現(xiàn)代機(jī)械工程自動(dòng)控制

現(xiàn)代機(jī)械工程自動(dòng)控制第1頁/共57頁什么是控制器？控制器是指能夠接受控制指令及反饋信息，對(duì)它們進(jìn)行比較，并根據(jù)某種控制算法，產(chǎn)生一定的控制信號(hào)，使控制對(duì)象達(dá)到控制目標(biāo)的裝置。

控制器如何分類？按發(fā)展階段分：機(jī)械式、由電子元器件組成的、通用型按控制算法分：經(jīng)典、現(xiàn)代、智能按處理信號(hào)分：模擬、數(shù)字按開放性分：封閉式、開放式第2頁/共57頁單片微控制器

單片微控制器即單片機(jī)，可以認(rèn)為是將微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所用的大多數(shù)IC芯片，包括CPU、存儲(chǔ)器、中斷控制器、I/O端口等，集成到一個(gè)芯片中，成為一臺(tái)簡單的計(jì)算機(jī)，可以通過編寫程序讓它處理一些簡單的過程。是一種在線式實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)。體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件，得到了廣泛的應(yīng)用。許多廠家都有自己獨(dú)特的單片機(jī)產(chǎn)品。

第3頁/共57頁DSP——數(shù)字信號(hào)處理器

DSP是一種高速專用微處理器，主要可用于實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法DSP內(nèi)部設(shè)置乘法器，且乘法器和運(yùn)算邏輯部件ALU并行操作，再加上流水線控制技術(shù)，運(yùn)算速度極快。DSP系統(tǒng)選用的算法是各種經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)的通用算法的組合和改進(jìn)，專門處理以運(yùn)算為主、不允許延遲的實(shí)時(shí)信號(hào)。與單片機(jī)相比，單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)“控制”，而DSP重視數(shù)字信號(hào)處理，其它通用功能相對(duì)較弱些。同時(shí)結(jié)合使用DSP和單片機(jī)，可使控制器具有快速傳輸大量的數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)字信號(hào)及時(shí)處理的能力。第4頁/共57頁DSP產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，已經(jīng)滲透到工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個(gè)方面。第5頁/共57頁智能控制芯片以模糊控制、人工智能控制、專家控制等智能控制理論為基礎(chǔ)，通過電子元器件的排列組合，可以通過簡單的硬件電路實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的智能控制算法，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的簡化。清華大學(xué)微電子所：PFLC——可編程模糊邏輯控制器中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所和微電子中心：通用模糊控制器F100神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制芯片

第6頁/共57頁計(jì)算機(jī)具有很強(qiáng)的運(yùn)算與處理信息的能力，可以實(shí)現(xiàn)更為先進(jìn)和復(fù)雜的控制策略，如自適應(yīng)控制、智能控制、非線性控制等。而且將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、總線技術(shù)與現(xiàn)代管理結(jié)合起來，從而使工業(yè)自動(dòng)化從過去的就地控制和集中控制等方式向未來的綜合自動(dòng)化方向發(fā)展。由硬件和軟件兩部分組成。硬件包括：主機(jī)板、系統(tǒng)總線、I/O接口、人機(jī)聯(lián)系設(shè)備、過程輸入輸出通道等。軟件包括：系統(tǒng)軟件、支持軟件和應(yīng)用軟件。通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)第7頁/共57頁總線式工控機(jī)由電源、機(jī)架、總線母板、中央處理器（CPU）、人機(jī)接口及功能豐富的外部I/O模板組成。為保證系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，具有全鋼結(jié)構(gòu)帶濾網(wǎng)和加固壓條的機(jī)箱結(jié)構(gòu)、基于總線的無源大母板結(jié)構(gòu)、雙冷風(fēng)扇配置、高可靠性電源裝置等特殊機(jī)構(gòu)。第8頁/共57頁CPU主板是總線式控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心部件，是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心。它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)工作的協(xié)調(diào)，包括數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳輸、邏輯判斷、輸入/輸出控制以及與上位機(jī)或網(wǎng)絡(luò)的通信等工作。某雙CPU結(jié)構(gòu)的全長CPU卡第9頁/共57頁無源母板通常也叫主板，是一塊印有系統(tǒng)總線的印刷電路板，板上通常提供許多總線插槽（如PC總線、STD總線、VME總線等），以實(shí)現(xiàn)各功能模板與系統(tǒng)總線的電氣連接。

某無源母板PICMG插槽與全長CPU卡第10頁/共57頁除了通用的總線式工控機(jī)外，盒式工控機(jī)、盤式工控機(jī)、工業(yè)級(jí)工作站等適合不同工作環(huán)境的工控機(jī)也都被廣泛使用。某盒式工控機(jī)第11頁/共57頁盤式工控機(jī)，也叫做工業(yè)平板電腦

第12頁/共57頁工業(yè)控制軟件可分為系統(tǒng)軟件、支持軟件、應(yīng)用軟件三個(gè)部分。系統(tǒng)軟件包括實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)、引導(dǎo)程序、調(diào)度執(zhí)行程序，目前的主流系統(tǒng)軟件為Windows系列平臺(tái)。支持軟件包括匯編語言、高級(jí)語言、編譯程序、編輯程序、調(diào)試程序、診斷程序及第三方軟件接口等。如高級(jí)編程語言MicrosoftVisualBasic、VC++、Delphi，第三方接口DELTATAU公司的PTALK等。應(yīng)用軟件是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員針對(duì)某個(gè)生產(chǎn)過程而編制的控制和管理程序。包括過程輸入程序、過程控制程序、過程輸出程序、人-機(jī)接口程序、打印顯示程序和公共子程序等。

第13頁/共57頁是由自動(dòng)化研究機(jī)構(gòu)（ARCGroup）提出，用于描述結(jié)合了PC和PLC功能的新一代工業(yè)控制器。在一種開放靈活的軟件構(gòu)架下，PAC將PC的靈活性及軟件能力和PLC的可靠性及穩(wěn)定性相結(jié)合。使用這些控制器開發(fā)高級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)，不僅包括高級(jí)控制、通信、數(shù)據(jù)記錄和信號(hào)處理等軟件特性，還包括一個(gè)穩(wěn)定的控制器以提供邏輯、運(yùn)動(dòng)、過程控制和視覺等高級(jí)功能。PAC——可編程自動(dòng)化控制器第14頁/共57頁研華公司的開放型、緊湊型、堅(jiān)固型和靈活型PAC。相對(duì)于傳統(tǒng)的IPC，它們不僅具備強(qiáng)大的運(yùn)算功能和開放、靈活的軟、硬件接口，而且實(shí)現(xiàn)了更高的實(shí)時(shí)性，具備了更加堅(jiān)固、安全的結(jié)構(gòu)和開放的模塊化體系，更加易于使用。

第15頁/共57頁多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制中，需要進(jìn)行大量、快速的各種運(yùn)算，常采用PC+DSP運(yùn)動(dòng)控制器的開放式控制模式DELTA

TAU公司遵循開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的開放式可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器PMAC(ProgrammableMulti-AxisController，可編程多軸控制器)

涉及機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、坐標(biāo)測量機(jī)、激光加工、雕刻機(jī)、旋轉(zhuǎn)刀、X-Y系統(tǒng)、以及高速印刷、包裝、貼標(biāo)機(jī)等各類自動(dòng)化設(shè)備

運(yùn)動(dòng)控制器第16頁/共57頁P(yáng)MAC采用Motorola的DSP56001/56002數(shù)字信號(hào)處理器,每個(gè)卡可同時(shí)控制多達(dá)32個(gè)伺服軸，鏈接可達(dá)16塊板(128軸)。

除支持ISA、PCI、VME、PC/104等標(biāo)準(zhǔn)總線形式及串口兩種用上位機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制的方式外，還可以以脫機(jī)方式單獨(dú)運(yùn)行存儲(chǔ)于其內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)程序、PLC程序及進(jìn)行伺服環(huán)更新等。四種總線結(jié)構(gòu)的PMAC，其硬件結(jié)構(gòu)包括PMAC-PC，PMAC-Lite，PMAC-VME，PMAC-STD，他們都有相同的在板固件，因此，在它們?nèi)魏我豢钪芯帉懙某绦蚓梢栽谄渌钍街羞\(yùn)行。第17頁/共57頁P(yáng)MAC特點(diǎn)：128×24零等待SRAM、512×8的用戶編程閃存；4軸到8軸高精度同步運(yùn)動(dòng)控制；模擬量＋/－10V輸出，支持?jǐn)?shù)字量PWM信號(hào)和步進(jìn)放大器輸出；可選擇PC/104總線、RS-232、以態(tài)網(wǎng)進(jìn)行通訊；兩個(gè)擴(kuò)展的全編碼器通路（在板總計(jì)4個(gè)），可實(shí)現(xiàn)雙反饋、步進(jìn)或者混合放大器控制；可自動(dòng)對(duì)任務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行判別；第18頁/共57頁P(yáng)MAC特點(diǎn)(續(xù)上頁)：接受增量編碼器、絕對(duì)編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等類型的反饋；支持交流伺服、直流、交流異步、步進(jìn)等電機(jī)類型；可編譯和執(zhí)行

PMAC、G代碼、AutoCAD轉(zhuǎn)換等編程語言。此外，還包含多種差補(bǔ)算法、PLC模式、電子齒輪、電子凸輪、看門狗等功能，能夠滿足工業(yè)控制的各種需要。第19頁/共57頁P(yáng)MAC兩個(gè)重要的接口包括JMACH口和JTHW口JMACH部分引腳介紹用以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)反饋信號(hào)的監(jiān)測和控制信號(hào)的輸出

引腳符號(hào)功能描述引腳符號(hào)功能描述+5V輸出編碼器電源DAC1/輸出模擬輸出1負(fù)端GND公共端數(shù)字公共端AENA1輸出放大器1使能CHC1輸入編碼器C通道正端FAULT1輸入放大器1錯(cuò)誤CHC1/輸入編碼器C通道負(fù)端+LIM1輸入1通道負(fù)向末端極限CHB1輸入編碼器B通道正端-LIM1輸入1通道正向末端極限CHB1/輸入編碼器B通道負(fù)端HMFL1輸入1通道回零標(biāo)志CHA1輸入編碼器A通道正端AGND輸入模擬公共端CHA1/輸入編碼器A通道負(fù)端A+15V/OPT+V輸入模擬+15V電源DAC1輸出模擬輸出1正端A-15V輸入模擬-15V電源第20頁/共57頁JTHW口為多路撥碼開關(guān)I/O口，含8根輸入和8根輸出線。JOPTO口提供8個(gè)通用的數(shù)字輸入和輸出。JSI/O口用來連接ACC28模/數(shù)轉(zhuǎn)換卡，并將其映射到相應(yīng)的地址。Pwin32Pro是PMAC控制程序的編譯環(huán)境，同時(shí)具備豐富的監(jiān)測、控制等其它功能。它用來配置、控制和檢測全部的DeltaTau生產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)控制器，提供了終端通訊窗體，能夠在工作區(qū)里調(diào)用；區(qū)分運(yùn)動(dòng)程序和PLC程序語法的文本編輯器，并附加了一套配置PMAC及其附件的工具。第21頁/共57頁P(yáng)win32Pro支持WindowsXP、2000、98操作系統(tǒng)。內(nèi)置PMACPlotPro(描繪運(yùn)動(dòng)軌跡\內(nèi)存寄存器的狀態(tài)變化)、PMACTuningPro(優(yōu)化伺服的PID參數(shù))等。支持所有PMAC通訊方法，自動(dòng)配置即插即用設(shè)備；增強(qiáng)型文本編輯器，內(nèi)置debugger調(diào)試PLC程序；使用tuning工具可自動(dòng)設(shè)定和調(diào)整PID、陷波和擴(kuò)展伺服算法；項(xiàng)目分組管理，可更好的調(diào)用運(yùn)動(dòng)程序和PLC程序；增強(qiáng)的繪圖能力，可以動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的監(jiān)視參數(shù)和寄存器、運(yùn)動(dòng)軌跡等；可實(shí)時(shí)監(jiān)視位置、電機(jī)狀態(tài)，參數(shù)等；通過資源管理器通過助記的形式改變PMAC參數(shù)。第22頁/共57頁常用控制器美國BALDOR公司、美國GALIL公司、美國D/A公司、德國MOVTEC公司及國內(nèi)的東方嘉志公司、森泰公司及部分院校都積極投入到PC-Based運(yùn)動(dòng)控制卡的研究當(dāng)中，推出了多種基于標(biāo)準(zhǔn)PC及IPC總線環(huán)境多軸伺服運(yùn)動(dòng)控制卡。

研華PCI-1240U研華PCI-1241

第23頁/共57頁常用控制器PCI-1240U是一款4軸通用PCI步進(jìn)/脈沖型伺服電機(jī)控制卡，專門應(yīng)用于一般的精確運(yùn)動(dòng)。該卡使用了智能NOVAMCX314運(yùn)動(dòng)ASIC芯片；提供了各種運(yùn)動(dòng)控制功能，如2/3軸線性插補(bǔ)、2軸圓弧插補(bǔ)、連續(xù)插補(bǔ)、T/S曲線加速/減速、手輪和慢進(jìn)，A/B相位或加/減、固定速度控制2種編碼器脈沖輸入類型，位置管理和軟件行程開關(guān)功能，BoardID開關(guān)等。提供了WindowsDLL驅(qū)動(dòng)程序和豐富直觀的例子。提供了運(yùn)動(dòng)工具程序，方便進(jìn)行配置和診斷。

第24頁/共57頁常用控制器PCI-1241采用ASIC芯片，通過使用DDA（數(shù)字微分分析器）實(shí)現(xiàn)4軸伺服位置和同步控制。閉環(huán)控制通過P控制實(shí)現(xiàn)，并使用-10到+10的信號(hào)輸出到速度型伺服驅(qū)動(dòng)器；還可以通過編碼器輸入端口回讀電機(jī)編碼器值，以允許進(jìn)行步進(jìn)控制。為每個(gè)軸的控制提供一套完整的傳感器輸入點(diǎn)，包括原位點(diǎn)、正/負(fù)限位點(diǎn)。含有禁止信號(hào)輸出點(diǎn)，位置就緒輸出點(diǎn)和緊急輸入點(diǎn)?？蓴U(kuò)展到128點(diǎn)輸入和128點(diǎn)輸出，帶有6路A/D轉(zhuǎn)換。256個(gè)遠(yuǎn)程串行輸入/輸出接口。

第25頁/共57頁傳感器及信號(hào)采集卡傳感器——用來感知外界環(huán)境變化的電子器件。傳感器具備人的五官所沒有的更加復(fù)雜、靈敏、精確的感知功能。傳感器的工作是，將環(huán)境參數(shù)，如溫度、高度、距離等物理量轉(zhuǎn)換為電子元器件能夠接受的電壓或電流信號(hào)。采集卡——采集各種電信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號(hào)供計(jì)算機(jī)等數(shù)字控制器處理。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，當(dāng)外部信號(hào)較多時(shí)，需使用采集卡接受各種電信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量傳送給控制器。第26頁/共57頁傳感器及信號(hào)采集卡接近開關(guān)右圖為一種電感式基座型接近傳感器由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成。檢測用敏感元件為檢測線圈，它是振蕩電路的一個(gè)組成部分，在檢測線圈的工作面上存在一個(gè)交變磁場，當(dāng)金屬物體接近檢測線圈時(shí)，金屬物體就會(huì)產(chǎn)生渦流而吸收振蕩能量，使振蕩減弱以至停振。振蕩與停振這兩種狀態(tài)經(jīng)檢測電路轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號(hào)輸出。它通常用作計(jì)數(shù)、設(shè)定運(yùn)動(dòng)物體的有效運(yùn)動(dòng)范圍、零點(diǎn)等只存在“1”、“0”兩種狀態(tài)的情況。例如第27頁/共57頁測距儀超聲波測距儀的原理：超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波，通過被測物體的反射，接受器接收回波，從發(fā)射到接收的時(shí)差來測量被測距離。是一種非接觸式測量。除超聲波外，激光、紅外線等也都被用于非接觸性的對(duì)距離進(jìn)行檢測。激光的聚合性及傳播距離最好，常用于精確的、長距離的檢測。超聲波探頭激光測距儀

第28頁/共57頁圖像傳感器

圖像傳感器是利用光電器件的光-電轉(zhuǎn)換功能，將其感光面上的光像轉(zhuǎn)換成為與光像成相應(yīng)比例關(guān)系的電信號(hào)“圖像”的一種功能器件。敏感器件有CCD、BBD、CID、CMOS等。CMOS圖像傳感器非常省電，只有普通CCD的1/3左右。但容易出現(xiàn)雜點(diǎn)，且在處理快速變化的影像時(shí)容易過熱等。CCD信號(hào)電荷耦合器件以電荷為信號(hào)，其主要工作過程為信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和輸出。它的析像度高、處理速度快，并且結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，被廣泛使用。

第29頁/共57頁傳感器及信號(hào)采集卡右圖為一款彩色/黑白CCD 攝像傳感器，采用33萬像 素的高精度CCD彩色圖像 傳感器芯片。外界景物通過鏡頭照射到CCD彩色圖像傳感器上，CCD彩色圖像傳感器在掃描電路的控制下，可將變化的外界景物以25幅/秒的速度轉(zhuǎn)換為串行模擬脈沖信號(hào)輸出。該串行模擬脈沖信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由于信號(hào)量很大，所以還要進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)壓縮?？蓪?duì)壓縮后的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，用于實(shí)時(shí)控制的環(huán)境反饋信息。

第30頁/共57頁傳感器及信號(hào)采集卡位移傳感器位移傳感器通常可分為線位移傳感器和角位移傳感器，且包含電阻式、電容式、電感式、光柵式、編碼式、霍爾效應(yīng)式、激光式等多種傳感類型。常用的位移傳感器有：用于測量角位移的旋轉(zhuǎn)編碼器，和測量線位移的光柵尺。各種旋轉(zhuǎn)編碼器第31頁/共57頁傳感器及信號(hào)采集卡編碼盤式角位移傳感器分絕對(duì)式和脈沖式兩種。前者在計(jì)數(shù)器中對(duì)某個(gè)基數(shù)進(jìn)行加或減，從而記錄旋轉(zhuǎn)的角位移量。后者不需要基數(shù)，它能在任意位置給出一個(gè)該位置相應(yīng)的固定數(shù)字碼。脈沖式編碼器又稱增量式編碼器，由檢測頭、脈沖編碼盤以及發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電路和光敏三極管的光電檢測電路組成。右圖所示增量式編碼器的 檢測頭為遮斷型(透射型)， 其脈沖編碼盤置于發(fā)光 元件與受光元件之間。第32頁/共57頁傳感器及信號(hào)采集卡遮斷型增量式編碼器，其脈沖碼盤安裝在編碼器的轉(zhuǎn)軸上，并置于發(fā)光元件和受光元件之間。轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，受光元件檢測出刻有齒槽的編碼盤的角位移，得到兩組相位相差90°的脈沖信號(hào)。可利用一組脈沖檢測速度，正、負(fù)兩路計(jì)數(shù)脈沖辨向。可以通過外路倍頻，得到二倍頻或四倍頻信號(hào)。這種非接觸式編碼器，壽命長、功耗低、耐振動(dòng)，被廣泛應(yīng)用于角度、距離、位置、轉(zhuǎn)速等的檢測與控制。第33頁/共57頁傳感器及信號(hào)采集卡主光柵上均勻刻有許多線紋，形成明暗交錯(cuò)的線條。與指示光柵平行安裝，并使它們的刻線互相傾斜一個(gè)很小的角度，在指示光柵上出現(xiàn)一些明暗條紋。當(dāng)主光柵沿刻線垂直方向移動(dòng)時(shí)，這些條紋就沿兩塊光柵刻線夾角的平分線方向移動(dòng)。若用計(jì)數(shù)器記錄下指示光柵上移動(dòng)過的條紋數(shù)，即可知主光柵移動(dòng)的距離。除以上介紹的幾種常用傳感器外，還有多種如溫度、濕度、力、氣敏、磁敏等傳感器，以及生物傳感器和智能化的智能傳感器等。第34頁/共57頁傳感器及信號(hào)采集卡多傳感器信息融合（MIF）多傳感器信息融合就是把分布在不同位置、處于不同狀態(tài)的多個(gè)同類或不同類型傳感器所提供的局部不完整觀察量加以綜合，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，利用信息互補(bǔ)，降低不確定性，以形成對(duì)系統(tǒng)環(huán)境相對(duì)完整一致的感知描述，從而提高智能系統(tǒng)決策、規(guī)劃的科學(xué)性，反應(yīng)的快速性和正確性，降低決策風(fēng)險(xiǎn)的信息處理方法。它與經(jīng)典信號(hào)處理方法之間存在本質(zhì)的區(qū)別，其關(guān)鍵在于信息融合所處理的多傳感器信息具有更為復(fù)雜的形式，而且可以在不同的信息層次，包括數(shù)據(jù)層、特征層和決策層上出現(xiàn)。第35頁/共57頁傳感器及信號(hào)采集卡通過對(duì)多傳感器信息融合得到的被測對(duì)象的描述，比通過對(duì)各個(gè)傳感器信息無規(guī)則或只有簡單規(guī)則疊加得到的描述性能更加優(yōu)越，更貼近實(shí)際環(huán)境情況。近年來，信息融合技術(shù)已經(jīng)快速從相關(guān)技術(shù)的簡單結(jié)合發(fā)展成為一門正在形成的具有標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語、穩(wěn)健的數(shù)學(xué)方法和具有系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)則的工程學(xué)科。在圖像融合、多模態(tài)生物特征識(shí)別、自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別等軍事、工業(yè)、生活領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。第36頁/共57頁傳感器及信號(hào)采集卡信號(hào)采集卡目前，信號(hào)采集卡已發(fā)展得非常完善，除了大量的信號(hào)輸入接口，還集成了模擬和數(shù)字輸出接口，也可稱為擴(kuò)展I/O。它使控制器與生產(chǎn)過程相連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和輸出控制信息，它的性能優(yōu)劣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)具有舉足輕重的影響。對(duì)于常用的開放型數(shù)字控制器工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，其擴(kuò)展I/O的發(fā)展大致經(jīng)歷了母板I/O、總線插板I/O、插板式智能I/O、遠(yuǎn)程I/O、遠(yuǎn)程智能I/O等過程。第37頁/共57頁傳感器及信號(hào)采集卡下圖是一種功能強(qiáng)大的高分辨率多功能PCI總線插板式數(shù)據(jù)采集卡，包含了模擬量、數(shù)字量、通信轉(zhuǎn)換模塊（RS485/232）、信號(hào)調(diào)理模塊、遠(yuǎn)程I/O模塊、智能通用I/O單元。它的采樣速率可達(dá)200KS/s、16位分辨率，提供16路單端或8路差分的模擬量輸入，1路16位D/A模擬量輸出通道，16路數(shù)字量輸出通道，及1個(gè)10MHz的16位多功能計(jì)數(shù)器通道。內(nèi)建校準(zhǔn)電路可對(duì)模擬量輸入和輸出通道中的增益和偏移誤差進(jìn)行自動(dòng)修正。第38頁/共57頁傳感器及信號(hào)采集卡下圖是用于工業(yè)應(yīng)用的低成本通用螺絲端子板。它們各含有40個(gè)端子，采用點(diǎn)到點(diǎn)設(shè)計(jì)，可通過20針扁平電纜與采集卡或控制器連接。PCLD-880更適應(yīng)與在惡劣工業(yè)環(huán)境中的可靠連接，并額外提供一個(gè)DB-37接口，支持帶有DB-37接口的PC-LabCard數(shù)據(jù)采集控制卡。第39頁/共57頁傳感器及信號(hào)采集卡下圖中數(shù)據(jù)采集卡PCI-1710與接線端子板PCLD-8710采用68針SCSI-Ⅱ型接口通過帶有用于降低噪聲特殊屏蔽的電纜相連，可以通過將傳感器的信號(hào)線與PCLD-8710的接線端子相連，及PCI-1710插入工控機(jī)或PAC等含有通用PCI總線的控制器中，將傳感器信號(hào)通過濾波、A/D轉(zhuǎn)換等，自動(dòng)、智能地供給控制器判斷、決策使用。

第40頁/共57頁工程實(shí)例中的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作臺(tái)位置自動(dòng)控制系統(tǒng)第41頁/共57頁工程實(shí)例中的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作臺(tái)位置自動(dòng)控制系統(tǒng)此工作臺(tái)位置自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象是工作臺(tái)，控制量是工作臺(tái)的位置。本系統(tǒng)使用直線電位器及比較放大器加以一定的控制規(guī)則形成模擬控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)輸入控制量和檢測控制量環(huán)節(jié)分別為，指令電位器、檢測電位器。操作者通過指令電位器指定工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)目的位置，即將指定的位置轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電壓信號(hào)輸出。檢測電位器則用來檢測工作臺(tái)的實(shí)際位置，即將工作臺(tái)的實(shí)際位置轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)?？刂破鲗z測電壓與指令電壓比較，以一定的規(guī)則使控制對(duì)象快速、準(zhǔn)確地到達(dá)指定目標(biāo)。第42頁/共57頁工程實(shí)例中的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如果用xi表示給定的位置，用ua表示對(duì)應(yīng)的輸出電壓。這種轉(zhuǎn)換關(guān)系可表示為：當(dāng)選用具有良好線性度的電位器作為位置指令電位器時(shí)，上式中的Kp為常數(shù)。如果工作臺(tái)的位置范圍是x，電位器的電源電壓為u，則Kp=u/x，然后就可以根據(jù)上式計(jì)算對(duì)應(yīng)xi和ua了。第43頁/共57頁工程實(shí)例中的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)檢測電位器測量長度與工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍一致，安裝在導(dǎo)軌的側(cè)面，電位器指針與工作臺(tái)相連，可把工作臺(tái)的位置轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)。檢測到的位置x和檢測電壓ub之間的關(guān)系如下圖所示。在本例中使Kf=Kp，當(dāng)給定電位器電源電壓與檢測電位器一樣時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)的輸出達(dá)到控制目標(biāo)。第44頁/共57頁工程實(shí)例中的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本例中位置控制系統(tǒng)的控制原理為：操作者通過指令電位器發(fā)出工作臺(tái)的位置指令xi，指令電位器對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)電壓ua。電壓ua與位置xi成正比，比例系數(shù)為一常數(shù)Kp。工作臺(tái)在導(dǎo)軌上的實(shí)際位置x由裝在導(dǎo)軌側(cè)向的位置檢測電位器檢測，位置檢測電位器將實(shí)際位置x轉(zhuǎn)換為電壓ub輸出。電壓ub與工作臺(tái)的實(shí)際位置x成正比，比例系數(shù)Kf=Kp。電壓ub需要經(jīng)過反饋與ua進(jìn)行比較（相減），產(chǎn)生偏差電壓為Δu=ua-ub?？刂破饕砸欢ǖ囊?guī)則使Δu快速地趨近于零，即使工作臺(tái)快速、準(zhǔn)確地到達(dá)指定位置。第45頁/共57頁工程實(shí)例中的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可由比較放大器得到Δu，并將偏差信號(hào)加以放大。比較放大器可由高阻抗差動(dòng)運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)。此比較放大器的輸入為 給定電位器輸出ua和 檢測電位器輸出ub， 其輸出為 其中Kq為比較放大器的 增益第46頁/共57頁工程實(shí)例中的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)x和xi有偏差時(shí)，該偏差電壓Δu在比較放大器中被放大成KqΔu。KqΔu進(jìn)入控制器，通過控制器處理后的信號(hào)經(jīng)功率放大器放大驅(qū)動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)通過減速器和滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)向給定位置xi運(yùn)動(dòng)。隨著x與xi偏差的減小，Δu的絕對(duì)值也逐漸減小。當(dāng)x與xi相等時(shí)，Δu為零，伺服電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)x和xi相等時(shí)，沒有Δu，也就沒有電壓和電流輸入電動(dòng)機(jī)，工作臺(tái)不改變當(dāng)前位置。當(dāng)不斷改變xi時(shí)，工作臺(tái)就不斷改變?cè)跈C(jī)座上的位置，以保持x=xi

的狀態(tài)。

第47頁/共57頁工程實(shí)例中的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)倒立振子／臺(tái)車控制系統(tǒng)

倒立擺系統(tǒng)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的、高階次、多變量、非線性、強(qiáng)耦合、不確定的絕對(duì)不穩(wěn)定系統(tǒng)。本例的單級(jí)倒立擺，采用計(jì)算機(jī)作為控制器，編碼器1、2用來檢測振子傾斜角度和臺(tái)車位置，限位開關(guān)1、2作為小車到達(dá)行程限制的急停信號(hào)，并在計(jì)算機(jī)上編寫一定的控制算法，通過控制小車的運(yùn)動(dòng)速度，改變小車和小車上的倒立擺之間的相對(duì)速度，使倒立擺維持在平衡狀態(tài)。第48頁/共57頁工程實(shí)例中的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)右圖所示為振子和臺(tái)車控制系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)和各環(huán)節(jié)間的信號(hào)傳遞。由計(jì)數(shù)電路將編碼器1、2的脈沖 信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)，分別以16位 的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)直接輸入到 計(jì)算機(jī)中。將臺(tái)車急停的限位開關(guān)1、2的開關(guān)信號(hào)作為計(jì)算機(jī)的中斷信號(hào)。計(jì)算機(jī)把使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生所需轉(zhuǎn)矩的電樞電流指令值以12位數(shù)字信號(hào)輸出給由D/A轉(zhuǎn)換器和電流反饋電路組成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，使直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生與電流指令值成比例的轉(zhuǎn)矩，最終使倒立振子／臺(tái)車系統(tǒng)在一定的算法控制下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

第49頁/共57頁工程實(shí)例中的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為控制器的計(jì)算機(jī)的主要工作包括：在每個(gè)采樣周期，把計(jì)數(shù)器輸入的表示振子傾斜角度和臺(tái)車位置的二進(jìn)制數(shù)據(jù)采入；與上一周期的數(shù)據(jù)比較，求得振子角速度和臺(tái)車速度的近似值；根據(jù)以上信息計(jì)算直流電動(dòng)機(jī)電樞電流的指令值；將該指令值以12位數(shù)據(jù)方式輸出至電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路；當(dāng)臺(tái)車觸發(fā)軌道兩端附近的限位開關(guān)產(chǎn)生中斷信號(hào)時(shí)，將直流電動(dòng)機(jī)電樞電流的指令值設(shè)置為0并輸出，瞬間停止電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，還