自动控制系统的构造.ppt

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1、第第 1 章章 自动控制系统的构造方法自动控制系统的构造方法(1)电路图电路图 电路图用于详细表示电路、设备或成套装置的全部基本组成和连接关系，而不考虑各电器元件的实际安装位置和实际接线情况，其用途是：l）详细理解电路、设备或成套设备及其组成部分的作用原理。2）为测试和寻找故障提供信息。3）作为编制接线图的依据。绘制电气电路图时，一般要遵循以下规则：绘制电气电路图时，一般要遵循以下规则：l）电路或元件应按功能布置，其布局顺序应该是从左到右和从上到下。2）电气控制电路分为主电路和控制电路，要分开来画。3）电气控制电路中，同一电器元件的不同部分（如线圈和触头）常不画在一起，但要用同一文字符号标注。

2、4）电气控制电路的全部触头都按“非激励”状态绘出。何为“非激励”状态?对电操作元件（如接触器、继电器等）是指线圈未通电时的触头状态；对机械操作元件（如按钮、行程开关等）是指没有受到外力时的触头状态；对主令控制器是指手柄置于“零位”时各触头状态；对断路器和隔离开关是指触头处于断开状态。(2)电气设备位置图电气设备位置图 表示各部件（如元件、器件、部件、组件、成套设备等）在机械设备和电气控制中的实际安装位置，图中各部件的文字符号应与有关电路图中的符号相同。各项目的安装位置是要取得信号的地方，操作元件放在便于操作的地方，一般电气元件应放在控制柜内。(3)电气设备接线图电气设备接线图 表示各部件之间实

3、际接线情况，图中一般标示出：部件的相对位置、部件代号、端子号、导线号、导线类型、导线截面积、屏蔽和导线绞合等内容。绘制接线图时应把各电气元件的各个部分（如触头与线圈）画在一起；文字符号、元件连接顺序、线路号码编制都必须与电路图一致。1.1.2 继电-接触器电气控制电路图的分析 方法 电路图中（除了配电部分）的电器元件，基本可以分成三类：执行元件、检测元件和运算元件。执行元件用来操纵被控制对象的执行机构，这类元件包括电动机、接触器、电磁阀、电磁离合器等。检测元件把系统工作过程中的一些参量（如机械位移、压力、流量）的变化转换成电信号，这类元件有按钮开关、行程开关、压力继电器等。运算元件对检测元件的

4、信号进行逻辑运算，并判断系统工作过程的各个阶段，使每一阶段都有其所要求的执行元件工作，这类元件包括中间继电器、时间继电器等。注意：在某些情况下，可以用检测元件直接控制执行元件，这时，检测元件兼有运算元件的功能。一套设备或系统的工作过程，可以分解成若干个时间上依次衔接的阶段，称为“工步”。在每一工步内，由执行元件确定正在进行的工作，如“前进”、“后退”等。这些工步在检测元件的控制下产生转换。弄清了系统工作过程中究竟有哪些工步及各元件所呈现的状态和配合关系，就可以说读懂（或分析）了电路图的工作原理或系统的工作过程。阐述这些工作过程的方法很多，主要有：文字叙述法 图形分析法 逻辑函数法 1文字叙述法

5、文字叙述法用自然语言平铺直叙地依次说明各元器件的行为和状态，是普遍采用的方法。叙述法可以非常全面、细腻地阐述电路的工作过程，可以使人了解每一个细节，文字叙述法方法的缺点是不能直观、简明、形象地展开各元件在不同阶段所处的状态和系统工作的全过程。2图形分析法图形分析法根据电压和电流波形及它们之间的时序关系，从而了解和判断电路的工作状态，这就是图形分析法。图形既简明直观又蕴涵大量信息。图形分析法也有多种形式，常用的有：工作流程图工作状态图功能表图 （1）工作流程图）工作流程图工作流程图又称工作循环图或工艺流程图许多系统的工作过程是循环或可逆的，为了形象地表示出来，在工作流程图中常把相应部分画成相反的

6、或者闭环的，图 1-2可以改画成如图 1-3所示。（2）工作状态图）工作状态图 很容易将工作流程图转变成工作状态图。很容易将工作流程图转变成工作状态图。现将上例小车运行的工作流程图图现将上例小车运行的工作流程图图1-2 转变成转变成小车运行的工作状态图小车运行的工作状态图1-4 1）工作状态图的结构 纵线表示时间轴上的某一时刻，对应于工作流程图上的开关点，在这里称为执行元件的开关线。执行元件的状态在开关线处发生变化。检测元件按照系统的工作顺序，横向排列各工步，给出各工步的序号和名称以及各步的主令信号。竖向分类排列各电气元件，除写出元件的符号外还可简要注明其在系统中所起的作用，以便于分析。2）元

7、件状态的表达方法）元件状态的表达方法状态表的局限：但当在一个工步内有多个检测元件的状态发生转变时，用状态表就难以表示出它们之间的时序关系，这是其不足之处。（3）图形分析法举例）图形分析法举例 1）流程图法设计）流程图法设计例1：液压动力头控制电路例2：半自动车床刀架纵进、横进、快退控制电路3功能添加法功能添加法问题：复杂工艺的控制要求能否运用“功能添加法”设计？功能添加法的特点：优点：使用灵活方便；缺点：对于复杂的生产工艺，用此方法设计运动控制线路比较困难。4步进逻辑公式法 1）规定）规定 逻辑代数等式左端是运动控制线路的线圈符号，等式右端是运动控制线路的触点符号。逻辑代数方程组可表示如下：2

8、）程序步全部有关输出状态保持不变的一段时间区域称为一个程序步，只要有一个输出状态发生变化就转入下一步。有箭头表示的（导数连续的）线段说明小车有位移；无箭头表示的线段说明小车无位移或无程序步。3）步进逻辑公式）步进逻辑公式式中：Ki 第i（程序）步；Ki+1 第i+1（程序）步；K i-1 第 i-1（程序）步；ST 转步信号，通常由位置检测器产生。当转步信号 ST 是行程开关时，式（1-1）步进逻辑公式用常规电气线路图及梯形图表示，如图1-22所示。结论：结论：每个程序步都是由前一步接触每个程序步都是由前一步接触或感应转步信号或感应转步信号 ST 产生的，每产生的，每一步的消失都因后一步的出现

9、而一步的消失都因后一步的出现而消失消失。其推导过程如下：假设Ki表示中间继电器的线圈或触点，第 i 程序步用逻辑代数书写的过程为每一步Ki的产生都是由前一步Ki-1接触或感应ST 所产生产生后应该有一段时间区域保持不变，故应该有自保（自锁）每一步Ki的消失都是由后一步Ki+1的出现而消失4）步进逻辑公式的使用方法）步进逻辑公式的使用方法 先把运行轨迹分成若干程序步并定义转步信号（位置检测信号）。根据运行轨迹结构写出决定物体运动状态的输出电路的逻辑代数方程组。输出方程定义：假设能决定物体某运动状态或方向的变量是 y，那么，输出方程为 y （物体在该运动状态或方向上的程序步）套用步进公式写出控制电

10、路的逻辑代数方程组，如果有必要可绘出其运动控制电路原理图（控制方程组是由步进公式按照某一生产工艺要求所组成的逻辑代数方程组）。例3：某生产工艺要求，按动起动按钮时，电动机带动小车左右运动，小车的运动轨迹如图1-20所示 a）定义程序步和转步信号 b）写出输出逻辑代数方程组 根据运动轨迹，可以直接写出该控制系统的输出方程组输出方程组：c）套用步进公式可得该控制系统的控制方程控制方程组组通过增加起动按钮S1来实现这组循环，式（1-2）K1式改为通过停止按钮S2，来使系统停止工作。式（1-2）改为d）物体运动控制系统原理图 根据逻辑代数方程组绘出其运动控制系统的原理图见图 1-24。5）步进逻辑公式

11、法实际应用时的注意事项）步进逻辑公式法实际应用时的注意事项 如果电动机是交流异步电动机，当采用变频器控制电动机的转速时 如果电动机是直流电动机，还可将图1-24 转换成图1-26所示控制系统。采用PLC（C20P）实现与图1-25 控制电路等效的控制系统如图 1-27 所示。6）步进逻辑公式法应用举例 a）平面运动例4：某生产工艺要求，按动起动按钮S1后，小车的运动轨迹如图1-28所示，按动停止按钮S2时，小车就地停止。已知：电动机 M1带动小车左右运动，电动机M2带动小车上下运动。假设：KM1得电小车向右运行，KM2得电小车向左运行，KM3得电小车向上运行，KM 4得电小车向下运行。试设计满

12、足该运动轨迹的运动控制线路图（不考虑电动机的惯性和过热问题）。定义程序步和转步信号 根据图1-29写出输出逻辑代数方程组如下：套用步进公式写出该控制系统的控制方程组 根据输出方程组和控制方程组绘出运动控制系统的原理如图1-30所示。例 5：已知电动机 M1带动的小车作平面运动。控制小车运动方向的接触器 KM3得电使小车作水平方向运动；KM4得电使小车作垂直方向运动。生产工艺要求：按动起动按钮 S1后小车的运动轨迹如图 1-28所示；按动停止按钮S2时，小车就地停止。假设：在方向轮的作用下，KM1得电，电动机正转，小车向右或向上运行；KM2得电，电动机反转，小车向左或向下运行。试设计满足该运动轨

13、迹的逻辑代数方程组。设计：所定义的程序步和转步信号与例 3 相同，如图1-29所示。其输出方程分为方向轮控制方程和电动机控制方程 控制方程组与例4完全相同。b）立体运动）立体运动例 6：某氧化一染色自动化流水线有一套挂具，该挂具在生产工艺流程中的运行轨迹如图 1-31所示。当挂具装上料之后，按起动按钮 S1后，该挂具自动上升进入流水线；当下料时，该挂具压动行程开关ST5而停止下降；按急停按钮S2时，挂具就地停止。已知：l）该挂具的三个运动方向用一个电动机 M1驱动，接触器线圈 KM11得电，M1正转，挂具上升、左行和向后运动；线圈 KM12 得电，电动机 M1反 转，挂具下降、右行和向前运动。

14、其运动方向由换向器控制，控制换向器方向的三个接触器KC11 得电，挂具作垂直运动，；KC12 得电，挂具作水平运动；KC13 得电，挂具作前后运动。2)ST1、ST2、ST3、ST4为挂具到达 各槽口的行程开关，ST5、ST6、ST7、ST8 为挂具到达各槽底时的行程开关，ST9、ST10为挂具在各槽内作涮水运动时的上限位行程开关，ST11、ST12为挂具水平左行的起点与终点的行程开关，挂具在氧化槽内的氧化时间为 t(t 0）试设计满足此生产工艺要求的电气控制线路方程组。设计：定义程序步和转步信号。根据运行轨迹和生产工艺要求，可将运行轨迹分为 18 步，如图1-32所示。输出方程组。控制电动机

15、的输出方程组 控制挂具运动方向的输出方程组注意：输出方程等号右端变量的填写顺序最好为：K1、K2、K17、K18。不要把同一方向的变量集中在一起填写，这样可避免程序步漏填。控制方程组。套用步进公式可得如下控制方程组：例 7：某氧化一染色自动化流水线有一套挂具，已知条件与例 6 相同。生产工艺要求：当按起动按钮 SQ1 时，挂具的运行轨迹如图1-31所示；当按起动按钮SQ2时，挂具的运行轨迹如图1-33所示。试设计满足此生产工艺要求的电气控制线路方程组。设计：定义程序步和转步信号。由于图 1-33是图 1-31的一种特殊情况，所以定义程序步和转步信号仅按照运行轨迹图1-31设置，定义结果如图1-

16、32所示。这样设计出的控制电路比较简洁。输出方程组与例6相同。控制方程组。两个流水线共同使用了下面的控制方程组，当按SQ1时，下面的控制方程组与例6的控制方程组相同；当按SQ2时，屏蔽掉例6中控制方程组的 K8、K9和K10，就满足了图 1-33所示运动轨迹的要求。式中，KMU1为实现图 1-31功能的辅助接触器；KMU2为实现图1-33功能的辅助接触器。例 8：某氧化一染色自动化流水线有一套挂具，该挂具在生产工艺流程中的运行轨迹如图1-31所示。当挂具装上料之后，按起动按钮SQ1，挂具自动上升进人流水线；当下料时，该挂具压动行程开关ST5而停止下降。按动急停按键“ST”时，挂具就地停止。已知

17、条件：1）与例6的 l）相同。2）接近开关位置如图1-34所示SP11、SP12、SP13、SP14、SP15，和 SP16分别是安装在每套挂具顶部、下部、右部、左部、前部和后部的接近开关或行程开关。1X、2X、3X、4X 为挂具到达各槽口的位置标志，5X、6X、7X、8X为挂具到达各槽底的位置标志，9X、10X为挂具在各槽内作涮水运动时的上限位标志，11X、12X为挂具水平左行的起点与终点的位置标志，如图1-35所示。试设计满足此生产工艺要求的电气控制线路方程组 1)程序步和转步信号的定义见图1-32和图1-352)输出方程组与例 6相同。3)控制方程组。此题与例 6 相比，所用的硬件减少了

18、，因此可靠性提高了。其控制方程组主要引进计数器来区分每一步之间的动作条件，计数器如果规定用 N(x)(S:n,R:c)来表示，其中 x 表示动作次数，n 表示置位信号，c表示清零信号。控制方程组如下：式中，t 为挂具在氧化槽内的氧化时间（t 0）例 9：某氧化一染色自动化流水线有两套挂具，每套挂具的生产工艺流程如图1-31所示。每套挂具都可独立进行操作，除上下料槽外，每个槽内最多只能容纳一套挂具，图中所示运行轨迹为每套挂具的运行轨迹。假设：l）每套挂具用一个电动机 Mi(i=1,2)拖动，接触器KM1i（i=1,2）得电，电动机正转，挂具上升、左行和向后运动由电动机正转驱动；接触器KM2i(i

19、=1,2）得电，电动机反转，挂具下降、右行和向前运动由电动机反转驱动。其运动方向均由换向器进行分向，控制换向器分向的三个接触器为：KC i1，得电，挂具作垂直运动；KC i2得电，挂具作水平运动；KC i3得电，挂具作前后运动（i=1,2）2)SPi1、SPi2、SPi3、SPi4、SPi5和SPi6（i=l,2）分别是安装在每套挂具顶部、下部、右部、左部、前部和后部的接近开关或行程开关（参考图1-35）1X、2X、3X、4X 为挂具到达各槽口的位置标志；5X、6X、7X、8X为挂具到达各槽底时的位置标志；9X、10X为挂具在各槽内作涮水运动时的上限位标志；11X、12X为挂具水平左行的起点与

20、终点的位标志；t 是挂具在氧化槽内的氧化时间（t0）3）当挂具装上料之后，按起动按钮 Siq，（i=1，2)，该挂具自动上升进人流水线；当按停止按钮 SiT，（i=1，2)时，该挂具就地停止；当挂具上的接近传感器或行程开关被5X标志位接近或压动时而停止下降。试设计满足此生产工艺要求的电气控制线路方程组。1）每套挂具的程序步和转步信号的定义见图1-35，其中，xi =1Ki，2 Ki。1Ki 是第一套挂具使用的程序步（辅助变量或中间继电器）,2 Ki是第二套挂具使用的程序步（辅助变量或中间继电器）。2）第一套挂具输出方程组。控制电机 Mi的输出方程组控制第一套挂具运动方向的输出方程组式中:21F

21、、22F 和23F是第二套挂具在槽内的标志信号，表达式如下：3）第二套挂具的输出方程组。控制电动机 M2的输出方程组 控制第二套挂具运动方向的输出方程组式中，11F、12F和13F是第一套挂具在槽内的标志信号，表达式如下 4）每一套的控制方程组都与例 8的控制方程组结构相同，c）特殊直线运动）特殊直线运动例 10：垂直升降电梯“顺载”控制电路的设计 设计要求为：在不考虑轿厢内指令信号的情况下，如果门厅没有呼梯信号，那么轿厢就一直作垂直往复运动，垂直往复运动的运行轨迹为 0 A B C D E 0；如果在轿厢运行的前方有门厅呼梯信号并且是同方向的，那么轿厢就在该层停止 称为顺载）。例如：当轿厢上

22、行运行在2层时（上客）如果有3层的下行呼梯信号和4层的上行呼梯信号，那么轿厢不在3层停止而在 4 层停止。假设电梯轿厢的加、减速度大小相等方向相反，E2为最高速度信号，E1为中速信号，试设计满足上述设计要求的电梯轿厢运动指挥控制系统的逻辑代数方程组。设继电器KM1得电，电梯轿厢开始上行加速运行（如果 KM1得电时间充分长，电梯轿厢可一直加速到最高速）,KM1失电，电梯轿厢开始上行减速运行（一直减到零速）；继电器 KM2 得电，电梯轿厢开始下行加速运行（如果KM2得电时间充分长，电梯轿厢可一直加到最低速）,KM2失电，电梯轿厢开始下行减速运行（一直减到零速）。S i（1i4）为第 i 层上行呼梯

23、信号，X i（2i5）为第 i 层的下行呼梯信号。Z i（1i5）为程序步K i 对继电器 KM1和 KM2 起作用的约束条件；SN i（1i4）为楼层上行感应信号，XN i（2i5）为楼层下行感应信号。电梯轿厢初始位置在1层，电梯使能信号为S1Q，允许电梯运行信号为S2Q，电梯起动信号为 SQ。程序步可分为 8 步，如图 1-37所示，其输出方程为式中，Z1Z8，是对程序步K1K8 的约束条件方程组 套用步进公式可得如下程序步方程组：到目前为止，无论多么复杂的运行轨迹，只要给出运动次序，我们套用步进逻辑公式就能把控制系统设计出来。但是如果生产工艺没有给出运动次序，仅给出能量消耗越少越好的条件

24、，遇到这类问题如何来解决呢？5最少程序步判别定理及其应用举例 1）最少程序步判别定理最少程序步判别定理定理定理 1 在一个连通图区内，如果物体运动轨迹的结点都在一个连通图区内，如果物体运动轨迹的结点都是偶数结点，那么被控物体可以不重复地连续走完每一条是偶数结点，那么被控物体可以不重复地连续走完每一条轨迹，并且起点与终点是同一个结点。轨迹，并且起点与终点是同一个结点。一个结点如果是由奇数条轨迹相交称为奇数结点；一个结一个结点如果是由奇数条轨迹相交称为奇数结点；一个结点如果是由偶数条轨迹相交称为偶数结点。图点如果是由偶数条轨迹相交称为偶数结点。图1-38是一个是一个全部由偶数结点构成的连通图。全部

25、由偶数结点构成的连通图。根据定理1此图可以用一笔不重复地走完每一条轨迹。并且起点与终点是同一个结点。一般情况下，运动轨迹的连通图既有偶数结点又有奇数结点，如果遇到这类问题应用下面的定理和方法来解决。定理定理2 在一个连通图内，如果物体运动轨在一个连通图内，如果物体运动轨迹的结点有两个奇数结点，那么被控物体迹的结点有两个奇数结点，那么被控物体可以不重复地连续走完每一条轨迹，并且可以不重复地连续走完每一条轨迹，并且从一个奇数结点开始到另外一个奇数结点从一个奇数结点开始到另外一个奇数结点终止。终止。推论：在一个连通图内，如果物体运动轨推论：在一个连通图内，如果物体运动轨迹的结点有迹的结点有 N N

26、2）个奇数结点，那）个奇数结点，那么被控物体需要使用么被控物体需要使用 N/2 次才能不重复地次才能不重复地走完每一条轨迹。走完每一条轨迹。注意：在任何一个连通图内奇数结点只能是偶数个，不可能出现奇数个。定理 l 和定理 2 合称为最少程序步判别定理或一笔画定理。2）应用举例）应用举例某无人车间有一个机器人在规定的时间之内可走遍每个巷道，巷道如图1-39所示，试分析该巷道结构，完成如下对机器人驱动控制系统的设计。解：首先定义程序步（程序步定义方案不唯一，但是最少的程序是 12 步），如图1-40所示；然后设置转步信号：在转步位置装上特定的反射标志，如图1-40中的圆点所示。输出方程组如下：其控制方程组如下：式中，iN（i+l)(i=l,2,3,4,5,7,s,9,10）是计数器的表示符号。假设机器人前方装有一个起转步作用的专用接近开关 ST1和一个起结束作用的专用接近开关ST2；机器人运行方向是履带驱动系统控制：KM1得电，机器人的右履带运行，KM2得电，机器人的左履带运行；机器人转弯时，内侧履带停止运行时间为t。起动按钮为S1，急停为 S2。试设计一个机器人从 A 点到 B 点不重复地走遍每条巷道地物体运动控制系统原理图。解：设时间延时继电器为 那么其输出方程组为控制方程组与上面3）的控制方程组相同。