機械系統的信息流

與控制的設計信息流，即為信息自信息的發源地（信息源）經信息傳遞渠道（信道）至信息的接受地（信宿）的傳遞過程。信息的前身是各種類型的指令和信號。信息流就是信息的傳遞過程。信息流的主體是信息。指令：操作人員根據經驗和機械系統的運行狀況而發出的，信號：從機械系統的各個被測對象經傳感器測量獲得的，但這些信號不能直接使用，必須進行信號的轉換、處理。信息流在機械系統單機中的作用普通車床加工過程數控車床加工過程信息流在機械系統生產線中的作用——一個加工回轉體零件的機械系統結構按照機械系統構成分析信息流在機械系統中的作用一、信號的采集和處理采集信息和處理信息的兩大重要組成：傳感器和接口電路1.傳感器由敏感元件、轉換元件（傳感元件）和其他輔助元件組成。一種直接感受被測量，并輸出與被測量元件成某種函數關系的能最終轉化為電量的其他量的元件。將敏感元件輸出的量轉換成電量輸出的元件。作用：把壓力這個被測量轉換成彈性膜片的變形。作用：將彈性膜片的變形轉換為電阻值的變化。以應變式壓力傳感器為例2.傳感器的一般特性：靜態特性和動態特性靜態特性：指輸入的待測信號不隨時間變換，或變化非常緩慢

的特性。其重要指標分別是線性度、靈敏度、遲滯差（遲

環）、重復性、閾值和分辨率。3.現代機械系統對傳感器的基本要求（1）輸入和輸出之間成比例關系，直線性好，靈敏度高；（2）內部發生的噪聲小，不從外部引進噪聲；（3）滯后、飄逸誤差小。在機械系統設計中，特別要注意以下幾點：（1）要求精度高、靈敏度合理選擇、測量范圍寬；（2）小型化、系列化和標準化；（3）可靠性高、穩定性好。4.傳感器的選用原則5.信號模擬轉換電路信號調理電路：指能把轉換元件輸出的電信號轉換成便于顯示、記錄、處理和控制的電信號的電路。常用的信號放大器有：儀表放大器、程控增益放大器、隔離放大器、電荷放大器等。對于靜態信號或變化緩慢信號的轉換多采用交流載波系統。即通過調制變成高頻信號，再放大，然后經過解調、濾波。二、接口技術和監控系統1.計算機接口技術機電一體化系統的中樞組成：硬件系統和軟件系統工業控制計算機系統作用：按編制好的程序完成系統信號采集、加工、處理、分析和判斷，作出相應的調節和控制決策，發出數字形式或模擬形式的控制信號，控制執行機構的動作，實現機電一體化系統的目的功能。常用的類型：可編程控制器（PLC）、總線型工業控制計算機、單片機工業控制計算機系統的分類及應用特點（1）具有完善的過程輸入/輸出功能這是微機能否投入機電一體化系統運行的重要條件。（2）具有實時控制功能（3）具有高可靠性（4）具有較強的環境適應性和抗干擾能力（5）具有豐富的軟件工業控制微機系統的基本要求計算機接口技術計算機和各種外設進行交換信息時，存在以下問題：計算機的高速處理能力和外設的慢速響應之間存在矛盾。需要有接口作為計算機與外設通信的橋梁。需要有數據信息傳送之前的“聯絡”。要傳遞的信息有三方面內容：狀態、數據及控制信息。計算機接口——計算機與各種外設進行信息交換的渠道。進行地址譯碼或設備選擇，以便使計算機能同某一指定的外部設備通信。狀態信息的應答，以協調數據傳送之前的準備工作。進行中斷管理，提供中斷信號。進行信息格式轉換，如正負邏輯的轉換，串行與并行數據轉換等。進行電平轉換，如TTL電平與MOS電平的轉換。協調速度，如進行鎖存、緩沖、驅動等。時序控制，提供實時時鐘信號。2.信號處理接口技術計算機接口的一種類型信息通道的重要組成部分信源和信宿之間的橋梁信號處理接口技術作用：將信源的信息存儲、放大并通過該接口傳遞到信宿的目的。A/D和D/A轉換器的主要技術指標轉換速度（時間）、分辨率、線性度、精度計算機信號處理接口電路的前向通道結構取決于被測對象的環境、傳感器輸出信號的類型和數量等計算機信號處理接口電路的后向通道結構兩種類型：數據總線及并行I/O接口信號形式：數字量、開關量、頻率量常用的數據轉換接口D/A轉換器和A/D轉換器——數字信號和模擬信號之間V/F轉換器和F/V轉換器——電壓信號和頻率之間I/V轉換器和V/I轉換器——電壓信號和電流之間有效值轉換器——以傳輸物理參數有效值的轉換器件3.監控系統對系統運行時內部和外部環境信息進行檢測。被測信息常見形式：位置、速度、力、力矩、電壓、電流、頻率、溫度、濕度等物理量。現代檢測和監控裝置根本目的：利用各種傳感設備，將一種形式的被測物理量轉換成為處理較為方便的另一種形式的物理量，并采用相應的控制策略，對其進行控制。手段：將傳感器的原始輸出信號進行放大、濾波、整形、阻抗變換、運算補償、標定記錄等處理的裝置。檢測和監控裝置的軟件設計采樣周期、采樣值的數字濾波采樣/保持器在輸入通道中的作用：(1)保證A/D轉換器在轉換過程中被轉換的模擬量保持不變，以提高轉換精度；(2)可將多個相關的檢測點在同一時刻的狀態量保持下來，供分時轉換和處理之用，以確保各檢測量在時間上的一致性。檢測和監控裝置的硬件設計變送器4.監控系統的顯示設備三、控制原理1.機械系統中控制系統的組成控制系統的組成按照控制理論，可將機械系統中的控制系統分成給定環節、測量環節、比較環節、校正環節及放大環節、執行環節。按照控制系統有無反饋來分：開環控制系統和閉環控制系統控制系統的分類閉環控制系統中，采用了反饋作用，對系統整體性能產生如下影響：減小了系統的總增益，提高了系統的穩定性，能降低系統對參數變化的敏感程度，提高了系統的抗干擾能力。按照控制系統中被控量來分：伺服系統——被控量是指位置、速度、力之類的機械量自動調整系統——輸出量為常量或隨時間變化得很慢的系統。被控量通常為電壓、電流、轉速、力矩等物理量。過程控制系統——輸出量按已知時間函數變化的系統。被控量通常為溫度、壓力、液面、濃度等。控制系統的基本要求：（1）穩定性的要求是系統工作的首要條件。（2）系統的暫態特性滿足要求；（3）系統達到穩定時，滿足穩態精度。其他常用的分類方法：線性控制系統和非線性控制系統；連續控制系統、采樣控制系統和數字控制系統；機電控制系統、液壓控制系統、電液控制系統、機液控制系統2.控制系統基本理論經典控制理論主要是解決單變量、線性定常系統問題。對控制系統的輸出進行分析和綜合的理論。調速器蒸汽機額定轉速實際轉速蒸汽機飛球調速系統方框圖現代控制理論以狀態空間法為基礎，研究多輸入、多輸出，非線性時變，斷續系統的分析和設計問題，揭示系統的內在規律，實現系統在一定意義上的最優控制。對控制系統的狀態進行分析和綜合。現代控制理論的主要研究領域：（1）系統辨識；（2）最優控制；（3）最佳控制（或稱為最佳濾波）3.常用控制方式的基本原理和特性控制系統的控制作用由控制器實現的。工業控制器按其輸入和輸出的關系可為：比例控制器、積分控制器、微分控制器、比例加積分控制器以及繼電器控制器等。4.模擬控制系統自動控制系統主要由被控對象、調節器、測量元件和變送器、比較元件、執行機構等基本環節構成。常用的抗干擾措施有：減小系統的傳遞函數；增大校正裝置的增益；直接減小干擾輸入以及采用并聯前饋校正和并聯順饋校正等。5.數字控制系統核心是數字控制器的設計設計數字控制器有兩種方法：（1）直接數字控制系統設計（DirectDigitalControl）所使用的數學工具為差分方程（2）利用采樣控制理論所使用的工具為Z變換

當被控制對象的時間常數遠大于采樣周期時，常采用（1）；當對象的時間常數比采樣周期大得不多，或處于同一數量級時，必須采用（2）。6.計算控制系統的設計控制系統總體方案設計；選擇各參數檢測元件（即傳感器類型）及變送器；建立數學模型及確定控制算法；選擇計算機；系統硬件設計（接口電路、邏輯電路及操作面板）；系統軟件設計（管理、監控程序、應用程序的設計）；系統的調試與實驗。四、數控系統與伺服機構1.數控系統的組成及特點數控系統由控制介質、數控裝置、伺服系統、檢測裝置、設備主機各個部分組成。2.數控系統的分類直接數字控制系統（DirectNumericalControl，DNC）DNC系統分成間接控制型和直接控制型兩大類3.數控系統的功能為實現數控機床加工機械零件的三流，數控機床的控制系統常采用微處理器，通過計算機軟件、硬件的功能合理分配完成控制系統的如下功能：聯動功能插補功能多種加工方式選擇功能特種速度控制功能補償功能信息轉換功能顯示功能輸入、輸出及通信功能自診斷功能4.伺服系統進給伺服系統一般由伺服電路、伺服驅動裝置及執行部件組成。進給伺服系統的作用：接受數控系統發出的進給速度和位移指令信號，由伺服驅動電路作一定的轉換和放大后，經伺服驅動裝置，驅動執行部件實現所需的運動。開環伺服系統及其設計閉環伺服系統及其設計1．信息流系統有哪些環節組成？試畫出其結構模型并作說明。2．控制系統的基本要求有哪些？