4.机电一体化计算机接口设计(上).ppt

4 机电一体化计算机接口设计1 1 微型计算机控制系统概述微型计算机控制系统概述2 2 微型计算机控制系统组成和分类微型计算机控制系统组成和分类 3 3 微型计算机控制系统的发展趋势微型计算机控制系统的发展趋势 微微型型计计算算机机控控制制系系统统是是由由计计算算机机（工工业业控控制计算机）和工业对象两大部分组成。制计算机）和工业对象两大部分组成。闭环控制系统框图闭环控制系统框图1 1 微型计算机控制系统的组成微型计算机控制系统的组成它它与与闭闭环环控控制制系系统统不不同同，它它的的控控制制器器直直接接根根据据给给定定信信号号去去控控制制被被控控对对象象工工作作。被被控控制制量量在在整整个个控控制制过过程程中中对对控控制制量量不不产产生生影影响响。与与闭闭环环控控制制系统相比，它的控制性能较差。系统相比，它的控制性能较差。开环控制系统框图开环控制系统框图控制器用微型计算机来代替，就可以构成微型计算机控控制器用微型计算机来代替，就可以构成微型计算机控制系统。在微型计算机控制系统中，只要运用各种指制系统。在微型计算机控制系统中，只要运用各种指令，就能编出符合某种控制规律的程序。微处理器执令，就能编出符合某种控制规律的程序。微处理器执行这样的程序，就能实现对被控参数的控制。行这样的程序，就能实现对被控参数的控制。计算机控制系统基本框图计算机控制系统基本框图1.1.硬件组成硬件组成 微微型型计计算算机机控控制制系系统统的的硬硬件件一一般般是是由由微微型型计计算算机机、外外部部设设备备、输输入入输输出出通通道道和和操操作作台台等等组成。组成。微型计算机控制系统原理图微型计算机控制系统原理图硬件组成硬件组成（1 1）微型计算机）微型计算机 （2 2）外部设备）外部设备 （3 3）输入输出通道）输入输出通道 （4 4）操作台）操作台 2计算机控制系统的软件计算机控制系统的软件 软软件件是是指指能能完完成成各各种种功功能能的的计计算算机机程程序序的的总总和和。它它是是微微型型计计算算机机控控制制系系统统的的神神经经中中枢枢，整整个个系系统统的的工工作作都都是是在在程程序序的的指指挥挥下下进进行行协协调调工工作作的的。软软件件通通常常分分为为两两大大类类：一一类类是是系系统统软软件件，另另一一类类是应用软件。是应用软件。2 2 微型计算机控制系统分类微型计算机控制系统分类 1 1操作指导控制系统操作指导控制系统 2 2直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDCDDC）3 3计算机监督系统（计算机监督系统（SCCSCC）4 4分级计算机控制系统分级计算机控制系统 1操作指导控制系统操作指导控制系统 操作指导控制系统组成框图操作指导控制系统组成框图2直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDC）DDC控制系统原理图控制系统原理图3计算机监督系统（计算机监督系统（SCC）计算机监督系统（计算机监督系统（Supervisory Computer Supervisory Computer ControlControl）简称）简称SCCSCC系统。系统。SCC SCC系统有两种不同的系统有两种不同的结构形式。一种是结构形式。一种是SCC+SCC+模拟调节器，另一种是模拟调节器，另一种是SCC+DDCSCC+DDC控制系统。控制系统。（1 1）SCC+SCC+模拟调节器控制系统模拟调节器控制系统 该系统原理图，如图该系统原理图，如图1-71-7所示。所示。（2 2）SCC+DDCSCC+DDC控制系统控制系统 SCC+DDC SCC+DDC控制系统原理图，如图控制系统原理图，如图1-81-8所示。所示。SCC+模拟调节器控制系统原理图模拟调节器控制系统原理图 SCC+DCC控制系统原理图控制系统原理图 管理命令报告计算机监管给定值测量值A/D多路开关检测元件生产过程管理命令报告计算机监管给定值测量值A/D多路开关检测元件生产过程DDCD/A反多路开关.4分级计算机控制系统分级计算机控制系统 分分级级计计算算机机控控制制系系统统是是一一个个四四级级系系统统，各级计算机的功能如图各级计算机的功能如图1-91-9所示。所示。装置控制级（装置控制级（DDCDDC级）级）车间监督级（车间监督级（SCCSCC级）级）工厂集中控制级（工厂集中控制级（MISMIS）企业管理级（企业管理级（MISMIS）分级计算机控制系统分级计算机控制系统1 1可编程控制器（可编程控制器（PLCPLC）2 2采用新型的控制系统（集散控制系统）采用新型的控制系统（集散控制系统）3 3人工智能人工智能 4 4神经网络控制系统神经网络控制系统 微型计算机控制系统的发展趋势微型计算机控制系统的发展趋势 1可编程控制器（可编程控制器（PLC）PLCPLC与与传传统统的的继继电电器器控控制制相相比比，具具有如下一些特点：有如下一些特点：（1 1）抗干扰能力强；）抗干扰能力强；（2 2）适应性好；）适应性好；（3 3）编程直观、简单；）编程直观、简单；（4 4）功能完善，接口功能强。）功能完善，接口功能强。2采用新型的控制系统（集散控制系统）采用新型的控制系统（集散控制系统）集集散散控控制制系系统统是是分分散散型型综综合合控控制制系系统统（Total Total Distributed Distributed Control Control SystemsSystems）或或分分散散型型微微处处理理器器控控制制系系统统（Distributed Distributed Microprocessor Microprocessor Control Control SystemsSystems）的简称。）的简称。集集散散控控制制系系统统的的组组成成框框图图以以微微型型计计算算机机为为核核心心，把把微微型型机机、工工业业控控制制计计算算机机、数数据据通通信信系系统统、显显示示操操作作装装置置、输输入入 /输输出出通通道道、模模拟拟仪仪表表等等有有机机地地结结合合起起来来，采采用用组组合合组组装装式式结结构构组组成成系系统统，为为实实现现工工程程大大系系统的综合自动化创造了条件。统的综合自动化创造了条件。集散系统组成框图集散系统组成框图3人工智能人工智能 人人工工智智能能是是用用计计算算机机模模拟拟人人类类大大脑脑的的逻逻辑辑判判断断功功能能，其其中中具有代表性的两个尖端领域是专家系统和机器人。具有代表性的两个尖端领域是专家系统和机器人。所所谓谓专专家家系系统统即即计计算算机机专专家家咨咨询询系系统统，是是一一个个存存储储了了大大量量专专门门知知识识的的计计算算机机程程序序系系统统。不不同同的的专专家家系系统统将将不不同同领领域域专专家家的的知知识识，以以适适当当的的形形式式存存放放于于计计算算机机中中。根根据据这这些些专专家家知知识识，专专家家系系统统可可以以对对用用户户提提出出的的问问题题做做出出判判断断和和决决策策，以以回回答答用用户户的咨询。的咨询。机器人是一种能模拟人类智能和肢体动作的装置，从本世机器人是一种能模拟人类智能和肢体动作的装置，从本世纪纪7070年代微处理机问世以来，机器人便逐渐涉足于各工业生产年代微处理机问世以来，机器人便逐渐涉足于各工业生产领域和科学研究领域。目前已出现的机器人可以分为两类，工领域和科学研究领域。目前已出现的机器人可以分为两类，工业机器人和智能机器人。业机器人和智能机器人。4神经网络控制系统神经网络控制系统 国国外外在在2020世世纪纪8080年年代代掀掀起起了了神神经经网网络络（Neural Neural NetworkNetwork）计计算算机机的的研研究究和和应应用用热热潮潮，我我国国在在9090年年代代也也开开始始了了这这方方面面的的研研究究。由由于于神神经经网网络络的的特特点点（大大规规模模的的并并行行处处理理和和分分布布式式的的信信息息存存储储，良良好好的的自自适适应应性性、自自组组织织性性和和很很强强的的学学习习功功能能、联联想想功功能能及及容容错错功功能能），使使它它的的应应用用越越来来越越广广泛泛，其其中中一一个个重重要的方面是智能控制，包含机器人控制。要的方面是智能控制，包含机器人控制。三自由度机械臂计算机控制系统 一、课题介绍一、课题介绍n本课题研究了一种三自由度机械臂的控制方法与实现，采用伺服舵机驱动，单片机+PC机两级控制，完成控制系统的软硬件设计。单片机通过RS-232串口接收来自上位机的运动指令，并将其转换成伺服舵机的运动控制脉冲，输出并驱动伺服舵机，实现了机械臂各关节的运动控制。总体方案第一关节第三关节第二关节单片机控制板机械手(电磁铁)二、解决的关键技术二、解决的关键技术n1、上位机部分：、上位机部分：PC控制界面设计、控制界面设计、RS-232通信程序；通信程序；n2、单片机控制部分：通信接口、单片机控制部分：通信接口、I/O接口；接口；n3、电机驱动与定位控制、电机驱动与定位控制三、完成的主要工作三、完成的主要工作 n1.单片机控制板设计单片机控制板设计n 芯片选择：芯片选择：C8051F系列系列单片机n优点：资源丰富，内部有AD、DA等可以使用软件进行配置，大大简化了硬件电路，也大大方便了功能扩展；运行速度快，70的指令只需12个系统时钟周期，而不用进行12分频，最高可达25M速度，比传统51单片机快至少10倍。并且其片内调试电路提供全速、非侵入式的在系统调试，不需要仿真器，而只需要一个适配器就可以进行在线调试。单片机控制板原理图：显示模块原理图 n2.执行器：执行器：采用伺服舵机采用伺服舵机n n 实现各环节运动控制；n 能同时控制多个关节的运动；n 有较高的定位精度。伺服舵机控制图伺服舵机控制图伺服舵机定位控制原理伺服舵机定位控制原理n3.上位机人机界面设上位机人机界面设计计n 采用采用VB编写编写n 界面图n串口配置：n4.RS232串行通信串行通信n 接口电路设计接口电路设计n 接口程序设计接口程序设计n单片机通信方式：n通信时序通信时序采用方式采用方式1n n 方式1提供标准的异步、全双工通信，每个数据字节共使用10位：一个起始位、8个数据位（LSB在先）和一个停止位。数据从TX引脚发送，在RX引脚接收（。在接收时，8个数据位存入SBUF，停止位进入RB8（SCON.2）n 通信协议格式通信协议格式主程序流程图主程序流程图串行通信子程序流程图：5.机械臂制作（模型）机械臂制作（模型）计算机控制系统实例Example ofComputer Control Systemsn锅炉锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要动力设备。它所产生的高压蒸汽，既可作为风机、压缩机、大型泵类的驱动透平的动力源，又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大，生产设备的不断革新，作为全厂动力和热源的锅炉，亦向着大容量、高效率发展。为了确保安全，稳定生产，锅炉设备的控制系统就显得越发重要 n按燃料种类分，在各个工业部门中，应用最多的有燃燃 油锅炉、燃气锅炉和燃煤锅炉油锅炉、燃气锅炉和燃煤锅炉n在石油化工、炼油的生产过程中，往往产生各种不同的残油、残渣、释放气和炼厂气，为充分利用这些燃料，所以出现了油、油、气混合燃烧锅炉气混合燃烧锅炉和油、气、煤混合燃烧锅油、气、煤混合燃烧锅炉炉n在化工、造纸、制糖等工艺过程中，还会产生各种毫无规则的聚合物、残渣等，可利用这些“燃料”产生的热量以及在化工生产中化学反应生产的热量，来生产各个部门所需要的蒸汽，因此又形成了废热锅炉废热锅炉n所有这些锅炉，燃料种类各不相同，但蒸汽发生系统和蒸汽处理系统是基本相同的。常见的锅炉设备的主要工艺流程如图11.1所示。n然后经过热器，形成一定温度的过热蒸汽D，汇集至蒸汽母管。压力为Pm的过热蒸汽，经负荷设备控制供给负荷设备用。n与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变为过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱，排入大气。n燃料和热空气按一定比例送入燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽Ds。n锅炉计算机控制系统实现：锅炉计算机控制系统实现：n一次仪表测得的模拟信号经采用电路、滤波电路进入A/D转换电路，A/D转换电路将转换完的数字信号送入计算机，计算机对数据进行处理之后，便于控制和显示。D/A转换将计算机输出的数字量转换成模拟量，并放大到010mA，分别控制水泵调节阀、鼓风机挡板、引风机挡板和炉排直流电动机