機電系統(tǒng)控制技術綜述

1、機電系統(tǒng)控制技術實驗機電系統(tǒng)控制技術綜述 姓 名： 班 級： 學 號： 指導老師： 提交時間：2014年4月17日 機電系統(tǒng)控制技術綜述浙江工業(yè)大學機械學院機自卓越1101班摘 要本論文簡單地介紹了一下機電系統(tǒng)控制技術。機電系統(tǒng)控制技術是應用機械、電子電力、信息、自動控制等相關技術，實現(xiàn)對電子器件和機械裝置組成的有機整體進行的系統(tǒng)性優(yōu)化過程，而機電一體化、智能化和網(wǎng)絡化是機電系統(tǒng)控制技術的發(fā)展趨勢。關鍵詞：機電系統(tǒng)控制技術 機電一體化 智能化 網(wǎng)絡化technology of electromechanical control systemcollege of engineering zhej

2、iang university of technologyabstractthis paper briefly introduces the technology of electromechanical control system. technology of electromechanical control system applies the technical application of mechanical, electronic power, information and automatic control to achieve an organic whole of el

3、ectronic devices and mechanical devices.mechanical and electrical integration, intelligence and network are the technology of electrical control system development trend.keywords：technology of electromechanical control system；mechanical and electrical integration；intelligence；network目 錄中文摘要2英文摘要3目錄4

4、第一章 機電系統(tǒng)控制技術緒論5 1.1 機電系統(tǒng)控制技術5 1.2 機電系統(tǒng)的組成5 1.3 機電系統(tǒng)控制技術的知識基礎6 1.4 機電系統(tǒng)控制技術的支撐體系6第二章 機電系統(tǒng)控制技術的發(fā)展歷史7第三章 機電系統(tǒng)控制技術8 3.1 檢測傳感技術8 3.2 驅動執(zhí)行技術8 3.3 信息處理技術10 3.4 自動控制技術11第四章 典型的機電系統(tǒng)控制技術12 4.1 數(shù)控機床控制系統(tǒng)12 4.2 機器人控制系統(tǒng)13第五章 機電系統(tǒng)控制技術的展望15參考文獻16第一章 機電系統(tǒng)控制技術緒論1.1 機電系統(tǒng)控制技術機電系統(tǒng)控制技術是在機電的結合過程中產生的，是解決機電系統(tǒng)中的控制問題的一門技術。通常認

5、為，機電系統(tǒng)是在機械功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微電子技術，并將機械裝置和電子裝置用相關軟件有機結合而構成系統(tǒng)的總稱。機電控制技術的具體體現(xiàn)就是機電控制系統(tǒng)，機電控制系統(tǒng)是機電一體化產品或系統(tǒng)的極其重要的組成部分。圖1-1 機電控制技術1.2 機電系統(tǒng)的組成機電系統(tǒng)也即機電一體化系統(tǒng)，包括機械部分（機械本體）、驅動系統(tǒng)、控制及信息處理部分、傳感檢測部分和執(zhí)行部分五部分：機械部分的功能為力矩傳遞、運動傳遞，包括導向機構、機座或機架(支撐部件)、傳動機構等。驅動系統(tǒng)提供能量，轉換成需要的形式，實現(xiàn)動力供給，包括電、液、氣等多種動力源?？刂萍靶畔⑻幚聿糠诌M行處理、運算、決策，實現(xiàn)控制功能

6、，包括：（1）以可編程序邏輯控制器為核心器件的控制系統(tǒng)；（2）以單片機為核心器件的控制系統(tǒng)；（3）以工業(yè)計算機為核心器件的控制系統(tǒng)；（4）以數(shù)字信號處理器為核心器件的控制系統(tǒng)等。傳感檢測部分用于檢測產品內部狀態(tài)和外部環(huán)境，實現(xiàn)測量、感知功能，包括溫度傳感器、位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器等。執(zhí)行部分即操作器，接收控制信息，完成要求的動作，實現(xiàn)主功能，包括：電氣式、液壓式、氣動式。圖1-2 機電一體化系統(tǒng)信息流1.3 機電系統(tǒng)控制技術的知識基礎圖1-3 機電系統(tǒng)控制技術的知識基礎1.4 機電系統(tǒng)控制技術的支撐體系圖1-4 機電系統(tǒng)控制技術的支撐體系第二章 機電系統(tǒng)控制技術的發(fā)展歷史機電系統(tǒng)

7、控制技術的發(fā)展歷史大體上可以分為三個階段：（1） 第一階段20世紀60年代以前為第一階段，第一階段稱為初級階段。在這一時期，人們自覺不自覺地利用電子技術的初步成果來完善機械產品的性能。特別是在第二次世界大戰(zhàn)期間，戰(zhàn)爭刺激了機械產品與電子結束的結合。那時，胭脂盒開發(fā)總體上看來處于自發(fā)狀態(tài)。由于但是電子技術的發(fā)展尚未達到一定的水平，機械技術與電子技術的結合還不可能廣泛和深入發(fā)展，已經開發(fā)的產品也無法大量推廣。（2） 第二階段20世紀70-80年代為第二階段，可稱為機電控制技術蓬勃發(fā)展階段。這一時期，計算機技術，控制技術，通信技術的發(fā)展，為機電控制技術的發(fā)展奠定了技術基礎。大規(guī)模，超規(guī)模集成電路和微

8、型計算機的出現(xiàn)，為機電控制技術的發(fā)展提供了充分的物質基礎。大約到20世紀80年代末期在世界范圍內得到比較廣泛的承認；機電控制技術和產品得到極大的發(fā)展；各國均開始對機電控制技術和產品給予很大的關注和支持。（3） 第三階段20世紀90年代為后期，開始了機電控制技術向智能化方向買進的新階段，機電控制技術進入深入發(fā)展時期。一方面，光學，通信技術等進入機電控制技術，微細加工技術也加入機電控制技術中嶄露頭腳，出現(xiàn)了光機電控制技術和為機電控制技術等分支；另一方面，對機電控制系統(tǒng)的建模設計，分析和集成設計，機電控制技術的學科體系和發(fā)展趨勢都進行了深入研究。同時，人工智能技術，神經網(wǎng)絡技術及光纖技術等領域取得的

9、巨大進步，為機電控制技術開辟了發(fā)展的廣闊天地。隨著相關技術的發(fā)展，機電控制技術將向著智能化，網(wǎng)絡化一體化方向發(fā)展。典型的系統(tǒng)如數(shù)控加工中心，數(shù)控機床，工業(yè)機器人。物料自動傳輸與識別系統(tǒng)等，以及以這些系統(tǒng)為基礎二主城的更大更復雜的系統(tǒng)如柔性制造系統(tǒng)（fms），計算機集成制造系統(tǒng)（cims）等現(xiàn)代制造系統(tǒng)?？v觀國內外機電控制技術的發(fā)展現(xiàn)況和高新技術的發(fā)展方向，機電控制技術朝著這幾個方向發(fā)展：綠色化 智能化 網(wǎng)絡化 微型化 模塊化。圖2-1 機電系統(tǒng)控制技術的發(fā)展第三章 機電系統(tǒng)控制技術從系統(tǒng)的的觀點出發(fā)，機電系統(tǒng)控制技術就是將機械技術 、微電子技術、信息技術、控制技術等在系統(tǒng)工程基礎上進行有機結合

10、，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)最佳化的一門新科學技術。機電系統(tǒng)的共性關鍵技術包括：檢測傳感技術、信息處理技術、自動控制技術、伺服驅動技術、機械傳動技術、系統(tǒng)總體技術等，其中機電系統(tǒng)控制技術主要解決機電系統(tǒng)的控制問題，其中涉及的關鍵技術包括檢測傳感技術、信息處理技術、自動控制技術和驅動技術。3.1 檢測傳感技術機電系統(tǒng)在控制過程中需要從外界獲取各種信息，如執(zhí)行器的反饋信號等，為控制系統(tǒng)提供控制的信號和依據(jù)，而傳感器則是系統(tǒng)從外界獲取信息的工具。傳感器是機電控制的基礎，是系統(tǒng)對外感知的基本器件，可以說沒有傳感器就沒有外界信號的準確輸入，也就沒有檢測和控制系統(tǒng)。傳感器的作用是將被測信號（如溫度、壓力等）轉換成另一

11、種易于測量和輸出的物理量，其中主要以電學量為主。傳感器一般由敏感元件和轉換元件兩大部分組成：敏感元件：進行控制信息的收集，將被測量轉換為易測得信號轉換元件：進行信號數(shù)據(jù)的轉換，將敏感元件的信號轉換為可傳輸、記錄、處理的信號目前，絕大部分傳感器都是把轉換電路及必要的輔助電源單元與敏感元件、轉換元件一起做成集成化的器件。傳感器種類繁多，性能各異，針對不同的控制系統(tǒng)，不同的信息對象，需要對傳感器作出不同的選擇。3.2 驅動執(zhí)行技術機電系統(tǒng)通過傳感器收集外界信號，輸入信號在經過控制系統(tǒng)分析、計算、處理之后需要通過驅動執(zhí)行機構進行輸出，從而實現(xiàn)機電系統(tǒng)控制的全過程。繼電器和電磁閥是工程上廣泛應用的典型執(zhí)

12、行器。3.2.1 繼電器繼電器是一種根據(jù)某種輸入信號的變化使其自身的執(zhí)行機構動作的自動控制電器。它具有輸入電路（又稱感應元件）和輸出電路（又稱執(zhí)行元件），當感應元件的輸入量（如電流、電壓、頻率、溫度等）變化達到某一定值時，繼電器動作，執(zhí)行元件便接通或斷開控制電路。電磁型繼電器工作原理：線圈通過電流時所產生的磁通，經過鐵芯、空氣隙和銜鐵構成閉合回路。銜鐵在電磁場的作用下被磁化，因而產生電磁轉矩，如電磁轉矩大于反作用彈簧力矩及機械摩擦力時，則銜鐵被吸向電磁鐵磁極，使繼電器觸點閉合。圖3-1 電磁繼電器從本質上講繼電器就是利用弱電控制強電的開關，在電路中實現(xiàn)電動機或其它動力裝置的啟動、調速、停止，完

13、成生產工藝對機械動作的要求和保護。常用的電磁繼電器有電流繼電器、電壓繼電器、中間繼電器、時間繼電器、熱繼電器等。3.2.2 電磁閥電磁閥由電磁線圈和磁芯組成，包含一個或多個孔，通過控制線圈的通斷電帶動磁芯的運轉，是對機電系統(tǒng)的內部氣路、水路、油路進行通斷或控制流量的器件，在液壓和氣壓系統(tǒng)中，基本都有電磁閥的使用。電磁閥的工作原理：當有電流通過線圈時,固定鐵芯吸合動鐵芯,改變滑閥芯的位置，發(fā)生勵磁作用,動鐵芯帶動滑閥芯并壓縮彈簧,從而改變流體的方向。當線圈失電時，依靠彈簧的彈力推動滑閥芯，頂回動鐵芯，使流體按原來的方向流動。圖3-2 電磁閥工作原理圖3.2.3 電機電機在現(xiàn)代機電系統(tǒng)中常常作為電

14、能轉化為機械能的終端輸出設備，配合機械部分可以實現(xiàn)生產機械的各種功能。常見的電機主要有直流電機、步進電機和伺服電機等。直流電機輸出或輸入為直流電能，能實現(xiàn)直流電能和機械能的相互轉化；步進電機將電脈沖轉化為角位移，當其收到一個脈沖信號，即將轉過固定角度，通過控制脈沖個數(shù)從而控制角位移量；伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出，形成閉環(huán)控制。工程實踐中根據(jù)機電系統(tǒng)的具體要求選擇合適的電機和對應的控制方法。3.3 信息處理技術機電系統(tǒng)的信息處理和自動控制由系統(tǒng)的控制單元完成。作為機電系統(tǒng)的核心，控制單元的作

15、用是負責將來自各傳感器的檢測信號和外部輸入命令進行集中、存儲、計算、分析，然后根據(jù)信息處理結果，按照一定的規(guī)則發(fā)出相應的指令信號，從而控制整個系統(tǒng)有目的地運轉。常見機電系統(tǒng)控制單元包括可編程序邏輯控制器（pc或plc）、單片機、工業(yè)計算機數(shù)字信號處理器（dsp）、arm等，其中又以plc和單片機工業(yè)上運用最為廣泛。3.3.1 可編程邏輯控制器plcplc是可編程邏輯控制器的簡稱，它是利用計算機原理專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。plc采用可以編制程序的存儲器，用于在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制

16、各種類型的機械或生產過程。plc及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。plc具有以下鮮明的特點：（1）系統(tǒng)構成靈活，擴展容易，以開關量控制為其特長；也能進行連續(xù)過程的pid回 路控制；并能與上位機構成復雜的控制系統(tǒng)，如ddc和dcs等，實現(xiàn)生產過程的綜合自動化。（2）使用方便，編程簡單，采用簡明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言，而無需計算機知識，因此系統(tǒng)開發(fā)周期短，現(xiàn)場調試容易。另外，可在線修改程序，改變控制方案而不拆動硬件。（3）能適應各種惡劣的運行環(huán)境，抗干擾能力強，可靠性強，遠高于其他各種機型。由于具備了以上種種優(yōu)點，plc在工業(yè)自動化中

17、控制中得到了廣泛的應用。3.3.2 單片機單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器cpu隨機存儲器ram、只讀存儲器rom、多種i/o口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、a/d轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領域的廣泛應用。 單片機數(shù)量龐大，小到計算器，大到各種精密控制系統(tǒng)，它實際已成為世界上數(shù)量最多的處理器。由于單片機的超低功耗、其強大的處理能力以及豐富的片上外圍模塊和方便高效的開發(fā)環(huán)境，它已經成功吸引了人們對單片機的發(fā)展和開發(fā)，單片機的功能甚至在逐步逼

18、近傳統(tǒng)的計算機，目前已經發(fā)展到32位300m的高速單片機，可以預見單片機的發(fā)展前景是無可估量的。 plc和單片機，兩者本質相同，都是基于微處理技術的計算機，但對比兩者各自的特性在選用時以下原則可供參考：（1）因為體積小而且廉價所以單片機方案適合大批量重復生產的民用消費品。特別是儀器儀表以及小型控制系統(tǒng)。（2）plc比單片機更適合于工作母機控制和工業(yè)過程控制。（3）對于單項工程或者重復數(shù)極少的項目采用plc方案是明智、快捷的途徑，成功率高、可靠性好。但成本較高。（4）對于量大的配套項目采用單片機系統(tǒng)具有成本低、效益高的優(yōu)點但這要有相當?shù)难邪l(fā)力量和行業(yè)經驗才能使系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地運行。（5）在單片機

19、方案和plc方案都適用的前提下若控制系統(tǒng)對于穩(wěn)定性和抗干擾性要求很高即使設計成本較高也應采用plc方案。3.4 自動控制技術自動控制指的是在沒有人直接參與的情況下，利用控制器，使機器設備或生產過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)，自動地按照規(guī)律運行。從控制的方式看，自動控制系統(tǒng)有閉環(huán)和開環(huán)兩種。開環(huán)控制也叫程序控制，這是按照事先確定好的程序，依次發(fā)出信號去控制對象。按信號產生的條件，開環(huán)控制有時限控制，次序控制，條件控制。20世紀80年代以來，用微電子技術生產的可編程序控制器在 工業(yè)控制（電梯，多工步機床，自來水廠）中得到廣泛應用。閉環(huán)控制也就是（負）反饋控制，對加載到反饋系統(tǒng)中的由于撓動而產生的輸入信號

20、偏差通過相應的控制作用進行控制，從而減小或者消除撓動的影響，使被控制量與期望趨于一致。自動控制技術提高了機械設備的精度，保證了機械設備的智能化的實現(xiàn)。第4章 典型的機電系統(tǒng)控制技術4.1 數(shù)控機床控制系統(tǒng)（1） 用途本機床屬三座標數(shù)控銑床，選配適用可靠數(shù)控系統(tǒng)，能完成銑、鏜、鉆等切削運動，可在沒有模具的情況下完成凸輪、樣板、模具等形狀復雜零件的加工。（2） 結構特點1、 主軸采用無級調速。2、進給系統(tǒng)由交流伺服電機驅動。3、滑動面優(yōu)質貼塑與淬硬磨削導軌 配合，具有良好耐磨性及伺服性。4、 配有主軸快換螺母換刀裝置。5、根據(jù)需要可加配第四軸。 圖4-1 數(shù)控機床（3）工作原理主軸控制單元的順序控

21、制：對刀具交換、主軸調速、冷卻液控制、工作臺極限開關等開關量控制速度控制單元的數(shù)字控制：用于機床進給傳動的伺服控制、對工作臺、刀架、進給速度等機械控制。對伺服系統(tǒng)的要求：1、足夠寬的調速范圍,10000:1 2、足夠的加減速力矩 3、動態(tài)響應快，消除負載對速度的影響 4、轉子慣量小 5、高速到低速應運行平穩(wěn) 6、伺服電機應安全可靠。4.2 機器人控制系統(tǒng)工業(yè)機器人是一個涉及多種技術的典型機電一體化產品。它廣泛用于汽車制造、機械加工、電子、能源、建筑以及軍工和海洋等工業(yè)部門，主要從事噴漆、焊接、裝配、搬運以及一些特殊環(huán)境下的工作，成為生產線的主要組成部分，而倍受重視。（1）日本yaskawa工業(yè)

22、機器人的機械手及控制系統(tǒng)機械手有三個基軸（s、l、u）和三個臂軸（r、b、t），共六個自由度，可實現(xiàn)分別沿x軸、y軸、z軸的平移和繞x軸、y軸、z軸的旋轉。（2） 迷你機器四腳怪機器人需要兩節(jié)”aaa”干電池掀開底下的蓋子裝上電池,將其胸前的開關推至 “on”的位置 高5.5英寸 超前設計 超酷四腳和頭部行動 頭部可以擺超酷姿勢（3） 工作原理對伺服系統(tǒng)要求：1、足夠的輸出功率 2、頻繁的起制動正反轉 3、慣性小 4、體積小重量輕 5、便于維護 6、良好的穩(wěn)定性 7、靈活接受控制指令第5章 機電系統(tǒng)控制技術的展望微電子技術和信息處理技術的應用，富裕傳統(tǒng)機械產品許多新的功能，同時創(chuàng)造出許多現(xiàn)代機

23、電新產品，這些產品所具備的的多種復合功能已成為一個顯著地技術特征。機電系統(tǒng)的動力智能化，分散化，不但使傳動鏈縮短，提高了傳動精度，而且使整個機電系統(tǒng)的機械結構更為簡單，機械部件數(shù)量少，精度高?？v觀國內外機電控制技術的發(fā)展現(xiàn)況和高新技術的發(fā)展方向，機電控制技術朝著這幾個方向發(fā)展： 智能化：在控制理論的基礎上，吸收人工智能、運籌學、計算機科學、模糊數(shù)學、心理學等新思想、新方法模擬人類智慧，使它具有判斷推理、邏輯思維能力。 模塊化：由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多，研制和開發(fā)具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、環(huán)境接口極其有意義。 網(wǎng)絡化：基于網(wǎng)絡的各種遠程控制和監(jiān)視技術方興未艾，遠程控制的終端就是機電一體化產品?，F(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術使家用電器網(wǎng)絡化已成大勢。 微型化：幾何尺寸小于1cm2的產品稱為微電子機械系統(tǒng)或微機電一體化系統(tǒng)，正在向微米、