《设备与控制》课件

设备与控制设备控制技术基础与应用工业自动化专业核心课程，年月版本-20255课程将深入探讨现代工业设备控制的理论基础、技术方法和实际应用，为学生奠定扎实的专业基础课程概述课程目标课程内容掌握设备控制基础理论与涵盖基础理论、控制系统、应用技术，培养学生在工应用实践三大模块，理论业自动化领域的专业能力学时，实践学时的完4836和实践技能整教学体系适用专业专为机械自动化、电气工程、数控技术应用等相关专业学生量身定制的核心课程第一章设备控制技术概述发展历史设备控制的定义与发展历程系统分类现代控制系统分类与特点发展趋势工业背景下的技术发展

4.0设备控制的定义控制本质控制目标通过各种方法和手段对设备运确保设备按照预定方案高效、行状态进行调节，确保设备按安全、稳定运行通过精确的照预定方案运行这是工业自控制算法和可靠的硬件系统，动化的核心技术，涉及信号检实现生产过程的自动化和智能测、逻辑处理、执行控制等多化管理个环节控制类型包括硬件控制与软件控制两大类硬件控制通过物理器件实现，软件控制则依靠程序算法，两者结合构成完整的控制体系设备控制技术的发展历程机械控制阶段18世纪-19世纪，以机械传动和齿轮系统为主，控制精度有限但奠定了工业控制的基础电气控制阶段20世纪初-1950年代，继电器和接触器技术的应用，大大提高了控制的可靠性和灵活性电子控制阶段1950-1980年代，晶体管和集成电路的发展，使控制系统更加精密和复杂计算机控制阶段1980年代至今，微处理器技术的普及，实现了程序化和数字化控制智能控制阶段21世纪，人工智能和机器学习技术的融入，开启了智能化控制的新时代现代设备控制系统分类按控制方式按控制对象连续控制、离散控制、模糊控制机械设备、电气设备、热工设备按应用领域连续控制平滑稳定机械控制精度要求高••按控制原理•离散控制适应性强•电气控制响应速度快工业控制、楼宇控制、智能家居开环控制、闭环控制控制开环控制简单可靠工业控制可靠性要求高••闭环控制精度高楼宇控制节能环保••工业设备控制系统的组成检测单元控制单元执行单元传感器、变送器、、嵌电机、气动执行PLC DCS负责采集现场信入式控制器作为器、液压执行器号，将物理量转系统大脑，执行将控制信号转换换为标准电信号，控制算法，处理为机械动作，直为控制系统提供逻辑运算，发出接作用于被控对准确的反馈信息控制指令象人机交互、系HMI SCADA统提供操作界面，实现人机对话，监控系统运行状态，进行参数设置第二章控制系统基础自动控制原理控制系统基础理论与方法数学模型系统建模与分析方法稳定性分析系统稳定性判断与优化域分析方法时域和频域分析技术自动控制原理开环与闭环控制控制算法PID开环控制系统结构简单，成本低，但抗干扰能力差闭环控比例积分微分控制器是最经典的控制算法比例环节提供--制系统通过反馈回路，能够自动修正偏差，控制精度高，稳快速响应，积分环节消除稳态误差，微分环节改善动态性能定性好开环控制适用于简单场合控制响应快但有稳态误差••P闭环控制适用于精密控制控制无稳态误差但可能振荡••PI控制综合性能最佳•PID控制系统数学模型微分方程模型描述系统动态特性的基础传递函数模型频域分析的重要工具状态空间模型现代控制理论基础离散系统模型数字控制系统描述方法系统稳定性分析奈奎斯特稳定判据劳斯稳定判据基于频率响应的图形化稳定性判断方法，稳定性定义与判据通过分析特征方程系数构造劳斯表，判断通过开环频率特性曲线包围点的次-1,j0系统稳定性是指在有界输入作用下，系统系统极点在复平面的分布，从而确定系统数来判断闭环系统稳定性输出保持有界的能力稳定性是控制系统稳定性方法简单实用，适用于线性定常最基本的要求，是系统正常工作的前提条系统件时域分析方法阶跃响应分析瞬态响应特性通过单位阶跃信号激励系统，观察输包括上升时间、调节时间、超调量等出响应特性，是分析系统性能的基本指标，反映系统动态性能方法性能改进方法稳态误差分析通过串联校正、并联校正等方法改善系统在稳态下输出与期望值的偏差，系统时域性能影响控制精度频域分析方法频率响应概念系统对不同频率正弦输入信号的稳态响应特性，反映系统的频率选择性和相位特性波特图分析幅频特性和相频特性的对数坐标图，便于分析系统的频域性能和进行系统设计奈奎斯特图分析极坐标形式的频率特性图，直观反映系统的稳定性和相对稳定性指标频域设计方法基于频域特性进行控制器设计，包括相位超前、相位滞后等校正方法第三章电气控制技术电气控制技术是现代工业自动化的核心，包括基本电气元件、继电接触控制、可编程控制器和变频调速等关键技术电气控制基本元件低压电器开关、继电器、接触器是电气控制的基础元件，负责电路的通断控制和信号传递，具有操作简单、可靠性高的特点保护元件熔断器、断路器、过载保护器用于保护电路和设备安全，当出现短路、过载等故障时自动切断电路测量元件电压表、电流表、功率表用于监测电气参数，为系统运行状态监控和故障诊断提供重要信息继电接触控制系统控制电路类型特点应用场合点动控制按下按钮动作，松开停止设备点检、调试自锁控制启动后保持运行状态电机连续运行顺序控制按预定顺序动作自动生产线联锁保护确保安全可靠运行危险设备控制继电接触控制系统采用硬件逻辑实现控制功能，具有直观可靠、成本低廉的优点，在传统工业控制中应用广泛可编程控制器PLC工作原理与结构编程语言与应用采用循环扫描工作方式，包括输入采样、程序执行、输支持梯形图、功能块图、指令表等多种编程语言梯形图直PLC出刷新三个阶段硬件由、存储器、接口、电源等观易懂，功能块图模块化程度高，指令表编程效率高CPU I/O模块组成梯形图适合电工使用•模块化设计便于扩展•功能块图适合复杂逻辑•抗干扰能力强•指令表适合专业编程•编程灵活方便•变频调速技术变频器工作原理将固定频率的交流电转换为可调频率的交流电，通过改变电机电源频率实现调速系统配置包括变频器主体、电机、控制电路、保护装置的合理配置和参数匹配参数设置与调试根据电机参数和工艺要求，设置变频器运行参数并进行现场调试优化故障诊断与排除掌握常见故障现象、原因分析和排除方法，确保系统稳定运行第四章液压与气动控制35MPa

0.8MPa95%液压系统压力气动系统压力系统效率典型工作压力范围标准工作压力现代液压系统效率液压与气动控制是工业自动化的重要组成部分，在重载、高精度和快速响应场合有着不可替代的优势液压控制基础动力元件控制元件执行元件液压泵将机械能转换为液压各种液压阀控制油液的压力、液压缸和液压马达将液压能能，为系统提供压力油，是流量和方向，包括溢流阀、转换为机械能，驱动工作机液压系统的心脏部件，包括减压阀、节流阀、换向阀等，构运动，具有推力大、精度齿轮泵、叶片泵、柱塞泵等实现系统的控制功能高、响应快的特点类型辅助元件油箱、滤清器、蓄能器、冷却器等辅助元件保证系统正常工作，提高系统可靠性和使用寿命气动控制基础典型液压气动控制系统速度控制系统压力控制系统通过节流阀、调速阀等控制执利用溢流阀、减压阀等控制系行元件的运动速度液压系统统压力确保系统在安全压力可实现无级调速，气动系统通范围内工作，同时满足不同执过气动节流阀实现速度调节，行机构的压力需求，提高系统满足不同工艺要求工作效率位置控制系统通过位置传感器和比例阀实现精确位置控制适用于需要精确定位的场合，如数控机床、工业机器人等高精度设备电液气一体化控制电液比例控制结合电气控制的灵活性和液压传动的大功率特点，实现连续比例控制电气气动控制电磁阀控制气动执行元件，适用于快速动作和中等负载的控制场合电液伺服控制高精度、高响应的控制系统，广泛应用于航空航天、精密机械等领域第五章数控系统技术数控系统概述数控技术发展与应用系统组成CNC硬件结构与工作原理伺服控制技术精密运动控制方法数控编程基础代码与编程实践G数控系统概述技术发展历程系统分类与特点数控技术从年第一台数控机床诞生至今，经历了硬件数按控制方式分为点位控制、直线控制、连续控制；按伺服系1952控、软件数控、开放式数控等发展阶段现代数控系统集成统分为开环、半闭环、全闭环；按功能水平分为经济型、普了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术等多学科成果及型、高档型数控系统点位控制适用于钻床•第一代硬件数控系统•直线控制适用于铣床•第二代软件数控系统•连续控制适用于车床•第三代开放式数控系统•系统组成与工作原理CNC数控装置伺服驱动系统包括输入装置、处理器、存储器、输1接收数控装置指令，驱动各坐标轴电出装置，是系统的核心控制单元机精确运动机床本体检测反馈装置执行加工任务的机械结构，包括主轴实时检测各轴位置和速度，形成闭环系统和进给系统控制伺服控制技术闭环控制位置、速度、电流三环控制伺服驱动器功率放大与控制算法实现伺服电机直流伺服电机、交流伺服电机位置检测4编码器、光栅尺反馈系统数控编程基础代码类型功能常用代码应用示例代码几何指令定位、直线、G G00,G01,圆弧插补G02,G03代码辅助功能主轴启停、M M03,M05,冷却液开关M08,M09代码刀具选择换刀指令T T01,T02,T03代码进给速度设定进给率F F100,F200数控编程是将零件加工工艺过程用数控系统能识别的指令代码描述，包括坐标系建立、刀具路径规划、切削参数设定等关键环节第六章过程控制系统过程控制基础过程工业控制理论与方法分布式控制DCS大型过程控制系统架构现场总线FCS现代过程控制网络技术工程设计过程控制系统集成方法过程控制基础过程控制特点过程控制主要针对连续生产过程，具有大惯性、大滞后、非线性、时变性等特点，要求控制系统具有良好的稳定性和鲁棒性参数测量与转换温度、压力、流量、液位是过程控制的四大参数通过各种传感器将工艺参数转换为标准信号，为控制系统提供准确的过程信息典型控制回路包括单回路控制、串级控制、前馈控制、比值控制等多种控制策略，根据工艺要求选择合适的控制方案先进控制算法模型预测控制、自适应控制、智能控制等先进算法在复杂过程控制中发挥重要作用，提高控制品质和经济效益分布式控制系统DCS操作站为操作员提供人机交互界面，实现对生产过程的监控、操作和管理具备报警处理、趋势显示、数据记录等功能，确保生产安全稳定控制站分布在现场的智能控制单元，直接与工艺设备连接，执行控制算法，处理I/O信号，具有高可靠性和实时性特点工程师站用于系统组态、程序开发、系统维护的专用工作站提供图形化配置工具，简化系统开发和调试过程，降低工程成本现场总线控制系统FCS过程控制系统工程设计需求分析与规格制定深入了解工艺流程和控制要求，制定详细的功能规格和技术规格包括控制策略分析、点统计、性能指标确定等关键环节I/O系统设计与配置根据需求进行硬件选型和软件设计，制定系统架构方案包括网络拓扑设计、控制站配置、人机界面设计等具体工作实施与调试按照设计方案进行系统安装、接线、编程和调试严格按照工程规范进行施工，确保系统安全可靠投运测试与验收进行全面的系统测试，包括功能测试、性能测试、安全测试等编制验收文档，培训操作人员，确保系统顺利交付使用第七章运动控制技术运动控制技术是实现精密定位、轨迹跟踪、速度控制的关键技术，广泛应用于机器人、数控机床、包装设备等自动化装备中运动控制系统基础基本概念系统分类控制模式运动控制是指对机械运动部件的位按控制方式可分为开环控制、半闭点位控制适用于简单定位，连续轨置、速度、加速度进行精确控制的环控制、全闭环控制；按运动形式迹控制适用于复杂路径加工现代技术包括点对点运动、连续路径分为直线运动控制、旋转运动控制；运动控制器集成多种控制模式，可运动、同步运动等多种控制模式，按轴数分为单轴控制、多轴控制系根据应用需要灵活切换满足不同应用需求统伺服驱动与运动控制电机选型与计算驱动器参数设置根据负载特性、运动要求计算所需转配置位置环、速度环、电流环参数，矩、转速、惯量匹配，选择合适的伺优化系统响应特性和稳定性服电机机械传动设计控制回路调节选择合适的减速器、联轴器、导轨等通过增益调整、滤波器设置等方法改3传动元件，确保精度和可靠性善系统动态性能，消除振荡和超调多轴协调控制1插补算法实现多轴协调运动的基础算法，包括直线插补、圆弧插补、样条插补等，确保运动轨迹的连续性和平滑性2轨迹规划根据起点、终点和路径约束条件，规划最优运动轨迹考虑速度限制、加速度限制和急动度限制，优化运动品质3加减速控制采用S型加减速曲线，避免机械冲击和振动通过前瞻控制算法，在保证精度的前提下提高加工效率多轴同步技术确保多个运动轴在复合运动中保持精确的时间和空间关系，实现复杂轨迹的高精度加工运动控制系统应用机器人控制系统数控机床控制工业机器人需要精确的多轴协调控制，实现复杂的空间运动数控机床要求高精度的位置控制和速度控制，同时需要处理轨迹控制系统需要处理正逆运动学计算、动力学补偿、碰刀具补偿、热变形补偿等精度保证技术现代数控系统集成撞检测等复杂算法了先进的运动控制算法六轴关节机器人控制五轴联动加工中心••机器人应用高速精密车床•SCARA•直角坐标机器人系统复合加工机床••第八章工业网络与通信工业以太网现代工业通信主流技术现场总线技术2传统工业通信解决方案通信基础工业通信系统层次结构技术OPC系统集成标准接口技术工业通信基础通信系统层次分为设备层、控制层、监控层、管理层四个层次，每层有不同的通信需求和协议标准协议与标准遵循国际标准如模型、协议栈，确保不同厂商设备的互操OSI TCP/IP作性网络拓扑结构包括星型、环型、总线型等拓扑结构，根据应用场合选择合适的网络架构通信接口硬件串口、并口、以太网口、现场总线接口等物理层通信硬件的选择和配置现场总线技术总线类型传输介质网络拓扑主要应用领域双绞线、光纤总线型、星型过程自动化、PROFIBUS工厂自动化双绞线、以太总线型、星型楼宇自动化、MODBUS网电力系统双绞线总线型、星型离散制造、包DeviceNet装机械双绞线总线型汽车电子、机CANopen器人控制现场总线技术实现了现场设备的数字化通信，提高了系统的可靠性、可维护性和互操作性，是工业自动化发展的重要里程碑工业以太网技术特点交换机与网络实时以太网应用案例基于标准以太网技术，工业交换机具备更强的、在汽车制造、电力系统、PROFINET具有高带宽、易扩展、环境适应性和实时性能、石化工业等领域广泛应EtherCAT成本低的优势通过改支持冗余环网、快速生等实时以太用，实现了从现场设备Ethernet/IP进物理层和协议栈，满成树等技术，确保网络网技术，通过时间同步到企业管理系统的无缝足工业环境的实时性和的高可用性和确定性通信，满足运集成可靠性要求动控制的实时要求技术与应用OPC1技术原理与架构基于微软技术，定义了客户端和服务器之间的标准接口，OPC COM/DCOM实现不同厂商软件系统之间的数据交换和互操作2规范体系OPC包括（数据访问）、（报警事件）、（历史数OPC DAOPC AEOPC HDA据访问）等规范，满足工业应用的不同数据访问需求技术OPC UA新一代统一架构，支持跨平台、面向服务的架构，提供更强的安全性、OPC可靠性和互操作性，是工业的重要支撑技术

4.04系统集成应用在、、系统集成中发挥重要作用，实现生产数据的实时采MES SCADAERP集、处理和共享，提高企业信息化水平第九章设备控制系统集成系统集成基础集成目标、原则与方法硬件集成技术设备层面的物理集成软件集成技术应用系统的逻辑集成工程实施4集成项目的组织与管理系统集成基础硬件集成技术控制层设备集成现场设备集成、、工控机等控制设备的集成配置，包括选型、传感器、执行器、仪表等现场设备的选型、安装、接线和调PLC DCSCPU扩展、通信接口配置等需要考虑处理能力、实时性、试需要考虑环境适应性、测量精度、响应时间等技术要求I/O可靠性等关键技术指标控制器选型与配置传感器信号调理••信号处理与转换执行器驱动配置•I/O•电源系统设计防爆与安全认证••。