2012工程机械自动化技术全套PPT电子课程课件教案（完整版）.ppt

工程机械自动化技术,工程机械模块课,一、课程教学目的,工程机械自动化技术是研究以工程机械为机械本体，结合电力电子技术、液压传动技术、计算机控制技术而形成的机电液自动化系统。该课程是一门具有一定的理论性、实践性较强的综合性专业课。1、掌握工程机械自动化技术的基本概念，自动化技术的基础知识;2、初步掌握工程机械机、电、夜系统的设计过程与分析方法;3、提高对工程机械自动化系统的综合分析能力。,二、教学内容第1章绪论(1h),工程机电一体化的含义及系统组成；工程机电一体化技术的发展历史及特点。,第2章工程机电产品的可靠性设计(6h),介绍工程机电系统余度、可靠性的概念；工程机电系统可靠性的软件设计方法；工程机电系统可靠性的硬件设计方法；工程机电系统的干扰及其抑制。,第3章沥青混凝土摊铺机调平机电液自动控制系统(4h),介绍工程机电液系统的设计过程及设计方法；介绍混凝土摊铺机发展概况；混凝土摊铺机自动调平机电液控制系统：1、开关式自动调平系统及其自动控制系统；2、比例式自动调平系统，比例式自动调平原理及自动控制系统。,第4章液压挖掘机的自动控制技术(4h),介绍液压挖掘机的发展现状及机器人化的意义；液压挖掘机工装位姿的数学建模；液压挖掘机工装轨迹的控制方法；挖掘机工装轨迹PID控制技术及系统仿真。,第5章起重机的变频调速技术(3h),介绍起重机的调速方式；变频调速的基本知识，起重机变频器的种类；变频调速在起重机中的应用。,三、考试权重课程的总成绩由以下几部分构成：期末考试成绩占60平时成绩占40(出勤10分，作业30分）,第1章绪论(1h)1.1工程机电一体化的含义。,工程机电一体化技术是机电一体化技术在工程机械中的具体应用，在此引用了机电一体化的概念“机电一体化”源于“Mechatronics”，该词的构成有两种提法，一种认为由Mechanism的前半部分和Electronics的后半部分合成，应理解为“机械的电子化”。另一种认为是Mechanics的前半部分和Electronics的后半部分合成，应理解为“机械电子学”。,本课程将机电一体化定义为:以电子技术特别是微电子技术为主导的多种新兴技术与机械技术交叉、融合而成的综合性高技术。从定义可知，一体化技术是以机械技术为本体，和其它技术融合。高技术的特点：高投入；高风险；高回报机电一体化包含机电一体化产品与机电一体化技术。机电一体化产品：是指机械系统与微电子系统相互置换和有机结合，从而赋予新的功能的和性能的新一代产品。机电一体化技术：包括技术原理和使机电一体化产品得以实现，使用和发展的技术。,机电一体化在不同的行业称呼不同,机电一体化,机电液一体化,机电光一体化,其他新兴行业,机电信一体化,机电仪一体化,工程机电一体化通常称为机电液一体化，近些年来又出现了一些新方向：机电技术与医学、生物学的结合,1.2工程机电一体化系统的组成。,机械本体,控制和信息处理设备,检测传感部分,动力系统,执行部分,驱动部件,(1)机械本体。包括机械设备的壳体、机身、支架、床体等支撑结构。(2)检测传感部分。用于检测系统运行中的一些关键参量或状态，可以把非电量(温度、压力、位移、流量等)转变成电信号，然后送人控制处理设备。（3）驱动部件。它把输入的控制“电信号”放大、变换、匹配，然后推动执行机构。是连接强电设备和弱电设备的纽带。驱动部件中广泛采用电力电子器件，如晶闸管、双极型功率晶体管(GTR)、功率晶体管(P-MOSFET)、绝缘栅极电力晶体管(GBT)等,（4）控制和信息处理设备。这是整个装置的指挥中枢，是核心,由计算机实现。可作为工程机电一体化系统实时控制器的微计算机种类越来越多，如：单片机、单板机、台式机、PLC、嵌入式计算机、DSP等。设计和实现工程机电一体化系统，需要从以下几个指标来选择微型机：速度、字长、指令系统、输入/输出控制方式及容量等等；在实际应用中，还要考虑高可靠性、可维护性、微型化、价格要求等等。,(5)执行部分。它根据信息处理部分的指令，来完成规定的机械动作。包括电动执行机构、气动执行机构、液动执行机构。各种伺服电机、步进电机、电磁阀、继电器。气动执行机构如气缸、气阀、气动马达等。液动执行机构如油缸、液压马达、摆动油缸等。(6)动力系统。是为产品提供能量与动力功能，去驱动执行机构，使系统正常运行。来源于电动、液动、气动的动力装置。,可以把机电一体化系统与人比较，看作一个“人”：机械本体人的躯体，支撑结构；传感器人的五官，能感知各种信号和信息；控制器人的大脑和神经系统；执行器同人的四肢；驱动系统人体的肌肉；动力系统人要靠食物供给能量，机械电子装置则主要靠电能、液压、气动。如图1-1所示。,1.3工程机电一体化的发展历史。,在技术上大致可以分为三个时期：人力，人力+简单工具+外力，机械化，自动化。智能化第一代产品：柴油机的出现，使工程机械有了较理想的动力装置，执行驱动部分为柴油机是第一代产品的标志。第二代产品：液压技术在工程机械的应用，使工程机械能满足复杂的作业要求，具有传动平稳性、过载性、可控性、易实现无级变速、操纵简单轻便。全面液压化为第二代产品的标志。,第三代产品：电力电子技术及计算机技术在工程机械上的广泛应用，使工程机械向着高性能、自动化和智能化方向发展。为了减轻驾驶员劳动强度和改善操纵性能，需要实现工程机械自动化、智能化；为了提高安全性，需要安全控制，进行运行状态监视，故障自动报警；为了避免人员无法及不易接近的场所和作业十分恶劣的环境，需要采用远距离操纵和无人驾驶技术。如摊铺机自动找平控制，挖掘机节能控制、全功率控制、轨迹控制、自动掘削控制等。自动化、智能化为第三代产品的标志。,1.4工程机电一体化技术的主要特征,主要特征,综合性和系统性,多层次，覆盖面广,智能化、大型化,机械电子化,高可靠性、高精度,1具有综合性和系统性：机电一体化技术是由微电子技术、计算机技术、信息技术与机械技术结合而成的综合性高技术。多种技术综合成一个完整的系统中，相互要求、取长补短、不断向系统化、复合集成化的方向发展。使机电一体化技术及产品更具有系统性、完整性和科学性。2多层次，覆盖面广：从简单的单台机电一体化产品，到现代工业中的柔性加工系统；从简单的单参数显示，到复杂的多参数、多级控制；从机械零部件自动生产线，到各种现代高速重型机械自动化生产线等，机电一体化技术都有不同层次、覆盖面很广的应用领域。,3机械电子化：（1）增加微电子控制实现机械产品的多功能和高性能。（2）机械式机构被电子装置所取代。（3）充分考虑机电接口，互相融合形成新一代高性能产品（机电一体化的发展过程）。4高可靠性、高稳定性、高寿命、高精度产品中的机械部件减少，使磨损以及配合间隙等所引起的误差减小，采用了计算机及控制技术，使得控制精度及处理速度提高，通过自行诊断、校正、补偿实现高工作精度。因此，装置的寿命提高，故障率降低，提高了产品的可靠性性能上向高精度、高效率、智能化的方向发展，功能上向巨型化、轻型化、多功能方向发展。,第2章工程机电系统（产品）的可靠性设计(6h)2.1工程机电系统可靠性的概念,1余度：是指系统出现两个或两个以上的独立故障，才引起不希望的工作状态的设计方法。(1)余度技术使用条件：已无提高系统可靠性的其它方法。零、部件的改进成本已高于使用余度技术。(2)余度采用的方式：采用两个或两个以上的部件，分系统或通道，每个都能执行给定的功能；采用监控装置，它能检测故障，完成自动转换。,余度技术也可采用冗余技术描述，主要有工作冗余、后备冗余。工作冗余（工作储备）：是两个或两个以上的单元并行工作的模型。特点是两个单元同时工作。后备冗余（非工作储备）：平时只是一个单元工作，另一个单元是储备的。出现问题后，更换到储备单元，可以是自动更换，也可以是人工更换。自动更换采用自动诊断技术：可以自动监测，确定故障，采取措施，自动恢复。机械本体多采用后备冗余（零部件备份）。,2可靠性可靠性的定义是指产品或系统在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。例如，一台计算机在室内有空调的条件下，使用3000小时不出故障的可能性为67，即意味着在3000小时内无故障的概率为67。可靠性是一个统计学的概念，表明在某一时间内某个产品或系统稳定正常完成预定功能指标的概率。,3系统的可靠性模型。(1)串联结构模型。串联结构是系统由几个功能器件组成，其中任何一个器件失效，都将引起所有部件和整个系统失效。(2)并联结构模型。并联可靠性结构又叫冗余结构，是指一个系统由几个部件构成，只要其中有一个部件正常工作，系统就能正常工作。并联结构系统按其组成部件的数量又可分为双重、三重或多重系统。,2.2工程机电系统可靠性的软件设计方法,机电系统故障可以分为两类：先天性固有的。如元器件生产过程中造成的错误，线路与程序在设计过程中产生的错误。这一类错误需用对其拆除更换或改正；后天性的。是由于系统在运行中产生的缺陷所导致的故障。故障有永久性(地磁场)的、瞬间性（雷电）的及间歇性（环境中功率负载）的区别。,2.2.1软件容错设计的一般方法,软件容错是通过增加程序以提高系统的可靠性。常用的软件容错技术主要以下两种：信息容错和时间容错。（1）信息容错技术。信息容错是为了检测或纠正信息在运算或传输中的错误，而外加的一部分信息。如串行通信中的奇偶效验。（2）时间容错技术。时间容错是以牺牲时间来换取工程机电系统高可靠性的一种手段。,时间容错技术可以有两种方式：一种是有限度地降低机器的速度来增加系统的可靠性,系统的可靠性与其运行速度基本上按指数形式变化，速度越高可靠性越低。另一种是以指令复执及程序卷回来消除瞬时干扰带来的影响。指令复执。当机器检出错误后，让当前的指令重复执行若干次。在指令复执期间,如果故障是瞬时性的，可能不再出现。指令复执须保留上一指令结束时的“现场”。主要包括累加器、指令计数器(Pc)以及其他有关寄存器的状态。程序卷回。程序卷回是一小段程序的重复执行。,1、干扰的作用形式主要以下三种形式(1)叠加于被测模拟输入信号上。由于这些噪声的随机性，可以通过软件滤波(即数字滤波技术)滤掉干扰。(2)作用于输入的数字信号，改变其逻辑状态。可以通过重复检测的方法，将随机干扰引起的虚假输入状态信号滤除掉。串行通讯技术利用重复检测的方法滤掉干扰(3)机电系统的干扰作用于CPU，使运行程序发生混乱，导致系统失控。,2.2.2软件抗干扰技术,常用的软件抗干扰措施为：数字滤波方法；软件冗余技术；“看门狗”技术；故障自动恢复处理技术2、数字滤波技术数字滤波器是将一组输入数字序列进行一定的运算而转换成另一组输出数字序列的装置。是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重，是一种程序滤波。和模拟滤波相比，有以下优点：数字滤波是程序实现的，不需硬设备，成本低，有较好的可靠性、稳定性。,数字滤波器可以对低频（0.01Hz）的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的不足。数字滤波器可以依据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点(1)算术平均滤波法。算术平均滤波法就是连续取N个值进行采样，然后算术平均。适用于具有随机干扰的在某一数值范围附近上下波动的信号进行滤波，特点是具有均值性。这种滤波法当N值较大时，灵敏度低；当N值较小时，平滑度低，但灵敏度高。应视具体情况选取N，以使既节约时间，又滤波效果好。对于流量，取N12；压力，取N4。,(2)中位值滤波法。中位值滤波法就是对某一被测参数连续采样N次(一般N取奇数)，然后把N次采样值按大小排列，取中间值为本次采样值。中位值滤波能有效地克服因偶然因素引起的波动干扰。适于温度、液位等变化缓慢的被测参数。但对于流量、速度等快速变化的参数一般不宜采用。(3)防脉冲干扰平均值滤波法。由于平均值法不易消除由于脉冲干扰而引起的误差，为此，可先去掉N个数据中的最大值和最小值，然后计算N2个数据的算术平均值。体育比赛中常采用此方法,如体操、跳水比赛.,3、软件冗余技术计算机的指令操作过程：计算机的指令由操作码和操作数两部分组成，操作码指明CPU完成什么样的操作(如传送、算术运算、转移等)，操作数是操作码的操作对象(如立即数、寄存器、存储器等)。CPU取指令过程是先取操作码后取操作数。一旦PC因干扰而出现错误，程序便脱离正常运行轨道，出现“乱飞”，出现操作数数值改变以及将操作数当作操作码的错误。为避免此类错误，可采用软件冗余技术。,软件冗余技术有程序段冗余、指令冗余、软件陷阱。(1)程序段冗余。程序段冗余是对于一些主要的关键程序，可以设计多套程序，其功能相同，但程序结构、数据区不同。一旦运行的程序出现错误或内存出错，则可以自动切换到备用程序，以保证系统脱离故障。(2)指令冗余。指令冗余技术为了使“乱飞”程序在程序区迅速纳入正轨，在关键地方人为地插入一些单字节指令（如NOP）及一些重要指令。,NOP的使用a可在双字节以上指令之后插入两个单字节NOP指令，这可保证其后的指令不被拆散。因为“乱飞”的程序即使落到操作数上，由于两个空操作指令NOP的存在，不会将其后的指令当操作数执行，从而使程序纳入正轨。b对程序流向起决定作用的指令(如配RET、ACALL、LJMP、JZ、JNZ、JC、JNC、等)之前插入两条NOP指令。C对系统工作状态起重要作用的指令(如SETB、EA等)之前插入两条NOP指令。,重要指令冗余对程序流向起决定作用的指令(如配RET、ACALL、LJMP、JZ、JNZ、JC、JNC、等)和某些对系统工作状态起重要作用的指令(如SETB、EA等)的后面,可重复写上这些指令，确保这些指令正确执行。(3)软件陷阱。该技术是指当PC值被改变，程序误入非程序存贮区，致使程序运行失常时，我们可以在非程序存贮区设置软件陷阱，就是将非程序存贮区设置为跳转指令，用引导指令强行将扑获到的乱飞程序引向复位入口地址0000H，在此处将程序转向专门对程序出错进行处理的程序，使程恢复正常。,软件陷阱主要形式：形式之一的机器码为：0000020000；形式之二的机器码为：020202020000陷阱形式对应入口地址形式一NOP0000H：LJMPMAINNOPJMP0000H形式二LJMP0202H0000H:LJMPMAINLJMP0000H0202H:LJMP0000H,4、软件看门狗方式“看门狗”即“Watchdog”是监控定时器，其可监视系统运行状态。“看门狗”定时器的时间常数大于程序执行一次所用的时间。“看门狗”分硬件“看门狗”和软件“看门狗”，也可由两者结合实现。由硬件实现的“看门狗”技术，可以有效地克服主程序或中断服务程序由于陷入死循环而带来的不良后果。但在工业应用当中，严重的干扰有时会破环中断方式寄存器，导致中断关闭，这时硬件“看门狗”电路功能将不能实现。依靠软件进行双重监视，可以弥补上述问题。,起升机平层控制器“看门狗”实例,选用AT89C52中增强型计数器T2来做“看门狗”的计数，将它的溢出中断设定为高级中断。当“看门狗”启动后，在关键模块程序中，必须在一定的时间内（小于定时时间）重新给定时器赋初值，这样在程序正常运行时就不会产生溢出中断。当程序掉入死循环后，由定时器溢出中断为高级中断，夺走CPU的控制权，产生一次定时器溢出中断，从而退出死循环。以起升内层等待循环为例，软件看门狗监控流程如图所示,5、RAM中数据冗余保护技术在机电系统中，RAM没有掉电保护，则电源关闭后，RAM中数据丢失；若RAM有掉电保护，但在电源开启和断电过程中，有可能造成RAM中数据丢失；CPU受到干扰而造成程序乱飞时，也有可能破坏RAM数据区。对备份数据的建立应遵循如下原则：（1）各备份数据间应相互远离分散设置，减少备份数据同时被破坏的概率。（2）各备份数据应尽可能远离堆栈区，避免由堆栈操作错误造成数据被冲毁的可能。（3）备份不得少于2份，备份越多，可靠性越高，一般多采用三备份。,2.3工程机电系统可靠性的硬件设计方法。2.3.1工程机电的电磁干扰,1电磁干扰的含义所有能够引起设备、传输通道或系统性能下降的电磁现象(电压、电流或电磁场)统称为电磁干扰或电磁噪声。电磁兼容性电磁兼容性(EIectromagneticCompatibiLity，EMC)包括两方面的含义：电子系统或机电设备之间在电磁场环境中的相互兼顾；电子系统或机电设备在电磁环境中能正常工作。,这就是说，设计一个电子系统或机电设备时一方面必须考虑两方面：（1）在所处的电磁环境中,按设计要求系统可以正常工作；（2）必须限制自身发出的电磁噪声使之不致影响其它系统或设备的正常工作。我们把满足这些要求的设备和系统称为电磁兼容的。2机电系统中常见的电磁干扰电磁干扰按传播途径可以传导干扰和辐射干扰。传导干扰有电耦合、磁耦合及电磁耦合。辐射干扰有近区场感应耦合及远区场辐射耦合。,电磁干扰按干扰源的性质可以分为两类：自然干扰和人为干扰。自然干扰包括宇宙干扰、天电干扰及雷电冲击等自然界的的电磁噪声。主要有：(1)大气噪声，如雷电；(2)太阳噪声，太阳黑子活动时产生的磁暴(3)宇宙噪声，来自银河系；(4)静电放电(ESD)。人为干扰包括工业干扰、辐射干扰、传导干扰、串扰、天线端传导干扰、宽带干扰、窄带干扰、有害干扰、大功率效应及电磁脉冲。,3.机电系统的雷电干扰及防护雷电是由于大气放电产生的，持续时间约50100Ps，电流可达200-300kA，温度可达2万，从而出现耀眼的光和雷鸣。雷电对系统的危害一种是直击雷危害，另一种是感应雷危害。直击雷是指：当雷云很低周围又没有异性电荷雷云时，就在地面的凸出物上感应出异性电荷，造成与地面凸出物之间的放电。高大的树木，家用电器的天线及其他天馈系统常常成为直击雷的目标，其电压可高达5000kV。,感应雷的产生原理如图所示，雷电放电电流是强烈的噪声源，在周围空间辐射电磁场，从而使地面上的金属导体感应出很高的电压。系统中的信号线、电源线上都可能由于感应雷的作用而产生浪涌高压脉冲。为预防直击雷，应该架设避雷针，单根避雷针的保护范围如图所示，在Z方向可保护折线以下部分，在x、y平面上保护范围是个圆，地面上的圆直径最大为3倍的避雷针高度。双根避雷针加避雷线保护范围更广，如图9.4所示。,“大地”的含义：避雷针的接地电阻一般要求为510，国标关于计算机房场地的标准规定防雷接地电阻不大于l。需要一定截面积的导线、一定尺寸的铜板、埋入地下的一定深度。强大的雷电流通过防雷接地极注入大地后，地电流向周围扩散，从而引起周围地电位大大升高，这可能对附近的电子设备产生干扰。起重机的避雷措施：关于起重机标准中，在不同的时期的标准，其规定有所不同。GB50194-93建设工程施工现场供电安全规范第4.2.2条规定：施工现场和临时生活区的高度在20以上的井字架、脚手架、正在施工的建筑物以及塔机、机具、烟囱、水塔等设施，均应装设防雷保护。,国家质量监督检验总局年月发布的起重机械监督检验规程附录“塔式起重机检验内容要求与方法”中规定：有雷击可能的起重机，一般不必另行设置独立避雷针（接闪器）或附设避雷针，其整体结构可以做为接闪器和引下线。但要求司机可能触及的金属构架必须与起重机整体金属结构有可靠的金属连接，每侧大车轨道的两端均应设置接地装置。防雷接地电阻不大于。,综合可理解为：大多数地区的工作环境和塔机的高度而言，塔机要设立避雷装置。塔机的塔顶、臂架可作为接闪器，塔机的金属结构可作为防雷引下线，但应保证电气连接的可靠性。塔机本身是金属结构，标准节之间用高强度螺栓联接，且有11004800的预紧力矩要求。问题：连接表面常存在尘土、油漆、黄油，有些又存在锈蚀现象，其接触电阻是很大的，整个塔身整体性的导电性能不是很好。因此，应对塔机接地的良好性进行测试。,2.3.2工程机电系统的电源干扰及防护,1计算机设备应与大功率动力负载分开供电大功率用电设备，如各种电机、可控硅、电焊机、电磁阀、晶闸管等的接通和断开都会在供电电源中产生很严重的噪声，包括脉冲噪声、电压瞬时升降或中断、各种频率的谐波、高频噪声等。在380220V的低压电网上的脉冲噪声大多数是无规律的正负尖峰脉冲。振荡频率可高达20MHz，尖峰脉冲前沿陡峭，上升时间可达几个ns，有效电流可达100A，脉冲峰值约为100v一10kV。,2不间断供电电源(UPS)在经常发生电网停电的地方，为防止RAM信息丢失，及数据没来得保存，计算机系统必须考虑安装不间断供电电源(UPS)，以保证电网停电时，计算机及外设仍能正常工作。UPS分在线式和后备式，在线式功率小些，如500W、1KW，只能够维持短时间的工作，后备式功率大，可长时间供电，UPS无稳压作用。3交流稳压器对于电网电压较长时间的欠电压、过电压和电压波动（允许10%），则需要安装交流稳压器，其可实现对电压的调整。,2.3.3工程机电系统的接地及接地干扰,接地问题主要考虑桑三方面的内容:接地的安全性；接地的正确性；接地的可靠性。工程机电系统的接地从大的方面可分为多个设备之间接地及设备内部接地。多个设备之间常可分为强电设备、弱电设备和强弱电混合设备接地。,在每个设备内部可能有多种接地线，但概括起来可以分成三种基本类型为:安全保护接地、工作接地、屏蔽接地。（1）保护地线。为避免工作人员因设备绝缘损坏或性能下降时，遭受触电危险和保证设备安全为目的设置的，通常与金属机壳机架相连接。（2）工作地线。为设备中各个电路提供稳定的零基准电位，其地线称为系统（工作）地线。（3）屏蔽地线。为了抑制噪声，电缆、变压器等屏蔽层需接地，相应的地线称为屏蔽地线。,1设备之间的接地(1)弱电设备的接地布置弱电设备的保护地线和屏蔽地线最终都是连接到某一点，然后接大地，但是系统地线则不一定，有时系统地线是浮置的，如图所示。,(2)强、弱电混合设备的接地布置强弱电混合设备的接地布置方式下面两种：设备中的系统地线、屏蔽地线和保护地线不在机柜内的中心接地点汇合,而是分别引出机柜外，然后与相应的接地母线相连接，再接入大地。注意：强、弱电在系统内部不共地，在无真正大地的时候，强、弱电之间要隔离，不存在公共接地点（见图9.14所示）。把系统地线和屏蔽地线在机柜内合为系统接地母线，仅安排两条母线，一条接保护地线，一条接系统地线和屏蔽地线，最后两条母线通过各自的接地极接入大地。,2设备内部的接地设备内部接地的目的主要有二个：一是为了保护人身和设备的安全，免遭雷击、漏电、静电等危害，这类地线称保护地线，应与真正大地相连接，有时也不接大地，例如飞机上的设备接飞机壳体就是接地。二是为了保证设备的正常工作，作为参考零电位。如直流电源常需要有一极接地，其他极与之比较，例如土15v，十5v等。信号传输也需要有一根线接地，作为基准电位，这类地线是工作地线。,(1)交流单相220v一供电保护地线交流单相220v有三根线：火线、中线、保护地线。正常工作时电流从火线流经负载，然后由中线返回，保护地线中无电流流过。（2）交流三相380v一供电保护地线目前使用380V电源供电，采用三相五线制接法，以提供必要的保护地线。在三相供电变压器处有一根专用地线直接入大地，变压器输出端的四根线即A、B、C三相和中性线，在配电盘上再加一条保护地线，共有五条线提供给用户，见图9.17所示。,(3)工作地线。工作地线的目的是给电源和传输信号提供一个等电位。阻抗干扰：在实际电路中，工作地线兼作电源和信号的回流线，当回流流过工作地线时，就会在地线的阻抗上产生电压降，因此地线上各点的电位不同，任意二点间存在着一定的电位差，产生共阻抗干扰。单点串联接地方式。电路的接地点由工作地线串联起来，然后接地。由于各段地线存在阻抗，其主要成分是地线分布电感的感抗，接地点的地电位与其他电路的地电流及地线阻抗有关，受其他电路的影响，各电路接地点的电位不同，地线不再是等电位线，产生共阻抗干扰，见图9.18所示。,单点并联接地方式。电路各自独立地在同一点接地，各接地点的地电位只与本电路的地电流及地线阻抗有关，不受其他电路的影响，这是单点并联接地方式的优点见图9.18所示。单点串、并联联合接地方式。在实际电路布置中常常把单点并联和单点串联方式结合起来使用。把容易产生相互干扰的电路分组：把模拟电路和数字电路；小功率和大功率电路；低噪声电路和高噪声电路等。在每个组内采用单点串联方式，选择在电位最低的电路处作为小组接地点，再将各接地点并联见图9.18所示。,2.3.4输入输出通道抗干扰技术,机电控制系统有信号检测回路和输出控制回路，这些回路可称之为输入输出通道（见下图所示）。工程现场经常采用强电驱动：交流电动机、大功率电磁阀或大电流的交流接触器。这些大电流负载动作会对系统的输人输出通道的工作产生干扰。在信号长线传输时，由于线路阻抗不匹配，也会对信号传输质量产生影响。如在传输线上传递脉冲方波时，就会出现延时、畸变、衰减等现象。,),(,t,e,),(,t,r,-,),(,t,u,),(,t,y,模拟输出通道,模拟输入通道,A/D,智能控制器,D/A,保持器,工程机械系统,实时时钟,采样,开关,-,1输入输出通道的串模干扰及抑制（1）串模干扰的作用形式。串模干扰也称常模干扰,它是指干扰信号和被测信号迭加在一起而引起的干扰,是串联在测量信号回路中的,如下图所示。串模干扰的途径有以下几种：迭加在直流输出电压上的纹波电压。这种串模干扰多属工频范围的干扰。外界变化的电磁场通过与信号线间电容和互感耦合、感应或直接辐射而形成的串模干扰。,(2)串模干扰的抑制为了定量地表示机电系统对串模干扰的抑制能力，可用串模干扰抑制比NMRR这个概念来说明。串模干扰抑制比被定义为其中，UIi系统引入的串模干扰电压幅值；UIo因引进串模干扰而引起的输出电压。当系统的输入端加入一定幅度的串模干扰信号时，要求引起系统的误差(UNM)越小越好。影响越小，表明系统对串模干扰的抑制能力越强，是NMRR越大越好。抑制串模干扰的方法一般有:屏蔽;滤波;分开走线或绞纽线传送信号。,2输入输出通道的共模干扰及抑制共模干扰常称为共态干扰、不平衡干扰。共模干扰对于系统（电路）的作用形式可由下图来说明。在以大地电位为基准的回路中，两根线1与2上对地有一个噪声电压UCM。在这个电路中，UCM的产生是由于回路间存在着一个公共阻抗。当两个输入端完全平衡时,UCM对电路无任何影响。图表示了共模干扰对电路的作用情况,US为信号电压,U2及U2分别代表负载两端电压受UCM影响的情况,由于输入端完全平衡,故UL仍等于US。,一般情况下,一个实际系统的两个输入端不可能完全平衡,共模干扰UCM将转化为串模干扰UNM而影响系统,见图所示。图中表示一个差分放大器与其输入传感器相距较远,两端地电位不一致,存在一个波动的电压UCM，加在两个输入端之间,从而产生了干扰。,UCM在R1、Z1回路及R2、Z2回路中各产生一个共模电压，引起的电流ICM1,ICM2分别为,由此，在R1、R2上产生的压降分别为ICM1R1和ICM2R2，这两个电压降是不等的。差分端出现的等效串模电压UNM为若,且Z1和Z2R1和R2则,由上式可以看出共模干扰转化成串模干扰的大小，取决于R1和R2是否趋于相等及Z是否足够大。系统抑制共模噪声的能力可以用共模抑制系数CMRR(CommonModeRejectionRatio)来描述。一般使用下式计算共模抑制系数CMRR其中：UCM为系统输入端的共模电压；UIN为因共模电压在系统输出端产生的电压,CMRR的单位为分贝（dB），其值越高，抑制共模能力越强。引起共模干扰的主要原因是地点位不一致。电桥的变换电路的供电电压也会在其输出端产生共模干扰。一般说来，共模干扰要转化成串模干扰才对电路起影响。若系统完全平衡，则说明它有完全不使共模噪声转化成串模干扰的能力。然而，完全平衡是很难做到的，总存在程度不同的不平衡，因而也总存在串模干扰的影响。消除共模干扰的主要方法：采用浮空隔离技术；隔离放大器；光电耦合隔离；系统一点接地。,3开关（脉冲）信号的抗干扰技术开关（脉冲）量输人输出过程中，其控制对象继电器线圈、电磁铁线圈等都会对通道产生很大影响，因此在设计时就要十分注意抗干扰问题。(1)开关量的电平转换提高开关量传输电平（提高噪声容限），可以增强抗干扰能力。计算机中的电平通常是TTL电平，因此存在一个TTL电平到其它类型电平及其它类型电平到TTL电平的转换问题。如TTL电平RS-232及RS-232TTL电平。采用1488、1489芯片实现。COM串行口为232电平。,(2)采用隔离技术继电器隔离对启停负荷不大、响应速度不太高的设备，一般采用继电器隔离，如图所示。继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系，可利用继电器的线圈接受弱电控制信号，利用触点的闭合接通强电回路，从而实现了弱电对强电系统的控制，又避免强电和弱电信号之间的直接接触，实现了抗干扰隔离。,光电耦合隔离光电耦合器响应时间快，可耦合驱动要求快速响应的直流负载，如图所示。光电耦合器的输入部分为发光二极管，后面是接收光敏三极管。可用TTL或CMOC电路驱动。光耦合电的抗干扰性将在模拟通道中作详细的介绍。,变压器隔离脉冲变压器可实现数字信号的隔离。脉冲变压器的匝数较少，可作为脉冲信号隔离器件。电路外部的输入信号经RC滤波电路和双向稳压管抑制常模噪声干扰，然后输入脉冲变压器的一次侧。,4模拟通道的抗干扰技术在模拟信号采集、传输过程中，由于信号有些在mA级，甚至是A级，易于受到干扰。传输过程中又易于产生畸变，因此，在设计时，要认真考虑抗干扰问题。(1)模拟量输入回路。在此电路中加入RC滤波器，以减小工频干扰对输入信号的影响。(2)适当选用A/D芯片。在干扰严重的场合，可选用双积分式AD转换器。这种转换器转换的是平均值，瞬间干扰和高频干扰对转换结果影响较小，可滤掉工频干扰。但这种双积分式A/D转换器转换速度较慢。,(3)隔离技术。隔离的作用：切断干扰噪声、隔离强弱电系统、消除环路地的干扰。信号的隔离目的之一是从电路上把干扰源和易干扰的部分隔离开来，使装置与现场仅保持信号联系。隔离的实质是把引进的干扰通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。之二是一般的系统既包括弱电控制部分，又包括强电控制部分。为了使两者之间既保持控制信号联系，又要隔绝电气方面的联系，即实行弱电和强电隔离，是保证系统工作稳定，设备与操作人员安全的重要措施。之三是消除环路地的干扰。常用的隔离方式有光电隔离、电磁隔离、布线隔离。,光电隔离光电隔离是由光电耦合器件来完成的，是以光为媒介传输信号的器件。其输入端配置发光源，输出端配置受光器，因而输入和输出在电气上是完全隔离的。由于光电耦合器的隔离作用，使夹杂在输入量中的各种干扰都被挡在输入回路的一侧。此外，还能起到很好的安全保障作用，因为在光电耦合器的输入回路和输出回路之间有很高的耐压值，达500V一1KV。光电耦合器是以光为媒介进行间接耦合，具有较高的电气隔离和抗干扰能力。,光电耦合器有如下特点：a光电耦合器的输入阻抗很小，一般为100一lk之间，由于干扰源内阻较大，通常为I05108，因此分压到光电耦合器上的干扰分量很小；b干扰噪声虽尖峰较高，但能量较小，只能造成微弱电流。由于光电耦合器输入是工作在电流状态,干扰电流不会对其造成大的影响；c光电耦合是在器件内部密封条件下传输，不会受到外界环境及条件的影响；d输入和输出之间分布电容很小，仅为0.52PF，且绝缘电阻很大，通常为1011一1012,输出端干扰难于馈送到输入端。,电磁耦合（仪器互感器）对于由强电到弱点的变换，可以采用电压互感器和电流互感器实现强弱电隔离。布线隔离信号线路必须和强电控制线路、电源线路分开走线,而且相互间要保持一定距离。配线时应区别分开交流线、直流稳压电源线、数字信号线、模拟信号线、感性负载驱动线等。配线间隔越大，离地面越近，配线越短，则噪声影响越小。如果受环境条件的限制，信号线不能与高压线和动力线等离得足够远时，就得采用各种抑制电磁感应噪声的措施。,实例：以起升机的平层控制器为例，从CPU出来的控制信号为TTL弱电部分，希望用它控制交流电机。因此,采用带光电耦合环节的SSR48-10A固态继电器，其输入为3-32VDC，输出控制电压为480AC，实现了光电隔离，实践证明效果良好。其控制线路图如下图所示。继电器控制信号由单片机控制信号给出，CPU有三个电机控制信号：P1.5EA，总控制位，低电平有效P1.6Down，下行控制位，高电平有效P1.7Up，上行控制位，高电平有效,2.3.5印制电路板抗干扰,印制电路板设计是应考虑的因素主要有：1.印制导线铜箔厚度、宽度和长度，决定了导线电阻、电感、电容值以及电流容量2.相邻导线间距，将影响线间窜扰；3.电源线和地线布置，将影响信号间的公共阻抗干扰；4.印制板上器件的布置，将影响导线的公共阻抗、空间电磁场干扰；5.印制板的安装位置，将受印制板在运行中受温升和振动等因素的影响。,对应采取的几个措施：1.加粗地线宽度能降低导线电阻，使它能通过三倍于印制板上的允许电流。接地线构成闭环路能明显地提高抗噪声能力。2.电源线、地线的走线方向应与数据信息传递方向一致，有助于增强抗噪声的能力，尽量减小电源线走线的有效包围面积；3.键盘扩展40个键时需要80根线，选用绝缘性能较好的排线，且应尽量缩短键盘和电路板之间的距离以减小走线长度；4.电路板垂直安装比水平安装散热效果好。,2.3.6工程机电系统信号线间窜扰及其抑制,1信号传输线的干扰形式；在机电系统中传感器、检测设备、控制器、执行机构等之间是通过传输线与计算机交换信息的，传输线穿过工业现场，所处环境比较恶劣，距离较长时，导线成为引入干扰的主要渠道之一。长信号线的干扰主要包括：地环路干扰；长线反射干扰；信号线间的窜扰；外部的电磁干扰。,2传输线中反射和振铃干扰的抑制(1)传输线的短线处理方法根据传输线长度与传输信号频率的关系可把传输线分为长线和短线，长线和短线应采取不同的方法处理。当传输线长度L或者传输延迟时间td满足下式可视为短线，即L20或tdtr4式中L传输线长度；传输线中信号的波长，vf，v是信号传输速度，f为频率;td传输线中数字脉冲信号的传输延迟时间，tdLv；tr传输线中数字脉冲信号的上升时间,短线可以用集中参数等效电路来分析，即把传输线看成是由集中参数电阻、电感、电容组成的网络，其值大小分别等于单位长度上的分布参数值乘以传输线长度。数字信号通过短线传输线时产生振铃现象，在输入高电平时振铃波形的下冲将降低门电路的噪声容限，特别是第一个下冲幅度较大，是最危险的。在输人低电乎时振铃波形的上冲，特别是第一个上冲将降低门电路噪声容限，所以应该设法克服由于传输线的分布参数引起的振铃现象。可以通过在其输出端串接电阻来实现抑制振铃现象。,(2)传输线的长线处理方法当传输线的长度符合下列条件时则称为长线L20或tdtr4电信号在沿导线传输过程中，由于分布电感、电容和电阻的存在，导线上各点的电信号并不能马上建立，而是有一定的滞后，离起点越远，电压波和电流波到达的时间越晚。长线不能用集中参数网络来替代，而要用传输线理论来分析，考虑阻抗匹配问题，即传输线两端的负载阻抗和源阻抗应该和传输线特性阻抗Z0相等，否则要产生反射。,第三章摊铺机调平机电液自动控制系统3.1工程机电系统的一般设计过程,工程机电系统设计中，要了解系统的组成、工作原理、建模方法、特性分析及设计方法，还需要合理选择零、部元件（或根据要求设计和制造其中部分元件），并分析、计算和测试由这些零、部件组成系统的静态和动态性能指标，如果不满足要求还需提出进一步的改进方案。3.1.1工程机电系统设计技术,1系统设计的原则(1)机、电、液互补原则。既然是工程机液电系统，就要打破传统设计的思维方式，综合考虑机械技术、液压传动技术和电子技术各自的特点，达到优势互补。(2)功能优化原则。主要指在系统设计时，要抓住用户最关心的技术指标，特别是系统的可靠性、实用性、经济性等。(3)自动化、智能化原则。高精度、高效率、高可靠性是机电液一体化系统的重要指标，因此要求系统在运行过程中能实现自动控制、自动检测、自动调节、自动记录及自动显示；在出现故障时能进行自动诊断，自动采取应急措施，实现自动保护等。,(4)效益最大原则。要在满足用户的目标功能和适当的使用寿命的前提下，最大限度地降低成本。要合理选用材质和零件，正确进行结构设计，简化制造工艺，降低生产成本。(5)开放性原则。开放性，是指以一组标准、规范或约定的原则来统一系统的接口、通信和与外部的连接，使系统能容纳不同厂家制造的设备及软件产品，同时又能适应未来新技术的发展。要使系统具有开放性，在工程机电系统设计时必须选择并贯彻一系列的工程机械设计规范，液压及电子技术标准，这样，才能较容易地实现硬件设备及软件技术的可移植性和可操作性。,2系统设计的类型(1)开发性设计。它是在既没有参考样板又没有具体设计方案的情形下，仅根据抽象的设计原理和对新系统的性能要求进行设计，具有很强的突破性和创新性。(2)适应性设计。它是指在总的方案原理基本保持不变的情况下，对现有系统进行局部更改。例如用电子装置代替原有的机械结构，或者为了实现电子化控制，对机械结构进行的局部适应性变动。(3)变异性设计。是指在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有系统的规格尺寸，使之适应某种量值变化的要求。,3系统设计的方法工程机电系统设计方法通常有机电互补法、结合法和组合法。(1)互补法。互补法也称为取代法，用适当的通用或专用电子部件替代原工程机械中的复杂零部件。(2)结合法。结合法也称为融合法，这类产品的功能部件是专用的，各要素之间的接口条件已得到从份考虑，甚至可能融为一体。(3)组合法。将用互补法、结合法制成的功能部件子像积木一样组合成各种机电系统。,3.1.2工程机电系统的设计步骤,在了解系统负载、系统控制性能要求、系统性能要求、系统使用要求几个问题之后，按下面步骤进行设计：1可行性论证明确设计任务、设计思想及其技术指标，完成系统的总体设计，并论证其可行性。2初步设计初步设计包括方案设计和静态设计，方案设计如选择机电控制系统、传动机构的具体形式；静态设计主要是指以满足拖动能力、强度要求为主的设计，解决执行元件和功率转换与放大元件的选择和主参数选择问题。,3数学模型：建立各元件的数学模型，求取整个系统的数学模型，并画出方块图；4动态设计：进行动态性能分析,依据系统特性，确定控制规律及其实现方法。5初选控制器对系统进行数字仿真，依据仿真结果决定对方案设计及控制规律是否修改。6研制样机首先分单元模块进行模拟调试，联机调试通过后，研制样机，并实践应用。依据实践应用情况决定是否修改。7定型生产经过实践验证之后，组织批量生产。,对象或过程的数学建模与分析；（摊铺机自动调平系统、液压挖掘机轨迹控制系统、塔机工作机构变频调速系统）工程机械系统控制器的设计；（PID）工程机械PID控制系统的仿真分析；,工程机械主要以液压和电机驱动，是典型的机电液伺服控制系统，存在着非线性、时变性、外干扰及交叉耦合现象，目前，现有的系统模型都是在一定假设和近似的基础上求得的，在应用传统控制理论进行控制时遇到了很多困难。利用智能网络的学习能力和非线性映射能力，使被控对象既能满足系统快速跟踪控制的需要，又能提高系统对非线性和不确定性特性的处理能力。课程讲解如下内容：,典型反馈控制系统硬件组成,机电系统的各类模型模型的分类实体模型图式模型模拟（仿真）模型物理模型数学模型物理模型：用物理参数对现实系统加以抽象、概括、与描述的形式,实体模型：实体模型是一般实际系统放大或缩小的表现形式。其可以表明系统的主要特征和各组成部分之间的关系。如地球仪、原子模型、挖掘机模型、摊铺机模型。模拟模型（仿真模型）：是指通过计算机仿真或者用用一种模型代替另一种物理模型的表现形式。如MATLAIB里的仿真模型，用电系统模拟机械系统，其实模拟现实系统的性能和行为。,图示模型：是以图表、图形、曲线、符号对现实系统加以抽象、概括与描述的表现形式。如设计图、流程图、电路图等。,机电系统物理模型,装配图简化为结构原理图，然后再概括抽象为用物理参数表示的物理模型。物理模型的描述质量(m)或转动惯量（J）弹性系数(K)粘滞阻尼系数(f),机电系统数学模型,数学模型建立的依据是物理模型。根据各参数的相互关系，通过有关的定律、定理和规律等建立数学表达式，该表达式正确地反映了系统的本质。在数学模型的建立中要保证数学模型的简化性和准确性。,数控系统信号转换示意图及其简化,采样过程连续信号f(t)通过采样开关后，转变为脉冲序列f*(t)的过程。,理想单位脉冲函数,采样过程,时域描述采样周期T(单位s)闭合时间(s)采样角频率采样频率,理想采样过程,当T，且T远小于系统连续部分惯性时间常数时，可将采样开关视为理想的，0。则理想采样过程的时域描述为：,理想采样过程的时域描述,这个过程相当于模拟信号f(t)被T(t)调制。,通用计算机（台式机）：软、硬件通用，多种软、硬件支持，配套设备完善。但作为数字控制器整体的实时处理速度不是很快，决定于所有部件的速度。单片机：仍在不断发展，如Intel9000的运算速度就非常可观，接口性能良好，但乘法运算速度慢，不适于运算量大的实时控制系统。PLC可编程控制器：适用于工业自动化控制，安全可靠，比较完善，但价格较贵，体积较大。,嵌入式计算机：体积小，重量轻，可靠性高，针对特殊环境设计的部件可做到防振，抗高低温等特点。模块化设计，可按需要选择功能模块。DSP芯片：专门的可编程数字信号处理芯片，具有独立的程序和数据存储空间，有着各自独立的程序总线和数据总线，结构复杂，但数据处理能力大大提高，有可以实现特殊用途（如FFT、FIR滤波、卷积）的DSP芯片。多用于需高速实时数据处理的场合（如图形处理，大规模数据实时运算）。,单片机：,国内由于各种的历史原因，在1990年以前，几乎只有Intel公司的单片机在国内销售、开发与应用，当时国内的单片机就是指Intel的MCS-51系列单片机，这样51系列单片机在中国有其传统的地位，很多大专院校及工程技术人员熟悉它。在现阶段由于MCS-51的实用性和性价比，51系列单片机仍是工业控制、家电产品等各类产品的主要机种。当然现在如98系列、Intel9000、AVR单片机等种类多多。,DSP芯片专门的可编程数字信号处理芯片,DSP的发展：更高的运行速度和信号处理速度；多DSP协同工作；更方便的开发环境；大量专用DSP的出现；更高的性能/价格比；更广泛的应用；更低的功耗。,PLC可编程序控制器,嵌入式计算机,PC/104标准提供与PC总线在体系结构、硬件和软件上的完全兼容。采用CMOS器件，功耗低。已有的PC/104模块为构造嵌入式系统提供了种类繁多的各种构件，它的高集成性和可模块化的结构适用于多种应用。,数字控制对计算机（系统）的要求,实时控制在一个采