中國石油大學(xué)機(jī)電系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制(2)

1、第二章第二章 機(jī)電計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成機(jī)電計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成 1 1、機(jī)電系統(tǒng)的控制參數(shù)；、機(jī)電系統(tǒng)的控制參數(shù)；2 2、機(jī)電系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)；、機(jī)電系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)；3 3、機(jī)電系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)；、機(jī)電系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)；4 4、常用的控制微機(jī)；、常用的控制微機(jī)；5 5、機(jī)電系統(tǒng)的基本實(shí)現(xiàn)過程。、機(jī)電系統(tǒng)的基本實(shí)現(xiàn)過程。主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：2.1 2.1 機(jī)電系統(tǒng)的控制參數(shù)機(jī)電系統(tǒng)的控制參數(shù) 在所有的機(jī)電系統(tǒng)的控制中較多的是對(duì)在所有的機(jī)電系統(tǒng)的控制中較多的是對(duì)溫度、位移、速度溫度、位移、速度（流量）、力、時(shí)間、光、聲、電（流量）、力、時(shí)間、光、聲、電等的控制。等的控制。應(yīng)用較多的控制參數(shù)應(yīng)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(jī)電系統(tǒng)的基本控制結(jié)構(gòu)主要由三部分組成，即機(jī)電系統(tǒng)的基本控制結(jié)構(gòu)主要由三部分組成，即傳感器、傳感器、控制單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 2.2 2.2 機(jī)電系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)機(jī)電系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu) 傳感器即測量元件，是控制機(jī)械系統(tǒng)的重要組成部分，它傳感器即測量元件，是控制機(jī)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(hào)，并把它們變換成便于后面使用的為輸入信號(hào)，并把它們變換成便于后面使

3、用的輸出信號(hào)。輸出信號(hào)。 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(qiáng)度等力、電阻、熱電勢、輻射強(qiáng)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(jī)電系統(tǒng)的控制中壓力測量元件多數(shù)是由在機(jī)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(shí)間通過管道橫截面的流體量。按工作原理流量是指單位時(shí)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(guān)等。編碼器、光電碼盤、接近開關(guān)等。其它測量元件還有濕度、水分、光、磁性、氣體、轉(zhuǎn)速、其它測量元件還有濕度、水分、光、磁性、氣體、轉(zhuǎn)速、加速度、振動(dòng)傳感器等。加速度、振動(dòng)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(shí)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(shí)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(duì)運(yùn)動(dòng)液壓元件組成的控制單元主要是通過各種控制閥，對(duì)運(yùn)動(dòng)方向、流量和壓力等進(jìn)行控制。液壓元件能夠完成非常精方向、流量和壓力等進(jìn)行控制。液壓元件能夠完成非常精確的控制，與電器結(jié)合起來就可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邏輯的控制。確的控制，與電器結(jié)合起來就可實(shí)現(xiàn)復(fù)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(dòng)控制閥，對(duì)流量、運(yùn)動(dòng)方向和氣壓控制單元是通過氣動(dòng)控制閥，對(duì)流量、運(yùn)動(dòng)方向和壓力進(jìn)行控制，完成比例、積分、比例積分、比例微分壓力進(jìn)行控制，完成比例、積分、比例積分、比例微分等調(diào)節(jié)。等調(diào)節(jié)。 4 4、計(jì)算機(jī)控制單元、計(jì)算機(jī)控制單元 現(xiàn)代的高性能、高可靠性、低成本的微型計(jì)算機(jī)同現(xiàn)代控現(xiàn)代的高性能、高可靠性、低成本的微型計(jì)算機(jī)同現(xiàn)代控制理論、伺服技術(shù)等結(jié)合在一起，組成了強(qiáng)有力的計(jì)算機(jī)制理論、伺服技術(shù)等結(jié)合在一起，組成了強(qiáng)有力的計(jì)算機(jī)控制機(jī)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(jī)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?？刂葡到y(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(jī)構(gòu)三、執(zhí)行機(jī)構(gòu) 機(jī)電控制系統(tǒng)中帶動(dòng)被控對(duì)象按輸入信號(hào)規(guī)律運(yùn)動(dòng)的部件機(jī)電控制系統(tǒng)中帶動(dòng)被控對(duì)象按輸入信號(hào)規(guī)律運(yùn)動(dòng)的部件稱機(jī)電系統(tǒng)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它是系統(tǒng)中將電能或液壓能稱機(jī)電系統(tǒng)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它是系統(tǒng)中將電能或液壓能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的動(dòng)力傳動(dòng)裝置。轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的動(dòng)力傳動(dòng)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(dòng)類；液動(dòng)類；氣動(dòng)類；電動(dòng)類；液動(dòng)類；氣動(dòng)類；1 1、電動(dòng)類：、電動(dòng)類：直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)、直流力矩電直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)、直流力矩電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)( (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(dòng)機(jī)也稱直流電馬達(dá)，它在機(jī)電系統(tǒng)的控制中直流伺服電動(dòng)機(jī)也稱直流電馬達(dá)，它在機(jī)電系統(tǒng)的控制中得到了廣泛應(yīng)用。得到了廣泛應(yīng)用。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：直流伺服電動(dòng)機(jī)具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，調(diào)速范圍較廣，直流伺服電動(dòng)機(jī)具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，調(diào)速范圍較廣，機(jī)械性能的線性度好，便于控制等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械性能的線性度好，便于控制等優(yōu)點(diǎn)。 不足：不足：直流伺服電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)直流伺服電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)( (如幾轉(zhuǎn)如幾轉(zhuǎn)/ /分或幾十轉(zhuǎn)分或幾十轉(zhuǎn)/ /分分) )，其轉(zhuǎn)速在一周內(nèi)會(huì)出現(xiàn)時(shí)快、時(shí)慢，甚至出現(xiàn)步進(jìn)的，其轉(zhuǎn)速在一周內(nèi)會(huì)出現(xiàn)時(shí)快、時(shí)慢，甚至出現(xiàn)步進(jìn)的現(xiàn)象?，F(xiàn)象。直流力矩電動(dòng)機(jī)

9、的轉(zhuǎn)速很低，轉(zhuǎn)矩較大，它與被控對(duì)象之直流力矩電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速很低，轉(zhuǎn)矩較大，它與被控對(duì)象之間不需要減速器，可以直接推動(dòng)被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)。間不需要減速器，可以直接推動(dòng)被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)。 交流伺服電動(dòng)機(jī)無整流子與電刷、摩擦力矩小、易維護(hù)、交流伺服電動(dòng)機(jī)無整流子與電刷、摩擦力矩小、易維護(hù)、堅(jiān)固耐用。堅(jiān)固耐用。 步進(jìn)電機(jī)和一般電機(jī)的區(qū)別是控制信號(hào)為幅值恒定的電脈步進(jìn)電機(jī)和一般電機(jī)的區(qū)別是控制信號(hào)為幅值恒定的電脈沖，而不是幅值變化的連續(xù)信號(hào)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功能是每沖，而不是幅值變化的連續(xù)信號(hào)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功能是每給一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)就前進(jìn)一步，即轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。給一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)就前進(jìn)一步，即轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(dá)，它們是將液液壓執(zhí)行裝置包括油缸和油馬達(dá)，它們是將液壓能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的裝置。壓能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的裝置。 油缸按結(jié)構(gòu)形式分為活塞缸、柱塞缸和擺動(dòng)缸三大類。活油缸按結(jié)構(gòu)形式分為活塞缸、柱塞缸和擺動(dòng)缸三大類?；钊缀椭讓?shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，輸出推力和速度，擺動(dòng)塞缸和柱塞缸實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，輸出推力和速度，擺動(dòng)缸實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動(dòng)，輸出轉(zhuǎn)矩和角速度。缸實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動(dòng)，輸出轉(zhuǎn)矩和角速度。 油馬達(dá)輸出扭矩和角速度，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。油馬達(dá)輸出扭矩和角速度，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 3 3、氣動(dòng)類：、氣動(dòng)類：氣動(dòng)執(zhí)行元件是以壓縮空氣為工作介質(zhì)，并氣動(dòng)執(zhí)行元件是以壓縮空氣為工

11、作介質(zhì)，并將氣體的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置。將氣體的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置。 2.3 2.3 機(jī)電系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制環(huán)節(jié)機(jī)電系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制環(huán)節(jié) 靈活性好、實(shí)時(shí)性好、存儲(chǔ)能力強(qiáng)、邏輯運(yùn)算能力強(qiáng)、精靈活性好、實(shí)時(shí)性好、存儲(chǔ)能力強(qiáng)、邏輯運(yùn)算能力強(qiáng)、精度高、穩(wěn)定性好等。度高、穩(wěn)定性好等。1 1、計(jì)算機(jī)控制單元、計(jì)算機(jī)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(duì)象上的模擬信號(hào)和開關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)輸入通道是將被控對(duì)象上的模擬信號(hào)和開關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字量的各種電路和設(shè)備的總稱。字量的各種電路和設(shè)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(diào)理電路、采樣保持電路、）模擬量輸入通道：調(diào)理電路、采樣保持電路、ADAD轉(zhuǎn)換電轉(zhuǎn)換電路。路。2 2）開關(guān)量輸入通道：光電隔離。）開關(guān)量輸入通道：光電隔離。 輸出通道則是將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量變?yōu)楸豢貙?duì)象中輸出通道則是將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量變?yōu)楸豢貙?duì)象中各種模擬信號(hào)和開關(guān)信號(hào)的電路與設(shè)備的總和。各種模擬信號(hào)和開關(guān)信號(hào)的電路與設(shè)備的總和。 常見的輸出通道包括模擬量輸出通道和開關(guān)量輸出通道。常見的輸出通道包括模擬量輸出通道和開關(guān)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(guān)量輸出通道）開關(guān)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(jī)電系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)可以分成可編程序控制器機(jī)電系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)可以分成可編程序控制器PLCPLC、單、單片機(jī)、片機(jī)、STDSTD總線工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、工業(yè)總線工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、工業(yè)PC(IPC)PC(IPC)等。等。 2.4 2.4 幾種常見的機(jī)電系統(tǒng)控制微機(jī)幾種常見的機(jī)電系統(tǒng)控制微機(jī) 可編程控制器是一種專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的可編程控制器是一種專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。數(shù)字運(yùn)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(jìn)控制條件控制和步進(jìn)控制。 (2) (2) 定時(shí)和計(jì)數(shù)控制。定時(shí)

14、和計(jì)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(biāo)準(zhǔn)年推出，正式標(biāo)準(zhǔn)為為IEEE961IEEE961標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)。 (4) (4) 智能組件。智能組件。 (5) (5) 通信和聯(lián)網(wǎng)通信和聯(lián)網(wǎng) 實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)A/DA/D、D/AD/A轉(zhuǎn)換，完成對(duì)模擬量的控制和調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)換，完成對(duì)模擬量的控制和調(diào)節(jié)。 二、二、STDSTD總線工業(yè)控制計(jì)算機(jī)總線工業(yè)控制計(jì)算機(jī)特點(diǎn)特點(diǎn) 1 1、小板結(jié)構(gòu)，高度的模塊化。機(jī)械強(qiáng)度、抗斷裂、抗振動(dòng)、小板結(jié)構(gòu)，高度的模塊化。機(jī)械強(qiáng)度、抗斷裂、抗振動(dòng)、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(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)化，廣泛的兼容性。、嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)化，廣泛的兼容性。3 3、面向、面向I/OI/O設(shè)計(jì)，非常適合工業(yè)控制應(yīng)用。設(shè)計(jì)，非常適合工業(yè)控制應(yīng)用。 STDSTD總線有強(qiáng)總線有強(qiáng)大的大的I/OI/O擴(kuò)展能力。擴(kuò)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(hù)的系統(tǒng)支持功能與措施，并配有掉電保護(hù)的RAMRAM板。板。 三、工業(yè)三、工業(yè)PC(IPC) PC(IPC) 對(duì)對(duì)PCPC的改進(jìn)：的改進(jìn)： 取消大底板；取消大底板；

16、 增加帶過濾器的強(qiáng)力風(fēng)扇和正壓機(jī)箱，加強(qiáng)散熱，增加增加帶過濾器的強(qiáng)力風(fēng)扇和正壓機(jī)箱，加強(qiáng)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(kuò)充總線變成一條十幾槽的總線插由于取消大底板，把擴(kuò)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(diǎn)特點(diǎn): : 軟件支撐特別豐富。軟件支撐特別豐富。 CPUCPU功能強(qiáng)，升級(jí)容易。功能強(qiáng)，升級(jí)容易。 聯(lián)網(wǎng)極為方便。聯(lián)網(wǎng)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(jī)（單片微控制器即單片機(jī)（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(jí)語言等。等硬件，并可固化操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序、高級(jí)語言等。 一設(shè)計(jì)過程一設(shè)計(jì)過程 1. 1. 控制任務(wù)調(diào)研。控制任務(wù)調(diào)研。 2. 2. 控制計(jì)算機(jī)選型，硬件電路設(shè)計(jì)。控制計(jì)算機(jī)選型，硬件電路設(shè)計(jì)。 3. 3. 控制軟件設(shè)計(jì)、編碼、調(diào)試?？刂栖浖O(shè)計(jì)、編碼、調(diào)試。 4. 4. 硬件、軟件的實(shí)驗(yàn)室調(diào)試。硬件、軟件的實(shí)驗(yàn)室調(diào)試。 5. 5. 現(xiàn)場調(diào)試?，F(xiàn)場調(diào)試。2.5 2.5 機(jī)電計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本實(shí)現(xiàn)過程機(jī)電計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本實(shí)現(xiàn)過

18、程1. 1. 控制任務(wù)調(diào)研控制任務(wù)調(diào)研 被控制機(jī)械系統(tǒng)的工作過程及特點(diǎn)。被控制機(jī)械系統(tǒng)的工作過程及特點(diǎn)。 確定開關(guān)量，模擬量的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)。確定開關(guān)量，模擬量的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)。 明確控制技術(shù)指標(biāo)、精度。明確控制技術(shù)指標(biāo)、精度。 了解現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境。了解現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境。2.2.計(jì)算機(jī)選型，硬件電路設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)選型，硬件電路設(shè)計(jì) 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(jì)算機(jī)選型：計(jì)算機(jī)選型： 小型小型 單片機(jī)單片機(jī) ； 中型中型 PLC PLC ； 大型大型 PLC PLC、工控、工控、DCSDCS。 計(jì)算機(jī)配置：計(jì)算機(jī)配置： 開關(guān)量、模擬量、脈沖量、數(shù)字量、開關(guān)量、模擬量、脈沖量、數(shù)字量、 輸入輸出的點(diǎn)數(shù)。輸入輸出的點(diǎn)數(shù)。注意：設(shè)計(jì)時(shí)留有余量。注意：設(shè)計(jì)時(shí)留有余量。3. 3. 控制軟件設(shè)計(jì)控制軟件設(shè)