機電一體化技術(shù)及應(yīng)用 課件 第4-6章 傳感檢測技術(shù)、計算機控制技術(shù)、系統(tǒng)總體技術(shù)

第五節(jié)測距傳感器第四節(jié)力、扭矩傳感器第三節(jié)速度、加速度傳感器第二節(jié)位移、位置傳感器第一節(jié)傳感檢測系統(tǒng)的作用及組成第四章傳感檢測技術(shù)第六節(jié)視覺傳感器第七節(jié)智能傳感器第八節(jié)微傳感器4.1.1傳感檢測在機電一體化中的作用獲取系統(tǒng)運行過程中所需的內(nèi)部和外部的各種參數(shù)及狀態(tài)，將這些非電量轉(zhuǎn)化成與被測物理量有確定對應(yīng)關(guān)系的電信號，并通過適當(dāng)處理（如變換、放大、濾波）后，將其傳輸?shù)胶罄m(xù)裝置中進行顯示記錄或數(shù)據(jù)處理成產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息。4.1.2傳感檢測系統(tǒng)的組成1.傳感器將機電一體化系統(tǒng)中被測對象的非電物理變化量轉(zhuǎn)換成對應(yīng)電量，從而為有效地控制機電一體化系統(tǒng)的動作提供信息。2.中間變換裝置將傳感器輸出的電量信號（如電阻、電容、電感等）轉(zhuǎn)換成更易于測量和處理的電壓或電流信號，并進行適當(dāng)處理（阻抗變換、放大、濾波等），包括電橋、放大器、濾波器、調(diào)制解調(diào)器等。3.輸出接口將信號傳送至顯示記錄裝置、信息處理裝置和控制器等。4.2位移、位置傳感器位移測量—測量某一段距離的變化量；位置測量—確定被測物體是否到達或接近某一位置直線位移傳感器—電感式傳感器、電容式傳感器、差動變壓器式傳感器、感應(yīng)同步器、光柵、磁柵等角位移傳感器—光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器按檢測時被測對象與測量元件是否接觸分為接觸式（限位開關(guān)）和非接觸式（接近開關(guān)和光電開關(guān)）4.2.1光電開關(guān)主要部件為發(fā)光元件（如發(fā)光二極管）和受光元件（如光電元件）根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式的不同，分為對射式、鏡反射式、漫反射式、槽式和光纖式等類型特點：體積小、可靠性高、響應(yīng)速度快、檢測精度高1.對射式光電開關(guān)又稱透射式或透光式，發(fā)光元件和受光元件相互分離且光軸相對放置。發(fā)光元件發(fā)出的光線直接進入受光元件，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過發(fā)光元件和受光元件之間且阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。適用于不透明物體檢測。發(fā)光元件受光元件物體2.鏡反射式光電開關(guān)集發(fā)光元件和受光元件于一體，發(fā)光元件發(fā)出的光線經(jīng)過反射鏡反射回受光元件，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過且完全阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測開關(guān)信號。專用反射鏡光電元件物體3.漫反射式光電開關(guān)集發(fā)光元件和受光元件于一體，當(dāng)有被檢測物體經(jīng)過時，物體將發(fā)光元件所發(fā)射的足夠量的光線反射到受光元件，于是光電開關(guān)產(chǎn)生了開關(guān)信號。適用于表面光亮或反光率極高物體的檢測。光電元件物體4.槽式光電開關(guān)發(fā)光元件和受光元件分別位于U型槽的兩邊，形成一光軸。當(dāng)被檢測物體經(jīng)過U型槽且阻斷光軸時，光電開關(guān)產(chǎn)生開關(guān)量信號。適合檢測高速運動的物體，并且能分辨透明與半透明物體。物體發(fā)光元件受光元件4.2.2光電編碼器光學(xué)式角度—數(shù)字檢測元件。利用光電轉(zhuǎn)換原理將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量特點：體積小、精度高、工作可靠、接口數(shù)字化組成：碼盤、光電檢測裝置及測量電路分類：根據(jù)信號輸出形式不同分為增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器。增量式編碼器對應(yīng)每個單位角位移輸出一個電脈沖，通過對脈沖計數(shù)即可實現(xiàn)角位移測量；絕對式編碼器則直接輸出碼盤上的編碼，從而檢測出絕對位置。

1.增量式光電編碼器

玻璃碼盤上沿圓周方向均布著n條狹縫，來自光源（發(fā)光二極管）的光線可以通過狹縫照射到光電元件（光敏二極管）上。當(dāng)碼盤繞其軸線回轉(zhuǎn)時，每轉(zhuǎn)過一條狹縫，光電元件所接收到的光信號就明暗變化一次，輸出的電信號也就強弱變化一次，經(jīng)測量電路放大、整形后，輸出一個矩形脈沖。

2.絕對式光電編碼器把被測轉(zhuǎn)角通過讀取碼盤上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼，故可直接輸出數(shù)字量。有光電式、接觸式和電磁式三種，光電式碼盤是目前應(yīng)用較多的一種。玻璃碼盤上刻的按二進制規(guī)則排列的一系列透光區(qū)（白色區(qū)域，用1表示）和不透光區(qū)（黑色區(qū)域，用0表示），并均布在一些圓周（碼道）上。由內(nèi)向外有多個碼道，每一個碼道表示二進制的一位：內(nèi)側(cè)碼道為高位，外側(cè)碼道為低位。于是，由內(nèi)至外構(gòu)成一個二進制偏碼。4.2.3光柵1.光柵的種類與構(gòu)造（1）根據(jù)制造方法和光學(xué)原理不同—透射光柵、反射光柵透射光柵——以透光的玻璃為載體，利用光的透射現(xiàn)象進行檢測反射光柵——以不透光的金屬（一般為不銹鋼）為載體，利用光的反射現(xiàn)象進行檢測（2）據(jù)光柵的外形—長光柵（直線光柵，光柵尺）、圓光柵

4.2.3光柵1—主光柵；2—指示光柵；3—光電元件；4—光源主光柵和被測物體相連，隨被測物體的直線位移而產(chǎn)生位移主光柵和指示光柵的柵距相同，一般為4線/mm、10線/mm、25線/mm、50線/mm、100線/mm、200線/mm、250線/mm

2.光柵的工作原理主光柵和指示光柵平行安裝，并使二者傾斜一個較小的角度θ時，光柵上就會出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋（莫爾條紋）。當(dāng)主光柵隨執(zhí)行機構(gòu)左右移動時，莫爾條紋相應(yīng)地上下移動。利用光電元件檢測莫爾條紋的明暗變化，輸出二進制代碼。莫爾條紋的移動方向和主光柵移動方向有確切的對應(yīng)關(guān)系，故便于辨別方向。

4.3速度、加速度傳感器實際上是一臺微型直流發(fā)電機。分類：根據(jù)定子磁極激磁方式的不同分為永磁式（用永久磁性材料做定子，并產(chǎn)生恒定磁場）和電磁式（利用繞在定子槽中的勵磁繞組來產(chǎn)生磁場）。原理：當(dāng)轉(zhuǎn)子在恒定磁場中旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組中產(chǎn)生交變的電動勢，再經(jīng)過換向器和電刷轉(zhuǎn)換為與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比的直流電動勢。

4.3.1直流測速發(fā)電機4.3.2光電式速度傳感器光電脈沖測速：物體以速度v通過光電池的遮擋板時，光電池輸出階躍電壓信號，形成兩個脈沖輸出，測出兩脈沖之間的時間間隔△t，則可測得速度為光電式轉(zhuǎn)速傳感器：由裝在被測軸（或與被測軸相連接的輸入軸）上的帶縫圓盤、光源、光電器件和指示縫隙圓盤組成。光源發(fā)出的光通過縫隙圓盤和指示縫隙盤照射到光電器件上。當(dāng)縫隙圓盤隨被測軸轉(zhuǎn)動時，由于圓盤上的縫隙間距與指示盤上的縫隙間距相同，因此圓盤每轉(zhuǎn)一周，光電器件便輸出與圓盤縫隙數(shù)相等的電脈沖。根據(jù)測量時間t內(nèi)的脈沖數(shù)N，就可測得被測軸轉(zhuǎn)速為1—光源；2—透鏡；3—帶縫隙圓盤；4—指示縫隙盤；5—光電器件4.4力、扭矩傳感器電阻應(yīng)變式力傳感器基于電阻應(yīng)變效應(yīng)工作。當(dāng)粘貼有應(yīng)變片的彈性元件在受到力的作用時產(chǎn)生變形，應(yīng)變片將該應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路（電橋）最終輸出相應(yīng)的電壓或電流信號。彈性元件有柱式、梁式、環(huán)式、輪輻式等。

4.4.1力傳感器4.4.2扭矩傳感器1—驅(qū)動源；2—集流環(huán)；3—電橋；4—負(fù)載1.應(yīng)變式扭矩傳感器在扭矩作用下，轉(zhuǎn)軸表面產(chǎn)生主應(yīng)變（與所受到的扭矩成正比）。應(yīng)變式扭矩傳感器利用電阻應(yīng)變片來檢測主應(yīng)變，并通過電橋轉(zhuǎn)換輸出。

2.壓磁式扭矩傳感器

利用由具有壓磁效應(yīng)的鐵磁材料制成的轉(zhuǎn)軸在受到扭矩作用后應(yīng)力變化導(dǎo)致磁阻變化的現(xiàn)象來實現(xiàn)扭矩測量。繞有線圈的U型鐵芯A-A沿軸線方向、B-B沿垂直于軸線方向布置，其開口端與被測轉(zhuǎn)軸表面之間有1~2mm的空隙。A-A線圈中通以交流電流，形成穿過轉(zhuǎn)軸的交變磁場。在無扭矩時，交變磁場的磁力線與B-B線圈不交鏈，無感應(yīng)電勢產(chǎn)生，電橋仍處于平衡狀態(tài)，Uy=0。當(dāng)有扭矩作用在轉(zhuǎn)軸上時，部分磁力線與B-B線圈交鏈，并產(chǎn)生感應(yīng)電勢，電橋失去平衡，輸出電壓信號Uy（在一定范圍內(nèi)與扭矩呈線性）。3.磁電感應(yīng)式扭矩傳感器傳動軸的兩端分別安裝有磁分度圓盤A和A’，其旁邊各安裝一個磁頭B和B’，用于檢測兩圓盤之間的轉(zhuǎn)角差。當(dāng)無扭矩時，兩分度盤的轉(zhuǎn)角差為零；當(dāng)有扭矩作用在傳動軸上時，兩個磁頭分別檢測出驅(qū)動側(cè)圓盤和負(fù)載側(cè)圓盤的轉(zhuǎn)角差。利用轉(zhuǎn)角差與扭矩M成正比例的關(guān)系，即可測量出扭矩的大小。4.光電式扭矩傳感器利用轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)變形來測量扭矩。轉(zhuǎn)軸上固定兩個光柵圓盤。在轉(zhuǎn)軸未承受扭矩時，兩光柵盤的明暗區(qū)正好互相遮擋，無光線通過光柵照射到光電元件上，也無輸出。當(dāng)有扭矩作用后，轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，兩光柵相對轉(zhuǎn)過一個角度，部分光線透過光柵照射到光電元件上，并輸出信號，該輸出信號隨扭矩增大而增大，故可測得扭矩。1—光源；2—光電元件；3—光柵盤；4—轉(zhuǎn)軸4.5測距傳感器1.超聲波及其檢測原理超聲波——頻率高于20kHz的高頻振動波，人耳無法聽見傳播需要氣體、液體或固體等媒介方向性好，具有良好的穿透性在介質(zhì)中傳播時遵循幾何光學(xué)的基本規(guī)律，具有反射和折射等特性超聲波檢測原理——在掌握了某些非聲量的物理量（如密度、流量等）與描述超聲波介質(zhì)聲學(xué)特性的超聲量（聲速、衰減、聲阻抗）之間存在的直接或間接關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過超聲量的測定來測得被測物理量

4.5.1超聲波距離測量核心器件——超聲波發(fā)射器+超聲波接收器（超聲波探頭），均壓電材料的逆壓電效應(yīng)或鐵磁材料的磁致伸縮效應(yīng)，分別將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能以及將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

檢測方式——脈沖法和多普勒頻移法。脈沖法更常用；當(dāng)發(fā)射器和反射器之間有相對移動時采用多普勒頻移法。

超聲波傳感器2.超聲波測距控制電路產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號并送給發(fā)射電路，經(jīng)放大后激勵超聲探頭而發(fā)射超聲波脈沖。該脈沖遇到被測物體，超聲波發(fā)生反射，反射回波則被另一個或同一個超聲探頭接收。假設(shè)超聲波在介質(zhì)中的傳播速度為v，在介質(zhì)界面的入射角為θ，同時測定超聲波從發(fā)射到接收的時間間隔為t，則被測距離d為

3.超聲波測距應(yīng)用——倒車?yán)走_

4.5.2激光測量距離1.激光特征高方向性激光可以集中在狹窄的范圍內(nèi)向特定的方向發(fā)射，即使在幾公里的距離其擴展范圍不到幾厘米。高單色性激光的頻率寬度比普通光的頻率寬度小10倍以上，因此激光是最好的單色光源。高亮度源于激光的定向發(fā)光。人工光源中高壓脈沖氙燈的亮度最高（與太陽光的亮度不相上下），而紅寶石激光器的激光亮度超過氙燈幾百億倍。

2.激光測距原理激光的測距原理與超聲波測距相同，向被測目標(biāo)發(fā)射激光后，由光電元件接收目標(biāo)反射的激光，同時測量激光在被測距離上往返一次所需要的時間t，即可求出距離d為3.激光測距方法脈沖式：利用脈沖光波，當(dāng)發(fā)射的光脈沖被目標(biāo)物體反射回來后，通過一個時間測量裝置直接測出激光往返的時間，進而利用上式求出距離。相位式：用連續(xù)光波通過調(diào)制器使激光強度按調(diào)制信號隨時間而變化，測出該光波在時間t內(nèi)的相位變化，從而間接地計算出時間。4.6視覺傳感器定義：利用光電轉(zhuǎn)換原理，將被測物體的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號，即把入射到傳感器光敏單元上按空間分布的光強信號轉(zhuǎn)換為按時序串行輸出的電信號。特點：體積小，析像度高，功耗小，廣泛應(yīng)用于機器視覺、圖像處理、非接觸測量零件尺寸、形狀和損傷、瑕疵識別等領(lǐng)域類型：CCD視覺傳感器和CMOS視覺傳感器

1.CCD視覺傳感器CCD—利用內(nèi)光電效應(yīng)，由光敏單元集成的一種光電傳感器，集電荷產(chǎn)生、存儲、轉(zhuǎn)移和輸出為一體。CCD光敏單元的核心—MOS電容

4.6.1CCD和CMOS視覺傳感器工作過程：首先由光學(xué)系統(tǒng)將被測物體成像在CCD的受光面上，受光面下的許多光敏單元形成了許多像素點，這些像素點將投射到它的光強轉(zhuǎn)換成電荷信號并進行存儲；然后在時鐘脈沖信號的控制下，讀取反映光強的被存儲電荷信號并順序輸出，從而完成了從光圖像到電信號的轉(zhuǎn)換過程。特點：體積小，輕便，響應(yīng)快，靈敏度高，穩(wěn)定性好，以光為媒介對任何地點的圖像進行識別和檢測，數(shù)字化輸出

CCD視覺傳感器2.CMOS視覺傳感器CMOS—將光敏二極管、MOS場效應(yīng)管、MOS放大器和MOS開關(guān)電路集成在同一芯片上而成CMOS特點：集成度高，功耗低，體積小，生產(chǎn)成本低，抗干擾能力強，只需單一電源，容易與其他芯片整合，廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域（高速攝影、醫(yī)療、消費品）

CMOS視覺傳感器：由一個像素光電二極管和數(shù)種MOS晶體管構(gòu)成

4.6.2視覺傳感器的應(yīng)用1.工件尺寸測量通過透鏡將被測工件放大成像于CCD傳感器的光敏陣列上，由視頻處理器將CCD輸出信號進行存儲和數(shù)字處理，并將測得結(jié)果進行顯示或判斷，從而實現(xiàn)對工件形狀和尺寸的非接觸測量。4.6.2視覺傳感器的應(yīng)用2.熱軋板材寬度測量1—激光器；2—CCD線陣傳感器；3—光源；4—板材；5—軋輥兩個CCD線陣傳感器布置于熱軋板材的上方，板端的一小部分處于傳感器的視場內(nèi)，依據(jù)幾何光學(xué)的方法可以分別測出寬度l1、l2，在兩個傳感器視場寬度lm已知的情況下，可以根據(jù)傳感器的輸出計算出板材的寬度l。圖中最右側(cè)的CCD傳感器是用來攝取激光器在板材上的反射光像，其輸出信號用于補償因板厚變化而造成的測量誤差。4.7智能傳感器1.智能傳感器的概念目前尚無統(tǒng)一的定義。早期只是簡單地強調(diào)在工藝上將傳統(tǒng)的傳感器與微處理器緊密結(jié)合，認(rèn)為將傳感器的敏感元件及其信號調(diào)理電路與微處理器集成在一塊芯片上即構(gòu)成智能傳感器。隨著傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸認(rèn)識到傳感器與微處理器的結(jié)合如果沒有賦予智能，只能是微機化的傳感器，而非真正意義上的智能傳感器。

4.7.1智能傳感器的定義與特點智能傳感器是一種帶有微處理器的傳感器，是傳感器和微處理器賦予智能的結(jié)合，兼具信息檢測、信息處理、信息記憶、邏輯思維與判斷等功能，是傳感器、計算機和通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。4.7.2智能傳感器的基本組成與基本功能1.智能傳感器的基本組成主要由傳感器、微處理器（或微型計算機）及相關(guān)電路組成。其中，微處理器是智能傳感器的核心，它充分發(fā)揮各種軟件的功能，賦予傳感器以智能，使傳感器的性能大大提高。傳感器將被測對象的非電量信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，經(jīng)信號調(diào)理電路進行放大、濾波、阻抗變換以及輸入接口的A/D轉(zhuǎn)換后，送到微處理器對接收信號進行計算、存儲以及數(shù)據(jù)處理。微處理器一方面通過反饋回路對傳感器和信號調(diào)理電路進行調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)對測量過程的調(diào)節(jié)和控制；另一方面將處理結(jié)果傳送到輸出接口，經(jīng)接口電路處理后按需要的格式輸出。2.智能傳感器的基本功能（1）在自我完善能力方面，具有自校正、自校零、自校準(zhǔn)功能，以改善傳感器的靜態(tài)性能，提高傳感器的靜態(tài)測量精度；具有智能化頻率自補償功能，以提高傳感器響應(yīng)速度，改善其動態(tài)特性；具有多信息融合功能，從而抑制交叉敏感，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。（2）在自我管理和自適應(yīng)能力方面，具有自檢驗、自診斷、自尋故障、自恢復(fù)功能；具有判斷、決策、自動切換量程功能。

（3）在自我辨識和運算處理能力方面，具有從噪聲中辨識微弱信號及消噪功能；具有多維空間的圖像辨識與模式識別功能；具有數(shù)據(jù)的自動采集、存儲、記憶與信息處理功能。（4）在交互信息能力方面，具有雙向通信、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出以及人—機對話等功能。

4.7.3智能傳感器的分類與基本形式1.智能傳感器的分類（1）模塊式智能傳感器將微處理器、信號處理電路、輸入/輸出電路、顯示電路和傳感器做成互相獨立的模塊，并裝配在同一殼體內(nèi)。集成度不高、體積較大，但是較為實用。（2）混合式智能傳感器將各組成部分以不同的組合方式集成在幾個芯片上，然后裝配在同一殼體內(nèi)。是目前智能傳感器的主要類型。（3）集成式智能傳感器利用集成電路工藝和微機械技術(shù)將傳感器敏感元件與功能強大的電子線路集成在同一芯片上（或二次集成在同一外殼內(nèi)），集成度高、體積小、成本低、功耗低、速度快、可靠性好、測量精度高、功能強。是當(dāng)前研究熱點和主要發(fā)展方向。

2.智能傳感器的基本形式（1）初級形式在組成環(huán)節(jié)中沒有微處理器，僅僅包含敏感元件、補償電路（如溫度補償、線性補償?shù)龋⑿Ｕ娐泛托盘栒{(diào)理電路。最早期形式，智能含量還較低，而且智能化功能的實現(xiàn)依靠硬件電路來完成。（2）中級形式在組成環(huán)節(jié)中必須包含微處理器。功能大大增強，性能顯著提高。智能化主要由強大的軟件來實現(xiàn)。（3）高級形式集成度進一步提高，敏感單元實現(xiàn)多維陣列化，同時配備有更強大的信息處理軟件，具有更高級的智能化功能。是真正意義上的智能傳感器。4.8微傳感器采用微電子機械加工技術(shù)制作的、芯片特征尺寸為微米級的各類傳感器的總稱。利用微細加工技術(shù)，將電子、機械、光學(xué)等部件集成在微小空間內(nèi)，形成具有一定智能的優(yōu)化復(fù)雜系統(tǒng)。特點：（1）微型化和輕量化利用微機電系統(tǒng)技術(shù)，敏感元件尺寸大多為微米級甚至亞微米級，使傳感器整體尺寸大大減小（可達亞微米級），尺寸精度可達納米級，體積只有常規(guī)傳感器的幾十分之一乃至百分之一，重量一般在幾十克乃至幾克。

4.8.1微傳感器及其特點（2）集成化和多功能化

利用半導(dǎo)體工藝實現(xiàn)集成化包括：將傳感器與后級電路（如運算放大電路、溫度補償電路等）及微執(zhí)行器等集成在一起，實現(xiàn)一體化；將同類傳感器集成于同一芯片上，構(gòu)成陣列式傳感器；將不同的微傳感器集成在一起而構(gòu)成新的傳感器。結(jié)構(gòu)的集成化勢必帶來功能的多樣化。如將應(yīng)變片和溫度敏感元件以及處理電路集成在同一個硅片上，可同時測量壓力和溫度并實現(xiàn)溫度補償。

（3）高精度和高壽命微傳感器封裝后可擺脫熱膨脹、撓曲和噪聲等因素的不利影響，可在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作。大量智能材料和智能結(jié)構(gòu)的使用大大提高系統(tǒng)的測量精度、抗干擾能力、可靠性及使用壽命。（4）低成本和低功耗批量化生產(chǎn)使得單件傳感器的制造成本顯著降低。在完成相同的工作時，微機械所消耗的能量僅為傳統(tǒng)機械的十幾分之一或幾十分之一，功耗可達毫瓦級乃至更低的水平。

4.8.2微傳感器和傳統(tǒng)傳感器的區(qū)別

1.設(shè)計和加工方法不同傳統(tǒng)傳感器—先提出設(shè)計方案和裝配圖，再逐步分解，設(shè)計并加工每個零件，最后將制作好的各個零件組裝調(diào)試，完成整機裝配。微傳感器—由于尺寸微小，零部件加工和裝配都很困難，傳統(tǒng)的設(shè)計、加工和裝配方法會使得批量生產(chǎn)變得十分困難，導(dǎo)致成本大幅度提高，難以實現(xiàn)商品化。某些情況對傳統(tǒng)傳感器來說很簡單，而對于微傳感器就很困難，如引線設(shè)計和制作（傳感器需要布設(shè)電流線和信號線，而常規(guī)的最細引線也可能與微傳感器的尺寸相似）。2.控制方法和工作方式不同傳統(tǒng)傳感器—手動操作和人工分析（器件的電源啟動、數(shù)據(jù)的顯示控制和分析提取等）。微傳感器—通過遙感或自動模式工作，而且一般不與外部環(huán)境直接耦合，以電、磁、光、聲等信號作為輸出。3.應(yīng)用環(huán)境不同傳統(tǒng)傳感器—尺寸較大，對環(huán)境溫度、濕度、灰塵等的變化較不敏感。微傳感器—工作空間極小，且易受到環(huán)境影響（10μm的灰塵就可能阻擋微光學(xué)傳感器的光源，從而影響傳感器的正常使用）。4.力學(xué)性能和物理特性不同微傳感器的微小尺度會使其表現(xiàn)出與宏觀傳感器迥異的現(xiàn)象。尺寸微小化對材料的力學(xué)性能（強度、剛度、彈性等）會產(chǎn)生很大影響（美國伯克利大學(xué)20um的多晶硅螺旋彈簧，彈性超過普通硅片，甚至優(yōu)于金屬彈簧）。尺寸微小化所引起的力尺度效應(yīng)也會使系統(tǒng)的物理特性發(fā)生變化。當(dāng)物體的尺寸縮小到1/10時，物體所受與表面積相關(guān)的力（如粘性阻力）將減小到原來的1/100，與體積相關(guān)的重力或慣性力將減小到1/1000，從而與表面積相關(guān)的力變得更為突出，表面效應(yīng)十分明顯。4.8.3典型的微傳感器1.力微傳感器（1）應(yīng)變式力微傳感器

在硅基體梁上集成了應(yīng)變片（壓阻式應(yīng)變片或諧振式應(yīng)變片）。硅基梁在外力作用下產(chǎn)生變形，進而形成應(yīng)變片上的應(yīng)變。（2）壓電式力微傳感器

壓電晶片1的尺寸為Φ8mm×1mm；上蓋2為傳力元件，其變形壁厚0.1～0.5mm1—壓電晶片；2—上蓋；3—基座；4—電極；5—絕緣套2.壓力微傳感器（1）壓阻式壓力微傳感器將硅片腐蝕成10～25μm厚的膜片，膜片的一側(cè)制出電阻（擴散工藝或淀積工藝）。當(dāng)膜片兩側(cè)有壓力差時發(fā)生變形，電阻變化（用微電路測出，以感知壓力的變化）。1—硅環(huán)；2—硅膜片；3—擴散電阻；4—內(nèi)部引線；5—引出線端；6—壓力接管（2）電容式壓力微傳感器核心部件為對壓力敏感的電容器（固定極板于玻璃上，活動極板于硅膜片上，硅片和玻璃鍵合在一起）。壓力P變化引起硅膜片變形→電容器的電極間距改變→電容值變化。1—玻璃；2—固定極板；3—活動極板；4—硅3.加速度微傳感器有壓阻式、電容式和諧振式等。壓阻式將加速度產(chǎn)生的作用加在質(zhì)量塊上，再由壓敏電阻來測量質(zhì)量塊的移動。彈性硅梁一般采用懸臂梁，壓敏電阻在梁的固定端附近，質(zhì)量塊在梁的自由端。1—壓敏電阻；2—硅梁；3—質(zhì)量塊由硅片（包括敏感質(zhì)量塊和懸臂梁）和玻璃鍵合而成，形成質(zhì)量塊的封閉腔，保護質(zhì)量塊并限制沖擊和減震。懸臂梁上擴散集成4個壓敏電阻。質(zhì)量塊在被測加速度作用下運動→懸臂梁彎曲→壓敏電阻的阻值變化→測得加速度的大小。整體尺寸2×3×0.6mm，可植入人體內(nèi)測量心臟的加速度。1—導(dǎo)電環(huán)氧；2、4—引線；3—鍵合盤；5—壓敏電阻；6、8—氣隙；7—玻璃蓋板上腐蝕的封閉腔輪廓；9—玻璃；10—質(zhì)量塊；11—硅梁懸臂梁式壓阻式加速度微傳感器第四節(jié)控制方式與控制策略第三節(jié)常用控制計算機第二節(jié)控制計算機的作用及基本要求第一節(jié)計算機控制系統(tǒng)的組成及類型第五章計算機控制技術(shù)5.1計算機控制系統(tǒng)的組成及類型計算機控制系統(tǒng)：利用計算機來實現(xiàn)自動控制，通過對工業(yè)生產(chǎn)過程被控參數(shù)進行實時數(shù)據(jù)采集、實時控制決策和實時控制輸出來完成對生產(chǎn)過程的控制。在控制系統(tǒng)中引入計算機，可以充分發(fā)揮其運算、邏輯判斷和記憶等方面的優(yōu)勢，從而更好地完成各種控制任務(wù)。由硬件和軟件兩大部分組成。

5.1.1計算機控制系統(tǒng)的組成1.硬件組成包括計算機主機及其外圍設(shè)備、以A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換為核心的模擬量I/O通道和數(shù)字量I/O通道、人機聯(lián)系設(shè)備等。（1）主機計算機控制系統(tǒng)的核心部件組成：CPU、時鐘電路和內(nèi)存儲器功能：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、控制量計算、超限報警等，向系統(tǒng)發(fā)出各種控制命令，指揮整個系統(tǒng)有條不紊地協(xié)調(diào)工作。（2）I/O通道計算機主機與被控對象信息交換的橋梁模擬量I/O通道：進行模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換和數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換。數(shù)字量I/O通道：將各種繼電器、限位開關(guān)等的狀態(tài)經(jīng)由數(shù)字量輸入接口傳送給計算機，或?qū)⒂嬎銠C發(fā)出的開關(guān)動作邏輯信號通過數(shù)字量輸出接口傳送給生產(chǎn)機械中的電氣開關(guān)。（3）外圍設(shè)備配置目的：擴大計算機主機的功能包括打印機、記錄儀、顯示器（CRT）、軟盤、硬盤及外存儲器等，用來打印、記錄、顯示和存儲各種數(shù)據(jù)。（4）操作臺人—機對話的聯(lián)系紐帶包括各種控制開關(guān)、指示燈、數(shù)字鍵、功能鍵、聲訊器以及顯示器等。通過操作臺，操作人員可向計算機輸入和修改控制參數(shù)，發(fā)出各種操作指令；計算機可向操作人員顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)異常時發(fā)出報警信號。2.軟件組成用于完成操作、監(jiān)控、管理、控制、計算和自我診斷等功能的各種程序的統(tǒng)稱。優(yōu)劣與否關(guān)系到硬件功能的發(fā)揮以及計算機控制系統(tǒng)的品質(zhì)。按功能可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。（1）系統(tǒng)軟件用來管理計算機本身的資源和便于用戶使用計算機的軟件。包括操作系統(tǒng)和開發(fā)系統(tǒng)（如匯編語言、高級語言、數(shù)據(jù)庫、通信網(wǎng)絡(luò)軟件）等。一般由計算機制造廠商提供，用戶只需了解并掌握其使用方法，或根據(jù)實際需要進行適當(dāng)?shù)亩伍_發(fā)。（2）應(yīng)用軟件用戶根據(jù)要解決的具體控制問題而編制的控制和管理程序包括數(shù)據(jù)采集和濾波程序、控制程序（應(yīng)用軟件的核心）、人—機接口程序、打印顯示程序等。5.1.2計算機控制系統(tǒng)的類型1.按控制裝置分類

基于單片機控制系統(tǒng)

基于PC機控制系統(tǒng)基于PLC控制系統(tǒng)普通PC系統(tǒng)工業(yè)PC系統(tǒng)中小型PLC大型PLC系統(tǒng)組成自行開發(fā)（非標(biāo)準(zhǔn)化）按要求配置各種功能接口板卡整機已系統(tǒng)化，外部需另行配置按使用要求選擇主機和擴展單元系統(tǒng)功能簡單的處理功能和控制功能數(shù)據(jù)處理功能強，可組成從簡單到復(fù)雜的各類控制系統(tǒng)本身已具備完整的控制功能，軟件豐富，執(zhí)行速度快以邏輯控制為主，也可組成模擬量控制系統(tǒng)可組成大型、復(fù)雜的的多點控制系統(tǒng)

比較項目

系統(tǒng)類型

基于單片機控制系統(tǒng)

基于PC機控制系統(tǒng)基于PLC控制系統(tǒng)普通PC系統(tǒng)工業(yè)PC系統(tǒng)中小型PLC大型PLC通信功能根據(jù)需要通過外圍芯片自行擴展多種通信接口，如串行口、并行口、USB口等產(chǎn)品提供串行口一般具備串行口，可選用通信模塊來擴展硬件開發(fā)工作量多稍少少很少很少

比較項目

系統(tǒng)類型

基于單片機控制系統(tǒng)

基于PC機控制系統(tǒng)基于PLC控制系統(tǒng)普通PC系統(tǒng)工業(yè)PC系統(tǒng)中小型PLC大型PLC程序語言匯編語言為主，也可使用高級語言匯編語言和高級語言均可高級語言為主梯形圖為主支持多種高級語言軟件開發(fā)工作量很多多較多很少較多

比較項目

系統(tǒng)類型

基于單片機控制系統(tǒng)

基于PC機控制系統(tǒng)基于PLC控制系統(tǒng)普通PC系統(tǒng)工業(yè)PC系統(tǒng)中小型PLC大型PLC程序語言匯編語言為主，也可使用高級語言匯編語言和高級語言均可高級語言為主梯形圖為主支持多種高級語言軟件開發(fā)工作量很多多較多很少較多

比較項目

系統(tǒng)類型

基于單片機控制系統(tǒng)

基于PC機控制系統(tǒng)基于PLC控制系統(tǒng)普通PC系統(tǒng)工業(yè)PC系統(tǒng)中小型PLC大型PLC人機界面較差好很好一般（可選配觸摸屏）好（利用組態(tài)軟件）執(zhí)行速度快很快很快一般很快輸出帶負(fù)載能力差較差較強強強

比較項目

系統(tǒng)類型

基于單片機控制系統(tǒng)

基于PC機控制系統(tǒng)基于PLC控制系統(tǒng)普通PC系統(tǒng)工業(yè)PC系統(tǒng)中小型PLC大型PLC抗干擾能力及可靠性較差一般好很好很好環(huán)境適應(yīng)性較差差一般很好很好

比較項目

系統(tǒng)類型

基于單片機控制系統(tǒng)

基于PC機控制系統(tǒng)基于PLC控制系統(tǒng)普通PC系統(tǒng)工業(yè)PC系統(tǒng)中小型PLC大型PLC應(yīng)用場合智能儀表，簡單控制實驗室環(huán)境的信號采集及控制較大規(guī)模的工業(yè)現(xiàn)場控制一般規(guī)模的工業(yè)現(xiàn)場控制大規(guī)模的工業(yè)現(xiàn)場控制，可組成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)開發(fā)周期較長一般一般短短成本低較高高中很高

比較項目

系統(tǒng)類型

2.按計算機在控制中的應(yīng)用方式分類（1）操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)

又稱數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（DataProcessingSystem，DPS）。計算機只起數(shù)據(jù)采集和處理的作用，不直接參與生產(chǎn)過程的控制。計算機對檢測傳感裝置測得的生產(chǎn)對象的狀態(tài)參數(shù)進行采集，并根據(jù)一定的控制算法計算出最優(yōu)操作方案和最佳設(shè)定值，供操作人員參考和選擇。操作人員根據(jù)計算機的輸出信息（如CRT顯示圖形或數(shù)據(jù)、打印機輸出、報警等），去改變調(diào)節(jié)器的設(shè)定值或者直接操作執(zhí)行機構(gòu)。

特點：組成簡單、控制靈活安全，尤為適合控制規(guī)律尚不明晰的系統(tǒng)。常用于計算機控制系統(tǒng)的初期研發(fā)階段，或者是新的控制算法或控制程序的試驗和調(diào)試階段。

（2）直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DirectDigitalControl，DDC）

計算機的運算和處理結(jié)果直接輸出并作用于生產(chǎn)過程。計算機在工業(yè)生產(chǎn)中最普遍的一種應(yīng)用形式，目前在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用。

（3）監(jiān)督計算機控制（SupervisoryComputerControl，SCC）計算機根據(jù)生產(chǎn)工藝參數(shù)和過程參量檢測值，按照預(yù)定的控制算法計算出最優(yōu)設(shè)定值，直接傳送給常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器或DDC系統(tǒng)，最后由模擬調(diào)節(jié)器或DDC計算機控制生產(chǎn)過程。計算機的輸出值不用于直接控制執(zhí)行機構(gòu)，而是作為下一級的設(shè)定值，它并不參與到頻繁的輸出控制，而是著重于控制規(guī)律的修正與實現(xiàn)。

特點：可進行復(fù)雜的控制（如最優(yōu)控制和自適應(yīng)控制等），并能完成某些管理工作。采用兩級控制形式，當(dāng)上一級出現(xiàn)故障時，下一級仍可獨立執(zhí)行控制任務(wù)，故工作可靠性高。

（4）分布式控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS）

采取分散控制、集中操作、分級管理和分而自治原則。綜合了計算機技術(shù)、控制技術(shù)和通信技術(shù)，采用多層分級的結(jié)構(gòu)形式：每級使用一臺或數(shù)臺計算機，各級之間通過通信總線進行連接。系統(tǒng)中的多臺計算機用于實現(xiàn)不同的控制和管理功能。特點：安全可靠，通用靈活，并具有最優(yōu)控制性能和綜合管理能力。

四級分布式控制系統(tǒng)

過程控制級：位于DCS的最底層，對現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備進行直接數(shù)字控制；控制管理級（車間管理級）：負(fù)責(zé)全車間各個設(shè)備之間的協(xié)調(diào)管理生產(chǎn)管理級即（工廠管理級）：負(fù)責(zé)全廠各車間的生產(chǎn)協(xié)調(diào)，包括生產(chǎn)計劃安排、備品備件管理等經(jīng)營管理級（企業(yè)管理級）：負(fù)責(zé)整個企業(yè)的總體協(xié)調(diào)，安排總的生產(chǎn)計劃，進行企業(yè)的經(jīng)營決策等。5.2

控制計算機的作用及基本要求5.2.1控制計算機在機電一體化系統(tǒng)中的作用

對工業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行直接控制，包括順序控制、數(shù)字程序控制和直接數(shù)字控制。對工業(yè)生產(chǎn)過程實施監(jiān)督和控制。自動檢測、顯示和分析處理工業(yè)生產(chǎn)過程參數(shù)。對車間級或廠級自動生產(chǎn)線的生產(chǎn)過程進行協(xié)調(diào)、調(diào)度和管理，如生產(chǎn)計劃制定和管理、人機交互管理、故障診斷和系統(tǒng)重構(gòu)等。直接滲透到產(chǎn)品中形成具有一定智能的機電一體化新產(chǎn)品，如機器人、智能儀表等。具有完善的I/O通道—必須具有豐富的模擬量I/O通道和數(shù)字量或開關(guān)量I/O通道具有實時控制功能—應(yīng)配有完善的中斷系統(tǒng)、實時時鐘及高速數(shù)據(jù)通道具有高可靠性—應(yīng)故障率低、平均故障修復(fù)時間（MTTR）短、運行效率高具有很強的抗干擾能力和環(huán)境適應(yīng)性—具有極高的電磁兼容性，耐高溫、高濕、振動沖擊、灰塵等惡劣工作環(huán)境具有豐富的軟件5.2.2

機電一體化系統(tǒng)對控制計算機的基本要求5.3常用控制計算機5.3.1單片機

1.單片機及其特點將CPU、ROM、RAM以及I/O接口等計算機的主要部件集成在一塊集成電路芯片(LSI)上，就構(gòu)成了芯片級的微型計算機。具有一般微型計算機的基本功能。絕大多數(shù)集成有定時器/計數(shù)器，部分還集成有A/D、D/A轉(zhuǎn)換器和PWM等功能部件。特點集成度高、控制功能強、通用性好、運行速度高、體積小、重量輕、能耗低、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用靈活，可以在不顯著增加機電一體化產(chǎn)品的體積、能耗及成本的情況下，大大提高其性能，豐富其功能。常用于數(shù)顯儀表、智能化儀表、工業(yè)過程控制、機器人、簡易數(shù)控機床、家用電器、辦公自動化、通信與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。2.典型單片機產(chǎn)品Intel公司MCS-48（8位）、MCS-51（8位）和MCS-96（16位）系列、PHILIPS公司80C51系列、ATMEL公司AT89系列等。系列片內(nèi)存儲器片外存儲器尋址范圍ROMRAMEPROMRAM掩膜ROMEPROM51子系列8031//128B64kB64kB80514kB/128B8751/4kB128B52子系列8032//256B80528kB/256B8752/8kB256BMCS-51系列單片機若按存儲器配置形式可分為:（1）無ROM型（8031，8032）：片內(nèi)無程序存儲器，需外接EPROM來存放程序。使用靈活，早期應(yīng)用廣泛。（2）ROM型（8051，8052）：片內(nèi)程序存儲器為ROM，生產(chǎn)時由廠家將程序?qū)懭隦OM，用戶無法對程序進行修改，可在產(chǎn)品定型后大量生產(chǎn)時選用。（3）EPROM型（8751，8752）：片內(nèi)程序存儲器為EPROM。利用高壓脈沖寫入程序，也可通過紫外線照射擦除程序，用戶可自行多次改寫，常在實驗和科研中選用。MCS-51單片機引腳圖

5.3.2可編程控制器（PLC）早期的PLC是為了替代傳統(tǒng)的繼電器邏輯順序控制而設(shè)計，英文名ProgrammableLogicController，譯為“可編程邏輯控制器”。隨著技術(shù)的不斷進步，PLC的控制功能已遠遠超出邏輯控制的范疇，改其名為ProgrammableController(PC)。為避免與個人計算機（PersonalComputer）混淆，仍沿用PLC簡稱，中文名為“可編程序控制器”。

國際電工委員會（IEC）給出的定義可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、技術(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌湓O(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。

PLC的主要特點高柔性—只需相應(yīng)改變輸入/輸出接口與被控對象之間的連線，主要通過程序修改便可形成一個新的控制系統(tǒng)高度可靠性—抗干擾能力強，MTBF一般為5~10年功能完善—數(shù)字輸入/輸出、模擬輸入/輸出、邏輯運算、算術(shù)運算、定時控制、計數(shù)控制、順序（步進）控制、PID調(diào)節(jié)、A/D和D/A轉(zhuǎn)換、通信、人-機對話、自診斷等易于編程—編程語言有梯形圖（LAD）、語句表（STL）和順序功能圖（SFC）等采用模塊化結(jié)構(gòu)，擴展方便—各種模板（AI、AO、DI、DO、電源、CPU、通信）可任意組合，以滿足各種工業(yè)控制需要。當(dāng)系統(tǒng)需要擴展（如增加新設(shè)備或新控制點）時，只需接入空閑通道或在預(yù)留槽位上插入模板，進行簡單的連接和組態(tài)即可實現(xiàn)。維護方便—各模板均有狀態(tài)指示，在線監(jiān)控軟件

PLC的工作方式及基本工作過程輸入采樣階段—PLC對各個輸入端進行掃描，并順序讀入所有輸入端的狀態(tài)（ON/OFF）程序執(zhí)行階段—PLC從第一條指令開始，按先左后右、先上后下的順序?qū)γ織l指令進行掃描，直到最后一條指令結(jié)束。PLC根據(jù)輸入狀態(tài)和指令內(nèi)容進行邏輯運算。輸出刷新階段—在所有指令執(zhí)行完畢后，根據(jù)邏輯運算的結(jié)果向各輸出端發(fā)出相應(yīng)的控制信號，以驅(qū)動被控設(shè)備，實現(xiàn)所要求的控制功能。

PLC的工作過程流程圖

PLC的性能指標(biāo)I/O點數(shù)—PLC外部I/O端子數(shù)的總和，即PLC可以接受的輸入信號和輸出的控制信號的總和存儲容量—用戶程序存儲器的容量，決定了PLC所能存放的用戶程序的大小掃描速度—PLC執(zhí)行用戶程序的速度編程指令的功能和數(shù)量內(nèi)部元件的種類和數(shù)量特殊功能模塊的種類和數(shù)量可擴展能力

5.3.3工控機工業(yè)控制計算機（IndustrialPersonalComputer，IPC）的簡稱，是在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用、專為適應(yīng)工業(yè)要求而設(shè)計的計算機，它處理來自傳感裝置的輸入，并把處理結(jié)果輸出到執(zhí)行機構(gòu)去控制生產(chǎn)過程，同時對生產(chǎn)過程實施監(jiān)督和管理。適用于需進行大量數(shù)據(jù)處理、可靠性要求高的大型工業(yè)測控系統(tǒng)。

1.工控機的特點（1）可靠性高能在粉塵、煙霧、高溫、潮濕、振動、腐蝕的環(huán)境下可靠工作，MTTF（平均失效前時間）可達10萬h以上，而普通PC機僅為10000~15000h。（2）實時性好可對工業(yè)生產(chǎn)過程進行實時在線檢測與控制，對工況變化能夠做出快速響應(yīng)，并及時進行信息采集和輸出調(diào)節(jié)。（3）具有自復(fù)位功能具有“看門狗”功能，能在系統(tǒng)因故障死機時，無需人工干預(yù)而自動復(fù)位，保證系統(tǒng)正常運行。普通PC機不具備。

（4）擴充性好用多插槽無源底板結(jié)構(gòu)，可插入CPU板及I/O板等各種功能模板，并且最多可擴充幾十塊板卡，因此系統(tǒng)擴充性好，具有很強的輸入/輸出功能，能與工業(yè)現(xiàn)場的各種外設(shè)相連，以完成各種任務(wù)。（5）開放性和兼容性好能同時利用ISA和PCI等資源，支持各種操作系統(tǒng)、多種編程語言、多任務(wù)操作系統(tǒng)，能吸收商用PC機的全部功能，可充分利用PC機的各種硬軟件資源。（6）缺點：配置硬盤容量小；數(shù)據(jù)安全性低；存儲選擇性??；價格較高等。

（1）全鋼機箱符合EIA標(biāo)準(zhǔn)，增強了抗電磁干擾能力；機箱密封并加正壓送風(fēng)散熱，具有較高的防磁、防塵、抗沖擊的能力，能很好地解決工業(yè)現(xiàn)場存在的電磁干擾、灰塵、振動、散熱等問題。19英寸上架標(biāo)準(zhǔn)，機箱平面尺寸統(tǒng)一，可集中安裝在立式標(biāo)準(zhǔn)控制柜中，占用空間小，便于安裝和管理。2.工控機的主要結(jié)構(gòu)

（2）無源底板無源底板一般以總線結(jié)構(gòu)設(shè)計成多插槽形式，可插接各種板卡（CPU卡、顯示卡、控制卡、I/O卡等）。所有的電子組件均采用模塊化設(shè)計，因此CPU及各功能模塊均通過總線掛接在底板上，并帶有壓桿軟鎖定，以防止因振動引起的接觸不良，從而提高了抗沖擊和抗振動能力。工控機采用無源底板結(jié)構(gòu)而非商用PC機的大板結(jié)構(gòu)，不但可以提高系統(tǒng)的可擴展性，方便系統(tǒng)升級，而且當(dāng)故障發(fā)生時，查錯過程簡化，板卡更換方便，快速修復(fù)時間短，使得整個系統(tǒng)更加有效。2.工控機的主要結(jié)構(gòu)

（3）工業(yè)電源工控機配有高度可靠的工業(yè)電源，可抗沖擊和干擾，平均無故障運行時間達到250000h。（4）主板主板由CPU、存儲器及I/O接口等組成，芯片采用工業(yè)級芯片，且采用一體化主板，易于更換和升級。裝有“看門狗”計時器，能在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時迅速報警，并在無人干預(yù)的情況下使系統(tǒng)自動恢復(fù)運行。2.工控機的主要結(jié)構(gòu)

（1）PC/XT總線3.工控機常用總線

（2）ISA總線3.工控機常用總線

（3）EISA總線ISA總線的擴展，與ISA總線完全兼容全32位總線結(jié)構(gòu)，可以處理比ISA總線更多的引腳。插槽為雙層設(shè)計，上層與ISA卡相連，下層則與EISA卡相連。保持了與ISA總線兼容的8MHz工作頻率，但由于支持突發(fā)式數(shù)據(jù)傳送方法，可以以三倍于ISA總線的速度傳輸數(shù)據(jù)。3.工控機常用總線

（4）PCI總線3.工控機常用總線

（5）STD總線3.工控機常用總線5.4控制方式與控制策略控制系統(tǒng)的基本控制方式：1.開環(huán)控制

單方向控制，不對輸出信號的具體結(jié)果進行檢測。即系統(tǒng)輸出并不會被反饋回輸入端（不存在反饋環(huán)節(jié)），對系統(tǒng)的控制不會產(chǎn)生影響。在外界干擾的影響下，被控量可能偏離設(shè)定值，且系統(tǒng)無法補償和修正其偏差。5.4.1開環(huán)控制與閉環(huán)控制

開環(huán)控制的特點：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，維護方便，穩(wěn)定性好。在輸入和輸出之間關(guān)系固定，且內(nèi)部參數(shù)或外部負(fù)載擾動影響不大或者擾動因素可以預(yù)先確定并能進行補償?shù)那闆r下，應(yīng)盡量選用?？垢蓴_能力差，控制精度低。

2.閉環(huán)控制

系統(tǒng)中引入了比較環(huán)節(jié)和反饋環(huán)節(jié)，形成閉合回路。不但輸入信號可以對輸出信號進行控制，而且輸出信號也會對輸入信號產(chǎn)生影響（系統(tǒng)輸出通過反饋環(huán)節(jié)作用于控制部分）。

閉環(huán)控制的特點：存在反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)可以獲知擾動因素產(chǎn)生的偏差大小，并對此進行自動補償和修正，閉環(huán)內(nèi)一切通道上的擾動都能得到有效抑制，控制精度高。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造成系統(tǒng)成本提高。偏差修正過程需要一定時間才能將被控量補償過來，可能引起超調(diào)，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，甚至造成不穩(wěn)定。

5.4.2常用控制策略PID（ProportionIntegrationDifferentiation）控制是比例-積分-微分控制的簡稱。技術(shù)成熟、適應(yīng)性強、調(diào)整方便，在機電一體化系統(tǒng)中廣泛地應(yīng)用。PID控制器結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，工作可靠。由于機電一體化系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，控制對象的精確數(shù)學(xué)模型難以建立，故通常采用PID控制，依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試對控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行整定，往往能夠獲得滿意的控制效果。1.PID（1）模擬PID控制算法模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖PID控制作用有三種基本形式，即比例控制、積分控制和微分控制。每種作用可以單獨使用，也可結(jié)合使用。

1）比例控制（P）控制器的輸出u(t)與輸入e(t)成比例。式中，u(t)—控制器輸出；

e(t)—偏差信號；

KP—比例增益（比例系數(shù)）

調(diào)節(jié)及時只要偏差一出現(xiàn)，就能及時地產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用調(diào)節(jié)作用的大小主要取決于KP的大小KP越大，調(diào)節(jié)作用越強，系統(tǒng)動作越靈敏，響應(yīng)速度越快。但KP過大，會使控制器輸出信號u(t)很大，被控量快速上升，可能產(chǎn)生較大的超調(diào)，甚至引起振蕩，導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。無法消除穩(wěn)態(tài)誤差對于干擾和慣性都較大的系統(tǒng)，不宜采用單純的比例控制比例控制的特點

2）積分控制（I）控制器的輸出u(t)與輸入e(t)的積分成比例。式中，u(t)—控制器輸出；

e(t)—偏差信號；

TI—積分時間常數(shù)

能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差只要有偏差存在，輸出就會隨時間不斷增大，直到偏差消除才會停止作用，u(t)才不再變化。積分作用的強弱取決于TITI越小，積分速度越快，積分作用越強，但積分作用太強會導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)量加大，甚至出現(xiàn)振蕩。響應(yīng)較緩慢不像比例控制那樣，只要偏差一出現(xiàn)就立即響應(yīng)；偏差剛出現(xiàn)時調(diào)節(jié)作用很弱，不能及時克服擾動的影響，調(diào)節(jié)時間長，很少單獨使用（必須與P控制同時使用）。積分控制的特點

3）比例-積分控制（PI）特點：調(diào)節(jié)初期比例控制起主導(dǎo)作用，調(diào)節(jié)后期積分控制起主導(dǎo)作用?？朔吮壤刂拼嬖诜€(wěn)態(tài)誤差及積分控制響應(yīng)滯后的弱點，系的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性均得到改善，故應(yīng)用比較廣泛。

4）微分控制（D）控制器的輸出u(t)與輸入e(t)的微分成比例。式中，u(t)—控制器輸出；

e(t)—偏差信號；

TD—微分時間常數(shù)

不能消除穩(wěn)態(tài)誤差u(t)與e(t)的變化速度成比例，與e(t)大小和是否存在e(t)無關(guān)，對于固定不變的偏差，即使其數(shù)值很大，也不起作用。具有超前調(diào)節(jié)作用，對大滯后的對象具有很好的控制效果。TD越大，微分作用越強。一般不單獨使用僅在偏差剛剛出現(xiàn)的時刻產(chǎn)生一個較大的調(diào)節(jié)作用。可減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性得到提高，并加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)節(jié)時間，改善系統(tǒng)動態(tài)性能。微分控制的特點

5）比例-微分控制（PD）特點：因具有微分控制，初始輸出信號能夠快速變化；具有比例控制，故控制輸出信號會逐漸發(fā)生變化。，適于處理快速變化的過程。

6）比例-積分-微分控制（PID）特點：調(diào)節(jié)初期微分控制和比例控制起作用（微分控制抑制偏差的變化幅度和變化速度，比例控制快速消除偏差）。調(diào)節(jié)后期積分控制起作用，逐漸消除穩(wěn)態(tài)誤差。無論從穩(wěn)態(tài)還是動態(tài)的角度，調(diào)節(jié)品質(zhì)均得到改善，應(yīng)用最廣泛。要求響應(yīng)快或噪聲較大的系統(tǒng)不宜使用（包含微分作用）。（2）數(shù)字PID控制算法模擬PID控制算法位置型數(shù)字PID控制算法增量型數(shù)字PID控制算法2.智能控制（1）模糊控制模糊控制器的結(jié)構(gòu)形式：2.智能控制（1）模糊控制模糊控制器的結(jié)構(gòu)形式：（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：反饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：第四節(jié)控制輸出接口第三節(jié)信息采集接口第二節(jié)人機接口第一節(jié)接口的作用及分類第六章系統(tǒng)總體技術(shù)6.1接口的作用及分類6.1.1接口及其功能接口(interface)的定義—將機電一體化系統(tǒng)各構(gòu)成要素聯(lián)接起來，并使所聯(lián)接的要素之間順利地進行物質(zhì)、能量、信息的傳遞和交換，從而形成機電一體化系統(tǒng)工程的聯(lián)接部件。

包括各組成要素之間相互聯(lián)接的硬件及相關(guān)協(xié)議軟件

接口的功能1）變換調(diào)整用于具有不同信號模式的環(huán)節(jié)之間信號、能量的統(tǒng)一及兩個信號強度相差懸殊的環(huán)節(jié)之間的能量匹配。2）輸入/輸出用于變換和放大后的信號在各環(huán)節(jié)間可靠、快速、準(zhǔn)確地交換。

1.根據(jù)接口的功能分類1）按變換和調(diào)整功能分（1）零接口：不進行任何變換調(diào)整，僅起連接作用。如傳動軸、導(dǎo)線、電纜、連軸器。（2）無源接口：只用無源要素進行變換調(diào)整。如齒輪減速器、進給絲杠。（3）有源接口：含有有源要素，并能與無源要素進行主動的匹配。如運算放大器、光電耦和器、D/A、A/D轉(zhuǎn)換器。（4）智能接口：含有微處理器，可進行程序編制或隨適應(yīng)條件而變化的接口。如自動變速裝置、8255A、8251A6.1.2接口的分類2）按輸入/輸出功能分（1）機械接口：完成機械與機械、機械與電氣裝置的連接。如連軸器、管接口、法蘭、接線柱、插頭、插座。（2）電氣接口（物理接口）：實現(xiàn)系統(tǒng)間電信號連接。也稱接口電路。（3）信息接口（軟件接口）：如匯編語言、高級編程語言、ASC碼、RS-232C、RS-422和RS-485等。（4）環(huán)境接口：對周圍環(huán)境條件有保護和隔離作用。如：防水聯(lián)軸器、防爆開關(guān)。2.根據(jù)接口所聯(lián)系的子系統(tǒng)不同分類（1）人機接口提供人與系統(tǒng)間的交互界面，實現(xiàn)人與機電一體化系統(tǒng)的信息交流和反饋，保證對機電一體化系統(tǒng)的實時監(jiān)測與有效控制。包括：1）輸入接口—通過輸入接口，操作者向系統(tǒng)輸入各種命令及控制參數(shù)，對系統(tǒng)運行進行控制2）輸出接口—通過輸出接口，操作者對系統(tǒng)的運行狀態(tài)以及各種參數(shù)進行監(jiān)測。（2）機電接口起調(diào)整、匹配和緩沖的作用，體現(xiàn)為：電平轉(zhuǎn)換和功率放大；抗干擾隔離；A/D和D/A轉(zhuǎn)換

接口必須滿足以下條件:①邏輯上：接口的硬件與軟件應(yīng)協(xié)調(diào)；②機械上：輸入/輸出結(jié)合部分的幾何形狀、尺寸、配合應(yīng)一致；③電氣上：電源、電壓等級和頻率應(yīng)一致，阻抗匹配恰當(dāng)；④環(huán)境上：適應(yīng)周圍環(huán)境，對環(huán)境溫度、濕度、磁場、振動、塵埃等有防護能力。6.2人機接口6.2.1人機接口的類型和特點人機接口定義—操作者與機電一體化系統(tǒng)（主要是控制計算機）之間建立聯(lián)系、實現(xiàn)信息交換的輸入/輸出設(shè)備的接口。

常用輸入設(shè)備：控制開關(guān)、BCD二-十進制碼撥盤、鍵盤常