第3章機(jī)械工程中的常用自動(dòng)控制系統(tǒng)

3.1控制器概述

什么是控制器？控制器是指能夠接受控制指令及反饋信息，對(duì)它們進(jìn)行比較，并根據(jù)某種控制算法，產(chǎn)生一定的控制信號(hào)，使控制對(duì)象達(dá)到控制目標(biāo)的裝置。

控制器如何分類(lèi)？按發(fā)展階段分：機(jī)械式、由電子元器件組成的、通用型按控制算法分：經(jīng)典、現(xiàn)代、智能按處理信號(hào)分：模擬、數(shù)字按開(kāi)放性分：封閉式、開(kāi)放式3.2微控制系統(tǒng)

單片微控制器

單片微控制器即單片機(jī)，可以認(rèn)為是將微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所用的大多數(shù)IC芯片，包括CPU、存儲(chǔ)器、中斷控制器、I/O端口等，集成到一個(gè)芯片中，成為一臺(tái)簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)，可以通過(guò)編寫(xiě)程序讓它處理一些簡(jiǎn)單的過(guò)程。是一種在線式實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)。體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)提供了便利條件，得到了廣泛的應(yīng)用。許多廠家都有自己獨(dú)特的單片機(jī)產(chǎn)品。

DSP——數(shù)字信號(hào)處理器

DSP是一種高速專用微處理器，主要可用于實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法DSP內(nèi)部設(shè)置乘法器，且乘法器和運(yùn)算邏輯部件ALU并行操作，再加上流水線控制技術(shù)，運(yùn)算速度極快。DSP系統(tǒng)選用的算法是各種經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的通用算法的組合和改進(jìn)，專門(mén)處理以運(yùn)算為主、不允許延遲的實(shí)時(shí)信號(hào)。與單片機(jī)相比，單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)“控制”，而DSP重視數(shù)字信號(hào)處理，其它通用功能相對(duì)較弱些。同時(shí)結(jié)合使用DSP和單片機(jī)，可使控制器具有快速傳輸大量的數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)字信號(hào)及時(shí)處理的能力。DSP產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，已經(jīng)滲透到工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個(gè)方面。智能控制芯片以模糊控制、人工智能控制、專家控制等智能控制理論為基礎(chǔ)，通過(guò)電子元器件的排列組合，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的硬件電路實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的智能控制算法，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化。清華大學(xué)微電子所：PFLC——可編程模糊邏輯控制器中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所和微電子中心：通用模糊控制器F100神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制芯片

計(jì)算機(jī)具有很強(qiáng)的運(yùn)算與處理信息的能力，可以實(shí)現(xiàn)更為先進(jìn)和復(fù)雜的控制策略，如自適應(yīng)控制、智能控制、非線性控制等。而且將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、總線技術(shù)與現(xiàn)代管理結(jié)合起來(lái)，從而使工業(yè)自動(dòng)化從過(guò)去的就地控制和集中控制等方式向未來(lái)的綜合自動(dòng)化方向發(fā)展。由硬件和軟件兩部分組成。硬件包括：主機(jī)板、系統(tǒng)總線、I/O接口、人機(jī)聯(lián)系設(shè)備、過(guò)程輸入輸出通道等。軟件包括：系統(tǒng)軟件、支持軟件和應(yīng)用軟件。通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)總線式工控機(jī)由電源、機(jī)架、總線母板、中央處理器（CPU）、人機(jī)接口及功能豐富的外部I/O模板組成。為保證系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，具有全鋼結(jié)構(gòu)帶濾網(wǎng)和加固壓條的機(jī)箱結(jié)構(gòu)、基于總線的無(wú)源大母板結(jié)構(gòu)、雙冷風(fēng)扇配置、高可靠性電源裝置等特殊機(jī)構(gòu)。CPU主板是總線式控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心部件，是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心。它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)工作的協(xié)調(diào)，包括數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳輸、邏輯判斷、輸入/輸出控制以及與上位機(jī)或網(wǎng)絡(luò)的通信等工作。某雙CPU結(jié)構(gòu)的全長(zhǎng)CPU卡無(wú)源母板通常也叫主板，是一塊印有系統(tǒng)總線的印刷電路板，板上通常提供許多總線插槽（如PC總線、STD總線、VME總線等），以實(shí)現(xiàn)各功能模板與系統(tǒng)總線的電氣連接。

某無(wú)源母板PICMG插槽與全長(zhǎng)CPU卡除了通用用的總線線式工控控機(jī)外，，盒式工工控機(jī)、、盤(pán)式工工控機(jī)、、工業(yè)級(jí)級(jí)工作站站等適合合不同工工作環(huán)境境的工控控機(jī)也都都被廣泛泛使用。。某盒式工工控機(jī)盤(pán)式工控控機(jī)，也也叫做工工業(yè)平板板電腦工業(yè)控制制軟件可可分為系系統(tǒng)軟件件、支持持軟件、、應(yīng)用軟軟件三個(gè)個(gè)部分。。系統(tǒng)軟件件包括實(shí)實(shí)時(shí)多任任務(wù)操作作系統(tǒng)、、引導(dǎo)程程序、調(diào)調(diào)度執(zhí)行行程序，，目前的的主流系系統(tǒng)軟件件為Windows系列平臺(tái)臺(tái)。支持軟件件包括匯匯編語(yǔ)言言、高級(jí)級(jí)語(yǔ)言、、編譯程程序、編編輯程序序、調(diào)試試程序、、診斷程程序及第第三方軟軟件接口口等。如如高級(jí)編編程語(yǔ)言言MicrosoftVisualBasic、VC++、Delphi，第三方方接口DELTATAU公司的PTALK等。應(yīng)用軟件件是系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計(jì)人人員針對(duì)對(duì)某個(gè)生生產(chǎn)過(guò)程程而編制制的控制制和管理理程序。。包括過(guò)過(guò)程輸入入程序、、過(guò)程控控制程序序、過(guò)程程輸出程程序、人人-機(jī)接口程程序、打打印顯示示程序和和公共子子程序等等。是由自動(dòng)動(dòng)化研究究機(jī)構(gòu)（（ARCGroup）提出，，用于描描述結(jié)合合了PC和PLC功能的新新一代工工業(yè)控制制器。在一種開(kāi)開(kāi)放靈活活的軟件件構(gòu)架下下，PAC將PC的靈活性性及軟件件能力和和PLC的可靠性性及穩(wěn)定定性相結(jié)結(jié)合。使用這些些控制器器開(kāi)發(fā)高高級(jí)應(yīng)用用系統(tǒng)，，不僅包包括高級(jí)級(jí)控制、、通信、、數(shù)據(jù)記記錄和信信號(hào)處理理等軟件件特性，，還包括括一個(gè)穩(wěn)穩(wěn)定的控控制器以以提供邏邏輯、運(yùn)運(yùn)動(dòng)、過(guò)過(guò)程控制制和視覺(jué)覺(jué)等高級(jí)級(jí)功能。。PAC———可編程自自動(dòng)化控控制器研華公司司的開(kāi)放放型、緊緊湊型、、堅(jiān)固型型和靈活活型PAC。相對(duì)于于傳統(tǒng)的的IPC，它們不不僅具備備強(qiáng)大的的運(yùn)算功功能和開(kāi)開(kāi)放、靈靈活的軟軟、硬件件接口，，而且實(shí)實(shí)現(xiàn)了更更高的實(shí)實(shí)時(shí)性，，具備了了更加堅(jiān)堅(jiān)固、安安全的結(jié)結(jié)構(gòu)和開(kāi)開(kāi)放的模模塊化體體系，更更加易于于使用。。多軸協(xié)調(diào)調(diào)運(yùn)動(dòng)控控制中，，需要進(jìn)進(jìn)行大量量、快速速的各種種運(yùn)算，，常采用用PC+DSP運(yùn)動(dòng)控制制器的開(kāi)開(kāi)放式控控制模式式DELTATAU公司遵循循開(kāi)放式式系統(tǒng)體體系結(jié)構(gòu)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)開(kāi)發(fā)的開(kāi)開(kāi)放式可可編程多多軸運(yùn)動(dòng)動(dòng)控制器器PMAC(ProgrammableMulti-AxisController，可編程多多軸控制制器)涉及機(jī)器器人、數(shù)數(shù)控機(jī)床床、坐標(biāo)標(biāo)測(cè)量機(jī)機(jī)、激光光加工、、雕刻機(jī)機(jī)、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)刀、X-Y系統(tǒng)、以以及高速速印刷、、包裝、、貼標(biāo)機(jī)機(jī)等各類(lèi)類(lèi)自動(dòng)化化設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制制器PMAC采用Motorola的DSP56001/56002數(shù)字信號(hào)號(hào)處理器器,每個(gè)卡可可同時(shí)控控制多達(dá)達(dá)32個(gè)伺服軸軸，鏈接接可達(dá)16塊板(128軸)。除支持ISA、PCI、VME、PC/104等標(biāo)準(zhǔn)總總線形式式及串口口兩種用用上位機(jī)機(jī)對(duì)其進(jìn)進(jìn)行控制制的方式式外，還還可以以以脫機(jī)方方式單獨(dú)獨(dú)運(yùn)行存存儲(chǔ)于其其內(nèi)部的的運(yùn)動(dòng)程程序、PLC程序及進(jìn)進(jìn)行伺服服環(huán)更新新等。四種總線線結(jié)構(gòu)的的PMAC，其硬件件結(jié)構(gòu)包包括PMAC-PC，PMAC-Lite，PMAC-VME，PMAC-STD，他們都都有相同同的在板板固件，，因此，，在它們們?nèi)魏我灰豢钪芯幘帉?xiě)的程程序均可可以在其其它款式式中運(yùn)行行。3.2常用控制制器PMAC特點(diǎn)：128××24零等待SRAM、512××8的用戶編編程閃存存；4軸到8軸高精度度同步運(yùn)運(yùn)動(dòng)控制制；模擬量＋＋/－10V輸出，支支持?jǐn)?shù)字字量PWM信號(hào)和步步進(jìn)放大大器輸出出；可選擇PC/104總線、RS-232、以態(tài)網(wǎng)網(wǎng)進(jìn)行通通訊；兩個(gè)擴(kuò)展展的全編編碼器通通路（在在板總計(jì)計(jì)4個(gè)），可可實(shí)現(xiàn)雙雙反饋、、步進(jìn)或或者混合合放大器器控制；；可自動(dòng)對(duì)對(duì)任務(wù)優(yōu)優(yōu)先級(jí)進(jìn)進(jìn)行判別別；3.2常用控制制器PMAC特點(diǎn)(續(xù)上頁(yè))：接受增量量編碼器器、絕對(duì)對(duì)編碼器器、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變壓器器等類(lèi)型型的反饋饋；支持交流流伺服、、直流、、交流異異步、步步進(jìn)等電電機(jī)類(lèi)型型；可編譯和和執(zhí)行PMAC、G代碼、AutoCAD轉(zhuǎn)換等編編程語(yǔ)言言。此外，還還包含多多種差補(bǔ)補(bǔ)算法、、PLC模式、電電子齒輪輪、電子子凸輪、、看門(mén)狗狗等功能能，能夠夠滿足工工業(yè)控制制的各種種需要。。3.2常用控制制器PMAC兩個(gè)重要要的接口口包括JMACH口和JTHW口JMACH部分引腳腳介紹用以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)對(duì)電機(jī)機(jī)反饋信信號(hào)的監(jiān)監(jiān)測(cè)和控控制信號(hào)號(hào)的輸出出引腳符號(hào)功能描述引腳符號(hào)功能描述+5V輸出編碼器電源DAC1/輸出模擬輸出1負(fù)端GND公共端數(shù)字公共端AENA1輸出放大器1使能CHC1輸入編碼器C通道正端FAULT1輸入放大器1錯(cuò)誤CHC1/輸入編碼器C通道負(fù)端+LIM1輸入1通道負(fù)向末端極限CHB1輸入編碼器B通道正端-LIM1輸入1通道正向末端極限CHB1/輸入編碼器B通道負(fù)端HMFL1輸入1通道回零標(biāo)志CHA1輸入編碼器A通道正端AGND輸入模擬公共端CHA1/輸入編碼器A通道負(fù)端A+15V/OPT+V輸入模擬+15V電源DAC1輸出模擬輸出1正端A-15V輸入模擬-15V電源3.2常用控制制器JTHW口為多路路撥碼開(kāi)開(kāi)關(guān)I/O口，含8根輸入和和8根輸出線線。JOPTO口提供8個(gè)通用的的數(shù)字輸輸入和輸輸出。JSI/O口用來(lái)連連接ACC28模/數(shù)轉(zhuǎn)換卡卡，并將將其映射射到相應(yīng)應(yīng)的地址址。Pwin32Pro是PMAC控制程序序的編譯譯環(huán)境，，同時(shí)具具備豐富富的監(jiān)測(cè)測(cè)、控制制等其它它功能。。它用來(lái)配配置、控控制和檢檢測(cè)全部部的DeltaTau生產(chǎn)的運(yùn)運(yùn)動(dòng)控制制器，提提供了終終端通訊訊窗體，，能夠在在工作區(qū)區(qū)里調(diào)用用；區(qū)分運(yùn)動(dòng)動(dòng)程序和和PLC程序語(yǔ)法法的文本本編輯器器，并附附加了一一套配置置PMAC及其附件件的工具具。3.2常用控制制器Pwin32Pro支持WindowsXP、2000、98操作系統(tǒng)統(tǒng)。內(nèi)置PMACPlotPro(描繪運(yùn)動(dòng)動(dòng)軌跡\內(nèi)存寄存存器的狀狀態(tài)變化化)、PMACTuningPro(優(yōu)化伺服服的PID參數(shù))等。支持所有有PMAC通訊方法法，自動(dòng)動(dòng)配置即即插即用用設(shè)備；；增強(qiáng)型文文本編輯輯器，內(nèi)內(nèi)置debugger調(diào)試PLC程序；使用tuning工具可自動(dòng)動(dòng)設(shè)定和調(diào)調(diào)整PID、陷波和擴(kuò)擴(kuò)展伺服算算法；項(xiàng)目分組管管理，可更更好的調(diào)用用運(yùn)動(dòng)程序序和PLC程序；增強(qiáng)的繪圖圖能力，可可以動(dòng)態(tài)和和靜態(tài)的監(jiān)監(jiān)視參數(shù)和和寄存器、、運(yùn)動(dòng)軌跡跡等；可實(shí)時(shí)監(jiān)視視位置、電電機(jī)狀態(tài)，，參數(shù)等；；通過(guò)資源管管理器通過(guò)過(guò)助記的形形式改變PMAC參數(shù)。3.2常用控制器器美國(guó)BALDOR公司、美國(guó)國(guó)GALIL公司、美國(guó)國(guó)D/A公司、德國(guó)國(guó)MOVTEC公司及國(guó)內(nèi)內(nèi)的東方嘉嘉志公司、、森泰公司司及部分院院校都積極極投入到PC-Based運(yùn)動(dòng)控制卡卡的研究當(dāng)當(dāng)中，推出出了多種基基于標(biāo)準(zhǔn)PC及IPC總線環(huán)境多多軸伺服運(yùn)運(yùn)動(dòng)控制卡卡。研華PCI-1240U研華PCI-12413.2常用控制器器PCI-1240U是一款4軸通用PCI步進(jìn)/脈沖型伺服服電機(jī)控制制卡，專門(mén)門(mén)應(yīng)用于一一般的精確確運(yùn)動(dòng)。該卡使用了了智能NOVAMCX314運(yùn)動(dòng)ASIC芯片；提供了各種種運(yùn)動(dòng)控制制功能，如如2/3軸線性插補(bǔ)補(bǔ)、2軸圓弧插補(bǔ)補(bǔ)、連續(xù)插插補(bǔ)、T/S曲線加速/減速、手輪輪和慢進(jìn)，，A/B相位或加/減、固定速速度控制2種編碼器脈脈沖輸入類(lèi)類(lèi)型，位置置管理和軟軟件行程開(kāi)開(kāi)關(guān)功能，，BoardID開(kāi)關(guān)等。提供了WindowsDLL驅(qū)動(dòng)程序和和豐富直觀觀的例子。。提供了運(yùn)動(dòng)動(dòng)工具程序序，方便進(jìn)進(jìn)行配置和和診斷。3.2常用控制器器PCI-1241采用ASIC芯片，通過(guò)過(guò)使用DDA（數(shù)字微分分分析器））實(shí)現(xiàn)4軸伺服位置置和同步控控制。閉環(huán)控制通通過(guò)P控制實(shí)現(xiàn)，，并使用-10到+10的信號(hào)輸出出到速度型型伺服驅(qū)動(dòng)動(dòng)器；還可可以通過(guò)編編碼器輸入入端口回讀讀電機(jī)編碼碼器值，以以允許進(jìn)行行步進(jìn)控制制。為每個(gè)軸的的控制提供供一套完整整的傳感器器輸入點(diǎn)，，包括原位位點(diǎn)、正/負(fù)限位點(diǎn)。。含有禁止信信號(hào)輸出點(diǎn)點(diǎn)，位置就就緒輸出點(diǎn)點(diǎn)和緊急輸輸入點(diǎn)?？蓴U(kuò)展到128點(diǎn)輸入和128點(diǎn)輸出，帶帶有6路A/D轉(zhuǎn)換。256個(gè)遠(yuǎn)程串行行輸入/輸出接口。。3.3傳感器及信信號(hào)采集卡卡傳感器——用來(lái)感知外外界環(huán)境變變化的電子子器件。傳感器具備備人的五官官所沒(méi)有的的更加復(fù)雜雜、靈敏、、精確的感感知功能。。傳感器的工工作是，將將環(huán)境參數(shù)數(shù)，如溫度度、高度、、距離等物物理量轉(zhuǎn)換換為電子元元器件能夠夠接受的電電壓或電流流信號(hào)。采集卡——采集各種電電信號(hào)，并并將其轉(zhuǎn)化化為數(shù)字量量信號(hào)供計(jì)計(jì)算機(jī)等數(shù)數(shù)字控制器器處理。在數(shù)字控制制系統(tǒng)中，，當(dāng)外部信信號(hào)較多時(shí)時(shí)，需使用用采集卡接接受各種電電信號(hào)并將將其轉(zhuǎn)化為為數(shù)字量傳傳送給控制制器。3.3傳感器及信信號(hào)采集卡卡3.3.1接近開(kāi)關(guān)右圖為一種種電感式基基座型接近近傳感器由高頻振蕩蕩電路、檢檢波電路、、放大電路路、整形電電路及輸出出電路組成成。檢測(cè)用敏感感元件為檢檢測(cè)線圈，，它是振蕩蕩電路的一一個(gè)組成部部分，在檢檢測(cè)線圈的的工作面上上存在一個(gè)個(gè)交變磁場(chǎng)場(chǎng)，當(dāng)金屬屬物體接近近檢測(cè)線圈圈時(shí)，金屬屬物體就會(huì)會(huì)產(chǎn)生渦流流而吸收振振蕩能量，，使振蕩減減弱以至停停振。振蕩蕩與停振這這兩種狀態(tài)態(tài)經(jīng)檢測(cè)電電路轉(zhuǎn)換成成開(kāi)關(guān)信號(hào)號(hào)輸出。它通常用作作計(jì)數(shù)、設(shè)設(shè)定運(yùn)動(dòng)物物體的有效效運(yùn)動(dòng)范圍圍、零點(diǎn)等等只存在““1”、“0”兩種狀態(tài)的的情況。例例如3.3傳感器及信信號(hào)采集卡卡3.3.2測(cè)距儀超聲波測(cè)距距儀的原理理：超聲波波發(fā)射器發(fā)發(fā)射超聲波波，通過(guò)被被測(cè)物體的的反射，接接受器接收收回波，從從發(fā)射到接接收的時(shí)差差來(lái)測(cè)量被被測(cè)距離。。是一種非非接觸式測(cè)測(cè)量。除超聲波外外，激光、、紅外線等等也都被用用于非接觸觸性的對(duì)距距離進(jìn)行檢檢測(cè)。激光的聚合合性及傳播播距離最好好，常用于于精確的、、長(zhǎng)距離的的檢測(cè)。超聲波探頭頭激激光測(cè)距儀儀3.3傳感器及信信號(hào)采集卡卡3.3.3圖像傳感器器圖像傳感器器是利用光光電器件的的光-電轉(zhuǎn)換功能能，將其感感光面上的的光像轉(zhuǎn)換換成為與光光像成相應(yīng)應(yīng)比例關(guān)系系的電信號(hào)號(hào)“圖像””的一種功功能器件。。敏感器件有有CCD、BBD、CID、CMOS等。CMOS圖像傳感器器非常省電電，只有普普通CCD的1/3左右。但容容易出現(xiàn)雜雜點(diǎn)，且在在處理快速速變化的影影像時(shí)容易易過(guò)熱等。。CCD信號(hào)電荷耦耦合器件以以電荷為信信號(hào)，其主主要工作過(guò)過(guò)程為信號(hào)號(hào)電荷的產(chǎn)產(chǎn)生、存儲(chǔ)儲(chǔ)、傳輸和和輸出。它它的析像度度高、處理理速度快，，并且結(jié)構(gòu)構(gòu)簡(jiǎn)單、使使用方便，，被廣泛使使用。3.3傳感器及信信號(hào)采集卡卡右圖為一款款彩色/黑白CCD攝像傳感器器，采用33萬(wàn)像素的高精度度CCD彩色圖像傳感器芯片片。外界景物通通過(guò)鏡頭照照射到CCD彩色圖像傳傳感器上，，CCD彩色圖像傳傳感器在掃掃描電路的的控制下，，可將變化化的外界景景物以25幅/秒的速度轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為串行行模擬脈沖沖信號(hào)輸出出。該串行行模擬脈沖沖信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換換為數(shù)字信信號(hào)，由于于信號(hào)量很很大，所以以還要進(jìn)行行信號(hào)數(shù)據(jù)據(jù)壓縮?？煽蓪?duì)壓縮后后的信號(hào)數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)進(jìn)一步的處處理，用于于實(shí)時(shí)控制制的環(huán)境反反饋信息。。3.3傳感器及信信號(hào)采集卡卡3.3.4位移傳感器器位移傳感器器通?？煞址譃榫€位移移傳感器和和角位移傳傳感器，且且包含電阻阻式、電容容式、電感感式、光柵柵式、編碼碼式、霍爾爾效應(yīng)式、、激光式等等多種傳感感類(lèi)型。常用的位移移傳感器有有：用于測(cè)測(cè)量角位移移的旋轉(zhuǎn)編編碼器，和和測(cè)量線位位移的光柵柵尺。各種旋轉(zhuǎn)編編碼器3.3傳感器及信信號(hào)采集卡卡編碼盤(pán)式角角位移傳感感器分絕對(duì)對(duì)式和脈沖沖式兩種。。前者在計(jì)計(jì)數(shù)器中對(duì)對(duì)某個(gè)基數(shù)數(shù)進(jìn)行加或或減，從而而記錄旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的角位移移量。后者者不需要基基數(shù)，它能能在任意位位置給出一一個(gè)該位置置相應(yīng)的固固定數(shù)字碼碼。脈沖式編碼碼器又稱增增量式編碼碼器，由檢檢測(cè)頭、脈脈沖編碼盤(pán)盤(pán)以及發(fā)光光二極管的的驅(qū)動(dòng)電路路和光敏三三極管的光光電檢測(cè)電電路組成。。右圖所示增增量式編碼碼器的檢測(cè)頭為遮遮斷型(透射型)，其脈沖編碼碼盤(pán)置于發(fā)發(fā)光元件與受光光元件之間間。3.3傳感器及信信號(hào)采集卡卡遮斷型增量量式編碼器器，其脈沖碼盤(pán)安安裝在編碼碼器的轉(zhuǎn)軸軸上，并置置于發(fā)光元元件和受光光元件之間間。轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)時(shí)，受光元元件檢測(cè)出出刻有齒槽槽的編碼盤(pán)盤(pán)的角位移移，得到兩兩組相位相相差90°的脈沖信號(hào)號(hào)?？衫靡唤M組脈沖檢測(cè)測(cè)速度，正正、負(fù)兩路路計(jì)數(shù)脈沖沖辨向?？梢酝ㄟ^(guò)外外路倍頻，，得到二倍倍頻或四倍倍頻信號(hào)。。這種非接觸觸式編碼器器，壽命長(zhǎng)長(zhǎng)、功耗低低、耐振動(dòng)動(dòng)，被廣泛泛應(yīng)用于角角度、距離離、位置、、轉(zhuǎn)速等的的檢測(cè)與控控制。3.3傳感器及信信號(hào)采集卡卡主光柵上均均勻刻有許許多線紋，，形成明暗暗交錯(cuò)的線線條。與指指示光柵平平行安裝，，并使它們們的刻線互互相傾斜一一個(gè)很小的的角度，在在指示光柵柵上出現(xiàn)一一些明暗條條紋。當(dāng)主主光柵沿刻刻線垂直方方向移動(dòng)時(shí)時(shí)，這些條條紋就沿兩兩塊光柵刻刻線夾角的的平分線方方向移動(dòng)。。若用計(jì)數(shù)數(shù)器記錄下下指示光柵柵上移動(dòng)過(guò)過(guò)的條紋數(shù)數(shù)，即可知知主光柵移移動(dòng)的距離離。除以上介紹紹的幾種常常用傳感器器外，還有有多種如溫溫度、濕度度、力、氣氣敏、磁敏敏等傳感器器，以及生生物傳感器器和智能化化的智能傳傳感器等。。3.3傳感器及信信號(hào)采集卡卡3.3.5多傳感器信信息融合（（MIF）多傳感器信信息融合就就是把分布布在不同位位置、處于于不同狀態(tài)態(tài)的多個(gè)同同類(lèi)或不同同類(lèi)型傳感感器所提供供的局部不不完整觀察察量加以綜綜合，消除除多傳感器器信息之間間可能存在在的冗余和和矛盾，利利用信息互互補(bǔ)，降低低不確定性性，以形成成對(duì)系統(tǒng)環(huán)環(huán)境相對(duì)完完整一致的的感知描述述，從而提提高智能系系統(tǒng)決策、、規(guī)劃的科科學(xué)性，反反應(yīng)的快速速性和正確確性，降低低決策風(fēng)險(xiǎn)險(xiǎn)的信息處處理方法。。它與經(jīng)典信信號(hào)處理方方法之間存存在本質(zhì)的的區(qū)別，其其關(guān)鍵在于于信息融合合所處理的的多傳感器器信息具有有更為復(fù)雜雜的形式，，而且可以以在不同的的信息層次次，包括數(shù)數(shù)據(jù)層、特特征層和決決策層上出出現(xiàn)。3.3傳感器及信信號(hào)采集卡卡通過(guò)對(duì)多傳傳感器信息息融合得到到的被測(cè)對(duì)對(duì)象的描述述，比通過(guò)過(guò)對(duì)各個(gè)傳傳感器信息息無(wú)規(guī)則或或只有簡(jiǎn)單單規(guī)則疊加加得到的描描述性能更更加優(yōu)越，，更貼近實(shí)實(shí)際環(huán)境情情況。近年來(lái)，信信息融合技技術(shù)已經(jīng)快快速?gòu)南嚓P(guān)關(guān)技術(shù)的簡(jiǎn)簡(jiǎn)單結(jié)合發(fā)發(fā)展成為一一門(mén)正在形形成的具有有標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)語(yǔ)、穩(wěn)健的的數(shù)學(xué)方法法和具有系系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)規(guī)則的工程程學(xué)科。在在圖像融合合、多模態(tài)態(tài)生物特征征識(shí)別、自自動(dòng)目標(biāo)識(shí)識(shí)別等軍事事、工業(yè)、、生活領(lǐng)域域中得到了了廣泛的應(yīng)應(yīng)用。3.3傳感器及信信號(hào)采集卡卡3.3.6信號(hào)采集卡卡目前，信號(hào)號(hào)采集卡已已發(fā)展得非非常完善，，除了大量量的信號(hào)輸輸入接口，，還集成了了模擬和數(shù)數(shù)字輸出接接口，也可可稱為擴(kuò)展展I/O。它使控制器器與生產(chǎn)過(guò)過(guò)程相連接接，進(jìn)行數(shù)數(shù)據(jù)采集和和輸出控制制信息，它它的性能優(yōu)優(yōu)劣對(duì)整個(gè)個(gè)系統(tǒng)具有有舉足輕重重的影響。。對(duì)于常用的的開(kāi)放型數(shù)數(shù)字控制器器工業(yè)控制制計(jì)算機(jī)，，其擴(kuò)展I/O的發(fā)展大致致經(jīng)歷了母母板I/O、總線插板板I/O、插板式智智能I/O、遠(yuǎn)程I/O、遠(yuǎn)程智能能I/O等過(guò)程。3.3傳感器及信信號(hào)采集卡卡下圖是一種種功能強(qiáng)大大的高分辨辨率多功能能PCI總線插板式式數(shù)據(jù)采集集卡，包含含了模擬量量、數(shù)字量量、通信轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換模塊（（RS485/232）、信號(hào)調(diào)調(diào)理模塊、、遠(yuǎn)程I/O模塊、智能能通用I/O單元。它的采樣速速率可達(dá)200KS/s、16位分辨率，，提供16路單端或8路差分的模模擬量輸入入，1路16位D/A模擬量輸出出通道，16路數(shù)字量輸輸出通道，，及1個(gè)10MHz的16位多功能計(jì)計(jì)數(shù)器通道道。內(nèi)建校準(zhǔn)電電路可對(duì)模模擬量輸入入和輸出通通道中的增增益和偏移移誤差進(jìn)行行自動(dòng)修正正。3.3傳感器及信信號(hào)采集卡卡下圖是用于于工業(yè)應(yīng)用用的低成本本通用螺絲絲端子板。。它們各含有有40個(gè)端子，采采用點(diǎn)到點(diǎn)點(diǎn)設(shè)計(jì)，可可通過(guò)20針扁平電纜纜與采集卡卡或控制器器連接。PCLD-880更適應(yīng)與在在惡劣工業(yè)業(yè)環(huán)境中的的可靠連接接，并額外外提供一個(gè)個(gè)DB-37接口，支持持帶有DB-37接口的PC-LabCard數(shù)據(jù)采集控控制卡。3.3傳感器及信信號(hào)采集卡卡下圖中數(shù)據(jù)據(jù)采集卡PCI-1710與接線端子子板PCLD-8710采用68針SCSI-Ⅱ型接口通過(guò)過(guò)帶有用于于降低噪聲聲特殊屏蔽蔽的電纜相相連，可以通過(guò)將將傳感器的的信號(hào)線與與PCLD-8710的接線端子子相連，及及PCI-1710插入工控機(jī)機(jī)或PAC等含有通用用PCI總線的控制制器中，將將傳感器信信號(hào)通過(guò)濾濾波、A/D轉(zhuǎn)換等，自自動(dòng)、智能能地供給控控制器判斷斷、決策使使用。3.4工程實(shí)例中中的控制系系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.4.1工作臺(tái)位置置自動(dòng)控制制系統(tǒng)此工作臺(tái)位位置自動(dòng)控控制系統(tǒng)的的控制對(duì)象象是工作臺(tái)臺(tái)，控制量量是工作臺(tái)臺(tái)的位置。。本系統(tǒng)使使用直線電電位器及比比較放大器器加以一定定的控制規(guī)規(guī)則形成模模擬控制系系統(tǒng)。本系統(tǒng)輸入入控制量和和檢測(cè)控制制量環(huán)節(jié)分分別為，指指令電位器器、檢測(cè)電電位器。操作者通過(guò)過(guò)指令電位位器指定工工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)動(dòng)目的位置置，即將指指定的位置置轉(zhuǎn)化成相相應(yīng)的電壓壓信號(hào)輸出出。檢測(cè)電位器器則用來(lái)檢檢測(cè)工作臺(tái)臺(tái)的實(shí)際位位置，即將將工作臺(tái)的的實(shí)際位置置轉(zhuǎn)化成電電壓信號(hào)。?？刂破鲗z測(cè)電壓與指令電壓比比較，以一一定的規(guī)則則使控制對(duì)對(duì)象快速、、準(zhǔn)確地到到達(dá)指定目目標(biāo)。3.4工程實(shí)例中中的控制系系統(tǒng)設(shè)計(jì)如果用xi表示給定的的位置，用用ua表示對(duì)應(yīng)的的輸出電壓壓。這種轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換關(guān)系可可表示為：：當(dāng)選用具有有良好線性性度的電位位器作為位位置指令電電位器時(shí)，，上式中的的Kp為常數(shù)。如果工作臺(tái)臺(tái)的位置范范圍是x，電位器的的電源電壓壓為u，則Kp=u/x，然后就可可以根據(jù)上上式計(jì)算對(duì)對(duì)應(yīng)xi和ua了。3.4工程實(shí)例中中的控制系系統(tǒng)設(shè)計(jì)檢測(cè)電位器器測(cè)量長(zhǎng)度度與工作臺(tái)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范范圍一致，，安裝在導(dǎo)導(dǎo)軌的側(cè)面面，電位器器指針與工工作臺(tái)相連連，可把工工作臺(tái)的位位置轉(zhuǎn)換成成相應(yīng)的電電壓信號(hào)。。檢測(cè)到的的位置x和檢測(cè)電壓壓ub之間的關(guān)系系如下圖所所示。在本例中使使Kf=Kp，當(dāng)給定電電位器電源源電壓與檢檢測(cè)電位器器一樣時(shí)，，認(rèn)為系統(tǒng)統(tǒng)的輸出達(dá)達(dá)到控制目目標(biāo)。3.4工程實(shí)例中中的控制系系統(tǒng)設(shè)計(jì)本例中位置置控制系統(tǒng)統(tǒng)的控制原原理為：操作者通過(guò)過(guò)指令電位位器發(fā)出工工作臺(tái)的位位置指令xi，指令電位位器對(duì)應(yīng)輸輸出一個(gè)電電壓ua。電壓ua與位置xi成正比，比比例系數(shù)為為一常數(shù)Kp。工作臺(tái)在導(dǎo)導(dǎo)軌上的實(shí)實(shí)際位置x由裝在導(dǎo)軌軌側(cè)向的位位置檢測(cè)電電位器檢測(cè)測(cè)，位置檢檢測(cè)電位器器將實(shí)際位位置x轉(zhuǎn)換為電壓壓ub輸出。電壓壓ub與工作臺(tái)的的實(shí)際位置置x成正比，比比例系數(shù)Kf=Kp。電壓ub需要經(jīng)過(guò)反反饋與ua進(jìn)行比較（（相減），，產(chǎn)生偏差差電壓為Δu=ua-ub?？刂破饕砸欢ǖ囊?guī)規(guī)則使Δu快速地趨近近于零，即即使工作臺(tái)臺(tái)快速、準(zhǔn)準(zhǔn)確地到達(dá)達(dá)指定位置置。3.4工程實(shí)例中中的控制系系統(tǒng)設(shè)計(jì)可由比較放放大器得到到Δu，并將偏差差信號(hào)加以以放大。比比較放大器器可由高阻阻抗差動(dòng)運(yùn)運(yùn)算電路實(shí)實(shí)現(xiàn)。此比較放大大器的輸入入為給定電位器器輸出ua和檢測(cè)電位器器輸出ub，其輸出為其中Kq為比較放大大器的增益3.4工程實(shí)例中中的控制系系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)x和xi有偏差時(shí)，，該偏差電電壓Δu在比較放大大器中被放放大成KqΔu。KqΔu進(jìn)入控制器器，通過(guò)控控制器處理理后的信號(hào)號(hào)經(jīng)功率放放大器放大大驅(qū)動(dòng)直流流伺服電動(dòng)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，，電動(dòng)機(jī)通通過(guò)減速器器和滾珠絲絲杠驅(qū)動(dòng)工工作臺(tái)向給給定位置xi運(yùn)動(dòng)。隨著x與xi偏差的減小小，Δu的絕對(duì)值也也逐漸減小小。當(dāng)x與xi相等時(shí)，Δu為零，伺服服電動(dòng)機(jī)停停止轉(zhuǎn)動(dòng)。。當(dāng)x和xi相等時(shí)，沒(méi)沒(méi)有Δu，也就沒(méi)有有電壓和電電流輸入電電動(dòng)機(jī)，工工作臺(tái)不改改變當(dāng)前位位置。當(dāng)不斷改變變xi時(shí)，工作臺(tái)臺(tái)就不斷改改變?cè)跈C(jī)座座上的位置置，以保持持x=xi的狀態(tài)。3.4工程實(shí)例中中的控制系系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.4.2倒立振子／／臺(tái)車(chē)控制制系統(tǒng)倒立擺系統(tǒng)統(tǒng)是一個(gè)相相當(dāng)復(fù)雜的的、高階次次、多變量量、非線性性、強(qiáng)耦合合、不確定定的絕對(duì)不不穩(wěn)定系統(tǒng)統(tǒng)。本例的單級(jí)級(jí)倒立擺，，采用計(jì)算算機(jī)作為控控制器，編編碼器1、2用來(lái)檢測(cè)振振子傾斜角角度和臺(tái)車(chē)車(chē)位置，限限位開(kāi)關(guān)1、2作為小車(chē)到到達(dá)行程限限制的急停停信號(hào)，并并在計(jì)算機(jī)機(jī)上編寫(xiě)一一定的控制制算法，通通過(guò)控制小小車(chē)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)速度，改改變小車(chē)和和小車(chē)上的的倒立擺之之間的相對(duì)對(duì)速度，使使倒立擺維維持在平衡衡狀態(tài)。3.4工程實(shí)例中中的控制系系統(tǒng)設(shè)計(jì)右圖所示為為振子和臺(tái)臺(tái)車(chē)控制系系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和各各環(huán)節(jié)間的的信號(hào)傳遞遞。由計(jì)數(shù)電路路將編碼器器1、2的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成成脈沖數(shù)，，分別以16位的二進(jìn)制數(shù)數(shù)字信號(hào)直直接輸入到到計(jì)算機(jī)中。。將臺(tái)車(chē)急停停的限位開(kāi)開(kāi)關(guān)1、2的開(kāi)關(guān)信號(hào)號(hào)作為計(jì)算算機(jī)的中斷斷信號(hào)。計(jì)算機(jī)把使使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)產(chǎn)生所需轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的電樞樞電流指令令值以12位數(shù)字信號(hào)號(hào)輸出給由由D/A轉(zhuǎn)換器和電電流反饋電電路組成的的電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)電路，使使直流電動(dòng)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生與與電流指令令值成比例例的轉(zhuǎn)矩，，最終使倒倒立振子／／臺(tái)車(chē)系統(tǒng)統(tǒng)在一定的的算法控制制下達(dá)到穩(wěn)穩(wěn)定狀態(tài)。。3.4工程實(shí)例中中的控制系系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為控制器器的計(jì)算機(jī)機(jī)的主要工工作包括：：在每個(gè)采樣樣周期，把把計(jì)數(shù)器輸輸入的表示示振子傾斜斜角度和臺(tái)臺(tái)車(chē)位置的的二進(jìn)制數(shù)數(shù)據(jù)采入；；與上一周期期的數(shù)據(jù)比比較，求得得振子角速速度和臺(tái)車(chē)車(chē)速度的近近似值；根據(jù)以上信信息計(jì)算直直流電動(dòng)機(jī)機(jī)電樞電流流的指令值值；將該指令值值以12位數(shù)據(jù)方式式輸出至電電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)電路；當(dāng)臺(tái)車(chē)觸發(fā)發(fā)軌道兩端端附近的限限位開(kāi)關(guān)產(chǎn)產(chǎn)生中斷信信號(hào)時(shí)，將將直流電動(dòng)動(dòng)機(jī)電樞電電流的指令令值設(shè)置為為0并輸出，瞬瞬間停止電電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，還可以使用用智能控制制芯片來(lái)完完成對(duì)倒立立振子／臺(tái)臺(tái)車(chē)的控制制。如前面面介紹的PFLC。3.4工程實(shí)例中中的控制系系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.4.3關(guān)節(jié)型機(jī)械械手實(shí)際應(yīng)用中中存在的大大型運(yùn)動(dòng)控控制裝置往往往是具有有多個(gè)控制制軸的，如如平面X-Y平臺(tái)，SCARA型機(jī)器人等等。在這些些多軸運(yùn)動(dòng)動(dòng)控制系統(tǒng)統(tǒng)中存在多多個(gè)運(yùn)動(dòng)控控制軸的協(xié)協(xié)調(diào)控制問(wèn)問(wèn)題。本例中的關(guān)關(guān)節(jié)型機(jī)械械手控制系系統(tǒng)，可由由IPC主控制器加加DSP運(yùn)動(dòng)控制器器構(gòu)成，并并配以轉(zhuǎn)接接板和各種種傳感器，，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)機(jī)械手的精精確控制。。3.4工程實(shí)例中中的控制系系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇IPC作為主控制制器，其上上運(yùn)行機(jī)器器人控制主主程序，提提供用戶界界面接口并并完成作業(yè)業(yè)任務(wù)規(guī)劃劃、運(yùn)動(dòng)學(xué)學(xué)正反解和和坐標(biāo)變換換等，并采采用Windows操作系統(tǒng)作作為上層軟軟件的開(kāi)發(fā)發(fā)平臺(tái)。采用DSP高性能運(yùn)動(dòng)動(dòng)控制器作作為底層控控實(shí)時(shí)制器器，運(yùn)用一一定的控制制策略產(chǎn)生生控制信號(hào)號(hào)，并將其其送入控制制箱中的各各個(gè)關(guān)節(jié)電電機(jī)驅(qū)動(dòng)器器中，經(jīng)過(guò)過(guò)運(yùn)算放大大后驅(qū)動(dòng)機(jī)機(jī)器人本體體上的關(guān)節(jié)節(jié)電機(jī)運(yùn)動(dòng)動(dòng)，完成關(guān)關(guān)節(jié)電機(jī)的的運(yùn)動(dòng)控制制。采用用交交流流伺伺服服電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)械械手手各各關(guān)關(guān)節(jié)節(jié)。。3.4工程程實(shí)實(shí)例例中中的的控控制制系