中国石油大学机电系统计算机控制(2)

1、第二章第二章 机电计算机控制系统的构成机电计算机控制系统的构成 1 1、机电系统的控制参数；、机电系统的控制参数；2 2、机电系统的控制结构；、机电系统的控制结构；3 3、机电系统控制环节；、机电系统控制环节；4 4、常用的控制微机；、常用的控制微机；5 5、机电系统的基本实现过程。、机电系统的基本实现过程。主要内容：主要内容：2.1 2.1 机电系统的控制参数机电系统的控制参数 在所有的机电系统的控制中较多的是对在所有的机电系统的控制中较多的是对温度、位移、速度温度、位移、速度（流量）、力、时间、光、声、电（流量）、力、时间、光、声、电等的控制。等的控制。应用较多的控制参数应用较多的控制参数

2、1 1、温度的控制；、温度的控制；2 2、位移、速度和加速度的控制；、位移、速度和加速度的控制；3 3、力的控制；、力的控制；4 4、流量的控制；、流量的控制；5 5、液位的控制、液位的控制一、传感器一、传感器机电系统的基本控制结构主要由三部分组成，即机电系统的基本控制结构主要由三部分组成，即传感器、传感器、控制单元和执行机构控制单元和执行机构。 2.2 2.2 机电系统的控制结构机电系统的控制结构 传感器即测量元件，是控制机械系统的重要组成部分，它传感器即测量元件，是控制机械系统的重要组成部分，它以以被测参数被测参数为输入信号，并把它们变换成便于后面使用的为输入信号，并把它们变换成便于后面使

3、用的输出信号。输出信号。 1 1、温度测量元件、温度测量元件 温度测量元件是利用物体的某些物理量温度测量元件是利用物体的某些物理量( (如几何尺寸、压如几何尺寸、压力、电阻、热电势、辐射强度等力、电阻、热电势、辐射强度等) )随温度的变化而变化的随温度的变化而变化的特性来测量温度的。如热电阻特性来测量温度的。如热电阻 、热电偶等。、热电偶等。2 2、压力测量元件、压力测量元件在机电系统的控制中压力测量元件多数是由在机电系统的控制中压力测量元件多数是由弹性元件和电弹性元件和电感或电容组合感或电容组合成电气式压力变换器。如压电式、电容式、成电气式压力变换器。如压电式、电容式、电感式传感器等；电感式

4、传感器等；3 3、流量测量元件、流量测量元件流量是指单位时间通过管道横截面的流体量。按工作原理流量是指单位时间通过管道横截面的流体量。按工作原理分为速度式、容积式、压差式、电磁式、超声波式等。分为速度式、容积式、压差式、电磁式、超声波式等。 4 4、厚度测量元件、厚度测量元件电容式、超声波式、射线式；电容式、超声波式、射线式；5 5、数字测量元件、数字测量元件编码器、光电码盘、接近开关等。编码器、光电码盘、接近开关等。其它测量元件还有湿度、水分、光、磁性、气体、转速、其它测量元件还有湿度、水分、光、磁性、气体、转速、加速度、振动传感器等。加速度、振动传感器等。 二、控制单元二、控制单元 1 1

5、、继电器组成的控制单元、继电器组成的控制单元继电器组成的控制单元主要由中间继电器、时间继电器和具继电器组成的控制单元主要由中间继电器、时间继电器和具有记忆功能的保持继电器等组成。有记忆功能的保持继电器等组成。 2 2、液压元件组成的控制单元、液压元件组成的控制单元液压元件组成的控制单元主要是通过各种控制阀，对运动液压元件组成的控制单元主要是通过各种控制阀，对运动方向、流量和压力等进行控制。液压元件能够完成非常精方向、流量和压力等进行控制。液压元件能够完成非常精确的控制，与电器结合起来就可实现复杂逻辑的控制。确的控制，与电器结合起来就可实现复杂逻辑的控制。 3 3、气压元件组成的控制、气压元件组

6、成的控制单元单元 气压控制单元是通过气动控制阀，对流量、运动方向和气压控制单元是通过气动控制阀，对流量、运动方向和压力进行控制，完成比例、积分、比例积分、比例微分压力进行控制，完成比例、积分、比例积分、比例微分等调节。等调节。 4 4、计算机控制单元、计算机控制单元 现代的高性能、高可靠性、低成本的微型计算机同现代控现代的高性能、高可靠性、低成本的微型计算机同现代控制理论、伺服技术等结合在一起，组成了强有力的计算机制理论、伺服技术等结合在一起，组成了强有力的计算机控制机电系统，几乎完全取代了传统的继电器和分立元件控制机电系统，几乎完全取代了传统的继电器和分立元件控制系统，极大地增加了系统功能，

7、减小了系统的体积。控制系统，极大地增加了系统功能，减小了系统的体积。 三、执行机构三、执行机构 机电控制系统中带动被控对象按输入信号规律运动的部件机电控制系统中带动被控对象按输入信号规律运动的部件称机电系统控制的执行机构，它是系统中将电能或液压能称机电系统控制的执行机构，它是系统中将电能或液压能转化成机械能的动力传动装置。转化成机械能的动力传动装置。 常用的执行元件通常有三大类：常用的执行元件通常有三大类：电动类；液动类；气动类；电动类；液动类；气动类；1 1、电动类：、电动类：直流伺服电机、交流伺服电机、直流力矩电直流伺服电机、交流伺服电机、直流力矩电动机、步进电动机动机、步进电动机( (用

8、于数字控制系统用于数字控制系统) )等。等。直流伺服电动机也称直流电马达，它在机电系统的控制中直流伺服电动机也称直流电马达，它在机电系统的控制中得到了广泛应用。得到了广泛应用。优点：优点：直流伺服电动机具有起动转矩较大，调速范围较广，直流伺服电动机具有起动转矩较大，调速范围较广，机械性能的线性度好，便于控制等优点。机械性能的线性度好，便于控制等优点。 不足：不足：直流伺服电动机在低速运转时直流伺服电动机在低速运转时( (如几转如几转/ /分或几十转分或几十转/ /分分) )，其转速在一周内会出现时快、时慢，甚至出现步进的，其转速在一周内会出现时快、时慢，甚至出现步进的现象。现象。直流力矩电动机

9、的转速很低，转矩较大，它与被控对象之直流力矩电动机的转速很低，转矩较大，它与被控对象之间不需要减速器，可以直接推动被控对象运动。间不需要减速器，可以直接推动被控对象运动。 交流伺服电动机无整流子与电刷、摩擦力矩小、易维护、交流伺服电动机无整流子与电刷、摩擦力矩小、易维护、坚固耐用。坚固耐用。 步进电机和一般电机的区别是控制信号为幅值恒定的电脉步进电机和一般电机的区别是控制信号为幅值恒定的电脉冲，而不是幅值变化的连续信号。步进电动机的功能是每冲，而不是幅值变化的连续信号。步进电动机的功能是每给一个电脉冲，电动机就前进一步，即转动一个角度。给一个电脉冲，电动机就前进一步，即转动一个角度。 2 2、

10、液压类：、液压类：液压执行装置包括油缸和油马达，它们是将液液压执行装置包括油缸和油马达，它们是将液压能转化成机械能的装置。压能转化成机械能的装置。 油缸按结构形式分为活塞缸、柱塞缸和摆动缸三大类。活油缸按结构形式分为活塞缸、柱塞缸和摆动缸三大类。活塞缸和柱塞缸实现往复直线运动，输出推力和速度，摆动塞缸和柱塞缸实现往复直线运动，输出推力和速度，摆动缸实现往复摆动，输出转矩和角速度。缸实现往复摆动，输出转矩和角速度。 油马达输出扭矩和角速度，实现连续的回转运动。油马达输出扭矩和角速度，实现连续的回转运动。 3 3、气动类：、气动类：气动执行元件是以压缩空气为工作介质，并气动执行元件是以压缩空气为工

11、作介质，并将气体的压力能转化为机械能，产生机械运动的装置。将气体的压力能转化为机械能，产生机械运动的装置。 2.3 2.3 机电系统计算机控制环节机电系统计算机控制环节 灵活性好、实时性好、存储能力强、逻辑运算能力强、精灵活性好、实时性好、存储能力强、逻辑运算能力强、精度高、稳定性好等。度高、稳定性好等。1 1、计算机控制单元、计算机控制单元2 2、输入输出接口与过程通道、输入输出接口与过程通道 输入通道是将被控对象上的模拟信号和开关信号转变成数输入通道是将被控对象上的模拟信号和开关信号转变成数字量的各种电路和设备的总称。字量的各种电路和设备的总称。 常见的输入通道有模拟量输入通道和数字量输入

12、通道。常见的输入通道有模拟量输入通道和数字量输入通道。 1 1）模拟量输入通道：调理电路、采样保持电路、）模拟量输入通道：调理电路、采样保持电路、ADAD转换电转换电路。路。2 2）开关量输入通道：光电隔离。）开关量输入通道：光电隔离。 输出通道则是将计算机输出的数字量变为被控对象中输出通道则是将计算机输出的数字量变为被控对象中各种模拟信号和开关信号的电路与设备的总和。各种模拟信号和开关信号的电路与设备的总和。 常见的输出通道包括模拟量输出通道和开关量输出通道。常见的输出通道包括模拟量输出通道和开关量输出通道。 1 1）模拟量输出通道）模拟量输出通道2 2）开关量输出通道）开关量输出通道 一、

13、可编程序控制器一、可编程序控制器(PLC) (PLC) 机电系统控制计算机可以分成可编程序控制器机电系统控制计算机可以分成可编程序控制器PLCPLC、单、单片机、片机、STDSTD总线工业控制计算机、工业总线工业控制计算机、工业PC(IPC)PC(IPC)等。等。 2.4 2.4 几种常见的机电系统控制微机几种常见的机电系统控制微机 可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统。数字运算操作的电子系统。 PLCPLC的功能：的功能： (1) (1) 条件控制和步进控制条件控制和步进控制。 (2) (2) 定时和计数控制。定时

14、和计数控制。 (3) (3) 数据处理。数据处理。 STD STD总线最早由总线最早由PRO-LOGPRO-LOG公司在公司在19781978年推出，正式标准年推出，正式标准为为IEEE961IEEE961标准。标准。 (4) (4) 智能组件。智能组件。 (5) (5) 通信和联网通信和联网 实现实现A/DA/D、D/AD/A转换，完成对模拟量的控制和调节。转换，完成对模拟量的控制和调节。 二、二、STDSTD总线工业控制计算机总线工业控制计算机特点特点 1 1、小板结构，高度的模块化。机械强度、抗断裂、抗振动、小板结构，高度的模块化。机械强度、抗断裂、抗振动、抗衰老和抗干扰等方面具有优越性

15、。抗衰老和抗干扰等方面具有优越性。 2 2、严格的标准化，广泛的兼容性。、严格的标准化，广泛的兼容性。3 3、面向、面向I/OI/O设计，非常适合工业控制应用。设计，非常适合工业控制应用。 STDSTD总线有强总线有强大的大的I/OI/O扩展能力。扩展能力。 4 4、可靠性高、可靠性高 STDSTD总线采用了固化操作系统和各种软件及总线采用了固化操作系统和各种软件及WatchdogWatchdog等等系统支持功能与措施，并配有掉电保护的系统支持功能与措施，并配有掉电保护的RAMRAM板。板。 三、工业三、工业PC(IPC) PC(IPC) 对对PCPC的改进：的改进： 取消大底板；取消大底板；

16、 增加带过滤器的强力风扇和正压机箱，加强散热，增加增加带过滤器的强力风扇和正压机箱，加强散热，增加系统抵抗粉尘的能力；系统抵抗粉尘的能力； 1.1.由于取消大底板，把扩充总线变成一条十几槽的总线插由于取消大底板，把扩充总线变成一条十几槽的总线插槽，大大提高了可插入板的数目。槽，大大提高了可插入板的数目。 IPCIPC特点特点: : 软件支撑特别丰富。软件支撑特别丰富。 CPUCPU功能强，升级容易。功能强，升级容易。 联网极为方便。联网极为方便。 四、单片微控制器四、单片微控制器 单片微控制器即单片机（单片微控制器即单片机（MPUMPU），将多种硬件都集中到），将多种硬件都集中到一块板上，如可

17、集成一块板上，如可集成CPUCPU、RAMRAM、ROMROM、CT/TMCT/TM、I/OI/O、A/DA/D、D/AD/A等硬件，并可固化操作系统、监控程序、高级语言等。等硬件，并可固化操作系统、监控程序、高级语言等。 一设计过程一设计过程 1. 1. 控制任务调研。控制任务调研。 2. 2. 控制计算机选型，硬件电路设计。控制计算机选型，硬件电路设计。 3. 3. 控制软件设计、编码、调试。控制软件设计、编码、调试。 4. 4. 硬件、软件的实验室调试。硬件、软件的实验室调试。 5. 5. 现场调试。现场调试。2.5 2.5 机电计算机控制系统的基本实现过程机电计算机控制系统的基本实现过

18、程1. 1. 控制任务调研控制任务调研 被控制机械系统的工作过程及特点。被控制机械系统的工作过程及特点。 确定开关量，模拟量的输入、输出点数。确定开关量，模拟量的输入、输出点数。 明确控制技术指标、精度。明确控制技术指标、精度。 了解现场应用环境。了解现场应用环境。2.2.计算机选型，硬件电路设计计算机选型，硬件电路设计 传感器选择，元器件选择：传感器选择，元器件选择： 传感器的性能、传感器的量程、传感传感器的性能、传感器的量程、传感 器的工作器的工作环境。环境。 计算机选型：计算机选型： 小型小型 单片机单片机 ； 中型中型 PLC PLC ； 大型大型 PLC PLC、工控、工控、DCSDCS。 计算机配置：计算机配置： 开关量、模拟量、脉冲量、数字量、开关量、模拟量、脉冲量、数字量、 输入输出的点数。输入输出的点数。注意：设计时留有余量。注意：设计时留有余量。3. 3. 控制软件设计控制软件设