第一部分概述
第1章机械电子学导论
本章目的
通过本章的学习,读者将能够:
解释什么是机械电子学,以及领会它与工程设计的关系。
解释什么是系统,以及区分测量系统组成部分的意义。
描述开环系统和闭环系统中的各种表达形式及组成部分。
分析系统模型的需求,预测系统行为。
1.1什么是机械电子学
机械电子学(或称机电一体化,mechatronics)一词最早由日本工程师于1969年提出。机械电子学是将机械结构学和电子学结合而成的一门新学科。到了今天这个词有了更为广泛的含义,一般可以认为是一种新的解决工程技术问题的思想。这种思想具体表现为在产品的设计制造和加工过程中,将机械工程、电子技术及计算机智能控制有效并行集成。通过应用这种思想,很多原本由机械结构实现具体功能的产品都可以由包含微控制器的产品替代。而这种可替代性将使得生产过程具有更好的灵活性,重复设计和重复编程更为简单,进而可以让系统具有自动数据收集和报告的能力。
机电一体化系统并不是简单地将电子系统和机械系统结合而得到的。而且机电一体化系统比简单的控制系统复杂很多。机电一体化系统在设计过程中遵循统一的设计方法。这种方法将机械、电子和控制系统完整地集成在一起。这种集成化的、多学科交叉的方法被广泛应用于各种工程设计领域,诸如汽车设计、机器人制造、机械工具加工、清洗设备设计、摄像设备设计等。如果需要设计更加廉价、更加可靠、灵活性更高的系统,那么设计在初始阶段就需要对机械工程、电气工程、电子学、控制方面的内容进行集成。在处理多学科交叉集成问题时,机械电子学使用统筹方法,而不是将各个部分分开按照序列的方式来设计,例如,先设计机械系统再设计电气部分及微处理器部分。因此,机械电子学是一种集成化的工程设计方法,具有独特的设计理念。
机械电子学将多个技术领域融合在一起。如图1-1所示,这些领域包括传感器、测量系统、驱动和执行系统、微处理器系统,以及与这些系统相关的控制及行为分析。这一点就是对本书内容本质上的一个概括。本章是机械电子学的引论,同时介绍一些基本概念,并给出其他章节的组织框架。具体的技术内容细节将在后面的章节逐一介绍。3
图1-1机电一体化系统的基本组成
1.1.1机电一体化系统实例
我们以现代的自动对焦、自动曝光照相机为例。在使用这种照相机的时候,你需要做的只是将它对准要拍摄的物体,然后按下按钮,就可以完成照相了。照相机本身可以自动调节焦距使被照物体位于焦距上,还可以自动调节光圈和快门速度以取得正确的曝光。使用者不需要手动调节焦距、光圈和快门速度。再以卡车上使用的智能悬挂系统为例。这种悬挂系统可以在搭载不均匀负载的时候保持车身平衡;可以在转弯、路况较差情况下,保证驾驶平稳。再以自动化生产线为例。这样的一条生产线可以包含很多的生产过程。这些生产过程按照正确的顺序被自动执行,同时这些过程的每一个输出状态都会自动输出给需要的地方。可以说,自动照相机、卡车的悬挂系统和自动化生产线都是机械工程、电气工程及控制系统相互结合的完美实例。
1.1.2嵌入式系统
嵌入式系统是通过将微处理器嵌入到我们的设计而形成的系统。在机械电子学领域,我们广泛地关注这种系统。微处理器在本质上可以被认为是逻辑门和存储单元的集合。但是,这些逻辑门和存储单元并不是分别作为个体由导线相互连接。微控制器主要通过软件的编写来实现不同的逻辑功能。作为一个逻辑门表示意义的说明,我们可能需要在输入A和输入B都有信号的时候得到一个输出信号。这可以通过一个“与”逻辑门来实现。而一个“或”逻辑门则可以保证只要输入A和输入B有一个通道上有信号,就可以输出一个信号。因此,微处理器的主要功能是观察输入通道的开关状态,依据内部的程序处理观察到的结果,并控制输出通道的开关。关于微处理器的更多细节将在第17章介绍。
对于应用于控制系统的微处理器,它需要额外的芯片来提供存储数据的空间及与外界交换信号的接口。微控制器就是一种将微处理器功能及上述额外芯片功能集成在一起的微处理器。
嵌入式系统是基于微处理器的系统。这种系统具备一系列的功能,但是这些功能不能像计算机一样可以由最终的使用者通过编程来改变。因此,在使用嵌入式系统的时候,使用者无法通过增加或者替换软件的方式来改变系统的功能。4
举一个在控制系统中使用微控制器的例子。例如,在清洗设备中安装了微控制器控制系统,那么这台清洗设备就可以自动实现控制洗涤循环、抽送水、电动机和水温。在现代汽车工业中,微控制系统主要用来控制防抱死系统及发动机管理系统。除此之外,还有很多其他应用嵌入式系统的例子,包括自动对焦、自动曝光照相机、便携式摄像机、手机、DVD播放器、电子读卡器、复印机、打印机、扫描仪、电视机和空调。
. 1.2设计流程
任何系统的设计流程都可以分为以下几个阶段。
1.需求
设计过程的开始就是分析消费者或者客户的需求。一般情况下,我们通过对潜在客户的市场调查来预测需求。
2.问题分析
设计的第一个阶段是找出问题的本质,也就是分析问题。这是一个十分重要的阶段。因为如果问题没有被准确地定义,那么设计将变得非常耗时而且得出的设计通常难以满足需求。
3.创建规格说明文档
在对问题进行分析后就可以开始准备规格说明文档了。准备工作包括陈述问题、介绍选择解决方法时要考虑的约束条件以及判定设计质量的标准。在陈述问题的时候,所有在设计中需要实现的功能及系统特性都要准确地描述出来。因此,规格说明文档一般包含质量、尺寸、所需动作的类型及范围、精度、输入/输出部分的要求、接口、电源要求、工作环境、相关标准及测试代码等。
4.形成可能的解决方案
这一阶段通常被认为是一个概念性设计阶段。为了得到问题解决方法的大体轮廓,我们分析系统必须具备的功能并尽量多地给出实现这些功能所必需的细节条件,诸如近似尺寸、形状、材料和花费。同时,我们也要找出之前类似问题的解决方法。什么事情都从零做起是不必要的。
5.选择合适的解决方案
我们评估所有可能的解决方案,并选出最优的解决方案。评估通常是指对系统进行重新建模,然后通过仿真预测系统对输入的响应。
6.完成细节设计
在这一阶段,将完成所有选定方案的细节设计。为了实现设计细节方面的最优,有时候需要生产一些原型机或者实物模型来进行设计试验。
7.工程绘图
在设计选定后,具体的设计就要以工程图、电气连接图等方式表现出来。这样就完成了一个设计流程。5
设计过程的各个阶段并不是简单地按照先后顺序一个一个执行。设计者经常需要回到前面的阶段进行更深入的思考。当我们处在形成可能的解决方案的阶段时,就经常需要回到之前的问题分析阶段进行重新思考。
1.2.1传统的机械电子学设计
工程设计是一个复杂的过程,需要交叉使用多种技巧及多学科的知识。在传统的设计过程中,机械部分由机械工程师设计,控制系统由控制系统工程师设计。这称为顺序设计方式。然而,机械电子学的基本方法是在设计过程中将机械工程、电子学、计算机技术及控制工程这些学科以统筹的方法整合在一起考虑。机械电子学方法的内在统筹性主要依靠系统建模、模型系统对输入响应的仿真和真实系统对真实输入的响应结果分析。
为了说明如何将多学科的方法应用于问题的解决方案设计,我们以磅秤的设计作为一个分析实例。设计磅秤一般只需要考虑如下几个过程:弹簧的压缩形变,一种可以将这种形变转化为轴的转动的机械结构,轴带动指针在刻度盘上的移动。还有一个需要考虑的问题是,磅秤的测量结果不能因被测试者站在磅秤的不同位置而发生改变。但是,如果我们以超出纯粹的机械设计领域的角度来看这个问题,那么我们还可以考虑其他的一些可能性。比如,我们可以用应力测试仪替换原有的弹簧,还可以通过使用微处理器将测试仪输出的重量读数显示在LED电子屏幕上。这样设计出来的磅秤在结构上更为简单,减少了运动部件的使用。原有由机械结构实现的复杂功能都转为由软件来实现。
下面再举一个更复杂的实例。传统的家用中央加热系统的温控设计使用的是一种闭环双金属温度控制系统。由于双金属条的弯曲度会随着温度的变化而发生改变,所以可以用于控制加热系统的开关。而一个多学科融合的解决方案可以通过使用带热传感器的微控制器控制系统来实现温控功能。这样的系统比传统的双金属温度控制系统具有更多优点。双金属温度调节器控制精度比较差,无法准确地控制温度。同时我们很难设计一种控制方法能够在一天的不同时间保证将温度控制在不同的值。但是微处理器控制系统就可以很容易地实现精确的程序化的温度控制。而且这样的系统也更加灵活。相比于传统的控制系统,机电一体化系统普遍具有更好的灵活性。
1.3系统
在机电一体化系统的设计过程中,步骤之一是进行系统建模。系统模型主要用于预测输入响应发生时系统的反应动作。在建立模型时,我们通过绘制框图的方法来描述系统。6一个系统是一个有输入/输出的盒子或方块图,我们关心的并不是盒子内发生了什么,而是输出和输入之间的关系。当我们用数学公式描述一个真实系统的行为时,就要用到建模(modelling)这个术语了。而这些数学公式表达了系统的输入和输出之间的关系。例如,一个弹簧可以视为是关于力F的输入与伸长量x的输出的系统(见图1-2a)。用于建模输入与输出之间关系的公式为F=kx,其中k是常量。再比如,电动机可以视为是以电功率为输入,电动机轴的转动为输出的系统(见图1-2b)。
测量系统是一个可用于测量的盒子。它有被测量的输入量和对应的输出值。例如,一个温度测量系统,即温度计,就有温度输入和某一标准尺度下的数字输出(见图1-2c)。
图1-2系统的例子
1.3.1系统建模
任何系统对输入的响应都不是瞬时完成的。例如,对于图1-2a中描述的弹簧系统,尽管输入(力F)和输出(伸长量x)之间的关系可由F=kx表示,但这只描述了稳态条件满足时的关系。当弹簧加上力时,在弹簧达到稳态的伸长值前,弹簧将可能会有振荡发生(见图1-3)。系统的响应是时间的函数。因此,为了知道一个系统对输入的表现情况,我们需要建立输出对输入的模型,以便我们能计算出给定一个输入,输出是如何随着时间变化的,以及输出的稳定值是什么。
图1-3弹簧的输入响应7再比如,如果你打开一个电水壶的开关,水壶里的水需经过一段时间才达到沸点(见图1-4)。同样,当微处理控制器给出一个信号来移动镜头进行相机自动对焦时,在镜头达到正确的焦点前,也将需要一定的时间。一个系统的输入和输出之间的关系常常由不同的方程来描述。这些方程和系统将在第10章中进行描述。
图1-4一个水壶系统的输入响应
1.3.2连接系统
除了最简单的系统外,把一个系统考虑为一系列相互连接的方块通常是很有用的。每个这样的方块都有特殊的功能。于是,我们可以把系统的一个方块的输出变为另一个方块的输入。用这种方法绘制系统,必须确定连接方块盒直线箭头所指示的信息流的方向,而并非物理连接。CD播放器就是一个这样的系统连接例子。我们可以认为其有三个相互连接的方块:有CD输入和电信号输出的光盘驱动器;有这些电信号输入和更强电信号输出的放大器;有电信号输入和声音输出的喇叭(见图1-5)。关于另外一组连接方块的实例将在1.4节中介绍。
图1-5CD播放器
1.4测量系统
测量系统是机械电子学特别重要的系统之一。通常,它由三个基本元素组成(如图1-6所示):
1)传感器:传感器可对被测的物理量做出反应,并输出与这些量相关的电信号。例如,热电偶是一种温度传感器。它的输入是温度,输出是与温度值相关的电动势(e.m.f)。
2)信号调理器:信号调理器获取传感器的输出信号,并将其转变成适于显示或执行控制的状态。例如,8热电偶的输出是相当小的电动势信号,可被输入到放大器以获得更大的信号。这个放大器就是一种信号调理器。
3)显示系统:显示系统显示信号调理器的输出。例如,这可能是一个在刻度表上移动的指针或一个数字读数。
图1-6测量系统及其组成元素
考虑图1-7中的数字温度计的例子。传感器的温度输入可能是半导体二极管。在恒定电流下,传感器的电势差输出是温度的度量。于是,电势差经过运算放大器的放大,变为可以直接驱动显示器的电压。传感器和运算放大器可以合并到同一个芯片上。传感器将在第2章进行讨论,信号调理器将在第3章进行讨论,而包括所有元件的测量系统将在第6章进行讨论。
图1-7数字温度计的例子
1.5控制系统
控制系统可用于:
1)控制某些变量到某些特殊的值。例如,将中央加热系统的温度控制到某一数值。
2)控制事件的序列。例如,当把洗衣机的表盘设成“白色”类型时,将洗衣机控制到特殊的洗涤周期,即事件的序列,以适于相应的洗衣类型。
3)控制一个事件是否发生。例如,只有当一个安全保护装置到位后,机器上的安全锁才能被操作。
1.5.1反馈
举一个和我们每个人都有关的控制系统的例子。除非你病了,否则无论你是在冷还是热的温度环境中,你的身体温度几乎都保持不变。为了保持温度稳定,你的身体有个温度控制系统。如果你的体温开始上升并高于常值,你将出汗;如果温度降低,你将颤抖。这两种机制都被用于恢复你的体温到正常值。这个控制系统一直保持温度的稳定。该系统有来自传感器的输入,告诉系统温度是多少,并将该数据与应该达到的温度9相比较,并根据比较的结果产生合适的响应以获得需要的温度。这就是反馈控制的例子:信号从输出反馈回来,即得到实际温度,以便修改身体的反应,使其恢复到正常的温度值。反馈控制是通过控制系统比较系统的实际反馈输出与所需的目标值,然后相应地调整其输出来进行的。图1-8a说明了这一反馈控制系统。
控制集中供暖的房子温度的一种方法是,一个人站在有温度计的炉子的on/off开关旁边,根据温度计读数打开或关闭炉子。这是一个用人作为控制元素的原始反馈控制方式。为了修改输入,需要来自输出的信号,因此应用了反馈这个术语。更常见的反馈控制系统有一个恒温器或控制器,它能根据设定温度和实际温度的差值自动地打开或关闭炉子(见图1-8b)。这一控制系统可保持温度的恒定。
如果你走过去拿起椅子上的铅笔,就需要用一个“控制系统”来保证手实际停在铅笔的上面。这是通过观察手相对于铅笔的位置,然后调整手向铅笔移动的位置来实现的。由于手的实际位置反馈信息,使你可以修改你的反应来给出需要的手的位置和运动(见图1-8c)。这一控制系统一直控制手的定位和运动。
图1-8反馈控制
反馈控制系统随处可见,不仅在自然界和家里有,在工业界也广泛应用。很多的工业生产过程和机器设备需要人手动或自动控制。例如,有些过程控制的温度、液位、流速、压力等需要保持不变。这样,在化学生产过程中可能需要保持罐体里的液位或温度到某一特殊值。也有一些控制系统可以10连续精确地定位某一移动零件或保持某一固定速度。例如,这可能是被设计成某一恒定速度运行的电动机,也可能是某一加工过程,可自动地控制工具位置、速度和操作。
1.5.2开环与闭环系统
控制系统的基本形式有两种,一种称为开环(open loop)控制系统,另一种称为闭环(closed loop)控制系统。二者之间的区别可通过一个简单的例子来说明。考虑一个电炉,有一个可选择1kW或2kW加热元件的选择开关。如果某个人用加热元件加热房间,并且房间不需要达到特别高的温度,他可能打开1kW的加热元件。房间将加热并达到某一温度,该温度只取决于打开了1kW而非2kW的加热元件这一事实。如果条件发生了改变,例如某人打开了窗户,没有热输出的相关调节途径。在这一开环控制的例子中没有任何信息反馈到控制元件上进行自动调节并保持某一恒定温度。如果这个人有温度计,并根据实际温度和期望温度之间的差打开或关闭1kW或2kW加热元件,带有加热单元的加热系统将被设计成闭环系统,以保持房间的温度恒定。这种情况下存在反馈,根据系统的输出是否是期望的温度来调节系统的输入。这意味着对开关的输入量依赖于实际温度与期望温度之间的偏差。该偏差是由比较单元决定的,在本例中比较单元是这个人。图1-9说明了这两种系统类型。
图1-9加热某一房间
一个日常开环控制系统的例子是家用的烤箱。它通过设定计时器来决定某一面包的烤制时间长短,从而实现烤箱的控制。烤制的褐色深浅仅仅由预设的时间决定。没有反馈来控制面包的褐变程度,以达到所需的褐色。
为了进一步说明开环与闭环系统之间的区别,我们考虑一台电动机。对于一个开环系统来说,电动机轴的旋转速度可能只是取决于旋钮的初始设定,11该设定影响施加到电动机上的电压。在开环系统中,任何电源电压的变化,以及由于温度的波动引起的电动机的特性变化或电动机轴的负载作用,将都会改变电动机轴的速度,却得不到补偿。这种开环控制不存在反馈回路。然而,对于一个闭环系统,控制旋钮的最初设定将对应一个特定的轴速度,这一速度将通过反馈得以保持。而且无论电源电压如何变化,电动机系统对输入信号都不会产生任何影响。在闭环控制系统中,输出信号对输入信号会产生影响,通过修改输入信号使输出信号保持到所期望的值。
开环系统的好处是相对简单,因此成本低,一般有较好的可靠性。然而,因为没有校正误差,所以它们往往是不精确的。闭环系统的好处是实际输出值可以比较准确地匹配所期望的值。然而,闭环系统更复杂、更贵,且由于部件多,导致故障的机会更大一些。
1.5.3闭环系统的基本单元
图1-10给出了基本闭环系统的一般形式。它由如下几个基本单元组成。
图1-10一个闭环控制系统的组成要素
1.比较单元
在被控制的可变条件下,该单元比较期望值(或参考值)与测量值,产生一个误差信号。这种情况可以视为加上一个正的参考信号和一个负的测量信号:
误差信号=参考信号-测量信号
通常,比较单元使用的符号是一个分割圆,信号输入到分割圆的各扇形区域中进行相加。由于所有的输入是加在一起的,所以反馈输入被标记为负值,而参考信号为正值,这样二者之和给出了输入信号之差。反馈回路(feedback loop)是一种工具,即与实际条件相关的信号被反馈回来,进而修改输入信号,再发送给某一过程。当反馈信号是从输入值中减去时,该反馈称为负反馈(negative feedback)。为了控制系统,必须要用负反馈。当反馈信号被加到输入信号上时,将发生正反馈(positive feedback)。
2.控制单元
当收到误差信号时,控制单元将决定采取什么动作。例如,它可能发出操作一个开关或打开一个阀门的信号。12当有误差时,控制单元应用的控制策略可能只是提供一个打开或关闭开关的信号。而当房间内有温控器时,信号可能根据误差的大小成比例地打开或关闭阀门。控制方案可能是硬连接系统(hard-wired system),其中的控制规划是通过硬件元件连接在一起的方式一直固定的,或者是可编程系统(programmable system),控制程序存储在内存单元中,并可通过编程方式改变它。控制器将在第17章中进行讨论。
3.校正单元
校正单元在控制过程中发生变化,以对控制条件进行校正或改变。因此,它可能是一个打开加热器的开关,于是增加控制过程的温度,或打开阀门,允许更多的液体进入某一控制过程。术语驱动器(actuator)为校正单元提供功率来执行控制行为。校正单元将在第7章、第8章和第9章中进行讨论。
4.过程单元
这个过程单元就是需被控制的对象。这可能是一个需要温度控制的房间,或需要液位控制的水箱。
5.测量单元
测量单元产生与某一被控过程的可变条件相关的信号。例如,该信号可能是当达到某一特殊位置的时候开关闭合而产生的开关信号,或者热电偶产生的与温度相关的电动势(e.m.f)。
如图1-10所示,由人来控制房间温度的闭环控制系统的各种要素为:
受控变量—房间的温度
参考值—期望的房间温度
比较单元—人对温度的测量值与期望值进行比较
误差信号—测量与期望温度之差
控制单元—人
校正单元—打开炉子的开关
过程—通过炉火加热
测量装置—温度计
房间温度的自动控制系统可能包括一个恒温元件,它对温度敏感,且当温度低于设定值时打开加热开关,当温度达到设定值时关闭加热开关(见图1-11)。于是,这一温度敏感开关被用于打开加热器。恒温单元兼具比较所期望温度值与实际温度值,以及控制开关操作的功能。在通常情况下,控制系统中的单元能兼具多种功能。
图1-11加热某个房间的闭环控制系统
图1-12给出了水箱内液位控制系统的简单例子。液位参考值是通过杠杆臂的初始设置位置来设定的,于是当达到期望的液位时,供水被切断。当水从水箱内流出时,浮子随着水位向下移动,从而引起杠杆转动,使水又向箱体内流动。输入水流持续到球体浮子上升到某一高度,使杠杆移动并切断水流供给为止。这是一个有如下要素的闭环控制系统:
受控变量—水箱中的液位
参考值—浮子和杠杆位置的初始设定
比较单元—杠杆
误差信号—杠杆位置的实际值和初始设置之间的差
控制单元—旋转杠杆
校正单元—动态摆动打开或关闭供水
过程—水箱中的液位
测量装置—浮球和杠杆
图1-12液位的自动控制
以上只是包含机械元件的闭环控制系统的简单例子。然而,我们也可以通过电子控制系统来控制液位。这样,我们可以通过液位传感器提供的电信号,经过合适的信号调理,作为计算机的输入,在计算机内把实际液位值与设定值进行比较,二者之差作为误差信号被用于从计算机输出合适的响应。于是,该响应经过合适的信号调理后,用于控制流体控制阀中执行器的运动,进而决定流入水箱的水量。
图1-13给出了一个转轴速度自动控制系统的简单例子。电位器用于设定参考值,即将某一电压提供到差分放大器的一个输入端作为期望转速的参考值。差分放大器用于比较参考值与反馈值,并放大二者差分产生的误差信号。然后,将该放大了的误差信号发送给电动机,从而调节转动轴的转速。测速发电机通过一对斜齿轮与电动机轴相连来测量电动机转轴的速度。于是,来自测速发电机的测量信号被反馈到差分放大器的另一端:
图1-13轴速控制受控变量—转轴速度
参考值—电位器的滑动端设定
比较单元—差分放大器
误差信号—电位器的输出与测速发电机的输出之差
控制单元—差分放大器
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15校正单元—电动机
过程—轴的转动
测量装置—测速发电机
1.5.4模拟和数字控制系统
模拟系统的所有信号都是时间的连续函数,信号大小表示被测变量的测量尺度(见图1-14a)。本章到目前所讨论的例子基本上都是这样的系统。而数字信号可考虑为一系列的on/off信号,数字变量值由on/off脉冲序列来代表(见图1-14b)。
图1-14信号
数字信号可用于代表连续的模拟信号。在某个特定的时刻模拟信号被采样,然后每一采样值被有效地转换成数字值,即某一特殊的数字信号序列。例如,对于三位数字信号,我们可以有如下数字序列:无脉冲,无脉冲,无脉冲,代表模拟信号0V;
无脉冲,无脉冲,一个脉冲,代表模拟信号1V;
无脉冲,一个脉冲,无脉冲,代表模拟信号2V;
无脉冲,一个脉冲,一个脉冲,代表模拟信号3V;
一个脉冲,无脉冲,无脉冲,代表模拟信号4V;
一个脉冲,无脉冲,一个脉冲,代表模拟信号5V;
一个脉冲,一个脉冲,无脉冲,代表模拟信号6V;
一个脉冲,一个脉冲,一个脉冲,代表模拟信号7V。自然界中大多数情况下被控制的量是模拟量,而且它们是控制系统的输入和输出。例如,温度输入和加热器的输出,数字控制系统的必要特征是真实世界的模拟输入必须被转换成数字形式,而且数字输出必须被转换成真实世界的模拟形式。这包括对于输入的模数转换器(ADC)和对输出的数模转换器(DAC)的应用。
与图1-10中给出的模拟闭环系统相比,图1-15a给出了一个数字闭环控制系统的基本组成单元。参考值或设定值可以是来自键盘的输入。为了能向数字控制器提供来自模拟检测系统的数字信号或数字信号输出能被转换成模拟信号来操作校正单元,模数转换(ADC)和数模转换(DAC)单元被包含在闭环中。加入ADC和DAC好像增加了控制系统的复杂度,但却带来了非常重要的优点:数字操作能通过程序(即一系列存储的指令)来控制;信息存储容易,精度更高;数字电路被噪声影响的可能性更小;更容易设计。
图1-15数字闭环系统
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数字控制器可能是运行一段软件程序的数字计算机,从而实现期望的行为。术语控制算法(control algorithm)用来描述需要解决控制问题的一系列步骤。用于数字控制的控制算法可用如下步骤来描述:读参考值,即期望值。
读实际设备的ADC输出。
计算误差信号。
计算期望的控制器输出。
将控制器输出发送到DAC。
等待下一个采样周期。然而,很多应用并不需要贵重的计算机,微型芯片就可以满足需要了。于是,在机械电子学的应用中,微型控制器经常用于数字控制。微型控制器是一种集成了诸如存储器、ADC、DAC等单元的微型处理器;这些单元能直接与受控设备相连,图1-15b给出了具体的连接安排。于是,控制算法可能为:读参考值,即期望值。
读实际设备的输出到ADC输入端口。
计算误差信号。
计算期望的控制器输出。
将控制器输出发送到DAC输出端口。
等待下一个采样周期。例如,一个房间温度的自动控制系统就可以是一个数字控制系统。它包含输出模拟信号的温度传感器,经过合适的信号调理后变成数字信号,再被输入到数字控制器。在数字控制器内其与设定值比较,从而产生误差信号。然后,误差信号被数字控制器处理后输出数字信号,经过适当的信号调理,给出等效的模拟信号来控制加热器,因而室温得到了控制。这样的系统能很容易地通过编程实现在一天不同的时间给出不同的温度。
作为数字控制系统的进一步说明,图1-16给出了一种电动机可以采用的速度数字控制系统的形式。可以把该图与图1-13的模拟系统进行比较。
数字控制器的软件需要能实现如下功能:从输入端口读数据。
进行内部的数据传输和数学运算。
发送数据到输出端口。此外,它还易于决定何时将执行控制程序。
图1-16转轴速度控制18
于是,我们可以让程序等待ADC采样时间到来,当有采样输入时触发一定的动作。针对这些采样事件,在这种情况下可采用轮询法(polling)使程序重复地检查输入端口。于是我们有:检查输入信号的输入端口。
无信号,则什么也不做。
检查输入信号的输入端口。
无信号,则什么也不做。
检查输入信号的输入端口。
有信号,则从输入端口读数据。
执行内部数据传输和数学运算。
发送数据到它的输出端口。
检查输入信号的输入端口。
无信号,则什么也不做。
等等。另一种替换轮询的方法是中断控制。程序不是在一直检查输入端口,当输入时间到时,接收一个输入信号。该信号可能来自于一个外部时钟,该时钟在每次ADC采样时给出一个信号。于是有:没有外部时钟信号。
什么也不做。
当输入发生时,信号从外部时钟输入。
从它的输入端口读数据。
执行内部数据传输和数学运算。
发送数据到它的输出端口。
等待来自外部时钟的另一个信号。1.5.5顺序控制器
为了控制生产过程和操作序列,在很多情况下控制任务是按照顺序要求,在特定的预设时间或变量值下,通过开关来实现的。例如,步骤1完成后,步骤2开始。步骤2完成后,步骤3开始,等等。
当控制行为是严格按照时间或事件驱动的序列来安排时,我们就应用顺序控制(sequential control)方法。这一控制可通过一系列的继电器或凸轮开关组成的电路来实现。这些电路要连线成合适的方式,才能给出期望的顺序。目前,这一硬件电路可能逐步被微处理器控制系统代替。于是,通过软件编程,就可实现顺序控制。
用家用洗衣机来说明顺序控制。洗衣机的一些操作必须按照正确的顺序执行。这些顺序包括:当衣服在桶内给冷水时,处于预洗涤周期;接着,当给热水时,处于主洗涤周期;然后,衣服在桶内冷水漂洗几次,处于漂洗周期;最后旋转使衣服脱水。这些操作的每一项都包含一系列的步骤。例如,预洗涤周期包括打开阀门使洗衣桶内注水到期望的液位,关闭阀门,打开洗衣桶的电动机使洗衣桶旋转一段时间,19打开泵把桶内的水抽空。这一系列的操作称为程序(program),程序中的一系列指令是事先定义好的,并写入所用的控制器。
图1-17给出了基本洗衣机系统的组成元件的粗略想法。过去经常应用的洗衣机控制器是机械的,包含一系列的凸轮操作开关,即机械开关系统,可以很容易地给出各种操作序列进行调节。
图1-17洗衣机系统
图1-18给出这样一种开关的基本原理。当机器通电时,小电动机的转轴慢慢旋转,电动机轴的转动量与时间成比例。电动机的转动带动控制器的凸轮转动,依次操作电气开关,并以正确的顺序接通电路。凸轮的轮廓决定了何时操作开关。这样,凸轮的轮廓决定了操作的程序,并存储在了机器中。在特定的洗衣程序中应用的指令与指令序列是由所选择的一系列凸轮决定的。对于现代的洗衣机来说,控制器是一种微处理器。操作序列不是由凸轮的机械排列提供的,而是由软件程序实现的。这种由微处理器控制的洗衣机被认为是机械电子学方法的一个典型例子,其中机械系统与电子控制已集成在了一起。其结果是体积庞大的机械系统被更加紧凑的微处理器所代替。
图1-18凸轮操作的开关
对于预洗涤周期,当有电流通过时打开电磁阀,当电流停止时电磁阀关闭。操作开关的凸轮的轮廓或微处理器的输出决定了电磁阀向桶内放入冷水的时间长短。然而,由于在洗衣桶内需要特定的液位,因此当达到要求的位置时,在允许的时间内,需要另外的机械来停止供水。当液位达到了预设位置时,需要一个传感器给出一个输入信号,然后微处理器发出的输出信号切断电磁阀的电流。在凸轮控制阀门的情况,传感器激励一个开关关闭向洗衣机滚筒内放水的阀门。当这一事件完成后,微处理器或凸轮的转动就启动泵,抽空滚筒内的水。
当预洗涤程序完成后,微处理器给出一个输出,开始主洗涤周期。在凸轮操作的情况下,当预洗涤周期完成后,凸轮的轮廓使主洗涤开始。它接通进入电路的电流,打开阀门,使冷水进入滚筒。时刻检测液位。当达到期望的位置时,停止进水。然后,微处理器或凸轮提供电流激活一个开关,向电加热器施加更大的电流来加热水。当温度传感器检测到水温达到预设值后,切断加热电流。于是,微处理器或凸轮打开滚筒电动机使滚筒旋转。旋转的时间是由微处理器或凸轮的轮廓决定的。然后,微处理器或凸轮使水泵通电,使滚筒内的水排空。
当信号打开阀门时,冷水进入洗衣机滚筒,于是漂洗操作开始。然后,阀门关闭,操作电动机转动滚筒,再操作泵从滚筒中抽空水,然后重复上述过程几次。
当微处理器或凸轮打开滚筒电动机时,处于最后的操作阶段。此时电动机比漂洗有更高的转速,从而使滚筒内的衣服快速旋转。
1.6可编程逻辑控制器
在很多简单系统中,有一个嵌入式微控制器,即存储器和微处理器都集成到一个芯片上,并且已针对所关心的任务进行了特定的编程。一种更有适应能力的形式是可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)。这是一种基于微处理器的控制器,它应用可编程存储器来存储指令,20
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21执行逻辑、顺序、定时、计数和算数运算等功能,实现对事件的控制,并且能很容易针对不同的任务重新编程。图1-19给出了可编程逻辑控制器的控制行为,输入信号来自闭合的开关,而由程序来决定控制器应该怎样对输入做出响应,并给出什么样的输出。
可编程逻辑控制器在需要开关控制的工业场合得到了广泛应用。例如,它们可能用于这样一个过程控制中:图1-19可编程逻辑控制器给一个箱体先充入液体,然后在排空前将其加热到指定的温度。控制顺序如下:
1)打开一个泵,使液体进入箱体。
2)当液位传感器输出on信号时,表明液位已经达到了期望的位置,关闭泵。
3)打开加热器。
4)当温度传感器输出on信号时,表明温度已经达到了期望值,关闭加热器。
5)打开泵,从容器中抽空液体。
6)当另一个液位传感器输出on信号时,表明箱体已空,关闭泵。
关于可编程逻辑控制器的详细讨论和应用例子,请见第21章。
1.7机电一体化系统的例子
机械电子学把传感器与测量系统、嵌入式微处理器系统、驱动器与工程设计技术融为一体。下面的机电一体化系统的例子说明了基于微处理器的系统不但能执行原来通过“机械”的方式实现的任务,也能实现以前难以自动实现的任务。
1.7.1数字摄像机与自动对焦
数字相机一般都有一个自动对焦控制系统。便宜的相机应用的基本系统是开环系统(见图1-20a)。当摄影师按下快门时,相机前面的传感器向照相景物发出红外光脉冲。这一红外脉冲从景物反射到相机,并被相机上相同的传感器获得。通常,景物与相机距离1m,红外光的往返时间约6ms。输出和返回脉冲的时间差被检测出来,并被输入到微处理器。微处理器里有一系列的值存储在它的存储器里,通过计算给出合适的输出,使镜头转动到焦点对准的位置。当距离增大时,返回脉冲就非常弱,因此这类自动对焦相机只能用于距离小于10m的情况。于是对于更大的距离,微处理器给出的输出使镜头转到极限的设定位置。22
图1-20自动对焦
更昂贵的相机使用的系统包括三角测量系统(见图1-20b)。发出红外脉冲和检测反射脉冲不是通过一个相同的负责发送的变换器来实现的,而是通过另外一个变换器。然而,初始状态下这个变换器上有一个遮蔽物。当微处理器给出输出使镜头移动时,这个变换器上的遮蔽物同时跟着移动。这个遮蔽物有一个狭缝,可在变换器的表面移动。镜头和狭缝一直移动,直到返回的脉冲能通过狭缝并打在变换器上为止。于是,发自变换器的输出使微处理器停止镜头的运动,并最终给出焦点的位置。
1.7.2发动机管理系统
汽车的发动机管理系统负责管理发动机的点火与燃料供给。四冲程内燃发动机有一些缸体,每个缸体有一个活塞连接到一个公共曲轴,并执行四冲程的操作序列(见图1-21)。
图1-21四冲程的操作顺序
图1-22发动机管理系统的基本组成当活塞向下运动时,阀门打开,空气燃料混合物吸入缸体。当活塞再向上移动时,阀门关闭,空气燃料混合物被压缩。当活塞接近缸体顶部时,火花塞点燃混合物,使热气膨胀。膨胀引起活塞重新向下运动并做功,上述周期重复进行。由于每一缸体的活塞都被连接到了一根曲轴上,且做功冲程发生在不同的时间段,所以转动曲轴的做功是连续的。
发动机的做功和速度是由改变点火时间和空气燃料混合物来控制的。对于现代的汽车发动机来说,这是通过微处理器完成的。图1-22给出了微处理器控制系统的基本组成。对于点火时间,曲轴驱动时间轮和分配器使每个火花塞依次产生电接触。时间轮产生的脉冲指示曲轴的位置。于是,微处理器调整时间,发出高压脉冲给分配器,使脉冲产生在合适的时刻。在吸气冲程,为了控制空气燃料混合物进入缸体的量,根据发动机的温度和节流的位置,微处理器改变电磁铁打开进气阀门的时间。被注入气流中的燃料量由气流的质量速率传感器或来自其他的测量计算输入决定,于是微处理器给出输出来控制燃料注入阀。注意,上述只是发动机管理的非常简单的说明。
1.7.3MEMS和汽车安全气囊
MEMS(Micro Electro Mechanical System,微机电系统)是一种构建在半导体芯片上的机械装置,尺寸从20μm~1mm,且由0.001~0.1mm大小的部件组成。MEMS通常由微处理器和微传感器、微驱动器等部件组成。MEMS可在微米尺度感知、控制和激励机械过程。这种MEMS芯片已经得到了越来越广泛的应用,下面给出了说明。
在汽车发生猛烈碰撞时,设计的安全气囊膨胀,从而缓冲对车辆乘员的冲击影响。安全气囊传感器是一种集成了微机械元件的MEMS加速度计,对快速的减速做出响应。图2-9给出了广泛使用的ADXL-50装置的基本细节。快速的减速引起MEMS加速度计中的电容发生改变,被MEMS芯片中的电子装置检测到,并激励气囊控制单元对气囊点火。于是,气囊控制单元触发气体发生器推进剂点燃,使尼龙织物袋迅速膨胀(见图1-23)。当车辆乘员的身体发生碰撞并挤压充气气囊时,气体将以可控的方式从小孔排出,于是缓冲了冲击。从一开始撞击到整个安全气囊的展开和膨胀过程大约是60~80ms。
图1-23气囊控制系统
本章小结
机械电子学是一种协调同步发展起来的技术,是在产品的设计与制造过程中的机械工程、电子学和智能计算机控制的集成。它把几种技术涵盖在一起:机械工程、电子工程、电气工程、计算机技术和控制工程。机械电子学向工程师提供了一种以新的眼光看问题的机会,不只是以机械原理的角度看问题,而是以多种技术的眼光来看问题。电子仪器等不应该被看做是已有的机械硬件上的类似螺栓的零件。机械电子方法需要从设计阶段就开始采用。
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25机电一体化系统通常包括嵌入式微处理器。嵌入式系统设计用于控制一定的功能,但不能被终端用户通过计算机等相同的方式修改程序。这样,对于嵌入式系统来说,用户不能通过增加或替换软件来改变系统的功能。
一个系统可被认为是有输入/输出的盒子或方块图。我们关心的不是盒子内发什么,而只关心输入和输出之间的关系。
为了预测当有输入时系统如何表现,我们需要设计与输出/输入相关的模型,于是对于给定的输入,我们就能确定输出将如何随着时间变化。
通常,测量系统有三个基本的组成单元:传感器、信号调理器与显示器。
控制系统的基本形式有两种:开环和闭环。闭环存在反馈,于是系统包括比较单元、控制单元、校正单元、过程单元和包含测量单元的反馈单元。
习题
1.1请识别水银玻璃温度计和弹簧压力表两种测量系统中的传感器、信号调理器和显示单元。
1.2请解释开环与闭环控制的区别。
1.3请识别在恒温控制电子加热器的控制系统中出现的各种单元。
1.4一个浴缸的水温自动控制系统包含一个输入到差分放大器的参考电压。放大器与一个继电器相连,打开或关断水中的加热器的供电。负反馈是通过测量系统向差分放大器输入电压来实现的。请画出该系统的方框图,并说明误差信号是如何产生的。
1.5请说明可编程逻辑控制器的功能。
1.6请说明顺序控制是什么意思,通过一个例子说明你的回答。
1.7请说明洗碗机顺序控制的步骤。
1.8请对比传统的手表设计与包含微处理器的机械电子产品的设计区别。
1.9请对比应用“双金属恒温器”与“微处理器”的室内中央加热系统的控制系统的区别。26