機(jī)電一體化設(shè)計(jì)

機(jī)電一體化設(shè)計(jì)緒論1.1基本概念機(jī)電一體化技術(shù)：從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，將機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)等在系統(tǒng)工程基礎(chǔ)上有機(jī)地加以綜合，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)最佳化的一門新科學(xué)技術(shù)。機(jī)電一體化不是機(jī)械與電子簡單的疊加，而是在信息論、控制論和系統(tǒng)論的基礎(chǔ)上建立起來的應(yīng)用技術(shù)機(jī)電一體化一般包含機(jī)電一體化產(chǎn)品（系統(tǒng)）和機(jī)電一體化技術(shù)兩層含義。典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品系統(tǒng)）有：數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、汽車電子化產(chǎn)品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統(tǒng)、CAD/CAM系統(tǒng)等。1.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成1.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成1.4共性關(guān)鍵技術(shù)1檢測傳感技術(shù)2信息處理技術(shù)3自動控制技術(shù)4伺服驅(qū)動技術(shù)5機(jī)械技術(shù)6系統(tǒng)總體技術(shù)6、系統(tǒng)總體技術(shù)系統(tǒng)總體技術(shù)是一種從整體目標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)和方法，將系統(tǒng)各個(gè)功能模塊有機(jī)的結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)整體最優(yōu)。其重要內(nèi)容為接口技術(shù)。接□包括電氣接口、機(jī)械接口、人機(jī)接口1.5機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、市場調(diào)研二、總體方案設(shè)計(jì)三、詳細(xì)設(shè)計(jì)四、樣機(jī)試制與試驗(yàn)五、小批量生產(chǎn)六、大批量生產(chǎn)一、市場調(diào)研市場調(diào)研包括市場調(diào)查和市場預(yù)測。所謂市場調(diào)查就是運(yùn)用科學(xué)的方法，系統(tǒng)地、全面地收集所設(shè)計(jì)產(chǎn)品市場需求和經(jīng)銷方面的情況和資料，分析研究產(chǎn)品在供需雙方之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移的狀況和趨勢，而市場預(yù)測就是在市場調(diào)查的基礎(chǔ)上，運(yùn)用科學(xué)方法和手段，根據(jù)歷史資料和現(xiàn)狀，通過定性的經(jīng)驗(yàn)分析或定量的科學(xué)計(jì)算，對市場未來的不確定因素和條件做出預(yù)計(jì)、測算和判斷，為產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。二、總體方案設(shè)計(jì)產(chǎn)品方案構(gòu)思產(chǎn)品方案構(gòu)思完成后，以方案圖的形式將設(shè)計(jì)方案表達(dá)出來。方案圖應(yīng)盡可能簡潔明了，反映機(jī)電一體化系統(tǒng)各組成部分的相互關(guān)系，同時(shí)應(yīng)便于后面的修改。方案的評價(jià)對多種構(gòu)思和多種方案進(jìn)行篩選，選擇較好的可行方案進(jìn)行分析組合和評價(jià)，從中再選幾個(gè)方案按照機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)評價(jià)原則和評價(jià)方法進(jìn)行深入的綜合分析評價(jià)，最后確定實(shí)施方案。三、詳細(xì)設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)是根據(jù)綜合評價(jià)后確定的系統(tǒng)方案，從技術(shù)上將其細(xì)節(jié)逐層全部展開，直至完成產(chǎn)品樣機(jī)試制所需全部技術(shù)圖紙及文件的過程。四、樣機(jī)試制與試驗(yàn)完成產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計(jì)后，即可進(jìn)入樣機(jī)試制與試驗(yàn)階段。根據(jù)制造的成本和性能試驗(yàn)的要求，一般制造幾臺樣機(jī)供試驗(yàn)使用。樣機(jī)的試驗(yàn)分為實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和實(shí)際工況試驗(yàn)，通過試驗(yàn)考核樣機(jī)的各種性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求，考核樣機(jī)的可靠性。如果樣機(jī)的性能指標(biāo)和可靠性不滿足設(shè)計(jì)要求，則要修改設(shè)計(jì)，重新制造樣機(jī)，重新試驗(yàn)。如果樣機(jī)的性能指標(biāo)和可靠性滿足設(shè)計(jì)要求，則進(jìn)入產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)階段。五、小批量生產(chǎn)產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)階段實(shí)際上是產(chǎn)品的試生產(chǎn)試銷售階段。這一階段的主要任務(wù)是跟蹤調(diào)查產(chǎn)品在市場上的情況，收集用戶意見，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和制造方面存在的問題，并反饋給設(shè)計(jì)、制造和質(zhì)量控制部門。六、大批量生產(chǎn)經(jīng)過小批量試生產(chǎn)和試銷售的考核，排除產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造中存在的各種問題后，即可投入大批量生產(chǎn)。1.6機(jī)電一體化對機(jī)械工業(yè)的影響1提高性能、擴(kuò)展功能今日的數(shù)控機(jī)床充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的威力，運(yùn)用時(shí)間序列分析和精度創(chuàng)成等理論建立數(shù)學(xué)模型。已有可能實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)包括隨機(jī)誤差在內(nèi)的機(jī)床誤差，然后自動校正，從而達(dá)到前所未有的精度。采用對阻尼進(jìn)行預(yù)報(bào)，一旦接近臨界值時(shí)就自動調(diào)整切削用量，這又可能出現(xiàn)永不顫振的機(jī)床，保證很高的生產(chǎn)率和良好的加工表面。3提高可靠性在提高電子元件質(zhì)量、可靠性的前提下，機(jī)電一體化產(chǎn)品可以提高耐久性，減少故障率。另一方面由于賦予其自動監(jiān)視診斷功能，并采取安全聯(lián)鎖控制，過負(fù)荷和失控保護(hù)、停電對策，提高了設(shè)備的安全可靠性。4節(jié)約能源例如目前我國各類電風(fēng)扇年產(chǎn)量在200萬臺左右，如每臺電扇的調(diào)速器和定時(shí)器現(xiàn)常用電磁機(jī)械式）用電子調(diào)速器和定時(shí)器代替，估計(jì)每臺風(fēng)扇可節(jié)電5W以上，全年以用扇100天每天開扇6h計(jì)，則每年可節(jié)約用電量600萬kW%，還可節(jié)省大批銅材和鋼材。再如傳統(tǒng)的電焊機(jī)以電磁原理和手工操作為基礎(chǔ)，即使是一般的自動電焊機(jī)，其動作過程也僅為簡單的機(jī)械動作和相應(yīng)的控制。這類電焊機(jī)耗能多、效率低、質(zhì)量不易保證。采用微型機(jī)技術(shù)后，發(fā)展新穎的電子控制電源以取代傳統(tǒng)的焊接電源，實(shí)現(xiàn)焊接電源的節(jié)能、高效、小型化、多樣化。5操作改善如傳統(tǒng)車削到數(shù)控車削的轉(zhuǎn)變1.7機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢1智能化智能化是21世紀(jì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要發(fā)展方向。人工智能在機(jī)電一體化建設(shè)者的研究日益得到重視，機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的智能化就是重要應(yīng)用。這里所說的“智能化”是對機(jī)器行為的描述，是在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動力學(xué)等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標(biāo)。2模塊化由于機(jī)電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、電氣接口、動力接口、環(huán)境接口的機(jī)電一體化產(chǎn)品單元是一項(xiàng)十分復(fù)雜但又是非常重要的事。這需要制定各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，以便各部件、單元的匹配和接口。由于利益沖突，近期很難制定國際或國內(nèi)這方面的標(biāo)準(zhǔn)，但可以通過組建一些大企業(yè)逐漸形成。顯然，從電氣產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化帶來的好處可以肯定，無論是對生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)電一體化單元的企業(yè)還是對生產(chǎn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的企業(yè)，規(guī)?；瘜⒔o機(jī)電一體化企業(yè)帶來美好的前程。3網(wǎng)絡(luò)化20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)等的突出成就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。機(jī)電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來，只要其功能獨(dú)到，質(zhì)量可靠，彳艮快就會暢銷全球。由于網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾，而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身就是機(jī)電一體化產(chǎn)品。因此，機(jī)電一體化產(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。4微型化微型化興起于20世紀(jì)80年代末，指的是機(jī)電一體化向微型機(jī)器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。國外稱其為微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS），泛指幾何尺寸不超過1cm3的機(jī)電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(fā)展。微機(jī)電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運(yùn)動靈活，在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢。微機(jī)電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機(jī)械技術(shù)，微機(jī)電一體化產(chǎn)品的加工采用精細(xì)加工技術(shù)，即超精密技術(shù)，它包括光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)兩類。5系統(tǒng)化系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)一步采用開放式和模式化的總線結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可以靈活組態(tài)，進(jìn)行任意剪裁和組合，同時(shí)尋求實(shí)現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理。表現(xiàn)之二是通信功能的大大加強(qiáng)，一般除RS232外，還有RS485等等第2章機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)是機(jī)電一體化系統(tǒng)的最基本要素，它包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu)等，用于完成指定的動作、傳遞功率、運(yùn)動或者信息2.1機(jī)械系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了考慮一般機(jī)械設(shè)計(jì)要求外，還必須考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)因素和整個(gè)伺服系統(tǒng)的性能參數(shù)、電氣參數(shù)匹配，才能獲得良好的機(jī)電產(chǎn)品性能。性能參數(shù)設(shè)計(jì)與模型分析有直接關(guān)系例子：機(jī)械移動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立基本元件：質(zhì)量m，阻尼c，彈簧k建立模型的數(shù)學(xué)原型：牛頓第二定律根據(jù)簡化后的力學(xué)模型由牛頓第二定律，可以獲得系統(tǒng)的運(yùn)動方程：經(jīng)過Laplace變換，得到傳遞函數(shù)：系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的簡化模型簡化的基本思路是將復(fù)雜的、分布的參數(shù)折算到某一部件(一般為中心部件)上，然后按照單一部件對系統(tǒng)進(jìn)行建模。建模的核心問題在于各個(gè)分散參數(shù)的統(tǒng)計(jì)和這些物理量的折算。根據(jù)數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確程度，一般會對各個(gè)參數(shù)進(jìn)行取舍，從而獲得一個(gè)既能基本反映系統(tǒng)基本特性，又便于數(shù)學(xué)處理的模型。2.2機(jī)械傳動系統(tǒng)的特性為確保機(jī)械系統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性，通常對機(jī)電一體化系統(tǒng)提出以下要求：(1高精度精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，尤其是機(jī)電一體化產(chǎn)品，其技術(shù)性能、工藝水平和功能比普通的機(jī)械產(chǎn)品都有很大的提高，因此機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的高精度是其首要的要求。如果機(jī)械系統(tǒng)的精度不能滿足要求，則無論機(jī)電一體化產(chǎn)品其它系統(tǒng)工作怎樣精確，也無法完成其預(yù)定的機(jī)械操作。2.2機(jī)械傳動系統(tǒng)的特性(2快速響應(yīng)性即要求機(jī)械系統(tǒng)從接到指令到開始執(zhí)行指令指定的任務(wù)之間的時(shí)間間隔短，這樣控制系統(tǒng)才能及時(shí)根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息，下達(dá)指令，使其準(zhǔn)確地完成任務(wù)。(3良好的穩(wěn)定性要求機(jī)械系統(tǒng)的工作性能不受外界環(huán)境的影響，抗干擾能力強(qiáng)。2.2機(jī)械傳動系統(tǒng)的特性對于具體的機(jī)電一體化系統(tǒng)的傳動設(shè)計(jì)，就要綜合考慮各個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)的協(xié)調(diào)：要考慮設(shè)計(jì)盡可能短的傳動鏈，同時(shí)要考慮負(fù)載對傳動系統(tǒng)的耦合作用要考慮傳動精度，同時(shí)要考慮穩(wěn)定性、快速性要考慮功率，同時(shí)要小型、重量輕、低振動、低噪聲數(shù)學(xué)模型相當(dāng)關(guān)鍵2.2機(jī)械傳動系統(tǒng)的特性單純對傳動系統(tǒng)而言，其關(guān)注的性能包括：傳動類型、傳動方式、傳動精度、動態(tài)特性、可靠性影響傳動系統(tǒng)性能的因素包括：負(fù)載變化：包括工作負(fù)載、摩擦負(fù)載，要合理選擇驅(qū)動電機(jī)與傳動鏈，與負(fù)載相匹配傳動鏈慣性：影響啟停特性、快速性、定位精度傳動鏈固有頻率間隙、摩擦、潤滑和溫升：影響傳動精度和運(yùn)動平穩(wěn)性2.2機(jī)械傳動系統(tǒng)的特性機(jī)械傳動系統(tǒng)的特性為了滿足機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)良好的伺服性能，不僅要求機(jī)械傳動部件滿足轉(zhuǎn)動慣量小、摩擦小、阻尼合理、剛度大、抗振動性能好、空隙小的要求，還要求機(jī)械部分的動態(tài)特性與電機(jī)速度環(huán)節(jié)的動態(tài)特性相匹配。2.2機(jī)械傳動系統(tǒng)的特性1、轉(zhuǎn)動慣量在滿足系統(tǒng)剛度的條件下，機(jī)械部分的質(zhì)量與轉(zhuǎn)動慣量越小越好。轉(zhuǎn)動慣量大會使機(jī)械負(fù)載增大、系統(tǒng)相應(yīng)速度變慢、靈敏度降低、固有頻率下降、容易產(chǎn)生諧振電氣驅(qū)動部件的諧振頻率降低、阻尼增大2.2機(jī)械傳動系統(tǒng)的特性2、摩擦機(jī)電產(chǎn)品對傳動部件的摩擦特性要求是：靜摩擦盡可能??；動摩擦力應(yīng)為盡可能小的正斜率。若動摩擦為負(fù)斜率，易產(chǎn)生爬行、降低精度、減少壽命摩擦在應(yīng)用上可以簡化為：粘性摩擦、庫侖摩擦和靜摩擦三種2.2機(jī)械傳動系統(tǒng)的特性粘性摩擦：大小與相對運(yùn)動速度成正比；庫侖摩擦：接觸面對運(yùn)動物體的阻力，大小為一常數(shù)；靜摩擦：具有相對運(yùn)動趨勢但仍處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)摩擦面之間存在的摩擦力，運(yùn)動開始之后靜摩擦力消失。2.2機(jī)械傳動系統(tǒng)的特性摩擦力對運(yùn)動狀態(tài)的影響機(jī)械系統(tǒng)的摩擦特性隨著材料和表面狀態(tài)的不同有很大差異。典型情況包括：爬行，低速運(yùn)動穩(wěn)定性差，如氣動系統(tǒng)有回程誤差，精度低對摩擦特性的要求：靜摩擦要小動摩擦因?yàn)樾〉恼甭?.2機(jī)械傳動系統(tǒng)的特性3、阻尼機(jī)械部件振動的振幅取決于系統(tǒng)阻尼和固有頻率：阻尼大，振幅小，衰減快阻尼對彈性系統(tǒng)振動特性的主要影響：靜摩擦阻尼大：系統(tǒng)失動量（運(yùn)動反向間隙）和反轉(zhuǎn)誤差大，定位精度低，易爬行粘性阻尼摩擦大：系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差大，精度低2.2機(jī)械傳動系統(tǒng)的特性失動量：數(shù)控機(jī)床上，由于各坐標(biāo)軸進(jìn)給傳動鏈上驅(qū)動部件（如伺服電動機(jī)、伺服液壓馬達(dá)和步進(jìn)電動機(jī)等）的反向死區(qū)、各機(jī)械運(yùn)動傳動副的反向間隙等誤差的存在，造成各坐標(biāo)軸在由正向運(yùn)動轉(zhuǎn)為反向運(yùn)動時(shí)形成反向偏差，通常也稱反向間隙或失動量2.2機(jī)械傳動系統(tǒng)的特性對于質(zhì)量大剛度低的機(jī)械系統(tǒng)，為減小振幅、加速度衰減，可增加粘性摩擦阻尼實(shí)際應(yīng)用中可以0.廠0.8之間的欠阻尼，可以保證振蕩在一定范圍內(nèi)過渡過程較平穩(wěn)、過渡時(shí)間較短，靈敏度較高2.2機(jī)械傳動系統(tǒng)的特性4、剛度機(jī)械系統(tǒng)的剛度包括：構(gòu)件產(chǎn)生各種基本變形時(shí)的剛度兩接觸面的接觸剛度定義：靜剛度：靜態(tài)力和變形的比動剛度：動態(tài)力（交變力和沖擊力）和變形的比2.2機(jī)械傳動系統(tǒng)的特性對于伺服系統(tǒng)的失動量：系統(tǒng)剛度越大，失動量越小對于伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性：剛度對開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性沒有影響；提高剛性可增加閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但會帶來轉(zhuǎn)動慣量、摩擦和成本的增加2.2機(jī)械傳動系統(tǒng)的特性5、諧振頻率任何彈性系統(tǒng)，若阻尼不計(jì)，可簡化為質(zhì)量、彈簧系統(tǒng)，對于質(zhì)量為m,拉壓剛性系數(shù)為k的直線運(yùn)動系統(tǒng)，其固有頻率為：對于轉(zhuǎn)動慣量為J,扭轉(zhuǎn)剛性系數(shù)為k的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動系統(tǒng)，固有頻率為：2.2機(jī)械傳動系統(tǒng)的特性當(dāng)外界的激振頻率接近獲等于固有頻率時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生諧振而不能正常工作機(jī)械傳動部件一般有若干個(gè)固有頻率，分別稱為一階諧振頻率和n階諧振頻率為了減少機(jī)械傳動部件轉(zhuǎn)矩反饋對電機(jī)動態(tài)性能的影響，要求機(jī)械部件的諧振頻率必須大于電氣驅(qū)動部件的諧振頻率2.2機(jī)械傳動系統(tǒng)的特性6、間隙間隙使傳動系統(tǒng)產(chǎn)生回程誤差，影響伺服系統(tǒng)中位置環(huán)的穩(wěn)定性。有間隙時(shí)，必須減小位置環(huán)的增益間隙的形式：齒輪傳動的齒測間隙、絲桿螺母的傳動間隙、絲桿軸承的軸向間隙、連軸器的扭轉(zhuǎn)間隙。第二章結(jié)束第二章傳感器檢測及其接口傳感器是控制系統(tǒng)中所有原始信息的來源作為反饋元件，其直接影響到系統(tǒng)的運(yùn)動性能、控制精度和智能水平。要求傳感器靈敏度高、動態(tài)特性好、穩(wěn)定性和抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)傳感器：把被測非電量轉(zhuǎn)換成為與之有確定對應(yīng)關(guān)系，且便于應(yīng)用的某些物理量（通常為電量）的測量裝置。測量電路：把傳感器輸出的變量變換成電壓或電流信號，使之能在輸出單元的指示儀上指示或記錄儀上記錄；或者能夠作為控制系統(tǒng)的檢測或反饋信號。輸出單元：指示儀、記錄儀、累加器、報(bào)警器、數(shù)據(jù)處理電路等。測量誤差與數(shù)據(jù)處理正態(tài)分布隨機(jī)誤差是以不可預(yù)定的方式變化著的誤差，但在一定條件下服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律正態(tài)分布的隨機(jī)誤差分布規(guī)律（1）對稱性：絕對值相等的正誤差和負(fù)誤差出現(xiàn)的次數(shù)相等。（2）單峰性：絕對值小的誤差比絕對值大的誤差出現(xiàn)的次數(shù)多。（3）有界性：一定的測量條件下，隨機(jī)誤差的絕對值不會超過一定界限。（4）抵償性：隨測量次數(shù)的增加，隨機(jī)誤差的算術(shù)平均值趨向于零。隨機(jī)誤差的評價(jià)指標(biāo)由于隨機(jī)誤差大部分按正態(tài)分布規(guī)律出現(xiàn)的，具有統(tǒng)計(jì)意義，通常以正態(tài)分布曲線的兩個(gè)參數(shù)算術(shù)平均值和均方根誤差作為評價(jià)指標(biāo)。（1）算術(shù)平均值（2）標(biāo)準(zhǔn)差（1）算術(shù)平均值（2）標(biāo)準(zhǔn)差測量列中單次測量的標(biāo)準(zhǔn)差測量列算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差①測量列中單次測量的標(biāo)準(zhǔn)差測量的極限誤差測量的極限誤差是極端誤差，檢測量結(jié)果的誤差不超過該極端誤差的概率為P,并使出現(xiàn)概率為（1-P）誤差超過該極端誤差的檢測量的測量結(jié)果可以忽略。3.1傳感器3.2位移測量傳感器3.3速度、加速度傳感器3.4位置傳感器3.5測力傳感器3.6傳感器的前期信號處理3.7傳感器接口技術(shù)3.8傳感器非線性補(bǔ)償技術(shù)3.9數(shù)字濾波3.1傳感器3、傳感器性能和選用原則1）傳感器的靜特性傳感器的靜態(tài)特性是指當(dāng)被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)下，傳感器的輸入與輸出值之間的關(guān)系。傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有：線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。（1）線性度傳感器的線性度是指傳感器實(shí)際輸出一輸入特性曲線與理論直線之間的最大偏差與輸出滿度值之比，即3.1傳感器⑶遲滯傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨?，輸出一-入特性曲線不重合的程度稱為遲滯，遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示3.1傳感器3.1傳感器3.1傳感器2）傳感器的動態(tài)特性傳感器能測量動態(tài)信號的能力用動態(tài)特性表示動態(tài)特性是指傳感器測量動態(tài)信號時(shí)，輸出對輸入的響應(yīng)特性。通過時(shí)域、頻域以及試驗(yàn)分析的方法確定，動態(tài)特性參數(shù)包括：最大超調(diào)量、上升時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、頻率響應(yīng)范圍、臨界頻率等。模擬信號檢測系統(tǒng)振蕩器用于對傳感器信號進(jìn)行調(diào)制，并為解調(diào)提供參考信號；量程變換電路的作用是避免放大器飽和并滿足不同測量范圍的需要；解調(diào)器用于將已調(diào)制信號恢復(fù)成原有形式；數(shù)字信號檢測系統(tǒng)如：絕對碼數(shù)字式和增量碼數(shù)字式。當(dāng)傳感器輸出的編碼與被測量一一對應(yīng)，稱為絕對碼。絕對碼檢測系統(tǒng)如右圖所示，每一當(dāng)傳感器輸出增量碼信號，即信號變化的周期數(shù)與被測量成正比，其增量碼數(shù)字信號檢測系統(tǒng)的典型組成如右圖所示。3.6傳感器的前期信號處理傳感器的輸出包括：電壓輸出、電流輸出、頻率輸出等。傳感器的輸出信號一般較弱，需要進(jìn)行信號的前處理才能使用，包括濾波和放大。信號前處理的核心器件一般是集成運(yùn)算放大器3.6傳感器的前期信號處理傳感器大多要在現(xiàn)場工作，而現(xiàn)場的條件往往是不可預(yù)料的。各種外界因素要影響傳感器的精度和性能，所以在檢測系統(tǒng)傳感信號處理中，抗干擾是非常重要的，尤其是在微弱輸入信號的系統(tǒng)中。常采用的抗干擾措施有屏蔽、接地、隔離和濾波等。3.6傳感器的前期信號處理（1）屏蔽屏蔽就是用低電阻材料或磁性材料把元件、傳輸導(dǎo)線、電路及組合件包圍起來，以隔離內(nèi)外電磁或電場的相互干擾。屏蔽可分為三種，即電場屏蔽、磁場屏蔽及電磁屏蔽。（2）接地電路或傳感器中的地指的是一個(gè)等電位點(diǎn)，它是電路或傳感器的基準(zhǔn)電位點(diǎn)，與基準(zhǔn)電位點(diǎn)相連接，就是接地。3.6傳感器的前期信號處理（3）隔離當(dāng)電路信號在兩端接地時(shí)，容易形成地環(huán)路電流，引起噪聲干擾。這時(shí)，常采用隔離的方法，把電路的兩端從電路上隔開。隔離的方法主要采用變壓器隔離和光電耦合器隔離。（4）濾波雖然采取了上述的一些抗干擾措施，但仍會有一些噪聲信號混雜在檢測信號中，因此檢測電路中還常設(shè)置濾波電路，對由外卜界干擾引入的噪聲信號加以濾除。3.6傳感器的前期信號處理（5）放大在傳感器輸出信號中，必須考慮其中包含的工頻、靜電、電磁耦合等共模干擾，需要放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗。具備以上特性的放大器一般稱為儀用放大器。3.6傳感器的前期信號處理A）通用放大器早期的測量放大電路設(shè)計(jì)：多運(yùn)放搭建缺點(diǎn)：假設(shè)了兩輸入的放大器性能（輸入阻抗和電壓增益）對稱，輸出漂移難以控制。3.6傳感器的前期信號處理B）專用儀用放大器優(yōu)點(diǎn)：體積小、外部電路簡單，成本較低具有較好的線性度、高共模抑制比、噪聲低的特點(diǎn)。3.6傳感器的前期信號處理C）程控增益方攵大出現(xiàn)的原因：ADC在滿量程時(shí)的轉(zhuǎn)換誤差最小，需對輸入信號幅值進(jìn)行動態(tài)調(diào)整?；驹恚豪梅答侂娮柚档淖兓?.6傳感器的前期信號處理程控放大器可以由多路開關(guān)+放大器搭建專用程控放大器：已經(jīng)將譯碼電路與模擬開關(guān)結(jié)合3.7傳感器接口技術(shù)傳感器的信號需要經(jīng)過放大、濾波等系列處理，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后才能輸入計(jì)算機(jī)；模數(shù)轉(zhuǎn)換的過程需要一定的時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)必須保持信號的電平，在轉(zhuǎn)換結(jié)束后又必須快速跟蹤外部信號的電平變化，這時(shí)需要采用采樣保持電路。3.7傳感器接口技術(shù)模擬量的轉(zhuǎn)換輸入方式3.7傳感器接口技術(shù)多路模擬開關(guān)又稱為多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，簡稱多路開關(guān)，作用：分別或依次把各路檢測信號與A/D轉(zhuǎn)換器接通，以節(jié)省A/D轉(zhuǎn)換器件。3.7傳感器接口技術(shù)信號采集與保持采集，就是把時(shí)間連續(xù)的信號變成一串不連續(xù)的脈沖時(shí)間序列的過程。信號采樣是通過采樣開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。采樣開關(guān)又稱采樣器，實(shí)質(zhì)上它是一個(gè)模擬開關(guān)，每隔時(shí)間間隔T閉合一次，每次閉合持續(xù)時(shí)間&其中,丁稱為采樣周期,其倒數(shù)fs=1/T稱為采樣頻率，t稱為采樣時(shí)間或采樣寬度，采樣后的脈沖序列稱為采樣信號。采樣信號是離散的模擬信號，它在時(shí)間軸上是離散的，但在函數(shù)軸上仍是連續(xù)的，因而還需要用A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。3.7傳感器接口技術(shù)3.7傳感器接口技術(shù)運(yùn)算放大器七和七接成跟隨器，作緩沖器用。當(dāng)控制信號uc為高電平時(shí)場效應(yīng)管VF導(dǎo)通，對輸入信號采樣。輸入信號相通過、和VF向電容C充電，并通過N2輸出u。。由于N】的輸出阻抗很小，N2的輸出阻抗很大，因而在VF導(dǎo)通期間uo=Uf當(dāng)Uc為低電平時(shí)，vf截止，電容C將采樣器間的信號電平保持下來，并經(jīng)N2緩沖后輸出。3.8傳感器非線性補(bǔ)償技術(shù)線性化處理與補(bǔ)償機(jī)電測控系統(tǒng)中，特別是需對被測參量進(jìn)行顯示時(shí)，總是希望傳感器及檢測電路的輸出和輸入特性呈線性關(guān)系，使測量對象在整個(gè)刻度范圍內(nèi)靈敏度一致，以便于讀數(shù)及對系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。對于具體的檢測元件，一般只能在一定范圍內(nèi)保持這種線性關(guān)系3.8傳感器非線性補(bǔ)償技術(shù)為了在較大的測量范圍內(nèi)保持傳感器精度，就需要對輸入和輸出的關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)償。硬件電路補(bǔ)償：采用對數(shù)放大器、反對數(shù)放大器，設(shè)計(jì)反饋式回路。電路較復(fù)雜，很難達(dá)到良好效果軟件補(bǔ)償（1）非線性補(bǔ)償當(dāng)傳感器及其調(diào)理電路至A/D轉(zhuǎn)換器的輸入一輸出有非線性，可按反非線性特性進(jìn)行轉(zhuǎn)換，進(jìn)行非線性的校正，使輸出y與輸入X呈理想直線關(guān)系。檢測系統(tǒng)的零位誤差是由溫度漂移和時(shí)間漂移引起的。采用軟件對零位誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ址Q數(shù)字調(diào)零，其原理如下圖所示。增益誤差同樣是由溫度漂移和時(shí)間漂移等引起的。增益誤差補(bǔ)償又稱校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)，在微型機(jī)控制下先把多路開關(guān)接地，得到采樣值a0，然后把多路開關(guān)接基準(zhǔn)輸入U(xiǎn)R，得到采樣值xR，并寄存a0和xR。在正式測量時(shí)，如測得對應(yīng)輸入信號Ui的采樣值為xi則輸入信號可按下式計(jì)算：該校準(zhǔn)方法可使測得的輸入信號Ui與檢測系統(tǒng)的漂移和增益變化無關(guān)，因而實(shí)現(xiàn)增益誤差補(bǔ)償。3.9數(shù)字濾波干擾與噪聲在系統(tǒng)中客觀存在的數(shù)字濾波是提高信號輸入可靠性、減少虛假信息影響的有利因素系統(tǒng)中的噪聲并非是越少越好，要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行判斷。3.9數(shù)字濾波實(shí)質(zhì)是程序?yàn)V波，與模擬濾波相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：不需要額外的硬件設(shè)備，不存在阻抗匹配問題，可以使多個(gè)輸入通道共用一套數(shù)字濾波程序，降低儀器硬件成本。可以對頻率很低或很高的信號實(shí)現(xiàn)濾波?？梢愿鶕?jù)信號的不同而采用不同的濾波方法或?yàn)V波參數(shù)，靈活、方便、功能強(qiáng)。3.9數(shù)字濾波（1）中值濾波中值濾波方法對緩慢變化的信號中由于偶然因素引起的脈沖干擾具有良好濾除效果原理：對信號連續(xù)進(jìn)行n次采樣，然后對采樣值排序，并取序列中位值作為采樣有效值。程序算法就是通用的排序算法。采樣次數(shù)n一般取為大于3的奇數(shù)。3.9數(shù)字濾波（2）算術(shù)平均濾波原理：對信號連續(xù)進(jìn)行n次采樣，以其算術(shù)平均值作為有效采樣值。該方法對壓力、流量等具有周期脈動特點(diǎn)的信號具有良好的濾波效果。采樣次數(shù)n越大，濾波效果越好，但靈敏度也越低，為便于運(yùn)算處理，常取n=48、16。3.9數(shù)字濾波滑動平均濾波用循環(huán)隊(duì)列作為采樣數(shù)據(jù)存儲器，隊(duì)列長度固定為n,每進(jìn)行一次新的采樣，把采樣數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，扔掉原來隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)。這樣，在隊(duì)列中始終有n個(gè)最新的數(shù)據(jù)。對這n個(gè)最新數(shù)據(jù)求取平均值，作為此次采樣的有效值。這種方法每采樣一次，便可得到一個(gè)有效采樣值，因而速度快，實(shí)時(shí)性好，對周期性干擾具有良好的抑制作用3.9數(shù)字濾波低通濾波當(dāng)被測信號緩慢變化時(shí)，可采用數(shù)字低通濾波的方法去除干擾。數(shù)字低通濾波器是用軟件算法來模擬硬件低通濾波的功能。一階RC低通濾波器的微分方程為3.9數(shù)字濾波式中:t=RC是電路的時(shí)間常數(shù)。用X替代uiY替代uo，將微分方程轉(zhuǎn)換成差分方程，并整理得：式中一—樣周期；X(n)——次采樣值；Y(n)和Y(n-1)——次和上次的濾波器輸出值。取，則式可改寫成3.9數(shù)字濾波由上式可見濾波器的本次輸出值主要取決于其上次輸出值，本次采樣值對濾波器輸出僅有較小的修正作用，因此該濾波器算法相當(dāng)于一個(gè)具有較大慣性的一階慣性環(huán)節(jié)，模擬了低通濾波器的功能，其截止頻率為第五章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及其接口技術(shù)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是機(jī)電控制系統(tǒng)的中樞，其主要作用：按編制好的程序完成系統(tǒng)信息采集、加工處理、分析和判斷，作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)和控制決策發(fā)出數(shù)字形式或模擬形式的控制信號控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作機(jī)電系統(tǒng)集成體系的組成方法組成機(jī)電系統(tǒng)的各要素和子系統(tǒng)相接處必須具備一定的聯(lián)系條件，這個(gè)聯(lián)系條件稱為接口，簡單地說就是各子系統(tǒng)之間以及子系統(tǒng)內(nèi)各模塊之間相互聯(lián)接的硬件及相關(guān)協(xié)議軟件。機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，就是在根據(jù)功能要求選擇了各要素后，所進(jìn)行的接口設(shè)計(jì)。從這一觀點(diǎn)出發(fā)，機(jī)電產(chǎn)品的性能很大程度上取決于接口的性能，即各要素和各子系統(tǒng)之間的接口性能是機(jī)電一體化系統(tǒng)性能好壞的決定性因素。接口設(shè)計(jì)是機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。5.1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成：計(jì)算機(jī)基本系統(tǒng)入機(jī)對話系統(tǒng)系統(tǒng)支持模塊過程輸入痢出子系統(tǒng)過程輸入設(shè)備把系統(tǒng)測控對象的工作狀況和被控對象的物理、工位接點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出設(shè)備把數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為驅(qū)動機(jī)構(gòu)的功率信號5.1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件包括適應(yīng)工業(yè)控制的實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟件通用軟件工業(yè)控制軟件。5.1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本要求：具有完善的過程輸入輸出功能要使計(jì)算機(jī)能控制機(jī)電一體化系統(tǒng)的正常運(yùn)行，它必須具有豐富的模擬和數(shù)字輸入輸出通道，以便使計(jì)算機(jī)能實(shí)現(xiàn)各種形式的數(shù)據(jù)采集、過程連接和信息變換等，這是計(jì)算機(jī)能否投入機(jī)電一體化系統(tǒng)運(yùn)行的重要條件。具有實(shí)時(shí)控制功能工業(yè)控制計(jì)算機(jī)應(yīng)具有時(shí)間驅(qū)動和事件驅(qū)動的能力。要能對生產(chǎn)的工況變化實(shí)時(shí)地進(jìn)行監(jiān)視和控制，當(dāng)過程參數(shù)出現(xiàn)偏差甚至故障時(shí)能迅速響應(yīng)并及時(shí)處理，為此需配有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及過程中斷系統(tǒng)。5.1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)具有可靠性機(jī)電一體化設(shè)備通常是晝夜連續(xù)工作，控制計(jì)算機(jī)又兼有系統(tǒng)故障診斷的任務(wù)，這就要求工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有非常高的可靠性。具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和抗干擾能力在工業(yè)環(huán)境中，電、磁干擾嚴(yán)重，供電條件不良。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)必須具有極高的電磁兼容性，要有高抗干擾能力和共模抑制能力。此外，系統(tǒng)還應(yīng)適應(yīng)高溫、高濕、振動沖擊、灰塵等惡劣的工作環(huán)境。5.1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的分類及其應(yīng)用特點(diǎn)1、可編程控制器(PLC)(1控制程序可變，具有很好的柔性。在生產(chǎn)工藝流程改變或被控設(shè)備更新的情況下，不必改變PLC的硬件只需改變程序就可以滿足要求。(2可靠性強(qiáng)，適用于工業(yè)環(huán)境。PLC是專門為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，在硬件和軟件上采取了一系列有效措施，以提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，并有較完善的自診斷和自保護(hù)能力，能夠適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境。PLc的平均無故障工作時(shí)間可達(dá)數(shù)萬小時(shí)，這是其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)無法比擬的。5.1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(3編程簡單，使用方便。大多數(shù)PLC采用悌形圖”的編程方式。梯形圖類似于繼電接觸控制的電氣原理團(tuán)，使用者不需具備很深的計(jì)算機(jī)編程知識。只需將梯形圖轉(zhuǎn)換成邏輯表達(dá)式，將其輸入PLC即可使用。(4功能完善PLC具備輸入輸出、邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制、功率驅(qū)動、通訊、人一機(jī)對話、自檢、記錄和顯示等功能，使系統(tǒng)的應(yīng)用范圍大大提高。(5體積小、重量輕、易于裝入機(jī)器內(nèi)部。5.1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)2、總線型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)劃分成具有一種或幾種獨(dú)立功能的硬件模塊，從內(nèi)總線入手把各功能模塊設(shè)計(jì)制造成標(biāo)推”的E印制電路板插件亦稱模塊)，像搭積木一樣將硬件插件及模板插入一塊公共的稱為底板”的電路板插槽上組成一個(gè)模塊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，每塊插件之間的信息都通過底板進(jìn)行交換，從而達(dá)到控制系統(tǒng)的整體功能，這就是所謂的模塊化設(shè)計(jì)。由于總線結(jié)構(gòu)的控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將一個(gè)較復(fù)雜的系統(tǒng)分解成具有獨(dú)立功能的模塊，再把所需的功能模板插到底披上，構(gòu)成一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。5.1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)(IndustrialPersdkadputer—IPC是一種加固的增強(qiáng)型個(gè)人計(jì)算機(jī)，它可以作為一個(gè)工業(yè)控制器在工業(yè)環(huán)境中可靠運(yùn)行，具有較好的抗噪聲、抗震等特性，也有更多的總線插槽。PC104工業(yè)總線ISA接口標(biāo)準(zhǔn)的延伸。IPC的技術(shù)特點(diǎn)1、采用符合“EI標(biāo)準(zhǔn)的全鋼化工業(yè)機(jī)箱，增強(qiáng)了抗電磁干擾能力。有些廠家的產(chǎn)品，例如研祥EVOC的IPC0880X.IPC-810B與IPC-8419等機(jī)箱都帶有EMI彈片，更加穩(wěn)固。2、采用總線結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)°CPU卡及各功能卡皆使用插板式結(jié)構(gòu)，并帶有壓桿(或者橡膠墊)軟鎖定，提高了抗沖擊、抗振動能力。3、機(jī)箱內(nèi)裝有雙風(fēng)扇，微正壓對流排風(fēng)，并裝有濾塵網(wǎng)用以防塵。4、配有高度可靠的工業(yè)開關(guān)電源，并有過壓、過流保護(hù)，也是最有關(guān)鍵的。IPC的技術(shù)特點(diǎn)5、電源及鍵盤均帶有電子鎖開關(guān)，可防止非法開、關(guān)和非法鍵盤輸入6、具有自診斷功能。7、可視需要選配I/0模板，ISA/PCI總線的各類采集卡都可以選擇。8、設(shè)有看門狗'定時(shí)器，在因故障死機(jī)時(shí)，無需人的干預(yù)而自動復(fù)位。9、開放性好，兼容性好，吸收了PC機(jī)的全部功能，可直接運(yùn)行PC機(jī)的各種應(yīng)用軟件。10、可配置實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，便于多任務(wù)的調(diào)度和運(yùn)行。11、可采用無源母板(底板)，方便系統(tǒng)升級。5.1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)總線型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：(1提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)和制造周期。在系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)時(shí)，將復(fù)雜的電路分布在若干功能模板上，可同時(shí)并行地進(jìn)行設(shè)計(jì)，大量的功能模板可以直接購得，從而縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造周期。(2提高了系統(tǒng)的可靠性。由于各通用模塊均由專業(yè)制造廠以產(chǎn)品形式專業(yè)化大批量生產(chǎn)制造，用戶可以根據(jù)自己的具體需要，購買產(chǎn)品，如中央處理器、內(nèi)存、A/D、D/A等模板及專用I/O接口板卡等，來構(gòu)成自己的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。由于模板的質(zhì)量穩(wěn)定，性能可靠，因此也就保證了控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性。5.1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)⑶更于調(diào)試和維修。由于模板是按照系統(tǒng)的功能進(jìn)行分解的，維修或調(diào)試時(shí)，只要根據(jù)功能故障性質(zhì)進(jìn)行診斷，更換損壞的模板，就可以排除故障、進(jìn)行調(diào)試。(4能適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的需要，迅速改進(jìn)系統(tǒng)的性能。總線結(jié)構(gòu)的控制計(jì)算機(jī)只需改進(jìn)模塊和軟件，不需對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)就能滿足對系統(tǒng)提出的新的要求。(5軟件開發(fā)升級便利5.1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)3、單片機(jī)滿足特定需要的專用工業(yè)控制系統(tǒng)，特點(diǎn)：1）受集成度限制，片內(nèi)存儲器容量較小。一般片內(nèi)ROM小于4-8K字節(jié)，片內(nèi)RAM小于256字節(jié)；但可在外部進(jìn)行擴(kuò)展，如MCS-51系列單片機(jī)的片外可編程存儲器（EPROM）、靜態(tài)隨機(jī)存儲器（SRAM）可分別擴(kuò)展至以64K字節(jié)。2）可靠性高。單片機(jī)芯片本身是技工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的，其抗工業(yè)噪聲干擾的能力優(yōu)于一般通用CPU;程序指令及其常數(shù)、表格固化在ROM中不易損壞；常用信號通道均集成在一個(gè)芯片內(nèi)，信號傳輸可靠性高。5.1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)3）易擴(kuò)展。片內(nèi)具有計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行所必須的部件，芯片外部有許多供擴(kuò)展用的總線及并行、串行輸入輸出端口，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。4）控制功能強(qiáng)。為了滿足工業(yè)控制要求，單片機(jī)的指令系統(tǒng)中有豐富的條件分支轉(zhuǎn)移指令、I/O□的邏輯操作以及位處理功能。一般來說，單片機(jī)的邏輯控制功能及運(yùn)行使度均高于同一檔次的徽處理器。5）一般的單片機(jī)內(nèi)無監(jiān)控程序或系統(tǒng)通用管理軟件，軟件開發(fā)工作量大。5.2計(jì)算機(jī)控制接口技術(shù)1、信息采集接口2、DA數(shù)據(jù)輸出接口在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，被控對象所需要的驅(qū)動功率一般都比較大，而計(jì)算機(jī)發(fā)出的數(shù)字控制信號或經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到的模擬控制信號的功率都很小，因而必須經(jīng)過功率放大后才能用來驅(qū)動被控對象。實(shí)現(xiàn)功率放大的接口電路又稱為功率接口電路O光電藕合器在控制微機(jī)和功率放大電路之間，常常使用光電藕合器。光電藕合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成，當(dāng)在發(fā)光二極管二端加正向電壓時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，照射光敏晶體管使之導(dǎo)通，產(chǎn)生輸出信號。光電藕合器的信號傳遞采取電-光■電形式，發(fā)光部分和受光部分不接觸，因此其絕緣電阻可高達(dá)1010以上，并能承受200OV以上的高壓，被耦合的兩個(gè)部分可以自成系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)電部分和弱電部分隔離，避免干擾由輸出通道竄入控制微機(jī)。光電藕合器的發(fā)光二極管是電流驅(qū)動器件，能夠吸收尖峰干擾信號，所以具有很強(qiáng)的抑制干擾能力。光電藕合器作為開關(guān)應(yīng)用時(shí)，具有耐用、可靠性高和高速等優(yōu)點(diǎn)，響應(yīng)時(shí)間一般為數(shù)微秒以內(nèi)，高速型光電藕合器的響應(yīng)時(shí)間有的甚至小于10ns。在接口電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮光電藕合器的兩個(gè)參數(shù)電流傳輸比與時(shí)間延遲。電流傳輸比是指光電晶體管的集電極電流IC與發(fā)光二極管的電流I之比。時(shí)間延遲是指光電藕合器在傳輸脈沖信號時(shí)，輸出信號與輸入信號的延遲時(shí)間。例子：采用DAC8031和4N25組成基礎(chǔ)電路。P1.O低電平點(diǎn)亮發(fā)光二極管,電流為1OmA，4N25的電流傳輸比>20%，所以光敏晶體管中的電流I>2mA，大功率晶體管把這個(gè)電流放大就可以帶動步進(jìn)電動機(jī)等負(fù)載。晶閘管晶閘管又稱可控硅，是目前應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體功率開關(guān)元件，其控制電流可從數(shù)安到數(shù)千安。晶閘管的主要類型有單向晶閘管SCR雙向晶閘管Trim可關(guān)斷晶閘管GTO光控晶閘管溫控晶閘管功率晶體管(GTR)功率晶體管是指在大功率范圍應(yīng)用的晶體管，有時(shí)也稱為電力晶體管。在中小功率領(lǐng)域可取代功率晶閘管；與晶閘管相比,GTR不僅可以工作在開關(guān)狀態(tài)，也可以工作在模擬狀態(tài);GTR的開關(guān)速度遠(yuǎn)大于晶閘管，并且控制比晶閘管容易；價(jià)格高于晶閘管。功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)TTL集成電路就可驅(qū)動大功率的場效應(yīng)晶體管。TTL集成電路的高電平輸出為3.5-5V，直接驅(qū)動功率場效應(yīng)管偏低一些，所以在驅(qū)動電路中常采用集電極開路的丁^集成電路。絕緣柵雙極晶體管(IGBT)絕緣柵雙極晶體管是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的新型復(fù)合器件，它將MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)集于一身，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動電路簡單的特點(diǎn)，又具有通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn)。固態(tài)繼電器(SSR)固態(tài)繼電器是一種無觸點(diǎn)功率型通斷電子開關(guān)，又名固態(tài)開關(guān)。固態(tài)繼電器與電磁繼電器相比，具有工作可靠、使用壽命長、能與邏輯電路兼容、抗干擾能力強(qiáng)、開關(guān)速度快和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。三、開關(guān)型功率接口6、繼電器輸出接口由于繼電器是通過改變金屬觸點(diǎn)的位置，使動觸點(diǎn)與定觸點(diǎn)閉合或分開，所以具有接觸電阻小、流過電流大及耐高壓等優(yōu)點(diǎn)，但在動作可靠性上不及晶閘管。繼電器有電壓線圈與電流線圈兩種工作類型，它們在本質(zhì)上是相同的，都是在電能的作用下產(chǎn)生一定的磁勢。電壓繼電器的電氣參數(shù)包括線圈的電阻、電感或匝數(shù)、吸合電壓、釋方攵電壓和最大允許工作電壓。電流繼電器的電氣參數(shù)包括線圈匝數(shù)、吸合電流和最大允許工作電流。三、開關(guān)型功率接口繼電器/接觸器的供電系統(tǒng)分為直流電磁系統(tǒng)和交流電磁系統(tǒng)，工作電壓也較高，因此從控制計(jì)算機(jī)輸出的開關(guān)信號需經(jīng)過驅(qū)動電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使輸出的電能能夠適應(yīng)其線圈的要求。繼電器/接觸器動作時(shí)，對電源有一定的干擾，為了提高控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性，在驅(qū)動電路與控制計(jì)算機(jī)之間常采用光電耦合器隔離。三、開關(guān)型功率接口7、固態(tài)繼電器接口在繼電器控制中，由于采用電磁吸合方式，在開關(guān)瞬間，觸點(diǎn)容易產(chǎn)生火花，從而引起干擾；對于交流高壓等場合，觸點(diǎn)還容易氧化，影響系統(tǒng)的可靠性。固態(tài)繼電器輸入控制電流小，輸出無觸點(diǎn)，所以與電磁式繼電器相比，具有體積小、重量輕、無機(jī)械噪聲、無抖動和回跳、開關(guān)速度快、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。三、開關(guān)型功率接口（1直流型SSR直流型SSR的輸入部分是一個(gè)光電隔離器，因此，可用晶體管直接驅(qū)動。它的輸出端經(jīng)整形放大后帶動大功率晶體管輸出，輸出工作電壓可達(dá)30~180V。三、開關(guān)型功率接口（2）交流型SSR交流型SSR又可分為過零型和移相型兩類，采用雙向晶閘管作為開關(guān)器件，用于交流大功率驅(qū)動場合，如交流電動機(jī)、交流電磁閥控制等。對于非過零型SSR，在輸入信號時(shí)，不管負(fù)載電流相位如何，負(fù)載端立即導(dǎo)通；而過零型必須在負(fù)載電源電壓接近零且輸入控制信號有效時(shí)，輸入端負(fù)載電源才導(dǎo)通。當(dāng)輸入的控制信號撤銷后，不論哪一種類型，它們都只在流過雙向晶閘管負(fù)載電流為零時(shí)才關(guān)斷。三、開關(guān)型功率接口固態(tài)繼電器缺點(diǎn)1）存在通態(tài)壓降和斷態(tài)漏電流，其通態(tài)壓降一般小于2V，斷態(tài)漏電流為5—10mA，其中漏電流會使小電流執(zhí)行器件（如幾毫安就能動作的靈敏繼電器）產(chǎn)生誤動作，在使用時(shí)可在負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)適當(dāng)阻值的分流電阻抑制漏電流的影響。固態(tài)繼電器缺點(diǎn)2）電壓過載能力差，當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，在SSR的輸出端必須接壓敏電阻，壓敏電阻標(biāo)稱電壓可取電源電壓有效值的1.6-1.9倍。3）固態(tài)繼電器的電流容量、負(fù)載能力隨溫度升高而下降，使用的溫度范圍不寬（-40-+80），所以當(dāng)溫度較高時(shí).選用SSR的輸出電壓和電流應(yīng)留有余量，同時(shí)應(yīng)裝散熱器。固態(tài)繼電器缺點(diǎn)4）對于白熾燈、電爐等具有冷阻，特性的負(fù)載.在電源接通瞬間將產(chǎn)生超過額定電流的浪涌電流。在選擇額定電流時(shí)，應(yīng)留有足夠的余量，一般可按負(fù)載平時(shí)工作電流約等于固態(tài)繼電器額定電流的三分之二來選擇固態(tài)繼電器。浪涌電流電壓與電流都會發(fā)生快速波動浪涌電流指電源接通瞬間，流入電源設(shè)備的峰值電流。由于輸入濾波電容迅速充電，該峰值電流遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)輸入電流。產(chǎn)生原因：電網(wǎng)、雷擊、爆破，人在地毯上行走所產(chǎn)生的上萬伏靜電感應(yīng)電壓浪涌電流1二極管型防護(hù)器件二極管型防護(hù)器件是利用硅PN結(jié)正向壓降（VF）和反向雪崩擊穿電壓（Vz）特性制成的，如瞬變電壓抑制二極管（TVS）2晶閘管型防護(hù)器件晶閘管型防護(hù)器件有兩種：第一種是控制柵極型雙向三端器件，優(yōu)點(diǎn)是耐電流量大，缺點(diǎn)是點(diǎn)火電壓易變化。浪涌電流3氣體放電管，優(yōu)點(diǎn)是耐電流量大和靜電容量小，缺點(diǎn)是點(diǎn)火電壓高，在直流電壓下不能恢復(fù)到截止?fàn)顟B(tài)，不能用于防低電壓電路，經(jīng)多次電壓瞬變和浪涌后其性能會下降4金屬氧化物壓敏電阻，以氧化鋅為主要原料制造的半導(dǎo)體陶瓷元件，利用ZnO電壓的非線性來吸收瞬變電壓和浪涌。這種壓敏電壓器件的電壓范圍很寬，可從幾伏到幾千伏，吸收浪涌電流可從幾十到幾千安培，反應(yīng)速度快，非線性指數(shù)大、無極性、無續(xù)流、壽命長、成本低，缺點(diǎn)是箝位系數(shù)小，呈負(fù)溫度系數(shù)，經(jīng)多次電壓瞬變和浪涌后其性能會下降，使用溫度范圍低，不能采用氣密性封裝，其可靠性也不高等。開關(guān)輸入接口參數(shù)對象：二值型控制命令和參數(shù)控制微機(jī)通過I/O口或擴(kuò)展I/O口對開關(guān)點(diǎn)電位進(jìn)行檢測，從而判斷開關(guān)的狀態(tài)。對于機(jī)械開關(guān)，機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用使開關(guān)在閉合及斷開瞬間產(chǎn)生抖動，造成開關(guān)點(diǎn)點(diǎn)電位產(chǎn)生一系列脈沖，電壓抖動時(shí)間的長短，與機(jī)械特性有關(guān)，—般為5—10msO對于按鈕，穩(wěn)定閉合期由操作員的按鍵動作決定，一般在幾百微秒至幾秒之間。接口設(shè)計(jì)需要采取軟件或硬件措施進(jìn)行消抖處理。軟件消抖是在檢測到開關(guān)狀態(tài)后，延時(shí)一段時(shí)間再進(jìn)行檢測，若兩次檢測到的開關(guān)狀態(tài)相同則認(rèn)為有效。延時(shí)時(shí)間應(yīng)大于抖動時(shí)間。硬件消抖常采用下圖電路，其中左為雙穩(wěn)態(tài)濾波消抖，右為單穩(wěn)態(tài)多諧震蕩消抖，74xx121是帶有施密特觸發(fā)器輸入端的單穩(wěn)態(tài)多諧震蕩器。撥盤輸入接口(2)BCI碼撥盤的接口靜態(tài)接口動態(tài)接口鍵盤輸入接口.矩陣式鍵盤工作原理矩陣式鍵盤由一組行線(Xi)與一組列線(Yi)交叉構(gòu)成，按鍵位于交叉點(diǎn)上，為對各個(gè)鍵進(jìn)行區(qū)別，可以按一定規(guī)律分別為各個(gè)鍵命名鍵號，如右圖所示。將列線通過上拉電阻接至+5V電源，當(dāng)無鍵按下時(shí)，行線與列線斷開，列線呈高電平。當(dāng)鍵盤上某鍵按下時(shí)，則該鍵對應(yīng)的行線與列線被短路。例如，7號鍵被按下閉合時(shí)，行線X3與列線%被短路，此時(shí)Y】的電平由X3電位決定。如果將列線接至控制微機(jī)的輸入口，行線接至控制微機(jī)的輸出口，則在微機(jī)控制下依次從x0_X3輸出低電平，并使其它線保持高電平，則通過對Y°—Y3的讀取即可判斷有無鍵閉合、哪一個(gè)鍵閉合。鍵盤接口電路下圖示出了8031通過P1□與一個(gè)4x4鍵盤的接口電路，其中P1.CTP1.3作行掃描輸出線，P1.廠P1.7作列檢測輸入線。鍵輸入程序鍵輸入程序具有下面四項(xiàng)功能：判斷鍵盤上有無鍵閉合其方法為在掃描線P1.0~P1.3上全部送“0”然后讀取P1.4-P1.7狀態(tài)，若全部為“1,”則無鍵閉合，若不全為“1”則有鍵閉合；判別閉合鍵的鍵號其方法為對鍵盤行線進(jìn)行掃描，依次從P1.QP1.1、Pl.2P1.3送出低電平，并從其它行線送出高電平，相應(yīng)地順序讀入P1.廠P1.7的狀態(tài)，若P1.廠P1.7全為“1，”則行線輸出為“(的這一列上沒有鍵閉合；若P1.廠P1.7不全為“1”則說明有鍵閉合。行列交叉點(diǎn)即為該鍵鍵號，例如P1.CTP1.3輸出為1101，讀回P1.廠P1.7為1011，則U說明位于第3行與第2列相交處的鍵處于閉合狀態(tài)，鍵號為6;去除鍵的機(jī)械抖動其方法是讀得鍵號后延時(shí)10ms，再次讀鍵盤，若此鍵仍閉合則認(rèn)為有效，否則認(rèn)為前述鍵的閉合是由于機(jī)械抖動或干擾所引起的；使控制微機(jī)對鍵的一次閉合僅作一次處理采用的方法是等待閉合鍵釋放后再做處理。常用的數(shù)碼顯示器有發(fā)光管LED和液晶LCD兩種，顯示方式可以是靜態(tài)顯示或動態(tài)顯示。LED顯示器工作在靜態(tài)顯示方式時(shí)，其陰極或陽極)點(diǎn)連接在一起接地或+5V)，每—個(gè)的段選線(a，b，c，d，e，fg，dp)也分別與一個(gè)8位口相連。LCD數(shù)碼顯示本質(zhì)屬于動態(tài)顯示。工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)的規(guī)模層次不同的控制規(guī)模，需要不同種類的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制的基本算法DDC的基本算法是指計(jì)算機(jī)對生產(chǎn)過程進(jìn)行PID控制時(shí)的幾種控制方程。數(shù)字化PID的突出優(yōu)勢表現(xiàn)在：可用一臺微型計(jì)算機(jī)控制幾十個(gè)回路，大量節(jié)省設(shè)備和費(fèi)用，提高了系統(tǒng)的可靠性；編程靈活，可以很方便地對PID規(guī)律進(jìn)行各種改進(jìn)，衍生多種形式的PID算法。PID參數(shù)的調(diào)整也只要改變程序的數(shù)據(jù)，十分方便。PID基本算法有兩路：理想PID和實(shí)際PID,這兩種PID算法的比例積分運(yùn)算相同，區(qū)別主要是微分項(xiàng)不同。(1)理想PID算法位置式：用于對連續(xù)量的控制增量式：輸出為增量(改變量)，如調(diào)節(jié)閥開度的增量、步進(jìn)電機(jī)的增量、多圈電位器的增量。用于控制系統(tǒng)元件接受的是前一次控制值輸出的增量場4□o速度式：輸出是電機(jī)等的轉(zhuǎn)動速度。實(shí)際場合，增量式應(yīng)用較多位置式PID算法對連續(xù)量的控制中，模擬PID調(diào)節(jié)器的理想算PID法為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，須用差分方程代替微分方程由此可得離散的PID表示式——第k次采樣時(shí)刻調(diào)節(jié)器的輸出數(shù)字量若用上式來控制閥門的開度，其輸出值恰與閥門開度的位置的對應(yīng)。增量式PID算法DDC經(jīng)P