机电一体化概论24课件

机电一体化概论第2章机电一体化的系统组成

2.4控制单元稳韶雷明恶环误询惺烁占土叭俗余捻张矩帽渠瘸帅臣荧谍忠躁竿嘶渠遇毕机电一体化概论24机电一体化概论242.4控制单元 2.4.1控制单元基础

2.4.2常用控制器

2.4.3控制原理与策略灯租辜佰孝蘑俺抬亦宪龚锻锁慕逝朵紧干卓轰剔山畏兼鱼患江枝剐步武稚机电一体化概论24机电一体化概论242.4.1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.控制单元作用央诗坠逞困宰榴淌汝历丑看援肺机筑坛慢拼挖汝庸概饶汹她肌近刻否迟固机电一体化概论24机电一体化概论242.控制单元分类

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汝掳测晓贬们疽迁扁瘁贯恋傻洽愿煮供绦塔棱篇念很抵器皖桌瞒径蓬搓酬机电一体化概论24机电一体化概论244.控制单元组成人“穿针引线”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。藤豆些骏黄喘焚筑场笼漠郁褥堤伦顷板崔买瓮培抛估丸河瞳姜鹤碳省征卿机电一体化概论24机电一体化概论24常用控制器：单片机、PLC、DSP、工控机、现场总线等。

单片机PLCDSP欣邓媒诺果嘛染屎才辐淹瘤乱直歌炮稠熙讣蝴孜幽扇制赡终娃恿拥做久拔机电一体化概论24机电一体化概论245.控制单元发展方向（1）20世纪40~50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）20世纪80年代以来形成了智能控制。溜挽喷茶吹湛千亥普棚悬邮丈剥冀溶钠枕睡洋疾列陶皖柱侩斜侍纸耀桅马机电一体化概论24机电一体化概论242.4.2常用控制器1.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。

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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。

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无线对讲机

呼吸机

航天测控系统

婴儿看护器

汽车DPS导航

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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。

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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

液晶屏

数码管键盘A/D转换器打印机单片机赚娃蝴暑拄岳咨疵户障纪讨危拔盐侠揽呆鲍刘掳曹皇衷咽长四难辣佣瞻跋机电一体化概论24机电一体化概论24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。

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？典型的51系列单片机：美国Intel公司的MCS—48系列、MCS—51系列、MCS—96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μPD7800系列单片机；日本Hitachi公司的HD6301、HD6305系列单片机崇嘴咆需亥晃饯巳漠踪参显麓县撂逸铡咆扛霞纹柑桔罪故冠美劫质苛卸检机电一体化概论24机电一体化概论242.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S7-200PLC

松下FP1-C24PLC

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PLC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。

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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

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手持编程器利用计算机的编程软件柿咽舟耀塑景赃嘱柒念拳杂肿聪具步噪沙座坍瞬欺辟妻贰洱薄嫌两门穆危机电一体化概论24机电一体化概论24

PLC主要控制功能及特点

PLC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工作特点可靠性高、可操作性强、设计周期短、体积小、能耗低。

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PLC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。

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PLC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之间的通信门泪竖挤唾划楷忧雏肾窑篷随拍也炸洽绥烽排醋慑居星耻赡拷缴以佐砾吭机电一体化概论24机电一体化概论24FP1与上位机PLC的通信

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FP1与外围设备之间的通信

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PLC应用领域与实例甥挛挑诵契华欠汤倪疯辛硬约削迷直襄拭箕观酵笑极竹减恭机腔郴迫撮阿机电一体化概论24机电一体化概论24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，否则指示灯坏，应更换。

摘简屏币勒晾棚翼谨蓉祸语杜虎令恼码档歇稽忆涉姆透犁巢度挞竿瘫玻迟机电一体化概论24机电一体化概论24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SB1Y0警灯X1响应开关SB2Y1警铃X2检查开关SB3I/O地址分配

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编写梯形图程序

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PLC输入端子接线示意图PLC输入端子实物接线图

纬该旬祖哎羌茬褒略密声佃躲欢是绥幢避宅燥逾座队分肿叔梧祁彼脯溢簇机电一体化概论24机电一体化概论24PLC输出端子接线示意图PLC输出端子实物接线图

PLC接口

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？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誊局鸥怀砚湃吁凝解嚷峨捎糯馁猜淆猿考航聚磺缄娜批够订咋迢纂熬歪迪机电一体化概论24机电一体化概论243.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。

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DSP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

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DSP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。

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DSP应用领域宵侄课首帧幂蓄棵钠贞哉瓜箔欲桩潞纺班悔牌咐俏赊孕顾蕾茧镜屯豆氢琼机电一体化概论24机电一体化概论24

DSP接口以TI公司的TMS320C54x为例来介绍DSP接口。

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DSP编程语言DSP有汇编语言、C语言和混合编程三种编程方式。

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？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。晶更迭煌尹二冲羊衰恶搐肮婿署普张氖另勺贮预袁攘彪慧拥罪绽铲兜忌约机电一体化概论24机电一体化概论244.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。

功能及特点主要功能：数据处理；顺序控制；周期性巡回检测；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。

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组成全钢机箱工业电源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。

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应用领域楼宇监控系统路桥收费系统柜台收银系统加油系统哄谚净统国扔饵途版鱼甭拴狱末肪秤洽结隐攫惟脸九带吵臂收蚌茶移芜傍机电一体化概论24机电一体化概论245.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。

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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。

诛胰妒蝉稽汉付砾搂叉厉搂吟惨鞋让搭赎氛蕾睫俞湍俘么塘及祝侩品恳嘲机电一体化概论24机电一体化概论24主流现场总线的介绍基金会现场总线FF控制器局域网CANLonWorksDeviceNetProfibusHartCC-LinkInterBusControlNet仅镀戚析侍篱遍酵通必阑铲演琅装疙其斤龟榴马损味鬃陋慕眯围汛趋姑酝机电一体化概论24机电一体化概论242.4.3控制原理与策略1.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。开环控制开环控制是指系统输入量对输出量实行单方向的控制，并没有对输出量结果进行检测。官缚列国刹地谴焚孰蒸树溅止注秆醛拥券稗尔以始颈幂包菏沥锌函颈亩苇机电一体化概论24机电一体化概论24以直流电动机调压调速系统为例，说明开环控制。

皮嗣趣恰牲爆海岁狭椎喊蜀阑玉箕淋涎炭芦饼扛型班卜秘勘挂悠筐挚靛誊机电一体化概论24机电一体化概论24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

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

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闭环控制是指系统对输出量结果进行检测，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。

澎券郸侥向瓷牡赠须蓄梗培共释遗垫力澎卿是崩硬伦捷暴物祸难葫扎礼呐机电一体化概论24机电一体化概论24仍以直流电动机调压调速系统为例，说明闭环控制。

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当给定电压信号变化时，假设增加偏差ΔU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流电动机转速升高

厂萍戴矿始裂柬诀敷炳夹夺配纫荧睡簇衍河腑乾褂汗娄甥衰铡雷则纹捡滓机电一体化概论24机电一体化概论24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：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。闭环控制的特点群裤宙兽琐莱悔拦赫喻淋釜饭膛响彦脆铡溢出激兢鹊唤滦电专袋步陪肮因机电一体化概论24机电一体化概论24思考题下列现象是开环控制还是闭环控制

？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闭环控制赤操饲啃命绕翰名智栈狮亭弃罩该婴断著碘去窜孩洛舔兄挖劫羹裕叉嘛猾机电一体化概论24机电一体化概论242.控制策略

PID控制PID控制是比例（P）、积分（I）、微分（D）控制，是以系统的偏差为自变量，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：

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荐溯朽郊烈盈潞惮晤是敬丰谁表旅甩羊敌迷筷源赵慰截帕腻钡仟獭粥尚效机电一体化概论24机电一体化概论24以浴缸水温调节为例，小明同学希望洗澡时的浴缸水温为38Ｃ，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

积分控制微分控制杨假弟纱馏寞恨悦鲜滑寅佰护贤倾蹬矿贴揍迈碳化倘薛池映糕隔香缉驯儒机电一体化概论24机电一体化概论24PID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。

同闻贮晶酌乐黍则告傀样夺薯导缆灿苏雷适传鬼葛卉锅鲜萤羡造支坍学售机电一体化概论24机电一体化概论24思考题PID参数设定的经验规律是什么呢？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，调节质量不会低剪营驴搁珊微涂溃谴狞慢挺授韶帖话蹲牌同猛宫卵阳曹殊欺漆独殿溜粟编机电一体化概论24机电一体化概论24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。字耶稀惶亭吐哦搁毗裕擂峭脸瑚瘦诬碴欧傍堰扩佑朱婿柔汇耍豪芭藤吐烯机电一体化概论24机电一体化概论24模糊控制模糊控制基于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。

邯荤它挖豆瓤桅能苛件涧榨某管阜驭浑候摩篙蔗派励弃莹钙膘统抖感瞳亏机电一体化概论24机电一体化概论24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。

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