机电一体化系统设计-控制系统设计及控制技术

控制系统设计及控制技术本章内容CONTENTS

控制系统组成与分类1基于单片机的控制系统设计2基于PLC的控制系统设计3基于总线式工控机的控制系统设计4机电一体化系统的控制技术53

5.1.1控制系统组成典型的机电一体化系统的控制系统组成如图5-1所示，包括被控对象和控制装置两大组成部分。图5-1机电一体化系统的控制系统组成4

5.1.1控制系统组成被控对象：是指在一个控制系统中被控制的事物或生产过程，又称受控对象或控制对象。在自动控制系统中，一般指被控制的设备或过程为对象，例如数控机床、工业机器人、反应堆传热过程、锅炉燃烧过程等。控制装置：它是执行控制系统任务的装置，主要由控制计算机和伺服驱动装置两部分组成。①控制计算机：也称上位机，它是控制系统的主控制器，主要作用是发出控制指令。②伺服驱动装置：即伺服驱动系统，是接受控制计算机发送的控制指令，具体完成控制任务的一套装置。5

5.1.2控制系统分类

1.按照有无反馈分类（1）开环控制系统：是指没有反馈环节的控制系统，其主要优点是简单、经济、容易维修以及价格便宜；主要缺点是精度低，对环境变化和干扰十分敏感。（2）闭环控制系统：亦称为反馈控制系统，与开环控制系统相比，具有精度高，动态性能好，抗干扰能力强等优点，它的缺点是结构复杂，维修困难，价格昂贵等。

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5.1.2控制系统分类2.按照应用目标分类（1）调节系统：是在干扰作用下使被控变量保持常数的一种控制系统，调节系统的输入就是它的设定值。（2）跟踪系统：是保持其被控变量尽可能接近时变的指令值。例如，数控机床的刀具必须跟踪给定的路径，以加工出合适形状的零件，它就是一个跟踪系统，也就是常见的伺服系统。（3）过程控制系统：是指面向具体的工业控制过程实施的控制系统，如温度自动调节系统不是伺服系统，而是过程控制系统。典型的过程控制系统的被控变量有温度、压力、流速、液位以及化学浓度等。

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5.1.2控制系统分类3.按信号类型分类（1）恒值控制系统：在控制过程中，如果要求被控变量保持在一个指标上不变，或者说系统的给定信号是恒定值，那么就需要采用恒值控制系统。（2）程序控制系统：这类系统的给定值是变化的，但它是一个已知的时间函数，或按预定的规律变化。比如金属热处理的温度控制装置、数控机床的数控程序加工，就是这类系统的例子。（3）随动控制系统：这类系统的特点是给定信号不仅在不断地变化，而且这种变化不是预先规定好的，也就是说给定信号是按未知规律变化的任意函数。随动系统的根本任务就是能够自动地、连续地、精确地复现给定信号的变化规律。

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5.1.2控制系统分类4.按控制系统的结构分类（1）集中式控制系统：集中式控制系统由一台中央计算机直接对众多的现场设备进行控制，控制器内部传输的是数字信号。典型的集中式数字控制系统组成如图5-2所示。

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图5-2集中式控制系统组成10

5.1.2控制系统分类4.按控制系统的结构分类（2）集散控制系统：集散控制系统（DistributedControlSystem，DCS）又称为分布式控制系统，它采用控制分散、操作和管理集中的基本设计思想，采用多层分级、合作自治的结构形式。其主要特征是它的集中管理和分散控制。典型的集散控制系统组成结构如图5-3所示，它采用分级递阶结构，一般分为现场控制级、过程控制级、过程管理级和经营管理级。

11图5-3

集散控制系统（DCS）12

5.1.2控制系统分类4.按控制系统的结构分类（3）现场总线控制系统：现场总线控制系统（FieldbusControlSystem，FCS）采用智能现场设备，能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入/输出模块置入现场设备。现场总线控制系统的一般结构如图5-4所示。

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图5-4现场总线控制系统结构14

5.2.1单片机控制系统特点（1）高集成度、高可靠性:单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然小。（2）控制功能强:为了满足对象的控制要求，单片机的指令系统均有较强的分支转移能力，I/O口的逻辑计算及位处理能力，因此非常适用于专门的控制功能。（3）低电压、低功耗:为了满足便携式系统需要，许多单片机内部的工作电压仅为1.8V～3.6V，而工作电流仅为几百微安，功耗低。（4）性价比高:由于单片机使用广，因而销量大，且价格低廉，其性价比高。

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5.2.2典型单片机介绍MCS-51系列单片机：MCS-51是指由美国Intel公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了多个机型，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最典型的产品。由于MCS-51单片机的处理速度、存储器容量以及功能的限制，它适用于要求不高的机电一体化产品的控制系统。目前，基于MCS-51内核的单片机主要厂商有Atmel、Philips、Winbond、微芯、宏晶等。图5-5（a）所示为Atmel公司生产的基于51内核的AT89C51单片机。

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5.2.2典型单片机介绍ARM系列单片机：ARM单片机是以ARM处理器为核心的一种单片微型计算机，是近些年来随着电子设备智能化和网络化程度不断提高而出现的新兴产物。图5-5（b）所示为意法半导体（ST）公司生产的基于32位ARM微处器的ARM单片机，型号为STM32F03。

图5-5单片机17

5.2.3单片机控制系统设计1.控制系统开发方法单片机控制系统的开发方法主要有两种，一是从元件开始构建，二是在已有系统上进行扩展。（1）从元件开始构建系统。针对具体任务，选用合适的单片机，配以必要的存储器、接口芯片和外围设备来构成一个新的控制系统。（2）应用已有的单片机系统扩展。已有的单片机系统可以是MCS-51、MCS-96、ARM等系列单片机组成的单片机控制系统。根据实际需要，在此系统的基础上适当扩展I/O通道或其它器件，重新构成一个新的控制系统。

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5.2.3单片机控制系统设计2.控制系统设计步骤单片机控制系统设计分为方案设计、硬件设计、软件设计和系统调试四个步骤。（1）方案设计①单片机机型和器件的选择:单片机的功能要适合所要完成的任务，避免过多的功能闲置。性能价格比要高，以提高整个系统的性能价格比。②硬件与软件的功能划分:控制系统的硬件和软件要作统一的考虑，因为一种功能往往是既可以由硬件实现又可以由软件实现，要根据系统的实时性和系统的性能价格比进行综合确定。

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5.2.3单片机控制系统设计2.控制系统设计步骤单片机控制系统设计分为方案设计、硬件设计、软件设计和系统调试四个步骤。（2）硬件设计①单片机电路设计②扩展电路设计③输入/输出通道设计④控制面板设计

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5.2.3单片机控制系统设计2.控制系统设计步骤单片机控制系统设计分为方案设计、硬件设计、软件设计和系统调试四个步骤。（3）软件设计软件设计要结合硬件组成，首先明确软件部分各个模块的功能，详细地画出各模块的流程图，然后进行主程序设计和各个模块程序设计，最后连接起来得到完整的应用程序。

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5.2.3单片机控制系统设计2.控制系统设计步骤单片机控制系统设计分为方案设计、硬件设计、软件设计和系统调试四个步骤。（4）系统调试系统调试是将硬件和软件相结合，分模块进行调试，修正和完善原始方案，最后进行整个系统的调试以达到控制系统的要求，调试完成后将应用程序固化在程序存储器中。

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5.2.3单片机控制系统设计3.提高系统可靠性的常用方法（1）电源干扰及其抑制①交流电源干扰及其抑制在工业控制现场，生产负荷经常变化，大型用电设备的启动、停止等，往往要造成电源电压的波动，因此，一方面要尽量使控制系统远离这些干扰源，另一方面可在系统中采用干扰抑制器。②直流电源抗干扰措施直流电源供电可采用集成稳压模块、直流开关电源或DC-DC变换器。单片机应用系统中往往需要几种不同电压等级的直流电源，这时可以采用相应的低纹波高质量集成稳压电路。

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5.2.3单片机控制系统设计3.提高系统可靠性的常用方法（2）地线干扰及其抑制①数字地与模拟地的连接原则②印刷电路板的地线分布原则③屏蔽双绞线的接地④接地系统

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5.2.3单片机控制系统设计3.提高系统可靠性的常用方法（3）其它提高系统可靠性的方法①使用微处理器监控电路：使用微处理器监控电路是在单片机内置监视定时器，采用监视定时器后，一旦程序跑飞，系统立即会被监视定时器复位掉，从头重新启动系统，从而退出不正常的运行状态，但在采用微处理器监控电路时需要保证系统的可重入性。②软件抗干扰措施：常采用的软件抗干扰措施有：滤波技术、软件冗余设计、重要指令冗余、程序陷阱、程序监控技术、数据保护与恢复技术等。

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5.3.1PLC特点与应用1.PLC控制特点①

可靠性高，抗干扰能力强。②

功能强，配置灵活。③

编程简单，易学易用。④

系统设计与维护方便。⑤

体积小、重量轻、能耗低。

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5.3.1PLC特点与应用2.PLC应用①开关量控制:开关量控制是PLC控制器最基本、最广泛的应用，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制。②模拟量控制:为了使PLC处理模拟量，必须要进行模拟量和数字量之间的A/D转换及D/A转换。③运动控制:PLC可以用于旋转运动或直线运动控制。④过程控制:过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

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5.3.2典型PLC介绍1.三菱PLC（1）三菱PLC概述三菱PLC分为F系列、Q系列、IQ-F系列，IQ-R系列、L系列、QS/WS系列等，不同系列PLC在CPU运算速度、输入/输出类型与规模、控制功能、通讯功能、安全功能等方面配置不同，适用于不同的控制需求。

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5.3.2典型PLC介绍1.三菱PLC（2）三菱F系列PLC介绍

图5-6

三菱FX系列部分PLC外形29

5.3.2典型PLC介绍1.西门子PLC(1)西门子PLC概述

图5-7西门子PLC类型（a）S7-1200（c）S7-300（b）S7-1500（d）S7-40030

5.3.2典型PLC介绍1.西门子PLC（2）SIMATICS7-1200PLC介绍S7-1200系列是目前西门子PLC应用最为广泛的小型PLC，它包括1211C、1212C、1214C、1215C和1217C，共5种CPU型号。S7-1200PLC整机具有下列特点：①高度集成的工程组态系统

②集成可视化控制③集成Profinet接口

④嵌入CPU模块本体的信号板⑤高速输入/输出

⑥自适应PID算法⑦数据库共享功能

⑧硬件配置及可扩展性31

5.3.3PLC控制系统设计1.PLC控制系统设计原则PLC控制系统设计应满足实用性、可靠性、经济性、可扩展性、先进性等基本原则。（1）实用性：实用性是控制系统设计的基本原则。（2）可靠性：可靠性是控制系统极其重要的原则。（3）经济性：这要求工程师在满足实用性和可靠性的前提下，应尽量使系统的软、硬件配置经济、实惠，切勿盲目追求新技术、高性能。（4）可扩展性（5）先进性：此原则与经济性共同考虑，使控制系统具有较高的性价比。32

5.3.3PLC控制系统设计2.PLC控制系统设计流程PLC控制系统设计时应遵循一定的设计流程，掌握设计流程，可以增加控制系统的设计效率和正确性。PLC控制系统的一般设计流程如图5-8所示，设计步骤包括被控对象的分析与描述、方案论证、总体设计、硬件设计、程序设计、控制系统调试等。33

5.3.3PLC控制系统设计2.PLC控制系统设计流程（1）被控对象的分析与描述①分析被控对象②画出工艺流程图③了解控制任务被控对象的分析具体内容包括：1）系统规模2）硬件配置3）软件配置4）控制功能34

5.3.3PLC控制系统设计2.PLC控制系统设计流程（2）PLC控制系统方案论证控制系统方案进行论证主要是对整个系统的可行性作一个预测性的估计。在此阶段一定要全面地考虑到设计和实施此系统将会遇到的各种问题。（3）PLC控制系统总体设计系统的总体设计关系到整个系统的总体构架，每个细节都必须经过反复斟酌。首先要能够满足用户提出的基本要求；其次是确保系统的可靠性，不可以经常出现故障，就算出现故障也不会造成大的损失；然后在经济性等方面予以考虑。35

5.3.3PLC控制系统设计2.PLC控制系统设计流程（4）PLC控制系统硬件设计控制系统设硬件设计在控制系统总体设计的基础上进行详细硬件系统设计。硬件设计内容包括以下内容1）传感器与执行器的确定2）PLC控制系统模块选择3）控制柜设计4）I/O模块原理图设计36

5.3.3PLC控制系统设计2.PLC控制系统设计流程（5）PLC控制系统程序设计在硬件设计完成之后，接下来进行PLC控制软件设计。PLC控制系统软件包括PLC控制程序、操作与监控程序。根据控制系统的硬件设计，操作和监控用的硬件设备可以是触摸屏、或者是上位机、甚至是手机等，因此采用的编程工具也不相同。37

5.3.3PLC控制系统设计2.PLC控制系统设计流程（5）PLC控制系统程序设计1）PLC控制程序设计①程序设计要求正确性可靠性可调整性可读性强38

图5-9PLC控制程序设计流程图②设计流程39

5.3.3PLC控制系统设计2.PLC控制系统设计流程（5）PLC控制系统程序设计2）操作与监控程序设计一般来说，在操作与监控程序在设计时，应该考虑以下几个方面：①工艺流程界面

②操作控制界面③趋势曲线界面

④历史数据归档⑤报警信息提示

⑥相关参数设置。40

5.3.3PLC控制系统设计2.PLC控制系统设计流程（6）PLC控制系统调试控制系统的调试可分为模拟调试和现场调试两个过程。在调试之前首先要仔细检查系统的接线，这是最基本也是非常重要的一个环节。1）模拟调试①软件模拟调试②硬件模拟调试2）现场调试现场调试是整个控制系统完成的重要环节，任何的系统设计很难说不经过现场的调试就能正常使用。41

5.4.1总线式控制机组成与特点1.IPC硬件组成总线式工控机在普通计算机基础上采取了适应工业现场环境的一系列提高可靠性的加固措施、同时在其内部采用了工业控制总线的一种工业控制计算机。由于从系统原理到操作与普通PC机相同，用户极易掌握，并具有通用性好，软件丰富，通信功能强，灵活性好，模板资源丰富，扩展性好，价格便宜等优点。典型的总线式工控机由机箱、工业电源、主板、CPU、内存、硬盘驱动器、输入/输出接口模块等组成。42

5.4.1总线式控制机组成与特点1.IPC硬件组成图5-10总线式工控机

图5-11总线式工控机主板43

5.4.1总线式控制机组成与特点2.IPC软件组成（1）系统软件：系统软件用来管理IPC的资源，并以简便的形式向用户提供服务。包括实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序，如美国Intel公司的iRMX86实时多任务操作系统。（2）应用软件：应用软件是系统设计人员针对某个控制过程而编制的控制和管理程序，通常包括过程输入/输出程序、过程控制程序、通讯程序、人机接口程序、打印显示程序等。（3）工具软件：工具软件是技术人员从事软件开发工作的辅助软件，包括汇编语言和高级语言的编译程序、编辑程序、调试程序、诊断程序等。44

5.4.1总线式控制机组成与特点2.IPC特点（1）可靠性高（2）实时性好（3）环境适应性强（4）丰富的输入/输出模板（5）系统扩充性和开放性好（6）控制软件功能强（7）系统通信功能强（8）冗余性45

5.4.2IPC总线与接口1.IPC内部总线图5-12总线式工控机总线46

5.4.2IPC总线与接口2.IPC外部通讯接口总线式工控机的外部通讯接口用于计算机与外设、其它计算机信息传输。随着通讯技术的发展，计算机的接口也不断丰富。目前计算机上配置的外部通讯接口类型有串行通讯接口、以太网通讯接口、USB接口、蓝牙通讯接口、无线网通讯接口等。47

5.4.3控制系统设计总线式工控机控制系统的设计过程一般包括系统总体方案设计、控制系统硬件设计、控制系统软件设计、系统仿真和调试等步骤。1.总体方案设计（1）确定控制系统的功能要求（2）根据功能要求选择实现的硬件和软件（3）画出整个控制系统的原理图，编写详细的设计技术文件48

5.4.3控制系统设计2.控制系统硬件设计（1）确定系统控制方式（2）选择工控机（3）检测元件和执行机构选择（4）输入/输出通道及外围设备选择（5）操作面板（6）其它其它方面包括电源、时钟、负载匹配、抗干扰等问题。49

5.4.3控制系统设计3.控制系统软件设计控制系统的软件包括系统软件和控制软件。系统软件主要由操作系统、诊断系统、开发系统和信息处理等软件组成，完成资源管理，系统故障诊断，各类语言的编译等任务。（1）应用软件要求：应用软件无论是自行开发或定制，都需要满足实时性、灵活性、通用性、可靠性等要求。（2）控制系统应用：软件的分类在设计控制系统应用软件时，常将其分成主程序、子程序和中断服务程序三大类。（3）应用软件的开发过程50

5.4.3控制系统设计4.系统的调试和运行在硬件设计和软件设计完成后，对系统进行调试并试运行，以便检测设计效果和存在的问题。系统调试分为硬件调试、软件调试、软硬件联合调试三个阶段。（1）硬件调试①脱机检测②联机调试（2）软件调试（3）硬、软件联合调试51

5.4.4运动控制卡1.介绍运动控制卡是基于PC总线，利用高性能微处理器（如DSP）及大规模可编程器件实现多个伺服电机的多轴协调控制的一种高性能的步进或伺服电机运动控制卡，包括脉冲输出、脉冲计数、数字输入、数字输出、D/A输出等功能。52

图5-13GSN-08-G运动控制卡53

5.4.4运动控制卡2.运动控制功能实现运动控制卡的主要功能是运动轨迹的插补计算，就是数控装置根据输入的基本数据，通过计算，把工件轮廓的形状描述出来，一边计算一边根据计算结果向各坐标发出进给脉冲。对应每个脉冲，机床在响应的坐标方向上移动一个脉冲当量的距离，从而将工件加工出所需要轮廓的形状。54

5.4.5数据采集卡1.数据采集卡图5-14PCI-9622数据采集卡55

5.4.5数据采集卡2.分类基于PC总线的板卡种类很多，其分类方法也有很多种。按照板卡处理信号的不同可以分为模拟量输入板卡（A/D卡）、模拟量输出板卡（D/A卡）、开关量输入板卡、开关量输出板卡、脉冲量输入板卡、多功能板卡等。其中多功能板卡集成了多个功能，例如数字量/模拟量输入/输出板卡将模拟量输入/输出和数字量输入/输出集成在同一个板卡上。根据使用总线的不同，又可分为PCI、PCI-E、CPCI、PXI、USB板卡、PC104等。56

5.4.5数据采集卡3.技术参数（1）通道数（2）采样频率（3）分辨率（4）精度（5）量程57

5.5.1PID控制1.PID控制概述图5-15PID控制58

5.5.1PID控制1.PID控制概述PID控制规律表达为：式中：KP为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数PID控制的传递函数为59

5.5.1PID控制2.PID控制原理（1）比例（P）控制比例控制对系统性能的影响：当KP>1时，开环增益加大，稳态误差减小，幅值穿越频率增大，过渡过程时间缩短，系统稳定程度变差。当KP<1时，与KP>1时对系统性能的影响正好相反。

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5.5.1PID控制2.PID控制原理（2）积分（I）控制

图5-16比例控制图5-17积分控制61

5.5.1PID控制2.PID控制原理（2）积分（I）控制积分控制的传递函数为积分控制可以增强系统抗高频干扰能力，故可相应增加开环增益，从而减少稳态误差。但纯积分环节会带来相角滞后，减少了系统相角裕度，通常不单独使用。

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5.5.1PID控制2.PID控制原理（3）微分（D）控制

图5-18微分控制63

5.5.1PID控制2.PID控制原理（3）微分（D）控制微分控制的传递函数为微分控制可以增大截止频率和相角裕度，减小超调量和调节时间，提高系统的快速性和平稳性，但是单纯微分控制会放大高频扰动，通常不单独使用。

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5.5.1PID控制3.PID控制规律（1）PI控制规律（2）PD控制规律（3）PID控制规律（4）PID控制规律选择

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5.5.1PID控制4.PID控制器的参数整定（1）PID参数整定方法①理论计算整定法②工程整定方法（2）PID参数整定原则参数整定的一般原则是：在输出不振荡时，增大比例增益P；在输出不振荡时，减小积分时间常数TI；在输出不振荡时，增大微分时间常数TD。

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5.5.1PID控制4.PID控制器的参数整定（3）PID调试步骤①确定比例增益KP②确定积分时间常数TI③确定微分时间常数TD④系统空载、带载联调，再对PID参数进行微调，直至满足要求。

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5.5.2模糊控制1.模糊控制概念模糊控制就是利用模糊数学知识模仿人脑的思维对模糊的现象进行识别和判断，给出精确的控制量，利用计算机予以实现的自动控制。模糊控制的基本思想：根据操作人员的操作经验，总结出一套完整的控制规则，根据系统当前的运行状态，经过模糊推理，模糊判断等运算求出控制量，实现对被控制对象的控制。

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5.5.2模糊控制2.模糊控制特点（1）模糊控制优点①使用语言方便，可不需要过程的精确数学模型。②鲁棒性强，适于解决过程控制中的非线性、强耦合时变、滞后等问题。③有较强的容错能力，具有适应受控对象动力学特征变化、环境特征变化和动行条件变化的能力。④操作人员易于通过人的自然语言进行人机界面联系，这些模糊条件语句容易加到过程的控制环节上。

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5.5.2模糊控制2.模糊控制特点（2）模糊控制缺点①信息简单的模糊处理将导致系统的控制精度降低和动态品质变差。②模糊控制的设计尚缺乏系统性，无法定义控制目标。

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5.5.2模糊控制3.模糊控制基本原理

图5-19模糊控制系统原理框图71

5.5.2模糊控制4.模糊控制器的执行步骤

图5-20模糊控制器的结构组成72

5.5.2模糊控制4.模糊控制器的执行步骤（1）精确量的模糊化（2）规则库和推理机①根据专家经验或过程控制知识生成控制规则②根据过程模糊模型生成控制规则③根据对手工操作的系统观察和测量生成控制规则（3）反模糊化

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5.5.3人工神经网络控制1.人工神经网络控制概述人工神经网络系统研究领域主要集中三个方面：神经元模型、神经网络结构和神经网络学习方法。从神经元模型来分，可划分为线性处理单元、非线性处理单元；从网络结构来分，可分为前馈网络、反馈网络和自组织网络。

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5.5.3人工神经网络控制2.人工神经元模型

图5-21人工神经元结构模型75

5.5.3人工神经网络控制3.人工神经网络模型

图5-22人工神经网络模型分类76

5.5.3人工神经网络控制4.人工神经网络的学习方法学习方法是体现人工神经网络智能特性的主要标志，离开了学习算法，人工神经网络就失去了自适应、自组织和自学习的能力。目前神经网络的学习方法有多种，按有无教师来分类，可分为有教师学习（SupervisedLearning）、无教师学习（UnsupervisedLearning）和再励学习（ReinforcementLearning）等几大类。

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5.5.3人工神经网络控制5.人工神经网络的训练在实际应用中还尚未找到一个较好的人工神经网络构造方法，来确定网络的结构和权值参数，描述给定的映射或逼近一个未知的映射，因此只能通过学习和训练来得到满足要求的网络模型。神经网络训练指对人工神经网络训练，向网络输入足够多的样本，通过一定算法调整网络的结构〔主要是调节权值)，使网络的输出与预期值相符，这样的过程就是神经网络训练。根据学习环境中教师信号的差异，