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1、单元五 机电一体化控制及接口技术,A教学目标 B引言 5. 1控制技术概述 5. 2可编程序控制器技术 5. 3人机接口技术 5. 4机电接口技术 小结,A教学目标,1.掌握机电一体化系统控制形式。 2.掌握常用机电系统控制器PLC工作原理。 3.熟悉常用输入输出接口电路。 4.熟悉A/D转换器等机电接口电路。,下一页,返回,B引言,机电一体化控制是在以微型计算机为代表的微电子技术、信息技术迅速发展向机械工业领域迅猛渗透并与机械电子技术深度结合的现代工业的基础上，综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等群体技术。本单元重点讲述机
2、电系统控制技术；常用控制器PLC工作原理以及人机接口、机电接口工作原理。,上一页,下一页,返回,5. 1控制技术概述,机电一体化控制是一门理论性很强的工程技术，通常称为“自动控制技术”，把实现这种技术的理论称为“自动控制理论”。而由各种部件组成以实现具体生产对象的自动控制的系统，则称为“自动控制系统”。自动控制所使用的技术可以是电气、液压、气动、机电以及电液等诸多方法，而采用计算机实现自动控制是机电一体化控制技术中最为常见的手段。,上一页,下一页,返回,5. 1控制技术概述,5.1.1机电一体化系统的控制形式 机电一体化控制本质上就是自动控制，机电一体化系统的控制形式就是自动控制系统的不同分类
3、方式。自动控制是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使被控对象的被控量准确地按照预期的规律变化。自动控制理论是研究自动控制过程共同规律的技术学科，是研究自动控制系统组成，进行系统分析设计的一般性理论。根据它的不同发展阶段与内容，可将其分为经典控制理论、现代控制理论及智能控制理论三个阶段。,上一页,下一页,返回,5. 1控制技术概述,按照输出量对控制作用的影响不同，机电一体化系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。 1.开环系统 开环控制的机电一体化系统是没有反馈的控制系统，这种系统的输入直接送给控制器，并通过控制器对受控对象产生控制作用。一些家用电器、简易NC机床和精度要求不高的机电一体化产
4、品都采用开环控制方式。开环控制机电一体化系统的优点是结构简单、成本低、维修方便，缺点是精度较低，对输出和干扰没有诊断能力。,上一页,下一页,返回,5. 1控制技术概述,2.闭环系统 闭环控制的机电一体化系统的输出结果经传感器和反馈环节与系统的输入信号比较产生输出偏差，输出偏差经控制器处理再作用到受控对象，对输出进行补偿，实现更高精度的系统输出。现在的许多制造设备和具有智能的机电一体化产品都选择闭环控制方式，如数控机床、加工中心、机器人、雷达、汽车等。闭环控制的机电一体化系统具有高精度、动态性能好、抗干扰能力强等优点。它的缺点是结构复杂，成本高，维修难度较大。,上一页,下一页,返回,5. 1控制
5、技术概述,按输出量的形式，控制系统可分为位置、速度、加速度、力和力矩等类型。按输入信号的变化规律，可将控制系统分为恒值控制系统和随动系统。若系统给定值为一定值，而控制任务就是克服扰动，使被控量保持恒值，此类系统称为恒值系统。随动系统又可分为跟踪系统和程序控制系统，若系统给定值按照事先不知道的时间函数变化，并要求被控量跟随给定值变化，则此类系统称为跟踪系统;若系统的给定值按照一定的时间函数变化，并要求被控量随之变化，则此类系统称为程序控制系统。恒温调节系统、自动火炮系统、机床的数控系统则分别是恒值、跟踪及程控系统的一个实例。,上一页,下一页,返回,5. 1控制技术概述,按系统中所处理信号的形式，
6、控制系统又可分为连续控制系统和离散控制系统。若系统各部分的信号都是时间的连续函数即模拟量，则称系统为连续系统。若系统中有一处或多处信号为时间的离散函数，如脉冲或数码信号，则称之为离散系统。如果离散系统中既有离散信号又有模拟量，也称为采样系统。 5. 1. 2控制系统的基本要求和一般设计方法 为了使被控量按照预定的规律变化，对自动控制系统提出了稳(稳定性)、准(准确性)、快(快速性)的基本要求。,上一页,下一页,返回,5. 1控制技术概述,稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件，这是对控制系统的一个基本要求。系统的稳定性有两层含义:一是系统稳定，叫做绝对稳定性，通常所讲的稳定性就是这个含义;另一
7、方面的含义是输出量振荡的强烈程度，称为相对稳定性。线性控制系统的稳定性是由系统。 本身的结构与参数所决定的，与外部条件无关。 快速性是系统在稳定的条件下，衡量系统过渡过程的形式和快慢，通常称为“系统动态性能”。在实际的控制系统中，不仅要求系统稳定，而且要求被控量能迅速地按照输入信号所规定的形式变化，即要求系统具有一定的响应速度。,上一页,下一页,返回,5. 1控制技术概述,准确性是在系统过渡过程结束后，衡量系统输出(被控量)达到的稳态值与系统输出期望值之间的接近程度。除了要求控制系统稳定性好、响应速度快以外，还要求控制系统的控制精度高。 “稳”与“快”是说明系统动态(过渡过程)品质。系统的过渡
8、过程产生的原因是系统中储能元件的能量不可能突变。“准”是说明系统的稳态(静态)品质 在传统的控制系统设计中，把控制对象不作为设计内容，设计任务只是采用控制器来调节已经给定的被控对象的状态。而在机电一体化控制系统设计中，控制系统和被控对象是有机结合的，两者都在设计范畴之内，这就使得设计的选择性和灵活性更大。,上一页,下一页,返回,5. 1控制技术概述,控制系统设计的基本方法是把系统中的各个环节先抽象成数学模型进行分析和研究，不论具有何种量纲，都在模型中以相同的形式表达，用相同的方法分析，因而各环节的特性可按系统整体要求进行匹配和统筹设计 控制系统设计一般可按下面四个步骤来进行 (1)准备阶段。对
9、设计对象进行机理分析和理论分析，明确被控对象的特点及要求;限定控制系统的工作条件及环境，确定安全保护措施及等级;明确控制方案的特殊要求;确定技术经济指标;制定试验项目及指标。,上一页,下一页,返回,5. 1控制技术概述,(2)理论设计。建立被控对象的数学模型，把被控对象的控制特性用数学表达式加以描述，作为控制方案选择及控制器设计的依据;确定控制算法及控制器结构，选择中央处理单元、存储器等，主要硬、软件设计以及各种接口的选择和设计;确定系统的初步结构及参数，进行系统性能分析、优化 (3)设计实施。模块组装，系统仿真、测试 (4)设计定型。整理出设计图样、电子元器件明细表、系统操作程序及说明书、维
10、修及故障诊断说明书和使用说明书等，形成相应技术文件。,上一页,下一页,返回,5. 1控制技术概述,5. 1. 3计算机控制系统的组成及常用类型 1.计算机控制系统的组成 计算机以其运算速度快，可靠性高，价格便宜，被广泛地应用于工业、农业、国防以及目常生活的各个领域。计算机技术已成为机电一体化技术发展和变革的最活跃的因素。 简单地说，计算机控制系统就是采用计算机来实现的自动控制系统。自动控制系统根据系统中信号相对于时间的连续性，分为连续时间系统和离散时间系统。计算机控制系统本质上讲是一种离散控制系统，图5-1给出了一个典型计算机控制系统的原理图,上一页,下一页,返回,5. 1控制技术概述,在控制
11、系统中引入计算机，可以允分利用计算机的运算、逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务。在系统中，由于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过A/D转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。当计算机接收了给定量和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律进行运算(如PID运算)，计算结果(数字信号)再经过D/ A转换器，将数字信号转换成模拟控制信号输出到执行机构，便完成了对系统的控制作用。 机电一体化系统中的计算机控制系统由硬件和软件两部分组成。典型的机电一体化控制系统结构可用图5-2来示意。,上一页,下一页,返回,5. 1控制技术概述,硬件是指计算机本身及其外围设备，一般包括中央处理器、内存储器
12、、磁盘驱动器、各种接口电路、以A/ D转换和D/ A转换为核心的模拟量I/O通道、数字量I/O通道以及各种显示、记录设备、运行操作台等。就计算机本体而言，随着微处理器技术的快速发展，针对工业领域相继开发出一系列的工业控制计算机，如单片微型计算机、可编程序控制器、总线式工业控制机、分散计算机控制系统等。这些工控设备弥补了商用计算机的缺点，大大推动了机电一体化控制系统的自动化程度。,上一页,下一页,返回,5. 1控制技术概述,计算机是整个控制系统的核心。它接收从控制台来的命令，对系统各参数进行巡回检测，执行数据处理、计算和逻辑判断、报警处理等，并根据计算的结果通过接口发出输出命令。 接口与输入/输
13、出(I/O)通道是计算机与被控对象进行信息交换的桥梁。常用的I/O接口有并行接口和串行接口。由于计算机处理的只能是数字量，而被控对象的参数既有数字量又有模拟量，因此I/O通道有模拟量I/O通道和数字量I/O通道之分。,上一页,下一页,返回,5. 1控制技术概述,计算机控制系统中最基本的外部设备是操作台。它是人机对话的联系纽带，操作人员可通过操作台向计算机输入和修改控制参数，发出各种操作命令;计算机可向操作人员显示系统运行状况，发出报警信号。操作台一般包括各种控制开关、数字键、功能键、指示灯、声讯器、数字显示器或C RT示器等。 传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变成电学量，变送器的作用
14、是将传感器得到的电信号转变成适用于计算机接口使用的标准的电信号(如010 mA DC )。计算机控制系统需要把各种被测参数转变为电量信号送到计算机中，同时，也需要各种执行机构按计算机的输出命令去控制对象。常用的执行机构有各种电动、液动、气动开关，电液伺服阀，交、直流电动机，步进电动机等。,上一页,下一页,返回,5. 1控制技术概述,软件是指计算机控制系统中具有各种功能的计算机程序的总和，如完成操作、监控、管理、控制、计算和自诊断等功能的程序。整个系统在软件指挥下协调工作。从功能区分，软件可分为系统软件和应用软件。 系统软件是由计算机的制造厂商提供的，用来管理计算机本身的资源和方便用户使用计算机
15、的软件。常用的有操作系统、开发系统等，它们一般不需用户自行设计编程，只需掌握使用方法或根据实际需要加以适当改造即可。 应用软件是用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序，比如各种数据采集、滤波程序、控制量计算程序、生产过程监控程序等。,上一页,下一页,返回,5. 1控制技术概述,在计算机控制系统中，软件和硬件不是独立存在的，在设计时必须注意两者相互间的有机配合和协调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量的控制系统。 2.计算机控制系统的类型 由于微型计算机的迅速发展，机电一体化系统大多采用计算机作为控制器，目前常用的有基于单片机、单板机、普通PC机、工业PC机和可编程序控制器(PLC)等多种
16、类型的控制系统。表5-1给出了各种计算机控制系统性能比较。其中，由于PLC及单片机控制系统具有一系列优点而被越来越多地应用于机电一体化系统中。,上一页,返回,5. 2可编程序控制器技术,可编程序控制器(PLC)是现代工业自动化领域中的一门先进控制技术，它已成为现代工业控制三大支柱(PLC , CAD/CAM , ROBOT)之一，其应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。PLC具有可靠性高、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、远程通信联网、易于与计算机接口、模拟量控制、高速计数及位控等一系列优异性能。由于目前各国生产的PLC种类繁多、性能规模各异、指令系统不尽相同，不可能一一罗列。本节主要针对PLC的基本原理、结构组成和应用特点等共性问题作一简要说明，并在此基础上对当前常用的典型PLC的基本性能、技术指标、相关设备给予介绍，使读者能借此掌握PLC的基本知识，为今后应用PLC解决生产实际问题打下基础。,下一页,返回,5. 2可编程序控制器技术,5. 2. 1 PLC技术基础 1. PLC的分类 可编程序控制器(Programmable controller)简称P
