机电一体化与过程控制课程设计指导书

1、机电一体化与过程控制课程设计指导书曹艳明 华南农业大学工程学院农业工程系2009年课程设计内容第一部分 问题的引出第二部分 问题的分析与对策第三部分 系统硬件的选择第四部分 系统的软件设计与信号的分析第五部分 系统整体的正常运转过程第六部分 参考文献第七部分 课程设计心得体会0、 序言农业工程技术装备使农业生产的效率、土地的生产率得到了很大提高，生产成本大幅度降低、用工减少等，但装备本身还存在着以下缺点：1）机械设备本身固有的局限性 ；2）机械设备的适应性差 ；3）自动化程度低 ；4）部分作业并不十分切合农艺要求 ；5）传统机具无法使特殊作业机械化 自20世纪90年代以来，信息技术、传感技术、

2、电子技术和自动化和化智能技术在农业上应用日益广泛。光、机、电一体化是国家确立的高科技，过程控制作为其重要组成部分正在蓬勃发展。在未来农业生产中，过程控制技术将为实现各种最优经济指标、提高劳动生产率、土地生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境、提高经济效益和社会效益以及农产品的附加值和提高农业生产的机械化程度等方面起到巨大的作用。农业工程指服务与大农业生产过程的机械化、自动化、设施、生物环境、农产品加工、水土保持、农业的系统等工程。从系统的角度看，是一个集环境生物机械过程控制人而成的大系统，涉及的因素多而不确定，结构关系复杂。机电一体化及过程控制是使农业生产中的机器、装置、设备按照人的设想或者

3、农业生产过程、生物过程所要求的条件自动完成作业。包含在农业生产过程、生物过程的机械化和自动化工程之中1、机电一体化与过程控制发展概述机电一体化与过程控制发展的第一个阶段在20世纪50年代前后。主要特点：1）检测控制普遍采用基地式仪表和部分单元组合式仪表2）控制结构大多是单输入，单输出系统3）被控参数是温度、压力、流量和液位四种4）目的是保持参数的稳定5）控制理论主要是经典反馈控制理论机电一体化与过程控制发展的第二个阶段在20世纪60年代前后 。主要特点：1）开始大量采用气动和电动单元组合仪表 2）计算机控制系统开始应用于过程控制领域，实现了数字控制（ddc）与设定值控制（spc） 3）相继开发

4、和应用了各种复杂的过程控制系统 4）过程控制由单变量系统转向多变量系统控制5）控制理论在采用经典理论的同时，应用在线性代数基础上发展起来的现代控制理论发展的第三个阶段在20世纪70年代前后。主要特点：1）过程控制发展现代控制的新时代 计算机时代 2）工艺过程集中控制，利用计算机进行综合控制80年代以后，过程出现了飞跃式的发展1）现代控制理论从本质上解决了一般多变量系统的控制问题2）过程控制结构从包括手动控制的分散局部控制站改变为具有高度自动化的集中、远程控制中心3）柔性化、分散化和集成化的综合自动化系统，已被应用于实际的过程控制2、现阶段农业工程中的机电一体化控制1）在自动化技术、信息技术、计

5、算机控制和生产工艺技术的基础上，通过信息集成，把控制、优化、调度、管理、经营决策融为一体，实现与环境实现良好的操作，能适应大惯量、时变过程、总体最优，高效益、高柔性的农业工程过程控制系统 。2）发展的方向将是走向智能化 系统的组成和分类 过程控制系统通常是指生产过程中控制系统的被控量，如温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度等这样一些过程变量系统稻谷循环式缓苏干燥机干燥机控制系统安全措施干燥机控制系统干燥机控制系统装备技术示意图3计算机控制系统过程控制系统由测量元件、变送器、调节器、调节阀和被控过程构成。把测量元件、变送器、调节器等统称为检测控制仪表，那么，过程控制系统就由被控过程和检测控制

6、仪表两部分构成 n 按被控参数的名称来分，有温度、压力、流量、转速、位置、成分等控制系统n 按控制系统的功能来分，有比值、均匀、分程和选择性控制系统n 按调节器的控制的规律来分，有比例、比例积分、比例微分、比例积分微分控制系统n 按被控量的多少来分，有单变量和多变量控制系统n 按采用常规仪表和计算机来分，有仪表过程控制系统和计算机过程控制系统等最基本的分类方法是按过程控制系统的结构特点和给定的定值信号特点进行分类按过程控制系统的结构特点分类 ：反馈控制系统 ；前馈控制系统；前馈反馈控制系统（复合控制系统） 按过程控制系统的结构特点分类 ：定值控制系统 ；程序控制系统；随动控制系统 n 反馈控制

7、系统是根据系统被控量的偏差进行工作的，偏差值是过程控制的依据，控制的目标是要消除或减小偏差。n前馈控制系统以不变性原理为理论基础，直接根据扰动量大小进行工作，扰动是控制的依据。所以，可及时克服扰动对被控量的影响。前馈控制是一种开环控制（没有控制量的反馈 ），不能检测过程控制的精度，所以，一般不能单独应用。前馈反馈控制系统针对主要扰动，采用开环前馈控制及时迅速地克服其对被控参数的影响。对于次要扰动，利用反馈控制于以克服。控制系统在稳态时能准确地把被控量控制在给定值上，大大提高了控制的质量。4传感器发展及研究技术动向现代信息技术的三大基础1）信息的采集技术，即传感器技术 构成信息技术系统的“感官”

8、2）信息传输技术，即通讯技术 构成信息技术系统的“神经” 3）信息处理技术即计算机技术 构成信息技术系统 “大脑”过程控制的基本器件1）敏感元件：能够灵敏地感受被测变量并作出响应的元件. 要求对所测变量的响应足够灵敏，同时不受或少受环境因素的影响 。2）传感器：对被测变量敏感，而且能把被测变量的响应传出的器件（多以电量输出）3）变送器： 能输出标准信号的传感器称为变送器4）转换器：与输出为非标准信号的传感器、特定的仪器或装置配套，把非标准信号变成标准信号.传感器的分类一般的分类方法有下列五种：1） 按测定对象分类，2） 按测定方法分类，3） 按测定量表征的现象分类，4） 按传感器材料分类，5）

9、 按应用的领域分类。按测定对象分类光传感器、放射线传感器、应变及压力传感器、机械量传感器、电量和磁力传感器、音波和超音波传感器、温度传感器、湿度传感器、气体传感器、离子传感器、射线传感器、分析传感器、仿生传感器、速度传感器、加速度传感器、流量传感器、流速传感器、真空度传感器、振动传感器。 按测定方法分类：力学传感器，电磁传感器，光学传感器，电化传感器，微生物传感器按测定方法分类:物理传感器,化学传感器,生物传感器按传感器材料分类:半导体传感器,金属传感器,陶瓷传感器,合材料传感器,分子传感器生物传感器,微生物传感器 按应用的领域分类:家用传感器,医疗传感器,防范防火传感器, 汽车、交通传感器,

10、办公传感器,工程传感器 农业工程人才是为农业和农村服务的，其基本任务是：研究、设计和管理农用机械、电器设备和建筑，解决农业生产和加工工艺、农业生态保护和农业环境保护、农业自然资源的开发和利用中的工程问题和相应的过程控制问题，解决农业及农村发展和其他生命系统有关的工程问题 .农业工程师不是万能的工程师，实现控制的目标需要农业工程师与农学家，机械工程师、电气工程师，土木工程师、化学工程师、物理学家、化学家、生物学家等结合.了解理论和技术的发展过程，即要了解过去，能遇见未来，紧扣学科进展，掌握现代技术的前沿 了解基础研究进展，有什么样的基础，开展什么样的应用基础研究，有什么样的应用基础成果，开发相应

11、水平的技术产品，跨越基础和应用基础研究，所搞的一切控制最终都是徒劳的 。农业工程过程控制技术、自动化技术和智能化技术相互补充、相互促进，与生物技术一起，将把农业这一最古老的产业带入一个全新的阶段。机电一体化与过程控制课程设计 题 目：机器昆虫步行机构之自动控制部分姓 名： 许伟东学 号：2002350126专 业：农业机械化及其自动化指导教师：曹艳明时 间：2005年6月13日25日第一部分 问题的引出机械昆虫步行机构，参加过2004年全国机械创新设计大赛，获得了全国三等奖的优异成绩，为学校带来了莫大的荣誉，得到专家、老师和同学们的赞赏。但机器在取得了机构上的突破（利用静液压技术）的同时却还存

12、在了相当多的不足。特别是，原先的机器是由单纯的无线电控制技术来控制机器的前进和转向的，这使得机器在步行到较远距离处，或当控制人员视力受到障碍物阻挡的时候，对机器控制准确度会由于视觉误差而严重下降，从而无法控制机器沿正确路径前进，甚至撞上障碍物，使机器机体严重受损。因此，解决这个问题是我们现在必须考虑，且重视的问题。第二部分 问题的分析与对策对上述的问题，经过请教老师、查阅相关书籍和电子软件的辅助，我们找到了解决方法。即在机器原有的无线电控制系统的基础上，安装智能化自动控制系统，使得机器在一定程度上有了更好的控制性和保护性。采用双控制系统（无线电控制系统和逻辑电路自动控制系统），可很好的解决碰到

13、的问题。当机器在不远的地方或视力范围之内，使用无线电控制系统，由人工对机器进行控制；当机器在较远处或视力范围之外时，通过电路切换，转变为自动控制系统，由制动控制系统判断障碍物的方位，从而通过控制继电器的闭合和断开，进行及时的转向，避开障碍物。这样即保证了机器的工作安全性，同时使得机器控制更加灵便，适应的工作环境更加广泛，从而也使机器由原来的机械液压成品，提升为机电液一体化的成品。第三部分 系统硬件的选择机器的控制部分，由遥控控制和传感控制来实现，它是由遥控发射器、遥控接收器、传感器、信息处理中心（4个ic 74ls138、4069、4081、4077和继电器组）、转向灯组成。第四部分 系统的软

14、件设计与信号的分析当机器采用自动控制系统进行工作时，机器的传感器负责采集外部行走环境的情况，将信息传输到控制电路的控制芯片组上，控制芯片组通过输入端口，对采集到的信息进行判断，从而确定工作控制信息，由输出端口将信息传输到继电器控制元件组，从而使得继电器按一定规则进行接通或断开，进而控制机械、液压和动力部分的状态。这一工作过程其实就是机电一体化产品的一个典型控制过程，是通过电流在控制电路中的变化，控制机器的工作过程。由于最终机械、液压和动力源的所有执行动作，都是根据传感器从外部工作环境获得的信息，从而进行工作，所以机器的工作过程是稳定的、可靠的。第五部分 系统整体的正常运转过程继电器组由7个继电

15、器组成，三个是控制电动机和左右转向，四个是控制传感器控制与遥控控制之间的转换。具体的安排如下：控制电动机和左右转向的三个继电器编号为，继电器a对应电动机，继电器b对应右边的电磁伐和左转向灯，继电器c对应左边的电磁伐和右转向灯。控制传感器控制与遥控控制之间的转换的四个继电器编号为a、b、c、d。传感器由4个e3jk-ds30m1光电开关组成，编号为1、2、3、4（1是用于探测左边障碍物，2、3用于探测前方障碍物，4用于探测右边障碍物）电路原理图和各实物图如下a 信息处理的原理图adcdcb 实物图左转弯右转弯电机启动/关闭 遥控与传感器控制转换 图3.8 遥控发射器转向灯4321 转向灯及传感器

16、各元器件的工作情况如下：通过遥控器上的d按钮控制d继电器的断、开，从而实现传感器控制与遥控控制之间的转换。在遥控控制状态下（传感器失效）电路板上的红色指示灯亮，遥控器a、b、c按钮分别控制继电器a、b、c，继电器a、b、c再通过4077分别控制继电器a、b、c，从而控制机构的动作；在传感器控制状态下，传感器的探测范围是50cm60cm，遇到低于15cm的障碍物不作出反应，机械能直接跨过去（见下图）。当传感器探到高于15cm的障碍物时将输出一个低电平，通过74ls138译码后，输出信号控制继电器a、b、c。具体控制如下表： 探测障碍物动作情况遇到障碍物继电器工作机构动作前b向右右c向左左b向右前

17、、右c向左前、左b向右左、右无直走前、左、右a机构停止工作第六部分 参考文献秦曾煌. 1999. 电工学. 高等教育出版社. p336352电路设计软件ewb512等 螅蝿膁蚅蚁螈芃蒇薇螇莆芀袅螆肅蒆螁袆膈艿蚇袅芀蒄薃袄羀芇蕿袃膂薂袈袂芄莅螄袁莇薁蚀袀肆莃薆袀腿蕿蒂罿芁莂螀羈羀薇蚆羇肃莀蚂羆芅蚅薈羅莇蒈袇羄肇芁螃羄腿蒇虿羃节艿薅肂羁蒅蒁肁肄芈螀肀膆蒃螆聿莈莆蚁肈肈薁薇肈膀莄袆肇芃薀螂肆莅莃蚈膅肄薈薄螂膇莁蒀螁荿薆衿螀聿葿螅蝿膁蚅蚁螈芃蒇薇螇莆芀袅螆肅蒆螁袆膈艿蚇袅芀蒄薃袄羀芇蕿袃膂薂袈袂芄莅螄袁莇薁蚀袀肆莃薆袀腿蕿蒂罿芁莂螀羈羀薇蚆羇肃莀蚂羆芅蚅薈羅莇蒈袇羄肇芁螃羄腿蒇虿羃节艿薅肂羁蒅蒁肁肄芈

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20、蒂罿芁莂螀羈羀薇蚆羇肃莀蚂羆芅蚅薈羅莇蒈袇羄肇芁螃羄腿蒇虿羃节艿薅肂羁蒅蒁肁肄芈螀肀膆蒃螆聿莈莆蚁肈肈薁薇肈膀莄袆肇芃薀螂肆莅莃蚈膅肄薈薄螂膇莁蒀螁荿薆衿螀聿葿螅蝿膁蚅蚁螈芃蒇薇螇莆芀袅螆肅蒆螁袆膈艿蚇袅芀蒄薃袄羀芇蕿袃膂薂袈袂芄莅螄袁莇薁蚀袀肆莃薆袀腿蕿蒂罿芁莂螀羈羀薇蚆羇肃莀蚂羆芅蚅薈羅莇蒈袇羄肇芁螃羄腿蒇虿羃节艿薅肂羁蒅蒁肁肄芈螀肀膆蒃螆聿莈莆蚁肈肈薁薇肈膀莄袆肇芃薀螂肆莅莃蚈膅肄薈薄螂膇莁蒀螁荿薆衿螀聿葿螅蝿膁蚅蚁螈芃蒇薇螇莆芀袅螆肅蒆螁袆膈艿蚇袅芀蒄薃袄羀芇蕿袃膂薂袈袂芄莅螄袁莇薁蚀袀肆莃薆袀腿蕿蒂罿芁莂螀羈羀薇蚆羇肃莀蚂羆芅蚅薈羅莇蒈袇羄肇芁螃羄腿蒇虿羃节艿薅肂羁蒅蒁肁肄芈螀肀膆蒃螆聿莈莆蚁肈肈薁薇肈膀莄袆肇芃薀螂肆莅莃蚈膅肄薈薄螂膇莁蒀螁荿薆衿螀聿葿螅蝿膁蚅蚁螈芃蒇薇螇莆芀袅螆肅蒆螁袆膈艿蚇袅芀蒄薃袄羀芇蕿袃膂薂袈袂芄莅螄袁莇薁蚀袀肆莃薆袀腿蕿蒂罿芁莂螀羈羀薇蚆羇肃莀蚂羆芅蚅薈羅莇蒈袇羄肇芁螃羄腿蒇虿羃节艿薅肂羁蒅蒁肁肄芈螀肀膆蒃螆聿莈莆蚁肈肈薁薇肈膀莄袆肇芃薀螂肆莅莃蚈膅肄薈薄螂膇莁蒀螁荿薆衿螀聿葿螅蝿膁蚅蚁螈芃蒇薇螇莆芀袅螆肅蒆螁袆膈艿蚇袅芀蒄薃袄羀芇蕿袃膂薂袈袂芄莅螄袁莇薁蚀袀肆莃薆袀腿蕿蒂罿芁莂螀羈羀薇蚆羇肃莀蚂