1、機電控制基礎(chǔ)綜合訓練指導書第一章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計步驟和內(nèi)容1.1 液壓系統(tǒng)的設(shè)計步驟液壓系統(tǒng)設(shè)計的步驟大致如下：1）明確設(shè)計要求，進行工況分析。2）初定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)。3）擬定液壓系統(tǒng)原理圖。4）計算和選擇液壓元件。5）估算液壓系統(tǒng)性能。6）繪制工作圖和編寫技術(shù)文件。根據(jù)液壓系統(tǒng)的具體內(nèi)容，上述設(shè)計步驟可能會有所不同，下面對各步驟的具體內(nèi)容進行介紹。1.1.1明確設(shè)計要求進行工況分析在設(shè)計液壓系統(tǒng)時，首先應明確以下問題，并將其作為設(shè)計依據(jù)。1）主機的用途、工藝過程、總體布局以及對液壓傳動裝置的位置和空間尺寸的要求。2）主機對液壓系統(tǒng)的性能要求，如自動化程度、調(diào)速范圍、運動平穩(wěn)性、換向定位精

2、度以及對系統(tǒng)的效率、溫升等的要求。3）液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境，如溫度、濕度、振動沖擊以及是否有腐蝕性和易燃物質(zhì)存在等情況。在上述工作的基礎(chǔ)上，應對主機進行工況分析，工況分析包括運動分析和動力分析，對復雜的系統(tǒng)還需編制負載和動作循環(huán)圖，由此了解液壓缸或液壓馬達的負載和速度隨時間變化的規(guī)律，以下對工況分析的內(nèi)容作具體介紹。圖1位移循環(huán)圖Ø 運動分析主機的執(zhí)行元件按工藝要求的運動情況，可以用位移循環(huán)圖(Lt)，速度循環(huán)圖(vt)，或速度與位移循環(huán)圖表示，由此對運動規(guī)律進行分析。1）位移循環(huán)圖Lt圖1為液壓機的液壓缸位移循環(huán)圖，縱坐標L表示活塞位移，橫坐標t表示從活塞啟動到返回原位的時間，曲線斜

3、率表示活塞移動速度。該圖清楚地表明液壓機的工作循環(huán)分別由快速下行、減速下行、壓制、保壓、泄壓慢回和快速回程六個階段組成。2）速度循環(huán)圖vt(或vL) 工程中液壓缸的運動特點可歸納為三種類型。圖2為三種類型液壓缸的vt圖，第一種如圖2中實線所示，液壓缸開始作勻加速運動，然后勻速運動， 圖2 速度循環(huán)圖最后勻減速運動到終點；第二種，液壓缸在總行程的前一半作勻加速運動，在另一半作勻減速運動，且加速度的數(shù)值相等；第三種，液壓缸在總行程的一大半以上以較小的加速度作勻加速運動，然后勻減速至行程終點。vt圖的三條速度曲線，不僅清楚地表明了三種類型液壓缸的運動規(guī)律，也間接地表明了三種工況的動力特性。Ø

4、; 動力分析動力分析，是研究機器在工作過程中，其執(zhí)行機構(gòu)的受力情況，對液壓系統(tǒng)而言，就是研究液壓缸或液壓馬達的負載情況。 1）液壓缸的負載力計算。工作機構(gòu)作直線往復運動時，液壓缸必須克服的負載由六部分組成： (1)式中：Fc為切削阻力；Ff為摩擦阻力；Fi為慣性阻力；FG為重力；Fm為密封阻力；Fb為排油阻力。圖3導軌形式 切削阻力Fc：為液壓缸運動方向的工作阻力，對于機床來說就是沿工作部件運動方向的切削力，此作用力的方向如果與執(zhí)行元件運動方向相反為正值，兩者同向為負值。該作用力可能是恒定的，也可能是變化的，其值要根據(jù)具體情況計算或由實驗測定。 摩擦阻力Ff為液壓缸帶動的運動部件所受的摩擦阻力

5、，它與導軌的形狀、放置情況和運動狀態(tài)有關(guān)，其計算方法可查有關(guān)的設(shè)計手冊。圖3為最常見的兩種導軌形式，其摩擦阻力的值為：平導軌： (2)V形導軌： (3)式中：f為摩擦因數(shù)，參閱表1選取；Fn為作用在導軌上總的正壓力或沿V形導軌橫截面中心線方向的總作用力；為V形角，一般為90°。 慣性阻力Fi。慣性阻力Fi為運動部件在啟動和制動過程中的慣性力，可按下式計算：(4)表1 摩擦因數(shù)f導軌類型導軌材料運動狀態(tài)摩擦因數(shù)(f)滑動導軌鑄鐵對鑄鐵啟動時低速(v0.16m/s) 高速(v0.16m/s)0.150.20 0.10.12 0.050.08滾動導軌鑄鐵對滾柱(珠) 淬火鋼導軌對滾柱(珠)

6、 0.0050.020.0030.006 靜壓導軌鑄鐵 0.005式中：m為運動部件的質(zhì)量(kg)；a為運動部件的加速度(m/s2)；G為運動部件的重量(N)；g為重力加速度，g=9.81 (m/s2)；v為速度變化值(m/s)；t為啟動或制動時間(s)，一般機床t0.10.5s，運動部件重量大的取大值。 重力FG垂直放置和傾斜放置的移動部件，其本身的重量也成為一種負載，當上移時，負載為正值，下移時為負值。 密封阻力Fm密封阻力指裝有密封裝置的零件在相對移動時的摩擦力，其值與密封裝置的類型、液壓缸的制造質(zhì)量和油液的工作壓力有關(guān)。在初 算 時，可按缸的機械效率(m=

7、0.9)考慮；驗算時，按密封裝置摩擦力的計算公式計算。 排油阻力Fb排油阻力為液壓缸回油路上的阻力，該值與調(diào)速方案、系統(tǒng)所要求的穩(wěn)定性、執(zhí)行元件等因素有關(guān)，在系統(tǒng)方案未確定時無法計算，可放在液壓缸的設(shè)計計算中考慮。2）液壓缸運動循環(huán)各階段的總負載力。液壓缸運動循環(huán)各階段的總負載力計算，一般包括啟動加速、快進、工進、快退、減速制動等幾個階段，每個階段的總負載力是有區(qū)別的。 啟動加速階段：這時液壓缸或活塞處于由靜止到啟動并加速到一定速度，其總負載力包括導軌的摩擦力、密封裝置的摩擦力(按缸的機械效率m=0.9計算)、重力和慣性力等項，即：(5) 快速階段： (6) 工進階段： (7) 減速： (8)

8、對簡單液壓系統(tǒng)，上述計算過程可簡化。例如采用單定量泵供油，只需計算工進階段的總負載力，若簡單系統(tǒng)采用限壓式變量泵或雙聯(lián)泵供油，則只需計算快速階段和工進階段的總負載力。3）液壓缸的負載循環(huán)圖。對較為復雜的液壓系統(tǒng)，為了更清楚的了解該系統(tǒng)內(nèi)各液壓缸(或液壓馬達)的速度和負載的變化規(guī)律，應根據(jù)各階段的總負載力和它所經(jīng)歷的工作時間t或位移L按相同的坐標繪制液壓缸的負載時間(Ft)或負載位移(FL)圖，然后將各液壓缸在同一時間t (或位移)的負載力疊加。圖4為一部機器的Ft圖，其中：0t1為啟動過程；t1t2為加速過程；t2t3為恒速過程； t3t4為制動過程。它清楚地表明了液壓缸在動作循環(huán)內(nèi)負載的規(guī)律

9、。圖中最大負載是初選液壓缸工作壓力和確定液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸的依據(jù)。圖4負載循環(huán)圖1.1.2 液壓缸的設(shè)計計算1) 初定液壓缸工作壓力 液壓缸工作壓力主要根據(jù)運動循環(huán)各階段中的最大總負載力來確定，此外，還需要考慮以下因素：(1)各類設(shè)備的不同特點和使用場合。(2)考慮經(jīng)濟和重量因素，壓力選得低，則元件尺寸大，重量重；壓力選得高一些，則元件尺寸小，重量輕，但對元件的制造精度，密封性能要求高。所以，液壓缸的工作壓力的選擇有兩種方式：一是根據(jù)機械類型選；二是根據(jù)切削負載選。如表2、表3所示。表2 按負載選執(zhí)行文件的工作壓力負載/N50005001000010000200002000030000300005

10、000050000工作壓力/MPa0.811.522.5334455表3 按機械類型選執(zhí)行文件的工作壓力機械類型機 床農(nóng)業(yè)機械工程機械磨床組合機床龍門刨床拉床工作壓力MPaa2358810101620322) 液壓缸主要尺寸的計算缸的有效面積和活塞桿直徑，可根據(jù)缸受力的平衡關(guān)系具體計算，詳見液壓與氣壓傳動教材。3) 液壓缸的流量計算液壓缸的最大流量： (10)式中：A為液壓缸的有效面積或 ()；為液壓缸的最大速度(m/s)。液壓缸的最小流量： (11)式中：為液壓缸的最小速度。液壓缸的最小流量，應等于或大于流量閥或變量泵的最小穩(wěn)定流量。若不滿足此要求時，則需重新選定液壓缸的工作壓力，使工作壓力

11、低一些，缸的有效工作面積大一些，所需最小流量也大一些，以滿足上述要求。流量閥和變量泵的最小穩(wěn)定流量，可從產(chǎn)品樣本中查到。1.1.3液壓元件的選擇1) 液壓泵的確定與所需功率的計算Ø 液壓泵的確定(1)確定液壓泵的最大工作壓力。液壓泵所需工作壓力的確定，主要根據(jù)液壓缸在工作循環(huán)各階段所需最大壓力p1，再加上油泵的出油口到缸進油口處總的壓力損失p，即 (12) p包括油液流經(jīng)流量閥和其他元件的局部壓力損失、管路沿程損失等，在系統(tǒng)管路未設(shè)計之前，可根據(jù)同類系統(tǒng)經(jīng)驗估計，一般管路簡單的節(jié)流閥調(diào)速系統(tǒng)p為(25)×105Pa，用調(diào)速閥及管路復雜的系統(tǒng)p為(515)×105P

12、a，p也可只考慮流經(jīng)各控制閥的壓力損失，而將管路系統(tǒng)的沿程損失忽略不計，各閥的額定壓力損失可從液壓元件手冊或產(chǎn)品樣本中查找，也可參照表4選取。表4 常用中、低壓各類閥的壓力損失(pn)閥名pn(×105Pa)閥名pn(×105Pa)閥名pn(×105Pa)閥名pn(×105Pa)單向閥0.30.5背壓閥38行程閥1.52轉(zhuǎn)閥1.52換向閥1.53節(jié)流閥23順序閥1.53調(diào)速閥35(2)確定液壓泵的流量。泵的流量根據(jù)執(zhí)行元件動作循環(huán)所需最大流量和系統(tǒng)的泄漏確定。多液壓缸同時動作時，液壓泵的流量要大于同時動作的幾個液壓缸(或馬達)所需的最大流量，并應考慮系統(tǒng)

13、的泄漏和液壓泵磨損后容積效率的下降，即 (13)式中：K為系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取1.11.3，大流量取小值，小流量取大值；為同時動作的液壓缸(或馬達)的最大總流量(m3/s)。采用差動液壓缸回路時，液壓泵所需流量為：(14)式中：，為分別為液壓缸無桿腔與有桿腔的有效面積(m2)；為活塞的最大移動速度(m/s)。當系統(tǒng)使用蓄能器時，液壓泵流量按系統(tǒng)在一個循環(huán)周期中的平均流量選取，即(15)式中：為液壓缸在工作周期中的總耗油量(m3)；為機器的工作周期(s)；Z為液壓缸的個數(shù)。(3) 選擇液壓泵的規(guī)格：根據(jù)上面所計算的最大壓力和流量，查液壓元件產(chǎn)品樣本，選擇與和相當?shù)囊簤罕玫囊?guī)格型號。上面所計算的最

14、大壓力是系統(tǒng)靜態(tài)壓力，系統(tǒng)工作過程中存在著過渡過程的動態(tài)壓力，而動態(tài)壓力往往比靜態(tài)壓力高得多，所以泵的額定壓力應比系統(tǒng)最高壓力大25%60%，使液壓泵有一定的壓力儲備。若系統(tǒng)屬于高壓范圍，壓力儲備取小值；若系統(tǒng)屬于中低壓范圍，壓力儲備取大值。(4)確定驅(qū)動液壓泵的功率。當液壓泵的壓力和流量比較衡定時，所需功率為： (16)式中：為液壓泵的最大工作壓力(N/m2)；為液壓泵的流量(m3/s)；為液壓泵的總效率，各種形式液壓泵的總效率可參考表5估取，液壓泵規(guī)格大，取大值，反之取小值，定量泵取大值，變量泵取小值。表5 液壓泵的總效率液壓泵類型齒輪泵螺桿泵葉片泵柱塞泵總效率0.60.70.650.80

15、0.600.750.800.85 在工作循環(huán)中，泵的壓力和流量有顯著變化時，可分別計算出工作循環(huán)中各個階段所需的驅(qū)動功率，然后求其平均值，即(17)式中：，為一個工作循環(huán)中各階段所需的時間(s)；，為一個工作循環(huán)中各階段所需的功率(kW)。按上述功率和泵的轉(zhuǎn)速，可以從產(chǎn)品樣本中選取標準電動機，再進行驗算，使電動機發(fā)出最大功率時，其超載量在允許范圍內(nèi)。Ø 閥類元件的選擇(1) 選擇依據(jù)選擇依據(jù)為：額定壓力，最大流量，動作方式，安裝固定方式，壓力損失數(shù)值，工作性能參數(shù)和工作壽命等。(2) 選擇閥類元件應注意的問題1)應盡量選用標準定型產(chǎn)品，除非不得已時才自行設(shè)計專用件。2)閥類

16、元件的規(guī)格主要根據(jù)流經(jīng)該閥油液的最大壓力和最大流量選取。選擇溢流閥時，應按液壓泵的最大流量選取；選擇節(jié)流閥和調(diào)速閥時，應考慮其最小穩(wěn)定流量滿足機器低速性能的要求。3)一般選擇控制閥的額定流量應比系統(tǒng)管路實際通過的流量大一些，必要時，允許通過閥的最大流量超過其額定流量的20%。Ø 蓄能器的選擇(1) 蓄能器用于補充液壓泵供油不足時，其有效容積為： (18)式中：為液壓缸有效面積()；為液壓缸行程(m)；為液壓缸損失系數(shù)，估算時可取1.2；為液壓泵供油流量()；t為動作時間(s)。(2) 蓄能器作應急能源時，其有效容積為： (19)當蓄能器用于吸收脈動緩和液壓沖擊時，應將其作為系統(tǒng)中的一

17、個環(huán)節(jié)與其關(guān)聯(lián)部分一起綜合考慮其有效容積。根據(jù)求出的有效容積并考慮其他要求，即可選擇蓄能器的形式。Ø 管道的選擇(1) 油管類型的選擇液壓系統(tǒng)中使用的油管分硬管和軟管，選擇的油管應有足夠的通流截面和承壓能力，同時，應盡量縮短管路，避免急轉(zhuǎn)彎和截面突變。1)鋼管：中高壓系統(tǒng)選用無縫鋼管，低壓系統(tǒng)選用焊接鋼管，鋼管價格低，性能好，使用廣泛。2)銅管：紫銅管工作壓力在6.510MPa以下，易變曲，便于裝配；黃銅管承受壓力較高，達25MPa，不如紫銅管易彎曲。銅管價格高，抗震能力弱，易使油液氧化，應盡量少用，只用于液壓裝置配接不方便的部位。3)軟管：用于兩個相對運動件之間的連接。高壓橡膠軟管

18、中夾有鋼絲編織物；低壓橡膠軟管中夾有棉線或麻線編織物；尼龍管是乳白色半透明管，承壓能力為2.58MPa，多用于低壓管道。因軟管彈性變形大，容易引起運動部件爬行，所以軟管不宜裝在液壓缸和調(diào)速閥之間。(2) 油管尺寸的確定1)油管內(nèi)徑d按下式計算： (20)式中：為通過油管的最大流量(m3/s)；為管道內(nèi)允許的流速(m/s)。一般吸油管取0.55(m/s)；壓力油管取2.55(m/s)；回油管取1.52(m/s)。2)油管壁厚按下式計算：p·d/2 (21)式中：p為管內(nèi)最大工作壓力；為油管材料的許用壓力，=b/n；b為材料的抗拉強度；n為安全系數(shù)，鋼管p7MPa時，取n=8；p17.5

19、MPa時，取n=6；p17.5MPa時，取n=4。根據(jù)計算出的油管內(nèi)徑和壁厚，查手冊選取標準規(guī)格油管。Ø 油箱的設(shè)計油箱的作用是儲油，散發(fā)油的熱量，沉淀油中雜質(zhì)，逸出油中的氣體。其形式有開式和閉式兩種：開式油箱油液液面與大氣相通；閉式油箱油液液面與大氣隔絕。開式油箱應用較多。(1) 油箱設(shè)計要點1)油箱應有足夠的容積以滿足散熱，同時其容積應保證系統(tǒng)中油液全部流回油箱時不滲出，油液液面不應超過油箱高度的80%。2)吸箱管和回油管的間距應盡量大。3)油箱底部應有適當斜度，泄油口置于最低處，以便排油。4)注油器上應裝濾網(wǎng)。5)油箱的箱壁應涂耐油防銹涂料。(2) 油箱容量計算油箱的有效容量V

20、可近似用液壓泵單位時間內(nèi)排出油液的體積確定。V=Kq (22)式中：K為系數(shù)，低壓系統(tǒng)取24，中、高壓系統(tǒng)取57；q為同一油箱供油的各液壓泵流量總和。Ø 濾油器的選擇選擇濾油器的依據(jù)有以下幾點：(1)承載能力：按系統(tǒng)管路工作壓力確定。(2)過濾精度：按被保護元件的精度要求確定，選擇時可參閱表6。(3)通流能力：按通過最大流量確定。(4)阻力壓降：應滿足過濾材料強度與系數(shù)要求。表6 濾油器過濾精度的選擇系統(tǒng)過濾精度(m)元件過濾精度(m)低壓系統(tǒng)100150滑閥1/3最小間隙70×105Pa系統(tǒng)50節(jié)流孔1/7孔徑(孔徑小于1.8mm)100×105Pa系統(tǒng)25流量

21、控制閥2.530140×105Pa系統(tǒng)1015安全閥溢流閥1525電液伺服系統(tǒng)5  高精度伺服系統(tǒng)2.5  1.2 設(shè)計內(nèi)容1.2.1 題目（1）設(shè)計一臺鉆鏜兩用組合機床動力滑臺的液壓控制系統(tǒng)。要求其完成的工作循環(huán)是：快進工進二工進死擋鐵停留快退原位停止。快進快退速度為7.3m/min，工進速度應能在6.6660mm/min范圍內(nèi)無級調(diào)速，最大行程為400mm（其中一工進為100mm，二工進為80mm），最大切削力為18KN，運動部件的總重量為25KN，采用平面導軌，往復運動加、減速時間均為0.05s。（2）某廠要設(shè)計制造一臺雙頭車床，加工壓縮

22、機拖車上一根長軸兩端的軸頸。由于零件較長，擬采用零件固定，刀具旋轉(zhuǎn)和進給的加工方式。其加工動作循環(huán)是快進工進快退停止。同時要求各個車削頭能單獨調(diào)整。其最大切削力在導軌中心線方向估計為12000N，所要移動的總重量估計為15000N，工作進給要求能在0.0201.2mmin范圍內(nèi)進行無級調(diào)速，快速進、退速度一致，為 4 mmin，試設(shè)計該液壓傳動系統(tǒng)。1-左主軸頭；2-夾具；3-右主軸頭；4-床身；5-工件該機床的外形示意圖1-左主軸頭；2-夾具；3-右主軸頭；4-床身；5-工件（3）設(shè)計某專用銑床的機電液控制系統(tǒng)，要求其完成的工作循環(huán)是：工件夾緊動力頭快進動力頭工進延時停留1s動力頭快退到原位

23、工件松開。運動部件的總重量為25000N，快進與快退速度相等，均為5m/min，工進速度為1001200mm/min，最大行程為400mm，其中工進行程為180mm，最大切削力為18000N，采用平面導軌，往復運動加、減速時間均為0.05s。（4）某立式組合機床的動力滑臺采用液壓傳動，已知切削負載為28000N，滑臺工進速度為50mm/min，快進、快退速度為6m/min，滑臺（包括動力頭）的質(zhì)量為1500kg，滑臺對導軌的法向作用力為1500N，往復運動的加、減速時間為0.05s，滑臺采用平面導軌，fs=0.2,fd=0.1,快速行程為100mm，工作行程為50mm1.2.2 設(shè)計要求

24、16; 液壓系統(tǒng)工況分析（含負載分析、速度循環(huán)分析、負載循環(huán)圖等）Ø 擬定液壓系統(tǒng)原理圖（附運動部件動作循環(huán)圖、電磁鐵動作順序表等）Ø 液壓系統(tǒng)的計算第二章 直流電機調(diào)速仿真2.1 PID電機調(diào)速原理圖直流電機PID調(diào)速原理圖如下所示，輸入信號in與反饋信號out相減后經(jīng)過比例積分微分運算后傳遞給被控對象（電機），反饋信號可由測速發(fā)電機得到并輸出至比較器，構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)。由于加入積分運算，整個系統(tǒng)是一個無差系統(tǒng)，可根據(jù)需要進行P控制、PI控制和PID控制，實際速度控制中PI控制采用較多。圖5 PID電機調(diào)速原理圖2.2 Simulink仿真2.2.1 Simulink簡介

25、 Simulink是一種用來實現(xiàn)計算機仿真的軟件工具。它是MAILAB的一個附加組件，用來提供一個系統(tǒng)級的建模與動態(tài)仿真工作平臺。它一般可以附在MAILAB上同時安裝，也有獨立安裝版。Simulink是用模塊組合的方法來使用戶能夠快速、準確地創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算機模型的，特別對于復雜的非線性系統(tǒng)，它的效果更為明顯。 Simulink模型可以用來模擬線性或非線性、連續(xù)或離散或者兩者的混合系統(tǒng)，也就是說它可以用來模擬幾乎所有可遇到的動態(tài)系統(tǒng)。另外，Simulink還提供一套圖形動畫的處理方法，使用戶可以方便地觀察到仿真的整個過程。 Simulink沒有單獨的語言，但它提供了s函數(shù)規(guī)則。所謂的s函數(shù)可

26、以是一個M文件、FORTRAN程序、C或C+語言程序等，通過特殊的語法規(guī)則使之能夠被Simulink模型或模塊調(diào)用。s函數(shù)使Simulink更加充實、完備，具有更強的處理能力。 同MATLAB一樣，Simulink也不是封閉的，它允許用戶可以很方便地定制自己的模塊和模塊庫。同時Simulink也同樣有比較完整的幫助系統(tǒng)，使用戶可以隨時找到對應模塊的說明，便于應用。 綜上所述Simulink就是一種開放性的，用來模擬線性或非線性的以及連續(xù)或離散的或者兩者混合的動態(tài)系統(tǒng)的強有力的系統(tǒng)級仿真工具。 目前，隨著軟件的不斷升級換代，Simulink在軟硬件的接口方面有了長足的進步，Simulink已經(jīng)可

27、以很方便地進行實時的信號控制和處理、信息通信以及DSP的處理。上許多知名大公司已經(jīng)使用Simulink作為他們產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)的強有力工具。2.2.2 啟用Simulink并建立系統(tǒng)模型由于Simulink是基于MATLAB環(huán)境之上的高性能的系統(tǒng)級仿真設(shè)計平臺，因此啟動Simulink之前必須首先運行MATLAB，然后才能啟動Simulink并建立系統(tǒng)模型。啟動Simulink有兩種方式：(1) 用命令行方式啟動Simulink。即在MATLAB的命令窗口中直接鍵入如下命令：>>simulink(2) 使用工具欄按鈕啟動Simulink。即用鼠標單擊MATLAB工具欄中的Simuli

28、nk按鈕。啟動Simulink，建立系統(tǒng)模型，其相應的基本操作如圖4.1所示。當用戶完成Simulink系統(tǒng)模型的編輯之后，需要保存系統(tǒng)模型，然后設(shè)置模塊參數(shù)與系統(tǒng)仿真參數(shù)，最后便可以進行系統(tǒng)的仿真。無論采用何種方式，用戶都可以在短短幾分鐘內(nèi)熟練掌握啟動Simulink的方法并開始創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型。在系統(tǒng)模型編輯器中，用戶可以“拖動”Simulink提供的大量的內(nèi)置模塊建立系統(tǒng)模型。下一節(jié)將對Simulink中的內(nèi)置系統(tǒng)模塊作一個比較全面的介紹，以便初學者無需查閱各個模塊的幫助文獻，便可以迅速建立所需的系統(tǒng)模型。圖2.1 啟動Simulink，建立系統(tǒng)模型的基本操作2.2.3 Simulink

29、模塊庫簡介與使用 在2.1節(jié)中，用戶已經(jīng)掌握了如何啟動Simulink并新建一個動態(tài)系統(tǒng)模型。為便于用戶能夠快速構(gòu)建自己所需的動態(tài)系統(tǒng)，Simulink提供了大量以圖形方式給出的內(nèi)置系統(tǒng)模塊，使用這些內(nèi)置模塊可以快速方便地設(shè)計出特定的動態(tài)系統(tǒng)。為了便于用戶對Simulink內(nèi)置模塊庫的認識與使用，本節(jié)簡單介紹Simulink中的模塊庫以及模塊庫中具有代表意義的系統(tǒng)模塊。圖2.2所示為Simulink的模塊庫瀏覽器。 圖2.2 Simulink的模塊庫瀏覽器Simulink的模塊庫能夠?qū)ο到y(tǒng)模塊進行有效的管理與組織，使用Simulink模塊庫瀏覽器可以按照類型選擇合適的系統(tǒng)模塊、獲得系統(tǒng)模塊的簡

30、單描述以及查找系統(tǒng)模塊等，并且可以直接將模塊庫中的模塊拖動或者拷貝到用戶的系統(tǒng)模型中以構(gòu)建動態(tài)系統(tǒng)模型。 2.2.4 Simulink公共模塊庫Simulink公共模塊庫是Simulink中最為基礎(chǔ)、最為通用的模塊庫，它可以被應用到不同的專業(yè)領(lǐng)域中。Simulink公共模塊庫共包含9個模塊庫，如圖2.3所示。下面分別介紹幾個個模塊的功能：1. Continuous（連續(xù)系統(tǒng)模塊庫）連續(xù)系統(tǒng)模塊庫以及其中各模塊的功能如圖2.4所示。2. Discrete（離散系統(tǒng)模塊庫）離散系統(tǒng)模塊庫以及其中各模塊的功能如圖2.5所示。 圖2.3 Simulink的公共模塊庫圖2.4 連續(xù)系統(tǒng)模塊庫及其功能圖2

31、.5 離散系統(tǒng)模塊庫及其功能3. Functions & Tables（函數(shù)與表庫）函數(shù)與表庫以及其中各模塊的功能如圖2.6所示。4. Sinks（系統(tǒng)輸出模塊庫）系統(tǒng)輸出模塊庫以及其中各模塊的功能如圖2.7所示。5. Sources（系統(tǒng)輸入模塊庫）系統(tǒng)輸入模塊庫以及其中各模塊的功能如圖2.8所示。6. Math（數(shù)學運算庫）數(shù)學運算庫以及其中各模塊的功能如圖2.9所示。圖2.6 函數(shù)與表庫及其功能圖2.7 系統(tǒng)輸出模塊庫及其功能圖2.8 系統(tǒng)輸入模塊庫及其功能圖2.9 數(shù)學運算庫及其能2.2.5 構(gòu)建Simulink框圖2.2節(jié)中簡單介紹了Simulink中的一些比較常用的系統(tǒng)模塊

32、。本節(jié)將介紹如何使用這些系統(tǒng)模塊以構(gòu)建用戶自己的系統(tǒng)模型。當Simulink庫瀏覽器被啟動之后，通過鼠標左鍵單擊模塊庫的名稱可以查看模塊庫中的模塊。模塊庫中包含的系統(tǒng)模塊顯示在Simulink庫瀏覽器右邊的一欄中。對Simulink庫瀏覽器的基本操作有：(1) 使用鼠標左鍵單擊系統(tǒng)模塊庫，如果模塊庫為多層結(jié)構(gòu)，則單擊“+”號載入庫。(2) 使用鼠標右鍵單擊系統(tǒng)模塊庫，在單獨的窗口打開庫(3) 使用鼠標左鍵單擊系統(tǒng)模塊，在模塊描述欄中顯示此模塊的描述。(4) 使用鼠標右鍵單擊系統(tǒng)模塊，可以得到系統(tǒng)模塊的幫助信息，將系統(tǒng)模塊插入到系統(tǒng)模型中，查看系統(tǒng)模塊的參數(shù)設(shè)置，以及回到系統(tǒng)模塊的上一層庫。此外

33、還可以進行以下操作：(1) 使用鼠標左鍵選擇并拖動系統(tǒng)模塊，并將其拷貝到系統(tǒng)模型中。(2) 在模塊搜索欄中搜索所需的系統(tǒng)模塊。 2.2.6 模塊選擇這里用一個非常簡單的例子介紹如何建立動態(tài)系統(tǒng)模型。此簡單系統(tǒng)的輸入為一個正弦波信號，輸出為此正弦波信號與一個常數(shù)的乘積。要求建立系統(tǒng)模型，并以圖形方式輸出系統(tǒng)運算結(jié)果。已知系統(tǒng)的數(shù)學描述為系統(tǒng)輸入： ，t0 系統(tǒng)輸出： 啟動Simulink并新建一個系統(tǒng)模型文件。欲建立此簡單系統(tǒng)的模型，需要如下的系統(tǒng)模塊（均在Simulink公共模塊庫中）：(1) 系統(tǒng)輸入模塊庫Sources中的Sine Wave模塊：產(chǎn)生一個正弦波信號。(2) 數(shù)學庫Math中

34、的Gain模塊：將信號乘上一個常數(shù)（即信號增益）。(3) 系統(tǒng)輸出庫Sinks中的Scope模塊：圖形方式顯示結(jié)果。選擇相應的系統(tǒng)模塊并將其拷貝（或拖動）到新建的系統(tǒng)模型中，如圖2.10所示。圖2.10 選擇系統(tǒng)所需模塊在選擇構(gòu)建系統(tǒng)模型所需的所有模塊后，需要按照系統(tǒng)的信號流程將各系統(tǒng)模塊正確連接起來。連接系統(tǒng)模塊的步驟如下：(1) 將光標指向起始塊的輸出端口，此時光標變成“+”。(2) 單擊鼠標左鍵并拖動到目標模塊的輸入端口，在接近到一定程度時光標變成雙十字。這時松開鼠標鍵，連接完成。完成后在連接點處出現(xiàn)一個箭頭，表示系統(tǒng)中信號的流向，如圖2.11所示。圖2.11 系統(tǒng)模塊之間的連線在Sim

35、ulink的最新版本中，連接系統(tǒng)模塊還有如下更有效的方式：(1) 使用鼠標左鍵單擊起始模塊。(2) 按下Ctrl鍵，并用鼠標左鍵單擊目標塊。 2.2.7模塊操作下面介紹一些對系統(tǒng)模塊進行操作的基本技巧，掌握它們可使建立動態(tài)系統(tǒng)模型變得更為方便快捷。1. 模塊的復制如果需要幾個同樣的模塊，可以使用鼠標右鍵單擊并拖動某個塊進行拷貝。也可以在選中所需的模塊后，使用Edit菜單上的 Copy 和Paste 或使用熱鍵Ctrl+C和Ctrl+V完成同樣的功能，如圖2.12所示。 圖2.12 模塊的復制2. 模塊的插入如果用戶需要在信號連線上插入一個模塊，只需將這個模塊移到線上就可以自動連接。注意這個功能

36、只支持單輸入單輸出模塊。對于其他的模塊，只能先刪除連線，放置塊，然后再重新連線。具體操作如圖2.13所示。 圖2.13 系統(tǒng)模塊的插入3. 連線分支與連線改變在某些情況下，一個系統(tǒng)模塊的輸出同時作為多個其它模塊的輸入，這時需要從此模塊中引出若干連線，以連接多個其它模塊。對信號連線進行分支的操作方式為：使用鼠標右鍵單擊需要分支的信號連線（光標變成“+”），然后拖動到目標模塊。對信號連線還有以下幾種常用的操作：(1) 使用鼠標左鍵單擊并拖動以改變信號連線的路徑。(2) 按下Shift鍵的同時，在信號連線上單擊鼠標左鍵并拖動，可以生成新的節(jié)點。(3) 在節(jié)點上使用鼠標左鍵單擊并拖動，可以改變信號連線

37、路徑。信號連線分支與連線改變?nèi)鐖D2.14所示。圖2.14 連線分支與連線改變4. 信號組合在利用Simulink進行系統(tǒng)仿真時，在很多情況下，需要將系統(tǒng)中某些模塊的輸出信號（一般為標量）組合成一個向量信號，并將得到的信號作為另外一個模塊的輸入。 圖2.15 信號組合2.2.8 運行仿真1. 系統(tǒng)模塊參數(shù)設(shè)置與系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置當用戶按照信號的輸入輸出關(guān)系連接各系統(tǒng)模塊之后，系統(tǒng)模型的創(chuàng)建工作便已結(jié)束。為了對動態(tài)系統(tǒng)進行正確的仿真與分析，必須設(shè)置正確的系統(tǒng)模塊參數(shù)與系統(tǒng)仿真參數(shù)。系統(tǒng)模塊參數(shù)的設(shè)置方法如下：(1) 雙擊系統(tǒng)模塊，打開系統(tǒng)模塊的參數(shù)設(shè)置對話框。 (2) 在參數(shù)設(shè)置對話框中設(shè)置合適的模

38、塊參數(shù)。 圖2.16 系統(tǒng)模塊參數(shù)設(shè)置當系統(tǒng)中各模塊的參數(shù)設(shè)置完畢后，可設(shè)置合適的系統(tǒng)仿真參數(shù)以進行動態(tài)系統(tǒng)的仿真。有關(guān)系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置的知識請參照有關(guān)書籍。對于圖2.16所示的動態(tài)系統(tǒng)，系統(tǒng)模塊參數(shù)設(shè)置如圖中所示（增益取值為5），系統(tǒng)仿真參數(shù)采用Simulink的默認設(shè)置。2. 運行仿真當對系統(tǒng)中各模塊參數(shù)以及系統(tǒng)仿真參數(shù)進行正確設(shè)置之后，單擊系統(tǒng)模型編輯器上的Play圖標（黑色三角）或選擇Simulation菜單下的Start便可以對系統(tǒng)進行仿真分析。對于圖2.16所示的動態(tài)系統(tǒng)，采用上述的模塊參數(shù)設(shè)置與默認的仿真參數(shù)進行仿真。仿真結(jié)束后雙擊Scope模塊以顯示系統(tǒng)仿真的輸出結(jié)果，如圖2.

39、17所示。 圖2.17 系統(tǒng)仿真及結(jié)果輸出2.3 要求電機的速度模型可等效為一個一階系統(tǒng)，請自行設(shè)置一個一階系統(tǒng)，結(jié)合圖5的PID調(diào)速原理，采用Simulink做PID調(diào)速仿真。第三章 機床電氣控制PLC控制3.1三菱F1系列PLC的編程元件n 編程元件的編號規(guī)則v 以英文字母開頭 字母表示編程元件的的功能v 后跟三位八進制數(shù)字 n 編程元件v 輸入繼電器（X） v 輸出繼電器（Y） v 定時器（T） v 計數(shù)器（C） v 輔助繼電器（M） v 特殊輔助繼電器（M） v 狀態(tài)器（S） 輸入繼電器（X） n 數(shù)量 輸入繼電器共有24個 n 編號 X400X407 X410X413 X500X50

40、7 X510X513 n 特點 在梯形圖中只能有輸入繼電器的觸點，而不能出現(xiàn)輸入繼電器的線圈。 輸出繼電器（Y）n 數(shù)量 輸出繼電器共有16個 n 編號 Y430Y437 Y530Y537 n 特點 輸出繼電器的線圈不能由PLC的外部信號來驅(qū)動，只能由程序的執(zhí)行結(jié)果來驅(qū)動。 定時器（T）n 數(shù)量 定時器共有32個 n 編號 T050T057 T450T457 T550T557 T650T657 n 特點v 定時器相當于繼電-接觸器控制系統(tǒng)中的時間繼電器，它能提供無數(shù)對常開、常閉延時觸點供用戶編程使用。v 定時器的延時時間是由編程中的設(shè)定值K來決定的。 計數(shù)器（C）n 數(shù)量 計數(shù)器共有32個 n

41、 編號 C060C067 C460C467 C560C567 C660C667 n 特點v 計數(shù)器主要于記錄脈沖個數(shù)或根據(jù)脈沖個數(shù)設(shè)定某一時間。v 計數(shù)器的計數(shù)范圍是0999 輔助繼電器（M）n 種類v 一是通用型，不具備掉電保護功能v 另一種是掉電保護型，失電后不復位。 n 數(shù)量 通用型輔助繼電器共有128個 掉電保護型輔助繼電器64點 n 編號 通用型 M100M277 掉電保護型 M300M377 n 特點v 輔助繼電器的功能相當于繼電-接觸器控制系統(tǒng)電路中的中間繼電器。v 它不能由任何外部設(shè)備來驅(qū)動，也不能直接驅(qū)動外部負載。 特殊輔助繼電器（M）和狀態(tài)器（S） n 特殊輔助繼電器數(shù)量

42、15個 n 特殊輔助繼電器編號 M70M74 M76M77 M470M473 M570M573 n 特殊輔助繼電器用途 進行運行監(jiān)視、初始化脈沖、電池電壓下降指示等 n 狀態(tài)器的數(shù)量 40個n 狀態(tài)器的用途 在編制步進程序中使用的基本元件 n 狀態(tài)器的編號 S600S647 n 狀態(tài)器的特點 屬于掉電保護繼電器 3.2 三菱F1系列PLC的基本指令與編程LD、LDI、OUT指令n 指令的作用v LD（LoaD）:取指令，是常開觸點與母線的連接指令。v LDI(LoaD Inverse)：取反指令，是常閉觸點與母線的連接指令。v OUT：驅(qū)動線圈的輸出指令。 n 指令的使用說明v LD、LDI可

43、與后面講到的塊操作指令ANB、ORB相配合，用于分支電路的起點 v OUT指令用于Y、M、T、C、S及F（功能指令線圈），不能用于X；并聯(lián)輸出OUT指令可連續(xù)使用任意次 v OUT指令用于T和C，其后須跟常數(shù)K。K為延時時間或計數(shù)次數(shù) K 10（T450）（Y430）（Y431）（Y431）T450X401X400LD X400OUT Y430LDI X401OUT Y431OUT T450K 10LD T450OUT Y431（a）梯形圖 （b）語句表n 指令舉例LD、LDI、OUT指令的例子AND、ANI指令n 指令的作用v AND：與指令，用于單個常開觸點的串聯(lián)；v ANI(ANd In

44、verse)：與反指令，用于單個常閉觸點的串聯(lián)。 n 指令的使用說明v AND和ANI指令用于單個觸點與左邊觸點的串聯(lián)，可連續(xù)使用； v 若是兩個并聯(lián)電路塊（兩個或兩個以上觸點并聯(lián)連接的電路）串聯(lián)，則需用后面的ANB指令。 n 指令舉例 LD X400 AND X401 OUT Y430 LD X402 ANI Y430 OUT Y431 AND X403 OUT Y432（Y431）（Y432）（Y430）X400X403X401X402Y430（a）梯形圖 （b）語句表OR、ORI指令n 指令的作用v OR：或指令，用于單個常開觸點的并聯(lián)；v ORI(OR Inverse)：或反指令，用于

45、單個常閉觸點的并聯(lián)。 n 指令的使用說明v OR、ORI指令僅用于單個觸點與前面觸點的并聯(lián)；v 若是兩個串聯(lián)電路塊（兩個或兩個以上觸點串聯(lián)連接的電路）相并聯(lián)，則用后面將學的ORB指令。 n 指令舉例（Y430）（Y431）X403Y430M101Y431X404X400X402X401LD X400OR X402AND X401OUT Y430LD X403AND Y430OR Y431AND X404ORI M101OUT Y431（a）梯形圖 （b）語句表ORB指令n 指令的作用ORB(OR Block)：或塊指令，用于串聯(lián)電路塊的并聯(lián)連接 n 指令的使用說明v 串聯(lián)電路塊與前面的電路并聯(lián)

46、連接時，分支的開始用LD、LDI指令，分支結(jié)束用ORB指令；v 串聯(lián)支路并聯(lián)的次數(shù)不受限制，但每并聯(lián)一次就要用一次ORB指令；v ORB指令不帶目標編程元件，是一個獨立指令。 n 指令舉例LD X400 AND X401 LD X402 AND X403 ORB LDI X404 OR X406 ANI X405 ORB OUT Y430（Y430）X402X403X404X406X405X400X401（a）梯形圖 （b）語句表ANB指令n 指令的作用ANB(And Block)：與塊指令，用于并聯(lián)電路塊的串聯(lián)連接 n 指令的使用說明v 并聯(lián)電路塊與前面的電路串聯(lián)連接時，分支的開始用LD、LDI指令，分支結(jié)束用ANB指令； v 多個并聯(lián)電路塊連續(xù)串聯(lián)連接，按順序用ANB指令進行