現(xiàn)代機械工程自動控制

現(xiàn)代機械工程自動控制第一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日什么是控制器？控制器是指能夠接受控制指令及反饋信息，對它們進行比較，并根據(jù)某種控制算法，產(chǎn)生一定的控制信號，使控制對象達到控制目標的裝置。

控制器如何分類？按發(fā)展階段分：機械式、由電子元器件組成的、通用型按控制算法分：經(jīng)典、現(xiàn)代、智能按處理信號分：模擬、數(shù)字按開放性分：封閉式、開放式第二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日單片微控制器

單片微控制器即單片機，可以認為是將微型計算機系統(tǒng)所用的大多數(shù)IC芯片，包括CPU、存儲器、中斷控制器、I/O端口等，集成到一個芯片中，成為一臺簡單的計算機，可以通過編寫程序讓它處理一些簡單的過程。是一種在線式實時控制計算機。體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、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特的單片機產(chǎn)品。

第三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日DSP——數(shù)字信號處理器

DSP是一種高速專用微處理器，主要可用于實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法DSP內(nèi)部設(shè)置乘法器，且乘法器和運算邏輯部件ALU并行操作，再加上流水線控制技術(shù)，運算速度極快。DSP系統(tǒng)選用的算法是各種經(jīng)過實踐檢驗的通用算法的組合和改進，專門處理以運算為主、不允許延遲的實時信號。與單片機相比，單片機主要實現(xiàn)“控制”，而DSP重視數(shù)字信號處理，其它通用功能相對較弱些。同時結(jié)合使用DSP和單片機，可使控制器具有快速傳輸大量的數(shù)據(jù)并對數(shù)字信號及時處理的能力。第四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日DSP產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，已經(jīng)滲透到工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個方面。第五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日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現(xiàn)較為復(fù)雜的智能控制算法，實現(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

第六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日計算機具有很強的運算與處理信息的能力，可以實現(xiàn)更為先進和復(fù)雜的控制策略，如自適應(yīng)控制、智能控制、非線性控制等。而且將計算機網(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化方向發(fā)展。由硬件和軟件兩部分組成。硬件包括：主機板、系統(tǒng)總線、I/O接口、人機聯(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)控制計算機第七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日總線式工控機由電源、機架、總線母板、中央處理器（CPU）、人機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構(gòu)。第八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日CPU主板是總線式控制計算機系統(tǒng)的核心部件，是整個系統(tǒng)的控制中心。它負責(zé)整個系統(tǒng)工作的協(xié)調(diào)，包括數(shù)學(xué)運算、數(shù)據(jù)傳輸、邏輯判斷、輸入/輸出控制以及與上位機或網(wǎng)絡(luò)的通信等工作。某雙CPU結(jié)構(gòu)的全長CPU卡第九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日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卡第十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日除了通用的總線式工控機外，盒式工控機、盤式工控機、工業(yè)級工作站等適合不同工作環(huán)境的工控機也都被廣泛使用。某盒式工控機第十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日盤式工控機，也叫做工業(yè)平板電腦

第十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日工業(yè)控制軟件可分為系統(tǒng)軟件、支持軟件、應(yīng)用軟件三個部分。系統(tǒng)軟件包括實時多任務(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。支持軟件包括匯編語言、高級語言、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)計人員針對某個生產(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-機接口程序、打印顯示程序和公共子程序等。

第十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日是由自動化研究機構(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)高級應(yīng)用系統(tǒng)，不僅包括高級控制、通信、數(shù)據(jù)記錄和信號處理等軟件特性，還包括一個穩(wěn)定的控制器以提供邏輯、運動、過程控制和視覺等高級功能。PAC——可編程自動化控制器第十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日研華公司的開放型、緊湊型、堅固型和靈活型PAC。相對于傳統(tǒng)的IPC，它們不僅具備強大的運算功能和開放、靈活的軟、硬件接口，而且實現(xiàn)了更高的實時性，具備了更加堅固、安全的結(jié)構(gòu)和開放的模塊化體系，更加易于使用。

第十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日多軸協(xié)調(diào)運動控制中，需要進行大量、快速的各種運算，常采用PC+DSP運動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)標準開發(fā)的開放式可編程多軸運動控制器PMAC(ProgrammableMulti-AxisController，可編程多軸控制器)

涉及機器人、數(shù)控機床、坐標測量機、激光加工、雕刻機、旋轉(zhuǎn)刀、X-Y系統(tǒng)、以及高速印刷、包裝、貼標機等各類自動化設(shè)備運動控制器第十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日PMAC采用Motorola的DSP56001/56002數(shù)字信號處理器,每個卡可同時控制多達32個伺服軸，鏈接可達16塊板(128軸)。

除支持ISA、PCI、VME、PC/104等標準總線形式及串口兩種用上位機對其進行控制的方式外，還可以以脫機方式單獨運行存儲于其內(nèi)部的運動程序、PLC程序及進行伺服環(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\行。第十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日PMAC特點：128×24零等待SRAM、512×8的用戶編程閃存；4軸到8軸高精度同步運動控制；模擬量＋/－10V輸出，支持數(shù)字量PWM信號和步進放大器輸出；可選擇PC/104總線、RS-232、以態(tài)網(wǎng)進行通訊；兩個擴展的全編碼器通路（在板總計4個），可實現(xiàn)雙反饋、步進或者混合放大器控制；可自動對任務(wù)優(yōu)先級進行判別；第十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日PMAC特點(續(xù)上頁)：接受增量編碼器、絕對編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等類型的反饋；支持交流伺服、直流、交流異步、步進等電機類型；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。第十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日PMAC兩個重要的接口包括JMACH口和JTHW口JMACH部分引腳介紹用以實現(xiàn)對電機反饋信號的監(jiān)測和控制信號的輸出引腳符號功能描述引腳符號功能描述+5V輸出編碼器電源DAC1/輸出模擬輸出1負端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錯誤CHC1/輸入編碼器C通道負端+LIM1輸入1通道負向末端極限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通道負端HMFL1輸入1通道回零標志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電源第二十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日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)的運動控制器，提供了終端通訊窗體，能夠在工作區(qū)里調(diào)用；區(qū)分運動程序和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。第二十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日Pwin32Pro支持WindowsXP、2000、98操作系統(tǒng)。內(nèi)置PMACPlotPro(描繪運動軌跡\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，自動配置即插即用設(shè)備；增強型文本編輯器，內(nèi)置debugger調(diào)試PLC程序；使用tuning工具可自動設(shè)定和調(diào)整PID、陷波和擴展伺服算法；項目分組管理，可更好的調(diào)用運動程序和PLC程序；增強的繪圖能力，可以動態(tài)和靜態(tài)的監(jiān)視參數(shù)和寄存器、運動軌跡等；可實時監(jiān)視位置、電機狀態(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)。第二十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日常用控制器美國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運動控制卡的研究當(dāng)中，推出了多種基于標準PC及IPC總線環(huán)境多軸伺服運動控制卡。

研華PCI-1240U研華PCI-1241

第二十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日常用控制器PCI-1240U是一款4軸通用PCI步進/脈沖型伺服電機控制卡，專門應(yīng)用于一般的精確運動。該卡使用了智能NOVAMCX314運動ASIC芯片；提供了各種運動控制功能，如2/3軸線性插補、2軸圓弧插補、連續(xù)插補、T/S曲線加速/減速、手輪和慢進，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)動程序和豐富直觀的例子。提供了運動工具程序，方便進行配置和診斷。

第二十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日常用控制器PCI-1241采用ASIC芯片，通過使用DDA（數(shù)字微分分析器）實現(xiàn)4軸伺服位置和同步控制。閉環(huán)控制通過P控制實現(xiàn)，并使用-10到+10的信號輸出到速度型伺服驅(qū)動器；還可以通過編碼器輸入端口回讀電機編碼器值，以允許進行步進控制。為每個軸的控制提供一套完整的傳感器輸入點，包括原位點、正/負限位點。含有禁止信號輸出點，位置就緒輸出點和緊急輸入點。可擴展到128點輸入和128點輸出，帶有6路A/D轉(zhuǎn)換。256個遠程串行輸入/輸出接口。

第二十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日傳感器及信號采集卡傳感器——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。采集卡——采集各種電信號，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號供計算機等數(shù)字控制器處理。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，當(dāng)外部信號較多時，需使用采集卡接受各種電信號并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量傳送給控制器。第二十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日傳感器及信號采集卡接近開關(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組成部分，在檢測線圈的工作面上存在一個交變磁場，當(dāng)金屬物體接近檢測線圈時，金屬物體就會產(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)信號輸出。它通常用作計數(shù)、設(shè)定運動物體的有效運動范圍、零點等只存在“1”、“0”兩種狀態(tài)的情況。例如第二十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日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距離進行檢測。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

第二十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日圖像傳感器

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“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，且在處理快速變化的影像時容易過熱等。CCD信號電荷耦合器件以電荷為信號，其主要工作過程為信號電荷的產(chǎn)生、存儲、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。

第二十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日傳感器及信號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輸出。該串行模擬脈沖信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由于信號量很大，所以還要進行信號數(shù)據(jù)壓縮?？蓪嚎s后的信號數(shù)據(jù)進行進一步的處理，用于實時控制的環(huán)境反饋信息。

第三十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日傳感器及信號采集卡位移傳感器位移傳感器通?？煞譃榫€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)編碼器第三十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日傳感器及信號采集卡編碼盤式角位移傳感器分絕對式和脈沖式兩種。前者在計數(shù)器中對某個基數(shù)進行加或減，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。第三十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日傳感器及信號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，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?？衫靡唤M脈沖檢測速度，正、負兩路計數(shù)脈沖辨向?？梢酝ㄟ^外路倍頻，得到二倍頻或四倍頻信號。這種非接觸式編碼器，壽命長、功耗低、耐振動，被廣泛應(yīng)用于角度、距離、位置、轉(zhuǎn)速等的檢測與控制。第三十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日傳感器及信號采集卡主光柵上均勻刻有許多線紋，形成明暗交錯的線條。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時，這些條紋就沿兩塊光柵刻線夾角的平分線方向移動。若用計數(shù)器記錄下指示光柵上移動過的條紋數(shù)，即可知主光柵移動的距離。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。第三十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日傳感器及信號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，降低不確定性，以形成對系統(tǒng)環(huán)境相對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)險的信息處理方法。它與經(jīng)典信號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)。第三十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日傳感器及信號采集卡通過對多傳感器信息融合得到的被測對象的描述，比通過對各個傳感器信息無規(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準術(shù)語、穩(wěn)健的數(shù)學(xué)方法和具有系統(tǒng)設(shè)計規(guī)則的工程學(xué)科。在圖像融合、多模態(tài)生物特征識別、自動目標識別等軍事、工業(yè)、生活領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。第三十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日傳感器及信號采集卡信號采集卡目前，信號采集卡已發(fā)展得非常完善，除了大量的信號輸入接口，還集成了模擬和數(shù)字輸出接口，也可稱為擴展I/O。它使控制器與生產(chǎn)過程相連接，進行數(shù)據(jù)采集和輸出控制信息，它的性能優(yōu)劣對整個系統(tǒng)具有舉足輕重的影響。對于常用的開放型數(shù)字控制器工業(yè)控制計算機，其擴展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、遠程I/O、遠程智能I/O等過程。第三十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日傳感器及信號采集卡下圖是一種功能強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）、信號調(diào)理模塊、遠程I/O模塊、智能通用I/O單元。它的采樣速率可達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10MHz的16位多功能計數(shù)器通道。內(nèi)建校準電路可對模擬量輸入和輸出通道中的增益和偏移誤差進行自動修正。第三十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日傳感器及信號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個端子，采用點到點設(shè)計，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。第三十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日傳感器及信號采集卡下圖中數(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線與PCLD-8710的接線端子相連，及PCI-1710插入工控機或PAC等含有通用PCI總線的控制器中，將傳感器信號通過濾波、A/D轉(zhuǎn)換等，自動、智能地供給控制器判斷、決策使用。

第四十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日工程實例中的控制系統(tǒng)設(shè)計工作臺位置自動控制系統(tǒng)第四十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日工程實例中的控制系統(tǒng)設(shè)計工作臺位置自動控制系統(tǒng)此工作臺位置自動控制系統(tǒng)的控制對象是工作臺，控制量是工作臺的位置。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運動目的位置，即將指定的位置轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電壓信號輸出。檢測電位器則用來檢測工作臺的實際位置，即將工作臺的實際位置轉(zhuǎn)化成電壓信號。控制器將檢測電壓與指令電壓比較，以一定的規(guī)則使控制對象快速、準確地到達指定目標。第四十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日工程實例中的控制系統(tǒng)設(shè)計如果用xi表示給定的位置，用ua表示對應(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，上式中的Kp為常數(shù)。如果工作臺的位置范圍是x，電位器的電源電壓為u，則Kp=u/x，然后就可以根據(jù)上式計算對應(yīng)xi和ua了。第四十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日工程實例中的控制系統(tǒng)設(shè)計檢測電位器測量長度與工作臺的運動范圍一致，安裝在導(dǎo)軌的側(cè)面，電位器指針與工作臺相連，可把工作臺的位置轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號。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，認為系統(tǒng)的輸出達到控制目標。第四十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日工程實例中的控制系統(tǒng)設(shè)計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)出工作臺的位置指令xi，指令電位器對應(yīng)輸出一個電壓ua。電壓ua與位置xi成正比，比例系數(shù)為一常數(shù)Kp。工作臺在導(dǎo)軌上的實際位置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際位置x轉(zhuǎn)換為電壓ub輸出。電壓ub與工作臺的實際位置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，即使工作臺快速、準確地到達指定位置。第四十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日工程實例中的控制系統(tǒng)設(shè)計可由比較放大器得到Δu，并將偏差信號加以放大。比較放大器可由高阻抗差動運算電路實現(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 增益第四十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日工程實例中的控制系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)x和xi有偏差時，該偏差電壓Δu在比較放大器中被放大成KqΔu。KqΔu進入控制器，通過控制器處理后的信號經(jīng)功率放大器放大驅(qū)動直流伺服電動機轉(zhuǎn)動，電動機通過減速器和滾珠絲杠驅(qū)動工作臺向給定位置xi運動。隨著x與xi偏差的減小，Δu的絕對值也逐漸減小。當(dāng)x與xi相等時，Δu為零，伺服電動機停止轉(zhuǎn)動。當(dāng)x和xi相等時，沒有Δu，也就沒有電壓和電流輸入電動機，工作臺不改變當(dāng)前位置。當(dāng)不斷改變xi時，工作臺就不斷改變在機座上的位置，以保持x=xi

的狀態(tài)。

第四十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日工程實例中的控制系統(tǒng)設(shè)計倒立振子／臺車控制系統(tǒng)

倒立擺系統(tǒng)是一個相當(dāng)復(fù)雜的、高階次、多變量、非線性、強耦合、不確定的絕對不穩(wěn)定系統(tǒng)。本例的單級倒立擺，采用計算機作為控制器，編碼器1、2用來檢測振子傾斜角度和臺車位置，限位開關(guān)1、2作為小車到達行程限制的急停信號，并在計算機上編寫一定的控制算法，通過控制小車的運動速度，改變小車和小車上的倒立擺之間的相對速度，使倒立擺維持在平衡狀態(tài)。第四十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日工程實例中的控制系統(tǒng)設(shè)計右圖所示為振子和臺車控制系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)和各環(huán)節(jié)間的信號傳遞。由計數(shù)電路將編碼器1、2的脈沖 信號轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)，分別以16位 的二進制數(shù)字信號直接輸入到 計算機中。將臺車急停的限位開關(guān)1、2的開關(guān)信號作為計算機的中斷信號。計算機把使電動機產(chǎn)生所需轉(zhuǎn)矩的電樞電流指令值以12位數(shù)字信號輸出給由D/A轉(zhuǎn)換器和電流反饋電路組成的電機驅(qū)動電路，使直流電動機產(chǎn)生與電流指令值成比例的轉(zhuǎn)矩，最終使倒立振子／臺車系統(tǒng)在一定的算法控制下達到穩(wěn)定狀態(tài)。

第四十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日工程實例中的控制系統(tǒng)設(shè)計作為控制器的計算機的主要工作包括：在每個采樣周期，把計數(shù)器輸入的表示振子傾斜角度和臺車位置的二進制數(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車速度的近似值；根據(jù)以上信息計算直流電動機電樞電流的指令值；將該指令值以12位數(shù)據(jù)方式輸出至電動機驅(qū)動電路；當(dāng)臺車觸發(fā)軌道兩端附近的限位開關(guān)產(chǎn)生中斷信號時，將直流電動機電樞電流的指令值設(shè)置為0并輸出，瞬間停止電動機的轉(zhuǎn)