第3章 制造系统及其自动化,机械工程 哈工大

第3章制造过程自动化控制系统

机电学院机械制造及自动化系主讲教师：周亮制造系统自动化技术第3章制造过程自动化控制系统

控制系统：用控制信号（输入量）通过系统诸环节来控制被控量（输出量），使其按规定的方式和要求变化的系统。

制造过程自动化控制系统是制造自动化系统的重要组成部分。

3.1.1控制系统的基本组成例：简单控制系统温度控制系统压力控制系统液位控制系统3.1控制系统概述

3.1.1控制系统的基本组成3.1制造过程自动化控制系统概述3.1.2控制系统的基本类型按给定量规律恒值控制系统程序控制系统随动控制系统控制方式开环控制系统闭环控制系统连续控制系统离散控制系统传递信号性质系统数字模型线性控制系统非线性控制系统3.1.2控制系统的基本类型恒值控制系统电炉温度控制系统示意图3.1.2控制系统的基本类型程序控制系统数控机床控制系统示意图数控程序计算机D/A放大器伺服电机刀具A/D测速发电机工件+-3.1.2控制系统的基本类型随动系统位置控制系统示意图3.1.2控制系统的基本类型开环控制系统电动机拖动负载开环控制系统原理图3.1.2控制系统的基本类型闭环控制系统电动机闭环控制系统原理图3.1.2控制系统的基本类型闭环控制系统电动机转速闭环反馈控制系统控制过程框图3.1.2控制系统的基本类型闭环控制系统导弹发射和制导系统示意图3.1.2控制系统的基本类型按系统中传递信号的性质分类（1）连续控制系统传递的信号都是模拟信号，控制规律一般用硬件组成的控制器实现的，描述此种系统的数学工具是微分方程和拉氏变换。（2）离散控制系统系统中传递的信号有数字信号，控制规律一般用软件实现，通常采用计算机作为系统的控制器。按描述系统的数学模型分类（1）线性控制系统可用线性微分方程来描述的系统。（2）非线性控制系统不能用线性微分方程来描述的系统。3.1.2控制系统的基本类型机械传动控制系统凸轮控制：是一种最原始、最基本的机械式传动控制方式，也是出现最早且至今仍在使用的自动控制方式，但它仅适用于加工品种不变的大批量生产。优点：工作可靠、使用寿命长、节拍准确、结构紧凑、占地面积小、调整时容易发现问题、以及调整完毕后能正常进行工作。缺点：结构较复杂、可调性差、凸轮的设计制造工作量大、易产生冲击和噪声。另外,由于凸轮又兼做驱动元件，因此一般不能承受重载荷切削。3.1.2控制系统的基本类型机械传动控制系统

稳定性：指系统在动态过程中的振荡倾向和系统重新恢复平衡工作状态的能力。稳定性是保证系统正常工作的前提。

准确性：指系统过渡到新的平衡工作状态后，或系统受到干扰重新恢复平衡后，最终保持的精度而言，它反映动态过程后期的性能。

快速性：针对系统动态过程持续时间的长短而言，指输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。用于表征系统的动态性能。3.1.3控制系统的性能要求

1）弄清系统被控对象、被控量及主要干扰是什么？2）采用何种检测与转换元件？测量被控量还是扰动量？3）采用何种执行机构？4）采用哪个装置给定参考输入量或指令？5）如何判断或计算偏差？6）通过什么装置实现控制作用？3.1.4控制系统举例分析分析控制系统前应明确的问题：3.1.4控制系统举例分析1.工作台位置控制系统工作台位置控制系统原理图3.1.4控制系统举例分析1.工作台位置控制系统工作台位置控制系统过程框图3.1.4控制系统举例分析2.工作台速度控制系统工作台速度控制系统原理图3.1.4控制系统举例分析2.工作台速度控制系统工作台速度控制系统过程框图电位器放大器伺服阀油缸工作台齿轮齿条测速发电机3.2控制系统典型执行装置3.2.1执行装置及其分类

执行装置：一种能提供直线或旋转运动的驱动装置，它利用某种驱动能源并在某种控制信号作用下工作。

分类电动执行装置液压执行装置气动执行装置3.2控制系统典型执行装置3.2.2电动执行装置1.伺服电动机

交流和直流两种，最大特点是转矩和转速受信号电压控制，与普通电动机相比具有如下特点：1）调速范围宽，伺服电动机的转速随着控制电压改变，能在宽范围内连续调节。2）转子的惯性小，响应快，随控制电压改变反应很灵敏，即能实现迅速启动、停转。3）控制功率小，过载能力强，可靠性好。3.2控制系统典型执行装置3.2.2电动执行装置（1）直流伺服电动机

控制方法：电枢控制和磁场控制T电压Un机械特性直流伺服电动机的特点及应用范围名

称励磁方式结构特点性能特点适用范围一般直流伺服电动机电磁或永磁与普通直流电机相同，但电枢铁心长度与直径之比大些，气隙较小具有下垂的机械特性和线性的调节特性，对控制信号响应快速一般直流伺服系统无槽电枢直流伺服电动机电磁或永磁电枢铁心为光滑圆柱体，电枢绕组用环氧树脂粘在电枢铁心表面，气隙较大具有一般直流伺服电动机的特点，而且转动惯量和机电时间常数小，换向良好需要快速动作，功率较大的直流伺服系统空心杯电枢直流伺服电动机永磁电枢绕组用环氧树脂浇注成杯形，置于内、外定子之间，内、外定子分别用软磁材料和永磁材料做成具有一般直流伺服电动机的特点外，转动惯量和机电时间常数小低速运转平滑，换向好需要快速动作的直流伺服系统印制绕组直流伺服电动机永磁在圆盘形绝缘薄板上印制裸露的绕组构成电枢，磁极轴向安装转动惯量小，机电时间常数小，低速运行性能好低速和起动、反转频繁的控制系统无刷直流伺服电动机永磁由晶体管开关电路和位置传感器代替电刷和换向器，转子用永久磁铁做成，电枢绕组在定子上且做成多相式既保持了一般直流伺服电动机的优点，又克服了换向器和电刷带来的缺点。寿命长，噪音低要求噪音低、对无线电不产生干扰的控制系统3.2控制系统典型执行装置3.2.2电动执行装置（2）交流伺服电动机

SM~~FWC~CW两相交流伺服电动机接线图

3.2控制系统典型执行装置交流伺服电动机的特点及应用范围种

类结构特点性能特点应用范围鼠笼式转子与一般鼠笼式电动机结构相同，但转子做的细而长，转子导体用高电阻率的材料励磁电流较小，体积较小，机械强度高，但是低速运行不够平稳，有时快时慢的抖动现象小功率的自动控制系统空心杯形转子转子做成薄壁圆筒形，就在内、外定子之间转动惯量小，运行平稳，无抖动现象，但是励磁电流大，体积也较大要求运行平稳的系统3.2控制系统典型执行装置（3）交流和直流伺服电动机的性能比较（1）机械特性和调节特性（2）体积、重量和效率（3）动态响应（4）“自转”现象（5）电刷和换向器的滑动接触（6）放大器装置3.2控制系统典型执行装置2.步进电动机步进电动机：是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。变频信号源脉冲分配器步进电动机脉冲放大器指令分类:

VR型、PM型、HB型

3.2控制系统典型执行装置2.步进电动机特点：1）直接进行开环控制，整个系统价格低廉；2）无累积定位误差，可以在要求更高精度时组成闭环控制系统；3）启动、停止、正反转的响应优越。在自启动区内可瞬时启动、停止，启动时间短，可任意进行瞬间正反转；4）可将负载直接连接在电动机轴上进行超低速运行，不需中间减速机构；5）具有较大的自保持转矩，可以自由地设定其位置；6）宽范围的转速平滑调节；7）控制系统简单，可靠性高。

3.2控制系统典型执行装置2.步进电动机缺点：运动增量或步距角是固定的，在步进分辨率上缺乏灵活性；采用普通驱动器时效率低；在单步响应中有过冲量和振荡；承受大惯性负载的能力有限；开环控制时摩擦负载增加了定位误差，尽管误差是非积累的；采用的控制线路种类繁多；可供使用的电动机尺寸和输出功率是有限的。

3.2控制系统典型执行装置2.步进电动机驱动方式单极性双极性单电压驱动高低压驱动定电流斩波驱动调频调压驱动细分驱动3.2控制系统典型执行装置步进电机的选择机械的角度：分辨率，由位移速度和每步所移动角位移来决定；负荷刚度和移动物体质量；电动机体积和质量；环境温度和湿度等。从加减速动作要求：短时间内定位需要的加速速度和减速速度的适当设定，以及最高速度的适当设定；根据加速转矩和负载转矩设定电动机的转矩；使用减速机构时，考虑电动机速度与负载速度关系。3.2控制系统典型执行装置步进电机的选择步骤1）选择要素：机械要素是负载转矩和负载惯量。时间要素是加速时间和运行时间；2）确定目标：确认脉冲速率；3）计算需要的运行转矩：输出的转矩；负载转矩；加速转矩；4）决定电动机的型号；5）验证。液压缸3.2.3液压与气动执行装置1.液压执行装置优点:容易获得大功率；功率／重量比大，可以减小执行装置的体积；刚度高，能够实现高速、高精度的位置控制；通过流量控制可以实现无级变速。缺点:必须对油的温度和污染进行控制，稳定性较差；有因漏油而发生火灾的危险；附属设备占空间较大。

叶片式液压马达

液压缸与液压马达3.2.3液压与气动执行装置1.液压执行装置液压缸与液压马达齿轮马达活塞式马达3.2.3液压与气动执行装置动力滑台液压系统例：三峡水轮机转轮静平衡测试系统3.2.3液压与气动执行装置2.气动执行装置优点:

易于实现高速、轻切削工艺；便于实现轻巧灵活的机床配置形式；可以实现短节拍、频繁的工作；便于实现设备的快速可调；具有在恶劣环境条件下工作的可靠性和抗干扰性能；良好的技术经济效果。缺点:高精度的位置控制比较困难；在任意位置上停止的动作速度很慢；能量效率较低。

压缩机二次冷却器储气罐干燥机过滤器减压阀控制阀负载气动执行装置3.2.3液压与气动执行装置2.气动执行装置3.2.3液压与气动执行装置气动机械手结构示意图3.2.4执行装置的特点与性能比

较

项

目电动式液压式气动式输出功率／重量比小大中快速响应特性中～20Hz大～100Hz小～20Hz简单动作速度慢一般快控制特性良好一般差减速机构需要不需要不需要占用空间小大大使用环境良好差良好可靠性良好差一般防爆性能差一般良好价格一般贵便宜3.3位置控制系统位置控制一般是依靠行程开关，行程开关的作用是将机械信号转换成电信号，以控制电机的工作状态，从而控制运动部件的行程。位置控制：控制生产设备运动行程和位置的方法叫位置控制，也叫行程控制。如生产车间的行车运行到终端位置时需要及时停车、工作台在指定区域内的自动往返移动、自动线上自动定位和工序转换等。限位断电位置控制限位通电位置控制自动往复循环位置控制位置控制分类3.3.1限位断电位置控制行程开关撞块电机SBSQKMKM3.3位置控制系统3.3.2限位通电位置控制限位通电点动控制线路SQKMSQKMKM限位通电连动控制线路3.3.3自动往复循环位置控制3.3.3自动往复循环位置控制3.4.1计算机数字控制系统的组成及其特点（1）硬件部分主机参数检测和输出驱动输入输出（I/O）通道人机交互设备（2）软件部分系统软件应用软件3.4计算机数字控制系统3.4计算机数字控制系统3.4.1计算机数字控制系统的组成及其特点3.4计算机数字控制系统3.4.1计算机数字控制系统的组成及其特点计算机控制的主要优点：具有决策能力，其控制程序具有灵活性。实时性是计算机数字控制系统的重要指标之一。系统实时性的步骤：实时数据采集实时决策实时控制输出实时：是指信号的输入、处理和输出都要在一定的时间（即采样时间）范围内完成，亦即计算机对输入信息以足够快的速度进行采样并进行处理及输出控制。3.4计算机数字控制系统3.4.2计算机数字控制系统的分类数据采集处理系统直接数字控制系统（DDC）监督控制系统（SCC）分布控制系统（DCS）现场总线控制系统（FCS）按功能和结构特点分类3.4.2计算机数字控制系统的分类数据采集处理系统过程参数巡回检测数据存储记录数据处理（计算、统计、整理等）实时数据分析数据越限报警在计算机的管理下，实现以下功能：3.4.2计算机数字控制系统的分类2.直接数字控制系统（DDC）直接数字控制系统框图控制器常采用的控制算法有：离散PID控制、前馈控制、串级控制、解藕控制、最优控制、自适应控制、鲁棒控制等。3.4.2计算机数字控制系统的分类3.监督控制系统（SCC）SCC＋模拟调节器的控制系统图被控对象测量单元执行机构模拟调节器接口SCC工控机SCC＋DDC的控制系统示意图被控对象测量单元执行机构D/A接口SCC工控机DDC计算机3.4.2计算机数字控制系统的分类4.分布控制系统（DCS）分布式控制系统框图3.4.2计算机数字控制系统的分类5.现场总线控制系统（FCS）

现场总线:是将自动化最底层的现场控制器和现场智能控制仪表设备互连的实时控制通讯网络。具有可互操作的网络将现场可控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统（FCS）。控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。因此，FCS实质是一种开放的、具有可互操作性的、彻底分散的新一代分布式控制系统。3.4.3计算机数字控制系统发展趋势1.各种新型计算机控制系统大量涌现智能化发展，出现先进的控制理论：最优控制自适应控制模糊控制智能控制2．分布式控制系统大量使用3．可编程控制器的普及使用例1铣削加工中峰值切削力自适应控制系统铣削过程切削力自适应控制系统示意图3.4.4计算机数字控制系统实例例2磨削力自适应控制系统磨削力约束适应控制系统图3.4.4计算机数字控制系统实例3.4.4计算机数字控制系统实例例3数控机床控制系统

数控机床控制系统的组成

数控机床闭环进给伺服驱动系统

3.4.4计算机数字控制系统实例工业炉计算机温控系统原理示意图例4工业炉计算机控制系统3.4.4计算机数字控制系统实例例5自动循迹小车控制系统自动循迹小车底面俯视示意图3.4.4计算机数字控制系统实例例6自动循迹小车控制系统3.4.4计算机数字控制系统实例例7水泵节能恒压供水控制系统供水系统示意图压力变送器生活小区例8塑料厂挤压吹膜工艺控制系统塑料挤压吹膜机调速系统图例9钢锭连铸控制系统UF1UF2UF3UF4UFUF5UF6PLC计算机四台拉矫机变频器结晶器变频器连铸钢锭切断机喷水系统冷却水钢水浇铸钢包结晶器输送辊道变频器液压系统例10冶炼厂氮气增压变频调速控制系统

PID调节器压力变送器0~20mA储气罐高压氮气放气手动阀压力控制器压力控制器电控安全阀电控安全阀1#压氮机2#压氮机1#电机2#电机FU

UVWRST接触器常压氮气GNDII-+例11中央空调冷冻水控制系统盘管盘管风扇温度变送器TP4~20mA冷冻机组水泵电动机UVWIIGNDV+VI1RSTUFRP例12双泵双变频器PID调节系统UVW

RSTPID调节器

RSTUVWRP微调V+V-VI2GNDIIGNDII+-4~20mA电动机电动机压力传感器水泵水泵UFUF例13卷绕机械恒张力控制系统ST张力控制器直流电源电动机纸卷+-RPUVWRSTGNDVI1V+GNDIIUFFV4~20mA3.5DNC控制系统3.5.1DNC系统概念1980年颁布的ISO2806DNC定义为“DirectNumericalControl（直接数控）”，其概念为：“此系统使一群数控机床与公用零件程序或加工程序存储器发生联系。一旦提出请求，它立即把数据分配给有关机床”。在1994年颁布的ISO2806对于DNC定义为“DistributedNumericalControl（分布式数控）”。这样，其概念也发生了本质的变化，其意义为“在生产管理计算机和多个数控系统之间分配数据的分级系统”，DNC技术在不断发展，已经从单纯的程序数字传输发展为生产环境中底层数据的交换，更多地容入了管理数据。3.5.1DNC系统概念数控设备上网方式：串行通讯RS-232C的DNC网络结构图1.通过串口（RS-232协议）接入DNC网络3.5.1DNC系统概念局域网式DNC系统结构图2.通过以太网卡（TCP/IP协议）接入DNC网络3.5.2企业实施DNC系统的意义减少固定成本且不需要将来的资金再投入减少人工成本，提高效率提高管理水准为企业资源管理（ERP）奠定基础实现一定程度上的数控设备监控功能实现更大程度上的资源共享合理分配及最大限度利用现有数控设备资源构筑企业信息化中重要的一环提高机床有效工作时间科学保证大规模集成化生产的要求3.5.3DNC系统的构成3.5.3DNC系统的构成DNC构成的特征：

结构特征：DNC系统是把与制造过程有关的设备（如数控机床等）、主控计算机和通讯设施等按一定的结构和层次组合起来的一个整体。

功能特征：DNC系统通过DNC主机实现对制造车间的数控机床等制造