主讲人：刘利

1. 主讲人：刘利 上海交通大学机电控制研究所 lili630@sjtu.edu.cn 021-34206294 交通大学网络控制课程系列 考试课、专业基础课、必修课 2008.1.7

2. 一、教学要求的基本层次 教学要求分为三个层次，即：掌握、理解和了解。 1. 掌握 本课程的重点内容要求达到全面、深入地掌握程度。并能够举一反三，熟练解决相关问题，这是学位考的重点考核内容。 2. 理解 本课程的一般内容要求能够理解，并能够进行分析和判断。 3. 了解 本课程的一些基本概念要求能够了解。同时一些涉及数学、电子的内容不要求进一步深入和扩展的要求。

3. 二、考题类型 一、选择题（包括单、多选择） 二、简答题 三、程序分析题（包括PLC、单片机） 四、控制系统设计（包括低压电器、PLC、单片机的硬、软件） 五、分析、判断题 注：取消填空题！

4. 三、复习范围和具体要求 第一章 概述 • 复习内容： 第三节：机电控制系统的基本要素和功能 第四节：控制系统的基本概念 • 具体要求： 1、机电一体化系统的五大构成要素、五大功能及它们的对应关系。 2、控制系统基本类型 3、闭环控制系统的基本组成。 4、控制系统的基本要求。 以上内容需要掌握。

5. 机械 部件 CNC 位置,速度反馈 电机 位置,速度检测单元 数控机床伺服系统组成 重要内容的回顾 （教材P3 ～12）1.机电一体化系统的构成

6. 控制 信息 能 量 电子控制单元 动力源 执行器 参数变 化信息 驱动力 检测参数 检测传 感部分 机械本体

7. 机电一体化的形人结构

8. 机电一体化系统的各部分的作用 1、机械本体（结构功能） 由机械零件组成，能够传递运动并完成某些有效工作的装置。 2、能源（运转功能）:提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能。 3、检测传感装置:检测产品内部状态和外部环境，实现计测功能 4、电子控制单元:处理、运算、决策，实现控制功能. 5、执行机构:包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成要求的动作，实现驱动功能和能量转换功能。 。

9. 2、控制系统的基本类型

10. 按输入量的特征分类 恒值控制系统：系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量为恒值。 如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。 随动系统（伺服系统）：输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。 如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等 程序控制系统：输入量的变化规律预先确知，控制器按照预先确定的顺序，或按照一定逻辑顺序逐次对各个阶段进行控制，使被控对象按照要求而运动。程序控制主要包括如下三种形式：

11. 顺序控制：使机器按着制定的操作顺序运行 时间控制：某台机器的操作经过规定的时间后，使下一个机器运行 条件（连锁）控制：若设定的条件成立时， 使机器运行 E.g.马达和机械的 顺序启动 E.g.一般机械的控制 E.g.交通信号灯 E.g.洗衣机 E.g.氖灯广告

12. 按系统中传递信号的性质分类 连续控制系统： 系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。连续控制系统通常采用微分方程描述。 离散（数字）控制系统： 系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量传递的系统。离散控制系统通常采用差分方程描述。

13. 非线性控制系统： 系统中有非线性元件，输入输出间不具有叠加性和均匀性性质。 用非线性微分方程来表述。 线性控制系统： 由线性元件组成，输入输出问具有叠加性和均匀性性质。 以线性微分方程来表述。 按系统元件特性分类 方程系数与时间的关系->定常、时变*

14. 开环控制系统 闭环控制系统 半闭环控制系统 开环控制与闭环控制 控制系统根据有无反馈作用可分为三类：

15. 开环控制 控制器与被控对象间只有顺序作用而无反向联系且控制单方向进行。 数控机床的开环控制系统方块图 优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。 缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力。

16. 闭环控制 闭环控制系统特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程有直接影响。闭环的作用：应用反馈，减少偏差。 优点：精度较高，对外部扰动和系统参数变化不敏感 缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析 和设计麻烦。

17. 半闭环控制 特点：反馈信号通过系统内部的中间信号获得。

18. 1给定元件： 产生给定信号或输入信号。 2反馈元件： 测量被控制量（输出量），产生反馈信号。为便于传输，反馈信号通常为电信号。 注意：在机械、液压、气动、机 电等系统中存在着内在反馈，这种反馈无须专门的反馈元件，是系统内部各参数相互作用产生的，如作用力与反作用力之间形成的直接反馈。 3比较元件： 对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号。 4放大元件： 对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能。 5执行元件： 直接对受控对象进行操纵的元件，如电动机、液压马达等。 3、闭环控制系统的组成

19. 6校正元件： 用以改善系统控制质 量的装置。 校正元件分为串联和并联两种。 控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共同起控制作用，统称为控制器。 实际的控制系统中，扰动总是不可避免的，扰动分为内部扰动和外部扰动。但在控制系统中，扰动集中表现在控制量与被控量的偏差上，因此，可以将控制系统的扰动等效为对控制对象的干扰。

20. 4、自动控制系统的基本要求 • 稳定性： 系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。稳定性是控制系统正常工作的先决条件。 稳定的摆 不稳定的摆

21. (c)不稳定 (b)稳定 注意：控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关

22. 准确性： • 控制精度，以系统稳态误差来衡量。稳态误差是指输入量作用系统后，系统的调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态时，系统输出量的实际值与给定量之间的差值。 • 快速性： • 系统输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。 • 注意： • 不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快速性要求各有侧重。 • 系统的稳定性、精确性、快速性相互制约。如提高系统响应的快速性，可能会引起振荡，稳定性变差；改善系统的稳定性，控制过程可能过于迟缓，甚至控制精度降低。因此，应根据实际需求合理选择。

23. 第二章 机电控制系统的数学模型 此部分内容只需一般了解 第三章传感器技术 此章内容省略

24. 第四章继电接触控制系统设计 • 复习内容 4.1 常用低压电器 4.2 电气原理图的画法规则 4.3 基本控制电路 4.4 三相异步电机控制系统设计 • 具体要求： 1、掌握各种常用低压电器（空气开关、中间继电器、空气开关熔断器、接触器、热继电器）的功能及应用场合； 2、了解常用低压电器文字与图形符号； 3、掌握基本控制电路（包括三相异步电机启动、停止控制系统） 4、能够根据工艺要求，设计相应的低压电器控制系统。

25. 重要内容回顾1、常用低压电器（见教材P75~80) 断路器(又称空气开关） 作用：不频繁地接通或断开负载电路 具有过载、短路、失压保护功能 结构：自动开关从结构由三部分组成： 主触点及灭弧系统（执行部分）——接通/分断主电路； 各种脱扣器（感测元件）——接收电路的故障信号； 操作机构（机械传递部件）——由脱扣器接收信号后由它实现自动/手动跳闸的任务。

26. 工作原理：（过电流脱扣器的自动开关原理结构图）工作原理：（过电流脱扣器的自动开关原理结构图）

27. 断路器文字与图形符号

28. 继电器 作用：根据某种输入信号的变化，接通/断开控制电路，实现控制目的。 种类： 电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器、速度继电器及压力继电器等； 中间继电器 特点：中间继电器（KA）实质上是电压继电器的一种，但它的触点数多，触点的容量大（额定电流5—10A）。 作用：信号传递、放大、分路、反相。 图形、文字符号：

29. 定义：线圈通电或断电后其触点经过一定延时再动作的继电器定义：线圈通电或断电后其触点经过一定延时再动作的继电器 种类：断电延时时间继电器、通电延时时间继电器。 图形、文字符号 时间继电器 触点表示含义 具体见教材P103

30. 热继电器 作用：利用热效应原理，对电机或电气设备过载起保护作用。 长期过载、频繁启动、欠电压、 断相运行均会引起过电流。

31. 接触器 作用：接触器是一种用来频繁地接通或断开有负载的主电路的自动控制器。 与继电器的区别： 主、辅触点之分 按主触点通过的电流是直流还是交流，接触器分为直流/交流接触器。 主触点容量大。 图形及文字符号：

32. 2、基本控制电路（见教材P105~116) （1）启动、自锁与停止控制电路 生产设备在使用时，一般都必须有启动与停止按钮，用于控制设备的启动与停止。 （2）长动与点动控制 生产设备在正常情况下是连续工作，即所谓长动；而点动是指按下按钮时，设备工作，手松开按钮时，设备立即停止工作。 （3）互锁控制 是指多组控制电路相互禁止，即一个动作禁止其他动作。 （4）多点控制 多点控制电路设置多套起、停按钮，分别安装在设备的多个操作位置。（5）顺序控制 用于实现机械设备依次动作的控制要求。

33. Part1 自动启/停控制 依靠接触器自身辅助触点而使其线圈保持通电的现象 ----自锁 为什么加自锁？ 为什么用点动开关？ 启动、停止优先级？

34. 起停控制电路的保护分析 • 过载保护： 热继电器FR用于电动机过载时，其在控制电路的常闭触点打开，接触器KM线圈断电，使电动机M停止工作。排除过载故障后，手动使其复位，控制电路可以重新工作。 • 短路保护： 熔断器组FU1用于主电路的短路保护，FU2用于控制电路的短路保护。 • 欠压、零压保护： 当电源电压严重下降或电路失电，接触器各触点复位断开电动机的电源，一旦电源恢复，不操作起动按钮，KM线圈不会再次自行通电，电动机不会自行起动，从而避免事故发生。即自锁电路具有欠压和失压保护。

35. Part2长动与点动控制 a) 按钮操作：SB3常闭触点用来切段自锁电路实现点动。 b) 转换开关控制：SA合上，有自锁电路，SB2为长动操作按钮；SA断开，无自锁电路，SB2为点动操作按钮。 c) 中间继电器KA控制：按动SB2、KA通电自锁，KM线圈通电，此状态为长动；按动SB3、KM线圈通电，但无自锁电路，为点动操作。

36. SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 SB7 Part3多点控制 KM • 结论: • 由N个电器都能控制甲接触器通电,则N个电器的常开触点应并联接到甲接触器的线圈电路上; • 由N个电器都能控制甲接触器断电,则N个电器的常闭触点应串联接到甲接触器的线圈电路上; KM

37. Part4互锁－正反转控制电路 控制要求： 正、反转； 如何实现？ 缺点?

38. 主电路： KM1主触点接通正相序电源—M正转。 KM2主触点接通反相序电源—M反转。 控制电路： SB1控制正转，SB2控制反转，SB3用于停止控制。 KM的常闭触点用于互锁控制，即使在接触器故障情况下，也可以保证不发生主电路短路现象。 Part4互锁－正反转控制电路之一 正－停－反

39. Part4互锁－正反转控制电路之二按钮联锁功能 正－反－停 使用和常开触点联动的常闭触点的断开对方支路线圈电流，再利用常开触点的闭合接通通电线圈电流。

40. Part5顺序控制 • a）KM1的辅助常开触点起自锁和顺控的双重作用。 • b）单独用一个KM1的辅助常开触点作顺序控制触点。 • c）M1—>M2的顺序起动、M2－>M1的顺序停止控制。

41. 结论 基本电路的结构特点： 1.自锁： 接触器常开触点与启动按钮常开触点相并联。 2.互锁： 两个接触器的常闭触点串联在对方线圈的电路中。 3.点动： 无自锁环节。 4.多地： 启动按钮的常开触点并联、停止常闭触点串联。 5.顺序： 若启动顺序为:先甲后乙,则在乙线圈电路中串联甲的常开触点; 若停止顺序为:先乙后甲,则在甲停止按钮并联乙的常开触点;

42. （6）三相异步电机控制电路 降压启动控制电路 星形－三角形 制动控制电路 电磁机械制动

43. 异步电机星-三角形启动 三角形接法 KM2 为什么采用时间继电器？ Y接法

44. 异步电机制动控制之一电磁机械制动 1、电磁机械制动原理： 抱闸的电磁线圈YB通电时，电磁力克服弹簧的作用，闸瓦松开，电动机可以运转。

45. KT2启动 1# KT1启动 2# KT3停止 3# 3、低压电器控制系统设计（1）皮带运输机的电气控制线路设计 KT4停止

46. 工艺要求 停止时顺序为：1#--2#--3#，并具有一定时间间隔，以保证停机后不残余货物； 不论2#或3#机出现故障，1#机必须停机，以免继续进料，造成货物堆积； 启动时顺序为：3#--2#--1#，并具有一定时间间隔，以免货物在皮带上堆积，造成后面皮带重载启动 必要的常规保护（如失压、过载、短路等）

47. 主电路设计 • 电机：三相交流异步电机，因为皮带传输机属于长期工作，不需要调速、也不需要正/反转； • 启动方式：直接启动。由于电网相对电机容量足够大，且三台电机又不同时启动，故不会对电网产生较大冲击； • 停止方式：自由停机。皮带运输机不经常停机，且对停机时间、准确度无特殊要求； • 常规保护；熔断器（短路）热继电器（过载）中间继电器（失压）；

48. FU QS FU KM FR1 PE M

49. SB1 KM2 SB2 KM1 1# KM1 SB3 SB4 KM3 KM2 2# KM2 KM1 SB6 SB5 3# KM3 KM2 KM3

50. SB2 FR1 FR2 FR3 KM1 KT2 KT1 KM2 KT3 KM2 KM3 KT4 KA KT1 KM3 KT2 KA KT3 KT4 SB1 KA