机电数字控制系统设计.ppt

1 伺服控制机构分类 对伺服控制机构进行分类可根据位置 速度及控制信号的处理方法等 对电气伺服机构来说 可分为以下几种 1 模拟伺服控制 2 数字伺服控制 3 软件伺服控制 2典型数字控制器的设计 由于计算机具有强大的计算功能 逻辑判断功能及存储信息量大等特点 因此计算机可以实现模拟控制其难以实现的许多复杂的先进控制策略 计算机控制系统的设计方法也是多种多样的 按照各种设计方法所采用的理论和系统模型的形式 可以大致分为 模拟化设计法 也称连续域 离散化设计法 离散域直接设计法 也称z域设计方法或直接设计法 复杂控制规律设计法 状态空间设计法 1 模拟化设计方法 如图所示的计算机控制系统中 G s 是被控制对象的传递函数 H s 是零阶保持器 D z 是数字控制器 设计问题是 根据已知的系统性能指标和G s 来设计数字控制器D z 2 离散化设计方法首先用适当的离散化方法将连续部分 如图所示的保持器和被控对象 离散化 使整个系统完全变成离散系统 然后用离散控制系统的设计方法来设计数字控制器 最后用计算机实现控制功能 3 两种方法的比较模拟化设计方法可引用成熟的经典设计理论和方法 但在 离散 处理时 系统的动态特性会因采样周期的增加而改变 甚至导致闭环系统的不稳定 离散化设计方法运用的数学工具是Z变换与离散状态空间分析法 这种方法是一种直接数字设计方法 不仅更具有一般性 而且稳定性好 精度高 相对而言有时称为精确法 需要注意的是 该法的精确性仅限于线性范围内以及采样点上才成立 表征模拟校正装置的重要参数是 极点与零点的数目 频带宽度与截止频率 DC增益 相位裕度 增益裕度 超调量 闭环频率响应峰值等 在离散化过程中 上述特性都要保持下来是不大可能的 在选择模拟控制器的离散化方法时 首先必须明白对离散化控制算法有何要求 以保证模拟校正装置的主要特性能得到保持 Z变化法 Z变换法就是在D z 与D s 之间建立的一种映射关系 这种映射关系保证模拟控制器的脉冲响应的采样值与数字控制器的输出相同 在设计中所需要的高频部分出现频率混迭问题 为了解决这一问题 增加采样角频率 使远高于控制器的截止频率 差分变换法 又称数值积分法 将微分方程离散化为差分方程 最后求z传递函数 整理后得到z传递函数 或 对比可看出 或 这就是后向差分变换式 前向差分 或 4 3计算机控制技术 计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术相结合的产物 4 4 1计算机控制系统的组成与特点 目前在机电一体化系统中 多数是以微型计算机为核心构成的计算机控制系统 计算机控制系统与通常的连续控制系统的主要差别是 可以实现过去连续控制难以实现的更为复杂的控制规律 如非线性控制 逻辑控制 白适应控制和智能控制等 计算机控制系统由控制计算机及接口电路硬件 控制软件和控制对象等若干部分组成 1硬件 微型计算机控制系统的硬件一般包括 微处理器 CPU 内存储器 ROM RAM 以模 数转换和数 模转换为核心的模拟量输入 输出通道 开关量输入 输出通道 I O及人 机联系设备 运行操作台等几部分 它们通过微处理器的系统总线 地址总线 数据总线和控制总线 构成一个完整的系统 1 主机 它根据过程输入通道发送来的工业对象的生产工况参数 按照人们预先安排的程序 自动地进行信息的处理 分析和计算 并做出相应的控制决策或调节 以信息的形式通过输出通道 及时发出控制命令 主机可以是单个的CPU 如单片机 也可以是已扩展有基本输出外围电路的简单计算机系统 如单板机 甚至可以是功能较为齐全的计算机系统 如工控计算机 个人计算机 2 常规外部设备 按功能可分成三类 输入设备 输出设备和外存储器 常用的输出设备有打印机 记录仪 显示器 数码显示器或CRT显示器 等 主要用来把各种信息和数据按人们容易接受的形式 如数字 曲线 字符等提供给操作人员 以便及时了解控制过程的情况 常用的输入设备有键盘 纸带输入机等 输入设备主要用来输入程序和数据 外存储器如磁带装置 磁盘装置 它们兼有输入 输出功能 主要用来存储系统程序和有关数据 3 输入输出通道 又称为过程通道 工业现场的过程参数一般是非电量的 应经传感器 称为一次仪表 变换为等效的电信号 在计算机和生产过程之间进行设置信息的传送和变换 实现计算机对生产过程的控制 外部设备和过程通道是不能直接由主机控制的 必须由 接口 来传送相应的信息和命令 4 接口电路 通用接口电路一般有并行接口 串行接口 管理接口 包括中断管理 计数 定时等 A D转换器和D A转换器等 5 运行操作台 每台计算机原来都有一套键盘控制台 它是用来直接与CPU进行 对话 的 过程控制的操作人员必须与计算机控制系统进行 对话 以了解生产过程状态 有时还要修改控制系统的某些参数 以及在发生事故时进行人工干预等 因此 计算机控制系统一般要有一套专供运行操作人员使用的控制台 称为运行操作台 2 软件 计算机控制系统的软件主要分为系统软件和应用软件 1 系统软件 一般包括操作系统 软件开发服务程序 语言处理程序和诊断程序等 用于有效地支持用户对于计算机硬件资源的使用 便于应用软件的灵活编程调试 实现计算机系统本身的监控管理 计算机开发系统也可归类于系统软件 系统软件是构成整个软件系统的基础 但一般不需要用户设计 用户主要是了解系统软件的功能 掌握使用方法 以便充分发挥系统软件的作用 2 应用软件 是为了满足各种应用目的而编制的程序 一般包括监测程序 控制计算程序和公共服务程序等 监测程序用于控制对象的状态检测 报警 数据处理 判断 操作面板服务等 控制计算程序完成各种控制算法的计算 逻辑事件处理以及文件管理 信息生成调度等任务 公共服务程序是为应用软件服务的通用子程序 如基本的函数子程序 运算程序 数据格式转换程序等 应用软件应根据实际任务要求由用户自行设计编制或提出要求后委托开发 3 计算机控制系统的特点 1 A D与D A转换 计算机控制系统中 被控制量通常是模拟量 而计算机本身的输入输出量都是数字量 需要进行信号的转换 2 量化 将模拟信号转变成离散的模拟信号称为采样 而从离散模拟信号到数字信号的变化过程称为量化 量化过程会带来量化误差 3 运算速度快 精度高 存储容量大 4 便于在线修改 1 计算机控制系统的设计要求 4 4 2计算机控制系统设计 5 可维护性 2 通用性好 便于扩充 3 可靠性要高 4 经济性 1 系统操作性能要好 2 计算机控制系统设计步骤 1 确定系统整体方案 首先应该详细了解控制对象和控制要求 主要包括 系统构成形式是采用开环控制还是闭环控制 执行机构是采用电机驱动还是液压驱动或其他方式的驱动 微机在整个控制系统中的作用是计算 直接控制还是数据处理 并提出系统整体方案 2 建立数学模型 确定控制算法 数学模型为计算机进行计算处理提供依据 由它推出控制算法 控制算法正确与否直接影响控制系统的品质 系统设计时应根据设计的控制对象和不同的控制性能指标要求以及所选用的微机的处理能力来选定一种控制算法 3 硬件和软件设计 硬件和软件的设计过程往往需要并行进行 以便随时协调二者的设计内容和工作进度 控制用的计算机及其外围接口的选择 一般要考虑 字长 速度 内存容量 中断能力 外围接口 4 系统总体设计确定系统总体方案 主要工作是 估计内存存储容量 进行内存分配 过程通道和中断处理方式的确定 系统总线的选择 5 系统联调分为在实验室模拟装置上调试和工业生产现场进行试验两个过程 在试验中不断完善控制系统 机电一体化技术是与元器件技术紧密结合发展起来的综合技术 初期的微机控制功能大多由单板机实现 后来随着PC机功能的增强 价格下降 出现了由PC机扩展而成的微机控制系统 为了改进普通PC机在工业环境下的适应性出现了工业PC机 同时发展起了可靠性较高的STD总线系统 为了替代传统的继电逻辑器件 发展起来了工业可编程控制器 PLC 随着半导体器件集成度的提高 集成有CPU和基本外围接口电路的单片机也发展起来了 显然 在进行微机控制系统的总体设计时 面对众多的微机机型 应根据被控对象和控制任务要求的特点进行合理的选择 4 4 3机电一体化系统控制微机的选择 1 单片机控制系统 单片机具有较高的集成度 而且运行速度高 功耗低 体积小 使用方便灵活 常用于数显 智能化仪表 简易数控机床以及其他小型控制装置中 但由于受到经济条件的限制 其硬件制作质量和抗干扰措施难以达到较高的标准 环境的适应性较差 在工业现场使用时需特别注意采取防护措施 2 普通PC机组成的控制系统 基本上利用了PC机原有的系统资源 但对其操作环境有一定的限制 宜用于组成数据采集处理系统 多点模拟量控制系统等工作环境较好的微机控制系统 或者把PC机选作分散控制系统中的上位机 3 工业PC控制机它是结构经过加固 元器件经过严格筛选 接插件结合部经过强化设计 有良好抗干扰性 工作可靠性高并且保留了PC机的总线及接口标准以及其他优点的一类微型计算机 系统的成本比较高 宜用于需进行大量数据处理 可靠性要求高的大型工业测控系统 4 STD总线控制系统 STD总线是工业控制领域的一种标准总线 组成系统时主体为积木式结构 各种功能模板采用统一的标准尺寸 具有机械强度高 抗振能力强 互换性好等特点 使用灵活方便 系统的可靠性高 宜在恶劣的工业环境中工作 5 可编程控制器简称PLC 是在继电器逻辑控制系统基础上 利用微处理器技术发展起来的既有逻辑控制 计时 计数 分支程序 子程序等顺序控制功能 又能完成数字运算 数据处理 模拟量调节 操作显示 联网通信等功能 它体积小 抗干扰能力强 运行可靠 可以直接装入强电动力箱内使用 并且功能齐全 运算能力强 编程简单直观 可编程控制器使用8位或16位微处理器 不同的控制功能通过编制软件实现 其编程语言通常采用梯形图的形式 具有很强的象征性 适合从事逻辑电路设计的工程技术人员学习使用 编程过程多以人机对话的方式进行 编程人员只需在支持软件提示下 选用各种符号图形来完成控制程序的编制 可编程控制器一般都提供了相当完备的调试手段 可编程控制器的输出主要有三种形式 继电器 晶体管和双向晶闸管 其中以继电器输出最为常用 触点电流可达2A以上 能直接用于驱动电磁阀或接触器线圈 晶体管输出的响应速度快 无动作次数的限制 一般用于脉冲信号输出或LED数码管扫描显示 双向晶闸管主要用于频繁操作的交流负载 可编程控制器的容量通常以输入和输出节点的总点数来代表 小型产