计算机控制(第五章,开关IO,电机控制、步进电机)

第一章绪论1.计算机控制系统工作原理（图：P2 1-1b）A/D装置将模拟量转换为数字量后送入计算机处理，D/A装置将其转换为模拟量，输送到执行机构。

采样器与保持器等与A/D、D/A一起构成计算机与生产过程中之间的接口。

若被控量不是模拟量而是开关量（数字量），计算机控制系统中也需要用开关量输入输出接口进行信号的传输，而不能将过程与计算机相连。

2.计算机在控制系统中三个基本作用：实时数据处理、实施监督决策、实时控制及输出。

3.计算机控制系统的工作方式：①在线方式与离线方式生产过程和计算机系统直接相连，并接受计算机直接控制称为在线或联机方式；反之，若不相连或虽相连但过程不受计算机控制，而是靠人工进行联系并做相应操作称为离线或脱机方式。

②实时性指信号的输入、计算和输出都必须限制在一定时间范围内完成，即计算机对输入信息要以足够快的速度进行处理。

4.计算机控制系统组成功能、作用（图：P3 1-2）①主机由CPU、ROM、RAM组成，是计算机控制系统的核心。

②外设常用外部设备按功能分成输入设备、输出设备和外存储器。

③过程输入/输出接口包括模拟量和开关量两大类，是计算机与生产过程之间信息交换的桥梁。

④人机接口设备包括显示器、键盘、专用的操作显示面板或操作显示台等，供操作员与计算机进行信息交换。

⑤通信设备通过通信设备，不同地理位置、不同功能的计算机之间或计算机与设备之间可以进行信息交换。

⑥现场仪表包括检测变送仪表、执行机构等。

前者将生产过程中各种物理量转换成电信号，后者完成计算机输出控制的执行任务。

⑦系统总线分内部总线与外部总线。

内部总线在计算机各内部模块之间传送各种控制、地址与数据信号，并为各模块提供统一的电源；外部总线为计算机系统之间或计算机系统与设备之间提供数字通信。

⑧系统软件它管理计算机的内存、外设等硬件设备。

⑨应用软件是系统设计人员针对具体生产过程编制的控制和管理程序，是控制计算机在特定环境中完成某种控制功能所必需的软件。

第五章计算机控制及接口技术机电一体化系统中的计算机软、硬件占着相当重要的地位，它代表着系统的先进性和智能特性。

计算机以其运算速度快，可靠性高，价格便宜，被广泛地应用于工业、农业、国防以及日常生活的各个领域。

计算机用于机电一体化系统或工业控制是近年来发展非常迅速的领域。

例如，卫星跟踪天线的控制、电气传动装置的控制、数控机床、工业机器人的运动、力控系统、飞机、大型油轮的自动驾驶仪等等。

现在，当你走进一个自动化生产车间，将会看到许多常规的控制仪表和调节器已经被计算机所取代，计算机正在不断地监视整个生产过程，对生产中的各种参数，如温度、压力、流量、液位、转速和成分等进行采样，迅速进行复杂的数据处理、打印和显示生产工艺过程的统计数字和参数，并发出各种控制命令。

第一节概述一、计算机控制系统的组成将模拟式自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了一个典型的计算机控制系统，如图5-1所示。

因此，简单地说，计算机控制系统就是采用计算机来实现的工业自动控制系统。

图5-1 计算机控制系统基本框图在控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机的运算、逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务。

在系统中，由于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过A/D转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。

当计算机接收了给定量和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律进行运算（如PID运算），计算结果（数字信号）再经过D/A转换器，将数字信号转换成模拟控制信号输出到执行机构，便完成了对系统的控制作用。

典型的机电一体化控制系统结构可用图5-2来示意，它可分为硬件和软件两大部分。

硬件是指计算机本身及其外围设备，一般包括中央处理器、内存储器、磁盘驱动器、各种接口电路、以A/D转换和D/A转换为核心的模拟量I/O通道、数字量I/O通道以及各种显示、记录设备、运行操作台等。

（1）由中央处理器、时钟电路、内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部件，主要进行数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、越限报警等，通过接口电路向系统发出各种控制命令，指挥全系统有条不紊地协调工作。

计算机控制概要1. 引言计算机控制是指通过计算机对某一物理系统或过程进行监控和调节。

随着计算机技术的不断发展，计算机控制在各个领域中得到了广泛应用。

本文将介绍计算机控制的基本概念、原理和应用，并探讨其在工业、交通、农业和医疗等领域的重要作用。

2. 计算机控制基本概念计算机控制的基本概念包括控制对象、控制器和控制环节。

控制对象是指需要监控和调节的物理系统或过程，例如工厂中的生产线、机场的航班调度等。

控制器是指通过计算机来实现对控制对象的监控和调节。

控制环节是指控制器对控制对象进行操作的过程，可以是开关控制、调节控制等。

3. 计算机控制原理计算机控制原理包括感知、决策和执行三个基本步骤。

感知阶段通过传感器获取控制对象的状态信息，例如温度、压力、速度等。

决策阶段根据感知的数据进行分析和判断，确定需要采取的控制策略。

执行阶段将决策结果转化为控制信号，通过执行机构对控制对象进行实际控制。

4. 计算机控制技术计算机控制技术是指在计算机控制过程中所涉及的相关技术手段。

常见的计算机控制技术包括PID控制、模糊控制、神经网络控制等。

PID控制是一种基于比例、积分和微分的控制算法，通过调节这三个参数可以实现对控制对象的稳定控制。

模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，通过建立模糊规则库来实现对模糊对象的控制。

神经网络控制是一种基于人工神经网络的控制方法，通过训练网络模型来实现对控制对象的精准控制。

5. 计算机控制应用计算机控制在各个领域中都有着广泛的应用。

在工业领域，计算机控制可以实现对生产线的自动化控制，提高生产效率和质量。

在交通领域，计算机控制可以实现对交通信号灯的智能控制，优化交通流量，缓解交通拥堵问题。

在农业领域，计算机控制可以实现对温室的自动化控制，提高农作物产量和质量。

在医疗领域，计算机控制可以实现对医疗设备的精准控制，提高医疗效果和安全性。

计算机控制是一种通过计算机对物理系统或过程进行监控和调节的技术。

计算机控制系统教学大纲课程简介本课程主要针对计算机控制系统方向的学生，旨在介绍计算机控制系统的基本原理、构成、功能和应用等方面的知识，培养学生的系统化思维和解决问题的能力。

课程目标1.了解计算机控制系统的基本原理和应用；2.掌握计算机控制系统的构成、功能及其工作过程；3.能够具备计算机控制系统的调试、维护和管理等实际操作能力；4.能够独立设计计算机控制系统，并能够解决实际问题。

课程总体安排第一章计算机控制系统概述1.1 计算机控制系统简介1.2 计算机控制系统的基本构成和功能1.3 计算机控制系统的分类和工作特点第二章模拟量传感器及其检测2.1 模拟量传感器简介2.2 温度传感器2.3 压力传感器2.4 流量传感器第三章数字量传感器及其检测3.1 数字量传感器简介3.2 光电传感器3.3 声电传感器3.4 磁电传感器第四章计算机控制系统中的执行器4.1 计算机控制系统中的电机4.2 计算机控制系统中的液压执行器4.3 计算机控制系统中的气动执行器第五章计算机控制系统的控制器5.1 计算机控制系统的控制器简介5.2 单片机控制器5.3 PLC控制器第六章计算机控制系统的通信6.1 计算机控制系统中的通信协议6.2 计算机控制系统中的网络通信第七章计算机控制系统设计实践7.1 计算机控制系统设计实践概述7.2 计算机控制系统软件设计7.3 计算机控制系统硬件设计评分标准1.准确理解计算机控制系统的基本原理和应用；2.能够准确掌握计算机控制系统的构成和功能；3.能够独立设计计算机控制系统，并能够解决实际问题。

参考教材1.《自动化控制原理》，第七版，韦元宝等著，机械工业出版社；2.《自动化原理与应用》，朱少伟等著，高等教育出版社；3.《自动化控制系统》，第四版，胡寿松等著，清华大学出版社。

教学方式本课程采用课堂讲授、案例展示和实践操作相结合的方式进行教学，通过实际操作提升学生的实际应用能力。

同时，通过课外作业、小组讨论等方式提升学生的合作能力和自主学习能力。

实训名称步进电机控制一、实训目的1.掌握步进电机控制系统的接线、调试、操作二、实训设备序号名称型号与规格数量备注1实训装置THHAJS-1 12实训挂箱B10 13导线3号若干45通讯编程电缆SC-90 1 三菱6实训指导书THHAJS-1 17计算机（带编程软件） 1 自备三、面板图+四、控制要求1.总体控制要求：如面板图所示，利用可编程控制器输出信号控制步进电机运行。

2.按下“SD”启动开关，系统准备运行。

3.打开“MA”手动开关，系统进入手动控制模式，选择电机旋转方向，再按动“SE”单步按钮，步进电机运行一步。

4.关闭“MA”手动开关，系统进入自动控制模式，此时步进电机开始自动运行。

5.分别按动速度选择开关“V1”、“V2”、“V3”，步进电机运行在不同的速度段上。

6.步进电机开始运行时为正转，按动“MF”开关，步进电机反方向运行。

再按动“MZ”开关，步进电机正方向运行。

五、功能指令使用及程序流程图六、端口分配及接线图1.端口分配及功能表 序号 PLC 地址（PLC 端子）电气符号（面板端子） 功能说明1 X00 SD 启动开关2 X01 MA 手动3 X02 V1 速度14 X03 V2 速度25 X04 V3 速度36 X05 MZ 正转7 X06 MF 反转8 X07 SE 单步 9Y00 A A 相 10 Y01 B B 相 11 Y02 C C 相 12 Y03DD 相 13 面板V+ 接电源+24V电源正端 14主机COM 、COM0、COM1、COM2接电源GND电源负端2.PLC 外部接线图七、操作步骤1. 检查实训设备中器材及调试程序。

2.按照I/O端口分配表或接线图完成PLC与实训模块之间的接线，认真检查，确保正确无误。

2.打开示例程序或用户自己编写的控制程序，进行编译，有错误时根据提示信息修改，直至无误，用SC-90通讯编程电缆连接计算机串口与PLC通讯口，打开PLC主机电源开关，下载程序至PLC中，下载完毕后将PLC的“RUN/STOP”开关拨至“RUN”状态。

步进电机的控制电路和程序先看一下我们将要使用的51单片机综合学习系统能完成哪些实验与产品开发工作：分别有流水灯，数码管显示，液晶显示，按键开关，蜂鸣器奏乐，继电器控制，IIC总线，SPI总线，PS/2实验，AD模数转换，光耦实验，串口通信，红外线遥控，无线遥控，温度传感，步进电机控制等等。

上图是我们将要使用的51单片机综合学习系统硬件平台，本期实验我们用到了综合系统主机、步进电机，综合系统其它功能模块原理与使用详见前几期《电子制作》杂志及后期连载教程介绍。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。

步进电机分类与结构现在比较常用的步进电机分为三种：反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）。

本章节以反应式步进电机为例，介绍其基本原理与应用方法。

反应式步进电机可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度。

反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

常用小型步进电机的实物如图1所示。

图1步进电机实物图图2 步进电机内部图步进电机现场应用驱动电路综合系统使用的是小型步进电机，对电压和电流要求不是很高，为了说明应用原理，故采用最简单的驱动电路，目的在于验证步进电机的使用，在正式工业控制中还需在此基础上改进。

一般的驱动电路可以用图3的形式。

图3 一般驱动电路在实际应用中一般驱动路数不止一路，用上图的分立电路体积大，很多场合用现成的集成电路作为多路驱动。

微型计算机原理步进电机实验一、实验目的掌握步进电机的基本工作原理和控制方法，理解步进电机与微型计算机的接口原理。

二、实验器材1.电脑2.步进电机3.驱动器电路板4.接口电缆5.实验面包板6.杜邦线7.电源三、实验步骤1.搭建电路连接：将步进电机与驱动器电路板连接，然后将驱动器电路板与微型计算机的接口电缆连接。

2.编写控制程序：使用任何一种编程语言，编写通过微型计算机控制步进电机的程序。

3.载入程序：将编写好的控制程序载入微型计算机。

4.运行程序：执行控制程序，观察步进电机的运动情况。

四、实验内容1.观察步进电机是否正常运转。

2.改变控制程序中的参数，例如步进角度和转速，观察步进电机的运动情况。

3.尝试通过控制程序改变步进电机的运动方向。

4.尝试同时控制多个步进电机。

五、实验原理步进电机是一种能够按照指令进行旋转的电机。

它可以精确控制转动角度和转速，适用于需要精确定位的应用场景。

步进电机的控制通常使用驱动器来实现。

驱动器接受来自微型计算机的指令，然后根据指令来控制步进电机的转动。

步进电机的控制方法有多种，常见的有脉冲信号控制方法和磁场控制方法。

脉冲信号控制方法是通过给步进电机的控制端口发送不同的脉冲信号来实现转动控制；磁场控制方法是通过改变电磁铁的磁场来使步进电机转动。

在本实验中，我们使用脉冲信号控制方法来控制步进电机。

步进电机的转动是按照一定的角度来进行的，这个角度叫做步角。

步进电机通常有两种类型：单圈步进电机和多圈步进电机，它们的步角不同。

每接收到一个脉冲信号，步进电机就会转动一定的步角。

驱动器电路板通常有多个控制端口，用来接收控制信号。

控制信号可以是高电平或低电平的脉冲信号，通过给这些控制端口发送不同的脉冲信号，就可以控制步进电机的转动方向和转动步数。

六、实验问题与解答1.为什么要使用驱动器来控制步进电机？答：步进电机的控制需要精确的脉冲信号来实现转动控制，而微型计算机无法直接提供这种精确的信号。

1.计算机控制技术：设计和应用计算机控制系统的相关技术。

过程通道，人机交互技术，总线技术，过程数据处理和控制算法2计算机控制系统：以微型计算机为核心部件的自动控制系统3过程通道：在计算机和工业对象之间，必须设置信息的传递和变换装置，包括输入、输出、模拟量、开关量、脉冲量4标度变换：把模拟量过程通道采集的数字量转化为工程量，是一种过程数据处理技术5无源接点：只提供闭合和断开的两种状态信号，没有极性之分，可以互换（也叫无源开关或干接点）6有源接点：具有有电和无电的两种状态信号，有极性之分，不能反接（也叫有源开关或湿接点）7实时：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成8PID：PID调节器是按照反馈系统偏差的比例（P）和积分（I）和微分（D）进行控制的一类调节器9数字滤波：通过一定的计算或判断程序减少干扰在用信号中的比重1简要说明计算机控制系统的三个过程：实时数据采集、实时数据处理、实时输出控制2计算机控制系统的硬件有哪些环节组成？各环节的作用：硬件包括微型计算机、过程输入输出通道和接口、人机交互设备和接口、外部存储器等。

微机是微机控制系统的核心，其关键部件是CPU。

人机交互设备和接口是控制系统与操作人员之间联系的工具。

输入输出通道和接口是计算机和控制过程之间信息传递和交换的连接通道。

外部存储器主要用于存储系统大量的程序和数据3计算机控制系统有哪些类型：操作指导控制系统、连接数字控制系统、监督计算机控制系统、分布控制系统、现场总线控制系统、计算机集成制造系统4常用的工业控制机有：单片机、IPC、PLC5模拟量输出通道AO的作用是什么？它有哪些环节组成，试说明各组成环节的作用：AO作用是把计算机输出的数字信号转化为模拟信号。

D/A转换器、输出保持、多路开关、压/流（U/I）转换器。

输出保持：在下一个信号到来之前保持上一个电路处于通路状态。

多路开关：实现一到多的切换6模拟量输入通道AI的作用是什么？它有哪些环节组成，试说明各环节作用？AI作用：将现场的模拟量转化为数字量。

5控制系统序：计算机基础知识一、计算机常识（1）数字化编码数值、文字、符号、语音、图形、图像等统称数据，在计算机内部，都必须用数字化编码的形式被存储、加工和传送。

数字化编码的二要素:① 少量、简单的基本符号 ② 一定的组合规则用数字化编码以表示大量复杂多样的信息有计算机内部只使用两个基本点符号：１和０，符号个数最少，物理上容易实现，并与二值逻辑的真和假两个值对应，比较简单，且用二进制码表示数值数据运算规则简单。

（2）常用进位计数制及其相互转换•十进制数： 0～9 逢十进位 •二进制数： 0～1 逢二进位例：1101.101B 以B 结尾，表示二进制数 •十六进制数：0～9，A ～F 逢十六进位 例：0BF4H 以H 结尾，表示十六进制数表5-1 二进制、十进制和十六进制数之间的关系F H1111 B15E H 1110 B 14 D H 1101 B 13 C H 1100 B 12 B H 1011 B 11 A H 1010 B 10 9 H 1001 B 9 8 H 1000 B 8 7 H 0111 B 7 6 H 0110 B 6 5 H 0101 B 5 4 H 0100 B 4 3 H 0011 B 3 2 H 0010 B 2 1 H 0001 B 1 0 H 0000 B 0 十六进制数二进制数 十进制数①十进制转二进制方法：整数部分除2取余，除尽为止，从后往前取值即为转换结果；小数部分乘2取整，求得位数满足要求为止，从前往后取值即为转换结果。

②从二进制数求其十进制的值，逐位码权累加求和。

③从二到十六进制转换方法：从小数点向左右四位一分组（1001 1100 . 01)2 = ( 9C . 4 )160100说明：整数部分不足位数对转换无影响，小数部分不足位数要补零凑足，否则出错。

（3）逻辑型数据逻辑型数据只有两个值：真和假，正好可以用二进制码的两个符号分别表示，例如1表示真，0表示假，不必使用另外的编码规则。

武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书目录1系统设计整体思路 (1)1.1方案选择 (1)1.1.1 总思路 (1)1.1.2驱动电路选择 (1)1.1.3显示模块设计 (1)1.1.4工作状态控制模块设计 (2)1.2整体框图 (2)2硬件设计 (3)2.1单片机 (3)2.1.1 51单片机介绍 (3)2.1.2思路 (3)2.1.3连线 (4)2.2电机及其驱动模块 (4)2.2.1ULN2003a介绍 (4)2.2.2思路 (5)2.2.3连线 (5)2.3工作状态控制模块 (5)2.3.1并联电容消抖法 (5)2.3.2连线 (6)2.4工作状态显示模块 (6)2.4.1思路 (6)2.4.2连线 (6)2.5步数显示模块 (7)2.5.1LED数码管介绍 (7)2.5.2 7448介绍 (7)2.5.3思路 (8)2.5.4连线 (8)3软件设计 (8)3.1电机驱动模块 (8)3.1.1步进电机工作方式 (8)3.1.2设计说明 (10)3.2步数显示模块 (10)3.2.1设计说明 (10)3.2.2步数显示模块流程图 (11)3.3工作状态显示与输入模块 (11)3.4整体设计流程图 (12)4仿真演示 (13)5小结 (14)参考文献 (15)附录1 (16)附录2 (17)1系统设计整体思路1.1方案选择1.1.1 总思路此三相步进电机控制可以用单片机、PLC、EDA实现。

而单片机实现的步进电机控制系统具有成本低、使用灵活的特点。

步进电机是数字控制电机，将脉冲信号转换成角位移，电机的转速、停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，非超载状态下，根据上述线性关系，再加上步进电机只有周期性误差而无累积误差，因此步进电机适用于单片机控制。

此系统选用51单片机既可。

步进电机通过输入脉冲信号进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲总数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。

学习单片机必备基础：步进电动机的控制导读步进电动机是将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制电动机，这种电动机每当输入一个电脉冲就动一步，所以又称脉冲电动机。

表1 常用的步进电动机YL-236实训台的步进电动机模块介绍步进电动机及驱动器1.步进电动机采用两相永磁感应式步进电动机，步距角为1.8°，工作电流1.5A，电阻1.1Ω，电感2.2MH。

2.步进电动机驱动器驱动器为SJ-23M2，具有高频斩波、恒流驱动、抗干扰性高、5级步距角细分、输出电流可调的优点。

供电电压为24～40V。

如图1所示。

驱动器可通过拔码开关来调节细分数和相电流。

拔码开关拔向上为0，拔向下为1。

拔码开关的1、2、3位用于调节步距角，拔码开关设定的每一个值对应着一个步距角（共有0.9°、0.45°、0.225°、0.1125°、0.0625°五种）。

在允许的情况下，应尽量选高的细分数即小的步距角，以获得更精、准的定位。

拔码开关的4、5固定为1，6、7、8用于调节驱动电流。

做实验时可设为最小的驱动电流（1.7A），因为负载较小。

图1 步进电动机驱动器步进电动机驱动器的端子说明：（1）CP：由单片机输出步进脉冲传到CP，用于驱动步进电动机的运行位置和速度。

每一个步进脉冲使步进电动机转动一个步距角。

该驱动器要求CP脉冲是负脉冲，即低电平有效，脉冲宽度（即低电平的持续时间）不小于5μs。

（2）DIR：方向控制。

DIR取高电平或低电平，改变电平就改变了步进电动机的旋转方向。

注意：改变DIR电平，需在步进电动机停止后且在两个CP脉冲之间进行。

（3）FREE：脱机电平。

若FREE=1或悬空则步进电动机处于锁定或运行状态；若FREE=0，则步进电机处于脱机无力状态（此时用手能够转轴）。

（4）A、ā、B、B为驱动器输出的用于驱动步进电动机运行的电压信号。

步进电动机位移装置与及保护装置步进电动机位移装置与及保护装置如图2所示。