機(jī)電一體化概論 2-4

機(jī)電一體化概論第2章機(jī)電一體化的系統(tǒng)組成

2.4控制單元2.4控制單元 2.4.1控制單元基礎(chǔ)

2.4.2常用控制器

2.4.3控制原理與策略2.4.1控制單元基礎(chǔ)當(dāng)機(jī)電一體化系統(tǒng)要想實現(xiàn)某種控制，需要將一些功能塊集中在一起，這就形成了控制單元。其作用是將輸入信號與輸出信號之間建立起一定的對應(yīng)控制關(guān)系。1.控制單元作用2.控制單元分類

交通燈汽車倒車?yán)走_(dá)居民樓恒壓供水A8隨動轉(zhuǎn)向大燈全自動洗衣機(jī)巡航導(dǎo)彈磁懸浮列車煙草生產(chǎn)線工業(yè)鍋爐除氧器混合動力電動汽車船舶自動駕駛3.控制單元基本性能要求（1）穩(wěn)定性（2）快速性（3）準(zhǔn)確性

4.控制單元組成人“穿針引線”的控制過程。針和線是輸入信號，針孔和線相對位置是輸出信號。通過人的眼睛檢測針孔和線的實際位置，將信息反饋給大腦進(jìn)行處理，大腦發(fā)出指令傳遞給肌肉，肌肉帶動手動作，來調(diào)節(jié)針孔和線的相對位置。在這個控制過程中人的大腦就是控制單元。常用控制器：單片機(jī)、PLC、DSP、工控機(jī)、現(xiàn)場總線等。

單片機(jī)PLCDSP5.控制單元發(fā)展方向（1）20世紀(jì)40~50年代形成了經(jīng)典控制理論。（2）20世紀(jì)60~

70年代形成了現(xiàn)代控制理論。（3）20世紀(jì)80年代以來形成了智能控制。2.4.2常用控制器1.單片機(jī)將微處理器、存儲器、I/O接口電路集成在一片電路芯片上，就構(gòu)成了單芯片微型計算機(jī)，簡稱單片機(jī)。

單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)由中央處理器（CPU）、存儲器、時鐘電路、I/O口和基本功能單元等組成。

單片機(jī)引腳封裝封裝形式有兩種：雙列直插式封裝（DIP）和方形封裝。

AT89C51的雙列直插式封裝有40個引腳，與其他51系列單片機(jī)引腳是兼容的。40個引腳可分為I/O端口線、電源線、控制線、外接晶體線四部分。

單片機(jī)特點(diǎn)性能價格比高；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便；芯片集成度高，實現(xiàn)模塊化；可靠性高，可達(dá)到106小時無故障；體積小，價格低，應(yīng)用靈活。

單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域高精度數(shù)控恒流源

無線對講機(jī)

呼吸機(jī)

航天測控系統(tǒng)

嬰兒看護(hù)器

汽車DPS導(dǎo)航

單片機(jī)編程語言單片機(jī)常用的編程語言有4種：匯編語言、C語言、PL/M和BASIC語言。

單片機(jī)接口單片機(jī)常用的外設(shè)：鍵盤、顯示器、打印機(jī)、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器等。D/A轉(zhuǎn)換器

液晶屏

數(shù)碼管鍵盤A/D轉(zhuǎn)換器打印機(jī)單片機(jī)單片機(jī)應(yīng)用實例以倉儲多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)為例介紹。系統(tǒng)以AT89C51微處理器為控制核心，通過3個溫度傳感器監(jiān)測糧倉內(nèi)不同點(diǎn)處溫度，并借用液晶顯示屏實時顯示采集到的溫度值。若溫度檢測值超過預(yù)設(shè)值，發(fā)出聲光警示。

思考題通常情況下，51系列單片機(jī)都包括哪些種類

？典型的51系列單片機(jī)：美國Intel公司的MCS—48系列、MCS—51系列、MCS—96系列單片機(jī)；美國Atmel公司的AT89系列單片機(jī)；美國Motorola公司的6801、6802、6803、6805和68HC11系列單片機(jī)；美國Zilog公司的Z8、Super8系列單片機(jī)；美國Fairchild公司的F8和3870系列單片機(jī)；美國TI公司的TMS7000系列單片機(jī)；美國NS公司的NS8070系列單片機(jī)；日本NEC公司的μPD7800系列單片機(jī)；日本Hitachi公司的HD6301、HD6305系列單片機(jī)2.PLC

PLC是可編程序控制器的簡稱，是在繼電器接觸器控制和計算機(jī)控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是以微處理器為控制核心，融合自動控制技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等為一體的新型通用的工業(yè)自動控制裝置。

西門子S7-200PLC

松下FP1-C24PLC

PLC系統(tǒng)組成PLC系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分構(gòu)成。PLC硬件部分主要由中央處理器、存儲器、輸入/輸出部件、電源和編程器等組成。

PLC軟件部分包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩部分。目前PLC的標(biāo)準(zhǔn)編程語言有順序功能圖、梯形圖、功能塊圖、指令表和結(jié)構(gòu)文本5種?，F(xiàn)在應(yīng)用最多的是梯形圖語言，形象直觀、邏輯關(guān)系明顯。

三相異步電動機(jī)的自鎖控制梯形圖。X0、X1為輸入繼電器，Y0為輸出繼電器。

PLC梯形圖

指令表

PLC的編程手段有兩種：

手持編程器利用計算機(jī)的編程軟件

PLC主要控制功能及特點(diǎn)

PLC主要控制功能包括定時/計數(shù)控制功能，數(shù)據(jù)處理功能，步進(jìn)控制功能，運(yùn)動控制功能，過程控制功能，數(shù)/模轉(zhuǎn)換功能，監(jiān)控功能，擴(kuò)展功能，遠(yuǎn)程輸入/輸出功能，通信聯(lián)網(wǎng)功能。

PLC工作特點(diǎn)可靠性高、可操作性強(qiáng)、設(shè)計周期短、體積小、能耗低。

PLC工作方式PLC采用循環(huán)掃描的工作方式。為了理解方便，PLC一個工作過程近似的分為三個階段：輸入刷新階段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段。完成三個階段的時間稱為一個掃描周期。

PLC通信與網(wǎng)絡(luò)

以松下FP1系列PLC為例，PLC的通信方式大體分為三種：

FP1與計算機(jī)PC之間的通信FP1與上位機(jī)PLC的通信

FP1與外圍設(shè)備之間的通信

PLC應(yīng)用領(lǐng)域與實例以警報系統(tǒng)為例，系統(tǒng)的控制要求為：過程一：當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障時，能及時報警，即警燈閃爍，警鈴響；過程二：當(dāng)操作人員發(fā)現(xiàn)報警時，按響應(yīng)開關(guān)以示響應(yīng)。這時警燈變?yōu)槌Ａ?，警鈴?fù)ｍ?；過程三：故障排除，報警信號撤消，警燈滅；過程四：按下檢查開關(guān)，警燈亮，否則指示燈壞，應(yīng)更換。

采用FP1-C14型PLC進(jìn)行分析。I/O地址分配連接的外部設(shè)備I/O地址分配連接的外部設(shè)備X0報警信號SB1Y0警燈

X1響應(yīng)開關(guān)SB2Y1警鈴

X2檢查開關(guān)SB3I/O地址分配

根據(jù)輸入、輸出信號畫出控制系統(tǒng)的時序圖

編寫梯形圖程序

PLC接口

PLC輸入端子接線示意圖PLC輸入端子實物接線圖

PLC輸出端子接線示意圖PLC輸出端子實物接線圖

PLC接口

思考題單片機(jī)與PLC的應(yīng)用范圍有何不同

？單片機(jī)：應(yīng)用于數(shù)字采集和工業(yè)控制PLC：應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的自動化控制3.DSP

DSP是數(shù)字信號處理器的簡稱，是一種專門用于數(shù)字信號處理運(yùn)算的、具有特殊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可編程微處理器。

DSP特點(diǎn)在單指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法運(yùn)算；程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問、具有獨(dú)立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，處理指令和數(shù)據(jù)可并行完成；具有流水線，使取指令、譯碼、取數(shù)和執(zhí)行等操作可重疊起來進(jìn)行；片內(nèi)存儲器處理速度快，可以多塊存儲器并行訪問；具有特殊的DSP指令，專門為實現(xiàn)數(shù)字信號處理的算法設(shè)置；具有快速中斷處理和I/O支持能力；可以大規(guī)模集成，可靠性高，處理速度快

DSP

系統(tǒng)構(gòu)成及工作過程一個典型的DSP系統(tǒng)包括抗混疊濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、DSP芯片、D/A轉(zhuǎn)換器和抗鏡像濾波器等。

DSP應(yīng)用領(lǐng)域

DSP接口以TI公司的TMS320C54x為例來介紹DSP接口。

DSP編程語言DSP有匯編語言、C語言和混合編程三種編程方式。

思考題單片機(jī)與DSP的區(qū)別是什么

？DSP與單片機(jī)的最大區(qū)別是DSP能夠高速、實時地進(jìn)行數(shù)字信號處理運(yùn)算。單片機(jī)的位控能力強(qiáng)，I/O接口種類繁多，片內(nèi)外設(shè)和控制功能豐富、價格低、使用方便，但與DSP相比，信號處理速度較慢；

DSP具有高速并行結(jié)構(gòu)及指令、多總線，而單片機(jī)沒有；DSP處理的算法復(fù)雜度和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理流量，單片機(jī)無法可比。4.工控機(jī)工控機(jī)是工業(yè)控制計算機(jī)的簡稱，又名IPC，是為工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計的計算機(jī)。

功能及特點(diǎn)主要功能：數(shù)據(jù)處理；順序控制；周期性巡回檢測；直接數(shù)字控制；監(jiān)控；反饋指導(dǎo)操作；通信聯(lián)網(wǎng)等。特點(diǎn)：實時在線檢測與控制、工作時間長、可靠性高、工作環(huán)境適應(yīng)性好、編程語言豐富、擴(kuò)展空間大、輸入/輸出能力強(qiáng)。

組成全鋼機(jī)箱工業(yè)電源無源底板工控機(jī)主要由全鋼機(jī)箱、無源底板、工業(yè)電源、CPU卡以及鼠標(biāo)、鍵盤、顯示器、硬盤等附件組成。

應(yīng)用領(lǐng)域樓宇監(jiān)控系統(tǒng)路橋收費(fèi)系統(tǒng)柜臺收銀系統(tǒng)加油系統(tǒng)5.現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線是將各個分散的現(xiàn)場設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接起來，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備之間以及現(xiàn)場設(shè)備與高級控制系統(tǒng)之間雙向數(shù)字式通信的標(biāo)準(zhǔn)總線。

現(xiàn)場總線的特點(diǎn)全數(shù)字通信，傳輸精度高，消除模擬信號的瓶頸現(xiàn)象。適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用環(huán)境，既是通信網(wǎng)絡(luò)，又是自控網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備間互操作性和互換性。實時性強(qiáng)，可靠性高，安全性好。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)及其相關(guān)信息，多為短幀傳送。通信傳輸速率低，傳輸距離遠(yuǎn)。

主流現(xiàn)場總線的介紹基金會現(xiàn)場總線FF控制器局域網(wǎng)CAN

LonWorksDeviceNetProfibusHartCC-LinkInterBusControlNet2.4.3控制原理與策略1.控制原理自動控制系統(tǒng)主要有兩種基本的控制方式：開環(huán)控制和閉環(huán)控制。開環(huán)控制開環(huán)控制是指系統(tǒng)輸入量對輸出量實行單方向的控制，并沒有對輸出量結(jié)果進(jìn)行檢測。以直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)為例，說明開環(huán)控制。

對干擾信號的調(diào)節(jié)當(dāng)系統(tǒng)受到外界干擾，假設(shè)直流電動機(jī)所帶負(fù)載增加回路電流增大電動機(jī)的轉(zhuǎn)速降低

對給定信號的調(diào)節(jié)

當(dāng)給定電壓信號變化時，假設(shè)增加晶閘管控制角小晶閘管整流電路輸出電壓平均值增大直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速升高

優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，成本低，不存在穩(wěn)定性問題。缺點(diǎn)：抗干擾能力差，控制精度低，對外界干擾產(chǎn)生的偏差沒有自動補(bǔ)償修正功能。開環(huán)控制的特點(diǎn)閉環(huán)控制

閉環(huán)控制是指系統(tǒng)對輸出量結(jié)果進(jìn)行檢測，并將檢測信號變換送至系統(tǒng)輸入端，與輸入量比較后進(jìn)行控制，直至將系統(tǒng)擾動產(chǎn)生的偏差修正過來。

仍以直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)為例，說明閉環(huán)控制。

對干擾信號的調(diào)節(jié)當(dāng)系統(tǒng)受到外界干擾，假設(shè)直流電動機(jī)所帶負(fù)載增加回路電流增大電動機(jī)的轉(zhuǎn)速降低測速發(fā)電機(jī)輸出電壓減小分壓減小電壓偏差ΔU增大放大器輸出電壓增大小增大轉(zhuǎn)速升高