第六章机电一体化系统的控制技术
自动控制技术
c(t ) 1 e
t T
• 如图6-12所示，由于c(t)的终值为1，因此，系统阶跃输入时的稳态误 差为零。
图6-1 开环系统
6.1.1 机电一体化控制分类
• 闭环系统中存在反馈回路，它将输出量与输入量相比较，根据两 者的误差来控制对象。闭环系统的方框图如图6-2所示。数控机 床、VCD播放机等都使用闭环控制系统。
图6-2 闭环系统
以数控机床工作台的驱动系统为例，开环控制系统通过控制装置 发出的一定频率和数量的指令脉冲驱动步进电动机，以控制工作 台或刀架的移动量，而不检测工作台或刀架的实际移动量，其工 作原理如图6-3(a)所示。这种控制方式简单，但是从驱动电路到 工作台整个传动链中的任一环的误差均会影响工作台的移动精度 或定位精度。
机电一体化技术
第 6章 自动控制技术
第6章 自动控制技术
• 自动控制理论及技术是机电一体化技术中的重要技术之一 ，在机电一体化产品中起着非常重要的作用。早期人们将 经典控制理论应用于模拟器件组成的控制器中，实现了良 好的控制，但是对复杂系统的控制效果并不明显。随着计 算机的出现和发展，很多控制算法和策略能够在控制器中 实现，使控制技术应用更为广泛。 • 研究控制系统的主要任务就是要掌握、了解系统内部或运 行过程中的规律，也就是说研究其内部信息传递、变换规 律以及受到外加作用时的反应，进而研究控制它的手段和 策略，使之达到预计的最佳状态或最理想的状态。
6.2.2 时域分析及动态性能
图6-11 阶跃信号的一阶响应和二阶响应
1）一阶系统对于阶跃信号的响应
单位阶跃信号的数学表达式
0 r (t ) 1 t 0 t 0
则系统的输出为
1 1 1 T C ( s) G( s) s s(1 Ts) s Ts 1
机电一体化系统中的智能控制技术应用
机电一体化系统中的智能控制技术应用机电一体化系统是指机械、电气和电子技术的融合，通过集成控制和管理系统来实现设备的自动化和智能化。
在机电一体化系统中，智能控制技术的应用，可以大大提高设备的自动化水平，增加设备的智能化程度，提高生产效率和质量，降低能耗和成本。
本文将重点介绍在机电一体化系统中智能控制技术的应用。
智能控制技术是利用计算机、传感器、执行器等设备，通过信息处理、数据分析、决策和执行等过程，对设备进行智能化控制和管理的技术。
在机电一体化系统中，智能控制技术主要包括传感器技术、自动化控制技术、网络通信技术和人机交互技术等方面的应用。
传感器技术在机电一体化系统中起着关键作用。
传感器可以实时采集设备运行状态、环境参数等信息，并将这些信息转换成电信号或数字信号传输给控制系统。
在机电一体化系统中，各种传感器如温度传感器、压力传感器、位移传感器、光电传感器等，可以实时监测设备的运行状态和环境参数，为控制系统提供必要的输入信号。
通过传感器技术的应用，可以实现设备的自动监测和自适应控制，大大提高设备的智能化水平和生产效率。
网络通信技术在机电一体化系统中也具有重要作用。
网络通信技术可以实现设备之间的信息交互和数据共享，实现设备的协同工作和联网控制。
在机电一体化系统中，通过网络通信技术的应用，可以实现设备之间的远程监控和远程控制，实现设备的智能化管理和远程维护。
通过网络通信技术的应用，还可以实现设备的远程诊断和故障检测，及时发现和排除设备故障，提高设备的可靠性和稳定性。
人机交互技术也是机电一体化系统中的重要组成部分。
人机交互技术可以实现人与设备之间的信息交互和指令传递，实现设备的智能化控制和操作。
在机电一体化系统中，采用触摸屏、人机界面、语音识别等人机交互设备，可以实现人与设备之间的直观交互和智能控制。
通过人机交互技术的应用，可以方便操作人员对设备进行监控和操作，提高设备的智能化程度和操作便捷性。
智能控制技术的应用是机电一体化系统的重要组成部分，对于提高设备的自动化水平和智能化程度，推动设备的智能制造和智能工厂建设具有重要意义。
机电一体化系统中的智能控制技术应用
机电一体化系统中的智能控制技术应用机电一体化系统是指能够实现机械、电子、计算机科技的融合，在一体化的控制下完成多种功能的系统。
其中，智能控制技术是机电一体化系统中的重要组成部分，能够通过智能化的控制方式，提高系统的效率、可靠性和安全性。
智能控制技术主要是指使用计算机、传感器、执行器等智能电子元件来实现对机械系统的监测和控制。
其中，计算机作为智能控制系统的中心处理器，实时地收集和处理各种数据信息，通过数学算法和控制策略来控制系统的运行。
传感器作为智能控制系统的感知器，能够实时地感知机械系统的状态和变化，将这些信息传送给计算机，以实现对机械系统的监测和调控。
执行器则是智能控制系统的执行器，能够根据计算机的控制信号，精准地调节机械系统的动态性能。
智能控制技术在机电一体化系统中的应用较为广泛，例如在机床、机器人、自动化生产线等领域得到了广泛应用。
以机床为例，智能控制技术能够实现机床的自适应控制，使机床能够根据加工的不同材料和形状，自动调整切削参数，从而提高切削质量和加工效率。
同时，智能控制技术还能实现机床的自诊断和故障诊断，通过对机床的各种状态指标进行监控和分析，及时发现并排除机床的各种故障，并保障机床的正常运行。
又如在机器人领域，智能控制技术能够实现机器人的路径规划和动力学控制，通过对机器人的运动学和动力学特性进行建模和分析，使机器人能够在复杂环境下完成各种作业任务，如螺旋线焊接、三维喷涂以及复杂装配等。
此外，智能控制技术还能实现机器人的自主学习和人机交互，使机器人具备人工智能的能力，与人类实现高效、精准的协同作业。
在自动化生产线领域，智能控制技术能够实现生产线的自动化和智能化控制，通过对生产线的各种设备和工站进行联网和信息化，实现对生产过程的全面监测和控制。
同时，通过使用智能控制技术，生产线能够实现自适应制造，根据市场需求和订单变化，自动调节生产线的生产能力和产量水平，从而提高生产线的灵活性和生产效率。
《机电一体化系统设计》第六章课件
6.1 3D打印机
• 6.1.1 3D打印机技术认知 • 6.1.2 3D打印机组成及工作原理 • 6.1.3 3D打印的优势与面临的挑战 • 6.1.4 3D打印机的发展
6.1 3D打印机
• 3D打印的概念胚芽起源于18世纪西欧的雕塑艺 术，但是限于当时的科技手段，该技术一直没 能成功，直到20世纪随着计算机和网络的发展， 3D打印技术才真正得到实现与发展。英国 《The Economist》杂志《The Third Industrial Revolution》一文中，将3D打印技术作为第三 次工业革命的重要标志之一。随着智能制造的 进一步发展成熟，3D打印技术在打印材料、精 度、速度等方面都有了较大幅度的提高，新的 信息技术、控制技术、材料技术等被不断运用 于其中，使得3D打印技术在制造领域的应用越 来越广泛。
6.1.1 3D打印机技术认知
• 1.3D打印技术的概念及原理 • 3D打印(3D printing)是快速成型技术的一种。它是一种以
数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合 材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。 • 传统数控制造主要是“去除型”，即在原材料基础上， 使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余部分， 得到零部件，再以拼装，焊接等方法组合成最终产品， 面3D打印则颠覆了这一观念，无需原胚和模具，就能直 接根据计算机图形数据，通过层层增加材料的方法直接 造出任何形状的物体，这不仅缩短了产品研制周期，简 化了产品的制造程序，提高了效率，而且大大降低了成 本，因此被称为“增材制造”。
• (4)生成层面信息 层面信息包括轮廓信息和当前轮 廓的高度信息。通过求交点计算，把获取到的交点 按照顺序连接，就形成一个打印平面。轮廓信息中 包括外轮廓和内轮廓，轮廓中还应该进行光斑补偿 等。
机电一体化系统中的智能控制技术
机电一体化系统中的智能控制技术【摘要】智能控制技术的产生与应用标志着机电一体化控制技术的发展提升了一个新的台阶，其中神经网络是一种能够解决文化知识传达与表现、联想创新记忆、推理学习与研究甚至是复杂社会现象的复杂难题的统一标准模型，模糊控制在许多领域产生了广泛的应用如机器人控制、家电控制、交通控制以及生产过程控制等等。
【关键词】智能控制技术；机电一体化；应用1、简述智能控制技术智能控制技术（ICT：Intelligent Control Technology）是控制理论发展的一个新高度，开创了控制理论的新时代。
智能控制技术解决的对象主要是那些用无法用传统方法解决的复杂系统的控制问题。
“智能控制”指的是在无外界因素干扰的情况下能够自主地驱动智能机器来实现控制目标的自动控制技术。
常用的智能技术主要包括模糊逻辑控制，神经网络控制，学习控制，专家系统，分层递阶控制等等。
以智能控制为核心的智能控制系统具备一定的智能行为，例如：自学习、自适应、自组织等等。
它主要用来解决工程上难以用数学方法精确描述的、随机的、模糊的、复杂的、柔性的控制问题。
此外，工程机械中也经常应用智能控制系统，其深度和广度也是不可小觑的。
2、智能控制系统类别形式与特点目前智能控制系统的应用已经相对普遍了，那么当前采取的智能控制系统都有哪些呢？2.1分级控制系统分级控制系统又称为分级阶梯控制系统，是美国普渡大学提出的控制理论。
它的理论是在自适应控制和自组织控制的基础上提出的。
它由低到高分为组织级、协调级和执行级这三个级别。
具体情况如下所述：1）执行级：根据上级发出的命令，执行确定的某些动作，并完成组织分配的各项任务。
2）协调级：此级由控制管理分层和控制监督分层组成。
主要负责协调各项任务，以保证各项任务得以高质量完成。
3）组织级：它是通过用户和人机接口进行交互，执行最高决策的控制功能，对协调级和执行级的任务进行组织，监视并指导协调级和执行级这两个级别的行为。
机电一体控制系统设计及控制技术
5.3.1 PLC特点与应用
1.PLC控制特点 ① 可靠性高，抗干扰能力强。 ② 功能强，配置灵活。 ③ 编程简单，易学易用。 ④ 系统设计与维护方便。 ⑤ 体积小、重量轻、能耗低。
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5.3.1 PLC特点与应用
2.PLC应用
①开关量控制:开关量控制是PLC控制器最基本、最广泛的应用，它取 代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制。 ②模拟量控制:为了使PLC处理模拟量，必须要进行模拟量和数字量之 间的A/D转换及D/A转换。 ③运动控制:PLC可以用于旋转运动或直线运动控制。 ④过程控制:过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
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5.3.2 典型PLC介绍
1.三菱PLC
（1）三菱PLC概述 三菱PLC分为F系列、Q系列、IQ-F系列，IQ-R系列、L系列、
QS/WS系列等，不同系列PLC在CPU运算速度、输入/输出类型与规模 、控制功能、通讯功能、安全功能等方面配置不同，适用于不同的控制 需求。
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5.3.2 典型PLC介绍
9
运行员 操作站
管理 计算机
运行员 操作站
管理 计算机
运行员 操作站
工程师 操作站
商用网络
计算 工作站
系统网络
经营 管理级
过程 管理级
通讯 接口
过程控制站
通讯
接口
过程控制站
基 本基 本 控制单元 控制单元
基本 控制单元
基 本基 本 控制单元 控制单元
基本 控制单元
数据输入 输出单元
通讯 接口
数据采集站
11
操作站
操作站
电源
耦合器
耦合器
电源
商用网络
机电一体化系统中的智能控制技术应用
机电一体化系统中的智能控制技术应用机电一体化系统是指通过机械、电气、电子、计算机等综合技术手段将机械和电气设备有机地结合在一起，构成一个整体的系统。
智能控制技术是机电一体化系统中必不可少的一部分，它通过感知、决策和执行等环节，实现对机电设备的智能化控制，提高系统的性能和效率。
1. 感知与诊断：智能控制技术可以通过传感器和数据采集设备，对机电设备的工作状态进行实时监测和数据采集。
通过对采集到的数据进行分析和处理，可以实现对机电设备的故障诊断和预测，及时进行故障处理和维护。
2. 自适应和优化控制：智能控制技术可以通过对机电设备工作状态的监测和分析，实现对控制策略的自适应和优化。
通过不断调整和优化控制参数，可以使机电设备在不同工况下都能达到最佳的性能和效率。
3. 控制策略智能化：智能控制技术可以将人工智能和模糊控制等方法应用到机电一体化系统的控制中，实现对机电设备的智能化控制。
通过构建合理的控制模型和算法，可以实现对机电设备的自动控制和智能决策，提高系统的自动化水平和智能化程度。
4. 通信与网络集成：智能控制技术可以将机电设备与计算机网络等进行集成，实现对机电设备的远程监测和控制。
通过网络通信和远程控制，可以实现对机电设备的远程诊断、远程维护和远程操作，提高机电设备的利用率和工作效率，降低维护成本和运行风险。
5. 人机界面和交互：智能控制技术可以通过图形化界面和人机交互技术，实现对机电设备的直观监控和操作。
通过友好的界面和交互方式，可以方便操作人员对设备进行监控和控制，提高操作的便捷性和效率。
智能控制技术在机电一体化系统中的应用可以实现对机电设备的智能化监测、自适应控制和网络化管理，提高设备的性能和效率，降低故障率和维护成本，提高生产效率和质量。
随着科技的不断发展，智能控制技术在机电一体化系统中的应用将会越来越广泛，为机电设备的发展和应用带来更大的推动力。
机电一体化第六章伺服驱动控制系统设计
钟。 F.体积小、自定位和价格低是步进电动机驱动控制的三大优势。 G. 步进电机控制系统抗干扰性好
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二、 伺服驱动控制系统设计的基本要求
1. 高精度控制 2. 3. 调速范围宽、低速稳定性好 4. 快速的应变能力和过载能力强 5. 6.
闭环调节系统。
(4) ①
② 调节方法。
(5) ① 使用仪器。用整定电流环的仪器记录或观察转速实际值波形，电
② 调节方法。
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六、 晶体管脉宽(PWN)直流调速系统
晶体管脉宽直流调速系统与用频率信号作开关的晶闸管系统相比，具 (1) 由于系统主电源采用整流滤波，因而对电网波形影响小，几乎不 (2) 由于晶体管开关工作频率很高（在2 kHz左右），因此系统的 (3) 电枢电流的脉动量小，容易连续，不必外加滤波电抗器也可平稳 (4) 系统的调速范围很宽，并使传动装置具有较好的线性，采用Z2
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(2) ① A. 步进电动机型号：130BYG3100D (其他型号干扰大) B. 静转矩15 N·m C. 步距角0.3°/0 6°
D. 空载工作频率40 kHz E. 负载工作频率16 kHz ② A. 驱动器型号ZD-HB30810 B. 输出功率500 W C. 工作电压85～110 V D. 工作电流8 A E. 控制信号，方波电压5～9 V，正弦信号6～15 V ③ 控制信号源。
(3) ① 标准信号控制系统（如图6-16） ②检测信号控制系统 （如图6-17）
③ 计算机控制系统（如图6-18）
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图6-16 标准信号控制系统图 图6-17 检测信号控制系统图 图6-18 计算机控制系统图
机电一体化系统第6章 执行装置及其控制-PPT精品文档
6.1.4 步进电动机的主要特点
1. 步进电动机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有 啸叫声：步进电动机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电动机在空载情况 下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电动机不能正常启动，可 能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电动机达到 高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到 所希望的高频电动机电动机转速从低速升到高速）。 2. 两相混合式步进电动机在低速运转时具有较大振动和噪声，步进电动机 低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，在实际工作中，通常采用以下方式来 减低振动和噪声： (1)如步进电动机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共 振区； (2)采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法； (3)换成步距角更小的步进电动机，如三相或五相步进电动机； (4)换成交流伺服电动机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高； (5)在电动机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较 大。
Βιβλιοθήκη 3. 动态特性 步进电动机的控制电流的增加和转速的上升不是瞬间完成的， 它需要有一个过度过程的时间，动态特性就是研究过渡过程 对电动机运行的影响。 当控制脉冲的时间大于步进电动机的过渡时间，电动机 呈步进运行状态。如果控制脉冲的时间间隔适当小于过渡过 程时间，在B相通电时，当转子还未减速到其稳定平衡点以 前，B相就断电而C相通电，则转子将继续顺时针方向转动， 这种状态就称为步进电动机的连续运行状态。如果控制脉冲 的时间间隔过度小于过渡过程时间，则出现丢步或堵转，步 进电动机失去工作能力。
低频特性：步进电动机在低速时易出现低频振动现象。 振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率 为电动机空载起跳频率的一半。这种由步进电动机的工作原 理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当 步进电动机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频 振动现象，比如在电动机上加阻尼器，或驱动器上采用细分 技术等。 矩频特性：步进电动机的力矩会随转速的升高而下降： 当步进电动机转动时，电动机各相绕组的电感将形成一个反 向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电 动机随频率电动机或速度）的增大而相电流减小，从而导致 力矩下降。所以其最高工作转速一般在300～600RPM。
第六章 机电一体化系统控制1
1). 复杂的顺序功能图举例——以液压滑台为例
有向连线 初始步 M0.0 动作 转换 I0.0 • I0.3
• I0.0为起动按钮 • I0.1~0.3为行程开关 • Q4.0~4.2为控制滑台运动
快进
M0.1
步
Q4.0 Q4.1 Q4.0 T0 Q4.2
工进 暂停
快退
的电磁阀。
I0.1
M0.2
I0.2
I0.0 I0.1 I0.2
SM321
SM322 L+
Q4.0 Q4.1
DC24V 起动K1 停止K2
M
M
外部电路
KM K1
DC24V
K2
K1
KM
(a)
(b)
KM
6
2.三相异步电动机的正反转控制
FR SB1 SB2 KM2 KM1
SB3
KM1
KM1
KM2
KM1 SB2 SB3 KM1 I0.0 I0.1 I0.2 I0.5 M 可 Q4.0 编 程 控 Q4.1 制 器 1L
特点：简单易学；设计效率高；调试、修改和阅读方便
2
第6章 机电一体化系统控制
一、实现顺序控制的程序形式和工作方式
图6-1 继电器逻辑控制系统与PLC控制系统比较 a)继电器逻辑控制系统 b)PLC控制系统
3
第6章 机电一体化系统控制
一、实现顺序控制的程序形式和工作方式
图6-2 继电器逻辑控制简图
KM-Y KM-
KM-
KM-Y
AC220V
12
电机的Y－起动
SB1 SB2 KM- KM KM KT KM- KM-Y KM-Y FR
第六章 机电一体化系统设计及应用实例
2. FMC的基本控制功能
FMC的基本控制功能包括： （1）单元中各加工设备的任务管理与调度。 （2）单元内物流设备的管理与调度。 （3）刀具系统的管理。图6-2所示为一以加工回转 体零件为主的柔性制造单元。 6 机电一体化系统设计
第6章机电一体化系统设计及应用实例
图6-2 柔性制造单元 机电一体化系统设计
柔性制造单元（FlexibleManufacturingCell）由单台
数控机床、加工中心、工件自动输送及更换系统等组 成。
机电一体化系统设计
5
第6章机电一体化系统设计及应用实例 1. FMC控制系统 FMC控制系统一般分为两级，分别是单元控制级和 设备控制级。 （1）设备控制级。 （2）单元控制级。
第6章机电一体化系统设计及应用实例 6.2.3车削中心 车削中心比数控车床工艺范围宽，工件一次安装，几乎 能完成所有表面的加工，如内、外圆表面，端面，沟槽，内、 外圆及端面上的螺旋槽，非回转轴心线上的轴向孔和径向孔 等。
车削中心回转刀架上可安装如钻头、铣刀、铰刀、丝锥
等回转刀具，它们由单独的电动机驱动，也称自驱动刀具。 在车削中心上用自驱动刀具对工件的加工分为两种情况：一
刚性自动线。
机电一体化系统设计
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第6章机电一体化系统设计及应用实例
图6-7 柔性制造线示意图 机电一体化系统设计
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第6章机电一体化系统设计及应用实例 6.1.5 柔性装配线(FAL) 柔性装配线（FlexibleAssemblyLine）通常由装配 站、物料输送装置和控制系统等组成。 1.装配站 FAL中的装配站可以是可编程的装配机器人,不可 编程的自动装配装置和人工装配工位。 2.物料输送装置 3.控制系统
机电一体化系统的设计与控制
机电一体化系统的设计与控制引言机电一体化系统是指将机械与电气控制系统相结合，实现工业控制与自动化的一种综合应用技术。
在现代制造业中，机电一体化系统已经得到广泛应用，它不仅可以提高生产效率和产品质量，还可以降低生产成本和人工投入。
本文将重点探讨机电一体化系统的设计与控制方法。
一、机电一体化系统的设计原理1.1 机电一体化系统的概念机电一体化系统是将机械设备与电气控制系统紧密结合，通过传感器、执行器、控制器等元件的相互配合和协同工作，实现自动化控制和监测。
其设计原理主要包括机械结构设计、电气控制设计和系统集成设计。
1.2 机械结构设计机械结构设计是机电一体化系统设计的基础，它涉及到机械元件的选择、布局设计和传动系统等方面。
在机械结构设计中，需要考虑到设计的可靠性、稳定性和功能性，并进行相关的力学和动力学分析，以保证系统的正常运行和性能优化。
1.3 电气控制设计电气控制设计是机电一体化系统设计中非常重要的一环，它包括电气元件的选型、电气线路的布置以及编程控制等方面。
在电气控制设计中，需要充分考虑到系统的安全性、稳定性和可靠性，并进行相关的电气参数计算和控制逻辑设计，以实现对机械系统的精确控制。
1.4 系统集成设计系统集成设计是将机械结构设计和电气控制设计有机地结合在一起，形成完整的机电一体化系统。
在系统集成设计中，需要考虑到机械部分与电气部分之间的相互连接和协调，确保系统各个部分之间能够有效地协同工作。
二、机电一体化系统的控制方法2.1 传统控制方法传统控制方法是指基于PID控制器的控制方式，通过对机械系统的位置、速度和加速度等参数进行反馈控制，实现对机械系统的闭环控制。
传统控制方法简单、稳定性好，适用于一些简单的机械系统，但对于复杂的机电一体化系统来说，传统控制方法往往无法满足其复杂性和高精度的控制要求。
2.2 智能控制方法智能控制方法是指基于人工智能和专家系统的控制方式，通过对机械系统的学习和自适应调整，实现对机械系统的智能化控制。
机电一体化系统中的智能控制技术应用
机电一体化系统中的智能控制技术应用机电一体化系统是指将机械设备与电气、电子和信息技术相结合的系统，它将传统的机械传动和控制设备与现代的电气和电子控制装置结合起来，实现了机械传动和控制的智能化和自动化。
智能控制技术在机电一体化系统中的应用主要包括传感器技术、控制算法和网络通信技术。
传感器技术是智能控制技术的基础，通过传感器可以将非电信号转化为电信号，并实时采集控制系统中的各种物理量。
在机电一体化系统中，常常使用位置传感器、速度传感器、压力传感器、温度传感器等多种传感器来感知机械设备运行状态以及环境参数的变化，为控制系统提供准确的输入信号。
控制算法是智能控制技术的核心，它利用传感器采集到的信息，经过信号处理和智能算法的计算，得到控制指令，并将其发送给执行机构对机械设备进行控制。
在机电一体化系统中，控制算法通常采用PID控制算法、模糊控制算法和神经网络控制算法等，以实现对机械设备运动轨迹、速度、力矩等的精确控制。
网络通信技术是实现智能控制系统分布式控制和监视的关键，通过网络通信技术可以将传感器采集到的信息、控制指令和运行状态等实时传输到中央控制器或者远程监控终端，实现对机械设备的远程监控和控制。
机电一体化系统中常用的网络通信技术包括以太网、CAN总线、工业以太网等，它们可以实现低延迟、高可靠的数据传输，为智能控制系统提供强大的数据支持。
除了以上的核心技术，智能控制技术在机电一体化系统中还广泛应用于故障诊断与预测、能量管理与优化以及人机交互等方面。
通过智能控制技术，可以实时监测机械设备的运行状态，及时发现故障，并进行故障诊断与预测，提高设备的可靠性和维修效率。
智能控制技术可以对设备的能量消耗进行优化和管理，提高能源利用效率，降低生产成本。
智能控制技术还可以实现人机交互界面的友好化设计，提升用户操作的便捷性和工作效率。
智能控制技术在机电一体化系统中的应用能够实现对机械设备运行状态和环境参数的实时监测和控制，提高机械设备的智能化和自动化程度，提高生产效率和产品质量，降低能耗和维护成本，具有重要的应用价值。
机电一体化系统控制
6.1 6.2 6.3 6.4
顺序控制 时间控制 速度控制 轨迹控制
14270D
6.1 顺序控制
6.1.1 实现顺序控制的程序形式和工作方式 6.1.2 顺序控制的实现
14270D
6.1.1 实现顺序控制的程序形式和工作方式
图6-1 继电器逻辑控制系统与PLC控制系统比较 a)继电器逻辑控制系统 b)PLC控制系统
2、符号
KT
①通电延时型时间继电器符号 KT
KT
常闭 线 圈
KT KT
延时闭合的常开触头
KT
常开
KT
②断电延时型时间继电器的符号
延时打开的常闭触头
KT
延时闭合的 常闭触头
延时打开的 常开触头
线圈
时间控制线路
1、通电延时型控制线路
SB2±→KA+ →KT+ —△t→KM+
2、断电延时型控制线路
SB2±→KA+→KT+ →KM+
SB1ˉ→KA ˉ→KT ˉ —△t →KMˉ
6.3 速度控制
6.3.1 直流伺服系统的调速
6.3.2 交流伺服电动机的调速
14270D
6.3.1 直流伺服系统的调速
1.直流伺服电动机的类型 2.直流伺服电动机的调速 3.直流速度控制单元调速控制方式
14270D
直流电机及调速系统
直流电机工作原理
从图中可以看出，接入直流电源以后，电刷A为正极性，电刷B为负极性。 电流从正电刷A经线圈ab、cd，到负电刷B流出。根据电磁力定律，在载流导体 与磁力线垂直的条件下，线圈每一个有效边将受到一电磁力的作用。电磁力的方 向可用左手定则判断，伸开左手，掌心向着N极，4指指向电流的方向，与4指垂 直的拇指方向就是电磁力的方向。在图示瞬间，导线ab 与dc中所受的电磁力为 逆时针方向，在这个电磁力的作用下，转子将逆时针旋转．即图中S的方向。
机电一体化系统中的智能控制技术应用
机电一体化系统中的智能控制技术应用机电一体化系统是指将机械装置和电气控制系统相结合，在一个系统中实现机械运动和电气信号的协调工作。
智能控制技术是指利用计算机技术和网络通信技术，将系统的控制任务交由计算机来完成，使系统能够自动地感知、判断和决策，以实现更加智能化和自动化的控制。
1. 传感器技术的应用：传感器是智能控制系统的重要组成部分，通过感知系统的输入和输出信号，将物理量转化为电信号。
在机电一体化系统中，可以使用各种传感器来感知和监测机械装置的运动状态、工作负荷、温度、压力等参数，实时反馈给控制系统，以便及时调整和优化系统的工作模式。
2. 控制算法的优化：智能控制系统利用计算机进行数据的处理和分析，根据不同的控制策略进行自动调节和优化。
对于机电一体化系统来说，可以通过优化控制算法，提高系统的动态响应和稳定性，减小能耗和材料损耗，提升系统的性能和效率。
3. 数据通信和网络技术的应用：智能控制系统需要与外部设备进行通信和数据交换，以实现系统的远程监控和控制。
通过网络技术，可以将机电系统与其他系统进行互联，实现信息的共享和资源的优化调配。
利用云计算和大数据分析技术，可以对机电一体化系统进行智能化的远程运维和故障诊断。
4. 人机界面技术的应用：智能控制系统需要与人进行交互和通信，实现人机之间的信息传递和控制指令的输入输出。
机电一体化系统中，可以利用触摸屏、声音识别、手势识别等技术，实现人机界面的直观化和智能化，提高系统的易用性和人机交互的效率。
5. 自动化控制的应用：机电一体化系统的目标之一就是实现自动化控制，减少人工干预。
通过智能控制技术，可以实现系统的自动调节和自动化的运行，提高生产效率和产品质量，降低劳动强度和人力成本。
机电一体化控制方法
模拟PID控制系统原理框图 控制系统原理框图 模拟
PID参数调整方法 PID参数调整方法
数学模型角度： 数学模型角度： 齐格勒-尼可尔斯法， 齐格勒-尼可尔斯法，适用于模型准确的场合 工程实践角度： 工程实践角度： 先调整K 后调T 再调T 先调整KP，后调TI，再调Td，反复调整这三个参 数，直到输出的波形理想为止（前后两个波峰之 直到输出的波形理想为止（ 比>4:1） >4:1）
膜电位与神经元的兴奋
膜点位：细胞膜内外存在电位差， 膜点位：细胞膜内外存在电位差，外部电压为零时的内部 电位静止膜电位：没有输入信号时的膜电位，约-70mV 电位静止膜电位：没有输入信号时的膜电位， 神经元兴奋：神经细胞接收到输入信号后， 神经元兴奋：神经细胞接收到输入信号后，膜电位将发生 变化，当膜电位上升至超过静止膜电位15mV 15mV时 变化，当膜电位上升至超过静止膜电位15mV时，神经细胞 内部的电位将会自发性的突然升高，1ms内升高至100mv， 内升高至100mv 内部的电位将会自发性的突然升高，1ms内升高至100mv， 其后急剧下降返回原值，这个过程称为神经元的兴奋。 其后急剧下降返回原值，这个过程称为神经元的兴奋。 神经元兴奋的作用：神经元兴奋的结果是产生高度为100mV 100mV， 神经元兴奋的作用：神经元兴奋的结果是产生高度为100mV， 宽度为1ms的电脉冲， 1ms的电脉冲 宽度为1ms的电脉冲，并通过轴突将脉冲信号传递给与之相连 的神经细胞。正是由于神经元的兴奋， 的神经细胞。正是由于神经元的兴奋，才使信号得以在神经 网络上传递。 网络上传递。
输出层L 输出层 C
W
b1 Vn1 V11 a1 Vh1
…
V1i bi Vni Vhi
V1p bp Vhp V np
机电一体化系统的控制与优化设计
机电一体化系统的控制与优化设计机电一体化系统是指将机械、电子、计算机等各种技术结合在一起，实现自动控制和优化设计的系统。
在现代制造业中，机电一体化系统被广泛应用于各个领域，例如机械制造、自动化设备、智能机器人等。
本文将详细介绍机电一体化系统的控制与优化设计的相关内容。
一、机电一体化系统的控制机电一体化系统的控制是指对系统的各个组成部分进行协调和控制，使其能够按照预定的要求完成各项任务。
控制系统主要包括传感器、执行器、控制器和人机界面等组成部分。
1. 传感器：传感器是机电一体化系统的感知装置，能够将各种物理量转换为电信号，并传递给控制器进行处理。
常见的传感器有温度传感器、压力传感器、位移传感器等。
通过传感器的使用，控制系统能够及时获取相关的数据，并作出相应的调整。
2. 执行器：执行器是机电一体化系统的执行部件，能够根据控制信号进行运动或动作。
常见的执行器有电动机、液压缸、气动阀等。
通过控制器的输出信号，执行器能够精确地完成各种动作，实现对系统的控制。
3. 控制器：控制器是机电一体化系统的核心部件，能够对传感器获取的信号进行处理，并根据事先设定的控制策略生成相应的控制信号。
常见的控制器有PLC （可编程逻辑控制器）和单片机等。
控制器可以根据实际需求选择不同的控制算法，如PID控制、模糊控制等。
4. 人机界面：人机界面是机电一体化系统与操作人员进行交互的接口，能够实现人机之间的信息传递和指令输入。
常见的人机界面有触摸屏、按钮开关、显示屏等。
通过人机界面，操作人员可以方便地对机电一体化系统进行监测和操作。
二、机电一体化系统的优化设计机电一体化系统的优化设计是指通过对系统各个组成部分的参数、结构和控制策略等进行优化，使其在性能、稳定性和效率等方面得到最佳的改善。
1. 参数优化：包括优化执行器的参数设置和传感器的参数选择。
执行器参数的优化可以使其在运行中更加稳定和高效，例如优化电机的工作电压、功率和转速等；传感器参数的优化可以提高传感器的精度和响应速度，例如优化温度传感器的测量范围和精度。
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TI K I
K I TI
1
积分时间TI：
1
因受比例度δ的影响，又称重定时间， 或再调时间。
2018年10月11日星期四
Design of Mechatronical Systems
3. 比例积分控制作用
第 6 章 机电一体化系统的 控制技术
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第六章 机电一体化系统的控制技术
6.1 常规数字PID控制算法
6.2 数字PID的改进算法
6.3 数字PID参数整定
6.4* 机电一体化系统的智能技术 思考题与习题
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6.1.1 PID 控制的基本原理
1. 2. 3. 4. 5. 比例控制作用 积分控制作用 比例积分控制作用 微分控制作用 比例积分微分控制作用
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1. 比例控制作用
比例控制
u t K pe t
被控参数全量程
xmax xmin 100% umax umin
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调节器输出信号 全量程
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1. 比例控制作用
图6.4 比例度对控制过程的影响
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阀门开度减小 阀门开度增大
u K I e t dt
2018年10月11日星期四 Design of Mechatronical Systems
2. 积分控制作用
理应关小调节阀， 与实际一致 理应开大调节阀， 与实际相反 导致e反向变化加剧 系统振荡超调。
u 积分能消除稳态误差， 但其滞后作用也会导致 振荡，超调增大。
Kp 为控制器的比例系数
作用： 能迅速反映误差，从而减小误差，但不能消除稳态误差， 比例系数的加大，会引起系统的不稳定。
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1. 比例控制作用
a u a K p或 u e K p e b e b
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第六章 机电一体化系统的控制技术
6.1 常规数字PID控制算法
6.1.1 PID 控制的基本原理
6.1.2 数字 PID 算法
6.1.3 数字 PID 控制器的实现
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2. 积分控制作用
du t KI e t dt
u K I e t dt
KI：积分速度，越大，则积分作用越强。
TI＝1/KI：积分时间。
积分作用：
积分控制能消除静差，但作用不及时（滞后），波动大 （振荡），甚至出现超调现象。
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t1 面积 面积
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2. 积分控制作用
比例控制动作及时，但是有静差； 积分控制虽能消除静差，但又容易使控制过程产 生振荡，且时间长，被控参数波动幅度也较大。 在实际应用中总是将它们结合起来，取其所长， 组成一个以比例控制为主、积分控制为辅（主要 用来消除静差）的调节器，这样，既能控制及时， 又无静差。
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3. 比例积分控制作用
PI 控制的动作规律是比例作用和积分作用两者的 综合，即
uPI uP uI 1e t K I e t dt 1 e t TI1 e t dt
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1. 比例控制作用
比例度δ 的物理意义
当输出信号作全量程范围变化时，所需输入信号做全量程 范围变化的百分数。 也就是说，调节器从全关到全开时，被控参数需要改变全 量程范围的百分数为比例度，其表达式为
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t
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2. 积分控制作用
积分超调的原因： （1）直接原因 积分调节器的积分作用不及时，控制过程缓慢， 且波动会加大，从而导致系统不易稳定。 （2）根本原因 是因为积分控制过程中只考虑被控参数（H）变 化的大小和方向，不考虑被控参数（H）变化速 度的大小（变化快慢）和方向。
不能消除稳态误差——静差
U s G s Kp E s
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1. 比例控制作用
在不同的负荷下，被控参数H 的稳态值是不同的， 高负荷对应着较低水位，低负荷对应着较高水位。 比例度
1 KP 100% b / a 100%
2. 积分控制作用
水位偏离给定水位越大
油缸上下腔压差越大
调节阀移动速度就越快 符合积分动作规律
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2. 积分控制作用
H最大→e最大， B点处，阀门 开速u(t)最快
du t KI e t dt
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2. 积分控制作用
KI 值越大， 积分I e t dt K I e t dt K I e t1 t0 K I e t t ＝ e t t t0 TI