电气控制技术第9-10讲

济南大学控制科学与工程学院电气控制技术第9-10讲济南大学控制科学与工程学院2011-04-01济南大学控制科学与工程学院回顾：电气控制电路的一般设计方法先用一些典型电路环节拼凑起来实现某些基本要求，然后根据生产工艺要求逐步完善其功能，并加以适当的联锁与保护环节。以龙门刨床横梁自动移动和夹紧为例济南大学控制科学与工程学院上下松紧横梁机构对电气控制系统提出如下要求：1、保证横梁能上下移动，夹紧机构能实现横梁的夹紧或放松2、横梁夹紧与横梁移动之间必须有一定的操作程序：(1)按向上或向下移动按钮后，首先使夹紧机构自动放松；(2)横梁放松后，自动转换到向上或向下移动；(3)移动到需要位置后，松开按钮，横梁自动夹紧；(4)夹紧后电机自动停止运动。3．具有上下行程的限位保护。4．横梁夹紧与横梁移动之间及正反向运动之间具有必要的联锁。济南大学控制科学与工程学院设计主电路设计基本控制电路选择控制参量、确定控制规则设计联锁保护环节、电路的完善和校核根据生产机械和工艺对电气控制电路的要求，一般设计方法设计控制电路的过程：济南大学控制科学与工程学院本课主要内容：§2.5电气控制电路的逻辑设计方法§2.5.1逻辑运算§2.5.2逻辑函数的化简§2.5.3逻辑设计方法举例济南大学控制科学与工程学院§2.5电气控制电路的逻辑设计方法逻辑分析设计法逻辑设计法是根据生产工艺的要求，利用逻辑代数来分析、化简、设计电路的方法。这种设计方法是将控制电路中的继电器、接触器线圈的通、断，触点的断开、闭合等看成逻辑变量，并根据控制要求将它们之间的关系用逻辑函数关系式来表达，然后再运用逻辑函数基本公式和运算规律进行简化，根据最简式画出相应的电路结构图，最后再作进一步的检查和完善，即能获得需要的控制电路。济南大学控制科学与工程学院逻辑设计法较为科学，能够用必须的最少的中间记忆元件（中间继电器）的数目确定实现一个自动控制电路，以达到使逻辑电路最简单的目的，设计的电路比较简化、合理。但是当设计的控制系统比较复杂时，这种方法就显得十分繁琐，工作量也大。因此，如果将一个较大的、功能较为复杂的控制系统分成若干个互相联系的控制单元，用逻辑设计方法先完成每个单元控制电路的设计，然后再用经验设计方法把这些单元电路组合起来，各取所长，也是一种简捷的设计方法。§2.5电气控制电路的逻辑设计方法济南大学控制科学与工程学院§2.5电气控制电路的逻辑设计方法以“0”、“1”表征两个对立的物理状态，反映了自然界存在的一种客观规律---逻辑代数。逻辑代数(也称开关代数、布尔代数)中存在逻辑与(逻辑乘)、逻辑或(逻辑加)、逻辑非的三种基本运算，并由此而演变出一些运算规律。继电器接触器组成的控制电路，分析其工作状况常以线圈通电或断电来判定。若认为供电电源不变，则触点的通断是决定因素。电器触点只存在“1”、“0”两种状态。利用逻辑代数可以将继电器接触器系统设计得更为合理，设计出的电路能充分地发挥元件作用，使所应用的元件数量最少，但这种设计一般难度较大。在设计复杂的控制电路时，逻辑设计有明显的优点。为什么可以用逻辑设计方法？济南大学控制科学与工程学院对于继电器、接触器、电磁铁、电磁阀、电磁离合器等元件，线圈通电状态规定为“1”状态，失电则规定为“0”状态。继电器、接触器的触点闭合状态规定为“1”状态，触点断开状态规定为“0”状态。控制按钮、开关触头闭合状态规定为“1”状态；触头断开状态规定为“0’状态。继电器、接触器的触点与线圈在原理图上采用同一文字符号。为了清楚地反映元件状态，元件线圈、动合触点的状态用同一字符的斜体来表示，而动断触点的状态以表示。若元件为“1”状态，则表示线圈得电，接触器吸合，其常开触点闭合，常闭触点断开。得电、闭合都是“l”状态，而断开则为“0”状态。若元件为“0”状态，则与上述相反。K继电器接触器控制电路中逻辑变量的描述济南大学控制科学与工程学院–用逻辑函数来表达控制元件的状态，实质是以触点的状态（以斜体的同一字符表示）作为逻辑变量，通过逻辑与、逻辑或、逻辑非的基本运算，得出的运算结果就表明了继电、接触器控制电路的结构。–在继电接触器控制电路中，把表示触点状态的逻辑变量称为输入逻辑变量；把表示继电器、接触器等受控元件的逻辑变量称为输出逻辑变量。输出逻辑变量是根据输入逻辑变量经过逻辑运算得出的。输入、输出逻辑变量的这种相互关系称为逻辑函数关系，也可用真值表来表示。§2.5.1逻辑运算济南大学控制科学与工程学院基本逻辑关系(a)逻辑非(b)逻辑与(c)逻辑或济南大学控制科学与工程学院(一)逻辑与--触点串联下图所示的串联电路就实现了逻辑与的运算，逻辑与运算用符号“．”表示（也可省略）。接触器的状态就是其线圈K的状态（以斜体的同一字符表示)。电路接通，线圈K通电，则K=1；电路断开，线圈K失电，则K＝0。该图的电路就可用逻辑关系式表示为：K＝A•B该公式的含意是：只有当A＝1与B＝1时，K＝1，否则便为0。对于电路来说，只有当触点A与B都闭合时，线圈K才得电，为“1”状态。ABK济南大学控制科学与工程学院(一)逻辑与--触点串联若将输入逻辑变量A、B与输出逻辑变量K列为表格形式，如下表所示，称为真值表。ABA•B000010100111ABK济南大学控制科学与工程学院(二)逻辑或——触点的并联如下图所示的并联电路就实现逻辑或运算，逻辑或运算用符号“+”表示。要表示接触器的状态就要确定线圈K的状态。按照下图的接线，也列出逻辑或的逻辑关系式K＝A+B该公式的含意是：当A＝1或B＝1时，K＝1。对于电路来说，触点A或B任一个闭合时，线圈K都得电为“1”。也可列出逻辑或状态的真值表，见下表。ABA+B000011101111ABK济南大学控制科学与工程学院(三)逻辑非STAAKAK=A0110下图表示元件状态A对接触器状态K的控制是逻辑非关系。其逻辑关系表达式为K＝A该公式的含意是：当A＝1，A＝0，常闭触点A断开，则K＝0，线圈不得电；当A＝0，A＝1，常闭触点A闭合，则K＝1，线圈得电吸合。其真值表如下表所示。有时也称：对K是“非控制”。以上与、或、非逻辑运算其逻辑变量不超过两个，但对多个逻辑变量也同样适用。济南大学控制科学与工程学院逻辑代数定理1、交换律A·B＝B·AA+B=B+A2、结合律A•(B•C)=(A•B)•CA+(B+C)＝(A+B)+C3、分配律A•(B+C)=A•B+A•CA+(B•C)＝(A+B)•(A+C)4、吸收律A+AB=AA(A+B)=AA+AB=A+BA+AB=A+B5、重叠律A•A=AA+A=A济南大学控制科学与工程学院6、非非律A=A7、反演律（摩根定律）A+B=A•BA•B=A+B济南大学控制科学与工程学院§2.5.2逻辑函数的化简逻辑函数化简可以使继电器接触器电路简化，因此有重要的实际意义。这里介绍公式法化简，关键在于：熟练掌据基本定律，采用提出因子、并项、扩项、消去多余因子、多余项等方法综合运用，进行化简。化简时经常用到常量与变量关系：A+0=AA•0=0A+1=1A•1=AA+A=1A•A=0济南大学控制科学与工程学院举例：例1例2例3济南大学控制科学与工程学院例：对图(a)所示电路写出逻辑函数并进行简化,K=ABC+ABC+BC+AC+BC=AC（1+B）+BC（1+A）+BC=AC+BC+BC=AC+B化简后的电路如图(b)所示。(a)未化简电路图(b)化简后的简化电路济南大学控制科学与工程学院利用逻辑函数来简化电路需要注意以下问题：（1）注意触点容量的限制。检查化简后触点的容量是否足够，尤其是担负关断任务的触点。（2）注意电路的合理性和可靠性。一般继电器和接触器有多对触点，在有多余触点的情况下，不必强求化简，而应考虑充分发挥元件的功能，让电路的逻辑功能更明确。济南大学控制科学与工程学院§2.5.3继电器开关的逻辑函数继电器、接触器电路是开关电路，符合逻辑规律。它以按钮、触点和中间继电器等作为输入逻辑变量，进行逻辑函数运算后得出以执行元件为输出变量。通过下面简单电路对其逻辑函数表达式的规律加以说明。图2-26(a)、(b)为两个简单的起、保、停电路济南大学控制科学与工程学院例：图2-26（a）、（b）为两个简单的起、保、停电路。按继电接触器控制电路中逻辑变量的规定，常开触点（动合触点）的状态用相同字符来表示，而常闭触点（动断触点）的状态以逻辑非表示。则SB1为起动信号（开启），SB2为停止信号（关断），KM的动合触点为KM。对图（a）和图（b）可分别写出逻辑函数为：fKM=SB1+SB2·KMfKM=SB2·（SB1+KM）济南大学控制科学与工程学院图中SB1作为开启信号X开；SB2作为关断信号X关；KM为自锁信号；则接触器KM的逻辑函数fKM的一般形式为：fKM=X开+X关·KM（2-1）fKM=X关·(X开+KM）（2-2）图中的两个电路图逻辑功能相似，但从逻辑函数表达式来看:式（2-1）中的X开=1时，fKM=1，X关这时不起控制作用，因此这种电路称为开启从优形式；式（2-2）中的X关=0时，fKM=0，X开这时不起控制作用，因此这种电路称为关断从优形式。一般为了安全起见，选择图（b）的关断从优形式。起、保、停电路的逻辑函数一般形式济南大学控制科学与工程学院实际的起、保、停电路往往有很多相互限制的条件，因此需要添加起、保、停电路的联锁条件，对开启信号和关断信号增加约束条件。例如：铣床的自动循环工作必须在主轴旋转条件下进行；龙门刨床的横梁必须在放松后上下移动；龙门刨返回行程油压不足也不能停车，必须到原位停车；车床主轴转动时要求液压泵先给齿轮箱供润滑油；动力头主轴电动机必须在滑台停在原位时才能起动，滑台进给到需要位置时，才允许主轴电动机停止。对开启信号及关断信号都增加了约束条件。济南大学控制科学与工程学院（1）开启信号：当开启的转换主令信号不止一个，要求具备其它条件才能开启时，则开启信号用X开主表示，其它条件称开启约束信号，用X开约表示。显然，只有条件都具备才能开启，说明X开主与X开约是“与”的逻辑关系。因而X开=X开主·X开约。加约束条件的开启、关断信号描述济南大学控制科学与工程学院（2）关断信号：当关断信号不止一个，要求具备其它条件才能关断时，则关断信号用X关主表示，其它条件称为关断的约束信号，以X关约表示。显然，X关主与X关约全为“0”时，才能关断，所以X关主与X关约是“或”的关系。因而X关=X关主＋X关约。加约束条件的开启、关断信号描述济南大学控制科学与工程学院起、保、停电路的逻辑函数扩展形式：fKM=X开主·X开约+（X关主＋X关约）KM（2-3）fKM=（X关主＋X关约)（X开主·X开约+KM）（2-4）fKM=X开+X关·KM（2-1）fKM=X关·(X开+KM）（2-2）起、保、停电路的逻辑函数一般形式开启从优关断从优X开=X开主·X开约X关=X关主＋X关约济南大学控制科学与工程学院根据式（2-3）和（2-4）可设计具有开启条件和关断条件的动力头主轴电动机起、保、停电路。若滑台在原位，压行程开关ST1运行；若滑台进给到需要位置时，压行程开关ST2停止。而起动按钮为SB1，停止按钮为SB2。其中：X开主＝SB1，X开约＝ST1，X关主＝SB2，X关约＝ST2。fKM＝SB1·ST1＋（SB2＋ST2）KMfKM＝（SB2＋ST2）（SB1·ST1＋KM）上述两式对应的电路如图2-27（a）、（b）所示。fKM=X开主·X开约+（X关主＋X关约）KM(2-3)fKM=（X关主＋X关约)（X开主·X开约+KM）(2-4)济南大学控制科学与工程学院图2-27(a)、(b)动力头控制电路fKM＝SB1·ST1＋（SB2＋ST2）KMfKM＝（SB2＋ST2）（SB1·ST1＋KM）济南大学控制科学与工程学院逻辑设计方法的一般步骤逻辑设计法可以使电路简化，充分利用电气元件来得到较合理的电路。对复杂电路的设计，特别是生产自动线、组合机床等控制电路的设计，采用逻辑设计法比经验设计法更为方便、合理。逻辑设