中國石油大學機電系統(tǒng)計算機控制(2)

1、第二章第二章 機電計算機控制系統(tǒng)的構成機電計算機控制系統(tǒng)的構成 1 1、機電系統(tǒng)的控制參數(shù)；、機電系統(tǒng)的控制參數(shù)；2 2、機電系統(tǒng)的控制結構；、機電系統(tǒng)的控制結構；3 3、機電系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)；、機電系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)；4 4、常用的控制微機；、常用的控制微機；5 5、機電系統(tǒng)的基本實現(xiàn)過程。、機電系統(tǒng)的基本實現(xiàn)過程。主要內容：主要內容：2.1 2.1 機電系統(tǒng)的控制參數(shù)機電系統(tǒng)的控制參數(shù) 在所有的機電系統(tǒng)的控制中較多的是對在所有的機電系統(tǒng)的控制中較多的是對溫度、位移、速度溫度、位移、速度（流量）、力、時間、光、聲、電（流量）、力、時間、光、聲、電等的控制。等的控制。應用較多的控制參數(shù)應用較多的控制參數(shù)

2、1 1、溫度的控制；、溫度的控制；2 2、位移、速度和加速度的控制；、位移、速度和加速度的控制；3 3、力的控制；、力的控制；4 4、流量的控制；、流量的控制；5 5、液位的控制、液位的控制一、傳感器一、傳感器機電系統(tǒng)的基本控制結構主要由三部分組成，即機電系統(tǒng)的基本控制結構主要由三部分組成，即傳感器、傳感器、控制單元和執(zhí)行機構控制單元和執(zhí)行機構。 2.2 2.2 機電系統(tǒng)的控制結構機電系統(tǒng)的控制結構 傳感器即測量元件，是控制機械系統(tǒng)的重要組成部分，它傳感器即測量元件，是控制機械系統(tǒng)的重要組成部分，它以以被測參數(shù)被測參數(shù)為輸入信號，并把它們變換成便于后面使用的為輸入信號，并把它們變換成便于后面使

3、用的輸出信號。輸出信號。 1 1、溫度測量元件、溫度測量元件 溫度測量元件是利用物體的某些物理量溫度測量元件是利用物體的某些物理量( (如幾何尺寸、壓如幾何尺寸、壓力、電阻、熱電勢、輻射強度等力、電阻、熱電勢、輻射強度等) )隨溫度的變化而變化的隨溫度的變化而變化的特性來測量溫度的。如熱電阻特性來測量溫度的。如熱電阻 、熱電偶等。、熱電偶等。2 2、壓力測量元件、壓力測量元件在機電系統(tǒng)的控制中壓力測量元件多數(shù)是由在機電系統(tǒng)的控制中壓力測量元件多數(shù)是由彈性元件和電彈性元件和電感或電容組合感或電容組合成電氣式壓力變換器。如壓電式、電容式、成電氣式壓力變換器。如壓電式、電容式、電感式傳感器等；電感式

4、傳感器等；3 3、流量測量元件、流量測量元件流量是指單位時間通過管道橫截面的流體量。按工作原理流量是指單位時間通過管道橫截面的流體量。按工作原理分為速度式、容積式、壓差式、電磁式、超聲波式等。分為速度式、容積式、壓差式、電磁式、超聲波式等。 4 4、厚度測量元件、厚度測量元件電容式、超聲波式、射線式；電容式、超聲波式、射線式；5 5、數(shù)字測量元件、數(shù)字測量元件編碼器、光電碼盤、接近開關等。編碼器、光電碼盤、接近開關等。其它測量元件還有濕度、水分、光、磁性、氣體、轉速、其它測量元件還有濕度、水分、光、磁性、氣體、轉速、加速度、振動傳感器等。加速度、振動傳感器等。 二、控制單元二、控制單元 1 1

5、、繼電器組成的控制單元、繼電器組成的控制單元繼電器組成的控制單元主要由中間繼電器、時間繼電器和具繼電器組成的控制單元主要由中間繼電器、時間繼電器和具有記憶功能的保持繼電器等組成。有記憶功能的保持繼電器等組成。 2 2、液壓元件組成的控制單元、液壓元件組成的控制單元液壓元件組成的控制單元主要是通過各種控制閥，對運動液壓元件組成的控制單元主要是通過各種控制閥，對運動方向、流量和壓力等進行控制。液壓元件能夠完成非常精方向、流量和壓力等進行控制。液壓元件能夠完成非常精確的控制，與電器結合起來就可實現(xiàn)復雜邏輯的控制。確的控制，與電器結合起來就可實現(xiàn)復雜邏輯的控制。 3 3、氣壓元件組成的控制、氣壓元件組

6、成的控制單元單元 氣壓控制單元是通過氣動控制閥，對流量、運動方向和氣壓控制單元是通過氣動控制閥，對流量、運動方向和壓力進行控制，完成比例、積分、比例積分、比例微分壓力進行控制，完成比例、積分、比例積分、比例微分等調節(jié)。等調節(jié)。 4 4、計算機控制單元、計算機控制單元 現(xiàn)代的高性能、高可靠性、低成本的微型計算機同現(xiàn)代控現(xiàn)代的高性能、高可靠性、低成本的微型計算機同現(xiàn)代控制理論、伺服技術等結合在一起，組成了強有力的計算機制理論、伺服技術等結合在一起，組成了強有力的計算機控制機電系統(tǒng)，幾乎完全取代了傳統(tǒng)的繼電器和分立元件控制機電系統(tǒng)，幾乎完全取代了傳統(tǒng)的繼電器和分立元件控制系統(tǒng)，極大地增加了系統(tǒng)功能，

7、減小了系統(tǒng)的體積。控制系統(tǒng)，極大地增加了系統(tǒng)功能，減小了系統(tǒng)的體積。 三、執(zhí)行機構三、執(zhí)行機構 機電控制系統(tǒng)中帶動被控對象按輸入信號規(guī)律運動的部件機電控制系統(tǒng)中帶動被控對象按輸入信號規(guī)律運動的部件稱機電系統(tǒng)控制的執(zhí)行機構，它是系統(tǒng)中將電能或液壓能稱機電系統(tǒng)控制的執(zhí)行機構，它是系統(tǒng)中將電能或液壓能轉化成機械能的動力傳動裝置。轉化成機械能的動力傳動裝置。 常用的執(zhí)行元件通常有三大類：常用的執(zhí)行元件通常有三大類：電動類；液動類；氣動類；電動類；液動類；氣動類；1 1、電動類：、電動類：直流伺服電機、交流伺服電機、直流力矩電直流伺服電機、交流伺服電機、直流力矩電動機、步進電動機動機、步進電動機( (用

8、于數(shù)字控制系統(tǒng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)) )等。等。直流伺服電動機也稱直流電馬達，它在機電系統(tǒng)的控制中直流伺服電動機也稱直流電馬達，它在機電系統(tǒng)的控制中得到了廣泛應用。得到了廣泛應用。優(yōu)點：優(yōu)點：直流伺服電動機具有起動轉矩較大，調速范圍較廣，直流伺服電動機具有起動轉矩較大，調速范圍較廣，機械性能的線性度好，便于控制等優(yōu)點。機械性能的線性度好，便于控制等優(yōu)點。 不足：不足：直流伺服電動機在低速運轉時直流伺服電動機在低速運轉時( (如幾轉如幾轉/ /分或幾十轉分或幾十轉/ /分分) )，其轉速在一周內會出現(xiàn)時快、時慢，甚至出現(xiàn)步進的，其轉速在一周內會出現(xiàn)時快、時慢，甚至出現(xiàn)步進的現(xiàn)象?，F(xiàn)象。直流力矩電動機

9、的轉速很低，轉矩較大，它與被控對象之直流力矩電動機的轉速很低，轉矩較大，它與被控對象之間不需要減速器，可以直接推動被控對象運動。間不需要減速器，可以直接推動被控對象運動。 交流伺服電動機無整流子與電刷、摩擦力矩小、易維護、交流伺服電動機無整流子與電刷、摩擦力矩小、易維護、堅固耐用。堅固耐用。 步進電機和一般電機的區(qū)別是控制信號為幅值恒定的電脈步進電機和一般電機的區(qū)別是控制信號為幅值恒定的電脈沖，而不是幅值變化的連續(xù)信號。步進電動機的功能是每沖，而不是幅值變化的連續(xù)信號。步進電動機的功能是每給一個電脈沖，電動機就前進一步，即轉動一個角度。給一個電脈沖，電動機就前進一步，即轉動一個角度。 2 2、

10、液壓類：、液壓類：液壓執(zhí)行裝置包括油缸和油馬達，它們是將液液壓執(zhí)行裝置包括油缸和油馬達，它們是將液壓能轉化成機械能的裝置。壓能轉化成機械能的裝置。 油缸按結構形式分為活塞缸、柱塞缸和擺動缸三大類。活油缸按結構形式分為活塞缸、柱塞缸和擺動缸三大類?；钊缀椭讓崿F(xiàn)往復直線運動，輸出推力和速度，擺動塞缸和柱塞缸實現(xiàn)往復直線運動，輸出推力和速度，擺動缸實現(xiàn)往復擺動，輸出轉矩和角速度。缸實現(xiàn)往復擺動，輸出轉矩和角速度。 油馬達輸出扭矩和角速度，實現(xiàn)連續(xù)的回轉運動。油馬達輸出扭矩和角速度，實現(xiàn)連續(xù)的回轉運動。 3 3、氣動類：、氣動類：氣動執(zhí)行元件是以壓縮空氣為工作介質，并氣動執(zhí)行元件是以壓縮空氣為工

11、作介質，并將氣體的壓力能轉化為機械能，產生機械運動的裝置。將氣體的壓力能轉化為機械能，產生機械運動的裝置。 2.3 2.3 機電系統(tǒng)計算機控制環(huán)節(jié)機電系統(tǒng)計算機控制環(huán)節(jié) 靈活性好、實時性好、存儲能力強、邏輯運算能力強、精靈活性好、實時性好、存儲能力強、邏輯運算能力強、精度高、穩(wěn)定性好等。度高、穩(wěn)定性好等。1 1、計算機控制單元、計算機控制單元2 2、輸入輸出接口與過程通道、輸入輸出接口與過程通道 輸入通道是將被控對象上的模擬信號和開關信號轉變成數(shù)輸入通道是將被控對象上的模擬信號和開關信號轉變成數(shù)字量的各種電路和設備的總稱。字量的各種電路和設備的總稱。 常見的輸入通道有模擬量輸入通道和數(shù)字量輸入

12、通道。常見的輸入通道有模擬量輸入通道和數(shù)字量輸入通道。 1 1）模擬量輸入通道：調理電路、采樣保持電路、）模擬量輸入通道：調理電路、采樣保持電路、ADAD轉換電轉換電路。路。2 2）開關量輸入通道：光電隔離。）開關量輸入通道：光電隔離。 輸出通道則是將計算機輸出的數(shù)字量變?yōu)楸豢貙ο笾休敵鐾ǖ绖t是將計算機輸出的數(shù)字量變?yōu)楸豢貙ο笾懈鞣N模擬信號和開關信號的電路與設備的總和。各種模擬信號和開關信號的電路與設備的總和。 常見的輸出通道包括模擬量輸出通道和開關量輸出通道。常見的輸出通道包括模擬量輸出通道和開關量輸出通道。 1 1）模擬量輸出通道）模擬量輸出通道2 2）開關量輸出通道）開關量輸出通道 一、

13、可編程序控制器一、可編程序控制器(PLC) (PLC) 機電系統(tǒng)控制計算機可以分成可編程序控制器機電系統(tǒng)控制計算機可以分成可編程序控制器PLCPLC、單、單片機、片機、STDSTD總線工業(yè)控制計算機、工業(yè)總線工業(yè)控制計算機、工業(yè)PC(IPC)PC(IPC)等。等。 2.4 2.4 幾種常見的機電系統(tǒng)控制微機幾種常見的機電系統(tǒng)控制微機 可編程控制器是一種專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的可編程控制器是一種專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)。數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)。 PLCPLC的功能：的功能： (1) (1) 條件控制和步進控制條件控制和步進控制。 (2) (2) 定時和計數(shù)控制。定時

14、和計數(shù)控制。 (3) (3) 數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理。 STD STD總線最早由總線最早由PRO-LOGPRO-LOG公司在公司在19781978年推出，正式標準年推出，正式標準為為IEEE961IEEE961標準。標準。 (4) (4) 智能組件。智能組件。 (5) (5) 通信和聯(lián)網通信和聯(lián)網 實現(xiàn)實現(xiàn)A/DA/D、D/AD/A轉換，完成對模擬量的控制和調節(jié)。轉換，完成對模擬量的控制和調節(jié)。 二、二、STDSTD總線工業(yè)控制計算機總線工業(yè)控制計算機特點特點 1 1、小板結構，高度的模塊化。機械強度、抗斷裂、抗振動、小板結構，高度的模塊化。機械強度、抗斷裂、抗振動、抗衰老和抗干擾等方面具有優(yōu)越性

15、?？顾ダ虾涂垢蓴_等方面具有優(yōu)越性。 2 2、嚴格的標準化，廣泛的兼容性。、嚴格的標準化，廣泛的兼容性。3 3、面向、面向I/OI/O設計，非常適合工業(yè)控制應用。設計，非常適合工業(yè)控制應用。 STDSTD總線有強總線有強大的大的I/OI/O擴展能力。擴展能力。 4 4、可靠性高、可靠性高 STDSTD總線采用了固化操作系統(tǒng)和各種軟件及總線采用了固化操作系統(tǒng)和各種軟件及WatchdogWatchdog等等系統(tǒng)支持功能與措施，并配有掉電保護的系統(tǒng)支持功能與措施，并配有掉電保護的RAMRAM板。板。 三、工業(yè)三、工業(yè)PC(IPC) PC(IPC) 對對PCPC的改進：的改進： 取消大底板；取消大底板；

16、 增加帶過濾器的強力風扇和正壓機箱，加強散熱，增加增加帶過濾器的強力風扇和正壓機箱，加強散熱，增加系統(tǒng)抵抗粉塵的能力；系統(tǒng)抵抗粉塵的能力； 1.1.由于取消大底板，把擴充總線變成一條十幾槽的總線插由于取消大底板，把擴充總線變成一條十幾槽的總線插槽，大大提高了可插入板的數(shù)目。槽，大大提高了可插入板的數(shù)目。 IPCIPC特點特點: : 軟件支撐特別豐富。軟件支撐特別豐富。 CPUCPU功能強，升級容易。功能強，升級容易。 聯(lián)網極為方便。聯(lián)網極為方便。 四、單片微控制器四、單片微控制器 單片微控制器即單片機（單片微控制器即單片機（MPUMPU），將多種硬件都集中到），將多種硬件都集中到一塊板上，如可

17、集成一塊板上，如可集成CPUCPU、RAMRAM、ROMROM、CT/TMCT/TM、I/OI/O、A/DA/D、D/AD/A等硬件，并可固化操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序、高級語言等。等硬件，并可固化操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序、高級語言等。 一設計過程一設計過程 1. 1. 控制任務調研。控制任務調研。 2. 2. 控制計算機選型，硬件電路設計。控制計算機選型，硬件電路設計。 3. 3. 控制軟件設計、編碼、調試。控制軟件設計、編碼、調試。 4. 4. 硬件、軟件的實驗室調試。硬件、軟件的實驗室調試。 5. 5. 現(xiàn)場調試?，F(xiàn)場調試。2.5 2.5 機電計算機控制系統(tǒng)的基本實現(xiàn)過程機電計算機控制系統(tǒng)的基本實現(xiàn)過

18、程1. 1. 控制任務調研控制任務調研 被控制機械系統(tǒng)的工作過程及特點。被控制機械系統(tǒng)的工作過程及特點。 確定開關量，模擬量的輸入、輸出點數(shù)。確定開關量，模擬量的輸入、輸出點數(shù)。 明確控制技術指標、精度。明確控制技術指標、精度。 了解現(xiàn)場應用環(huán)境。了解現(xiàn)場應用環(huán)境。2.2.計算機選型，硬件電路設計計算機選型，硬件電路設計 傳感器選擇，元器件選擇：傳感器選擇，元器件選擇： 傳感器的性能、傳感器的量程、傳感傳感器的性能、傳感器的量程、傳感 器的工作器的工作環(huán)境。環(huán)境。 計算機選型：計算機選型： 小型小型 單片機單片機 ； 中型中型 PLC PLC ； 大型大型 PLC PLC、工控、工控、DCSDCS。 計算機配置：計算機配置： 開關量、模擬量、脈沖量、數(shù)字量、開關量、模擬量、脈沖量、數(shù)字量、 輸入輸出的點數(shù)。輸入輸出的點數(shù)。注意：設計時留有余量。注意：設計時留有余量。3. 3. 控制軟件設計控制軟件設