1.3 机电一体化系统基本组成

第一章 绪论
主要内容
• 1.3 机电一体化系统基本组成
1.3 机电一体化系统基本组成
数字执行器 机械系统 模拟执行器 模拟传感器 数字传感器
微处理器控制系统
1.3.1机电一体化的关键要素
机电 仿真和建模 机 电 一 体 化 执行器 自动控制 优化 信息系统 机械系统 传感器 电气系统 模/数 数/模 计算机系统 实时接口
– 灵活性 – 准确性 – 鲁棒性
CPU RAM ROM, EPROM, EEPROM (非易失件软件)
• 类型
– 定制或嵌入 – 可编程逻辑控制 器 – 多输入多输出
数字 I/O 端口
定时器 串行通信端口 A/D D/A
电磁阀 数字显示器 数字传感器 数字执源自文库器
外部EEPROM 其它微控制器 主机
加法器 (比较单元) 设定值 误差
- 至少两个输入，一个输出
控制单元
校正单元
过程
测量值
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 反馈- 浮球和杆 测量值 - 水位
加法器 (比较单元) 设定值 误差
开关
电力
电炉
输出: 温度不变
测量装置
与温度相关的信号反馈 (b)
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 • • • •
– 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
测量装置
数字闭环控制系统的组件
ut F (rt )
设备模型
vt 1 0.7vt 0.5ut wt
vt
目标:设计F 使v接近r
vt 1
控制率
ut P rt
系统模型
控制器
设备(汽车)
vt 1 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
热量 设定值 控制系统 (体温) 测量值
vt 1
控制率
ut P rt
系统模型
目标:设计F 使v接近r
控制器
设备(汽车)
vt 1 0.7vt 0.5Prt
– 干扰：风，道路，轮胎，刹车，打开/关闭门... – 人机界面：感觉很好，感觉对...
跟踪
系 统 输 出
速 度 、 温 度 等
参考输入 系统输出
时间
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，... • 执行器 – 设备控制装置
建模系统
100℃
输入 电力
水壶
输出 水温
温 度
20℃
时间
2min
电水壶系统的输入响应
连接（接口）系统
输入 CD
CD机
电信号
扩音器
更大的电信号
喇叭
输出 声音
CD 机
测量系统
• 三个要素
– 传感器 – 信号调节器 – 显示，输出
待测变量
传感器
• 课程大纲
– 传感检测系统 - 第3章
信号调节器
显示
测量值
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
信 号
0 (a)
时间
0 (b)
时间
信号： (a) 模拟 (b) 数字
输出: 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 恒速
测速计
微处理系统 比较元素 参考值 误差信号 模数 转换器 测量值 控制器 数模 转换器 校正单元 过程 控制变量
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 • 例如
执行器 ut (风门)
扰动 wt(道路等级)
– 巡航控制 – 恒温器控制 – 磁盘驱动控制 – 飞机高度控制 • 困难
(期望速度)
参考输入 rt
车型
ut F (rt )
vt
设备模型
vt 1 0.7vt 0.5ut wt
• 节流阀、气门，盘式电机,… • 控制器 – 设计产品来控制设备
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
• 风，磁盘驱动器的冲振，开门
执行器 ut (风门) 参考输入 rt (期望速度) 扰动 wt(道路等级) 车型
• 优点
– 便宜 – 简单 – 可靠
设定值 变量 (温度\风扇转速)
• 缺点
– 关闭调整需要人为干预
控制系统 (自动控温)
测量值 温度
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
设定值
控制系统 (自动体温)
测量值
• 缺点
– 昂贵 – 更复杂
闭环控制系统
• 传感器
– 测量设备输出 – 检测误差
• 误差检测
• 反馈控制系统 • 跟踪误差最小化
et (误差) rt vt
误差检测
ut
wt
车型
rt

ut F (rt )
设备模型
vt
控制器 设备(自动化)
传感器(速度)
vt 1
vt 1 0.7vt 0.5ut wt
控制率
ut P rt
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 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 使被控制对象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。
输出 水位
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 • 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 • 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
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
输入 系统 输出
• 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
温度计
显示
集中供热系统
检测值
建模系统
输入 在0时的力
弹簧
输出 伸缩量随时间改变
伸 缩 量
最终读数
时间
弹簧输入响应
F =kx
杠杆 空心球
进水口
枢轴
控制单元
校正单元
过程
测量值
测量系统
轴速度控制
用于设置参 考值的电位计 D.C. 电源 放大参考值和反馈值 之间的差异 锥齿轮 旋转轴 电机
微分放大器
速度测量 微分放大器
测速仪
参考值
放大器
误差
电机
过程,旋转轴
输出: 恒速轴
测速计
洗衣机系统
输入 时钟 程序 校正元件 泵 控制单元 阀门 滚筒洗衣机 加热器 电机 滚筒速度 关门 水温 过程
系统模型
vt 1 (0.7 0.5P)vt 0.5Prt wt
控制系统实例
计算机 数控 电机 位置,速度 反馈 位置,速度 检测单元 机械 部件
数控机床伺服系统组成
加热房间
输入: 决定开或者关
控制器
手工激活
开关
(a)
电力
电炉
输出: 温度变化
输入: 需要的温度 偏差信号
控制器
手工激活