机电系统分析与设计(5)

（4）控制系统总体设计 （技术设计） ）控制系统总体设计 技术设计）
被控对象的具体要求、微型计算机、控制软件平台确定后， 被控对象的具体要求、微型计算机、控制软件平台确定后，便可进 行控制系统的总体设计。 行控制系统的总体设计。 主要解决系统硬件、软件和操作人员三者之间的匹配， 主要解决系统硬件、软件和操作人员三者之间的匹配，数据信息和 系统硬件 控制信息交换的通讯接口设计（硬件接口），时序控制设计， ），时序控制设计 控制信息交换的通讯接口设计（硬件接口），时序控制设计，应用软件 设计等方面问题。 设计等方面问题。 控制系统总体设计的主要内容： 控制系统总体设计的主要内容： 1）软件与硬件功能合理分配与协调 主要依据经济性、可靠性指标进行 ）软件与硬件功能合理分配与协调(主要依据经济性 主要依据经济性、 软件/硬件的分配 协调与权衡)。 硬件的分配、 软件 硬件的分配、协调与权衡 。 2）接口设计（输入 输出信号匹配与协调）。 ）接口设计（输入/输出信号匹配与协调 输出信号匹配与协调）。 3）通道设计（信号通讯方式与 类型）。 ）通道设计（信号通讯方式与I/O类型 类型）。 4）操作控制台设计（人机交换方式）。 ）操作控制台设计（人机交换方式）。 5）可靠性设计（可靠性设计方案与措施）。 ）可靠性设计（可靠性设计方案与措施）。
微型计算机的最终确定： 微型计算机的最终确定：
可选用微型计算机主要有三种类型： 可选用微型计算机主要有三种类型： 主要包括数字计算机四个基本组成部分(CPU、EPROM、RAM、 单片机 —主要包括数字计算机四个基本组成部分 主要包括数字计算机四个基本组成部分 、 、 、 I/O)，为单片集成电路。 ，为单片集成电路。 具有结构简单、实用范围广， 具有结构简单、实用范围广，但需用专用的开发系统对其软件和硬件进 行开发才能满足使用要求。 行开发才能满足使用要求。 将单片机、编程器、外部存储器、专用/通用接口电路等板卡 单板机 — 将单片机、编程器、外部存储器、专用 通用接口电路等板卡 式微型计算机。具有成本低、体积小特点，主要用于生产现场的控制系统； 式微型计算机。具有成本低、体积小特点，主要用于生产现场的控制系统； 但内存容量少，接口电路少，采用机器语言编程、程序编写、调试困难。 但内存容量少，接口电路少，采用机器语言编程、程序编写、调试困难。 具有丰富的软件和硬件支持， 微型计算机 — 具有丰富的软件和硬件支持，具有可视化界面的系统软件 可应用高级语言、汇编语言等编写应用程序，程序编写、调试方便快捷， 、可应用高级语言、汇编语言等编写应用程序，程序编写、调试方便快捷， 有多样化数据信号输入/输出接口 输出接口（ ）；但价 有多样化数据信号输入 输出接口（COM、USB）或插槽（PCI、ISA）；但价 、 ）或插槽（ 、 ）； 格比较昂贵、抗干扰能力较差。 格比较昂贵、抗干扰能力较差。
2）通用控制系统的构成与特点 通用控制系统的构成与特点
构成：控制系统以通用微型计算机为核心， 构成：控制系统以通用微型计算机为核心，设计专用或选 用通用的集成IC芯片、接口电路、执行元件、传感器， 用通用的集成 芯片、接口电路、执行元件、传感器，以及相 芯片 互合理匹配元件，组成具有较好通用能力的控制器。软件采用 互合理匹配元件，组成具有较好通用能力的控制器。 通用平台软件系统。 通用平台软件系统。 特点：具有可靠性高，适应性强，但成本高， 特点：具有可靠性高，适应性强，但成本高，应采取一定 的抗干扰措施等特点。 的抗干扰措施等特点。 应用：适用于多品种、中小批量生产的机电一体化产品。 应用：适用于多品种、中小批量生产的机电一体化产品。
★ 主要用专用集成元件组成的控制系统——最好 主要用专用集成元件组成的控制系统 最好 选用硬件实现对机电一体化产品的主要控制功能， 选用硬件实现对机电一体化产品的主要控制功能，具 有廉价、可靠、处理速度快等特点。 有廉价、可靠、处理速度快等特点。 （3）应有必要的抗干扰措施 由于工作环境比较恶劣（存在电噪声干扰等）， 由于工作环境比较恶劣（存在电噪声干扰等）， 易产生故障。 易产生故障。为提高控制系统的环境适应能力和抗干 扰能力，以及可靠性，必须采取相应的抗干扰措施。 扰能力，以及可靠性，必须采取相应的抗干扰措施。
（5）软件设计 ）
系统软件：主要有操作系统、故障诊断系统、开发系统、 系统软件：主要有操作系统、故障诊断系统、开发系统、信息处理系 统等。 统等。 在机电一体化产品的控制系统软件设计中、一般不设计系统软件， 在机电一体化产品的控制系统软件设计中、一般不设计系统软件，只 是合理选用并了解基本的工作原理和熟练使用方法的问题。 是合理选用并了解基本的工作原理和熟练使用方法的问题。 应用软件：由操作者依据被控制系统的控制要求和特点， 应用软件：由操作者依据被控制系统的控制要求和特点，用户自行编 写完成的。 写完成的。 对于操作者或编程员来讲，软件设计均为应用软件设计。 对于操作者或编程员来讲，软件设计均为应用软件设计。 除此之外，在应用软件设计时，还应考虑一些基本要求， 实时性、 除此之外，在应用软件设计时，还应考虑一些基本要求，如实时性、 针对性、灵活性和通用性等方面要求。 针对性、灵活性和通用性等方面要求。
第五章 机电一体化系统微机控制系统选 择与设计
本章内容： 本章内容： 5.1 微机控制系统选择与设计 5.2 可编程逻辑控制器(PLC)选择 可编程逻辑控制器 选择
５.1
微机控制系统
随着机电一体化系统所需的控制功能、控制形式、 随着机电一体化系统所需的控制功能、控制形式、控制方式的不同和 多控制过程日趋复杂，对控制系统的要求越来越高。 多控制过程日趋复杂，对控制系统的要求越来越高。微机控制系统的引用 在许多方面能满足机电一体化控制系统的要求。 ，在许多方面能满足机电一体化控制系统的要求。 微机控制系统：是将微型计算机作为机电一体化产品的控制器， 微机控制系统：是将微型计算机作为机电一体化产品的控制器，结合 微型计算机的工作原理、接口电路（数字和模拟）的设计、 微型计算机的工作原理、接口电路（数字和模拟）的设计、相应的控制硬 件和软件，以及它们之间的匹配，实现对控制对象的有效控制。 件和软件，以及它们之间的匹配，实现对控制对象的有效控制。 常用的微机控制系统： 常用的微机控制系统： 专用微机控制系统—— 核心部件为单片机和单板机。 核心部件为单片机和单板机。 专用微机控制系统 通用微机控制系统 核心部件为可编程控制器和工业控制计算机。 通用微机控制系统—— 核心部件为可编程控制器和工业控制计算机。 微机控制系统
（2）确定控制算法 ）
目的在于确定微机控制系统输入/ 目的在于确定微机控制系统输入/输出之间的数字和逻辑 数学模型的数学表达方式，为控制系统输出的控制信号， 数学模型的数学表达方式，为控制系统输出的控制信号，实现 被控制对象的各控制功能、精度、稳定性、 被控制对象的各控制功能、精度、稳定性、可靠性等要求提高 可靠的理论依据。 可靠的理论依据。 常用的控制算法： 常用的控制算法： 逐点比较法、数字积分法、PID调节控制法、 逐点比较法、数字积分法、PID调节控制法、最小拍控制法 调节控制法 最优控制法、随机控制法、自适用控制法、遗传控制法、 、最优控制法、随机控制法、自适用控制法、遗传控制法、模 糊控制法、鲁棒控制法、神经网络控制法、专家系统等 糊控制法、鲁棒控制法、神经网络控制法、专家系统等。 选用何种控制算法，应依据被控制对象的具体要求而定， 选用何种控制算法，应依据被控制对象的具体要求而定， 主要包括控制功能、精度、稳定性、可靠性等。 主要包括控制功能、精度、稳定性、可靠性等。
（1）PLC的基本工作原理与构成 ） 的基本工作原理与构成
工作原理：使用可编程存储器存储用户设计的应用程序指令，由指令实现 工作原理 使用可编程存储器存储用户设计的应用程序指令， 使用可编程存储器存储用户设计的应用程序指令 逻辑运算、顺序操作、定时、计数、算术运算和I/O接口通讯来控制机电一体 逻辑运算、顺序操作、定时、计数、算术运算和 接口通讯来控制机电一体 化系统（产品）。 化系统（产品）。 基本构成：主要由微处理器（ ）、存储器 基本构成：主要由微处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM、E2PROM）、 ）、存储器（ 、 、 ）、 I/O接口（数字、模拟）、编程接口、编程器（含显示）等组成。 接口（数字、模拟）、编程接口、编程器（含显示）等组成。 接口 ）、编程接口
（6）系统调 ）
微机控制系统设计完成后，需对整个系统进行调试， 微机控制系统设计完成后，需对整个系统进行调试， 以便达到设计要求。调试步骤包括硬件调试、软件调试、 以便达到设计要求。调试步骤包括硬件调试、软件调试、 系统调试三大步骤。 系统调试三大步骤。
５.２ 可编程逻辑控制器 ２ 可编程逻辑控制器(PLC)
５.1.1 控制系统硬件与软件方案选择
在确定微机控制系统时，应重点考虑几方面的问题。 在确定微机控制系统时，应重点考虑几方面的问题。 （1）专用/通用微型计算机的选择 ）专用/ 1）专用控制系统的构成与特点 专用控制系统的构成与特点 用于大批量生产的机电一体化产品。 用于大批量生产的机电一体化产品。具有机械电子有机 结合紧凑，由专用 芯片 接口电路、执行元件、 芯片、 结合紧凑，由专用IC芯片、接口电路、执行元件、传感器等 相互合理匹配成专用控制器， 相互合理匹配成专用控制器，软件采用专用机器代码或语言 ，可靠性强，成本低，但适应能力较差。 可靠性强，成本低， 适应能力较差。
（2）硬件与软件的权衡 /匹配 ）
任何微机控制系统的控制功能，既可以由硬件实现， 任何微机控制系统的控制功能，既可以由硬件实现，也 可以由软件实现， 可以由软件实现，两者的合理匹配是确定或选用微机控制 系统研究内容之一。 系统研究内容之一。 主要依据经济性、可靠性、适用性等要求来决定。 主要依据经济性、可靠性、适用性等要求来决定。 经济性 等要求来决定 主要用通用分离元件组成的控制系统——最好采用软件 ★ 主要用通用分离元件组成的控制系统 最好采用软件 来实现对机电一体化产品的主要控制功能，接口少， 来实现对机电一体化产品的主要控制功能，接口少，易于 调整，适应能力强，但成本较高。 调整，适应能力强，但成本较高。