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运动控制 第九章 运动控制系统设计,一、系统的总体要求与设计任务1、系统稳定性好稳定性是就指系统在给定外界输入或干扰作用下，能在短暂的调节过程后达到新的或者恢复到原有的平衡状态的能力。如果系统在受到扰动后偏离了原来的工作状态，而控制装置再也不能使系统恢复到原先的状态，而是越偏离越远，这样的系统称之为不稳定系统。,运动控制 第九章 运动控制系统设计,2、快速响应性好 快途响应是运动控制动态品质的标志之一，即要求系统跟踪指令信号的响应要快，一般要求在200毫秒以内。3、控制精度高不同的机器、不同的工作内容，其控制精度的要求不同，控制精度高的含义是能充分满足控制的要求。,运动控制 第九章 运动控制系统设计,针对以上要求，运动控制系统的设计任务是：1)根据系统总体性能要求，选择合适的组成系统的各子系统部件；2)协调各子系统成为一个完整的系统并使其能够合理地工作；3)选择系统最佳工作条件；4)使系统获得尽可能高的控制性能；5)设计出友好的人机接口硬件及控制软件，方便操作使用。,运动控制 第九章 运动控制系统设计,二、运动控制系统的方案设计控制系统方案设计就是要考虑解决以下问题：采用什么样的系统结构（开环、闭环、半闭环；单闭环、双闭环、三闭环）；采用什么样的控制方式（开关、比例、模拟、数字）；以怎样的方式构成系统（一体化整体定制、成品功能模块集成）；,运动控制 第九章 运动控制系统设计,二、运动控制系统的方案设计采用什么类型的控制器（电器、电子、计算机）；采用什么类型的传感器（电感式、电容式、电阻式；模拟式、数字式）；采用什么类型的执行器（交流电机、直流电机、步进电机、液压、离合器）；采用什么类型的人机接口（开关、指示灯、仪表；键盘、显示屏；触摸屏）,运动控制 第九章 运动控制系统设计,运动控制系统主要由运动执行器、运动传感器、和控制器三大部分组成。执行器包括驱动控制器，其任务是把控制信号转变成相应的机械运动；传感器包括信号变换、传送器，其任务是把运动的参数转换成电信号送给控制器；控制器包括输入、输出接口以及操作、显示装置，其任务是接受、处理、发出控制指令和显示系统的工作状况。运动控制系统的这些组成部分之间即有独立性又有关联性。,运动控制 第九章 运动控制系统设计,设计时，各组成部分采用不同的类型、以不同的方式或结构进行组合，就形成了不同的控制系统方案。因此设计运动控制系统方案，要熟悉组成运动控制系统的各种要素和运动控制系统的结构形式。以下是一些典型的运动控制系统方案：,运动控制 第九章 运动控制系统设计,运动控制 第九章 运动控制系统设计,运动控制第九章 运动控制系统设计,运动控制 第九章 运动控制系统设计,运动控制 第九章 运动控制系统设计,三、运动执行器的选择运动控制器的类型很多，性能和特点差异很大，选择时应以满足运动的动作和动力要求为原则，但不同的执行器其驱动方式、要求也不同，对控制系统的方案和成本会有较大的影响，因此要综合考虑。即在满足动作和动力要求的前提下，应使控制系统的结构最简单、成本最低。执行器的选择通常是由机械设计人员决定，但控制系统的设计人员也应给出一些建议。,运动控制 第九章 运动控制系统设计,琉璃瓦生产.flv,运动控制 第九章 运动控制系统设计,运动控制 第九章 运动控制系统设计,四、运动传感器的选择运动控制系统中使用的传感器主要是位移或位置传感器。位移或位置传感器的种类也很多，各有不同的优缺点，选择时也要综合考虑。选择的原则主要是扬长避短，在满足检测要求的前提下尽量降低系统的成本。虽然传感器的类型很多，但选择时基本上可以按其信号输出方式来选，因为传感器对系统的影响主要就是它的信号输出，同时其信号输出方式也能大致反映传感器的类型和性能。,运动控制 第九章 运动控制系统设计,四、运动传感器的选择（续）位移或位置传感器按其信号输出方式大体可分为以下几种：1、数字编码这种传感器能把位移或位置的情况以二进制编码输出，不同的码值与不同的位置一一对应，不会因断电而丢失或错乱，也不会有累积误差，且与数字式的控制器对接比价容易。但这种传感器的价格较高，分辨率相对较低，译码比较麻烦。因此除非必须，一般很少采用。,运动控制 第九章 运动控制系统设计,四、运动传感器的选择（续）增量式编码器就是这种类型的传感器，具体又有光电式和磁电式两种。2、脉冲数这种传感器是用输出脉冲数的多少反映位移量的多少，而且能输出两列相位差90的脉冲，因此经过方向识别，利用脉冲加减计数器就能方便地反映位移或位置的情况，与绝对式传感器相比，价格低而分辨率高。只是计数器断电后位移或位置的情况就会丢失。,运动控制 第九章 运动控制系统设计,四、运动传感器的选择（续）增量式编码器、光栅尺等就属于这类传感器。3、交流电压这种传感器是用输出信号的幅值或与输入信号的相位差来反映位移或位置的情况，通过鉴幅或鉴相可得到一个反映位移或位置情况的直流电压信号。电感式和电容式的传感器基本都属于这一类，因此实际的种类比较多。,运动控制 第九章 运动控制系统设计,四、运动传感器的选择（续）例如旋转变压器、同步感应器、容栅尺等。但由于这类传感器的信号处理比较麻烦，因此实际应用并不多。4、直流电压这种传感器是用输出直流电压的大小来反映位移或位置的情况，优点是信号处理比较方便，位移或位置的情况不会因断电而丢失，缺点是容易受干扰，需经A/D转换才能配接数字式控制器。电阻式传感器基本都属于这一类。,运动控制 第九章 运动控制系统设计,四、运动传感器的选择（续）5、开关这类传感器由运动部件使其接通或断开，将其放在特定的位置点，当运动部件到达该位置处，传感器就会接通或断开，以此达到位置检测的目的。这类传感器的优点是简单、可靠，缺点是精度低、不能反映位移的量值。归纳以上各类位移或位置传感器，从控制系统的角度来讲，最简单、最方便、最便宜的就是开关式的传感器，其次是增量脉冲式，再其次是直流电压式。,运动控制 第九章 运动控制系统设计,四、运动传感器的选择（续）因此，选择运动传感器时，在满足检测要求的情况下，应优先选用开关式的传感器。事实上，除数控机床外，大多数的运动控制采用开关式的传感器都能满足需要，因此开关式传感器也是应用最多、最广泛的运动控制的传感器。具体的开关式传感器的种类也很多，按动作方式可分为两大类，即机械触碰式和感应式。,运动控制 第九章 运动控制系统设计,四、运动传感器的选择（续）机械触碰式的优点是可靠、定位精度高，缺点是动作频率低。感应式的优点是动作频率高，缺点是可靠性和定位精度低。感应式主要有电感式、电容式和光电式三种。电感式的特点是只对铁磁性金属敏感；电容式的对非金属也有感应作用；光电式的特点是感应距离较大。以下是一些常见的开关式传感器：,运动控制 第九章 运动控制系统设计之传感器选择,运动控制 第九章 运动控制系统设计之传感器选择,运动控制 第九章 运动控制系统设计之传感器选择,运动控制 第九章 运动控制系统设计之传感器选择,运动控制 第九章 运动控制系统设计之传感器选择,运动控制 第九章 运动控制系统设计,五、运动控制器的选择运动控制器根据其功能、性能、工作原理和构成方式等因素的不同有不同的类型，目前运用的主要有以下几种：继电器逻辑控制器可编程逻辑控制器嵌入式微机控制器工控计算机通用运动控制器机床运动控制器下面分别做一简要介绍：,运动控制 第九章 运动控制系统设计,五、运动控制器的选择1、继电器逻辑控制器用于简单的启动、停止、换向、顺序、互锁、联锁等动作要求的控制，具有简单可靠、经济实惠的优点，因此在电子技术日益普及发展的今天仍有一席之地。2、可编程逻辑控制器根据英文缩写简称PLC，是用计算机技术代替继电器逻辑的升级换代产品，因此信息处理速度快，功能强大。,PLC除了能进行复杂多变的逻辑控制外，还能进行实时的过程控制。另外具有脉冲输出、计数、变频、调占空比等功能，可控制驱动调节器进行定位、调速等典型的运动控制，若配上专门的运动控制模块，则运动控制的功能还可提升和扩展。PLC还具有多种类型的输入输出接口，与各种传感器、驱动器、显示器和上位机的联接十分方便，并有多种专门针对控制的编程语言，因此是目前各种自动控制的主流控制器。,运动控制 第九章 运动控制系统设计之控制器选择,3、嵌入式微机控制器这是基于单片机或其他微处理芯片的针对特定对象和特定控制内容而一体化设计、制作的控制器，特点是专用、结构紧凑，可嵌入到被控产品中与之形成一个整体，大批量生产时具有较低的成本。4、工控计算机工控计算机也叫“工业PC机”，实际上也是通用的计算机，只不过比普通的计算机抗干扰能力强，能在复杂的工业环境下稳定工作。,运动控制 第九章 运动控制系统设计之控制器选择,工控机与PLC相比，优点主要是开放性好，可以运行操作系统，因而可以运行各种软件，也可以利用基础的编程语言自己开发、编写所需的控制软件。另外，工控机的CPU处理能力和存储容量也比PLC强一些。但工控计算机作控制器用时，通常要配上I/O板卡和运动控制板卡，而且体积大、笨重，使用不如PLC方便。实际上PLC才是专用于控制的计算机。,运动控制 第九章 运动控制系统设计之控制器选择,5、通用运动控制器与PLC相比，通用运动控制器弱化了开关逻辑控制功能，增强了运动控制功能，即在位移控制、速度控制和轨迹控制方面比PLC功能更强、使用更方便。6、专用运动控制器是专门用于机床实现自动加工的控制器，既有运动控制器的功能，也有PLC的功能，更主要的是它的控制程序的编程语言是专为机械加工设计的，便于按加工工艺进行编程。,运动控制 第九章 运动控制系统设计之控制器选择,五、运动控制器的选择上面介绍了几种不同类型的控制器，对于大多数的控制任务来说，不论选哪种控制器都能完成控制任务。但不同的控制器各有不同的特点和适用情况，因此选择时要综合考虑，如果选型不当将会“得不偿失”。选择控制器并不局限于一个控制系统只能有一个控制器，也可以根据需要“扬长避短”地选择不同的控制器来完成不同的控制内容，只要能使系统整体的控制效能最高而成本最低。,运动控制 第九章 运动控制系统设计之控制器选择,上面介绍了几种不同类型的控制器，对于大多数的控制任务来说，不论选哪种控制器都能完成控制任务。但不同的控制器各有不同的特点和适用情况，因此选择时要综合考虑，如果选型不当将会“得不偿失”。选择控制器并不局限于一个控制系统只能有一个控制器，也可以根据需要“扬长避短”地选择不同的控制器来完成不同的控制内容，只要能使系统整体的控制效能最高而成本最低。,运动控制 第九章 运动控制系统设计之控制器选择,运动控制 第九章 运动控制系统设计,六、总结复习 运动控制系统的设计任务是：1)根据系统总体性能要求，选择合适的组成系统的各子系统部件；2)协调各子系统成为一个完整的系统并使其能够合理地工作；3)选择系统最佳工作条件；4)使系统获得尽可能高的控制性能；5)设计出友好的人机接口硬件及控制软件，方便操作使用。,运动控制 第九章 运动控制系统设计,控制系统方案设计就是要考虑解决以下问题：采用什么样的系统结构（开环、闭环、半闭环；单闭环、双闭环、三闭环）；采用什么样的控制方式（开关、比例、模拟、数字）；以怎样的方式构成系统（一体化整体定制、成品功能模块集成）；,运动控制 第九章 运动控制系统设计,采用什么类型的控制器（电器、电子、计算机）；采用什么类型的传感器（电感式、电容式、电阻式；模拟式、数字式）；采用什么类型的执行器（交流电机、直流电机、步进电机、液压、离合器）；采用什么类型的人机接口（开关、指示灯、仪表；键盘、显示屏；触摸屏）,运动控制 第九章 运动控制系统设计,运动控制系统主要由：运动执行器、运动传感器、和控制器三大部分组成。执行器包括：驱动控制器，其任务是：把控制信号转变成相应的机械运动；传感器包括：信号变换、传送器，其任务是：把运动的参数转换成电信号送给控制器；,运动控制 第九章 运动控制系统设计,控制器包括：输入、输出接口装置以及操作、显示装置，其任务是：接受、处理、发出控制指令和显示系统的工作状况。,运动控制 第九章 运动控制系统设计,运动控制系统的设计步骤是：分析、了解运动需求情况；选择或了解运动的执行器（包括驱动器）；选择、确定控制系统的方案；绘制系统框图；选择、确定运动传感器；选择、确定运动控制器（包括操作方式）；绘制控制系统电气原理图；编写操作使用说明书。,运动控制 第九章 运动控制系统设计,七、运动控制系统设计实例1、洗衣机控制系统设计1）运动要求分析首先是开启进水阀进水，水位到达设定值后关闭，然后波轮转动：正传5秒、反转5秒，正、反转之间停3秒，如此不断循环，直至达到设定时间停止，之后打开排水阀放水，水放完后洗衣桶旋转脱水，1分钟后停止并关闭排水阀，洗衣过程结束。,2）控制系统方案进水有位置要求，但要求不高，可考虑采用简单的闭环控制方案，其他的启、停及换向采用开关控制即可；考虑到洗衣机的特殊性，控制系统的构成宜采取一体化嵌入式。3）执行器选择运动执行器水位采用电磁阀，波轮和洗衣桶选单相交流异步电机和电磁离合器，单相交流电机用双向晶闸管驱动；,运动控制 第九章 运动控制系统设计之设计实例,4）传感器选择选洗衣机专用的压力水位开关；5）控制器选择选单片机；显示或指示器选发光管指示灯；操作选轻触按键；报警选蜂鸣器。6）系统框图和电气原理图作为做大作业请同学们设计完成。,运动控制 第九章 运动控制系统设计之设计实例,运动控制 第九章 运动控制系统设计,七、运动控制系统设计实例2、自动钻孔机控制系统设计,运动控制 第九章 运动控制系统设计,1）运动要求分析 钻孔机的运动有四个:沿Z轴的上、下移动，沿X轴的左、右移动，沿Y轴的前后移动，钻头以Z轴为转轴的转动。工作时，钻头沿Z轴上移至顶点，再沿X和Y轴移动对准X-Y坐标原点，然后沿X和Y轴移动对准第一个孔的坐标位置，沿Z轴低速下移至电路板钻通，再高速上移至钻头完全离开电路板，然后再移至下一个孔位。钻头上下移动时不能前后左右移动。定位误差小于0.1毫米。,钻头的转速、转向不变，转速不低于每分钟1500转，转矩不小于0.1牛米。钻头沿各坐标轴移动的速度在每分钟30至1000毫米之间连续可调，牵引力不小于50牛。移动速度和牵引力要考虑机械传动的因素。2）控制系统方案 在满足工作要求的前提下，本着使控制系统尽量简单、可靠、经济、生产制作容易、操作使用及维护方便的原则，请同学们展开讨论并提出自己的方案。,运动控制 第九章 运动控制系统设计之设计实例,3）执行器选择 请同学们根据自己的理解和认识做出选择并说明理由，然后大家一起进行讨论分析，看所做选择是否合理。4）传感器选择 先讨论分析是否需要传感器，再考虑选用哪种类型（包括自制）的传感器。请各位同学充分发表自己的意见。,运动控制 第九章 运动控制系统设计之设计实例,5）控制器选择 理论上可选的控制器很多，但比较切合实际的基本上只有PLC和单片机两种，具体选择哪一种请同学们讨论分析。另外PLC和单片机也有多种类型，具体选哪种也要认真分析。6）系统框图和电气原理图 请同学们自行绘制。,运动控制 第九章 运动控制系统设计之设计实例,运动控制,课程到此结束,运动控制 大作业辅导,运动控制 大作业辅导,机械镀锌机运动要求分析镀锌机的运动有两个，一个是料桶以自身轴线为转轴的转动，要求有高、中、低三种转速并能正、反转；另一个是以水平支撑轴为转轴的转动，只需一个速度，也要求能正、反转，但最大转动范围不小于180度，不大于360度。工作时，桶口转至斜上方装入工件和镀料，然后绕自身轴线低速运转十分钟。,十分钟后转为中速运转，再转十分钟后变高速运转，高速转五分钟后停止。在料桶运转的过程中，每三分钟还要变换一次转向。同时料桶以水平支撑轴为转轴的转动要求是：料桶轴线桶口方向与水平方向的夹角在30至60度之间来回均匀变化。变换转动方向时，要间隔10秒钟。镀锌工作完成后，料桶口转向斜下方，将工件卸除，然后等待进行下一个工作循环。,运动控制 大作业辅导,
