順序控制與數(shù)字控制.ppt
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第三章順序控制與數(shù)字控制,3.1順序控制3.2數(shù)字程序控制習(xí)題,3.1順序控制,3.1.1順序控制系統(tǒng)的類型1.按被控對象的特性分類順序控制包括時間順序控制系統(tǒng)、邏輯順序控制系統(tǒng)和條件順序控制系統(tǒng)等。,時間順序控制系統(tǒng)是固定時間程序的控制系統(tǒng)。它以執(zhí)行時間為依據(jù)，每個設(shè)備的運行或停止與時間有關(guān)。例如，在物料的輸送過程中，為了防止各輸送帶電動機同時啟動造成負荷的突然增大，并且為了防止物料的堵塞，通常先啟動后級的輸送帶電動機，經(jīng)一定時間延時后，再啟動前級的輸送帶電動機。在停止輸送時，先停止前級輸送帶的電動機，延時后再停止后級輸送帶的電動機，使在輸送帶上的物料能輸送完畢。又例如，在交通控制系統(tǒng)中，東西南北方向各色信號燈的點亮和熄滅是在時間上已經(jīng)確定的，所以，它將按照一定的時間來點亮或熄滅信號燈。這類順序控制系統(tǒng)的特點是各設(shè)備運行時間是事先已確定的，一旦順序執(zhí)行，將按預(yù)定的時間執(zhí)行操作指令。,邏輯順序控制系統(tǒng)按照邏輯先后順序執(zhí)行操作指令，它與時間無嚴(yán)格的關(guān)系。例如，在批量控制的反應(yīng)釜中，反應(yīng)初期，首先打開基料閥，基料流入反應(yīng)釜中，達到一定液位時，啟動攪拌機。在攪拌開始后，液位因基料在繼續(xù)流入而升高，當(dāng)達到某一液位時，反應(yīng)基料停止加入，其它物料開始加入，當(dāng)液位達到另一設(shè)定液位時，物料停止加入，開始加入蒸汽升溫，并開始反應(yīng)。圖3－1為反應(yīng)釜工作流程圖。,圖3-1反應(yīng)釜工作流程圖,在實際中基料與物料分別存放在各自的儲液罐內(nèi)，在這個過程中，進料的流量大小受到進料儲罐液位的影響，液位高，則進料壓力大，流量也大，達到啟動攪拌機的液位所需時間也短。同樣，在加入其它物料時，因受物料流量的影響，液位達到所需液位的時間也不同。但是，在這類控制系統(tǒng)中，執(zhí)行操作指令的邏輯順序關(guān)系不變，因此，稱這類控制系統(tǒng)是邏輯順序控制系統(tǒng)。這類控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程的控制中應(yīng)用較多。,條件順序控制系統(tǒng)是以執(zhí)行操作指令的條件是否滿足為依據(jù)，當(dāng)條件滿足時，相應(yīng)的操作就被執(zhí)行，不滿足時，將執(zhí)行另外的操作。典型的例子是電梯控制系統(tǒng)。當(dāng)某一層有乘客按了向上按鈕后，如電梯空閑，則電梯自動向該層運行。當(dāng)乘客進入電梯轎廂，并按了所需去的樓層按鈕后，在一定的時間延時和關(guān)閉電梯門后，電梯將運行，一直等到電梯到達了所需的樓層，自動打開轎廂門。這里，電梯的運行根據(jù)條件確定，可向上運行也可向下運行，所停的樓層也根據(jù)乘客所需確定。這類順序控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中也有較多的應(yīng)用。,2.按控制技術(shù)手段分類順序控制系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用很廣，順序控制系統(tǒng)實現(xiàn)的方案有采用繼電器組成的邏輯控制系統(tǒng)、采用晶體管的無觸點邏輯控制系統(tǒng)、采用可編程序控制器的邏輯控制系統(tǒng)和采用計算機的邏輯控制系統(tǒng)等。繼電器組成的順序邏輯控制系統(tǒng)是歷史最久的一種實現(xiàn)方法。它的控制功能全部由硬件完成，即采用繼電器的常開常閉觸點、延時斷開延時閉合觸點等可動觸點和普通繼電器、時間繼電器、接觸器等執(zhí)行裝置完成所需的順序邏輯功能。例如，電動機的開停控制等。受繼電器觸點可靠性的影響和使用壽命的限制，這類控制系統(tǒng)的使用故障較多，使用壽命較短，加上因采用硬件完成順序邏輯功能，因此更改不便，維修困難。,晶體管組成的無觸點順序邏輯控制因減少了連接點的可動部件，可靠性大大提高。晶體管、晶閘管等半導(dǎo)體元器件的使用壽命也較繼電器的觸點使用壽命長，因此，在20世紀(jì)70年代得到了較大的發(fā)展。它也是用硬件組成順序邏輯功能，更改也不很方便,但因采用功能模塊的結(jié)構(gòu)，部件的更換和維修較繼電器順序邏輯控制系統(tǒng)要方便。,可編程序控制器是在計算機技術(shù)的促進下得以發(fā)展起來的新一代順序邏輯控制裝置。與上述的組成方法不同，它用軟件完成順序邏輯功能，用計算機來執(zhí)行操作指令，實施操作，因此，順序邏輯功能的更改十分方便。加上得益于計算機的高可靠性和高運算速度，使得可編程序控制器一出現(xiàn)就得到了廣泛的應(yīng)用。,計算機組成的順序邏輯控制系統(tǒng)指在集散控制系統(tǒng)或工控機中實現(xiàn)順序邏輯控制功能的控制系統(tǒng)。在大型的順序邏輯控制和連續(xù)控制相結(jié)合的工程應(yīng)用中，這類控制系統(tǒng)大有用武之地。在這類控制系統(tǒng)中，有連續(xù)量的控制和開關(guān)量的控制。采用計算機對它們進行操作和管理，必要時，把信息傳送到上位機或下送到現(xiàn)場控制器和執(zhí)行機構(gòu)。由于計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)、軟件技術(shù)等高新科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過程的控制也出現(xiàn)了飛速的發(fā)展，可編程序控制器將與其他計算機控制裝置一起成為21世紀(jì)工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制裝置。,3.1.2順序控制系統(tǒng)的組成順序控制系統(tǒng)的組成見圖3-2，它由五部分組成：(1)輸入接口：實現(xiàn)輸入信號的電平轉(zhuǎn)換。(2)控制器：接受控制輸入信號，按一定的控制算法運算后，輸出控制信號到執(zhí)行機構(gòu)，控制器具有記憶功能，能實現(xiàn)所需的控制運算功能。(3)輸出接口：實現(xiàn)輸出信號的功率轉(zhuǎn)換。(4)檢測機構(gòu)：檢測被控對象的狀態(tài)信息。(5)顯示報警裝置：顯示系統(tǒng)的輸入、輸出狀態(tài)，報警等信息，便于了解過程運行狀態(tài)和對過程的操作、調(diào)試、事故處理等。,圖3-2順序控制系統(tǒng)的組成,3.1.3順序控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域1.工業(yè)生產(chǎn)流水線在機械、電子等制造工業(yè)中，產(chǎn)品采用流水線的工作方式按先后次序進行。在這類工業(yè)生產(chǎn)過程中，部分控制操作是按時間的次序進行的，大部分控制操作是按邏輯順序進行的。這類順序控制系統(tǒng)的應(yīng)用十分廣泛，例如數(shù)控機床、柔性制造系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)、生產(chǎn)流水線等。另外，在批量控制系統(tǒng)中，對不同批號的產(chǎn)品有不同的生產(chǎn)順序、不同的配方和控制條件，這類控制系統(tǒng)對程序更改有較多的要求，在繼電器順序控制時期，這類控制系統(tǒng)實現(xiàn)較困難，采用可編程序控制器可較方便地實現(xiàn)，因此，這類控制系統(tǒng)的應(yīng)用也得到了較大的發(fā)展。,2.安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)在石油化工、核電、冶金等工業(yè)領(lǐng)域，由于工作環(huán)境具有高溫、高壓、易燃、易爆、核輻射等特點，工作過程參數(shù)一旦偏離規(guī)定的范圍，就會發(fā)生事故，造成設(shè)備損壞或人員傷亡，因此，必須對操作的過程參數(shù)進行控制。在這些工業(yè)生產(chǎn)過程中，要設(shè)置控制系統(tǒng)，以防止事故的發(fā)生，這是順序控制系統(tǒng)的另一個很重要的應(yīng)用場合。,3.家電產(chǎn)品在家電產(chǎn)品中，順序控制系統(tǒng)也有較廣泛的應(yīng)用。洗衣機的順序控制、冰箱的溫度控制、空調(diào)系統(tǒng)等順序邏輯控制系統(tǒng)是較常見的應(yīng)用例子。家用電器的一些模糊控制系統(tǒng)、自動烹調(diào)系統(tǒng)等也得到應(yīng)用?？傊?，在家電領(lǐng)域，順序控制系統(tǒng)還剛開始進入應(yīng)用，有很大的發(fā)展前途。,3.1.4順序控制的應(yīng)用實例下面以冷加工自動線中鉆孔動力頭的自動控制順序作為實際例子。其加工過程分為以下幾步：(1)動力頭在原位(原位行程開關(guān)x0受壓)并按啟動按鈕A，電磁閥DT1通電，動力頭快進。(2)碰上行程開關(guān)x1——電磁閥DT2通電(DT1保持通電)，由快進轉(zhuǎn)工進。(3)碰上行程開關(guān)x2——開始延時(繼續(xù)工進)。,(4)延時時間到——DT1、DT2斷電，DT3通電，動力頭快退。(5)動力頭退回到原位(x0又受壓)——DT3斷電，動力頭停止。完成一個周期的循環(huán)動作之后，又返回到第一步，開始下一個循環(huán)的動作。鉆孔動力頭控制邏輯功能圖如圖3-3所示。,圖3-3鉆孔動力頭控制邏輯功能圖,在加工過程中，鉆孔動力頭有快進、工進、工進延時、快退、停止等五個工作狀態(tài)，各工作狀態(tài)的順序轉(zhuǎn)換是根據(jù)現(xiàn)場輸入信號(由按鈕、行程開關(guān)、延時繼電器發(fā)出的)而定的。顯然，鉆孔動力頭的自動控制就是順序控制。,前已述，鉆孔動力頭在一個工作循環(huán)中有快進、工進、工進延時、快退和停止等五個工作狀態(tài)。從前一個工作狀態(tài)轉(zhuǎn)入下一個工作狀態(tài)，是根據(jù)來自現(xiàn)場的輸入信號的邏輯判斷。現(xiàn)場輸入信號有啟動按鈕A、原位開關(guān)x0、行程開關(guān)x1和x2以及延時信號。這些電器觸點的通斷，通過輸入電路變成電位信號引到微型計算機的輸入接口的輸入端上，CPU按一定邏輯順序讀取這些信號，并逐一判斷是否滿足各工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件。若滿足，則發(fā)出相應(yīng)的轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)的控制信號?？刂菩盘枏奈⑿陀嬎銠C的輸出接口引出，經(jīng)過隔離放大電路驅(qū)動相應(yīng)的電磁閥吸合或釋放，從而改變液壓油路的狀態(tài)，使動力頭進入新的工作狀態(tài)。,若不滿足，則等待(當(dāng)CPU只控制一臺動力頭時)或跳過，轉(zhuǎn)向詢問另一臺動力頭(當(dāng)CPU控制多臺動力頭時)。整個工作過程是以一定的硬件為基礎(chǔ)，通過CPU執(zhí)行一段控制程序來實現(xiàn)的。下面介紹采用AT89C51單片微型計算機實現(xiàn)動力頭的順序控制。1.輸入輸出接口設(shè)置采用AT89C51單片微型計算機通過接口電路直接與外部連接，控制各執(zhí)行機構(gòu)完成生產(chǎn)過程。輸入輸出信號安排如表3-1所示。,表3-1輸入輸出信號安排,單片機AT89C51的P1口設(shè)置為輸入，P3口設(shè)置為輸出。表3-1中所標(biāo)現(xiàn)場輸入信號A、x0、x1、x2是經(jīng)過輸入電路處理后送來的電位信號。當(dāng)開關(guān)受壓時，送來“1”信號，不受壓時，送來“0”信號。計算機送出的控制信號使DT1、DT2或DT3吸合或釋放，完成相應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)的控制動作(實際上應(yīng)經(jīng)過驅(qū)動電路)。,2.控制程序流程圖控制程序流程圖如圖3-4所示。,圖3-4控制程序流程圖,3.控制程序從圖3-4程序流程圖可以看到，控制程序所要完成的任務(wù)是，按一定的邏輯順序讀取現(xiàn)場工作狀態(tài)信號；按預(yù)先規(guī)定的邏輯算式進行與、或、非等邏輯運算；按運算結(jié)果判斷是否發(fā)出某種控制信號。根據(jù)圖3-4所給出的流程圖及表3-1所示輸入輸出信號排列，按程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)字邏輯功能的方法，可編出控制程序如下：,……STAGE1:MOVA,P1；讀P1口輸入信號ANLA,＃03H；取出A信號和原位信號CJNEA，＃03HSTAGE1；沒有A信號和原位信號，繼續(xù)等待STAGE2:MOVP3,＃01H；發(fā)快進命令STAGE20:MOVA,P1；讀P1口輸入信號ANLA,＃04H；取出x1信號CJNEA，＃04HSTAGE20；沒有x1信號，繼續(xù)快進STAGE3:MOVP3,＃02H；發(fā)工進命令STAGE30:MOVA,P1；讀P1口輸入信號ANLA,＃08H；取出x2信號CJNEA,＃08HSTAGE30；沒有x2信號，繼續(xù)工進,STAGE4:LCALLDELAY；調(diào)延時子程序MOVP3,＃04H；發(fā)快退命令STAGE40:MOVA,P1；讀P1口輸入信號ANLA,＃02H；取出原位信號CJNEA，＃02HSTAGE40；沒有回到原位，繼續(xù)快退STAGE5:LJMPSTAGE1；返回，轉(zhuǎn)下次循環(huán)……,延時子程序DELAY此處從略。,,3.2數(shù)字程序控制,3.2.1數(shù)值插補計算方法能根據(jù)輸入的指令和數(shù)據(jù)，控制生產(chǎn)機械按規(guī)定的工作順序、運動軌跡、運動距離和運動速度等規(guī)律而自動完成工作的自動控制稱為數(shù)字程序控制。數(shù)字程序控制主要應(yīng)用于機床自動控制，如用于銑床、車床、加工中心、線切割機以及焊接機、氣割機等的自動控制系統(tǒng)中。采用數(shù)字程序控制系統(tǒng)的機床叫做數(shù)字程序控制機床。數(shù)字程序控制機床具有能加工形狀復(fù)雜的零件，加工精度高，生產(chǎn)效率高，便于改變加工零件品種等許多特點，它是實現(xiàn)機床自動化的一個重要發(fā)展方向。,數(shù)字程序控制系統(tǒng)一般由輸入裝置、輸出裝置、控制器和插補器等四大部分組成。目前硬件數(shù)控系統(tǒng)已很少采用，多數(shù)采用計算機數(shù)控系統(tǒng)，控制器和插補器功能以及部分輸入輸出功能都由計算機承擔(dān)。數(shù)字程序控制系統(tǒng)的插補器用于完成插補計算。插補計算就是按給定的基本數(shù)據(jù)(如直線的終點坐標(biāo)，圓弧的起、終點坐標(biāo)等)，插補(插值)中間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而把曲線形狀描述出來的一種計算。插補器實際上是一個函數(shù)發(fā)生器，能按給定的基本數(shù)據(jù)，產(chǎn)生一定的函數(shù)曲線，并以增量形式(例如為脈沖)向各坐標(biāo)連續(xù)輸出，以控制機床刀具按給定的圖形運動。,多年來，在數(shù)字程序控制機床中最常采用的插補計算方法是逐點比較插補計算法(簡稱逐點比較法)和數(shù)字積分器插補計算法(簡稱數(shù)字積分法)。近幾年又采用了一些新的插補計算法，如時間分割插補計算法(簡稱時間分割法)和樣條插補計算法等。按插補器的功能可以分為平面的直線插補器、圓弧插補器和非圓二次曲線插補器及空間直線和圓弧插補器。因為大部分加工零件圖形都可由直線和圓弧兩種插補器得到，所以，在數(shù)字程序控制系統(tǒng)中直線插補器和圓弧插補器應(yīng)用最多。,所謂逐點比較插補法，就是它每走一步都要和給定軌跡上的坐標(biāo)值進行一次比較，看這點在給定軌跡的上方或下方，或是在給定軌跡的里面或外面，從而決定下一步的進給方向。如果原來在給定軌跡的下方，下一步就向給定軌跡的上方走，如果原來在給定軌跡的里面，下一步就向給定軌跡的外面走，……如此，走一步，看一看，比較一次，決定下一步走向，以便逼近給定軌跡，即形成“逐點比較法”插補。,逐點比較法是以階梯折線來逼近直線或圓弧等曲線的，它與規(guī)定的加工直線或圓弧之間的最大誤差為一個脈沖當(dāng)量，因此只要把脈沖當(dāng)量(每走一步的距離)取得足夠小，就可達到加工精度的要求。下面分別介紹逐點比較法直線和圓弧插補原理及其插補計算的程序?qū)崿F(xiàn)方法。,圖3-5第一象限直線,3.2.2逐點比較法直線插補1．直線插補計算原理(1)偏差計算公式:按逐點比較法的原理，必須把每一插值點(動點)的實際位置與給定軌跡的理想位置間的誤差，即“偏差”計算出來，根據(jù)偏差的正、負決定下一步的定向，逼近給定軌跡。因此，偏差計算是逐點比較法關(guān)鍵的一步。下面以第一象限平面直線為例來推導(dǎo)其偏差計算公式。,假定加工如圖3-5所示的直線OA。取直線起點O為坐標(biāo)原點，(xe、ye)是已知的直線終點坐標(biāo)。m(xm、ym)為加工點(動點)，若m在OA直線上，則根據(jù)相似三角形的關(guān)系可得,即,取直線插補的偏差判別式Fm為,(3-1),若Fm=0，表明m點在OA直線上；若Fm>0，說明xe=Xm時，ym>ye,表明m點在OA直線上方；若Fm<0，說明xe=Xm時，ym下載提示(請認真閱讀)
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