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電機制御工学 定性的制御編

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電機制御工学 定性的制御編 - PowerPoint PPT Presentation


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電機制御工学 定性的制御編. 清弘 智昭. 自動制御の種類. 定量的制御  フィードバック制御 (Feed Back Control) 対象とする系の出力(温度,速度,位置など)をある目標値にする制御。 定性的制御  シーケンス制御 対象とする系の状態(オン・オフなど)を,あらかじめ定められた順序に従って段階を進めていく制御。. フィードバック制御. 定値制御   レギュレータ (Regulator) 目標値を一定に保つ 追値制御   サーボ (Servo) 目標値に追随する. 制御量. 誤差信号. 操作量. 目標値. 比較部. 制御部. 制御対象.

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Presentation Transcript
slide2
自動制御の種類
  • 定量的制御 フィードバック制御(Feed Back Control)
    • 対象とする系の出力(温度,速度,位置など)をある目標値にする制御。
  • 定性的制御 シーケンス制御
    • 対象とする系の状態(オン・オフなど)を,あらかじめ定められた順序に従って段階を進めていく制御。
slide3
フィードバック制御
  • 定値制御  レギュレータ(Regulator) 目標値を一定に保つ
  • 追値制御  サーボ(Servo) 目標値に追随する

制御量

誤差信号

操作量

目標値

比較部

制御部

制御対象

検出部

フィードバック信号

目標値 (Desired Value,Reference) 定量的な制御命令

偏差 (Deviation),誤差(Error) 目標値と制御量との差

制御量 (Controlled Variable) 目的とする状態

slide4
定性的制御
  • シーケンス制御 (Sequential Control)

命令処理部

制御装置

制御対象

状態

操作

信号

制御

命令

制御

信号

検出部

シーケンス制御の構成

slide5
シーケンス制御の分類

   時限プログラム制御

   順序プログラム制御

 条件制御

時間で制御が進行する。 例:交通信号

外部のセンサや内部の状態の変化に従って制御が進行する。 例:全自動洗濯機

入力と内部状態の組み合わせで制御が決定される。

例:エレベータの行き先階の決定法

slide6
命令処理部
  • シーケンス制御の設計は命令処理部の設計が主となる

命令処理部の構成要素

有接点

無接点

電磁リレー(Relay:継電器とも呼ぶ)

電磁接触器

プログラマブルコントローラ

半導体個別素子

トランジスタ,IC等

プログラマブル・コントローラ(シーケンサ)

マイクロプロセッサ

slide7

導通

電磁リレーの動作

共通

共通

b接点

導通

a接点

コイルに電流を流さない

コイルに電流を流す

バネに引かれて可動鉄片は上に押される。    共通とb接点が導通する。

可動鉄片は電磁石(コイル)に引きつけられる。

共通とa接点が導通する。

slide9
電磁リレーの働き
  • 電磁リレーの接点
    • a接点  コイルがONでONになる

NO (Normally Open), Make 接点

    • b接点  コイルがONでOFFになる

NC (Normally Closed), Break 接点

  • 電磁リレーの働き
    • 絶縁

     コイルと接点は完全に離れている。

入力と出力の共通端子(接地)は存在しない。

    • 論理の反転

コイルの電流OFFでb接点はON

コイルの電流ONでb接点はOFF

    • 回路数の増加

1個のコイルで複数の接点をON-OFFできる。

    • 増幅

小さなコイル電流で大電流容量の接点をON-OFFできる

a接点     b接点

簡略記号

slide10
電磁リレーのコイルと接点の対応付け
  • コイルと対応する接点を点線で結ぶ

リレーの個数が多くなるとわかり難い

  • コイルを大文字のアルファベットで示し,対応する接点にどのコイルの接点なのかを示す

 コイルを大文字,接点を小文字にする場合もある

slide11

電磁接触器

  • 大型で制御する電力が大きいものは電磁接触器と呼ばれている。
  • 電磁接触器の記号は下図のようになる。

小型の電磁接触器

slide12
タイマ
  • 入力信号が変化時より,ある一定時間だけ遅れて出力が変化するリレー。

遅延動作  遅延復帰    遅延

a接点

b接点

タイマの外観

slide13
保護リレー
  • コイルに過電流が流れたとき動作し,接点をOFFにして回路を遮断するリレー

手動復帰接点を持つ

動作した後は自動的には戻らない

(原因を修復した後手動で復帰させる)

手動復帰接点の記号

保護リレー

OCR (Over Current Relay)

slide14
シーケンス制御で用いられる器具と記号1

a接点 b接点

  • 手動スイッチ類

a接点 押さない時はOFFで,押すとONになる接点

b接点 押さない時はONで,押すとOFFになる接点

slide15
シーケンス制御で用いられる器具と記号2
  • リミットスイッチ

機械的な外力で動作するスイッチ。

人間が操作するスイッチ,

リレーの接点

リミットスイッチではない

リミットスィッチの記号

a接点

b接点

slide16
シーケンス制御の基本回路
  • ラダ-ネットワーク (はしごのようになっているので)

両方ONにならないとコイルに電流が流れない

AND

どちらかがONになるとコイルに電流が流れる

OR

接点が押されるとコイルに流れていた電流がOFFになる

NOT

両側の線は電源

slide17

最初の状態

 両方のスイッチは押されていない。

セットスイッチOFF

リセットスイッチON

 リレーのコイルはOFF

リセットスイッチを押す

セットスイッチOFF

リセットスイッチOFF

 コイルの電流が切れる  

リセットスイッチを離す

セットスイッチOFF

リセットスイッチON

セットスイッチがOFFなのでコイルには電流が流れない

セットスイッチを離す

セットスイッチOFF

リセットスイッチON

 コイルに電流が流れる

リレーの接点ON

  接点を通してコイルに電流が流れつづける

セットスイッチを押す

セットスイッチON

リセットスイッチON

 コイルに電流が流れる

リレーの接点ON

リセットスイッチを押す

セットスイッチOFF

リセットスイッチOFF

 コイルの電流が切れる

リレーの接点OFF

セットスイッチを押す

セットスイッチ ON

リセットスイッチON

 リレーのコイルに電流が流れる

自己保持回路の動作

自己保持回路 セットスイッチを押すと出力はセットされ,スイッチを離してもその状態を保つ回路。リセットスイッチを押すまでその状態を保つ。  

リセットスイッチ

セットスイッチ

slide18

最初の状態

 両方のスイッチは押されていない。

セットスイッチOFF

リセットスイッチON

 リレーのコイルはOFF

自己保持回路の動作1

自己保持回路 セットスイッチを押すと出力はセットされ,スイッチを離してもその状態を保つ回路。リセットスイッチを押すまでその状態を保つ。  

リセットスイッチ

セットスイッチ

slide19
自己保持回路の動作2

リセットスイッチ

セットスイッチ

セットスイッチを押す

セットスイッチON

リセットスイッチON

 コイルに電流が流れる

リレーの接点ON

セットスイッチを押す

セットスイッチ ON

リセットスイッチON

 リレーのコイルに電流が流れる

slide20
自己保持回路の動作3

リセットスイッチ

セットスイッチ

セットスイッチを離す

セットスイッチOFF

リセットスイッチON

 コイルに電流が流れる

リレーの接点ON

接点を通してコイルに電流が流れつづける

リセットスイッチを押す

セットスイッチOFF

リセットスイッチOFF

 コイルの電流が切れる  

slide21
自己保持回路の動作4

リセットスイッチ

セットスイッチ

リセットスイッチを押す

セットスイッチOFF

リセットスイッチOFF

 コイルの電流が切れる

リレーの接点OFF

リセットスイッチを離す

セットスイッチOFF

リセットスイッチON

セットスイッチがOFFなのでコイルには電流が流れない

slide22
自己保持回路の種類
  • リセット優先自己保持回路
    • スイッチS と R を同時にONにするとRの方が優先される
  • セット優先自己保持回路
    • スイッチS と R を同時にONにするとSの方が優先される
slide23
シーケンス制御の例1
  • 揚水ポンプ
  • ポンプ運転開始の条件
    • タンク内の水が無くなりLSLが押されなくなったとき
  • ポンプ停止の条件
    • タンクが満水になってLSUが押されたとき
  • LSLで自己保持回路 セット,
  • LSUで自己保持回路 リセット
slide24
揚水ポンプの設計

運転

セット部

リセット部

  • セット部ONで自己保持はセットされる

LSLが押されなくなったらON  b接点

  • リセット部OFFで自己保持回路リセット

LSUが押されたらOFF  b接点

停止

LSL-b

LSU-b

slide25
シーケンス制御の例2

Y接続にするとコイルに印加される電圧は   になる

  • 誘導電動機のY-Δ起動

起動時に大きな突入電流が流れる

コイルに印加する電圧を下げる

運転時(Δ接続)

起動時(Y接続)

slide26
3相誘導電動機のY-Δ起動

TM:タイマリレー

MCY:Y結線用MC

MCD:Δ結線用MC

  • 電磁接触器(MC)とコイルの配線      タイムチャート

Y運転

Δ運転

STB

SPB

x

TM

MCY

MCD

Δ結線用MC

STB:スタートボタン x:補助リレー

SPB:ストップボタン

Y結線用MC

slide27
誘導電動機のY-Δ起動

1.STBでセット,SPBでリセットの自己保持を作る

  • ラダ-ネットワークの設計

2.Xでタイマを起動

3.MCYとMCDの回路を作る

MCYとMCDが同時にONにならないようにする

slide28

LSL=ON

シーケンス制御の表現法

端記号

(開始・終点など)

開 始

  • タイムチャート

Y-Δ起動の項参照

  • フローチャート
  • ラダー図

直接ラダー図で表現

  • 状態遷移図

Y

条件判断

モータ ON

処理

LSU=ON

LSU=OFF

LSL=OFF

Y

LSU=OFF

モータ

OFF

モータ

ON

LSL=ON

モータ OFF

slide29

00

入力論理回路

出力論理回路

FF群

10

01

シーケンス回路の設計法1
  • タイムチャートなどから直接ラダ-図を作る

揚水ポンプ,Y-Δ起動などの設計例

  • 同期順序回路の設計手法を用いる(電磁リレーは不可)

入力

クロック

たとえば状態00の時,入力論理回路で次の状態01を作っておく。すると次のクロックでFF群はこの01を読み込んで01になる。

FF群の出力と入力から次の状態を作っておく

slide30

MLSL LSUM’

0 0 0 1

0 0 1 X

0 1 0 0

0 1 1 0

1 0 0 1

1 0 1 X

1 1 0 1

1 1 1 0

同期順序回路によるシーケンス制御の設計
  • 揚水ポンプ制御装置の設計

LSL=0/1

LSU=0

LSL=1

LSU=0/1

LSU=1

モータ

OFF

モータ

ON

LSL=0

LSU,LSLが押されているとき「1」

  • 出力はモータM,1つだけなのでFFは1個
    • 前の状態mとクロック入力後の状態Mおよび入力の関係を示すと左のようになる。

×は存在しない状態を表す

上の真理値表からカルノー図を描いて入力論理回路を作る

slide31
同期順序回路2
  • カルノー図を描いて論理式を求める

LSL LSU

00 01 11 10

0 1 X

1 1 X 1

M

完成した同期順序回路

入力論理回路

slide32
シーケンス回路の設計法3
  • 非同期順序回路の設計手法をもちいる
  • 非同期順序回路
    • 出力が入力側にフィードバックされているディジタル回路。出力      と入力      は最終的には等しくならなければならない。
      • 等しい状態  安定     等しくない状態 不安定(過渡状態)

Δ

Δ

不安定

不安定

安定

安定

slide33
非同期順序回路の解析
  • SRフリップ・フロップの解析
  • 論理式から遷移表を作る
  • 外部入力    は横
  • 内部入力    は縦
  • 枠の内部に出力     を書く
  • 出力は論理式から求める。
  •   は    または     のとき1
  • は    または     のとき1

論理式

大文字は出力

小文字は入力

slide34

00 01 11 10

00 11 11 11 11

01 01 01 11 11

11 00 01 11 10

10 10 11 11 10

00 01 11 10

00 11 11 11 11

01 01 01 11 11

11 00 01 11 10

10 10 11 11 10

入力を変化させてSR=10に移動する

この11が次の内部入力となるので,g1g2が11の場所に移動する

ここも不安定なので,g1g2が10の場所に移動する

安定なのでここに落ち着く

非同期論理回路の解析2
  • 最初黄色の状態にあったときSRが10になったらどうなるだろうか

そこは11で不安定なので縦方向に移動する。どこへ?

 と    が等しいと安定であるから丸をつける

外部入力   が変化したとき出力    がどのように変化するかを調べる 

slide35
非同期順序回路で揚水ポンプを設計する1
  • 出力は M 1つ
  • 入力は 外部 LSL,LSU
  • 内部 m

入力

出力

M

遷移表を作る

 入力は2なので列数は22=4

 出力は1なので行数は21=2

LSU LSL

遷移図より遷移表を作る

m

slide36
非同期順序回路で揚水ポンプを設計する2

LSL=0/1

LSU=0

LSL=1

LSU=0/1

LSU=1

  • モータOFF,LSU LSL=01の時を開始点とする。この時には安定なので丸をつける。
  • 水位が下がってLSL=0になると左に移動する。この時ポンプを起動する必要があるので不安定で下に移動。
  • ポンプ起動で安定。貯水槽に水が入ると再びLSL=1になるので④に移動する。
  • さらに貯水槽の水位が上がって満水になるとLSU=1になる。
  • 満水なのでポンプを停止させる。そのためには不安定でなければならない。
  • ポンプ停止状態で安定。再び起動するのはLSU LSL=00になったとき。

モータ

OFF

モータ

ON

LSL=0

LSU,LSLが押されているとき「1」

LSU LSL

m

重 要

遷移表において,入力が変化した時には横方向へ,出力が変化する時には縦方向に移動する。

slide37
非同期順序回路で揚水ポンプを設計する1
  • 出力は M 1つ
  • 入力は 外部 LSL,LSU
  • 内部 m

入力

出力

M

遷移表を作る

 入力は2なので列数は22=4

 出力は1なので行数は21=2

LSU LSL

遷移図より遷移表を作る

m

slide38
非同期順序回路で揚水ポンプを設計する2

LSL=0/1

LSU=0

LSL=1

LSU=0/1

LSU=1

  • モータOFF,LSU LSL=01の時を開始点とする。この時には安定なので丸をつける。
  • 水位が下がってLSL=0になると左に移動する。この時ポンプを起動する必要があるので不安定で下に移動。
  • ポンプ起動で安定。貯水槽に水が入ると再びLSL=1になるので④に移動する。
  • さらに貯水槽の水位が上がって満水になるとLSU=1になる。
  • 満水なのでポンプを停止させる。そのためには不安定でなければならない。
  • ポンプ停止状態で安定。再び起動するのはLSU LSL=00になったとき。

モータ

OFF

モータ

ON

LSL=0

LSU,LSLが押されているとき「1」

LSU LSL

m

重 要

遷移表において,入力が変化した時には横方向へ,出力が変化する時には縦方向に移動する。

slide39
非同期順序回路で揚水ポンプを設計する3
  • 安定な部分はMとmが等しい,すなわちMは横の値と等しくなる。不安定な場合は,縦方向の移動先と同じになるのでその値を表に書き込む。また,何もない部分は×を書き込んでおく。
  • 遷移マトリックスはカルノー図と同じなので,簡単化した式を書き出す。

LSU LSL

m

LSU LSL

m

slide40
自動ボール盤の設計1
  • 自動ボール盤の動作
slide41
自動ボール盤の設計2
  • 1 スタートボタンSBを押す

被加工物(ワーク)を固定するため油圧バルブVcをONにする。

slide42
自動ボール盤の設計3
  • 2 主軸を降下させる(急速降下)

ワークが固定(クランプ)されてリミットスイッチLS1が押されたら主軸上下用バルブの降下用ソレノイドを駆動する。主軸が降下するとLS2は離れる。

主軸

slide43
自動ボール盤の設計4
  • 3 主軸を降下させる(加工速度降下)

LS3はドリルが被加工物の直前まできたら押される。ここからは穴開け加工をするために主軸をゆっくり降下させると共に,ドリルを回転させる。そのため,緩降下バルブのソレノイドと主軸駆動モータをONにする。

ドリル

slide44
自動ボール盤の設計5
  • 4 主軸を上昇させる(モータ回転)

ドリルの先端が規定の穴の深さに達すると,LS4がオンになるので主軸を上昇させる。ドリルがワークの中に残っている間は主軸を回転させておく必要があるので,モータはONのままである。

slide45
自動ボール盤の設計6
  • 5 主軸を上昇させる(モータ停止)

加工をしていなくても,摩擦などを減らすため,ドリルがワークの中に残っている間は主軸を回転させておく必要がある。LS3が押された時にはドリルの先端はワークの外に出ているのでモータを停止させる

slide46
自動ボール盤の設計7
  • 6 クランプを解除する

主軸が完全に上がりきってLS2が押されると穴あけ作業は終了したので,VcをOFFにして,ワークのクランプを解除する。

するとLS1は押されなくなり,最初の状態に戻る。

slide47
自動ボール盤の設計8
  • 設計のポイントタイムチャートを見て作りやすいところから手をつける
  • VuはLS4でセット,LS2でリセットの自己保持で実現できる。
  • VsはLS3でセットして,LS4でリセットするが,ステップ5で再びセットされないようにLS3をVuで禁止する。
  • MはLS3かつVdの時にセットする。またりセットはLS3かつVuでリセットすればよい。ただし,     となるので注意のこと
  • VdはLS1をVuで禁止することにより得られる。
  • Vcはリミットスイッチや制御器具の信号から直接生成することはできない。SBでセットはできるが,リセットではLS2が押された時となるが,スタート時にLS2が入っているのでセットできない。補助リレーXを用いて図のようなタイミングを作りリセットする。
slide48
プログラマブルコントローラ
  • Programable Controller(PC) シーケンサとも呼ばれる

プログラマブルコントローラの内部構成

ユーザプログラム

データ一時記憶

シーケンサの制御プログラム

パソコン

コンソール

slide49
プログラマブルコントローラ
  • プログラムの入力方法
    • ラダー図 (パソコン入力)
    • ニーモニック(Mnemonic) (パソコン,コンソール)

LD   01

OR   64

ANDC 00

    • フローチャート等 (パソコン)
      • フローチャート
      • ペトリネット
slide50
プログラマブルコントローラ
  • 自己保持回路の構成例
    • 下図のような自己保持回路をPCで実現する。

S

R

S

F

R

f

f

自己保持回路

F

slide51
プログラマブルコントローラ
  • プログラムの例(ニーモニック)

LD 0

OR 64

ANDC 1

ST 64

S

R

ANDC 1

f

S

R

S

ST 64

F

LD 0

f

f

S

OR 64

f

slide52

入力インターフェース

入力インターフェースの条件

雑音に強い

絶縁されている

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