【文章內容簡介】 征模式識別 , 基于知識、經驗的推理及智能決策基礎上的控制 , 是在如何控制上下功夫。因此 , 相對于傳統(tǒng)控制的“模型論” , 智能控制可稱之為控制論。模式識別體現(xiàn)智能特征 , 基于知識、經驗的推理及智能決策更 表現(xiàn)智能行為。因此 , 智能控制是以模擬智能為核心的控制 , 它的研究重點不再是被控對象 , 而是控制器本身。 11 智能控制系統(tǒng)的基本結構 智能控制系統(tǒng)的結構可以根據被控對象及環(huán)境復雜性和不確定性的程度、性能指標要求等劃分為具有不同的結構 , 本文主要介紹了基本結構形式如圖 1 所示。該結構把智能控制系統(tǒng)分為智能控制器和外部環(huán)境兩大部分。智能控制器是由感知信息與處理、數(shù)據庫、規(guī)劃與控制決策、認知學習、控制知識庫、評價機構 6 部分組成。外部環(huán)境是由廣義被控對象、傳感器和執(zhí)行器組成 , 還包括外部各種干擾等不確定性因 素。智能控制系統(tǒng)有很多優(yōu)勢 : 無模型參考、強魯棒性、自學習能力、自適應性、超協(xié)調性、滿意型最優(yōu)等 , 這使得智能控制被廣泛應用在多個領域。 數(shù)據庫 認知知識 控制 知識庫 通知信息 與處理 評價機構 規(guī)劃與 控制決策 傳感器 圖 1 智能控制系統(tǒng)的結構 機電一體化的智能化應用 目前機電一體化的智能化應用已成為趨勢 , 智能機器人和數(shù)控機床就是例子。智能機器人是通過視覺、觸覺和聽覺等各類傳感器檢測工作狀態(tài) , 根據實際變化過程反饋信息并做出判斷與決定。數(shù)控機床的智能化體現(xiàn)在各類傳感器對切削加工前后和加工過程中的各種參數(shù)進行監(jiān)測 , 并通過計算機系統(tǒng)做出判斷 , 自動對異?，F(xiàn)象進行調整與補償 , 以保證加工過程的順利進行 , 并保證加工出合格的產品。 國內外數(shù)控機床的發(fā)展狀況 在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中 , 各發(fā)達國家提出了新的模式 , 他們認為 : 數(shù)控技術是關鍵技術 , 它集執(zhí)行器 廣義對象 12 微電子、計算機、信息處理、自動檢測、自動控制等高新技術于一體。它具有高精度、高效率、柔性自動化等特點 , 對制造業(yè)實現(xiàn)柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重 的作用。目前 , 在集成化基礎上 , 數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了超薄型、超小型化 。 在智能化基礎上 , 綜合了計算機、多媒體、模糊控制、神經網絡等多學科技術。數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了高速、高精、高效控制 , 加工過程中可以自動修正、調節(jié)與補償各項參數(shù) , 實現(xiàn)了在線診斷和智能化故障處理。 長期以來 , 我國的數(shù)控系統(tǒng)仍為傳統(tǒng)的封閉式體系結構 , 加工過程變量根據經驗以固定參數(shù)形式事先設定 , 加工程序在實際加工前用手工方式或自動編程系統(tǒng)進行編制。在復雜環(huán)境以及多變條件下 , 加工過程中的刀具組合、工件材料、主軸轉速、進給速率、刀具軌跡、切削 深度、步長、加工余量等加工參數(shù) , 無法在現(xiàn)場環(huán)境下根據外部干擾和隨機因素實時動態(tài)調整 , 影響工作效率和產品加工質量。因此 , 對數(shù)控技術實行變革勢在必行。 數(shù)控機床的智能化 在數(shù)控機床中得到廣泛應用的數(shù)控技術 , 是一種采用計算機對機械加工過程中各種控制信息進行數(shù)字化運算、處理 , 并通過高性能的驅動單元對機械執(zhí)行構件進行自動化控制的高新技術。當前已有大量機械加工裝備采用了數(shù)控技術 , 其中最典型而應用面最廣的是數(shù)控機床。由于機械加工工藝的多樣性和加工零件的復雜性 , 使數(shù)控機床的規(guī)格、品種多樣 , 性能差異 極大 , 控制參數(shù)復雜 , 調試操作繁瑣 , 因此 , 在將不斷飛速發(fā)展的通用計算機技術及其體系結構、現(xiàn)代自動控制理論及現(xiàn)代的電力電子技術應用于新一代數(shù)控機床時 , 我們希望它能夠實現(xiàn)智能化。 所謂智能化數(shù)控系統(tǒng) , 是指具有模擬人智能的特征 , 在數(shù)控系統(tǒng)中具有模擬、延伸、擴展的智能行為的知識處理動能 , 如自學習、自適應、自組織、自尋優(yōu)、自鎮(zhèn)定、自識別、自規(guī)劃、自修復、自繁殖等。智能數(shù)控系統(tǒng)可以對影響加工精度和效率的物理量進行檢測、建模、提取特征、自動感知加工系統(tǒng)的內部狀態(tài)及外部 環(huán)境 , 快速做出實現(xiàn)最佳目標的智能決策 , 對進給速度、切削深度、坐標移動、主軸轉速等工藝參數(shù)進行實時控制 , 使機床的加工過程處于最佳狀態(tài)。當前數(shù)控系統(tǒng)所需要的功能將不只是高的性能 ( 高速、高精度、高可靠性 ) , 而且還包括許多智能 功能 , 如加工運動規(guī)劃、推理、決策能力以及加工環(huán)境的感知能力、制造網絡通信能力 ( 包括與人的交互 ) 、智能編程、智能數(shù)據庫、智能監(jiān)控等。 實踐證明 , 上述的“智能化”技術 , 在 21 世紀還要應用于新一代數(shù)控機床的調整、使用與維修等各個環(huán)節(jié) , 使人工參與大為簡化 , 要應用 “智能化”技術 , 對人機界面進行包裝 , 要充分利用自然語言、視窗界面和簡單化的人工運作 , 使機床的調整、使用與維修趨于現(xiàn)代化。 綜上所述 , 智能化是機電一體化技術與傳統(tǒng)機械自動化技術的主要區(qū)別之一 , 也是 21 世紀機電一體化技術發(fā)展的主要方向 , 必將會為系統(tǒng)科學的研究提供新的思路 第 4 章 探索 PLC 在機電一體化中的重要作用 可編程序控制器 (Programmable Log Controller)簡稱 PLC，是采用微電腦技術制造的通用 13 自動控制設備。它是一種帶有指令存儲器、數(shù)字或模擬的輸入輸 出接口，以運算為主能完成邏輯順序、定時、計數(shù)和算術運算等功能，用以機器或生產過程自動控制和監(jiān)視的裝置。它以優(yōu)越的功能，良好的控制精度和高可靠性，在工業(yè)自動化控制中獨領風騷。程序控制技術是工業(yè)自動化中重要的基礎技術。 PLC 既能控制開關量，也能控制模擬量，用于替代繼電器控制邏輯、二極管矩陣邏輯以及便于接線的數(shù)字邏輯。由于 PLC 是專門為工業(yè)自動化控制設計的一種工業(yè)用微電腦，所以在工業(yè)自動化控制中， PLC 比單板機、微型計算機的使用更可靠。 的主要功能及技術指標 PLC 是控制技術和計算機技 術的結晶，但是對于熟悉機電控制技術的工程人員來說，在使用 PLC 時沒有必要完全了解計算機的深層次技術問題，只需要把 PLC 看作機電控制技術人員熟悉的繼電器計時器和計數(shù)器的集合即可，所以 PLC 的實際使用簡單方便，適應普通的機電控制技術人員。 1． PLC 的主要功能 PLC 的主要功能有： ① 條件控制。 PLC 具有邏輯運算功能，它設置了與(AND)、或 (OR)、非 (NOT)等邏輯運算指令，能處理繼電器接點的串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)以及并串聯(lián)等各種連接； ② 限時控制。 PLC 具有定時控制功能，它可以提供若干個定時器，并設置了定時指令，調用修改靈活方便； ③ 計數(shù)控制。 PLC 具有計數(shù)控制功能，它可以提供若干個計數(shù)器，設置了計數(shù)指令，計數(shù)器的計數(shù)值可以在運行時讀出，也可以在運行時修改； ④ 步進控制。 PLC 具有步進控制功能，可以在一道工序完成后，再進行下一步工序，并且設置了移位寄存器； ⑤ 模數(shù)和數(shù)模轉換功能。有些 PLC 具有模數(shù)和數(shù)模轉換功能，能完成對模擬量的控制和調節(jié)； ⑥ 通信和聯(lián)網。有些 PLC 采用了通信技術，可以進行遠程的 I／ 0 控制，即 PLC 之間同位鏈接或由一臺計算機和若干臺 PLC 構成 集中管理，分散控制的分布式控制網絡。 2． PLC 的主要技術指標單臺 PLC 可控制成千上萬個點，多臺 PLC 的同位鏈接可控制更多個點，平均每個點的處理速度從 10 s 一 1 8，編程容量從幾 K 字節(jié)～上百 K 字節(jié)，平均無故障時間為 3 105H 而且編程語言是電氣控制技術人員熟悉的梯形圖語言，還配置了較強的監(jiān)控功能，它能記憶某些異常情況，在發(fā)生異常情況時自動終止運行。在控制系統(tǒng)中，操作人員通過監(jiān)控命令可以監(jiān)視有關部分的運行狀態(tài)，隨時調整定時、計數(shù)等設定值，為調試和維護提供了較強的手段。 與繼電器控制邏輯 的比較 繼電器控制邏輯自 2O 世紀 20 年代問世以來一直是機電順序控制的主流，由于它的結構簡單，使用方便，價格低廉，所以使用范圍甚廣。其缺點是動作速度慢，可靠性差，采用微電腦技術的 PLC 的出現(xiàn)，使得繼電器控制邏輯更加遜色，比較如下： 1．控制邏輯繼電器控制采用硬接線邏輯，它利用繼電器接點的串連、并聯(lián)，利用延時繼電器的滯后動作組合成控制邏輯，連線復雜，體積大，功耗也大，當一個控制系統(tǒng)研制成功以后，要想再做修改就困難了。這是因為任何控制邏輯的修改都隨著現(xiàn)場連線的改動而改動，特別是想增加一些控制邏輯時就更加 困難了。 因此，繼電器控制邏輯的靈活性和擴展性較差。而 PLC 采用存儲邏輯，除了輸入輸出端以外不與現(xiàn)場連接，控制邏輯以程序的方式存儲在 PLC 的內存當中，控制邏輯復雜則程序就會長一一些，因此連線少體積小， PLC 是由大、中規(guī)模集成電路組裝而成的，功耗也小。由于控制邏輯只與程序有關，當需要對控制邏輯進行修改時，只要修改程序就行了，而不需要修改連線， 14 因此靈活性和擴展性強。 2．控制速度繼電器控制邏輯是依靠觸點的機械動作來實現(xiàn)的，工作頻率低，觸點的開閉動作一般在幾十毫秒數(shù)量級。而且使用的繼電器越多，反應速度越慢 ，還容易出現(xiàn)觸點抖動問題。而 PLC 是由程序指令控制半導體電路來實現(xiàn)控制的，速度相當快，一般一條用戶指令的執(zhí)行時間在微秒數(shù)量級，由于 PLC 內部有嚴格的同步，不會出現(xiàn)抖動問題。 3．限時控制繼電器控制邏輯利用時間繼電器的滯后動作進行限時控制，時間繼電器一般分為空氣阻尼式，電磁式等，還有半導體時間繼電器，用時間繼電器實現(xiàn)定時控制會出現(xiàn)定時的精度不夠，定時時間易受環(huán)境變化的影響和時間調整困難等問題。有些特殊的時間繼電器結構復雜、維護不便。而 PLC 使用半導體集成電路作為定時器，時基脈沖由晶體振蕩器產生精度相當高， 定時器的定時范圍一般在 0． 1 秒至若干秒、若干分甚至更長。定時值可根據實際需要在程序中設定，定時精度小于 10ms，定時時間不受環(huán)境的影響，一旦調好，不會改變。 PLC還能完成計數(shù)功能，而繼電器控制邏輯一般沒有計數(shù)功能。 4．可靠性和可維護性繼電器控制邏輯使用了大置的機械觸點，連線多，觸點在開閉時會受到電弧的損壞，壽命短，因此可靠性和可維護性差。而 PLC 采用微電子技術，大量的開關動作由無觸點的半導體電路完成，體積小，功耗小，壽命長，可靠性高。 PLC 還配備了自檢和監(jiān)控功能，能檢查出自身故障，并隨時顯示出來還能動 態(tài)地監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況，為現(xiàn)場調試和維護提供了方便。 5．邏輯電路的設計和完成使用繼電器控制邏輯完成一項控制工程，設計、施工、調試必須順序進行，周期長，而且修改困難。 控制邏輯越復雜，這一缺點就越突出。而 PLC 完成一項控制工程，在系統(tǒng)設計完成以后，現(xiàn)場電路連接和邏輯的設計 (包括繼電器梯形圖和程序設計 )可以同時進行，周期短，調試和修改都很方便。 與單板機比較 1．不如 PLC 容易掌握使用單板機來實現(xiàn)自動控制，一般要使用微處理機的機器指令進行編程。這就要求設計者具有一定的計 算機硬件和軟件知識，對于那些只熟悉機電控制的技術人員來說，需要進行相當一段時間的系統(tǒng)學習才能掌握。而 PLC 雖然是微電腦系統(tǒng)。由 CPU、 ROM、RAM 固件和 I／ 0 接口等構成，但它提供給使用者的卻是電氣控制技術人員所熟悉的梯形圖語言，使用的術語仍然是繼電器這一技術術語，大部分指令與繼電器接點的串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)、并串聯(lián)等相對應，這就使得那些熟悉機電控制的工程技術人員一目了然，對于使用者來說，不必去關心微電腦的一些深層次技術問題，而只要用較短的時間去熟悉 PLC 的指令系統(tǒng)及操作方法即可。 2．不如 PLC 使 用簡單使用單板機來實現(xiàn)自動控制，一般要在輸入輸出接口上做大量的工作，如要考慮工程現(xiàn)場與單板機的連接，輸出驅動，接口的擴展，接口的工作方式等，除了要進行控制程序的設計，還要在單板機的外圍進行很多的硬件和軟件的工作才能與控制現(xiàn)場連接起來，調試也比較繁瑣。而 PLC 的輸入輸出接口已經做好，輸人接口可以與無電壓開關直接連接，非常方便，輸出接口具有一定的驅動能力，如用繼電器輸出，輸出的觸點容量可達 220V、2A，能適應一般的控制要求，而且在輸入接口有光電耦合環(huán)節(jié)，使現(xiàn)場的干擾信號不容易進人PLC。 15 3．不如 PLC 可靠使用單板機進行工業(yè)自動控制，最突出的問題是抗干擾性能差，工作環(huán)境條件要求高。而 PLC 是專門用于工業(yè)自動化控制的，在設計和制造過程中采用了抗干擾措施，穩(wěn)定性和可靠性高。如 PLC 具有較強的自診斷功能，保證在硬件 (如 CPU、 RAM、 I／ O 總線等 )都正常的情況下才執(zhí)行控制程序，一旦出現(xiàn)硬件故障則立即給出信號，并停止控制程序的執(zhí)行，等待修復。有些高檔的 PLC 具有 CPU 并行