机械系统微机控制 第四章. 机械系统微机控制系统的设计

4.1.2微机控制系统的设计方法及步骤
1. 确定系统整体控制方案
第一：要从系统构成上考虑，是采用开环控 制还是闭环控制。
第二：选择检测元件。
第三：考虑执行机构采用什么方案，是采用 电机驱动、液压驱动还是其他方式驱动，比 较各种方案，择优而用。
第四：考虑是否有特殊控制要求。
2. 确定控制算法
• 目的在于确定微机控制系统输入/输出之间的的 数学表达方式，实现被控制对象的各控制功能.为 保证控制系统的精度、稳定性、可靠性等要求提 供可靠的理论依据。
•微机控制系统： • 是以微型计算机作为控制系统的核心，结合微型计算机的 工作原理、接口电路，设计相应的硬件和软件，以及它们之 间的匹配，实现对控制对象的有效控制。
控制系统:被控环节、控制器环节和反馈环节三部分。 控制系统设计的主要任务:对控制器进行设计
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。 • 通用微机控制系统—— 核心部件为PLC和工业算机。
变换器：变换器是各种传感器的总称，它采集现场的各种信 号，并变换成电信号(电压信号或电流信号)，以满足单片机的输 入要求。现场信号有各种各样，有电信号，如电压、电流、电磁 量等；也有非电量信号，如温度、湿度、压力、流量、位移量等， 对于不同物理量应选择相应的传感器。
图6.1 典型单片机应用系统结构
1．前向通道的组成及其特点
前向通道是单片机与测控对象相连的部分，是应用系统的数 据采集的输入通道。
来自被控对象的现场信息有多种多样。按物理量的特征可分 为模拟量和数字、开关量两种。
对于数字量(频率、周期、相位、计数)的采集，输入比较简 单。它们可直接作为计数输入、测试输入、I/O口输入或中断源输 入进行事件计数、定时计数，实现脉冲的频率、周期、相位及记 数测量。对于开关量的采集，一般通过I/O口线或扩展I/O 口线直 接输入。一般被控对象都是交变电流、交变电压、大电流系统。 而单片机属于数字弱电系统，因此在数字量和开关量采集通道中， 要用隔离器件进行隔离(如光电耦元器件)。
第四章. 机械系统微机控制系统的设计
4.1 微机控制系统设计概述
4.1.1 微机控制系统设计基本要求和特点 4.1.2 微机控制系统设计方法和步骤
4.2 MCS-51单片机应用系统设计
4.2.1 单片机应用系统结构与应用系统的设计内容 4.2.2 单片机应用系统的设计 4.2.3 单片机应用系统举例
• 常用的控制算法：有 直接数字控制、、PID调节 控制法、、模糊控制法等。
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。
3. 选择微型计算ຫໍສະໝຸດ Baidu和外围设备
（1）较完善的中断系统 （2）足够的存储容量 （3）完备的输入输出通道和实时时钟 （4）字长 （5）速度 （6）指令种类和数量 （7）寻址范围和寻址方式 （8）内部存储器的种类和数量
画系统程序框图
系统部件的详细设计
部件芯片老化 筛选和测试
布线及安装
调试硬件 是
硬件错否? 否
系统试运行
否 完成否? 是 结束设计
编制源程序
汇编
形成目标程序 调试和仿真 否 完成否? 是 写入EPROM
图 ： 控 制 系 统 设 计 步 骤 流 程 图
4.2 MCS-51单片机应用系统设计
概述
由于单片机具有体积小、功耗低、功能强、可靠性高、 实时性强、简单易学、使用方便灵巧、易于维护和操作、性 能价格比高、易于推广应用、可实现网络通信等技术特点。 因此，单片机在自动化装置、智能仪表、家用电器，乃至数 据采集、工业控制、计算机通信、汽车电子、机器人等领域 得到了日益广泛的应用。
4. 系统总体设计
（1）估计内存容量、进行内存分配 （2）过程通道和中断处理方式的确定 （3）系统总线的选择 （4）操作台的控制
5. 硬件和软件的具体设计
（1）硬件设计：根据系统总体框图，设计 出系统电气原理图，再按照电气原理图着 手元件的选购和开始施工设计工作。 （2）软件设计：①实时性。 ②针对性。 ③灵活性和通用性。 ④可靠性。
微机控制系统的组成
操作台
打
I/O
印
接
机
口
计
I/O 接口
A/D
多路开关
传感器及 变送器
工
算
I/O 接口
D/A
多路开关
执行机构
业
机
主
I/O
显
I/O
示
接
机
接口
终
口
端
I/O 接口
数字量输入 数字量输出
对 象
通用外 围设备
主机及 操作台
I/O接口 电路
I/O通道
信号检测 及变送
4.1.1 微机控制系统设计的基本要求和特点
1. 设计的基本要求
☻可靠性高：控制计算机工作环境恶劣、对安全性要求高 ☻操作性好：操作简单、维护方便(模块化结构、状态指示灯) ☻实时性强：对事件能及时作出反映：定时事件、随机事件 ☻通用性、扩展性好：模块化结构、标准总线 ☻经济性好：性价比高、投入产出比低 ☻保密性好：技术保密、软件加密
2. 设计特点
6. 系统联调
系统联调是要把已调好的各程序功能块按照 总体设计要求连成一个完整的程序。程序调试完 成后，还要进行在线仿真，然后进行试运行。经 过一段考机和试运行后，即可投入正式运行。
开始 控制对象的功能和工作过程分析
估算及分配I/O口,存储器 容量及外围设备
画系统工艺流程图
硬件设计
软件设计
I/O口的具体分配
单片机应用系统设计应当考虑其主要技术性能（速度 精 度 功耗 可靠性 驱动能力等），还应当考虑功能需求，应用需 求，开发条件，市场情况，可靠性需求，成本需求，尽量以 软件代替硬件等。
4.2.1 单片机应用系统结构与应用系统的设计内容
4.2.1 .1 单片机应用系统的结构
由于单片机主要用于工业测控，其典型应用系统应包括单 片机系统、用于测控目的前向传感器输入通道，后向伺服控制 输出通道以及基本的人机对话通道。大型复杂的测控系统是一 个多机系统，还包括机与机之间进行通信的互相通道。
在进行微机控制系统设计时，系统设计人员必 须把系统要执行的任务和应具备的功能合理地分配 给硬件和软件来实现，做到合理权衡硬件、软件的 配置，并尽量节省机器时间和内存空间。
合理权衡硬件、软件考虑的原则是：软件能实现的功能 尽可能由软件实现，即尽可能地用软件代硬件，以简化硬件 结构，降低成本，提高可靠性。但必须注意，由软件实现的 硬件功能，其响应时间要比直接用硬件来得长。因此，某些 功能选择以软件代硬件实现时，应综合考虑系统响应速度、 实时要求等相关的技术指标。