机电一体化系统基本组成

辅助
驱动器
机电
设计
一体化
电气
计算机
控制
与温度相关的信号反馈 (b)
测量装置
图1.9 加热房间：(a)开环系统 (b) 闭环系统
闭环系统组件
• 比较单元
- 至少两个输入，一个输出 – 正/负反馈
• 控制单元 -二进制，比例项，硬连线，可编程 • 校正单元 - 执行器
• 过程 – 与环境连接 • 反馈 - 测量系统，传感器，调节器，数据总线
• 打开热水和冷水阀。
• 检测水位
• 关闭阀门
• 搅拌
• 停止浸泡
• 排水
– 洗涤
机械
传感器
辅助
驱动器
机电
设计
一体化
电气
计算机
控制
• 打开热水，冷水，肥皂阀 • 检测水位，等等。
预洗 浸泡
洗
排水
微处理器控制
• 优势
– 灵活性 CPU
– 准确性
– 鲁棒性
数字
• 类型
I/O
端口
– 定制或嵌入
– 可编程逻辑控制 器
控制
测速计
测速仪
过程,旋转轴
输出: 恒速轴
输入 时钟
程序
洗衣机系统
控制单元
校正元件 泵
阀门 加热器
电机
过程 滚筒洗衣机
输出 水位 水温 滚筒速度
关门
机械
传感器
辅助
驱动器
机电
设计
一体化
电气
计算机
控制
输出水位、水温、滚筒速度、关门的反馈
顺序控制器
• 时间或事件驱动序列
• 也被称为梯形逻辑
• 例子
– 预洗
输入
• 测量系统
– 测量输入变量，输出显示 温度
• 控制系统
– 输入设定值，输出正确的
设定值
温度,设定值
系统 温度计 集中供热系统
输出 显示 检测值
机械
传感器
辅助
驱动器
机电
设计
一体化
电气
计算机
控制
建模系统
输入 在0时的力
弹簧
伸
缩
输出
量
伸缩量随时间改变
弹簧输入响应
机械
传感器
辅助
驱动器
机电
设计
一体化
电气
控制系统实例
计算机 数控
位置,速度 反馈
位置,速度 检测单元
电机
机械
传感器
辅助
驱动器
机电
设计
一体化
电气
计算机
控制
数控机床伺服系统组成
机械 部件
加热房间
输入: 决定开或者关
控制器
手工激活
开关
电力 (a)
输入: 需要的温度
偏差信号
控制器
手工激活
开关
电力
电炉
输出: 温度变化
电炉
输出: 温度不变
机械
传感器
vt1 0.7vt 0.5 Prt
开环控制系统
• 概念
– 输入
– 你得到的就是你得到的
• 优点
设定值
– 便宜
– 简单
– 可靠
• 缺点
设定值 变量
(温度\风扇转速)
– 关闭调整需要人为干预
机械
传感器
辅助
驱动器
机电
设计
一体化
电气
计算机
控制
热量 控制系统 (体温)
控制系统 (自动控温)
测量值
测量值 温度
• 执行器 – 设备控制装置 • 节流阀、气门，盘式电机,…
• 控制器 – 设计产品来控制设备
机械
传感器
辅助
驱动器
机电
设计
一体化
电气
计算机
控制
开环控制系统
• 输出
– 我们感兴趣的物理系统方面
• 速度，磁盘位置，温度
• 参考
– 我们希望看到的输出值
• 期望速度，期望位置，期望温度
• 扰动
– 受环境影响的不可控输入
设定值 误差
控制单元
校正单元
杠杆 过程
进水口 枢轴
测量值
机械
传感器
辅助
驱动器
机电
设计
一体化
电气
计算机
控制
测量系统
用于设置参 考值的电位计
D.C. 电源
轴速度控制
放大参考值和反馈值 之间的差异
微分放大器
电机
锥齿轮
旋转轴
参考值
微分放大器
放大器
误差
速度测量
电机
机械
传感器
辅助
驱动器
机电
设计
一体化
电气
计算机
– 多输入多输出
电磁阀 数字显示器 数字传感器 数字执行器
机械
传感器
辅助
驱动器
机电
设计
一体化
电气
计算机
控制
RAM
ROM, EPROM, EEPROM (非易失件软件)
串行通信端口
定时器
A/D
D/A
外部EEPROM 其它微控制器 主机
模拟传感器
模拟执行器 模拟显示
模拟和数字控制系统
信 号
0
时间
(a)
信号： (a) 模拟 机械
传感器
辅助
驱动器
机电
设计
一体化
电气
计算机
控制
(b) 数字
信 号
0
时间
(b)
参考值
模数 转换器
微处理器
数模 转换器
放大器
电机
过程,旋转轴
输出: 恒速
测速计
参考值
微处理系统 比较元素
控制器
误差信号
数模 转换器
模数 转换器
测量值
校正单元 测量装置
过程
控制变量
机械
传感器
辅助
驱动器
机械
传感器
辅助
驱动器
机电
设计
一体化
电气
计算机
控制
机械
传感器
辅助
驱动器
机电
设计
一体化
电气
计算机
控制
第一章 绪论
主要内容 • 1.3 机电一体化系统基本组成
机械
传感器
辅助
驱动器
机电
设计
一体化
电气
计算机
控制
1.3 机电一体化系统基本组成
数字执行器 模拟执行器
机械系统
数字传感器 模拟传感器
微处理器控制系统
• 三个要素
待测变量
传感器
– 传感器 – 信号调节器 – 显示，输出
• 课程大纲
– 传感检测系统 - 第3章
信号调节器
显示
测量值
机械
传感器
辅助
驱动器
机电
设计
一体化
电气
计算机
控制
控制系统
控制系统是指由控制主体、控制客体和控
制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系
统。
控制系统意味着通过它可以按照所希望的
• 风，磁盘驱动器的冲振，开门
机械
传感器
辅助
驱动器
机电
设计
一体化
电气
计算机
控制
参考输入 rt
(期望速度)
目标:设计F 使v接近r
执行器
ut (风门)
扰动
wt(道路等级)
车型
ut F (rt )
控制器
设备模型
vt
设备(汽车)
vt1 0.7vt 0.5ut wt
vt 1
控制率
ut P rt
系统模型
加法器
(比较单元)
设定值
误差
控制单元
校正单元
过程
测量值
机械
传感器
辅助
驱动器
机电
设计
一体化
电气
计算机
控制
测量系统
马桶水箱
• 设定值 - 调整后的浮臂位置
• 比较单元 - 浮臂
• 控制单元 -枢轴
• 校正单位 - 阀门 • 过程 - 流水
空心球
• 反馈- 浮球和杆
• 测量值 - 水位
加法器 (比较单元)
方式保持和改变机器、机构或其他设备内任
何感兴趣或可变的量。控制系统同时是为了
使被控制对Байду номын сангаас达到预定的理想状态而实施的。
控制系统主要由：控制器，被控对象，执
行机构和传感检测四个环节组成。
机械
传感器
辅助
驱动器
机电
设计
一体化
电气
计算机
控制
控制系统
• 控制物理系统的输出
– 通过设置物理系统的输入
• 跟踪
执行器
扰动
• 例如
ut (风门)
wt(道路等级)
车型
– 巡航控制 – 恒温器控制
参考输入 rt
(期望速度)
ut F (rt )
–
磁盘驱动控制
目标:设计F 使v接近r
控制器
设备模型
vt
设备(汽车)
vt1 0.7vt 0.5ut wt
vt 1
控制率
ut P rt
系统模型
vt1 0.7vt 0.5 Prt
机械
传感器
辅助
驱动器
机电
设计
一体化
电气
计算机
控制
et (误差) rt vt
误差检测
ut
rt
ut F (rt )
wt
设备模型
vt
控制器
设备(自动化)
传感器(速度)
车型
vt 1
vt1 0.7vt 0.5ut wt
控制率
ut P rt
系统模型
vt1 (0.7 0.5P)vt 0.5 Prt wt
闭环（反馈）控制系统
• 概念
– 多输入
• 设定值 • 反馈
– 过程控制
• 优点
– 自动化
– 精确
• 缺点
– 昂贵
机械
传感器
辅助
驱动器
机电
设计
一体化
电气
计算机
控制
– 更复杂
设定值
控制系统 (自动体温)
测量值
闭环控制系统
• 传感器
– 测量设备输出
• 误差检测
– 检测误差
• 反馈控制系统 • 跟踪误差最小化
计算机
控制
F =kx
最终读数 时间
建模系统
输入 电力
机械
传感器
辅助
驱动器
机电
设计
一体化
电气
计算机
控制
水壶
输出 水温
100℃
温 度
20℃
时间
电水壶系统的输入响应
2min
连接（接口）系统
输入 CD
电信号
CD机
更大的电信号
扩音器
喇叭
输出 声音
CD 机
机械
传感器
辅助
驱动器
机电
设计
一体化
电气
计算机
控制
测量系统
机电
设计
一体化
电气
计算机
控制
数字闭环控制系统的组件
– 飞机高度控制
• 困难
– 干扰：风，道路，轮胎，刹车，打开/关闭门...
机械
– 人机界面：感觉很好，感觉对... 传感器
辅助
驱动器
机电
设计
一体化
电气
计算机
控制
跟踪
速 系度 统、 输温 出度
等
参考输入
系统输出
时间
机械
传感器
辅助
驱动器
机电
设计
一体化
电气
计算机
控制
时间
开环控制系统
• 设备 – 被控制的物理系统 • 车, 飞机， 光盘，加热器，...
机械
传感器
辅助
驱动器
机电
设计
一体化
电气
计算机
控制
1.3.1机电一体化的关键要素
仿真和建模
机
电 一
自动控制
体
化
优化
信息系统
机电
机械系统
执行器 传感器
电气系统
实时接口
数/模 模/数
计算机系统
机械
传感器
辅助
驱动器
机电
设计
一体化
电气
计算机
控制
1.3.2 机电一体化系统搭建
• 系统
– 一个有输入和输出的黑箱