1、北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授1/343 程序控制与数值控制顺序控制开环数值控制步进电机控制可编程控制北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授2/343.1 顺序控制(1)顺序控制原理：根据应用场合和工艺的要求，划分各种不同的工步，然后按照预先规定的“时间”或“条件”。依次完成各种工步的动作，并保持各工步所需要的持续时间。l时间：事先设定。包括时序、时长l条件：由行程开关、压力或温度开关等测量元件提供l检测：计算机要不断检测这些条件，以确定系统工作状态l控制：计算机要输出一些开关量，驱动继电器，实现特定动
2、作，切换工艺状态。顺序控制装置：l接触式：机械电气元件（继电器、接触器触点）。继电器控制装置l非接触式：晶体管、无触点开关、集成电路。半导体逻辑元件控制装置l可存储式：可编程控制器。北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授3/343.1 顺序控制（2）发泡成型机控制装置逻辑功能l完成对14个继电器或电磁阀或电动机的控制l完成对7个传感器的检测。4个行程开关，3个压力开关l完成10个不同延迟时间的设定l完成3位十进制实时时间的显示l完成16个工步的进程显示l整个顺序控制器的启动和停止。北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单
3、家元教授4/343.1 顺序控制(3)顺序控制器逻辑框图CPU晶振存储器译码器EPROMRAMI/O译码器工步显示接口时间显示接口继电器接口键盘接口条件输入接口LED灯三段时间显示14个继电器18个拨盘7个条件启动停止北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授5/343.1 顺序控制(4)顺序控制器软件北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授6/343.2 开环数值控制 数值控制的基本原理l图形分割:直线和曲线l确定端点坐标，插值中间点坐标；线性插值和二次插值：有数字脉冲乘法器，数字积分法，逐点比较法l脉冲控制电机步
4、进：脉冲数=坐标值（用脉冲当量定义的坐标值）/脉冲当量 逐点比较法插补原理l每一次动作移动一步，都需进行一次偏差计算和判别；新的位置坐标与理想线型上对应点的位置坐标之间的偏差程度，然后根据偏差大小确定下一步的移动方向。有四个方向和八个方向。北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授7/343.2.1 四方向逐点比较法直线插补原理(1)第一象限内的直线插补 l第一象限点的斜率：起点 终点lOM的斜率大于OP，即l定义：l若 ，则M在OP上方，向X轴正向插补l若 ，则M在OP下方，向Y轴正方向插补其他象限内的插补l根据各象限与第一象限的对称关系，将其他象限内的
5、插补转换为第一象限内的插补。计算终点坐标时取绝对值。eiieieixFxyyxF)1(1eiieieiyFxyyxF)1(1ieieixyyxFeeiixyxyeexyiixyM(xi,yi)P(xe,ye)O(x0,y0)北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授8/343.2.1 四方向逐点比较法直线插补原理(2)终点判断l起点坐标（x0，y0）为原点，终点（xe,ye）,则取|xi|+|ye|为终点总步数，即l取终点坐标值与起点坐标值之差的绝对值较大值作为终点判断的计算器初值。程序流程l偏差判断；F?0即进给方向判断l进给；l偏差运算；l终点判别 e
6、eiiyxyxieieixyyxF 0F 0F 0F 0F 0F 0F),(eeyx ),(eeyx),(eeyx),(eeyx 0F 0F 北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授9/343.2.2 四方向逐点比较法圆弧插补原理(1)原理：定义一段圆弧的参数：圆心坐标、半径大小、圆弧的起始点和终点坐标。有顺和逆两种圆弧。第一象限内的圆弧插补l ,M在圆弧外，沿X轴负向进给l ，M在圆弧内，沿Y轴正向进给 2020yxQ2222220202RyxFxyyxRiiiee x y R Ri(x0,y0)Q(xe,ye)M(xi,yi)12)1(22121ii
7、iixFRyxF0F0F12)1(2221iiiiiyFRyxF),(eeyx),(eeyx),(eeyx),(eeyx SR2 NR1 NR3 SR4 北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授10/343.2.2 四方向逐点比较法圆弧插补原理(2)其他象限圆弧插补：依对称关系，转换为第一象限的插补，计算公式起点坐标为绝对值。终点判断：取x方向的总步数和y方向的总步数中的最大者为终判计数。x、y的总步数分别等于即图纸终点坐标值与圆弧起点坐标值之差的绝对值。程序流程 l插值方向判断:根据起点终点坐标值（相对圆心）的正负号判定（表1）。l偏差判断，Fi?0l
8、进给：用进给指令码来表示（编程方便），由偏差和插补类型决定。l终值判断：|xe-x0|和|ye-y0|最大者为终判计数初值。只有与最大初值所选x或y与进给方向相一致时，计数器才减一。l即两个标志是否一致：XYxxyyee进给进给进给脉冲标志字：取取终判计数器标志：0100010000北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授11/34插值方向判断表(ye-y0)符号 x0符号 y0符号 插补类型 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 NR1 NR4 SR2 SR3 SR1 SR4 NR2 NR3 北
9、京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授12/343.3 步进电机控制 步进电机控制元件直接接受数值信号可将自旋运动变成直线运动步进电机的特点：l快速启动：2001000步/sl精确步长：900/步-0.360/步l数字量控制：给一个脉冲电压即可 北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授13/343.3.1 步进电机工作原理 原理：步进电机实际上是一个数字/角度转换器，也是一个数模转换器。结构：lABC三个绕组均布为三相构成定子，磁极间隔60度，每个磁极有5个小齿 3600/6*5=120 定子的分辨率。l转子上设有
10、绕组：有40个矩形小齿，3600/40=90l单三步通电顺序：A-B-C-A 共走三步，每步120-90=30 北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授14/343.3.2 步进电机控制系统(1)传统步进电机控制系统微机控制步进电机原理lCPU步进控制器作用，将二进制码转换成串行脉冲序列 脉冲 方向 步进控制器 功放 步进电机 M C P U 接 口 驱 动 器 步进 电机 负 载 北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授15/343.3.2 步进电机控制系统(2)脉冲序列生成l速度：周期，占空比：通电周期l 软件
11、实现：l输出一高电平，通过软件延时（占空比决定），再输出一低电平l输出一高电平，再通过硬件定时中断，输出低电平，中断完毕，再输出高电平 方向控制：对三相绕组，有三种控制方式 l单三拍：通电顺序为 A-B-C-Al双三拍：通电顺序为 AB-BC-CA-ABl三相六拍：通电顺序为 A-AB-B-BC-C-CA-Al按此顺序通电，则电机正向转动；反之，则反向转动控制方法：l每一个数字输出控制一个绕组，用开变量输出，三个绕组D2D1D0 l根据所选电机及控制方式写出相应的控制方式的数学模型 北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授16/34电机控制模型 步序D7
12、 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 工作状态控制模型单三拍123 0 0 1 0 1 0 1 0 0 ABC01H02H04H双三拍1230 1 01 1 01 0 1ABBCCA03H06H05H六拍1234560 0 10 1 10 1 01 1 01 0 01 0 1AABBBCCCA01H03H02H06H04H05H 北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授17/343.3.3 步进电机控制程序的设计 控制程序的主要任务l判别旋转方向l按顺序传送控制脉冲：传送控制脉冲的时间间隔可控制旋转速度l判别所要求的控制程序是否传送完毕 步进电机速
13、度的控制方法l软件延时：通过改变延时时间，达到控制通电时间，进而控制步进电机速度，但延时占用CPU时间。l硬件中断：可通过外部定时硬件中断方式，一方面可节省CPU时间；另外可更加灵活、方便的修改电机转速，而不使CPU速度影响转速更精确。北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授18/343.3.4 步进电机变速控制 问题l速度变比过快，有可能在起步时就失步解决方法l增加加速和减速的过程，是转速逐步上升和下降 控制方法l改变控制方式：单三拍双三拍六拍（速度）l改变延时时间，将延时时间事先存入l修改硬件定时器参数 北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术202
14、2-8-9飞行器工程系 单家元教授19/343.4 可编程控制可编程控制器概述 OMRON SYSMAC C200H 系统配置 C200H PC指令系统 编程原则及举例 北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授20/343.4.1 可编程控制器概述(1)特点l适用于开关量控制，如能实现单回路和多回路的PID闭环控制，应用灵活。l用梯形图编程，消除计算机技术与传统电气技术的鸿沟，编程简单。l控制功能强，抗干扰能力强l模块式结构，组成控制系统简单、灵活，便于安装。北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授21/343.4
15、.1 可编程控制器概述(2)可编程控制器的结构l体系结构，微处理器总线式结构l中央处理器组件 lCPU:八位或十六位。Motoroler MC68809CPUl系统存储器：固化系统管理程序和监控程序l用户存储器：用户控制程序；变量存储器 EPROM 外设（编程器）外 设 接 口 处理器+系统存储器 用户 存储器 电源 I/O I/O I/O 北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授22/343.4.1 可编程控制器概述(3)可编程控制器的结构l编程器:l手持式：专用智能CRT型编程器；l通用编程器（个人计算机通过AS2320）l输入输出组件（I/O）:l
16、开关量（直流和交流，继电器和晶体管）l通讯：用于与个人计算机，主机通讯用；l模拟量（电压和电流）；l外围专用（计算器/定时器）北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授23/343.4.1 可编程控制器概述(4)可编程控制器的编程语言l梯形图：一幅展开的继电器触点控制图l特点：每个符号（线圈和触点）对应有存储器中的一位；线圈不能重复定义，触点可以无限用；“I/O映象区”对应于每个输入输出设备的状态。l命令语句表：l可将梯形图用汇编语言的助计符编程表达 北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授24/34梯形图 0000
17、0 00101 00003 00100 00002 00001 END北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授25/343.4.1 可编程控制器概述(5)PC的工作方式 l扫描工作方式lCPU按照存储器地址递增的方向进行扫描，即按梯形图从上之下顺序，依梯级在从左至右依元件一个一个解算。由此形成一个扫描周期。在无中断或跳转情况下，每次都从头到尾。l注意：用户程序执行过程中的程序解算与I/O操作是分时进行的，即离线CPU每执行完一次用户程序，就进行I/O操作，将I/O组件上的输入信号读入I/O映象区；同时将I/O映象区中储存的运算结果的对应位的状态输出到I/
18、O组件上去。实际上输入输出操作是在I/O组件和内存中的I/O映象区之间进行数据传递。l自诊断功能：每次扫描都对设备进行自检。l扫描时间：CPU速度（指令执行周期）；I/O点数。监控与自 诊断 执行用户程序 输入输出 操作 北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授26/343.4.2 OMRON SYSMAC C200H 系统配置 系统硬件配置l基本系统构成：CPU装置（有3个槽，5个槽，8个槽基板）+2个扩展槽装置。若选8槽基板；则最多的输入输出函数为：1643192（输入）、1243144（输出），扩展槽之间最大距离10M,总长12M l扩展系统构成：
19、远程I/O单元，最多2块主I/O单元，5快次I/O单元，长度小于200M（电缆、光缆）。l各种输入、输出组件（共20种）:l输入：DC、AC，开关量l输出：继电器、晶体管、可控硅 l特殊功能组件：l模拟输入单元：4路A/D,12位，电压，电流：量程0-5V,0-10V,4-20mAl模拟输出单元：2路A/D,12位，电压，电流l温度传感器单元：将温度数据直接送到PC；4路，有不同类型的热电偶l高速计数单元：编码器 lCPU与存储器组件：CPU有两种（交、直流供电）；用户存储器可选（EPROM）北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授27/343.4.2
20、OMRON SYSMAC C200H 系统配置(2)I/O继电器配置和数据区l用户存储器分为两大部分：l用户程序区l变量存储器：继电器8个，通道若干个l基本概念l继电器：存储器中的一些位，它对应I/O组件的端子（I/O映象区中的位），或运算中间结果、或标志位、辅助功能位l通道：方便标识变量存储器中的位而建立的概念。各个通道16位。l寻址方式：l对I/O区：通道号（000-029）+位号（00-15）I/O地址l对数据区DM：通道号北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授28/34I/O继电器配置和数据区 区域名称 通道号 I/O 继电器 000029*1
21、6 内部辅助继电器 IR 030250*16 备用继电器 SR 251255 8 位 暂存继电器 TR TR0TR7 8 位 保持继电器 HR HR00HR99*8 辅助存储继电器 AR AR00AR27*16 连接继电器 LR LR00LR63*16 定时/计数继电器 TC TC000TC511 数据存储器 DM DM0000DM0999 DM1000DM1999（只读）北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授29/343.4.3 C200H PC指令系统 指令：108条；系数为32位运算分类：基本I/O；控制分支；数据锁存；微分；定时/计数；移位；传
22、送；四则运算；逻辑运算北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授30/343.4.4 编程原则及举例(1)编程原则l由于I/O，内部辅助继电器。TIM/CNT等触点可以多次使用，所以应使程序结构简化，不使用复杂结构来减少触点使用次数l梯形图中线圈不能直接与左边母线相接。如果需要可以通过一个没有使用的内部辅助继电器的常闭触点或者用内部辅助继电器。l所有输出都可作为辅助继电器来使用，它的触点使用次数不限。l输出线圈的右边不能再连触点l线圈不能重复使用l两个或两个以上线圈可并联l程序的执行是第一个地址到END指令,因此可移动END。分段调试。北京理工大学机电工程
23、学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授31/343.4.4 编程原则及举例(2)举例：库门自动控制l本例中PC用来控制自动打开和关闭货仓大门，以便让一个接近大门的物体进入或离开仓库。利用两套不同的传感器系统来控制门的开放和关闭。l说明：超声开关检测有无物体靠近；光电开关物体是否离开库门lI/O分配 继电器 输入 超声开关 光电开关 门上限开关 门下限开关 00000 00001 00002 00003 000 槽 输出 升门 降门 00100 00101 001 槽 北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授32/343.4.4 编程
24、原则及举例(3)控制功能l 当超声开关检测到有物体接近库门时，00000继电器通，启动马达开门，00100继电器通，直到升到上限，然后检测开关00002继电器，切断00100继电器线圈，使马上停转。l与此同时，光电开关检测到物体已离开库门时，00001继电器通；启动马达使门降下。接通00101继电器，直到门降至下限，使开关00003动作，从而切断电源，马达停转l由于光电开关在无车情况下为常闭，只在有车然后再无车的情况下起作用，因此使用一个微分指令，用内部继电器03000保存微分结果。l另外，需要保证开门与降门的互锁。北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授33/343.4.4 编程原则及举例(4)程序 00000 00101 00100 00003 03000 00001 00100 00101 00002 DIDF 03000 END(01)00100 00101 北京理工大学机电工程学院 计算机控制技术2022-8-9飞行器工程系 单家元教授34/34作业P183l4-A-2l4-B-3
