第3章机电一体化的计算机控制技术

返回第三章机电一体化的计算机控制技术返回机电一体化的计算机控制技术3.1概述3.2计算机在控制系统中的应用3.3工业控制计算机3.4数字PID控制技术3.5嵌入式系统技术3.6计算机控制系统的设计返回3.1计算机控制系统概述计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术相结合的产物。数字控制系统机电一体化产品与非机电一体化产品的本质区别在于具有计算机控制的伺服系统。同模拟控制器相比，计算机能够实现更加复杂的控制理论和算法，柔性和抗干扰能力更强。返回计算机控制系统的组成计算机控制系统是用计算机(通常称为工业控制计算机)来实现工业过程自动控制的系统。计算机控制系统由硬件和软件两部分组成。返回硬件是指计算机本身及其外围设备，一般包括中央处理器,内存储器,磁盘驱动器,各种接口电路，以A/D转换和D/A转换为核心的模拟量I/O通道、数字量I/O通道，以及各种显示、记录设备,运行操作台等。返回（1）由中央处理器、时钟电路、内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部件，主要实现数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、越限报警等功能，并通过接口电路向系统发出各种控制命令，指挥全系统有条不紊地协调工作。（2）操作台是人—机对话的联系纽带。（3）通用外围设备主要是为了扩大计算机主机的功能而配置的。返回（4）I/O接口与I/O通道是计算机主机与外部连接的桥梁。常用的I/O接口有并行接口和串行接口，I/O通道有模拟量I/O通道和数字量I/O通道。其中，模拟量I/O通道的作用是：一方面将经由传感器得到的工业对象的生产过程参数变换成二进制代码传送给计算机；另一方面将计算机输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，以实现对生产过程的控制。返回（5）传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变成电学量，如热电偶把温度变成电压信号，压力传感器把压力变成电信号等等。变送器的作用是将传感器得到的电信号转变成适用于计算机接口使用的标准的电信号（如0~10mADC）返回计算机控制系统的组成软件主要是指支持系统运行并对系统进行管理和控制的程序系统。指在进行实际控制时使用的软件。指在开发、测试控制系统时使用的软件。软件实时软件开发软件返回计算机控制系统的组成由计算机生产厂家提供的专门用来使用和管理计算机的程序。应用软件是用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。实时软件系统软件应用软件返回在计算机控制系统中，软件和硬件不是独立存在的，在设计时必须注意两者相互间的有机配合和协调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量的控制系统。计算机控制系统的组成返回计算机控制系统的原理模拟控制系统典型结构图回顾一下模拟控制系统结构返回计算机控制系统的原理计算机控制系统的工作过程分为以下几个步骤：实时数据采集实时控制决策实时控制输出上述过程不断重复，使被控变量稳定在设定值上。返回计算机控制系统的特点计算机控制系统与连续控制系统相比，具有如下特点：可以实现更复杂的控制规律具有完善的输入/输出通道具有实时控制功能可靠性高具有丰富、完善、能正确反映被控对象运动规律并对其进行有效控制的软件系统返回3.2计算机在控制系统中的应用一、计算机控制系统的分类根据计算机在控制系统中的作用过程控制系统伺服系统顺序控制系统数字控制系统返回一、计算机控制系统的分类根据计算机在控制中的应用方式操作指导控制系统直接数字控制系统监督计算机控制系统分级计算机控制系统返回操作指导控制系统在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接用来控制生产对象。返回直接数字控制系统(DDC系统)它是用一台计算机对多个被控参数进行巡回检测，检测结果与给定值进行比较，并按预定的数学模型进行运算，其输出直接控制被控对象，使被控参数稳定在给定值上。返回监督计算机控制系统在监督计算机控制SCC（SupervisoryComputerControl）系统中，计算机根据工艺参数和过程参量检测值，并按照所设计的控制算法进行计算，计算出最佳设定值后直接传送给常规模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程。SCC系统有两种类型，一种是SCC+模拟调节器，另一种是SCC+DDC控制系统。返回监督计算机控制系统(a）SCC＋模拟调节器系统(b）SCC＋DDC返回分级计算机控制系统返回分级计算机控制系统上图是一个四级计算机控制系统。其中，过程控制级为最底层，对生产设备进行直接数字控制；车间管理级负责本车间各设备间的协调管理；工厂管理级负责全厂各车间的生产协调，包括安排生产计划、备品备件等；企业（公司）管理级负责总的协调，安排总生产计划，进行企业(公司)经营方向的决策等。返回二、典型的机电一体化控制系统计算机过程控制系统用计算机对温度、压力、流量、液面和速度等过程参数进行测量与控制的系统。炉温压力热效率返回二、典型的机电一体化控制系统电动机调速系统晶闸管触发速度调节器电流调节器返回二、典型的机电一体化控制系统计算机数字程序控制系统用计算机实现顺序控制和数字程序控制是其在自动控制领域中应用的一个重要方面。返回表示出一个在线、开环、实时的简单机床数字程序控制系统的构成框图。根据所使用的软件，该系统既可以设计成平面点位控制系统，又可设计成平面轮廓控制系统。图中的微型计算机是系统的核心部件，它完成程序和数据的输入、存储、加工轨迹计算和步进电动机控制程序、显示程序、故障诊断程序等返回二、典型的机电一体化控制系统工业机器人是一种应用计算机进行控制的替代人进行工作的高度自动化系统。返回3.3工业控制计算机工业领域中，由于现场存在干扰，环境恶劣，普通计算机在工业现场不能正常运行，需使用适应工业现场的工业控制计算机（简称工控机）。它是处理来自传感器的输入信息，并把处理结果输出到执行机构去控制生产过程、同时对生产过程进行监督、管理的计算机系统。并具有较好的抗干扰性和可靠性。返回一、工业控制计算机的基本要求工业控制计算机的应用对象及使用环境的特殊性，决定了要满足以下基本要求：实时性高可靠性硬件配置的可装配可扩充性可维护性返回二、工业控制计算机的常用类型单片机可编程控制器总线式工业控制机分布式计算机控制系统返回二、工业控制计算机的常用类型返回三、单片微型计算机单片机将CPU、RAM、ROM和I/O接口集成在一块芯片上，同时还具有定时/计数、通讯和中断等功能的微型计算机。单片机可视为一个不带外部设备的计算机，相当于一个没有显示器、键盘，不带监控程序的单板机。单片机发展经历了4位、8位、16位、32位、64位机几个阶段，但8位、16位单片机仍占市场主流地位。返回三、单片微型计算机广泛用于数显、数字通信产品、智能化仪表、小型机电产品中。单片的编程与调试不方便，开发周期较长，环境适应性差，同时由于数据处理能力和接口限制，在大型工业控制系统中，一般只能辅助中央计算机系统测试一些信号的数据信息和完成单一量控制。返回用单片控制系统具有以下特点：(1)受集成度限制，片内存储器容量小;(2)可靠性高;(3)易扩展;(4)控制功能强;(5)一般的单片机内无监控程序或系统通用管理软件，软件开发工作量大.返回可编程序控制器可编程序控制器（ProgrammableController），简称可编程控制器，英文缩写为PC或PLC，是以微处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。1.概述返回PLC采用可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出控制各种类型的机械和生产过程。它的低端为继电器逻辑的代用品，而其高端实际上是一种高性能的计算机实时控制系统。它以顺序控制为主，能完成各种逻辑运算、定时、计数、记忆和算术运算等功能，既能控制开关量，又能控制模拟量。返回具有结构简单、性能优越、易于编程，灵活通用，维护方便等一系列的优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，更是得到用户的好评目前已被广泛地应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中。返回PLC功能强大提供编程软件和组态软件，方便PLC编程和上位机开发返回在可编程序控制器问世以前，在工业控制领域中，继电器控制一直占主导地位。由继电器构成的控制系统有着十分明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高，尤其是对生产工艺多变化的系统适应性更差，如果生产任务或工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构，造成了时间和资金的严重浪费。可编程器(PLC)的发展返回1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司(GM)为了适应生产工艺不断更新的需要，要求寻找一种比继电器更可靠，功能更齐全，响应速度更快的新型工业控制器，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，这十大条件是：可编程器(PLC)的发展返回1.编程方便，可在现场修改程序；2.维修方便，最好是插件式；3.可靠性高于继电器控制柜；4.体积小于继电器控制柜；5.可将数据直接送入管理计算机；6.在成本上可与继电器控制竞争；7.输入可以是交流115V；8.输出为交流115V/2A以上，能直接驱动电磁阀；9.在扩展时，原有系统只要很小变更；10.用户程序存储容量至少能扩展到4K字节。可编程器(PLC)的发展返回1969年，美国数字设备公司(DEC公司)研制出了第一台可编程控制器PDP—14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，并取得了满意的效果，可编程控制器自此诞生。可编程控制器自问世以来,发展极为迅速。1971年，日本开始生产可编程控制器。1973年，欧洲开始生产可编程控制器。到现在，世界各国的一些著名的电气工厂几乎都在生产可编程控制器装置。可编程控制器已作为一个独立的工业设备被列入生产中，成为当代电控装置的主导。可编程器(PLC)的发展返回80年代后，随着大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的微机化可编程序控制器得到了惊人的发展，使之在概念上，设计上，性能价格比等方面有了重大的突破。可编程序控制器具有了高速计数，中断技术，PID控制等功能，同时联网通信能力也得到了加强，这些都使得可编程序控制器的应用范围和领域不断扩大。可编程器(PLC)的发展返回第一代：从第一台可编程控制器诞生到70年代初期。其特点是：CPU由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器；第二代：70年代初期到70年代末期。其特点是：CPU采用微处理器，存储器采用EPROM；第三代：70年代末期到80年代中期。其特点是：CPU采用8位和16位微处理器，有些还采用多微处理器结构，存储器采用EPROM、EAROM、CMOSRAM等；第四代：80年代中期到90年代中期。PC全面使用8位、16位微处理芯片的位片式芯片，处理速度也达到1us/步；第五代：90年代中期至今。PC使用16位和32位的微处理器芯片，有的已使用RISC芯片。返回可编程序控制器的发展趋势1.向高速、大存储容量方向发展为了提高数据处理的能力，要求PLC能具有更高的响应速度和更大的存储容量。在存储容量方面，目前大型PLC是几十KB，甚至几百KB。西门子公司的S5－155V为2MB。总之,各公司都把PLC的扫描速度、存储容量作为一个重要的竞争指标。返回2.向多品种方向发展为了适应市场的需求，各厂家不断对PLC进行改进，推出功能更强、结构更完善的新产品。（1）在结构、规模上由整体结构向小型模块化方向发展，使配置更加方便灵活。例如日本三菱电机公司近年推出了超小型的FX0N、FX2N等系列PLC。在规模上向两头发展。返回2.开发更丰富I/O模块（其中包括智能模块）在增强PLC的CPU功能的同时，不断推出新的I/O模块。例如，数控模块，语音处理模块，高速计数模块，远程I/O模块，通信和人机接口模块等，在模块上逐渐向智能化方向发展。3.发展容错技术为了更进一步提高系统的可靠性，今后必须要发展容错技术。返回4.高