精密机械机械及电气控制系统

1.机械控制机构的作用 机械控制系统是机械结构设计的重要分支， （1 ）分配功能（机构）
根据其实际功能和作用，可分为分配机构和辅助 按控制方式（时间、行程顺序）操纵执行 机构两类。 器实现工作、空程、辅助等运动。 实质：利用机械传动实现具体操作动作
19/02
机械控制设计实例：发动机凸轮轴系统
控制目标： ●进气门开启、封闭 ●多缸时序控制
化控制系统，提高系统的效率和可靠性。
19/11
（3）无触点系统 计算机控制环境下，利用大功率晶体管的 开关功能，应用实现无触点控制。 与机械碰撞类似，有触点控制存在能量及 元件的损耗，影响元件寿命和系统的稳定性。
工业控制的重要特征之一：
高强度、全天候、低故障
（4）组合方式 属于控制方案设计的范畴。优化运用各种 控制技术，可简化控制系统结构，提高系统的 运行效率和可靠性。
近代计算机技术迅速发展，已呈现诸多优越 性，成为当前实现集成控制的关键技术。
19/08
1.计算机控制系统
计算机控制系统的应用特点：
自动化、智能化控制的核心，但不能完全 取代传统的其他控制系统，在特定场合机械、 电气等控制方式是计算机集中控制下的分系统
或子系统。
电气控制技术进步标志：
触点控制 → 无触点控制
19/16
（数字量）
（模拟量）
（1）继电器及应用 三相电机驱动
以电磁铁作为原动件的动作部件，系 统中起开关作用，代号J。 继电器电磁铁为低压（12v、24v）、直流， 可控制大功率执行器；功率过大时，可用多级驱 ～ 380v 动，即继电器驱动大功率继电器（接触器），进 负荷 +5v J1 而驱动执行器。 ～补 +24v + 固 +5v 偿
发令部分
转换部分
19/15
执行部分
4.常用电器及控制 设备以机械运动的输出替代人类在科研、生 产及日常生活中的劳动。 设备动力以各类电动机、电磁铁、气（液） 马达等动作件为主。 计算机控制系统中的执行器仅为中间执行电 器，用于控制外围硬件。程序如下：
计算机指令 → 转换输出 → 中间执行器电器→原动机→ 机械系统 →执行部件（功能实现）
两个关键问题：
●热电偶精度 ●电路控制精度
计算机控制的优势：固态继电器（斩波）
19/18
模拟量是时间、数值都连续的物理量，表示模 4.信号输入方式 拟量的信号即模拟信号。 电气控制系统的正确运行依赖于输入信号， 例如：热电偶在工作时输出的电压信号就属于 如时间、行程状态等。输入信号分 开关量 和模 模拟信号，因为在任何情况下被测温度都不可能发 拟量 两类。 生突变。 （1）开关量输入 模拟信号经带限滤波，采样保持电路，变为阶 由信号发生器产生高、低电平，输入电 梯形状信号；然后通过编码器， 使得阶梯状信号 路具有隔离、电平转换功能。 中的各个电平变为二进制码。 开关量即输入输出的信号为通电与断电两种 （2 ）模拟量输入 状态，相当于数字电路的高电位与低电位。 模拟量输入必须经处理后，进行模/数 开关量经过编码后，形成规律的复杂组合信 转换，之后与开关量输入类似。
应用特点：功能强、体积小、耗电低，易于编
程且程序可变；可靠性高，抗干扰能力强。
19/14
3.计算机控制系统的组成 计算机控制系统与上述控制系统原理相同，由 多级子系统组成。（发令器、转换器、执行器） 计算机控制系统因技术含量、适应范围较传统 控制有本质的差异，组成框图如下：
计算机+ I/O接口 各类隔离 信号放大 功率放大 各类电机 高、低压电器 液、气元件
半导体技术进步实现了大功率无触点控制， 有效提高了控制精度、系统稳定、元件寿命。
19/09
（1）控制核心 目前工业智能化装备不论是单机或整线控 制，都普遍采用不同规模的计算机系统。 应用中计算机是系统的中央处理器，由于 输出功率及对各类执行器适应性有限，必须配 备相应外围硬件。 外围硬件系统主要包括： ●一定柔性的电子线路（含各类元器件） ●特定功能的机构体系（执行器）
19/13
（2）工业可编程控制器（PLC） 为工业控制专门设计的特殊计算机。 作为中央控制器，其功能按机电设备常规控 制需求固化，适用于单台设备或作为大规模控制 系统中的子系统。
PLC专业化、模块化程度高；用专门程序指 令存储器编程，能实现逻辑运算、操作、定时、 计数等，可连接数/模转换接口，控制各种机电 一体化系统。
特点：
●分配轴和辅助轴有相对独立的传动链，必 要时可以分离； ●辅助轴自身惯量小、荷载轻、转速高。
19/07
§9.3 电气控制系统
电气控制是现代自动化控制的主要形式。 通常将以计算机为处理器（发令器）的电气 系统称为计算机控制系统 。
工业控制系统的发展过程： 纯机械控制→继电器控制→ 逻辑电路控制 → 计算机控制→大型计算机集中控制
19/12
2.常用中央处理器 应用特点：适应范围大，体积小、运算速度快、 计算机控制系统按选用的中央处理器不同， 容量大，灵活性好；对软硬件及开发人员技术 可分为两种主要方式。 要求高；对使用环境要求高。 （1）单片机或微型机 计算机规模不受限制，可根据需要多次开 发和补充；容易实现多系统之间的通讯，构成 优异的控制网络。 此类计算机控制系统可用于从单机到很复 杂的大型控制系统的各种场合。
气门摇臂
凸轮轴 气门弹簧 进气门 排气门 凸轮轴
19/03
●排气门开启、封闭
同步轮
机械控制要点：
●进气时刻●排气时刻 ●点火时刻●多缸同步
2进2出 四门ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ构 同步带轮
凸轮轴
气门 组件 活塞 组件
曲轴
19/04
（2）辅助功能（机构）p291图9-7、9-8
操纵辅助执行器或辅 助操纵分配机构。
汽车变速箱 控制系统
态 J2 继J 分级驱动 原理 -电 器 计算机接口 ～ 计算机接口 19/17 电 电 执行器 阻 阻 电路 电 容 电机
（2）加热器及其控制 冶金、化工、热处理等场合要求较精确控 制环境温度，计算机控制技术的应用，使温控 精度较常规控制方法大为提高。
基本程序：合理布置加热器及温度信息采集元
件（热电偶），根据热电偶信息控制加热器的 发热功率。
19/10
（2）软件技术 应用软件开发是实现不同功能智能控制的关 键，注重专用、简洁、实用。 例如：柔性制造系统 硬件系统功能提升需要条件，存在较大的复 杂性；在相同硬件环境下，若使用不同的控制方式 （软件），可获得完全不同的系统功能。
●无触点系统：大功率电子器件应用。 ●组合方式：有效综合运用各种控制技术，可简
上次课程主要内容
1.控制技术的应用及发展 机械→电气→微型计算机→大规模计算机
机构设计
控制
功能实现
2.控制器与控制系统 ●控制器：指令器、转换器、执行器 ●控制系统：若干控制器的逻辑组合 3.控制方式 ●时间控制（时间节点顺序） ●行程控制（行程状态顺序） ●综合控制（时间、行程组合）
19/01
§9.2 机械控制系统 机械控制系统由特定机构（轴、凸轮、杠 杆、调整环节等）组成，是早期工业机械化产 生中，自动控制系统应用的唯一形式。
号即数字量。
19/19
思考题：
1.单片机（微机）与PLC在工业控制应用中有哪 些异同？
2.为什么说机电算一体控制是现代控制的发展趋
势行？ （提示：计算机控制的优势明显但不可完全替代 各种场合的局部控制。）
思考题
19/05
2.机械控制系统的基本形式
（1）等速旋转的单分配系统
时序控制 凸轮 分配轴 （凸轮轴） 驱动齿轮
时序控制 微动开关
19/06
（2）分配轴和辅助轴联控系统 分配轴和辅助轴（可以多件）组合，共同完 成系统控制。 按上述定义，分配轴用于控制全部工作运动 和部分辅助运动；辅助轴则用于控制辅助运动或 辅助分配轴实现某具体控制。