单元五机电一体化控制与接口技术

机电一体化技术Mechatronics单元五机电一体化控制及接口技术5.1控制技术概述5.2可编程控制器技术5.3人机接口技术5.4机电接口技术学习目标1.掌握机电一体化系统控制形式。2.掌握常用机电系统控制器PLC工作原理。3.熟悉常用输入输出接口电路。4.熟悉A/D转换器等机电接口电路。工业炉的计算机控制工业炉计算机控制的典型情况，其燃料为燃料油或者煤气，为了保证燃料在炉膛内正常燃烧，必须保持燃料和空气的比值恒定。计算机燃料空气温度测量压力测量燃烧效率计算废气分析仪废气案例高炮的控制俯仰角方位角),)tt使俯仰角（方位角（按一定规律变化。机械手7无人驾驶飞机:按照预定航线飞行8电热水器:将水加热到设定温度9全自动洗衣机:按设定程序洗衣服自动控制的作用与重要性把人从繁重的危险的工作中解放出来矿井掘井、核电站检查消防、救火、无人侦察机、导弹（无人）完成人无法完成的工作管道机器人、水下6000米机器人比人干得更快、更好，极大地提高生产力从自动化生产线上生产的产品，质量越来越好，价格越来越低。管理、经济、金融过程智能化楼宇管理自动化：电、气、水、消防报警全自动管理，办公自动化，交通自动化，自助银行等。自动化在经济生活中应用越来越广泛，几乎无处不在。自动化技术是高科技的集中体现与应用。注：在工业过程（或经济生活）中采用自动控制代替人工控制，称之为自动化。第1节概述机电一体化系统的控制形式控制系统的基本要求和设计方法计算机控制系统的组成及常用类型机电一体化控制是在以微型计算机为代表的微电子技术、信息技术迅速发展向机械工业领域迅猛渗透并与机械电子技术深度结合的现代工业的基础上，综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等群体技术。机电一体化控制是一门理论性很强的工程技术，通常称为“自动控制技术”，把实现这种技术的理论称为“自动控制理论”。而由各种部件组成以实现具体生产对象的自动控制的系统，则称为“自动控制系统”。自动控制所使用的技术可以是电气、液压、气动、机电以及电液等诸多方法，而采用计算机实现自动控制是机电一体化控制技术中最为常见的手段。概述一、机电一体化系统的控制形式自动控制是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使被控对象的被控量准确地按照预期的规律变化。自动控制理论是研究自动控制过程共同规律的技术学科，是研究自动控制系统组成，进行系统分析设计的一般性理论。根据它的不同发展阶段与内容，可将其分为经典控制理论、现代控制理论及智能控制理论三个阶段。典型控制系统的方块图控制器执行机构被控对象输入信号给定值偏差-测量装置输出量干扰控制系统的基本组成一、机电一体化系统的控制形式•按照输出量对控制作用的影响不同，机电一体化系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。1.开环系统开环控制的机电一体化系统是没有反馈的控制系统，这种系统的输入直接送给控制器，并通过控制器对受控对象产生控制作用。输出信号只取决与输入信号，与输出无关。优点：结构简单、成本低、维修方便。缺点：精度较低，对输出和干扰没有诊断能力。一、机电一体化系统的控制形式2.闭环系统闭环控制的机电一体化系统的输出结果经传感器和反馈环节与系统的输入信号比较产生输出偏差，输出偏差经控制器处理再作用到受控对象，对输出进行补偿，实现更高精度的系统输出。输出信号受到输入信号和输出信号自身（反馈信号）的作用。信号流线形成闭合回路。又称反馈控制。输出信号受偏差量控制。优点：高精度、动态性能好、抗干扰能力强。缺点：结构复杂，成本高，维修难度较大。冷却器继电器压缩机控制器蒸发器冰箱例题家用电冰箱温控系统试写出系统的被控对象、被控量、输入量和扰动量，工作原理，画出系统方框图。被控对象：冰箱被控量：输入量：控制器设定值（代表温度的期望值）扰动量：开门时的外界温度冰箱内温度工作原理:控制器设定温度与冰箱内温度比较，如果设定温度高于冰箱内温度，则继电器接通，压缩机工作，使冰箱温度下降，直到冰箱内温度达到希望温度，此时继电器断开，压缩机停止工作。解：家用电冰箱温控系统方框图如下：基本要求准确性快速性稳定性二、控制系统的基本要求和设计方法•稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件，这是对控制系统的一个基本要求。系统的稳定性有两层含义:一是系统稳定，叫做绝对稳定性，通常所讲的稳定性就是这个含义;另一方面的含义是输出量振荡的强烈程度，称为相对稳定性。线性控制系统的稳定性是由系统。本身的结构与参数所决定的，与外部条件无关。二、控制系统的基本要求和设计方法返回快速性是系统在稳定的条件下，衡量系统过渡过程的形式和快慢，通常称为“系统动态性能”。在实际的控制系统中，不仅要求系统稳定，而且要求被控量能迅速地按照输入信号所规定的形式变化，即要求系统具有一定的响应速度。二、控制系统的基本要求和设计方法返回•准确性是在系统过渡过程结束后，衡量系统输出(被控量)达到的稳态值与系统输出期望值之间的接近程度。除了要求控制系统稳定性好、响应速度快以外，还要求控制系统的控制精度高。•“稳”与“快”是说明系统动态(过渡过程)品质。系统的过渡过程产生的原因是系统中储能元件的能量不可能突变。“准”是说明系统的稳态(静态)品质•二、控制系统的基本要求和设计方法返回设计步骤设计实施准备阶段二、控制系统的基本要求和设计方法准备阶段。对设计对象进行机理分析和理论分析，明确被控对象的特点及要求;限定控制系统的工作条件及环境，确定安全保护措施及等级;明确控制方案的特殊要求;确定技术经济指标;制定试验项目及指标。二、控制系统的基本要求和设计方法返回理论设计建立被控对象的数学模型，把被控对象的控制特性用数学表达式加以描述，作为控制方案选择及控制器设计的依据;确定控制算法及控制器结构，选择中央处理单元、存储器等，主要硬、软件设计以及各种接口的选择和设计;确定系统的初步结构及参数，进行系统性能分析、优化二、控制系统的基本要求和设计方法返回设计定型：整理出设计图样、电子元器件明细表、系统操作程序及说明书、维修及故障诊断说明书和使用说明书等，形成相应技术文件。二、控制系统的基本要求和设计方法设计实施：模块组装，系统仿真、测试返回1.计算机控制系统的组成什么是计算机控制系统?计算机控制系统就是采用计算机来实现的工业自动控制系统.三、计算机控制系统的组成及常用类型计算机控制系统的基本框图控制规律计算程序D/AA/D执行机构被控对象检测装置设定值＋－反馈量被控量计算机2.计算机控制系统的组成•硬件+软件三、计算机控制系统的组成及常用类型典型计算机控制系统的组成框图三、计算机控制系统的组成及常用类型硬件指计算机本身及其外围设备，一般包括中央处理器,内存储器,磁盘驱动器,各种接口电路，以A/D转换和D/A转换为核心的模拟量I/O通道、数字量I/O通道，以及各种显示、记录设备,运行操作台等。•主机（CPU）主机是控制系统的核心。组成：中央处理器、内存储器、时钟电路功能：对控制对象的参数进行检测、数据处理以及控制计算、逻辑判断等•通用外部设备组成：输入、输出设备和外存储器。功能：显示、打印、存储和传送数据。三、计算机控制系统的组成及常用类型•I/O接口与输入/输出通道I/O接口与输入/输出通道是主机与被控对象进行信息交换的纽带组成：并行接口、串行接口、直接数据传送接口等（接口）A/D转换器、D/A转换器等（通道）•检测元件和执行器传感器的功用是将被检测的非电学量参数转变成电学量变送器的作用是将传感器得到的电信号转变成适用于计算机接口使用的标准的电信号执行器的作用是据控制信号控制工业对象进行工作，如电动、气动装置三、计算机控制系统的组成及常用类型三、计算机控制系统的组成及常用类型软件指计算机控制系统中具有各种功能的计算机程序的总和，如完成操作、监控、管理、控制、计算和自诊断等功能的程序。整个系统在软件指挥下协调工作。从功能区分，软件可分为系统软件和应用软件。系统软件是由计算机的制造厂商提供的，用来管理计算机本身的资源和方便用户使用计算机的软件。常用的有操作系统、开发系统等，它们一般不需用户自行设计编程，只需掌握使用方法或根据实际需要加以适当改造即可。应用软件是用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序，比如各种数据采集、滤波程序，控制量计算程序，生产过程监控程序等。•在计算机控制系统中，软件和硬件不是独立存在的，在设计时必须注意两者相互间的有机配合和协调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量的控制系统。三、计算机控制系统的组成及常用类型2.计算机控制系统的类型三、计算机控制系统的组成及常用类型常用的有基于单片机、单板机、普通PC机、工业PC机和可编程序控制器(PLC)等多种类型的控制系统。表5-1各种计算机控制系统性能指标第2节人机接口技术什么是人机接口人机接口的分类输入和输出接口技术概述•人机接口是操作者与机电一体化系统(主要是控制微机)之间进行信息交换的接口。按照信息的传递方向，可以分为两大类:输入接口：操作者通过输入接口向系统输入各种控制命令及控制参数，对系统运行进行控制，实现所要求完成的任务。常用的输入设备有控制开关、BCD或二进制码拨盘、键盘输出接口：系统通过输出接口向操作者显示系统的各种状态、运行参数及结果等信息。常用的输出设备有状态指示灯、发光二极管显示器、液晶显示器、微型打印机、阴极射线管显示器等。一、输入接口技术•输入口输入设备的数据，要通过数据总线传送给CPU，而CPU与存储器以及其他设备传输的输入/输出数据，也要通过这条数据总线分时地进行传输。输入口的功能：在只有CPU允许该输入口进行数据输入时，将来自外设的数据传送到数据总线上。输入设备键盘通过它可实现人机对话，完成各种功能的操作。编码键盘:采用专用的编码/译码器件,被按下的键由该器件译码输出相应的键码/键值。特点：增加了硬件开销，编码因选用器件而异，编码固定，但编程简单。适用于规模大的键盘。非编码键盘:单片机系统多采用此类键盘采用软件编码/译码的方式,通过扫描，对每个被按下的键判别输出相应的键码/键值。特点：不增加硬件开销，编码灵活，适用于小规模的键盘，特别是单片机系统。但编程较复杂,占CPU时间，还须软件“消颤”。按键值编码方式:编码键盘与非编码键盘一、输入接口技术4x4非编码键盘独立式键盘:每键相互独立，各自与一条I/O线相连，CPU可直接读取该I/O线的高/低电平状态。如果系统装备的开关数量不多，可以直接装在接口上。特点：按键数量较多时，占I/O口线多，电路结构繁杂；各按键相互独立，电路配置灵活；软件结构简单。判键速度快，多用于设置控制键、功能键。适用于键数少的场合。1.独立式键盘矩阵连接键盘:键按矩阵排列,各键处于矩阵行/列的结点处,CPU通过对连在行(列)的I/O线送已知电平的信号,然后读取列(行)线的状态信息。逐线扫描,得出键码。特点：键多时占用I/O口线少,但判键速度慢,多用于设置数字键。适用于键数多的场合。2.矩阵式键盘常用的专门的键识别方法有:①行扫描法;②线翻转法;③利用8279键盘接口产生键盘中断。前两种都要占用CPU大量的时间，而后一种则会节约CPU时间。(1)典型行列式键盘识别方法------行扫描法行扫描▲依次向行线输出低电平，其余各行为高电平。每扫描一行，读取一次列线，若列线全为高电平，则没有键按下，若有一列为低电平，则有键按下，获取按键的行号和列号，行扫描完成。列扫描▲依次向列线输出低电平，然后读取行线值，再次获得按键的行号和列号。扫描码比较▲两次获得行号和列号相同，则键码正确，即获得按键的行列扫描码。判断有无键按下▲CPU首先向所有的行输出低电平，若无键按下，则所有列线为高。若有键按下，则该键所在的列线因与行线相连而变为低电平。▲CPU此时读取列线的值即可判断是否有键按下。判断是哪个键按下（行扫描法）▲先向第0行输出低电平，其余行输出高电平，然后读取所有列线的值。若某一列为低，则说明0行与该列交叉位置的键被按下，扫描成功即可退出。若列线全为高，说明本行无键按下，则