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机电一体化系统设计第四章机电一体化系统微机控制系统选择与设计张建民编著高等教育出版社讲授：裘紫机电工程系第4.1节微机控制系统随着机电一体化系统所需的控制功能、控制形式、控制方式的不同和多控制过程日趋复杂，对控制系统的要求越来越高。微机控制系统的引用，在许多方面能满足机电一体化控制系统的要求。微机控制系统：是将微型计算机作为机电一体化产品的控制器，结合微型计算机的工作原理、接口电路（数字和模拟）的设计、相应的控制硬件和软件，以及它们之间的匹配，实现对控制对象的有效控制。常用的微机控制系统：专用微机控制系统——核心部件为单片机和单板机。通用微机控制系统——核心部件为可编程控制器和工业计算机。4.1.1微机控制系统硬件与软件抉择和权衡在确定微机控制系统时，应重点考虑几方面的问题。（1）专用/通用微型计算机的选择1）专用控制系统的构成与特点用于大批量生产的机电一体化产品。如果要求具有机械与电子有机结合的紧凑结构，必须选用专用控制系统，具有机械电子有机结合紧凑，由专用IC芯片、接口电路、执行元件、传感器等相互合理匹配成专用控制器，软件采用专用机器代码或语言，可靠性强，成本低，但适应能力较差。2）通用控制系统的构成与特点构成：控制系统以通用微型计算机为核心，设计专用或选用通用的集成IC芯片、接口电路、执行元件、传感器，以及相互合理匹配元件，组成具有较好通用能力的控制器。软件采用通用平台软件系统。特点：具有可靠性高，适应性强，但成本高，应采取一定的抗干扰措施等特点。应用：适用于多品种、中小批量生产的机电一体化产品。实质上是通过接口设计和软件编制来使通用微机专用化的问题。（2）硬件与软件的权衡/匹配任何微机控制系统的控制功能，即可以由硬件实现，也可以由软件实现，两者的合理匹配是确定或选用微机控制系统研究内容之一。主要依据经济性、可靠性、适用性等要求来决定。★主要用通用分离元件组成的控制系统——最好采用软件来实现对机电一体化产品的主要控制功能，接口少，易于调整，适应能力强，但成本较高。★主要用专用集成元件组成的控制系统——最好选用硬件实现对机电一体化产品的主要控制功能，具有廉价、可靠、处理速度快等特点。（3）应有必要的抗干扰措施由于工作环境比较恶劣（存在电噪声干扰等），易产生故障。为提高控制系统的环境适应能力和抗干扰能力，以及可靠性，必须采取相应的抗干扰措施。4.1.2微机控制系统的设计思路（1）确定系统总体控制方案总体控制方案确定技术路线从系统构成上考虑控制方式（开环控制、半闭环控制、闭环控制）——传感元件选用（含精度）——选用/设计执行元件——考虑被控制对象特殊控制要求（高可靠性、高精度、快速响应特性）——微机在整个控制系统中的作用（计算、数据处理、直接/间接控制方式、控制功能、I/O接口、外围设备等）——控制系统成本核算。确定微机控制系统总体控制的初步方案总体方案可行性论证——总体方案技术/经济评价——总体方案鉴定。最终确定微机控制系统总体控制方案（2）确定控制算法目的在于确定微机控制系统输入/输出之间的数字和逻辑数学模型的数学表达方式，为控制系统输出的控制信号，实现被控制对象的各控制功能、精度、稳定性、可靠性等要求提高可靠的理论依据。常用的控制算法：逐点比较法、数字积分法、PID调节控制法、最小拍控制法、最优控制法、随机控制法、自适应控制法、遗传控制法、模糊控制法、鲁棒控制法、神经网络控制法、专家系统等。选用何种控制算法，应依据被控制对象的具体要求而定，主要包括控制功能、精度、稳定性、可靠性等。（3）微型计算机选择任何微机控制系统中的微型计算机，无论被控制对象的要求如何，对微型计算机都有一定最基本要求。1）较完善的适时中断系统实时控制能力、紧急处理能力。2）足够的存储容量（ROM、RAM、EPROM）有效地保证微机系统软件、应用软件、数据处理工作的正常运行。3）完善的输入/输出通道逻辑、数字、模拟通道，以及输入/输出通道接口数。4）实时时钟控制作为控制系统实现控制功能的基准。除此之外，还有一些特殊要求——字长、运行速度、指令、成本、编程难易、输入/输出接口扩展能力等。字长字长直接影响数据的精度、寻址的能力、指令的数目和执行操作的时间一般说：通常的顺序控制、程序控制可选用一位微处理器对计算量小、计算精度和速度要求不高的系统可选用4位机对计算精度要求较高、处理速度较快的系统可选用8位机对计算精度要求高、处理速度快的系统可选用16位以上的微机速度对于同一算法、同一精度要求，当机器字长短时，选用执行速度较快的机器，当字长足够保证精度要求时，可选用执行速度较慢的机器速度的选择可根据被控对象而定指令对于控制系统来说，尤其要求较丰富的逻辑判断指令和外围设备控制指令；通常的8位微处理器都具有足够的指令种类和数量，一般能满足控制要求。微型计算机的最终确定：可选用微型计算机主要有三种类型：单片机—主要包括数字计算机四个基本组成部分(CPU、EPROM、RAM、I/O)，双列直插式集成电路。具有结构简单、实用范围广，但需用专用的开发系统对其软件和硬件进行开发才能满足使用要求。单板机—将单片机、编程器、外部存储器、专用/通用接口电路等组装成PCB板上的板卡式微型计算机。具有成本低、体积小特点，主要用于生产现场的控制系统；但内存容量少，接口电路少，采用机器语言编程、程序编写、调试困难。微型计算机—具有丰富的软件和硬件支持，具有可视化界面的系统软件、可应用高级语言、汇编语言等编写应用程序，程序编写、调试方便快捷，有多样化数据信号输入/输出接口（COM、USB）或插槽（PCI、ISA）；但价格比较昂贵、抗干扰能力较差。（4）控制系统总体设计（技术设计）一旦被控制对象的具体要求、微型计算机、控制软件平台确定，便可进行控制系统的总体设计。主要解决系统硬件、软件和操作人员三者之间的匹配，数据信息和控制信息交换的通讯接口设计（硬件接口），能分时时序控制设计（应用软件设计）等方面问题。控制系统总体设计的主要内容：1）软件与硬件功能合理分配与协调(主要依据经济性、可靠性指标进行软件/硬件的分配、协调与权衡)。2）接口设计（输入/输出信号匹配与协调）。3）通道设计（信号通讯方式与I/O类型）。4）操作控制台设计（人机交换方式）。5）可靠性设计（可靠性设计方案与措施）。遵循的原则是：硬件与软件功能的分配与协调要根据经济性和可靠性指标进行权衡；可靠性问题主要是指定可靠性设计方案采取可行的可靠性措施；（1）接口设计通常选用的微机都配备有相当数量的可编程的输入/输出通用接口，在设计时，首先要合理地使用这些接口，当通用接口不够时应进行接口的扩展；接口设计要根据控制要求及能够得到何种元件和扩展接口的方便程度来确定.1）选用功能接口板其最大的优点是硬件工作量小，可靠性高，但价格较贵，一般只用来组成较大的系统。2）选用通用接口电路组成较小的控制系统时可采用标准化的通用接口芯片3）用集成电路自行设计接口电路可设计任意要求的接口，价格低，但可靠性差，接口的设计包括两个方面的内容：一是扩展接口；二是安排通过各接口电路I/O端的输入/输出信号，选定各信号输入/输出时采用何种控制方式。（2）通道设计在总体设计中应确定设置什么通道，每个通道由几部分组成；简易数控步进电机的控制通道组成8255光电隔离电路A相放大A相放大A相放大步进电机环形分配器进给方向光电隔离电路定时器PA0PA1PA2PB采用软件实现环形分配的步进电机控制通道组成微机I/O光电隔离电路A相功放电路A相功放电路A相功放电路步进电机开关量、数字量的输入要解决电平转换、去抖动及抗干扰等问题；输出则要解决功率驱动问题等；控制计算机与PWM功放的接口方法模拟量输入/输出通道包括D/A转换、放大电路等。（3）操作控制台设计其功能包括：1）有一组或几组数据输入键，用于输入或更新给定值、修改控制器参数或其它必要的数据；2）有一组或几组功能键或转换开关，用于转换工作方式，起停或完成某种指定的功能3）有一个数字显示装置或显示屏，用于显示各种状态参数及故障指示等4）有“急停”按钮，用于在出现事故时停止系统的运行，转入故障处理。对于比较小的控制系统，也可不另外设计操作员控制台，而将原单板机所带的输入键盘改变成方便与操作员输入数据和发出各种操作命令的键盘，但要重新设计一个键盘管理程序。单独设计一台操作员控制台，实用性、可靠性好，操作方便，但成本高，且要占用输入/输出接口，往往缺乏必要的数字显示和状态显示，现场操作人员使用不便。（5）软件设计系统软件：主要有操作系统、故障诊断系统、开发系统、信息处理系统等。在机电一体化产品的控制系统软件设计中、一般不设计系统软件，只是合理选用并了解基本的工作原理和熟练使用方法的问题。应用软件：由操作者依据被控制系统的控制要求和特点，用户自行编写完成的。对于操作者或编程员来讲，所指的软件设计均为应用软件设计。除此之外，在应用软件设计时，还应考虑一些基本要求。实时性、针对性、灵活性和通用性等方面要求。（6）系统调试一旦微机控制系统设计完成后，需对整个系统进行调试，以便达到设计要求。调试步骤包括硬件调试→软件调试→系统调试三大步骤。课前复习1、微机控制系统的定义？是将微型计算机作为机电一体化产品的控制器，结合微型计算机的工作原理、接口电路（数字和模拟）的设计、相应的控制硬件和软件，以及它们之间的匹配，实现对控制对象的有效控制。2、微机控制系统的类型、抉择和权衡方法；微机控制系统的设计思路4.3微机控制系统的构成与种类1.微型计算机的系统构成人们常用“微机”这个术语。该术语是三个概念的统称，既微处理机（微处理器）、微型计算机、微型计算机系统的统称。微处理机（Microprocessor）简称μP或CPU。它是一个大规模集成电路（LSI）器件，或超大规模集成电路（VLSI）器件，器件中有数据通道、多个寄存器、控制逻辑和运算逻辑部件，有的器件还含有时钟电路，为器件的工作提供定时信号。控制逻辑可以是组合逻辑，也可以是微程序的存储逻辑，可以执行机器语言描述的系统指令，是完成计算机对信息的处理与控制等的中央处理功能的器件，并非是完整的计算机。微型计算机（Microcomputer）简称uC或MC。它是以微处理机（CPU）为中心，加上只读存储器（ROM）、读写存储器（RAM），输入/输出接口电路、系统总线及其它支持逻辑电路组成的计算机。上述微处理机、微型计算机都是从硬件角度定义的，而计算机的使用离不开软件支持。一般将配有系统软件、外围设备、系统总线接口的微型计算机称为微型计算机系统（MicrocomputerSystem），简称MCS。如图4-1所示为微处理机、微型计算机、微型计算机系统的相互关系。图4-1CPU、MC与MCS的关系微型计算机的基本硬件构成微型计算机的基本硬件构成如图4-2所示，各组成部分由数据总线、地址总线和控制总线相联。主存储器又叫内部存储器，目前这些存储器均是大规模集成电路（LSI），主要有RAM（RandomAccessMemory）和ROM(ReadOnlyMemory)，通常ROM存储固定程序和数据，而输入/输出数据和作业领域的数据由RAM存储。输入/输出装置主要执行数据和程序的输入/输出，以及用于控制时输入检测传感元件的信息和输出控制执行元件的信息。辅助存储装置可作为存储器使用，操作面板或键盘也属于输入装置。图4-2所示的构成，在实际使用时，多根据与机械有机结合的需要，取其最低限度的构成予以应用。输入/输出装置和辅助存储装置等统称为计算机的外围设备。随着微型计算机的普及和机电—体化的需要，许多廉价、适用的外围设备均有出售。特别是输入/输出装置，当微机用于控制机械设备时，输入信息的传感器和信息出口的执行元件都可以认为是广义的输入/输出装置。此时—定要考虑与此相联系的A/D、D/A变换器。微型计算机的基本构成2．微型计算机的分类微型计算机可以按组装形式、微处理机位数、微处理机的制造工艺或封装芯片数以及用途范围进行分类。（1）按组装形式分类按组装形式