机电一体化控制系统设计PPT课件

1、.,1,第7章 机电一体化控制系统设计,按输出量对控制作用的影响:顺序控制和反馈控制; 按系统输出量的形式:位置控制、速度控制、加速度控制、力和力矩控制; 按控制系统输入信号的变化规律:定值控制系统、过程控制系统和随动系统; 按系统中所处理信号的形式:连续控制系统和离散控制系统; 按控制系统输出功率:仪表伺服控制和功率伺服控制 ; 按被控对象自身的特性:线性系统与非线性系统、确定系统与随机系统、集中参数系统与分布参数系统、时变系统与时不变系统等,7.1 机电一体化控制系统设计概述,7.1.1 控制系统分类,.,2,7.1.2 控制系统的基本要求和设计方法,基本要求: 稳定 快速 精确 控制系统

2、设计的基本方法: 把系统中所有环节都抽象为数学模型进行分析和研究。,.,3,设计步骤:,（1）准备阶段; （2）理论设计; （3）设计实施：模块组装，系统仿真、测试 ; （4）设计定型:图、表、程序、说明书 等,.,4,7.1.3 控制系统的组成模式,组成形式：单板机模式和组合模式 （1） 单板机模式 以单片机和其他微处理器为核心，根据机电一体化产品具体要求专门设计成单板机式控制器: 结构形态的随意性 ; 空间位置的随意性 ; 形态规模的随意性 ; 最佳的经济性,.,5,（2） 组合式模式,由硬件功能模块通过总线及母板组合成控制系统，具有多种灵活的组成模式，它可以采用独立模式自成系统；也可以作

3、为其他小型、微型计算机的前端控制机，或者组成分布式系统的典型分散系统 组合系统中，常用的总线有PC总线、STD总线、PC104总线等,.,6, 独立工作模式 作为其他计算机的前端控制机:工业控制机可以作为前端控制机，与其他小型、微型计算机构成上下位微型计算机控制系统,图7-1 上下位型微机控制系统,.,7, 构成分布式组合系统:总线型分散式系统、分布式多CPU系统、主/从多CPU系统以及多种CPU系统几种结构形式,（3） 控制系统的组成, 中央处理单元（CPU）, 存储器, I/O接口, 人-机接口, 系统支持功能, 总线,.,8,7.2 机电一体化系统建模,7.2.1 模型的基本概念,系统模

4、型是对系统的特征与变化规律的一种定量抽象，是人们用以认识系统的一种手段。 分类：物理模型、数学模型和描述模型三种。,物理模型,物理模型就是根据相似原理，把真实系统按比例放大缩小制成相模型，其状态变量与原系统完全相同,多是在一些特殊场合下运用，如导弹、飞机或卫星一类飞行器的动态仿真，或者飞行驾驶模拟,.,9,（2）数学模型,数学模型是一种用数学方程（或信号流图、结构方框图等）来描述系统性能的模型 分类：静态模型、动态模型。,（3）描述模型,描述模型是一种抽象的（无实体的），不能或很难用数学方法描述的，而只能用语言（自然语言或程序语言）描述的系统模型，不再单纯地追求数学模型，而是建立起基于“经验”

5、和“知识”的描述模型。如模糊（fuzzy）控制,.,10,7.2.3 机电一体化系统的数学模型,1. 数学模型的类型 微分方程、差分方程 状态方程：系统状态方程的表达形式不是惟一的。如能控标准型、能观标准型和约当型 等； 传递函数,.,11,（2） 数学模型的建立方法,数学模型：机理模型法和统计模型法 机理模型法（分析法、理论推导法） 机理模型法主是通过理论分析推导方法建立系统模型。通常情况下，是给出微分方程形式、状态方程、传递函数等。 统计模型法（实验测定法 ） 就是采用由特殊到一般的逻辑、归纳方法，根据一定数量的、在系统运行过程中实测观察的物理数据，运用统计规律、系统辨识等理论合理估计出反

6、映各物理量相互制约关系的数学模型。根轨迹法、时域法和频率响应法、系统辨识法,.,12, 混合模型法,如果对系统内部结构和特性有部分了解，但又难以完全用机理模型方法表达出来，这时需结合一定的实验方法确定另外一部分不甚了解的结构特性，可是通过实际测定来求取模型参数。一般是根据被辨识系统的已有知识，有演绎法确定或选择系统模型的结构；然后根据实验观测所得到的数据估计出被辨识系统的未知参数值。这种方法是机理模型法和统计模型法的结合，故称混合模型法,.,13,7.2.4 数控机床伺服进给系统的建模,（1） 机械传动系统建模 机械移动系统 机械移动系统力学模型,.,14,两连体系统,(a) 系统方框图 (b

7、) 简化后的系统方框图 图7-3 两连体系统的动力模型,.,15, 机械转动系统,同步齿形带驱动装置示意图,同步齿形带驱动装置系统方框图,.,16,（2） 电路网络系统建模, 无源网络,(a) 无源网络 (b) 无源网络动态结构图 基本无源网络框图,.,17, 有源网络,（a） 比例-积分电路 (b) 比例-积分电路动态结构 基本有源网络框图,.,18,（3） 伺服电动机动力模型, 电枢控制式直流电动机,电枢控制式直流电动机原理图,.,19, 磁场控制式直流电动机,磁场控制式直流电动机原理图,.,20, 交流伺服电动机,磁场控制式交流电动机原理图,.,21,机械系统和电系统存在着相似性。 机械

8、系统电系统网络电系统传递函数机械结构的传递函数； 系统环节求出各环节的传递函数画出系统方块图求出系统的传送函数 连续系统应用拉普拉斯求得系统的传递函数拉普拉斯反变换求出系统的时间响应；计算机控制（离散系统应用Z变换把s域的超越方程或离散系统z的代数方程离散系统的脉冲传递函数Z变换法求出离散系统的时间响应,.,22,7.3 机床数字控制系统的设计,机床数字控制系统：硬联接数控系统和软联接数控系统。 硬联接系统是采用专用计算机（及电路）组成的数控系统，其功能都按照固定逻辑制作在印制电路板上，如要增加或改进其功能，则需要重新制作印制电路板，这是70年代以前的主要产品，目前已被淘汰； 软联接数控系统（

9、也称计算机数控系统（CNC，computerized numerical control），采用通用计算机或微型计算机加上必要的接口电路组成的数控系统，其优点是容易实现新的功能，当要求增加或改进其功能时，不需要变动硬件，而只需对系统软件进行修改便能实现,.,23,7.3.1 CNC装置的组成,从外部特征看：由硬件(通用硬件和专用硬件)和软件(专用)两大部分。 由计算机基本系统、设备支持层和设备层三部分组成,CNC硬件结构框图,.,24,从功能特征来看，软件由CNC管理软件和CNC控制软件,CNC软件系统功能框图,.,25,7.3.2 数控机床硬件结构的几种形式,（1）单板模式CNC 系统结构,

10、机床微机数控系统硬件结构,.,26,输入接口,输入接口：手动数据输入接口（MDI）、纸带阅读机接口、通信接口、手摇脉冲发生器接口和输入信号接口等 输入接口功能： 把外部设备输入的信息转换成计算机能够接受的数据格式； 作为外部设备向计算机输送信息的缓冲区，以解决外围设备与计算机之间的时间差，当外设有信息输入时，可以在接口部分暂存，待计算机有空余时间再进行处理； 转换电平信号，例如可以把机床的高压交、直流电平转换成TTL电平，由计算机获取。 通过光电耦合器，将计算机电源与机床电源相隔离，以保证计算机系统的可靠性。,输出接口：位置伺服系统接口和开关信号接口,.,27,除简单的单板结构外，还常用大板结

11、构方式,FANUC CNC 6MB 框图,扩充槽,接口卡,.,28,（2） 组合模式CNC系统,组合模式CNC系统采用商品化功能模块组合而成。 三种类型：由专用CNC模块组成数控系统；由通用的工控机模块组成有专门用途的数控系统；以PC机+运动控制卡组成开放体系结构的数控系统。 后两种可能根据需要增添相应的模块或控制卡，具有很大的灵活性。,.,29, 功能模块结构,即模块化结构，硬件是由若干功能不同的模块组成，这些模块既是系统的组成部分，又有相对的独立性。 常见的功能模块有CNC控制板、位置控制板、PLC板、图形板和通信板等。,.,30,功能模块式数控车床数控系统框图,.,31, PC式CNC系

12、统（PCNC）,以工控机为平台数控系统,开放式数控系统主要特点： 功能模块化、 设计标准化。 将CNC系统的不同功能分解，分别由硬件插板实现，同时各硬件结构符合一定的总线协议形式,.,32,PCNC系统常见组成方式,“PC嵌入NC”式结构系统:如FANUC18i、16i、SIEMENS840D系统、Num1060系统，A-B9360等数控系统，尽管它们也有一定的开放性，但由于它们的NC部分仍然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的，因此用户无法介入数控系统的核心。 “NC嵌入PC”式结构:如美国Delta Tau公司的多轴运动控制卡PMAC、英国Baldor公司的运动控制卡、香港固高公司的运

13、动控制卡等,它由开放体系结构的运动控制卡+PC构成，这种运动控制卡通常选用高速DSP（数字信号处理芯片）作为CPU，具有很强的运动控和PLC控制能力，它本身就是一个数控系统，也可以单独使用。运动控制卡的开放库函数供用户在Windows平台下自行开发构造所需的控制系统，因此这种开放结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化各个领域。 软件型开放式结构:如美国MDSI公司的Open CNC，德国Power Automation公司的PA800NT等, 是一种最新的开放体系结构数控系统。它提供给用户最大选择和灵活性，它的CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通

14、过接口，就像计算机中可以安装各种品牌的声卡和相应的驱动程序一样。用户可在Windows NT平台上利用开放的CNC内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前几种数控系统相比，软件型开放式数控系统具有最高的性能价格比。,.,33,7.3.4 数控机床的软件结构,（1）机床数控系统中数据转换流程 将由零件加工程序表达的加工信息，变换成各进给轴的位移指令、主轴转速指令和辅助动作指令，控制加工设备的轨迹运动和逻辑动作，加工出符合要求的零件,.,34,数控系统中数据转换流程,.,35,（2） 数控机床软件系统的特点, 多任务性与并行处理技术 CNC的任务：管理任务和控制任务。 采用并行

15、处理技术以提高CNC装置资源的利用率和系统的处理速度 实时性和优先抢占调度机制 优先抢占调度机制，其功能有两个：其一是优先调度，在CPU空闲时，当同时有多个任务请求执行时，优先级高的任务将优先得以满足；二是抢占方式，在CPU正在执行某任务时，若另一优先级更高的任务请求执行，CPU将立即终止正在执行的任务，转而响应优先级高任务的请求,.,36,（3） 数控机床软件的结构模式,结构模式是指系统软件的组织管理方式，即系统任务的划分方式、任务调度机制、任务间的信息交换机制以及系统集成方法等。结构模式要解决的问题是如何组织和协调各个任务的执行，使之满足一定的时序配合要求和逻辑关系，以满足CNC装置的各种

16、控制要求。 CNC装置软件的结构模式：前后台型结构、中断型结构和基于实时操作系统的结构三种。,.,37,7.3.4 数控铣床控制系统设计实例,硬件结构：工控机（IPC）、PMAC运动控制器、标准键盘、彩色显示器和各种工业级电源等等，它们组成一个主从的双CPU控制系统，在应用系统程序和操作系统的支持下，完成一些基本功能,选用Delta Tau公司的可编程多轴运动控制器PMAC（Programmable Multi-Axis Controller）,.,38,三坐标数控铣床硬件结构框图,.,39,PCI总线4轴运动控制器4轴联动控制（其中三轴分别驱动控制X、Y、Z轴交流伺服电动机）； 工业控制机（

17、IPC）与PMAC PCI Lite运动控制器硬件； PMAC上的J8有交流伺服电动机编码器输入接口控制交流伺服电动机，模拟量输出通道控制电主轴； 两块ISA总线的开关量输入/输出（I/O）卡插入工控机的无源主板ISA总线插槽内，用于机床开关量的控制，通过软件编程构成软件PLC； 网卡网络通讯、远程监控、远程故障诊断等网络功能； 其他的工控机的标准接口和外围设备； 工控机的CPU与PMAC的CPU构成主从式双微处理器结构，其中PMAC主要完成机床主轴、X、Y、Z轴的运动控制和一些开关量的控制，而工控机则主要完成系统管理功能。,.,40,PMAC编程语言可使控制卡独立工作，可它把G、M、T和D代

18、码作为子程序来调用，使得软件编写格式和数控程序相同。Delta Tau公司还提供了运动控制的函数库和动态连接库，使用户能方便使用在高级计算机语言C+，VB，VC，Delphi在Win98，Win2000，WinNT及XP操作系统下开发自己的人机界面及应用软件。 系统软件采用模块化结构设计，系统分为非实时管理部分和实时控制部分：非实时管理部分处理系统的管理、故障诊断、参数输入、程序编辑、运动规划、机床操作面板等输入/输出控制、机床辅助功能控制等非高实时性的任务功能的实现；实时控制部分是由 PMAC运动控制器来完成，它的工作包括位置控制、插补、速度处理、译码解释和刀具补偿、实时性高的I/O控制等。同时可以方便的同别的数控系统进行通讯，或者与MAP（制造自动化协议）相连构成FMS、CIMS以及IMS等大型制造系统。,.,41,7.4 机电一体化控制系统的发展趋势,计算机（微处理器）为基础的控制器作为机电一体化系统的“大脑”，承担着机电一体化系统中信息的交换、传递、存储、处理等功能 发展方向 ： （1） 智能化；（2） 模块化； （3） 开放性；（4）网络化,.,42,（3） 开放性,开放结构开放系统所执行的应用可以运行在多家制造者不同的平台，并可以与其他系统的应用具有互操作性，且呈现与用户交互协同。 应用模块（AM）：可移植性：在保持应用模块（AM）的功能下