机电一体化系统设计(2)

机电一体化系统是在物理系统中使用信息系统的结果。物理系

个复杂控制系统，测量装置必须能够满足快速，灵敏和精确的要求。

统包括机械系统，计算机系统，执行器，传感器和实时接口。机电一

随着使用要求的不断提高，传感器的体积也不断的小型化，并通常

体化系统不只是机电系统，而且还是一个控制系统。传感器和执行

根将多个传感器和数据处理系统组合固定在一起。传感器的分类：

器用来把能量从动力大的一边（通常是机械的一边），转换到动力小

据传感器的输出信号形式，电源，工作模式以及被测变量可将传感

的一边（通常是电气和计算机的一边）。上图中的机械系统不仅包括

器分为以下两大类。模拟传感器：模拟是指连续的，不中断的一系列

机械零部件，还可能包括流体，气动，热，声，化学及其它学科。传感

事件。典型的模拟传感器的输出与被测变量是成正比例的，输出信

技术已经出现了新的发展以适应对特殊监测应用解决方案不断增

号以连续方式变化，根据其幅值取得信息，通常其输出要经过A/D

长的需要。

转换后输到计算机。数字传感器：数字是指一系列离散的事件，各个

2.1机电一体化中的集成设计问题由于机电一体化方法内在

事件前后分开，如果传感器的逻辑电平输出是数字的，则称其为数

的并行性，或同时性工程，所以样机试制阶段的建模与仿真很重要。

字传感器。数字传感器有着准确度和精密度高的特点，与计算机监

因为模型来自于各学科的综合应用。所以应用一种可视化的编程软

控系统相连时不需要任何转换器。

件是很重要的。这样就涉及到了框图，流程图，状态转换图和波特

4A/D,D/A转换

图。机电一体化是一种设计哲学，其产品或设备有一个重要的特点

在计算机控制系统中，主机输入数据或向外部发布命令，都是

就是它们内部的智能，这是将执行器，传感器，控制系统和计算机组

通过接口及输入输出通道进行的,完成信息传递和交换的装置称为

合设计实现的。系统的集成是通过硬件（部件）和软件（信息处理）的

过程输入输出通道。这些通道是联系主机与被控对象的纽带和桥

硬件集成是将机电一体化系统看成一个整体系统来设联合实现的。

梁。生产对象的各种模拟信号，不能直接输入计算机，而要经过模/

计的，将传感器，执行器和微处理器融入到机械系统中，软件集成主

数转换，转换成数字信号，才能输入计算机进行加工处理。同样，经

要基于高级控制功能在设计时应首先分析客户要求以及系统集成

过计算机加工处理得到的数字信号，也不可能直接作用与被控对

的技术环境。在制作时应考虑了解客户，市场分析，优化性能，生命

象。而要经过数/模转变成模拟信号，才能输出到被控对象。

周期性能，质量，可靠性和销售。

数据采集系统的基本任务是将模拟量即连续量转换为数字量

2.2机电一体化关键要素①信息系统:信息系统包括信息传输

以便于计算机进行存储，计算和处理。由于绝大多数物理量都是模

的所有方面，从信号处理到控制系统到分析技术。信息系统结合了

拟量。因而数据采集系统不但本身就是一种独立系统，而且是计算

以下四种学科：通讯系统，信号处理，控制系统和数值计算方法。在

机控制系统的极重要的组成部分。

机电一体化应用中，我们最关心的是建模，仿真，自动控制和用于优

一个典型的计算机控制系统如图3所示。其工作原理是作为系

化的数字方法。②自动控制:控制系统工程学是在19世纪晚期产生

统输入的物理量（压力，温度，湿度，位置等），首先由传感器变成点

的学科，认为在低阶系统（三阶或三阶以下）系统的稳定性依赖于特

信号，然后送

征方程的根和劳思（Routh）判据，这是一个很好的判断系统稳定性

到放大器和滤

的分析工具。③最优化:就是先确认最优轨迹，最优轨迹是根据系统

波器。传感器

的要求即约束条件确定的，然后设计控制系统，在设计控制系统的

的输出信号一

时候应使系统的各参数最终满足控制要求，使误差最小化，或者说

般比较微弱，

王伟梁 ,江苏省扬州技师学院,扬州225003的一篇期刊

·86·

放大器的作用是将传感器输出的电信号放大到适当的大小。以利于进一步处理。滤波器的作用是消除干扰信号。然后，信号送到模拟多路开关，它在计算机的控制作用下对各个模拟通道进行分时处理，将各通道信号接到后面的采样保持电路和A/D转换器。采样保持电路在规定的时刻对送来的模拟信号进行采样并在A/D转换期间保持被采样的电压不发生变化。A/D转换器在保持时间内完成模/数转换后将数字量送到计算机。采样保持电路及A/D转换的定时和控制信号均由计算机产生。计算机对A/D转换器送来的各路数字量进行各种处理计算，然后用分时方法将处理结果送到各路D/A转换器变成模拟信号去完成各种模拟控制。有时为了提高速度和精度，数据采集系统不用模拟多路转换开关，而是每条通道用一个A/D转换器。

4.1传感器的作用传感器是工业控制计算机系统的重要环

那节。如没有传感器对生产过程的原始参数进行精确可靠的测量，

么无论是信号转换，信息处理，或数据的显示与控制，都将成为一句空话。可以说，没有精确可靠的传感器就没有精确可靠的测量系统。

4.2A/D转换器的原理经过多路转换开关和采样/保持的模拟量必须被变成数字量才能送入计算机。完成这一转换任务的器件叫

简称A/D转换器。如图4是逐次逼近型A/D转做模拟/数字转换器，

换器原理图。由图4可以看出，由N位寄存器，N位D/A转换器、比

较器以及控制逻辑四部分

其工作原理：当启动组成。

信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下，首先使寄存器的DN-1=1，N位寄存器的数字量一方面作为输出用，另一方面，经D/A转换器转换成模拟量Vx后，送到比较器，在比较器中与被转换的模拟量Vx

进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进行判断。若Vx≥Vc，则保留这一位；若Vx<Vc，则DN-1=0。DN-1位比较完毕后，再对下一位DN-2进行比较，使DN-2=1，与上一位DN-1一道进入D/A转换器，转换后再

……，如此一位一位地继续下去，直到进入比较器，与Vx进行比较，

最后一位D0比较完毕为止。此时，N位寄存器中的数字量即为Vx所对应的数字量。一个N位的A/D转换器只需比较N次，即可得到结果，而计数式A/D转换器，则需要比较2N-1次。因此逐次逼近型A/D转换器速度比较快，因而得到广泛应用。

4.3D/A转换器的原理D/A转换器的作用是将数字量转换为模拟量。它实际上是一种由二进制译码控制的电流叠加电路。通常包括四个组成部分：精密的电压基准；模拟二进制数字电压（或电流）开关；产生二进制权电流或权电压的精密电阻网络；提供电压或

其原理如图5为倒T型电阻D/A转换电流输出相加的运算放大器。

器。其输出电压表达式很容易用基准电流和响应的倍数表示出来。与权电流型的D/A转换器相比，倒T型电阻D/A转换器具有电路简单、转换速度快的优点，但其转换误差较大。在实际的D/A转换器中，开关S是电子式的模拟开关。为了减小转换误差，开关必须具有导通电阻小，截止电阻大的特点。

价值工程

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