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江苏靖江中等专业学校-网络学习平台 江苏省靖江中等专业学校 理论课程教师本 ,2014—2015学年 第 一 学期, 专业名称 机电 课程名称 机电一体化技术基础 授课教师 何建良 教 学 部 机械部 课题序号 10 授课班级 12机电2 授课课时 2课时 授课形式 新授 授课章节 第三章传感与检测技术基础 名称 使用教具 多媒体 知识目标:熟悉检测系统及典型传感器的概念、组成，特性和技术特点， 了解现状和发展 能力目标:培养学生提出问题、解决问题的能力。 教学目的 情感目标:让学生在提出问题解决问题过程中获得发现的成就感，使得他 们在质疑交流中得到乐趣，激发学习兴趣。 教学重点 检测系统及典型传感器的概念、组成，特性和技术特点 教学难点 检测系统及典型传感器的概念、组成，特性和技术特点 更新、补 充、删节 内容 1检测系统的组成 课外作业 2传感器的定义 3传感器的组成 教学后记 结合多媒体组织教学，直观，趣味性高，能吸引学生，教学效果较好 授课主要内容或板书设计 第3章 传感与检测技术基础 3.1 检测系统概述 3.1.1 检测系统的组成 3.1.2 检测系统的若干术语 3.1.3 检测系统的应用原则 3.2 传感器技术 3.2.1 传感器的概念 3.2.2 传感器的组成 3.2.3 传感器的基本特性 3.2.4 传感器的选用 3.2.5 传感器的技术特点 3.2.6 传感器的现状和发展 3.3 常见传感器及其应用 3.3.1 传感器的分类 3.3.2 常用传感器的组成及工作原理 课 堂 教 学 安 排 教学过程 主 要 教 学 内 容 及 步 骤 第3章 传感与检测技术基础 3.1 检测系统概述 一、检测系统的功用、组成及基本要求 检测系统是机电一体化产品中的一个重要组成部分，用于实现计测功能。 在机电一体化产品中，传感器的作用就相当于人的感官，用于检测有关外 部环境及自身状态的各种物理量(如力、温度、距离、变形、位置、速度、加 速度、功率等)及其变化，并将这些信号转变为电信号，然后再通过相应的变 换、放大、调制与解调、滤波、运算等电路，将有用信号检测出来，反馈给控 制装置或送去显示。实现上述功能的传感器及其相应的信号检测电路，就构成 了机电一体化产品中的检测系统。 随着现代测量、控制及自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们的 重视，应用越来越普遍。例如，在各种航天器上，装备着多种检测与控制系统， 传感器测量出航天器的飞行参数、姿态和发动机工作状态的各个物理量，输送 给各种自动控制系统以进行自调节，使航天器按照人们预先设计的轨道正常运 行。在生产中，尤其是自动化生产中，各种传感器被用来监视和控制生产过程 中的各个参数，以使设备工作在最佳状态，产品达到最好的质量。在机电一体 化产品中，传感器及其检测系统不仅是一个必不可少的组成部分，而且已成为 机与电有机结合的一个重要纽带。 在机电一体化系统中，需要检测的量绝大部分是非电量，如力、温度、距 离、变形、位移、速度、加速度、功率等，直接对这些非电量进行放大、运算、 传输、记录、指示等是相当困难的，如果将这些非电量转换为电量，则这一切 就变得容易多了。因此，机电一体化产品的检测系统一般都是非电量检测系统， 其构成如图3—1所示，包含两个基本环节: 图3—、 检测系统的组成 1( 传感器 把各种非电量信号转换为电信号，这就是传感器的功能。传感器是检 测系统的信号获取部分，它将被测物理量转换成以电量为主要形式的 信号，例如将机械位移量转换为电阻、电容或电感等电参数的变化; 将振动或声音转换成电压或电荷的变化。传感器又称为“一次仪表”。 2( 信号处理电路 对传感器送出的电信号进行加工，使之成为合乎需要的、便于输送或 显示和记录的、可作进一步后续处理的信号。如将阻抗变换为电压或 电流;将信号放大、调制与解调、阻抗变换、线性化，以及将信号转 换成数字编码信号等。这叫电信号处理系统，通常又称为“二次仪表”。 随着计算机技术的普遍应用，电信号处理系统已成为以计算机为中心 的电信号处理系统。 3. 数据处理装置 用来对测试结果进行计算、分析、处理的装置。处理后信号通常送到 显示器或执行机构，以显示数据和控制对象。 4. 显示记录装置 是检测人员和检测系统联系的主要环节。主要作用是使人们了解检测 数值的大小或变化的过程。常用的有:模拟显示、数字显示、图像显 示及记录仪。 1. 执行机构 通常指各种继电器、电磁铁、电磁阀门、伺服电机。它们在电路中起 通断、控制、调节、保护等作用。 二、 若干术语 1.测量及测量方法: 静态测量和动态测量，直接测量和间接测量，模拟式测量和数字测量， 接触式测量和非接触式测量，在线测量和离线测量，偏差式测量、零 位式测量和微差式测量。 2.测量范围和量程 3.测量误差: 绝对误差和相对误差，粗大误差、系统误差和随机误差，静态误差和 动态误差 4.信噪比 噪声对有用信号的比值 三、检测系统的应用原则 1.可靠性高、适应性强 2.必须的测量或控制范围和精度 3.性价比高 4.结构简单便于安装、操作和维护 3.2 传感器技术 一、 概念 在机电一体化产品中，传感器的作用就相当于人的感官，用于检测有关外 部环境及自身状态的各种物理量(如力、温度、距离、变形、位置、速度、加 速度、功率等)及其变化，并将这些信号转变为电信号，然后再通过相应的变 换、放大、调制与解调、滤波、运算等电路，将有用信号检测出来，反馈给控 制装置或送去显示。实现上述功能的传感器及其相应的信号检测电路，就构成 了机电一体化产品中的检测系统。随着现代测量、控制及自动化技术的发展， 传感器技术越来越受到人们的重视，应用越来越普遍。例如，在各种航天器上， 装备着多种检测与控制系统，传感器测量出航天器的飞行参数、姿态和发动机 工作状态的各个物理量，输送给各种自动控制系统以进行自调节，使航天器按 照人们预先设计的轨道正常运行。在生产中，尤其是自动化生产中，各种传感 器被用来监视和控制生产过程中的各个参数，以使设备工作在最佳状态，产品 达到最好的质量。在机电一体化产品中，传感器及其检测系统不仅是一个必不 可少的组成部分，而且已成为机与电有机结合的一个重要纽带。 二、传感器结构组成 敏感元件、转换环节、输出电路等三个基本部分。 三、基本特性 1.传感器静态特性指标: 1(线性度:传感器实际特性曲线与拟合直线之间的偏差 2(灵敏度:输出变化对输入变化的比值 3(迟滞性:在正反行程期间输入—输出特性曲线不重合程度 4(重复性:输入量按同一方向多次测试时所得特性曲线的不重合程度 2.动态特性:传递函数、时间响应函数、频率响应函数、脉冲响应函数。 四、传感器的选用 1.测量要求 2.性能 3.使用条件 4.数据采集系统及辅助设备 5.购置与维护项目 五、技术特点 1.种类繁多 2.知识密集程度高 3.功能优、性能好 六、现状和发展 20世纪20年代开始得以真正意义上的发展，用以代替人的五官接受信息实现自动检测。60年代中期开始，新原理、新工艺、新技术带来了各种传感器，并使得传感器向高精度、高可靠性、微型化、微功耗、多功能、数字化、智能化、网络化等方向发展。 3.3 常见传感器及其应用 一(传感器的分类 1、按被测物理量分类 机械量传感器 热工量传感器 成分量传感器 状态量传感器 探伤类传感器 2、按传感器工作原理分类 参量型传感器 发电型传感器 脉冲传感器 特殊传感器 3、按传感器输出信号分类 开关型传感器 模拟型传感器 数字型传感器 二(组成及工作原理 1、温度传感器 2、称重传感器 位移传感器测力、力矩传感器按其量程大小和测量精度不同而有很多规格品种，它们的主要差别是弹性元件的结构式不同，以及应变片在弹性元件上粘贴的位置不同。常见的弹性元件有柱形、筒形、环形、梁式和轮辐式等。 1、柱形或筒形弹性元件 如图所示，这种弹性元件结构简单，可承受较大的载荷，常用于测量较大力的拉(压)力传感器中，但其抗偏心载荷和测向力的能力差，制成的传感器高度大，应变片在柱形和筒形弹性元件上的粘贴位置及接桥方法如图所示。这种接桥方法能减少偏心载荷引起的误差，且能增加传感器的输出灵敏度。 若在弹性元件上施加一压力P，则筒形弹性元件的轴向应变为 ,L p,,,, LEEA 用电阻应变仪测出的指示应变为 ,,2(1，,), l 式中 P——作用于弹性元件上的载荷; E——圆筒材料的弹性模量; ——圆筒材料的泊松系数; , 2, A——筒体截面积，A= (D-D),4(D为筒体外径，D为简体1212内径)。 2、梁式弹性元件 (1)悬臂梁式弹性元件 它的特点是结构简单、容易加工、粘贴应变片方便、灵敏度较高，适用于测量小载荷的传感器中。 图所示为一截面悬臂梁弹性元件，在其同一截面正反两面粘贴应变片，组成差动工作形式的电桥输出。 若梁的自由端有一被测力P，则应变片感受的应变为 bl,,P2 Ebh 电桥输出为 U,K,U SC0 式中 L——应变计中心处距受力点距离; b——悬臂梁宽度; h——悬臂梁厚度; E——悬臂梁材料的弹性模量; K——应变计的灵敏系数。 (2)两端固定梁 这种弹性元件的结构形状、参数以及应变片粘贴组成桥形式如图所示。它的悬臂梁刚度大，抗侧向能力强。粘贴应变片感受应变与被测力P之间的关系为 3(4l,l)0,,2 4Ebh (3)梁式剪切弹性元件 这种弹性元件的结构与普通梁式弹性元件基本相同，只是应变片粘贴位置不同。应变片受的应变只与梁所承受的剪切力有关，而与弯曲应力无关。因此，无论是拉伸还是压缩载荷，灵敏度相同，适用于同时测量拉力和压力的传感器。 此外，它与梁式弹性元件相比线性好、抗偏心载荷和侧向力的能力大，其结构和粘贴应变片的位置如图4-31所示。 应变片一般粘贴在矩形截面梁中间盲孔的两侧，与梁的中性轴成45?方向上。该处的截面为工字形，使剪切应力在截面上的分布比较均匀，且数值较大。粘贴应变片处的应变与被测力P之间的关系近似为 P,, 2bhG 式中 G为弹性元件的剪切模量;b和h为粘贴应变片处梁截面的宽度和高度。 3、扭矩测量 图所示为电阻应变转矩传感器。它的弹性元件是一个与被测转矩的轴相连的转轴，转轴上贴有与轴线成45?的应变片，应变片两两相互垂直，并接成全桥工作的电路方式，应变片感受的应变与被测试件的扭矩的关系如下MT式: M,2GWTT 式中 G=E/2(1+μ)为剪切弹性量;W为抗扭截面模量，实心圆轴 T 334W,,D/16W,,D(1,,)16，,,d/D ，空心圆轴，d为空心圆柱TT 内径，D为外径。 由于检测对象是旋转运动的轴，因此应变片的电阻变化信号要通过集流装置引出才能进行测量，转矩传感器已将集流装置安装在内部，所以只需将传感 器直接相联就能测量转轴的转矩，使用非常方便。 3、物位传感器 位置传感器和位移传感器不一样，它所测量的不是一段距离的变化量， 而是通过检测，确定是否已到某一位置。因此，它只需要产生能反映某种 状态的开关量就可以了。 位置传感器分接触式和接近式两种。所谓接触式传感器就是能获取两个 物体是否己接触的信息的一种传感器;而接近式传感器是用来判别在某一 范围内是否有某—物体的一种传感器。 接触式位置传感器 这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构成，它分以下两种 由微动开关制成的位置传感器 二维矩阵式配置的位置传感器 1、柔软电极 2、柔软绝缘体 4、接近传感器 接近式位置传感器按其工作原理主要分:?电磁式;?光电式;?静电容 式;?超声波式;?气压式等。其基本工作原理可用下图表示出来。 5、位移传感器 1、光栅位移传感器 光栅是一种新型的位移检测元件，有圆光栅和直线光栅两种。它的特点是测量精确高(可达?1um)、响应速度快和量程范围大(一般为1—2m，连接使用可达到10m)等。 光栅由标尺光栅和指示光栅组成，两者的光刻密度相同，但体长相差很多，其结构如图所示。 光栅条纹密度一般为每毫米25，50，100，250条等。把指示光栅平行地放在标尺光栅上面，并且使它们的刻线相互倾斜一个很小的角度，这时在指, 示光栅上就出现几条较粗的明暗条纹，称为莫尔条纹。它们是沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列，如图所示。 光栅莫尔条纹的特点是起放大作用，用W表示条纹宽度，P表示栅距，表示光栅条纹间的夹角，则有 , PW, , 若P,0.01mm，把莫尔条纹的宽度调成l0mm，则放大倍数相当于1000倍，即利用光的干涉现象把光栅间距放大1 000倍，因而大大减轻了电子线路的负担。 光栅可分透射和反射光栅两种。透射光栅的线条刻制在透明的光学玻璃上，反射光栅的线条刻制在具有强反射能力的金属板上，一般用不锈钢。 光栅测量系统的基本构成如图所示。光栅移动时产生的莫尔条纹明暗信号可以用光电元件接受，图中的a，b，c，d是四块光电池，产生的信号， 0相位彼此差90，对这些信号进行适当的处理后，即可变成光栅位移量的测量脉冲。 课题序号 11 授课班级 12机电2 授课课时 2课时 授课形式 讲授 授课章节 第三章计算机控制及接口技术 名称 使用教具 多媒体 知识目标:熟悉计算机控制及接口技术，了解典型工控机及典型计算机接 口、转换器 能力目标:培养学生细致观察的能力。 教学目的 情感目标:让学生体验成功的喜悦，从而更热爱自己的专业，感受合作学 习的快乐 教学重点 工控机的组成原理 教学难点 工控机的种类及原理 更新、补 充、删节 内容 课外作业 课后习题 教学后记 授课主要内容或板书设计 第4章 计算机控制及接口技术 4.1 计算机控制系统简介 4.1.1 几个基本概念 4.1.2 计算机控制系统的分类 4.1.3 机电系统计算机控制程序算法 4.1.4 典型的机电一体化控制系统 4.2 工业控制计算机 4.2.1 工控机的组成及工作原理 4.2.2 工控机的特点 4.2.3 工控机的发展 4.2.4 常用工控机的种类 4.3 计算机接口技术 4.3.1 接口的概念 4.3.2 接口的功能 4.3.3 I/O接口电路 4.3.4 D/A转换器简介 4.3.5 A/D转换器简介 课 堂 教 学 安 排 教学过程 主 要 教 学 内 容 及 步 骤 第4章 计算机控制及接口技术 4.1 计算机控制系统简介 机电一体化系统中的计算机软、硬件占着相当重要的地位，它代表着 系统的先进性和智能特性。计算机以其运算速度快，可靠性高，价格便宜， 被广泛地应用于工业、农业、国防以及日常生活的各个领域。计算机用于 机电一体化系统或工业控制是近年来发展非常迅速的领域。例如，卫星跟 踪天线的控制、电气传动装置的控制、数控机床、工业机器人的运动、力 控系统、飞机、大型油轮的自动驾驶仪等等。现在，当你走进一个自动化 生产车间，将会看到许多常规的控制仪表和调节器已经被计算机所取代， 计算机正在不断地监视整个生产过程，对生产中的各种参数，如温度、压 力、流量、液位、转速和成分等进行采样，迅速进行复杂的数据处理、打 印和显示生产工艺过程的统计数字和参数，并发出各种控制命令。 一、 组成 典型的机电一体化控制系统结构可用图来示意，它可分为硬件和软件 两大部分。硬件是指计算机本身及其外围设备，一般包括中央处理器、内 存储器、磁盘驱动器、各种接口电路、以A/D转换和D/A转换为核心的 模拟量I/O通道、数字量I/O通道以及各种显示、记录设备、运行操作台 等。 (1)由中央处理器、时钟电路、内存储器构成的计算机主机是组成 计算机控制系统的核心部件，主要进行数据采集、数据处理、逻辑判断、 控制量计算、越限报警等，通过接口电路向系统发出各种控制命令，指挥 全系统有条不紊地协调工作。 (2)操作台是人—机对话的联系纽带，操作人员可通过操作台向计 算机输入和修改控制参数，发出各种操作命令;计算机可向操作人员显示 系统运行状况，发出报警信号。操作台一般包括各种控制开关、数字键、 功能键、指示灯、声讯器、数字显示器或CRT显示器等。 (3)通用外围设备主要是为了扩大计算机主机的功能而配置的。它 们用来显示、存储、打印、记录各种数据。常用的有打印机、记录仪、图 形显示器(CRT)、软盘、硬盘及外存储器等。 图 5-2 典型计算机控制系统的组成框图 (4)I/O接口与I/O通道是计算机主机与外部连接的桥梁，常用的I/O 接口有并行接口和串行接口。I/O通道有模拟量I/O通道和数字量I/O通道。 其中模拟量I/O通道的作用是，一方面将经由传感器得到的工业对象的生 产过程参数变换成二进制代码传送给计算机;另一方面将计算机输出的数 字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，以实现对生产过程的控 制。数字量通道的作用是，除完成编码数字输入输出外，还可将各种继电 器、限位开关等的状态通过输入接口传送给计算机，或将计算机发出的开 关动作逻辑信号经由输出接口传送给生产机械中的各个电子开关或电磁 开关。 (5)传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变成电学量， 如热电偶把温度变成电压信号，压力传感器把压力变成电信号等等。变送 器的作用是将传感器得到的电信号转变成适用于计算机接口使用的 的电信号(如0~10mADC)。 软件是指计算机控制系统中具有各种功能的计算机程序的总和，如完成操 作、监控、管理、控制、计算和自诊断等功能的程序。整个系统在软件指 挥下协调工作。从功能区分，软件可分为系统软件和应用软件。 二、系统分类 根据计算机在控制中的应用方式，可以把计算机控制系统划分为四类，它 们是:操作指导控制系统，直接数字控制系统，监督计算机控制系统和分 级计算机控制系统。 1、操作指导控制系统 如图所示，在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接用来控制生 产对象。计算机只是对生产过程的参数进行采集，然后根据一定的控制算 法计算出供操作人员参考、选择的操作和最佳设定值等，操作人员根 据计算机的输出信息去改变调节器的设定值，或者根据计算机输出的控制 量执行相应的操作。操作指导控制系统的优点是结构简单，控制灵活安全， 特别适用于未摸清控制规律的系统，常常被用于计算机控制系统研制的初 级阶段，或用于试验新的数学模型和调试新的控制程序等。由于最终需人 工操作，故不适用于快速过程的控制。 计算机操作指导控制系统示意图 2、直接数字控制系统 直接数字控制DDC(Direct Digital Control)系统是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式，其结构如图所示。计算机通过输入通道对一个或多个物理量进行巡回检测，并根据规定的控制规律进行运算，然后发出控制信号，通过输出通道直接控制调节阀等执行机构。 直接数字控制系统 在DDC系统中的计算机参加闭环控制过程，它不仅能完全取代模拟调节器，实现多回路的PID(比例、积分、微分)调节，而且不需改变硬件，只需通过改变程序就能实现多种较复杂的控制规律，如串级控制、前馈控制、非线性控制、自适应控制、最优控制等。 3、监督计算机控制系统(SCC) 在监督计算机控制(Supervisory Computer Control)系统中计算机根据工艺参数和过程参量检测值，按照所设计的控制算法进行计算，计算出最佳设定值直接传送给常规模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程。SCC系统有两种类型，一种是SCC+模拟调节器，另一种是SCC+DDC控制系统。监督计算机控制系统构成示意图如图所示。 (1)SCC加上模拟调节器的控制系统 这种类型的系统中，计算机对各过程参量进行巡回检测，并按一定的数学模型对生产工况进行分析、计算后得出被控对象各参数的最优设定值送给调节器，使工况保持在最优状态。当SCC计算机发生故障时，可由模拟调节器独立执行控制任务。 监督计算机控制系统构成示意图 a) SCC，模拟调节器系统 b) SCC，DDC系统 (2)SCC加上DDC的控制系统 这是一种二级控制系统，SCC可采用较高档的计算机，它与DDC之间通过接口进行信息交换。SCC计算机完成工段、车间等高一级的最优化分析和计算，然后给出最优设定值，送给DDC计算机执行控制。 通常在SCC系统中，选用具有较强计算能力的计算机，其主要任务是输入采样和计算设定值。由于它不参与频繁的输出控制，可有时间进行 具有复杂规律的控制算式的计算。因此，SCC能进行最优控制、自适应控制等，并能完成某些管理工作。SCC系统的优点是不仅可进行复杂控制规律的控制，而且其工作可靠性较高，当SCC出现故障时，下级仍可继续执行控制任务。 4、分级计算机控制系统 生产过程中既存在控制问题，也存在大量的管理问题。同时，设备一般分布在不同的区域，其中各工序，各设备同时并行地工作，基本相互独立，故全系统是比较复杂的。这种系统的特点是功能分散，用多台计算机分别执行不同的控制功能，既能进行控制又能实现管理。图是一个四级计算机控制系统。其中过程控制级为最底层，对生产设备进行直接数字控制;车间管理级负责本车间各设备间的协调管理;工厂管理级负责全厂各车间生产协调，包括安排生产、备品备件等;企业(公司)管理级负责总的协调，安排总生产计划，进行企业(公司)经营方向的决策等。 三、程序算法 1、点位控制 2、连续路径控制 四、典型机电一体化控制系统 1、伺服传动系统 由于微型计算机具有极好的快速运算、信息存储、逻辑判断和数据处理能力，电动机调速系统中的许多控制要求很容易在计算机中实现。例如，变流装置的非线性补偿，起动和调速时选用不同的控制方式或不同的控制参数，四象限运行时的逻辑切换，在PWM型逆变器、交—交变频或某些生产机械传动控制中要求的电压、电流基准曲线等。由于采用计算机控制，可大大提高系统的性能。 图是计算机控制的双闭环直流调速系统的原理图。其中，晶闸管触发器，速度调节器和电流调节器均由计算机实现。 计算机控制的双闭环系统 2、数字控制系统 采用计算机来实现顺序控制和数字程序控制是计算机在自动控制领域中应用的一个重要方面。它广泛地应用于机床控制、生产自动线控制、运输机械控制和交通管理等许多工业自动控制系统中。 所谓顺序控制是使生产机械或生产过程按预先规定的时序(或现场输入条件等)而顺序动作的自动控制系统。目前这类系统中多采用微处理器构成的可编程序控制器(PC或PLC)。可编程序控制器使用方便，可靠性高，应用广泛。 所谓数字程序控制系统是指能根据输入的指令和数据，控制生产机械按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律而自动完成工作的自动控制系统。数字程序控制系统(通常简称数控)一般用于机床控制系统中，这类机床被称为数控机床。 目前数控系统多采用16位或32位工业控制微机系统或多微处理机系统控制。它按运动轨迹可以分为点位控制系统和轮廓(轨迹)控制系统。点位控制系统中，被控机构(如刀具)在移动中不进行加工，对运动轨迹没有具体要求，只要能准确定位即可，它适用于数控钻床、冲床等类机床的控制。轮廓控制系统中，被控机构按加工件的设计轮廓曲线连续地移动，并在移动中进行加工，最终将工件加工成所需的形状，它适用于数控铣床、车床、线切割机、绣花机等机床和生产机械的控制。 在图中表示出一个在线、开环、实时的简单机床数字程序控制系统的构成框图。根据所使用的软件，该系统既可以设计成平面点位控制系统，又可设计成平面轮廓控制系统。图中微型计算机是系统的核心部件，它完成程序和数据的输入、存储、加工轨迹计算和步进电动机控制程序、显示程序、故障诊断程序等控制程序的执行等。 简单机床数字程序控制系统构成框图 3、顺序控制系统 工业机器人是一种应用计算机进行控制的替代人进行工作的高度自动化系统，它主要由控制器、驱动器、夹持器、手臂和各种传感器组成。工业机器人计算机系统能够对力觉、触觉、视觉等外部反馈信息进行感知、理解、决策，并及时按要求驱动运动装置、语音系统完成相应任务。图给出了智能机器人的一般结构，它是一个多级的计算机控制系统。可以这样说:没有计算机，就没有现代的工业机器人。 4、过程控制系统 用计算机对温度、压力、流量、液面、速度等过程参数进行测量与控制的系统称为计算机过程控制系统。图5-7介绍了工业炉计算机控制的典型情况，其燃料为燃料油或者煤气，为了保证燃料在炉膛内正常燃烧，必须保持燃料和空气的比值恒定。图中描述了燃料和空气的比值控制过程，它可以防止空气太多时，过剩空气带走大量热量;也可防止当空气太少时，由于燃料燃烧不完全而产生许多一氧化碳或碳黑。为了保持所需的炉温，将测得的炉温送入数字计算机计算，进而控制燃料和空气阀门的开度。为了保持炉膛压力恒定，避免在压力过低时从炉墙的缝隙处吸入大量过剩空气，或在压力过高时大量燃料通过缝隙逸出炉外，同时还采用了压力控制回路。测得的炉膛压力送入计算机，进而控制烟道出口挡板的开度。此外，为了提高炉子的热效率，还需对炉子排出的废气进行分析，一般是用氧化锆传感器测量烟气中的微量氧，通过计算而得出其热效率，并用以指导燃烧调节。 4.2 工业控制计算机 一、 工控机的组成及原理 组成:主机、输入输出设备、外部磁盘机、磁带机 原理:实时数据采集，实时控制决策，实时控制输出 二、工控机的特点 由于工业控制计算机的应用对象及使用环境的特殊性，决定了工业控制机主要有以下一些特点和要求。 1、实时性 实时性是指计算机控制系统能在限定的时间内对外来事件作出反应的能力。为满足实时控制要求，通常既要求从信息采集到生产设备受到控制作用的时间尽可能短，又要求系统能实时地监视现场的各种工艺参数，并进行在线修正，对紧急事故能及时处理。因此，工业控制计算机应具有较完善的中断处理系统以及快速信号通道。 2、高可靠性 工业控制计算机通常控制着工业过程的运行，如果其质量不高，运行时发生故障，又没有相应的冗余措施，则轻者使生产停顿，重者可能产生灾难性的后果。很多生产过程是日夜不停地连续运转，因此要求与这些过程相连的工业控制机也必须无故障地连续运行，实现对生产过程的正确控制。另外，许多用于工业现场工业控制机，环境恶劣，震动、冲击、噪声、高频辐射及电磁波干扰往往十分严重，以上这一切都要求工业控制计算机具有高质量和很强的抗干扰能力，并且具有较长的平均无故障间隔时间。 3、硬件配置的可装配可扩充性 工业控制计算机的使用场合干差万别，系统性能、容量要求、处理速度等都不一样，特别是与现场相联接的外围设备的接口种类、数量等差别更大，因此宜采用模块化设计方法。 4、可维护性 工业控制计算机应有很好的可维护性，这要求系统的结构设计合理，便于维修，系统使用的板级产品一致性好，更换模板后，系统的运行状态和精度不受影响;软件和硬件的诊断功能强，在系统出现故障时，能快速准确地定位。另外，模块化模板上的信号应加上隔离措施，保证发生故障时故障不会扩散，这也可使故障定位变得容易。 作为计算机控制系统的设计者，应根据机电一体化系统(或产品)中的信息处理量、应用环境、市场状况及操作者特点经济合理优选的工业控制机产品。 三、工控机的发展 单板机—单片机—微型计算机—微型计算机系统 四、常用工控机的种类 1、plc 在制造业的自动化生产线上，各道工序都是按预定的时间和条件顺序执行的，对这种自动化生产线进行控制的装置称为顺序控制器。以往顺序控制器主要是由继电器组成，改变生产线工序、执行次序或条件需改变硬件连线。随着大规模集成电路和微处理器在顺序控制器中的应用，顺序控制器开始采用类似微型计算机的通用结构，把程序存储于存储器中，用软件实现开关量的逻辑运算、延时等过去用继电器完成的功能，形成了可编 程序逻辑控制器PLC(Programable Logic Controller)。现在它已经发展成了除了可用于顺序控制，还具有数据处理、故障自诊断、PID运算、联网等能力的多功能控制器。因此，现已把它们统称为可编程序控制器PC(Programable Controller)。 图是PLC应用于逻辑控制的简单事例。输入信号由按扭开关、限位开关、继电器触点等提供各种开关信号，并通过接口进入PC，经PC处理后产生控制信号，通过输出接口送给线圈、继电器、指示灯、电动机等输出装置。 PLC逻辑控制电路 目前，世界上生产PC的工厂有上百家，总产量已达千万台的数量级，其中通用电气、德克萨斯仪器、Honey-well、西门子、三菱、富士、东芝等公司的产品最为著名，这些公司为开拓市场，竞争十分激烈，竞相发展新的机型系列。而我国在PC技术上，不论是PC的制造水平，还是使用PC的广度与深度，与发达国家相比差距仍比较大。 1、PC的组成原理 PC实际上是一个专用计算机，它的结构组成与通用微机基本相同，主要包括:CPU、存储器、接口模块、外部设备、编程器等。下面介绍PC的各主要部分。 (1)CPU 与通用微机CPU一样，它按PC的系统程序的要求，接收并存储从编程器键入的用户程序和数据;用扫描的方式接收现场输入装置的状态和数据，并存入输入状态表或数据寄存器中;诊断电源、内部电路的故障和编程过程中的语法错误等。PC进入运行状态后，从存储器逐条读入用户程序，经过命令解释后按指令规定的任务产生相应的控制输出，去启动有关的控制门电路，分时、分渠道地执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等工作;完成用户程序规定的逻辑和算术运算等任务;根据运算结果更新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，再由输出状态表的位状态和数据寄存器的有关内容，实现输出控制、制表打印和数据通信等内容。 PC的运行方式是采取扫描工作机制，这是和微处理器的本质区别。扫描工作机制就是按照定义和设计的要求连续和重复地检测系统输入，求解目前的控制逻辑，以及修正系统输出。在PC的典型扫描机制中，I/O服务处于扫描周期的末尾，并且为扫描计时的组成部分。这种典型的扫描称为同步扫描。扫描循环一周所花费的时间为扫描周期。根据不同的PC扫描周期一般为10~100ms。在多数PC中，都设有一个“看门狗”计时器， 测量每一次扫描循环的长度，如果扫描时间超过预设的长度(例如150~200ms)，系统将激发临界警报。参考图，在同步扫描周期内，除I/O扫描之外，还有服务程序，通信窗口，内部执行程序等。 PLC的扫描工作机制 (2)存储器 存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。 系统程序存储器的作用是存放监控程序、命令解释、功能子程序、调用管理程序和各种系统参数等。系统程序是由PC生产厂家提供的，并固化在存储器中。 用户存储器的作用是存储用户编写的梯形逻辑图等程序。用户程序是使用者根据现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序。PC产品说明中提供的存储器型号和容量一般指的是用户程序存储器。 (3)接口模块 它是CPU与现场I/O装置和其他外部设备之间的连接部件。PC是通过接口模块来实现对工业设备或生产过程的检测、控制和联网通信。各个生产厂家都有各自的模块系列供用户选用。PLC模块包括:如下几种类型: 1)数字量I/O模块:完成数字量信号的输入/输出，一般替代继电器逻辑控制。数字量输入模块的技术指标有:输入点数、公共端极性、隔离方式、电源电压、输入电压和输出电流等;数字量输出模块的技术指标有:输出形式、输出点数、公共端极性、隔离方式、电源电压、输出电流、响应时间和开路端电流等。 2)模拟量I/O模块:控制系统中，经常要对电流、电压、温度、压力、流量、位移和速度等模拟量进行信号采集和输入给CPU进行判断和控制，模拟量输入模块就是用来将这些模拟量输入信号转换成PC能够识别的数字量信号的模块，模拟量输入模块的技术指标包括:输入点数、隔离方式、转换方式、转换时间、输入范围、输入阻抗和分辨率等。模拟量 输出模块就是将CPU输出的数字信息变换成电压或电流对电磁阀、电磁铁和其他模拟量执行机构进行控制，它的技术指标包括:输出点数、隔离方式、转换时间、输出范围、负载电阻和分辨率等 3)专用和智能接口模块:上述的接口模块都是在PC的扫描方式下工作的，能满足一般的继电器逻辑控制和回路调节控制，然而对于同上位机通信、控制CRT和其他显示器、连接各种传感器和其他驱动装置等工作需要专门的接口模块完成。专用和智能接口模块主要有:扩展接口模块、通信模块、CRT/LCD控制模块、PID控制模块、高速计算模块、快速响应模块和定位模块等 (4)编程器 为用户提供程序的编制、编辑、调试和监控的专用工具，还可以通过其键盘去调用和显示PC的一些内部状态和系统参数。它通过通信端口与CPU联系，完成人机对话功能。各个厂家为自己的PC提供专用的编程器，不同品牌的PC编程器一般不能互换使用。 (5)外部设备 一般PC都可以配置打印机、EPROM写入器、高分辨率大屏幕显示器等外围设备。 2、PC的性能特点 (1)存储器 可以是带有电源保护的RAM、EPROM或EEPROM。 (2)数字量输入/输出端子 具有继电逻辑控制中的输入/输出继电器功能，端子点数多少是决定PC的控制规模的主要参数。 (3)计数器和定时器 在PC的逻辑顺序控制中，替代继电器逻辑控制中的时间继电器和计数继电器。 (4)标志(软继电器) 在PC的逻辑顺序控制中用作中间继电器，其中部分的标志具有保持作用。 (5)平均扫描时间 指扫描用户程序的时间，决定了PC的控制响应速度。 (6)诊断 由通电检查和故障指示的软件完成 (7)通信接口 一般采用RS232接口标准，可以连接打印机和上位机等设备。 (8)编程语言 一般采用继电器控制方式的梯形图语言和语句表，并在此基础上建立的控制系统流程图和顺序功能图等语言。 除上述一般特性外，高性能的PC还具有下列特性: (9)数据传送和矩阵处理功能 可以满足工厂管理的需要。 (10)PID调节功能 备有模拟量的输入/输出模块和PID调节控制软件包，以满足闭环控制的要求。 (11)远程I/O功能 输入/输出通道可分散安装在被控设备的附近，以减少现场电缆布线和系统成本。 (12)图形显示功能 借助图形显示软件包(组态软件等)，可显示被控设备的运行状态。方便操作者监控系统的运行。 (13)冗余控制 控制系统设计中，备用一台同样的PC系统作为待机状态，当原系统出现故障时，系统会自动切换，使待机的PC投入运行，从而提高控制的可靠性。 (14)网络功能 通过数据通道与其他数台PC连接或与管理计算机连接，以构成控制网络，实现大规模生产管理系统。 3、PC的结构特点 PC的结构分成单元式和模块式两种。 (1)单元式 特点是结构紧凑、体积小、成本低、安装方便。它是将所有的电路都装在一个机箱内，构成一个整体。为了实现输入输出点数的灵活配置和易于扩展，通常都有不同点数的基本单元和扩展单元，其中某些单元为全输入和全输出型。 (2)采用积木式组成方式 在机架上按需要插上CPU、电源、I/O模块、及各种特殊功能模块，构成一个综合控制系统。这种结构的特点是CPU与各种接口模块都是独立的模块，因此配置很灵活，可以根据不同的系统规模要求选用不同档次的CPU等各种模块。由于不同档次模块的结构尺寸和连接方式相同，对I/O点数很多的系统选型、安装调试、扩展、维护都非常方便。目前大的PC控制系统均采用该种结构。这种结构形式的PC除了各种模块外，还需要用主基板、扩展基板及基板间连接电缆将各模块联成整体。 2、单片机 单片微型计算机简称为单片机，它是将CPU、RAM、ROM和I/O接口集成在一块芯片上，同时还具有定时/计数、通讯和中断等功能的微型计算机。自1976年Intel公司首片单片机问世以来，随着集成电路制造技术的发展，单片机的CPU依次出现了8位和16位机型，并使运行速度、存储器容量和集成度不断提高。现在比较常用的单片机一般具有数十K的闪存、16位的A/D及看门狗等功能，而各种满足专门需要的单片机也可由生产厂家定做。 单片机以其体积小、功能齐全、价格低等优点，越来越被广泛地应用在机电一体化产品中，特别是在数字通信产品、智能化家用电器和智能仪器领域，单片机以其几元到几十元人民币的价格优势独霸天下。由于单片机的数据处理能力和接口限制，在大型工业控制系统中，它一般只能辅助中央计算机系统测试一些信号的数据信息和完成单一量控制。 单片机的生产厂家和种类很多，如:美国Intel公司的MCS系列、Zilog公司的SUPER系列、Motolora公司的6801和6805系列，日本National公司的MN6800系列、HITACHI公司的HD6301系列等，其中Intel公司的MCS单片机产品在国际市场上占有最大的份额，在我国也获得最广泛的应用。下面以MCS系列单片机为例，来介绍单片机的结构、性能及使用上的特点。 1、 MCS—48单片机系列 MCS—48系列是8位的单片机，根据存储器的配置不同，该系列包括有8048、8049、8021、8035等多种机型，由于价格低廉，目前仍有简单的控制场合在使用。其主要特点是: (1)8位CPU，工作频率1~6MHz (2)64字节RAM数据存储器，1K字节程序存储器 (3)5V电源，40引脚双列直插式封装 (4)6MHz工作频率时机器周期为2.5µs，所有指令为1~2个机器周期: (5)有96条指令，其中大部分为单字节指令; (6)8字节堆栈，单级中断，2个中断源 (7)两个工作寄存器区 (8)一个8位定时/计数器 2、 MCS—51单片机系列 MCS—51系列比48系列要先进得多，也是市场上应用最普遍的机型。它具有更大的存储器扩展能力、更丰富的指令系统和配置了更多的实用功能。MCS—51单片机也是8位的单片机，该系列包括有8031、8051、8751、2051、89C51等多种机型。其主要特点是: (1)8位CPU，工作频率1~12MHz (2)128字节RAM数据存储器，4K字节ROM程序存储器 (3)5V电源，40引脚双列直插式封装 (4)12MHz工作频率时机器周期为1µs，所有指令为1~4个机器周 期: (5)外部可分别扩展64K数据存储器和程序存储器; (6)2级中断，5个中断源 (7)21个专用寄存器，有位寻址功能 (8)2个16位定时/计数器，1个全双工串行通讯口 (9)4组8位I/O口 3、 MCS—96单片机系列 MCS—96系列是16位单片机，适用于高速的控制和复杂数据处理系统中，硬件和指令系统的设计上较8位机有很多不同之处。MCS—96单片机系列主要有8096、8094、8396、8394、8796等多种机型。其主要特点是: (1)16位CPU，工作频率6~12MHz (2)232字节RAM数据存储器，8K字节ROM程序存储器 (3)48和68两种引脚，多种封装形式 (4)高速I/O接口，能测量和产生高分辨率的脉冲(12MHz时是2µs)，6条专用I/O， 2条可编程I/O; (5)外部可分别扩展64K数据存储器和程序存储器; (6)可编程8级优先中断，21个中断源 (7)脉宽调制输出，提供一组能改变脉宽的可编程脉宽信号 (8)2个16位定时/计数器，4个16位软件定时器 (9)5组8位I/O口 (10)10位A/D转换器，可接受4路或8路的模拟量输入 (11)6.25µs的16位乘16位和32位除16位指令 (12)运行时可对EPROM编程，ROM/EPROM的内容可加密 (13)全双工串行通讯口及专门的波特率发生器 另外一种16位的单片机是8098单片机，其内部结构和性能与8096完全一样，但外部数据总线却只有8位，因此是准16位单片机。由于8098减少了I/O线，其外形结构简化，芯片的制造成本降低，因此应用非常广泛。MCS—98单片机系列主要有8398、8798等几种机型。 3、工业微型计算机 在制造业的自动化生产线上，各道工序都是按预定的时间和条件顺序执行的，对这种自动化生产线进行控制的装置称为顺序控制器。以往顺序控制器主要是由继电器组成，改变生产线工序、执行次序或条件需改 变硬件连线。随着大规模集成电路和微处理器在顺序控制器中的应用，顺序控制器开始采用类似微型计算机的通用结构，把程序存储于存储器中，用软件实现开关量的逻辑运算、延时等过去用继电器完成的功能，形成了可编程序逻辑控制器PLC(Programable Logic Controller)。现在它已经发展成了除了可用于顺序控制，还具有数据处理、故障自诊断、PID运算、联网等能力的多功能控制器。因此，现已把它们统称为可编程序控制器PC(Programable Controller)。 4.3 计算机接口技术 一、 接口的概念 1、并行接口 2、串行接口 3、人机接口 二、接口的功能 1、执行CPU命令的功能 2、返回外设状态的功能 3、数据缓冲的功能 4、数据转换的功能 5、设备选择功能 6、错误检测功能 一、 I/O接口电路 I/O接口电路也简称接口电路。它是主机和外围设备之间交换信息的连接部件(电路)。它在主机和外围设备之间的信息交换中起着桥梁和纽带作用。接口电路主要作用如下: (1)解决主机CPU和外围设备之间的时序配合和通信联络问题 主机的CPU是高速处理器件，比如8086-1的主频为10MHz，1个时钟周期仅为100ns，一个最基本的总线周期为400ns。而外围设备的工作速度比CPU的速度慢得多。如常规外围设备中的电传打字机传送信息的速度是毫秒级;工业控制设备中的炉温控制采样周期是秒级。为保证CPU的工作效率并适应各种外围设备的速度配合要求，应在CPU和外围设备间增设一个I/O接口电路，满足两个不同速度系统的异步通信联络。 I/O接口电路为完成时序配合和通信联络功能，通常都设有数据锁存器、缓冲器、状态寄存器以及中断控制电路等。通过接口电路，CPU通常采用查询或中断控制方式为慢速外围设备提供服务，就可保证CPU和外围设备间异步而协调的工作，既满足了外围设备的要求，又提高了CPU的利用率。 (2)解决CPU和外围设备之间的数据格式转换和匹配问题 CPU是按并行处理设计的高速处理器件，即CPU只能读入和输出并行数据。但是，实际上要求其发送和接收的数据格式却不仅仅是并行的，在许多情况下是串行的。例如，为了节省传输导线，降低成本，提高可靠性，机间距离较长的通信都采用串行通信。又如，由光电脉冲编码器输出的反馈信号是串行的脉冲列，步进电动机要求提供串行脉冲等等。这就要求应将外部送往计算机的串行格式的信息转换成CPU所能接收的并行格式，也要将CPU送往外部的并行格式的信息转换成与外围设备相容的串 行格式，并且要以双方相匹配的速率和电平实现信息的传送。这些功能在CPU控制下主要由相应的接口芯片来完成。 (3)解决CPU的负载能力和外围设备端口选择问题 即使是CPU和某些外围设备之间仅仅进行并行格式的信息交换，一般也不能将各种外围设备的数据线、地址线直接挂到CPU的数据总线和地址总线上。这里主要存在两个问题，一是CPU总线的负载能力的问题:二是外围设备端口的选择问题。因为过多的信号线直接接到CPU总线上，必将超过CPU总线的负载能力，采用接口电路可以分担CPU总线的负载，使CPU总线不致于超负荷运行，造成工作不可靠。CPU和所有外围设备交换信息都是通过双向数据总线进行的，如果所有外围设备的数据线都直接接到CPU的数据总线上，数据总线上的信号将是混乱的，无法区分是送往哪一个外围设备的数据还是来自哪一个外围设备的数据。只有通过接口电路中具有三态门的输出锁存器或输入缓冲器，再将外围设备数据线接到CPU数据总线上，通过控制三态门的使能(选通)信号，才能使CPU的数据总线在某一时刻只接到被选通的那一个外围设备的数据线上，这就是外围设备端口的选址问题。使用可编程并行接口电路或锁存器、缓冲器就能方便的解决上述问题。 此外，接口电路可实现端口的可编程功能以及错误检测功能。一个端口通过软件设置既可作为输入口又可作为输出口，或者作为位控口，使用非常灵活方便。同时，多数用于串行通信的可编程接口芯片都具有传输错误检测功能，如可进行奇/偶校验、冗余校验等。 二、 D/A转换器简介 D/A转换器是将数字量转换成模拟量的装置。目前常用的D/A转换器是将数字量转换成电压或电流的形式，被转换的方式可分为并行转换和串行转换，前者因为各位代码都同时送到转换器相应位的输入端，转换时间只取决于转换器中的电压或电流的建立时间及求和时间(一般为微秒级)，所以转换速度快，应用较多。 D,A转换器的主要参数 (1)分辨率 D/A转换器的分辨率表示当输入数字量变化1时，输出模拟量变化的大小。它反映了计算机数字量输出对执行部件控制的灵敏程度。对于一个N位的D/A转换器其分辨率为 满刻度值 分辨率,N 2 (5-7) 分辨率通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位、16位等。 8分辨率为8位，表示它可以对满量程的1/2=1/256的增量作出反应。所以，n位二进制数最低位具有的权值就是它的分辨率。 (2)稳定时间 稳定时间系指D/A转换器中代码有满刻度值的变化时，其输出达到稳定(一般稳定到?1/2最低位值相当的模拟量范围内)所需的时间，一般为几十纳秒到几微秒。 (3)输出电平 不同型号的D/A转换器件的输出电平相差较大，一般为5V,10V。也有一些高压输出型，输出电平为24V,30V。还有一些电流输出型，低的为20mA，高的可达3A。 (4)输入编码 一般二进制编码比较通用，也有BCD等其它专用编 码形式芯片。其它类型编码可在D/A转换前用CPU进行代码转换变成二进制编码。 (6)温度范围 较好的D/A转换器工作温度范围为-40,85?，较差的为0,70?，按计算机控制系统使用环境查器件选择合适的器件类型。 五、A/D转换器简介 A/D转换是指通过一定的电路将模拟量转变为数字量。实现A/D转换的方法比较多，常见的有计数法、双积分法和逐次逼近法。由于逐次逼近式A/D转换具有速度快，分辨率高等优点，而且采用该法的ADC芯片成本较低，因此获得了广泛的应用。下面仅以逐次逼近式A/D转换器为例，说明A/D转换器的工作原理。 A/D转换器的主要技术参数 A/D转换器的种类很多，按转换二进制的位数分类包括:8位的ADC0801、0804、0808、0809;10位的AD7570、AD573、AD575、AD579;12位的AD574、AD578、AD7582;16位的AD7701、AD7705等。A/D转换器的主要技术参数如下: 1、分辨率 分辨率通常用转换后数字量的位数表示。如8位、l0位、12位、16 8位等。分辨率为8位表示它可以对满量程的1/2,1/256的增量作出反应。分辩率是指能使转换后数字量变化1的最小模拟输入量。 2、量程 量程是指所能转换的电压范围。如5V、10V等。 3、转换精度 转换精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度，有绝对精度和相对精度两种表示法。绝对精度常用数字量的位数表示，如绝对精度为?1/2LSB。相对精度用相对于满量程的百分比表示。如满量程为10V的8 8位A/D转换器，其绝对精度为1/2×10/2,?19.5mV，而8位A/D的相对 8精度为1/2×100,?0.39,。 精度和分辨率不能混淆。即使分辨率很高，但温度漂移、线性不良等原因可能造成精度并不是很高。 4、转换时间 转换时间是指启动A/D到转换结束所需的时间。不同型号、不同分辨 ,率的器件，转换时间相差很大。一般几s,几百ms，逐次逼近式A/D转 ,换器的转换时间为1~200s。在设计模拟量输入通道时，应按实际应用的需要和成本来确定这一项参数的选择。 5、工作温度范围 较好的A/D转换器的工作温度为-40~85?，较差的为0~70?。应根据具体应用要求查器件手册，选择适用的型号。超过工作温度范围，将不能保证达到额定精度指标。