機(jī)電一體化第9章匯編

1、 第9章 機(jī)電一體化系統(tǒng)(xtng)應(yīng)用實例分析china_54 共五十五頁知識點(diǎn)： 模糊(m hu)洗衣機(jī)設(shè)計 變頻空調(diào)器設(shè)計 GPS智能交通指揮系統(tǒng)設(shè)計工程機(jī)械的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)china_54 共五十五頁本章(bn zhn)導(dǎo)讀 機(jī)電體化技術(shù)從系統(tǒng)工程觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)用機(jī)械、微電子技術(shù)等有關(guān)技術(shù)，使機(jī)械、電子有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)系統(tǒng)或產(chǎn)品整體最優(yōu)的綜合性技術(shù)。機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計是按機(jī)電一體化思想、原理和方法進(jìn)行的機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計，它是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要綜合應(yīng)用各項共性關(guān)鍵技術(shù)才能(cinng)完成。china_54 共五十五頁9.1 模糊控制洗衣機(jī)設(shè)計(shj)模糊洗衣機(jī)是一種智能型的洗衣機(jī)，

2、它和傳統(tǒng)的洗衣機(jī)相比，是一種全新的家用電器。傳統(tǒng)的全自動洗衣機(jī)有兩種，一種是機(jī)械(jxi)控制式，一種是單片機(jī)控制式。china_54 共五十五頁9.1.1模糊控制洗衣機(jī)系統(tǒng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計用MC6805R3控制的模糊洗衣機(jī)和傳統(tǒng)的洗衣機(jī)有很大的區(qū)別，它能自動識別衣質(zhì)、衣量、自動識別骯臟程度，自動決定水量、自動投入恰當(dāng)?shù)南礈靹?，從而全部自動地完成整個洗滌過程。由于洗滌程序是通過模糊推理而決定的，故有著(yu zhe)極高的洗滌效能。china_54 共五十五頁圖9-2 單片機(jī)控制的邏輯(lu j)結(jié)構(gòu) china_54 共五十五頁1）電源電路電源電路由變壓器TF、橋式整流器、濾波電容和集成穩(wěn)壓

3、電路7805組成。2）洗衣機(jī)狀態(tài)(zhungti)檢測電路狀態(tài)檢測電路一共有7個。3）顯示電路4）輸出控制電路輸出控制電路由觸發(fā)電路和相應(yīng)的雙向晶間管組成；控制電路一共有5路。 china_54 共五十五頁9.1.2 模糊洗衣機(jī)的物理量檢測方法1渾濁度的檢測衣物的臟污程度(chngd)、骯臟性質(zhì)和洗凈程度(chngd)等都需要檢測，以便進(jìn)行工作過程的整定和控制。渾濁度的檢測是采用紅外光電傳感器來完成的。利用紅外線在水中的透光率和時間的關(guān)系，通過模糊推理，以得出檢測的結(jié)果，而這個結(jié)果就可以用于控制推理。 china_54 共五十五頁圖9-3 混濁度檢測(jin c)原理china_54 共五十五

4、頁圖9-4 洗滌過程(guchng)中透光度變化情況 china_54 共五十五頁2布量和布質(zhì)的檢測布量和布質(zhì)的檢測是在洗滌之前進(jìn)行的。在水位為一定的時候，布量和布質(zhì)的不同就會產(chǎn)生不同的布阻抗。通過給定(i dn)一定的水位，然后在這個給定(i dn)水位的條件下使方電機(jī)進(jìn)行間斷旋轉(zhuǎn)，則不同布阻抗就會使主電機(jī)制動的性能不同，利用主電機(jī)在不同布阻抗時的制動特性就可以推斷出布質(zhì)和布量。 china_54 共五十五頁圖9-5 布量與布阻抗(zkng)關(guān)系曲線圖china_54 共五十五頁3水溫檢測水溫檢測由溫度檢測器MTSl02執(zhí)行。由于MTSl02有線性度好，對溫度敏感等特點(diǎn)，故采用它對常溫檢測有

5、較大的優(yōu)點(diǎn)(yudin)。在電路中，采用兩個運(yùn)算放大器對MTSl02的輸出信號進(jìn)行處理，一個用于隔離阻抗，一個用信號放大。 china_54 共五十五頁9.1.3 模糊洗衣機(jī)的模糊推理在模糊洗衣機(jī)中，渾濁度、布質(zhì)、布量等都是通過對現(xiàn)行狀態(tài)的檢測，再通過模糊推理得出(d ch)的。在模糊推理中，需要考慮推理的前件和后件，也即是推理的輸入條件和輸出結(jié)果，在模糊洗衣機(jī)中，主要是要考慮布質(zhì)、布量、水溫和骯臟程度這幾種條件，而從這些條件求取水位，洗滌時間和水流，漂洗方式和脫水時間等。 china_54 共五十五頁圖9-6 模糊(m hu)洗衣機(jī)的模糊(m hu)推理china_54 共五十五頁在洗滌劑濃

6、度推理中，其規(guī)則如下(rxi)：如果渾濁度高，則洗滌劑投入量大；如果渾濁度偏高，則沒滌劑投入量偏大；如果渾濁度低，則洗滌劑投入量?。辉谙匆峦评碇?，推理規(guī)則如下：如果布量少，布質(zhì)以化纖偏多，而且水溫高，則水流為特弱，洗滌時間特短；如果布量多，布質(zhì)以棉布偏多，而且水溫低，則把水流定為特弱，洗滌時間定為特長。china_54 共五十五頁圖9-7 水溫、布量和時間(shjin)的模糊量china_54 共五十五頁9.2 變頻空調(diào)器設(shè)計思路與開發(fā)過程20世紀(jì)90年代初，日本的家用電器生產(chǎn)企業(yè)(qy)將模糊控制理論和交頻凋速技術(shù)以及先進(jìn)的傳感器技術(shù)和微處理技術(shù)相結(jié)合。成功地開發(fā)小模糊控制變頻式空調(diào)器。ch

7、ina_54 共五十五頁9.2.1 變頻式空調(diào)控制器的結(jié)構(gòu)和主要功能1）控制器的結(jié)構(gòu)新型(xnxng)的變頻式模糊控制空調(diào)器實際上是一個多CPU控制系統(tǒng)，它主要包括三個部分：紅外遙控發(fā)射系統(tǒng)、室內(nèi)機(jī)組控制系統(tǒng)、室外機(jī)組控制系統(tǒng)。china_54 共五十五頁圖9-8 室內(nèi)(sh ni)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖china_54 共五十五頁圖9-9 室外(sh wi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖china_54 共五十五頁2）控制器的主要功能溫度控制定時控制制冷控制除濕控制制熱控制風(fēng)向控制風(fēng)速控制遙控應(yīng)急控制狀態(tài)指示(zhsh)延時保護(hù)china_54 共五十五頁3） 室內(nèi)紅外遙控系統(tǒng)設(shè)計紅外遙控發(fā)射器設(shè)有LCD指示和若干功能鍵，

8、其中LCD可顯示設(shè)定溫度、定時方式和定時時間、風(fēng)機(jī)風(fēng)速指示、風(fēng)門工作方式、制冷制熱方式、超靜快速(kui s)工作等，其中功能鍵有：電源開關(guān)溫度設(shè)置鍵定時方式鍵定時時間鍵工作方式鍵超靜快速鍵風(fēng)門控制鍵風(fēng)速設(shè)定鍵china_54 共五十五頁4） 室內(nèi)機(jī)組控制系統(tǒng)(kn zh x tn)設(shè)計圖9-10 模糊控制空詞器室內(nèi)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)框圖china_54 共五十五頁圖9-11 風(fēng)機(jī)(fn j)移相控制電路圖9-12 風(fēng)機(jī)的移相控制電壓(diny)波形(陰形部分)china_54 共五十五頁圖9-13 過零檢測(jin c)電路china_54 共五十五頁（2）室內(nèi)機(jī)組軟件系統(tǒng)設(shè)計

9、(shj)空調(diào)器室內(nèi)機(jī)組軟件控制系統(tǒng)的子程序包括三個層次高層次有制冷子程序、除濕子程序、快速超靜子程序、應(yīng)急控制子程序中間層次有風(fēng)機(jī)速度控制子程序、風(fēng)門步進(jìn)電機(jī)控制子程序、紅外遙控指令輸入捕捉中斷服務(wù)于程序、實時時鐘中斷服務(wù)子程序、IRQ外部中斷服務(wù)子程序最低層次有串行通信子程序、數(shù)據(jù)采集及濾波子程序、延時子程序、報警提示于程序、模糊推理機(jī)等。china_54 共五十五頁5）空調(diào)器室外機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計1）變頻式熱泵型空調(diào)路的制冷系統(tǒng)空調(diào)器制冷運(yùn)行時，是根據(jù)蒸汽壓縮式制冷原理，來自室內(nèi)機(jī)蒸發(fā)器中的低壓氣體被壓縮機(jī)吸入并壓縮成高溫高壓(goy)氣體，經(jīng)室外熱交換器和軸流風(fēng)扇的作用下，被外界空氣冷凝成

10、高壓(goy)液體再經(jīng)電子膨脹閥節(jié)流后成為氣液購相共存物，并在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱蒸發(fā)成低壓蒸氣，然后再被吸入壓縮機(jī)。 china_54 共五十五頁圖9-14 變頻(bin pn)式熱泵型空調(diào)器制冷原理圖china_54 共五十五頁2）空調(diào)器室外機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計要求空調(diào)器壓縮機(jī)對控制系統(tǒng)的要求是，空調(diào)器開始運(yùn)行時，壓縮機(jī)緩慢提高轉(zhuǎn)速，避免大電流對電網(wǎng)的沖擊。若室溫與設(shè)置溫度相差過大，壓縮機(jī)在較高轉(zhuǎn)速下工作，空調(diào)器對壓縮機(jī)頻率要求是20Hzl20Hz?？照{(diào)器的主要(zhyo)基本技術(shù)參數(shù)如下：(1) 最大制冷量：2500W。(2) 最大制熱量：2500W。(3) 最大消耗功率：900W。(4) 最大能效比

11、：3.0。(5) 變頻范同：20Hz120Hz。china_54 共五十五頁3）室外機(jī)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)硬件設(shè)計室外機(jī)主要完成以下功能： 綜合室內(nèi)制冷數(shù)據(jù)，從串行通信口接收數(shù)據(jù)，對壓縮機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。 根據(jù)室內(nèi)機(jī)傳送的數(shù)據(jù)控制電于膨脹閥。 檢測室外環(huán)境溫度、冷凝器溫度、壓縮機(jī)溫度和壓縮機(jī)工作是否正常，并將數(shù)據(jù)回送給室內(nèi)機(jī)。 控制室外機(jī)雙速風(fēng)扇電機(jī)。 china_54 共五十五頁圖9-15 主電路(dinl)原理圖china_54 共五十五頁圖9-16 控制電路原理圖china_54 共五十五頁4） 室外機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計室外機(jī)控制系統(tǒng)軟件可分為(fn wi)壓縮機(jī)變頻控制模塊，與

12、室內(nèi)機(jī)的通信模塊和信號采集、控制輸出三大模塊。其中變頻控制軟件是室外機(jī)控制系統(tǒng)的核心。china_54 共五十五頁圖9-17 室外機(jī)控制軟件的主程序流程圖圖9-18 PWM中斷(zhngdun)服務(wù)程序流程圖china_54 共五十五頁圖9-19 脈沖寬度(kund)計算子程序流程圖china_54 共五十五頁9.3 基于GPS的交通管理系統(tǒng)1)GPS系統(tǒng)組成 GPS系統(tǒng)包括(boku)三大部分：地面控制部分地面監(jiān)控系統(tǒng)；空間部分GPS衛(wèi)星星座；用戶設(shè)備部分GPS信號接收機(jī)。GPS衛(wèi)星星座(xngzu) GPS工作衛(wèi)星圖9-20 GPS衛(wèi)星星座和工作衛(wèi)星china_54 共五十五頁（1）GPS

13、工作衛(wèi)星及其星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座，記作(21+3)GPS星座。（2）地面監(jiān)控系統(tǒng)GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站。（3）GPS信號接收機(jī) GPS信號接收機(jī)的任務(wù)是：能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止(jizh)角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，對所接收到的GPS信號進(jìn)行變換、放大和處理china_54 共五十五頁2）GPS在空中交通管制(ATC)中的應(yīng)用（1）GPS輔助ATC系統(tǒng)概述在20世紀(jì)的最后10年中，世界空中交通平均年增長6.6，2000年歐洲的航空客運(yùn)量比1986年增加了1倍?？罩薪煌ü芾硐到y(tǒng)(ATC)的目的，就是要采用高度自動

14、化的指揮和管制系統(tǒng)，保證飛機(jī)安全、有序地飛行，進(jìn)而增強(qiáng)民航(mnhng)營運(yùn)能力、提高民航(mnhng)效益。china_54 共五十五頁（2）GPS輔助ATC的性能(xngnng)與類型為了實現(xiàn)ATC系統(tǒng)所需要達(dá)到的性能指標(biāo)，ATC系統(tǒng)對導(dǎo)航、監(jiān)視和數(shù)據(jù)通信三部分有相應(yīng)的要求。GPS和通信衛(wèi)星構(gòu)成的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)具有全球覆蓋、全天候的定位和通信能力。這是采用衛(wèi)星系統(tǒng)輔助ATC系統(tǒng)諸多優(yōu)點(diǎn)的主要方面。china_54 共五十五頁圖9-21 GPS輔助(fzh)ATC空間基系統(tǒng)原理圖china_54 共五十五頁(3)GPSATC的導(dǎo)航(dohng)、監(jiān)視和數(shù)據(jù)通信 圖9-22 GPS輔助(fz

15、h)的空管系統(tǒng)原理圖china_54 共五十五頁圖9-23數(shù)據(jù)通信格式(g shi)示意圖 china_54 共五十五頁(4)GPS/ATC的機(jī)載系統(tǒng)(xtng) 圖9-24 ATC機(jī)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖(kungt)china_54 共五十五頁 (5) ATC的地面(dmin)系統(tǒng)圖9-25 ATC地面(dmin)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖china_54 共五十五頁9.4 工程機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)控(jin kn)系統(tǒng)的設(shè)計9.4.1 系統(tǒng)(xtng)的總體設(shè)計 1. 系統(tǒng)的組成china_54 共五十五頁2系統(tǒng)(xtng)設(shè)計china_54 共五十五頁9.4.2 硬件(yn jin)設(shè)計1. 硬件的選擇 本系統(tǒng)的P

16、LC選用的是SIEMENS公司生產(chǎn)的S7200系列的CPU224 由于GPRS無線通訊是一種新型的通訊系統(tǒng)，將該技術(shù)應(yīng)用于工程機(jī)械的遠(yuǎn)程監(jiān)控具有十分重要的意義。采用(ciyng)德國西門子原裝GSM/GPRS數(shù)據(jù)通信終端，其核心模塊是Siemens開發(fā)的MC35I， china_54 共五十五頁2硬件(yn jin)連接china_54 共五十五頁2）RS-485與RS-232接口(ji ku)電路的設(shè)計 china_54 共五十五頁9.4.3 軟性(run xn)系統(tǒng)設(shè)計1軟件功能的實現(xiàn)本系統(tǒng)主要(zhyo)是實現(xiàn)PLC與GPRS模塊的通訊，所以系統(tǒng)的主要(zhyo)功能可以分為以下幾個部分

17、：數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信和數(shù)據(jù)處理的功能。china_54 共五十五頁2. 軟件設(shè)計系統(tǒng)上電以后，系統(tǒng)軟件首先完成以下四步：(1) 通過特殊存儲器，檢測系統(tǒng)硬件狀況，包括模塊類型、數(shù)量、供電情況、輸入端子、模塊連接等方面。(2) 軟件初始化，包括通訊模式的選擇、標(biāo)志位的設(shè)置、中斷事件的定義、采樣常數(shù)的設(shè)置、傳感器零點(diǎn)的配置以及目標(biāo)地址的設(shè)定等。(3) 時鐘信號的處理，目的是滿足隨時調(diào)用數(shù)據(jù)(shj)的需要，將時間數(shù)據(jù)(shj)處理成UNICODE碼，保證時間與模擬信號的實時匹配性。(4) 因為S7-200不能做到同時對多通道的采集，所以要進(jìn)行巡檢，在每一路的采集中，將模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化，處理成數(shù)字信號，對其進(jìn)行移位整理，數(shù)字濾波器將模擬信號處理成8個字節(jié)的16進(jìn)制數(shù)，并分別表示 china_54 共五十五頁本章(bn zhn)小結(jié)機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展水平是一個國家技術(shù)水平的標(biāo)志，在一定程度上反映了該國的技術(shù)經(jīng)濟(jì)實力。機(jī)電一體化已經(jīng)顯示出了強(qiáng)大的生命力，并正以空前(kngqin)的速度和力度沖擊著傳統(tǒng)的技術(shù)思想、生產(chǎn)方式和方法以及傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域都將因此而發(fā)生深刻變革。機(jī)電一體化是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，并將成為2l世紀(jì)的主流技術(shù)之一。china_54 共五十五頁Thank You !china_54 共五十五頁