控制技术与系统课件 第四章 顺序控制.ppt

控制技术与系统 controltechnologyandsystem党学明仪器科学与光电工程学院 第四章顺序控制 主要内容 第一节概述第二节PLC 略 第三节数控系统 CNC 略 第一节概述 主要内容 一 顺序控制系统的组成二 基本逻辑运算三 顺序控制系统的实现四 应用 一 顺序控制系统的组成 1 自动控制系统技术被控变量的时间特性可分为两大类型 一类是连续量的控制系统 这类控制系统在时间特性上表现为连续量 反馈控制为这类控制系统的主流 包括定值控制系统 随动控制系统等 另一类是断续量的控制系统 这类控制系统在时间特性上表示为离散量 这类控制系统以顺序控制为主流 包括时间顺序控制系统 逻辑顺序控制系统和条件顺序控制系统等 顺序控制 控制系统根据生产工艺按预先规定的工艺要求 在各个输入信号的作用下 使生产过程的各个执行机构自动地按预先规定的顺序动作 2 顺序控制的分类时间顺序控制系统逻辑顺序控制系统条件顺序控制系统1 时间顺序控制系统以固定时间程序的控制系统例如信号灯 设备启动或者关闭过程等特点 各设备运行时间是事先已确定的 一旦顺序执行 将按预定的时间执行操作指令 2 逻辑顺序控制系统按照逻辑先后顺序执行操作指令 它与时间无严格的关系 执行操作指令的逻辑顺序关系不变 这类控制系统在工业生产过程的控制中应用较多 例如化学反应 酒勾兑 混料等 3 条件顺序控制系统以执行操作指令的条件是否满足为依据 当条件满足时 相应的操作就被执行 不满足时 将执行另外的操作 典型的例子是电梯控制系统 仓储管理等 3顺序控制系统的一般组成 系统控制器 输入输出电路 输入输出接口 信号检测 显示电路 报警电路 操作台 主要的五部分及功能 1 输入接口实现输入信号的电平转换 2 控制器接受控制输入信号 按一定的控制算法运算后控制器具有记忆功能 能实现所需的控制运算功能 3 输出接口实现输出信号的功率转换 4 捡出检测器检出或检测被控对象的状态信息 5 显示报警装置显示系统的输入 输出 状态 报警等信息 便于了解过程运行状态和对过程的操作 调试 事故处理等 二 基本逻辑运算 顺序控制系统中 大量的信号是数字量或开关量 对数字量或开关量 其基本的运算是逻辑运算 例如逻辑运算有 与 运算y A B 或 运算y A B 非 运算y 基本运算 交换律 A B B AA B B A结合律 A B C A B C A B C A B C 分配律 A B C A B A C 常用简化恒等式 A 0 0A 1 AA A AA 0 AA 1 1A A A摩根定理 三 顺序控制系统的实现 可实现方案 采用继电器组成的逻辑控制系统采用晶体管的无触点逻辑控制系统采用可编程序控制器的逻辑控制系统采用计算机的逻辑控制系统 1 采用继电器组成的逻辑控制系统控制功能全部由硬件完成 即采用继电器的常开常闭触点 延时断开 延时闭合触点等可动触点和普通继电器 时间继电器 接触器等执行装置完成所需的顺序逻辑功能 例如 电动机的开停控制等 特点 受继电器触点可靠性的影响和使用寿命的限制 这类控制系统的使用故障较多 使用寿命较短 加上因采用硬件完成顺序逻辑功能 因此更改不便 维修困难 2 采用晶体管的无触点逻辑控制系统顺序逻辑控制因减少了接点的可动部件 可靠性大大提高 晶体管 晶闸管等半导体晶体管组成的无触点体元器件的使用寿命也较继电器的触点使用寿命长 因此 在20世纪70年代得到了较大的发展 它也是用硬件组成顺序逻辑功能 更改也不很方便 但因采用功能模块的结构 部件的更换和维修较继电器顺序逻辑控制系统要方便 3 采用可编程序控制器的逻辑控制系统可编程序控制器是在计算机技术的促进下得以发展起来的新一代顺序逻辑控制装置 与上述的组成方法不同 它用软件完成顺序逻辑功能 用计算机来执行操作指令 实施操作 因此 顺序逻辑功能的更改十分方便 加上得益于计算机的高可靠性和高运算速度 使得可编程序控制器一出现就得到了广泛的应用 4 采用计算机的逻辑控制系统计算机组成的顺序逻辑控制系统指在集散控制系统或工控机守实现顺序逻辑控制功能的控制系统 在大型的顺序逻辑控制和连续控制相结合的工程应用中 在这类控制系统中 有连续量的控制和开关量的控制 采用计算机对它们进行操作和管理 必要时 把信息传送到上位机或下送到现场控制器和执行机构 可编程序控制器将与其他计算机控制装置 是工业控制领域的主流控制装置 四 应用 1 工业生产流水线在机械电子等制造工业中 产品采用流水线的工作方式按先后次序进行 在这类工业生产过程中 部分控制操作是按时间的次序进行的 大部分控制操作是按逻辑顺序进行的 这类顺序控制系统的应用十分广泛 例如数控机床 柔性制造系统 物料输送系统 生产流水线等 2 安全生产监控系统在石油化工 核电 冶金等工业领域 由于工作环境具有高温 高压 易燃 易爆 核辐射等特点 因此 必须对操作的过程参数进行控制 一旦它们偏离规定的范围 就会发少事故 造成设备损坏或人员伤亡 在这些工业生产过程中 要设置控制系统用于防止事故的发生 3 家电产品在家电产品中 顺序控制系统也有较广泛的应用 洗衣机的顺序控制 冰箱的温度控制 空调系统等顺序逻辑控制系统是较常见的应用例子 家用电器的一些模糊控制系统 自动烹调系统等也得到应用 总之 在这一领域 顺序控制系统还刚开始进入应用 有很大发展 第三节数控系统 CNC 一 基本概念 1 数字控制 数控NC NumericalControl 它是指用数字化信号对机床运动及其加工过程中进行控制的一种方法 2 数控系统 NCControlSystem 数控设备的数据处理和控制电路以及伺服机构等统称数控控制系统 它由程序输入 输出设备 计算机数字控制装置 可编程控制器 主轴进给及驱动装置等组成 3 数控机床 NCMachineTools 数控机床是一种装有程序控制系统 数控系统 的高效自动化机床 它综合了计算机 自动控制 精密测量 机床的机构设计与制造等方面的最新成果 4 直接数字控制系统 DNC 使用一台通用计算机直接控制和管理一群数控机床进行零件加工或装配的系统 5 开放式数控系统世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软 硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统 开放式体系结构使数控系统有更好的通用性 柔性 适应性 可扩展性 并可以较容易的实现智能化 网络化 二 数控系统的组成 从自动控制的角度来看 CNC系统是一种位置 轨迹 控制系统 从外部特征来看 CNC系统是由硬件 通用硬件和专用硬件 和软件 专用 两大部分组成的 CNC系统硬件 微机基本系统 人机界面接口 键盘 显示器 操作面板 手摇脉冲发生器 通讯接口 RS232 RS485串行接口 网络接口 进给轴位置控制接口 主轴控制接口 辅助功能 MST辅助 主轴 刀具指令 控制接口 图3 1CNC系统硬件的层次结构 2 CNC系统软件的功能结构从本质特征来看 CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统 从功能特征来看 该操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成 它是CNC系统活的灵魂 其结构框图如图所示 CNC硬件软件的作用和相互关系 硬件是基础 软件是灵魂CNC装置的系统软件在系统硬件的支持下 合理地组织 管理整个系统的各项工作 实现各种数控功能 使数控机床按照操作者的要求 有条不紊地进行加工 CNC系统的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台 三 CNC系统的主要工作过程 1 正常工作前的准备工作在接通电源后 CNC装置将对数控系统及数控机床的各组成部分的工作状态进行检查和诊断 并设置初始状态 2 零件加工控制信息的输入CNC系统具备了正常工作条件后 开始输入零件加工程序 刀具长度补偿数值 刀具半径补偿数值以及工件坐标系原点相对机床原点的坐标值 数控加工程序存储器 用于存放整个数控加工程序 当存储有多个加工程序时 一般在存储器中开辟一个目录区 数控加工程序缓冲器 只能存放一个或几个程序数据段 规模较小 是数控加工程序输入通路的重要组成部分 3 数控加工程序的译码和预处理加工控制信息输入后 启动加工运行 此时CNC装置在系统控制程序的作用下 对数控程序进行预处理 即进行译码和预计算 刀补计算 坐标变换等 所谓译码就是将输入的程序段按照一定的规则翻译成数控系统能够识别的数据形式 并按约定的形式存放在指定的译码结果缓冲器中 具体来讲 就是从数控加工程序缓冲器或MDI缓冲器逐个读入字符 先识别出其中的文字码和数字码 然后根据文字码代表的功能 将后续数字码送到相应的译码结果缓冲器单元中 可见 译码主要包括代码识别和功能解释两大部分 4 插补计算一个程序段的加工控制信息预处理完毕后进行插补处理 所谓 插补 就是指在一条已知起点和终点的曲线上进行数据点的密化 插补的任务就是根据进给速度的要求 在一段零件轮廓的起点和终点之间 计算出若干个中间点 分别向各个坐标轴发出方向 大小和速度都确定的运动序列指令 5 位置控制各个坐标轴的伺服系统将插补结果作为各个坐标轴位置调节器的指令值 机床上位置检测元件测得的位移作为实际位置值 位置调节器将两者进行比较 经过调节 输出相应的位置和速度控制信号 控制各轴伺服系统驱动机床坐标轴运动 通过各个坐标轴运动的合成 产生数控加工程序所要求的工件轮廓尺寸 四 CNC装置的优点 具有灵活性和通用性CNC装置的功能大多由软件实现 且软硬件采用模块化的结构 使系统功能的修改 扩充变得较为灵活 CNC装置其基本配置部分是通用的 不同的数控机床仅配置相应的特定的功能模块 以实现特定的控制功能 数控功能丰富插补功能 二次曲线 样条 空间曲面插补补偿功能 运动精度补偿 随机误差补偿 非线性误差补偿等人机对话功能 加工的动 静态跟踪显示 高级人机对话窗口编程功能 G代码 篮图编程 部分自动编程功能 可靠性高CNC装置采用集成度高的电子元件 芯片 采用VLSI本身就是可靠性的保证 许多功能由软件实现 使硬件的数量减少 丰富的故障诊断及保护功能 大多由软件实现 从而可使系统的故障发生的频率和发生故障后的修复时间降低 使用维护方便操作使用方便 用户只需根据菜单的提示 便可进行正确操作 编程方便 具有多种编程的功能 程序自动校验和模拟仿真功能 维护维修方便 部分日常维护工作自动进行 润滑 关键部件的定期检查等 数控机床的自诊断功能 可迅速实现故障准确定位 易于实现机电一体化数控系统控制柜的体积小 采用计算机 硬件数量减少 电子元件的集成度越来越高 硬件的不断减小 使其与机床在物理上结合在一起成为可能 减少占地面积 方便操作 五 分类 1 按伺服系统的类型开环控制数控机床闭环控制数控机床 半闭环控制数控机床 2按机床运动轨迹1 点位控制数控机床为点到点控制 只要刀具从某一位置向另一位置移动时 不管中间的轨迹如何 只要刀具最后能正确到达目标位置的控制方式 称为点位控制 这类机床有数控钻床 数控坐标镗床 数控冲剪床等 点位控制加工原理图 2 直线控制数控机床除点到点的准确位置之外 还要保证两点之间移动的轨迹是直线 而且对移动的速度也要进行控制 以便适应随工艺因素变化的不同需要 简易数控车床 数控镗铣床 一般有2 3个可控坐标轴 但同时控制的坐标轴只有一个 3 轮廓控制的数控机床能够对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制 因而可进行曲线或曲面的加工 2轴控制 同时控制两个坐标 3 按控制器的结构来划分 有硬件数控和计算机数控 计算机数控 当前主要是微机数控 可分为单微机系统和多微机系统 早期 由数字逻辑电路来处理数字信息的 也就是硬件数控 习惯上称之为NC系统 十硬件数控因其功能少 线路复杂 可靠性低等缺点 现代数控系统的主流是微机数控系统 随着机械制造技术的发展 对数控系统提出了复杂功能 高进给速度和高加工精度等要求 随着微处理器的价格降低 多个微处理器在 个数控系统中可以并行完成单个微处理器难以完成的复杂功能 而且速度快 有较高的性能价格比 基于功能 价格等因素权衡 多微处理器的数控系统得到了迅速发展 微机数控系统根据一 个系统中微处理器的多少 可分为单微机系统和多微机系统 4 按功能水平来划分 可分为高 中 低 经济型 三类 划分标准 1 分辨力和进给速度分辨力为10um 进给速度为8 15m min为低挡 分辨力为lum 进给速度为15 20m min为中挡 分辨力为0 1um 进给速度为15 20m min为高挡 2 坐标联动功能低挡最多2 3轴联动 中 高档联动轴为3 5轴以上 3 显示功能低挡一般只有数码管显示或简单的CRT字符显示 中挡的CRT显示有图形功能 高档的一般有三维动态图形显示功能 4 通信功能低挡数控系统一般无通信功能 中挡系统有Rs 232或DNC 直接数控 通信接口 高挡系统有MAP 制造自动化协议 等高性能通信接口 具有联网功能 5 主CPU档次低挡数控系统一般采用8位或16位CPU 中 高档系统采用32位以上的微处理器为主CPU 6 进给伺服装置水平 六 插补器 插补运算的任务就是在已知加工轨迹曲线的起点和终点间进行 数据点的密化 插补是在每个插补周期 极短时间 一般为毫秒级 内 根据指令 进给速度计算出一个微小直线段的数据 刀具沿着微小直线段运动 经过若干个插补周期后 刀具从起点运动到终点 完成轮廓的加工 基本长度单位 以硬件为基础的NC系统中 数控装置采用了电压脉冲作为插补点坐标增量输出 其中每一脉冲都在相应的坐标轴上产生一个基本长度单位的运动 在这种系统中 一个脉冲P对应着一个基本长度单位BLU 可表示为 P BLU在CNC系统中 信息以二进制形式编排 处理和存储 二进制的每一位Bit代表一个基本长度单位BLU 表示为Bit BLU 1 插补方法的分类硬件插补器完成插补运算的装置或程序称为插补器软件插补器软硬件结合插补器1 基准脉冲插补每次插补结束仅向各运动坐标轴输出一个控制脉冲 各坐标仅产生一个脉冲当量或行程的增量 脉冲序列的频率代表坐标运动的速度 而脉冲的数量代表运动位移的大小 基准脉冲插补的方法很多 如逐点比较法 数字积分法 脉冲乘法器等 2 数据采样插补采用时间分割思想 根据编程的进给速度将轮廓曲线分割为每个插补周期的进给直线段 又称轮廓步长 进行数据密化 以此来逼近轮廓曲线 然后再将轮廓步长分解为各个坐标轴的进给量 一个插补周期的近给量 作为指令发给伺服驱动装置 该装置按伺服检测采样周期采集实际位移 并反馈给插补器与指令比较 有误差运动 误差为零停止 从而完成闭环控制 数据采样插补方法有 直线函数法 扩展DDA 二阶递归算法等 2逐点比较法早期数控机床广泛采用的方法 又称代数法 醉步伐 适用于开环系统 1 插补原理及特点原理 每次仅向一个坐标轴输出一个进给脉冲 而每走一步都要通过偏差函数计算 判断偏差点的瞬时坐标同规定加工轨迹之间的偏差 然后决定下一步的进给方向 每个插补循环由偏差判别 进给 偏差函数计算和终点判别四个步骤组成 逐点比较法可以实现直线插补 圆弧插补及其它曲安插补 特点 运算直观 插补误差不大于一个脉冲当量 脉冲输出均匀 调节方便 插补步骤 偏差判别 坐标进给 偏差计算 终点判断走一步 比较一次 决定下插补结束判断一步的走向 第一象限内的直线插补偏差计算式 若点M在OA直线段上 则有ym xm ye xe即ymxe xmye 0于是取偏差计算式为Km ym xm ye xe ymxe yexm xmxeFm ymxe yexm 偏差判别 偏差判别式 若Fm 0 则点M在OA直线段上 若Fm 0 则点M在OA直线段的上方 若Fm 0时 沿 x轴方向走一步 当Fm 0时 沿 y方向走一步 当目前坐标与终点坐标相等 停止插补 Fm ymxe xmye每次两次乘法 速度较慢 偏差计算的简化 1 设加工点在M点 若Fm 0 这时沿 x轴方向走一步至m 1点 xm 1 ym 1 xm 1 ym Fm 1 ym 1xe xm 1ye ymxe xm 1 ye ymxe xmye ye Fm ye 2 设加工点在m点 若Fm 0 这时沿 y轴方向走一步至m 1点 推理有Fm 1 Fm xe 偏差计算