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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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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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。
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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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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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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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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。
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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。
（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。
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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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
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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