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1、第3章机械工程中的常用自动控制系统什么是控制器？什么是控制器？控制器是指能够接受控制指令及反馈信息，对它们控制器是指能够接受控制指令及反馈信息，对它们进行比较，并根据某种控制算法，产生一定的控制进行比较，并根据某种控制算法，产生一定的控制信号，使控制对象达到控制目标的装置。信号，使控制对象达到控制目标的装置。控制器如何分类？控制器如何分类？按发展阶段分：按发展阶段分：机械式、由电子元器件组成的、通机械式、由电子元器件组成的、通用型用型按控制算法分：按控制算法分：经典、现代、智能经典、现代、智能按处理信号分：按处理信号分：模拟、数字模拟、数字按开放性分：按开放性分：封闭式、开放式封闭式、开放式单
2、片微控制器单片微控制器单单片片微微控控制制器器即即单单片片机机，可可以以认认为为是是将将微微型型计计算算机机系系统统所所用用的的大大多多数数IC芯芯片片，包包括括CPU、存存储储器器、中中断断控控制制器器、I/O端端口口等等，集集成成到到一一个个芯芯片片中中，成成为为一一台台简简单单的的计计算算机机，可可以以通通过过编编写写程程序序让让它它处处理理一一些简单的过程。些简单的过程。是一种在线式实时控制计算机是一种在线式实时控制计算机。体体积积小小、质质量量轻轻、价价格格便便宜宜、为为学学习习、应应用用和和开开发发提供了便利条件，得到了广泛的应用。提供了便利条件，得到了广泛的应用。许多厂家都有自己
3、独特的单片机产品。许多厂家都有自己独特的单片机产品。DSP数字信号处理器数字信号处理器DSP是是一一种种高高速速专专用用微微处处理理器器，主主要要可可用用于于实实时时快快速速地实现各种数字信号处理算法地实现各种数字信号处理算法DSP内内部部设设置置乘乘法法器器，且且乘乘法法器器和和运运算算逻逻辑辑部部件件ALU并行操作并行操作，再加上流水线控制技术再加上流水线控制技术，运算速度极快。运算速度极快。DSP系系统统选选用用的的算算法法是是各各种种经经过过实实践践检检验验的的通通用用算算法法的的组组合合和和改改进进，专专门门处处理理以以运运算算为为主主、不不允允许许延延迟迟的的实时信号实时信号。与与
4、单单片片机机相相比比，单单片片机机主主要要实实现现“控控制制”，而而DSP重重视数字信号处理，其它通用功能相对较弱些。视数字信号处理，其它通用功能相对较弱些。同同时时结结合合使使用用DSP和和单单片片机机，可可使使控控制制器器具具有有快快速速传传输大量的数据并对数字信号及时处理的能力。输大量的数据并对数字信号及时处理的能力。DSP产品不断更新换代产品不断更新换代，已经渗透到工业生产和日常已经渗透到工业生产和日常生活的各个方面生活的各个方面。智能控制芯片智能控制芯片以以模模糊糊控控制制、人人工工智智能能控控制制、专专家家控控制制等等智智能能控控制制理理论论为为基基础础，通通过过电电子子元元器器件
5、件的的排排列列组组合合，可可以以通通过过简简单单的的硬硬件件电电路路实实现现较较为为复复杂杂的的智智能能控控制制算算法法，实现控制系统的简化。实现控制系统的简化。清清华华大大学学微微电电子子所所：PFLC可可编编程程模模糊糊逻逻辑辑控控制器制器中中国国科科学学院院计计算算技技术术研研究究所所和和微微电电子子中中心心：通通用用模模糊控制器糊控制器F100神经网络控制芯片神经网络控制芯片 计计算算机机具具有有很很强强的的运运算算与与处处理理信信息息的的能能力力，可可以以实实现现更更为为先先进进和和复复杂杂的的控控制制策策略略，如如自自适适应应控控制制、智智能能控控制制、非非线线性性控控制制等等。而
6、而且且将将计计算算机机网网络络技技术术、通通信信技技术术、总总线线技技术术与与现现代代管管理理结结合合起起来来，从从而而使使工工业业自自动动化化从从过过去去的的就就地地控控制制和和集集中中控控制制等等方方式式向向未来的综合自动化方向发展。未来的综合自动化方向发展。由硬件和软件两部分组成。由硬件和软件两部分组成。硬硬件件包包括括：主主机机板板、系系统统总总线线、I/O接接口口、人人机机联联系系设备、过程输入输出通道等。设备、过程输入输出通道等。软件包括：系统软件、支持软件和应用软件。软件包括：系统软件、支持软件和应用软件。通用工业控制计算机通用工业控制计算机总总线线式式工工控控机机由由电电源源、
7、机机架架、总总线线母母板板、中中央央处处理理器器（CPU）、人机接口及功能丰富的外部）、人机接口及功能丰富的外部I/O模板组成。模板组成。为为保保证证系系统统的的安安全全性性和和稳稳定定性性，具具有有全全钢钢结结构构带带滤滤网网和和加加固固压压条条的的机机箱箱结结构构、基基于于总总线线的的无无源源大大母母板板结结构构、双冷风扇配置、高可靠性电源装置等特殊机构。双冷风扇配置、高可靠性电源装置等特殊机构。CPU主主板板是是总总线线式式控控制制计计算算机机系系统统的的核核心心部部件件，是是整整个个系系统统的的控控制制中中心心。它它负负责责整整个个系系统统工工作作的的协协调调，包包括括数数学学运运算算
8、、数数据据传传输输、逻逻辑辑判判断断、输输入入/输输出出控控制制以以及与上位机或网络的通信等工作。及与上位机或网络的通信等工作。某双某双CPU结构的全长结构的全长CPU卡卡无无源源母母板板通通常常也也叫叫主主板板，是是一一块块印印有有系系统统总总线线的的印印刷刷电电路路板板，板板上上通通常常提提供供许许多多总总线线插插槽槽（如如PC总总线线、STD总总线线、VME总总线线等等），以以实实现现各各功功能能模模板板与与系系统统总线的电气连接。总线的电气连接。某无源母板某无源母板PICMG插槽与全长插槽与全长CPU卡卡除除了了通通用用的的总总线线式式工工控控机机外外，盒盒式式工工控控机机、盘盘式式工
9、工控控机机、工工业业级级工工作作站站等等适适合合不不同同工工作作环环境境的的工工控控机机也也都都被广泛使用。被广泛使用。某盒式工控机某盒式工控机盘式工控机，也叫做工业平板电脑盘式工控机，也叫做工业平板电脑工工业业控控制制软软件件可可分分为为系系统统软软件件、支支持持软软件件、应应用用软软件件三个部分。三个部分。系系统统软软件件包包括括实实时时多多任任务务操操作作系系统统、引引导导程程序序、调调度度执执行行程程序序，目目前前的的主主流流系系统统软软件件为为Windows系系列列平台。平台。支支持持软软件件包包括括汇汇编编语语言言、高高级级语语言言、编编译译程程序序、编编辑辑程程序序、调调试试程程
10、序序、诊诊断断程程序序及及第第三三方方软软件件接接口口等等。如如高高级级编编程程语语言言MicrosoftVisualBasic、VC+、Delphi，第三方接口，第三方接口DELTATAU公司的公司的PTALK等。等。应应用用软软件件是是系系统统设设计计人人员员针针对对某某个个生生产产过过程程而而编编制制的的控控制制和和管管理理程程序序。包包括括过过程程输输入入程程序序、过过程程控控制制程程序序、过过程程输输出出程程序序、人人-机机接接口口程程序序、打打印印显显示示程程序和公共子程序等。序和公共子程序等。是是由由自自动动化化研研究究机机构构（ARCGroup）提提出出，用用于于描描述述结合了
11、结合了PC和和PLC功能的新一代工业控制器。功能的新一代工业控制器。在在一一种种开开放放灵灵活活的的软软件件构构架架下下，PAC将将PC的的灵灵活活性性及及软件能力和软件能力和PLC的可靠性及稳定性相结合。的可靠性及稳定性相结合。使使用用这这些些控控制制器器开开发发高高级级应应用用系系统统，不不仅仅包包括括高高级级控控制制、通通信信、数数据据记记录录和和信信号号处处理理等等软软件件特特性性，还还包包括括一一个个稳稳定定的的控控制制器器以以提提供供逻逻辑辑、运运动动、过过程程控控制制和和视视觉等高级功能。觉等高级功能。PAC可编程自动化控制器可编程自动化控制器研研华华公公司司的的开开放放型型、紧
12、紧凑凑型型、坚坚固固型型和和灵灵活活型型PAC。相相对对于于传传统统的的IPC，它它们们不不仅仅具具备备强强大大的的运运算算功功能能和和开开放放、灵灵活活的的软软、硬硬件件接接口口，而而且且实实现现了了更更高高的的实实时时性性，具具备备了了更更加加坚坚固固、安安全全的的结结构构和和开开放放的的模模块块化化体体系系，更加易于使用。更加易于使用。多多轴轴协协调调运运动动控控制制中中，需需要要进进行行大大量量、快快速速的的各各种种运运算，常采用算，常采用PC+DSP运动控制器的开放式控制模式运动控制器的开放式控制模式DELTATAU公公司司遵遵循循开开放放式式系系统统体体系系结结构构标标准准开开发发
13、的的开放式可编程多轴运动控制器开放式可编程多轴运动控制器PMAC(ProgrammableMulti-AxisController，可编程多轴控制器可编程多轴控制器)涉涉及及机机器器人人、数数控控机机床床、坐坐标标测测量量机机、激激光光加加工工、雕雕刻刻机机、旋旋转转刀刀、X-Y系系统统、以以及及高高速速印印刷刷、包包装装、贴贴标标机等各类自动化设备机等各类自动化设备运动控制器运动控制器PMAC采用Motorola的DSP56001/56002数字信号处理器,每个卡可同时控制多达32个伺服轴，链接可达16块板(128轴)。除支持ISA、PCI、VME、PC/104等标准总线形式及串口两种用上位
14、机对其进行控制的方式外，还可以以脱机方式单独运行存储于其内部的运动程序、PLC程序及进行伺服环更新等。四种总线结构的PMAC，其硬件结构包括PMAC-PC，PMAC-Lite，PMAC-VME，PMAC-STD，他们都有相同的在板固件，因此，在它们任何一款中编写的程序均可以在其它款式中运行。PMAC特点：特点：12824零等待SRAM、5128的用户编程闪存；4轴到8轴高精度同步运动控制；模拟量/10V输出，支持数字量PWM信号和步进放大器输出；可选择PC/104总线、RS-232、以态网进行通讯；两个扩展的全编码器通路（在板总计4个），可实现双反馈、步进或者混合放大器控制；可自动对任务优先级
15、进行判别；PMAC特点特点(续上页续上页)：接受增量编码器、绝对编码器、旋转变压器等类型的反馈；支持交流伺服、直流、交流异步、步进等电机类型；可编译和执行PMAC、G代码、AutoCAD转换等编程语言。此外，还包含多种差补算法、PLC模式、电子齿轮、电子凸轮、看门狗等功能，能够满足工业控制的各种需要。PMAC两个重要的接口包括JMACH口和JTHW口JMACH部分引脚介绍用以实现对电机反馈信号的监测和控制信号的输出引脚符号功能描述引脚符号功能描述+5V输出编码器电源DAC1/输出模拟输出1负端GND公共端数字公共端AENA1输出放大器1使能CHC1输入编码器C通道正端FAULT1输入放大器1错
16、误CHC1/输入编码器C通道负端+LIM1输入1通道负向末端极限CHB1输入编码器B通道正端-LIM1输入1通道正向末端极限CHB1/输入编码器B通道负端HMFL1输入1通道回零标志CHA1输入编码器A通道正端AGND输入模拟公共端CHA1/输入编码器A通道负端A+15V/OPT+V输入模拟+15V电源DAC1输出模拟输出1正端A-15V输入模拟-15V电源JTHW口为多路拨码开关I/O口，含8根输入和8根输出线。JOPTO口提供8个通用的数字输入和输出。JSI/O口用来连接ACC28模/数转换卡，并将其映射到相应的地址。Pwin32Pro是PMAC控制程序的编译环境，同时具备丰富的监测、控制
17、等其它功能。它用来配置、控制和检测全部的DeltaTau生产的运动控制器，提供了终端通讯窗体，能够在工作区里调用；区分运动程序和PLC程序语法的文本编辑器，并附加了一套配置PMAC及其附件的工具。Pwin32Pro支持WindowsXP、2000、98操作系统。内置PMACPlotPro(描绘运动轨迹内存寄存器的状态变化)、PMACTuningPro(优化伺服的PID参数)等。支持所有PMAC通讯方法，自动配置即插即用设备；增强型文本编辑器，内置debugger调试PLC程序；使用tuning工具可自动设定和调整PID、陷波和扩展伺服算法；项目分组管理，可更好的调用运动程序和PLC程序；增强的
18、绘图能力，可以动态和静态的监视参数和寄存器、运动轨迹等；可实时监视位置、电机状态，参数等；通过资源管理器通过助记的形式改变PMAC参数。常用控制器美国BALDOR公司、美国GALIL公司、美国D/A公司、德国MOVTEC公司及国内的东方嘉志公司、森泰公司及部分院校都积极投入到PC-Based运动控制卡的研究当中，推出了多种基于标准PC及IPC总线环境多轴伺服运动控制卡。研华PCI-1240U研华PCI-1241 常用控制器PCI-1240U是一款4轴通用PCI步进/脉冲型伺服电机控制卡，专门应用于一般的精确运动。该卡使用了智能NOVAMCX314运动ASIC芯片；提供了各种运动控制功能，如2/
19、3轴线性插补、2轴圆弧插补、连续插补、T/S曲线加速/减速、手轮和慢进，A/B相位或加/减、固定速度控制2种编码器脉冲输入类型，位置管理和软件行程开关功能，BoardID开关等。提供了WindowsDLL驱动程序和丰富直观的例子。提供了运动工具程序，方便进行配置和诊断。常用控制器PCI-1241采用ASIC芯片，通过使用DDA（数字微分分析器）实现4轴伺服位置和同步控制。闭环控制通过P控制实现，并使用-10到+10的信号输出到速度型伺服驱动器；还可以通过编码器输入端口回读电机编码器值，以允许进行步进控制。为每个轴的控制提供一套完整的传感器输入点，包括原位点、正/负限位点。含有禁止信号输出点，位
20、置就绪输出点和紧急输入点。可扩展到128点输入和128点输出，带有6路A/D转换。256个远程串行输入/输出接口。传传感器及信感器及信号号采集卡采集卡传感器用来感知外界环境变化的电子器件。传感器具备人的五官所没有的更加复杂、灵敏、精确的感知功能。传感器的工作是，将环境参数，如温度、高度、距离等物理量转换为电子元器件能够接受的电压或电流信号。采集卡采集各种电信号，并将其转化为数字量信号供计算机等数字控制器处理。在数字控制系统中，当外部信号较多时，需使用采集卡接受各种电信号并将其转化为数字量传送给控制器。传传感器及信感器及信号号采集卡采集卡接近开关接近开关右图为一种电感式基座型接近传感器由高频振荡
21、电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成。检测用敏感元件为检测线圈，它是振荡电路的一个组成部分，在检测线圈的工作面上存在一个交变磁场，当金属物体接近检测线圈时，金属物体就会产生涡流而吸收振荡能量，使振荡减弱以至停振。振荡与停振这两种状态经检测电路转换成开关信号输出。它通常用作计数、设定运动物体的有效运动范围、零点等只存在“1”、“0”两种状态的情况。例如测距仪测距仪超声波测距仪的原理：超声波发射器发射超声波，通过被测物体的反射，接受器接收回波，从发射到接收的时差来测量被测距离。是一种非接触式测量。除超声波外，激光、红外线等也都被用于非接触性的对距离进行检测。激光的聚合性及传播距离最好，
22、常用于精确的、长距离的检测。超声波探头激光测距仪 图像传感器图像传感器图像传感器是利用光电器件的光-电转换功能，将其感光面上的光像转换成为与光像成相应比例关系的电信号“图像”的一种功能器件。敏感器件有CCD、BBD、CID、CMOS等。CMOS图像传感器非常省电，只有普通CCD的1/3左右。但容易出现杂点，且在处理快速变化的影像时容易过热等。CCD信号电荷耦合器件以电荷为信号，其主要工作过程为信号电荷的产生、存储、传输和输出。它的析像度高、处理速度快，并且结构简单、使用方便，被广泛使用。传传感器及信感器及信号号采集卡采集卡右图为一款彩色右图为一款彩色/黑白黑白CCD摄像传感器，采用摄像传感器，
23、采用33万像万像素的高精度素的高精度CCD彩色图像彩色图像传感器芯片。传感器芯片。外界景物通过镜头照射到外界景物通过镜头照射到CCD彩色图像传感器上，彩色图像传感器上，CCD彩色图像传感器在扫描电路的控制下，可将变化彩色图像传感器在扫描电路的控制下，可将变化的外界景物以的外界景物以25幅幅/秒的速度转换为串行模拟脉冲信号秒的速度转换为串行模拟脉冲信号输出。该串行模拟脉冲信号经输出。该串行模拟脉冲信号经A/D转换器转换为数字信转换器转换为数字信号，由于信号量很大，所以还要进行信号数据压缩。号，由于信号量很大，所以还要进行信号数据压缩。可对压缩后的信号数据进行进一步的处理，用于实时可对压缩后的信号
24、数据进行进一步的处理，用于实时控制的环境反馈信息。控制的环境反馈信息。传传感器及信感器及信号号采集卡采集卡位移传感器位移传感器位移传感器通常可分为线位移传感器和角位移传感器，且包含电阻式、电容式、电感式、光栅式、编码式、霍尔效应式、激光式等多种传感类型。常用的位移传感器有：用于测量角位移的旋转编码器，和测量线位移的光栅尺。各种旋转编码器传传感器及信感器及信号号采集卡采集卡编码盘式角位移传感器分绝对式和脉冲式两种。前者在计数器中对某个基数进行加或减，从而记录旋转的角位移量。后者不需要基数，它能在任意位置给出一个该位置相应的固定数字码。脉冲式编码器又称增量式编码器，由检测头、脉冲编码盘以及发光二极
25、管的驱动电路和光敏三极管的光电检测电路组成。右图所示增量式编码器的检测头为遮断型(透射型)，其脉冲编码盘置于发光元件与受光元件之间。传传感器及信感器及信号号采集卡采集卡遮断型增量式编码器，其遮断型增量式编码器，其脉冲码盘安装在编码器的转轴脉冲码盘安装在编码器的转轴上，并置于发光元件和受光元件之间。上，并置于发光元件和受光元件之间。转轴旋转时，受光元件检测出刻有齿槽的编码盘的角位转轴旋转时，受光元件检测出刻有齿槽的编码盘的角位移，得到两组相位相差移，得到两组相位相差90的脉冲信号。的脉冲信号。可利用一组脉冲检测速度，正、负两路计数脉冲辨向。可利用一组脉冲检测速度，正、负两路计数脉冲辨向。可以通过
26、外路倍频，得到二倍频或四倍频信号。可以通过外路倍频，得到二倍频或四倍频信号。这种非接触式编码器，寿命长、功耗低、耐振动，被广这种非接触式编码器，寿命长、功耗低、耐振动，被广泛应用于角度、距离、位置、转速等的检测与控制。泛应用于角度、距离、位置、转速等的检测与控制。传传感器及信感器及信号号采集卡采集卡主主光光栅栅上上均均匀匀刻刻有有许许多多线线纹纹，形形成成明明暗暗交交错错的的线线条条。与与指指示示光光栅栅平平行行安安装装，并并使使它它们们的的刻刻线线互互相相倾倾斜斜一一个个很很小小的的角角度度，在在指指示示光光栅栅上上出出现现一一些些明明暗暗条条纹纹。当当主主光光栅栅沿沿刻刻线线垂垂直直方方向
27、向移移动动时时，这这些些条条纹纹就就沿沿两两块块光光栅栅刻刻线线夹夹角角的的平平分分线线方方向向移移动动。若若用用计计数数器器记记录录下下指指示示光栅上移动过的条纹数，即可知主光栅移动的距离。光栅上移动过的条纹数，即可知主光栅移动的距离。除除以以上上介介绍绍的的几几种种常常用用传传感感器器外外，还还有有多多种种如如温温度度、湿湿度度、力力、气气敏敏、磁磁敏敏等等传传感感器器，以以及及生生物物传传感感器器和和智能化的智能传感器等。智能化的智能传感器等。传传感器及信感器及信号号采集卡采集卡多传感器信息融合（多传感器信息融合（MIF）多多传传感感器器信信息息融融合合就就是是把把分分布布在在不不同同位
28、位置置、处处于于不不同同状状态态的的多多个个同同类类或或不不同同类类型型传传感感器器所所提提供供的的局局部部不不完完整整观观察察量量加加以以综综合合，消消除除多多传传感感器器信信息息之之间间可可能能存存在在的的冗冗余余和和矛矛盾盾，利利用用信信息息互互补补，降降低低不不确确定定性性，以以形形成成对对系系统统环环境境相相对对完完整整一一致致的的感感知知描描述述，从从而而提提高高智智能能系系统统决决策策、规规划划的的科科学学性性，反反应应的的快快速速性性和和正正确确性性，降低决策风险的信息处理方法。降低决策风险的信息处理方法。它它与与经经典典信信号号处处理理方方法法之之间间存存在在本本质质的的区区
29、别别，其其关关键键在在于于信信息息融融合合所所处处理理的的多多传传感感器器信信息息具具有有更更为为复复杂杂的的形形式式，而而且且可可以以在在不不同同的的信信息息层层次次，包包括括数数据据层层、特特征层和决策层上出现征层和决策层上出现。传传感器及信感器及信号号采集卡采集卡通通过过对对多多传传感感器器信信息息融融合合得得到到的的被被测测对对象象的的描描述述，比比通通过过对对各各个个传传感感器器信信息息无无规规则则或或只只有有简简单单规规则则叠叠加加得得到的描述性能更加优越，更贴近实际环境情况。到的描述性能更加优越，更贴近实际环境情况。近近年年来来，信信息息融融合合技技术术已已经经快快速速从从相相关
30、关技技术术的的简简单单结结合合发发展展成成为为一一门门正正在在形形成成的的具具有有标标准准术术语语、稳稳健健的的数数学学方方法法和和具具有有系系统统设设计计规规则则的的工工程程学学科科。在在图图像像融融合合、多多模模态态生生物物特特征征识识别别、自自动动目目标标识识别别等等军军事事、工工业业、生活领域中得到了广泛的应用。生活领域中得到了广泛的应用。传传感器及信感器及信号号采集卡采集卡信号采集卡信号采集卡目目前前，信信号号采采集集卡卡已已发发展展得得非非常常完完善善，除除了了大大量量的的信信号号输输入入接接口口，还还集集成成了了模模拟拟和和数数字字输输出出接接口口，也也可可称称为扩展为扩展I/O
31、。它它使使控控制制器器与与生生产产过过程程相相连连接接，进进行行数数据据采采集集和和输输出出控控制制信信息息，它它的的性性能能优优劣劣对对整整个个系系统统具具有有举举足足轻轻重重的的影响。影响。对对于于常常用用的的开开放放型型数数字字控控制制器器工工业业控控制制计计算算机机，其其扩扩展展I/O的的发发展展大大致致经经历历了了母母板板I/O、总总线线插插板板I/O、插插板板式智能式智能I/O、远程、远程I/O、远程智能、远程智能I/O等过程。等过程。传传感器及信感器及信号号采集卡采集卡下图是一种功能强大的高分辨率多功能下图是一种功能强大的高分辨率多功能PCI总线插板式总线插板式数据采集卡，包含了
32、模拟量、数字量、通信转换模块数据采集卡，包含了模拟量、数字量、通信转换模块（RS485/232）、信号调理模块、远程）、信号调理模块、远程I/O模块、智能模块、智能通用通用I/O单元。单元。它的采样速率可达它的采样速率可达200KS/s、16位分辨率，提供位分辨率，提供16路单路单端或端或8路差分的模拟量输入，路差分的模拟量输入，1路路16位位D/A模拟量输出通模拟量输出通道，道，16路数字量输出通道，及路数字量输出通道，及1个个10MHz的的16位多功能位多功能计数器通道。计数器通道。内建校准电路可对模拟量输入和输出通道中的增益和内建校准电路可对模拟量输入和输出通道中的增益和偏移误差进行自动
33、修正。偏移误差进行自动修正。传传感器及信感器及信号号采集卡采集卡下图是用于工业应用的低成本通用螺丝端子板。它们各含有40个端子，采用点到点设计，可通过20针扁平电缆与采集卡或控制器连接。PCLD-880更适应与在恶劣工业环境中的可靠连接，并额外提供一个DB-37接口，支持带有DB-37接口的PC-LabCard数据采集控制卡。传传感器及信感器及信号号采集卡采集卡下下图图中中数数据据采采集集卡卡PCI-1710与与接接线线端端子子板板PCLD-8710采采用用68针针SCSI-型型接接口口通通过过带带有有用用于于降降低低噪噪声声特特殊殊屏屏蔽的电缆相连，蔽的电缆相连，可可以以通通过过将将传传感感
34、器器的的信信号号线线与与PCLD-8710的的接接线线端端子子相相连连，及及PCI-1710插插入入工工控控机机或或PAC等等含含有有通通用用PCI总总线线的的控控制制器器中中，将将传传感感器器信信号号通通过过滤滤波波、A/D转转换换等等，自动、智能地供给控制器判断、决策使用。自动、智能地供给控制器判断、决策使用。工程工程实实例中的控制系例中的控制系统设计统设计工作台位置自动控制系统工作台位置自动控制系统工程工程实实例中的控制系例中的控制系统设计统设计工作台位置自动控制系统工作台位置自动控制系统此此工工作作台台位位置置自自动动控控制制系系统统的的控控制制对对象象是是工工作作台台，控控制制量量是
35、是工工作作台台的的位位置置。本本系系统统使使用用直直线线电电位位器器及及比比较较放大器加以一定的控制规则形成模拟控制系统。放大器加以一定的控制规则形成模拟控制系统。本本系系统统输输入入控控制制量量和和检检测测控控制制量量环环节节分分别别为为，指指令令电电位器、检测电位器。位器、检测电位器。操操作作者者通通过过指指令令电电位位器器指指定定工工作作台台运运动动目目的的位位置置，即即将指定的位置转化成相应的电压信号输出。将指定的位置转化成相应的电压信号输出。检检测测电电位位器器则则用用来来检检测测工工作作台台的的实实际际位位置置，即即将将工工作作台的实际位置转化成电压信号。台的实际位置转化成电压信号
36、。控控制制器器将将检检测测电电压压与与指指令令电电压压比比较较，以以一一定定的的规规则则使使控制对象快速、准确地到达指定目标。控制对象快速、准确地到达指定目标。工程工程实实例中的控制系例中的控制系统设计统设计如果用xi表示给定的位置，用ua表示对应的输出电压。这种转换关系可表示为：当选用具有良好线性度的电位器作为位置指令电位器时，上式中的Kp为常数。如果工作台的位置范围是x，电位器的电源电压为u，则Kp=u/x，然后就可以根据上式计算对应xi和ua了。工程工程实实例中的控制系例中的控制系统设计统设计检测电位器测量长度与工作台的运动范围一致，安装在导轨的侧面，电位器指针与工作台相连，可把工作台的
37、位置转换成相应的电压信号。检测到的位置x和检测电压ub之间的关系如下图所示。在本例中使Kf=Kp，当给定电位器电源电压与检测电位器一样时，认为系统的输出达到控制目标。工程工程实实例中的控制系例中的控制系统设计统设计本例中位置控制系统的控制原理为：操作者通过指令电位器发出工作台的位置指令xi，指令电位器对应输出一个电压ua。电压ua与位置xi成正比，比例系数为一常数Kp。工作台在导轨上的实际位置x由装在导轨侧向的位置检测电位器检测，位置检测电位器将实际位置x转换为电压ub输出。电压ub与工作台的实际位置x成正比，比例系数Kf=Kp。电压ub需要经过反馈与ua进行比较（相减），产生偏差电压为u=u
38、a-ub。控制器以一定的规则使u快速地趋近于零，即使工作台快速、准确地到达指定位置。工程工程实实例中的控制系例中的控制系统设计统设计可由比较放大器得到u，并将偏差信号加以放大。比较放大器可由高阻抗差动运算电路实现。此比较放大器的输入为给定电位器输出ua和检测电位器输出ub，其输出为其中Kq为比较放大器的增益工程工程实实例中的控制系例中的控制系统设计统设计当x和xi有偏差时，该偏差电压u在比较放大器中被放大成Kqu。Kqu进入控制器，通过控制器处理后的信号经功率放大器放大驱动直流伺服电动机转动，电动机通过减速器和滚珠丝杠驱动工作台向给定位置xi运动。随着x与xi偏差的减小，u的绝对值也逐渐减小。
39、当x与xi相等时，u为零，伺服电动机停止转动。当x和xi相等时，没有u，也就没有电压和电流输入电动机，工作台不改变当前位置。当不断改变xi时，工作台就不断改变在机座上的位置，以保持x=xi的状态。工程工程实实例中的控制系例中的控制系统设计统设计倒立振子台车控制系统倒立振子台车控制系统倒立摆系统是一个相当复杂的、高阶次、多变量、非线性、强耦合、不确定的绝对不稳定系统。本例的单级倒立摆，采用计算机作为控制器，编码器1、2用来检测振子倾斜角度和台车位置，限位开关1、2作为小车到达行程限制的急停信号，并在计算机上编写一定的控制算法，通过控制小车的运动速度，改变小车和小车上的倒立摆之间的相对速度，使倒立
40、摆维持在平衡状态。工程工程实实例中的控制系例中的控制系统设计统设计右图所示为振子和台车控制系统的结构和各环节间的信号传递。由计数电路将编码器1、2的脉冲信号转换成脉冲数，分别以16位的二进制数字信号直接输入到计算机中。将台车急停的限位开关1、2的开关信号作为计算机的中断信号。计算机把使电动机产生所需转矩的电枢电流指令值以12位数字信号输出给由D/A转换器和电流反馈电路组成的电机驱动电路，使直流电动机产生与电流指令值成比例的转矩，最终使倒立振子台车系统在一定的算法控制下达到稳定状态。工程工程实实例中的控制系例中的控制系统设计统设计作为控制器的计算机的主要工作包括：在每个采样周期，把计数器输入的表
41、示振子倾斜角度和台车位置的二进制数据采入；与上一周期的数据比较，求得振子角速度和台车速度的近似值；根据以上信息计算直流电动机电枢电流的指令值；将该指令值以12位数据方式输出至电动机驱动电路；当台车触发轨道两端附近的限位开关产生中断信号时，将直流电动机电枢电流的指令值设置为0并输出，瞬间停止电动机的转动。此外，此外，还可以使用智能控制芯片来完成对倒立振子台车的控制。如前面介绍的PFLC。工程工程实实例中的控制系例中的控制系统设计统设计关节型机械手关节型机械手实实际际应应用用中中存存在在的的大大型型运运动动控控制制装装置置往往往往是是具具有有多多个个控控制制轴轴的的，如如平平面面X-Y平平台台，S
42、CARA型型机机器器人人等等。在在这这些些多多轴轴运运动动控控制制系系统统中中存存在在多多个个运运动动控控制制轴轴的的协协调调控制问题。控制问题。本本例例中中的的关关节节型型机机械械手手控控制制系系统统，可可由由IPC主主控控制制器器加加DSP运运动动控控制制器器构构成成，并并配配以以转转接接板板和和各各种种传传感感器器，实现对机械手的精确控制。实现对机械手的精确控制。工程工程实实例中的控制系例中的控制系统设计统设计选择选择IPC作为主控制器，其上运行机器人控制主程序，作为主控制器，其上运行机器人控制主程序，提供用户界面接口并完成作业任务规划、运动学正反提供用户界面接口并完成作业任务规划、运动
43、学正反解和坐标变换等，并采用解和坐标变换等，并采用Windows操作系统作为上层操作系统作为上层软件的开发平台。软件的开发平台。采用采用DSP高性能运动控制器作为底层控实时制器，运高性能运动控制器作为底层控实时制器，运用一定的控制策略产生控制信号，并将其送入控制箱用一定的控制策略产生控制信号，并将其送入控制箱中的各个关节电机驱动器中，经过运算放大后驱动机中的各个关节电机驱动器中，经过运算放大后驱动机器人本体上的关节电机运动，完成关节电机的运动控器人本体上的关节电机运动，完成关节电机的运动控制。制。采用交流伺服电动机驱动机械手各关节。采用交流伺服电动机驱动机械手各关节。工程工程实实例中的控制系例
44、中的控制系统设计统设计本例中，由本例中，由伺服驱动装置接收速度控制信号，完成速度闭环控伺服驱动装置接收速度控制信号，完成速度闭环控制；制；运动控制器接受位置反馈信号，进行位置闭环控制，运动控制器接受位置反馈信号，进行位置闭环控制，并向伺服驱动器输出模拟电压控制信号；并向伺服驱动器输出模拟电压控制信号；IPC根据状态反馈信号和控制目标按照一定的控制根据状态反馈信号和控制目标按照一定的控制规则对运动控制起到指导和修正作用。规则对运动控制起到指导和修正作用。工程工程实实例中的控制系例中的控制系统设计统设计本例中，采用本例中，采用型型PMAC-PC8轴运动控制卡，与轴运动控制卡，与IPC以以ISA总线
45、形式连接，并通过公共缓存区总线形式连接，并通过公共缓存区DPRAM（双端（双端口口RAM）提高数据交换速度。）提高数据交换速度。PMAC可通过可通过JMACH口对各个伺服电机的状态进口对各个伺服电机的状态进行监测和控制；行监测和控制；通过通过JTHW口采集外部控制面板输入；口采集外部控制面板输入；通过通过JOPTO口对电机的控制通道进行转换；口对电机的控制通道进行转换；通过通过JSI/O口接收由口接收由ACC34AA、ACC28B采集的外采集的外部传感器信号输入；部传感器信号输入；并且可通过对在板跳线及并且可通过对在板跳线及I变量的设置定义变量的设置定义PMAC的的功能类型。功能类型。工程工程
46、实实例中的控制系例中的控制系统设计统设计该控制系统中该控制系统中IPC提供用户界面接口并完成作业任务规划、运动提供用户界面接口并完成作业任务规划、运动学正反解和坐标变换，并与电机驱动器的通过计算学正反解和坐标变换，并与电机驱动器的通过计算机串行口实现信息交互。机串行口实现信息交互。PMAC进行运动管理。进行运动管理。工程工程实实例中的控制系例中的控制系统设计统设计其中，可通过专用接口板实现匹配PMAC的JMACH接口与驱动器接口，及采集其它外部输入输出信号。这样，这样，通过一步步地连接，我们便可以通过在IPC简单的用户界面接口操作或编程，对多自由度机械手的各关节电机进行有效的控制，并最终控制机械手准确完成一定的控制目标。