機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件：機(jī)械系統(tǒng)的信息流與控制的設(shè)計(jì) -

機(jī)械系統(tǒng)的信息流

與控制的設(shè)計(jì)信息流，即為信息自信息的發(fā)源地（信息源）經(jīng)信息傳遞渠道（信道）至信息的接受地（信宿）的傳遞過程。信息的前身是各種類型的指令和信號。信息流就是信息的傳遞過程。信息流的主體是信息。指令：操作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行狀況而發(fā)出的，信號：從機(jī)械系統(tǒng)的各個(gè)被測對象經(jīng)傳感器測量獲得的，但這些信號不能直接使用，必須進(jìn)行信號的轉(zhuǎn)換、處理。信息流在機(jī)械系統(tǒng)單機(jī)中的作用普通車床加工過程數(shù)控車床加工過程信息流在機(jī)械系統(tǒng)生產(chǎn)線中的作用——一個(gè)加工回轉(zhuǎn)體零件的機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按照機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)成分析信息流在機(jī)械系統(tǒng)中的作用一、信號的采集和處理采集信息和處理信息的兩大重要組成：傳感器和接口電路1.傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件（傳感元件）和其他輔助元件組成。一種直接感受被測量，并輸出與被測量元件成某種函數(shù)關(guān)系的能最終轉(zhuǎn)化為電量的其他量的元件。將敏感元件輸出的量轉(zhuǎn)換成電量輸出的元件。作用：把壓力這個(gè)被測量轉(zhuǎn)換成彈性膜片的變形。作用：將彈性膜片的變形轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。以應(yīng)變式壓力傳感器為例2.傳感器的一般特性：靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性靜態(tài)特性：指輸入的待測信號不隨時(shí)間變換，或變化非常緩慢

的特性。其重要指標(biāo)分別是線性度、靈敏度、遲滯差（遲

環(huán)）、重復(fù)性、閾值和分辨率。3.現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)對傳感器的基本要求（1）輸入和輸出之間成比例關(guān)系，直線性好，靈敏度高；（2）內(nèi)部發(fā)生的噪聲小，不從外部引進(jìn)噪聲；（3）滯后、飄逸誤差小。在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，特別要注意以下幾點(diǎn)：（1）要求精度高、靈敏度合理選擇、測量范圍寬；（2）小型化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化；（3）可靠性高、穩(wěn)定性好。4.傳感器的選用原則5.信號模擬轉(zhuǎn)換電路信號調(diào)理電路：指能把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換成便于顯示、記錄、處理和控制的電信號的電路。常用的信號放大器有：儀表放大器、程控增益放大器、隔離放大器、電荷放大器等。對于靜態(tài)信號或變化緩慢信號的轉(zhuǎn)換多采用交流載波系統(tǒng)。即通過調(diào)制變成高頻信號，再放大，然后經(jīng)過解調(diào)、濾波。二、接口技術(shù)和監(jiān)控系統(tǒng)1.計(jì)算機(jī)接口技術(shù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的中樞組成：硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作用：按編制好的程序完成系統(tǒng)信號采集、加工、處理、分析和判斷，作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)和控制決策，發(fā)出數(shù)字形式或模擬形式的控制信號，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)的目的功能。常用的類型：可編程控制器（PLC）、總線型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、單片機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類及應(yīng)用特點(diǎn)（1）具有完善的過程輸入/輸出功能這是微機(jī)能否投入機(jī)電一體化系統(tǒng)運(yùn)行的重要條件。（2）具有實(shí)時(shí)控制功能（3）具有高可靠性（4）具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和抗干擾能力（5）具有豐富的軟件工業(yè)控制微機(jī)系統(tǒng)的基本要求計(jì)算機(jī)接口技術(shù)計(jì)算機(jī)和各種外設(shè)進(jìn)行交換信息時(shí)，存在以下問題：計(jì)算機(jī)的高速處理能力和外設(shè)的慢速響應(yīng)之間存在矛盾。需要有接口作為計(jì)算機(jī)與外設(shè)通信的橋梁。需要有數(shù)據(jù)信息傳送之前的“聯(lián)絡(luò)”。要傳遞的信息有三方面內(nèi)容：狀態(tài)、數(shù)據(jù)及控制信息。計(jì)算機(jī)接口——計(jì)算機(jī)與各種外設(shè)進(jìn)行信息交換的渠道。進(jìn)行地址譯碼或設(shè)備選擇，以便使計(jì)算機(jī)能同某一指定的外部設(shè)備通信。狀態(tài)信息的應(yīng)答，以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳送之前的準(zhǔn)備工作。進(jìn)行中斷管理，提供中斷信號。進(jìn)行信息格式轉(zhuǎn)換，如正負(fù)邏輯的轉(zhuǎn)換，串行與并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等。進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，如TTL電平與MOS電平的轉(zhuǎn)換。協(xié)調(diào)速度，如進(jìn)行鎖存、緩沖、驅(qū)動(dòng)等。時(shí)序控制，提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘信號。2.信號處理接口技術(shù)計(jì)算機(jī)接口的一種類型信息通道的重要組成部分信源和信宿之間的橋梁信號處理接口技術(shù)作用：將信源的信息存儲(chǔ)、放大并通過該接口傳遞到信宿的目的。A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換速度（時(shí)間）、分辨率、線性度、精度計(jì)算機(jī)信號處理接口電路的前向通道結(jié)構(gòu)取決于被測對象的環(huán)境、傳感器輸出信號的類型和數(shù)量等計(jì)算機(jī)信號處理接口電路的后向通道結(jié)構(gòu)兩種類型：數(shù)據(jù)總線及并行I/O接口信號形式：數(shù)字量、開關(guān)量、頻率量常用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器——數(shù)字信號和模擬信號之間V/F轉(zhuǎn)換器和F/V轉(zhuǎn)換器——電壓信號和頻率之間I/V轉(zhuǎn)換器和V/I轉(zhuǎn)換器——電壓信號和電流之間有效值轉(zhuǎn)換器——以傳輸物理參數(shù)有效值的轉(zhuǎn)換器件3.監(jiān)控系統(tǒng)對系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)內(nèi)部和外部環(huán)境信息進(jìn)行檢測。被測信息常見形式：位置、速度、力、力矩、電壓、電流、頻率、溫度、濕度等物理量?，F(xiàn)代檢測和監(jiān)控裝置根本目的：利用各種傳感設(shè)備，將一種形式的被測物理量轉(zhuǎn)換成為處理較為方便的另一種形式的物理量，并采用相應(yīng)的控制策略，對其進(jìn)行控制。手段：將傳感器的原始輸出信號進(jìn)行放大、濾波、整形、阻抗變換、運(yùn)算補(bǔ)償、標(biāo)定記錄等處理的裝置。檢測和監(jiān)控裝置的軟件設(shè)計(jì)采樣周期、采樣值的數(shù)字濾波采樣/保持器在輸入通道中的作用：(1)保證A/D轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換過程中被轉(zhuǎn)換的模擬量保持不變，以提高轉(zhuǎn)換精度；(2)可將多個(gè)相關(guān)的檢測點(diǎn)在同一時(shí)刻的狀態(tài)量保持下來，供分時(shí)轉(zhuǎn)換和處理之用，以確保各檢測量在時(shí)間上的一致性。檢測和監(jiān)控裝置的硬件設(shè)計(jì)變送器4.監(jiān)控系統(tǒng)的顯示設(shè)備三、控制原理1.機(jī)械系統(tǒng)中控制系統(tǒng)的組成控制系統(tǒng)的組成按照控制理論，可將機(jī)械系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)分成給定環(huán)節(jié)、測量環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、校正環(huán)節(jié)及放大環(huán)節(jié)、執(zhí)行環(huán)節(jié)。按照控制系統(tǒng)有無反饋來分：開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的分類閉環(huán)控制系統(tǒng)中，采用了反饋?zhàn)饔茫瑢ο到y(tǒng)整體性能產(chǎn)生如下影響：減小了系統(tǒng)的總增益，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，能降低系統(tǒng)對參數(shù)變化的敏感程度，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。按照控制系統(tǒng)中被控量來分：伺服系統(tǒng)——被控量是指位置、速度、力之類的機(jī)械量自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)——輸出量為常量或隨時(shí)間變化得很慢的系統(tǒng)。被控量通常為電壓、電流、轉(zhuǎn)速、力矩等物理量。過程控制系統(tǒng)——輸出量按已知時(shí)間函數(shù)變化的系統(tǒng)。被控量通常為溫度、壓力、液面、濃度等。控制系統(tǒng)的基本要求：（1）穩(wěn)定性的要求是系統(tǒng)工作的首要條件。（2）系統(tǒng)的暫態(tài)特性滿足要求；（3）系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，滿足穩(wěn)態(tài)精度。其他常用的分類方法：線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)；連續(xù)控制系統(tǒng)、采樣控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)；機(jī)電控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)、機(jī)液控制系統(tǒng)2.控制系統(tǒng)基本理論經(jīng)典控制理論主要是解決單變量、線性定常系統(tǒng)問題。對控制系統(tǒng)的輸出進(jìn)行分析和綜合的理論。調(diào)速器蒸汽機(jī)額定轉(zhuǎn)速實(shí)際轉(zhuǎn)速蒸汽機(jī)飛球調(diào)速系統(tǒng)方框圖現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入、多輸出，非線性時(shí)變，斷續(xù)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題，揭示系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在一定意義上的最優(yōu)控制。對控制系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行分析和綜合。現(xiàn)代控制理論的主要研究領(lǐng)域：（1）系統(tǒng)辨識(shí)；（2）最優(yōu)控制；（3）最佳控制（或稱為最佳濾波）3.常用控制方式的基本原理和特性控制系統(tǒng)的控制作用由控制器實(shí)現(xiàn)的。工業(yè)控制器按其輸入和輸出的關(guān)系可為：比例控制器、積分控制器、微分控制器、比例加積分控制器以及繼電器控制器等。4.模擬控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由被控對象、調(diào)節(jié)器、測量元件和變送器、比較元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等基本環(huán)節(jié)構(gòu)成。常用的抗干擾措施有：減小系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；增大校正裝置的增益；直接減小干擾輸入以及采用并聯(lián)前饋校正和并聯(lián)順饋校正等。5.數(shù)字控制系統(tǒng)核心是數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)數(shù)字控制器有兩種方法：（1）直接數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（DirectDigitalControl）所使用的數(shù)學(xué)工具為差分方程（2）利用采樣控制理論所使用的工具為Z變換

當(dāng)被控制對象的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于采樣周期時(shí)，常采用（1）；當(dāng)對象的時(shí)間常數(shù)比采樣周期大得不多，或處于同一數(shù)量級時(shí)，必須采用（2）。6.計(jì)算控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)；選擇各參數(shù)檢測元件（即傳感器類型）及變送器；建立數(shù)學(xué)模型及確定控制算法；選擇計(jì)算機(jī)；系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)（接口電路、邏輯電路及操作面板）；系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（管理、監(jiān)控程序、應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)）；系統(tǒng)的調(diào)試與實(shí)驗(yàn)。四、數(shù)控系統(tǒng)與伺服機(jī)構(gòu)1.數(shù)控系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)數(shù)控系統(tǒng)由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、檢測裝置、設(shè)備主機(jī)各個(gè)部分組成。2.數(shù)控系統(tǒng)的分類直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DirectNumericalControl，DNC）DNC系統(tǒng)分成間接控制型和直接控制型兩大類3.數(shù)控系統(tǒng)的功能為實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床加工機(jī)械零件的三流，數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)常采用微處理器，通過計(jì)算機(jī)軟件、硬件的功能合理分配完成控制系統(tǒng)的如下功能：聯(lián)動(dòng)功能插補(bǔ)功能多種加工方式選擇功能特種速度控制功能補(bǔ)償功能信息轉(zhuǎn)換功能顯示功能輸入、輸出及通信功能自診斷功能4.伺服系統(tǒng)進(jìn)給伺服系統(tǒng)一般由伺服電路、伺服驅(qū)動(dòng)裝置及執(zhí)行部件組成。進(jìn)給伺服系統(tǒng)的作用：接受數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號，由伺服驅(qū)動(dòng)電路作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動(dòng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)閉環(huán)伺服系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)1．信息流系統(tǒng)有哪些環(huán)節(jié)組成？試畫出其結(jié)構(gòu)模型并作說明。2．控制系統(tǒng)的基本要求有哪些？