第3章机电一体化控制系统的组成与接口设计doc - 第3章：机电一体化

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1、第3章：机电一体化技术与系统中微型计算机控制系统及接口设计3.1控制系统的一般设计思路3.1.1专用与通用、硬件与软件的权衡与抉择1.专用与通用的抉择专用控制系统：适合于大批量生产的而且较成熟的机电一体化产品。通用控制系统：适合还在不断改进，结构还不十分稳定的产品。2.硬件与软件的权衡根据经济性和可靠性的标准权衡决定。例：分立元件组成硬件------软件利用LSI芯片组成电路-----软件3.1.2控制系统的一般设计思路设计步骤为：确定系统整体控制方案；确定控制算法；选用微型计算机；系统总体设计；软件设计等。1、确定系统整体控制方案（1）应了解被控对象的控制要求，构思控制系统

2、的整体方案。（2）考虑执行元件采用何种方式。（3）要考虑是否有特殊控制要求。（4）考虑微机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理，微机应承担哪些任务，为完成这些任务，微机应具备哪些功能，需要哪些输入/输出通道、配备哪些外围设备。（5）应初步估算其成本。2、确定控制算法建立该系统的数学模型，确定其控制算法。数学模型：就是系统动态特性的数学表达式。它反映了系统输入、内部状态和输出之间的数量和逻辑关系。控制算法：所谓计算机控制，就是按照规定的控制算法进行控制，因此，控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。例如：机床控制中常使用的逐点比较法

3、的控制算法和数字积分法的控制算法；直线算法：或圆弧算法：或直接数字控制系统中常用的PID调节的控制算法；位置数字伺服系统中常用的实现最少拍控制的控制算法；另外，还有各种最优控制的控制算法、随机控制和自适应控制的控制算法。3、选择微型计算机（1）较完善的中断系统（2）足够的存储容量14（3）完备的输入／输出通道和实时时钟（4）特殊要求：字长、速度、指令4、系统总体设计设计中主要考虑硬件与软件功能的分配与协调、接口设计、通道设计、操作控制台设计、可靠性设计等问题。（1）接口设计并行接口（8255A）串行接口（8251A）计数器／定时器（8253/8254）选用方法：①选用功能接口

4、板（适用组成较大系统）。②选用通用接口电路（适用较小的控制系统）。③用集成电路自行设计接口电路。接口设计包括两个方面的内容：①扩展接口；②安排通过各接口电路输入／输出端的输入／输出信号，选定各信号输入／输出时采用何种控制方式。如果要采用程序中断方式，就要考虑中断申请输入、中断优先级排队等问题。（2）通道设计输入／输出通道是计算机与被控对象相互交换信息的部件。每个控制系统都要有输入／输出通道。开关量、数字量的输入／输出比较简单。模拟量输入／输出通道比较复杂。（3）操作控制台设计一般要单独设计一个操作员控制台。①有一组或几组数据输入键（数字键或拔码开关等），用于输入或更新给定值、

5、修改控制器参数或其它必要的数据。②有一组或几组功能键或转换开关，用于转换工作方式，起动、停止或完成某种指定的功能。③有一个数字显示装置或显示屏，用于显示各状态参数及故障指示等。④控制板上应有一个“急停”按钮，用于在出现事故时停止系统运行，转入故障处理。5、软件设计系统软件应用软件应采用模块式结构，尽量把共用的程序编写成具有不同功能的子程序，如算术和逻辑运算程序、A/D、D/A转换程序、PID算法程序等。设计者的任务主要是把这些具有一定功能的子程序进行排列组合，使其成为一个完成特定功能的应用程序。3.2机电一体化技术和系统中的微型计算机系统一、微型计算机的基本构成“微机”是三个

6、概念的统称：微处理机（微处理器）、微型计算机、微型计算机系统的统称。微处理机（Microprocessor）简称μP或CPU。它是一个大规模集成电路（LSI）器件，或超大规模集成电路（VLSI）器件。14微型计算机（Microcomputer）简称uC或MC。它是以微处理机（CPU）为中心，加上只读存储器（ROM）、读写存储器（RAM），输入/输出接口电路、系统总线及其它支持逻辑电路组成的计算机。微型计算机系统（MicrocomputerSystem），简称MCS。配有系统软件、外围设备、系统总线接口的微型计算机。二、微型计算机的分类1、按组装形式分类（1）单片机在一块集成电

7、路芯片（LSI）上装有CPU、ROM、RAM以及输入/输出端口电路，该芯片就被称为单片微型计算机，简称单片机，有：MCS-48系列、MCS-51系列、MCS-96系列等。单片机已广泛应用于家用电器、机电产品、仪器仪表、办公室自动化产品、机械设备、机器人等的机电一体化。上至航天器、下至儿童玩具，均是单片机的应用领域。（2）微型计算机系统将微型计算机、ROM、RAM、I/O接口电路、电源等组装在不同的印刷电路板上，然后组装在一个机箱内，再配上键盘、CRT显示器、打印机、硬盘、软盘驱动器等多种外围设备和足够的