第6章-控制系統(tǒng)及接口設(shè)計(機電一體化系統(tǒng)設(shè)計-馮浩)課件

第6章控制系統(tǒng)及接口設(shè)計6.1概述機電一體化產(chǎn)品的控制系統(tǒng)種類繁多，但基本結(jié)構(gòu)和功能是相同的。以微控制器為基礎(chǔ)的數(shù)字式控制是控制系統(tǒng)實現(xiàn)的主要形式。第6章控制系統(tǒng)及接口設(shè)計6.1概述16.1.1控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成控制系統(tǒng)是機電一體化產(chǎn)品中重要的組成部分，主要實現(xiàn)控制、協(xié)調(diào)和信息處理功能?？刂葡到y(tǒng)是由控制裝置、執(zhí)行機構(gòu)、被控對象及傳感與檢測裝置所構(gòu)成的整體，其基本構(gòu)成如圖所示。6.1.1控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成控制系統(tǒng)是機電一體化產(chǎn)品中重要2以控制系統(tǒng)（微電子系統(tǒng)）為出發(fā)點，機電系統(tǒng)中各要素與子系統(tǒng)的相接處必須具備一定的聯(lián)系條件，這種聯(lián)系條件就是接口。接口有聯(lián)系機械系統(tǒng)與微電子系統(tǒng)（控制系統(tǒng)），對兩者進行調(diào)整、匹配和緩沖的機電接口；聯(lián)系操作者與機電系統(tǒng)（主要是控制系統(tǒng)），負責兩者之間信息交換的人機接口。以控制系統(tǒng)（微電子系統(tǒng)）為出發(fā)點，機電系統(tǒng)中各要素與子系統(tǒng)的36.1.2控制系統(tǒng)的分類被控對象從簡單到復(fù)雜，千變?nèi)f化，機電一體化產(chǎn)品所采用的控制系統(tǒng)的形式也各有不同?？刂葡到y(tǒng)的分類方法繁多，常見的分類方法有：1)按控制器所依據(jù)的判定準則中是否有被控對象狀態(tài)的函數(shù)，可將控制系統(tǒng)分為順序控制系統(tǒng)和反饋控制系統(tǒng)。6.1.2控制系統(tǒng)的分類被控對象從簡單到復(fù)雜，千變?nèi)f化，機42)按系統(tǒng)輸出的變化規(guī)律可將控制系統(tǒng)分為鎮(zhèn)定控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)。3)按系統(tǒng)中所處理信號的形式可將控制系統(tǒng)分為連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)。4)按被控對象自身的特性，還可將控制系統(tǒng)分成線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)、確定系統(tǒng)與隨機系統(tǒng)、集中參數(shù)系統(tǒng)與分布參數(shù)系統(tǒng)、時變系統(tǒng)與時不變系統(tǒng)等。2)按系統(tǒng)輸出的變化規(guī)律可將控制系統(tǒng)分為鎮(zhèn)定控制系統(tǒng)、程56.2單片機接口及控制系統(tǒng)設(shè)計單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。6.2單片機接口及控制系統(tǒng)設(shè)計單片機是一種集成電路芯片，是采6第6章-控制系統(tǒng)及接口設(shè)計(機電一體化系統(tǒng)設(shè)計-馮浩)ppt課件7第6章-控制系統(tǒng)及接口設(shè)計(機電一體化系統(tǒng)設(shè)計-馮浩)ppt課件8第6章-控制系統(tǒng)及接口設(shè)計(機電一體化系統(tǒng)設(shè)計-馮浩)ppt課件9第6章-控制系統(tǒng)及接口設(shè)計(機電一體化系統(tǒng)設(shè)計-馮浩)ppt課件10單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計的關(guān)鍵在于單片機接口電路設(shè)計和控制算法的設(shè)計。單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計的關(guān)鍵在于單片機接口電路設(shè)計和控制算法的116.2.1單片機接口的作用和功能單片機接口主要負責接收、解釋并執(zhí)行CPU發(fā)出的命令，傳送外設(shè)的狀態(tài)，以及雙方的數(shù)據(jù)傳輸，管理雙方的工作邏輯，協(xié)調(diào)它們的工作時序。總之，單片機接口部件作為CPU與外設(shè)之間一個界面，使得雙方有條不紊地協(xié)調(diào)工作，從而完成CPU與外界的信息交換。按CPU與外界交換信息的要求，一般來講，接口部件應(yīng)具有如下功能：6.2.1單片機接口的作用和功能單片機接口主要負責接收、解12數(shù)據(jù)緩沖功能。接口中一般都設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器或鎖存器，以解決高速CPU和低速外設(shè)之間的矛盾，避免丟失數(shù)據(jù)。另外，這些鎖存器常常有驅(qū)動作用。設(shè)備選擇功能。微機系統(tǒng)中通常有多個外設(shè)，而CPU在同一時間只能與一臺外設(shè)交換信息，這就要借助于接口的地址譯碼對外設(shè)進行尋址。數(shù)據(jù)緩沖功能。接口中一般都設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器或鎖存器，以解決高速13信息轉(zhuǎn)換功能。由于外設(shè)所能提供和所需要的各種信號常常與微機總線信號不能兼容，因此信號轉(zhuǎn)換不可避免，它是接口設(shè)計中的一個很重要方面。通常遇到的信號變換包括：信號的電平轉(zhuǎn)換、模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換，串/并和并/串轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)寬度變換等。信息轉(zhuǎn)換功能。由于外設(shè)所能提供和所需要的各種信號常常與微機總14接收、解釋并執(zhí)行CPU命令的功能。CPU發(fā)到外設(shè)的各種命令都是以代碼的形式先發(fā)到接口電爐，再由接口電路解釋后，形成一系列控制信號發(fā)送到外設(shè)（被控對象）的。為了實現(xiàn)CPU與外設(shè)之間的聯(lián)絡(luò)，接口電路還必須提供一些狀態(tài)信號。接收、解釋并執(zhí)行CPU命令的功能。CPU發(fā)到外設(shè)的各種命令都15中斷管理功能。當外設(shè)需要及時得到CPU的服務(wù)，例如，在出現(xiàn)故障而要求CPU進行及時處理時，就應(yīng)該在接口中設(shè)置中斷控制邏輯，由它完成向CPU提出中斷請求，進行中斷優(yōu)先級排隊，接收中斷響應(yīng)信號以及向CPU提供中斷向量等有關(guān)中斷事務(wù)工作，這樣除了能使CPU實時處理緊急情況外，還能使快速CPU與慢速外設(shè)并行工作，從而提高CPU的效率?？删幊坦δ?。為使接口具有較強的通用性、靈活性和可擴充性，現(xiàn)在的接口芯片多數(shù)是可編程的，這樣在不改變硬件的條件下，只改變驅(qū)動程序就可以改變接口的工作方式和功能，以適應(yīng)不同的用途。中斷管理功能。當外設(shè)需要及時得到CPU的服務(wù)，例如，在出現(xiàn)故16需要注意的是：上述功能并非每個芯片都同時具備，對不同的配置和不同用途的單片機系統(tǒng)，其接口的功能和實現(xiàn)的方式有所不同，接口電路的復(fù)雜性相差甚遠。需要注意的是：上述功能并非每個芯片都同時具備，對不同的配置和176.2.3常用單片機接口設(shè)計1.獨立式鍵盤輸入接口設(shè)計例：如圖6－3所示，P1.0—P1.7接8個按健；要求按一個鍵則進入對應(yīng)的程序段。分析：斷是否有鍵按下；若有鍵按下，則消抖，然后把P1的值循環(huán)移入進位位，來確定哪一個鍵被按下。程序流程圖如圖6－4所示。6.2.3常用單片機接口設(shè)計1.獨立式鍵盤輸入接口設(shè)計例：如18第6章-控制系統(tǒng)及接口設(shè)計(機電一體化系統(tǒng)設(shè)計-馮浩)ppt課件192.LED顯示接口電路設(shè)計1）LED顯示器。2.LED顯示接口電路設(shè)計20動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示212)LED顯示接口電路設(shè)計2)LED顯示接口電路設(shè)計223．A/D轉(zhuǎn)換接口電路設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換電路的功能是將連續(xù)變化的模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號.ICL7109是美國INTERSIL公司生產(chǎn)的雙積分式12位A/D轉(zhuǎn)換器。3．A/D轉(zhuǎn)換接口電路設(shè)計23（1）主要技術(shù)指標：1)分辨率：12位；2)噪聲：15μv(峰－峰值)3)溫漂：1μV／℃；4)輸入阻抗：Ω；5)轉(zhuǎn)快速率：7．5次／秒(時鐘為3.58MHz)6)輸山方式：12位二進制碼（1）主要技術(shù)指標：24（2）主要引腳說明B1~B12：A/D轉(zhuǎn)換的具有三態(tài)的輸出數(shù)據(jù)。STATUS:ICL7109狀態(tài)信號，輸出，高電平表示A/D正在轉(zhuǎn)換，低電平表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。RUN/HOLD：高電平表示啟動連續(xù)轉(zhuǎn)換；低電平表示轉(zhuǎn)換停止。（2）主要引腳說明25P1.4~P1.7P1.4~P1.7264.功率接口電路設(shè)計在機電一體化產(chǎn)品中，被控對象所需要的驅(qū)動功率一般比較大，而計算機發(fā)出的數(shù)字控制信號的功率很小，從而必須經(jīng)過功率放大后才能用來驅(qū)動被控對象。實現(xiàn)功率放大功能的接口電路稱為功率接口電路。4.功率接口電路設(shè)計275.光耦合器驅(qū)動接口電路設(shè)計光電耦合器是把發(fā)光二極管和光敏晶體管或光敏晶閘管封裝在一起，通過光信號，實現(xiàn)電信號傳遞的器件。由于光耦合輸入和輸出之間沒有直接的電氣連接，電信號通過光信號傳遞的，所以也稱光隔離器5.光耦合器驅(qū)動接口電路設(shè)計光電耦合器是把發(fā)光二極管和光敏晶28光耦合器具有以下特點：光耦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1010Ω以上，并能承受2000V以上的高壓。被耦合的兩個部分可以自成系統(tǒng)不“共地”，能夠?qū)崿F(xiàn)強電和弱電的電氣隔離。光耦合器的發(fā)光二極管是電流驅(qū)動器件，能夠吸收尖峰干擾信號，所以具有很強的噪聲抑制能力。光耦合器作為開關(guān)應(yīng)用時，具有耐用、可靠性高和高速的優(yōu)點，響應(yīng)時間一般為微妙級，高速型可達納秒級。光耦合器具有以下特點：29第6章-控制系統(tǒng)及接口設(shè)計(機電一體化系統(tǒng)設(shè)計-馮浩)ppt課件306.2.4PID控制算法

一、模擬PID控制器及其調(diào)節(jié)規(guī)律的數(shù)字化所謂PID控制就是比例(Proportional)、積分(Integral)和微分(Differential)控制，對于實際的物理系統(tǒng)，其被控對象通常都有儲能元件，這就造成系統(tǒng)對輸入作用的響應(yīng)有一定的慣性。另外，在能量和信息傳輸過程中，由于管道和傳輸?shù)仍驎胍恍r間上的滯后，這往往會導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)變差，甚至不穩(wěn)定。因此，為了改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，通常會在系統(tǒng)中引入偏差的比例調(diào)節(jié)，以保證系統(tǒng)的快速性。引入偏差的積分調(diào)節(jié)以提高控制精度，引入偏差的微分調(diào)節(jié)來消除系統(tǒng)慣性的影響，這就形成了按偏差調(diào)節(jié)的系統(tǒng)6.2.4PID控制算法

一、模擬PID控制器及其調(diào)節(jié)規(guī)律31模擬PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律是由硬件來實現(xiàn)的。在計算機控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)算法一般用軟件來實現(xiàn)，由于編程的靈活性，它使控制器的調(diào)節(jié)功能變得更加豐富和完善。模擬PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律是由硬件來實現(xiàn)的。在計算機控制系統(tǒng)32在計算機控制系統(tǒng)中，為實現(xiàn)調(diào)節(jié)算法，應(yīng)對微分方程式離散化。如果采樣周期T取得足夠小，這種逼近就會相當準確，被控制的過程與連續(xù)過程將十分接近，稱為“準連續(xù)控制”。在計算機控制系統(tǒng)中，為實現(xiàn)調(diào)節(jié)算法，應(yīng)對微分方程式離散化。如33上式提供了執(zhí)行機構(gòu)位置（如閥門開度）的算法，稱為位置式的控制算法。當執(zhí)行機構(gòu)需要的不是控制量的絕對值，而是其增量（如驅(qū)動步進電機）時，可由上式導(dǎo)出增量式控制算法。上式提供了執(zhí)行機構(gòu)位置（如閥門開度）的算法，稱為位置式的控制34控制算法較之位置式增量式控制算法有下列優(yōu)點。⑴位置式控制算法的輸出量與整個過去狀態(tài)有關(guān)，計算公式中要用到偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累計誤差。而且這樣也需占用較多的存儲單元，不便于計算機編程。增量式算法的輸出量只與3個采樣值有關(guān)，計算誤差或精度不足對控制量的計算影響較小?？刂扑惴ㄝ^之位置式增量式控制算法有下列優(yōu)點。35⑵）當控制從手動切換到自動時，增量式調(diào)節(jié)易于實現(xiàn)無沖擊切換。另外，在計算機發(fā)生故障時，由于執(zhí)行裝置本身有寄存作用，故增量控制可使它保持原位。在實際工程中，增量式算法比位置式算法應(yīng)用廣泛得多。⑵）當控制從手動切換到自動時，增量式調(diào)節(jié)易于實現(xiàn)無沖擊切換。36PID計算程序可根據(jù)精度要求和計算速度選擇定點計算和浮點計算。定點計算程序簡單，運算速度快但精度有限。浮點計算適應(yīng)范圍寬、精度高，但程序復(fù)雜、運算速度慢。在微機控制中，既要考慮控制器的計算精度，又要考慮系統(tǒng)的實時性、通用性。這里給出一種較為實用的兩字節(jié)定點PID計算方法，精度較高，程序又比較簡單。總長為16位。PID計算程序可根據(jù)精度要求和計算速度選擇定點計算和浮點計算37第6章-控制系統(tǒng)及接口設(shè)計(機電一體化系統(tǒng)設(shè)計-馮浩)ppt課件38二、控制器的幾種改進形式1、帶有死區(qū)的PID算法在計算機控制系統(tǒng)中，某些系統(tǒng)為了避免控制動作過于頻繁，消除由于頻繁動作所引起的系統(tǒng)振蕩和設(shè)備磨損。對一些精度要求不太高的場合，可以采用帶有死區(qū)的PID控制。二、控制器的幾種改進形式1、帶有死區(qū)的PID算法392、積分分離的PID算法在普通的數(shù)字控制器中引入積分環(huán)節(jié)，主要是為了消除靜差，提高控制精度，但在過程的啟動、停車或大幅度改變給定值時，由于在短時間內(nèi)產(chǎn)生很大的偏差，往往會產(chǎn)生嚴重的積分飽和現(xiàn)象，以致造成很大的超調(diào)和長時間的振蕩。這是某些生產(chǎn)過程所不允許的。為了克服這個缺點，可采用積分分離方法，即在被控制量開始跟蹤時，取消積分作用；而當被控制量接近給定值時，才將積分作用投入以消除靜差?？刂扑惴筛膶憺?2、積分分離的PID算法40第6章-控制系統(tǒng)及接口設(shè)計(機電一體化系統(tǒng)設(shè)計-馮浩)ppt課件416.2.5單片機控制系統(tǒng)舉例

一、系統(tǒng)的功能要求：(1)對化工合成裝置的溫度進行檢測，并按上藝要求控制最高加熱溫度：(2)在升溫階段，控制合成裝置的溫度以每小時15℃的速率上升；(3)加入觸媒后的溫度采用恒值控制。前期為370℃，中期為380℃，控制精度為3℃；(4)最高溫度連續(xù)三次達到400℃時發(fā)出報警信號；(5)顯示檢測溫度值；(6)留有擴充余地，以實現(xiàn)多回路控制。6.2.5單片機控制系統(tǒng)舉例

一、系統(tǒng)的功能要求：42二、總體方案設(shè)計根據(jù)上述功能要求，選擇單片機AT89C52構(gòu)成系統(tǒng)，采用帶有死區(qū)的PID控制算法,當溫度在給定購死區(qū)范圍內(nèi)時，不予調(diào)節(jié)。當溫度超出給定范圍時，由單片機系統(tǒng)按照運算結(jié)果驅(qū)動步進電機，調(diào)節(jié)加熱裝置，以控制合成裝置的溫度。系統(tǒng)的總體方案如圖所示。二、總體方案設(shè)計43三、系統(tǒng)硬件構(gòu)成該系統(tǒng)的硬件電路由溫度檢測、信號放大、A/D轉(zhuǎn)換、單片機、溫度設(shè)置電路、功率放大及執(zhí)行電路、顯示報警電路等部分構(gòu)成。三、系統(tǒng)硬件構(gòu)成44第6章-控制系統(tǒng)及接口設(shè)計(機電一體化系統(tǒng)設(shè)計-馮浩)ppt課件45第6章-控制系統(tǒng)及接口設(shè)計(機電一體化系統(tǒng)設(shè)計-馮浩)ppt課件461．溫度檢測電路圖中測溫元件采用Pt100為鉑電阻溫度傳感器。由測溫元件RT和電阻元件構(gòu)成橋式測量電路，把溫度變化所引起的鈉電阻的阻值變化轉(zhuǎn)換成電壓信號送給放大器的輸入端。由于鉑電阻安裝在測量現(xiàn)場，通過長導(dǎo)線接入控制臺，為了減小引線電阻的影響，采用三線制接法?？蓪⑼饨鐪囟茸兓瘜B接導(dǎo)線電阻的影響在橋路抵消掉。1．溫度檢測電路472．信號放大電路3．A／D轉(zhuǎn)換電路4．溫度設(shè)置電路5．顯示接口電路2．信號放大電路486．功率放大及執(zhí)行電路采用步進電機作為執(zhí)行元件，步進電機其作用是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的位移量。由于步進電機具有快速啟動，精確步進以及能直接接受數(shù)字量的特點，在工業(yè)生產(chǎn)過程的過程控制系統(tǒng)中，不用位移傳感器也能實現(xiàn)精確定位，岡而得到廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)采用相反應(yīng)式步進電機，型號為55BF004—Ⅱ，主要參數(shù)如下：1）步距角：1.5°/3°：2）最人靜力矩：50kg.cm3）最高空載起動頻率：550步/秒4）相數(shù)：三相5）額定電流：0.5A。6．功率放大及執(zhí)行電路49四、控制算法的選擇1.控制方法的選擇為了避免執(zhí)行機構(gòu)的動作過于頻繁，消除由于頻繁動作引起的震蕩現(xiàn)象，這里采用帶死區(qū)的PID控制算法，死區(qū)的范圍由實驗整定。如果太小執(zhí)行機構(gòu)動作頻繁，機構(gòu)磨損，達不到穩(wěn)定被調(diào)對象的目的。如果太大，調(diào)節(jié)不及時，系統(tǒng)將產(chǎn)生很大的滯后，該系統(tǒng)選擇死區(qū)范圍為－2～＋2°。四、控制算法的選擇502.PID參數(shù)的整定PID參數(shù)的整定采用工程整定。工程整定是在理論計算的基礎(chǔ)上，通過實踐總結(jié)出來的方法。這些方法通過并不復(fù)雜的實驗，便能迅速獲得調(diào)節(jié)器的近似最佳整定參數(shù)，因而在工程上得到廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)PID參數(shù)整定采用擴充響應(yīng)曲線法。2.PID參數(shù)的整定51現(xiàn)對該方法簡述如下：⑴數(shù)字控制器不接入控制系統(tǒng)，讓系統(tǒng)處于手動操作狀態(tài)，將被調(diào)量調(diào)節(jié)到給定值附近，并使之穩(wěn)定下來。然后突然改變給定值，給對象一個階躍輸入信號。⑵用記錄儀表記錄被調(diào)量在階躍輸入下的整個變化過程曲線現(xiàn)對該方法簡述如下：52⑶在曲線拐點處作切線，求得滯后時間，被控對象時間常數(shù)以及它們的比值。⑷選擇一個控制度，查表6.11即求得數(shù)字的控制參數(shù)及采樣周期。⑸按求得的整定參數(shù)設(shè)數(shù)運行，在投運中觀察控制效果，用探索法進一步尋求比較滿意的值。⑶在曲線拐點處作切線，求得滯后時間，被控對象時間常數(shù)以及它們53五、系統(tǒng)軟件設(shè)計1.系統(tǒng)軟件功能1）檢測開關(guān)K1、K1、K2