机电一体化控制系统设计

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4、控制系统的要求
机电一体化控制系统形式很多，但对控制系统都有一 个共同的要求，概括起来为稳、准、快三个方面。
1)稳定性：因闭环控制存在反馈，系统又存在惯性， 当系统参数匹配不当时，则会引起振荡而丧失工作能力， 故保持系统稳定是系统工作的首要条件。 2)准确性：指调节过程结束后输出量与给定量之间的 偏差，亦称静态精度。例如数控机床的控制精度越高，其 加工的零件精度也越高。 3)快速性：指在系统稳定的条件下，当系统的输出量 和输入量之间产生偏差时，消除这种偏差过程的快速程度
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6、基于PC机的控制系统构成要素：
软件--计算机--控制卡--信号转换装置--测控对象
7、工控机概念：
为了克服普通PC机环境适应性、抗干扰性差的弱点， 发展起了结构经过加固、元器件经过严格筛选、接插件结 合部经过强化设计、有良好抗干扰性、工作可靠性高并且 保留了PC机的总线及接口标准以及其他优点的一类微型计 算机，称为工业PC控制机。 通常各种工控机都备有种类齐全的PC总线接口模板， 包括：数字量I/O板，模拟量A/D、D/A板，频率量输入输 出板，定时器、计数器板，专用控制板，通信板以及存储 器板等，为设计制作微机控制系统提供了极大的方便。
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2)按系统输出的变化规律可将控制系统分为镇定控制系 统、程序控制系统和随动系统。 镇定控制系统也叫调节系统，它的特点是，在外界干扰 作用下使系统输出仍基本保持为常量，如恒温调节系统等 ，镇定控制系统的输入是它的设定点； 程序控制系统也叫过程控制系统，它的特点是，在外界 条件的作用下系统的输出按预定程序变化，如机床的数控 系统等。这类系统的给定值是变化的，但它是一个已知的 时间函数，或按预定的规律变化。 随动系统也叫跟踪系统，它的特点是系统的输出能相应 于输入在较大范围内按任意规律变化，如炮瞄雷达系统等 。随动系统的给定信号不仅在不断地变化，而且这种变化 是按未知规律变化的任意函数。随动系统的根本任务就是 能够自动地、连续地、精确地复现给定信号的变化规律。
10、单片机概念
单片机全称是单片微型计算机，英文为Single Chip Microcomputer。就是在一个集成电路上集成了微型计算 机的全部基本资源，包括中央处理器(CPU)、只读存储器 (ROM)、随机存储器(RAM)、定时器/计数器、串行通信及 中断系统和各种输入输出接口等多种资源。
11、单片机的特点
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5、控制微机的选择
在机电一体化系统中，控制系统是其核心。由于控制的复 杂性和多样性，各种类型的控制微机相继出现，人们在设计微 机控制系统的时候，就要根据实际情况，选择合适的主控单元 。现在使用最多的工业控制微机主要集中在PC总线工控机、STD 总线工控机、单片机或单板机组成的微机系统和可编程控制器 等几大类。 控制微机的发展历程：初期的微机控制功能大多由单板机 实现，后来随着PC机功能的增强，价格下降，出现了由PC机扩 展而成的微机控制系统，为了改进普通PC机在工业环境下的适 应性，出现了工业 PC 机，同时发展起了可靠性较高的STD总线 系统。为了替代传统的继电逻辑器件，发展起来了工业可编程 控制器（PLC）。随着半导体器件集成度的提高，集成有CPU和 基本外围接口电路的单片机也发展起来了，成为当前在机电一 体化产品中应用最广的微机芯片。
图3.1 控制系统的基本构成 华北科技学院
3、控制系统的分类
1)按控制器所依据的判定准则中是否有被控对象状态的 函数，可将控制系统分为顺序控制系统和反馈控制系统。 前者依据时间、逻辑、条件等顺序决定被控对象的运行 步骤，是一种开环控制系统。其主要优点是简单、经济、 容易维修，缺点是精度低，对环境变化和干扰十分敏感； 后者依据被控对象的运行状态决定被控对象的变化趋势 ，是一种闭环控制系统。它具有精度高、动态性能好、抗 干扰能力强等优点，缺点是结构复杂、价格昂贵等。
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12、单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是 指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对 51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片 机、晶振电路、复位电路和供电电源。
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8、基于单片机的控制系统设计内容
(1)硬件系统设计 单片机硬件系统的设计可划分为两部分: 一部分是与单片机直 接接口的数字电路的设计。如存储器和并行接口的扩展, 定时系统 、中断系统扩展, A/D、 D/A芯片的接口等。另一部分是与模拟电 路相关的电路设计, 包括信号整形、变换、隔离和选用传感器，以 及输出通道中的隔离和驱动以及执行元件的选用等。可用印制板辅 助设计软件PROTEL99SE进行硬件系统的设计。 (2)软件系统设计 单片机软件系统的设计应采用模块化的方法设计，内容包括： 软件流程图设计、软件架构设计、软件算法设计、主程序设计、功 能子程序设计和处理外部事件的中断服务程序设计等。模块化程序 设计便于代码理解与移植，提高程序的效率。Keil C51是目前常用 的单片机软件设计工具。
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3)按系统中所处理信号的形式可将控制系统分为连续控 制系统和离散控制系统。 在连续控制系统中，信号是以连续的模拟信号形式被处 理和传递的，控制器采用硬件模拟电路实现；
在离散控制系统中，主要采用计算机对数字信号进行处 理，控制器是以软件算法为主的数字控制器。
4)按被控对象自身的特性可将控制系统分成线性系统与 非线性系统、确定系统与随机系统等。
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9、单片机应用系统开发步骤
(1)确定设计方案 1)了解用户的需求, 确定总体设计方案。 2)明确设计难点与重点，并展开调研工作。产品技术手册、各种成 熟电路、专业网站、论坛等都可以利用。 (2)硬件设计 1)关键元件选型，采购清单整理。 2)单片机电路设计，包括最小系统、数字电路设计等。 3)信号输入输出通道、信号调整等模拟电路设计。 4)PCB电路板设计及制板。 (3)软件设计 采用模块化程序设计、自上向下的程序设计方法。 (4)系统调试 1)电路板的焊接与简单调试(电源、短路、开路等)。 2)软件的仿真与系统综合调试。 3)程序烧录与运行实验。 (5)系统完善 华北科技学院 (6)文档整理及产品定型
1、控制系统的地位：
在机电一体化系统中，控制系统是整个系统的核心，主要 实现控制及信息处理功能，它通过计算机接口与检测设备和驱 动系统联系，在机电一体化系统中占有相当重要的地位。
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2、控制系统的组成及工作原理：
图3.1是控制系统的基本构成图。它由控制装置、执行机 构、被控对象及传感器与检测装置等构成。工作原理：控制装 置根据给定信号和采集外界的各种信息，经过处理、分析后， 将计算结果及控制信号输出到执行机构，对被控对象加以控制 ，以实现被控对象按预定的规律或目的运行。
（1）体积小、重量轻、功耗低、功能强、性价比高。 （2）数据大都在单片机内部传送，运行速度快，抗干扰 能力强，可靠性高。 （3）结构灵活，易于组成各种微机应用系统。 （4）应用广泛，既可用于过程控制、机电一体化产品等 场合，又可用于测量仪器、医疗仪器、家用电器、计算机 网络及通讯等领域。此外在航空、航天等军工领域，单片 机应用也十分广泛。当今社会，单片机的应用无所不在。