机电控制技术教学参考Word文件下载.docx
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按给定量进行操纵、测量元件将误差反馈给控制装置和控制装置按干扰造成的偏差进行补偿控制。
其中，无反馈补偿控制装置的系统属于开环控制方式，有反馈补偿控制装置的系统属于闭环控制方式。
1．开环控制系统：
如果系统的输出量和输入量之间没有反馈作用，输出量对系统的控制过程不发生影响，这样的系统称为开环控制系统。
2．闭环（反馈）控制系统：
如果系统的输出量与输入量之间具有反馈联系，即输出量对系统的控制过程有直接影响，这样的系统称为闭环控制系统。
反馈是指对系统的被控制量进行测量，并加以处理（取其一部分或全部信息等）后，再返回输入端与系统给定量进行比较的过程。
典型闭环控制系统的组成元件：
（1）给定元件
（2）反馈元件
（3）比较元件
（4）放大变换元件
（5）执行元件
（6）被控对象
（7）校正元件
3．复合控制系统
如果在输出和输入之间同时存在开环控制和闭环控制的系统，称为复合控制系统。
二、自动控制系统的基本要求
1．稳定性
2．快速性
3．准确性
三、机电控制系统的基本组成
一个较完善的机电控制系统，应包括以下几个基本要素：
机械本体、动力装置、传感及检测装置、控制装置、执行装置，各要素和环节之间通过接口相联系。
四、机电控制系统的分类
1．按给定量的特征分类
按给定量的特征分类，机电控制系统可分为以下三种。
（1）恒值给定控制系统。
（2）随动控制系统。
（3）程序控制系统。
2．按系统中元件的特性分类
按机电控制系统中元件的特性分类，可分为以下两种。
（1）线性控制系统。
（2）非线性控制系统。
3．按系统中信号的形式分类
按机电控制系统中信号在时间上是连续还是离散的形式来分类，可分为以下两种。
（1）连续控制系统。
（2）离散控制系统。
第三节机电控制系统的相关技术
机电系统的核心是控制，因此，人们常将机电系统称为机电控制系统。
就技术而言，当今的机电控制技术是微电子、电力电子、计算机、信息处理、通信、传感检测、过程控制、伺服传动、精密机械及自动控制等多种技术相互交叉、渗透、融合而成的一种综合性技术。
机电控制的共性相关技术可以归纳为六个方面：
检测传感技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服传动技术、精密机械技术及系统总体技术。
一、自动控制技术
自动控制技术就是通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。
由于被控对象种类繁多，所以控制技术的内容极其丰富，包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、示教再现、检索等技术。
自动控制技术能协调机械、电器各部分来正确地完成动作过程，因此在机电控制系统中起到很重要的作用。
二、计算机与信息处理技术
信息处理技术包括信息的输入、识别、交换、运算、存储及输出技术，它们大都依靠计算机来进行，因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。
它可分为硬件和软件两大部分。
硬件包括计算机及外围设备、微处理机及可编程序控制器（PLC）、接口技术等。
软件包括操作系统、监控程序、程序设计语言、编译程序、检查程序及应用程序等。
在机电控制系统中，信息处理部分相当于人的大脑，指挥整个系统的运行。
信息处理是否正确、及时，直接影响到系统工作的质量和效率，因此，希望能提高信息处理速度、运行的可靠性和抗干扰能力。
三、检测传感技术
为提高产品的性能、扩展功能，通常需对机械进行实时控制、监视、安全检查等，以提高其自动化和智能化的程度，这些都要通过检测传感手段来实现。
因此，检测传感技术是机电控制系统安全运行与提高产品质量的有力保证。
四、伺服系统技术
伺服系统是指以机械参数，如位移、速度等作为控制对象的自动控制系统，是实现电信号到机械动作的转换装置与部件，对整个机电控制系统的动态性能、控制质量和功能具有决定性的影响。
伺服系统在数控机床、机器人、精密跟踪和测量仪、自动化武器系统和各种自动装卸系统等许多方面都有广泛的应用。
伺服系统包括运算处理环节、功率放大环节、驱动环节、检测环节及反馈环节等几部分。
当然简单的开环伺服系统中没有检测环节和反馈环节。
伺服系统的主要性能指标有三个：
稳定性、动态品质和精度。
五、机械技术与精密机械技术
机械技术是历史最悠久的应用技术之一，是机电控制系统最重要的基础技术。
系统中的一些最重要功能，基本上都是以机械技术为主实现的。
传统的机械技术已经在以材料、能源为对象的处理系统中做出了卓越的贡献。
例如，用于材料加工的机床，实现能源变换的发动机、电动机都是典型机械技术的结晶。
近几十年来，随着各种新兴技术的发展，传统的机械技术受到了猛烈的冲击，它的主要支柱，如应用力学、机械设计、制造工艺等出现了可喜的变革和发展，为机电控制系统的发展打下了坚实的基础。
1．应用力学
2．机械设计
3．制造工艺
六、接口技术
而在机电一体化产品中，不仅微型计算机的CPU与外围设备之间需要接口电路，而且各构成部分之间如检测部分与控制部分、控制部分与执行部分、机械主体与各电气线路之问都需有一定的接口电路来起到协调与匹配的作用，即在机电一体化产品中的各组成要素与各子系统的相接处（也就是所谓的“界面”上）都必须以接口来实现各部分的联系。
因此，接口的概念已从计算机系统扩展到整个机电一体化系统之中；
接口技术已不再单纯地从属于计算机，而是独立成为一门重要技术而立足于机电一体化技术之中。
根据接口的作用及其所受的约束的不同，我们可将接口分为以下4类。
（1）机械接口
（2）物理接口
（3）信息接口
（4）环境接口。
接口按照其转换调整的功能可以分为以下四类。
（1）零接口
（2）被动接口
（3）能动接口
（4）智能接口
七、系统总体技术
机电控制技术不是几种技术的简单叠加，而是通过系统总体设计使它们形成一个有机整体。
系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统的观点和方法，将总体分解成若干功能单元，找出能完成各个功能的技术方案，再将各个功能与技术方案组合成方案组进行分析、评价、优选的综合应用技术。
总体技术包括机电一体化机械的优化设计、CAD／CAM技术、研究和解决各组成部件之间的功能上的协调、可靠性设计及价值工程等。
显然，即使各部分技术都已掌握，性能、可靠性都很好，如果整个系统不能很好地协调，则它仍然不可能正常、可靠地运行。
由此可见系统总体技术的重要性。
第二章机电控制技术基础
第一节常用低压电器简介
用于接通和断开电路或对电路和电气设备进行保护、控制和调节的电工器件称为电器。
一、电器的类别
1．按工作电压等级可分为高压电器和低压电器
2．按触点的动力来源可分为手动电器和自动电器
3．按用途可分为配电电器和控制电器
4.按工作环境可分为一般用途低压电器和特殊用途低压电器。
二、低压电器品种和用途
低压电器是一种能根据外界的信号和要求，手动或自动地接通、断开电路，以实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节的元件或设备。
广泛应用于工厂供配电系统和生产设备自动控制系统。
在工厂机电设备自动控制领域，低压电器是构成设备自动化的主要控制器件和保护器件。
三、低压电器的型号表示法
我国低压电器型号的编制适用于下述各类产品。
产品型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合表示，其组合方式如下：
四、低压电器的主要性能参数
1．额定工作电压
2．额定工作电流
3．通断能力
4．额定绝缘电压
5．额定发热电流
6．电气寿命
7．机械寿命
第二节刀开关的结构组成及应用
一、开启式负荷开关
二、封闭式负荷开关
三、组合开关
四、刀开关常见故障的处理方法
第三节主令电器的结构组成及应用
主令电器主要用于切换控制电路，用它来命令电动机及其他控制对象的起动、停止或工作状态的变换，因此，称这类发布命令的电器为主令电器。
主令电器的种类很多，常用的主令电器有控制按钮、行程开关、接近开关及万能转换开关等。
一、控制按钮
控制按钮在低压控制电路中用于手动发出控制信号及远距离控制，也称为按钮。
用于接通、分断5A以下的小电流电路。
按用途和触点结构的不同，分起动按钮、停止按钮和复合按钮。
二、行程开关
行程开关又称为限位开关，它的作用是将机械位移转变为触点的动作信号，以控制机械设备的运动，它在机电设备的行程控制中起到很大的作用。
行程开关的工作原理与控制按钮相同，不同之处在于行程开关是利用机械运动部分的碰撞而使其动作；
按钮则是通过人力使其动作。
三、接近开关
接近开关是一种无机械触点的开关，它的功能是当物体在一定距离范围内接近开关时发出动作信号，而不需要机械式行程开关所必须施加的机械外力。
接近开关可当作行程开关使用，它还广泛应用于产品计数、测速、液面控制、金属检测等设备中。
四、万能转换开关
万能转换开关主要用作控制电路的转换或功能切换、电气测量仪表的转换以及配电设备（高压油断路器、低压空气断路器等）的远距离控制，亦可用于控制伺服电机和其他小容量电动机的起动、换向以及变速等。
由于这种开关触点数量多，因而可同时控制多条控制电路，用途较广，故称为万能转换开关。
第四节熔断器的结构组成及应用
熔断器广泛用于低压供配电系统和控制系统中。
当电路发生短路或严重过载时，熔断器中的熔体将自动熔断，从而切断电路，起到保护作用。
一、熔断器的基本结构
二、熔断器的主要参数
三、常用熔断器简介
四、低压熔断器型号含义
低压熔断器的型号表达方法及意义如下：
五、熔断器的选用
六、各种熔断器的主要技术数据
七、熔断器使用注意事项
第五节交流接触器的结构组成及应用
接触器是一种用途最为广泛的开关电器。
它利用电磁、气动或液动原理，通过控制电路来实现主电路的通断。
接触器具有通断电流能力强，动作迅速，操作安全，能频繁操作和远距离控制等优点，但不能切断短路电流，因此接触器通常需与熔断器配合使用。
接触器的主要控制对象是电动机，也可用来控制其他电力负载。
接触器按通断电流的种类可分为交流接触器和直流接触器两大类，平时使用最多的是交流接触器。
它主要用于接通和分断电压为1140V、电流为630A以下的交流电路，可实现对电动机和其他电气设备的频繁操作和远距离控制。
一、交流接触器的结构特点和工作原理
二、交流接触器的主要数据
三、交流接触器的型号及含义
四、交流接触器的选用
五、交流接触器的技术数据
六、交流接触器的安装技巧
七、交流接触器的常见故障的处理方法
第六节断路器的结构组成及应用
断路器通常也称为自动空气开关，它主要用在交、直流低压电网中，既可手动又可电动分合电路，且可对电路或用电设备实现过载、短路和欠电压等保护，也可以用于不频繁起动电动机，是一种重要的控制和保护电器。
断路器都装有灭弧装置，因此，它可以安全地带负荷合闸与分闸。
一、断路器的分类和结构组成
1．断路器的分类
2．断路器的基本结构
二、断路器的基本工作原理
通过手动或电动等操作机构可使断路器合闸，从而使电路接通。
当电路发生故障如短路、过载、欠电压等情况，通过脱扣装置使断路器自动跳闸，达到故障保护的目的。
三、断路器的型号含义
塑料外壳式断路器的型号含义如下：
四、断路器的选用
选用断路器时首先确定断路器的类型，然后确定的具体数据。
五、断路器使用安全事项
为保证低压断路器可靠工作，使用时要注意以下事项：
1.断路器要按规定垂直安装，连接导线必须符合规定要求。
2.脱扣器的整定值一经调好就不要随意变动，但应做定期检查，以免脱扣器误动作或不动作。
3.分断短路电流后应及时检查主触点，若发现弧烟痕迹，可用干布擦净；
若发现触点灼伤应及时修复。
4.工作时不可将灭弧罩取下，灭弧罩损坏应及时更换，以免发生短路时电弧不能熄灭的事故。
5.应定期给操作机构添加润滑油。
6.应定期清除断路器的尘垢，以免影响操作和绝缘。
六、断路器的常见故障及处理方法见表2-8。
七、断路器的技术数据
塑料外壳式断路器的技术数据见附表2-11和附表2-12。
第七节继电器的结构组成及应用
继电器是一种根据外界输入信号来控制电路接通或断开的一种自动电器，主要用于控制、线路保护或信号转换。
继电器的种类很多，分类方法也较多。
按反映的信号可分为电压继电器、电流继电器、时间继电器、热继电器和速度继电器等；
按用途可分为控制继电器和保护继电器；
按动作原理可分为电磁式、电子式和电动式等。
一、电磁式继电器
电磁式继电器是电压继电器、电流继电器和中间继电器的总称。
1．通用继电器
2．电流继电器
3．电压继电器
4．中间继电器
二、热继电器
热继电器是利用电流通过发热元件时所产生的热量使双金属片受热弯曲而推动触点动作的一种保护电器。
它主要用于电动机的过载保护、断相保护以及电流不平衡运行保护，也可用于其他电气设备发热状态的控制。
1．热继电器的结构特点和工作原理
2．热继电器的技术数据
3．热继电器主要技术数据
4．热继电器常见故障的处理
三、时间继电器
1．时间继电器的结构和工作原理
时间继电器也称延时继电器，它在电路中起着使控制电路延时动作的作用，即当继电器的感测机构接收到外界动作信号后，要经过一段时间延时后触点才动作并输出信号去操纵控制电路。
时间继电器按动作原理可分为电磁式、空气阻尼式、电动式和电子式；
按延时方式可分为通电延时和断电延时两种。
2．时间继电器的主要技术数据
时间继电器的主要技术数据见附表2-14和附表2-15。
3．时间继电器的选用
延时方式的选用:
根据控制电路的需要选择通电延时型或断电延时型，瞬时动作触点的数目也要满足要求。
类型的选用:
对延时精度要求不高的场合，可选用空气阻尼式；
对延时精度要求较高的场合，一般可选用晶体管式。
工作电压的选用:
根据控制电路电压选择吸引线圈或工作电源的电压。
4．时间继电器的常见故障的处理方法
四、速度继电器
速度继电器主要用于电动机反接制动，所以也称反接制动继电器。
电动机反接制动时，为防止电动机反转，必须在反接制动结束时或结束前及时切断电源。
1.速度继电器的结构
2．速度继电器的工作原理
3．速度继电器的技术数据
4．速度继电器常见故障的排除方法
第八节电气控制系统图的画法规则
电气控制系统是由许多电气元件按一定要求连接而成的。
电气控制系统中各电气元件及其连接，可用一定的图形表达出来，这种图就是电气控制系统图。
电气控制系统图中，电气元件必须使用国家统一规定的图形符号和文字符号。
国家规定从1990年1月1日起，今后电气系统图中的图形符号和文字符号必须符合最新的国家标准。
当前推行的最新标准是国家标准局颁布的GB4728-1984《电气图用图形符号》、GB6988-1987《电气制图》和GB7159-1987《电气技术中的文字符号制订通则》。
电气控制系统图有三类：
电气原理图、电器元件布置图及电气安装接线图。
一、电气原理图
电气原理图是为了便于阅读和分析控制线路，根据简单清晰的原则，采用电气元件展开的形式绘制成的表示电气控制线路工作原理的图形。
1．绘制电气原理图的基本规则
（1）原理图一般分主电路和辅助电路两部分画出。
（2）原理图中，各电器元件不画实际的外形图，而采用国家规定的图形符号来画，文字符号也要符合国家标准。
（3）原理图中，各电器元件的导电部件，如线圈和触点的位置，应根据便于阅读和分析的原则来安排，绘在它们完成作用的地方。
同一电器元件的各个部件可以不画在一起。
（4）原理图中所有电器的触点，都按没有通电或没有外力作用时的开闭状态画出。
如继电器、接触器的触点，按线圈未通电时的状态画；
按钮、行程开关的触点按不受外力作用时的状态画；
控制器按手柄处于零位时的状态画等。
（5）原理图中，有直接电联系的交叉导线的连接点，要用黑圆点表示。
无直接电联系的交叉导线，交叉处不能画黑圆点。
（6）原理图中，无论是主电路还是辅助电路，各电气元件一般应按动作顺序从上到下，从左到右依次排列，可水平布置或垂直布置。
2．图面区域的划分
在原理图上方将图分成若干功能图区，下方的1，2，3，…数字是图区编号，它是为便于检索电气线路及方便阅读分析设置的。
3．符号位置的索引并标明该区电路的用途与作用。
原理图在较复杂的电气原理图中，对继电器、接触器线圈的文字符号下方要标注其触点位置的索引；
而在触点文字符号下方要标注其线圈位置的索引。
4．电气原理图中技术数据的标注
电气元件的技术数据，除在电气元件明细表中标明外，有时也可用小号字体注在其图形符号的旁边，如图区2热继电器FR1的动作电流值范围为6.8～11A，整定值为8.4A。
图中标注的l.5mm2、2.5mm2等字样表明该导线的截面积。
二、电气元件布置图
电气元件布置图主要用来表明各种电气设备在机械设备上和电气控制柜中的实际安装位置，为机械电气控制设备的制造、安装及维修提供必要的资料。
各电气元件的安装位置是由生产设备的结构和工作要求决定的，如电动机要和被拖动的机械部件在一起，行程开关应放在要取得信号的地方，操作元件要放在操纵台及悬挂操纵箱等操作方便的地方，一般电气元件应放在控制柜内。
电气元件布置图主要由电气设备布置图、控制柜与控制板电气设备布置图及操纵台与悬挂操纵箱电气设备布置图等组成。
在绘制电气设备布置图时，所有能见到的以及需表示清楚的电气设备均用粗实线绘制出简单的外形轮廓，其他设备（如机床）的轮廓用双点划线表示。
三、电气安装接线图
电气安装接线图是为了安装电气设备和电气元件时进行配线或检查维修电气控制线路故障服务的。
在图中要表示出各电气设备之间的实际接线情况，并标注出外部接线所需的数据。
在接线图中各电气元件的文字符号、元件连接顺序及线路号码编制都必须与电气原理图一致。
第九节机电控制系统的基本控制电路
一、启动、自锁与停止控制电路
生产设备在使用中，一般都必须有启动与停止按钮，用以控制电动机的启动与停止。
图2-38启动与停止控制电路
二、长动与点动控制
生产设备在正常情况下需要连续不停地工作，即所谓长动，而点动则是指手按下按钮时，电动机转动工作，手松开按钮时，电动机立即停止工作。
点动多用于生产设备的调整或某些需手动操作的场合。
长动与点动的主要区别是控制电器能否自锁。
图2-39为实现长动与点动的几种电路，图（a）为用按钮实现长动与点动的控制电路；
图（b）为用开关SA实现长动与点动转换的控制电路；
图（c）为利于中间继电器KA实现长动与点动的控制电路。
图2-39长动与点动控制电路
三、多点控制
在较大型生产设备中，为了操作方便，常要求能在多个地点进行控制，实现的方法是将分散在各操作站上的启动按钮引线并联起来，停止按钮的引线作串联连接。
四、联锁控制
联锁控制是自动控制中一个很重要的环节,如两（多）台电动机不准同时工作。
图2-41所示
图2-40多地点控制电路图2-41联锁控制
五、顺序启动控制
在控制电路中，经常要求电动机有顺序地启动。
第十节继电器接触器电气控制系统的设计
常用的继电器接触器控制，也称常规控制或传统控制。
当前用工业微机和可编程控制器（PLC）控制的生产设备越来越多。
但是，传统生产设备的使用现在仍占绝大多数，而且一些简单系统根本不需要微机控制。
因此，学习和掌握继电器接触器电气控制系统的设计非常实用。
本节主要叙述电气控制设计的基本原则、基本内容、电力拖动方案和电动机的选择、电气原理图的设计以及电气的工艺设计。
一、电气控制设计的基本原则
1．最大限度满足生产设备和工艺对电气控制的要求；
2．在满足控制要求的前提下，设计方案应力求简单、经济及实用，不宜盲目追求自动化和高指标；
3．把电气系统的安全性和可靠性放在首位，确保使用安全、可靠；
4．妥善处理机械与电气的关系，要从工艺要求、制造成本、机械电气结构的复杂性及使用维护等方面综合考虑。
二、电气控制设计的基本内容
电气控制设计包含原理设计与工艺设计两个基本部分。
1．原理设计的内容
（1）拟订电气控制设计任务书；
（2）选择拖动方案、控制方式及电动机；
（3）设计并绘制电气原理图和选择电器元件并制订元器件目录表；
（4）对原理图各连接点进行编号。
2．工艺设计内容
（1）根据电气原理图（包括元器件表），绘制电气控制系统的总装配图及总接线图；
（2）电器元件布置图的设计与绘制；
（3）电气组件和元件接线图的绘制；
（4）电气箱及非标准零件图的设计；
（5）各类元器件及材料清单的汇总；
（6）编写设计说明书和使用维护说明书。
三、电气控制设计的一般程序
设计程序一般是先进行原理设计再进行工艺设计，详细的设计程序同上述设
计内容的排序相同。
在此重点介绍电气设计任务书的拟订。
设计任务书是整个系统设计的依据，同时又是今后设备竣工验收的依据。
基本内容一般为：
1．给出机械及传动简图、工艺过程、负载特性、动作要求、控制方式、调速要求及工作条件；
2．给出电气保护、控制精度、生产效率、自动化程度、稳定性及抗干扰要求；
3．给出设备布局、安装、照明、显示及报警方式等要求；
4．目标成本与经费限额、验收标准及方式等。
四、电力拖动方案确定原则
由于交流电动机特别是笼型异步电动机结构简单、运行可靠、价格低廉、维修方便及应用广泛，所以在选择电力拖动方案时，首先应尽量考虑笼型异步电动机，只有那些要求调速范围大和频繁启动、制动的生产设备，才考虑采用直流或交流无级调速系统。
因此，应依生产设备对调速的要求来考虑电力拖动方案。
1．对于一般无特殊调速指标要求的设备，应优先采用笼型异步电动机。
2．对于要求电气调速的设备，应根据调速技术要求来选择拖动方案。
若调速范围D=2～3，调速级数≤4，一般采用可变极数的双速或多速笼型异步电动机。
若D=3～10，且要求平滑调速时，在容量不大的情况下，应采用带滑差电磁离合器的笼型异步电动机拖动方案。
若D=10～100，可采用晶闸管直流或交流调速拖动系统。
3．电动机的调速性质应与负载
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