微机控制系统选择与设计

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1、第四章微机控制系统选择与设计《机电一体化系统设计》张建民编著高等教育出版社4.1微机控制系统随着机电一体化系统所需的控制功能、控制形式、控制方式的不同和多控制过程日趋复杂，对控制系统的要求越来越高。微机控制系统的引用，在许多方面能满足机电一体化控制系统的要求。微机控制系统：是将微型计算机作为机电一体化产品的控制器，结合微型计算机的工作原理、接口电路（数字和模拟）的设计、相应的控制硬件和软件，以及它们之间的匹配，实现对控制对象的有效控制。常用的微机控制系统：专用微机控制系统——核心部件为单片机和单板机。通用微机控

2、制系统——核心部件为可编程控制器和工业计算机。4.1.1微机控制系统硬件与软件的抉择和权衡在确定微机控制系统时，应重点考虑几方面的问题。（1）专用/通用微型计算机的选择1）专用控制系统的构成与特点用于大批量生产的机电一体化产品。具有机械电子有机结合紧凑，由专用IC芯片、接口电路、执行元件、传感器等相互合理匹配成专用控制器，软件采用专用机器代码或语言，可靠性强，成本低，但适应能力较差。2）通用控制系统的构成与特点适用于多品种、中小批量生产的机电一体化产品，控制系统以通用微型计算机为核心，设计专用或选用通用的集成I

3、C芯片、接口电路、执行元件、传感器，以及相互合理匹配元件，组成具有较好通用能力的控制器。软件采用通用平台软件系统，可靠性高，适应性强，但成本高，应采取一定的抗干扰措施。（2）硬件与软件的权衡/匹配任何微机控制系统的控制功能，即可以由硬件实现，也可以由软件实现，两者的合理匹配是确定或选用微机控制系统研究内容之一。主要依据经济性、可靠性、适用性等要求来决定。主要用通用分离元件组成的控制系统——最好采用软件来实现对机电一体化产品的主要控制功能，接口少，易于调整，适应能力强，但成本较高。主要用专用集成元件组成的控制系统

4、——最好选用硬件实现对机电一体化产品的主要控制功能，具有廉价、可靠、处理速度快等特点。（3）应有必要的抗干扰措施由于工作环境比较恶劣（存在电噪声干扰等），易产生故障。为提高控制系统的环境适应能力和抗干扰能力，以及可靠性，必须采取相应的抗干扰措施。4.1.2微机控制系统的设计思路（1）确定系统总体控制方案总体控制方案确定技术路线从系统构成上考虑控制方式（开环控制、半闭环控制、闭环控制）——传感元件选用（含精度）——选用/设计执行元件——考虑被控制对象特殊控制要求（高可靠性、高精度、快速响应特性）——微机在整个控制

5、系统中的作用（计算、数据处理、直接/间接控制方式、控制功能、I/O接口、外围设备等）——控制系统成本核算。确定微机控制系统总体控制的初步方案总体方案可行性论证——总体方案技术/经济评价——总体方案鉴定。最终确定微机控制系统总体控制方案（2）确定控制算法目的在于确定微机控制系统输入/输出之间的数字和逻辑数学模型的数学表达方式，为控制系统输出的控制信号，实现被控制对象的各控制功能、精度、稳定性、可靠性等要求提高可靠的理论依据。常用的控制算法：逐点比较法、数字积分法、PID调节控制法、最小拍控制法、最优控制法、随机控

6、制法、自适用控制法、遗传控制法、模糊控制法、鲁棒控制法、神经网络控制法、专家系统等。选用何种控制算法，应依据被控制对象的具体要求而定，主要包括控制功能、精度、稳定性、可靠性等。（3）微型计算机选择任何微机控制系统中的微型计算机，无论被控制对象的控制要求如何，对微型计算机都有一定最基本要求。1）较完善的适时中断系统实时控制能力、紧急处理能力。2）足够的存储容量（ROM、RAM、EPROM）有效地保证微机系统软件、应用软件、数据处理工作的正常运行。3）完善的输入/输出通道逻辑、数字、模拟通道，以及输入/输出通道接口

7、数。4）实时时钟控制作为控制系统实现控制功能的基准。除此之外，还应有一些特殊要求——字长、运行速度、指令、成本、编程难易程度、输入/输出接口扩展能力等。微型计算机的最终确定：可选用微型计算机主要有三种类型：单片机——指主要包括数字计算机四个基本组成部分（CPU、EPROM、RAM、I/O）的双列直插式集成电路。具有结构简单、实用范围广，缺点是需用专用的开发系统对其软件和硬件进行开发才能满足使用要求。单板机——将单片机、编程器、外部存储器、专用/通用接口电路等板卡式微型计算机。具有成本低、体积小特点，主要用于生产

8、现场的控制系统；缺点是内存容量少，接口电路少，采用机器语言编程、程序编写、调试较困难。微型计算机——具有丰富的软件和硬件支持，具有可视化界面的系统软件、可应用高级语言、汇编语言等编写应用程序，程序编写、调试方便快捷，有多样化数据信号输入/输出接口（RS232、COM、USB）或插槽（PCI、ISA）；缺点是价格比较昂贵、抗干扰能力较差。4.2控制系统总体设计（技术设计）要求一旦被控制对