机械设计及其自动化的未来发展方向的研究.doc

哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 机械设计及其自动化未来发张方向的研究 摘要 本文主要对传统的机械设计制造和机械自动化相比较，提出了具有智能化的特征是现 代机械和传统的机械在功能上的本质区别。根据机械自动化在各行各业的应用和发展，显 现出了机械自动化产品的优点和效益。即多功能化、高效率、高可靠性、省材料、省能源， 不断满足人们生活和生产多元化需求。 文章从系统的观念出发，综合运用机械技术、微电子技术，自动化技术，及过控技术 在化工生产中的应用。着重例举了锅炉汽包水位的控制和冷却剂流量和气氨排量的最佳控 制方案。提出了过程自动化控制今后的主要目标，指明了机械设计制造及其自动化的发展 方向。 机械工业是为国民经济提供装备的基础工业，将随着科学技术的发展而产生变化。 机械设计制造及器自动化是以有关的自然科学和技术科学为理论基础，结合生产实践中的 技术经验，研究和解决在开发、设计、制造、安装、运用和修理各种机械中的全部理论和 实际问题的应用学科。主要分为机械设计方向、 机械自动化方向、机械电子工程方向、 数控技术方向、 汽车工程方向、 模具设计与制造方向。本文主要就机械设计与机械自动 化两个方向加以论述。 关键词 设计制造；工业；自动化；产品；发展；方向 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） abstract in this paper, compared to the traditional mechanical design and manufacturing and mechanical automation, intelligent features is the essential difference between modern machinery and traditional mechanical functions. according to the mechanical automation application and development in all walks of life, showing the advantages and benefits of mechanical automation products. multi-functional, high-efficiency, high reliability, saving materials, energy-saving, continually meet the diverse needs of life and production. the departure from the concept of the system, the integrated use of mechanical technology, microelectronic technology, automation technology, and over-control technology in chemical production. the best examples of boiler drum level control and coolant flow rate and gas ammonia emission control scheme. process automation and control of the main objectives of the future, and pointed out the direction of development of mechanical engineering and automation. machinery industry is a basic industry to provide equipment for the national economy, the development of science and technology with change. mechanical design and manufacturing automation is related to science and technology as the theoretical basis, combined with the experience in practice, study and solve in the application of subject development, design, manufacture, installation, use and repair all the theory in various machines and practical problems. mainly divided into mechanical design, machinery automation, mechanical and electronic engineering direction, direction of nc technology, automobile engineering, mold design and manufacture. in this paper, the mechanical design and automation in two directions are discussed. keywords: design and manufacture; industry ; automation; development; direction 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 目 录 摘 要 .i abstract .ii 第第 1 1 章章 绪绪 论论 .1010 1.1 机械设计及其自动化的产生和定义.10 1.2 机械设计及其自动化的科学技术.10 1.3 本章小结 .20 第 2 章 机械设计及其自动化的发展 .20 2.1 机械设计发展的三个阶段.20 2.1.1 机械设计起源和古代机械设计 .20 2.1.2 近代机械设计.20 2.1.3 现代机械设计及其设计方法的特征.20 2.2 自动化技术满足对机器的功能要求.14 2.3 利用先进自动化技术不断创新.15 2.4 本章小结.20 第 3 章 机械自动化在化工生产中的应用 .20 3.1 锅炉汽包水位控制方面的研究 .17 3.1.1 单冲量控制系统 .17 3.1.2 双冲量控制系统 .18 3.1.3 三冲量控制系统 .19 3.2 冷却器控制方案的研究.20 3.2.1 控制冷却剂的流量.20 3.2.2 控制气氨排量.21 3.3 本章小结 .20 第 4 章 机械自动化系统的优点与效益 .20 4.1 生产能力和工作质量的提高 .20 4.2 使用安全性和可靠性提高 .24 4.3 调整和维修方便，使用性能改善 .24 4.4 具有复合功能，适用面广 .25 4.5 改善劳动条件，有利于自动化生产 .25 4.6 节约能源，投资少见效快 .25 4.7 本章小结 .20 第 5 章 机械设计制造及其自动化得发展方向 .20 5.1 机械设计的未来发展趋势 .27 5.2 自动化未来发展趋势.27 5.2.1 机电一体化 .27 5.2.2 智能化 .28 5.2.3 模块化 .28 5.2.4 网络化 .28 5.2.5 微型化 .28 5.2.6 绿色化 .28 5.2.7 人格化.29 5.3 本章小结.20 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 结论 .20 致谢 .20 参考文献 .32 附录 .33 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 机械设计及其自动化的产生和定义 设计必须科学化，这意味着要科学地阐述客观设计过程及其本质，分析与设计有关的 领域及其单位，在些基础上，科学地安排设计过程，使用科学的方法和手段进行设计。同 时也要求设计人员不公有丰富的专业知识，而且要掌握先进的设计理论，设计方法及设计 手段，科学地进行设计工作，这样才能及时得到符合要求的产品。机械自动化,主要指在 机械制造业中应用自动化技术,实现加工对象的连续自动生产,实现优化有效的自动生产过 程,加快生产投入物的加工变换和流动速度。 早在 1971 年日本的机械设计杂志副刊上刊登了机电一体化这一名词，后来随着 机电一体化的发展而被广泛的应用。美国机械工程师协会于 1984 年为现代机械下了如下 定义：“由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学 任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统” 。它与前面提及的机电一体化是一致的， 因此可以说现代机械就是指机电一体化系统。20 世纪 90 年代国际机器与机构理论联合会， 给出了这样的定义，机电一体化是精密机械工程、电子控制和系统思想在产品设计和制造 过程中的协同结合。因此又可以说机电一体化就是在机械设计制造及其自动化基础上的发 展。 1.2 机械设计及其自动化的科学技术 机械设计制造及其自动化是机械技术和电子技术为主体，多门技术学科相互渗透、相 互结合的产物，是正在发展和逐渐完善的一门新兴的边缘学科，机械自动化使机械工业的 技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由 “机械电器化”迈入了以“机械自动化”为特征的发展阶段。 它的发展至今已经成为一门有着自身体系的新型学科，随着生产和科学技术的发展， 还将不断被赋予新的内容。但其最基本的特征可概括为：机械自动化的设计制造是从系统 的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、 传感检测技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术， 根据系统功能目标和优化组织结构目标，在多功能、高质量、高可靠性，低能耗的意义上 实现特定功能价值并使整个系统最优化的系统工程技术。 需要强调的是，机械自动化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合性技术，而 不是机械技术，以及其他新技术的简单组合、拼凑，这就是现代机械与机械电气化在概念 上的根本区别。现代机械设计制造出的产品，不仅是人和手与肢体的延伸，还是人的感官 与头脑的延伸，具有智能化的特征是现代机械自动化和传统的机械在功能上的本质区别。 13 本章小结 机械设计制造及其自动化是机械技术和电子技术为主体，多门技术学科相互渗透、相 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 互结合的产物，是正在发展和逐渐完善的一门新兴的边缘学科，机械自动化使机械工业的 技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由 “机械电器化”迈入了以“机械自动化”为特征的发展阶段。 它的发展至今已经成为一门有着自身体系的新型学科，随着生产和科学技术的发展， 还将不断被赋予新的内容。但其最基本的特征可概括为：机械自动化的设计制造是从系统 的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、 传感检测技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术， 根据系统功能目标和优化组织结构目标，在多功能、高质量、高可靠性，低能耗的意义上 实现特定功能价值并使整个系统最优化的系统工程技术。 需要强调的是，机械自动化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合性技术，而 不是机械技术，以及其他新技术的简单组合、拼凑，这就是现代机械与机械电气化在概念 上的根本区别。现代机械设计制造出的产品，不仅是人和手与肢体的延伸，还是人的感官 与头脑的延伸，具有智能化的特征是现代机械自动化和传统的机械在功能上的本质区别。 机械工业是为国民经济提供装备的基础工业，将随着科学技术的发展而产生变化。 机械设计制造及器自动化是以有关的自然科学和技术科学为理论基础，结合生产实践 中的技术经验，研究和解决在开发、设计、制造、安装、运用和修理各种机械中的全部理 论和实际问题的应用学科。主要分为机械设计方向、 机械自动化方向、机械电子工程方 向、 数控技术方向、 汽车工程方向、 模具设计与制造方向。本文主要就机械设计与机 械自动化两个方向加以论述 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 第二章第二章 机械设计制造及自动化的符合设计原则机械设计制造及自动化的符合设计原则 2.1 机械设计发展的三个阶段 机械设计的发展史按时间来分，可分为三个阶段，分别是：从古代社会到 17 世纪 为机械设计起源和古代机械设计阶段，由 17 世纪至第二次世界大战结束为近代机械设 计，第二次世界大战结束直到现在为现代设计阶段。如果按其内容来分，可分为：直觉 设计阶段，经验设计阶段和理论设计阶段。两种划分是一一对应的，是从不同角度来划 分机械设计的发展史。每一个阶段在设计理论，方法和制造工艺方面都有明显的特色。 下面就按时间来划分，把机械设计发展史划分为三个阶段来论述。 2.1.1 机械设计起源和古代机械设计 我国近代的考古发现证明了一些传说和记载。在浙江余姚河姆渡，河南郑裴李岗等 遗址中都发现了七八千年以前制造相当精致的农具如石铲等。我国古代经书中，对于古 代使用，制造机械的情况有许多记载。 周易 “系辞下”中有“黄帝，尧，舜氏作，刳 木为舟，剡木为楫，剡楫之力以济不通” ， “服牛乘马，引以致远” ， “断木为杵，掘地为 舀” 。由此可见，在 4000 多年以前，我国古代已经发明了车，船，农具和许多生活用具。 在周易第 47 卦“困”的卦辞中有“困于金车” ，金车指用铜装饰起来的豪华马车。 清代学者章诚说“六经皆史” ，在我国古代文献中随处可以见机械产品与人民生活密切 的联系，在我国春秋战国时代的著作道德经中有“三十辐共一毂，像日月也”的说 法，而在秦陵发掘出来的二号铜车马，车融会贯通就有 30 个车辐。虽然据统计，当时 的车每个车轮用 30 个轮辐，但是对轮辐的数目已经有了一定的规则。此外，我国古代 在武器，纺织机械，农具，船舶等方面也有许多发明，到秦汉时期（公元前 221 至公元 220 年）我国机械设计和制造已经达到相当高的技术水平，在当时世界上处于领选地位， 在世界机械工程史上占有十分重要的位置。 在我国古代，机械发明，设计者与制造者是统一的。有许多著名的人物，他们的成 果代表了当时我国的机械的设计水平。唐代的时侯我国与许多国家开展了经济，文华和 科学技术的交流，与东南亚，南亚，阿拉伯，非洲东海岸贸易频繁，对中国和世界其它 的一些国家有很大的影响。由于贸易的发展，要求商品增加，从而改进生产设备，使机 械设计有了很大的发展，造纸，纺织，农业，矿业，陶瓷，印染，兵器等都有了新的进 展，机械设计水平也提高了一大步，宋代沈括的著作梦溪笔谈记载了当时的许多科 学成就，反映了当时的科学水平。世界其它的国家也有不少机械的成果。但这些设计多 是凭设计者的经验完成的缺乏必要的，有一定精度的理论的计算。 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 2.1.2 近代机械设计 17 世纪欧洲的航海，纺织，钟表等工业的兴起，提出了许多技术部题，1644 年英 国组成了“哲学学院” ，德国成立了实验研究会和柏林学会，1666 年，法国，意大利也 成立了研究机构。在这些机构中工作的意大利人伽里略（15641642）发表了自由落体 定律，惯性定律，抛物体运动，还进行过梁的弯曲实验；英国人牛顿提出了到家动的三 大定律，1688 年，他提出了计算流体黏度阻力的公式，奠定了古典力学的基础；英国人 虎克建立了在一定范围内弹性体的应力 - 应变成正比的虎克定律；1705 年伯努力提出 了梁弯曲的微分方程式，在古典力学的基础上建立和发展了近代机械设计的理论（也称 常规机械设计理论） ，为 18 世纪产业革命中机械工业的迅速发展提供了有力的技术理论 支持； 1764 年英国人瓦特发明了蒸气机，为纺织，采矿，冶炼，船舶，食品，铁路等 工业提供了强大的动力，推动了多种行业对机械的需求，使机械工业得到迅速的发展， 而机械化使生产力迅速提高，进入了产业革命时代。这一时期，对机械设计提出了很多 的要求，各种机械的载荷，速度，尺寸都有很大的提高，因此机械设计理论也在古典力 学的基础上迅速发展。材料力学，弹性力学，流体力学，机械力学。疲劳力学，疲劳强 度理论，实验应力分析方法等都取得了大量的成果，建立了自己的学科体系。 在 1854 年德国学者劳莱克斯发表了著作机械制造中的设计学把过去溶在 力学中的机械设计学独立出来，建立了以力学和制造为基础的新科学体系，由此放生了 “机构学” ， “机械零件设计” ，成为机械设计中的基本的内容。在这一基础上，机械设 计学得到了很快的发展。在疲劳强度，接触应力，断裂力学，高温蠕变，流体动力润滑， 齿轮接触疲劳强度计算，弯曲疲劳强度计算，滚动轴承强度理论等方面都取得了大量的 成果，新工艺，新材科的，新结构的不断涌现没什么械设计的水平也取得了很大的发展。 机器的尺寸减少，速度增加，性能提高，机械设计的计算方法和数据积累也相应有了很 大的发展，反映了时代的特色。 2.1.3 现代机械设计及其方法特征 第二次世界大战以后，作为机械设计的理论基础的机械学继续以更加迅猛的速度发 展，摩擦学，可靠性分析，机械优化设计，有限元计算，尤其是计算机在机械设计中迅 速推广，使机械设计的速度和质量都有大幅的提高。在机械中广泛运用计算机和自动化 程度的提高，使现代的具有明显的特色。因此，机械设计在理论，内容和方法方面与过 去相比都有了划时代的发展。而国际市场的激烈竞争，是现代机械设计的方法和发展的 催化剂。世界各国逐渐认识到产品市场竞争对各国经济发展的重要作用。在产品竞争中， 德国临于印有“made in usa”的美国产品充斥德国市场，计划努力恢复德国产品的信 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 誉，使“made in germany”风靡世界，提出了“关键在于设计” （der engpass ist die knostrution)的口号。日本虽然在某尖端科学研究方面走在了一些国家的后面，但 是，在产品设计的方面发展很快，迅速摆脱了二次世界大战以前“东洋货不好”的印象， 大量生产各国市场上需要的产品，取得了巨大的经济效益。美国，英国也逐渐认识到产 品设计的重要性，美国提出了“为竞争的优势而设计”(designing for compentitive advance)的口号，有人说“21 世纪将是设计的世纪” 。因些，机械产品设计在这一时期 获得了空前的发展。机械设计目前已经不宜作为机械学的一个分支，而应该认为是与机 械学并立的一门技术科学了。 现代机械设计方法的特征是，它具有自己的学科体系和专门的内容。其核心技术有 3 个方面： （1）以产品的“功能”作为机械计的核心目标。美国麦尔斯提出了“顾客购 买的不是产品的本身，而是产品所具有的功能” ，明解地说明了“功能”是产品的本质 和灵魂。这一原理的提出大大地解放了设计师的思想，为了实现某一功能，可以采用各 种不同的原理和结构。我们可以从近年来的计时装置，文件复制设备，通讯方法等方面 的飞速发展看出，设计师的聪明才智得到了空前的发挥，多方面的满足了社会的需要。 （2） “人机学”的形成和发展。机械的工作往往与人是不可分的，如汽车，飞 机有些操纵的信号要靠人输入。必须考虑操纵者的反映速度和能力限制，还必须考虑操 纵者和乘客的传舒适性。如有一些武器设计者已经考虑使用者中，虽然磊部分是作右手 方便的，但是习惯于用左手的（称为左利手或左撇子）也占有一定的百分率。虽然许多 产品已经向自动化发展，许多民用产品对使用者的拔术要求日益降低（俗称 “傻瓜化” ） 。但是机械产品竞毕竟是为了人类设计的。考虑“人机学”是提高产品的竞争能力的重 要方面。实际上“傻瓜化”就是当前处理人机问题的一个重要的途径。 （3）建立系统的“工业设计”学科体系。工业设计是设计者使产品在外观，色彩， 形状，尺寸比例等方面的合理设计，使产品与人，环境更协调，以得到更好的使用效果 与况争力。 2.2 自动化技术满足对机器的功能要求 自动化技术是本世纪以来发展极迅速和影响极大的科学技术之一。现代自动化技术 是一种完全新型的生产力,是直接创造社会财富的主要手段之一,对人类的生产活动和物 质文明起着极大的推动作用。因此,自动化技术受到世界各国的广泛重视和越来越多的 应用。 机械自动化,主要指在机械制造业中应用自动化技术,实现加工对象的连续自动生 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 产,实现优化有效的自动生产过程,加快生产投入物的加工变换和流动速度。机械自动化 技术的应用与发展,是机械制造业技术改造、技术进步的主要手段和技术发展的主要方 向。机械自动化的技术水准,不仅影响整个机械制造业的发展,而且对国民经济各部门的 技术进步有很大的直接影响。因此,发展我国的机械制造业自动化技术,符合我国社会主 义的基本原则,符合我国现代生产的发展规律。 任何一种产品都是为满足人们的某种需要而开发的，都必须具有某种主要功能，不 同的产品具有不同的主要功能。概而言之，都能对输入的物质、能量和信息（即所谓工 业三大要素）进行某种处理，输出具有所需特性的物质、能量与信息。因此，机械自动 化系统也必须具有对输入的物质、能量和信息进行某种处理，从而输出具有所需特性的 物质、能量与信息的主功能。如图 2-1 所示: 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 图 2-1 机械自动化系统功能示意图 如上所述，机械自动化系统是一个综合的概念，包含了机电一体化技术和机电一体化 产品两个方面的内容。作为产品，又包含着设计、制造和特定的功能以满足使用要求，而 功能是由其内部有机联系的结构所决定的。 2.3 利用先进的自动化技术不断创新 根据产品或系统的主功能不同，可对产品或系统进行分类。 以物料搬运、加工为主。输入物质、能量和信息，经过加工处理，主要输出改变了位 置和形态的物质系统（或产品）称为加工机。如各种机床、交通运输机械、食品加工机械、 起重机械、纺织机械、印刷机械、轻工机械等。 以能量转换为主，输入能量和信息，输出不同能量的系统（或产品）称为动力机，其 中输出机械能的为原动机。如电动机、水轮机、内燃机等。 以信息处理为主，输入信息和能量。主要输出某种信息。如数据、图像、文字、声音 等的产品称为信息机。如各种仪器、仪表、计算机、传真机以及各种办公机械等。 机械自动化系统除了具备上述必须的主功能外，还应具体备其它内部功能、即动力功能、 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 检测功能、控制功能、构造功能。 基于上述的功能构成原理，既有利于设计或分析各种机械自动化的产品，又有利于开 拓思路，便于创造发明和创新。例如，根据 3 种不同的主功能及其不同的输入，组合起来 可形成 9 大类型的系统产品。如表 2-1 所示： 表 2-1 不同主功能及输入的组合 、 、 、 、 、 、 、 、 、 1 2 3 4 5 6 7 8 9 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 此外，对于不同主功能的加工机构，其运动方式不同，也构成不同用途的机械。例如， 金属切削机床是根据工件与刀具相对运动产生切削作用的原理进行工作的。因此，工件与 刀具的运动方式不同，便产生不同用途的机床。所以说机械自动化的发展空间非常广阔， 具有极大的想向空间，需要我们利用先进技术符合科学原理来不断创新，设计制造出一流 的自动化产品。 2.3 本章小结 设计一词的英语为 design,它源于拉丁语 designar,由 de(记下）与 signare(符号， 记号，图形等）两词组成。因此， “设计的最初含义是将符号，记号，图形之类高下来的 意思。随着生产的发展和科技的进步，设计的内涵不断向深度和广度发展，设计的含义愈 来愈深刻和愈来愈先进。设计是人类改造自然的基本的活动之一，设计是复杂的思维过程， 设计过程蕴含着创新和发明的机会。设计的目的是将预定的目标，经过一系列的规划与分 析决策产生一定的信息（文字，数据，图形）形成设计，并通过制造，使设计成为产品， 造福人类。 总之自动化技术发展就是不断满足对机器功能的要求，而使制造业的不断发展和创新， 机械自动化的发展空间非常广阔，具有极大的想向空间，需要我们利用先进技术符合科学 原理来不断创新，设计制造出一流的自动化产品。 机械自动化的技术水准，不仅影响整个机械制造业的发展，而且对国民经济各部门的 的技术进步有很大的直接影响。如何发展我国的机械自动化技术，应实事求是，一切从我 国的国情出发，做好各项工作，走在中国的机械自动化技术发展之路。 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 第三章 机械自动化系统在化工生产中的应用 生产过程中，对各个工艺过程的物理量（或工艺变量）有着一定的控制要求。有些 工艺变量直接表现生产过程，对产品的数量与质量起着决定性的作用。例如，精馏塔的 塔顶或塔釜温度，一般在操作压力不变的情况下必须保持一定，才能得到合格的产品； 加热炉出口温度的波动不能超过允许范围，否则将影响后一工段的效果；化学反应器的 反应温度必须保持平稳，才能使效率达到指标。有些工艺变量虽不直接地影响产品的质 量和数量，然而保持其平稳却是使生产获得良好控制的前提。 3.1 锅炉汽包水位控制方面的研究 锅炉汽包是生产蒸汽的设备，几乎是工业生产不可缺少的设备，保持锅炉汽包的液位 高度在规定范围内是非常重要的，若水位过低，则会影响产气量，且锅炉易烧干而发生事 故；若水位过高，生产蒸汽含水量高，会影响蒸汽质量。这些都是危险的，因此对汽包的 液位严加控制是保证锅炉正常生产必不可少的措施， 3.1.1 单冲量控制系统 汽包水位控制手段是控制给水，基于这一原理，可构成如图 3-1 所示的单冲量控制系 统。 lt lc 、 、 、 、 、 、 、 、 、 图 3-1 汽包单冲量控制系统 这里的“冲量”一词是指变量，单冲量即汽包水位。这种控制系统 典行的简单控制系统。当蒸汽负荷突然大幅度增加时，由于假水位现象，控制器不但 不能开大给水阀来增加给水量，以维持锅炉的物料平衡，而是关小控制阀的开度，减小给 水量。等到假水位消失后，由于蒸汽量增加，送水量反而减小，将使水位严重下降，波动 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 很历害，严重时气包水位降到危险程度以至发生事故。因此对于停留时间短、负荷变动较 大的情况，这样的系统不能适应，水位不能保证。然而对于小型锅炉，由于水在汽包中的 停留时间较长，在蒸汽负荷变化时，假水位的现象并不显著，配上一些联锁报警装置，也 可以保证安全操作，故采用这种单冲量控制系统尚能满足生产要求。 3.1.2 双冲量控制系统 在汽包水位的控制中，最主要的扰动是蒸汽负荷的变化。如果根据蒸汽流量来进行校 正，不仅可以补偿“虚假水位”所引起的误动作，而且使给水位控制阀的动作十分及时， 从而减少水位波动，改善控制品质。将蒸汽流量信号引入，就购入了双冲量控制系统，如 图 3-2 所示。从本质上看，双冲量控制系统是一个前馈（蒸汽流量）控制加单回路反馈控 制的复合控制系统。这里的前馈仅为静态前馈，若需要考虑两条通道在动态上的差异，需 引入动态补偿环节。 (、 、 、 、 、 、 、 、 ) lt lc 、 、 、 、 、 、 ic if i 、 、 、 ft (、 、 、 、 、 、 、 、 ) gm d if c2 c1gcg vgp gm l x -+icio w l gf d 图 3-2 汽包双冲量原理图及方框图 图 3-2 所示的连接方式中，加法器的输出 i 是 ic1icc2ifi0 式中 ic液位控制器的输出； if蒸汽流量变送器（一般经开方器）的输出； i0初始偏置值 c1、c2 加法器系数。c1 的设置一般取 1，c2 的值应考虑到静态前馈补偿，可 现场凑试，也可经理论推导得出。 设置 i0 的目的是使其在正常负荷下，控制器和加法器的的输出都有一个比较适中的 数值。最好在正常负荷下，i0 和 c2if 项接近而相互抵消。 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 3.1.3 三冲量控制系统 双冲量控制系统还有两个弱点：控制阀的工作特性不一定能成为线性特性，这样要做 到静态补偿就比较困难；同时，对于给水系统的扰动仍不能克服。为此可再将给水流量信 号引入，构成三冲量控制系统。 三冲量控制系统的实施方案较多，如图 3-3 所示为其中的典型控制方案之一。 lt lc 、 、 、 、 ic ft d dt fc ft 、 、 、 、 、 图 3-3 汽包三冲量控制系统 从该图可以看出，这是前馈控制与串级控制组成的复合控制系统。其中，汽包水位是 主冲量（主变量） ，蒸汽，给水流量为辅助冲量。在汽包停留时间较短、 “虚假水位”严重 时，需引入蒸汽流量信号的微分作用。这种微分信号应是负微分作用，以避免由于负荷突 然增加和减少时，水位偏离设定值过高或过低而造成锅炉停车。 如图 3-4 所示，为三冲量控制系统的方框图，加法器的运算关系与双冲量控制时相同， 各系数设置如下： a 系数 c1 通常可取 1 或稍小于 1 的数值； b 若采用气开阀；c2 取正值，c2 的值可按物料平衡关系进行计算； c i0 的设置和取值仍与双冲量控制系统相同。 -+ w io ic -+ gp 1g p 2gf cgvg lc gfgm d l x if gm w d gm l 图 3-4 汽包三冲量系统方框图 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 在三冲量的控制系统中，水位控制器和流量控制器的参数整定方法与一般串级控制系 统相同。在有些装置中，采用了比较简单的三冲量控制系统，只用一台控制器及一台加法 器，加法器可接在控制器之前，如图 3-5（a）所示：也可接在控制器之后，如图 3-5(b) 所示： ltftf t c2 +- 、 、 、 、 c3c 1 - lc 、 、 、 、 、 、 lc ltftft c2 +- 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 c3c 1 - （a） (b) 图 3-5 汽包三冲量控制系统的简化接法 图中加法器的正负号是针对采用气关阀及正作用控制器的情况。图 3-5（a）接法的 优点是使用仪表最少，只要一台多通道的控制器即可实现。但如果系数设置不能确保物料 平衡，则当负荷变化时，水位将有余差，图 3-5(b)的接法，水位无余差，但使用仪表较 前者多，在投运及系数设置等方面较前者麻烦一些。 3.2 冷却器控制方案的研究 冷却器的热载体是冷却剂，常采用液态氨等介质作为冷却剂，利用它们在冷却器内蒸 发进吸收工艺物料的大量热量，使用工艺物料的出口温度下降来达到生产工艺要求，工业 用冷却器的一般控制方案有以下几种。 3.2.1 控制冷却剂的流量 如图 3-6 所示： 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 、 、 、 、 、 、 、 、 t t t c 图 3-6 氨冷却器控制冷却剂流量的控制方案 为氨冷却器控制冷却剂流量的控制方案，其机理也是通过改变传热速率方程中的传热 面积 f 来实现的。该方案控制平稳，冷量（冷却剂量）利用充分，且对压缩机入口压力无 影响。但这种方案控制不够灵活，另外蒸发空间不能得到保证，易引起气氨带液而损坏压 缩机。为此，可采用图 3-7 所示的物料出口温度与液位的串级控制方案，使用这种方案时， 可以限制液位的上限，保证有足够的蒸发空间。也可以采用图 3-8 所示的选择性控制方案。 、 、 、 、 、 、 、 、 tt lt tc tc 、 、 、 、 、 、 、 、 tt lt tc tc ls 图 3-7 温度与液位串级控制方案 图 3-8 温度与液位选择性控制方案 3.2.2 控制气氨排量 如图 3-9 所示，为氨冷却器控制气氨排量的控制方案，其机理是通过改变传热速率方 程中的平均温度来控制工艺物料的出口温度的，这种方案控制灵敏迅速，但制冷系统必须 许可压缩机入口压力的波动。另外，冷量的利用不充分。为确保系统的安全运行，还需要 设置一个液位控制系统，防止液氨进入氨管路而导致压缩机损坏。 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 、 、 tt lt tc 、 、 tc 、 、 、 、 图 3-9 控制气氨排量的控制方案 根据以上分析研究可知：自动控制装置和被控的工艺设备组成了一个没有人直接参与 的自动化控制系统。操作工坐在操作室里，就能观察到整个装置的变化。因此，保证生产 过程的安全，降低了劳动强度。 近二十年来，工业生产规模的迅速发展，加剧了对人类生存环境的污染，因此减小工 业生产对环境的污染的影响也纳入了过程控制的目标范围。 综上所述，过程自动化控制的主要目标包括以下几个方面： 1、保证生产过程的安全和平稳； 2、达到预期的产量和质量； 3、尽可能地减少原材料和能源损耗； 4、把生产对环境的危害降到最小限度。 3.3 本章小结 先进制造技术的全部真谛在于应用。发展机械自动化技术,应以企业的生产和技术发 展的实际需要及具体条件为导向。只有对合适的产品采用与之相适应的自动化方式进行生 产,才能收到良好的技术经济效益和社会经济效益。我国发展机械自动化技术,应结合实际,注 重实用,即对国民经济产生实际效益。那种盲目搞自动化、搞自动线的做法,全年生产任务 只需 12 个月就完成的低负荷率生产也要搞的倾向应当纠正,对国民经济不产生显著促进、 效率低下的要缓搞。我们要的是效益,而不单纯是速度。国产造型生产线因产品质量差、 可靠性低、实用性差,开工率一般仅在 50%60%。而能在生产中长期服役的主力生产线很 少,像第一汽车制造厂的 01 线、第二汽车制造厂的 bmd 线等具有全年开工业绩的线更是凤 毛麟角。这种现象不属偶然或局部,而是带有普遍性 根据以上分析研究可知：自动控制装置和被控的工艺设备组成了一个没有人直接参与 的自动化控制系统。操作工坐在操作室里，就能观察到整个装置的变化。因此，保证生产 过程的安全，降低了劳动强度。 近二十年来，工业生产规模的迅速发展，加剧了对人类生存环境的污染，因此减小工 业生产对环境的污染的影响也纳入了过程控制的目标范围。 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 综上所述，过程自动化控制的主要目标包括以下几个方面： 1、保证生产过程的安全和平稳； 2、达到预期的产量和质量； 3、尽可能地减少原材料和能源损耗； 4、把生产对环境的危害降到最小限度。 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 第四章 机械自动化系统的优点与效益 随着机械自动化技术的快速发展，机械自动化产品有逐步取代传统机电产品的趋势， 与传统机电产品相比，机械自动化产品具有高的功能水平和附加值，它将给开发生产者和 用户带来社会、经济效益。 4.14.1生产能力和工作质量提高 机械自动化产品大都具有信息自动处理和自动控制功能，其控制和检测的灵敏度、精 度以及范围都有很大程度的提高，通过自动化控制系统可精确地保证机械的执行机构按照 设计的要求完成预定的动作，使之不受机械操作者主观因素的影响，从而实现最佳操作， 保证最佳的工作质量和较高的产品合格率。同时，由于机械自动化产品实现了工作自动化， 所以生产力大大提高。例如:数控机床对工件的加工稳定性大大提高,生产效率比普通机床 提高 56 倍。柔性制造系统的生产设备利用率可提高 1.53.5 倍，机床数量可减少约 50%，节省操作人员约 50%，缩短生产周期 40%，使加工成本降低 50%左右。此外，由于机 械自动化工作方式具有可通过调整软件来适应需求的良好柔性，特别适合于多品种、小批 量产品的生产、是缩短产品开发周期、加速更新换代的重要途径。 4.2 使用安全性和可靠性提高 机械自动化产品一般都具有自动监视、报警、自动诊断、自动保护等功能。在工作 过程中，遇到过载、过压、过流、短路等电力故障时，能自动采取保护措施，避免和减 少人身与设备事故，显著提高设备的使用安全性，机械自动化产品由于采用电子元器件， 减少了机械产品中的可动构件和磨损部件，从而使其具有较高的灵敏度和可靠性。故障 率降低，寿命得到了延长。 4.3 调整和维修方便，使用性能改善 机械自动化产品在安装调试时，可通过改变控制程序来实现工作方式的改变，以适应 不同用户对象的需要以及现场参数变化的需要。这些控制程序可通过多种手段输入到机械 自动化产品的控制系统中，而不需要改变产品中的任何部件和零件。对于具有存储功能的 机械自动化主品，可以事先存入若干套不同的执行程序，然后根据不同的工作对象，给定 一个代码信号输入 即可按指定的预定程序进行自动工作。机械自动化产品的自动化检验和自动 监视功能可对工作过程中出现的故障自动采取措施，使工作恢复正常。由于机械自动 化产品普遍采用程序控制和数字显示，操作按钮和手柄数量显著减少，使得操作大大简化， 并且方便、简单。机械自动化产品的工作过程根据预设的程序逐步由电子控制系统指挥， 系统可重复实现全部动作。高级的机械自动化产品可通过被控对象的数学模型以及外界参 数的变化随机自寻最佳工作程序，实现自动化最优化操作。 哈尔滨工业