控制技术与系统-第四章 顺序控制.

《控制技术与系统-第四章 顺序控制.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《控制技术与系统-第四章 顺序控制.（50页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 控制技术与系统 control technology and system 党学明 仪器科学与光电工程学院 第四章 顺序控制 主要内容： 第一节 概述 第二节 PLC（略） 第三节 数控系统(CNC) （略 ） 第一节 概述 主要内容： 一、 顺序控制系统的组成 二、 基本逻辑运算 三、顺序控制系统的实现 四、应用 一、 顺序控制系统的组成 1、 自动控制系统技术被控变量的时间特性可分为两大类型 ： v一类是连续量的控制系统，这类控制系统在时间特性上表 现为连续量，反馈控制为这类控制系统的主流，包括定值 控制系统、随动控制系统等。 v另一类是断续量的控制系统，这类控制系统在时间特性上 表示为

2、离散量，这类控制系统以顺序控制为主流，包括时 间顺序控制系统、逻辑顺序控制系统和条件顺序控制系统 等。 顺序控制：控制系统根据生产工艺按预先规定的工艺要求， 在各个输入信号的作用下，使生产过程的各个执行机构自 动地按预先规定的顺序动作 2. 顺序控制的分类 时间顺序控制系统 逻辑顺序控制系统 条件顺序控制系统 1) 时间顺序控制系统 以固定时间程序的控制系统 例如信号灯、设备启动或者关闭过程等 特点：各设备运行时间是事先已确定的， 一旦顺序执行，将按预定的时间 执行操作指令。 2）逻辑顺序控制系统 v按照逻辑先后顺序执行操作指令，它与时间 无严格的关系。执行操作指令的逻辑顺序关 系不变。 v这

3、类控制系统在工业生产过程的控制中应用 较多。 v例如化学反应、酒勾兑、混料等 3） 条件顺序控制系统 以执行操作指令的条件是否满足为依据，当条件满足时 ，相应的操作就被执行，不满足时，将执行另外的操作 。 典型的例子是电梯控制系统、仓储管理等 3 顺序控制系统的一般组成 系统控制器、输入输出电路、输入输出接口、 信号检测、显示电路、报警电路、操作台 主要的五部分及功能 (1)输入接口 实现输入信号的电平转换。 (2)控制器 接受控制输入信号，按一定的控制算法 运算后控制器具有记忆功能，能实现所需的控制 运算功能。 (3)输出接口 实现输出信号的功率转换。 (4)捡出检测器 检出或检测被控对象的

4、状态信息。 (5)显示报警装置 显示系统的输入、输出、状态、 报警等信息，便于了解过程运行状态和对过程的 操作、调试、事故处理等。 二、 基本逻辑运算 v 顺序控制系统中大量的信号是数字量或开关量 。对数字量或开关量，其基本的运算是逻辑运算 。 v例如逻辑运算有“与“运算yAB “或“运算y=A+B； “非”运算y 。 基本运算： 交换律： AB=BA A+B=B+A 结合律： (AB)C= A ( BC ) (A+B)+C= A+ ( B+C) 分配律：A ( B+C)=AB+ AC 常用简化恒等式： A 0=0 A 1=A A A=A A+0=A A+1=1 A+A=A 摩根定理： 三、顺

5、序控制系统的实现 可实现方案： v采用继电器组成的逻辑控制系统 v采用晶体管的无触点逻辑控制系统 v采用可编程序控制器的逻辑控制系统 v采用计算机的逻辑控制系统 1）采用继电器组成的逻辑控制系统 v控制功能全部由硬件完成，即采用继电器的常开 常闭触点、延时断开/延时闭合触点等可动触点和 普通继电器、时间继电器、接触器等执行装置完 成所需的顺序逻辑功能。 v例如，电动机的开停控制等。 v特点： 受继电器触点可靠性的影响和使用寿命的限制， 这类控制系统的使用故障较多，使用寿命较短， 加上因采用硬件完成顺序逻辑功能，因此更改不 便维修困难。 2）采用晶体管的无触点逻辑控制系统 v顺序逻辑控制因减少了

6、接点的可动部件，可靠性大大提高 。晶体管、晶闸管等半导体晶体管组成的无触点体元器件 的使用寿命也较继电器的触点使用寿命长，因此，在20世 纪70年代得到了较大的发展。 v它也是用硬件组成顺序逻辑功能，更改也不很方便。但因 采用功能模块的结构，部件的更换和维修较继电器顺序逻 辑控制系统要方便。 3）采用可编程序控制器的逻辑控制系统 v 可编程序控制器是在计算机技术的促进下得以发展起来 的新一代顺序逻辑控制装置。与上述的组成方法不同、它 用软件完成顺序逻辑功能、用计算机来执行操作指令、实 施操作。 v因此顺序逻辑功能的更改十分方便。加上得益于计算机 的高可靠性和高运算速度，使得可编程序控制器一出现

7、就 得到了广泛的应用。 4)采用计算机的逻辑控制系统 v计算机组成的顺序逻辑控制系统指在集散控制系 统或工控机守实现顺序逻辑控制功能的控制系统 。在大型的顺序逻辑控制和连续控制相结合的工 程应用中 v在这类控制系统中，有连续量的控制和开关量的 控制，采用计算机对它们进行操作和管理，必要 时，把信息传送到上位机或下送到现场控制器和 执行机构。 v可编程序控制器将与其他计算机控制装置 是工业控制领域的主流控制装置。 四、应用 (1)工业生产流水线 在机械电子等制造工业中，产品采用流水线的工作方式按先 后次序进行，在这类工业生产过程中，部分控制操作是按 时间的次序进行的大部分控制操作是按逻辑顺序进行

8、的 。这类顺序控制系统的应用十分广泛. 例如数控机床、柔性制造系统、物料输送系统、生产流水线 等。 (2)安全生产监控系统 在石油化工、核电、冶金等工业领域由于工作环境具有 高温、高压、易燃、易爆、核辐射等特点，因此，必须对 操作的过程参数进行控制，一旦它们偏离规定的范围，就 会发少事故造成设备损坏或人员伤亡。在这些工业生产 过程中，要设置控制系统用于防止事故的发生。 (3)家电产品 在家电产品中，顺序控制系统也有较广泛的应 用。洗衣机的顺序控制、冰箱的温度控制、空调系统等顺 序逻辑控制系统是较常见的应用例子，家用电器的一些模 糊控制系统、自动烹调系统等也得到应用。总之，在这一 领域、顺序控制

9、系统还刚开始进入应用，有很大发展。 第三节 数控系统(CNC) 一、 基本概念 1. 数字控制 (数控NC) (Numerical Control ) 它是指用数字化信号对机床运动及其加工过程中进行控 制的一种方法。 2. 数控系统（NC Control System） 数控设备的数据处理和控制电路以及伺服机构等统称数 控控制系统。它由程序输入、输出设备、计算机数字控制 装置、可编程控制器、主轴进给及驱动装置等组成。 3. 数控机床（NC Machine Tools） 数控机床是一种装有程序控制系统（数控系统）的高效 自动化机床。它综合了计算机、自动控制、精密测量、机 床的机构设计与制造等方面

10、的最新成果。 4.直接数字控制系统（DNC） 使用一台通用计算机直接控制和管理一群数 控机床进行零件加工或装配的系统。 5.开放式数控系统 世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的 软、硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控 系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用 性、柔性、适应性、可扩展性，并可以较容易的 实现智能化、网络化。 二、 数控系统的组成 从自动控制的 角度来看， CNC系统是一 种位置（轨迹 ）控制系统。 从外部特征 来看，CNC系 统是由硬件（ 通用硬件和专 用硬件）和软 件（专用）两 大部分组成的 。 I/O设备 计算机主板 显 示 卡 功能模板m 功能模板1 电 子

11、盘 多功能卡 位置控制板n 位置控制板1 PLC模块 主轴控制模板 机床I/O 控制面板 速度控制单元 1 速度控制单元 n 功能驱动1 功能驱动m 系 统 总 线（BUS） 标准PC计算 机 CNC装置CNC系统 CNC系统硬件 微机基本系统 人机界面接口:键盘、显示器、操作面板、手摇脉冲发 生器 通讯接口、 RS232、RS485串行接口、网络接口 进给轴位置控制接口 主轴控制接口 辅助功能（MST 辅助主轴刀具 指令）控制接口 图图3-1 CNC3-1 CNC系统硬件的层次结构系统硬件的层次结构 CPU R O M R A M IN 接 口 0UT 接 口 其它 接 口 通讯 控制 接

12、口 位置 控制 接 口 主轴 控制 接口 MDI/ CRT 接口 手摇脉 冲发生 器接口 2. CNC系统软件的功能结构 从本质特征来看，CNC系统软件是具有实时性 和多任务性的专用操作系统，从功能特征来看，该操作 系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。它是 CNC系统活的灵魂。其结构框图如图所示。 操作系统 管理软件控制软件 零 件 程 序 管 理 显 示 处 理 人 机 交 互 交 互 位 置 控 制 输 入 输 出 管 理 插 补 运 算 故 障 诊 断 处 理 速 度 处 理 机 床 输 入 输 出 编 译 处 理 主 轴 控 制 刀 具 半 径 补 偿 . CNC硬件软件的

13、作用和相互关系 CNC系统平台 硬件 操作系统 管理软件 应用软件控制软件 数控加工程序 接口 被控设备 机 床 机器人 测量机 硬件是基础，软件是灵魂 CNC装置的系统软件在系统硬件的支持下，合理地组织、 管理整个系统的各项工作，实现各种数控功能，使数控机 床按照操作者的要求，有条不紊地进行加工。 CNC系统的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台。 三、 CNC系统的主要工作过程 1. 正常工作前的准备工作 在接通电源后，CNC装置将对数控系统及数控机床的各组 成部分的工作状态进行检查和诊断，并设置初始状态。 2. 零件加工控制信息的输入 CNC系统具备了正常工作条件后，开始输入零件加工程序

14、 、刀具长度补偿数值、刀具半径补偿数值以及工件坐标系原 点相对机床原点的坐标值。 数控加工程序存储器：用于存放整个数控加工程序，当存储 有多个加工程序时，一般在存储器中开辟一个目录区。 数控加工程序缓冲器：只能存放一个或几个程序数据段，规 模较小。是数控加工程序输入通路的重要组成部分。 v3. 数控加工程序的译码和预处理 v 加工控制信息输入后，启动加工运行，此时 CNC装置在系统控制程序的作用下，对数控程序 进行预处理，即进行译码和预计算（刀补计算、 坐标变换等）。 v 所谓译码就是将输入的程序段按照一定的规则 翻译成数控系统能够识别的数据形式，并按约定 的形式存放在指定的译码结果缓冲器中。

15、 具体来讲，就是从数控加工程序缓冲器或MDI缓冲器 逐个读入字符，先识别出其中的文字码和数字码 ，然后根据文字码代表的功能，将后续数字码送 到相应的译码结果缓冲器单元中，可见，译码主 要包括代码识别和功能解释两大部分。 4. 插补计算 一个程序段的加工控制信息预处理完毕后进行插补 处理。所谓“插补”就是指在一条已知起点和终点的曲线 上进行数据点的密化。插补的任务就是根据进给速度的 要求，在一段零件轮廓的起点和终点之间，计算出若干 个中间点，分别向各个坐标轴发出方向、大小和速度都 确定的运动序列指令。 5. 位置控制 各个坐标轴的伺服系统将插补结果作为各个坐标轴 位置调节器的指令值，机床上位置检

16、测元件测得的位移 作为实际位置值。位置调节器将两者进行比较，经过调 节，输出相应的位置和速度控制信号，控制各轴伺服系 统驱动机床坐标轴运动。通过各个坐标轴运动的合成， 产生数控加工程序所要求的工件轮廓尺寸。 四、CNC装置的优点 q 具有灵活性和通用性 qCNC装置的功能大多由软件实现，且软硬件采 用模块化的结构，使系统功能的修改、扩充变得较为灵 活。 qCNC装置其基本配置部分是通用的，不同的数 控机床仅配置相应的特定的功能模块，以实现特定的控 制功能。 数控功能丰富 q插补功能：二次曲线、样条、空间曲面插补 q补偿功能：运动精度补偿、随机误差补偿、非 线性误差补偿等 q人机对话功能：加工的动、静态跟踪显示，高 级人机对话窗口 q编程功能：G代码、篮图编程、部分自动编程 功能。 可靠性高 qCNC装置采用集成度高的电子元件、芯片、采用 VLSI本身就是可靠性的保证。 q许多功能由软件实现，使硬件的数量减少