最新机电一体化系统设计教案04说课讲解精品课件

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PLC可编程逻辑控制器 的设计者向用户提供简明、 易学、易记的汇编语言， 也可借助于逻辑梯形图作
为编程的首选编程语言，
将一组含义(hányì)明确、
功能性强、为数不多的指
令用指令助记符表示的一
END
种直观易懂的编程方法。
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（3）PLC的应用 (yìngyòng)举例
（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）， 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。
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4.1.2 微机控制系统的设计(shèjì)思 路
（1）确定系统总体控制方案 总体控制方案确定技术路线 从系统构成上考虑控制方式（开环控制、半闭环控
光电隔离时域检测(jiǎn cè)电 路
时域响应特性
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输出阻抗/ 时间响应特性
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光电隔离(gélí)频 域
检测电路 时域响应特性
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输出阻抗(shū chū zǔ kànɡ)/
频率响应特性
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（3）光电隔离(gélí)电路的作用
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（5）软件设计
系统软件：主要(zhǔyào)有操作系统、故障诊断系统、 开发系统、信息处理系统等。
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，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。
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。
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本节重点学习微机控制系统(kònɡ zhì xì tǒnɡ)的输入/ 输出电路和信息接口设计的可靠性方法，即光电隔离电路 设计、信息转换电路设计。
4.7.1 光电隔离电路设计
（1）光电隔离电路的基本(jīběn)工作
原理与组成
Vc+5v
Vc+12v
Vc+5v
22数字数字脉冲信号脉冲信号xnhoxnho转换转换并行转换为串并行转换为串行行33数da转换转换zhunhunzhunhun模数模数adad转转换换zhunhunzhunhuna相功放电路a相功放电路a相功放电路步进电机功放电路速度控制直流伺服电动机速度反馈位置反馈第4848节节常用常用chnchnyn检测传感检测传感器的性能特点选用与微机接口器的性能特点选用与微机接口481481检测传感器的分类与基本要求检测传感器的分类与基本要求11传感器传感器将被检测对象的各种变化物理量转将被检测对象的各种变化物理量转换成电信号的一种变换器
对于操作者或编程员来讲，所指的软件设计均为应用 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、针对性、灵活性和通用性等方面要求。
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（6）系统调试
一旦微机控制系统设计完成后，需对整个
(zhěnggè)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、系统调试三大步
N
S1动 作 否 ？
Y 钻头慢进
判断： 钻头是否快接近到工件
工进开始 工 进 控 制 继 电 器 K3吸 合 工 进 控 制 接 触 器 KM3吸 合
N
S2动 作 否 ？
Y 钻头快退
判断： 孔深达到否？
钻削完毕： 快 退 控 制 继 电 器 K4吸 合 快 退 控 制 接 触 器 KM4吸 合
N
S3动 作 否 ？
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2）通用控制系统(kònɡ zhì xì tǒnɡ)的构成与特 点
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(diànlù)、执行元件、传感器，以及相互合 理匹配元件，组成具有较好通用能力的控制器。 软件采用通用平台软件系统。
R1
R2
R2
74LS04 G
去微机
G
输入信号 （来自微机）
输出信号 （去执行系统）
R1
来自机械系统
a)
b)
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（2）光电隔离电路(diànlù)的特点
光电隔离(gélí)电路通过光敏转换实现信号的单向传递， 可有效地阻断各类干扰信号，实现信号的电平转换（功率放 大）和电平极性转换(+/-)。
3）提高对负载的驱动能力。可直接驱动光控晶闸管 工作。 如果光电隔离电路与滤波电路、屏蔽电路有效的结 合起来，将会进一步提高微机控制系统的抗干扰能力。
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（4）光电耦合隔离电路(diànlù)的应用 光电隔离电路在机电控制系统(kònɡ zhì xì
主要依据经济性、可靠性、适用性等要求来 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(tiáozhěng)，适应能 力强，但成本较高。
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★ 主要用专用集成元件(yuánjiàn)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，具有廉价、可靠、处理速度快等特 点。
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。
应用：适用于多品种、中小批量生产的机电 一体化产品。
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（2）硬件与软件(ruǎn jiàn)的权衡 /匹 配
任何微机控制系统的控制功能，即可以由硬 件实现，也可以由软件实现，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。
1）可将输入(shūrù)/输出两部分的供电电源和电路 的地线分离。光电耦合输入(shūrù)、输出端之间绝缘 电阻很大（1011~1013Ω），寄生的电容很小 （0.5~2pF），因而干扰信号很难从输入(shūrù)端反 馈到输出端。
2）可进行电平转换，实现要求的电平输出，从而具 有初级功率放大作用。
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第4.6节 可编程逻辑控制器(PLC) 构成及应用(yìngyòng)举例
（1）PLC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 化系统(xìtǒng)（产品）。
机电( jīdiàn)一体化系统设计教案 04
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4.1.1 微机控制系统(kònɡ zhì xì tǒnɡ)硬件 与软件抉择和权衡
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
1）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。具有机械 电子有机结合紧凑，由专用IC芯片、接口(jiē kǒu) 电路、执行元件、传感器等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。
1）较完善的适时中断系统 实时控制(kòngzhì)能力、紧急处理能力。 2）足够的存储容量（ROM、RAM、EPROM ） 有效地保证微机系统软件、应用软件、数据处理工作的 正常运行。
3）完善的输入/输出通道 逻辑、数字、模拟通道，以及输入/输出通道接口数。 4）实时时钟控制(kòngzhì) 作为控制(kòngzhì)系统实现控制(kòngzhì)功能的基准。 除此之外，还有一些特殊要求——字长、运行速度、指 令、成本、编程难易、输入/输出接口扩展能力等。
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ห้องสมุดไป่ตู้德 达 理
骤第。4.2节 8086/8088微机的硬件结构特点 第4.3节 Z80CPU的结构特点及储存器、
输入/输出扩展接口
工
第4.4节 单片机的结构特点与最小应用
第4.5节 数字显示器及键盘的接口电路
以上四节在《微型计算机原理与应用》 和《计算机控制系统》课程中，已作为 重点加以学习(xuéxí)过，在此不做详细 讲解，请同学们复习以下，如果在下面 的章节中设计到相关知识要点，再加以
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。
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。
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（3）微型(wēixíng)计算机选择
任何微机控制(kòngzhì)系统中的微型计算机，无论被控 制(kòngzhì)对象的要求如何，对微型计算机都有一定最基 本要求。
判断： 钻头退到原位否？
Y
结束
本工序结束
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第4.7节 微机控制系统输入/输出(shūchū)的可靠性设 计
微机控制系统以及各主要功能元件（部件）的输入/输 出信号控制功能主要由硬件和软件设计来保证。
在硬件设计中，如何提高控制系统的工作可靠性，是 微机控制系统设计的重要环节之一。主要包括： 1）能可靠地传递各类控制信息 有效保证输入/输出控制信号转换的运动状态。 2）能够进行有效的信息转换 满足微机对输入/输出信息类型(lèixíng)的转换要求。如： A/D、D/A转换；平行数字信号与串行数字信号的转换； 电平信号的转换与匹配；电量与非电量的转换；强电与 弱点转换。 3）具有阻断干扰信号进入微机控制系统的能力 主要采用滤波技术、光电隔离技术、屏蔽技术等。
制、闭环控制）——传感元件选用（含精度） ——选 用/设计执行元件——考虑被控制对象特殊控制要求 （高可靠性、高精度、快速响应特性）——微机在整 个控制系统中的作用（计算、数据处理、直接/间接控 制方式、控制功能、I/O接口、外围设备等）——控制 系统成本核算。
确定微机控制系统总体控制的初步(chūbù)方案 总体方案可行性论证——总体方案技术/经济评价— —总体方案鉴定。 最终确定微机控制系统总体控制方案
基 本 构 成 ： 主 要 由 微 处 理 器 （ CPU ） 、 存 储 器 （RAM、ROM、EPROM）、I/O接口（数字、模 拟）、编程接口、编程器（含显示）等组成。
编程器 显示器
编
微处理器
程
( CPU )
接
口
存储器
(RAM ROM)
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I/O
接 口
控 制 对 象
（2）PLC的编程特点(tèdiǎn)
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微型计算机的最终(zuì zhōnɡ)确定：
可选用微型计算机主要有三种类型(lèixíng)： 单片机 —主要包括数字计算机四个基本组成部分(CPU、 EPROM、RAM、I/O)，双列直插式集成电路。 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。 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；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。 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，有多样化数据信号输入/输出接口 （COM、USB）或插槽（PCI、ISA）；但价格比较昂贵、抗 干扰能力较差。
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（2）确定(quèdìng)控制算法
目的在于确定微机控制系统输入/输出(shūchū)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 (shūchū)的控制信号，实现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。
常用的控制算法： 逐点比较法、数字积分法、PID调节控制法、最小拍控
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（4）控制系统(kònɡ zhì xì tǒnɡ)总体设计 （技术设计）
一旦被控制对象的具体要求、微型计算机、控制软件 (ruǎn jiàn)平台确定，便可进行控制系统的总体设计。
主要解决系统硬件、软件(ruǎn jiàn)和操作人员三者之 间的匹配，数据信息和控制信息交换的通讯接口设计 （硬件接口），能分时时序控制设计（应用软件(ruǎn jiàn)设计）等方面问题。 控制系统总体设计的主要内容： 1）软件(ruǎn jiàn)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(ruǎn jiàn)/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）。 3）通道设计（信号通讯方式与I/O类型）。 4）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）。
启动
夹紧装置动作
延 时 10s 冷却油 控制阀动作
上到工序结束为本工序启动信号
夹 紧 控 制 继 电 器 K1吸 合 夹 紧 控 制 接 触 器 KM1吸 合
定 时 器 T1延 时 10S后 动 作
吸 油 控 制 继 电 器 K2吸 合 喷 油 驱 动 电 磁 阀 YV吸 合
钻头快进
快 进 控 制 接 触 器 KM2吸 合