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微型计算机控制技术,（第三版） 上海交通大学 谢剑英 贾青 编著 国防工业出版社,参考书,微型计算机硬件软件及其应用 周明德 编著 清华大学出版社 单片微型计算机原理及其应用 陈伟人 编著 清华大学出版社 过程装备控制技术及应用 王毅 主编 化学工业出版社,第1章 计算机控制系统概述 第2章 基本输入输出接口技术 第3章 过程通道和数据采集系统 第4章 程序控制和数值控制 第5章 数字PID控制算法,第1章 计算机控制系统概述,1.1 一般概念 1.2 计算机控制系统的一般组成 1.3 典型应用方式 1.4 典型工业受控对象 1.5 国内外主要计算机控制设备介绍,1.1.1 自动控制及微型机的概念,自动控制系统由被控对象、检测和转换环节、控制器、执行器组成。 开环和闭环控制系统的区别。（方框图） 微处理器-计算机的运算器和控制器集成在一个芯片上称为中央处理单元CPU。 微处理器的改进主要表现在几个方面：字长、速度、集成度。 微型机-以微处理器为核心，配有存储器、输入/输出接口电路及系统总线所构成的计算机。 单片机-把CPU、存储器和接口电路集成在一块芯片上。,微处理器的发展,第一代（从1971年开始）：4位，典型产品有Intel4004、Intel4040、Intel8008。 第二代（从1973年开始）：8位，提高集成度，提高功能和速度。Intel8088、Zilog的Z-80、Motorola的6800。 第三代（从1978年开始）：16位，第一代超大规模集成电路微处理器。 第四代（1981年开始）：16位、32位。2000年11月微处理器芯片进入64位时代。,微计算机的发展,第一代（1971年1973年）：4位、低档8位微型计算机。 第二代（1974年1978年）：中高档8位机。Intel8080、MC6800、Z-80。 第三代（1978年1981年）：16位，8086、Z8000、MC68000为CPU。 第四代（1981年1992年）：32位，80386、80486、Pentium。 第五代（1993年以后）：64位Itanium。,1.1.2 计算机控制系统,由计算机执行控制器的作用，充分运用计算机强大的计算、逻辑判断和记忆等信息加工能力。 开环系统和闭环系统（方框图） 计算机处理数字信号，需要模/数和数/模转换器。 计算机控制系统执行控制程序的过程：实时数据采集、实时计算、实时控制、信息管理。 实时、在线、离线的概念,实时数据采集-对被控对象的瞬时值按一定的采样周期进行检测并输入。 实时计算-对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律决定进一步的控制过程。 实时控制-根据实时计算结果，将控制信号作用到控制的执行机构。 信息管理-在控制系统中建立信息的共享和管理。 在线（联机）方式-生产过程设备直接与计算机连接。 实时控制-计算机在工艺要求的时间范围内及时对被控参数进行测量、计算和控制输出。,1.1.3 计算机控制的发展,1946年世界上第一台电子数字计算机ENICA问世（图片） 20世纪50年代初，首先在化工生产中实现计算机的自动测量和数据处理 1954年用计算机构成开环系统 1959年构成闭环计算机控制装置 1965年至1969年进入实用和开始逐步普及的阶段 1970年进入大量推广和分级控制阶段 80年代后集散控制阶段 90年代后智能控制和现场总线控制系统,1.1.4 传统控制系统和计算机控制 系统的不同特点,传统控制系统的特点：控制器由模拟电路构成，缺乏灵活性。 计算机控制系统的特点,由程序实现控制作用 采样控制方式 数字信号处理 综合处理和控制 在线系统与实时系统,1.1.5 计算机控制系统的构成方式,单回路和多回路系统 集散控制系统（DCS）(框图) 计算机集成生产系统（CIPS） 现场总线控制系统（FCS）（FCS） FCS指应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向、串行、多节点的数字通信系统，也称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。(图示),1.1.6 计算机控制系统的控制规律,程序控制与数字程序控制 顺序控制 PID控制(控制器结构) 前馈控制(换热器的前馈控制) (比较) 最优控制 自适应控制(控制系统) 预测控制（控制系统） 智能控制：专家控制系统、模糊控制、神经网络控制系统,1.2 计算机控制系统的组成,计算机控制系统硬件 计算机控制系统软件 计算机控制系统的网络结构,1.2.1 计算机控制系统硬件,计算机主机：CPU和存储器（硬件框图） 常规外部设备 输入设备：键盘、鼠标、数字化仪等 输出设备：显示器、打印机、记录仪等 存储设备：磁盘、磁带机等 输入输出通道：计算机和生产过程之间设置的信息 传递和变换的连接通道。 外部设备：并行接口、串行接口、管理接口（中断管理、DMA管理、计数/定时等） 运行操作台：人机对话,1.2.2 计算机控制系统软件,系统软件-提供计算机运行和管理的基本环境，如DOS、Windows、WinNT、UNIX等以及网络平台。 应用软件-包括语言加工软件，如汇编、编译软件和控制系统的编程软件。,1.2.3 计算机控制系统的网络结构,按网络各节点之间的关系不同可分为两 个大类 对等式网络结构（peer-to-peer）：网络中的两个节点都具有从底层到高层的所有功能。 客户机/服务器结构（client/sever）,1.3 计算机控制系统的典型应用,数据采集和监视系统：计算机不直接参与过程控制。（数据采集框图） 直接数字控制系统：直接参与闭环控制过程。（DDC框图） 监督控制系统：根据工况改变给定值。 1、 SCC+模拟调节器形式 2、SCC+DDC系统（监督控制框图） 分布式控制系统（集散控制系统）：分散控制、集中管理、网络化。（DCS框图）,1.4 典型工业受控对象,连续过程-采用闭环控制方式，以数值控制为主。 离散过程-采用开环控制方式，以逻辑控制为主。 以批次为主的过程-在一个批次内的生产以连续过程为主，批次的转换以离散过程为主。,1.5 国内外主要计算机控制 设备介绍,罗克韦尔自动化公司 Honeywell的TDC3000 Foxboro的I/AS 基于PC总线的工业控制机,第2章 基本输入输出接口技术,2.1 MCS-51单片机的系统结构 2.2 通用输入输出接口 2.3 基本人机交互设备与计算机的接口 2.4 打印机与微型计算机的接口,2.1MCS-51单片机的系统结构,振荡器及定时电路,CPU,64KB总线扩展控制,中断,中断,控制,并行口,串入,串出,4KB程序存储器,128B数据存储器,2个16位定时器/计数器,可编程I/O,可编程串行口,2.2.1 接口的概念,接口-指介于主机和外围设备之间的控制逻辑部件。 接口的作用 锁存-解决主机与外设工作速度不匹配问题。 隔离-避免CPU和外设同时向数据总线输出数据。 联络-保证每次信息传送收发双方都处于准备就绪状态。 变换-当外设传送的信息不符合CPU要求时，需要通过接口电路进行变换。,接口的形式 通用接口-并行I/O接口、串行I/O接口、DMA管理、中断管理、计数/定时器等。 专用接口-A/D、D/A、I/O多路转换器等。 I/O数据信号的种类 数据信息（双向）：包括数字量、模拟量、开关量。 状态信息（单向）：由外设输入 控制信息（单向）：CPU发送给外设 I/O接口的编址方式：独立编址、统一编址 微处理管理I/O的方式：查询、中断、直接存储器存取DMA,程序查询方式-数据的传送靠程序来控制。CPU定时查询外围设备的状态。外设准备好即传送。 中断控制方式-当外设向CPU发出中断请求，若这是CPU是开中断、中断允许的话， CPU响应中断，保护断点和现场，然后转入中断源的中断服务程序执行。同时清除中断请求触发器。当中断处理完后恢复现场和断点，使CPU返回断点，继续执行主程序。 直接存储器存取（DMA）方式-外围设备和存储器之间直接进行数据传送， CPU脱离对总线的控制。,2.2.2 基本可编程并行接口,并行接口-输入输出数据是按一个字或一个字节的全部位数同时并行地传送。 Intel8255A是常用的通用并行I/O芯片。 Intel8255A有A、B、C三个8位的输入输出数据端口，通常A口和B口作为数据端口，C口作为控制或状态信息端口。 Intel8255A有三种工作方式：方式0是基本输入输出方式；方式1是选通输入输出方式；方式2是双向传送方式。端口A有方式0、1、2；端口B只有方式0和1；端口C的高4位随端口A，低4位随端口B。 端口的工作方式通过控制字确定。 Intel8255A的应用实例（8255A应用接口图）,可编程并行接口Intel8255A的方式控制字,D0（B组：端口C的下半部）-1=输入；0=输出 D1（B组：端口B）-1=输入；0=输出 D2（B组）-方式选择：0=方式0；1=方式1 D3 （A组：端口C的上半部）-1=输入；0=输出 D4 （A组：端口A）-1=输入；0=输出 D5、 D6（ A组方式选择）-00=方式0；01=方式1；1=方式2 D7-置方式标志：1=有效。,2.2.3 基本可编程串行接口,串行接口-数据的输入输出只有一根通信电线，按通信规程约定的编码格式一位接一位的串行传送。 Intel8251A是通用的同步/异步收发器。 Intel8251A分为五个部分：接收控制和接收器、发送控制和发送器、调制和解调控制器、读/写控制器、数据总线缓冲器。 Intel8251A的工作方式（同步或异步、传送的波特率、字符格式）由方式选择字确定。 Intel8251A 的方式控制字、命令控制字、状态控制字。 Intel8251A的应用实例（8251A应用接口图）,可编程串行接口Intel8251A的方式控制字,D1、D0-波特率系数：00=同步方式，01=异步x1，10=异步x16，11=异步x64。 D3、D2-字符长度：00=5位，01=6位，10=7位，11=8位。 D5、D4-奇偶校验：x0=无校验，01=奇，11=偶 D7、D6-（ D1、D000时，异步）帧控制：00=不确定，01=1个停止位，10=1.5个停止位，11=2个停止位。 D7、D6-（ D1、D0=00时，同步）x0=内同步，x1=外同步，0x=2个同步字符，1x=单个同步字符。,可编程串行接口Intel8251A的命令字,D0-TxEN，发送允许：1=允许，0=屏蔽 D1-DTR，数据终端准备好：1=迫使DTR输出为0。 D2-RxE，接受允许：1=允许，0=屏蔽 D3-SBRK，送终止字符：1=迫使TxD为0，0=正常工作。 D4-ER，错误标志复位：1=全部复位 D5-RTS，请求发送 D6-IR，内部复位 D7-EH，外部搜索方式：1=启动搜索同步字符。,可编程串行接口Intel8251A的状态字,D0-TxRDY D1-RxRDY D2-TxE D3-PE：1=奇偶错误 D4-OE：1=溢出错误，在下一个输入字符为可用前，CPU没有把字符读走。 D5-FE：帧错误（只用于异步方式），接受到的字符格式不符合规定（例如缺少停止位等） D6-SYNDET D7-DSR,2.3.1 键盘的基本结构和工作原理,编码式键盘和非编码式键盘。编码式键盘由硬件检测键的闭合，并产生相应的代码；非编码式键盘由软件方法分析键的闭合。 每一个键占有唯一的行和列的交点，每一个交点分配有相应的键值。 微处理器通过行、列扫描和查询来识别键盘。初始状态下，所有的行扫描线均为高电平，所有列扫描线均为高阻状态。 软件延时的方法来克服按键产生的机械抖动。 键盘的行、列号本身并非是键值，通过查表或其他手段来获得相应的键值。,2.3.2 键盘、静态显示器和单片机 串行接口,硬件电路 组成- 8051单片机、38的24键矩形键盘、移位寄存器74LS164 、8段LED（电路） 单片机串行口工作在方式0（移位寄存器输入/输出方式，RxD为数据输入输出端，TxD为同步信号输出端。输出方式：当一个数据写入串行口发送寄存器时，串行口把8位数据从RxD输出，低位先发送，发送完一帧后，由单片机的硬件自动将SCON寄存器中的发送中断标志TI置位，用软件测试TI判断一个字节是否发送完毕。,键盘扫描子程序 扫描键盘 计算键值 显示并处理键值 显示子程序,2.3.3 键盘、动态显示器和单片机 串行接口,硬件电路- 8051单片机、38的24键矩形键盘、移位寄存器74LS164 、8段LED 、显示器字段与位数驱动器7407和7406。单片机串行口工作于方式0。（电路图） 扫描显示子程序 键盘扫描子程序,2.3.4 键盘、显示器和单片机并行接口,硬件电路-8051单片机、并行接口8155、 38的24键矩形键盘 、8段LED 、显示器字段与位数驱动器7407和7406。8155的A口PA0PA7作键盘的列扫描和数位的扫描信号，C口的PC0PC2作行输入口，B口的PB0PB7作字段信号的输出。（电路图） 显示子程序 键盘扫描子程序,2.3.5 微型计算机与CRT显示器接口,CRT显示器的组成原理-字符发生器、矢量发生器、缓冲存储器、显示控制器、输入设备、接口逻辑。（结构框图） MC6845接口芯片的结构原理-其功能是产生刷新地址MA0MA13、列选信号RA0RA4、视频扫描同步信号HSYNC和VSYNC、消隐信号等。（CRTC系统框图） MC6845的引脚-40引脚，包括CPU接口信号、显示同步信号、刷新存储器/字符发生器的寻址信号、电源线。（引脚图） CPU与CRT的接口电路 CRT接口驱动程序-初始化程序和显示管理程序。,2.4 打印机与微型计算机的接口,打印机的串行接口 25引脚的连接器RS232C（发送和接收器） 打印机串行接口实例（串行接口应用） 打印机并行接口 36条信号的Centronic标准接口总线 打印机并行接口实例（并行接口应用） 微型计算机与MODEM接口,第3章 过程通道和数据采集 系统,3.1 概述 3.2 模拟量输入通道 3.3 D/A与A/D转换技术 3.4 单片A/D转换器与微处理器的接口 3.5 数据采集系统 3.6 模拟量输出通道 3.7 过程通道的抗干扰措施,3.1.1 过程通道的组成和功用,组成-模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道、数字量输出通道。 功用（信息种类） 模拟量输入通道、数字量输入通道（检测通道）：用于检测生产过程的被调参数（压力、流量、温度、液面高度等）的模拟信号或生产现场的开关信号。 模拟量输出通道、数字量输出通道（控制通道）：用于计算机控制工业生产过程。,3.1.2 信号转换中的采样、量化 和编码,采样过程（离散化过程）-把时间连续的信号变成一连串时间不连续的脉冲信号的过程。（采样过程） 香农（Shannon）定理：采样频率 进行采样后，采样信号能代表编码（或恢复）原信号。 量化-采样信号经整量化后成为数字信号的过程。整量化：按四舍五入的小数归整的过程。量化单位q：A/D转换器最低位二进制位所代表的物理量。量化误差：q/2（量化过程）,编码-在模拟量转换过程中，对双极性（正、负）信号的表示方法。 符号-数值码：通常数值为正时，符号位为0；数值为负时，符号位为1。能保证精确的零的输出，且从小的正值变化到负值或相反变化时，变化的码位较少。 偏移二进制码：为正值时（包括0），符号位为1；数值为负时，符号位为0。常用于计算机控制系统实现双极性模拟量转换。 补码：即2的补码的表示法。符号位正好与偏移二进制码相反，而数值相同。,3.2 模拟量输入通道,把从控制对象检测得到的模拟信号变换成二进制数字信号，经接口送入计算机。 内容包括：（组成） 模拟量输入通道的一般组成 多路转换器 可编程序放大器 采样与保持器,3.2.1 模拟量输入通道的一般组成,模拟量输入通道一般由信号处理、多路转换器、放大器、采样保持器、模/数转换器组成。 信号处理：包括小信号放大、信号滤波、信号衰减、阻抗匹配、电平转换、非线性补偿、电流电压转换等。 多路转换器：多个信号共用模/数转换器时，用多路转换器按顺序把输入信号接到模/数转换器。 放大器：把信号从毫伏电平按比例放大到典型的模/数转换器输入电平。 采样-保持器：对变化的模拟信号进行快速采样，并在模/数转换器转换过程中保持该信号。,3.2.2 多路转换器,多路转换器（多路开关）是用于切换模拟电压信号的元件。理想的多路开关开路电阻无穷大，而接通时的导通电阻应为零。 两大类：一类是机械触点式，如干簧继电器和机械振子式继电器。一类是电子式开关，如晶体管、场效应管、集成电路开关等。 由场效应管组成的单片多路开关CD4051，单端8通路开关，当禁止输入端INH为高电平，8个通路均不通。（原理图） 组成的差动输入方式（差动输入方式）,3.2.3 可编程序放大器,当多路输入的信号源电平相差较悬殊时，用同一增益的放大器去放大高电平和低电平的信号，可能使低电平信号测量精度降低，而高电平则有可能超出模/数转换器的输入范围。采用可编程序放大器可通过 程序调节放大倍数，使模/数转换器信号满量程达到均一化，以提高多路数据采集的精度。 采用增益可调的仪表放大器方案（方案图） 放大器并联反馈电阻方案,3.2.4 采样与保持器,为了满足模/数转换精度要求，希望在转换时间内，最大信号变化幅度应小于模/数转换器量化误差。即 。 使模/数转换器最低位的转换值不受影响，则要求输入信号的最高变化频率： 为了满足转换精度的条件下提高信号的工作频率，采用采样-保持器。,采样-保持器的基本组成-由模拟开关、储能元件（电容）和缓冲放大器组成。 工作原理-采样阶段：控制信号为高电平，开关K闭合，输入信号通过电阻R向电容C充电。保持阶段：控制信号为低电平，开关K断开，A/D转换器根据电容C上的电压进行整量化。 采样-保持器LF398（原理图） 选用时需考虑的因素-输入信号范围，输入信号变化频率，多路转换器的切换速率，采集时间等。,3.3 D/A与A/D转换技术,D/A转换原理 A/D转换原理 A/D与D/A转换器的主要技术指标,3.3.1 D/A转换原理,D/A转换器是把输入的数字量转换为模拟量的器件。 权电阻网络构成的D/A转换器（原理图） 组成：基准电压，模拟二进制数的位切换开关，产生二进制权电流（电压）的精密电阻网络，运算放大器。,正比关系： 当位数越多，电阻差异越大，难于实现。 电流相加型的R-2R电阻网络（原理图）,3.3.2 A/D转换原理,常用方法：计数-比较式、逐次逼近式、双斜率积分式。 逐次逼近式A/D转换原理（原理图） 主要由逐次逼近寄存器SAR、数/模转换器、比较器、时序及控制逻辑等部分组成。 逐次把设定在SAR中的数字量所对应的D/A转换网络输出的电压，与被转换的模拟电压进行比较，比较从SAR中的最高位开始，逐位确定各数码位是“1”还是“0”。（举例） 优点：精度较高，转换时间较快且固定，适用于采集系统和控制系统的模拟量输入通道。 缺点：抗干扰能力不够强，信号变化率较高时产生较大线性误差，采用采样-保持器来克服。,双斜率积分A/D转换原理 组成：基准电源、模拟开关、积分器、比较器、计数器、时钟和控制逻辑。（组成图） 原理：测量两个时间，一个是模拟输入电压向电容充电的固定时间；另一个是在已知参考电压下的放电所需的时间。两个时间之比为模拟输入电压与参考电压的比值。 优点：消除干扰和电源噪声的能力强，精度高。 缺点：转换速度较慢。 适用于输入信号变化缓慢、速率较低、转换精度要求较高且现场干扰较严重的情况。,3.3.3 A/D与D/A转换器的主要技术 指标,分辨率：n位二进制数最低位具有的权值。 量程：转换的电压范围。如10v，5v 精度：绝对精度和相对精度 转换时间：1.0200s 输出逻辑电平：与TTL电平配合 工作温度范围：-4085C 对基准电源的要求：是否加精密电源 输入编码：二进制、BCD码、补码、偏移二进制 调零和增益校准：首先在“开关均关闭”的状态下调零，然后在“开关均导通”的状态下进行增益校准。,3.4 单片A/D转换器与微处理器的接口,8位A/D转换器ADC0809及其接口 ADC0809主要由逐次逼近式A/D转换器和8路模拟开关组成，可直接与微处理器相连，不需另加接口，具有锁存功能，分辨率为8，且不需调零和增益校准。 ADC0809的引线（连接方法） IN0IN7：8个模拟量输入端 D0D7：转换后的二进制输出端 A、B、C：采样地址输入端 ALE：地址锁存选通信号，上升沿有效 SC：启动转换脉冲输入端，正脉冲有效。宽度大于100s,ADC0809的引线 OE：输出允许信号，为“0”时D0D7呈高阻态；为“1”时， D0D7输出转换后的数据。 EOC：转换结束高电平信号，可作为中断请求信号。 CLK：时钟信号输入端 REF（+）、REF（-）：基准电压输入端，决定输入模拟电压的最大值和最小值。 ADC0809与8031的接口（接口图） A/D转换的流程和程序（流程图）,12位A/D转换器ADC1211 ADC1211 由逐次逼近逻辑电路、CMOS模拟开关、R-2R电阻网络和场效应管比较器组成。 分辨率为12位，可用于单极性或双极性输入，需要进行调零和增益校准。 ADC1211与微处理器的连接。,3.5 数据采集系统,任务-把生产现场的工艺参数采集后以数字量的形式进行存储、处理、传送、显示和打印。核心是A/D转换器。 结构方案 单通路结构：是否滤波、变换、放大；是否用采样-保持器。 多通路结构：采用单通路结构；共用采样-保持器和模/数转换器；共用放大器、采样-保持器和模/数转换器。,3.5.2 数据采集系统实例,系统组成-8位微处理器、多路转换器CD4051、译码器74LS138、采样-保持器LF398、A/D转换器ADC0804（或ADC1211）、接口8212、8位锁存器。（采集系统示意图） 64路温度并行检测系统 64路温度串行检测系统 热敏电阻测温变送器电路 采样保持电路 模/数转换电路 控制流程,3.6 模拟量输出通道,模拟量输出通道是微型计算机的数据分配系统，任务是把微型计算机输出的数字量转换成模拟量。数/模转换器是其主要元件，且需要有保持的功能。 多路模拟量输出通道的结构形式 8位D/A转换器及其接口 12位D/A转换器及其接口 双极性模拟量输出的实现,3.6.1 多路模拟量输出通道的结构形式,一个通路设置一个D/A转换器的形式 -数字保持方案。转换速度快，工作可靠，一路D/A转换器有故障，也不会影响其它通路工作。但使用的D/A转换器较多。 多个通路共用一个D/A转换器的形式 -模拟保持方案。节省D/A转换器，分时工作，适用于通路数量多且速率要求不高的场合。但工作可靠性较差。,3.6.2 8位D/A转换器及其接口,D/A转换器要求数字量并行输入，并且其输入应在一定时间范围内保持稳定。 D/A转换器有两种类型：一类内部有数据寄存器，可作为一个I/O扩展口直接与微处理器接口；另一类无内部锁存器，必须外加锁存器才能与微处理器接口。（接口图） DAC0832-具有两级数据缓冲的8位D/A转换器，可直接与各种微处理器直接接口。,DAC0832的工作方式 双缓冲方式（功能框图） 应用：单片机控制X-Y绘图仪 单缓冲方式 应用：锯齿波的产生 小直流电机的脉冲宽度调速 直通方式（与8031的接口图）,3.6.3 12位D/A转换器及其接口,对于一个12位的D/A转换器，低8位和高4位必须同时选通，即必须使D/A转换器的所有输入位同时接收信息。 AD7521 D/A转换器（与微处理器的接口图）,3.6.4 双极性模拟量输出的实现,当工业现场执行装置的控制信号需要双极性的电信号（如5v或10mA），控制系统的模拟量通道必须双极性输出。 用偏移二进制编码实现（一般原理） 切换基准电源的方法 输出反相的方法-增加一位符号位来控制输出极性。,第4章 程序控制和数值控制,4.1 顺序控制器 4.2 开环数值控制 4.3 步进电机的控制,顺序控制：指控制系统根据生产工艺按预先规定的工艺要求，按照各个输入信号的条件，使生产过程的各个执行机构自动地按预先规定的顺序动作。常用于加工、装配、检验、包装等工作的自动化。 数值控制：指利用数字计算机的高速运算和逻辑判断功能，在执行机构机械动作的响应时间内，按预先的运动轨迹运算出“动点”（如刀尖或笔尖等工具）的位置，控制机械装置作出相对运动，以获得预先的加工轨迹。常用于数字控制机床、线切割机、加工中心、数字绘图仪、机器人等。,4.1 顺序控制器,继电器控制装置-根据控制任务的要求，设计出相应的继电器控制电路，把一个个继电器、接触器及其触点按一定的逻辑关系用导线连接起来，以保证各个执行机构实现顺序动作。 半导体逻辑元件控制装置-把二极管、晶体管、集成电路等安装在印制电路板上，再把许多印制电路板组合构成顺序控制装置。 存储式顺序控制装置-利用只读存储器（ROM或EPROM）和随机存取存储器（RAM），把顺序控制程序预先存储在控制器内。根据输入信号的变化，进行逻辑判断，并输出结果实现对现场过程的顺序控制。,4.1.1 专用计算机顺序控制器,发泡成型机的工艺流程（工艺列表） J1J14为执行器， LS-1LS-4为行程开关或限位开关，PSR、PSL1、PSL2为压力传感器，T1T10为定时的时间。 逻辑功能 对14个执行器的控制； 对4个行程开关和3个压力传感器的检测； 对10个定时时间的设定； 对3位十进制实时时间的显示； 对16个工步的进程显示； 控制启动和停止。,专用计算机顺序控制器的硬件设计（框图） 8位CPU，2KB的EPROM（或ROM）用来存放程序和表格，1KB的RAM用来存放数据和作为堆栈，8D锁存器74LS273和8位三态缓冲器74LS244作为接口电路。 按下停止按扭， CPU进入复位等待状态；按下启动按扭，进入中断方式，执行发泡成型机的顺序控制过程。,一片74LS273和一片4-16译码器T333组成16工步显示器接口，控制16个LED指示灯。 三片74LS273组成实时时间显示器接口，每片均驱动一个七段LED数码显示器。 两片74LS273 和一片74LS244组成16x8列的矩阵拨盘接口。由软件来选择所需的定时时间设定值。 两片74LS273组成16个控制继电器或接触器的接口电路。 一片74LS244作为条件输入的接口电路，对7个传感器的开关状态提供检测手段。,专用计算机顺序控制器的软件设计 复位等待程序：关掉工序指示灯和实时显示器，断开所有的控制继电器。 控制程序（流程图）：包括初始化子程序、时间显示子程序、继电器动作输出子程序（流程图）、时间控制子程序（流程图）。 设计思路： 继电器控制字表格、拨盘的行地址表格 显示码表格 开辟动态数据区作为程序参数，存放当前工序的工序号、继电器动作控制字、拨盘行地址值、实时时间计数值、显示时间编码等参数。 判断执行条件控制（条件字）或时间控制 判断顺序控制周期结束,4.1.2 可编程控制器（PLC）,特点 用途 组成 模块 编程器 程序表达方法 系统软件 编程指令 应用实例,一、PLC的特点,可靠性高，抗干扰能力强（PLC） 编程简单，使用方便 功能完善，扩展方便，组合灵活 缩短设计和施工时间,二、PLC的用途,顺序控制-完全取代传统的继电器顺序控制。应用于单机控制、多机群控制、自动生产线控制 运动控制-拖动步进电机或伺服的单轴或多轴位置控制。 过程控制-PID模块使PLC具有闭环控制的功能。 数据处理-支持数控机床的控制和管理、多轴控制。 通信-多机控制、现场总线等通信功能。,三、PLC的组成,中央控制单元-程序存储器、CPU、网络适配等组成。（总体框图） 总线系统-负责控制器与程序存储器或输入/输出组件之间的数据交换。 系统电源-将220v交流供电转换成所需的直流工作电源，一般有5v、 24v等。 编程器-程序的输入 输入输出组件,PLC输入/输出组件的特点,采用统一的接口。以适当的输入或输出点数位单位装在一块印刷线路板上构成一个模块。(输入输出单元) 抗干扰能力强。每一路输入、输出均采用光电耦合器。输出组件还设有功率放大驱动器和短路保险器。 每一路均由发光二极管指示。 可靠性高、检装方便、价格低廉、便于检修。,四、PLC的模块,处理器模块 信息协处理器模块：高级语言协处理器、协处理器和控制模块 网络适配模块：设备网扫描模块、设备网和控制网扫描模块、VME总线式远程I/O模块。 I/O模块 特殊模块：智能变送器模块、温度控制模块、称重模块、开环速度控制模块、力矩控制模块、高速计数模块、可组态流量计模块等。,五、PLC的编程器,实现程序的输入，将用户所希望的功能通过编程语言送入用户程序存储器中，能把用户程序从存储器中读出、检验以及对输入、输出进行监控。 手携式编程器-包括功能键、数字键和显示器。 带显示屏的编程器-包括图形显示屏、操作键盘。实质是一台便携式微型计算机。,六、PLC的程序表达方法,接点梯形图-常开接点符号和常闭接点符号及相应的标识符和地址参数来描述可编程控制器的状态和逻辑关系。 逻辑功能图 语句表-助记符号来描述程序的各种功能。包含一个操作码和一个由标识符和地址参数组成的操作数。,七、PLC的系统软件,系统软件包括编程器管理程序、编程语言解释程序、用户程序执行程序和主程序等。 主程序先读出全部输入端的开或关的状态，并存入输入映像存储器中，然后顺序执行用户程序。在执行完一个用户程序后，才将全部输出映像存储器的开或关的状态转移到输出状态锁存器中，成为实际的输出。 循环执行周期包括输入处理、执行用户程序、输出处理三个部分。 特点：顺序执行、循环扫描、集中处理输入和输出、输入输出的响应有延迟。,八、PLC的编程指令,由助忆符号、标识符、地址参数组成。 助忆符号代表语句的逻辑功能。 标识符代表信号的特性，如X代表输入信号、Y代表输出信号、T代表定时信号、M代表存储器信号、C代表计数器等。 地址参数由2位至3位八进制数组成，由输入输出点决定。 编程指令分为基本指令、算术运算指令、数据操作指令、程序控制指令、高速计数指令、特殊功能指令。,九、PLC的应用实例,基于微型PLC Mircologix 1000 L32BWB的电梯控制器。 手动/自动运行 外部接线图（接线图） 控制流程图 换热器控制系统（工艺流程） （设计）,4.2 开环数值控制,数值控制的基本原理 逐点比较法插补原理 4方向逐点比较法直线插补原理 4方向逐点比较法圆弧插补原理 8方向逐点比较法线性插补原理,4.2.1 数值控制的基本原理,第一步：分割成若干直线段或曲线段，并将坐标值送入计算机。（分割图） 第二步：进行插补（即求坐标值之间的中间值的数值计算方法。直线插补和二次曲线插补。 第三步；把插补运算过程中定出的各中间点，以脉冲信号的形式去控制x、y方向上的步进电机，带动画笔、刀具或线电极运动，从而绘出图形或加工出要求的轮廓来。,4.2.2 逐点比较法插补原理,“逐点比较法”：每当画笔或刀尖向某一方向移动一步，进行一次偏差计算和偏差判别，即比较达到的新位置和理想线型上对应点的理想位置坐标之间的偏离程度，根据偏差的大小确定下一步的进给方向。即“一点一比较，步步来逼近”。（插补图） 4方向指+x，-x，+y，-y。8方向再加上合成方向。 4方向逐点比较法直线插补原理（直线插补） 4方向逐点比较法圆弧插补原理 8方向逐点比较法线性插补原理,一、4方向逐点比较法直线插补,偏差判别式： a. 当F0，表示点在A+区域，沿+x进给一步，新偏差 b. 当F0，表示点在A-区域，沿+y进给一步，新偏差,其他象限中的偏差判别及进给方向 平行于对称轴的两个象限中的进给方向相同，而垂直于对称轴的两个象限中的进给方向相反。 终点判断 方法一：判断总步数是否等于终点坐标之和。 方法二：终点坐标中较大者作为终判计数器的初值。沿长轴进一步，计数器减1。 流程图（流程图）,二、4方向逐点比较法圆弧插补,第一象限圆弧插补原理（原理图）,NR1偏差判别式： a. 当F0，表示点在A+区域，沿-x进给一步，新偏差 b. 当F0，表示点在A-区域，沿+y进给一步，新偏差,SR1偏差判别式： a. 当F0，表示点在A+区域，沿-y进给一步，新偏差 b. 当F0，表示点在A-区域，沿+x进给一步，新偏差,其他象限的圆弧插补-对称圆弧的偏差计算公式，只要取坐标的绝对值计算，均与第一象限中NR1或SR1的公式相同。 终点判别-取x、y方向总步数最大步数作为终点判断依据。 流程图（流程图） 程序处理技巧 a. 首先确定象限及顺、逆方向；b. 实际进给方向常用进给指令码来代表；c. 取坐标中大数作为终判计数器的初值，并在计数器减1之前先判断刚才进给信号与终判计数器设定值的关系。,三、8方向逐点比较法线性插补,单指令和双指令 单指令和双指令的确定原则 偏差值计算 前一步走单指令时的偏差判别（推导图） 前一步走双指令时的偏差判别（推导图） 离开起始点的第一步的指令判别 其他区域中的线性插值（进给方向） 终点判断 程序流程（流程图）,4.3 步进电机的控制,步进电机是“一步一步”地转动的一种电动机，本质也是一种反应式同步电动机。由于电源输入是一种电脉冲（脉动电压），电动机相应于一个电脉冲就转动一个固定角度，故也称为脉冲电动机。自动控制系统中可用它将电脉冲信号转变为转角位移量。 由于步进电动机的步距只与脉冲频率成正比，可实现高精度的角度控制，主要用于高精度的开环系统中。,4.3.1 步进电机的工作方式,步进电机可工作于单相、双相、单双交叉通电方式。 按预定的工作方式分配各个绕组的通电脉冲。 在工作过程中，不能立即启动和立即停止，始终遵循加速-匀速-减速的运动规律工作。 并行输入输出接口实现步进电机和微型机的接口。（接口框图）,4.3.2 步进电机的脉冲分配程序,根据步进电机类型和工作方式建立通电顺序状态表。 开关设置（类型2位，工作方式2位）软件检测通电顺序表的地址通电状态字送出接口驱动步进电机 通过转向标志字或标志位来实现电机转向的判断。