制造过程自动化控制系统李松柏课件.ppt

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1、制造过程自动化控制系统李松柏,1,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。,制造过程自动化控制系统李松柏,2,3.1.1 控制系统的基本组成,压力控制系统,液位控制系统,3.1 控制系统概述,制造过程自动化控制系统李松柏,3,3.1.1 控制系统的基本组成,3.1 制造过程自动化控制系统概述,制造过程自动化控制系统李松柏,4,3.1.2 控制系统的基本类型,制造过程自动化控制系统李松柏,5,3.1.2 控制系统的基本类型,恒值控制系统,电炉温度控

2、制系统示意图,制造过程自动化控制系统李松柏,6,3.1.2 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,制造过程自动化控制系统李松柏,7,3.1.2 控制系统的基本类型,随动系统,位置控制系统示意图,制造过程自动化控制系统李松柏,8,3.1.2 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,制造过程自动化控制系统李松柏,9,3.1.2 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,制造过程自动化控制系统李松柏,10,3.1.2 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,制造过程自动化控制系统李松柏,11,3.1.

3、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,制造过程自动化控制系统李松柏,12,3.1.2 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。,制造过程自动化控制系统李松柏,13,3.1.2 控制系统的基本类型,机械

4、传动控制系统,制造过程自动化控制系统李松柏,14,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,制造过程自动化控制系统李松柏,15,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

5、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,制造过程自动化控制系统李松柏,16,1）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

6、的问题：,制造过程自动化控制系统李松柏,17,3.1.4 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,制造过程自动化控制系统李松柏,18,3.1.4 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,制造过程自动化控制系统李松柏,19,3.1.4 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,制造过程自动化控制系统李松柏,20,3.1.4 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,制造过程自动化控制系统李松柏,21,3.2 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

7、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。,制造过程自动化控制系统李松柏,22,3.2 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。,制造过程自动化控制系统李松柏,23,3.2 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

8、场控制,机械特性,制造过程自动化控制系统李松柏,24,直流伺服电动机的特点及应用范围,制造过程自动化控制系统李松柏,25,3.2 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,两相交流伺服电动机接线图,制造过程自动化控制系统李松柏,26,3.2 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,制造过程自动化控制系统李松柏,27,3.2 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（非线性大，动态精度低） （2）体积、重量和效率（交流转子电阻大，质量大，小功率） （3）动态响应（直流转子有电枢和换向器，时间常数接近） （4）

9、“自转”现象 （交流如参数不当或制造工艺缺陷有，直流无） （5）电刷和换向器的滑动接触 （直流特有） （6）放大器装置（直流放大器有零点漂移，影响精度）,制造过程自动化控制系统李松柏,28,3.2 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,交流伺服电动机 直流伺服电动机,制造过程自动化控制系统李松柏,29,3.2 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。需专门脉冲电源,分类: VR型、 PM型 、HB型,制造过程自动化控制系统李松柏,30,3.2 控制系统典型执行装置,2. 步进电动

10、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。,制造过程自动化控制系统李松柏,31,3.2 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

11、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。,制造过程自动化控制系统李松柏,32,3.2 控制系统典型执行装置,2. 步进电动机,制造过程自动化控制系统李松柏,33,3.2 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

12、与负载速度关系。,制造过程自动化控制系统李松柏,34,3.2 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。,制造过程自动化控制系统李松柏,35,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

13、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,制造过程自动化控制系统李松柏,36,3.2.3 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,制造过程自动化控制系统李松柏,37,3.2.3 液压与气动执行装置,动力滑台液压系统,制造过程自动化控制系统李松柏,38,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,制造过程自动化控制系统李松柏,39,2. 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

14、；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。,3.2.3 液压与气动执行装置,制造过程自动化控制系统李松柏,40,2. 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,制造过程自动化控制系统李松柏,41,3.2.4 执行装置的特点与性能,制造过程自动化控制系统李松柏,42,3.3 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

15、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。,制造过程自动化控制系统李松柏,43,3.3.1 限位断电位置控制,制造过程自动化控制系统李松柏,44,3.3 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,限位通电连动控制线路,制造过程自动化控制系统李松柏,45,3.3.3 自动往复循环位置控制,制造过程自动化控制系统李松柏,46,3.3.3 自动往复循环位置控制,制造过程自动化控制系统李松柏,47,3.4.1 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,3.4 计算机数字控制系统,

16、制造过程自动化控制系统李松柏,48,3.4 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,制造过程自动化控制系统李松柏,49,3.4 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。,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。,制造过程自动化控制系统李松柏,50,3.4 计算机数字控制系统,3.4.2 计算机数字控制系统的分类,制造过程自动化控制系统李松柏,5

17、1,3.4.2 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：,制造过程自动化控制系统李松柏,52,3.4.2 计算机数字控制系统的分类,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。,制造过程自动化控制系统李松柏,53,3.4.2 计算机数字控制系统的分类,3. 监督控制系统（SCC）按模型优化控制,制造过程自动化控制系统李松柏,54,3.4.2 计算机数字控制系统的分类,制造过程自动化控制系统李松柏,55,3.

18、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。,制造过程自动化控制系统李松柏,56,3.4.3 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

19、使用,制造过程自动化控制系统李松柏,57,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,制造过程自动化控制系统李松柏,58,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,制造过程自动化控制系统李松柏,59,3.4.4 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,制造过程自动化控制系统李松柏,60,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,制造过程自动化控制系统李松柏,61,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,

20、3.4.4 计算机数字控制系统实例,制造过程自动化控制系统李松柏,62,3.4.4 计算机数字控制系统实例,制造过程自动化控制系统李松柏,63,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,制造过程自动化控制系统李松柏,64,例7 水泵节能恒压供水控制系统,制造过程自动化控制系统李松柏,65,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,制造过程自动化控制系统李松柏,66,例9 钢锭连铸控制系统,制造过程自动化控制系统李松柏,67,例10 冶炼厂氮气增压变频调速控制系统,制造过程自动化控制系统李松柏,68,例11 中央空调冷冻水控制系统,制造过程自动化控制系统李

21、松柏,69,例12 双泵双变频器 PID 调节系统,制造过程自动化控制系统李松柏,70,例13 卷绕机械恒张力控制系统,制造过程自动化控制系统李松柏,71,3.5 DNC控制系统,3.5.1 DNC系统概念,1980年颁布的ISO2806DNC定义为“Direct Numerical Control（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“Distributed Numerical Control（分布式数控）”。这样，其概念也发生了本质的变化，其意义为

22、“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。,制造过程自动化控制系统李松柏,72,3.5.1 DNC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,制造过程自动化控制系统李松柏,73,3.5.1 DNC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,制造过程自动化控制系统李松柏,74,3.5.2 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

23、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,制造过程自动化控制系统李松柏,75,3.5.3 DNC系统的构成,制造过程自动化控制系统李松柏,76,3.5.3 DNC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设备的集中控制

24、管理，并可实现与上层计算机的信息集成，具有与CAD、CAPP、CAM、MPR等系统的信息接口。 过程特征：DNC系统只涉及与产品制造有关的活动，不包括市场分析、产品设计、工艺规划、检验出厂和销售服务等环节。,制造过程自动化控制系统李松柏,77,3.5.4 典型DNC系统的主要功能,（1）程序双向通讯功能,（2）信息采集功能,（3）与生产管理系统的集成功能,（4）数控程序管理功能,（5）与PDM系统集成功能,制造过程自动化控制系统李松柏,78,3.6 多级分布式计算机控制系统,3.6.1 多级分布式计算机控制系统的结构和特征,制造过程自动化控制系统李松柏,79,3.6.2 多级分布式计算机控制系

25、统的互联技术,1. 多级分布式计算机系统的局域网络,局域网络工业控制系统结构,制造过程自动化控制系统李松柏,80,3.6.2 多级分布式计算机控制系统的互联技术,2. 多级分布式计算机系统点点通信,制造过程自动化控制系统李松柏,81,3.6.2 多级分布式计算机控制系统的互联技术,3. 制造自动化协议（MAP）,制造过程自动化控制系统李松柏,82,3.6.3 多级分布式计算机系统实例,制造过程自动化控制系统李松柏,83,第3章 复习题,1）控制系统一般由哪几部分组成?结合实例画出控制系统框图。 2）分析图3.11、3.13的控制系统工作原理。根据控制框图叙述其控制过程。 3）分析图3.26和3.31的工作原理。,