机电一体化系统设计教案ppt课件

,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,可编辑,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,可编辑,*,机电一体化系统设计,第四章,机电一体化系统,微机控制系统选择与设计,张建民 编著,高等教育出版社,讲授：何庆中,机 电 工 程 系,厚德达理,励志勤工,机电一体化系统设计第四章厚德达理,第,4.1节 微机控制系统,随着机电一体化系统所需的控制功能、控制形式、控制方式的不同和多控制过程日趋复杂，对控制系统的要求越来越高。微机控制系统的引用，在许多方面能满足机电一体化控制系统的要求。,微机控制系统,：,是将微型计算机作为机电一体化产品的控制器，结合微型计算机的工作原理、接口电路（数字和模拟）的设计、相应的控制硬件和软件，以及它们之间的匹配，实现对控制对象的有效控制。,常用的微机控制系统：,专用微机控制系统,核心部件为单片机和单板机。,通用微机控制系统,核心部件为可编程控制器和工业计算机。,厚德达理,励志勤工,第4.1节 微机控制系统 随着机电一体化系统所需的控制,4.1.1 微机控制系统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。,厚德达理,励志勤工,4.1.1 微机控制系统硬件与软件抉择和权衡 在确定,2）,通用控制系统的构成与特点,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、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。,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。,厚德达理,励志勤工,2）通用控制系统的构成与特点 构成：控制系统以通用微型,（,2）硬件与软件的权衡,/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。,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，适应能力强，但成本较高。,厚德达理,励志勤工,（2）硬件与软件的权衡/匹配 任何微机控制系统的控制,主要用专用集成元件组成的控制系统,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。,（,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。,厚德达理,励志勤工,主要用专用集成元件组成的控制系统最好选用硬件实现,4.1.2 微机控制系统的设计思路,（,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,厚德达理,励志勤工,4.1.2 微机控制系统的设计思路（1）确定系统总体控制方,（,2）确定控制算法,目的在于确定微机控制系统输入,/输出之间的数字和逻辑数学模型的数学表达方式，为控制系统输出的控制信号，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。,厚德达理,励志勤工,（2）确定控制算法 目的在于确定微机控制系统输入/输出之,（,3）微型计算机选择,任何微机控制系统中的微型计算机，无论被控制对象的要求如何，对微型计算机都有一定最基本要求。,1）较完善的适时中断系统,实时控制能力、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,作为控制系统实现控制功能的基准。,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。,厚德达理,励志勤工,（3）微型计算机选择 任何微机控制系统中的微型计算机，,微型计算机的最终确定：,可选用微型计算机主要有三种类型：,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。,厚德达理,励志勤工,微型计算机的最终确定：可选用微型计算机主要有三种类型,（,4）控制系统总体设计,（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（应用软件设计）等方面问题。,控制系统总体设计的主要内容：,1）软件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/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）。,厚德达理,励志勤工,（4）控制系统总体设计（技术设计）一旦被控制对象的,（,5）软件设计,系统软件,：主要有操作系统、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。,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。,厚德达理,励志勤工,（5）软件设计 系统软件：主要有操作系统、故障诊断系统、,（,6）系统调试,一旦微机控制系统设计完成后，需对整个系统进行调试，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，再加以说明。,厚德达理,励志勤工,（6）系统调试 一旦微机控制系统设计完成后，需对整个系统,第,4.6节 可编程逻辑控制器(PLC)构成及应用举例,（,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（产品）。,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。,厚德达理,励志勤工,第4.6节 可编程逻辑控制器(PLC),（,2）PLC的编程特点,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，将一组含义明确、功能性强、为数不多的指令用指令助记符表示的一种直观易懂的编程方法。,厚德达理,励志勤工,（2）PLC的编程特点 PLC可编程逻辑控制器的设,（,3）PLC的应用举例,厚德达理,励志勤工,（3）PLC的应用举例 厚德达理,第,4.7节 微机控制系统输入/输出的可靠性设计,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。,厚德达理,励志勤工,第4.7节 微机控制系统输入/输出的可靠性设计 微机,本节重点学习微机控制系统的输入,/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工作原理与组成,厚德达理,励志勤工,本节重点学习微机控制系统的输入/输出电路和信息接口设,（,2）光电隔离电路的特点,光电隔离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,(+/-)。,厚德达理,励志勤工,光电隔离时域检测电路,时域响应特性,输出阻抗,/,时间响应特性,（2）光电隔离电路的特点 光电隔离电路通过光敏转换实现信号,厚德达理,励志勤工,光电隔离频域,检测电路,时域响应特性,输出阻抗,/,频率响应特性,厚德达理