机电一体化 第七章 机电一体化典型系统设计

第七章机电一体化典型系统设计第一节检测系统的设计方法第二节检测控制系统设计第三节计算机控制系统设计第四节计算机数据采集与控制组合系统设计第五节计算机多机控制系统设计第一节检测系统的设计方法一、检测系统的分类在设计检测系统中，根据系统的设计要求和所完成的功能，确定传感器、放大器、记录仪型号规格、精度、量程等。目前常用的检测系统(1)信号检测记录系统(2)(3)(4)下一页二、检测系统的设计要求1.(1)(2)(3)2.(1)检测系统的记录方式包括信号检测显示与信号检测记录两种;(2)检测系统的应用单元部件的性能精度指标应高于检测系统总精度指标1～2倍;(3)检测系统的单元部件耐用性、可靠性、稳定性要好;(4)检测系统的单元使用维护方便、抗干扰性能好、适应性好;(5)检测系统设计结构简单、投资少、使用方便、经济性好;(6)检测系统使用的环境条件应满足总体的使用要求;(7)检测系统结构尺寸，安装方式，操作方式应符合总体设计上一页下一页三、检测系统设计方法1.检测系统设计分析是确定检测系统总体方案的重要阶段，主要是对要设计的系统运用系统论的观点和方法进行全面的分析和研究。对于检测系统设计问题是一个涉及知识面较广泛的综合技术。它不但要求设计者对检测对象要有充分的了解，明确检测的目的和具体的要求，熟悉检测系统单元设备的性能特点和应用方法，而且要具备系统分析的能力，解决系统有关问题的能力。(1)①②提出检测系统的初步设计方案，分析设计方案是否合理？是否可③提出设计检测系统的具体实施计划，包括资金、人力、物力和设④给出检测系统的关键技术问题，并进行分析研究，制定解决方案。上一页下一页(2)①②提出初步设计方案.③可行性分析。2.对于设计检测系统时，在满足系统总体技术指标的前提下，选择最佳的检测系统设计方案。在选择设计检测系统中应考虑以下几个问题。(1)①测试物理信号(压力、力、温度、厚度、流量、位移等)②检测信号的范围；③检测参数的特性；④(2)①静态信号检测；②动态信号检测；③④(3)①数字显示式记录方式；②模拟式记录方式；③计算机记录方式。上一页下一页3.(1)①传感器量程的选择②③(2)精度的选择。(3)①检测仪表工作频率②传感器的固有频率(4)①②(5)检测方式的选择。检测分为接触式检测和非接触式检测两种方法，应根据检测系统设计要求选择相应的检测方法。上一页下一页4.(1)重复性原则。(2)随机性原则。(3)动态响应特性。(4)(5)配套性原则。(6)记录方式选择原则5.检测系统设计阶段是对要进行设计的新系统具体实现设计的阶段，主(1)检测系统功能结构设计。(2)检测系统组织结构的设计。(3)检测系统的信息结构和动作结构设计。(4)各单元的设计制造与选择。(5)总装调试和实验分析。上一页下一页四、检测系统设计实例1.塑料、橡胶石化高温黏调熔体生产线，检测压力小于6MPa，温度小于300℃，检测精度小于±0.5%，采用数字表实时显示测量结2.(1)①压力传感器的型号PT123，量程8MPa，精度0.1%②温度传感器的型号TR100，量程400℃，精度0.2%(2)型号BZ2002，精度0.1%，频率5kHz(3)①压力检测显示DT9508B〓31/2数字表精度0.1%②温度检测显示DT9408B〓41/2数字表精度0.05%3.检测系统组成如图7-1所示。4.上一页返回返回图7-1压力与温度检测系统图第二节检测控制系统设计一、检测控制系统分类1.(1)开关量控制式；(2)2.(1)直接控制工作方式；（2）间接控制工作方式；(3)3.(1)单路信号控制；（2）多参数信号控制；（3）综合控制方式。下一页二、检测控制系统设计方法1.检测控制系统设计分析是确定检测控制系统总体设计方案的重要部分。根据所要设计的检测控制系统的作用、功能、应用要求，进行全面的(1)①②③检测控制类型的确定。④检测控制系统应用条件的设计。⑤⑥2.(1)检测常用的传感器有电阻式、电阻应变式、光电式、电感式、压阻式、①检测传感器量程②检测传感器精度应小于总体设计要求的1/3③④⑤⑥上一页下一页(2)①②③设计应用电路，必须进行性能测试，可靠性、稳定性测试，按照(3)①开关件继电器的选择：工作电压、控制电压、控制电流、控制时②③电机与驱动器,负载匹配选择，满足系统设计要求。上一页下一页三、检测控制系统设计实例1.暖气锅炉内工作压力为0～0.8MPa，当压力大于1MPa时要实现报警，并且自动关闭锅炉供油系统，实时显示检测结果。设计检测控制系统，控制精度小于0.5%2.(1)型号PT123(UYY-1、ZQ-Y)，精度0.1%，量程1.5MPa(2)放大器选择：型号YE3817(BZ204)，精度0.1%，输出电压±12V，电流100mA(3)数字电压表DT405B，41/2数字压力表，精度小于0.1%(4)报警器选择KZY-1(5)液体电磁阀选择YK2K－2(6)控制电路设计：高温暖气锅炉内工作压力正常值0～0.8MPa，当大于1MPa以上时，出现超载，为了防止锅炉爆炸，安装检测控制系统。为了实现控制显示的直观性，控制电路设计选择0.8MPa显示电压8V，1MPa压力显示电压10V，相当于0.1MPa压力显示1V电压。控制电路设计如图7－2所示。3.压力检测控制系统图（如图7－3所示）上一页返回返回图7-3压力检测控制系统方框图图7－2控制电路图第三节计算机控制系统设计一、计算机控制系统由计算机和控制系统两大部分组成，其中计算机部分1.硬件由计算机主机、控制电路及外部设备等组成。(1)计算机。它是整个控制系统的指挥部。它可接收从操作台来的命令，对系统的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。它是组成计算机控制系统的主要部分。(2)接口与输入/输出通道。它是计算机与被控对象进行信息交换的纽带。计算机输入数据或向外发送信号都是通过接口及输入输出通道进行的。(3)外部设备。计算机控制系统中最基本的外部设备为操作台。它是人－机对话的联系纽带。(4)传感器和执行机构。下一页2.计算机控制软件对于计算机控制系统来讲，软件可分为两大类：实时软件和开发软件。(1)实时软件分为两大类：系统软件和应用软件。(2)开发软件包括各种语言处理程序（如汇编程序、C语言程序），服务程序（如装配程序、编辑程序），调试和仿真程序等。(3)控制软件包括三种语言：汇编语言、BASIC语言、C语言控制软件。(4)计算机控制系统性能评价软件。上一页下一页二、计算机控制系统分类1.(1)单片机控制系统，传感器、放大器、驱动控制器和执行设备组成。(2)计算机、AK控制器、输出接口控制器、驱动控制器和执行设备(3)计算机、A/D转换器、输出接口控制器、驱动控制器和执行设(4)计算机、A/D转换器、D/A转换器、输出接口电路、驱动器、(5)计算机综合控制系统由A/D转换器、D/A转换器、AK控制器、输出接口多路控制器、驱动控制器、执行设备、传感器和放大器等组成。可实现自动控制的同时，又可实现自动采集分析处理输出控制，多路信号输出控制，开关量控制和电机类控制等。上一页下一页2.(1)自动控制方式。(2)检测控制方式。3.(1)定频定位控制工作方式。(2)(3)循环输出控制工作方式。(4)升频输出控制工作方式。(5)(6)(7)(8)综合控制工作方式。(9)计算机开环控制工作方式。(10)计算机闭环控制工作方式。上一页下一页4.(1)操作指导控制系统。（2）直接数字控制系统（DDC）。其系统组成如图7-4所示。（3）计算机监督控制系统（SCC）。SCC系统就其结构来讲，可分为SCC+模拟调节器和SCC+DDC控制系统两类。①SCC+模拟调节器控制系统。该系统的原理图,如图7-5所示。②SCC+DDC控制系统。该系统的原理图如图7－6所示。③A能根据工况变化，改变给定值，在程序的作用下，以实现最优控BSCC+模拟调节器法适合于老企业改造，即用上了原来的模拟调C可靠性好。SCC有故障时可用DDC或模拟调节器工作，或DDC有故障时用SCCD具有DDC上一页下一页返回图7-4直接数字控制系统原理图返回图7-5SCC+模拟调节器控制系统原理图返回图7-6SCC+DDC控制系统原理图(4)分级计算机控制系统。这种系统将控制功能分散，用多台单片微机分别执行不同的控制功能，用PC机等微型计算机完成分级控制和管理功能。它具有使用灵活方便、可靠性高、功能强等特点。图7－7所示的分级计算机控制系统是一种四级的分布式控制系统，各级计算机的功能如下：装置控制级（DDC级）。车间监督级（SCC级）。工厂集中控制级。企业管理级。(5)计算机网络控制系统是把许多分散在各地的独立的计算机连接起来，实现数据通讯、信息变换和资源共享。它是通讯技术和计算机技术相结合的综合系统。上一页下一页返回图7-7分级计算机控制系统图5.(1)程序顺序控制。程序控制是被控制量按照一定的、预先规定的时间函数变化，被控制量是时间的函数。(2)比例积分微分控制（简称PID控制）。PID控制结构简单、参数容易调整，因此，无论模拟调节器或者数字调节器，多数使用PID(3)最小拍控制。最小拍控制的性能指标是要求设计的系统在尽可能短的时间里完成调节过程。最小拍控制通常用在数字随动系(4)复杂规律的控制。对于存在随机扰动的系统，仅用PID控制是难以达到满意的性能指标的，因此，针对生产过程的实际情况，可以引进各种复杂规律的控制。例如串极控制、前馈控制、纯滞后补偿控制、多变量解耦控制、最优控制、自适应控制、自学习控制等。(5)智能控制。智能控制理论可以看做是三个主要理论领域的交叉或汇合，这三个理论领域是人工智能、运筹学和控制理论。智能控制实质上是一个大型计算机控制系统，是综合的自动化控制系统。上一页下一页三、计算机控制系统的设计要求1.2.3.4.5.上一页下一页四、计算机控制系统设计方法1.根据机电一体化系统（产品）的性质、特点、应用等先确定设计技术(1)控制的参数。单路控制式、多参数控制、状态控制、电机控制、(2)(3)(4)(5)(6)控制程序设计要求。程序固定式、可调式，语言类型，工作的环(7)上一页下一页2.计算机控制系统设计方案分析(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)计算机控制的算法、流程控制、时间控制、状态控制等。上一页下一页3.(1)(2)(3)(4)(5)设计、制作的总体计划的评价。上一页下一页4.计算机控制系统总体设计(1)确定系统的使用规模、应用的场合、功能特点，制定控制系统的(2)确定系统的结构形式。(3)软硬件功能的分配。(4)画出控制系统总框图。(5)(6)(7)(8)(9)确定研制所用工具。(10)确定控制系统总体结构设计形式、操作方式、外形设计应美观上一页下一页5.计算机控制程序设计，可以有多种语言可供选择。如汇编语言、BASIC语言、C语言、VB、VC等。(1)①②③④⑤上一页下一页(2)BASIC①BASIC②BASIC③BASIC语言采用解释执行方式，是会话式的语言，便于人机④BASIC语言是一种高级语言，功能较强，不仅可以用于数据采集，分析处理，数字计算，又能用于计算机控制程序的设计。⑤BASIC语言接近于结构化语言。便于进行结构化程序设计。⑥BASIC语言编写操作界面，利用先进的操作系统软件不方便。BASIC语言具有学习方便，程序设计简单等优点，但是它的版本太多，不够规范，界面设计简单，不能满足现代计算机技术的上