第4章 微机控制系统选择与设计(1)

机电一体化技术

第四章微机控制系统选择与设计《机电一体化系统设计》张建民 编著 机电一体化系统设计》 高等教育出版社 四川理工学院 机械工程学院

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4.1 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、 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， 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， 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。 体化控制系统的要求。 微机控制系统： 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( 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， 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。 匹配，实现对控制对象的有效控制。 常用的微机控制系统： 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。 核心部件为单片机和单板机。 专用微机控制系统 通用微机控制系统 微机控制系统—— 核心部件为可编程控制器和工业 通用微机控制系统 计算机。 计算机。

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4.1.1 微机控制系统硬件与软件的抉择和权衡 在确定微机控制系统时，应重点考虑几方面的问题。 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 专用/ 专用 1)专用控制系统的构成与特点 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。 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、 芯片、 机结合紧凑，由专用 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， 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。 器代码或语言，可靠性强，成本低，但适应能力较差。 2)通用控制系统的构成与特点 通用控制系统的构成与特点 适用于多品种、中小批量生产的机电一体化产品，控 适用于多品种、中小批量生产的机电一体化产品， 制系统以通用微型计算机为核心， 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， 芯片、 的集成 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。 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，可

靠性高，适应性强， 软件采用通用平台软件系统，可靠性高，适应性强，但 成本高，应采取一定的抗干扰措施。 成本高，应采取一定的抗干扰措施。

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(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， 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， 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 经济性、 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。 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 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， 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。 调整，适应能力强，但成本较高。 主要用专用集成元件组成的控制系统——最好选用硬件 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、 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。 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 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， 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。 干扰措施 及可靠性，必须采取相应的抗干扰措施。

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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、 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( 选用/ 闭环控制)——传感元件选用(含精度) ——选用/设 传感元件选用 含精度) 选用 计执行元件——考虑被控制对象特殊控制要求(高可靠 考虑被控制对象特殊控制要求( 计执行元件 考虑被控制对象特殊控制要求 高精度、快速响应特性) 性、高精度、快速响应特性)——微机在整个控制系统 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、 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) 接口、 控制系统成本核算。 功能、I/O接口、外围设备等)——控制系统成本核算。 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 总体方案技术/ 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。 总体方案鉴定。 最终确定微机控制系统总体控制方案

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(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 目的在于确定微机控制系统输入/ 逻辑数学模型的数学表达方式， 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、 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。 可靠性等要求提高可靠的理论依据。 常用的控制算法： 常用的控制算法： 逐点比较法、数字积分法、PID调节控制法 调节控制法、 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、 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、 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 专家系统等。 选用何种控制算法， 选用何种控制算法，应依据被控制对象的具体要求而 主要包括控制功能、精度、稳定性、可靠性等。 定，主要包括控制功能、精度、稳定性、可靠性等。

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