第7章 控制系统设计

1、机电一体化系统设计机电一体化系统设计开关量开关量.数字量数字量脉冲量脉冲量.模拟量模拟量由继电器、分立元器件由继电器、分立元器件组成的电路来实现控制组成的电路来实现控制继电器继电器接触器接触器主令电器主令电器开关电器开关电器一、可编程控制器一、可编程控制器继电器控制继电器控制.接触器控制接触器控制被早期可编程控制器被早期可编程控制器替代替代实现逻实现逻辑运算辑运算 被称为被称为programmable logic controller，PLC，随着电子技术、计算机技术的迅速发展，可编随着电子技术、计算机技术的迅速发展，可编程控制器的功能已经远远超出逻辑运算的范畴，程控制器的功能已经远远超出逻辑

2、运算的范畴，被称为被称为programmable controller，PC，为区别，为区别个人电脑，故仍沿用个人电脑，故仍沿用PLC。一、可编程控制器一、可编程控制器 PLC由由1966年美国数据设备公司年美国数据设备公司(DEC)研制，研制，现美国现美国GE公司，日本公司，日本OMRON公司，德国公司，德国SIEMENS公司的可编程序控制器质量优良，功公司的可编程序控制器质量优良，功能强大。能强大。 一、可编程控制器一、可编程控制器 工作原理：使用可编程存储器存储用户设工作原理：使用可编程存储器存储用户设计的应用程序指令，由指令实现逻辑运算、顺计的应用程序指令，由指令实现逻辑运算、顺序操作

3、、定时、计数、算术运算和序操作、定时、计数、算术运算和I/O接口通讯接口通讯来控制机电一体化系统（产品）。来控制机电一体化系统（产品）。可变长度之切断机控制可变长度之切断机控制 一、可编程控制器一、可编程控制器 PLC基本构成：主要由微处理器（基本构成：主要由微处理器（CPU）、）、存储器（存储器（RAM、ROM、EPROM）、）、I/O接口接口（数字、模拟）、编程接口、编程器（含显示）（数字、模拟）、编程接口、编程器（含显示）等组成。等组成。 显示器编程器编程接口存储器(RAM ROM)( CPU )微处理器I/O接口控制对象一、可编程控制器一、可编程控制器一、可编程控制器一、可编程控制器编

4、程器编程器:用于用户程序的输入、编辑、调试和监用于用户程序的输入、编辑、调试和监视，它经过编程器接口与视，它经过编程器接口与CPU联系，完成联系，完成“人人机机”对话。对话。一、可编程控制器一、可编程控制器 人机界面人机界面一、可编程控制器一、可编程控制器CPU：接收和存储用户由编辑器键入的程序和数：接收和存储用户由编辑器键入的程序和数据。检查编程中的语法错误，诊断电源及据。检查编程中的语法错误，诊断电源及PLC内内部的工作故障。用扫描方式工作，接收来自现场部的工作故障。用扫描方式工作，接收来自现场的输入信号，并输入到寄存器和存储器中。的输入信号，并输入到寄存器和存储器中。一、可编程控制器一、

5、可编程控制器CPU：在进入运行方式后，从存储器逐条读取并：在进入运行方式后，从存储器逐条读取并执行用户程序。根据运算结果，更新有关标志位执行用户程序。根据运算结果，更新有关标志位的状态，刷新寄存器内容，经输出部件实现输出的状态，刷新寄存器内容，经输出部件实现输出控制、打印制表或数据通信等功能。控制、打印制表或数据通信等功能。一、可编程控制器一、可编程控制器存储器：配有两种存储系统，用于存放系统程存储器：配有两种存储系统，用于存放系统程序的系统程序存储器和存放用户程序的用户存序的系统程序存储器和存放用户程序的用户存储器。系统程序是由储器。系统程序是由PLC生产厂家编写的系统生产厂家编写的系统监控

6、程序。监控程序。I/O接口：接口：CPU与外部设备、存储器的连接和与外部设备、存储器的连接和数据交换都需要通过接口设备来实现，前者被数据交换都需要通过接口设备来实现，前者被称为称为I/O接口，而后者则被称为存储器接口。接口，而后者则被称为存储器接口。 PLC的工作过程：公共处理扫描阶段的工作过程：公共处理扫描阶段(PLC自检、监自检、监视定时器或视定时器或watch dog timer清零清零)，输入采样扫描阶段，输入采样扫描阶段，执行用户程序扫描阶段，输出刷新扫描阶段。执行用户程序扫描阶段，输出刷新扫描阶段。一、可编程控制器一、可编程控制器小型机：小型机：I/O点数在点数在256点以下，一般

7、只具有逻辑点以下，一般只具有逻辑运算、定时、计数和移位等功能。适用于小规模运算、定时、计数和移位等功能。适用于小规模开关量控制。开关量控制。一、可编程控制器一、可编程控制器中型机：中型机：I/O点数在点数在2561024之间，增加了模拟量之间，增加了模拟量输入输出、算术运算、数据传输、数据通信等功输入输出、算术运算、数据传输、数据通信等功能。可完成既有开关量又有模拟量的复杂控制。能。可完成既有开关量又有模拟量的复杂控制。一、可编程控制器一、可编程控制器大型机：大型机： I/O点数在点数在1024以上，具有数据运算、以上，具有数据运算、模拟调节、联网通信、监视记录、打印等功能。模拟调节、联网通信

8、、监视记录、打印等功能。能进行中断控制、智能控制、远程控制等。能进行中断控制、智能控制、远程控制等。 PLC的选型的选型 深入现场调查研究，与机械设计人员及操作深入现场调查研究，与机械设计人员及操作人员密切配合，共同制定电气控制方案。人员密切配合，共同制定电气控制方案。机型选择机型选择整体式结构整体式结构PLC模块式结构模块式结构PLC工艺固定、维工艺固定、维修量少的场合修量少的场合其他场合其他场合小型机小型机设备为开关量控制或设备为开关量控制或带少量模拟量控制带少量模拟量控制中型机中型机实现实现PID运算、闭环运算、闭环控制、通信联网等控制、通信联网等大型机大型机大规模过程控制大规模过程控制

9、整个工厂自动化整个工厂自动化 PLC的选型的选型容量选择容量选择储存器容量储存器容量 I / O点数点数一条逻辑指令占储存一条逻辑指令占储存器一个字，计数、计器一个字，计数、计时、移位及算术运算、时、移位及算术运算、数据传送等指令占储数据传送等指令占储存器两个字。存器两个字。开关量输入开关量输入1020字节字节/点点开关量输出开关量输出 510字节字节/点点定时器计数器定时器计数器25字节字节/个个计算机通信接口计算机通信接口300字节字节以上以上/个个PLC容量的选择除满足控制要求外，还要留有容量的选择除满足控制要求外，还要留有25%的裕量的裕量 PLC的选型的选型I/O模块模块输入模输入模

10、块选择块选择输出模输出模块选择块选择电压选择：电压选择：5V24V属低电平属低电平,传输距离不宜太远传输距离不宜太远,48V,60V, 110V/220V可传输距离较远。可传输距离较远。同时接点数：取决于电压环境同时接点数：取决于电压环境温度温度,不超过输入点数的不超过输入点数的60%输出方式：有触电元件电压范输出方式：有触电元件电压范围宽，不适合频繁通断负载。围宽，不适合频繁通断负载。同时接点数：不超过输入点数同时接点数：不超过输入点数的的60%输出电流：输出电流必须大于输出电流：输出电流必须大于负载电流的额定值负载电流的额定值二、单片微型计算机技术二、单片微型计算机技术 单片机是在一块超大

11、规模集成电路芯片上，单片机是在一块超大规模集成电路芯片上，集成了微处理器、存储器、输入集成了微处理器、存储器、输入/输出接口、定时输出接口、定时器、计数器、终端系统等功能部件的电子元件。器、计数器、终端系统等功能部件的电子元件。二、单片微型计算机技术二、单片微型计算机技术 我们生活的各个领域几乎很难找到哪个领域没有单我们生活的各个领域几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹导航装置，飞机上各种仪表的控制，片机的踪迹。导弹导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能控制和数据处

12、理，广泛使用的各种智能ICIC卡卡, , 录象机、录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制摄象机、全自动洗衣机的控制, ,以及程控玩具、电子宠物。以及程控玩具、电子宠物。二、单片微型计算机技术二、单片微型计算机技术 单片机是五脏俱全的微型计算机，但必须借单片机是五脏俱全的微型计算机，但必须借助于开发工具进行系统诊断和应用软件开发。助于开发工具进行系统诊断和应用软件开发。 单片机开发工具：单片机单片机开发工具：单片机KIT2仿真器仿真器 能够对几乎所有的闪存单片机编程和调试。能够对几乎所有的闪存单片机编程和调试。同时它也支持部分串行同时它也支持部分串行EPROM芯片。芯片。 Super51-S200S

13、uper51-S200单片机单片机 单片机选型单片机选型 程序存储器的容量可根据程序的大小确定。程序存储器的容量可根据程序的大小确定。对于对于8位单片机片内程序存储器的最大容量能达到位单片机片内程序存储器的最大容量能达到64KB，不够时还可以扩展。选用时程序存储器的，不够时还可以扩展。选用时程序存储器的容量只要够用就行了，不然会增加成本。容量只要够用就行了，不然会增加成本。 存储器存储器程序存储程序存储器器ROM数据存储数据存储器器RAM程序在运行中存放临时数据程序在运行中存放临时数据MASKROM适用成熟大批量生产的产品适用成熟大批量生产的产品EPROM需要紫外线擦除、较费时间需要紫外线擦除

14、、较费时间FlashROM适用适用做试验或样机的研发阶段做试验或样机的研发阶段,程序可电写入、电擦除。程序可电写入、电擦除。OTPROM适用适用初具规模的产品初具规模的产品,方便程序方便程序修改，产品修改，产品能能进行及时的调整和升级。进行及时的调整和升级。 单片机选型单片机选型 运行速度运行速度 根据需要选择速度，不要片面追求高速度。根据需要选择速度，不要片面追求高速度。运行速度运行速度稳定性稳定性抗干扰性抗干扰性功耗功耗导致导致 单片机选型单片机选型 I/O（输入（输入/输出）口输出）口 I/O口的数量和功能是选用单片机时首先要考虑口的数量和功能是选用单片机时首先要考虑的问题之一，要根据实

15、际需要确定的问题之一，要根据实际需要确定I/O口的数量。口的数量。I/O口口成本成本导致导致芯片体积增大芯片体积增大 单片机选型单片机选型 封装形式封装形式 DIP(双列直插式封装双列直插式封装):一般做实验时选用一般做实验时选用封装封装形式形式PLCC(PLCC要对应插座要对应插座)QFP(四侧引脚扁平封装四侧引脚扁平封装)SOP(双列小外形贴片封装双列小外形贴片封装)系统的体积有要求系统的体积有要求编程器编程时还编程器编程时还配专用的适配器配专用的适配器 单片机选型单片机选型 其他方面其他方面 有没有集成的开发环境，在支持汇编语言的同时有没有集成的开发环境，在支持汇编语言的同时是否支持是否

16、支持C语言语言 你选择的单片机对应的编程器、仿真器价格是否你选择的单片机对应的编程器、仿真器价格是否高，是否要用专用设备高，是否要用专用设备 如果有两种单片机都能解决问题，当然选一种你如果有两种单片机都能解决问题，当然选一种你熟悉的品种。熟悉的品种。技术支持、服务和产品价格等。技术支持、服务和产品价格等。 三、机电系统的三、机电系统的PC控制技术控制技术u PLC控制主要针对工业现场设备的逻辑控制控制主要针对工业现场设备的逻辑控制u 单片机主要应用于小型工业、家用产品单片机主要应用于小型工业、家用产品u 工业工业PC控制是计算机控制系统的高级阶段控制是计算机控制系统的高级阶段三、机电系统的三、

17、机电系统的PC控制技术控制技术 工业工业PC主要应用于大型工业装备和系主要应用于大型工业装备和系统的过程控制，包括离散系统的逻辑控制统的过程控制，包括离散系统的逻辑控制和连续过程的闭环控制。和连续过程的闭环控制。 机电系统中，从复杂零件的数控加工机电系统中，从复杂零件的数控加工过程控制、多轴工业机器人的轨迹控制，过程控制、多轴工业机器人的轨迹控制，到柔性制造系统和生产线的调度控制等。到柔性制造系统和生产线的调度控制等。FMS工业工业PC控制系统的特点：控制系统的特点：1、实时性强、实时性强实时系统实时系统弱实时系统弱实时系统soft-real-time system强实时系统强实时系统hard

18、-real-time system银行交易系统银行交易系统计时打卡系统计时打卡系统歌曲点歌系统歌曲点歌系统信息采集系统信息采集系统航空航天领域航空航天领域核能控制领域核能控制领域工业控制领域工业控制领域军事安全领域军事安全领域 工业控制计算机通常采用查询和中断的方式进行外部工业控制计算机通常采用查询和中断的方式进行外部事件相应处理，对于强实时事件中断服务程序进行处理事件相应处理，对于强实时事件中断服务程序进行处理工业工业PC控制系统的特点：控制系统的特点：2、可靠性高、可靠性高系统系统措施措施双控制站双控制站双操作站双操作站双网通信双网通信双供电系统双供电系统双电源等双电源等 工业工业PC控制

19、系统常用于控制连续的生产过程，在运控制系统常用于控制连续的生产过程，在运行期间不允许停机检修，一旦发生故障将导致质量事故行期间不允许停机检修，一旦发生故障将导致质量事故或生产事故。要求工控机低故障率和短维修时间。或生产事故。要求工控机低故障率和短维修时间。单机单机措施措施全钢化工业机箱全钢化工业机箱 插板式结构插板式结构双风扇，正压对流排风双风扇，正压对流排风装有滤尘网用以防尘装有滤尘网用以防尘 工业电源，并有过压、过流保护工业电源，并有过压、过流保护 电子锁防非法开、关和非法输入电子锁防非法开、关和非法输入 设有设有“看门狗看门狗”定时器定时器采用无源母板，方便系统升级采用无源母板，方便系统

20、升级 工业工业PC控制系统的特点：控制系统的特点：工业工业PC控制系统的特点：控制系统的特点：3、开放式软件平台、开放式软件平台 比尔比尔盖茨盖茨1313岁开始编写计算机程序。岁开始编写计算机程序。19731973年进年进入哈佛大学法律系，入哈佛大学法律系，1919岁退学，创办微软，任董事长、岁退学，创办微软，任董事长、总裁兼首席执行官。总裁兼首席执行官。 MS-DOS伴随伴随IBM PC电脑出征，由于电脑出征，由于所有所有PC个人电脑（包括其他厂商生产的兼个人电脑（包括其他厂商生产的兼容机）都需要安装容机）都需要安装MS-DOS，其用户后来竟，其用户后来竟超过超过3000万，历史上从来没有哪

21、个软件能够万，历史上从来没有哪个软件能够达到如此庞大的用户数。微软公司依托达到如此庞大的用户数。微软公司依托MS-DOS迅速崛起。迅速崛起。80年代，微软陆续推出年代，微软陆续推出Windows操作系统。操作系统。工业工业PC控制系统的特点：控制系统的特点：3、开放式软件平台、开放式软件平台操作操作系统系统MacLinuxUnixWindowsVisual basicVisual C+LabviewMatlab主轴电机主轴电机伺服电机伺服电机刀库中刀具定位电机刀库中刀具定位电机机械手旋转电机机械手旋转电机立柱伺服电机立柱伺服电机加工中心加工中心机械移动系统机械移动系统 机械移动系统的基本元件是

22、质量、阻尼和弹簧，机械移动系统的基本元件是质量、阻尼和弹簧，应用牛顿第二定律建立机械移动系统数学模型。应用牛顿第二定律建立机械移动系统数学模型。 tfkxxcxm 机械移动系统机械移动系统 对上式去拉氏变换，得系统的传递函数：对上式去拉氏变换，得系统的传递函数： scsmssFsX21系统传递函数框图：系统传递函数框图：数控机床系统数控机床系统 电机通过两级齿轮减速及丝杠螺母机构驱动工电机通过两级齿轮减速及丝杠螺母机构驱动工作台作直线运动。作台作直线运动。数控机床系统数控机床系统 设输入量为电机的转角设输入量为电机的转角1，输出量为工作台的线，输出量为工作台的线位移位移x0，建立平衡方程：，建

23、立平衡方程：1314200010003142011022kLzzzzxkxcxmkTxkxcxmFLzzzzTxTFTFx 数控机床系统数控机床系统 设输入量为电机的转角设输入量为电机的转角1，输出量为工作台的线，输出量为工作台的线位移位移x0，建立平衡方程：，建立平衡方程： kscmskLzzzzsXsXsG23142102 mkcmkssLzzzzsGnnnnn2222223142系统的阻尼比，系统的阻尼比，系统的固有频率，系统的固有频率，NxbFxM )sin(22lxdtdmNsincos2 mlmlxmFmlmlxbxmMsincos)(2 FmlmlxbxmMsincos)(2 c

24、ossin)(2xmlmglmlI xmlmglmlI )(2umlxbxmM )(mglsmlImlssXs222)()()(mglsmlImlsVs22)()()(sqbmglsqmglmMsqmlIbssqmlsUs23242)()()()(26705. 00102125. 002725. 0)()(22sssXs26705. 00102125. 002725. 0)()(2ssVs30942. 29169.270883167. 035655. 2)()(23ssssUs)()(22mlmlImMqMATLAB仿真结果仿真结果倒立摆摆角（倒立摆摆角（） 小车位移（小车位移（x）一级一级倒

25、立倒立二级二级倒立倒立三级三级倒立倒立四级四级倒立倒立虚拟虚拟加工加工在实验室环境下，漫游者号通过训练，能够识别和通过在实验室环境下，漫游者号通过训练，能够识别和通过艰难地形。当机器人被置在远距离位置执行任务时，比艰难地形。当机器人被置在远距离位置执行任务时，比如火星表面，这种习得的技能就能派上用场。如火星表面，这种习得的技能就能派上用场。 虚拟虚拟仿真仿真 人类最初用手指计算，因为人有两人类最初用手指计算，因为人有两只手，十个手指头。用手指头计算固只手，十个手指头。用手指头计算固然方便，但不能存储计算结果。于是然方便，但不能存储计算结果。于是人们用结绳记事来延长记忆能力。人们用结绳记事来延长

26、记忆能力。 到了春秋时到就出现到了春秋时到就出现了算筹。人类最早有了算筹。人类最早有实物作证的计算工具实物作证的计算工具诞生在中国。祖冲之诞生在中国。祖冲之借助算筹，借助算筹， 成功地将成功地将圆周率圆周率值计算到小值计算到小数点后的第数点后的第7位。位。 到了唐朝已经有了到了唐朝已经有了至今仍在使用的计算工至今仍在使用的计算工具具算盘。珠算是我国算盘。珠算是我国人民独特的创造。人民独特的创造。 奥却德发明的对数计算尺不仅能做加、减、奥却德发明的对数计算尺不仅能做加、减、乘、除、乘方、开方运算，甚至可以计算三乘、除、乘方、开方运算，甚至可以计算三角函数、指数函数和对数函数，它一直使用角函数、指

27、数函数和对数函数，它一直使用到袖珍电子计算器面世为止。到袖珍电子计算器面世为止。 德国伟大的数学家莱布尼茨因独立发明微积分而与牛德国伟大的数学家莱布尼茨因独立发明微积分而与牛顿齐名，在顿齐名，在16741674年造出一台完善的机械计算机年造出一台完善的机械计算机“乘乘法器法器”。公元。公元17001700年左右，莱布尼茨中国年左右，莱布尼茨中国“易图易图”( (八八卦卦) )里受到启发，最终悟出了二进制数之真谛。里受到启发，最终悟出了二进制数之真谛。 第一代计算机（第一代计算机（1946-1958）是采用电子管作为）是采用电子管作为逻辑元件，用阴极射线管或汞延迟线作主存储器，逻辑元件，用阴极射

28、线管或汞延迟线作主存储器，外存主要使用纸带、卡片等，程序设计主要使用机外存主要使用纸带、卡片等，程序设计主要使用机器指令或符号指令，应用领域主要是科学计算。当器指令或符号指令，应用领域主要是科学计算。当时的运算速度为时的运算速度为5千千3万次每秒。万次每秒。 1946年年2月世界上第一台电月世界上第一台电子计算机子计算机ENIAC在美国的宾夕法在美国的宾夕法尼亚大学诞生。它采用电子管作尼亚大学诞生。它采用电子管作为计算机的基本元件，由为计算机的基本元件，由18000多个电子管，多个电子管，1500多个继电器，多个继电器，10000多只电容器和多只电容器和7000多只电多只电阻构成，占地阻构成，

29、占地170m2，重量，重量30吨，吨，每小时耗电每小时耗电30万千瓦万千瓦,是一个庞然是一个庞然大物，每秒能进行大物，每秒能进行5000次加法运次加法运算。算。 第三代计算机（第三代计算机（1965-1970）采用中小规模的集）采用中小规模的集成电路块代替了晶体管等分立元件，半导体存储器成电路块代替了晶体管等分立元件，半导体存储器逐步取代了磁芯存储器的主存储器地位，磁盘成了逐步取代了磁芯存储器的主存储器地位，磁盘成了不可缺少的辅助存储器，计算机也进入了产品标准不可缺少的辅助存储器，计算机也进入了产品标准化、模块化、系列化的发展时期，计算机的管理、化、模块化、系列化的发展时期，计算机的管理、使用

30、方式也由手工操作完全改变为自动管理，使计使用方式也由手工操作完全改变为自动管理，使计算机的使用效率显著提高。算机的使用效率显著提高。 1964年研制出计算机历史上年研制出计算机历史上最成功的机型之一最成功的机型之一IBM S/360。S/360极强的通用性适用于各方极强的通用性适用于各方面的用户，它具有面的用户，它具有“360度度”全全方位的特点，并因此得名。方位的特点，并因此得名。IBM为此投入了为此投入了50亿美元的研发费亿美元的研发费用，远远超过制造原子弹的用，远远超过制造原子弹的20亿美元。亿美元。IBM360成为第三代电成为第三代电脑的标志性产品。脑的标志性产品。 第四代计算机（第四

31、代计算机（1971-至今）使用大规模和超大规至今）使用大规模和超大规模集成电路，主存储器均采用半导体存储器，主要的模集成电路，主存储器均采用半导体存储器，主要的外存储器是磁带、磁盘、光盘、外存储器是磁带、磁盘、光盘、U盘，微处理器和微盘，微处理器和微型计算机诞生。多媒体技术和网络技术的广泛应用，型计算机诞生。多媒体技术和网络技术的广泛应用，让计算机深入到社会的各个领域。让计算机深入到社会的各个领域。 1976年苹果计年苹果计算机：集成电路的算机：集成电路的发展，计算机开始发展，计算机开始了小型化的历程。了小型化的历程。 最新的最新的笔记本笔记本电脑电脑 1982年年IBM个人个人计算计算机机

32、信息输入、识别、变换、信息输入、识别、变换、运算、存储和决策分析等技术运算、存储和决策分析等技术 SD卡卡时间时间型号型号公司公司1971 4004Intel19728008Intel1974Z-80Zilog19768086Intel197868000 Motorola198180286Intel198680386Intel198768030 Motorola198880486 Intel1993pentiumIntel微处理器微处理器 深蓝有深蓝有30个个RS/6000 SP处处理器，每个处理器上有两块理器，每个处理器上有两块象棋加速卡，每块卡上有象棋加速卡，每块卡上有68个个VLSI象棋

33、芯片象棋芯片 IBM中国研究所中国研究所深蓝原型机示意图深蓝原型机示意图谢军和许峰雄谢军和许峰雄 天河一号超级计算机天河一号超级计算机 天河天河一号一号二次世界大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的二次世界大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。五十年代后控制研究直接推动了经典控制的发展。五十年代后兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹弹( (发射，操纵，指导及跟踪发射，操纵，指导及跟踪) )，卫星，航天器和星，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现球大战，以及计算机技术的出现( (英国科学家英国科学家A.J

34、.G. A.J.G. MacFarlane)MacFarlane)。美国美国MIT的的Servomechanism Laboratory研研制出第一台数控机床制出第一台数控机床(1952)世界第一颗人造地球卫星世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏由苏联发射成功联发射成功(1957)Sputnik 1 was the first artificial satellite launched into space 1957. Laika. Sputnik 2美国美国George Devol研制出第一台工业机器人样机研制出第一台工业机器人样机(1954)，两年后，被称为机器人之父的，两年后，被

35、称为机器人之父的Joseph Engelberger创立了第一家机器人公司，创立了第一家机器人公司，Unimation苏联苏联东方东方- -号飞船载着加加林进入人造地号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道，人类宇航时代开始了球卫星轨道，人类宇航时代开始了(1961)(1961)1961, at the age of 27, Gagarin left the earth. It was April the 12th, 9.07 Moscow time (launch-site, Baikonur). 108 minutes later, he was back . The period of or

36、bital revolution was 89:34 minutes (this figure was calculated by electronic computers). The missions maximum flight altitude was 327 000 meters. The maximum speed reached was 28 260 kilometers per hour. 宇宙哥伦布-加加林A stamp issued by Russia to memorize Y. GagarinCapsule used in first manned orbit of ea

37、rth In 1961, the first human to pilot a spacecraft, Yuri Gagarin, was launched by the Soviet Union aboard Vostok I.1963年年, 美国的美国的Lofti Zadeh与与C. Desoer发表发表Linear Systems - A State Space Approach。1965年，年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念提出模糊集合和模糊控制概念美国的美国的E.I. Jury 发表发表“数字控制系统数字控制系统” (Sampled-Data Control System) ，

38、建立了数字，建立了数字控制及数字信号处理的基础控制及数字信号处理的基础(1958) C. Desoer模糊模糊控制控制美国的美国的M. E. Merchant提出计算机集成提出计算机集成制造的概念制造的概念(1969)CIMSCAD:计算机辅助设计计算机辅助设计(Computer Aid Design)CAM:计算机辅助制造计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing)CAPP:计算机辅助工艺规划计算机辅助工艺规划(Computer-Aided Process Planning)CAQ:计算机辅助质量管理计算机辅助质量管理(Computer Aidied Quali

39、ty) MIS:管理信息系统管理信息系统(Management Information System) ERP:企业资源计划企业资源计划(Enterprise Resource Planning)MAS:制造自动化系统制造自动化系统(Manufacturing Automation System)TIS:技术信息系统技术信息系统(Technical information system)美国美国ARPA计算机网络初步建成计算机网络初步建成(1971) 远程实时监控远程实时监控 日本日本Fanuc公司研制出由加工中心和工业机器公司研制出由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元人组成的柔性制造单元

40、(1976)机器机器人类人类智能机器人智能机器人四、控制系统的地位和要求四、控制系统的地位和要求 控制系统是机电一体化产品最重要的组成控制系统是机电一体化产品最重要的组成部分，相当于人的部分，相当于人的“大脑大脑”，实现控制及信息，实现控制及信息处理功能。处理功能。 对控制系统的基本要求：对控制系统的基本要求： 被控制量按规定的规律变化，控制系统具备：被控制量按规定的规律变化，控制系统具备： 是要求系统有一定的响应速度。是要求系统有一定的响应速度。 即要求输出量即要求输出量, ,能够迅速地根据输入信号所规定的形能够迅速地根据输入信号所规定的形式变化。式变化。 是表示系统控制精度的一项性能指标。

41、是表示系统控制精度的一项性能指标。 要求系统在输入信号作用下，系统输出值与期望要求系统在输入信号作用下，系统输出值与期望值之间的差异较小，即误差要小。值之间的差异较小，即误差要小。 是系统能交付使用的首要条件。是系统能交付使用的首要条件。 包括两方面的含义，一是包括两方面的含义，一是绝对稳定性绝对稳定性，就是通常所，就是通常所说的系统稳定；另一方面是说的系统稳定；另一方面是相对稳定性相对稳定性，外界干扰消除，外界干扰消除后能否快速回到稳定状态。后能否快速回到稳定状态。五、控制系统的基本构成五、控制系统的基本构成 控制系统是由控制系统是由控制装置、执行机构、被控对象、检控制装置、执行机构、被控对

42、象、检测装置测装置所构成的整体，其基本构成如图所示：所构成的整体，其基本构成如图所示： 控制器控制器执行机构执行机构被控对象被控对象检测装置检测装置给定值给定值输出值输出值控制装置控制装置 被控对象可以是一台设备、一个系统或一种过程，被控对象可以是一台设备、一个系统或一种过程，它在控制装置的作用下，按预定的规律动作。它在控制装置的作用下，按预定的规律动作。 计算机控制系统的构成计算机控制系统的构成：六、控制系统的基本类型六、控制系统的基本类型 常有以下四种：常有以下四种： 1 1） 数字控制系统（数字控制系统（NCSNCS） 是将被加工零件的几何信息和工艺信息数字化，按规定是将被加工零件的几何

43、信息和工艺信息数字化，按规定的代码和格式编成加工程序，由计算机生成数字形式的指令，的代码和格式编成加工程序，由计算机生成数字形式的指令，再驱动机器运动。再驱动机器运动。 其实际上是轨迹控制的问题。其实际上是轨迹控制的问题。数控装置数控装置伺服系统伺服系统机床机床检测装置检测装置控制介质控制介质 控制介质：控制介质：传递零件的加工信息；传递零件的加工信息； 数控装置：数控装置：数控系统核心，包含硬件及其软件，用于数控系统核心，包含硬件及其软件，用于完成信息的输入、存储、变换、运算及各种控制功能；完成信息的输入、存储、变换、运算及各种控制功能； 伺服系统：伺服系统：接收指令接收指令, ,驱动机床的

44、执行机构（即电信驱动机床的执行机构（即电信号到机械量转换）；号到机械量转换）； 检测装置：检测装置：检测速度和位移，并反馈信息。检测速度和位移，并反馈信息。2 2） 伺服控制系统（伺服控制系统（ Servo Control SystemServo Control System ） 伺服系统中，输入为模拟量或数字量的电信号，输出是伺服系统中，输入为模拟量或数字量的电信号，输出是机械的位移或速度的变化。机械的位移或速度的变化。 主要考虑如何稳定、快速、准确的实现指令的功能，主要考虑如何稳定、快速、准确的实现指令的功能，即要使输出量以一定的精度复现输入量的变化，常称为动即要使输出量以一定的精度复现输

45、入量的变化，常称为动作控制。作控制。CNC系统系统驱动电机驱动电机检测装置检测装置控制信号控制信号反馈信号反馈信号光栅尺光栅尺 3 3）顺序控制系统）顺序控制系统 如设备的运行或停止、阀门的开或关，风如设备的运行或停止、阀门的开或关，风机的启动、停止等控制系统。机的启动、停止等控制系统。 其是按照生产工艺预先规定的顺序，依次完其是按照生产工艺预先规定的顺序，依次完成各种操作。成各种操作。 常是按时间顺序或逻辑顺序进行的开环控制。常是按时间顺序或逻辑顺序进行的开环控制。 在顺序控制系统中，运算和控制信息的全部在顺序控制系统中，运算和控制信息的全部是是“开开”或或“关关”两种信息。两种信息。初始位

46、置 传送带向前 钻 传送带向前 铣 传送带向前 终检 S0S1S2S3S4S5S6 预备 钻 铣 终检顺序控制的结构顺序控制的结构S0S1S2S3S4S5S6 4 4）过程控制系统）过程控制系统 以表征生产过程的以表征生产过程的参量参量为被控制量，使之接为被控制量，使之接近给定值或保持在给定范围内。近给定值或保持在给定范围内。 其参量常有温度、压力、流量、液位、浓度其参量常有温度、压力、流量、液位、浓度等。等。 通过对过程参量的控制，可使产品的产量增通过对过程参量的控制，可使产品的产量增加、质量提高、能耗减少。加、质量提高、能耗减少。 过程控制系统通常采用闭环反馈控制形式。过程控制系统通常采用

47、闭环反馈控制形式。恒温箱的温度控制系统七、控制系统设计的基本过程和内容七、控制系统设计的基本过程和内容 一般设计过程如图示：一般设计过程如图示： 控制子系统设计的主要内容有：控制子系统设计的主要内容有：1)1)确定控制子系统的设计方案：确定控制子系统的设计方案： 采用何种控制方式，开环还是闭环；采用何种控制方式，开环还是闭环； 考虑驱动元件的类型和执行机构的类型；考虑驱动元件的类型和执行机构的类型； 选择观测点、被测量和传感器；选择观测点、被测量和传感器； 考虑微机在整个系统的作用，是设定计算、直考虑微机在整个系统的作用，是设定计算、直 接控制还是数据处理；接控制还是数据处理； 微机应具备哪些

48、功能，需哪些输入微机应具备哪些功能，需哪些输入/ /输出通道，配输出通道，配 备哪些外围设备等；备哪些外围设备等； 画出控制系统组成的初步框图。画出控制系统组成的初步框图。2) 2) 确定控制算法：确定控制算法： 根据运动规律建立数学模型（系统动态性能的数学根据运动规律建立数学模型（系统动态性能的数学表达式）。表达式）。 数学模型反映了系统输入、内部状态和输出之间的数量和逻数学模型反映了系统输入、内部状态和输出之间的数量和逻辑关系，为计算机进行运算处理提供依据，即可由数学模型推辑关系，为计算机进行运算处理提供依据，即可由数学模型推出控制算法。出控制算法。 应根据不同的控制对象、不同的控制指标要求，选应根据不同的控制对象、不同的控制指标要求，选用不同的控制算法。用不同的控制算法。 常用的控制算法较多。如常用的控制算法较多。如PIDPID控制、自适