第6章_控制系统及接口设计(机电一体化系统设计-冯浩)
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被控对象从简单到复杂，千变万化，机电一
体化产品所采用的控制系统的形式也各有不 同。控制系统的分类方法繁多，常见的分类 方法有： 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。
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。 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。 4)按被控对象自身的特性，还可将控制系统 分成线性系统与非线性系统、确定系统与随 机系统、集中参数系统与分布参数系统、时 变系统与时不变系统等。
二、控制器的几种改进形式
1、带有死区的PID算法
在计算机控制系统中，某些系统为了避免控
制动作过于频繁，消除由于频繁动作所引起 的系统振荡和设备磨损。对一些精度要求不 太高的场合，可以采用带有死区的PID控制。
2、积分分离的PID算法 在普通的数字控制器中引入积分环节，主要是为了
口电路设计和控制算法的设计。
6.2.1单片机接口的作用和功能
单片机接口主要负责接收、解释并执行CPU
发出的命令，传送外设的状态，以及双方的 数据传输，管理双方的工作逻辑，协调它们 的工作时序。总之，单片机接口部件作为 CPU与外设之间一个界面，使得双方有条不 紊地协调工作，从而完成CPU与外界的信息 交换。 按CPU与外界交换信息的要求，一般来讲， 接口部件应具有如下功能：
消除静差，提高控制精度，但在过程的启动、停车 或大幅度改变给定值时，由于在短时间内产生很大 的偏差，往往会产生严重的积分饱和现象，以致造 成很大的超调和长时间的振荡。这是某些生产过程 所不允许的。为了克服这个缺点，可采用积分分离 方法，即在被控制量开始跟踪时，取消积分作用； 而当被控制量接近给定值时，才将积分作用投入以 消除静差。控制算法可改写为:
二、总体方案设计
根据上述功能要求，选择单片机AT89C52 构成系统，采用带有死区的PID控制算法,当 温度在给定购死区范围内时，不予调节。当 温度超出给定范围时，由单片机系统按照运 算结果驱动步进电机，调节加热装置，以控 制合成装置的温度。系统的总体方案如图所 示。
三、系统硬件构成
该系统的硬件电路由温度检测、信号放大、
需要注意的是：上述功能并非每个芯片都同
时具备，对不同的配置和不同用途的单片机 系统，其接口的功能和实现的方式有所不同， 接口电路的复杂性相差甚远。
6.2.3常用单片机接口设计
1.独立式键盘输入接口设计
例：如图6－3所示，P1.0—P1.7接8个按健；要求按一 个键则进入对应的程序段。 分析： 断是否有键按下；若有键按下，则消抖，然后把P1 的值循环移入进位位，来确定哪一个键被按下。程序流 程图如图6－4所示。
数据缓冲功能。接口中一般都设置数据寄 存器或锁存器，以解决高速CPU和低速外 设之间的矛盾，避免丢失数据。另外，这 些锁存器常常有驱动作用。 设备选择功能。微机系统中通常有多个外 设，而CPU在同一时间只能与一台外设交 换信息，这就要借助于接口的地址译码对 外设进行寻址。
信息转换功能。由于外设所能提供和所需 要的各种信号常常与微机总线信号不能兼 容，因此信号转换不可避免，它是接口设 计中的一个很重要方面。通常遇到的信号 变换包括：信号的电平转换、模/数和数/模 转换，串/并和并/串转换，数据宽度变换等。
A/D转换、单片机、温度设置电路、功率放 大及执行电路、显示报警电路等部分构成。
1．温度检测电路
图中测温元件采用Pt100为铂电阻温度传 感器。由测温元件RT和电阻元件构成桥式测 量电路，把温度变化所引起的钠电阻的阻值 变化转换成电压信号送给放大器的输入端。 由于铂电阻安装在测量现场，通过长导线接 入控制台，为了减小引线电阻的影响，采用 三线制接法。可将外界温度变化对连接导线 电阻的影响在桥路抵消掉。
第6章 控制系统及接口设计
6.1 概 述
机电一体化产品的控制系统种类繁多，但基
本结构和功能是相同的。以微控制器为基础 的数字式控制是控制系统实现的主要形式。
6.1.1 控制系统的基本构成
控制系统是机电一体化产品中重要的组成部
分，主要实现控制、协调和信息处理功能。 控制系统是由控制装置、执行机构、被控对 象及传感与检测装置所构成的整体，其基本 构成如图所示。
在实际工程中，增量式算法比位置式算法应
用广泛得多。
PID计算程序可根据精度要求和计算速度选
择定点计算和浮点计算。定点计算程序简单， 运算速度快但精度有限。浮点计算适应范围 宽、精度高，但程序复杂、运算速度慢。 在微机控制中，既要考虑控制器的计算精度， 又要考虑系统的实时性、通用性。这里给出 一种较为实用的两字节定点PID计算方法， 精度较高，程序又比较简单。总长为16位。
5.光耦合器驱动接口电路设计
光电耦合器是把发光二极管和光敏晶体管或
光敏晶闸管封装在一起，通过光信号，实现 电信号传递的器件。由于光耦合输入和输出 之间没有直接的电气连接，电信号通过光信 号传递的，所以也称光隔离器
光耦合器具有以下特点： 光耦合器的信号传递采取电－光－电形式，发光部
分和受光部分不接触，因此其绝缘电阻可高达 1010Ω以上，并能承受2000V以上的高压。被耦合 的两个部分可以自成系统不“共地”，能够实现强 电和弱电的电气隔离。 光耦合器的发光二极管是电流驱动器件，能够吸收 尖峰干扰信号，所以具有很强的噪声抑制能力。 光耦合器作为开关应用时，具有耐用、可靠性高和 高速的优点，响应时间一般为微妙级，高速型可达 纳秒级。
k
如果采样周期T取得足够小，这种逼近就会相当 准确，被控制的过程与连续过程将十分接近，称 为“准连续控制”。
上式提供了执行机构位置（如阀门开度）的
算法，称为位置式的控制算法。当执行机构 需要的不是控制量的绝对值，而是其增量 （如驱动步进电机）时，可由上式导出增量 式控制算法。
控制算法较之位置式增量式控制算法有下列
2.LED显示接口电路设计 1）LED显示器。
动态显示和静态显示
2)LED显示接口电路设计
3．A/D转换接口电路设计
A/D转换电路的功能是将连续变化的模拟量
信号转换成数字信号. ICL7109是美国INTERSIL公司生产的双积分 式12位A/D转换器。
（1）主要技术指标：
6.2.4 PID控制算法
一、模拟PID控制器及其调节规律的数字化 所谓PID控制就是比例(Proportional) 、积分
(Integral)和微分(Differential)控制，对于实际的物 理系统，其被控对象通常都有储能元件，这就造成 系统对输入作用的响应有一定的惯性。另外，在能 量和信息传输过程中，由于管道和传输等原因会引 入一些时间上的滞后，这往往会导致系统的响应变 差，甚至不稳定。因此，为了改善系统的调节品质， 通常会在系统中引入偏差的比例调节，以保证系统 的快速性。引入偏差的积分调节以提高控制精度， 引入偏差的微分调节来消除系统惯性的影响，这就 形成了按偏差调节的系统
6.2单片机接口及控制系统设计
单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规
模集成电路技术把具有数据处理能力的中央 处理器CPU 、随机存储器RAM、只读存储 器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计 时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小 而完善的计算机系统。
单片机控制系统的设计的关键在于单片机接
6.2.5单片机控制系统举例
一、系统的功能要求： (1)对化工合成装置的温度进行检测，并按上艺要求
控制最高加热温度： (2)在升温阶段，控制合成装置的温度以每小时15℃ 的速率上升； (3)加入触媒后的温度采用恒值控制。前期为370℃， 中期为380℃，控制精度为3℃； (4)最高温度连续三次达到400℃时发出报警信号； (5)显示检测温度值； (6)留有扩充余地，以实现多回路控制。
优点。 ⑴位置式控制算法的输出量与整个过去状态 有关，计算公式中要用到偏差的累加值，容 易产生较大的累计误差。而且这样也需占用 较多的存储单元，不便于计算机编程。增量 式算法的输出量只与3个采样值有关，计算误 差或精度不足对控制量的计算影响较小。
⑵）当控制从手动切换到自动时，增量式调
节易于实现无冲击切换。另外，在计算机发 生故障时，由于执行装置本身有寄存作用， 故增量控制可使它保持原位。
四、控制算法的选择
1.控制方法的选择 为了避免执行机构的动作过于频繁 ，消除由
于频繁动作引起的震荡现象，这里采用带死 区的PID控制算法，死区的范围由实验整定。 如果太小执行机构动作频繁，机构磨损，达 不到稳定被调对象的目的。如果太大，调节 不及时，系统将产生很大的滞后，该系统选 择死区范围为－2～＋2°。
接收、解释并执行CPU命令的功能。CPU 发到外设的各种命令都是以代码的形式先 发到接口电炉，再由接口电路解释后，形 成一系列控制信号发送到外设（被控对象） 的。为了实现CPU与外设之间的联络，接 口电路还必须提供一些状态信号。
中断管理功能。当外设需要及时得到CPU的服务， 例如，在出现故障而要求CPU进行及时处理时， 就应该在接口中设置中断控制逻辑，由它完成向 CPU提出中断请求，进行中断优先级排队，接收 中断响应信号以及向CPU提供中断向量等有关中 断事务工作，这样除了能使CPU实时处理紧急情 况外，还能使快速CPU与慢速外设并行工作，从 而提高CPU的效率。 可编程功能。为使接口具有较强的通用性、灵活 性和可扩充性，现在的接口芯片多数是可编程的， 这样在不改变硬件的条件下，只改变驱动程序就 可以改变接口的工作方式和功能，以适应不同的 用途。
表示A/D正在转换，低电平表示转换结束。 RUN/HOLD：高电平表示启动连续转换；低 电平表示转换停止。
P1.4~P1.7
4.功率接口电路设计
在机电一体化产品中，被控对象所需要的驱
动功率一般比较大，而计算机发出的数字控 制信号的功率很小，从而必须经过功率放大 后才能用来驱动被控对象。实现功率放大功 能的接口电路称为功率接口来自百度文库路。
模拟PID调节器的调节规律是由硬件来实现
的。在计算机控制系统中，调节算法一般用 软件来实现，由于编程的灵活性，它使 控制 器的调节功能变得更加丰富和完善。
在计算机控制系统中，为实现调节算法，应
对微分方程式离散化。
T u(k ) K p {e(t ) TI
TD e( j ) [e(k ) e(k 1)]} T j 0
以控制系统（微电子系统）为出发点，机电
系统中各要素与子系统的相接处必须具备一 定的联系条件，这种联系条件就是接口。接 口有联系机械系统与微电子系统（控制系 统），对两者进行调整、匹配和缓冲的机电 接口；联系操作者与机电系统（主要是控制 系统），负责两者之间信息交换的人机接口。
6.1.2控制系统的分类
1)分辨率：12位； 2)噪声：15μv(峰－峰值) 3)温漂：1μV／℃； 4)输入阻抗：Ω； 5)转快速率：7．5次／秒(时钟为3.58MHz) 6)输山方式：12位二进制码
（2）主要引脚说明
B1~B12：A/D转换的具有三态的输出数据。 STATUS: ICL7109状态信号，输出，高电平
2．信号放大电路 3．A／D转换电路
4．温度设置电路
5．显示接口电路
6．功率放大及执行电路
采用步进电机作为执行元件，步进电机其作用是 将电脉冲信号转换为相应的位移量。由于步进电机 具有快速启动，精确步进以及能直接接受数字量的 特点，在工业生产过程的过程控制系统中，不用位 移传感器也能实现精确定位，冈而得到广泛应用。 该系统采用相反应式步进电机，型号为55BF004— Ⅱ，主要参数如下： 1）步距角：1.5°/3°： 2）最人静力矩：50kg.cm 3）最高空载起动频率：550步/秒 4）相数：三相 5）额定电流：0.5A。
体化产品所采用的控制系统的形式也各有不 同。控制系统的分类方法繁多，常见的分类 方法有： 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。
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。 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。 4)按被控对象自身的特性，还可将控制系统 分成线性系统与非线性系统、确定系统与随 机系统、集中参数系统与分布参数系统、时 变系统与时不变系统等。
二、控制器的几种改进形式
1、带有死区的PID算法
在计算机控制系统中，某些系统为了避免控
制动作过于频繁，消除由于频繁动作所引起 的系统振荡和设备磨损。对一些精度要求不 太高的场合，可以采用带有死区的PID控制。
2、积分分离的PID算法 在普通的数字控制器中引入积分环节，主要是为了
口电路设计和控制算法的设计。
6.2.1单片机接口的作用和功能
单片机接口主要负责接收、解释并执行CPU
发出的命令，传送外设的状态，以及双方的 数据传输，管理双方的工作逻辑，协调它们 的工作时序。总之，单片机接口部件作为 CPU与外设之间一个界面，使得双方有条不 紊地协调工作，从而完成CPU与外界的信息 交换。 按CPU与外界交换信息的要求，一般来讲， 接口部件应具有如下功能：
消除静差，提高控制精度，但在过程的启动、停车 或大幅度改变给定值时，由于在短时间内产生很大 的偏差，往往会产生严重的积分饱和现象，以致造 成很大的超调和长时间的振荡。这是某些生产过程 所不允许的。为了克服这个缺点，可采用积分分离 方法，即在被控制量开始跟踪时，取消积分作用； 而当被控制量接近给定值时，才将积分作用投入以 消除静差。控制算法可改写为:
二、总体方案设计
根据上述功能要求，选择单片机AT89C52 构成系统，采用带有死区的PID控制算法,当 温度在给定购死区范围内时，不予调节。当 温度超出给定范围时，由单片机系统按照运 算结果驱动步进电机，调节加热装置，以控 制合成装置的温度。系统的总体方案如图所 示。
三、系统硬件构成
该系统的硬件电路由温度检测、信号放大、
需要注意的是：上述功能并非每个芯片都同
时具备，对不同的配置和不同用途的单片机 系统，其接口的功能和实现的方式有所不同， 接口电路的复杂性相差甚远。
6.2.3常用单片机接口设计
1.独立式键盘输入接口设计
例：如图6－3所示，P1.0—P1.7接8个按健；要求按一 个键则进入对应的程序段。 分析： 断是否有键按下；若有键按下，则消抖，然后把P1 的值循环移入进位位，来确定哪一个键被按下。程序流 程图如图6－4所示。
数据缓冲功能。接口中一般都设置数据寄 存器或锁存器，以解决高速CPU和低速外 设之间的矛盾，避免丢失数据。另外，这 些锁存器常常有驱动作用。 设备选择功能。微机系统中通常有多个外 设，而CPU在同一时间只能与一台外设交 换信息，这就要借助于接口的地址译码对 外设进行寻址。
信息转换功能。由于外设所能提供和所需 要的各种信号常常与微机总线信号不能兼 容，因此信号转换不可避免，它是接口设 计中的一个很重要方面。通常遇到的信号 变换包括：信号的电平转换、模/数和数/模 转换，串/并和并/串转换，数据宽度变换等。
A/D转换、单片机、温度设置电路、功率放 大及执行电路、显示报警电路等部分构成。
1．温度检测电路
图中测温元件采用Pt100为铂电阻温度传 感器。由测温元件RT和电阻元件构成桥式测 量电路，把温度变化所引起的钠电阻的阻值 变化转换成电压信号送给放大器的输入端。 由于铂电阻安装在测量现场，通过长导线接 入控制台，为了减小引线电阻的影响，采用 三线制接法。可将外界温度变化对连接导线 电阻的影响在桥路抵消掉。
第6章 控制系统及接口设计
6.1 概 述
机电一体化产品的控制系统种类繁多，但基
本结构和功能是相同的。以微控制器为基础 的数字式控制是控制系统实现的主要形式。
6.1.1 控制系统的基本构成
控制系统是机电一体化产品中重要的组成部
分，主要实现控制、协调和信息处理功能。 控制系统是由控制装置、执行机构、被控对 象及传感与检测装置所构成的整体，其基本 构成如图所示。
在实际工程中，增量式算法比位置式算法应
用广泛得多。
PID计算程序可根据精度要求和计算速度选
择定点计算和浮点计算。定点计算程序简单， 运算速度快但精度有限。浮点计算适应范围 宽、精度高，但程序复杂、运算速度慢。 在微机控制中，既要考虑控制器的计算精度， 又要考虑系统的实时性、通用性。这里给出 一种较为实用的两字节定点PID计算方法， 精度较高，程序又比较简单。总长为16位。
5.光耦合器驱动接口电路设计
光电耦合器是把发光二极管和光敏晶体管或
光敏晶闸管封装在一起，通过光信号，实现 电信号传递的器件。由于光耦合输入和输出 之间没有直接的电气连接，电信号通过光信 号传递的，所以也称光隔离器
光耦合器具有以下特点： 光耦合器的信号传递采取电－光－电形式，发光部
分和受光部分不接触，因此其绝缘电阻可高达 1010Ω以上，并能承受2000V以上的高压。被耦合 的两个部分可以自成系统不“共地”，能够实现强 电和弱电的电气隔离。 光耦合器的发光二极管是电流驱动器件，能够吸收 尖峰干扰信号，所以具有很强的噪声抑制能力。 光耦合器作为开关应用时，具有耐用、可靠性高和 高速的优点，响应时间一般为微妙级，高速型可达 纳秒级。
k
如果采样周期T取得足够小，这种逼近就会相当 准确，被控制的过程与连续过程将十分接近，称 为“准连续控制”。
上式提供了执行机构位置（如阀门开度）的
算法，称为位置式的控制算法。当执行机构 需要的不是控制量的绝对值，而是其增量 （如驱动步进电机）时，可由上式导出增量 式控制算法。
控制算法较之位置式增量式控制算法有下列
2.LED显示接口电路设计 1）LED显示器。
动态显示和静态显示
2)LED显示接口电路设计
3．A/D转换接口电路设计
A/D转换电路的功能是将连续变化的模拟量
信号转换成数字信号. ICL7109是美国INTERSIL公司生产的双积分 式12位A/D转换器。
（1）主要技术指标：
6.2.4 PID控制算法
一、模拟PID控制器及其调节规律的数字化 所谓PID控制就是比例(Proportional) 、积分
(Integral)和微分(Differential)控制，对于实际的物 理系统，其被控对象通常都有储能元件，这就造成 系统对输入作用的响应有一定的惯性。另外，在能 量和信息传输过程中，由于管道和传输等原因会引 入一些时间上的滞后，这往往会导致系统的响应变 差，甚至不稳定。因此，为了改善系统的调节品质， 通常会在系统中引入偏差的比例调节，以保证系统 的快速性。引入偏差的积分调节以提高控制精度， 引入偏差的微分调节来消除系统惯性的影响，这就 形成了按偏差调节的系统
6.2单片机接口及控制系统设计
单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规
模集成电路技术把具有数据处理能力的中央 处理器CPU 、随机存储器RAM、只读存储 器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计 时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小 而完善的计算机系统。
单片机控制系统的设计的关键在于单片机接
6.2.5单片机控制系统举例
一、系统的功能要求： (1)对化工合成装置的温度进行检测，并按上艺要求
控制最高加热温度： (2)在升温阶段，控制合成装置的温度以每小时15℃ 的速率上升； (3)加入触媒后的温度采用恒值控制。前期为370℃， 中期为380℃，控制精度为3℃； (4)最高温度连续三次达到400℃时发出报警信号； (5)显示检测温度值； (6)留有扩充余地，以实现多回路控制。
优点。 ⑴位置式控制算法的输出量与整个过去状态 有关，计算公式中要用到偏差的累加值，容 易产生较大的累计误差。而且这样也需占用 较多的存储单元，不便于计算机编程。增量 式算法的输出量只与3个采样值有关，计算误 差或精度不足对控制量的计算影响较小。
⑵）当控制从手动切换到自动时，增量式调
节易于实现无冲击切换。另外，在计算机发 生故障时，由于执行装置本身有寄存作用， 故增量控制可使它保持原位。
四、控制算法的选择
1.控制方法的选择 为了避免执行机构的动作过于频繁 ，消除由
于频繁动作引起的震荡现象，这里采用带死 区的PID控制算法，死区的范围由实验整定。 如果太小执行机构动作频繁，机构磨损，达 不到稳定被调对象的目的。如果太大，调节 不及时，系统将产生很大的滞后，该系统选 择死区范围为－2～＋2°。
接收、解释并执行CPU命令的功能。CPU 发到外设的各种命令都是以代码的形式先 发到接口电炉，再由接口电路解释后，形 成一系列控制信号发送到外设（被控对象） 的。为了实现CPU与外设之间的联络，接 口电路还必须提供一些状态信号。
中断管理功能。当外设需要及时得到CPU的服务， 例如，在出现故障而要求CPU进行及时处理时， 就应该在接口中设置中断控制逻辑，由它完成向 CPU提出中断请求，进行中断优先级排队，接收 中断响应信号以及向CPU提供中断向量等有关中 断事务工作，这样除了能使CPU实时处理紧急情 况外，还能使快速CPU与慢速外设并行工作，从 而提高CPU的效率。 可编程功能。为使接口具有较强的通用性、灵活 性和可扩充性，现在的接口芯片多数是可编程的， 这样在不改变硬件的条件下，只改变驱动程序就 可以改变接口的工作方式和功能，以适应不同的 用途。
表示A/D正在转换，低电平表示转换结束。 RUN/HOLD：高电平表示启动连续转换；低 电平表示转换停止。
P1.4~P1.7
4.功率接口电路设计
在机电一体化产品中，被控对象所需要的驱
动功率一般比较大，而计算机发出的数字控 制信号的功率很小，从而必须经过功率放大 后才能用来驱动被控对象。实现功率放大功 能的接口电路称为功率接口来自百度文库路。
模拟PID调节器的调节规律是由硬件来实现
的。在计算机控制系统中，调节算法一般用 软件来实现，由于编程的灵活性，它使 控制 器的调节功能变得更加丰富和完善。
在计算机控制系统中，为实现调节算法，应
对微分方程式离散化。
T u(k ) K p {e(t ) TI
TD e( j ) [e(k ) e(k 1)]} T j 0
以控制系统（微电子系统）为出发点，机电
系统中各要素与子系统的相接处必须具备一 定的联系条件，这种联系条件就是接口。接 口有联系机械系统与微电子系统（控制系 统），对两者进行调整、匹配和缓冲的机电 接口；联系操作者与机电系统（主要是控制 系统），负责两者之间信息交换的人机接口。
6.1.2控制系统的分类
1)分辨率：12位； 2)噪声：15μv(峰－峰值) 3)温漂：1μV／℃； 4)输入阻抗：Ω； 5)转快速率：7．5次／秒(时钟为3.58MHz) 6)输山方式：12位二进制码
（2）主要引脚说明
B1~B12：A/D转换的具有三态的输出数据。 STATUS: ICL7109状态信号，输出，高电平
2．信号放大电路 3．A／D转换电路
4．温度设置电路
5．显示接口电路
6．功率放大及执行电路
采用步进电机作为执行元件，步进电机其作用是 将电脉冲信号转换为相应的位移量。由于步进电机 具有快速启动，精确步进以及能直接接受数字量的 特点，在工业生产过程的过程控制系统中，不用位 移传感器也能实现精确定位，冈而得到广泛应用。 该系统采用相反应式步进电机，型号为55BF004— Ⅱ，主要参数如下： 1）步距角：1.5°/3°： 2）最人静力矩：50kg.cm 3）最高空载起动频率：550步/秒 4）相数：三相 5）额定电流：0.5A。