第4章 微机控制系统选择与设计(1)

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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 机电一体化系统设计》 高等教育出版社 四川理工学院 机械工程学院

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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、 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， 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， 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 控制器，结合微型计算机的工作原理、接口电路( 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， 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—— 核心部件为单片机和单板机。 核心部件为单片机和单板机。 专用微机控制系统 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 通用微机控制系统 计算机。 计算机。

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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。 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 专用/ 专用 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。 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、 芯片、 机结合紧凑，由专用 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， 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。 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 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 适用于多品种、中小批量生产的机电一体化产品， 制系统以通用微型计算机为核心， 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， 芯片、 的集成 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。 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， 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。 成本高，应采取一定的抗干扰措施。

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(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， 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， 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 经济性、 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。 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 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， 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系统——最好选用硬件 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、 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 ) 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， 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。 干扰措施 及可靠性，必须采取相应的抗干扰措施。

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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、 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( 选用/ 闭环控制)——传感元件选用(含精度) ——选用/设 传感元件选用 含精度) 选用 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( 计执行元件 考虑被控制对象特殊控制要求 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(计算、数据处理、直接/间接控制方式、 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) 接口、 控制系统成本核算。 功能、I/O接口、外围设备等)——控制系统成本核算。 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 总体方案技术/ 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。 总体方案鉴定。 最终确定微机控制系统总体控制方案

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(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 目的在于确定微机控制系统输入/ 逻辑数学模型的数学表达方式， 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、数字积分法、PID调节控制法 调节控制法、 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、 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、 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 专家系统等。 选用何种控制算法， 选用何种控制算法，应依据被控制对象的具体要求而 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。

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(3)微型计算机选择 ) 任何微机控制系统中的微型计算机， 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 ) 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(ROM、RAM、EPROM ) )足够的存储容量( 、 、 有效地保证微机系统软件、应用软件、 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 输出通道 )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 输出通道接口数。 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。 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、 字长、 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。 指令、成本、编程难易程度、输入/输出接口扩展能力等。

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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 —— 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。 有结构简单、实用范围广， 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。 将单片机、编程器、外部存储器、专用/通用 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， 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， 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。 路少，采用机器语言编程、程序编写、调试较困难。 具有丰富的软件和硬件支持， 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 界面的系统软件、可应用高级语言、 程序编写、调试方便快捷，有多样化数据信号输入/输出 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( );缺点是 接口(RS232、COM、USB)或插槽(PCI、ISA);缺点是 、 、 )或插槽( 、 ); 价格比较昂贵、抗干扰能力较差。 价格比较昂贵、抗干扰能力较差。

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4.2 控制系统总体设计 (技术设计)要求 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、 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， 系统硬件、 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), 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( 可靠性指标进行软件/硬件的分配 协调与权衡)。 硬件的分配、 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)。 输出信号匹配与协调)。 )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 类型)。 类型)。 )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)。 )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)。

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(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、 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。 信息处理系统等。在机电一体化产品的控制系统软件设计 一般不设计系统软件， 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。 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 用户自行编写完成的。对于操作者或编程员来讲， 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、针对性、灵活性和通用性等方面的要求。 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， 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、 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。

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(3)系统调试 ) 一旦微机控制系统设计完成后， 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。 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4.2节 8086/8088微机的硬件结构特点 节 微机的硬件结构特点 的结构特点及储存器、 第4.3节 Z80CPU的结构特点及储存器、 节 的结构特点及储存器 输入/输出扩展接口 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 节 第4.5节 数字显示器及键盘的接口电路 节以上四节在《微型计算机原理与应用》 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， 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， 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。

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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(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：使用可编程存储器存储用户设计 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、 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 操作、定时、计数、算术运算和 接口通讯 来控制机电一体化系统(产品)。 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 基本构成：主要由微处理器( )、存储 )、 )、I/O接口 器(RAM、ROM、EPROM)、 接口(数 、 、 )、 接口( 模拟)、编程接口、编程器(含显示) )、编程接口 字、模拟)、编程接口、编程器(含显示)等 组成。 组成。程器 编 控 编 微 理 处 器显 器 示程 接 口

( CPU ) 存 器 储 (RAM ROM)

I/O 接 口

制 对 象

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(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 提供简明、易学、 提供简明、易学、易 记的汇编语言， 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 将一组含义明确、 言，将一组含义明确、 功能性强、 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。 的编程方法。

END

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(3)PLC的应用举例 ) 的应用举例启 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 夹 紧 控 制 接 触 器 KM1吸 合 夹 紧 装 置 动 作

延 时 10s

定 时 器 T1延 时 10S后 动 作

冷 却 油 控 制 阀 动 作

吸 油 控 制 继 电 器 K2吸 合 喷 油 驱 动 电 磁 阀 YV吸 合

钻 头 快 进

快 进 控 制 接 触 器 KM2吸 合

N

S1动 作 否 ？ Y 钻 头 慢 进

判 断： 钻 头 是 否 快 接 近 到 工 件 工 进 开 始 工 进 控 制 继 电 器 K3吸 合 工 进 控 制 接 触 器 KM3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 ？

N

S2动 作 否 ？ Y 钻 头 快 退

N

S3动 作 否 ？ Y 结 束

本 工 序 结 束

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4.4 微机控制系统输入/输出的可靠性设计 微机控制系统输入/微机控制系统以及各主要功能元件(部件) 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。 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， 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： 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。 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。 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 转换； 、 转换 换；电平信号的转换与匹配；电量与非电量的转换； 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。 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。 主要采用滤波技术、光电隔离技术、屏蔽技术等。

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本节重点学习微机控制系统的输入/输出电 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， 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。 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Vc+5v R1 74LS04 G输入信号 (来自微机) 输出信号 (去执行系统)

Vc+12v R2

Vc+5v R2去微机

R1 G来自机械系统

a)

b)

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(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， 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(+/ (+/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/ 输出阻抗 时间响应特性

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光电隔离频域 检测电路 时域响应特性

输出阻抗/ 输出阻抗 频率响应特性

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(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 )可将输入/ 的地线分离。光电耦合输入、 的地线分离。光电耦合输入、输出端之间绝缘 电阻很大( ),寄生的电容很小 电阻很大(1011~1013 ),寄生的电容很小 ),因而干扰信号很难从输入端反 (0.5~2pF),因而干扰信号很难从输入端反 ), 馈到输出端。 馈到输出端。 2)可进行电平转换，实现要求的电平输出， )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。 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 )提高对负载的驱动能力。 晶闸管工作。 晶闸管工作。 如果光电隔离电路与滤波电路、 如果光电隔离电路与滤波电路、屏蔽电路有 效的结合起来， 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。 的抗干扰能力。

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(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

地址 选择

A/D

光 电 耦 合

前 向 接 口

CPU

后 向 接 口

光 电 耦 合

D/A或 执行 机构

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请同学们注意： 请同学们注意： 在微机控制系统中， 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) 成元件端口(输入/输出接口)的性质常有所 不同， 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。 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 ) 芯片匹配的输入输出光电隔离接口电路特点：P3口作为准 特点： 口作为准 双向接口， 双向接口，当P3输入 输入 口被拉成低电平时， 口被拉成低电平时， 可直接由TTL或MOS 可直接由 或 电路驱动； 电路驱动；当外部信 号为低电平时， 可 号为低电平时，P3可 被拉成高电平直接与 光电耦合器连接。 光电耦合器连接。Vc+5v R1 P3 8031 R2 G来自机械系统

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