自动控制系统的构造

第1章自动控制系统的构造方法1．1．1电气控制电路图的绘制方法电气控制电路图是把某些电气元件（如接触器、继电器、按钮、行程开关等）和电动机等用电设备按某种要求用导线连接起来的电气线路。在绘制电气控制电路图时，必须使用国家统一规定的电气图形符号和文字符号。电气图的种类很多，在电气控制中最常用的三种图为：电路图、电气设备位置图、电气设备接线图(1)电路图电路图用于详细表示电路、设备或成套装置的全部基本组成和连接关系，而不考虑各电器元件的实际安装位置和实际接线情况，其用途是：l）详细理解电路、设备或成套设备及其组成部分的作用原理。2）为测试和寻找故障提供信息。3）作为编制接线图的依据。绘制电气电路图时，一般要遵循以下规则：l）电路或元件应按功能布置，其布局顺序应该是从左到右和从上到下。2）电气控制电路分为主电路和控制电路，要分开来画。3）电气控制电路中，同一电器元件的不同部分（如线圈和触头）常不画在一起，但要用同一文字符号标注。4）电气控制电路的全部触头都按“非激励”状态绘出。何为“非激励”状态?☻对电操作元件（如接触器、继电器等）是指线圈未通电时的触头状态；☻对机械操作元件（如按钮、行程开关等）是指没有受到外力时的触头状态；☻对主令控制器是指手柄置于“零位”时各触头状态；☻对断路器和隔离开关是指触头处于断开状态。(2)电气设备位置图表示各部件（如元件、器件、部件、组件、成套设备等）在机械设备和电气控制中的实际安装位置，图中各部件的文字符号应与有关电路图中的符号相同。各项目的安装位置是要取得信号的地方，操作元件放在便于操作的地方，一般电气元件应放在控制柜内。(3)电气设备接线图表示各部件之间实际接线情况，图中一般标示出：部件的相对位置、部件代号、端子号、导线号、导线类型、导线截面积、屏蔽和导线绞合等内容。绘制接线图时应把各电气元件的各个部分（如触头与线圈）画在一起；文字符号、元件连接顺序、线路号码编制都必须与电路图一致。1.1.2继电-接触器电气控制电路图的分析方法电路图中（除了配电部分）的电器元件，基本可以分成三类：执行元件、检测元件和运算元件。执行元件——用来操纵被控制对象的执行机构，这类元件包括电动机、接触器、电磁阀、电磁离合器等。检测元件——把系统工作过程中的一些参量（如机械位移、压力、流量）的变化转换成电信号，这类元件有按钮开关、行程开关、压力继电器等。运算元件——对检测元件的信号进行逻辑运算，并判断系统工作过程的各个阶段，使每一阶段都有其所要求的执行元件工作，这类元件包括中间继电器、时间继电器等。注意：在某些情况下，可以用检测元件直接控制执行元件，这时，检测元件兼有运算元件的功能。一套设备或系统的工作过程，可以分解成若干个时间上依次衔接的阶段，称为“工步”。在每一工步内，由执行元件确定正在进行的工作，如“前进”、“后退”等。这些工步在检测元件的控制下产生转换。弄清了系统工作过程中究竟有哪些工步及各元件所呈现的状态和配合关系，就可以说读懂（或分析）了电路图的工作原理或系统的工作过程。阐述这些工作过程的方法很多，主要有：☻文字叙述法☻图形分析法☻逻辑函数法1．文字叙述法•用自然语言平铺直叙地依次说明各元器件的行为和状态，是普遍采用的方法。叙述法可以非常全面、细腻地阐述电路的工作过程，可以使人了解每一个细节，•文字叙述法方法的缺点是不能直观、简明、形象地展开各元件在不同阶段所处的状态和系统工作的全过程。2．图形分析法•根据电压和电流波形及它们之间的时序关系，从而了解和判断电路的工作状态，这就是图形分析法。图形——既简明直观又蕴涵大量信息。图形分析法也有多种形式，常用的有：•工作流程图•工作状态图•功能表图（1）工作流程图•工作流程图又称工作循环图或工艺流程图许多系统的工作过程是循环或可逆的，为了形象地表示出来，在工作流程图中常把相应部分画成相反的或者闭环的，图1-2可以改画成如图1-3所示。（2）工作状态图很容易将工作流程图转变成工作状态图。现将上例小车运行的工作流程图图1-2转变成小车运行的工作状态图1-41）工作状态图的结构•纵线表示时间轴上的某一时刻，对应于工作流程图上的开关点，在这里称为执行元件的开关线。•执行元件的状态在开关线处发生变化。•检测元件按照系统的工作顺序，横向排列各工步，给出各工步的序号和名称以及各步的主令信号。竖向分类排列各电气元件，除写出元件的符号外还可简要注明其在系统中所起的作用，以便于分析。2）元件状态的表达方法状态表的局限：•但当在一个工步内有多个检测元件的状态发生转变时，用状态表就难以表示出它们之间的时序关系，这是其不足之处。（3）图形分析法举例1）流程图法设计•例1：液压动力头控制电路例2：半自动车床刀架纵进、横进、快退控制电路3．功能添加法问题：复杂工艺的控制要求能否运用“功能添加法”设计？功能添加法的特点：•优点：使用灵活方便；•缺点：对于复杂的生产工艺，用此方法设计运动控制线路比较困难。4．步进逻辑公式法22221121122322221111)()(SSTKTSSTKTSKMSTKTKMSKMSKMSTKTKMSKM•1）规定逻辑代数等式左端是运动控制线路的线圈符号，等式右端是运动控制线路的触点符号。逻辑代数方程组可表示如下：2）程序步•全部有关输出状态保持不变的一段时间区域称为一个程序步，只要有一个输出状态发生变化就转入下一步。•有箭头表示的（导数连续的）线段说明小车有位移；无箭头表示的线段说明小车无位移或无程序步。3）步进逻辑公式•式中：Ki—第i（程序）步；Ki+1—第i+1（程序）步；Ki-1—第i-1（程序）步；ST—转步信号，通常由位置检测器产生。当转步信号ST是行程开关时，式（1-1）步进逻辑公式用常规电气线路图及梯形图表示，如图1-22所示。结论：每个程序步都是由前一步接触或感应转步信号ST产生的，每一步的消失都因后一步的出现而消失。其推导过程如下：•假设Ki表示中间继电器的线圈或触点，第i程序步用逻辑代数书写的过程为•每一步Ki的产生都是由前一步Ki-1接触或感应ST所产生•产生后应该有一段时间区域保持不变，故应该有自保（自锁）•每一步Ki的消失都是由后一步Ki+1的出现而消失11)(iiiiKKKSTK4）步进逻辑公式的使用方法•①先把运行轨迹分成若干程序步并定义转步信号（位置检测信号）。•②根据运行轨迹结构写出决定物体运动状态的输出电路的逻辑代数方程组。•输出方程定义：假设能决定物体某运动状态或方向的变量是y，那么，输出方程为y＝∑（物体在该运动状态或方向上的程序步）•③套用步进公式写出控制电路的逻辑代数方程组，如果有必要可绘出其运动控制电路原理图（控制方程组是由步进公式按照某一生产工艺要求所组成的逻辑代数方程组）。例3：某生产工艺要求，按动起动按钮时，电动机带动小车左右运动，小车的运动轨迹如图1-20所示•a）定义程序步和转步信号b）写出输出逻辑代数方程组根据运动轨迹，可以直接写出该控制系统的输出方程组：c）套用步进公式可得该控制系统的控制方程组•通过增加起动按钮S1来实现这组循环，式（1-2）K1式改为•通过停止按钮S2，来使系统停止工作。式（1-2）改为d）物体运动控制系统原理图根据逻辑代数方程组绘出其运动控制系统的原理图见图1-24。5）步进逻辑公式法实际应用时的注意事项•①如果电动机是交流异步电动机，当采用变频器控制电动机的转速时如果电动机是直流电动机，还可将图1-24转换成图1-26所示控制系统。②采用PLC（C20P）实现与图1-25控制电路等效的控制系统如图1-27所示。6）步进逻辑公式法应用举例•a）平面运动•例4：某生产工艺要求，按动起动按钮S1后，小车的运动轨迹如图1-28所示，按动停止按钮S2时，小车就地停止。已知：电动机M1带动小车左右运动，电动机M2带动小车上下运动。假设：KM1得电小车向右运行，KM2得电小车向左运行，KM3得电小车向上运行，KM4得电小车向下运行。试设计满足该运动轨迹的运动控制线路图（不考虑电动机的惯性和过热问题）。①定义程序步和转步信号②根据图1-29写出输出逻辑代数方程组如下：③套用步进公式写出该控制系统的控制方程组21653626545525434424323323212222111)()()()()()(SSTKKSTKSKKKSTKSKKKSTKSKKKSTKSKKKSTKSKKSK④根据输出方程组和控制方程组绘出运动控制系统的原理如图1-30所示。21653626545525434424323323212222111)()()()()()(SSTKKSTKSKKKSTKSKKKSTKSKKKSTKSKKKSTKSKKSK例5：已知电动机M1带动的小车作平面运动。控制小车运动方向的接触器KM3得电使小车作水平方向运动；KM4得电使小车作垂直方向运动。生产工艺要求：按动起动按钮S1后小车的运动轨迹如图1-28所示；按动停止按钮S2时，小车就地停止。假设：在方向轮的作用下，KM1得电，电动机正转，小车向右或向上运行；KM2得电，电动机反转，小车向左或向下运行。试设计满足该运动轨迹的逻辑代数方程组。设计：•①所定义的程序步和转步信号与例3相同，如图1-29所示。其输出方程分为方向轮控制方程和电动机控制方程•②控制方程组与例4完全相同。21653626545525434424323323212222111)()()()()()(SSTKKSTKSKKKSTKSKKKSTKSKKKSTKSKKKSTKSKKSKb）立体运动•例6：某氧化一染色自动化流水线有一套挂具，该挂具在生产工艺流程中的运行轨迹如图1-31所示。当挂具装上料之后，按起动按钮S1后，该挂具自动上升进入流水线；当下料时，该挂具压动行程开关ST5而停止下降；按急停按钮S2时，挂具就地停止。已知：•l）该挂具的三个运动方向用一个电动机M1驱动，接触器线圈KM11得电，M1正转，挂具上升、左行和向后运动；线圈KM12得电，电动机M1反转，挂具下降、右行和向前运动。•其运动方向由换向器控制，控制换向器方向的三个接触器KC11得电，挂具作垂直运动，；KC12得电，挂具作水平运动；KC13得电，挂具作前后运动。2)ST1、ST2、ST3、ST4为挂具到达各槽口的行程开关，ST5、ST6、ST7、ST8为挂具到达各槽底时的行程开关，ST9、ST10为挂具在各槽内作涮水运动时的上限位行程开关，ST11、ST12为挂具水平左行的起点与终点的行程开关，挂具在氧化槽内的氧化时间为t(t≠0）试设计满足此生产工艺要求的电气控制线路方程组。设计：•①定义程序步和转步信号。根据运行轨迹和生产工艺要求，可将运行轨迹分为18步，如图1-32所示。②输出方程组。控制电动机的输出方程组控制挂具运动方向的输出方程组注意：•输出方程等号右端变量的填写顺序最好为：K1、K2、…K17、K18。不要把同一方向的变量集中在一起填写，这样可避免程序步漏填。③控制方程组。套用步进公式可得如下控制方程组：例7：某氧化一染色自动化流水线有一套挂具，已知条件与例6相同。生产工艺要求：当按起动按钮SQ1时，挂具的运行轨迹如图1-31所示；当按起动按钮SQ2时，挂具的运行轨迹如图1-33所示。试设计满足此生产工艺要求的电气控制线路方程组。设计：•①定义程序步和转步信号。由于图1-33是图1-31的一种特殊情况，所以定义程序步和转步信号仅按照运行轨迹图1-31设置，定义结果如图1-32所示。这样设计出的控制电路比较简洁。•②输出方程组与例6相同。•③控制方程组。两个流水线共同使用了下面的控制方程组，当按SQ1时，下面的控制方程组与例6的控制方程组相同；当按SQ2时，屏蔽掉例6中控制方程