機(jī)電一體化技術(shù)與系統(tǒng) 教學(xué)課件作者 周德卿 笫6章 機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1

1、第6章 機(jī)電一體化系統(tǒng)與設(shè)計(jì) ?機(jī)電一體化技術(shù)與系統(tǒng)?機(jī)械工業(yè)出版社主編 周德卿1 第6章 機(jī)電一體化系統(tǒng)與設(shè)計(jì)6.1 機(jī)電一體化控制系統(tǒng)構(gòu)成 機(jī)電一體化控制系統(tǒng)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中最重要的部份，主要實(shí)現(xiàn)內(nèi)部和外部的各部份協(xié)調(diào)、控制及信息處理等。 應(yīng)用于不同被控對(duì)象和控制目標(biāo)的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)，在控制裝置、控制原理和控制結(jié)構(gòu)上往往有很大差異，例如全自動(dòng)洗衣機(jī)與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)是完全不同的。 全自動(dòng)洗衣機(jī)控制系根本上是個(gè)定值系統(tǒng)，即根據(jù)衣服數(shù)量、品種、臟污程度，控制器進(jìn)行定時(shí)清洗與脫水、定水量及定洗滌劑等控制，以最終自動(dòng)實(shí)現(xiàn)洗凈衣服的控制目標(biāo)。 而機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制系統(tǒng)那么是隨動(dòng)控制系統(tǒng)，即跟蹤加工零

2、件輪廊編程數(shù)值位置給定值是按零件輪廊變化的，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械零件自動(dòng)加工。但是，它們根本構(gòu)成那么是相同的，如6-1圖所示。2圖6-1 機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的根本構(gòu)成原理框圖由圖6-1可見(jiàn)，機(jī)電一體化控制系統(tǒng)是由傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)械、執(zhí)行機(jī)械和被控對(duì)象所構(gòu)成的整體。 被控對(duì)象-可以是一個(gè)過(guò)程，例如化工、冶金，紡織等生產(chǎn)過(guò)程；也可以是一臺(tái)設(shè)備如機(jī)床、機(jī)器人或一條生產(chǎn)線如飲料自動(dòng)灌裝生產(chǎn)線、數(shù)控FMS柔性加工系統(tǒng)等。 e-是給定值與傳感器檢測(cè)反響的被控參數(shù)實(shí)際值之偏差 ，該給定值可以是定值也可以如零件輪廓程序那樣是隨時(shí)間變化的數(shù)值。 u-是控制器輸出，經(jīng)轉(zhuǎn)換、放大如D/A轉(zhuǎn)換、功率放

3、大器，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制或調(diào)節(jié)被控對(duì)象的位置、速度、力矩、物理或化學(xué)參數(shù)等，從而實(shí)現(xiàn)控制的目標(biāo)。 是控制器對(duì)偏差e的比例、積分、微分校正算法。3 6.2 機(jī)電一體化控制系統(tǒng)分類1.順序控制和反響控制按在機(jī)電一體化控制系統(tǒng)控制器中是否存在被控對(duì)象狀態(tài)函數(shù)分有： 順序控制依據(jù)時(shí)間、行程、其它邏輯條件等決定被控對(duì)象運(yùn)行步驟，例如組合機(jī)床、各種自動(dòng)生產(chǎn)流水線等。 反響控制依據(jù)被控對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)、位置、物理參數(shù)等來(lái)決定被控對(duì)象的變化趨勢(shì)，一般有傳感器進(jìn)行反響的是閉環(huán)控制系統(tǒng)，如變頻空調(diào)的溫度控制。 當(dāng)空調(diào)房間受到人數(shù)的變化、散熱條件變化等外界干擾時(shí)，房間實(shí)際溫度值與設(shè)定值(例如25Co)有偏差時(shí)，空調(diào)微機(jī)

4、控制器就自動(dòng)調(diào)節(jié)供給制冷壓縮機(jī)電源的頻率，使壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化，也就改變了制冷量。此時(shí)裝于吹風(fēng)機(jī)上的溫度傳感器測(cè)量并將房間溫度變化反響至微機(jī)控制器，再與設(shè)定溫度值比較。當(dāng)溫度偏差值到達(dá)允許的范圍內(nèi)時(shí)，微機(jī)控制器保持壓縮機(jī)供電電源頻率不變，也就保持壓縮機(jī)速度不變，制冷量也維持不變，整個(gè)控制系統(tǒng)處于一個(gè)新的平衡狀態(tài)。42.定值系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和程控系統(tǒng)按系統(tǒng)輸出變化規(guī)律分類的，類型有：定值系統(tǒng)-在外界干擾下，系統(tǒng)輸出仍根本保持常量。例如加熱爐溫度定值自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖6-2a所示， 圖6-2a是原理框圖。 隨動(dòng)系統(tǒng)-系統(tǒng)輸出能適應(yīng)輸入在較大范圍內(nèi)按任意規(guī)律變化，例如數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)、坦克火控系統(tǒng)等

5、，圖6-3 示出了有位置反響能隨動(dòng)跟蹤零件輪廓的數(shù)控系統(tǒng)。 程序控制系統(tǒng)-系統(tǒng)輸出按既定程序變化，而不管外界條件是如何變化。例如由可編程控制器控制的數(shù)控沖床、高層電梯、交通指揮燈等，圖6-4所示的就是一個(gè)程序控制系統(tǒng)控制的機(jī)械零件裝配機(jī)器人。 5 圖6-2 加熱爐爐溫定值自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)a)加熱爐溫度定值自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng) b加熱爐溫度定值自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理框圖6 圖6-3 有位置反響的隨動(dòng)跟蹤零件輪廊數(shù)控系統(tǒng)圖6-4 機(jī)器人裝配機(jī)械零件程序控制系統(tǒng)7 3.連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)這是按系統(tǒng)中所處理信號(hào)的形式來(lái)分類的，類型有：連續(xù)控制系統(tǒng)-信號(hào)是以模擬量形式被處理和傳輸?shù)?，控制器采用硬件模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

6、如化工生產(chǎn)過(guò)程中各種流量、壓力、溫度、液位等自動(dòng)化儀表進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量與自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。離散控系統(tǒng)-采用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，控制器是以軟件算法為主的數(shù)字調(diào)節(jié)器。如前述的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)。 4.其它系統(tǒng)按機(jī)電一體化控制系統(tǒng)被控對(duì)象自身特性和控制算法來(lái)分類，可將控制系統(tǒng)分為線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)；確定系統(tǒng)與隨機(jī)系統(tǒng)；時(shí)變系統(tǒng)與時(shí)不變系統(tǒng)；以及自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等。如圖6-5所示的火箭發(fā)射飛行姿態(tài)控制就是一種時(shí)變與自適應(yīng)控制系統(tǒng)，因?yàn)樵诨鸺x開(kāi)地球飛向太空過(guò)程中，其所受到地心引力、空氣阻力、火箭燃料重量等參數(shù)隨時(shí)間在不斷變化，所以控制參數(shù)也要自動(dòng)調(diào)節(jié)以自動(dòng)適應(yīng)外界條件的這種變化，從而使火箭

7、飛行按預(yù)定的姿態(tài)飛行。8圖6-5 火箭發(fā)射飛行姿態(tài)控制 的時(shí)變與自適應(yīng)控制系統(tǒng)9 6.3 機(jī)電一體化控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 利用經(jīng)典控制論或現(xiàn)代控制論知識(shí)和分析工具，建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型.以單關(guān)節(jié)機(jī)械手為例： 1.數(shù)學(xué)模型的建立 圖6-7所示是簡(jiǎn)單的機(jī)械手控制系統(tǒng)模型，關(guān)節(jié)直接與直流電機(jī)連接，其轉(zhuǎn)角用光電編碼器來(lái)檢測(cè)。以下推導(dǎo)表達(dá)從控制電機(jī)的輸入電壓 u 到關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的動(dòng)態(tài)狀態(tài)方程式。 解:設(shè)臂桿繞旋轉(zhuǎn)中心P的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jp: Jp=JzmL2 式中:Jz為旋轉(zhuǎn)軸方向上繞重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，L為從P點(diǎn)到重心的距離 設(shè):直流電機(jī)本身的慣性力矩為Tm，由第2章執(zhí)行裝置與傳動(dòng)機(jī)械知識(shí),可得單關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)方程式

8、：圖 6-7 單關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)dm-關(guān)節(jié)旋軸承上的粘性磨擦系數(shù)， -單關(guān)節(jié)角加速度. -單關(guān)節(jié)角速度， Tm-電機(jī)驅(qū)動(dòng)慣性轉(zhuǎn)矩，Tm=kTi （6-2）(6-1)10 又：根據(jù)直流電機(jī)控制電路知，驅(qū)動(dòng)電流 i與控制輸入電壓 u 有以下關(guān)系電壓平衡方程式: 式中: L-電機(jī)繞阻電感，R-電機(jī)繞阻電阻，de-反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。 假設(shè) ：在式6-1、6-3中消去電機(jī)轉(zhuǎn)矩Tm，以u(píng)為輸入變量，那么關(guān)于、 、i為輸出量其中X1=,X2= ，X3=i)的狀態(tài)方程式,可以表示為:(6-5)(6-4)式中：(6-3)(6-6)此外，如果利用旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)到的單關(guān)節(jié)機(jī)械手角速度信號(hào), 那么表示輸出量y的方程式為

9、：Y=Cx C=0 1 0 (6-7)在現(xiàn)代控制論中，式(6-4)被稱為單關(guān)節(jié)機(jī)械手的線性狀態(tài)方程，而式(6-7)那么被稱為觀測(cè)方程。根據(jù)這兩個(gè)方程式可以研究單關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)的特性.112.從控制數(shù)學(xué)模型來(lái)研究系統(tǒng)特性 從以上單關(guān)節(jié)機(jī)器人數(shù)學(xué)模型看出，這是一個(gè)關(guān)于輸入單關(guān)節(jié)機(jī)器人給定旋轉(zhuǎn)角度值與控制器輸出直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)電壓值 u 的二階微分方程。從測(cè)量電機(jī)實(shí)際旋轉(zhuǎn)角速度值 ,與給定角速度值 的偏差值 e ，經(jīng)過(guò)控制器對(duì)偏差 e 進(jìn)行校正調(diào)節(jié)的運(yùn)算處理后，輸出自動(dòng)調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的電壓值 u見(jiàn)圖6-7,顯然該電壓值 u 要得到確當(dāng)?shù)脑鲆妫拍苁箚侮P(guān)節(jié)機(jī)器人以穩(wěn)、準(zhǔn)、快即以高品質(zhì)的調(diào)節(jié)特性

10、來(lái)到達(dá)單關(guān)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制目標(biāo)。1.傳遞函數(shù)根本概念 在經(jīng)典控制論中，為運(yùn)算和分析的方便,將式(6-4)方程式進(jìn)行拉普拉斯氏函數(shù)變換，即將原以時(shí)間“t 域變化的被控對(duì)象的輸出、輸入微積分方程進(jìn)行拉氏變換并相除，變?yōu)橐詮?fù)變函數(shù) “S 域變化的多項(xiàng)式方程就象用對(duì)數(shù)變換將乘、除化為加、減一樣-傳遞函數(shù)，以方便研究單關(guān)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制的特性,。121被控對(duì)象的輸入/輸出方程 設(shè): 對(duì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的控制對(duì)象，要象單關(guān)節(jié)機(jī)械手那樣得到精確的狀態(tài)描述方程式是困難的，往往采取實(shí)驗(yàn)方法。設(shè):一個(gè)被控對(duì)象Gt包含控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)和被控對(duì)象本身，為簡(jiǎn)化研究可以把系統(tǒng)控制對(duì)象整體看為一個(gè)黑盒子，輸入一個(gè)特定的信號(hào)，

11、然后看輸出信號(hào)是怎么變化的，就可間接推知被控對(duì)象特性是什么。信號(hào)傳遞過(guò)程如圖6-8所示，輸入輸出n階微分方程如式(6-8)。 圖 6-8 被控對(duì)象輸入輸出函數(shù)圖 顯然，通過(guò)求解這樣高階次微分方程，來(lái)獲得系統(tǒng)輸出信號(hào)函數(shù)的動(dòng)態(tài)特性是困難的。在經(jīng)典控制理論中一直被廣泛使用的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析設(shè)計(jì)方法-頻率法和根規(guī)跡法，并不直接求解微分方程，而是采用與微分方程有關(guān)的另一種數(shù)學(xué)模型-傳遞函數(shù)，間接地分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)響應(yīng)的影響。為此，就需要首先對(duì)式6-8式微分方程進(jìn)行拉普拉斯變換。(6-8)(mn)13有6-96-102拉普拉斯變換 微積分方程代數(shù)多項(xiàng)式方程 設(shè)以t變化的時(shí)域函數(shù)為ft以復(fù)數(shù)S變化的復(fù)域

12、函數(shù)為F(S當(dāng)t0時(shí)，ft=0；s為復(fù)變量S=+j，L為拉氏變換的運(yùn)算符號(hào)，那么定義函數(shù)ft的拉普拉斯變換式為:按此定義，對(duì)一個(gè)n階微分方程進(jìn)行拉氏變換可得到式6-8結(jié)果： 當(dāng)將式6-8兩邊的輸入n階和輸出m階微分方程進(jìn)行拉氏變換并對(duì)結(jié)果整理后，得到以下代數(shù)多項(xiàng)式6-10：14 當(dāng)將式6-8式兩邊的輸入n階和輸出m階微分方程進(jìn)行拉氏變換并對(duì)結(jié)果整理后，得到以下代數(shù)多項(xiàng)式6-11： 式(6-11)就是被控對(duì)象的傳遞函數(shù)。即線性定常系統(tǒng)在零初始條件下: 被控對(duì)象的傳遞函數(shù)=輸出量的拉氏變換式與輸入量的拉氏變換式之比可見(jiàn)，傳遞函數(shù)描述了被控制對(duì)象的輸出量對(duì)輸入量的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，用該函數(shù)可研究機(jī)電一體

13、化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。 (6-11)152.從傳遞函數(shù)研究被控對(duì)象特性的方法 根軌跡法-多項(xiàng)式分子的零點(diǎn)與分母的極點(diǎn)在S平面上的分布，來(lái)研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性； 頻率特性法-以 代換多項(xiàng)式中 S，即得頻率恃性方程式，通過(guò)繪制伯特圖看被控對(duì)象幅頻特性輸出量相對(duì)于偏差的增益幅度、相頻特性系統(tǒng)輸入偏差量與輸出量的相位差，來(lái)判斷負(fù)反響控制需以怎樣的規(guī)律去控制其增益幅度與相位差，才使系統(tǒng)到達(dá)既響應(yīng)快跟蹤、糾正偏差快、又穩(wěn)定控制增益的大小，以不發(fā)生振蕩、控制精度又高。 如圖6-9及圖6-10,就是單關(guān)節(jié)機(jī)械手在對(duì)象輸入端施加一定頻率和一定幅值函數(shù)如正弦波函數(shù)或階躍函數(shù)瞬間施加對(duì)象一個(gè)突變值時(shí)，系統(tǒng)對(duì)象輸出端幅頻與相

14、頻特性曲線及系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)特性曲線。16圖6-9 單關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)Bode圖 (KP=0為開(kāi)環(huán)控制，KP=5，10為輸出反響PID控制的情況) 17由單關(guān)節(jié)機(jī)器人幅頻特性與相頻特性見(jiàn)圖6-9、輸出反響響應(yīng)曲線，見(jiàn)圖6-10，顯然看出當(dāng)比例度Kp=5的閉環(huán)系統(tǒng)，符合以上對(duì)調(diào)節(jié)特性的要求，因?yàn)椴贿^(guò)調(diào)很快進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)值，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間約，不振蕩，也不因過(guò)阻尼而使糾正偏差的調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而當(dāng)K=0的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，顯然振蕩大，過(guò)調(diào)大，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間即到達(dá)新的隱態(tài)值時(shí)間也長(zhǎng)。圖6-10 單關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)輸出反響的響應(yīng)曲線18 6.3.3 自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制算法 1.控制算法的作用控制算法-按被控對(duì)象的控制

15、目標(biāo)要求，控制器對(duì)閉環(huán)反響控制系統(tǒng)產(chǎn)生的偏差，進(jìn)行 P.I.D 即比例、積分、微分綜合運(yùn)算的校正處理。 例如；給定單關(guān)節(jié)機(jī)械手一個(gè)運(yùn)動(dòng)的角度和角速度值 (, )此值與由光電編碼盤(pán)測(cè)量得到的反響值(、 進(jìn)行比較得到偏差值e如圖，該偏差輸入到控制器，然后控制器對(duì)此偏差通過(guò)某種最正確方式來(lái)運(yùn)算處理，從而使控制器輸出電壓值u能穩(wěn)、準(zhǔn)、快驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)到達(dá)新的位置目標(biāo)。-這就是控制系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。對(duì)定值系統(tǒng)來(lái)說(shuō)(如加熱爐溫自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)) ，控制器的 P.I.D.自動(dòng)校正調(diào)節(jié)作用是：“當(dāng)系統(tǒng)受到鼓勵(lì)時(shí)，能快速回到原來(lái)穩(wěn)定狀態(tài) 。而對(duì)隨動(dòng)跟蹤系統(tǒng)來(lái)說(shuō)如數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)械加工另件輪廓控制，控制器的 P.I.D.自動(dòng)

16、校正調(diào)節(jié)作用那么是要求“在所要求的精度范圍內(nèi)系統(tǒng)能精確穩(wěn)定的跟蹤目標(biāo)運(yùn)動(dòng)規(guī)跡。要到達(dá)這些目標(biāo)，必須在對(duì)象數(shù)學(xué)模型根底上設(shè)計(jì)控制算法，同時(shí)要設(shè)計(jì)閉環(huán)控制系統(tǒng)，并且選擇好調(diào)節(jié)參數(shù)，以使自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制穩(wěn)定。192.控制算法簡(jiǎn)介 對(duì)常見(jiàn)工業(yè)過(guò)程自動(dòng)控制如流量、壓力、溫度等的定值調(diào)節(jié)，或如數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的位置控制(零件輪廓跟蹤隨動(dòng)控制)，常用 P.I.D. 即 比例、積分，微分控制算法，并且根據(jù)被控對(duì)象不同的要求與特性，可以采取不同組合算法，例如；P、PI、PD、PID。 P-比例調(diào)節(jié)： 控制器輸出電壓 u 與偏差大小et成比例，系統(tǒng)反響快速，但有靜差。顯然，控制系統(tǒng)增益太大會(huì)產(chǎn)生振蕩。 I-積

17、分調(diào)節(jié)： 控制器輸出電壓u與偏差et隨時(shí)間的積累而增長(zhǎng)即與偏差對(duì)時(shí)間的積分成正比。偏差e不管其大小，只要存在的時(shí)間愈長(zhǎng),輸出電壓u就會(huì)愈來(lái)愈大，控制器調(diào)節(jié)作用愈強(qiáng)。顯然,控制系統(tǒng)可以做到無(wú)偏差調(diào)節(jié)。 D-微分調(diào)節(jié)： 控制器輸出電壓 u 與偏差et的變化率成正比。偏差e變化愈快，調(diào)節(jié)作用愈強(qiáng)。并且只要編差e有變化趨勢(shì)，控制器就會(huì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。顯然，控制系統(tǒng)有超前控制作用。(6-6)(6-7)(6-8)20舉例:圖6-11所示是一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的齒輪-滾珠絲杠-工作臺(tái)伺服進(jìn)給位置控制機(jī)械傳動(dòng)示意圖。圖6-12所示的是其PID控制系統(tǒng)框圖。 設(shè)：零件輪廓程序目標(biāo)角度為ct，為使工作臺(tái)產(chǎn)生一定量的線性位

18、移而要使?jié)L珠綸杠實(shí)際產(chǎn)生轉(zhuǎn)角為(t)，那么要控制工作臺(tái)位置誤差，就是要控制滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)角度誤差： rt=c(t)-(t) (t)是電機(jī)帶動(dòng)滾誅絲杠實(shí)際轉(zhuǎn)角, 由傳感器反響,角速度傳感器，傳遞函數(shù)為1/s(t)與設(shè)定值Qc(t)比較的偏差r(t),送計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行偏差的比例、積分、微分增益疊加運(yùn)算。輸出調(diào)節(jié)電壓U，通過(guò)伺服放大器與電機(jī)組成的執(zhí)行裝置來(lái)控制對(duì)象。該控制對(duì)象是一階慣性系統(tǒng)，傳遞函數(shù)G(t)見(jiàn)圖中框內(nèi)式子，(t)是電機(jī)角速度?？刂屏穗姍C(jī)的角速度，就控制了滾珠絲杠的角速度，也就控制了工作臺(tái)線性移動(dòng)的速率。伺服放大器輸出電壓u為：只要選擇適當(dāng)?shù)腒p、kD、KI增益系數(shù)，就可使該位置控

19、制系統(tǒng)到達(dá)快、準(zhǔn)、穩(wěn)的要求。圖6-11 伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的齒輪-絲杠-工作臺(tái)進(jìn)給位置控制系統(tǒng)圖6-12 閉環(huán)PID調(diào)節(jié)的位置 控制模型框圖216.3.4 模擬自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng) 圖6-13所示的是一個(gè)加熱器溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它是通過(guò)蒸汽熱交換器來(lái)控制冷流體的溫度。其輸入、輸出量是隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量，多采用模擬式工業(yè)自動(dòng)化儀表，構(gòu)成過(guò)程參數(shù)控制的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。例如DDZ-型自動(dòng)化儀表系統(tǒng)，它包括各種傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)調(diào)節(jié)伐、氣動(dòng)調(diào)節(jié)伐、液動(dòng)馬達(dá)等、顯示記錄儀及各種控制調(diào)節(jié)器等。為適應(yīng)多種對(duì)象工況，自動(dòng)調(diào)節(jié)器多設(shè)計(jì)成具有模擬綜合調(diào)節(jié)作用的模式： 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的輸出反響特性曲線，可適時(shí)調(diào)整的比例度KP

20、、積分時(shí)間Ti、微分時(shí)間TD。如果某項(xiàng)系數(shù)為零，那么無(wú)該項(xiàng)調(diào)節(jié)。圖中：T為被加熱介質(zhì)的出口溫度，是被調(diào)參數(shù)，要控制在某定值如 80。TT-溫度傳感器，TC-溫度調(diào)節(jié)器，氣動(dòng)調(diào)節(jié)伐是執(zhí)行器，換熱器是被控對(duì)象。(6-9)圖6-14 換熱器溫度控制原理方框圖226.3.5 離散型采樣數(shù)字控制系統(tǒng) 1.離散型采樣數(shù)字控制系統(tǒng)定義 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代控制論的開(kāi)展，目前自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)多采用數(shù)字計(jì)算機(jī)控制器，甚至執(zhí)行電動(dòng)機(jī)、傳感器都采用了數(shù)字運(yùn)行方式。圖6-14就是一個(gè)典型的數(shù)字采樣控制系統(tǒng)原理框圖。 如圖6-14所示rt為設(shè)定值，它與被控對(duì)象輸出的反響量bt通過(guò)比較器而產(chǎn)生的偏差值為et，這是模擬量。經(jīng)計(jì)

21、算機(jī)控制采樣開(kāi)關(guān)K1以周期T=t開(kāi)啟與閉合，將模擬量et轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字脈沖序列e(t，然后經(jīng)數(shù)字控制器的離散型采樣控制算法進(jìn)行運(yùn)算處理后，再經(jīng)保持器開(kāi)關(guān)K2這因?yàn)閿嗬m(xù)調(diào)節(jié)在不采樣時(shí)，輸出要以某種規(guī)律保持上次采樣控制的輸出輸出信號(hào)mht到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以控制被控對(duì)象。圖6-15、圖6-16和圖6-17分別示出了數(shù)字采樣控制系統(tǒng)原理圖以及數(shù)字采樣過(guò)程及數(shù)字采樣保持器作用的波形圖。 23圖6-15 數(shù)字采樣控制系統(tǒng)原理方框圖圖6-16 數(shù)字采樣過(guò)程 圖6-17 數(shù)字采樣保持器作用的原理圖 24 2.離散采樣控制系統(tǒng) P.I.D.控制算法 離散采樣控制系統(tǒng) P.I.D.控制算法公式如下： 式中：en-第

22、n次采樣偏差值； en-1-上次采樣偏差值； Cn-第n次采樣輸出控制； t-采樣周期； Kp-比例度， TI-積分時(shí)間常數(shù)； TD-微分時(shí)間常數(shù)。 比照前述模擬量 P.I.D.控制算法公式，很容易理介離散采樣控制算法公式(6-10) ： 式中第一項(xiàng)為哪一項(xiàng)偏差比例計(jì)算；中間項(xiàng)是對(duì)偏差采樣條小矩形面積求和，即偏差積分計(jì)算見(jiàn)圖6-17，第三項(xiàng)是遞推求偏差當(dāng)前值與前次采樣值的變化率即是偏差微分計(jì)算。 顯然有了以上公式，用C語(yǔ)言編制算法程序是不困難的。(6-10)256.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述6.4.1 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程 由上述各章對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)中各單元系統(tǒng)的論述，可知機(jī)電一體化產(chǎn)品是利

23、用機(jī)械傳動(dòng)、傳感器檢測(cè)、計(jì)算機(jī)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)通信等單元技術(shù)的相互交叉、融會(huì)和綜合設(shè)計(jì)的結(jié)果。因此，機(jī)電化一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)多級(jí)別、多單元技術(shù)有機(jī)的結(jié)合，要用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想綜合運(yùn)用各學(xué)科知識(shí)、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，在系統(tǒng)分析的根底上通過(guò)總體方案論證、制造設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)質(zhì)量評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)，開(kāi)發(fā)出滿足市場(chǎng)需求與設(shè)計(jì)目標(biāo)的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 概括的的說(shuō)，機(jī)電一體化系統(tǒng)的“設(shè)計(jì)就是綜合，根據(jù)一個(gè)對(duì)象、一個(gè)工程的具體控制要求和要到達(dá)的目標(biāo)，用機(jī)電一體化與控制理論等專業(yè)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合行業(yè)和國(guó)家有關(guān)法律法規(guī)進(jìn)行“綜合，這個(gè)過(guò)程稱做機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 機(jī)電一體化 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程可分為如圖6-18所示的四個(gè)階段：準(zhǔn)備階段、

24、理論設(shè)計(jì)階段、設(shè)計(jì)實(shí)施階段、設(shè)計(jì)定型階段。26 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)可分為四個(gè)階段：準(zhǔn)備階段、理論設(shè)計(jì)階段、設(shè)計(jì)實(shí)施階段、設(shè)計(jì)定型所段。1準(zhǔn)備階段 在市場(chǎng)調(diào)研和分析的根底上進(jìn)行需求抽象，確定產(chǎn)品種規(guī)格、性能指標(biāo)，然后擬定總體方案，分解功能要素和子單元模塊，進(jìn)行方案可行性論證，確定最正確總體方案，劃分各單元子模塊的目標(biāo)和設(shè)計(jì)責(zé)任人。2理論設(shè)計(jì)階段 根據(jù)設(shè)計(jì)總目標(biāo)、功能要素和功能模塊，畫(huà)出總時(shí)序流程圖和機(jī)械傳動(dòng)原理簡(jiǎn)圖；通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型或經(jīng)驗(yàn)分析判斷，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定性和定量的分析，例如對(duì)于過(guò)程控制系統(tǒng)，應(yīng)建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和控制算法；設(shè)計(jì)各功能模塊之間接口參數(shù)；編制軟件系統(tǒng)框圖；對(duì)控制系統(tǒng)各部份硬

25、件進(jìn)行選型、組配、設(shè)計(jì)；最后對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所能到達(dá)性能指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)性能價(jià)格比并進(jìn)行優(yōu)化，以期選出綜合性能最優(yōu)的設(shè)計(jì)。273產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)施階段(制造設(shè)計(jì)階段) 根據(jù)確定的總體方案和劃分的各功能單元子模塊的技術(shù)要求，進(jìn)行機(jī)械、電氣、軟件等器件與單元組件選型、進(jìn)行產(chǎn)品制造設(shè)計(jì)、采購(gòu)及樣機(jī)制造等工作，然后首先進(jìn)行各子單元裝配調(diào)試，再進(jìn)行系統(tǒng)整合裝配調(diào)試，測(cè)試整機(jī)性能指標(biāo)，驗(yàn)證產(chǎn)品樣機(jī)是否到達(dá)可使用性、可生產(chǎn)性、可維護(hù)性、平安性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)要求。4設(shè)計(jì)定型階段 對(duì)試制成功的樣機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試用、考該，并投入小批量試制，交付用戶試用。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間再綜合驗(yàn)證、評(píng)價(jià)是否到達(dá)原設(shè)計(jì)目標(biāo)

26、，否那么要改進(jìn)設(shè)計(jì)，再次進(jìn)行以上階段的循環(huán)，直到到達(dá)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的目標(biāo)。最后整理產(chǎn)品制造圖紙資料、審定產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、編制工藝文件，進(jìn)行設(shè)計(jì)定型和批量投產(chǎn)。28圖6-18 機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程29 機(jī)電一體化產(chǎn)品是對(duì)各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行綜合的產(chǎn)品，其系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案階段就成為關(guān)鍵設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。應(yīng)包含以下內(nèi)容：(1)技術(shù)資料準(zhǔn)備 搜集要開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的國(guó)內(nèi)外有關(guān)技術(shù)資料，包括現(xiàn)有同類產(chǎn)品資料、相關(guān)理論研究成果和先進(jìn)的技術(shù)資料等，通過(guò)分折比較了解該產(chǎn)品現(xiàn)在的技術(shù)開(kāi)展水平與未來(lái)的開(kāi)展趨勢(shì)。 了解所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的使用要求：包括功能、性能/價(jià)格比等方面要求。此外還應(yīng)了解產(chǎn)品極限工作環(huán)境、對(duì)用戶操作技術(shù)素質(zhì)和維修能力要求等。這是確定產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的主要依據(jù)。 了解生產(chǎn)單位的現(xiàn)有設(shè)備條件、工藝手段及生產(chǎn)根底等，作為研究具體結(jié)構(gòu)方案的重要依據(jù)，以縮短