1、机电一体化概论机电一体化概论第第2章章 机电一体化的系统组成机电一体化的系统组成 2.4 控制单元控制单元 2.4 控制单元控制单元2.4.1 控制单元基础控制单元基础2.4.2 常用控制器常用控制器2.4.3 控制原理与策略控制原理与策略2.4.1 控制单元基础控制单元基础 当机电一体化系统要想实现某种控制，需要将一些功能块集中在一起，这就形成了控制单元。其作用是将输入信号与输出信号之间建立起一定的对应控制关系。1.1.控制单元作用控制单元作用2.2.控制单元分类控制单元分类 交通灯汽车倒车雷达居民楼恒压供水A8随动转向大灯全自动洗衣机巡航导弹磁悬浮列车烟草生产线工业锅炉除氧器混合动力电动汽
2、车船舶自动驾驶3.3.控制单元基本性能要求控制单元基本性能要求（1）稳定性（2）快速性（3）准确性 4.4.控制单元组成控制单元组成 人人“穿针引线穿针引线”的控制过程。的控制过程。针和线是输入信号，针孔和线相对位置是输出信号。通过人的眼睛检测针孔和线的实际位置，将信息反馈给大脑进行处理，大脑发出指令传递给肌肉，肌肉带动手动作，来调节针孔和线的相对位置。在这个控制过程中人的大脑就是控制单元。常用控制器：单片机、PLC、DSP、工控机、现场总线等。单片机PLCDSP5.5.控制单元发展方向控制单元发展方向（1）20世纪4050年代形成了经典控制理论。（2）20世纪60 70年代形成了现代控制理论
3、。（3）20世纪80年代以来形成了智能控制。2.4.2 常用控制器常用控制器 1.1.单片机单片机 将微处理器、存储器、I/O接口电路集成在一片电路芯片上，就构成了单芯片微型计算机，简称单片机单片机。q单片机基本结构单片机基本结构 单片机内部结构由中央处理器（CPU）、存储器、时钟电路、I/O口和基本功能单元等组成。q 单片机引脚封装单片机引脚封装封装形式有两种：双列直插式封装（DIP）和方形封装。AT89C51的双列直插式封装有40个引脚，与其他51系列单片机引脚是兼容的。40个引脚可分为I/O端口线、电源线、控制线、外接晶体线四部分。q 单片机特点单片机特点 性能价格比高；系统结构简单，使
4、用方便；芯片集成度高，实现模块化；可靠性高，可达到106小时无故障；体积小，价格低，应用灵活。q 单片机应用领域单片机应用领域高精度数控恒流源 无线对讲机 呼吸机 航天测控系统 婴儿看护器 汽车DPS导航 q 单片机编程语言单片机编程语言 单片机常用的编程语言有4种：汇编语言、C语言、PL/M 和 BASIC语言。q 单片机接口单片机接口单片机常用的外设：键盘、显示器、打印机、A/D和D/A转换器等。D/A转换器转换器 液晶屏液晶屏 数码管数码管键盘键盘A/D转换器转换器打印机打印机单片机单片机q 单片机应用实例单片机应用实例 以仓储多点温度采集系统为例介绍。系统以AT89C51微处理器为控制
5、核心，通过3个温度传感器监测粮仓内不同点处温度，并借用液晶显示屏实时显示采集到的温度值。若温度检测值超过预设值，发出声光警示。思 考 题 典型的51系列单片机：美国Intel公司的MCS48系列、MCS51系列、MCS96系列单片机；美国Atmel公司的AT89系列单片机；美国Motorola公司的6801、6802、6803、6805和68HC11系列单片机；美国Zilog公司的Z8、Super8系列单片机；美国Fairchild公司的F8和3870系列单片机；美国TI公司的TMS7000系列单片机；美国NS公司的NS8070系列单片机；日本NEC公司的PD7800系列单片机；日本Hitac
6、hi公司的HD6301、HD6305系列单片机2.2.PLC PLC是可编程序控制器的简称，是在继电器接触器控制和计算机控制的基础上发展起来的，是以微处理器为控制核心，融合自动控制技术、半导体集成技术、计算机技术和通信技术等为一体的新型通用的工业自动控制装置。西门子S7-200 PLC 松下FP1-C24 PLC q PLC系统组成系统组成 PLC系统由硬件部分和软件部分构成。PLC硬件部分主要由中央处理器、存储器、输入/输出部件、电源和编程器等组成。PLC软件部分包括系统软件和应用软件两部分。目前PLC的标准编程语言有顺序功能图、梯形图、功能块图、指令表和结构文本5种。现在应用最多的是梯形图
7、语言，形象直观、逻辑关系明显。三相异步电动机的自锁控制梯形图。X0、X1为输入继电器，Y0为输出继电器。PLC梯形图 指令表 PLC的编程手段有两种：手持编程器手持编程器利用计算机的编程软件利用计算机的编程软件q PLC主要控制功能及特点主要控制功能及特点 PLC主要控制功能主要控制功能包括定时/计数控制功能，数据处理功能，步进控制功能，运动控制功能，过程控制功能，数/模转换功能，监控功能，扩展功能，远程输入/输出功能，通信联网功能。PLC工作特点工作特点可靠性高、可操作性强、设计周期短、体积小、能耗低。q PLC工作方式工作方式 PLC采用循环扫描的工作方式。为了理解方便，PLC一个工作过程
8、近似的分为三个阶段：输入刷新阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。完成三个阶段的时间称为一个扫描周期。q PLC通信与网络通信与网络 以松下FP1系列PLC为例，PLC的通信方式大体分为三种：FP1 与计算机PC之间的通信 FP1 与上位机PLC的通信 FP1 与外围设备之间的通信 q PLC应用领域与实例应用领域与实例以警报系统为例，系统的控制要求为：以警报系统为例，系统的控制要求为：过程一：当控制系统发生故障时，能及时报警，即警灯闪烁，警 铃响；过程二：当操作人员发现报警时，按响应开关以示响应。这时 警灯变为常亮，警铃停响；过程三：故障排除，报警信号撤消，警灯灭；过程四：按下检查开关，警灯亮，
9、否则指示灯坏，应更换。采用FP1-C14型PLC进行分析。I/O地址分配连接的外部设备I/O地址分配 连接的外部设备 X0 报警信号SB1 Y0 警灯 X1 响应开关SB2 Y1 警铃 X2 检查开关SB3I/O 地址分配 根据输入、输出信号画出控制系统的时序图 编写梯形图程序 PLC 接口 PLC输入端子接线示意图 PLC 输入端子实物接线图 PLC输出端子接线示意图 PLC输出端子实物接线图 PLC 接口 思 考 题 单片机：应用于数字采集和工业控制PLC：应用于工业现场的自动化控制3.DSP DSP是数字信号处理器的简称，是一种专门用于数字信号处理运算的、具有特殊内部结构的可编程微处理器
10、。q DSP 特点特点在单指令周期内可完成一次乘法和一次加法运算；程序存储器和数据存储器独立编址、独立访问、具有独立的程序总线和数据总线，处理指令和数据可并行完成；具有流水线，使取指令、译码、取数和执行等操作可重叠起来进行；片内存储器处理速度快，可以多块存储器并行访问；具有特殊的DSP指令，专门为实现数字信号处理的算法设置；具有快速中断处理和I/O支持能力；可以大规模集成，可靠性高，处理速度快 q DSP 系统构成及工作过程系统构成及工作过程 一个典型的DSP系统包括抗混叠滤波器、A/D转换器、DSP芯片、D/A转换器和抗镜像滤波器等。q DSP 应用领域应用领域q DSP 接口接口以TI公司
11、的 TMS320C54x 为例来介绍DSP接口。q DSP 编程语言编程语言DSP有汇编语言、C语言和混合编程三种编程方式。思 考 题 DSP与单片机的最大区别是DSP能够高速、实时地进行数字信号处理运 算。单片机的位控能力强，I/O接口种类繁多，片内外设和控制功能丰富、价格低、使用方便，但与DSP相比，信号处理速度较慢；DSP具有高速并行结构及指令、多总线，而单片机没有；DSP处理的算法复杂度和强大的数据处理流量，单片机无法可比。4.工控机工控机 工控机工控机是工业控制计算机的简称，又名IPC，是为工业现场应用而设计的计算机。q 功能及特点功能及特点 主要功能：数据处理；顺序控制；周期性巡回
12、检测；直接数字 控制；监控；反馈指导操作；通信联网等。特 点：实时在线检测与控制、工作时间长、可靠性高、工作环境适应性好、编程语言丰富、扩展空间大、输入/输出能力强。q 组成组成全钢机箱全钢机箱工业电源工业电源无源底板无源底板 工控机主要由全钢机箱、无源底板、工业电源、CPU卡以及鼠标、键盘、显示器、硬盘等附件组成。q 应用领域应用领域楼宇监控系统楼宇监控系统路桥收费系统路桥收费系统柜台收银系统柜台收银系统加油系统加油系统5.5.现场总线现场总线 现场总线现场总线是将各个分散的现场设备作为网络节点连接起来，实现现场设备之间以及现场设备与高级控制系统之间双向数字式通信的标准总线。q 现场总线的特
13、点现场总线的特点全数字通信，传输精度高，消除模拟信号的瓶颈现象。适应工业应用环境，既是通信网络，又是自控网络。设备间互操作性和互换性。实时性强，可靠性高，安全性好。传输的数据及其相关信息，多为短帧传送。通信传输速率低，传输距离远。q 主流现场总线的介绍主流现场总线的介绍基金会现场总线FF控制器局域网CAN LonWorksDeviceNetProfibusHartCC-LinkInterBusControlNet2.4.3 控制原理与策略控制原理与策略 1.1.控制原理控制原理 自动控制系统主要有两种基本的控制方式：开环控制和闭环控制。q 开环控制开环控制 开环控制是指系统输入量对输出量实行单
14、方向的控制，并没有对输出量结果进行检测。以直流电动机调压调速系统为例，说明开环控制。对干扰信号的调节对干扰信号的调节 当系统受到外界干扰，假设直流电动机所带负载增加 回路电流 增大 电动机的转速 降低 aIn对给定信号的调节对给定信号的调节 当给定电压信号 变化时，假设 增加 晶闸管控制角 小 晶闸管整流电路输出电压平均值 增大 直流电动机转速 升高 gUgUdUn 优点：优点：系统结构简单，维修方便，成本低，不存在稳定性问题。缺点：缺点：抗干扰能力差，控制精度低，对外界干扰产生的偏差没有自动补偿修正功能。开环控制的特点开环控制的特点q 闭环控制闭环控制 闭环控制是指系统对输出量结果进行检测，
15、并将检测信号变换送至系统输入端，与输入量比较后进行控制，直至将系统扰动产生的偏差修正过来。仍以直流电动机调压调速系统为例，说明闭环控制。仍以直流电动机调压调速系统为例，说明闭环控制。对干扰信号的调节对干扰信号的调节 当系统受到外界干扰，假设直流电动机所带负载增加 回路电流 增大 电动机的转速 降低 测速发电机输出电压 减小 分压 减小 电压偏差U 增大 放大器输出电压 增大 小 增大 转速 升高 维持电动机转速基本保持不变aIndUnTGUfUKU对给定信号的调节对给定信号的调节 当给定电压信号 变化时，假设 增加 偏差 U 增大 增大 晶闸管控制角 小 晶闸管整流电路输出电压平均值 增大 直
16、流电动机转速 升高 gUgUdUnKU 优点：优点：存在反馈环节，系统总是力图补偿和修正扰动产生的偏差，对包围在环内的一切主通道上的扰动作用都能有效抑制，控制精度高。缺点：缺点：系统结构复杂，在偏差修正过程中需要一定时间，才能将输出量补偿过来，这可能引起超调，系统存在稳定性问题。闭环控制的特点闭环控制的特点思 考 题 自动门开关控制火灾自动报警器电饭煲煮饭游泳池注水定时控制系统家用电冰箱的温度控制系统 电饭煲保温游泳池注水水位控制系统开环控制开环控制闭环控制闭环控制2.2.控制策略控制策略q PID 控制控制 PID PID控制控制是比例（P）、积分（I）、微分（D）控制，是以系统的偏差为自变
17、量，通过比例运算、积分运算、微分运算计算出控制量。系统偏差 与控制量 之间的关系可表示为：)(tu)(tudttudTdttuTtuKtudiP)()(1)()(PID控制原理框图控制原理框图 以浴缸水温调节为例，小明同学希望洗澡时的浴缸水温为38，浴缸的水龙头具有热水阀和冷水阀，可以分别向浴缸内注水，通过温度计可以实时测量浴缸的水温。小明将冷水阀调整在一个适当的流量保持不变，单纯通过热水阀的流量调整，来控制浴缸的水温。比例控制比例控制 积分控制积分控制 微分控制微分控制 PID控制是比较理想的控制策略，既具有比例的快速响应，又具有积分的消除稳态误差，还有微分的超前控制功能。调节初期，微分起作
18、用，抑制偏差的变化幅度和速度；比例起作用，快速消除偏差。调节后期，积分起作用，逐渐消除掉误差。思 考 题 参数整定找最佳，从小到大顺序查先是比例后积分，最后再把微分加曲线振荡很频繁，比例度盘要放大曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳曲线偏离回复慢，积分时间往下降曲线波动周期长，积分时间再加长曲线振荡频率快，先把微分降下来动差大来波动慢，微分时间应加长理想曲线两个波，前高后低4比1一看二调多分析，调节质量不会低q 智能控制智能控制 智能控制智能控制主要用来处理传统控制难以解决的复杂性、不确定性的控制问题。智能控制技术的主要方法有模糊控制、神经网络控制、专家控制等。模糊控制模糊控制 模糊控制模糊控制基于
19、计算机模仿人的模糊决策和推理的控制思想，以人类专家对被控对象或过程的控制策略为控制依据，运用模糊集合、模糊语言变量、模糊推理的理论知识，将精确量与模糊量相转换，从而实现计算机代替人对系统的自动控制。模糊控制器由模糊化、模糊推理、规则库和去模糊化四个功能模块组成。工作过程是在风机高速旋转的驱动下，叶轮中叶片不断对空气做功，使空气高速排出风机。同时风机前端吸尘区域中的空气就会不断补充，由此在吸尘器内部瞬间形成真空，与外界大气产生压差。在压差作用下，吸嘴处的灰尘、赃物随空气被吸入内部，经过滤尘器，灰尘、赃物留在滤袋里，空气排出吸尘器外。分析家用吸尘器的模糊控制分析家用吸尘器的模糊控制神经网络控制神经
20、网络控制 神经网络控制神经网络控制是基本不依赖于模型的一类控制，能解决复杂的非线性、不确定、不确知系统的控制问题。神经网络神经网络是一种模仿人脑神经系统结构与功能建立起来的模型，是由大量模拟生物神经元的人工神经元互连而成的网络，具有某些仿人的特征和功能。神经网络应用实例神经网络应用实例专家控制专家控制 专家控制专家控制是将专家系统思想与自动控制理论、技术相融合，实现在未知环境下仿效专家的经验，对系统进行控制。专家系统实质上是一个智能计算机程序，其运用某个领域专家的知识和经验，来模拟专家思维解决难题。专家控制器的基本结构由知识库、推理机、控制算法库、信息获取与处理四部分构成。专家控制应用实例：思 考 题模糊专家控制模糊专家控制是将模糊技术引入专家系统，采用模糊集和模糊逻辑来表示和处理知识的不确定性的专家系统。专家模糊控制专家模糊控制是将专家系统技术引入模糊控制，运用模糊逻辑原理和专家系统知识来构建控制策略的模糊控制。模糊神经网络模糊神经网络是按照模糊系统模型建立，将模糊输入信号和模糊权值输入常规的神经网络。神经网络专家控制神经网络专家控制是采用神经网络来构建，将神经网络作为前端的知识获取器，获取的知识作为网络的权值和阈值，并将网络计算输出结果输入推理机的专家系统。
