机电一体化控制系统组成及作用.docx

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机电一体化控制系统组成及作用

章节名称

第4章控制系统

教学名称

第1节控制系统的组成及其作用

教学时数

学时

教学目标

1．理解控制系统的组成

2．掌握各组成部分的基本功能

课程重点难点

1.现代的微机控制系统的组成

2.现代的微机控制系统各组成部分的基本功能

教学方法

及手段

1．课堂理论课讲授

2．多媒体教学课件播放辅助教学

第四章控制系统

4.1控制系统的组成及其作用

控制系统的组成（5部分）

（1）数字控制装置

作用：

程序译码执行；状态信号输入采集处理，产生输出控制信号和状态显示信息

（2）输入装置

作用：

接受现场状态信息和操作命令，（专为可识别的信息格式）

（3）输出装置（输出设备）

作用：

接受来自数字控制装置的控制命令，转化并执行相应命令信息，产生调解、改变系统工作状态的操作和动作

（4）输入输出接口

作用：

连接数字控制装置和输入输出设备的信息桥梁，完成I/O信号的电平转换，隔离，信号方式转换，滤波，锁存和缓冲等功能

（5）功率放大电路

作用：

将输出接口的输出控制信号进行功率放大，以足够的功率驱动输出执行设备（输出装置），完成系统的运行

控制系统的组成实例1：

控制系统的组成实例2：

作业：

1．简述机电一体化控制系统的构成

2．简述机电一体化控制系统各功能部件的作用

章节名称

第4章控制系统第2节控制系统的设计要求

教学目标

1．理解评价机电一体化控制系统设计水平的10大技术要求

2．理解可靠性评价指标的意义

3．重点理解安全性，可靠性，稳定性，环保性，经济性概念

课程重点难点

1.控制系统设计水平的10大技术要求

2.安全性，可靠性，稳定性，环保性，经济性概念的理解

第四章控制系统4.2控制系统的设计要求

控制系统的设计要求包括10个部分：

（1）功能实用性：

指功能，性能，精度，应用范围及特点等技术指标概况

（2）系统可靠性：

指系统在给定条件，预定时间内能够正常工作的概率（评价：

无

故障工作时间和故障的排出时间（含永久性和偶发性故障））

（3）运行稳定性：

系统的输入量变化或受到外界干扰时，输出量被迫离开原来的

稳定值过渡到另一个新的稳定状态的过程中，输出量发生超出规定限度或发生非收敛性变化的概率（包括超调，振荡，滞后，静态误差等）

（4）操作宜人性：

人机工程概念内容，有助于提高效率，速度，质量和可靠性

（5）人机安全性：

监测，自动保护，报警，显示，急停，极限保护等

（6）环境保护水平：

不产生环境污染

（7）技术经济性：

包括机电一体化设备制造的性价比和运行的性价比

（8）结构工艺性：

设计应满足加工，装配，检测，包装，安装，维护的最佳工艺性

（9）造型艺术性：

系统外形，比率，形体结构，色彩符合工业设计要求和时代美感

（10）成果规范性：

设计遵从相关法规，符合相关技术标准和技术规范

附：

※对工业控制计算机系统的基本要求

具有完善的过程输入/输出功能

具有实时控制功能

具有可靠性

具有较强的环境适应性和抗干扰能力

具有丰富的软件

※工业控制计算机分类及特点

1.可编程控制器

特点：

程序可变，柔性好。

可靠性强，适于工业环境。

编程简单，使用方便。

功能完善。

体积小，重量轻，易于装入机器内部。

2.总线型工业控制计算机

特点：

提高设计效率，缩短设计和制造周期。

提高系统可靠性。

便于调试和维修。

能适应技术发展的需要。

3.单片机

单板机

特点：

受集成度的限制，片内存储器容量较小。

可靠性高。

易扩展。

控制功能强。

一般单片机内无监控程序或系统通用管理程序。

组成：

（1）传感器　它将贮槽液位高低的信息转换为一种特定的信号（如电压、电流等），并传送到控制器，相当于人工控制时的眼睛。

（2）控制器　它接受变送器送来的信号，与生产工艺要求所预先设定的液位高度信号相比较得出偏差，并按某种运算规则算出结果，然后将此结果用特定信号发送到执行器，相当于人工控制时的大脑。

（3）执行器　在这里就是控制阀，它可以根据控制器送来的信号以及信号值的大小自动调节阀门的开启度，相当于人工控制时手和阀的组合。

作业：

1．简述机电一体化控制系统设计的10个评价标准

2．简述机电一体化控制系统设计的稳定性评价指标的内容

章节名称

第4章控制系统第3节控制系统中的输入装置

教学目标

1．理解机电一体化系统输入装置的基本功能

2．理解计算机控制系统通用键盘的机构组成，主要功能，在控制系统中作为输入设备使用的技术特点

3．掌握矩阵键盘的组成原理，和计算机的接口技术，键盘扫描工作方式的原理，特点，键号确定的方法，防抖动措施

课程重点难点

1.矩阵键盘的组成原理，和计算机的接口技术

2.键盘软件的防抖动措施，扫描工作方式的原理，特点，键号确定的方法，

教学过程及时间分配：

※控制系统输入装置的主要作用

将控制命令信息和状态信息送入数字控制系统

※控制系统输入装置的主要种类

键盘开关接口电路

※开关量信号的一般输入方法

（1）输入接口的形式的确定

（2）防抖动措施的确定

（3）开关电平的确定方法

（4）工作方式的确定：

①无条件方式的输入

②查询方式的输入③中断方式的输入

※输入键盘的种类

⑴通用标准编码键盘

特点：

软件定义各个键的功能，充分利用微型计算机的现有软硬件资源，

简化了系统设计和制作工作量，体积，总量，成本，防尘较欠理想

⑵专用的非编码矩阵键盘

特点：

采用较少的硬件电路资源和专门设计的扫描软件组成

①功能单一，结构简单，体积小，重量轻，装配紧凑合理

②功能单一的扫描软件，执行速度快，系统运行效率高

③根据控制功能的需要设计键的数量和功能分配，基本无冗余，功能键

的位置组合根据需要设计，操作简单快捷且人性化

④具有较高的性价比

⑤研制工作量较大

非编码矩阵键盘

1.组成原理

⑴本例为8行8列的矩阵键盘

⑵输出口为锁存器74LS377，口地址为7FFFH

⑶输入口为缓冲器74LS244，口地址为7FFFH

⑷由控制信号区分I/O接口

⑸键盘采用中断方式联络CPU

⑹8行8列64键的键号为0～63

⑺初始Q0～Q7=00H

⑻有键按下与门输出0，请求中断

⑼软件防抖动判断后，扫描键盘

⑽先确定按下键的所在行，再确定按下键的所在列，由行号加相应的列序号确定键号

2.和MCS_51系统接口的控制程序设计

（1）确定行输出接口的地址

（2）确定列输入接口的地址

（3）防抖动程序段的设计

（4）行号的扫描确定方法设计

（5）列号的扫描确定方法设计

（6）键号的计算方法及确定设计

（7）根据键号的跳转

（8）恢复到初始状态即返回主程序

作业：

1．简述常用的输入设备和各自的特点

2．简述矩阵扫描键盘键号的确定方法

第4章控制系统第4节控制系统中的信息显示

教学目标

1．了解机电一体化系统CRT方式信息显示基本内容

2．理解LED数码管的显示原理

3．掌握机电一体化系统LED显示器的组成，工作原理

课程重点难点

1.LED数码管的结构，显示原理

2.机电一体化系统LED显示器的组成，河MCS——51的接口及工作原理

控制系统的数码管显示概述

（1）应用意义：

简单，经济，在信息量较少的控制系统中应用具有较高的性价比

（2）LED数码管类型　①七段LED数码管

　　（按显示段数）　　　②八段LED数码管

　　　　　　　　　　③　十六段LED数码

（3）LED数码管类型　①共阴极LED数码管

　　（按共极性）②共阳极LED数码管

控制系统的数码管显示

（1）LED数码管的内部结构原理：

按数字图案排列的8个LED发光二极管

（2）LED数码管的显示原理：

按所需要的字符图案点亮相应的LED，完成相应字符和图案的显示效果

LED数码管的引脚示意图

控制系统的数码管显示编码——共阴极LED数码管

LED数码管显示静态显示接口电

1.静态显示电路特点

亮度高，无闪烁，软件设计简单

电路硬件成本高，位数少适用

2.电路组成

使用多功能并行接口8255直接驱动3位LED数码管

3.软件设计

内存开设显示缓冲区，存放待显示字符的二进制码，由显示输出子程序调用刷新

4.动态显示电路的特点：

亮度较低，存在扫描闪烁，软件设计复杂，CPU利用率下降，

电路硬件成本低，位数较多的显示电路适用

基本原理：

按位依次从显示缓冲区取出显示码并送入字形码锁存器，再根据该字符所在位将位编码送入位锁存器仅让该位LED显示该字形码字符，经适当延时，再改为下一位的点亮显示，到最后一位点亮延时后，再从头开始，由于人的视觉暂留效应，感觉效果依然是连续显示

作业：

1．简述LED显示器的两类显示方式的特点

2．简述LED显示器的动态显示方式的原理和特点

章节名称

第4章控制系统第5节控制系统中的信息输入输出

教学目标

1．掌握并行输入输出的概念，应用特点

2．掌握并行输入输出接口电路的一般原理和特点，掌握MCS——51并行接口的应用和扩展技术

3．掌握并行输出硬件方式的步进电机环形分配器的设计和工作原理

4．理解串行输入输出的概念，工作特点，传送速率和状态检测的概念

课程重点难点

1.并行输入输出接口电路的一般原理和特点，掌握MCS——51并行接口的应用和扩展技术

2.YB—013步进电机环形分配器的接口电路设计和工作原理

第四章控制系统4.5控制系统的信息输入输出

两种I/O方式

①信号的并行输入输出方式

②信号的串行输入输出方式

4.5.1并行输入输出

（1）并行I/O方式的特点

①传输速度快，传输信号线多，使用于近距离传送

②机电一体化系统中的方式选择，位置，压力等开关量信号适合并行传送

③控制系统中的非编码矩阵键盘适合并行输入输出

④一般可同时完成电平转换，隔离，锁存，缓冲，功放等技术处理

（2）常用的接口芯片

①简单的输入接口：

可使用TTL8-缓冲器74LS244等芯片

②简单的输出接口：

可使用TTL锁存器74LS377，74LS277，74LS373等芯片

③使用通用多功能并行接口：

例如8255，8155等

④直接使用单片微型机的片内并行接口，例80C31，80C51，87C51的P0，P1，P2，P3准双向8位并行接口，既可8位并行I/O传送，又可位控操作

并行I/O中的光电隔离电路

1.光电隔离的主要意义

⑴系统内外电路的电器隔离，避免抢点系统对微机系统的影响

⑵电平转换

2.常见的3种光电隔离电路类型

同相输出反相输出开关量输入

4.5.1并行输入输出应用例

步进电机环形分配器控制

作业：

1．简述三种常见的光电耦合器的应用形式的工作原理

2．简述YB013接口电路的工作原理

章节名称

第4章控制系统第6节控制系统中的数据处理

教学目标

1．理解计算机系统的数制转换处理

2．理解数字控制系统数字滤波的概念，特点和应用意义

3．了解程序判断滤波的应用原理和意义

4．了解算术平均滤波的应用原理和意义

课程重点难点

1.计算机系统的数制转换处理基本内容

2.程序判断滤波的原理和适用范围

3.数字平均滤波的原理和适用范围

数制的转换处理

1.十进制——二进制的数制的转换处理

ASCII码的概念和基本内容

BCD码的概念和基本内容

2.二进制——十进制的数制的转换处理

数字滤波技术

数字滤波相对模拟滤波的技术特点

（1）软件滤波技术

（2）可靠,无阻抗匹配问题

（3）可对极低频率的信号进行滤波处理（BC滤波器则因R或C的值太大无法实现

1.程序判断滤波

（1）根据经验或工艺分析确定两次采样之间可能出现的最大偏差Δx

（2）采样后发现偏差大于Δx，则是干扰而放弃

（3）采样后发现偏差小于Δx，则是不是干扰而输入

（4）具有限幅滤波和限速滤波两大类

（5）适用：

变化缓慢的信号（温度、液位等）

2.算术平均滤波

（1）方法：

取n次采样值的平均值作为本次采样值

（2）适用：

适用于压力，流量等周期脉动信号的平滑处理信号输入

3.加权平均滤波

（1）原理：

基本同算术平均滤波，但不同时刻的采样值赋予不同的加权因子

（例1/N采样值），从而提高采样精度）

（2）使用：

系统信号值滞后时间较大，采样时间较短的情况

4.中值滤波

（1）n次采样后去除极限之后再平均n-2次

（2）减少偶然干扰影响

作业：

1．简述二进制码，BCD码，ASCII码的主要应用意义

2．简述十进制码转化为二进制码的基本方法

3.简述数字滤波相对模拟滤波波的主要技术特点