国产PLC在机械自动化的控制作用

PLC的信号主要有模拟及数字信号组成

1、输入生产过程检测信号有两大类

一类是电压或电流模拟信号:另一类是开关量或数字脉冲量 。开关量 、脉冲量都属于数字信号。

2、数字量及模拟量

数字量，是二进制编码的离散量，指得是分散开来的、不存在中间值的量。 打个比方，一个开关所能够取的值是离散的，只能是开或者关，不存在中间的情况。但是音量旋钮的取值是连续的，在最大和最小之间有无数种取值。比如12%的音量，13%的音量，或者12.5%的音量。

数字量（离散量）是与模拟量（连续量）相对应的。后者常见于自然世界中，并且用一般的数学方法就可以进行分析。而数字量则用于计算机处理的信息中。因为计算机的基本工作状态只有0和1两种，并且数字计算机系统对外界信息的采样也不可能是严格连续的，必然是在一个周期内只完成一次采样，故此数字系统中处理的都是数字量。并且，数字量不能完全依靠普通的数学方法进行分析，对他的分析有专门的数学方法，对各种信号的分类应从时间和从幅值上分类，

3、从时间上分，信号分为：

①、连续时间信号:时间轴上任何时候都存在的信号

②、离散时间信号：时间轴上断续出现的信号

4、从幅值上分，信号分为

①、模拟量：幅值连续变化，可取任意值的信号

②、离散量：具有最小量化单位的模拟量。也就是只能取离散值的信号

③、数字量：对离散量进行二进制编码，这个编码才是严格意义上的数字量连续量可以等同模拟量,但数字量不可以等同离散量,因为数字量只有0,1两个状态量,而离散量可以有无限多个量,如1,3,5,43,等.离散量包括数字量.

5、模拟量，开关量，数字量的区分

①、开关量：为通断信号，无源信号，电阻测试法为电阻0或无穷大； 也可以是有源信号，专业叫法是阶跃信号，就是0或1，可以理解成脉冲量；

②、数字量：有0和1组成的信号类型，通常是经过编码后的有规律的信号。和模拟量的关系是量化后的模拟量；

③、模拟量：连续的电压，电流等信号量，模拟信号是幅度随时间连续变化的信号，其经过抽样和量化后就是数字量；

④、脉冲量：在瞬间电压或电流由某一值跃变到另一值的信号量。在量化后，其连续规律的变化就是数字量，如果其由0变成某一固定值并保持不变，其就是开关量。

6、在PLC中数字量与开关量划为一类：

①、对于开关量元件，通常分为无源元件和有源元件两大类，如按钮开关、行程开关、位置开关、干簧管为无源元件，采用这类输入元件时，使用外接24V直流电源。光敏类接近开关和磁敏类接近开关属于有源元件，当然也要接电源。

在选用开关量输入时注意：有源元器件的输出的电压应符合开关量的工作的电压的范围之内。注意电源的极性。开关量输入的响应时间应与开关的动作频率相适应。限制同时接通的接点数，因为过热会导致内部元件过早的损坏。

②、开关量3种输出形式：晶体管，继电器，晶闸管（可控硅）。晶体管的负载能力最小，用于直流输出负载，PLC通常每点为0.5A。ON响应时间在0.1到1.5ms范围内。OFF响应时间在0.3到2ms范围内。不同的负载有不同的电源接法，不同的晶体管输出电路有PNP输出和NPN输出之分。继电器触点输出方式 即可用于直流、又可交流，有很大的负载能力，一般3-5A。但继电器输出不宜用在频繁动作的场合，反应速度相对其他形式慢些。当负载为感性负载时，应采用浪涌吸收器。（电阻，电容串联电路就是最基本的浪涌吸收器），不同类型的负载有不同的电源，限制同时接通的接点数。晶闸管用于交流输出负载，晶闸管响应也很快，ON响应时间在1到2ms范围内。OFF响应时间为1/2负载频率+1ms或更小，一般为10ms。（摘自 杨公源主编的 可编程控制器PLC原理与应用）

③、模拟量信号有有很多如电流、电压、温度、流量、压力、转速、湿度、亮度、液位、酸碱度、位移等，对于PLC主要使用的是电流、电压。（电流0-20mA,4-20mA,-10-10mA,直流电压0-10V,-10-10V,0-5V等）。最常用的是4-20mA,0-10V，这些信号常用于远距离传输。电压信号在传输过程中要受到诸如传输距离等条件的限制，而电流信号在传输过程中干扰对它的影响较小，因此应尽量采用电流信号。不过电压信号可以经由A/D转换器件转换成数字信号然后采集，但是电流不能直接由Ａ/Ｄ 转换器转换。在应用中，先将电流转变成电压信号，然后进行转换。

7、模拟量电流信号为什么要取4-20mA？

①、 电流信号抗干扰能力好，可以传输比较远。双芯1平方的导线100M才3.4欧，和负载电阻250欧或500欧比较可以忽略；

②、接250欧或500欧采样电阻，很容易得到1-5V或2-10V信号；

③、电流很小，可以直接接采样电阻，功耗小，简化了采样电路；

④、4mA作为零点可以区分是信号为0，还是信号断开没有输出；

⑤、把不同的传感器的0点和满量程都设置为同样的信号，这样过去的模拟调节仪表才不用考虑其输入信号该是什么，输出该是什么模拟量输入在过程控制中的应用很广，如温度、压力、速度、流量、酸碱度、位移的各种工业检测都是对应于电压、电流的模拟量值，再通过一定运算(PID)后，控制生产过程达到一定的目的。模拟量输入电平大多是从传感器通过变换后得到的。模拟量输入单元的作用是把现场连续变化的模拟量标准信号转换成PLC内部处理的、由若干位表示的数字信号。模拟量输入单元一般由滤波、A/D转换器、光耦合器隔离等部分组成。模拟量输出作用是把PLC运算处理后的若干位数字量信号转换成相应的模拟量信号然后输出，以满足生产过程现场连续信号的控制要求。模拟量输出单元一般由光耦合器隔离、D/A转换器和信号转换等部分组成。模拟量输出模块是将中央处理器的二进制数字信号转换成4～20 mA的电流输出信号或0～10 V、0～5 V的电压输出信号，以提供给执行机构。因此模拟量输出模块又叫D/A转换输出模块。

8、模拟量控制单元的性能主要由A/D、D/A转换器决定

A/D转换是指将模拟输入信号转换成N位二进制数字输出信号的过程。伴随半导题技术、数字信号处理技术及通信技术的飞速发展，A/D转换器近年也呈现高速发展的趋势。人类数字化的浪潮推动了A/D转换器不断变革，现在，在通信产品、消费类产品、工业医疗仪器乃至军工产品中无一不显现A/D转换器的身影，可以说，A/D转换器已经成为人类实现数字化的先锋。自1973年第一只集成A/D转换器问世至今，A/D、D/A转换器在加工工艺、精度、采样速率上都有长足发展，现在的A/D转换器的精度可达26位，采样速度可达1GSPS，今后的A/D转换器将向超高速、超高精度、集成化、单片化发展。不管怎么发展，A/D转换的原理和作用都是不变的。

A/D转换技术现在的软件无线电、数字图像采集都需要有高速的A/D采样保证有效性和精度，一般的测控系统也希望在精度上有所突破，人类数字化的浪潮推动了A/D转换器不断变革，而A/D转换器是人类实现数字化的先锋。A/D转换器发展了30多年，经历了多次的技术革新，从并行、逐次逼近型、积分型ADC，到近年来新发展起来的∑-Δ型和流水线型ADC，它们各有其优缺点，能满足不同的应用场合的使用。

逐次逼近型、积分型、压频变换型等，主要应用于中速或较低速、中等精度的数据采集和智能仪器中。分级型和流水线型ADC主要应用于高速情况下的瞬态信号处理、快速波形存储与记录、高速数据采集、视频信号量化及高速数字通讯技术等领域。此外，采用脉动型和折叠型等结构的高速ADC，可应用于广播卫星中的基带解调等方面。∑-Δ型ADC主应用于高精度数据采集特别是数字音响系统、多媒体、地震勘探仪器、声纳等电子测量领域。下面对各种类型的ADC作简要介绍。

①、  逐次逼近型ADC是应用非常广泛的模/数转换方法，它包括1个比较器、1个数模转换器、1个逐次逼近寄存器（SAR）和1个逻辑控制单元。它是将采样输入信号与已知电压不断进行比较，1个时钟周期完成1位转换，N位转换需要N个时钟周期，转换完成，输出二进制数。这一类型ADC的分辨率和采样速率是相互矛盾的，分辨率低时采样速率较高，要提高分辨率，采样速率就会受到限制。

优点：分辨率低于12位时，价格较低，采样速率可达1MSPS；与其它ADC相比，功耗相当低。

缺点：在高于14位分辨率情况下，价格较高；传感器产生的信号在进行模/数转换之前需要进行调理，包括增益级和滤波，这样会明显增加成本。

②、积分型ADC又称为双斜率或多斜率ADC，它的应用也比较广泛。它由1个带有输入切换开关的模拟积分器、1个比较器和1个计数单元构成，通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。与此同时，在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现A/D转换。积分型ADC两次积分的时间都是利用同一个时钟发生器和计数器来确定，因此所得到的D表达式与时钟频率无关，其转换精度只取决于参考电压VR。此外，由于输入端采用了积分器，所以对交流噪声的干扰有很强的抑制能力。能够抑制高频噪声和固定的低频干扰（如50Hz或60Hz），适合在嘈杂的工业环境中使用。这类ADC主要应用于低速、精密测量等领域，如数字电压表。

优点：分辨率高，可达22位；功耗低、成本低。

缺点：转换速率低，转换速率在12位时为100～300SPS。

③、并行比较A/D转换器

并行比较ADC主要特点是速度快，它是所有的A/D转换器中速度最快的，现代发展的高速ADC大多采用这种结构，采样速率能达到1GSPS以上。但受到功率和体积的限制，并行比较ADC的分辨率难以做的很高。这种结构的ADC所有位的转换同时完成，其转换时间主取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。增加输出代码对转换时间的影响较小，但随着分辨率的提高，需要高密度的模拟设计以实现转换所必需的数量很大的精密分压电阻和比较器电路。输出数字增加一位，精密电阻数量就要增加一倍，比较器也近似增加一倍。并行比较ADC的分辨率受管芯尺寸、输入电容、功率等限制。结果重复的并联比较器如果精度不匹配，还会造成静态误差，如会使输入失调电压增大。同时，这一类型的ADC由于比较器的亚稳压、编码气泡，还会产生离散的、不精确的输出，即所谓的“火花码”。

优点：模/数转换速度最高。

缺点：分辨率不高，功耗大，成本高。

④、压频变换型ADC

压频变换型ADC是间接型ADC，它先将输入模拟信号的电压转换成频率与其成正比的脉冲信号，然后在固定的时间间隔内对此脉冲信号进行计数，计数结果即为正比于输入模拟电压信号的数字量。从理论上讲，这种ADC的分辨率可以无限增加，只要采用时间长到满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度即可。

优点：精度高、价格较低、功耗较低。

缺点：类似于积分型ADC，其转换速率受到限制，12位时为100～300SPS。

⑤、∑-Δ型ADC

∑-Δ转换器又称为过采样转换器，它采用增量编码方式即根据前一量值与后一量值的差值的大小来进行量化编码。∑-Δ型ADC包括模拟∑-Δ调制器和数字抽取滤波器。∑-Δ调制器主要完成信号抽样及增量编码，它给数字抽取滤波器提供增量编码即∑-Δ码；数字抽取滤波器完成对∑-Δ码的抽取滤波，把增量编码转换成高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。因此抽取滤波器实际上相当于一个码型变换器。

优点：分辨率较高，高达24位；转换速率高，高于积分型和压频变换型ADC；价格低；内部利用高倍频过采样技术，实现了数字滤波，降低了对传感器信号进行滤波的要求。

缺点：高速∑-△型ADC的价格较高；在转换速率相同的条件下，比积分型和逐次逼近型ADC的功耗高。

⑥、流水线型ADC

流水线结构ADC，又称为子区式ADC，它是一种高效和强大的模数转换器。它能够提供高速、高分辨率的模数转换，并且具有令人满意的低功率消耗和很小的芯片尺寸；经过合理的设计，还可以提供优异的动态特性。

流水线型ADC由若干级级联电路组成，每一级包括一个采样/保持放大器、一个低分辨率的ADC和DAC以及一个求和电路，其中求和电路还包括可提供增益的级间放大器。快速精确的n位转换器分成两段以上的子区（流水线）来完成。首级电路的采样/保持器对输入信号取样后先由一个m位分辨率粗A/D转换器对输入进行量化，接着用一个至少n位精度的乘积型数模转换器（MDAC）产生一个对应于量化结果的模/拟电平并送至求和电路，求和电路从输入信号中扣除此模拟电平。并将差值精确放大某一固定增益后关交下一级电路处理。经过各级这样的处理后，最后由一个较高精度的K位细A/D转换器对残余信号进行转换。将上述各级粗、细A/D的输出组合起来即构成高精度的n位输出。

优点：有良好的线性和低失调；可以同时对多个采样进行处理，有较高的信号处理速度，典型的为Tconv<100ns；低功率；高精度；高分辨率；可以简化电路。

缺点：基准电路和偏置结构过于复杂；输入信号需要经过特殊处理，以便穿过数级电路造成流水延迟；对锁存定时的要求严格；对电路工艺要求很高，电路板上设计得不合理会影响增益的线性、失调及其它参数。

目前，这种新型的ADC结构主要应用于对THD和SFDR及其它频域特性要求较高的通讯系统，对噪声、带宽和瞬态相应速度等时域特性要求较高的CCD成像系统，对时域和频域参数都要求较高的数据采集系统。

9、确定A/D转换器件

在确定设计方案后，首先需要明确A/D转换的需要的指标要求，包括数据精度、采样速率、信号范围等等。

①、确定A/D转换器的位数

在选择A/D器件之前，需要明确设计所要达到的精度。精度是反映转换器的实际输出接近理想输出的精确程度的物理量。在转化过程中，由于存在量化误差和系统误差，精度会有所损失。其中量化误差对于精度的影响是可计算的，它主要决定于A/D转换器件的位数。A/D转换器件的位数可以用分辨率来表示。一般把8位以下的A/D转换器称为低分辨率ADC，9~12位称为中分辨率ADC，13位以上为高分辨率。A/D器件的位数越高，分辨率越高，量化误差越小，能达到的精度越高。理论上可以通过增加A/D器件的位数，无止境提高系统的精度。但事实并非如此，由于A/D前端的电路也会有误差，它也同样制约着系统的精度。

比如，用A/D采集传感器提供的信号，传感器的精度会制约A/D采样的精度，经A/D采集后信号的精度不可能超过传感器输出信号的精度。设计时应当综合考虑系统需要的精度以及前端信号的精度。

②、选择A/D转换器的转换速率

在不同的应用场合，对转换速率的要求是不同的，在相同的场合，精度要求不同，采样速率也会不同。采样速率主要由采样定理决定。确定了应用场合，就可以根据采集信号对象的特性，利用采样定理计算采样速率。如果采用数字滤波技术，还必须进行过采样，提高采样速率。

③、判断是否需要采样/保持器

采样/保持器主要用于稳定信号量，实现平顶抽样。对于高频信号的采集，采样/保持器是非常必要的。如果采集直流或者低频信号，可以不需要采样保持器。

④、选择合适的量程

模拟信号的动态范围较大，有时还有可能出现负电压。在选择时，待测信号的动态范围最好在A/D器件的量程范围内。以减少额外的硬件付出。

⑤、选择合适的线形度

在A/D采集过程中，线形度越高越好。但是线形度越高，器件的价格也越高。当然，也可以通过软件补偿来减少非线性的影响。所以在设计时要综合考虑精度、价格、软件实现难度等因素。

过程控制系统process control systems

以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。一般的过程控制系统通常采用反馈控制的形式，这是过程控制的主要方式。

过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。20世纪50年代，过程控制主要用于使生产过程中的一些参量保持不变，从而保证产量和质量稳定。60年代，随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现，过程控制已开始过渡到集中监视、操作和控制。70年代，出现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的多级计算机控制系统。80年代，过程控制系统开始与过程信息系统相结合，具有更多的功能。

10、PID

目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能 控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接 口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、 变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器 （仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。 可编程控制器(PLC) 是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。还有可以实现 PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。

①、开环控制系统

开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。

②、闭环控制系统

闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系 统给定值信号相反，则称为负反馈( Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈 的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。

③、阶跃响应

阶跃响应是指将一个阶跃输入（step function）加到系统上时，系统的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字 来描述。稳是指系统的稳定性(stability)，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控 制精度，通常用稳态误差来(Steady-state error)描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。

④、PID控制的原理和特点

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它 以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。

比例（P）控制

比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。

积分（I）控制

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积 分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳 态误差。

微分（D）控制

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能 够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在 调节过程中的动态特性。

⑤、PID控制器的参数整定

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被 控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是 依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主 要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应 曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需 要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡， 记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。

对于温度系统：P（%）20--60，I（分）3--10，D（分）0.5--3

对于流量系统：P（%）40--100，I（分）0.1--1

对于压力系统：P（%）30--70，I（分）0.4--3

对于液位系统：P（%）20--80，I（分）1--5

参数整定找最佳，从小到大顺序查

先是比例后积分，最后再把微分加

曲线振荡很频繁，比例度盘要放大

曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳

曲线偏离回复慢，积分时间往下降

曲线波动周期长，积分时间再加长

曲线振荡频率快，先把微分降下来

动差大来波动慢。微分时间应加长

理想曲线两个波，前高后低4比1

一看二调多分析，调节质量不会低

⑥、PID与自适应PID的区别：

在生产过程中为了提高产品质量，增加产量，节约原材料，要求生产管理及生产过程始终处于最优工作状态。因此产生了一种最优控制的方法，这就叫自适应控制。在这种控制中要求系统能够根据被测参数，环境及原材料的成本的变化而自动对系统进行调节，使系统随时处于最佳状态。自适应控制包括性能估计（辨别）、决策和修改三个环节。它是微机控制系统的发展方向。但由于控制规律难以掌握，所以推广起来尚有一些难以解决的问题。数字信号情况只有2种:电平信号与脉冲信号，一般都是高电平代表1，低电平代表0，输出时或高或低，图像上是方波。脉冲信号就是一个个的脉冲电流，图像上可以是方波，也可以是锯齿波等。脉冲信号是以电信号的突变来表示信号的（电压或电流的由低变高或是由高变低，当然也可以电磁的变化）。

11、PLC对于脉冲的控制:高速计数器输入,高速脉冲输出,PWM控制。

高速计数器应用还是很多的，如纤维设备、防止机械等主轴控制，建材制造机器、石材切割机等搬运定位。

高速计数器顾名思义是用来对较高频率的信号计数的计数器。这是和普通计数器比较而言的，普通计数器的工作受扫描频率的限制，只能对低于扫描频率的信号计数。这对于许多工业控制计数场合是不能胜任的。PLC的高速计数器分为三种：

a、单相单计数输入高速计数器；

b、单相双计数输入高速计数器；

c、双相双计数输入高速计数器.

软高速计数器有两种工作方式。第一种利用自身触点的动作为信号，和普通32位增减计数器一样，在增计数到达设定值时，触点动作并保持，在做减计数达到设定值时(如触点已置位)触点复位。这种方式的缺点是控制受扫描周期的影响。高速计数器的第二种工作方式为中断方式，不受扫描周期的影响。这需使用高速计数器的专用指令。普通计数器工作时，一般是达到设定值，其触电动作，再通过程序安排其触电实现对其他器件的控制。高速计数器除了普通计数器的这一工作方式外，可不通过本身的触电，以中断工作方式直接完成对其他器件的控制。从计数器的工作要求来说，高速计数器的工作设置比较灵活。高速计数器除了具有普通计数器通过软件完成启动、复位、使用特殊辅助继电器改变计数方向等功能外，还可通过机外信号实现对其工作状态的控制，如启动、复位、改变计数方向等。一般高速计数器均为 32 位加减计数器。最高计数频率一般可达到 10KHz 。

由于待计量的高频信号都是来自机外，可编程控制器都设有专门的输入端子及控制端子。一般是在输入口中设置一些带有特殊功能的端子，它们即可完成普通端子的功能，又能接受高频信号。

12、CPU芯片的中断服务

PLC 所需执行的工作复杂众多， 有用户程序要解析， I/O 状态要抓取或更新， 有通讯断口要服务， 但CPU 只有一个， 故人一个时间只能执行一项工作， 因此PLC 只能按照顺序将上述所有的工作由第一项开始逐一地执行到最后一项位置，再循环回到第一项工作重复同样的工作循环，这样周而复始地作扫描（ Scan）服务工作，每一项工作在一次扫描循环中都被执行一次， 每一次被执行的间隔时间即所谓PLC 的扫描时间（ Scan Time）。因为CPU 的工作速度和人类的反应相比， 可以说是极端快速的， 上述庞大的工作量通常在数毫秒到数十毫秒（mS） 就可以完成， 因此就人类的感觉， PLC 几乎是在同一时间完成所有工作， 而能达到实用的控制效果。对于大部分的应用，上述按照顺序扫描的控制方式都已经足够了，但对某些需要高速反应的应用场合（ 例如定位控制… 等）， 扫描时间的延时即代表误差的扩大， 其反应时间甚至要求到微妙（ uS） 的速度， 才能达到精度要求。在这种情况下， 只有利用中断（ Interrupt）功能才能达到。所谓中断是指PLC 在平常按照顺序执行的扫描循环中， 当有需要立即反应的需求发生时， 马上对CPU 发出中断要求（ Interrupt Request）；CPU 在收到中断要求后， 立即停止其正在执行的扫描工作， 优先地去执行该中断要求所指定的服务工作； 等该服务工作完成后，再回到刚才被中断的地方（ 称为中断返回： Return f rom Interrupt， 简称RTI）， 继续执行未完成的扫描工作。上述所谓的“ 中断要求所指定的服务工作”，即所谓“ 中断服务程序”。它是由一连串在中断发生时“ 所需要执行动作的梯形图程序” 所组成的副程序。放在副程序区， 并用其中断信号名称为它的标记（ LABEL） 名称。因为其放置在副程序区， 故在正常的PLC 扫描循环中是不会被执行到（ PLC 只扫描主程序区， 不扫描副程序区）。虽然CPU 能在中断要求发生时， 在数十秒内立即去执行对应的控制动作， 但当中断输入不只1 个时（ PLC 通常会有多个中断）， 只有在其所对应的中断发生时， 才会跳入执行， 因为CPU 任一个时间只能执行一次动作， 因此同样的问题仍将出现， 必须等一个中断服务程序执行完毕后，才能执行下一个中断服务程序；这样可能造成数百微妙甚至毫秒的反应延时，因此在多重中断输入结构时，会将各个中断输入按照其重要性给予其不同的中断优先顺序。当PLC 接受某一个中断要求而正执行该中断的服务程序的当时， 如果有另一个中断要求发生， 而且其优先顺序低于正在执行的中断， CPU 将不理会该中断， 必须等CPU 执行完副程序返回后才会接受， 但其优先顺序高于正在执行的， CPU 将立即停止其正在执行的中断服务程序的执行，而立即跳入该更高优先级中断的中断服务程序去执行， 等其完成后， 再回到刚才被中断的较低优先级服务程序中去继续完成未完成的工作,， 这种中断执行中又被中断的情形称为巢式中断）一般PLC 软件计数器的计数频率只能达到数十Hz（ 视扫描时间而定）， 如果超过将产生漏数甚至完全无法计数， 此时必须使用高速计数器才能胜任。PLC 的高速计数器一般有两种， 一为使用专用硬件电路作成的硬件高速计数器， 另一种是利用计数脉冲正/负缘变化时发生

中断， 而由CPU 来判断加减， 来做计数的软件高速计数器,一般都为32 位高速计数器。

13、使用高速计数器

一般来说高速计数器被用作驱动鼓形计时器设备该设备有一个安装了增量轴式编码器的轴以恒定的速度转动轴式编码器每圈提供一个确定的计数值和一个复位脉冲来自轴式编码器的时钟和复位脉冲做为高速计数器的输入高速计数器装入一组预置值中的第一个值当前计数值小于当前预置值时希望的输出有效计数器设置成在当前值等于预置值和有复位时产生中断 随着每次当前计数值等于预置值的中断事件的出现一个新的预置值被装入并重新设置下一个输出状态当出现复位中断事件时设置第一个预置值和第一个输出状态这个循环又重新开始 由于中断事件产生的速率远低于高速计数器的计数速率用高速计数器可实现精确控制而与 PLC 整个扫描周期的关系不大采用中断的方法允许在简单的状态控制中用独立的中断程序装入一个新的预置值这样使得程序简单直接并容易读懂当然也可以在一个中断程序中处理所有的中断事件。

高速脉冲两种脉冲输出类型：双脉冲或脉冲/ 方向，用于控制步进电机或伺服电机,实现定位任务。

PLC发送脉冲有两种方法：

①、在程序流程中由程序控制产生脉冲；

②、由专用部件产生高速脉冲。前者和扫描周期有关，后者只是按要求设置好工作方式后启动就可以了，运行过程可以不干预，不受PLC扫描周期的影响。

14、脉宽调制的基本原理及其应用实例

脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

①、模拟电路

模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在{0V, 5V}这一集合中取值。

模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。

②、数字控制

通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。

简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。大多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10Hz。设想一下如果灯泡先接通5秒再断开5秒，然后再接通、再断开。占空比仍然是50%，但灯泡在头5秒钟内将点亮，在下一个5秒钟内将熄灭。要让灯泡取得4.5V电压的供电效果，通断循环周期与负载对开关状态变化的响应时间相比必须足够短。要想取得调光灯(但保持点亮)的效果，必须提高调制频率。在其他PWM应用场合也有同样的要求。通常调制频率为1kHz到200kHz之间。

15、硬件控制器

许多微控制器内部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67内含两个PWM控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作：

a、设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期

b、在PWM控制寄存器中设置接通时间

c、 设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚

d、启动定时器

e、使能PWM控制器

虽然具体的PWM控制器在编程细节上会有所不同，但它们的基本思想通常是相同的。

16、通信与控制

PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。

对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。

PWM广泛应用在多种系统中。作为一个具体的例子，我们来考察一种用PWM控制的制动器。简单地说，制动器是紧夹住某种东西的一种装置。许多制动器使用模拟输入信号来控制夹紧压力(或制动功率)的大小。加在制动器上的电压或电流越大，制动器产生的压力就越大。

可以将PWM控制器的输出连接到电源与制动器之间的一个开关。要产生更大的制动功率，只需通过软件加大PWM输出的占空比就可以了。如果要产生一个特定大小的制动压力，需要通过测量来确定占空比和压力之间的数学关系(所得的公式或查找表经过变换可用于控制温度、表面磨损等等)。

例如，假设要将制动器上的压力设定为100psi，软件将作一次反向查找，以确定产生这个大小的压力的占空比应该是多少。然后再将PWM占空比设置为这个新值，制动器就可以相应地进行响应了。如果系统中有一个传感器，则可以通过闭环控制来调节占空比，直到精确产生所需的压力。

总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。

17、运动控制技术

①、运动控制主要用于机械传动装置的计算机控制，对机械传动装置中电机的位置、速度进行实时的控制管理，使运动部件按照预期的轨迹和规定运动参数完成相应的动作。

②、运动控制技术包括轨迹控制、伺服控制两大基本技术。是计算机、微电子、传感器与测试、自动控制、电力电子和机电一体化等技术综合应用的产物。

③、所谓运动控制器，就是利用高性能微处理器（如DSP）及大规模可编程器件实现多个伺服电机的多轴协调控制，具体就是将实现运动控制的底层软件和硬件集成在一起，使其具有伺服电机控制所需的各种速度、位置控制功能。这些功能能通过计算机方便地调用。

④、传统的机电装置是如何实现运动控制的

　　显然，传统的机电装置也有运动控制的问题，但是在传统的机电装置中，实现运动控制的功能需要针对具体的装置设计专用的硬件和软件，通用性不强。作为开发者而言，需要花大量时间研制底层的电机控制电路和软件，开发效率低。

⑤、运动控制技术的产生原因

　　随着自动化技术的发展，为实现计算机控制的设备轨迹运动，伺服电机控制装置（步进、交流、直流）已越来越多地用于工业自动化设备的控制。过去这类伺服电机控制装置的制造一直为少数大公司所垄断。由于各公司的控制策略不同，造成各公司的数控设备开放性差，升级、扩展和维护困难。随着CNC技术更多地进入分布式控制系统和FMS，这种相对封闭的数控系统构成方式已不能适应用户对设备开放性、互换性和扩展性方面的需要，运动控制技术就是在这种情况下为解决这些问题而提出的。

⑥、应用运动控制器有什么优越性

　　运动控制器为实现运动控制提供了一个基础平台，在这个平台上可以方便地实现对多个电机的控制。作为机电新产品的开发者，要做的主要工作一是进行方案设计，二是控制器、电机等硬件的系统集成，三是编制应用程序，给运动控制器发送相应的速度、位置指令，实现机电装置所需要的运动功能。这样，有了运动控制器，开发者不再需要进行复杂的硬件和控制算法设计，而可以把精力集中在上层的管理软件和机械结构的设计上。所以，使用运动控制器开发新产品时具有高的效率。

由于开放式控制系统结构灵活，可利用第三方的软硬件技术，其开发和更新换代的速度非常迅速，有取代传统式控制系统的趋势。

⑦、为什么说运动控制器是计算机与和伺服电机之间的桥梁

　　PC+运动控制器+伺服电机"的开放式结构是机电产品的发展方向，在这种结构中，计算机（PC）的主要功能是根据具体装置的运动控制类型，优化指令形式，属于上层控制，其软件是通用的。而伺服电机是主要的执行部件，具体完成运动控制。运动控制器就是根据上层计算机给出的指令，结合具体的伺服系统类型，将其指令转化为伺服电机的运动。所以运动控制器是计算机与伺服电机的连接桥梁。

⑧、用运动控制器开发机电控制装置的工作步骤

a、需要确定方案，根据装置的运动和力学要求进行计算，确定伺服电机、减速器、位置检测装置的类型和规格。

b、选择合适的MC系列运动控制器，通常根据伺服电机、编码器类型和数量进行选择。

c、开发应用程序，根据装置在工作时的运动轨迹和速度、位置等运动参数，通过对运动控制器API函数的调用实现所需的运动要求。

⑨、运动控制器的应用领域

　　运动控制器是军民用机电一体化产品与系统中的关键部件，可以说有伺服电机的场合就需要运动控制器。它可以直接用于电子机械设备、机器人、数控机床、医疗设备、液压控制设备、印刷机械等设备上。特别是最适用于非标准设备的快速开发，具有非常好的发展和经济效益前景。