材料工程计算机测控执行机构.ppt

执行机构原理及其实现 执行机构 模拟量驱动数字量驱动开关量驱动 执行机构 早期工业领域 手动和半自动控制 在操作中人体直接接触工业设备的危险部位 介质 化学物质和辐射物质 极易造成对人的伤害 很不安全 设备寿命短 易损坏 维修量大 采用半自动特别是手动控制的控制效率很低 误差大 生产效率低下 基于以上原因 执行机构逐渐产生并应用于工业和其它控制领域 减少和避免了人身伤害和设备损坏 极大的提高了控制精确度和效率 同时也极大提高了生产效率 随着电子元器件技术 计算机技术和控制理论的飞速发展 执行机构已跨入智能控制的时代 在计算机控制系统中 必须将经过采集 转换 处理的被控参量 或状态 与给定值 或事先安排好的动作顺序 进行比较 然后根据偏差来控制有关输出部件 达到自动调节被控量 或状态 的目的 执行机构 接收计算机发出的控制信号 并把它转换成调整机构的动作 使生产过程按照预先规定的要求正常进行 执行机构 例如 在机床加工工业中 经常控制 的正反转及其转速 以完成进刀 退刀及走刀的任务 在雷达天线位置跟踪系统中 需要控制 油缸的位置 在各种温湿度控制系统中 经常需要控制 的开闭和开度 以控制液体和气体的流量 在机器人控制系统中 经常要控制各关节上 的转动方向和速度 在程控交换系统和配料过程控制系统中 经常要控制 以满足各种动作的需要等 统称为执行机构 也称为执行装置或执行器 执行机构 例如 在机床加工工业中 经常控制马达的正反转及其转速 以完成进刀 退刀及走刀的任务 在雷达天线位置跟踪系统中 需要控制伺服阀油缸的位置 在各种温湿度控制系统中 经常需要控制阀门的开闭和开度 以控制液体和气体的流量 在机器人控制系统中 经常要控制各关节上伺服电机的转动方向和速度 在程控交换系统和配料过程控制系统中 经常要控制继电器 接触器 以满足各种动作的需要等 统称为执行机构 也称为执行装置或执行器 执行机构 执行机构的类型 材料工程施能目的及种类 材料工程施能执行器及控制器 执行机构的种类 按所需能量的形式 气动 液压和电动执行机构气动执行机构以压缩空气为动力 主要分为薄膜式与活塞式两大类 结构简单 价格低 输出推力大 防火防爆 动作可靠 维修方便 适用于防火 防爆场合 因此被广泛应用在化工 炼油生产中 在冶金 电力 纺织等工业部门也得到大量使用 与计算机的连接极为方便 只要将电量信号经电气转换器转换成标准的气压信号之后 即可与气动执行机构配套使用 液动装置 液动装置是用液压力启闭或调节阀门的驱动装置 它由控制 动力和执行机构三大部分组成 阀门控制部分由压力控制阀 流量控制阀 方向控制阀等和电气控制系统组成 动力部分由电动机或气动马达 液压泵 油箱等件构成 是把电动或气动马达回旋轴上的顶事功率转变成液压传动的流体压力能 执行机构有两种 一种是液压缸执行机构 落实往复直线运动 另一种是液压马达执行机构 落实回转运动 液动装置 液动装置的优点 1 结构简单 体种小2 输出力大3 简便获得低速或高速 能无级变速4 能远距离自动控制能完全放入水中自动控制5 由于液压油的黏性而效率较高 有自润滑功能和防锈功能液动装置的缺点 1 油温变化引起油粘度的变化2 液压元件和管道易渗漏3 配管 维修不方便4 不适于对于信号进行各种运算 电动执行机构电动执行机构是工程上应用最多 使用最方便的一种执行器 特点是体积小 种类多 使用方便 电动装置的优点 1 适用性较强 不受环境温度影响2 输出转矩范围广3 控制方便 能自由地采用直流 交流 短波 脉冲等各种信号 适于放大 记忆 逻辑判断和计算等工作电动装置的缺点 1 结构复杂2 机械效率低 一般只有25 60 3 输出转速不能太低或太高4 易受电源电压 频率变化的影响 1 电磁式继电器 属于一种微电控制器件 一种由小电流的通断控制大电流通断的常用开关控制器 在电路中起着自动调节安全保护转换电路等作用 电磁式继电器 主要由线圈 铁芯 衔铁和触点等部件组成 通过控制继电器线圈上的电流可以使继电器上的触点开关闭合或断开 从而使外部高电压或大电流与微型机隔开 继电器的选择 控制电路的电源电压 能提供的最大电流 被控制电路中的电压和电流 被控电路需要几组 什么形式的触点 控制电路应能给继电器提供足够的工作电流 否则继电器吸合不稳定 继电器与接触器 1 继电器的触头容量一般不会超过5A 小型继电器的触头容量一般只有1A或2A而接触器的触头容量最小也有10A到20A 2 继电器的线圈有直流和交流之分 而接触器的线圈只有交流 3 接触器的触头通常有三个主触头另外还有若干个辅助触头 而继电器的触头一般不分主辅 4 继电器的触头有时是成对设置的 即常开触头和常闭触头组合在一起 而继电器一般主触头都是常开触头 不会成对设置 5 继电器针对特定的要求 会与其它装置组合设计成时间继电器 压力继电器等等 有附加功能 而接触器一般不会具有附加的功能 继电器与接触器的区别 原理一样 用途不同 接触器用在主回路 连接设备的电源供电用的 继电器用在二次回路 主要做控制和扩展触点用 直流接触器 2 固态继电器 简称SSR SolidStateRelay 它利用电子技术实现了控制回路与负载回路之间的电隔离和信号耦合 而且没有任何可动部件或触点 却能实现电磁继电器的功能 故称为固态继电器 实际上是一种带光电耦合器的无触点开关 固态继电器输入控制电流小 输出无触点 具有体积小 重量轻 无机械噪声 无抖动和回跳 开关速度快 工作可靠 寿命长等优点 因此 在微机控制系统中得到了广泛的应用 大有取代电磁继电器之势 它可以实现用微弱的控制信号 几毫安到几十毫安 控制0 1A直至几百A电流负载 进行无触点接通或分断 固体继电器是一种四端器件 两个输入端 两个输出端 输入端接控制信号 输出端与负载 电源串联 2 固态继电器 3 大功率场效应管 由于场效应管输入阻抗高 关断漏电流小 响应速度快 而且与同功率继电器相比 体积较小 价格便宜 所以在开关量输出控制中也常作为开关元件使用 大功率场效管包括控制栅极G 漏极D 源极S 对于NPN型场效应管来讲 当G为高电平时 源极与漏极导通 允许电流通过 否则场效应管关断 4 晶闸管 又称可控硅 SiliconControlledRectifier 简称SCR 是一种大功率的半导体器件 具有体积小 效率高 寿命长 用小功率控制大功率 开关无触点等特点 在交直流电机调速系统 调功系统 随动系统中应用广泛 单向晶闸管具有单向导电功能 在控制系统中多用于直流大电流场合 也可在交流系统中用于大功率整流回路 双向晶闸管也叫三端双向可控硅 在结构上相当于两个单向晶闸管的反向并联 但共享一个控制极 具有双向导通功能 因此特别适用于交流大电流场合 5 电磁阀在气体或液体流动的管路中受电磁力控制开闭的阀体 广泛应用于液压机械 空调系统 热水器 自动机床等系统中 它由线圈 固定铁芯 可动铁芯和阀体等组成 当线圈不通电时 可动铁芯受弹簧作用与固定铁芯脱离 阀门处于关闭状态 当线圈通电时 可动铁芯克服弹簧力的作用而与固定铁芯吸合 阀门处于打开状态 这样 就控制了液体和气体的流动 再通过流动的液体或气体推动油缸或汽缸来实现物体的机械运动 6 调节阀用电动机带动执行机构连续动作以控制开度大小的阀门 调节阀由于电动机行程可完成直线行程也可完成旋转的角度行程 故可以带动直线移动的调节阀如直通单座阀 直通双座阀 三通阀 隔膜阀 角形阀等 也可以带动叶片旋转阀芯的蝶形阀 根据流体力学的观点 调节阀是一个局部阻力可变的节流元件 通过改变阀心的行程可改变调节阀的阻力系数 从而达到控制流量的目的 电磁阀与电控阀 7 伺服电机它可以将输入的电压信号变换为轴上的角位移和角速度输出 在信号来到之前 转子静止不动 信号来到之后 转子立即转动 信号消失之后 转子又能即时自行停转 由于这种 伺服 性能 因而将这种控制性能较好 功率不大的电动机称做伺服电动机 8 步进电机一种将电脉冲信号转换为直线位移或角位移的执行器 按其运动方式可分为旋转式和直线式步进电机 前者每输入一个电脉冲转换成一定的角位移 后者每输入一个电脉冲转换成一定的直线位移 可见 步进电机的工作速度与电脉冲频率成正比 基本上不受电压 负载及环境条件变化的影响 与一般电机相比能够提供较高精度的位移和速度控制 此外 步进电机还有快速启停的显著特点 并能直接接收来自计算机的数字信号 使用十分方便 所以在定位场合中得到了广泛的应用 如在数控线切割机床上用于带动丝杠 控制工作台运动 在绘图仪 打印机 光学仪器中用于定位绘图笔 打印头 光学镜头等 步进电机控制器 步进电机驱动器 步进电机 执行机构的驱动 就接口技术而言 执行装置的接口与一般输出设备的接口没什么两样 主要差别在于 要想驱动它们 必须具有较大的输出功率 这就要求接口不仅能与微型机的TTL CMOS等器件连接 而且能向执行装置提供大电流 高电压驱动信号 以带动其动作 另一方面 由于各种执行装置的动作原理不尽相同 有的用电动 有的用气动或液压 因此如何使微型机输出的信号与之匹配 也是执行装置接口必须解决的重要问题 在各种执行装置的接口中 为了实现与执行装置的功率配合 一般都要在微机输出口 包括数据总线及I O接口 与执行装置之间增加一级驱动器 继电器驱动电流一般需要20 40mA或更大 线圈电阻100 200欧姆 因此要加驱动电路 1 继电器的驱动控制方法 1 晶体管驱动集成电路驱动光耦驱动 1 三极管用来驱动继电器 必须将三极管的发射极接地 具体电路如下 继电器线圈作为集电极负载而接到集电极和正电源之间 当输入为0V时 三极管截止 继电器线圈无电流流过 则继电器释放 OFF 相反 当输入为 VCC时 三极管饱和 继电器线圈有相当的电流流过 则继电器吸合 ON 电路中各元器件的作用 三极管T1可视为控制开关 电阻R1主要起限流作用 降低管T1功耗 阻值为2K 电阻R2使管T1可靠截止 阻值为5 1K 二极管D1反向续流 抑制浪涌 一般选1N4148即可 2集成电路2003驱动继电器左图1 7是信号输入 IN 10 16是输出信号 OUT 8和9是集成电路电源 右图是集成块内部原理图 根据集成电路驱动器2003的输入输出特性 简称 驱动器 反向器 放大器 等 当2003输入端为高电平时 对应的输出口输出低电平 继电器线圈通电 继电器触点吸合 当2003输入端为低电平时 继电器线圈断电 继电器触点断开 在2003内部已集成起反向续流作用的二极管 因此可直接用它驱动继电器 继电器的光耦驱动控制方法 8255是Intel公司生产的可编程并行I O接口芯片 有3个8位并行I O口 具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片 40引脚 其各口功能可由软件选择 使用灵活 通用性强 8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路 7404是六反相器 外形和管脚排列如图 A是输入端 Y是输出端 1A对应1Y 2A对应2Y 依此类推 使用时把输入信号送到A 相应的输出端Y就会输出反相的电压信号 接二极管是因为继电器在释放时会有反向电压 2 固态继电器的驱动控制方法 固态继电器 应用实例 调压应用SSR TSR调压型模块 可采用外配模拟量信号来触发模块就可实现线性可调输出电压 例如 PLC或控温仪输出模拟量信号 1 5V 4 20mA的触发系统 国产单相三相可控硅触发板 配合可控硅 也可以外配模拟量信号来调节触发板 触发板再触发模块就可实现线性可调输出电压 控制可控硅导通角 以达到调压之目的 固态继电器 交流调功 交流调功 是一种Z型SSR普遍采用的方法 也能实现PID调节 即在固定周期内 控制交流正弦电流半波个数 达到调功目的 模拟电路常采用电压比较器 将一个固定周期的锯齿电压和来自前级误差电压作比较 输出方波实现调节 在计算机上采用计时算法 产生占空比可调的方波脉冲击来实现 例如日本的SHIMADEW和OMRON公司的SR22 FD20 E5系列智能化控温产品 配合Z型SSR 实现自适应 自动翻转 控制 即通过计算机产生扰动 算出最佳PID控制参数 固态继电器 三相电流HS系列SSR产品 可直接用于三相电机的控制 最简单的方法 是采用2只SSR作电机通断控制 4只SSR作电机换相控制