現代機電系統(tǒng)工程學(講義)

1、現代機電系統(tǒng)工程學Modern mechano-electronic system engineering 課程編號：1220312022 學分數：2 開課單位：機械學院 課內總時數：32 課程性質： þ學位課 ¨非學位課 任課教師姓名及職稱：楊公源 教授 開課學期：I 教學方式：講授與實踐 一、 教學要求及目的：要求學生熟悉和掌握現代機電系統(tǒng)的分析與設計理論，包括環(huán)節(jié)及系統(tǒng)的建模（集中參數、分布參數、時變與非線性等環(huán)節(jié)及系統(tǒng)的建模），控制理論（傳統(tǒng)、現代、最優(yōu)、自適應、智能等理論），基于系統(tǒng)整體最佳的傳感檢測技術及工程實踐、伺服傳動技術及工程實踐，運動控制和過程控制技術及

2、工程實踐，精密機械技術及工程實踐。目的是使學生能夠將上述理論和技術融會貫通，以工藝為主線、控制理論為指導、計算機應用為手段、系統(tǒng)整體最佳為目標。為實現教學要求及目的，在理論講授之外，還要面對工程實例進行研討和實踐。二、 課程的主要內容1、 系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、機電系統(tǒng)工程學相互制約的各個部分如何構成具有一定功能的整體（即系統(tǒng)）；機電系統(tǒng)的涵義；機電系統(tǒng)工程學的涵義。2、 環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的建模 機理建模，辨識建模，觀測器建模；分布參數模型的集中參數表示；時變模型、非線性模型的分段處理。3、 現代機電系統(tǒng)工程的理論基礎和技術基礎傳統(tǒng)（經典）控制理論，現代控制理論，系統(tǒng)辨識理論，智能控制理論，最優(yōu)控制理論，

3、自適應控制理論。運動控制技術，過程控制技術，混合控制技術，微電子技術，電力電子技術，計算機技術，通信網絡技術，精密機械技術，系統(tǒng)整體技術。4、 機械電子學（機電一體化）與機電融合“Mechatronics”理念的涵義，機電融合多鐘理論和技術的相互交叉、相互滲透、融會貫通和綜合運用。5、 傳感檢測裝置與機電系統(tǒng)的匹配新型位置檢測、速度檢測和加速度檢測；新型多軸系統(tǒng)的同步檢測，新型多單元（多機架，多分部）跟隨系統(tǒng)的張力檢測；新型溫度、壓力、液位、流量、濃度、成份的檢測與變送；纖維層厚度的非接觸檢測，條干檢測，織物疵點檢測；復合材料定量在線檢測。6. 執(zhí)行器、驅動器與機電系統(tǒng)的匹配新型變頻器及變頻電

4、動機；新型伺服驅動器及伺服電動機；小慣量專用電動機及驅動器；新型電主軸；懸浮電動機及驅動器；擺動電動機及驅動器；糾偏一體化裝置；新型液壓缸一體化裝置；新型液壓馬達一體化裝置；新型氣缸一體化裝置；新型在線自動滴定裝置。7 運動控制器與機電系統(tǒng)的匹配1）基于微控制器、微處理器的運動控制器，2.）基于ARM和專用芯片（ASIC）的運動控制器，3） 基于ARM和FPGA的運動控制器，4） 基于ARM和DSP的運動控制器，5） 基于工業(yè)PC的以DSP、FPGA為核心處理器的運動控制器，6）Soft型開放式運動控制器，7）嵌入式運動控制器，8）具有運動控制功能的PLC，9）采用可編程計算機控制器（PCC）

5、的運動控制器，10）采用可編程自動化控制器（PAC）的運動控制器，11）現場總線控制系統(tǒng)FCS，12）計算機集成制造系統(tǒng)CIMS。8 過程控制器與機電系統(tǒng)的匹配1) 基于專用集成電路（ASIC）的過程控制器（調節(jié)器），2）基于ARM的過程控制器（調節(jié)器），3 ）可編程調節(jié)器，4）智能調節(jié)器，5） 過程控制站（PCS），6 ）基于DSP和ARM的過程控制器，.7）基于PC總線的開放式過程控制器，8）具有過程控制功能的PLC，9 ）具有過程控制模塊的PLC，10）具有遠程過程控制模塊的PLC，11） 具有PC機模塊的PLC，12）具有多CPU模塊的PLC，13）集散控制系統(tǒng)DCS，14）現場總線控

6、制系統(tǒng)FCS，15 ）計算機集成過程系統(tǒng)CIPS。9 現代機電系統(tǒng)分析與設計1）環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的動力學分析2）半閉環(huán)與全閉環(huán)機電系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析3）半閉環(huán)與全閉環(huán)機電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差4）半閉環(huán)與全閉環(huán)機電系統(tǒng)的動態(tài)分析5）系統(tǒng)整體設計法6）計算機輔助工具MATLAB應用三、 預修課程：1、 線性控制理論2、 泛函分析。四、 適用專業(yè)、范圍：工學學科各學科、專業(yè)現代機電系統(tǒng)工程學第1章 概述1.1系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、機電系統(tǒng)工程學1.2 機電系統(tǒng)的組成和功能1.3 機械的分類1.4 機電系統(tǒng)的理論基礎和技術基礎1.5 機電系統(tǒng)的關鍵技術1.6 國內外機電系統(tǒng)的現狀1.7 機電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 第2章 機電系

7、統(tǒng)的理論基礎和技術基礎2.1 控制理論（傳統(tǒng)、現代、智能）2.2 系統(tǒng)工程理論2.3 系統(tǒng)辨識與建模理論2.4 隨機過程理論2.5 自適應控制理論2.7 最優(yōu)控制理論2.8 運動控制技術2.9 過程控制技術2.10 混合控制技術2.11 計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS）2.12計算機集成過程系統(tǒng)（CIPS）2.13 智能生產系統(tǒng)第3章 傳感器與系統(tǒng)的匹配（以紡織機械為例）3.1 異性纖維檢測3.2 纖維層厚度檢測3.3 纖維條條干均勻度檢測3.4 粗紗條干均勻度檢測3.5 細紗條干均勻度檢測3.6 紗條外觀檢測3.7 紗條張力檢測3.8 紗線回潮率檢測3.9 紗線上漿率檢測3.10 織物疵點檢測

8、3.11 織物緯斜檢測3.12 織物線速度非接觸檢測3.13織物張力非接觸檢測3.14 織物溫度非接觸檢測3.15 織物白度檢測3.16 織物色差檢測3.17 軋余率檢測3.18 織物回潮率檢測3.19 織物幅寬檢測3.20 溶液流量檢測3.21 氣體質量流量檢測3.22 液位檢測3.23 物位檢測3.24 溶液濃度檢測3.25 溶液粘度檢測3.26 烘房溫度檢測3.27 復合材料定量檢測3.28 材料厚度檢測第4章 執(zhí)行器、驅動器與系統(tǒng)的匹配4.1 新型直流電動機和驅動器4.2 交流異步伺服電動機和驅動器4.3 交流永磁同步伺服電動機和驅動器4.4 小慣量專用電動機和驅動器4.5 直線電動機

9、和驅動器4.6 直接傳動電動機和驅動器4.7 新型步進電動機和驅動器4.8 磁致伸縮電動機4.9 擺動電動機4.10 懸浮電動機4.11 糾偏一體化電動機4.12 比例電磁鐵和驅動器4.13 電磁粉末制動器/離合器和驅動器4.14 新型電動調節(jié)閥和驅動器4.15 液壓馬達PWM一體化裝置4.16 液壓缸PWM一體化裝置4.17 脈沖編碼調制(PCM)電液裝置4.18 氣缸一體化裝置第5章 運動控制器與系統(tǒng)的匹配5.1 運動控制的學科屬性5.2 運動控制技術的綜合性5.3 運動控制系統(tǒng)的組態(tài)5.4 運動控制系統(tǒng)的核心 運動控制器5.5 運動控制器的分類與功能5.6 基于專用集成電路（ASIC）的

10、運動控制器5.7 基于ARM的運動控制器5.8 基于ARM和CPLD的運動控制器5.9 基于ARM和FPGA的運動控制器5.10 基于DSP和CPLD的運動控制器5.11 基于DSP和FPGA的運動控制器5.12 基于DSP和ARM的運動控制器5.13 基于PC總線、DSP和FPGA的開放式運動控制器5.14 Soft型開放式運動控制器5.15 基于網絡的運動控制器5.16 嵌入式運動控制器5.17 具有運動控制功能的PLC5.18 具有運動控制模塊的PLC5.19 具有遠程運動控制模塊的PLC5.20 具有PC機模塊的PLC5.21 具有多CPU模塊的PLC5.22 可編程計算機控制器（PC

11、C）5.23 可編程自動化控制器（PAC）5,24 混合型控制器5.25 EIC控制器5.26 程序運動控制器5.27 運動控制系統(tǒng)集成第6章 過程控制器與系統(tǒng)的匹配6.1 基于專用集成電路（ASIC）的過程控制器（調節(jié)器）6.2 基于ARM的過程控制器（調節(jié)器）6.3 可編程調節(jié)器6.4 智能調節(jié)器6.5 過程控制站（PCS）6.6 基于DSP和ARM的過程控制器6.7 基于PC總線的開放式過程控制器6.8 具有過程控制功能的PLC6.9 具有過程控制模塊的PLC6.10 具有遠程過程控制模塊的PLC6.11 具有PC機模塊的PLC6.12 具有多CPU模塊的PLC6.13 可編程計算機控制

12、器（PCC）6.14 可編程自動化控制器（PAC）6.15 過程控制系統(tǒng)集成（CIPS）第7章 混合型控制器與系統(tǒng)的匹配7.1 混合型控制器的概念7.2 運動控制器與過程控制器的相互接近（滲透、融合）7.3 多CPU工業(yè)控制計算機(MIPC)7.4 混合型控制器（HC900）7.5 可編程計算機控制器（PCC）7.7 多CPU模塊PLC7.8 具有運動控制模塊和過程控制模塊的PLC7.9 CIMS與CIPS的融合（CIM理念的拓展）第8章 機電系統(tǒng)分析、設計與仿真8.1 環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的數學模型8.2 半閉環(huán)與全閉環(huán)機電系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析8.3 半閉環(huán)與全閉環(huán)機電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差8.4 半閉環(huán)與全閉環(huán)

13、機電系統(tǒng)的動態(tài)分析8.5 系統(tǒng)整體設計法8.6 計算機輔助工具的應用（后六章為應用實例） 第1章 概述1.1機電系統(tǒng)的含義1.1.1 關于系統(tǒng)、機電系統(tǒng)和機電系統(tǒng)工程學的含義1. 關于“系統(tǒng)“世界著名的科學家錢學森教授指出：“所謂系統(tǒng)，是由相互制約的各個部分組成的具有一定功能的整體”。因此，系統(tǒng)本身就強調系統(tǒng)的各個部分之間的協(xié)調與匹配，實現整體最佳，以便實現期望的功能。2. 關于“機電、機械電子、機電系統(tǒng)”關于“機電”，在英漢詞典中與之對應的詞匯有：electromechanical(機電的)，electromechanics(機電學)，mechno-electronic(機械電子的)，還有日

14、本人創(chuàng)造的英文單詞“Mechatronics”,即“機械電子學”或“機電一體化”。在國內，還有人在“mechano-electronic”后面分別加上了“Engineering”、“Science”、“Technology”、“Control Technology”、“Product”以及“System”等詞，從而產生了“機電工程學”、“機電科學”、“機電技術”、“機電控制技術”、“機電產品”以及“機電系統(tǒng)”等詞匯。1971年，日本的機械設計副刊特集中首次提出了“Mechatronics”一詞，即“機械電子學”，它是機械(Mechanics)和電子(Electronics)兩個詞的復合詞，在我

15、國，通常將其翻譯成“機電一體化”。機電一體化至今還沒有統(tǒng)一的嚴格的定義，最簡潔的解釋是“機械與電子的有機結合”。經過多年的實踐，人們對“機電一體化”的認識不斷深入，“機電一體化”也不斷地被賦予新的內容?！癕echatronics”也被美國、英國及歐洲所認可。機電一體化的核心是控制，因此，有人將機電系統(tǒng)稱為機電控制系統(tǒng) ，機電系統(tǒng)強調機械技術與電子技術的有機結合，強調系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)之間的協(xié)調與匹配，以便達到系統(tǒng)整體最佳的目標，。當今，采用機電一體化技術所設計和制造的機電系統(tǒng)，就其涵義而言，已從最初的“在機械制造中引入電子技術” ，拓寬為“機電儀一體化(MEI)”，或“機電光儀一體化”。再進一步，有

16、些專家認為，機電一體化是不同層次的CIMS(Computer Integrated Manufacturing System直譯為計算機集成制造系統(tǒng)，意譯為計算機綜合自動化生產系統(tǒng))。就其應用的制造工業(yè)而言，它已由最初的離散型制造工業(yè)拓寬到連續(xù)型流程工業(yè)和混合型制造工業(yè)。就其技術而言，它是微電子、電力電子、計算機、信息處理、通信、傳感檢測、過程控制、運動控制、精密機械以及自動控制等多種技術相互交叉、相互滲透、有機結合而成的一種新的綜合性技術。 就其理念而言，它強調的是系統(tǒng)5大要素(部分)之間的協(xié)調與配合，即系統(tǒng)整體最佳，簡稱“最佳匹配” ；它強調的是上述十種技術的融會貫通，綜合運用；它強調的是

17、工藝、機械、控制的有機結合。就學科而言，它是一門邊緣學科。當今的機電一體化系統(tǒng)，早已拚棄了過去的“機械電氣”的拼合模式，而是把機械與電子有機地結合起來，是一種“融合”模式。應用機電一體化控制技術就會開發(fā)出各式各樣的機電系統(tǒng)，機電系統(tǒng)遍及各個領域。3. 關于“現代機電系統(tǒng)工程學”“系統(tǒng)工程”的一般定義（含義）：系統(tǒng)工程是從整體出發(fā)合理開發(fā)、設計、實施和運用系統(tǒng)科學的工程技術。它根據總體協(xié)調的需要，綜合應用自然科學和社會科學中有關的思想、理論和方法，利用電子計算機作為工具，對系統(tǒng)的結構、要素、信息和反饋等進行分析，以達到最優(yōu)規(guī)劃、最優(yōu)設計、最優(yōu)管理和最優(yōu)控制的目的。在上一段內容的前面冠以“機電”兩

18、字，就是機電系統(tǒng)工程的定義（含義）。1.1.2 紡織機械機電系統(tǒng)的含義 紡織機械機電系統(tǒng)是紡織機械上的機電系統(tǒng)。涉及“開、清、梳、并、粗、細、絡、整經、漿紗、織造、退漿、煮練、漂白、絲光、預縮、染色、印花、拉幅定型以及特殊整理”等一系列機械和裝備。1.2 機電系統(tǒng)的組成和功能1.2.1 機電系統(tǒng)的組成機電系統(tǒng)涉及工業(yè)、農業(yè)、交通、軍事、建筑、辦公、文化娛樂以及日常生活等各個領域，可以說是種類繁多、千差萬別，但歸納起來，它們都是由機械裝置、傳感器、驅動器（動力裝置）、執(zhí)行器和計算機這五個部分(五大要素)組成。與圖1-1對應的是五大功能，如圖1-2所示。 圖1-1 機電系統(tǒng)的五大要素 圖 1-2

19、機電系統(tǒng)的五大功能1.2.2 紡織機械機電系統(tǒng)的特征和功能 1. 被加工材料的“柔性” 無論是天然纖維、羊毛還是合成纖維，其本身的柔性加大了檢測和加工的難度，例如，棉條、粗紗和細紗條干均勻度的檢測與控制，上漿率的檢測與控制，織物伸長率的檢測與控制等等。 被加工材料的柔性也增加了建立數學模型的難度，就以最簡單的“松緊架”為例，自1957年至今，國外文獻中介紹的數學模型就有16種，其表達式相差甚遠。松緊架有兩種，一種是三棍升降式松緊架，另一種是三棍擺式松緊架。三輥升降式松緊架由兩只固定輥、升降輥、大鏈輪、大鏈條、重錘(配重)、小連輪、小鏈輪及角度傳感器組成。角度傳感器取出的電壓信號就代表升降輥的位

20、置，升降輥的零位設定在兩只大鏈輪的中間處?？椢锏膹埩τ膳渲貋碓O定。三棍擺式松緊架與升降式松緊架的差別是可動輥形式不同，可動輥繞著支點擺動，故稱為擺輥，擺輥既可自轉又可繞支點擺動。當擺動角度較小時，擺式松緊架和升降式松緊架可統(tǒng)一用圖1-3來描述。 圖1-3 松緊架示意圖列寫有關的方程如下： 可動輥位移可動輥角度傳感器的輸出電壓對以上各式取拉氏變換，得到相應的傳遞函數，然后繪出松緊架的結構圖，如圖1-4所示。應用穩(wěn)定判據分析，可得出結論，即當時間常數相互錯開，即T25T53，對穩(wěn)定性有利。 由圖1-4可知，引起可動輥位移的因素有： 1. 傳動輥1線速度 2. 傳動輥2線速度 3. 進入本張力區(qū)之前

21、織物的彈性變形 4. 加壓力 圖1-4 松緊架結構圖由圖1-4可知： 結論是電壓信號Usy與速差積分成正比。2. 被加工材料的“不確定性“ 以純棉半制品和制品為例，不同產地棉花的纖維平均長度不同，經過梳理、并合、牽伸、加捻后的粗紗、細紗的條干參數在軸向是不確定的，只是在樣本數足夠大的條件下可計算出條干變異系數，這也增大了建立數學模型和制定控制策略的難度。 例如，高速并條機輸出棉條的速度是1800m/min，30m/s，30mm/ms，如果要求勻整的短片段為30mm，則要求從傳感器檢測、計算機計算、伺服驅動器輸出、伺服電動機變速到改變牽伸比，必需在1ms內完成，這可能嗎？即便可能，由于材料的不確

22、定性，可能導致相反的控制結果。就并條機而言，目前采用的開環(huán)、閉環(huán)以及混合環(huán)的控制策略已經不能滿足要求，需要研制、開發(fā)新型控制策略和算法。 3. 多個單元之間的“耦合“與“解耦”、“同步”與“張力” 紡織機械的特征之一是“多單元”，如，清、梳、并聯合機，細、絡聯合機，漿紗機，退、煮、漂聯合機，絲光機，軋染機，拉幅定型機等，圖1-5 所示的是連續(xù)軋染機工藝流程圖。對于連續(xù)軋染機，軋車、透風架、預烘箱、焙烘箱、烘筒、蒸洗箱、水洗箱中的傳動單元，由于介質、環(huán)境和織物工藝路徑的不同，加之導輥直徑、減速機的減速比以及電機功率的不同，要實現任意車速設定下，28個單元在動態(tài)過程中的嚴格同步升、降速，且各個松緊

23、架均應處于零位附近，既要利用“耦合”又要解除“耦合”，即“解耦”，既要“同步”又要“張力”恒定，必需研發(fā)智能型控制系統(tǒng)。 圖1-5 連續(xù)軋染機工藝流程圖 4. 工藝過程的“時變”特性和“非線性”特性 在圖1-5中，退卷軸的織物每退繞一層，退繞軸的半徑就減少一個織物厚度，因此，退繞軸半徑是隨時間變化的變量，為了有效地進行控制，需要建立退繞過程的數學模型。退繞軸上織物的轉動慣量Jb為：（1-11）（1-12）（1-13）（1-14）力矩平衡方程式為：（1-15）（1-16）（1-17）（1-18）（1-19）（1-20）（1-21）（1-22）（1-23）式中：r1單位寬度織物的質量密度；q1占積

24、率；r1退繞軸軸半徑；r10 空軸半徑；g1織物的比重；g重力加速度；b1織物的寬度；K1轉動慣量變換系數；Md 動態(tài)轉矩；MZ 阻轉矩；1 變速比，1=1/2'；J1 折算到電動機軸上等效的轉動慣量；JD 電動機轉子的轉動慣量；JK 空軸的轉動慣量；Jb 軸上織物的轉動慣量； 1AC伺服電動機的角速度；1 折算到電動機轉軸上等效的粘性摩擦系數；r1 退繞軸的半徑；1 每層織物的厚度；r1m退繞軸滿軸時的半徑；n1退繞的層數；F 織物張力；v1 織物退繞線速度；v2e等效卷取線速度；kf 張力系數；K2轉動慣量轉換系數；K3 退繞軸半徑變化轉換系數。以上，式（1-11）（1-23）描述

25、了退繞軸退繞過程的動力學特征，其數學表達式中包括退繞軸瞬時半徑的4次方運算、瞬時半徑的3次方與瞬時半徑導數的乘法運算、轉動慣量與角速度的乘法運算、轉動慣量與角速度導數的乘法運算、角速度與轉動慣量導數的乘法運算以及速差的積分運算等等，使得退繞軸的數學模型為非線性、時變數學模型，增大了分析和控制的難度。 關于退繞張力控制方式，第一種控制方式是摩擦傳動退繞方式，如圖1-5所示，摩擦傳動裝置由變頻器、變頻電動機、減速器以及摩擦輥等組成，在摩擦輥足夠正壓力的作用下，借助摩擦力將織物從退繞軸拉出。理論上，這種控制方式的退繞線速度是恒定的，便于進行同步和張力控制，但是，使用這種裝置的印染企業(yè)，因為次品率相當

26、高，都放棄了原設備的自控功能，不得已采用人工調節(jié)，其方式五花八門，影響觀瞻。 第二種退繞張力控制方式是中心傳動退繞方式，這種方式又分為消極傳動方式和積極傳動方式。消極傳動是對退繞軸進行制動，通過調節(jié)制動力矩來保持織物張力恒定。常用的有電磁粉末制動器或帶式氣動制動裝置。積極傳動是使用變頻電動機或交流伺服電動機，通過可變功率分配來控制織物張力。 5. “分布參數”與“集中參數”關于分布參數，簡單的說就是參數是時間和空間的函數，分布參數系統(tǒng)需要用偏微分方程和泛函微分方程來描述。集中參數系統(tǒng)可以用有限個變量來描述，而分布參數系統(tǒng)必須用場（一維或多維空間變量的函數來描述）。就紡織材料而言，其工藝過程無疑

27、屬于分布參數系統(tǒng)，由于種種原因，人們只能用集中參數（亦稱集總參數）系統(tǒng)來進行分析、設計和控制。 以上，從五個方面簡要地介紹了紡織機械機電系統(tǒng)的特征，這些特征增加了紡織機電系統(tǒng)分析、設計和控制的難度。僅以紡織機械上最簡單的“松緊架”為例，其示意圖如圖1-3所示。當簡化為集中參數時，有關表達式如式（1-1）式（1-10）所示，對各式取拉氏變換后，可繪出松緊架的結構圖，如圖1-4所示。 面對圖1-4，應用梅遜公式，可锝： （1）單獨回路增益 G2G3 G2G6 G1G3 G1G6 G1G2G3 G1G2G6 G1G6G2G3 G2G6G1G3 (2) 兩兩互不接觸回路 G1G6G2G3 G1G3G2

28、G6特征式： 1G2G3G2G6G1G3G1G6G1G2G3G1G2G64G1G2G3G61.3 紡織機械的分類1.3.1 根據工藝分類 1. 開棉機 2. 清棉機 3. 抓棉機 4. 混棉機 5. 成卷機 6. 開清棉聯合機 7. 梳棉機 8. 并條機 9. 粗紗機 10. 絡筒機 11. 整經機 12. 漿紗機 13 有梭織機 14. 劍桿織機 15. 噴氣織機 16. 片梭織機 17. 噴水織機 18. 退漿機 19. 煮練機 20. 水洗機 21. 烘干機 22. 筒子染色機 23. 液流染色機 24. 氣流染色機 25. 卷染機 26. 連續(xù)軋染機 27. 圓網印花機 28. 平網印

29、花機 29 磁棒印花機 30 噴墨印花機 31. 拉幅定型機1.3.2 根據系統(tǒng)的屬性分類 1. 運動控制類型 2. 過程控制類型 3. 混合控制類型1.4 紡織機械機電系統(tǒng)的理論基礎和技術基礎 見目錄。1.5 紡織機械機電系統(tǒng)的關鍵技術1.5.1 環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的建模技術1.5.2 異性纖維檢測和剔除技術1.5.2 棉網厚薄均勻度檢測和控制技術1.5.3 棉條條干均勻度在線檢測與控制技術1.5.4 粗紗條干均勻度在線檢測與控制技術1.5.5 細紗條干均勻度在線檢測與控制技術1.5.6 紗線上漿率在線檢測與控制技術1,5.7 紗線張力在線非接觸檢測與控制技術1.5.8 織物張力在線非接觸檢測與控制

30、技術1.5.9 烘房內溫度與濕度的解耦控制技術1.5.10 pH值在線檢測與控制技術1.5.11 色差在線檢測與控制技術1.5.12 多軸傳動的協(xié)調控制技術1.5.13 多點（即夾持點）傳動的協(xié)調控制技術1.5.14 基于多源信息融合技術的纖維動態(tài)在線檢測技術1.6.15 特種纖維多層角聯織造技術1.5.16 綠色印染技術（廢液中的物質回收、廢液處理、熱能綜合利用、自動配液） 紡織機電工程學的理論和技術基礎就大類而言，紡織機械包括棉紡、毛紡和化纖機械。紡織機械機電系統(tǒng)設計應以工藝為主線，控制理論為指導，系統(tǒng)整體最佳為目標，這就涉及到以下理論和技術：傳統(tǒng)控制理論、現代控制理論、智能控制理論、系統(tǒng)

31、工程理論、系統(tǒng)辨識與建模理論、隨機過程理論、自適應控制理論、最優(yōu)控制理論、運動控制技術、過程控制技術、混合控制技術、計算機綜合自動化生產系統(tǒng)（直譯：計算機集成制造系統(tǒng)CIMS）和智能生產系統(tǒng)。 。2.8 運動控制的含義2.8.1.1 自動控制系統(tǒng)的分類在介紹運動控制的概念之前，首先要了解自動控制系統(tǒng)的分類方法。根據分類目的的不同，有多種分類方法，以下是常用的分類方法。1. 根據信號傳遞路徑來分類：可分為開環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)和復式系統(tǒng)。2. 根據參考輸入信號的特征來分類：可分為恒值系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序系統(tǒng)。3. 根據所用元件的類型來分類：可分為電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和氣壓（氣動）系統(tǒng)。4. 根據系統(tǒng)參

32、數是否隨時間變化來分類：可分為定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)。5. 根據系統(tǒng)是否滿足疊加原理來分類：可分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。6. 根據系統(tǒng)中所有信號是否是時域連續(xù)信號來分類：可分為連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)（包括采樣系統(tǒng)和數字系統(tǒng)）。7. 根據被控變量的屬性（或系統(tǒng)的功用）來分類：可分為溫度、壓力、流量、液位、位置、速度、加速度、力和力矩等控制系統(tǒng)。以上分類方法還可以組合應用，例如，通常將溫度、壓力、流量、液位、物位、成分和濃度等控制系統(tǒng)稱為過程控制系統(tǒng)；將位置、速度、加速度、力和力矩等控制系統(tǒng)稱為運動控制系統(tǒng)。根據這種組合分類方法，自動控制系統(tǒng)可分為運動控制系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)兩大類型。2.8.1.2 運動控

33、制的含義運動控制是對機械運動部件進行位置、速度、加速度、力和力矩控制，使運動部件能夠按照期望的軌跡和規(guī)定的運動參數完成相應的動作。 根據系統(tǒng)所用元件的類型，運動控制系統(tǒng)又可分為電氣、液壓、氣壓(氣動)等運動控制系統(tǒng)。 圖 2-8-1 運動控制系統(tǒng)的組成2.8.1.3 運動控制系統(tǒng)的組成 運動控制系統(tǒng)的組成如圖2-8-1所示，系統(tǒng)由傳感器、控制器、驅動器、執(zhí)行器和機構（機械部分）組成。1. 控制器運動控制系統(tǒng)的控制器種類繁多，如，基于專用集成電路（ASIC）的運動控制器；基于IPC和運動控制卡的運動控制器；基于ARM的運動控制器；基于ARM和CPLD的運動控制器；基于ARM和FPGA的運動控制器

34、；基于DSP和CPLD的運動控制器；基于DSP和FPGA的運動控制器；基于DSP和ARM的運動控制器；基于PC總線、DSP和FPGA的運動控制器；具有運動控制功能的PLC；具有運動控制模塊的PLC；具有遠程運動控制模塊的PLC；具有多CPU模塊的PLC；可編程計算機控制器（PCC）和可編程自動化控制器（PAC）等。2. 驅動器驅動器是動力裝置，如，驅動直流電動機的直流驅動器，驅動交流變頻電動機的變頻器，驅動交流伺服電動機的交流伺服驅動器；驅動液壓馬達或液壓缸的液壓泵；驅動氣壓馬達或氣缸的空壓機。3. 執(zhí)行器執(zhí)行器包括以電、氣壓和油壓等作為動力源的各種元器件及裝置。如以電作為動力源的普通直流電動

35、機、直流伺服電動機、三相交流異步電動機、三相交流變頻電動機、三相交流永磁伺服電動機、步進電動機、直線電動機、比例電磁鐵、電磁粉末離合器/制動器、電動調節(jié)閥及電磁泵等，以氣壓作為動力源的氣壓馬達和氣缸，以油壓作為動力源的液壓馬達和液壓缸等。4. 機構（機械部分）機械是由機械零件組成的、能夠傳遞運動并完成某些有效工作的裝置。機械由輸入部分、轉換部分、傳動部分、輸出部分以及安裝固定部分等組成。通用的傳遞運動的機械零件有齒輪、齒條、鏈條、鏈輪、蝸桿、蝸輪、帶、帶輪、曲柄以及凸輪等等。兩個零件互相接觸并相對運動，就形成了運動副，由若干運動副組成的具有確定運動的裝置稱為機構。就傳動而言，機構就是傳動鏈。為

36、了實現運動控制系統(tǒng)整體最佳的目標，從系統(tǒng)動力學方面來考慮，傳動鏈越短越好。因為在傳動副中存在“間隙非線性”，根據控制理論中的分析，這種間隙非線性會影響系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性。另外，傳動件本身的慣量也會影響系統(tǒng)的響應速度及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在數控機床行業(yè)中之所以存在“半閉環(huán)控制”，其原因就在于此。 據此，提出了“軸對軸傳動(DD傳動)”，如電動機直接傳動機床的主軸，或者機床主軸就是電動機的轉子，從而出現了各種電主軸。這對執(zhí)行器提出了更高的要求，存在機械裝置、執(zhí)行器以及驅動器之間的協(xié)調與匹配問題。5. 傳感器傳感器是從被測對象中提取信息的器件，用于檢測運動控制系統(tǒng)工作時所要監(jiān)視和控制的物理量、化學量和

37、生物量。大多數傳感器是將被測的非電量轉換為電信號，用于顯示和構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 傳感器的發(fā)展趨勢是頻率化、復合化、數字化、集成化和智能化。為了實現運動控制系統(tǒng)的整體最佳，在選用或研制傳感器時要考慮傳感器與其他部分之間的協(xié)調與匹配。例如，集傳感檢測、變送、信息處理及通信等功能為一體的智能化傳感器已廣泛用于現場總線控制系統(tǒng)。又如，編碼器、變頻電動機和變頻器的一體化裝置等。 有關控制器、驅動器、執(zhí)行器和傳感器的詳細內容蔣在后續(xù)的各章中進行介紹。2.8.2 電氣運動控制系統(tǒng)電氣運動控制系統(tǒng)的執(zhí)行器是以電作為動力源的各種元器件及裝置，如交流電動機、直流電動機、步進電動機、直線電動機、特種電動機以及其它的

38、電動執(zhí)行器。使用電動機的電氣運動控制系統(tǒng)亦稱電機運動控制系統(tǒng)，它是使用量最大、覆蓋面最廣的運動控制系統(tǒng)，以往的電力拖動控制系統(tǒng)、電機拖動控制系統(tǒng)、電氣傳動控制系統(tǒng)、直流調速系統(tǒng)和交流調速系統(tǒng)，側重于速度控制；而直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)則側重于位置跟隨控制。電氣運動控制系統(tǒng)包括位置、速度、加速度、力和力矩控制，由于這類系統(tǒng)使用量大、覆蓋面廣，因此，通常所說的運動控制系統(tǒng)指的就是電氣運動控制系統(tǒng)，本書也將采用這種表述形式。 根據運動控制的特點和應用領域的不同，運動控制可劃分為以下幾種類型。2.8.2.1 點位運動控制 這類運動控制的特點是僅對運動部件的終點位置有要求，而對由起點到終點所走過的軌跡

39、未作硬性規(guī)定。但是，從系統(tǒng)整體的角度來考慮，應針對具體的被控對象來設計控制算法，對軌跡的形態(tài)、運動時間、運動速度、加減速曲線形狀及停車時的動態(tài)指標等都應進行周全的考慮并選擇適當的數值，以達到最佳工況。2.8.2.2 連續(xù)軌跡運動控制 這類運動控制亦稱輪廓控制，主要用于數控車床、數控銑床、數控沖床、雕刻機、激光雕刻機、激光切割機、火焰切割機以及等離子切割機等。2.8.2.3 同步運動控制 同步運動控制是指多個軸之間或多個傳動點之間的協(xié)調控制?！巴健卑ㄎ恢猛?、速度同步和加速度同步三種模式。 對于多軸即多個獨立的傳動單元組成的系統(tǒng)，當確定一個主軸即主令單元后，在主軸每轉中的不同角度區(qū)間即規(guī)劃的

40、ON/OFF區(qū)間，有相應的軸運動，而且它們的速度分別與主軸速度成相應的比值關系，這種“同步”功能即電子凸輪和電子齒輪功能。對于多個傳動點的運動控制系統(tǒng)，每個傳動點都是一對加壓的導輥，被加工材料是織物、非織造布、塑料薄膜、橡膠帶、膠片、紙張以及金屬帶材等。對于這類系統(tǒng)，當確定了主令單元后，“同步”是指比值控制，相鄰單元的速度比值系數可以等于1或大于1或小于1，具體的數值由工藝來決定。2.8.2.4 跟隨運動控制跟隨控制是多軸運動控制的一種類型，設1#軸為主令軸，該軸編碼器的輸出信號除了用于本軸的速度反饋或位置反饋外，還是2#軸控制系統(tǒng)的速度給定或位置給定信號，依次類推，從而構成速度跟隨或位置跟隨

41、控制系統(tǒng)。2.8.2.5 同步&跟隨運動控制對于紡織機械而言，這種模式更為實用?！巴健?的第一層意思是指比值控制，相鄰單元的速度比值系數可以等于1或大于1或小于1；“同步” 的第二層意思是解耦，例如，啟動和停車過程，各個軸之間的跟隨檢測機構應該不動，相當于解耦?！案S”的著重點是穩(wěn)態(tài)，在恒定車速時依靠跟隨檢測機構和控制器實現各個軸之間的緊緊跟隨，盡可能做到跟隨位置誤差為零。2.8.3 液壓運動控制系統(tǒng)2.8.3.1 液壓運動控制系統(tǒng)的執(zhí)行器和驅動器液壓運動控制系統(tǒng)的執(zhí)行器是液壓缸或液壓馬達，液壓缸是實現直線運動的執(zhí)行器。液壓馬達是實現旋轉運動的執(zhí)行器。驅動器是液壓泵，它的作用是供給一

42、定流量的壓力油液，為液壓系統(tǒng)提供動力。2.8.3.2 液壓運動控制系統(tǒng)的控制閥和液壓輔件 液壓控制閥包括方向閥、壓力閥、流量閥、溢流閥、高速開關閥、比例閥和伺服閥。液壓輔件包括濾油器、蓄能器、壓力表、熱交換器和油箱等。2.8.3.3 液壓運動控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點液壓運動控制系統(tǒng)包括位置、速度、加速度和力控制系統(tǒng)。1. 液壓運動控制系統(tǒng)的優(yōu)點 1）在同等輸出功率下，液壓裝置的體積小、重量輕、慣性小電動執(zhí)行器的動作是基于電磁作用，鐵磁材料的磁通飽和特性使得一定體積的電動執(zhí)行器不能輸出大的力或力矩。即便是優(yōu)質的鐵磁材料，每平方厘米面積所產生的力也不超過220牛頓，而液壓執(zhí)行器每平方厘米面積所產生的力已超

43、過3200牛頓。因此，與電動機同樣大小的液壓馬達，其輸出力矩是電動機的十幾倍。液壓馬達的轉動慣量是相應功率電動機的轉動慣量的1左右。轉動慣量的減小使得環(huán)節(jié)的時間常數減小，從而加快了響應速度。 2）液壓閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量大 液壓裝置允許有較大的增益值，液壓裝置的時間常數一般是電動裝置的1/5至1/10，因此，液壓閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量大。 3）液壓系統(tǒng)的剛性高 液壓油的可壓縮性小，當負載變化時所引起的液壓油的體積變化很小，故系統(tǒng)剛性高。電動機的輸出力矩是由電磁作用產生的，其剛性比液壓系統(tǒng)低。 2. 液壓運動控制系統(tǒng)的缺點 1）需要單獨的能源 需要由電動機、泵、閥、油箱等組成液壓站，進行能量的

44、兩次轉換。不便于遠距離傳輸。 2）對液壓油的抗污染要求高 液壓伺服閥要求油液中的雜質顆粒直徑不大于5mm，否則會造成堵塞甚至損壞元件，故對生產現場的環(huán)境要求較高。 3）對油溫比較敏感 當溫度變化時，液壓油的粘性隨之變化，導致運動特性發(fā)生變化。 4）液壓元件的加工精度要求較高 要求液壓元件的配合面絕對不泄漏是不可能的，而液壓元件的泄漏使得液壓系統(tǒng)不能嚴格地保證定比傳動。為了減少泄漏，對液壓元件的加工精度要求較高。2.8.4 氣壓運動控制系統(tǒng)2.8.4.1 氣壓運動控制系統(tǒng)的執(zhí)行器和驅動器氣壓運動控制系統(tǒng)的執(zhí)行器是氣缸或氣動馬達，氣缸是實現直線運動的執(zhí)行器。氣動馬達是實現旋轉運動的執(zhí)行器。驅動器是

45、空氣壓縮機（簡稱空壓機），它的作用是供給一定壓力和流量的壓縮空氣，為氣壓系統(tǒng)提供動力。2.8.4.2 氣壓運動控制系統(tǒng)的氣壓控制元件和氣壓輔助元件 氣壓控制元件包括方向閥、壓力閥、流量閥和邏輯元件。氣壓輔助元件包括過濾器、干燥器、壓力表、消聲器和管接件等。2.8.4.3 氣壓運動控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點氣壓運動控制系統(tǒng)包括位置、速度、加速度、力和力拒控制系統(tǒng)。1. 氣壓運動控制系統(tǒng)的優(yōu)點1）工作介質成本低氣壓運動控制系統(tǒng)的介質是空氣，故成本低而且環(huán)保。 2）工作介質粘度低 壓縮空氣的粘度很低，因此，用氣量較大的企業(yè)都設有空氣壓縮站，進行集中供氣和遠距離輸送。 3）耐環(huán)境性 氣壓運動控制系統(tǒng)可在易燃、易

46、爆、多粉塵和振動等惡劣環(huán)境中工作。 2. 氣壓運動控制系統(tǒng)的缺點 1）需要單獨的能源 需要由電動機、空氣壓縮機、閥、儲氣罐等組成氣壓裝置或空壓站，進行能量的兩次轉換。 2）空氣的可壓縮性大 空氣的可壓縮性大，會影響位置和速度控制精度。 3）氣壓信號傳送速度低 氣壓信號傳送速度限制在聲速以內，不適用于高速傳送信號。2.8.5 綜合運動控制系統(tǒng)根據工藝要求，有的生產設備既需要使用電氣運動控制裝置又需要使用液壓運動控制裝置；有的既需要使用電氣運動控制裝置又需要使用氣壓運動控制裝置；有的三者均需要，從而構成了多種模式的綜合運動控制系統(tǒng)。2.8.5.1 電氣與液壓運動控制系統(tǒng)電氣與液壓運動控制的應用實例

47、之一是1450熱連軋機，該機的電氣運動控制系統(tǒng)采用Siemens公司的SimovertMasterDrives多機架交流傳動系統(tǒng)。液壓卷取機由日本三菱重工提供。卷取機控制系統(tǒng)的任務是根據過程計算機的數據或操作人員給定的數據和指令，來控制電氣與液壓傳動裝置。電氣與液壓運動控制的應用實例之二是阿博格精密注射成型機，該機采用模塊化設計，注射成型機各運動系統(tǒng)可在全液壓到全電動兩個極端之間根據用戶生產實際需要而采取液壓與電動的隨意組合。2.8.5.2 電氣與氣壓（氣動）運動控制系統(tǒng)電氣與氣壓（氣動）運動控制廣泛地應用于通用機械、汽車、鋼鐵、橡膠、塑料、造紙、印刷、紡織、印染及食品等生產設備上。1.橡膠工

48、業(yè)以擠出壓延法膠片生產線為例，該機主要由銷釘冷喂料擠出機、二輥壓延機及單層膠片輔機等組成。配套輔機主要由接取裝置、六輥冷卻裝置、切割輸送帶、移動輸送帶、機架、雙工位表面卷取裝置、氣壓控制管路、排煙罩及電氣部分等組成。該生產線的接取裝置、六輥冷卻裝置中采用電氣傳動；移動輸送裝置中采用了移動氣缸；墊布導開裝置的張力由導開端部的氣動摩擦片控制，通過調整差壓調壓閥的壓力控制氣動摩擦片對摩擦盤的壓力，來獲取不同的張力。 2. 塑料工業(yè)以雙向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜生產線為例，該生產線全長約80米，主要包括擠出機及機頭系統(tǒng)、冷輥裝置、前掃描測厚裝置、儲片架、縱向拉伸區(qū)域、橫向拉伸區(qū)域、橫拉輥裝置、后處理

49、區(qū)域、后掃描測厚裝置、上卷輥裝置以及收卷區(qū)域。前部傳動對擠出電機、冷輥電機、慢速輥電機、快速輥電機和橫拉輥電機共五臺交流永磁同步電機進行控制、后部傳動對后處理電機、上卷輥電機、收卷1電機和收卷2電機共4臺交流永磁同步電機進行控制。相鄰單元之間的同步檢測采用氣缸加壓式浮動輥裝置，該裝置的角位移傳感器輸出信號經變送后送到PLC，由PLC進行同步控制。3. 造紙工業(yè)造紙機由網部、壓榨、前干燥、后壓榨、后干燥、壓光和卷紙等部分組成。工藝流程為：流漿箱輸出的紙漿在網部脫水成型，在壓榨部進行壓縮使紙層均勻，經過前干燥進行干燥，接著進入后壓榨進行施膠，再進入后干燥器烘干處理，然后利用壓光機使紙張平滑，最后通

50、過卷紙機形成母紙卷。造紙機為多分部系統(tǒng)，電氣運動控制系統(tǒng)為多分部變頻調速同步控制系統(tǒng)。其氣壓運動控制裝置包括氣動脫水、氣動糾偏、復合式氣動刮刀和退紙氣動制動等裝置。 4. 印刷工業(yè)以凹印機為例，其電氣運動裝置為無軸(電子軸)傳動裝置，每個印刷單元都由高性能的交流伺服電機獨立驅動。氣動裝置用于印刷過程中的張力檢測與控制。浮動輥式張力檢測方式是一種間接的張力檢測方式，實質上是一種位置控制，當張力穩(wěn)定時，料帶上的張力與氣缸作用力保持平衡，使浮動輥處于中央位置。當張力發(fā)生變化時，張力與氣缸作用力的平衡被破壞，浮動輥位置會上升或下降，此時擺桿將繞M點轉動并帶動浮動輥電位器一起轉動。這樣，浮動輥位移傳感器

51、準確地檢測出浮動輥位置的變化，它將以位置信號反饋給張力控制器，控制器經過計算并輸出控制信號，控制伺服驅動系統(tǒng)進行糾偏。然后浮動輥恢復到原來的平衡位置。由于浮動輥式張力檢測裝置本身是一種儲能結構，利用其自身的沉余作用，對大范圍的張力跳變有良好的吸收緩沖作用，同時也能減弱料卷的偏心（橢圓）以及速度變化對張力的影響。此系統(tǒng)要求氣缸磨擦系數小，響應速度快，氣源穩(wěn)定。浮動輥和擺桿的重量要輕，轉動要靈活。 浮動輥/反饋復合式張力檢測方式：它可同時檢測由浮動輥位移傳感器輸出的浮動輥位置信號和張力傳感器輸出的張力信號，從而可向系統(tǒng)提供更高精度的張力控制。其特點是：它不但具有浮動輥控制對大范圍張力跳變的吸收或緩

52、沖功能，而且還對機器加、減速時有很好的緩沖平穩(wěn)作用，并容易實現高速切換卷。具有張力傳感器閉環(huán)控制的高精度、高重復性的特點。例如美國蒙特福(MONTALVO)公司的X/D3000型浮動輥/反饋復合式張力控制裝置就屬于該種類型。  5. 紡織、印染工業(yè) 電氣與氣壓運動控制裝置廣泛地應用于紡織和印染工業(yè)中，舉例如下： 1）多倉混棉機多倉混棉機有4倉、6倉、8倉、10倉之分，采用逐倉喂入原料，原料為經過初步開松的各種等級的原棉、棉型化纖和中長化纖。采用梯度儲棉、同步輸出和多倉混棉。電氣運動控制系統(tǒng)采用交流變頻電動機傳動，與前后機臺連鎖，同步工作。氣壓控制系統(tǒng)由空壓機、調壓閥、壓力繼電器、電磁

53、閥和氣缸等組成，用于向各個料倉輸棉并控制面葙內棉層高度。 2）并條機 并條的任務是對梳棉機輸出的生條進行并合、牽伸、混合及成條。新型并條機的電氣運動控制采用四套交流伺服傳動裝置。氣壓運動控制為氣動搖架加壓裝置，該裝置由空壓機、搖架體、壓力板、手柄轉子、后分配桿、前分配桿和氣囊等組成。每根膠輥的壓力都能分別調節(jié)。 3）細紗機 細紗工序的任務是環(huán)錠細紗機的電氣運動控制采用多電機分部傳動，錠子、羅拉、鋼領板升降分別由三臺變頻調速電動機傳動。 氣壓運動控制為氣動搖架加壓裝置，該裝置由空壓機、搖架體、壓力板、手柄轉子、后分配桿、前分配桿和氣囊等組成。 4）漿紗機 漿紗是經紗準備工程中的重要工序。漿紗是使經紗內部、表明滲入和