机械工程控制基础实验.ppt

1、机械工程 控制技术实验,2020年8月3日星期一,课程安排,首次独立设课,8学时,参考书：薛定宇，控制系统仿真与计算机辅助设计，机械工业出版社 施阳，MATLAB语言精要及动态仿真工具SIMULINK，西部工业大学出版社,教材：杨叔子等，机械工程控制基础，华中科技大学出版社； 机械工程控制基础实验指导书 （东3楼219#黄老师：87557415）,下学期 8学时：做一个综合性控制实验作品,本学期,实验地点：东1楼一楼中部（从靠东3楼的门进）,2020年8月3日星期一,实验地点东一楼一楼中部,东一楼,东三楼,东二楼,水池,名人园,入口,2020年8月3日星期一,一、机械专业基础实验中心概况,有基

2、础、专业、综合等实验中心3个，实验室总面积5872平方米,2020年8月3日星期一,总体架构,工业工程 实验平台,精密仪器 实验平台,机械大类专业基础实验平台,机械测控 实验平台,面向机械大类平台课程、机械专业课程以及新办专业课程,工程测试实验,工程控制实验,机械学科基础实验平台,人因 工程 实验,物流 生产 实验,精密 测量 与 仪器 实验,互换性与技术测量 精密仪器设计 激光检测技术与仪器 光电检测技术 仪器智能技术 传感技术与智能检测系统 无损检测,物流系统工程 生产运作与管理 供应链管理 CIMS 安全工程 可靠性工程 系统仿真,人因工程 基础工业工程 可靠性工程 安全工程,工程测试技

3、术、传感技术与智能检测系统、无损检测、机电一体化导论、设备检测与诊断,控制工程基础、计算机控制系统、现代控制理论、数控技术、机器人技术、机电传动控制,2020年8月3日星期一,二、专业实验教学改革,学校对本科人才培养定位：,一流人才表现方面：？,加强综合性、设计型实验，着力培养学生的自主创新能力与综合素质，注重复合型人才培养,一流的职业素质、,培养一流的本科人才！,一流的学习力,一流的理论基础知识、,一流的技能、,一流的创新能力、,2020年8月3日星期一,职业能力培养,职业 操守,知识,技能,学 习 力,职业能力,创 造 力,超越,2020年8月3日星期一,执业资格双轨制,关于建立社会主义市

4、场经济体制若干问题的决定,提出：,要在我国实行学历文凭和职业资格两种证书制度。,劳动法,规定：,国家确定职业分类，对规定的职业制定职业技能标准，实行职业资格证书制度。,2020年8月3日星期一,学历文凭和职业资格并重的两种证书制度,2020年8月3日星期一,国家职业资格证书制度,职业资格证书是反映劳动者专业知识和职业技能水平的证明，是劳动者通过职业技能鉴定进入就业岗位的的凭证。,2020年8月3日星期一,职业资格等级设置及各等级的具体标准,国家职业资格等级结构,初级 国家职业 资格五级,中级 国家职业 资格四级,高级 国家职业 资格三级,技师 国家职业 资格二级,高级技师 国家职业 资格一级,

5、技 能 层,技 术 层,2020年8月3日星期一,能够熟悉运用基本技能和特殊能完成较为复杂的工作； 独立处理工作中出现的问题解决 本职业高难度技术操 作和工艺难题；在技术攻关、工艺革新和技术改革方面 有创新；能组织开展技术改造、技术革新和进行专业技 术培训 ；具有资源分配能力。,能够熟悉运用基本技能和专门技能完成较为复杂的 工作；独立处理工作中出现的问题，解决 本职业高 难度技术操作和工艺难题；在技术攻关、工艺革新 和技术改革方面有创新；能组织指导他人进行工作 和培训高级操作人员；具有一定的资源分配能力。,能够熟悉运用基本技能和特殊能完成较为复杂的工 作；独立处理工作中出现的问题能指导他人进行

6、工 作或协助培训一般操作人员,能够熟练运用基本技能独立完成本职业日常可预见 性的工作；在特殊情况下能运用专门技能完成较为 复杂的工作；能够与他人进行合作。,能够熟练运用基本技能独立完成本职业日常可预见 性的工作。,国家职业资格一级 高级技师,国家职业资格二级 技师,国家职业资格三级 高级,国家职业资格四级 中级,国家职业资格五级 初级,我国职业资格证书等级体系结构示意图,2020年8月3日星期一,中华人民共和国职业资格证书,2020年8月3日星期一,培养良好的职业习惯,思想决定行为,行为决定习惯,习惯决定性格,性格决定命运,荀子： “积行成习，积习成性，积性成命”,2020年8月3日星期一,M

7、ATLAB入门篇,2020年8月3日星期一,Whats Matlab？,Matlab是一个数学软件,Matlab是一个交互式的系统,Matlab是一种高性能的科学计算语言，采用了人们常用的数学表达方式，同时用户友好的操作界面、集成计算、可视化和程序设计等功能。,MATLAB软件是由美国Mathworks公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统环境。MATLAB是英文MATrix LABoratory(矩阵实验室)的缩写。它的第1版(DOS版本1.0)发行于1984年，经过20余年的不断改进，现今已推出它的 7.0版本。,2020年8月3日星期一,机械工程控制基础实验 Base on Ma

8、tlab,选用Matlab进行实验的理由,Mathcad是MathSoft公司的一种交互式数值系统。其Maple插件直接支持符号运算。但不管是符号还是数值功能都不如Mathematica和Matlab优秀。特点： Mathcad容易理解，简单易学。,Mathematica（,常用数学软件系统： Matlab Mathcad Mathematica Maple Origin Spss Sas Sciliab,Matlab是综合功能最强的数值计算软件，矩阵计算，编程，画图都功能丰富，数值计算更是超强。,Matlab是西方众多大学要求掌握的一个基本数学软件。, 实验系统是在Matlab的基础上开发的

9、。,2020年8月3日星期一,软件好用与否固然重要，但同样重要、甚至更为重要的还是使用的人。 就像摄影里面那句话： 镜头重要 镜头后面的头更重要,2020年8月3日星期一,Matlab起源,1980年左右，时任美国New Maxico大学计算机系主任的Cleve Moler教授在讲授线性代数时，觉得用当时最先进的EISPACK和LINPACK软件包求解线性代数问题的过程过于繁琐，开始构思一个名为MATLAB的交互式计算机语言。并于1980年推出了免费版本。1984年成立The MathWorks公司，并推出了1.0版。系统最初是由CIeve Moler用FORTRAN语言设计的；现在的MATL

10、AB程序是MathWorks公司用 C语言开发的,第一版由steve Bangert主持开发编译解释程序，Steve Kleiman完成图形功能的设计，John Little和Cleve Moler主持开发了各类数学分析的子模块，撰写用户指南和大部分的M文件。,MATLAB以商品形式出现时，正赶上控制界基于状态空间的控制理论蓬勃发展阶段，引起了控制界学者的高度重视，之后很快出现了用MATLAB语言编写的控制系统工具箱，在控制界产生了巨大的影响。仅短短几年，就以其良好的开放性和运行的可靠性，使原先控制领域里的封闭式软件包（如英国的UMIST，瑞典的LUND和SIMNON，德国的KEDDC）纷纷淘

11、汰，而改以MATLAB为平台加以重建。在时间进入20世纪九十年代的时候，MATLAB已经成为国际控制界公认的标准计算软件。 到九十年代初期，在国际上30几个数学类科技应用软件中，MATLAB在数值计算方面独占鳌头，而Mathematica和Maple则分居符号计算软件的前两名。,超越,执著,合作,机遇,成功,不断推出新版,危机,超越自我,2020年8月3日星期一,Matlab工具箱,Matlab包含一个以附加产品形式出现的特色应用解决方案 - 工具箱,Matlab工具箱是一个Matlab函数（M文件）的收集，它延伸了Matlab环境,Matlab工具箱帮助用户学习和使用专业化的技术,工具箱可应

12、用的领域包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析、混沌等等。,2020年8月3日星期一,启动MATLAB,双击桌面上的MATLAB图标,点击“开始-程序-MATLAB”启动,2020年8月3日星期一,MATLAB使用桌面,当前路径窗口,命令历史窗口,工作空间窗口,命令窗口,变换当前路径,快速启动按钮,2020年8月3日星期一,开始使用Matlab,在命令窗口提示符后输入你想运行的任何函数 或 变量运算,书写规范： 大小写敏感； 若不想显示运行结果，可加“；”完成； 续行通过“”完成； 不同的语法关键词显示的颜色不同。,Matlab证书问题,RS232端口操作,2020年8月3日星期

13、一,传递函数模型,2020年8月3日星期一,(控制)系统仿真平台 Simulink,SIMULINK入门篇,SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包,它为用户提供了用方框图进行建模的图形接口。采用这种方式建模，就像用笔和纸上画模型一样方便。,2020年8月3日星期一,SIMULINK入门,微分方程,代数方程,Laplace变换,图形化建模方式 SIMULINK,2020年8月3日星期一,SIMULINK库浏览器,树状列表 模块库,图标列表 模块库,模块说明窗口,新建模型,2020年8月3日星期一,Simulink 建模,模型窗口,双击Scope模块,仿真运行,2020年

14、8月3日星期一,SIMULINK模块库,Commonly Used Blocks (公共模块库) Continuous（连续模块库） Discrete (离散模块库） Logic den=1 0.4 1;impulse(num,den),2020年8月3日星期一,求系统 的正弦输入响应曲线,在MATLAB的命令窗口键入： num=1;den=1 0.4 1;t=0: 0.01: 10;u=sin(3*t);lsim(num,den,u,t),输出响应,2020年8月3日星期一,频率特性分析,频率特性,幅频特性,相频特性,频率特性的极坐标图Nyquist,频率特性的对数坐标图 Bode,频率特性

15、求解,根据系统的频率响应求解,将传递函数中的s换为jw求解,实验方法求取,需要知道系统模型,绘制Nyquist图的函数,Nyquist(num,den) Nyquist(num,den,w) Re, Im= Nyquist(num,den),绘制Bode图的函数,Bode(num,den) Bode(num,den,w),2020年8月3日星期一,频率特性分析实验,例：绘制传递函数为 的系统的Nyquist图、Bode图,在MATLAB的命令窗口键入： num=2 6;den=1 2 5 2;nyquist(num,den),在MATLAB的命令窗口键入： num=2 6;den=1 2 5

16、2;bode(num,den),2020年8月3日星期一,系统的稳定性,系统稳定的充要条件：系统的全部特征根都具有负实部,方法： 用roots函数求取系统的全部特征根，如果有一个正实部的根，则该系统不稳定,对于本例：在MATLAB的命令窗口键入： r=rootsden;,r = -0.7666 + 1.9227i -0.7666 - 1.9227i -0.4668,该开环系统右根数=0，故系统稳定,其它方法： 用 tf2zp 函数求取系统的全部零点和极点,2020年8月3日星期一,系统稳定性的Nyquist判据,例：若单位反馈系统的开环传递函数为 试绘出Nyquist图，并判断系统的稳定性,对

17、于开环稳定的系统，其闭环系统稳定的充要条件：系统的开环频率特性不包围（-1，j0）点,前面的分析结果：该开环系统右根数=0，且其Nyquist曲线没有逆时钟包围（-1，j0）点，故该闭环系统稳定,通过系统的开环特性曲线，分析闭环系统的稳定性,特点：当系统的某些环节传递函数无法用理论分析求得是，可以通过实验判断系统的稳定性,2020年8月3日星期一,系统的相对稳定性,Nyquist判据推论：若极点数P=0的闭环系统稳定，且当开环Nyquist轨迹离点（-1，j0）越远，则闭环系统的稳定性越高。,系统的相对稳定性，是通过开环Nyquist轨迹对点（-1，j0）的靠近程度来表征的。 其特征参数有：

18、幅值裕度Kg 相位裕度,求系统的幅值裕度、相位裕度的函数及调用格式：,Gm, Pm, Wcg,Wcp=margin(num,den),Gm：幅值裕度 Pm：相位裕度 Wcg：幅值裕度处的频率值 Wcp：相位裕度处的频率值,2020年8月3日星期一,系统的 PID 校正,比例-积分-微分（PID）控制器是工业过程控制中最常见的一种控制器，特别适用于动态性能是线性的、且控制性能要求不太高的控制场合。 其主要功能有： 提供反馈控制； 通过积分作用消除稳态误差； 通过微分作用进行预测，以减小动态偏差；,PID控制器在PID控制系统中的位置,2020年8月3日星期一,PID控制器,PID控制器传递函数,

19、在调整的时候，主要要做的任务就是在系统结构允许的情况下，在这三个参数之间权衡调整，达到最佳控制效果，实现稳、快、准的控制特点。,PID控制器参数的工程整定方法有多种，如临界比例法、反应曲线法和衰减法等。这些方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，最终都需要在实际运行中进行最后调整与完善。,2020年8月3日星期一,DRLink控制系统实验平台,基于软件总线和软件芯片的快速可重构计算机控制系统开发平台,核心是一个COM/DCOM容器程序，表头、按钮、典型控制单元模块、硬件驱动模块等软件模块则设计为COM/DCOM组件

20、。可以实现对软件芯片的热插拔。,任何两个软件芯片只要连接在一条数据线上就可以在彼此间交换数据,连线过程很简单，在软件芯片上点击右鼠标键，弹出属性参数设置对话窗，将其中代表与软件总线连接的数据线号的值设定为设计值就可以,2020年8月3日星期一,DRLink控制系统实验平台,2020年8月3日星期一,工程控制系统课程框图,驱动器：步进电机驱动器、伺服电机驱动器、直流电机驱动器、交流接触器等,执行器：各种电机,控制卡：各种运动控制卡（带CPU/不带CPU）、独立嵌入式运动控制器,2020年8月3日星期一,控制系统类别开环和半闭环,2020年8月3日星期一,控制系统类别全闭环,X-Y绘图仪,2020

21、年8月3日星期一,控制器,The Trio MC302X is a small DIN rail mounted motion controller based on Trios latest ARM processor technology. maximum 3 tasks CAN Networking,The PMAC2 PCI Lite It has four channels of servo interface circuitry. It is a full-sized PCI bus expansion card. While the PMAC2 PCI Lite is capab

22、le of PCI bus communications, with the optional on-board dual-ported RAM, it does not need to be inserted into a PCI expansion slot. Communications can be done through the standard on-board RS-232 serial port; standalone operation is possible.,2020年8月3日星期一,运动控制卡,2020年8月3日星期一,实验中一维工作台所用控制卡,2020年8月3日星

23、期一,驱动器,2020年8月3日星期一,驱动器与电机连接,2020年8月3日星期一,驱动器与伺服电机,2020年8月3日星期一,电气制图工具,Protel PCschematic ELCAD AutoCAD Electrical,2020年8月3日星期一,水位控制系统,2020年8月3日星期一,组态软件是一种专业的工控软件开发平台，它为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。 使用组态软件，用户无须具备较多的计算机编程知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，

24、功能全面，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。,工控应用软件开发平台-组态软件,2020年8月3日星期一,工控应用软件开发平台-组态软件,2020年8月3日星期一,控制工程组态软件简介1,MCGS(Monitor and Control Generated System)是北京昆仑通态自动化软件科技公司生产的产品,是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等多种方式解决实际工程问题。 MCGS系统包括组态环境和运行环境两部分。 组态环境相当于一套完整的工具软件，用户组态生成的结果是一个

25、数据库文件，叫组态结果数据库。 运行环境按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。 象搭积木一样，在组态环境下用构件构造应用系统，配置各种参数，形成组态结果，运行环境和组态结果构成用户自己的应用系统。,2020年8月3日星期一,MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS 运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为

26、“工程” 。,2020年8月3日星期一,控制工程组态软件简介2,组态环境由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分组成。 主控窗口构造了应用系统的主框架，包括运行流程、菜单命令、特性参数和启动特性等项内容。 设备窗口是MCGS系统与外部设备联系的媒介，实现对控制卡的操作和控制。 用户窗口实现了数据和流程的“可视化”。最多可定义512个窗口。 实时数据库是系统的核心，是一个数据处理中心，同时也是公共数据交换区，实时数据库自动完成对实时数据的报警处理和存盘处理，同时根据需要以事件方式发送发给系统其他部分，所有变量包括数值、属性、方法三部分。 运行策略是对系统运行流程实现有效控制的手

27、段，一个应用系统有3个固定策略：启动策略、循环策略和退出策略，用户最多可创建512个策略，如报警策略、事件策略、热键策略、循环策略等。,2020年8月3日星期一,职业素质培养实验室学生基本守则,不得迟到、早退。不许打闹、喧哗，不得带食物、饮料、脏物入内； 实验过程中，保持实验室整洁、安静； 保持严谨的科学态度，严格遵守操作规程，实事求是地记录实验现象和数据，不得编造、篡改、抄袭实验数据。 严禁带电接线或拆线，接好线路后，认真复查，确信无误后，方可接通电源。严禁触碰运动中的机械部件和已通电的电器设备。发生事故，迅速切断电源，保持现场，并向教师报告。 非本次实验所用的仪器、设备、未经教师允许，不得动用。 不得将实验物品带出实验室。实验中凡丢失、损坏实验设施及物件，应立即报告，主动说明原因。 关闭电脑、驱动电柜（箱）等实验设备的电源，清理桌面，带走全部个人物品。,2020年8月3日星期一,实验内容,典型环节的时域特性分