机械系统设计课件：机械系统的信息流与控制的设计 -

机械系统的信息流

与控制的设计信息流，即为信息自信息的发源地（信息源）经信息传递渠道（信道）至信息的接受地（信宿）的传递过程。信息的前身是各种类型的指令和信号。信息流就是信息的传递过程。信息流的主体是信息。指令：操作人员根据经验和机械系统的运行状况而发出的，信号：从机械系统的各个被测对象经传感器测量获得的，但这些信号不能直接使用，必须进行信号的转换、处理。信息流在机械系统单机中的作用普通车床加工过程数控车床加工过程信息流在机械系统生产线中的作用——一个加工回转体零件的机械系统结构按照机械系统构成分析信息流在机械系统中的作用一、信号的采集和处理采集信息和处理信息的两大重要组成：传感器和接口电路1.传感器由敏感元件、转换元件（传感元件）和其他辅助元件组成。一种直接感受被测量，并输出与被测量元件成某种函数关系的能最终转化为电量的其他量的元件。将敏感元件输出的量转换成电量输出的元件。作用：把压力这个被测量转换成弹性膜片的变形。作用：将弹性膜片的变形转换为电阻值的变化。以应变式压力传感器为例2.传感器的一般特性：静态特性和动态特性静态特性：指输入的待测信号不随时间变换，或变化非常缓慢

的特性。其重要指标分别是线性度、灵敏度、迟滞差（迟

环）、重复性、阈值和分辨率。3.现代机械系统对传感器的基本要求（1）输入和输出之间成比例关系，直线性好，灵敏度高；（2）内部发生的噪声小，不从外部引进噪声；（3）滞后、飘逸误差小。在机械系统设计中，特别要注意以下几点：（1）要求精度高、灵敏度合理选择、测量范围宽；（2）小型化、系列化和标准化；（3）可靠性高、稳定性好。4.传感器的选用原则5.信号模拟转换电路信号调理电路：指能把转换元件输出的电信号转换成便于显示、记录、处理和控制的电信号的电路。常用的信号放大器有：仪表放大器、程控增益放大器、隔离放大器、电荷放大器等。对于静态信号或变化缓慢信号的转换多采用交流载波系统。即通过调制变成高频信号，再放大，然后经过解调、滤波。二、接口技术和监控系统1.计算机接口技术机电一体化系统的中枢组成：硬件系统和软件系统工业控制计算机系统作用：按编制好的程序完成系统信号采集、加工、处理、分析和判断，作出相应的调节和控制决策，发出数字形式或模拟形式的控制信号，控制执行机构的动作，实现机电一体化系统的目的功能。常用的类型：可编程控制器（PLC）、总线型工业控制计算机、单片机工业控制计算机系统的分类及应用特点（1）具有完善的过程输入/输出功能这是微机能否投入机电一体化系统运行的重要条件。（2）具有实时控制功能（3）具有高可靠性（4）具有较强的环境适应性和抗干扰能力（5）具有丰富的软件工业控制微机系统的基本要求计算机接口技术计算机和各种外设进行交换信息时，存在以下问题：计算机的高速处理能力和外设的慢速响应之间存在矛盾。需要有接口作为计算机与外设通信的桥梁。需要有数据信息传送之前的“联络”。要传递的信息有三方面内容：状态、数据及控制信息。计算机接口——计算机与各种外设进行信息交换的渠道。进行地址译码或设备选择，以便使计算机能同某一指定的外部设备通信。状态信息的应答，以协调数据传送之前的准备工作。进行中断管理，提供中断信号。进行信息格式转换，如正负逻辑的转换，串行与并行数据转换等。进行电平转换，如TTL电平与MOS电平的转换。协调速度，如进行锁存、缓冲、驱动等。时序控制，提供实时时钟信号。2.信号处理接口技术计算机接口的一种类型信息通道的重要组成部分信源和信宿之间的桥梁信号处理接口技术作用：将信源的信息存储、放大并通过该接口传递到信宿的目的。A/D和D/A转换器的主要技术指标转换速度（时间）、分辨率、线性度、精度计算机信号处理接口电路的前向通道结构取决于被测对象的环境、传感器输出信号的类型和数量等计算机信号处理接口电路的后向通道结构两种类型：数据总线及并行I/O接口信号形式：数字量、开关量、频率量常用的数据转换接口D/A转换器和A/D转换器——数字信号和模拟信号之间V/F转换器和F/V转换器——电压信号和频率之间I/V转换器和V/I转换器——电压信号和电流之间有效值转换器——以传输物理参数有效值的转换器件3.监控系统对系统运行时内部和外部环境信息进行检测。被测信息常见形式：位置、速度、力、力矩、电压、电流、频率、温度、湿度等物理量。现代检测和监控装置根本目的：利用各种传感设备，将一种形式的被测物理量转换成为处理较为方便的另一种形式的物理量，并采用相应的控制策略，对其进行控制。手段：将传感器的原始输出信号进行放大、滤波、整形、阻抗变换、运算补偿、标定记录等处理的装置。检测和监控装置的软件设计采样周期、采样值的数字滤波采样/保持器在输入通道中的作用：(1)保证A/D转换器在转换过程中被转换的模拟量保持不变，以提高转换精度；(2)可将多个相关的检测点在同一时刻的状态量保持下来，供分时转换和处理之用，以确保各检测量在时间上的一致性。检测和监控装置的硬件设计变送器4.监控系统的显示设备三、控制原理1.机械系统中控制系统的组成控制系统的组成按照控制理论，可将机械系统中的控制系统分成给定环节、测量环节、比较环节、校正环节及放大环节、执行环节。按照控制系统有无反馈来分：开环控制系统和闭环控制系统控制系统的分类闭环控制系统中，采用了反馈作用，对系统整体性能产生如下影响：减小了系统的总增益，提高了系统的稳定性，能降低系统对参数变化的敏感程度，提高了系统的抗干扰能力。按照控制系统中被控量来分：伺服系统——被控量是指位置、速度、力之类的机械量自动调整系统——输出量为常量或随时间变化得很慢的系统。被控量通常为电压、电流、转速、力矩等物理量。过程控制系统——输出量按已知时间函数变化的系统。被控量通常为温度、压力、液面、浓度等。控制系统的基本要求：（1）稳定性的要求是系统工作的首要条件。（2）系统的暂态特性满足要求；（3）系统达到稳定时，满足稳态精度。其他常用的分类方法：线性控制系统和非线性控制系统；连续控制系统、采样控制系统和数字控制系统；机电控制系统、液压控制系统、电液控制系统、机液控制系统2.控制系统基本理论经典控制理论主要是解决单变量、线性定常系统问题。对控制系统的输出进行分析和综合的理论。调速器蒸汽机额定转速实际转速蒸汽机飞球调速系统方框图现代控制理论以状态空间法为基础，研究多输入、多输出，非线性时变，断续系统的分析和设计问题，揭示系统的内在规律，实现系统在一定意义上的最优控制。对控制系统的状态进行分析和综合。现代控制理论的主要研究领域：（1）系统辨识；（2）最优控制；（3）最佳控制（或称为最佳滤波）3.常用控制方式的基本原理和特性控制系统的控制作用由控制器实现的。工业控制器按其输入和输出的关系可为：比例控制器、积分控制器、微分控制器、比例加积分控制器以及继电器控制器等。4.模拟控制系统自动控制系统主要由被控对象、调节器、测量元件和变送器、比较元件、执行机构等基本环节构成。常用的抗干扰措施有：减小系统的传递函数；增大校正装置的增益；直接减小干扰输入以及采用并联前馈校正和并联顺馈校正等。5.数字控制系统核心是数字控制器的设计设计数字控制器有两种方法：（1）直接数字控制系统设计（DirectDigitalControl）所使用的数学工具为差分方程（2）利用采样控制理论所使用的工具为Z变换

当被控制对象的时间常数远大于采样周期时，常采用（1）；当对象的时间常数比采样周期大得不多，或处于同一数量级时，必须采用（2）。6.计算控制系统的设计控制系统总体方案设计；选择各参数检测元件（即传感器类型）及变送器；建立数学模型及确定控制算法；选择计算机；系统硬件设计（接口电路、逻辑电路及操作面板）；系统软件设计（管理、监控程序、应用程序的设计）；系统的调试与实验。四、数控系统与伺服机构1.数控系统的组成及特点数控系统由控制介质、数控装置、伺服系统、检测装置、设备主机各个部分组成。2.数控系统的分类直接数字控制系统（DirectNumericalControl，DNC）DNC系统分成间接控制型和直接控制型两大类3.数控系统的功能为实现数控机床加工机械零件的三流，数控机床的控制系统常采用微处理器，通过计算机软件、硬件的功能合理分配完成控制系统的如下功能：联动功能插补功能多种加工方式选择功能特种速度控制功能补偿功能信息转换功能显示功能输入、输出及通信功能自诊断功能4.伺服系统进给伺服系统一般由伺服电路、伺服驱动装置及执行部件组成。进给伺服系统的作用：接受数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作一定的转换和放大后，经伺服驱动装置，驱动执行部件实现所需的运动。开环伺服系统及其设计闭环伺服系统及其设计1．信息流系统有哪些环节组成？试画出其结构模型并作说明。2．控制系统的基本要求有哪些？