微机控制系统选择与设计.ppt
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1、第四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机电一体化系统设计张建民 编著编著高等教育出版社高等教育出版社4.1 微机控制系统微机控制系统 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。体化控制系统的要求。微机控制系统微机控制系统:是将微型计算机作为机电一体化产品的是将微型计算机作为机电一体化
2、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。匹配,实现对控制对象的有效控制。常用的微机控制系统:常用的微机控制系统:专用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。核心部件为单片机和单板机。通用通用微机控制系统微机控制系统 核心部件为可编程控制器和工业核心部件为可编程控制器和工业计算机。计算机。4.1.1 微机控制系统硬件与软件的抉择和权衡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
3、统时,应重点考虑几方面的问题。在确定微机控制系统时,应重点考虑几方面的问题。(1)专用专用/通用微型计算机的选择通用微型计算机的选择 1)专用控制系统的构成与特点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,由专用机结合紧凑,由专用IC芯片、接口电路、执行元件、传芯片、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。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通用控制
4、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的集成IC芯片、接口电路、执行元件、传感器,以及相芯片、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。本高,应采取一定的抗干扰措施。(2)硬件与软件的权衡硬件与软件的权衡/匹配匹
5、配 任何微机控制系统的控制功能,即可以由硬件实现,也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。主要依据系统研究内容之一。主要依据经济性、可靠性、适用性经济性、可靠性、适用性等等要求来决定。要求来决定。主要用通用分离元件组成的控制系统主要用通用分离元件组成的控制系统最好采用软件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。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
6、系统主要用专用集成元件组成的控制系统最好选用硬件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、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。处理速度快等特点。(3)应有必要的抗干扰措施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,及可靠性,必须采取相应的抗必须采取相应的抗干扰干扰措施措施。4.1.2 微机控制系统的设计思路微机控制系统的设计思路(1)确定系统总体控制方案确定
7、系统总体控制方案 总体控制方案确定技术路线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、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)闭环控制)传感元件选用(含精度)传感元件选用(含精度)选用选用/设设计执行元件计执行元件考虑被控制对象特殊控制要求(高可靠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)性、高精度、快速响应特性)微机在整个控制系统微机在整个控制系统中的作用中的作用(计算、数据处理、直接(计算、数据处理、直接/间接控制方式、控制间接控制方式、控制功能、功能、I/OI/O接口、外围设备等)接口、外围设备等)控制系统成本核算。控制系
8、统成本核算。确定微机控制系统总体控制的初步方案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可行性论证总体方案技术总体方案技术/经济评价经济评价总体方案鉴定。总体方案鉴定。最终确定微机控制系统总体控制方案最终确定微机控制系统总体控制方案(2)确定控制算法确定控制算法 目的在于确定微机控制系统输入目的在于确定微机控制系统输入/输出之间的数字和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、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。可
9、靠性等要求提高可靠的理论依据。常用的控制算法:常用的控制算法:逐点比较法逐点比较法、数字积分法数字积分法、PIDPID调节控制法调节控制法、最小拍最小拍控制法控制法、最优控制法最优控制法、随机控制法随机控制法、自适用控制法自适用控制法、遗遗传控制法传控制法、模糊控制法模糊控制法、鲁棒控制法鲁棒控制法、神经网络控制法神经网络控制法、专家系统专家系统等。等。选用何种控制算法,应依据被控制对象的具体要求而选用何种控制算法,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。定,主要包括控制功能、精度、稳定性、可靠性等。(3)微型计算机选择微型计算机选择 任何微机控制系统中的微型
10、计算机,无论被控制对象的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。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较完善的适时中断系统 实时控制能力、紧急处理能力。实时控制能力、紧急处理能力。2)足够的存储容量()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。正常运行。3)完善的输入)完善的输入/输出通道输出通道 逻辑、数字、模拟通道,以及输入逻辑、数字、模拟通道,以及输入/输出通道接口数。输出通道接口数。4)实时时钟
11、控制实时时钟控制 作为控制系统实现控制功能的基准。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除此之外,还应有一些特殊要求字长、运行速度、字长、运行速度、指令、成本、编程难易程度、输入指令、成本、编程难易程度、输入/输出接口扩展能力等。输出接口扩展能力等。微型计算机的最终确定: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:可选用微型计算机主要有三种类型:单片机单片机 指主要包括数字计算机四个基本组成部分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)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
12、统对其有结构简单、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。软件和硬件进行开发才能满足使用要求。单板机单板机 将单片机、编程器、外部存储器、专用将单片机、编程器、外部存储器、专用/通用接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。少,采用机器语言编程、程序编写、调试较困难。微型计算机微型计算机 具有丰富的软件和硬件支持,具有可视化具有丰富的软件和硬件
13、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序,程序编写、调试方便快捷,有多样化数据信号输入/输出输出接口(接口(RS232、COM、USB)或插槽()或插槽(PCI、ISA);缺点是价);缺点是价格比较昂贵、抗干扰能力较差。格比较昂贵、抗干扰能力较差。4.2 控制控制系统总体设计系统总体设计(技术设计)要求(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。平台确定,便可进行
14、控制系统的总体设计。主要解决主要解决系统硬件、软件和操作人员三者之间的匹配,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),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。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: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)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性、可靠性指标进行软件/硬件的分配、协调与权衡)。硬件的分配、协调与权衡)。2)接口设计(输入)接口设计(
15、输入/输出信号匹配与协调)。输出信号匹配与协调)。3)通道设计(信号通讯方式与)通道设计(信号通讯方式与I/O类型)。类型)。4)操作控制台设计(人机交换方式)。)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)。)可靠性设计(可靠性设计方案与措施)。(2)软件设计软件设计 系系统统软软件件:主主要要有有操操作作系系统统、故故障障诊诊断断系系统统、开开发发系系统统、信信息息处处理理系系统统等等。在在机机电电一一体体化化产产品品的的控控制制系系统统软软件件设设计计中中、一一般般不不设设计计系系统统软软件件,只只是是合合理理选选用用并并了了解解基基本本的的工工作原理和熟练使用
16、方法的问题。作原理和熟练使用方法的问题。应用软件应用软件:是由操作者依据被控制系统的控制要求和特: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。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。除此之外,在应用软件设计时,还应考虑一些基本要求。实时性实时性、针对性针对性、灵活性和通用性等方面的要求。灵活性和通用性等方面的要求。(3)系统调试)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,一旦微机控制系统设计完成后,需对整个系统进行
17、调试,以便达到设计要求。调试步骤包括硬件调试、软件调试、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。系统调试三大步骤。(3)系统调试)系统调试 一旦微机控制系统设计完成后,需对整个系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。括硬件调试、软件调试、系统调试三大步骤。第第4.2节节 8086/8088微机的硬件结构特点微机的硬件结构特点第第4.3节节 Z80CPU的结构特点及储存器、的结构特点及储存器、输入输入/输出扩展接口输出扩展接口第第4.4节节 单片机的
18、结构特点与最小应用单片机的结构特点与最小应用第第4.5节节 数字显示器及键盘的接口电路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,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。下面的章节中设计到相关知识要点,再加以说明。4.3 可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器(PLC)构成及应用举例构成及应用举例(1)PLC的基本工作原理与构成的基本工作原理与构成 工作原理工作原理:使用可编程存
19、储器存储用户设计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、算术运算和操作、定时、计数、算术运算和I/O接口通讯来接口通讯来控制机电一体化系统(产品)。控制机电一体化系统(产品)。基本构成基本构成:主要由微处理器(主要由微处理器(CPU)、存储)、存储器(器(RAM、ROM、EPROM)、)、I/O接口(数接口(数字、模拟)、编程接口、编程器(含显示)等字、模拟)、编程接口、编程器(含显示)等组成。组成。(2)PLC的编程特点的编程特点 PLC可编程逻辑控可编程逻辑控制器的设计者向用户制器的设计者向用户提供简明、
20、易学、易提供简明、易学、易记的汇编语言,也可记的汇编语言,也可借助于逻辑梯形图作借助于逻辑梯形图作为编程的首选编程语为编程的首选编程语言,将一组含义明确、言,将一组含义明确、功能性强、为数不多功能性强、为数不多的指令用指令助记符的指令用指令助记符表示的一种直观易懂表示的一种直观易懂的编程方法。的编程方法。(3)PLC的应用举例的应用举例 4.4 微机控制系统输入微机控制系统输入/输出的可靠性设计输出的可靠性设计 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。输出信号控制功能主要由硬件和软件设计来保证。在硬件
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- 微机 控制系统 选择 设计
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