊進(jìn)行調(diào)試，修正和完善原始方案，最后進(jìn)行整個系統(tǒng)的調(diào)試以達(dá)到控制系統(tǒng)的要求，調(diào)試完成后將應(yīng)用程序固化在程序存儲器中。

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5.2.3單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計3.提高系統(tǒng)可靠性的常用方法（1）電源干擾及其抑制①交流電源干擾及其抑制在工業(yè)控制現(xiàn)場，生產(chǎn)負(fù)荷經(jīng)常變化，大型用電設(shè)備的啟動、停止等，往往要造成電源電壓的波動，因此，一方面要盡量使控制系統(tǒng)遠(yuǎn)離這些干擾源，另一方面可在系統(tǒng)中采用干擾抑制器。②直流電源抗干擾措施直流電源供電可采用集成穩(wěn)壓模塊、直流開關(guān)電源或DC-DC變換器。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中往往需要幾種不同電壓等級的直流電源，這時可以采用相應(yīng)的低紋波高質(zhì)量集成穩(wěn)壓電路。

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5.2.3單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計3.提高系統(tǒng)可靠性的常用方法（2）地線干擾及其抑制①數(shù)字地與模擬地的連接原則②印刷電路板的地線分布原則③屏蔽雙絞線的接地④接地系統(tǒng)

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5.2.3單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計3.提高系統(tǒng)可靠性的常用方法（3）其它提高系統(tǒng)可靠性的方法①使用微處理器監(jiān)控電路：使用微處理器監(jiān)控電路是在單片機(jī)內(nèi)置監(jiān)視定時器，采用監(jiān)視定時器后，一旦程序跑飛，系統(tǒng)立即會被監(jiān)視定時器復(fù)位掉，從頭重新啟動系統(tǒng)，從而退出不正常的運(yùn)行狀態(tài)，但在采用微處理器監(jiān)控電路時需要保證系統(tǒng)的可重入性。②軟件抗干擾措施：常采用的軟件抗干擾措施有：濾波技術(shù)、軟件冗余設(shè)計、重要指令冗余、程序陷阱、程序監(jiān)控技術(shù)、數(shù)據(jù)保護(hù)與恢復(fù)技術(shù)等。

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5.3.1PLC特點(diǎn)與應(yīng)用1.PLC控制特點(diǎn)①

可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。②

功能強(qiáng)，配置靈活。③

編程簡單，易學(xué)易用。④

系統(tǒng)設(shè)計與維護(hù)方便。⑤

體積小、重量輕、能耗低。

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5.3.1PLC特點(diǎn)與應(yīng)用2.PLC應(yīng)用①開關(guān)量控制:開關(guān)量控制是PLC控制器最基本、最廣泛的應(yīng)用，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制。②模擬量控制:為了使PLC處理模擬量，必須要進(jìn)行模擬量和數(shù)字量之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。③運(yùn)動控制:PLC可以用于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動或直線運(yùn)動控制。④過程控制:過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。

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5.3.2典型PLC介紹1.三菱PLC（1）三菱PLC概述三菱PLC分為F系列、Q系列、IQ-F系列，IQ-R系列、L系列、QS/WS系列等，不同系列PLC在CPU運(yùn)算速度、輸入/輸出類型與規(guī)模、控制功能、通訊功能、安全功能等方面配置不同，適用于不同的控制需求。

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5.3.2典型PLC介紹1.三菱PLC（2）三菱F系列PLC介紹

圖5-6

三菱FX系列部分PLC外形29

5.3.2典型PLC介紹1.西門子PLC(1)西門子PLC概述

圖5-7西門子PLC類型（a）S7-1200（c）S7-300（b）S7-1500（d）S7-40030

5.3.2典型PLC介紹1.西門子PLC（2）SIMATICS7-1200PLC介紹S7-1200系列是目前西門子PLC應(yīng)用最為廣泛的小型PLC，它包括1211C、1212C、1214C、1215C和1217C，共5種CPU型號。S7-1200PLC整機(jī)具有下列特點(diǎn)：①高度集成的工程組態(tài)系統(tǒng)

②集成可視化控制③集成Profinet接口

④嵌入CPU模塊本體的信號板⑤高速輸入/輸出

⑥自適應(yīng)PID算法⑦數(shù)據(jù)庫共享功能

⑧硬件配置及可擴(kuò)展性31

5.3.3PLC控制系統(tǒng)設(shè)計1.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計原則PLC控制系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)滿足實(shí)用性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、可擴(kuò)展性、先進(jìn)性等基本原則。（1）實(shí)用性：實(shí)用性是控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則。（2）可靠性：可靠性是控制系統(tǒng)極其重要的原則。（3）經(jīng)濟(jì)性：這要求工程師在滿足實(shí)用性和可靠性的前提下，應(yīng)盡量使系統(tǒng)的軟、硬件配置經(jīng)濟(jì)、實(shí)惠，切勿盲目追求新技術(shù)、高性能。（4）可擴(kuò)展性（5）先進(jìn)性：此原則與經(jīng)濟(jì)性共同考慮，使控制系統(tǒng)具有較高的性價比。32

5.3.3PLC控制系統(tǒng)設(shè)計2.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計流程PLC控制系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)遵循一定的設(shè)計流程，掌握設(shè)計流程，可以增加控制系統(tǒng)的設(shè)計效率和正確性。PLC控制系統(tǒng)的一般設(shè)計流程如圖5-8所示，設(shè)計步驟包括被控對象的分析與描述、方案論證、總體設(shè)計、硬件設(shè)計、程序設(shè)計、控制系統(tǒng)調(diào)試等。33

5.3.3PLC控制系統(tǒng)設(shè)計2.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計流程（1）被控對象的分析與描述①分析被控對象②畫出工藝流程圖③了解控制任務(wù)被控對象的分析具體內(nèi)容包括：1）系統(tǒng)規(guī)模2）硬件配置3）軟件配置4）控制功能34

5.3.3PLC控制系統(tǒng)設(shè)計2.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計流程（2）PLC控制系統(tǒng)方案論證控制系統(tǒng)方案進(jìn)行論證主要是對整個系統(tǒng)的可行性作一個預(yù)測性的估計。在此階段一定要全面地考慮到設(shè)計和實(shí)施此系統(tǒng)將會遇到的各種問題。（3）PLC控制系統(tǒng)總體設(shè)計系統(tǒng)的總體設(shè)計關(guān)系到整個系統(tǒng)的總體構(gòu)架，每個細(xì)節(jié)都必須經(jīng)過反復(fù)斟酌。首先要能夠滿足用戶提出的基本要求；其次是確保系統(tǒng)的可靠性，不可以經(jīng)常出現(xiàn)故障，就算出現(xiàn)故障也不會造成大的損失；然后在經(jīng)濟(jì)性等方面予以考慮。35

5.3.3PLC控制系統(tǒng)設(shè)計2.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計流程（4）PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計控制系統(tǒng)設(shè)硬件設(shè)計在控制系統(tǒng)總體設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行詳細(xì)硬件系統(tǒng)設(shè)計。硬件設(shè)計內(nèi)容包括以下內(nèi)容1）傳感器與執(zhí)行器的確定2）PLC控制系統(tǒng)模塊選擇3）控制柜設(shè)計4）I/O模塊原理圖設(shè)計36

5.3.3PLC控制系統(tǒng)設(shè)計2.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計流程（5）PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計在硬件設(shè)計完成之后，接下來進(jìn)行PLC控制軟件設(shè)計。PLC控制系統(tǒng)軟件包括PLC控制程序、操作與監(jiān)控程序。根據(jù)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計，操作和監(jiān)控用的硬件設(shè)備可以是觸摸屏、或者是上位機(jī)、甚至是手機(jī)等，因此采用的編程工具也不相同。37

5.3.3PLC控制系統(tǒng)設(shè)計2.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計流程（5）PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計1）PLC控制程序設(shè)計①程序設(shè)計要求正確性可靠性可調(diào)整性可讀性強(qiáng)38

圖5-9PLC控制程序設(shè)計流程圖②設(shè)計流程39

5.3.3PLC控制系統(tǒng)設(shè)計2.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計流程（5）PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計2）操作與監(jiān)控程序設(shè)計一般來說，在操作與監(jiān)控程序在設(shè)計時，應(yīng)該考慮以下幾個方面：①工藝流程界面

②操作控制界面③趨勢曲線界面

④歷史數(shù)據(jù)歸檔⑤報警信息提示

⑥相關(guān)參數(shù)設(shè)置。40

5.3.3PLC控制系統(tǒng)設(shè)計2.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計流程（6）PLC控制系統(tǒng)調(diào)試控制系統(tǒng)的調(diào)試可分為模擬調(diào)試和現(xiàn)場調(diào)試兩個過程。在調(diào)試之前首先要仔細(xì)檢查系統(tǒng)的接線，這是最基本也是非常重要的一個環(huán)節(jié)。1）模擬調(diào)試①軟件模擬調(diào)試②硬件模擬調(diào)試2）現(xiàn)場調(diào)試現(xiàn)場調(diào)試是整個控制系統(tǒng)完成的重要環(huán)節(jié)，任何的系統(tǒng)設(shè)計很難說不經(jīng)過現(xiàn)場的調(diào)試就能正常使用。41

5.4.1總線式控制機(jī)組成與特點(diǎn)1.IPC硬件組成總線式工控機(jī)在普通計算機(jī)基礎(chǔ)上采取了適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的一系列提高可靠性的加固措施、同時在其內(nèi)部采用了工業(yè)控制總線的一種工業(yè)控制計算機(jī)。由于從系統(tǒng)原理到操作與普通PC機(jī)相同，用戶極易掌握，并具有通用性好，軟件豐富，通信功能強(qiáng)，靈活性好，模板資源豐富，擴(kuò)展性好，價格便宜等優(yōu)點(diǎn)。典型的總線式工控機(jī)由機(jī)箱、工業(yè)電源、主板、CPU、內(nèi)存、硬盤驅(qū)動器、輸入/輸出接口模塊等組成。42

5.4.1總線式控制機(jī)組成與特點(diǎn)1.IPC硬件組成圖5-10總線式工控機(jī)

圖5-11總線式工控機(jī)主板43

5.4.1總線式控制機(jī)組成與特點(diǎn)2.IPC軟件組成（1）系統(tǒng)軟件：系統(tǒng)軟件用來管理IPC的資源，并以簡便的形式向用戶提供服務(wù)。包括實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)、引導(dǎo)程序、調(diào)度執(zhí)行程序，如美國Intel公司的iRMX86實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)。（2）應(yīng)用軟件：應(yīng)用軟件是系統(tǒng)設(shè)計人員針對某個控制過程而編制的控制和管理程序，通常包括過程輸入/輸出程序、過程控制程序、通訊程序、人機(jī)接口程序、打印顯示程序等。（3）工具軟件：工具軟件是技術(shù)人員從事軟件開發(fā)工作的輔助軟件，包括匯編語言和高級語言的編譯程序、編輯程序、調(diào)試程序、診斷程序等。44

5.4.1總線式控制機(jī)組成與特點(diǎn)2.IPC特點(diǎn)（1）可靠性高（2）實(shí)時性好（3）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)（4）豐富的輸入/輸出模板（5）系統(tǒng)擴(kuò)充性和開放性好（6）控制軟件功能強(qiáng)（7）系統(tǒng)通信功能強(qiáng)（8）冗余性45

5.4.2IPC總線與接口1.IPC內(nèi)部總線圖5-12總線式工控機(jī)總線46

5.4.2IPC總線與接口2.IPC外部通訊接口總線式工控機(jī)的外部通訊接口用于計算機(jī)與外設(shè)、其它計算機(jī)信息傳輸。隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)的接口也不斷豐富。目前計算機(jī)上配置的外部通訊接口類型有串行通訊接口、以太網(wǎng)通訊接口、USB接口、藍(lán)牙通訊接口、無線網(wǎng)通訊接口等。47

5.4.3控制系統(tǒng)設(shè)計總線式工控機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計過程一般包括系統(tǒng)總體方案設(shè)計、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計、系統(tǒng)仿真和調(diào)試等步驟。1.總體方案設(shè)計（1）確定控制系統(tǒng)的功能要求（2）根據(jù)功能要求選擇實(shí)現(xiàn)的硬件和軟件（3）畫出整個控制系統(tǒng)的原理圖，編寫詳細(xì)的設(shè)計技術(shù)文件48

5.4.3控制系統(tǒng)設(shè)計2.控制系統(tǒng)硬件設(shè)計（1）確定系統(tǒng)控制方式（2）選擇工控機(jī)（3）檢測元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇（4）輸入/輸出通道及外圍設(shè)備選擇（5）操作面板（6）其它其它方面包括電源、時鐘、負(fù)載匹配、抗干擾等問題。49

5.4.3控制系統(tǒng)設(shè)計3.控制系統(tǒng)軟件設(shè)計控制系統(tǒng)的軟件包括系統(tǒng)軟件和控制軟件。系統(tǒng)軟件主要由操作系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)、開發(fā)系統(tǒng)和信息處理等軟件組成，完成資源管理，系統(tǒng)故障診斷，各類語言的編譯等任務(wù)。（1）應(yīng)用軟件要求：應(yīng)用軟件無論是自行開發(fā)或定制，都需要滿足實(shí)時性、靈活性、通用性、可靠性等要求。（2）控制系統(tǒng)應(yīng)用：軟件的分類在設(shè)計控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件時，常將其分成主程序、子程序和中斷服務(wù)程序三大類。（3）應(yīng)用軟件的開發(fā)過程50

5.4.3控制系統(tǒng)設(shè)計4.系統(tǒng)的調(diào)試和運(yùn)行在硬件設(shè)計和軟件設(shè)計完成后，對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試并試運(yùn)行，以便檢測設(shè)計效果和存在的問題。系統(tǒng)調(diào)試分為硬件調(diào)試、軟件調(diào)試、軟硬件聯(lián)合調(diào)試三個階段。（1）硬件調(diào)試①脫機(jī)檢測②聯(lián)機(jī)調(diào)試（2）軟件調(diào)試（3）硬、軟件聯(lián)合調(diào)試51

5.4.4運(yùn)動控制卡1.介紹運(yùn)動控制卡是基于PC總線，利用高性能微處理器（如DSP）及大規(guī)?？删幊唐骷?shí)現(xiàn)多個伺服電機(jī)的多軸協(xié)調(diào)控制的一種高性能的步進(jìn)或伺服電機(jī)運(yùn)動控制卡，包括脈沖輸出、脈沖計數(shù)、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、D/A輸出等功能。52

圖5-13GSN-08-G運(yùn)動控制卡53

5.4.4運(yùn)動控制卡2.運(yùn)動控制功能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制卡的主要功能是運(yùn)動軌跡的插補(bǔ)計算，就是數(shù)控裝置根據(jù)輸入的基本數(shù)據(jù)，通過計算，把工件輪廓的形狀描述出來，一邊計算一邊根據(jù)計算結(jié)果向各坐標(biāo)發(fā)出進(jìn)給脈沖。對應(yīng)每個脈沖，機(jī)床在響應(yīng)的坐標(biāo)方向上移動一個脈沖當(dāng)量的距離，從而將工件加工出所需要輪廓的形狀。54

5.4.5數(shù)據(jù)采集卡1.數(shù)據(jù)采集卡圖5-14PCI-9622數(shù)據(jù)采集卡55

5.4.5數(shù)據(jù)采集卡2.分類基于PC總線的板卡種類很多，其分類方法也有很多種。按照板卡處理信號的不同可以分為模擬量輸入板卡（A/D卡）、模擬量輸出板卡（D/A卡）、開關(guān)量輸入板卡、開關(guān)量輸出板卡、脈沖量輸入板卡、多功能板卡等。其中多功能板卡集成了多個功能，例如數(shù)字量/模擬量輸入/輸出板卡將模擬量輸入/輸出和數(shù)字量輸入/輸出集成在同一個板卡上。根據(jù)使用總線的不同，又可分為PCI、PCI-E、CPCI、PXI、USB板卡、PC104等。56

5.4.5數(shù)據(jù)采集卡3.技術(shù)參數(shù)（1）通道數(shù)（2）采樣頻率（3）分辨率（4）精度（5）量程57

5.5.1PID控制1.PID控制概述圖5-15PID控制58

5.5.1PID控制1.PID控制概述PID控制規(guī)律表達(dá)為：式中：KP為比例系數(shù)，TI為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)PID控制的傳遞函數(shù)為59

5.5.1PID控制2.PID控制原理（1）比例（P）控制比例控制對系統(tǒng)性能的影響：當(dāng)KP>1時，開環(huán)增益加大，穩(wěn)態(tài)誤差減小，幅值穿越頻率增大，過渡過程時間縮短，系統(tǒng)穩(wěn)定程度變差。當(dāng)KP<1時，與KP>1時對系統(tǒng)性能的影響正好相反。

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5.5.1PID控制2.PID控制原理（2）積分（I）控制

圖5-16比例控制圖5-17積分控制61

5.5.1PID控制2.PID控制原理（2）積分（I）控制積分控制的傳遞函數(shù)為積分控制可以增強(qiáng)系統(tǒng)抗高頻干擾能力，故可相應(yīng)增加開環(huán)增益，從而減少穩(wěn)態(tài)誤差。但純積分環(huán)節(jié)會帶來相角滯后，減少了系統(tǒng)相角裕度，通常不單獨(dú)使用。

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5.5.1PID控制2.PID控制原理（3）微分（D）控制

圖5-18微分控制63

5.5.1PID控制2.PID控制原理（3）微分（D）控制微分控制的傳遞函數(shù)為微分控制可以增大截止頻率和相角裕度，減小超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間，提高系統(tǒng)的快速性和平穩(wěn)性，但是單純微分控制會放大高頻擾動，通常不單獨(dú)使用。

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5.5.1PID控制3.PID控制規(guī)律（1）PI控制規(guī)律（2）PD控制規(guī)律（3）PID控制規(guī)律（4）PID控制規(guī)律選擇

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5.5.1PID控制4.PID控制器的參數(shù)整定（1）PID參數(shù)整定方法①理論計算整定法②工程整定方法（2）PID參數(shù)整定原則參數(shù)整定的一般原則是：在輸出不振蕩時，增大比例增益P；在輸出不振蕩時，減小積分時間常數(shù)TI；在輸出不振蕩時，增大微分時間常數(shù)TD。

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5.5.1PID控制4.PID控制器的參數(shù)整定（3）PID調(diào)試步驟①確定比例增益KP②確定積分時間常數(shù)TI③確定微分時間常數(shù)TD④系統(tǒng)空載、帶載聯(lián)調(diào)，再對PID參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，直至滿足要求。

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5.5.2模糊控制1.模糊控制概念模糊控制就是利用模糊數(shù)學(xué)知識模仿人腦的思維對模糊的現(xiàn)象進(jìn)行識別和判斷，給出精確的控制量，利用計算機(jī)予以實(shí)現(xiàn)的自動控制。模糊控制的基本思想：根據(jù)操作人員的操作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一套完整的控制規(guī)則，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)過模糊推理，模糊判斷等運(yùn)算求出控制量，實(shí)現(xiàn)對被控制對象的控制。

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5.5.2模糊控制2.模糊控制特點(diǎn)（1）模糊控制優(yōu)點(diǎn)①使用語言方便，可不需要過程的精確數(shù)學(xué)模型。②魯棒性強(qiáng)，適于解決過程控制中的非線性、強(qiáng)耦合時變、滯后等問題。③有較強(qiáng)的容錯能力，具有適應(yīng)受控對象動力學(xué)特征變化、環(huán)境特征變化和動行條件變化的能力。④操作人員易于通過人的自然語言進(jìn)行人機(jī)界面聯(lián)系，這些模糊條件語句容易加到過程的控制環(huán)節(jié)上。

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5.5.2模糊控制2.模糊控制特點(diǎn)（2）模糊控制缺點(diǎn)①信息簡單的模糊處理將導(dǎo)致系統(tǒng)的控制精度降低和動態(tài)品質(zhì)變差。②模糊控制的設(shè)計尚缺乏系統(tǒng)性，無法定義控制目標(biāo)。

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5.5.2模糊控制3.模糊控制基本原理

圖5-19模糊控制系統(tǒng)原理框圖71

5.5.2模糊控制4.模糊控制器的執(zhí)行步驟

圖5-20模糊控制器的結(jié)構(gòu)組成72

5.5.2模糊控制4.模糊控制器的執(zhí)行步驟（1）精確量的模糊化（2）規(guī)則庫和推理機(jī)①根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)或過程控制知識生成控制規(guī)則②根據(jù)過程模糊模型生成控制規(guī)則③根據(jù)對手工操作的系統(tǒng)觀察和測量生成控制規(guī)則（3）反模糊化

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5.5.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制1.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制概述人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究領(lǐng)域主要集中三個方面：神經(jīng)元模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)方法。從神經(jīng)元模型來分，可劃分為線性處理單元、非線性處理單元；從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來分，可分為前饋網(wǎng)絡(luò)、反饋網(wǎng)絡(luò)和自組織網(wǎng)絡(luò)。

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5.5.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制2.人工神經(jīng)元模型

圖5-21人工神經(jīng)元結(jié)構(gòu)模型75

5.5.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制3.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

圖5-22人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分類76

5.5.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制4.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)方法是體現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能特性的主要標(biāo)志，離開了學(xué)習(xí)算法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就失去了自適應(yīng)、自組織和自學(xué)習(xí)的能力。目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方法有多種，按有無教師來分類，可分為有教師學(xué)習(xí)（SupervisedLearning）、無教師學(xué)習(xí)（UnsupervisedLearning）和再勵學(xué)習(xí)（ReinforcementLearning）等幾大類。

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5.5.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制5.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練在實(shí)際應(yīng)用中還尚未找到一個較好的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造方法，來確定網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和權(quán)值參數(shù)，描述給定的映射或逼近一個未知的映射，因此只能通過學(xué)習(xí)和訓(xùn)練來得到滿足要求的網(wǎng)絡(luò)模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練指對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，向網(wǎng)絡(luò)輸入足夠多的樣本，通過一定算法調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)〔主要是調(diào)節(jié)權(quán)值)，使網(wǎng)絡(luò)的輸出與預(yù)期值相符，這樣的過程就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。根據(jù)學(xué)習(xí)環(huán)境中教師信號的差異，