机电一体化第八章机电一体化系统设计与应用.ppt

第八章 机电一体化系统设计与应用,第一节 机电一体化系统机械部分的设计 第二节 工业锅炉节能计算机控制系统设计 第三节 高速线材轧钢机测控系统设计 第四节 单片机控制电风扇系统设计 第五节 温度控制系统设计 习题与思考题 参考文献,第一节 机电一体化系统机械部分的设计,一、 机械执行机构和传动机构的设计 1. 机械执行机构的设计 执行机构是机电一体化产品的重要组成部分。它直接接受系统控制器的指令，并通过传动机构来驱动执行机构实现特定的功能。 对执行机构的设计要求主要有以下三点： (1) 具有实现所需的全部运动形式的能力，包括给定的运动轨迹、给定的行程、速度方向及运动的起止点位置的范围等，并具有相应的精度和灵敏度。 (2) 具有传递所需动力的能力。这要求执行机构具有相应的强度和刚度。 (3) 具有良好的动态品质，即要求尽量减少机械的转动量，提高传动刚度，系统固有频率，以及减少机械部件摩擦和间隙等。,下一页,2. 传动机构的设计 传动机构作为扭矩和转速的变换器，在设计时应符合以下要求： (1) 具有足够的传动精度以适应机电一体化产品的控制工作精度要求。 (2) 具有适应高速传动的能力。 (3) 具有小型化、轻型化的特点。这对保证产品系统的响应速度，减少冲击，降低能耗是必要的。,上一页,下一页,二、 机电一体化系统设计中的标准件选择方法 1. 机械类标准件的选择方法 在机电一体化系统设计中，对于任何一种产品设计，都必须按照系统设计要求，对系统功能进行设计，设计的基本原则是希望设计的系统单元达到标准化、系列化、通用化，有利于设计者选择通用性标准件，减少总体设计工作量及成本。根据系统设计要求，机械标准件选择的方法是： (1) 标准件结构尺寸应与设计系统要求结构尺寸一致。 (2) 标准件材料应当与设计机械单元要求材料一致。 (3) 标准件精度应与设计系统单元要求精度一致。 (4) 标准件使用安装方式应与设计结构要求一致。 (5) 标准件应与设计系统配套。,上一页,下一页,2. 电子类标准件的选择方法 在机电一体化系统设计中，对于任何一种机电系统，分别是由机械和电子两大部分组成。对于系统设计标准件选择的共性问题，分别给出电子类如传感器、放大器、记录仪、控制器、A/D、D/A、AK控制器、电源驱动器、电机、集成电子器件、电子开关等标准件选择方法： (1) 标准件应与系统设计技术指标和配套性要求进行选择。其中有传感器与放大器配套；电机驱动器与电机配套；控制器A/D、D/A、AK系列板与计算机配套；执行机构功率指标与负载功率指标配套；开关量控制器与被控设备技术指标要求配套等。 (2) 标准件结构尺寸应与系统总体设计结构尺寸要求一致。 (3) 标准件精度指标应满足系统设计技术要求。 (4) 标准件安装方式应满足系统总体设计要求。 (5) 标准件性能参数应满足系统总体设计技术性能要求。 (6) 标准件应具有抗干扰，较强的适应环境能力。 (7) 标准件应安装使用方便，可互换性好。 (8) 标准件的稳定性，可靠性等应满足系统总体设计要求。,上一页,下一页,三、 机电一体化系统设计中的质量控制 1. 质量目标管理 在接到设计任务设计所需信息开始，在构思、规划的同时，确立该设计的质量目标。然后将其分解到设计过程的每一步骤，而且要最大限度地做到定量化。 2. 实行可靠性设计 产品要赢得信誉，除功能上满足要求外，还应做到产品寿命期内少出故障，出了故障也要便于修理，因此必须借助于可靠性设计的手段进行设计。 3. 质量评审方法 (1) 方案设计阶段。 (2) 技术设计阶段。 (3) 样机试制、试验阶段。 (4) 技术鉴定，设计定型阶段。 4. 标准化与工艺评审 设计产品图纸的标准化、 文件管理标准化、 生产工艺标准化等进行评审。,上一页,下一页,5. 建立设计质量责任制 (1) 设计阶段应由质量管理人员和设计人员共同负责。 (2) 研制和生产阶段由研制生产人员和质量检测人员负责。 6. 建立质量保证体系主要内容 (1) 根据用户调查和收集来的质量信息制定质量目标； (2) 根据验证试验资料，鉴定方案论证的质量； (3) 审查产品设计质量； (4) 检查产品试制、鉴定质量； (5) 监督产品试验方法、试验质量； (6) 审查产品定型质量； (7) 审查设计图纸、工艺等技术文件是否规范齐全； (8) 组织新产品设计质量的技术与经济分析。,上一页,下一页,四、 制造工程质量管理方法 1. 元器件的筛选法 按照设计目标要求，对主要参数规定允许范围，剔出超过允许性能范围的元器件，目的在于提高选用元器件的主要参数指标和无均匀性，消除潜在的元器件隐患和保证批量产品性能指标一致性。 2. 应力筛选法 对于生产中诸如引线焊接不良或结合部位连接不良等缺陷，可采用应力筛选予以剔除。包括冲击筛选法或采用振动加速度实验筛选方法，按照相关标准执行。 3. 老化处理法 采用的方法有：温度老化处理，交变过负荷老化处理，大电流老化处理等。老化处理时要确定测量参数和参数的度量标准，并合理设计老化处理使用的环境参数及时间等，应符合产品要求。 4. 产品的生产质量检验 生产质量检验。元器件投入生产中间检验。产品部件完工检验。 检验方法有两类：一类是全数检验，以确定每一件产品的质量是否符合标准。 另一类是抽样检验，就是按照统计的方法和原理，从每一批中抽取10%数量的产品进行检验，从而推算整批产品的合格率，判断这些产品是否符合质量标准。,上一页,返 回,第二节 工业锅炉节能计算机控制系统设计,一、 工业锅炉计算机控制系统的主要功能 1. 自动控制功能 计算机控制系统能自动地完成对给水、给油、送风、引风、增温、增水等。进口锅炉的物料量的自动控制，使锅炉的气包水位、蒸气压力、蒸气温度、风油配比系数、烟气含氧量、炉膛负压等运行参数保持在规定的最佳数值附近，以保证锅炉的安全运行、平稳操作，达到降低油耗、提高供气质量的目的。 2. 运行参数的数据采集、处理、显示功能，分析判断输出功能 区别不同情况，对采集得到的数据进行滤波等数据处理。在系统所配备的彩色显示屏上，显示出主要工作参数的实时数值。一般设有动态流程模拟图、光柱模拟图、单点回路图等多种显示画面，同时还可显示各个控制系统输出值、控制参数、报警限定值、报警状态、控制状态、实时时钟等。,下一页,3. 报警功能 计算机控制系统可对气包水位、蒸气压力、炉膛温度、炉膛负压等参数实现过负荷报警。当运行参数超过规定的界限数值时，发出声、光自动报警信号。 4. 检测控制数据报表打印功能 计算机控制系统配备了通用打印机，可定时打印出各种运行工作参数的数据，以生产日志和产耗统计报表。系统具有定时打印、随机打印、报警打印等多种打印方式，以表格化形式打印出全部检测结果。 5. 控制参数计算功能 计算机控制系统对气、水、油等产耗数据进行累计计算，并对产气量进行压力校正计算。,上一页,下一页,6. 手操作/自动双向切换功能 计算机控制系统备有后备操作装置，能实现强电手动操作，并可配合软件共同实现手/自动双向切换，这样既可以方便操作，又可提高系统的适应性、 工作的可靠性、 安全性。 7. 控制参数在线修改功能 控制系统能在自动工作状态下，在不停止闭环控制作用的同时，对各给定值、PID整定参数、配比系数、实时时钟等实现在线修改。 8. 完备的过程通道控制接口功能 控制系统有完备的工作过程通道接口，可直接与DDZ、DDZ型驱动器、执行仪表，热电偶、热电阻等连接。各部分均采取了有效的电路隔离措施、抗干扰措施。同时，系统还备有RS232全双工串行接口，以利于进行多级计算机控制和管理.,上一页,下一页,二、 控制系统的硬件配置设计 计算机控制系统可根据用户生产要求灵活配置，RPC500型机构成大小不等的系统，以适应不同吨位锅炉测控功能的需求。主机可分别选用工控，或选用RPC700、RPC800等为CPU的工控模板，组成STD总线式工业控制机。在配置相应的过程通道接口电路中，可与DDZ、DDZ型各种电动变送器、控制器连成系统，可直接接受热电偶、压力传感器、水位传感器、供油流量传感器、热电阻等传感器的信号，还可与其他计算机进行串行数据通信。由于一般燃烧节能控制需要较为复杂的判断，计算和选择，因而采用计算机控制与一般仪表控制相比，具有较高的性能价格比。按基本配置，一般有适应工业控制环境的CPU多功能计算机、显示器接口、打印机接口、键盘、全双工串行接口、全隔离或光电隔离型A/D接口，D/A接口，并行输入，输出接口。主机内有Nied电池作为后备电源，以便掉电时能保存检测的多种动态数据。还备有系统运行监视与自恢复电路。各部分的相互连接关系见图8-1。,上一页,下一页,图81 微机控制系统硬件结构框图,返 回,三、 软件的主要功能模块设计 1. 初始化功能模块 2. 运算模块 3. 控制系统组态模块 4. 控制参数在线修改功能模块 5. 显示功能模块 6. 打印功能模块 7. 报警功能模块 8. 键盘按键处理功能模块 9. 控制数据表格与工作图形 10. 主控管理与中断服务模块,上一页,下一页,四、 控制系统设置设计 由于工业锅炉是具有多输入、多输出、参数间相互耦合、大延迟时间等明显特征的复杂过程，在控制上有一定难度。在自控系统的设置与控制规律、算法的选择上，需要一定的技巧与经验。应充分利用计算机在计算、比较、逻辑判断上的优势、灵活、综合地运用多种手段，使其达到满意的控制技术指标。为了保证锅炉的安全、稳定、经济运行，保证供气负荷量与供气质量，一般按能量平衡、水量平衡、风量平衡来设置控制系统，并应保证供气压力与供气温度基本稳定。 燃烧控制系统实质上是能量平衡系统。 水位控制系统，实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。 炉膛负压控制系统是使进出炉膛的空气量维持平衡的控制系统。一般以炉膛压力作为空气量平衡与否的控制指标，通过调整排向大气的引风量达到空气量进出平衡。,上一页,下一页,五、 智能控制系统的设计 燃烧过程控制的特点在于：要根据多个工艺参量的现场工作状态数据和原始数据，进行综合分析、处理、计算，才能取得合理的控制决策。根据运行状态的变化，不断改变控制规律和控制参数，以控制系统自身的变化去适应被控对象及其运行条件的变化，这就是智能控制的设计思想。 首先它需要掌握多个相关运行参数的现行值和历史变化，这就要求系统能存储大量的有用信息。它还要求系统有综合计算能力，对所存储的信息数据进行归纳运算处理，得到系统运行的变化趋势和各项性能指标。更为重要的是，它要求系统具备一定的决策能力，也就是要具备一定的知识和根据这些知识进行推理、预测、选择控制方式、控制参数的能力。 由于相关因素的多元性，需要拟定几条综合决策的判断逻辑，以决定控制量调整的大小及方向。考虑到整个燃烧过程的运行稳定性，不应该因此项调整对过程产生频繁的扰动，而调整动作只能间歇式进行。而且只有在负荷平衡、主控参数偏差不大时才能进行。图82为智能综合系统的信息传递方块图。,上一页,返 回,返 回,图82 智能综合系统的信息传递方块图,第三节 高速线材轧钢机测控系统设计,一、高速线材轧钢机测控系统的组成和功能 1. 测控系统组成 高速线材轧机速度高，轧机架数多，对控制系统要求高，所以高速线材轧机都采用计算机控制系统。目前，高速线材轧机普遍采用二级控制系统:一级为设备控制级，一级为过程控制级。这种控制系统采用的是分散控制的设计方法，在设备控制级中把生产过程按区域或功能划分为若干区段，配备多台可编程序控制器，分别控制各区段的生产过程；生产过程控制级由一台或多台计算机实现整个生产过程监控。图83给出了二级控制系统的结构组成。,下一页,由图可知设备控制级和生产过程控制级都由几台设备组成。在实际应用中，设备控制级划分多个区段，可按实际工艺状况和所选的控制设备类型而定，生产过程控制级则要根据加工实际需要进行配备,返 回,图83 二级控制系统的结构框图,2. 测控系统功能 （1） 轧制流程及参数设定； （2） 生产数据记录、报表； （3） 运行参数显示、图形显示； （4） 测控系统联锁、故障报警显示； （5） 轧件跟踪、现场检测； （6） 速度级联控制； （7） 微张力控制； （8） 活套控制； （9） 切头切尾、事故诊断； （10） 冷却控制； （11） 炉区控制； （12） 坯料管理； （13） 自动集卷、自动打包、自动称重； （14） 手动、自动控制； （15） 动态速降补偿方法。,上一页,下一页,二、 高速线材轧钢机测控系统设计思想及关键技术 1. 总本设计分析 设计好控制系统的硬件后，就要根据工艺过程的要求进行全系统的软件设计。在高速线材轧机自动化控制系统中，其中关键技术包括速度级联控制、动态速度补偿、微张力控制、活套控制、联网通信等。 2. 速度控制设计分析 决定速度大小的两大要素是轧机孔型的大小和轧机的速度，轧机的孔型一旦调整好后就固定不变，只有通过选择和调整轧机的速度才能满足坯料速度平衡的关系。在实际应用中，孔型辊缝的大小一般无法给出精确的量值，均采用伸长率的概念加以描述。 3. 动态速降补偿方法 在高速线材轧制中，当钢坯头部进入轧机时，由于传动系统的固有特性，会使轧机形成瞬间速度下降，速降量约为设定速度的1%2%之间，持续时间约为数百毫秒。为了保证线材生产的正常安全进行，防止由于动态速降而产生堆钢现象，自动控制系统必须实现动态速降补偿。为了简化控制系统，动态速降补偿采用在速度设定值中增加一个动态速降量的方法。,上一页,下一页,4. 张力控制原理与控制方法 张力控制是保证高速线材轧机顺利轧制和提高产品质量的必要手段。张力控制是一个复杂的过程，在高速线材轧机中一般是采用微张力控制。实现微张力控制有许多方法，“电流速度”间接微张力控制方法是一种简单实用的方法。 5. 活套控制设计 高速线材轧机在预精轧机组多采用活套控制。采用活套控制时，要求轧机之间要有一定的距离并采用单独传动，这样便于活套设备的安装和活套控制的实现。采用活套控制时，需要的检测仪表有热金属检测器和活套扫描器。 6. 控制系统的联网通信设计 高速线材轧机自动化控制系统采用二级控制，按工艺划分和控制功能又分为若干个控制子系统，这就要求进行大量的数据交换。按照 图84的系统结构，该系统中包括设备控制级和过程控制级之间，设备控制级各子系统之间两部分联网通信。,上一页,下一页,返 回,图84 高速线材轧机控制系统示意图,7. 应用范围 本节所介绍的高速线材轧机自动化控制系统是一种典型实用的二级控制系统，在高速线材轧机上已得到了成功应用。实际上这种系统不仅可应用在高速线材轧机上，也可应用在一般的线材轧机和棒材轧机中。 8. 高速线材生产工艺设备 (1) 高速线材生产系统组成： 设备全线20架连轧机分为粗轧、中轧、预精轧、精轧四个机组。 原料130130（20006000）（mm）连铸钢坯。 成品520 mm共10种规格线材。 称重MAX1.8 t。 轧制速度：保证速度900 mm/s，最大速度1 000 mm/s。 产量设计年产量30万吨。 （2）控制系统结构。图84 为某高速线材厂自动化控制系统结构。由图可知该系统是一种典型的高速线材轧机二级自动化控制系统。该系统在设备控制级有6个子系统，这些子系统都是由可编程序控制器组成。,上一页,返 回,第四节 单片机控制电风扇系统设计,一、 单片机控制系统组成 单片机控制系统电路如图85所示，它由单片机MCS51，工作电源、过零检测电路、显示电路和输入按键、双向晶闸管等组成。 二、 单片机控制电风扇的工作原理 1. 无级调风控制 无级调风控制在单片机MCS51检测到 设定为无级调风时，则去接收来自AN0输入的模拟信号。再根据AN0输入信号的大小去控制双向晶闸管TA的导通角，输入信号越大，则导通角越大，否则相反。无级调风也可以根据AN0的输入信号进行过零载波控制。输入信号越大，则载波系数越小，反之亦然。,上一页,下一页,返 回,图85 单片机控制器电路原理图,2. 特定风型控制 特定风型控制在本质上和无级调风时所用的移相和载波方法相同。但是，其控制是按给定运行曲线工作，而不是根据AN0的输入信号运行。特定风型有强自然风、中自然风、自然风和睡眠风等四种。它们分别对应于特定的给定值。在控制中是利用给定值和时间的关系去对电风扇进行控制。 单片机控制电风扇的控制软件设计流程，如图86所示。,上一页,返 回,返 回,图86 控制软件流程图,第五节 温度控制系统设计,一、 温度控制系统组成与工作原理 图87是采用PN结作为温度传感器的温度采集、转换以及数字显示的硬件电路图。 二、 温度控制系统程序设计 在进行程序设计时，设置了三个工作单元BCDLO、BCDHI和SEGMNT。由于显示温度范围在-40+150，因此需要三位BCD码。 温度控制器的程序主要包括三部分：一是主程序，包括初始化程序和温度采集、A/D转换程序；二是将A/D转换后的二进制数据转换为BCD码子程序；三是定时器中断及显示中断服务程序。下面分别介绍每一部分的编程方法。,下一页,返 回,图87 温度控制器电路图,1. 主程序设计 主要程序流程图如图88所示。 ,上一页,下一页,2. 二进制数到BCD码转换子程序设计 该子程序将IX寄存器中的二进制数转换为BCD码。一个8位二进制数最多可转换为3位BCD码，因此转换后的BCD码的第1位和第0位存入BCDLO单元中，BCD码的第2位存入BCDHI中。在BCD三转换过程中禁止CPU中断。首先清BCDLO单元，测试IX寄存器的内容，若不为0，则IX减1，BCDLO单元的内容加1。然后测试BCDLO单元的低4位，若不等于10，则重新测试IX的内容，重复以上过程；若等于10，则BCDLO单元的内容加1，进行BCD调整，并将相加的结果存回BCDLO单元中，搠着测试BCDLO单元的高4位，若不等于10，则重新测试IX的内容，重复以上过程；若等于10，清BCDLO单元，BCDHI单元加1，重新测试IX的内容，重复以上过程，直到IX的内容为0为止。,上一页,下一页,3. 定时器中断和显示中断程序设计 首先将进位C置位，关闭显示驱动器。将SEGMNT单元的内容循环右移，若进位C为0，则表示要重新开始显示BCD码的最高位，因此置SEGMNT单元的内容为%11111011；若不为0，将BCDLO单元的内容送入累加器中，并且根据SEGMNT单元的内容判断需要显示哪一位。若SEGMNT单元的第1位为0，则显示BCD码的第1位，A循环右移4次，否则判断SEGMNT单元的第2位，若为0，则显示BCD码的第2位（即最高位），将BCDHI单元的内容送入累加器A中，若A中的内容不为0，显示对应的数字；若为0，显示闪烁。若SEGMNT单元的第2位不为0，则显示BCD码的第0位。不论显示哪一位，A中的低4位为要显示的BCD码值，使用查表法得到对应于BCD码的七段代码值，并将对应的七段代码值送入B口，允许对应的显示驱动器，因而可显示数字。最后设置定时器的向下计数器的初值为$10；定时器的分频因子为128；选择内部时钟；预分频器清0，允许定时器溢出中断。根据计数器的初值和分段因子，可知每经2048（16128）个机器周期定时器产生溢出中断，即2048个机器周期显示一次。,上一页,返 回,习题与思考题,1. 举例说明标准件的选择原则？ 2. 分析质量控制的方法和作用是什么？ 3. 质量管理的原则是什么？ 4. 机械部件的现代设计方法有几种？应用哪些场合？ 5. 自拟题目说明暖气锅炉检测控制系统设计原理。 6. 简述单片机控制风扇的原理 7. 设计一个计算机温度控制系统，温度202。 8. 根据实例说明计算机采集程序设计思路。 9. 计算机数据采集系统设计原则。 10. 计算机控制多参数系统的关键技术是什么？,返 回,参考文献,1.张君安主编. 机电一体化系统设计. 北京：兵器工业出版社，1997 2.裴仁清主编. 机电一体化原理. 上海：上海大学出版社，1998 3.魏俊民，周砚江主编. 机电一体化系统设计. 北京：中国纺织工业出版社，1998 4.殷际英主编. 机电一体化基础. 北京：冶金工业出版社，1997 5.杨正新，江劲松主编.机电一体化系统. 北京：科学技术文献出版社，1996 6.万遇良主编. 机电一体化系统设计与分析. 北京：中国电力出版社，1998 7.徐志毅主编. 机电一体化实用技术. 上海：上海科学技术文献出版社，1994 8.张建民等主编. 机电一体化系统设计. 北京：北京理工大学出版社，1996 9.李红毅主编. 机电一体化产品的设计 .北京：机械工业出版社，1995 10.胡泓，姚伯威主编. 机电一体化原理及应用. 北京：国防工业出版社，1996,下一页,11.陈维山，赵杰编著. 机电系统计算机控制. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999 12.曹志超主编. 常用机械电器实用手册. 北京：化学工业出版社，2000 13.徐志毅主编. 机电一体化技术在支柱产业中的应用. 上海：上海科学技术文献出版社，1997 14.杨平，廉仲编著. 机械电子工程设计. 北京：国防工业出版社，2001 15.机电一体化应用实例编委会编. 机电一体化技术应用实例. 北京：机械工业出版社，1994 16.周仲编. 集成电路应用350例. 北京：电子工业出版社，1995 17.王俊省主编. 微计算机检测技术及应用. 北京：电子工业出版社，1994 18.吴道悌主编：非电量电测技术. 西安：西安交通大学出版社，2000 19.张靖，刘少强编. 检测技术系统设计. 北京：中国电力出版社，2002 20.曾新民，曾天剑编著. 运算放大器应用手册. 北京：电子工业出版社，1990,上一页,下一页,21.候国章编著. 测试与传感器技术. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998 22.张迎新等编著. 非电量测量技术基础. 北京：北京航空航天大学出版社，2002 23.吴兴惠，王彩君编著. 传感器与信号处理. 北京：电子工业出版社，1997 24.江秀汉等编. 计算机控制原理及其应用. 西安：西安电子科技大学出版社，1996 25.冯勇主编. 现代计算机控制系统. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997 26.谭浩强著. C语言程序设计. 北京：清华大学出版社，2002 27.樊尚春，周浩敏编著. 信号与测试技术. 北京：北京航空航天大学出版社，2002 28.王秀玲等编著. 微型计算机A/D-D/A转换接口技术及数据采集系统设计. 北京：清华大学出版社，1984 29.周生国主编. 机械工程测试技术. 北京：北京理工大学出版社，2001 30.传感器动态校准. 计量检定规程. JJG 6241989 ,返 回,