機(jī)電一體化概論

1、機(jī)電一體化概論機(jī)電一體化概論第第2章章 機(jī)電一體化的系統(tǒng)組成機(jī)電一體化的系統(tǒng)組成 2.4 控制單元控制單元 2.4 控制單元控制單元2.4.1 控制單元基礎(chǔ)控制單元基礎(chǔ)2.4.2 常用控制器常用控制器2.4.3 控制原理與策略控制原理與策略2.4.1 控制單元基礎(chǔ)控制單元基礎(chǔ) 當(dāng)機(jī)電一體化系統(tǒng)要想實(shí)現(xiàn)某種控制，需要將一些功能塊集中在一起，這就形成了控制單元。其作用是將輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間建立起一定的對(duì)應(yīng)控制關(guān)系 。1. 1. 控制單元作用控制單元作用2. 2. 控制單元分類控制單元分類 交通燈汽車倒車?yán)走_(dá)居民樓恒壓供水A8隨動(dòng)轉(zhuǎn)向大燈全自動(dòng)洗衣機(jī)巡航導(dǎo)彈磁懸浮列車煙草生產(chǎn)線工業(yè)鍋爐除氧器混合

2、動(dòng)力電動(dòng)汽車船舶自動(dòng)駕駛3. 3. 控制單元基本性能要求控制單元基本性能要求（1） 穩(wěn)定性（2） 快速性（3） 準(zhǔn)確性 4. 4. 控制單元組成控制單元組成 人人“穿針引線穿針引線”的控制過程。的控制過程。 針和線是輸入信號(hào)，針孔和線相對(duì)位置是輸出信號(hào)。通過人的眼睛檢測(cè)針孔和線的實(shí)際位置，將信息反饋給大腦進(jìn)行處理，大腦發(fā)出指令傳遞給肌肉，肌肉帶動(dòng)手動(dòng)作，來調(diào)節(jié)針孔和線的相對(duì)位置。在這個(gè)控制過程中人的大腦就是控制單元。 常用控制器：?jiǎn)纹瑱C(jī)、PLC、DSP、工控機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)總線等。 單片機(jī)PLCDSP5. 5. 控制單元發(fā)展方向控制單元發(fā)展方向（1） 20世紀(jì)4050年代形成了經(jīng)典控制理論。（2） 2

3、0世紀(jì)60 70年代形成了現(xiàn)代控制理論。（3） 20世紀(jì)80年代以來形成了智能控制。 2.4.2 常用控制器常用控制器 1. 1. 單片機(jī)單片機(jī) 將微處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口電路集成在一片電路芯片上，就構(gòu)成了單芯片微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)單片機(jī)。 q單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)單片機(jī)基本結(jié)構(gòu) 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)由中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、時(shí)鐘電路、I/O口和基本功能單元等組成。 q 單片機(jī)引腳封裝單片機(jī)引腳封裝封裝形式有兩種： 雙列直插式封裝（DIP）和方形封裝。 AT89C51的雙列直插式封裝有40個(gè)引腳，與其他51系列單片機(jī)引腳是兼容的。40個(gè)引腳可分為I/O端口線、電源線、控制線、外接晶體線四部分。

4、q 單片機(jī)特點(diǎn)單片機(jī)特點(diǎn) 性能價(jià)格比高； 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便； 芯片集成度高，實(shí)現(xiàn)模塊化； 可靠性高，可達(dá)到106小時(shí)無故障； 體積小，價(jià)格低，應(yīng)用靈活。 q 單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域高精度數(shù)控恒流源 無線對(duì)講機(jī) 呼吸機(jī) 航天測(cè)控系統(tǒng) 嬰兒看護(hù)器 汽車DPS導(dǎo)航 q 單片機(jī)編程語言單片機(jī)編程語言 單片機(jī)常用的編程語言有4種： 匯編語言、C語言、PL/M 和 BASIC語言。 q 單片機(jī)接口單片機(jī)接口單片機(jī)常用的外設(shè)： 鍵盤、顯示器、打印機(jī)、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器等。D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 液晶屏液晶屏 數(shù)碼管數(shù)碼管鍵盤鍵盤A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器打印機(jī)打印機(jī)單片機(jī)單片機(jī)q 單片機(jī)應(yīng)用實(shí)例單片機(jī)應(yīng)用

5、實(shí)例 以倉儲(chǔ)多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)為例介紹。 系統(tǒng)以AT89C51微處理器為控制核心，通過3個(gè)溫度傳感器監(jiān)測(cè)糧倉內(nèi)不同點(diǎn)處溫度，并借用液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示采集到的溫度值。若溫度檢測(cè)值超過預(yù)設(shè)值，發(fā)出聲光警示。 思 考 題 典型的51系列單片機(jī)：美國(guó)Intel公司的MCS48系列、MCS51系列、MCS96系列單片機(jī)；美國(guó)Atmel公司的AT89系列單片機(jī)；美國(guó)Motorola公司的6801、6802、6803、6805和68HC11系列單片機(jī)；美國(guó)Zilog公司的Z8、Super8系列單片機(jī)；美國(guó)Fairchild公司的F8和3870系列單片機(jī)；美國(guó)TI公司的TMS7000系列單片機(jī)；美國(guó)NS公司的N

6、S8070系列單片機(jī)；日本NEC公司的PD7800系列單片機(jī)；日本Hitachi公司的HD6301、HD6305系列單片機(jī)2. 2. PLC PLC是可編程序控制器的簡(jiǎn)稱，是在繼電器接觸器控制和計(jì)算機(jī)控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是以微處理器為控制核心，融合自動(dòng)控制技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等為一體的新型通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置。 西門子S7-200 PLC 松下FP1-C24 PLC q PLC系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 PLC系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分構(gòu)成。 PLC硬件部分主要由中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出部件、電源和編程器等組成。 PLC軟件部分包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩部分。 目前PLC的

7、標(biāo)準(zhǔn)編程語言有順序功能圖、梯形圖、 功能塊圖、指令表和結(jié)構(gòu)文本5種?，F(xiàn)在應(yīng)用最多的是梯形圖語言，形象直觀、邏輯關(guān)系明顯。 三相異步電動(dòng)機(jī)的自鎖控制梯形圖。X0、X1為輸入繼電器，Y0為輸出繼電器。 PLC梯形圖 指令表 PLC的編程手段有兩種： 手持編程器手持編程器利用計(jì)算機(jī)的編程軟件利用計(jì)算機(jī)的編程軟件q PLC主要控制功能及特點(diǎn)主要控制功能及特點(diǎn) PLC主要控制功能主要控制功能包括定時(shí)/計(jì)數(shù)控制功能，數(shù)據(jù)處理功能，步進(jìn)控制功能，運(yùn)動(dòng)控制功能，過程控制功能，數(shù)/模轉(zhuǎn)換功能，監(jiān)控功能，擴(kuò)展功能，遠(yuǎn)程輸入/輸出功能，通信聯(lián)網(wǎng)功能。 PLC工作特點(diǎn)工作特點(diǎn)可靠性高、可操作性強(qiáng)、設(shè)計(jì)周期短、體積小、

8、能耗低。 q PLC工作方式工作方式 PLC采用循環(huán)掃描的工作方式。 為了理解方便，PLC一個(gè)工作過程近似的分為三個(gè)階段：輸入刷新階段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段。完成三個(gè)階段的時(shí)間稱為一個(gè)掃描周期。 q PLC通信與網(wǎng)絡(luò)通信與網(wǎng)絡(luò) 以松下FP1系列PLC為例，PLC的通信方式大體分為三種： FP1 與計(jì)算機(jī)PC之間的通信 FP1 與上位機(jī)PLC的通信 FP1 與外圍設(shè)備之間的通信 q PLC應(yīng)用領(lǐng)域與實(shí)例應(yīng)用領(lǐng)域與實(shí)例以警報(bào)系統(tǒng)為例，系統(tǒng)的控制要求為：以警報(bào)系統(tǒng)為例，系統(tǒng)的控制要求為：過程一：當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能及時(shí)報(bào)警，即警燈閃爍，警 鈴響； 過程二：當(dāng)操作人員發(fā)現(xiàn)報(bào)警時(shí)，按響應(yīng)開關(guān)以

9、示響應(yīng)。這時(shí) 警燈變?yōu)槌Ａ粒復(fù)ｍ?；過程三：故障排除，報(bào)警信號(hào)撤消，警燈滅；過程四：按下檢查開關(guān)，警燈亮，否則指示燈壞，應(yīng)更換。 采用FP1-C14型PLC進(jìn)行分析。I/O地址分配連接的外部設(shè)備I/O地址分配 連接的外部設(shè)備 X0 報(bào)警信號(hào)SB1 Y0 警燈 X1 響應(yīng)開關(guān)SB2 Y1 警鈴 X2 檢查開關(guān)SB3I/O 地址分配 根據(jù)輸入、輸出信號(hào)畫出控制系統(tǒng)的時(shí)序圖 編寫梯形圖程序 PLC 接口 PLC輸入端子接線示意圖 PLC 輸入端子實(shí)物接線圖 PLC輸出端子接線示意圖 PLC輸出端子實(shí)物接線圖 PLC 接口 思 考 題 單片機(jī)：應(yīng)用于數(shù)字采集和工業(yè)控制PLC：應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化控

10、制3. DSP DSP是數(shù)字信號(hào)處理器的簡(jiǎn)稱，是一種專門用于數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的、具有特殊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可編程微處理器。 q DSP 特點(diǎn)特點(diǎn)在單指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法運(yùn)算；程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問、具有獨(dú)立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，處理指令和數(shù)據(jù)可并行完成；具有流水線，使取指令、譯碼、取數(shù)和執(zhí)行等操作可重疊起來進(jìn)行；片內(nèi)存儲(chǔ)器處理速度快，可以多塊存儲(chǔ)器并行訪問；具有特殊的DSP指令，專門為實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的算法設(shè)置；具有快速中斷處理和I/O支持能力；可以大規(guī)模集成，可靠性高，處理速度快 q DSP 系統(tǒng)構(gòu)成及工作過程系統(tǒng)構(gòu)成及工作過程 一個(gè)典型的DSP系統(tǒng)包括抗混疊濾波器、

11、A/D轉(zhuǎn)換器、DSP芯片、D/A轉(zhuǎn)換器和抗鏡像濾波器等。 q DSP 應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域q DSP 接口接口以TI公司的 TMS320C54x 為例來介紹DSP接口。 q DSP 編程語言編程語言DSP有匯編語言、C語言和混合編程三種編程方式。 思 考 題 DSP與單片機(jī)的最大區(qū)別是DSP能夠高速、實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn) 算。 單片機(jī)的位控能力強(qiáng)，I/O接口種類繁多，片內(nèi)外設(shè)和控制功能豐富、價(jià)格低、使用方便，但與DSP相比，信號(hào)處理速度較慢； DSP具有高速并行結(jié)構(gòu)及指令、多總線，而單片機(jī)沒有；DSP處理的算法復(fù)雜度和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理流量，單片機(jī)無法可比。4. 工控機(jī)工控機(jī) 工控機(jī)工控機(jī)是工業(yè)控

12、制計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)稱，又名IPC，是為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)。 q 功能及特點(diǎn)功能及特點(diǎn) 主要功能：數(shù)據(jù)處理；順序控制；周期性巡回檢測(cè)；直接數(shù)字 控制；監(jiān)控；反饋指導(dǎo)操作；通信聯(lián)網(wǎng)等。 特 點(diǎn)：實(shí)時(shí)在線檢測(cè)與控制、工作時(shí)間長(zhǎng)、可靠性高、 工作環(huán)境適應(yīng)性好、編程語言豐富、擴(kuò)展空間大、 輸入/輸出能力強(qiáng)。 q 組成組成全鋼機(jī)箱全鋼機(jī)箱工業(yè)電源工業(yè)電源無源底板無源底板 工控機(jī)主要由全鋼機(jī)箱、無源底板、工業(yè)電源、CPU卡以及鼠標(biāo)、鍵盤、顯示器、硬盤等附件組成。 q 應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域樓宇監(jiān)控系統(tǒng)樓宇監(jiān)控系統(tǒng)路橋收費(fèi)系統(tǒng)路橋收費(fèi)系統(tǒng)柜臺(tái)收銀系統(tǒng)柜臺(tái)收銀系統(tǒng)加油系統(tǒng)加油系統(tǒng)5. 5. 現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線 現(xiàn)場(chǎng)總

13、線現(xiàn)場(chǎng)總線是將各個(gè)分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接起來，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與高級(jí)控制系統(tǒng)之間雙向數(shù)字式通信的標(biāo)準(zhǔn)總線。 q 現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)全數(shù)字通信，傳輸精度高，消除模擬信號(hào)的瓶頸現(xiàn)象。適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用環(huán)境，既是通信網(wǎng)絡(luò)，又是自控網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備間互操作性和互換性。實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，安全性好。 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)及其相關(guān)信息，多為短幀傳送。通信傳輸速率低，傳輸距離遠(yuǎn)。 q 主流現(xiàn)場(chǎng)總線的介紹主流現(xiàn)場(chǎng)總線的介紹基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF控制器局域網(wǎng)CAN LonWorksDeviceNetProfibusHartCC-LinkInterBusControlNet2.4.3 控制原理與策略控制原理與

14、策略 1. 1. 控制原理控制原理 自動(dòng)控制系統(tǒng)主要有兩種基本的控制方式： 開環(huán)控制和閉環(huán)控制。q 開環(huán)控制開環(huán)控制 開環(huán)控制是指系統(tǒng)輸入量對(duì)輸出量實(shí)行單方向的控制，并沒有對(duì)輸出量結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)。以直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)為例，說明開環(huán)控制。 對(duì)干擾信號(hào)的調(diào)節(jié)對(duì)干擾信號(hào)的調(diào)節(jié) 當(dāng)系統(tǒng)受到外界干擾，假設(shè)直流電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載增加 回路電流 增大 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 降低 aIn對(duì)給定信號(hào)的調(diào)節(jié)對(duì)給定信號(hào)的調(diào)節(jié) 當(dāng)給定電壓信號(hào) 變化時(shí)，假設(shè) 增加 晶閘管控制角 小 晶閘管整流電路輸出電壓平均值 增大 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 升高 gUgUdUn 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便， 成本低，不存在穩(wěn)定性問題。 缺點(diǎn)：缺

15、點(diǎn)：抗干擾能力差，控制精度低， 對(duì)外界干擾產(chǎn)生的偏差沒有自動(dòng)補(bǔ)償修正功能。開環(huán)控制的特點(diǎn)開環(huán)控制的特點(diǎn)q 閉環(huán)控制閉環(huán)控制 閉環(huán)控制是指系統(tǒng)對(duì)輸出量結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)信號(hào)變換送至系統(tǒng)輸入端，與輸入量比較后進(jìn)行控制，直至將系統(tǒng)擾動(dòng)產(chǎn)生的偏差修正過來。 仍以直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)為例，說明閉環(huán)控制。仍以直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)為例，說明閉環(huán)控制。 對(duì)干擾信號(hào)的調(diào)節(jié)對(duì)干擾信號(hào)的調(diào)節(jié) 當(dāng)系統(tǒng)受到外界干擾，假設(shè)直流電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載增加 回路電流 增大 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 降低 測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓 減小 分壓 減小 電壓偏差U 增大 放大器輸出電壓 增大 小 增大 轉(zhuǎn)速 升高 維持電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速基本保持不變aInd

16、UnTGUfUKU對(duì)給定信號(hào)的調(diào)節(jié)對(duì)給定信號(hào)的調(diào)節(jié) 當(dāng)給定電壓信號(hào) 變化時(shí)，假設(shè) 增加 偏差 U 增大 增大 晶閘管控制角 小 晶閘管整流電路輸出電壓平均值 增大 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 升高 gUgUdUnKU 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：存在反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)總是力圖補(bǔ)償和修正擾動(dòng)產(chǎn)生的偏差，對(duì)包圍在環(huán)內(nèi)的一切主通道上的擾動(dòng)作用都能有效抑制，控制精度高。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在偏差修正過程中需要一定時(shí)間，才能將輸出量補(bǔ)償過來，這可能引起超調(diào)，系統(tǒng)存在穩(wěn)定性問題。閉環(huán)控制的特點(diǎn)閉環(huán)控制的特點(diǎn)思 考 題 自動(dòng)門開關(guān)控制火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警器電飯煲煮飯游泳池注水定時(shí)控制系統(tǒng)家用電冰箱的溫度控制系統(tǒng) 電飯煲保溫游泳池注水水位控

17、制系統(tǒng)開環(huán)控制開環(huán)控制閉環(huán)控制閉環(huán)控制2. 2. 控制策略控制策略q PID 控制控制 PID PID控制控制是比例（P）、積分（I）、微分（D）控制，是以系統(tǒng)的偏差為自變量，通過比例運(yùn)算、積分運(yùn)算、微分運(yùn)算計(jì)算出控制量。 系統(tǒng)偏差 與控制量 之間的關(guān)系可表示為： )(tu)(tudttudTdttuTtuKtudiP)()(1)()(PID控制原理框圖控制原理框圖 以浴缸水溫調(diào)節(jié)為例，小明同學(xué)希望洗澡時(shí)的浴缸水溫為38，浴缸的水龍頭具有熱水閥和冷水閥，可以分別向浴缸內(nèi)注水，通過溫度計(jì)可以實(shí)時(shí)測(cè)量浴缸的水溫。小明將冷水閥調(diào)整在一個(gè)適當(dāng)?shù)牧髁勘３植蛔?，單純通過熱水閥的流量調(diào)整，來控制浴缸的水溫。

18、比例控制比例控制 積分控制積分控制 微分控制微分控制 PID控制是比較理想的控制策略，既具有比例的快速響應(yīng)，又具有積分的消除穩(wěn)態(tài)誤差，還有微分的超前控制功能。調(diào)節(jié)初期，微分起作用，抑制偏差的變化幅度和速度；比例起作用，快速消除偏差。調(diào)節(jié)后期，積分起作用，逐漸消除掉誤差。 思 考 題 參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查先是比例后積分，最后再把微分加曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降曲線波動(dòng)周期長(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng)曲線振蕩頻率快，先把微分降下來動(dòng)差大來波動(dòng)慢，微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)理想曲線兩個(gè)波，前高后低4比1一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低q 智能控制智能控制 智能控制智能控制主要用來處理傳統(tǒng)控制難以解決的復(fù)雜性、不確定性的控制問題。 智能控制技術(shù)的主要方法有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制等。模糊控制模糊控制 模糊控制模糊控