电气控制电路的设计方法综述

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1、电气控制电路的设计方法通常有两种： 1分析设计法 2逻辑设计法 1分析设计法 分析设计法是根据生产工艺要求，选择适当 的基本环节（典型控制电路）或经过考验的成熟 电路，按各部分的连锁条件组合起来，加以补充 和修改，综合成满足控制要求的完整电路。由于 这种设计方法是以熟练掌握各种电气控制典型电 路和具备一定的阅读分析各种电气控制电路的经 验为基础，所以又称为经验设计法。这种方 法为一般工程技术人员所常用。 用分析设计法设计控制电路时，应注意以下几个原则。 1应最大限度地实现生产机械和工艺对电气控制 电路的要求 2保证控制电路工作的可靠和安全 3在满足生产要求的前提下，控制电路应力求简 单、经济

2、4应尽量使操作和维修方便 分析设计法在设计过程中往往还要经 过多次反复地修改、试验，才能使电路符 合设计的要求。即使这样，设计出来的电 路可能不是最简，所用的电器及触点不一 定最少，所得出的方案不一定是最佳方案 。 2逻辑设计法 逻辑设计法是利用逻辑代数这个数学工具来 进行电路设计。根据设备的工艺要求，将执行元 件需要的工作信号以及主令电器的接通与断开看 成逻辑变量，并根据控制要求将它们之间的关系 用逻辑函数来表达，然后再运用逻辑函数基本公 式和运算规律进行简化，使之成为需要的最简“ 与、或”关系式。根据最简关系式画出相应的电 路结构图，最后再作进一步的检查和完善，获得 需要的控制电路。 控制

3、电路的逻辑设计方法 继电器接触器组成的控制电路，分析其工作状况常以线 圈通电或断电来判定。构成线圈通断条件是供电电源及与线 圈相联结的那些动合、动断触点所处的状态。若认为供电电 源E不变，则触点的通断是决定因素。电器触点只存在接通 或断开两种状态分别用“1”、“0“表示。 对于继电器、接触器、电磁铁、电磁阀、电磁离合器等 元件，线圈通电状态规定为“1”状态，失电则规定为“0”状态 。有时也以线圈通电或失电作为该元件是处于“1”状态或是 “O”状态。 继电器、接触器的触点闭合状态规定为“1”状态；触点断 开状态规定为“0”状态。 控制按钮、开关触点闭合状态规定为“1”状态；触点断开 状态规定为“

4、0”状态。 作以上规定后，继电器、接触器的触点与线圈在原理图上采 用同一字符命名。为了清楚地反映元件状态，元件线圈、动合触 点的状态用同一字符来表示，而动断触点的状态以表示(K上面的 一杠，表示“非”，读K非)，若元件为“1”状态，则表示线圈“通电”， 继电器吸合，其动合触点“接通”，动断触点“断开”。“通电”、“接通” 都是“1”状态，而断开则为“0”状态。若元件为“0”状态，则与上述相 反。 以“0”、“1”表征两个对立的物理状态，反映了自然界存在的一 种客观规律逻辑代数。它与数学中数值的四则运算相似，逻 辑代数(也称开关代数或布尔代数)中存在着逻辑与(逻辑乘)、逻辑 或(逻辑加)、逻辑非

5、的三种基本运算，并由此而演变出一些运算规 律。运用逻辑代数可以将继电器接触器系统设计得更为合理，设 计出的电路能充分地发挥元件作用，使所应用的元件数量最少， 但这种设计一般难度较大。在设计复杂的控制电路时，逻辑设计 有明显的优点。 2.5.1 逻辑运算 用逻辑函数来表达控制元件的状态，实质是以触点的状态(以 斜体的同一字符表示)作为逻辑变量，通过逻辑与、逻辑或、逻辑 非的基本运算，得出的运算结果就表明了继电接触器控制电路的 结构。逻辑函数的电路实现是十分方便的。 2.5.1.1 逻辑与触点串联 图223所示的串联电路就实现了逻辑与的运算，逻辑与运算 用符号“”表示(也可省略)。接触器的状态就是

6、其线圈K的状态(以斜 体的同一字符表示)，当电路接通，线圈K通电，则K=1；如电路断 开，线圈K失电，则K=0。图2-23的电路就可用逻辑关系式表示为 K = AB 若将输入逻辑变量A、B与输出逻辑变量K列成表格形式，则称 此表为真值表。表2-9即为逻辑与的真值表。 由真值表可总结逻辑与的运算规律：虽然“O”、“1”不是数值的 量度，但其运算法则在形式上与普通数学的乘法运算相同。 图2-23 “与”电路 表2-9 逻辑与的真值表 ABK=AB O 1 0 1 O 0 1 1 O O 0 1 2.5.1.2 逻辑或触点并联 图2-24所示的并联电路就实现逻辑或运算，逻辑或运算 用符号“+”表示。

7、要表示接触器的状态就要确定线圈K的状态 。 按照图2-24的接线，可列出逻辑或的逻辑关系式表2-10 逻辑或真值表 K = A + B 也可按图示接线列出逻辑或状态的真值表。见表2-10所 示。 按其真值表显示逻辑或的运算规律为 O + O = 0 O + 1 = 1 1 + O = 1 l + 1 = 1 它与数学的加法大部分相似，只是1+12。因为逻辑函 数只存在“0”“1”两种状态。上面关系也可总结为“见1出1，全0 为0”。 图2-24 或逻辑电路 表2-10 逻辑或真值表 AB K =A +B O 1 0 1 O 0 1 1 O 1 1 1 2513逻辑非 图2-25表示元件状态A对

8、接触器 状态K的控制关系是逻辑非的关系 。 其逻辑关系表达式为 当开关SA 合上，A =1，其常闭触点的状态为 “O”则K=0，线圈不通电，为“O”状 态；当SA打开，A=O，=1，则 K=1，线圈通电，接触器吸合，为 “1”状态。其真值表如表2-11所示 。 有时也称A对K是“非控制”。 以上与、或、非逻辑运算其逻辑 变量未超过二个，但对多个逻辑变 量也同样适用。 图2-25 逻辑非电路 表2-11 逻辑非真值表 K= AK= 1 O O 1 下面介绍有关逻辑代数定理 1交换律 ABBA A+B=B+A 2结合律 A(BC)=(AB)C A+(B+C)=(A+B)+C 3分配律 A(B+C)

9、=AB+AC A+BC=(A+B)(A+C) 4吸收律 A+AB=A A(A+B)=A A+B=A+B +AB=+B 5重迭律 AA=A A+A=A 6非非律 =A 7反演律(摩根定理) 以上基本定律都可用真值表或继电器电路证明，读者可自行证明。 2.5.2 逻辑函数的化简 逻辑函数化简可以使继电接触器电路简化，因此有重要 的实际意义。这里介绍公式法化简，关键在于熟练掌握基本 定律，可采用提出因子、并项、扩项、消去多余因子、多余 项等方法综合运用，进行化简。 化简时经常用到常量与变量关系： A+0A A1A A +11 A00 A+=l A0 下面举几个例子说明如何化简。 例1 例2 例3 采

10、用逻辑代数式的化简，就是对继电接触器电路的化简 ，但是在实际组成电路时，有些具体因素必须考虑。 1触点容量的限制 特别要检查担负关断任务的触点容 量。触点的额定电流比触点电流分断能力约大十倍，所以在 化简后要注意触点是否有此分断能力。 2在有多余触点，并且多用些接点能使电路的逻辑功能 更加明确的情况下，不必强求化简来节省触点。 2.5.3 继电器开关的逻辑函数 前面已经阐明，继电器电路是开关电路，符合逻辑规 律。它以执行元件作为逻辑函数的输出变量，而以检测信号 、中间单元及输出逻辑变量的反馈触点作为逻辑变量，按一 定规律列出逻辑函数表达式。下面通过两个简单电路说明列 逻辑函数表达式的规律。图2

11、-26a、b为两个简单的起、保、 停电路。 组成电路的触点按原规定，动断触点以逻辑非表示。 电路中SB1为起动信号(开启)，SB2为停止信号(关断)，K的动 合触点状态K为保持信号。对图2-26a可列出逻辑函数为 其一般形式为 图2-26 起、保、停电路 式中 X开 开启信号 X关 关断信号 K 自保信号 fk继电器K的逻辑函数 。 对图2-26b可列出逻辑函数为 它的一般形式为 （2-2） 式(2-1)、式(2-2)所示的逻辑函数都有相同的特点，就是它具 有三个逻辑变量X开、 X关和K，其中： X开 继电器K的开启信号，应选取在继电器开启边界 线上发生状态转变的逻辑变量。若这个逻辑变量是由“

12、O”转换 到“1”，就取其原变量形式；若是由“l”转换到“O”，则取其反变 量形式。 X关 继电器K的关断信号，应选取在继电器关闭边界 线上发生状态转变的逻辑变量。若这个逻辑变量是由“1”转换 到“O”，就取其原变量形式；若是由“O”转换到“1”，则取其反 变量形式。 K 继电器K本身的动合触点，属于继电器的内部反馈逻 辑变量，起自保作用，以维持K得电后的吸合状态。 这两个电路都是起、保、停电路，其逻辑功能相仿，但 从逻辑函数表达式来看，式(2-1)中X开=1，则fk=1。在这种状 态下不起控制作用，称此电路为开启从优形式。式(2-2)X关 =0，则fk =0。X开在这种状态下不起控制作用，称

13、此电路为关 断从优形式。 实际的起、保、停电路往往都有许多联锁条件，例如铣 床的自动循环工作必须在主轴旋转条件下进行；而龙门刨返 回行程油压不足也不能停车，必须到原位停车。因此，对开 启信号及关断信号都增加了约束条件，这时只要将式(2-1)、 式(2-2)扩展一下，就能全面的表示输出逻辑函数。 对于开启信号来讲，当开启的转换主令信号不只一个，还需 具备其他条件才能开启，则开启信号用X开主表示，其他条件 称开启约束信号，用 X开约 表示。显然，条件都具备才能开启 ，说明 X开主 与X开约 是“与”的逻辑关系，用它去代替式(2-1) 、(2-2)中X开。当关断信号不止一个，要求其他几个条件都具 备

14、才能关断时，则关断信号用X关主表示，其他条件称为关断 的约束信号，以X关约表示。“0”状态是关断状态，显然X关主与 X关约全为“0”时，则关断信号应为“O”； X关主为“O”而X关约=1时 ，则不具备关断条件，所以二者是“或”关系。以X关主+X关约代 替式(2-1)、(2-2)中，则可得起、保、停电路的一般形式，式 (2-1)扩展成式(2-3)；式(2-2)扩展成式(2-4)。 例如需要设计一动力头主轴电动机的起、保、停电路， 要求滑台停在原位时，允许动力头主轴电动机起动，进给到 需要位置时，才允许停止主轴电动机。 若滑台在原位，压行程开关SA1。表示进给到需要位置 时，压行程开关SA2。起动

15、按钮为 SB1，停止按钮为SB2， 则可用式(2-3)或式(2-4)设计继电器电路。 其中：X开主=SB1 X开约=SAl X关主= X关约= 按式(2-3) 按式(2-4) 上述二式对应的电路图如图2-27a、b所示。 继电接触器控制电路采用逻辑设计方法，可以使电路简单、充 分运用电器元件、得到较合理的电路。对复杂电路的设计，特别 是生产自动线、组合机床等的控制电路的设计，采用逻辑设计法 比经验设计法更为方便、合理。 逻辑设计法一般按以下步骤进行： 步骤1 充分研究加工工艺过程，作出工作循环图或工作示意图 。 步骤2 按工作循环图作执行元件节拍表及检测元件状态表 转换表。 步骤3 根据转换表

16、，确定中间记忆元件的开关边界线，设置中 间记忆元件。 步骤4 列写中间记忆元件逻辑函数式及执行元件逻辑函数式。 步骤5 根据逻辑函数式建立电路结构图。 步骤6 进一步完善电路，增加必要的联锁、保护等辅助环节， 检查电路是否符合原控制要求，有无寄生回路，是否存在竞争现 象等。 完成以上6步，则可得一张 完整的继电器控制原理图。若 需实际制作，还需要对原理图 上所有元件选择具体型号。热 继电器、过流继电器、时间继 电器等需要按电力拖动的要求 和具体的工艺循环去整定其动 作值。将原理图编上线号，最 后画出装配图，完成设计任务 。 逻辑设计法一般仅完成前 面6个步骤内容，以下举出两个 具体例子说明如何进行逻辑设 计。 图2-27 动力头控制电路 例l 龙门刨床横梁升降自动控制电路设计(不考虑回升) 龙门刨横梁移动是操作工人根据需要按上升或下降按钮 SBH或SBL。首先横梁夹紧电动机M向放