矿大 机电一体化课件 第七章 计算机控制系统设计

微型计算机在机电一体化中的功用， 微型计算机在机电一体化中的功用，大致归纳 有以下几个方面： 有以下几个方面： 对机械工业生产过程的直接控制。 ① 对机械工业生产过程的直接控制。其中包括顺序控 数字程序控制和直接数字控制。 制、数字程序控制和直接数字控制。 对机械生产过程的监督和控制。 ② 对机械生产过程的监督和控制。如根据生产过程的 状态、原料和环境因素， 状态、原料和环境因素，按照预定的生产过程和数 学模型，计算出最优参数， 学模型，计算出最优参数，作为给定值指导生产的 进行；或直接将给定值送给模拟调节器， 进行；或直接将给定值送给模拟调节器，自动进行 整定、调整， 整定、调整，传送至下一级计算机进行直接数字控 制。
随着工业控制系统复杂性的增加， 随着工业控制系统复杂性的增加，对工业控制 计算机的要求也越来越高。 计算机的要求也越来越高。如基于在线辨识和在线 迭代的控制算法、基于辅助决策的控制系统、 迭代的控制算法、基于辅助决策的控制系统、基于 视觉的伺服控制等，其运算量也非常大。同样， 视觉的伺服控制等，其运算量也非常大。同样，具 有实时性要求的实时信号处理， 有实时性要求的实时信号处理，要求系统必须在有 限的时间内对外部输入信号完成指定的处理， 限的时间内对外部输入信号完成指定的处理，即信 号处理的速度必须大于等于输入信号更新的速度， 号处理的速度必须大于等于输入信号更新的速度， 而且从信号输入到处理后的信号输出的延迟必须足 够小。随着现代科技的发展， 够小。随着现代科技的发展，在有些场合控制技术 和信息处理技术已趋于融合， 和信息处理技术已趋于融合，对于计算机的要求也 越来越高。 越来越高。
① 低故障率。一般来说，要求工业控制机的平均故 低故障率。一般来说， 障间隔时间(MTBF)不应低于数千甚至上万小时。 (MTBF)不应低于数千甚至上万小时 障间隔时间(MTBF)不应低于数千甚至上万小时。 短的故障维修时间(MTTR) (MTTR)。 ② 短的故障维修时间(MTTR)。 运行效率高。一定时间内(如一年) ③ 运行效率高。一定时间内(如一年)。运行时间占 整个时间的比率一般要求99%以上。 99%以上 整个时间的比率一般要求99%以上。 （4）环境适应性 工业环境恶劣，必须采取必要的措施， 工业环境恶劣，必须采取必要的措施，以适应 高温、高湿、腐蚀、振动冲击、灰尘等环境。 高温、高湿、腐蚀、振动冲击、灰尘等环境。工业 环境电磁干扰严重，供电条件不良，工业控制机必 环境电磁干扰严重，供电条件不良， 须有极高的电磁兼容性， 须有极高的电磁兼容性，有高抗干扰能力和共模抑 制能力。 制能力。
第七章
7.1 概述
微机控制系统设计
7.1.1 控制计算机在机电一体化系统中的作用 7.1.2 机电一体化系统对控制计算机的要求 7.1.3 开放式体系结构
7.2 常用控制计算机
7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 PLC及单回路、 PLC及单回路、多回路调节器 及单回路 单片机、 单片机、DSP 工业PC PC系统 工业PC系统 现场总线
（2）实时性 工业控制机应具有时间驱动和事件驱动的能力， 工业控制机应具有时间驱动和事件驱动的能力， 要能对生产过程工况变化实时地进行监视和控制。 要能对生产过程工况变化实时地进行监视和控制。 当过程参数出现偏差甚至故障时，能迅速响应、 当过程参数出现偏差甚至故障时，能迅速响应、予 以判断和及时处理。为此，需配有实时操作系统、 以判断和及时处理。为此，需配有实时操作系统、 过程中断系统等，没有这些就无法执行工业控制任 过程中断系统等， 务。 （3）高可靠性 工业生产过程通常是昼夜连续的， 工业生产过程通常是昼夜连续的，一般的生产 装置几个月甚至一年才大修一次， 装置几个月甚至一年才大修一次，这就要求工业控 制机可靠性尽可能的高。它要求： 制机可靠性尽可能的高。它要求：
由于这两类计算机的用途不同，环境条件和使用条件不同， 由于这两类计算机的用途不同，环境条件和使用条件不同， 技术要求不同，因此这两类系统在系统结构、 技术要求不同，因此这两类系统在系统结构、设计方法和使 用方法等方面均有很大的不同。 用方法等方面均有很大的不同。工业控制机与信息处理机相 比较，具有以下主要特点： 比较，具有以下主要特点： （1）丰富的过程输入／输出功能 丰富的过程输入／ 工业控制机是与工业生产控制系统紧密结合， 工业控制机是与工业生产控制系统紧密结合，主要面向 机电产品和成套装置控制应用的要求与生产工艺过程和机械 设备相匹配的一个有机组成部分。它必须与调节控制仪表、 设备相匹配的一个有机组成部分。它必须与调节控制仪表、 显示仪表、传输接口仪表、检测仪表、执行器以及连锁保护 显示仪表、传输接口仪表、检测仪表、 系统联用，才能完成对各种设备和工艺装置的控制。因此， 系统联用，才能完成对各种设备和工艺装置的控制。因此， 除了计算机的基本部分( CPU、存储器) 除了计算机的基本部分(如CPU、存储器)外，还必须有丰富的 过程输入／输出设备和完善的外部设备， 过程输入／输出设备和完善的外部设备，这些是工业控制机 能否投入运行的重要条件。 能否投入运行的重要条件。
计算机主要承担控制量运算： PID控制 控制、 计算机主要承担控制量运算：如PID控制、 超前滞后补偿控制、 超前滞后补偿控制、现代控制和智能控制的控制 算法实现，逻辑控制和系统监控的逻辑运算以及 算法实现， 复杂机构的运动控制解算等； 复杂机构的运动控制解算等；控制输出的转换控 制和调制： 转换控制、PWM调制波和PCM调 调制波和PCM 制和调制：如D／A转换控制、PWM调制波和PCM调 制码的生成等。 制码的生成等。
对机械生产过程的参数自动检测、显示和分析处理。 ③ 对机械生产过程的参数自动检测、显示和分析处理。 在机械工业生产的过程中， 在机械工业生产的过程中，对各物理参数进行周期性 或随机性的自动测量，并显示、 或随机性的自动测量，并显示、打印记录的结果供操 作人员观测；对间接测量的参数和指标进行计算、 作人员观测；对间接测量的参数和指标进行计算、存 分析判断和处理，并将信息反馈到控制中心， 储、分析判断和处理，并将信息反馈到控制中心，制 订新的对策。 订新的对策。 ④ 对车间或全厂自动生产线的生产过程进行调度和管 如对于基于网络系统的应用， 理。如对于基于网络系统的应用，包括任务规划和管 人机交互管理、 理、人机交互管理、故障诊断和系统重构等方面的功 能。 ⑤ 直接渗透到产品中形成带有智能性的机电一体化新 产品，如机器人、智能仪器等。 产品，如机器人、智能仪器等。机电一体化系统的微 型化、多功能化、柔性化、智能化、安全、可靠、 型化、多功能化、柔性化、智能化、安全、可靠、低 价和易于操作的特性， 价和易于操作的特性，都是采用微型计算机技术的结 微型计算机技术是机电一体化中最活跃、 果。微型计算机技术是机电一体化中最活跃、影响最 大的关键技术。 大的关键技术。
二、对控制计算机的要求
机电一体化系统对控制计算机的要求主要体现 在以下几个方面： 在以下几个方面： （1）接口功能及可扩展性 在机电一体化系统的控制主回路中包含有控制 计算机与传感器的数据采集输入接口以及控制计算 机与驱动控制器的控制输出接口。 机与驱动控制器的控制输出接口。
用于控制的微处理器、单片机，或者PC和工业 用于控制的微处理器、单片机，或者PC和工业 PC 控制计算机， 控制计算机，都可以通过接口电路对其所连接输入 输出装置的数量和种类进行扩展， ／输出装置的数量和种类进行扩展，并且市场上也 提供了种类丰富的接口电路产品。例如，适用于微 提供了种类丰富的接口电路产品。例如， 处理器和单片机扩展的集成电路芯片： 处理器和单片机扩展的集成电路芯片：可编程计数 定时器芯片、可编程并行或串行接口芯片、 器／定时器芯片、可编程并行或串行接口芯片、A ／D和D／A转换器芯片、PWM信号发生器芯片，甚至 转换器芯片、PWM信号发生器芯片， 信号发生器芯片 有专用的多功能运动控制芯片等；适用于PC PC和工控 有专用的多功能运动控制芯片等；适用于PC和工控 机扩展的ISA总线和PCI总线板卡： ISA总线和PCI总线板卡 机扩展的ISA总线和PCI总线板卡：如A／D和D／A板 卡、数字I／0板卡、通信接口板卡以及其他各种功 数字I 板卡、 能强大的多功能板卡和专用板卡等。 能强大的多功能板卡和专用板卡等。
（5）丰富的应用软件 工业控制软件面向结构化、组态化发展。 工业控制软件面向结构化、组态化发展。为寻找生 产过程的最佳工况， 产过程的最佳工况，在进行控制时要建立生产过程 规律的数学模型，建立标准控制算式并加以固化。 规律的数学模型，建立标准控制算式并加以固化。 （6）技术综合性 工业控制是系统工程问题，除了要解决计算机 工业控制是系统工程问题， 的基本部分外， 的基本部分外，还需要解决它如何与被测控对象的 接口，如何适应复杂的工业环境， 接口，如何适应复杂的工业环境，如何与工艺过程 相结合等一系列问题。 相结合等一系列问题。
7.3 控制软件设计
7.3.1 概述 7.3.2 工业计算机系统的开发软件 7.3.3 机电测控应用软件设计
7.4 控制系统的选用
7.4.1 典型控制系统的特 概述 7.1.1 控制计算机在机电一体化系统中的作用
计算机性能的大幅度提高，高速、大内存和强功能， 计算机性能的大幅度提高，高速、大内存和强功能，使之 能够适应不同对象的使用要求， 能够适应不同对象的使用要求，具有解决各种复杂的信息处 理和实时控制问题的能力；大型计算机的小型化和微型化， 理和实时控制问题的能力；大型计算机的小型化和微型化， 使得计算机得以应用于各种产品、生产、办公和生活现场； 使得计算机得以应用于各种产品、生产、办公和生活现场； 大规模集成电路的批量生产和技术进步， 大规模集成电路的批量生产和技术进步，使得计算机的成本 不断下降，其价格已为一般用户和家庭所能接受， 不断下降，其价格已为一般用户和家庭所能接受，从而大大 拓宽了计算机的应用范围。微型化、低价和高性能， 拓宽了计算机的应用范围。微型化、低价和高性能，计算机 技术的巨大进步促进了工业自动化、 技术的巨大进步促进了工业自动化、办公室自动化和家庭自 动化的进程，导致了制造工业的机电一体化变革， 动化的进程，导致了制造工业的机电一体化变革，机电一体 化技术已从早期的机械电子化变为机械微电子化和机械计算 机化。在机电一体化系统中， 机化。在机电一体化系统中，微型计算机收集和分析处理信 发出各种指令去指挥和控制系统的运行， 息，发出各种指令去指挥和控制系统的运行，还提供多种人 机接口，以便观测结果， 机接口，以便观测结果，监视运行状态和实现人对系统的控 制和调整。微型计算机已成为整个机电一体化系统的核心， 制和调整。微型计算机已成为整个机电一体化系统的核心， 典型计算机控制系统如图1所示。 典型计算机控制系统如图1所示。