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(duì)象的特性分類順序控制包括時(shí)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(shí)間順序控制系統(tǒng)是固定時(shí)間程序的控制系統(tǒng)。它以執(zhí)行時(shí)間為依據(jù),每個(gè)設(shè)備的運(yùn)行或停止與時(shí)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(dòng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)造成負(fù)荷的突然增大,并且為了防止物料的堵塞,通常先啟動(dòng)后級(jí)的輸送帶電動(dòng)機(jī),經(jīng)一定時(shí)間延時(shí)后,再啟動(dòng)前級(jí)的輸送帶電動(dòng)機(jī)。在停止輸送時(shí),先停止前級(jí)輸送帶的電動(dòng)機(jī),延時(shí)后再停止后級(jí)輸送帶的電動(dòng)機(jī),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(hào)燈的點(diǎn)亮和熄滅是在時(shí)間上已經(jīng)確定的,所以,它將按照一定的時(shí)間來點(diǎn)亮或熄滅信號(hào)燈。這類順序控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是各設(shè)備運(yùn)行時(shí)間是事先已確定的,一旦順序執(zhí)行,將按預(yù)定的時(shí)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(shí)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(dá)到一定液位時(shí),啟動(dòng)攪拌機(jī)。在攪拌開始后,液位因基料在繼續(xù)流入而升高,當(dāng)達(dá)到某一液位時(shí),反應(yīng)基料停止加入,其它物料開始加入,當(dāng)液位達(dá)到另一設(shè)定液位時(shí),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(shí)際中基料與物料分別存放在各自的儲(chǔ)液罐內(nèi),在這個(gè)過程中,進(jìn)料的流量大小受到進(jìn)料儲(chǔ)罐液位的影響,液位高,則進(jìn)料壓力大,流量也大,達(dá)到啟動(dòng)攪拌機(jī)的液位所需時(shí)間也短。同樣,在加入其它物料時(shí),因受物料流量的影響,液位達(dá)到所需液位的時(shí)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(shí),相應(yīng)的操作就被執(zhí)行,不滿足時(shí),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(dòng)向該層運(yùn)行。當(dāng)乘客進(jìn)入電梯轎廂,并按了所需去的樓層按鈕后,在一定的時(shí)間延時(shí)和關(guān)閉電梯門后,電梯將運(yùn)行,一直等到電梯到達(dá)了所需的樓層,自動(dòng)打開轎廂門。這里,電梯的運(yùn)行根據(jù)條件確定,可向上運(yùn)行也可向下運(yùn)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(shí)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(diǎn)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(jì)算機(jī)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(shí)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(diǎn)、延時(shí)斷開延時(shí)閉合觸點(diǎn)等可動(dòng)觸點(diǎn)和普通繼電器、時(shí)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(dòng)機(jī)的開停控制等。受繼電器觸點(diǎn)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(diǎn)順序邏輯控制因減少了連接點(diǎn)的可動(dòng)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(diǎn)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(jì)算機(jī)技術(shù)的促進(jìn)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(jì)算機(jī)來執(zhí)行操作指令,實(shí)施操作,因此,順序邏輯功能的更改十分方便。加上得益于計(jì)算機(jī)的高可靠性和高運(yùn)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(jì)算機(jī)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(jī)中實(shí)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(jì)算機(jī)對(duì)它們進(jìn)行操作和管理,必要時(shí),把信息傳送到上位機(jī)或下送到現(xiàn)場控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由于計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換。(2)控制器:接受控制輸入信號(hào),按一定的控制算法運(yùn)算后,輸出控制信號(hào)到執(zhí)行機(jī)構(gòu),控制器具有記憶功能,能實(shí)現(xiàn)所需的控制運(yùn)算功能。(3)輸出接口:實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的功率轉(zhuǎn)換。(4)檢測(cè)機(jī)構(gòu):檢測(cè)被控對(duì)象的狀態(tài)信息。(5)顯示報(bào)警裝置:顯示系統(tǒng)的輸入、輸出狀態(tài),報(bào)警等信息,便于了解過程運(yùn)行狀態(tài)和對(duì)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(jī)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(jìn)行。在這類工業(yè)生產(chǎn)過程中,部分控制操作是按時(shí)間的次序進(jìn)行的,大部分控制操作是按邏輯順序進(jìn)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(jī)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(duì)不同批號(hào)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(duì)程序更改有較多的要求,在繼電器順序控制時(shí)期,這類控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較困難,采用可編程序控制器可較方便地實(shí)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(diǎn),工作過程參數(shù)一旦偏離規(guī)定的范圍,就會(huì)發(fā)生事故,造成設(shè)備損壞或人員傷亡,因此,必須對(duì)操作的過程參數(shù)進(jìn)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(gè)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(jī)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(dòng)烹調(diào)系統(tǒng)等也得到應(yīng)用。總之,在家電領(lǐng)域,順序控制系統(tǒng)還剛開始進(jìn)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(shí)例下面以冷加工自動(dòng)線中鉆孔動(dòng)力頭的自動(dòng)控制順序作為實(shí)際例子。其加工過程分為以下幾步:(1)動(dòng)力頭在原位(原位行程開關(guān)x0受壓)并按啟動(dòng)按鈕A,電磁閥DT1通電,動(dòng)力頭快進(jìn)。(2)碰上行程開關(guān)x1——電磁閥DT2通電(DT1保持通電),由快進(jìn)轉(zhuǎn)工進(jìn)。(3)碰上行程開關(guān)x2——開始延時(shí)(繼續(xù)工進(jìn))。,(4)延時(shí)時(shí)間到——DT1、DT2斷電,DT3通電,動(dòng)力頭快退。(5)動(dòng)力頭退回到原位(x0又受壓)——DT3斷電,動(dòng)力頭停止。完成一個(gè)周期的循環(huán)動(dòng)作之后,又返回到第一步,開始下一個(gè)循環(huán)的動(dòng)作。鉆孔動(dòng)力頭控制邏輯功能圖如圖3-3所示。,圖3-3鉆孔動(dòng)力頭控制邏輯功能圖,在加工過程中,鉆孔動(dòng)力頭有快進(jìn)、工進(jìn)、工進(jìn)延時(shí)、快退、停止等五個(gè)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(hào)(由按鈕、行程開關(guān)、延時(shí)繼電器發(fā)出的)而定的。顯然,鉆孔動(dòng)力頭的自動(dòng)控制就是順序控制。,前已述,鉆孔動(dòng)力頭在一個(gè)工作循環(huán)中有快進(jìn)、工進(jìn)、工進(jìn)延時(shí)、快退和停止等五個(gè)工作狀態(tài)。從前一個(gè)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)入下一個(gè)工作狀態(tài),是根據(jù)來自現(xiàn)場的輸入信號(hào)的邏輯判斷?,F(xiàn)場輸入信號(hào)有啟動(dòng)按鈕A、原位開關(guān)x0、行程開關(guān)x1和x2以及延時(shí)信號(hào)。這些電器觸點(diǎn)的通斷,通過輸入電路變成電位信號(hào)引到微型計(jì)算機(jī)的輸入接口的輸入端上,CPU按一定邏輯順序讀取這些信號(hào),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(hào)??刂菩盘?hào)從微型計(jì)算機(jī)的輸出接口引出,經(jīng)過隔離放大電路驅(qū)動(dòng)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(dòng)力頭進(jìn)入新的工作狀態(tài)。,若不滿足,則等待(當(dāng)CPU只控制一臺(tái)動(dòng)力頭時(shí))或跳過,轉(zhuǎn)向詢問另一臺(tái)動(dòng)力頭(當(dāng)CPU控制多臺(tái)動(dòng)力頭時(shí))。整個(gè)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(shí)現(xiàn)的。下面介紹采用AT89C51單片微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(jì)算機(jī)通過接口電路直接與外部連接,控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成生產(chǎn)過程。輸入輸出信號(hào)安排如表3-1所示。,表3-1輸入輸出信號(hào)安排,單片機(jī)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(hào)A、x0、x1、x2是經(jīng)過輸入電路處理后送來的電位信號(hào)。當(dāng)開關(guān)受壓時(shí),送來“1”信號(hào),不受壓時(shí),送來“0”信號(hào)。計(jì)算機(jī)送出的控制信號(hào)使DT1、DT2或DT3吸合或釋放,完成相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制動(dòng)作(實(shí)際上應(yīng)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)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(hào);按預(yù)先規(guī)定的邏輯算式進(jìn)行與、或、非等邏輯運(yùn)算;按運(yùn)算結(jié)果判斷是否發(fā)出某種控制信號(hào)。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(hào)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(hào)ANLA,#03H;取出A信號(hào)和原位信號(hào)CJNEA,#03HSTAGE1;沒有A信號(hào)和原位信號(hào),繼續(xù)等待STAGE2:MOVP3,#01H;發(fā)快進(jìn)命令STAGE20:MOVA,P1;讀P1口輸入信號(hào)ANLA,#04H;取出x1信號(hào)CJNEA,#04HSTAGE20;沒有x1信號(hào),繼續(xù)快進(jìn)STAGE3:MOVP3,#02H;發(fā)工進(jìn)命令STAGE30:MOVA,P1;讀P1口輸入信號(hào)ANLA,#08H;取出x2信號(hào)CJNEA,#08HSTAGE30;沒有x2信號(hào),繼續(xù)工進(jìn),STAGE4:LCALLDELAY;調(diào)延時(shí)子程序MOVP3,#04H;發(fā)快退命令STAGE40:MOVA,P1;讀P1口輸入信號(hào)ANLA,#02H;取出原位信號(hào)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(shí)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(bǔ)計(jì)算方法能根據(jù)輸入的指令和數(shù)據(jù),控制生產(chǎn)機(jī)械按規(guī)定的工作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)距離和運(yùn)動(dòng)速度等規(guī)律而自動(dòng)完成工作的自動(dòng)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(jī)床自動(dòng)控制,如用于銑床、車床、加工中心、線切割機(jī)以及焊接機(jī)、氣割機(jī)等的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。采用數(shù)字程序控制系統(tǒng)的機(jī)床叫做數(shù)字程序控制機(jī)床。數(shù)字程序控制機(jī)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(diǎn),它是實(shí)現(xiàn)機(jī)床自動(dòng)化的一個(gè)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(bǔ)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(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng),控制器和插補(bǔ)器功能以及部分輸入輸出功能都由計(jì)算機(jī)承擔(dān)。數(shù)字程序控制系統(tǒng)的插補(bǔ)器用于完成插補(bǔ)計(jì)算。插補(bǔ)計(jì)算就是按給定的基本數(shù)據(jù)(如直線的終點(diǎn)坐標(biāo),圓弧的起、終點(diǎn)坐標(biāo)等),插補(bǔ)(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(jì)算。插補(bǔ)器實(shí)際上是一個(gè)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(jī)床刀具按給定的圖形運(yùn)動(dòng)。,多年來,在數(shù)字程序控制機(jī)床中最常采用的插補(bǔ)計(jì)算方法是逐點(diǎn)比較插補(bǔ)計(jì)算法(簡稱逐點(diǎn)比較法)和數(shù)字積分器插補(bǔ)計(jì)算法(簡稱數(shù)字積分法)。近幾年又采用了一些新的插補(bǔ)計(jì)算法,如時(shí)間分割插補(bǔ)計(jì)算法(簡稱時(shí)間分割法)和樣條插補(bǔ)計(jì)算法等。按插補(bǔ)器的功能可以分為平面的直線插補(bǔ)器、圓弧插補(bǔ)器和非圓二次曲線插補(bǔ)器及空間直線和圓弧插補(bǔ)器。因?yàn)榇蟛糠旨庸ち慵D形都可由直線和圓弧兩種插補(bǔ)器得到,所以,在數(shù)字程序控制系統(tǒng)中直線插補(bǔ)器和圓弧插補(bǔ)器應(yīng)用最多。,所謂逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法,就是它每走一步都要和給定軌跡上的坐標(biāo)值進(jìn)行一次比較,看這點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)比較法”插補(bǔ)。,逐點(diǎn)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(gè)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(dá)到加工精度的要求。下面分別介紹逐點(diǎn)比較法直線和圓弧插補(bǔ)原理及其插補(bǔ)計(jì)算的程序?qū)崿F(xiàn)方法。,圖3-5第一象限直線,3.2.2逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)1.直線插補(bǔ)計(jì)算原理(1)偏差計(jì)算公式:按逐點(diǎn)比較法的原理,必須把每一插值點(diǎn)(動(dòng)點(diǎn))的實(shí)際位置與給定軌跡的理想位置間的誤差,即“偏差”計(jì)算出來,根據(jù)偏差的正、負(fù)決定下一步的定向,逼近給定軌跡。因此,偏差計(jì)算是逐點(diǎn)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(jì)算公式。,假定加工如圖3-5所示的直線OA。取直線起點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn),(xe、ye)是已知的直線終點(diǎn)坐標(biāo)。m(xm、ym)為加工點(diǎn)(動(dòng)點(diǎn)),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(bǔ)的偏差判別式Fm為,(3-1),若Fm=0,表明m點(diǎn)在OA直線上;若Fm>0,說明xe=Xm時(shí),ym>ye,表明m點(diǎn)在OA直線上方;若Fm<0,說明xe=Xm時(shí),ym- 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