第4章 微机控制系统选择与设计

第四章微机控制系统选择与设计《机电一体化系统设计》张建民编著高等教育出版社四川理工学院机械工程学院4.1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的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。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适用于多品种、中小批量生产的机电一体化产品，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，可靠性高，适应性强，但成本高，应采取一定的抗干扰措施。（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、自适用控制法、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，无论被控制对象的控制要求如何，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，还应有一些特殊要求——字长、运行速度、指令、成本、编程难易程度、输入/输出接口扩展能力等。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——指主要包括数字计算机四个基本组成部分（CPU、EPROM、RAM、I/O）的双列直插式集成电路。具有结构简单、实用范围广，缺点是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；缺点是内存容量少，接口电路少，采用机器语言编程、程序编写、调试较困难。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（RS232、COM、USB）或插槽（PCI、ISA）；缺点是价格比较昂贵、抗干扰能力较差。4.2控制系统总体设计（技术设计）要求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。（1）控制系统硬件总体设计的主要内容：1）软件与硬件功能的合理分配与协调（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）。（2）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：是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的要求。（3）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。（3）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。第4.2节8086/8088微机的硬件结构特点第4.3节Z80CPU的结构特点及储存器、输入/输出扩展接口第4.4节单片机的结构特点与最小应用第4.5节数字显示器及键盘的接口电路以上四节在《微型计算机原理与应用》和《计算机控制系统》课程中，已作为重点加以学习过，在此不做详细讲解，请同学们复习以下，如果在下面的章节中设计到相关知识要点，再加以说明。4.3可编程逻辑控制器(PLC)构成及应用举例（1）PLC的基本工作原理与构成工作原理：使用可编程存储器存储用户设计的应用程序指令，由指令实现逻辑运算、顺序操作、定时、计数、算术运算和I/O接口通讯来控制机电一体化系统（产品）。基本构成：主要由微处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM、EPROM）、I/O接口（数字、模拟）、编程接口、编程器（含显示）等组成。显示器编程器编程接口存储器(RAMROM)(CPU)微处理器I/O接口控制对象（2）PLC的编程特点PLC可编程逻辑控制器的设计者向用户提供简明、易学、易记的汇编语言，也可借助于逻辑梯形图作为编程的首选编程语言，将一组含义明确、功能性强、为数不多的指令用指令助记符表示的一种直观易懂的编程方法。END（3）PLC的应用举例钻头快进S1动作否？S2动作否？钻头慢进S3动作否？钻头快退结束NYYNYN冷却油控制阀动作延时10s夹紧装置动作启动上到工序结束为本工序启动信号夹紧控制继电器K1吸合定时器T1延时10S后动作吸油控制继电器K2吸合喷油驱动电磁阀YV吸合钻头是否快接近到工件判断：工进开始工进控制继电器K3吸合工进控制接触器KM3吸合快进控制接触器KM2吸合夹紧控制接触器KM1吸合判断：孔深达到否？钻削完毕：快退控制继电器K4吸合快退控制接触器KM4吸合判断：钻头退到原位否？本工序结束4.4微机控制系统输入/输出的可靠性设计微机控制系统以及各主要功能元件（部件）的输入/输出信号控制功能主要由硬件和软件设计来保证。在硬件设计中，如何提高控制系统的工作可靠性，是微机控制系统设计的重要环节之一。主要包括：1）能可靠地传递各类控制信息有效保证输入/输出控制信号转换的运动状态。2）能够进行有效的信息转换满足微机对输入/输出信息类型的转换要求。如：A/D、D/A转换；平行数字信号与串行数字信号的转换；电平信号的转换与匹配；电量与非电量的转换；强电与弱点转换。3）具有阻断干扰信号进入微机控制系统的能力主要采用滤波技术、光电隔离技术、屏蔽技术等。本节重点学习微机控制系统的输入/输出电路和信息接口设计的可靠性方法，即光电隔离电路设计、信息转换电路设计。4.7.1光电隔离电路设计（1）光电隔离电路的基本工作原理与组成输入信号（来自微机）（去执行系统）输出信号去微机来自机械系统GGVc+5vVc+12vVc+5vR1R1R2R274LS04a)b)（2）光电隔离电路的特点光电隔离电路通过光敏转换实现信号的单向传递，可有效地阻断各类干扰信号，实现信号的电平转换（功率放大）和电平极性转换(+/-)。光电隔离时域检测电路时域响应特性输出阻抗/时间响应特性光电隔离频域检测电路时域响应特性输出阻抗/频率响应特性（3）光电隔离电路的作用1）可将输入/输出两部分的供电电源和电路的地线分离。光电耦合输入、输出端之间绝缘电阻很大（1011~1013Ω），寄生的电容很小（0.5~2pF），因而干扰信号很难从输入端反馈到输出端。2）可进行电平转换，实现要求的电平输出，从而具有初级功率放大作用。3）提高对负载的驱动能力。可直接驱动光控晶闸管工作。如果光电隔离电路与滤波电路、屏蔽电路有效的结合起来，将会进一步提高微机控制系统的抗干扰能力。（4）光电耦合隔离电路的应用光电隔离电路在机电控制系统中的基本配置其他I/O接口多通道地址选择光电耦合光电耦合CPU后向接口光电耦合前向接口光电耦合A/DD/A或执行机构地址选择请同学们注意：在微机控制系统中，由于可采用的高功能集成元件端口（输入/输出接口）的性质常有所不同，因而所采用或设计的光电隔离电路也有所不同。在系统设计中，应依据实际情况而定。1）8031芯片匹配的输入输出光电隔离接口电路Vc+5vGR1R2来自机械系统P38031特点：P3口作为准双向接口，当P3输入口被拉成低电平时，可直接由TTL或MOS电路驱动；当外部信号为低电平时，P3可被拉成高电平直接与光电耦合器连接。2）8031、8215、8255芯片匹配光电隔离接口电路特点：当接口作为输入口时，端口为高阻抗输入，与8031的P1接口与光电耦合器的输入连接相同；当P1和P3作为输出接口（准双向接口）时，高电平输出时对外泄漏的电流很小（零点几mA）；低电平输出时对外泄漏的电流很大，P1和P3作为输出接口。Vc+5v（来自微机）输入信号GR1Vc+12v输出信号R28255P1821580313）8155、8255芯片匹配光电隔离接口电路特点：由于8155、8255输出口可释放和吸收的电流较大，故可直接用高点平推动晶体管驱动光电二极管。在8155、8255上电复位（高阻抗状态）时，不使开机输出额外的信息，将晶体管硬拉成低电平。（去执行系统）输出信号Vc+12vVc+5v（来自微机）82558155输入信号R3GR2R1R4VT4）输出较大电流驱动的光电隔离接口输出电路特点：采用达林顿型驱动电路，可输出更大的电流驱动输出设备。Vc+5vR2（来自微机）82558155输入信号R1VTR3JGVcVD5）提高普通光电耦合器光耦合速度的光电隔离接口输出（响应）电路特点：可进一步提高普通光电耦合器光耦合速度。GR0Vc+12VR4R5R2R1VT1VT2R36）V/F转换器（LM331）频率输出光电隔离接口输出电路特点：可提高在恶劣环境中前向型通道和电源的抗干