机电系统控制技术综述.doc

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1、机电系统控制技术实验机电系统控制技术综述 姓 名： 班 级： 学 号： 指导老师： 提交时间：2014年4月17日 机电系统控制技术综述浙江工业大学机械学院机自卓越1101班摘 要本论文简单地介绍了一下机电系统控制技术。机电系统控制技术是应用机械、电子电力、信息、自动控制等相关技术，实现对电子器件和机械装置组成的有机整体进行的系统性优化过程，而机电一体化、智能化和网络化是机电系统控制技术的发展趋势。关键词：机电系统控制技术 机电一体化 智能化 网络化Technology of electromechanical control systemCollege of Engineering Zhej

2、iang University of TechnologyAbstractThis paper briefly introduces the technology of electromechanical control system. Technology of electromechanical control system applies the technical application of mechanical, electronic power, information and automatic control to achieve an organic whole of el

3、ectronic devices and mechanical devices.Mechanical and electrical integration, intelligence and network are the technology of electrical control system development trend.Keywords：Technology of electromechanical control system；Mechanical and electrical Integration；Intelligence；Network目 录中文摘要2英文摘要3目录4

4、第一章 机电系统控制技术绪论5 1.1 机电系统控制技术5 1.2 机电系统的组成5 1.3 机电系统控制技术的知识基础6 1.4 机电系统控制技术的支撑体系6第二章 机电系统控制技术的发展历史7第三章 机电系统控制技术8 3.1 检测传感技术8 3.2 驱动执行技术8 3.3 信息处理技术10 3.4 自动控制技术11第四章 典型的机电系统控制技术12 4.1 数控机床控制系统12 4.2 机器人控制系统13第五章 机电系统控制技术的展望15参考文献16第一章 机电系统控制技术绪论1.1 机电系统控制技术机电系统控制技术是在机电的结合过程中产生的，是解决机电系统中的控制问题的一门技术。通常认

5、为，机电系统是在机械功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置和电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。机电控制技术的具体体现就是机电控制系统，机电控制系统是机电一体化产品或系统的极其重要的组成部分。图1-1 机电控制技术1.2 机电系统的组成机电系统也即机电一体化系统，包括机械部分（机械本体）、驱动系统、控制及信息处理部分、传感检测部分和执行部分五部分：机械部分的功能为力矩传递、运动传递，包括导向机构、机座或机架(支撑部件)、传动机构等。驱动系统提供能量，转换成需要的形式，实现动力供给，包括电、液、气等多种动力源。控制及信息处理部分进行处理、运算、决策，实现控制功能

6、，包括：（1）以可编程序逻辑控制器为核心器件的控制系统；（2）以单片机为核心器件的控制系统；（3）以工业计算机为核心器件的控制系统；（4）以数字信号处理器为核心器件的控制系统等。传感检测部分用于检测产品内部状态和外部环境，实现测量、感知功能，包括温度传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器等。执行部分即操作器，接收控制信息，完成要求的动作，实现主功能，包括：电气式、液压式、气动式。图1-2 机电一体化系统信息流1.3 机电系统控制技术的知识基础图1-3 机电系统控制技术的知识基础1.4 机电系统控制技术的支撑体系图1-4 机电系统控制技术的支撑体系第二章 机电系统控制技术的发展历史机电系统

7、控制技术的发展历史大体上可以分为三个阶段：（1） 第一阶段20世纪60年代以前为第一阶段，第一阶段称为初级阶段。在这一时期，人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子结束的结合。那时，胭脂盒开发总体上看来处于自发状态。由于但是电子技术的发展尚未达到一定的水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展，已经开发的产品也无法大量推广。（2） 第二阶段20世纪70-80年代为第二阶段，可称为机电控制技术蓬勃发展阶段。这一时期，计算机技术，控制技术，通信技术的发展，为机电控制技术的发展奠定了技术基础。大规模，超规模集成电路和微

8、型计算机的出现，为机电控制技术的发展提供了充分的物质基础。大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；机电控制技术和产品得到极大的发展；各国均开始对机电控制技术和产品给予很大的关注和支持。（3） 第三阶段20世纪90年代为后期，开始了机电控制技术向智能化方向买进的新阶段，机电控制技术进入深入发展时期。一方面，光学，通信技术等进入机电控制技术，微细加工技术也加入机电控制技术中崭露头脚，出现了光机电控制技术和为机电控制技术等分支；另一方面，对机电控制系统的建模设计，分析和集成设计，机电控制技术的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。同时，人工智能技术，神经网络技术及光纤技术等领域取得的

9、巨大进步，为机电控制技术开辟了发展的广阔天地。随着相关技术的发展，机电控制技术将向着智能化，网络化一体化方向发展。典型的系统如数控加工中心，数控机床，工业机器人。物料自动传输与识别系统等，以及以这些系统为基础二主城的更大更复杂的系统如柔性制造系统（FMS），计算机集成制造系统（CIMS）等现代制造系统。纵观国内外机电控制技术的发展现况和高新技术的发展方向，机电控制技术朝着这几个方向发展：绿色化 智能化 网络化 微型化 模块化。图2-1 机电系统控制技术的发展第三章 机电系统控制技术从系统的的观点出发，机电系统控制技术就是将机械技术 、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上进行有机结合

10、，以实现整个系统最佳化的一门新科学技术。机电系统的共性关键技术包括：检测传感技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、机械传动技术、系统总体技术等，其中机电系统控制技术主要解决机电系统的控制问题，其中涉及的关键技术包括检测传感技术、信息处理技术、自动控制技术和驱动技术。3.1 检测传感技术机电系统在控制过程中需要从外界获取各种信息，如执行器的反馈信号等，为控制系统提供控制的信号和依据，而传感器则是系统从外界获取信息的工具。传感器是机电控制的基础，是系统对外感知的基本器件，可以说没有传感器就没有外界信号的准确输入，也就没有检测和控制系统。传感器的作用是将被测信号（如温度、压力等）转换成另一

11、种易于测量和输出的物理量，其中主要以电学量为主。传感器一般由敏感元件和转换元件两大部分组成：敏感元件：进行控制信息的收集，将被测量转换为易测得信号转换元件：进行信号数据的转换，将敏感元件的信号转换为可传输、记录、处理的信号目前，绝大部分传感器都是把转换电路及必要的辅助电源单元与敏感元件、转换元件一起做成集成化的器件。传感器种类繁多，性能各异，针对不同的控制系统，不同的信息对象，需要对传感器作出不同的选择。3.2 驱动执行技术机电系统通过传感器收集外界信号，输入信号在经过控制系统分析、计算、处理之后需要通过驱动执行机构进行输出，从而实现机电系统控制的全过程。继电器和电磁阀是工程上广泛应用的典型执

12、行器。3.2.1 继电器继电器是一种根据某种输入信号的变化使其自身的执行机构动作的自动控制电器。它具有输入电路（又称感应元件）和输出电路（又称执行元件），当感应元件的输入量（如电流、电压、频率、温度等）变化达到某一定值时，继电器动作，执行元件便接通或断开控制电路。电磁型继电器工作原理：线圈通过电流时所产生的磁通，经过铁芯、空气隙和衔铁构成闭合回路。衔铁在电磁场的作用下被磁化，因而产生电磁转矩，如电磁转矩大于反作用弹簧力矩及机械摩擦力时，则衔铁被吸向电磁铁磁极，使继电器触点闭合。图3-1 电磁继电器从本质上讲继电器就是利用弱电控制强电的开关，在电路中实现电动机或其它动力装置的启动、调速、停止，完

13、成生产工艺对机械动作的要求和保护。常用的电磁继电器有电流继电器、电压继电器、中间继电器、时间继电器、热继电器等。3.2.2 电磁阀电磁阀由电磁线圈和磁芯组成，包含一个或多个孔，通过控制线圈的通断电带动磁芯的运转，是对机电系统的内部气路、水路、油路进行通断或控制流量的器件，在液压和气压系统中，基本都有电磁阀的使用。电磁阀的工作原理：当有电流通过线圈时,固定铁芯吸合动铁芯,改变滑阀芯的位置，发生励磁作用,动铁芯带动滑阀芯并压缩弹簧,从而改变流体的方向。当线圈失电时，依靠弹簧的弹力推动滑阀芯，顶回动铁芯，使流体按原来的方向流动。图3-2 电磁阀工作原理图3.2.3 电机电机在现代机电系统中常常作为电

14、能转化为机械能的终端输出设备，配合机械部分可以实现生产机械的各种功能。常见的电机主要有直流电机、步进电机和伺服电机等。直流电机输出或输入为直流电能，能实现直流电能和机械能的相互转化；步进电机将电脉冲转化为角位移，当其收到一个脉冲信号，即将转过固定角度，通过控制脉冲个数从而控制角位移量；伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出，形成闭环控制。工程实践中根据机电系统的具体要求选择合适的电机和对应的控制方法。3.3 信息处理技术机电系统的信息处理和自动控制由系统的控制单元完成。作为机电系统的核心，控制单元的作

15、用是负责将来自各传感器的检测信号和外部输入命令进行集中、存储、计算、分析，然后根据信息处理结果，按照一定的规则发出相应的指令信号，从而控制整个系统有目的地运转。常见机电系统控制单元包括可编程序逻辑控制器（PC或PLC）、单片机、工业计算机数字信号处理器（DSP）、ARM等，其中又以PLC和单片机工业上运用最为广泛。3.3.1 可编程逻辑控制器PLCPLC是可编程逻辑控制器的简称，它是利用计算机原理专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。PLC采用可以编制程序的存储器，用于在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制

16、各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。PLC具有以下鲜明的特点：（1）系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回 路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。（2）使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。（3）能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。由于具备了以上种种优点，PLC在工业自动化中

17、控制中得到了广泛的应用。3.3.2 单片机单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。 单片机数量庞大，小到计算器，大到各种精密控制系统，它实际已成为世界上数量最多的处理器。由于单片机的超低功耗、其强大的处理能力以及丰富的片上外围模块和方便高效的开发环境，它已经成功吸引了人们对单片机的发展和开发，单片机的功能甚至在逐步逼

18、近传统的计算机，目前已经发展到32位300M的高速单片机，可以预见单片机的发展前景是无可估量的。 PLC和单片机，两者本质相同，都是基于微处理技术的计算机，但对比两者各自的特性在选用时以下原则可供参考：（1）因为体积小而且廉价所以单片机方案适合大批量重复生产的民用消费品。特别是仪器仪表以及小型控制系统。（2）PLC比单片机更适合于工作母机控制和工业过程控制。（3）对于单项工程或者重复数极少的项目采用PLC方案是明智、快捷的途径，成功率高、可靠性好。但成本较高。（4）对于量大的配套项目采用单片机系统具有成本低、效益高的优点但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行。（5）在单片机

19、方案和PLC方案都适用的前提下若控制系统对于稳定性和抗干扰性要求很高即使设计成本较高也应采用PLC方案。3.4 自动控制技术自动控制指的是在没有人直接参与的情况下，利用控制器，使机器设备或生产过程的某个工作状态或参数，自动地按照规律运行。从控制的方式看，自动控制系统有闭环和开环两种。开环控制也叫程序控制，这是按照事先确定好的程序，依次发出信号去控制对象。按信号产生的条件，开环控制有时限控制，次序控制，条件控制。20世纪80年代以来，用微电子技术生产的可编程序控制器在 工业控制（电梯，多工步机床，自来水厂）中得到广泛应用。闭环控制也就是（负）反馈控制，对加载到反馈系统中的由于挠动而产生的输入信号

20、偏差通过相应的控制作用进行控制，从而减小或者消除挠动的影响，使被控制量与期望趋于一致。自动控制技术提高了机械设备的精度，保证了机械设备的智能化的实现。第四章 典型的机电系统控制技术4.1 数控机床控制系统（1） 用途本机床属三座标数控铣床，选配适用可靠数控系统，能完成铣、镗、钻等切削运动，可在没有模具的情况下完成凸轮、样板、模具等形状复杂零件的加工。（2） 结构特点1、 主轴采用无级调速。2、进给系统由交流伺服电机驱动。3、滑动面优质贴塑与淬硬磨削导轨 配合，具有良好耐磨性及伺服性。4、 配有主轴快换螺母换刀装置。5、根据需要可加配第四轴。 图4-1 数控机床（3）工作原理主轴控制单元的顺序控

21、制：对刀具交换、主轴调速、冷却液控制、工作台极限开关等开关量控制速度控制单元的数字控制：用于机床进给传动的伺服控制、对工作台、刀架、进给速度等机械控制。对伺服系统的要求：1、足够宽的调速范围,10000:1 2、足够的加减速力矩 3、动态响应快，消除负载对速度的影响 4、转子惯量小 5、高速到低速应运行平稳 6、伺服电机应安全可靠。4.2 机器人控制系统工业机器人是一个涉及多种技术的典型机电一体化产品。它广泛用于汽车制造、机械加工、电子、能源、建筑以及军工和海洋等工业部门，主要从事喷漆、焊接、装配、搬运以及一些特殊环境下的工作，成为生产线的主要组成部分，而倍受重视。（1）日本YASKAWA工业

22、机器人的机械手及控制系统机械手有三个基轴（S、L、U）和三个臂轴（R、B、T），共六个自由度，可实现分别沿X轴、Y轴、Z轴的平移和绕X轴、Y轴、Z轴的旋转。（2） 迷你机器四脚怪机器人需要两节”AAA”干电池掀开底下的盖子装上电池,将其胸前的开关推至 “on”的位置 高5.5英寸 超前设计 超酷四脚和头部行动 头部可以摆超酷姿势（3） 工作原理对伺服系统要求：1、足够的输出功率 2、频繁的起制动正反转 3、惯性小 4、体积小重量轻 5、便于维护 6、良好的稳定性 7、灵活接受控制指令第五章 机电系统控制技术的展望微电子技术和信息处理技术的应用，富裕传统机械产品许多新的功能，同时创造出许多现代机

23、电新产品，这些产品所具备的的多种复合功能已成为一个显著地技术特征。机电系统的动力智能化，分散化，不但使传动链缩短，提高了传动精度，而且使整个机电系统的机械结构更为简单，机械部件数量少，精度高。纵观国内外机电控制技术的发展现况和高新技术的发展方向，机电控制技术朝着这几个方向发展： 智能化：在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学等新思想、新方法模拟人类智慧，使它具有判断推理、逻辑思维能力。 模块化：由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口极其有意义。 网络化：基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，远程控制的终

24、端就是机电一体化产品。现场总线和局域网技术使家用电器网络化已成大势。 微型化：几何尺寸小于1CM2的产品称为微电子机械系统或微机电一体化系统，正在向微米、纳米级发展，在生物医学、军事、信息等领域具有独特优势。 绿色化：环保型机电一体化系统，绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中，符合特定的环境保护和人类健康的要求。 人性化：如何赋予机电一体化产品人的智慧、情感、人性显得越来越重要。控制理论的诞生和发展大大推动了工程技术的发展，特别是在机械和电子领域，两 结合并诞生了现在的机电一体化系统，随着光电技术，信息技术的发展，各学科愈来愈呈现交叉发展的趋势，目前的光机电一体化技术也就是在这样的背

25、景下产生的。随着工业生产的发展，被控对象越来越复杂，常表现为高度的非线性，强噪声干扰，动态突变性等，这些复杂性都难以用精确的数学模型描述。当基于精确数学模型的描述的传统控制技术难以解决复杂对象的控制问题时，机电系统的智能控制技术得到了发展。智能控制是人工智能与控制理论的交叉产物，是计算机科学、人工智能、知识工程、模式识别、系统论、信息论、模糊集合论、控制论、进化论等多种前沿学科、先进技术和科学方法的高度综合集合成。对于复杂的任务和分散的传感信息，智能控制系统具有自行组织和调节的功能。随着计算机技术的快速发展和控制系统规模的增大,越来越需要计算能力的分布化促进了机电系统控制的网络化。所谓网络化控制系统，是指在串行网络上实现控制回路的系统,即控制系统中的控制器、传感器和执行器等元件通过串行网络来交换控制及传感等信号。综上所述，现代机械系统已迎来了机电一体化的全面发展趋势，并向着智能化、网络化发展，电子信息技术和控制技术的发展将使机械工业迎来新一轮的革命。参考文献1 王兴松机电控制技术东南大学，20092 冯清秀机电传动技术华中科技大学出版社，20143 郁建平机电控制技术科学出版社，20064 陈瑞阳机电一体化控制技术高等教育出版社，20045 高家伟机电系统控制技术高等教育出版社，2012